石墨烯相關實驗的學生素質培養模式探索

李 伯 平

(南開大學 化學國家級實驗教學示范中心， 天津 300071)

0 引 言

從10年前的“錢學森之問”到當下的“中國制造2025”，凸顯國家對卓越人才的急切需求。傳統的本科教育以知識與技能的教學為重點，很少顧及學科興趣、情懷、夢想的培育，學生難于從中了解學科的未來價值在哪里、他們的方向在哪里、他們該如何去創造人生價值與社會價值。

然而，大量的素質研究結論表明[1-5]，一個人是否能為社會創造價值、創造多少價值雖然與他的知識能力有關，但關鍵在于他的價值觀、品格和夢想。如果學生的價值觀、品格有問題，那么其知識和能力將很難轉化為社會價值，在極端的情況下甚至可能成為社會的負能量。另一方面，沒有夢想支撐的人生不會有力量攻堅克難，成就卓越。因此，一所出色的大學，除了應該竭盡所能傳授知識、培養學生的學術能力之外，還應該有能力、有規劃去塑造學生的靈魂[5]，否則，它所描繪的素質教育“藍圖”是不完整的。

因此，傳統本科教育模式需要改革，可以從一門簡單的課程、一個小小的實驗、一次簡短的師生對話開始。作者選擇石墨烯相關的研究內容，設計了“走入前沿、發現價值、激發興趣、培育夢想——石墨烯相關系列研究性實驗”，嘗試將綜合化學實驗的首要目標轉至展示學科價值、激發興趣、培育激情與夢想和提升解決問題能力的方向。

1 學生學科興趣與夢想的缺失

如果在課堂里有一大半學生坦言對本學科沒有多少興趣，不知道有多少老師可以坦然接受。事實上這樣的狀況在許多學校已是常態[6-9]。從對化學院本科學生的調研發現，學生對學科的喜好程度隨著在學時間的延長而降低，到大三時真正熱愛化學的人數只有16%，55%的學生對化學的興趣一般，而對化學“還能接受”以及明確“沒有興趣”的人數之和卻高達29%。這對化學院而言是個難以接受的結果，那些對本學科缺乏足夠興趣的學生將來很難會留在本專業領域長期工作，即使勉強留下也難有創新激情，很難取得出類拔萃的專業成就。

是什么導致如此嚴重的“興趣缺失”問題？招生方式局限、專業轉換不易、就業收入不高固然是重要客觀因素，但在課程架構、課程設計上對“興趣培養”投入不足也是重要原因之一[9]。大家高度認同的興趣才是最好的老師的觀點[10]，就當下本科教育而言，急需讓學生盡早走入學科前沿、發現學科價值、養成學科興趣，并引導他們關心重大學術問題和社會問題，進而幫助他們確立人生夢想。學校應該是學生“筑夢”的地方[11]，而不僅僅是一個人生的中轉站。

2 石墨烯相關系列實驗的構架

石墨烯相關系列實驗是高強度、系統化的研究性實驗。其中部分流程是指定的，包括“石墨烯改變世界”、實驗方案研討、氧化石墨烯與石墨烯的制備；其它流程則依據學生提交的研究方案確定，包括石墨烯的功能化、金屬氧化物納米片的制備、柔性復合膜與超級電容的制備、柔性鋰硫電池制備、各種表征等。實驗至少需進行4天，2017年度實驗的實施流程見圖1。

3 石墨烯相關系列實驗的內涵特征

3.1 承載了特別的教育理念

中心嘗試把實驗課程當作一個載體，將“能力、興趣、情懷、夢想重于知識”的價值觀載入其中，將實驗室轉變成展現非凡學科魅力、培養學生的學科興趣以及人文精神、培育夢想、造就杰出學術能力的“綜合素質塑造營地”。

圖1 2017年度石墨烯相關系列實驗實施流程

實驗課程需要容納充實的知識、技能訓練內容，更需要導入最前沿的頂級科技成果、創造性的思維方法、面向未來的學術價值，甚至植入昂揚的人文精神，藉此引領學生去感受當下科技的脈動、關切重大學術問題與社會需求、體驗科技改變世界的宏大力量，使實驗課程具有開拓眼界、激發興趣、鼓動創新、強化學術能力、培養情懷與夢想的作用。

3.2 優選可承載教學理念的課程內容

普通前沿科技相關內容的承載力有限，要求所選實驗內容能同時滿足以下四個關鍵特征：① 涉及當下科技最前沿最熱方向之一;② 相關成果的學術價值、社會和經濟價值特別巨大;③ 涉及有異于常規實驗的創新方法;④ 相關知識與技能有很高學術價值。

石墨烯是當今料材料科技領域最璀璨的那顆“星”。未來若干年，石墨烯在很多領域將會有革命性應用，徹底改變日常生活。例如：鋰硫電池[12]、鋰空氣電池[13]技術的突破將帶來續航超過1 000 km的電動汽車，大幅推進能源革命的進程，大氣環境污染問題、氣候問題有望得到徹底解決；超薄、超靈敏傳感技術完成后，功能強大的可穿戴式醫療和健康監測設備將會出現[14]，夢想中的在線診治和健康監護將變成現實，人們的健康水平將因此得到大幅提升。同時，相關技術成果將創造萬億級的商業機會。石墨烯相關科技研究向我們展示了一個特別美好的未來世界，其研究內容完全具備前文所述的四個特征。

3.3 展示學科非凡魅力—激發興趣—培育夢想

如果化學不能將其生動、燦爛、非凡的一面展示給學生，那么化學就無法真正打動他們。前期研討的目的之一在于讓學生重新發現化學之美，理解“沒有化學，世界就沒有未來”的內涵。

在研討會上老師做一個開場演講，解析化學如何為解決健康、環境等重大社會問題做出杰出貢獻，同時向學生傳遞“知中國服務中國”“允公允能、日新月異”的人文精神。

每位學生有機會做約7 min的PPT演講，分別涉及石墨烯與超導、超級電容[15]、鋰硫電池、鋰空氣電池、導電功能材料、催化材料、傳感器相關的頂級學術成果，就石墨烯潛在的非凡學術價值、社會與經濟價值進行研討，感受化學的“正能量”。

這樣的專題研討讓學生從生硬的教科書中脫身，一下子站到今日化學主戰場的最前沿，“抬頭看化學”，他們會看到最近1～2個月內甚至幾天前報道的超重量級的創新成果，見識生動、燦爛、非凡的化學。

通過這樣的講、聽、問、答、辯過程，可以讓學生逐漸形成多維度、國際化的學術視野。

隨著研討的深入，他們還可以發現，雖然石墨烯相關研究的大幕已經拉開，但其未來價值遠未被充分挖掘，而且新的挑戰就在眼前。這有可能激發出他們濃厚的學科興趣與創新激情。

我們期待，通過這樣的學術的研討，可以在學生心中埋下一顆“改變世界”的偉大夢想的種子。

3.4 實驗中的磨難是學生成長的助推器

該課程有特別的價值觀與目標、有安全規則、有基本框架，但沒有傳統意義上的講義與教科書、沒有標準方案。對學生來說，該實驗幾乎就是一項真正的研究，是一次冒險，是一次大挑戰。

課程前期學生需要檢索、研究文獻資料，各自確定研究方案，然后在研討會上提出來討論，老師從價值、創新性、安全性與可操作性四個方面對學生方案進行評估，學生根據評估意見修正方案。所提方案未被核準的學生會得到參考方案。

即使是修正過的學生自選方案往往還會存在不少問題，而老師提供的參考方案，會刻意預留種種困難(坑)。老師會挑出其中比較復雜的問題作為“挑戰”項目，所有學生都有機會為此提供解決方案。

學生在實驗過程中還會突遇各種意外問題與困難，他們依然是解決這些問題與困難的第一責任人，老師的指導與幫助一般只會在學生努力過后才會出現。

學生在不斷遭遇、克服難題的“磨難”過程中，或主動或被迫“殫思極慮”地去探析問題本質、融會貫通所學、發散思維，這樣的高強度錘煉有利于快速完善和增強他們的學術能力。

3.5 實驗包含豐富的知識內容

實驗課程強調能力、興趣、情懷、夢想重于知識，但并沒有忽視知識的傳授。實驗過程較長，研究內容較多，涉及近30臺套在常規本科實驗中沒有接觸過的儀器裝備，知識量極為豐富。

2017年度的實驗內容規劃為：

(1) 石墨的插層氧化。

(2) 氧化石墨的分離、純化與剝離。

(3) 氧化石墨烯的還原;① 水相化學還原;② 還原氣氛下的高熱還原;③ 微波作用下深度還原。

(4) 氧化石墨烯與石墨烯的冷凍干燥。

(5) 石墨烯的改性與功能化。

(6) 氧化石墨烯與石墨烯的應用；① 氫氧化鎳納米片的制備；② 柔性復合膜電極的制備；③ 柔性超級電容的制備。

(7) 系列表征；① 衰減全反射紅外光譜測試；② X射線粉末衍射測試；③ N2吸附比表面積測試；④ 高分辨透射電鏡測試；⑤ X射線光電子能譜測試；⑥ 拉曼光譜測試；⑦ 電導率測試；⑧ 電化學綜合性能測試以及充放電測試。

3.6 融入了創新觀念、創造性思維訓練

中心將“時時處處可創新”的觀念融入課程，激揚探索精神，鼓動學生挑戰傳統、提出創見。高度寬容因創新帶來的實驗意外或失敗，保護學生的創新熱情。

實驗引入了不少創新，這些創新既為實驗的安全、快速完成創造了條件，同時也成為創新教育的生動樣本，創新技法與理念被融入其中，成為教學的重要內涵之一。例如：① 利用“開放式反應器”使發生爆炸的可能性降低到零;② 設計“安全反應箱”實現20個樣品的批量、安全反應;③ 將反應方案簡化到極致而又能保證結果的完美性;④ 研制了“超低成本、高安全性氣體保護微波固相還原裝置”;⑤ 設計了全覆蓋式人體防護方案(采用帶袖套的防腐蝕阻燃罩衣、防爆透明面罩、安全帽等)。

在具體做法上，先把問題或傳統的方案提出來，給學生大膽設想的時間，最后公開已有的創新方案;老師從創新的方法、特征、價值、思維邏輯等方面作對比解析。如果學生設想的方案有較好的創新性和可操作性，就會應急準備研究條件讓他們嘗試。

讓學生在實踐中持續不斷地參與創新至少可以實現四個方面的價值，① 學生可以真切感受創新的價值；② 讓學生感悟到創新并不難，可以隨時隨地進行；③ 持續的創新行動有利于讓學生養成創新習慣；④ 讓參與創新者獲得樂趣與成就感，這一點意義重大。在實驗中，創新者會收獲不同形式的激勵，例如獲得激勵性加分，發表論文、申請專利，獲得“杰出創新表現證書”。

當創新逐漸成為學生日常的思維習慣時，他們就會不習慣于、甚至厭惡于不創新了。我們不奢求每位學生都可以做出這樣的改變，但我們期待可以改變更多的人。

3.7 在實踐中培養學生的安全防護能力

開設石墨烯相關系列實驗的難度不僅在于實驗比較復雜、耗時長、所用儀器多，而且石墨烯制備是個比較“危險”的實驗，涉及濃硫酸、高錳酸鉀、石墨等藥劑參與的強氧化放熱反應，有潛在的爆炸危險，如何克服實驗中的安全風險是個很大的挑戰。為此，特設計了有7項“過度”防護措施的安全防護方案。3年多的實踐證明，該方案為實驗設置了多重安全防線，有很高的安全冗余，使實驗具有很好安全性。

實踐表明，在實驗中讓學生經歷適度的“危險”，養成“安全冗余”意識，學會設計安全防護方案，為未來獨立開展科技研究準備好足夠的安全防護能力，這樣做是可行的，頗有價值。

3.8 創建學生綜合素質的評價新模式

在實驗中常有學生提出“異想天開”的創意，這正是我們所渴求的，無論最終結果如何，他們的勇敢探索精神都很值得賞識。如果采取傳統的模式來考評“石墨烯相關系列實驗”中的學生成績，無疑與實驗的宗旨相背離。為此，我們確定了量化評定學生綜合素質的新原則：① 學生課程成績的差異主要源自多個方面的不同——基本素養，思維的活躍性，質疑與探索精神，熱情與激情，創造力，奉獻精神，觀察、分析實驗現象的能力，發現問題、臨場應變、解決問題的能力，遵守安全規則，不該有的實驗失誤，團隊協作與管理能力，研究報告是否完整、嚴謹、有邏輯性、無抄襲，對實驗現象與結果的分析是否合理。② 實驗結果好壞或實驗過程的成敗不作為測評項。③ 學生成績不受“正態分布要求”局限。

新模式兼顧了量化、公平、準確、易操作要求，其價值不僅在于它可以比較準確地評判學生綜合素質的高低，還在于它可以成為培養創新人才清晰可見的方向標，進而發揮引導作用。此外，公正客觀的評價和合理的利益分配規則是這個世界上彌足珍貴的正能量，會激勵年輕人奮發前行。

4 實驗課程所取得的成效

研究性的石墨烯相關系列實驗讓南開化學院的學生在本科階段就有機會走入這一前沿最熱領域，提出研究方案，親手制備、表征、改性、應用這種“神奇材料”，課程取得以下明顯效果：① 學生對即將進行的實驗充滿好奇、期待和激情。② 學生重新發現了化學的魅力，對學科的興趣提高了。③ 學生接觸了多個新興科技領域，運用了一系列新的儀器設備，形成了多維學術視野與能力。④ 學生的創新意識和能力普遍增強了。⑤ 學生們基本具備了獨立開展石墨烯相關或類似研究的能力，綜合學術能力得到明顯提升。⑥ 學生們經歷了一次“冒險”，增強了安全防護意識與能力。⑦ 學生在課程中接受昂揚的人文精神熏陶。

雖然學生很多內心的感悟與變化無法完全察覺，但深信本實驗還是存在潛移默化的力量。

5 結 語

為了提升實驗課程的內涵與價值，把實驗課程轉化為一個載體，將“能力、興趣、情懷、夢想重于知識”的教學理念與價值觀載入其中，讓實驗室成為展現非凡學科魅力、培養學生學科興趣及人文精神、造就卓越學術能力、培育夢想的“綜合素質塑造營地”。

在實際操作中，優選符合“四個特征”的實驗內容，將新實驗課程設計成一場高強度、有挑戰性的研究實戰，并酌情導入一些價值元素，比如文獻檢索與解讀、前景展望、學術演講與研討、知識交叉與融合、探索與創新精神、創造性思維方法 、學術價值、團隊意識、評價與激勵模式創新、奉獻精神、家國情懷。

石墨烯相關系列實驗的成功探索，證明了新的教學模式可以被完美構建，通過石墨烯那閃耀的光芒，可以再一次將學生吸引到魅力無窮的化學世界中去，引領學生去追尋屬于他們的天空，激勵他們蛻變為改變世界的力量。