大學生課余研究計劃淺論及實例分析

陳健壯， 王立權， 李 默， 何 勁， 吳佳霖， 楊曉玲

（華東理工大學a．材料國家級實驗教學示范中心；b．材料科學與工程學院，上海200237）

0 引 言

黨的十九大報告闡明我國的發展進入新時代，以創新帶動發展是今后的主旋律。創新型人才成為我國高質量發展的第一位戰略資源。大力培養創新型人才，提高科學研究能力，為推動經濟和社會發展、科技成果向現實生產力轉化和提升國際綜合競爭力提供了重要保障［1-3］。培養高質量創新型人才一直是高校發展和改革的目標［4-5］?，F階段為了培養既具備創新意識和精神、創新實踐和可持續發展能力又適應經濟和社會發展需求的創新型人才［6］，高校急需大力提高大學生創新實踐項目的管理水平和實施效果。創新實踐項目的開展讓大學生了解科學前沿知識的同時，還可以激發他們的創新潛力并提升創新實踐能力［7］，有效推動教育現代化和實現教育強國。

1 大學生課余研究計劃項目

1.1 大學生課余研究計劃項目簡介

為了培育適應經濟和社會發展的高質量創新型人才，華東理工大學從2003 年開始實施大學生課余研究計劃（Undergraduated Student Research Program，簡稱USRP）。USRP項目是我校大學生創新實踐的重要內容［8］（見表1）。為了USRP 項目的順利實施，學校組建了大學生創新實踐活動指導委員會，并于2003 年制定了“華東理工大學關于大學生參與研究計劃（USRP）的實施意見”（校教字〔2003〕005 號），于2017年修訂了相關管理辦法制定了“大學生課余研究計劃（USRP）管理辦法（修訂）”（校教〔2017〕75 號）。

表1 華東理工大學大學生課余研究計劃（USRP）項目

1.2 大學生課余研究計劃項目分析

圖1 華東理工大學近5年USRP項目情況匯總表

迄今為止，我校USRP 項目已開展17 屆，近5 年來該項目開展情況（見圖1）。近5 年每年項目數都在400 項以上，參與學生人數都超過1 000 人，參與教師人數都在300 人左右。例如，2019 年第17 屆立項課題405 項，參與學生1 141 人，參與指導教師287 人。值得注意的是USRP項目開展第14 屆以后，項目數和參與人數都略有減少，主要原因是近年來學校在加大支持“大學生創新創業訓練計劃”的同時，還新增開展了“教學及興趣實驗項目”，使學生參與創新實踐的機會更加多樣化。USRP項目的開展既豐富了創新教育模式，又提高了大型儀器使用率和學校的創新教育水平。對參與USRP 項目的學生而言，有效激發了創新潛能，提高了獨立分析和解決問題能力、表達和溝通能力，增強了團隊協作、自主創新實踐和可持續發展能力，在就業、考研和出國留學的競爭力得到普遍提高。

USRP 項目已取得了較好的實施效果，但在項目開展過程中仍然存在一些問題，現總結相關建議如下：

（1）要充分體現學生的主體地位?，F階段USRP項目方案大多由教師提出，完全由學生個人或團隊提出的很少。在項目開展過程中，只有充分保證學生的主體地位、獨立開展項目，才能充分激發學生的創新潛力和創新精神，為學生的長遠發展打好基礎。

（2）將USRP項目與本科教學的其他環節結合起來。部分學生是為了就業、考研和保研等目的參與USRP 項目，缺少實踐的積極性和主動性。要促進USRP項目與課堂教學、興趣小組、專業實踐、教改研究、科研成果轉化、企業實習、畢業論文（設計）、各級各類學科競賽等有機的銜接和結合，與學生的專業知識和興趣結合，鼓勵交叉學科或跨專業領域的研究，全面加強與推進創新實踐教育系統化。

（3）完善和加強教師創新激勵制度。指導教師往往受科研或教學等事務影響，對USRP 項目的投入不夠。這就需要參與教師具有高度的責任感和奉獻精神，在掌握培養學生創新能力的技巧和方法的同時，注重勉勵學生大膽說出自己的想法。為鼓勵更多的教師投入更多的精力培養學生創新能力，學校應改革教師晉升或獎勵等激勵制度。

（4）倡導教師和研究生協同指導。為了減輕指導教師對USRP項目的指導壓力（例如：減少一些基本實驗操作的重復性指導等），可以培養部分優秀研究生作為輔助指導教師，實現對學生更加全面的指導。

（5）鼓勵更多的教師去奉賢校區實施USRP 項目。學生從奉賢校區到徐匯校區參加項目往返耗時約2 h，學校應繼續加大對教師在奉賢校區創新實驗室或實驗平臺實施USRP 項目的支持力度，讓學生將寶貴的時間用于創新實踐。

（6）與企業合作促使項目研究更接近實際生產和應用。大學生參與USRP項目做出的創新成果往往停留在理論或概念層面，難以在實際中得到應用?？梢詫⒁恍┢髽I需要解決的實際問題引入到USRP項目研究中，在避免“產學研用”分離的同時，形成學校與企業共贏的局面。

2 大學生課余研究計劃項目實例

2.1 藥品與試劑

聚苯乙烯PS（Mn＝1． 03 × 104，PDI ＝1． 12）、聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸PS206-b-PAA24（由PS206-b-PtBA24（Mn＝2． 48 × 104，PDI ＝1． 18）水解得到）和聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸PS285-b-PAA24（由PS285-b-PtBA24（Mn＝3． 30 × 104，PDI ＝1． 13）水解得到）參考文獻制備［9］。三氯甲烷、乙醇等從上海泰坦科技股份有限公司購買，分析純。

2.2 薄膜的制備與表征

分別配置不同濃度的聚合物氯仿溶液，在15 ℃下，60 mL廣口瓶內在一定的濕度（RH ＝80%）水氣或乙醇氛圍，將10 μL聚合物溶液滴到0． 5 cm × 0． 5 cm的玻璃片上并密封，溶劑揮發后就制得了聚合物薄膜。

通過接觸角測量儀（JC2000D2）測薄膜親疏水性能，共測5 次，取平均值；通過掃描電子顯微鏡（JCM-6000）對噴金處理的薄膜形貌進行觀察。

2.3 呼吸圖法制備聚合物多孔薄膜

呼吸圖法（Breath Figures，BF）因經歷水蒸氣遇冷凝結過程而得名［10］。研究表明，可以穩定水滴形狀和用于制備薄膜的可溶聚合物均可用于呼吸圖薄膜的制備。呼吸圖法是一種簡便的大面積制備具有規整表面形貌薄膜的組裝技術［11-12］。因具有成本低、操作簡捷、模板（水滴等）能夠揮發去除等特色，在眾多領域展現出了廣闊的應用潛力［10-14］。呼吸圖法的過程一般會受到聚合物結構和種類、濃度、溶劑、溫度、濕度或非水氣氛等因素的影響［10，15-16］。常用的呼吸圖法中靜態氣氛法在成膜過程中有效防止了潮濕氣流的擾動，展現出較好的重復性，受到越來越多的重視。該文USRP項目研究實例選用的就是靜態氣氛法。

選用第16 屆結題的USRP 項目（編號：201700362）為例。該USRP項目系統研究了聚合物種類，濃度和氛圍（水或乙醇）等條件對制得的薄膜表面形貌及性質的影響，通過掃描電鏡（SEM）和接觸角等表征手段，探究制備具有規則表面形貌的薄膜材料的最佳條件。為了對比研究選用了PS、PS206-b-PAA24和PS285-b-PAA24為原料，通過靜態呼吸圖法制備聚合物多孔和微球薄膜。

首先，對不同濃度（5． 0 ～30 mg ／ mL）的PS樣品進行研究，水氣氛中制得的薄膜的掃描電鏡圖片見圖2。在較低的濃度［5 和10 mg ／ mL，圖2（a），（b）］下形成的薄膜的表面存在較多的裂紋，并且孔徑分布不均勻；當濃度升高到20 mg ／ mL，薄膜表面沒有觀察到裂紋的存在，并且孔徑分布變得均勻［圖2（c）］；當濃度升高到30 mg ／ mL，薄膜表面孔徑分布較20 mg ／ mL略微變差（圖2d）。通過PS 薄膜的接觸角數據［圖2（a）～（d）］可見，5． 0 mg ／ mL濃度下制備的薄膜孔徑分布最不均勻，接觸角最?。?02°）；20 mg ／ mL 濃度下制備的薄膜孔徑分布最均勻，接觸角最大（106°）。

然后，對不同濃度（20． 0 ～100． 0 mg ／ mL）PS206-b-PAA24樣品進行研究，水氣氛中制備的薄膜的掃描電鏡圖片見圖3。在較低的濃度（20 ～50 mg ／ mL）下形成的薄膜表面既有微米孔也有納米孔，孔徑分布并不均勻［圖3（a）～ （c）］；濃度升高到100 mg ／ mL，多級孔的現象消失且薄膜表面孔徑分布變得均一［圖3（d）］。通過PS206-b-PAA24薄膜接觸角數據［圖3（a）～ （d）］可見，20 mg ／ mL 濃度下制備的薄膜孔徑分布最不均勻，接觸角最?。?09°）；100 mg ／ mL 濃度下制備的薄膜孔徑分布最均勻，接觸角最大（118°）。

圖2 通過呼吸圖法制備的PS薄膜的SEM圖片

圖3 通過呼吸圖法制備的PS206-b-PAA24薄膜的SEM圖片

接著，對不同濃度（10． 0 ～150 mg ／ mL）PS285-b-PAA24樣品進行研究，水氣氛中制備的薄膜的掃描電鏡圖片見圖4。在較低的濃度［10 mg ／ mL，圖4（a）］下形成的薄膜的孔徑分布不均勻；當濃度升高到20 mg ／mL，薄膜表面孔徑分布變得較為均勻［圖4（b）］；當濃度升到30 mg ／ mL 以上，薄膜表面孔徑分布變得很均勻，且隨著濃度的升高孔徑出現變小的趨勢［圖4（c）～（f）］。通過PS285-b-PAA24薄膜的接觸角數據［圖4（c）～（f）］可見，10 mg ／ mL濃度下制備的薄膜孔徑分布最差，接觸角最小（110°）；濃度大于30 mg ／ mL的樣品制備的薄膜孔徑分布都很均勻，接觸角都較大（114°以上）。表明PS285-b-PAA24可以在較高濃度范圍內制備出表面具有規則孔形貌的薄膜。相較于PS206-b-PAA24只有在較高濃度（100 mg ／ mL）下才能制備出表面孔徑分布均一的薄膜［圖3（d）］。說明對于具有同樣的親水鏈段長度的PAA24-b-PS，疏水鏈段的長度對其組裝性能也會產生較大影響。

圖4 通過呼吸圖法制備的PS285-b-PAA24薄膜的SEM圖片

2.4 呼吸圖法制備聚合物微球薄膜

除了濃度，改變環境氛圍同樣對薄膜表面形貌產生較大影響。通過掃描電鏡對不同濃度（5． 0 ～20． 0 mg ／ mL）的PS 樣品在乙醇氛圍中制備的薄膜表面形貌研究發現，該濃度范圍內形成的薄膜都為表面光滑的圓球狀組裝體，并且濃度對球的粒徑分布影響并不大［圖5（a）～（c）］。通過3 種濃度制備的PS微球薄膜的接觸角數據［圖5（a）～（c）］可見，薄膜接觸角變化不大；但PS微球薄膜相對于同樣的濃度制備的PS多孔薄膜，接觸角上升了36° ～40°［圖2（a）～ （c）］。充分說明了PS的不同組裝形態對薄膜親疏水性能具有較大的影響。進一步制備了乙醇氛圍中PS285-b-PAA24的微球薄膜［圖5（d）］，為表面粗糙的圓球狀組裝體。通過PS285-b-PAA24微球薄膜的接觸角數據［圖5（d）］可見，PS285-b-PAA24微球薄膜相對于同樣的濃度（10 mg ／ mL）制備的PS285-b-PAA24多孔薄膜，接觸角上升了41°［圖4（a）］。充分說明了PS285-b-PAA24的不同組裝形態對其薄膜親疏水性能具有較大的影響。

圖5 通過呼吸圖法在乙醇氣氛中制備的PS 和PS285-b-PAA24薄膜的SEM圖片

3 結 語

USRP項目是我校大學生創新實踐的重要內容。分析和總結了我校USRP 項目開展情況，提出了進一步提高該類項目管理水平和實施效果的措施和方法。展示了呼吸圖法制備聚苯乙烯（PS）和聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸（PS-b-PAA）多孔或微球薄膜的研究項目的相關研究內容和實施效果。參與項目的學生在深入理解呼吸圖法這種前沿科學知識的同時，提高了獨立處理和分析問題的能力，激發了學習興趣和創新潛力，增強了創新實踐和可持續發展能力，對培養高質量創新型人才具有很好的借鑒意義。