問(wèn)題清單法促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的本科生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李 萍， 唐正姣， 麥丙琳， 趙流勇， 張志琦， 樊宇天

（武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，綠色化工過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，磷資源開(kāi)發(fā)利用教育部工程研究中心，武漢 430205）

0 引言

為提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造能力，本校鼓勵(lì)教師加大課程整合力度，推廣實(shí)施創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；鼓勵(lì)本科生自主選擇導(dǎo)師進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，并以團(tuán)隊(duì)形式申報(bào)“大學(xué)生校長(zhǎng)基金”。

本團(tuán)隊(duì)探索了本科生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)，提出了基于OBE教學(xué)理念的三段式訓(xùn)練法和問(wèn)題清單法，讓學(xué)生深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)涵式發(fā)展。相對(duì)于機(jī)械學(xué)習(xí)、死記硬背、知其然而不知其所以然的淺層學(xué)習(xí)，深度學(xué)習(xí)一方面強(qiáng)調(diào)通過(guò)教師的引導(dǎo)促進(jìn)學(xué)生建立高級(jí)認(rèn)知和高階思維；另一方面強(qiáng)調(diào)價(jià)值觀的培養(yǎng)，指向立德樹(shù)人，指向未來(lái)發(fā)展核心素養(yǎng)。以“量子點(diǎn)敏化提高光催化劑性能實(shí)驗(yàn)”設(shè)計(jì)為例，引導(dǎo)學(xué)生從列出問(wèn)題清單“做什么—如何做—結(jié)果如何”，再到實(shí)施計(jì)劃并落實(shí)，到最后總結(jié)及評(píng)價(jià)，訓(xùn)練學(xué)生“目標(biāo)-實(shí)施-評(píng)價(jià)”的科學(xué)思維，同時(shí)在具體實(shí)施中給予學(xué)生最大自主權(quán)，讓學(xué)生從選擇自己感興趣的課題入手，到自主探索并解決科學(xué)問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，力求創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)效果落到實(shí)處。

1 三段式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本科生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是在導(dǎo)師引導(dǎo)下，學(xué)生自選課題完成研究，寫(xiě)出一定質(zhì)量的研究報(bào)告，建立科學(xué)邏輯思維與辯證思維，提升學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型人才［1］。針對(duì)以上問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)制定了“基礎(chǔ)訓(xùn)練—申報(bào)／主持課題—結(jié)題”三段式訓(xùn)練方案（見(jiàn)圖1）。力求實(shí)驗(yàn)集“趣味性、探究性、挑戰(zhàn)性”于一體，真正起到激發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)、提高學(xué)生技能、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的作用。

圖1 三段式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.1 基礎(chǔ)訓(xùn)練

以“量子點(diǎn)敏化提高光催化劑性能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”為例，①設(shè)立專(zhuān)題課，講解光催化與量子點(diǎn)概念與應(yīng)用、文獻(xiàn)檢索方法及平臺(tái)應(yīng)用，推薦參考書(shū)目；②進(jìn)行實(shí)驗(yàn)技能的培訓(xùn)。導(dǎo)師示范重點(diǎn)步驟與操作，學(xué)生逐步熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)習(xí)樣品制備、性能測(cè)試、分析表征等操作。

1.2 申報(bào)／主持課題

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)自主性、創(chuàng)新性，重在過(guò)程與質(zhì)量。經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研與基礎(chǔ)訓(xùn)練后，學(xué)生凝練創(chuàng)新點(diǎn)，自主提出研究課題，回答“做什么”的問(wèn)題，進(jìn)入課題申報(bào)階段。

以“量子點(diǎn)敏化提高光催化劑性能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為例，能源危機(jī)和環(huán)境污染是當(dāng)今社會(huì)亟需解決的兩大問(wèn)題，人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展觀念越來(lái)越深入人心［2］。TiO2因催化活性高、化學(xué)穩(wěn)定性好、無(wú)毒無(wú)污染、成本低等成為極具應(yīng)用前景的半導(dǎo)體催化材料之一。但是TiO2只能夠被紫外光激發(fā)，其次TiO2激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)極易復(fù)合［3］。通過(guò)碳量子點(diǎn)敏化，可以將TiO2的吸光范圍延伸至可見(jiàn)光區(qū)域甚至近紅外區(qū)域［4］，此外，碳量子點(diǎn)既是優(yōu)良的電子給體，又是電子受體，可以促進(jìn)光催化過(guò)程電子與空穴高效分離［5］。文獻(xiàn)中或以二氧化鈦納米晶，或以二氧化鈦納米管為研究對(duì)象，研究該催化劑改性前后的催化性能，而二氧化鈦納米晶或二氧化鈦納米管形貌不同，經(jīng)過(guò)同樣方法改性后，兩者提升效果究竟有何差異，并沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)道。為此，學(xué)生自主提出“TiO2形貌對(duì)量子點(diǎn)敏化提高光催化性能的影響”的實(shí)驗(yàn)課題，自主擬定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃與方案（見(jiàn)圖2）。

圖2 實(shí)驗(yàn)計(jì)劃與方案

搭建實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖3），自主開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。研究過(guò)程中導(dǎo)師只起監(jiān)督和引導(dǎo)作用，指導(dǎo)過(guò)程中不給出決策意見(jiàn)，始終注意引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，自主解決問(wèn)題，完成“怎么做”的問(wèn)題。

圖3 光催化降解裝置示意圖

針對(duì)每一步實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。首先研究了碳量子點(diǎn)對(duì)二氧化鈦納米晶nc-TiO2的敏化效果。

（1）CQDs、nc-TiO2、CQDs／nc-TiO2的制備及表征。圖4 為CQDs和CQDs／nc-TiO2的透射電鏡圖，從圖4（a）中可以觀測(cè)到分散均勻的近球形CQDs顆粒；圖4（b）表明，所制備的CQDs的粒徑分布在0.8 ～1.8 nm，平均粒徑1.3 nm，粒徑分布集中。而圖4（c）和（d）表明制備的nc-TiO2呈類(lèi)立方體狀，分散性較好，粒徑分布在8 ～22 nm，平均粒徑約15 nm，且nc-TiO2納米晶表面均勻分布了CQDs。

圖4 顆粒透射電鏡和粒徑分布圖

圖5為各樣品的XRD 譜圖。結(jié)果表明，nc-TiO2和CQDs／nc-TiO2在25.28°、37.80°、48.05°、53.89°、55.06°、62.69°處有較強(qiáng)的衍射峰出現(xiàn)，與二氧化鈦銳鈦礦晶型（JCPDS：21-1272）衍射峰一致，說(shuō)明制備的樣品中二氧化鈦晶型為銳鈦礦晶型［6］。CQDs 敏化后，二氧化鈦峰位置沒(méi)有改變，說(shuō)明復(fù)合后二氧化鈦晶型沒(méi)有改變，而且復(fù)合后也沒(méi)有新的峰出現(xiàn)，可能是CQDs量太少，其衍射峰太弱無(wú)法觀測(cè)到。

圖5 nc-TiO2 和CQDs／nc-TiO2 的XRD圖

nc-TiO2和CQDs／nc-TiO2的吸收光譜如圖6 所示。nc-TiO2的吸收邊位于380 nm左右，當(dāng)波長(zhǎng)在380～500 nm時(shí)，吸光度急劇下降，在500 nm以上區(qū)域吸光度接近于0。經(jīng)過(guò)CQDs敏化后，強(qiáng)紫外區(qū)吸光度沒(méi)有變化，而在380 ～500 nm 的可見(jiàn)光區(qū)光吸收率有所上升。說(shuō)明CQDs／nc-TiO2在可見(jiàn)光區(qū)的光響應(yīng)增強(qiáng)，這對(duì)TiO2光催化性能有著重要的意義［7］。

圖6 nc-TiO2 和CQDs／nc-TiO2 的UV-Vis吸收光譜

（2）CQDs 敏化提高nc-TiO2光催化性能。nc-TiO2和CQDs／nc-TiO2的RhB 光降解性能結(jié)果如圖7所示。很明顯，CQDs／nc-TiO2光催化速率高于nc-TiO2，CQDs／nc-TiO2的反應(yīng)速率常數(shù)為nc-TiO2的1.89倍。

圖7 nc-TiO2 和CQDs／nc-TiO2 光催化降解羅丹明B一級(jí)動(dòng)力學(xué)模擬

接著，制備了二氧化鈦納米管TNTs，對(duì)其進(jìn)行碳量子點(diǎn)CQDs敏化，考察其敏化效果。

（1）CQDs、TNTs、CQDs／TNTs 的制備及表征。CQDs／TNTs的掃描電鏡及透射電鏡如圖8 所示。圖8（a）顯示出水熱法制備的TNTs 為無(wú)序的纖維絲狀納米管，大量絲狀TNTs 纏繞在一起，中間有大量孔隙；而由圖8（b）透射電鏡圖可觀測(cè)到清晰的管狀結(jié)構(gòu)，管長(zhǎng)約200 nm，管徑約10 nm，壁厚約3 nm。同時(shí)TEM圖中可觀測(cè)到CQDs 成功負(fù)載在TNTs 管內(nèi)及管外壁面上并形成異質(zhì)結(jié)，這將有利于促進(jìn)光生電子從CQDs遷移至TNTs的導(dǎo)帶，并沿著TNTs 軸向進(jìn)行傳輸，從而大大提高光生載流子的分離和遷移速率，提高光催化活性［8］。

圖8 CQDs／TNTs的掃描電鏡圖（a）和透射電鏡圖（b）

在圖9 中，TNTs 和CQDs／TNTs 的XRD 譜在25.28°、37.80°、48.05°、62.69°等處出現(xiàn)較強(qiáng)的衍射峰，其位置及強(qiáng)度與二氧化鈦銳鈦礦晶型（JCPDS No.21-1272）的（101）、（004）、（200）、（204）晶面相對(duì)應(yīng)。同時(shí)，TNTs和CQDs／TNTs 在27.45°、36.09°、39.19°、41.23°、44.05°、54.32°、56.64°、69.01°、69.79°處出現(xiàn)了與二氧化鈦金紅石晶型（JCPDS No.21-1276）對(duì)應(yīng)的（110）、（101）、（200）、（111）、（210）、（211）、（220）、（301）、（112）晶面衍射峰。說(shuō)明制備的TNTs，不僅含有銳鈦礦二氧化鈦，還有一部分是金紅石二氧化鈦［9］，是兩種晶型的混合物，但銳鈦礦居多。同時(shí)，仍然發(fā)現(xiàn)CQDs 復(fù)合后樣品中并沒(méi)有新峰出現(xiàn)，說(shuō)明CQDs負(fù)載量極低。

圖9 TNTs和CQDs／TNTs的XRD圖

圖10為T(mén)NTs 和CQDs／TNTs 的UV-Vis 吸光譜，CQDs／TNTs的吸光范圍從紫外光區(qū)延伸至可見(jiàn)光區(qū)，波長(zhǎng)在380 ～500 nm的可見(jiàn)光吸收率明顯上升。

圖10 TNTs和CQDs／TNTs的UV-Vis吸光譜

（2）CQDs 敏化提高TNTs 光催化性能。TNTs 和CQDs／TNTs光催化性能結(jié)果如圖11 和表1 所示。TNTs和CQDs／TNTs均具有較強(qiáng)的光催化降解羅丹明B的活性，但CQDs／TNTs 催化活性顯著高于TNTs，CQDs／TNTs的反應(yīng)常數(shù)值是TNTs 的2.07 倍。說(shuō)明CQDs敏化可以明顯提高TNTs的光催化性能。

表1 各樣品CQDs敏化前后的光催化反應(yīng)常數(shù)k

圖11 TNTs和CQDs／TNTs光催化降解羅丹明B一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬

最后比較了CQDs 敏化對(duì)不同二氧化鈦材料（納米晶nc-TiO2與納米管TNTs）光催化性能提升效果。比較圖7 和圖11 中各催化劑的動(dòng)力學(xué)常數(shù)，如表1所示。

分析結(jié)果如下：

（1）TNTs和nc-TiO2相比，TNTs的光催化活性比nc-TiO2要高，其原因在于TNTs的管狀結(jié)構(gòu)有助于光生載流子沿軸向遷移，光生載流子的分離與傳遞速率提高，故光催化性提高，TNTs的光催化活性是nc-TiO2的1.73 倍。即TNTs 的光催化性能優(yōu)于nc-TiO2。同樣敏化后的CQDs／TNTs 和CQDs／nc-TiO2相比，CQDs／TNTs 的活性是CQDs／nc-TiO2的1.90 倍。即CQDs／TNTs的光催化性能優(yōu)于CQDs／nc-TiO2。

（2）碳量子點(diǎn)敏化后，無(wú)論是CQDs／nc-TiO2還是CQDs／TNTs，光催化均明顯好于敏化前。但碳量子點(diǎn)敏化對(duì)TNTs 提升的效果相對(duì)nc-TiO2更加明顯：CQDs／nc-TiO2是nc-TiO2的1.89 倍，CQDs／TNTs 是TNTs的2.07 倍。提高的原因與不同形貌材料中光生載流子的分離與遷移速率有關(guān)［10］。

1.3 結(jié) 題

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與凝煉，回答“結(jié)果怎樣”的問(wèn)題，完成結(jié)題：結(jié)合樣品的形貌、XRD 及吸光譜表征，認(rèn)為CQDs 的敏化將二氧化鈦吸光范圍延伸到可見(jiàn)光區(qū)，提高光的利用率，從而提高了光催化性能。同時(shí)CQDs 與二氧化鈦之間形成異質(zhì)結(jié)，有利于光生載流子的分離和傳遞，降低了光生載流子的復(fù)合率，這也有助于光催化活性的提高［11］。而通過(guò)改變二氧化鈦材料的形貌，可以提高量子點(diǎn)敏化效果，二氧化鈦納米管的管狀結(jié)構(gòu)更有利于光生載流子的傳遞，因而其敏化效果更加顯著。

2 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)時(shí)首先要注意難度適中，要符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，由淺入深，引發(fā)學(xué)生的興趣與好奇心，同時(shí)還要具有一定的深度，有助于引發(fā)學(xué)生高階思維與創(chuàng)新思維，幫助其建立科學(xué)思維習(xí)慣［12］。最后要注意實(shí)驗(yàn)應(yīng)具有一定的廣度，首先知識(shí)覆蓋面要廣，其次要注意理論知識(shí)與社會(huì)實(shí)際的融合，引發(fā)學(xué)生對(duì)研究?jī)r(jià)值的探討。

本次訓(xùn)練通過(guò)基礎(chǔ)訓(xùn)練-申報(bào)／主持課題-結(jié)題三個(gè)階段，通過(guò)問(wèn)題清單，層層遞進(jìn)式訓(xùn)練，克服了學(xué)生基礎(chǔ)薄弱、學(xué)業(yè)任務(wù)重、完成效果差等問(wèn)題，通過(guò)本次創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)：①激發(fā)了學(xué)生的探究欲和實(shí)踐欲；②培養(yǎng)了學(xué)生新能源開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)意識(shí)；③進(jìn)一步鞏固學(xué)生對(duì)無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、分析化學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)的掌握；④提高了學(xué)生了查閱文獻(xiàn)、實(shí)驗(yàn)操作、邏輯分析以及歸納總結(jié)能力。