大学生课余研究计划浅论及实例分析

陈健壮， 王立权， 李 默， 何 劲， 吴佳霖， 杨晓玲

（华东理工大学a．材料国家级实验教学示范中心；b．材料科学与工程学院，上海200237）

0 引 言

党的十九大报告阐明我国的发展进入新时代，以创新带动发展是今后的主旋律。创新型人才成为我国高质量发展的第一位战略资源。大力培养创新型人才，提高科学研究能力，为推动经济和社会发展、科技成果向现实生产力转化和提升国际综合竞争力提供了重要保障［1-3］。培养高质量创新型人才一直是高校发展和改革的目标［4-5］。现阶段为了培养既具备创新意识和精神、创新实践和可持续发展能力又适应经济和社会发展需求的创新型人才［6］，高校急需大力提高大学生创新实践项目的管理水平和实施效果。创新实践项目的开展让大学生了解科学前沿知识的同时，还可以激发他们的创新潜力并提升创新实践能力［7］，有效推动教育现代化和实现教育强国。

1 大学生课余研究计划项目

1.1 大学生课余研究计划项目简介

为了培育适应经济和社会发展的高质量创新型人才，华东理工大学从2003 年开始实施大学生课余研究计划（Undergraduated Student Research Program，简称USRP）。USRP项目是我校大学生创新实践的重要内容［8］（见表1）。为了USRP 项目的顺利实施，学校组建了大学生创新实践活动指导委员会，并于2003 年制定了“华东理工大学关于大学生参与研究计划（USRP）的实施意见”（校教字〔2003〕005 号），于2017年修订了相关管理办法制定了“大学生课余研究计划（USRP）管理办法（修订）”（校教〔2017〕75 号）。

表1 华东理工大学大学生课余研究计划（USRP）项目

1.2 大学生课余研究计划项目分析

图1 华东理工大学近5年USRP项目情况汇总表

迄今为止，我校USRP 项目已开展17 届，近5 年来该项目开展情况（见图1）。近5 年每年项目数都在400 项以上，参与学生人数都超过1 000 人，参与教师人数都在300 人左右。例如，2019 年第17 届立项课题405 项，参与学生1 141 人，参与指导教师287 人。值得注意的是USRP项目开展第14 届以后，项目数和参与人数都略有减少，主要原因是近年来学校在加大支持“大学生创新创业训练计划”的同时，还新增开展了“教学及兴趣实验项目”，使学生参与创新实践的机会更加多样化。USRP项目的开展既丰富了创新教育模式，又提高了大型仪器使用率和学校的创新教育水平。对参与USRP 项目的学生而言，有效激发了创新潜能，提高了独立分析和解决问题能力、表达和沟通能力，增强了团队协作、自主创新实践和可持续发展能力，在就业、考研和出国留学的竞争力得到普遍提高。

USRP 项目已取得了较好的实施效果，但在项目开展过程中仍然存在一些问题，现总结相关建议如下：

（1）要充分体现学生的主体地位。现阶段USRP项目方案大多由教师提出，完全由学生个人或团队提出的很少。在项目开展过程中，只有充分保证学生的主体地位、独立开展项目，才能充分激发学生的创新潜力和创新精神，为学生的长远发展打好基础。

（2）将USRP项目与本科教学的其他环节结合起来。部分学生是为了就业、考研和保研等目的参与USRP 项目，缺少实践的积极性和主动性。要促进USRP项目与课堂教学、兴趣小组、专业实践、教改研究、科研成果转化、企业实习、毕业论文（设计）、各级各类学科竞赛等有机的衔接和结合，与学生的专业知识和兴趣结合，鼓励交叉学科或跨专业领域的研究，全面加强与推进创新实践教育系统化。

（3）完善和加强教师创新激励制度。指导教师往往受科研或教学等事务影响，对USRP 项目的投入不够。这就需要参与教师具有高度的责任感和奉献精神，在掌握培养学生创新能力的技巧和方法的同时，注重勉励学生大胆说出自己的想法。为鼓励更多的教师投入更多的精力培养学生创新能力，学校应改革教师晋升或奖励等激励制度。

（4）倡导教师和研究生协同指导。为了减轻指导教师对USRP项目的指导压力（例如：减少一些基本实验操作的重复性指导等），可以培养部分优秀研究生作为辅助指导教师，实现对学生更加全面的指导。

（5）鼓励更多的教师去奉贤校区实施USRP 项目。学生从奉贤校区到徐汇校区参加项目往返耗时约2 h，学校应继续加大对教师在奉贤校区创新实验室或实验平台实施USRP 项目的支持力度，让学生将宝贵的时间用于创新实践。

（6）与企业合作促使项目研究更接近实际生产和应用。大学生参与USRP项目做出的创新成果往往停留在理论或概念层面，难以在实际中得到应用。可以将一些企业需要解决的实际问题引入到USRP项目研究中，在避免“产学研用”分离的同时，形成学校与企业共赢的局面。

2 大学生课余研究计划项目实例

2.1 药品与试剂

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）参考文献制备［9］。三氯甲烷、乙醇等从上海泰坦科技股份有限公司购买，分析纯。

2.2 薄膜的制备与表征

分别配置不同浓度的聚合物氯仿溶液，在15 ℃下，60 mL广口瓶内在一定的湿度（RH ＝80%）水气或乙醇氛围，将10 μL聚合物溶液滴到0． 5 cm × 0． 5 cm的玻璃片上并密封，溶剂挥发后就制得了聚合物薄膜。

通过接触角测量仪（JC2000D2）测薄膜亲疏水性能，共测5 次，取平均值；通过扫描电子显微镜（JCM-6000）对喷金处理的薄膜形貌进行观察。

2.3 呼吸图法制备聚合物多孔薄膜

呼吸图法（Breath Figures，BF）因经历水蒸气遇冷凝结过程而得名［10］。研究表明，可以稳定水滴形状和用于制备薄膜的可溶聚合物均可用于呼吸图薄膜的制备。呼吸图法是一种简便的大面积制备具有规整表面形貌薄膜的组装技术［11-12］。因具有成本低、操作简捷、模板（水滴等）能够挥发去除等特色，在众多领域展现出了广阔的应用潜力［10-14］。呼吸图法的过程一般会受到聚合物结构和种类、浓度、溶剂、温度、湿度或非水气氛等因素的影响［10，15-16］。常用的呼吸图法中静态气氛法在成膜过程中有效防止了潮湿气流的扰动，展现出较好的重复性，受到越来越多的重视。该文USRP项目研究实例选用的就是静态气氛法。

选用第16 届结题的USRP 项目（编号：201700362）为例。该USRP项目系统研究了聚合物种类，浓度和氛围（水或乙醇）等条件对制得的薄膜表面形貌及性质的影响，通过扫描电镜（SEM）和接触角等表征手段，探究制备具有规则表面形貌的薄膜材料的最佳条件。为了对比研究选用了PS、PS206-b-PAA24和PS285-b-PAA24为原料，通过静态呼吸图法制备聚合物多孔和微球薄膜。

首先，对不同浓度（5． 0 ～30 mg ／ mL）的PS样品进行研究，水气氛中制得的薄膜的扫描电镜图片见图2。在较低的浓度［5 和10 mg ／ mL，图2（a），（b）］下形成的薄膜的表面存在较多的裂纹，并且孔径分布不均匀；当浓度升高到20 mg ／ mL，薄膜表面没有观察到裂纹的存在，并且孔径分布变得均匀［图2（c）］；当浓度升高到30 mg ／ mL，薄膜表面孔径分布较20 mg ／ mL略微变差（图2d）。通过PS 薄膜的接触角数据［图2（a）～（d）］可见，5． 0 mg ／ mL浓度下制备的薄膜孔径分布最不均匀，接触角最小（102°）；20 mg ／ mL 浓度下制备的薄膜孔径分布最均匀，接触角最大（106°）。

然后，对不同浓度（20． 0 ～100． 0 mg ／ mL）PS206-b-PAA24样品进行研究，水气氛中制备的薄膜的扫描电镜图片见图3。在较低的浓度（20 ～50 mg ／ mL）下形成的薄膜表面既有微米孔也有纳米孔，孔径分布并不均匀［图3（a）～ （c）］；浓度升高到100 mg ／ mL，多级孔的现象消失且薄膜表面孔径分布变得均一［图3（d）］。通过PS206-b-PAA24薄膜接触角数据［图3（a）～ （d）］可见，20 mg ／ mL 浓度下制备的薄膜孔径分布最不均匀，接触角最小（109°）；100 mg ／ mL 浓度下制备的薄膜孔径分布最均匀，接触角最大（118°）。

图2 通过呼吸图法制备的PS薄膜的SEM图片

图3 通过呼吸图法制备的PS206-b-PAA24薄膜的SEM图片

接着，对不同浓度（10． 0 ～150 mg ／ mL）PS285-b-PAA24样品进行研究，水气氛中制备的薄膜的扫描电镜图片见图4。在较低的浓度［10 mg ／ mL，图4（a）］下形成的薄膜的孔径分布不均匀；当浓度升高到20 mg ／mL，薄膜表面孔径分布变得较为均匀［图4（b）］；当浓度升到30 mg ／ mL 以上，薄膜表面孔径分布变得很均匀，且随着浓度的升高孔径出现变小的趋势［图4（c）～（f）］。通过PS285-b-PAA24薄膜的接触角数据［图4（c）～（f）］可见，10 mg ／ mL浓度下制备的薄膜孔径分布最差，接触角最小（110°）；浓度大于30 mg ／ mL的样品制备的薄膜孔径分布都很均匀，接触角都较大（114°以上）。表明PS285-b-PAA24可以在较高浓度范围内制备出表面具有规则孔形貌的薄膜。相较于PS206-b-PAA24只有在较高浓度（100 mg ／ mL）下才能制备出表面孔径分布均一的薄膜［图3（d）］。说明对于具有同样的亲水链段长度的PAA24-b-PS，疏水链段的长度对其组装性能也会产生较大影响。

图4 通过呼吸图法制备的PS285-b-PAA24薄膜的SEM图片

2.4 呼吸图法制备聚合物微球薄膜

除了浓度，改变环境氛围同样对薄膜表面形貌产生较大影响。通过扫描电镜对不同浓度（5． 0 ～20． 0 mg ／ mL）的PS 样品在乙醇氛围中制备的薄膜表面形貌研究发现，该浓度范围内形成的薄膜都为表面光滑的圆球状组装体，并且浓度对球的粒径分布影响并不大［图5（a）～（c）］。通过3 种浓度制备的PS微球薄膜的接触角数据［图5（a）～（c）］可见，薄膜接触角变化不大；但PS微球薄膜相对于同样的浓度制备的PS多孔薄膜，接触角上升了36° ～40°［图2（a）～ （c）］。充分说明了PS的不同组装形态对薄膜亲疏水性能具有较大的影响。进一步制备了乙醇氛围中PS285-b-PAA24的微球薄膜［图5（d）］，为表面粗糙的圆球状组装体。通过PS285-b-PAA24微球薄膜的接触角数据［图5（d）］可见，PS285-b-PAA24微球薄膜相对于同样的浓度（10 mg ／ mL）制备的PS285-b-PAA24多孔薄膜，接触角上升了41°［图4（a）］。充分说明了PS285-b-PAA24的不同组装形态对其薄膜亲疏水性能具有较大的影响。

图5 通过呼吸图法在乙醇气氛中制备的PS 和PS285-b-PAA24薄膜的SEM图片

3 结 语

USRP项目是我校大学生创新实践的重要内容。分析和总结了我校USRP 项目开展情况，提出了进一步提高该类项目管理水平和实施效果的措施和方法。展示了呼吸图法制备聚苯乙烯（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项目的相关研究内容和实施效果。参与项目的学生在深入理解呼吸图法这种前沿科学知识的同时，提高了独立处理和分析问题的能力，激发了学习兴趣和创新潜力，增强了创新实践和可持续发展能力，对培养高质量创新型人才具有很好的借鉴意义。