材料合成與制備教學(xué)過程中學(xué)生科研能力的培養(yǎng)

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南鄭州 450002)

眾所周知，包括納米材料在內(nèi)的先進材料是21世紀三大高新技術(shù)領(lǐng)域之一。而納米材料與技術(shù)又是我國與世界發(fā)達國家?guī)缀跬桨l(fā)展，最有可能趕超世界先進水平的技術(shù)領(lǐng)域之一。所以，了解或掌握納米材料的特性、制備原理、方法、應(yīng)用技術(shù)及其研究方法對高級人才的培養(yǎng)具有重要的現(xiàn)實意義。納米材料的制備及其應(yīng)用原理和方法不僅僅適合于指導(dǎo)納米材料的設(shè)計和生產(chǎn)，對諸如軍事、生物、高分子材料、電子、醫(yī)療、環(huán)境、生活日用品等納米應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)具有普遍的指導(dǎo)意義［1］。材料合成與制備是應(yīng)用化學(xué)、材料學(xué)、材料工程等專業(yè)學(xué)生在研一時必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。主要內(nèi)容包括各種材料的制備方法及其應(yīng)用，教學(xué)內(nèi)容多、教學(xué)時間短(40學(xué)時)。如何利用有限的教學(xué)時間取得良好的教學(xué)效果，是教師們最關(guān)心的問題。作為一名材料學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課的教師，就材料合成與制備的教學(xué)方法談幾點體會。

1 材料合成與制備課程特點和分析

目前，有關(guān)材料合成與制備方面的教材是比較多的，有的側(cè)重單晶體的生長，薄膜、非晶態(tài)材料和復(fù)合材料的制備方法，功能陶瓷的合成與制備，結(jié)構(gòu)陶瓷和功能高分子材料的制備方法等［2］;有的側(cè)重于新型金屬材料的快速凝固制備原理與技術(shù)材料合成與制備過程的界面問題，非晶態(tài)合金的形成機制和制備方法，金屬基復(fù)合材料的合成與制備技術(shù)，原位金屬基復(fù)合材料的合成與制備、單晶材料的制備、金屬納米結(jié)構(gòu)材料合成與制備、納米顆粒的合成與制備等［3］。目前教材基本都是從材料本身的特點出發(fā)進行一系列的介紹，這些特點針對特定的專業(yè)學(xué)生可能是比較合適的。

我們從培養(yǎng)對象出發(fā)進行課程的再設(shè)置，針對研究生的培養(yǎng)，讓學(xué)生在科研能力方面得到提高，所以課程的講解是不指定教材的。根據(jù)研究生從事的研究方向不同，對該課程進行了內(nèi)容上的重新整合，盡量能夠滿足不同研究領(lǐng)域的學(xué)生在材料合成方面的知識。主要從以下幾個方面進行了展開:納米材料的基本概念與性質(zhì)、模板合成法、化學(xué)氣相沉積、水熱合成、溶膠—凝膠合成、低溫固相合成、電解合成、功能陶瓷的合成與制備、復(fù)合材料制備方法及應(yīng)用、功能高分子材料制備等幾個重要的合成方法，進行專題性講解，而且在課堂講解過程中通過查取相應(yīng)領(lǐng)域的文獻進行輔助示范，從而達到學(xué)以致用的目的。

2 材料合成與制備課程改革的幾點建議

2.1 重視背景和原理知識的介紹

材料合成與制備重點是介紹各種材料合成的方法，在實際的教學(xué)過程中，不能直接就開始進行合成方法的講解，因為學(xué)生可能對材料尤其是納米材料方面的背景知識不夠了解，所以首先講述納米材料的發(fā)展歷史和基本性質(zhì)是很有必要的。通過對發(fā)展歷史的講解，使學(xué)生知道納米材料究竟是何物，這種材料到底有什么樣的用途，納米材料的性質(zhì)又是什么樣的。在講解過程中因為本身納米材料是比較抽象的，要舉出一些例子來，比如講到納米材料具有的量子尺寸效應(yīng)，大家可能感覺比較陌生，我們就可以舉出鐵的例子，例如鐵的尺寸在宏觀塊體的時候呈現(xiàn)出銀白色的金屬光澤，是導(dǎo)體、具有鐵磁性。當(dāng)鐵的大小減小到納米尺寸以下時，就會變得無金屬光澤、黑色，隨著尺寸的進一步減小，鐵磁性會逐漸消失甚至成為絕緣體。每種材料的合成方法都有自己的發(fā)展歷程和原理，在講述這塊內(nèi)容時都要講述其背景知識，這樣不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更重要的是為后期的原理講解做鋪墊。各種材料的合成原理可能是比較枯燥的部分，給學(xué)生講解時也要輔助各種生動形象的例子，加深學(xué)生在這方面的認識。

2.2 從仿生角度介紹各種智能納米材料

智能材料是20世紀90年代迅速發(fā)展起來的一類新型復(fù)合材料，智能材料自發(fā)展以來所取得的成就以及對各個領(lǐng)域的影響和滲透一直引人關(guān)注。進入21世紀，智能材料體系的內(nèi)涵不斷擴大、領(lǐng)域逐漸拓寬。突出的特點是基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究密切結(jié)合、仿生技術(shù)與納米技術(shù)密切結(jié)合。例如，仿荷葉表面微結(jié)構(gòu)和性能的自清潔界面材料、仿貓前爪墊蜘蛛網(wǎng)柔順結(jié)構(gòu)及其性能的更為安全的輪胎、仿鯊魚皮表面棱紋微結(jié)構(gòu)的低能耗飛機外殼涂層、模仿烏賊等動物的變色機制制成的“智能玻璃”等［4］。因此，智能材料的研究正受到各方面的廣泛關(guān)注，從其結(jié)構(gòu)的構(gòu)思到智能材料的新制法等方面都在積極開展研究。把智能材料的講解融入到常規(guī)材料的合成與制備中，能夠更加形象地展示我們合成各種各樣功能材料的作用;同時，也能夠讓大家從材料科學(xué)的角度去分析日常生活中的現(xiàn)象，開拓了大家的視野。

2.3 理論與實踐的結(jié)合

將學(xué)生帶入我們的實驗室中，讓學(xué)生獨立操作各種有關(guān)材料制備方面的儀器，把課堂上講述的抽象概念步入實際的應(yīng)用中。例如:我們講到低溫固相合成的時候，首先讓學(xué)生對低溫固相合成的發(fā)展歷程和原理做一個了解，再了解低溫固相合成的實驗裝置，就是瑪瑙研缽。對于固體粉末產(chǎn)品來講，材料的表征會經(jīng)常用到紅外光譜儀和XRD，可以通過參觀鄭州輕工業(yè)學(xué)院表界面重點實驗室儀器進行了解。通過理論的學(xué)習(xí)，選擇合適的時間，我們會設(shè)計一些比較簡單的固相合成材料，讓學(xué)生自己親手去制備材料并且進行相應(yīng)的表征。用到紅外光譜儀的時候要學(xué)生通過自學(xué)的方式，了解紅外光譜儀的構(gòu)造和測試原理，包括樣品的一些前處理。例如樣品是固體粉末時，需要通過干燥處理，并混合少量的KBr進行壓片處理，最后再放進紅外儀器中進行測試，最終得到相應(yīng)的表征結(jié)果。雖然我們的操作過程比較簡單，但就是通過這樣一系列的操作，讓學(xué)生親身體驗到做科研的一個流程，從而便于開展自己領(lǐng)域的工作，有效地鍛煉了學(xué)生的動手操作能力。

2.4 培養(yǎng)學(xué)生閱讀文獻的習(xí)慣

查閱有關(guān)材料合成與制備方面的文獻，尤其是有關(guān)各種材料的制備過程，通過對學(xué)生的重點講解，讓理論知識運用到實際中，同時，也培養(yǎng)了學(xué)生閱讀文獻的能力。閱讀大量的文獻是研究生階段重要組成部分，首先要向大家介紹下我們從事化學(xué)領(lǐng)域重要的一些數(shù)據(jù)庫，比如英文的期刊ACS(http://pubs.acs.org)，Science Direct電子期刊(http://www.sciencedirect.com)，RSC(http://www.rsc.org)，Wiley Inter Science電子期刊(http://www3.interscience.wiley.com/jour－ nalfinder.html)等;還有一些中文的期刊:中國知網(wǎng)、維普中文期刊、萬方數(shù)據(jù)庫等，選擇代表性的數(shù)據(jù)庫給大家演示一下如何查文獻，尤其是自己專業(yè)領(lǐng)域的文獻。這樣的話就給學(xué)生提供了一個搜集學(xué)習(xí)資料的手段。通過查閱相關(guān)的文獻，仔細閱讀并逐漸地提煉自己的想法，本身就是一個不斷學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的過程。

2.5 開展互動教學(xué)的方法

每個研究生可能研究的領(lǐng)域是不同的，要求學(xué)生每人以個人的研究領(lǐng)域為背景，選擇2～3篇有關(guān)的文獻綜述或具體的文獻做成10頁左右的課件，上講臺給大家做一個講解，同時下面的學(xué)生必須向講解的學(xué)生提出相關(guān)的問題，讓學(xué)生能夠不斷地發(fā)現(xiàn)問題解決問題，從而在不斷的查閱文獻的過程中提煉出自己的想法，為學(xué)生的實驗工作打下基礎(chǔ)。比如我們講化學(xué)氣相沉積法制備各種材料的專題時，可以讓從事碳納米材料研究的學(xué)生做一個有關(guān)利用化學(xué)氣相沉積制備碳納米管的報告。

2.6 各種軟件技能的講授

研究生階段的學(xué)習(xí)不同于本科生階段，對從事材料方面科研的研究生來說，在平時課堂的講授過程中，如果時間允許，我會利用課堂多余的十分鐘時間給學(xué)生講授科研階段用到的一些軟件，這個軟件的介紹是很有必要的，比如文獻管理工具Endnote的安裝和使用，Endnote功能是很強大的，比如:在線搜索文獻，直接從網(wǎng)絡(luò)搜索相關(guān)文獻并導(dǎo)入到Endnote文獻庫內(nèi);建立文獻庫和圖片庫，收藏，管理和搜索個人文獻和圖片、表格;定制文稿:直接在Word中格式化引文和圖形，利用文稿模板直接書寫合乎雜志社要求的文章。這對于研究生來說發(fā)表論文是必須要經(jīng)歷的一個過程，而在發(fā)表文章的時候參考文獻部分往往是大家比較頭疼的地方，如果大家把Endnote的各種功能學(xué)會，對以后階段的投稿或改投雜志將會是非常簡便的方法。再如Photoshop的使用，在文章投稿中，圖片的處理也是十分重要的，因此給學(xué)生展示圖片處理工具也是很有必要的，還有一些化學(xué)領(lǐng)域常用的軟件比如Chemoffice構(gòu)建各種分子結(jié)構(gòu)，Origin對數(shù)據(jù)的處理工具，投稿中Cover Letter的書寫技巧等等，我都會在課堂上給大家做一些演示，為研究生后階段的論文發(fā)表奠定基礎(chǔ)，此部分技能的講解引起了學(xué)生廣泛的興趣，從而也活躍了課堂的氣氛。

3 結(jié)論

對材料合成與制備課程進行教學(xué)方面的改革，可以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬了學(xué)生學(xué)習(xí)的領(lǐng)域，擴大了學(xué)生學(xué)習(xí)自主權(quán)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，提升了學(xué)生在從事科研工作方面的能力，為研究生盡快適應(yīng)科研工作打下了堅實的基礎(chǔ)。

［1］李 群.納米材料的制備與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］曹茂盛.材料合成與制備方法［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

［3］崔春翔.材料合成與制備［M］.上海:華東理工大學(xué)出版社，2010.

［4］江 雷.仿生智能納米界面材料［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.