材料化學(xué)專業(yè)《科學(xué)研究訓(xùn)練課程》教學(xué)實(shí)踐

胡傳躍，郭 軍，胡繼林

(湖南人文科技學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)系，湖南婁底417000)

材料化學(xué)專業(yè)是一門應(yīng)用型理工科專業(yè)，將科研思維和方法引入課堂，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，激發(fā)學(xué)生科研的潛能，調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題能力、實(shí)踐操作能力、組織協(xié)調(diào)能力以及培養(yǎng)創(chuàng)新型的全面發(fā)展的綜合性優(yōu)秀人才具有非常重要的作用［1］。

進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)改革，提高本科人才培養(yǎng)的創(chuàng)新能力，是當(dāng)前高校教學(xué)改革、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要任務(wù)之一。以教學(xué)科研成果為依托，提煉并轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，開展探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是培養(yǎng)大學(xué)生強(qiáng)實(shí)踐能力的有效途徑［2］。由科研成果轉(zhuǎn)化而來(lái)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)，能夠運(yùn)用綜合多學(xué)科知識(shí)與技能，對(duì)大學(xué)生進(jìn)行綜合訓(xùn)練，在保證學(xué)生掌握基本技能的同時(shí)，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入科學(xué)研究前沿，讓學(xué)生在綜合運(yùn)用所掌握的多學(xué)科知識(shí)和技能的同時(shí)，獲得較高的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。從教師的科研項(xiàng)目中提煉出的開放實(shí)驗(yàn)課題，能反映科學(xué)研究的新成果、新方法，知識(shí)點(diǎn)和技術(shù)要點(diǎn)多，學(xué)科覆蓋面寬，實(shí)用性和可操作性強(qiáng)。通過(guò)有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力［3－5］。湖南人文科技學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)系在材料化學(xué)專業(yè)開設(shè)的科學(xué)研究訓(xùn)練課程，5－8人一組，安排學(xué)生在2周內(nèi)完成，學(xué)生得到了功能粉體材料與陶瓷材料的制備、結(jié)構(gòu)分析與性質(zhì)測(cè)試以及有關(guān)理論知識(shí)學(xué)習(xí)等綜合訓(xùn)練，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、顯著提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

一 科學(xué)研究訓(xùn)練課程的實(shí)施方案

(一)課題的選取

篩選科研課題需要考慮幾個(gè)方面，第一，實(shí)驗(yàn)所需的儀器設(shè)備，現(xiàn)有條件下可否滿足;第二，實(shí)驗(yàn)所需的藥品的毒性是否適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)以及藥品的價(jià)格是否滿足經(jīng)費(fèi)要求。常規(guī)教學(xué)經(jīng)費(fèi)能否滿足將科研課題轉(zhuǎn)化為科學(xué)研究訓(xùn)練課程的學(xué)生開放實(shí)驗(yàn)的經(jīng)費(fèi)需求，這是需要重點(diǎn)考慮的一方面;第三，實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)條件是否過(guò)于苛刻，部分科研課題實(shí)驗(yàn)條件比較苛刻，如需要無(wú)水無(wú)氧條件，這些都不適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)，科學(xué)研究訓(xùn)練課程主要是對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合性訓(xùn)練，而不是完全意義上科研項(xiàng)目研究。綜合以上因素最終篩選出合適的科研課題有:廢舊鋰離子電池中有價(jià)金屬的回收與利用，氫氧化物共沉淀法制備鋰離電子電池LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正極材料，稀土氧化物L(fēng)a2O3含量對(duì)95氧化鋁陶瓷性能的影響等。

確定好實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后由科學(xué)研究訓(xùn)練課程指導(dǎo)教師將實(shí)驗(yàn)所需的儀器、藥品等條件要求與經(jīng)費(fèi)需求向?qū)嶒?yàn)室主任申報(bào)，指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)科學(xué)研究訓(xùn)練課程小組實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施，向主管部門負(fù)責(zé)。一般每組學(xué)生數(shù)為5－8人，每位教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)一個(gè)小組。

(二)課題實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

以從廢舊鋰離子電池中回收與再利用有價(jià)金屬為例，闡述引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究方案設(shè)計(jì)。

1．課題情況介紹

鋰離子電池的結(jié)構(gòu)，由外殼、正極、負(fù)極、電解液和隔膜四部分組成。正極、負(fù)極均由活性材料、導(dǎo)電添加劑和聚合物粘結(jié)劑與集流體組成。常見正極活性材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰等，負(fù)極活性材料主要是碳素材料，電解液主要是六氟磷酸鋰與有機(jī)溶劑，正、負(fù)極集流體分別是鋁箔和銅箔。因此廢舊鋰離子電池中可以回收與再利用的有價(jià)金屬有鋁、銅、鎳、鈷、錳、鋰等，為了節(jié)約資源、減少?gòu)U舊鋰離子電池污染環(huán)境，需要對(duì)廢舊鋰離子電池進(jìn)行回收與再利用。

2．查閱文獻(xiàn)

如要查閱廢舊鋰離子電池的回收與再利用的方法，要求學(xué)生一方面閱讀化學(xué)電源書藉，了解化學(xué)電源的相關(guān)知識(shí)，到圖書館查閱期刊雜志，掌握廢舊電池回收與再利用的相關(guān)文獻(xiàn)信息，然后查閱science dircet、spring等外文數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇關(guān)鍵詞“spent lithium ion battery”，將相關(guān)廢舊鋰離子電池回收的文獻(xiàn)下載并保存。要求學(xué)生詳細(xì)閱讀文獻(xiàn)，撰寫文獻(xiàn)綜述。文獻(xiàn)綜述內(nèi)容包括不同作者對(duì)廢舊鋰離子電池中有價(jià)金屬進(jìn)行回收與再利用的具體方法，試劑、原料、分析表征的儀器設(shè)備等，比較不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室具備的條件，設(shè)計(jì)出自己的回收與再利用的實(shí)驗(yàn)方案。3．教師與學(xué)生共同探討與修改實(shí)驗(yàn)方案

科研課題都具有綜合性，在所選課題常常涉及物質(zhì)的溶解與分離及提純、無(wú)機(jī)合成等知識(shí)。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)方案的每一步驟實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅⒅貙?shí)驗(yàn)與理論知識(shí)的聯(lián)系，加強(qiáng)對(duì)理論深度的挖掘。查閱文獻(xiàn)后，教師與學(xué)生共同探討實(shí)驗(yàn)方案與文獻(xiàn)提供方案的區(qū)別，從實(shí)驗(yàn)方法的選擇，實(shí)驗(yàn)的條件等方面考察實(shí)驗(yàn)方案的合理性與創(chuàng)新點(diǎn)。最后確定具體實(shí)驗(yàn)方案，如通過(guò)堿浸酸溶法制得Cu2+、Co2+/Co3+、Ni2+溶液，采用沉淀法、陰離子分離法得到有價(jià)金屬化合物，以回收濾液為原料，探究滴定溫度、燒結(jié)溫度、pH值對(duì)沉淀生成速度和生成量的影響。采用XRD，激光粒度分析以及綜合熱分析表征了含有價(jià)金屬化合物材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。在進(jìn)行條件實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分解，每個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)一項(xiàng)，最后將全部實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合，討論回收條件的影響。

(三)科學(xué)研究訓(xùn)練課程的相關(guān)配套管理要求

1．實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備好所需的相關(guān)材料

如實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)表、寫出實(shí)驗(yàn)論文等，并根據(jù)教學(xué)實(shí)際需要和教學(xué)經(jīng)費(fèi)情況安排實(shí)驗(yàn)藥品、玻璃儀器、器材，實(shí)驗(yàn)主要在指導(dǎo)教師所在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室完成。

2．實(shí)驗(yàn)完成后清點(diǎn)并交還實(shí)驗(yàn)玻璃儀器

實(shí)驗(yàn)儀器若損壞按實(shí)驗(yàn)室有關(guān)規(guī)定進(jìn)行賠償。學(xué)生按實(shí)驗(yàn)要求撰寫實(shí)驗(yàn)論文，送指導(dǎo)教師審閱，實(shí)驗(yàn)論文包括5個(gè)部分。前言、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論、結(jié)論、參考文獻(xiàn)、實(shí)驗(yàn)感想與建議。最后要對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考核、評(píng)定學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

二 科學(xué)研究訓(xùn)練課程的作用

不同科研項(xiàng)目涉及的材料知識(shí)與原理均不相同，隨著教師不斷申請(qǐng)和研究新的科研項(xiàng)目，相應(yīng)的可以不斷更新科學(xué)研究訓(xùn)練課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

科研前沿實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)學(xué)生的綜合科研能力。首先，科學(xué)研究訓(xùn)練課程的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要綜合運(yùn)用基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作，如溶解、沉淀、分離等，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的基本技能在科學(xué)研究中的作用。其次，科學(xué)研究訓(xùn)練課程引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入科研前沿的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)科研工作的流程有了感性認(rèn)識(shí)，還可以教會(huì)學(xué)生統(tǒng)籌安排實(shí)驗(yàn)，學(xué)生深刻領(lǐng)會(huì)到實(shí)驗(yàn)的前后連貫性，沒有前面的結(jié)果，后面的實(shí)驗(yàn)沒辦法進(jìn)行，端正了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)態(tài)度。最后，學(xué)生在上實(shí)驗(yàn)課的過(guò)程中，原本感到深?yuàn)W神秘的科研工作在指導(dǎo)教師引導(dǎo)下變得直觀易懂，讓學(xué)生感受教師的實(shí)驗(yàn)研究思路，最終使學(xué)生領(lǐng)略到科研工作的艱辛和樂(lè)趣，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。因此，科學(xué)研究訓(xùn)練課程的開設(shè)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)起到“拋磚引玉”的作用，有助于學(xué)生在自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，選題和立題的準(zhǔn)確性、科學(xué)性。

三 結(jié)語(yǔ)

科學(xué)研究訓(xùn)練課程的開設(shè)使學(xué)生體會(huì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能與真正的科學(xué)研究之間的聯(lián)系。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)上，恰當(dāng)?shù)膶⒔處煹目蒲姓n題和一些前沿的領(lǐng)域引入學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，了解一些與本專業(yè)相關(guān)的科學(xué)前沿內(nèi)容，感受做科研的一般思路，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性，激起學(xué)生做綜合、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。因此科學(xué)研究訓(xùn)練課程是培養(yǎng)應(yīng)用型本科高級(jí)專門人才的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)能夠滿足社會(huì)的需求應(yīng)用型人才。

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