材料合成与制备教学过程中学生科研能力的培养

2011-04-10

河南化工 2011年23期

(郑州轻工业学院材料与化学工程学院，河南郑州 450002)

众所周知，包括纳米材料在内的先进材料是21世纪三大高新技术领域之一。而纳米材料与技术又是我国与世界发达国家几乎同步发展，最有可能赶超世界先进水平的技术领域之一。所以，了解或掌握纳米材料的特性、制备原理、方法、应用技术及其研究方法对高级人才的培养具有重要的现实意义。纳米材料的制备及其应用原理和方法不仅仅适合于指导纳米材料的设计和生产，对诸如军事、生物、高分子材料、电子、医疗、环境、生活日用品等纳米应用产品的设计和生产具有普遍的指导意义［1］。材料合成与制备是应用化学、材料学、材料工程等专业学生在研一时必修的一门专业基础课。主要内容包括各种材料的制备方法及其应用，教学内容多、教学时间短(40学时)。如何利用有限的教学时间取得良好的教学效果，是教师们最关心的问题。作为一名材料学专业基础课的教师，就材料合成与制备的教学方法谈几点体会。

1 材料合成与制备课程特点和分析

目前，有关材料合成与制备方面的教材是比较多的，有的侧重单晶体的生长，薄膜、非晶态材料和复合材料的制备方法，功能陶瓷的合成与制备，结构陶瓷和功能高分子材料的制备方法等［2］;有的侧重于新型金属材料的快速凝固制备原理与技术材料合成与制备过程的界面问题，非晶态合金的形成机制和制备方法，金属基复合材料的合成与制备技术，原位金属基复合材料的合成与制备、单晶材料的制备、金属纳米结构材料合成与制备、纳米颗粒的合成与制备等［3］。目前教材基本都是从材料本身的特点出发进行一系列的介绍，这些特点针对特定的专业学生可能是比较合适的。

我们从培养对象出发进行课程的再设置，针对研究生的培养，让学生在科研能力方面得到提高，所以课程的讲解是不指定教材的。根据研究生从事的研究方向不同，对该课程进行了内容上的重新整合，尽量能够满足不同研究领域的学生在材料合成方面的知识。主要从以下几个方面进行了展开:纳米材料的基本概念与性质、模板合成法、化学气相沉积、水热合成、溶胶—凝胶合成、低温固相合成、电解合成、功能陶瓷的合成与制备、复合材料制备方法及应用、功能高分子材料制备等几个重要的合成方法，进行专题性讲解，而且在课堂讲解过程中通过查取相应领域的文献进行辅助示范，从而达到学以致用的目的。

2 材料合成与制备课程改革的几点建议

2.1 重视背景和原理知识的介绍

材料合成与制备重点是介绍各种材料合成的方法，在实际的教学过程中，不能直接就开始进行合成方法的讲解，因为学生可能对材料尤其是纳米材料方面的背景知识不够了解，所以首先讲述纳米材料的发展历史和基本性质是很有必要的。通过对发展历史的讲解，使学生知道纳米材料究竟是何物，这种材料到底有什么样的用途，纳米材料的性质又是什么样的。在讲解过程中因为本身纳米材料是比较抽象的，要举出一些例子来，比如讲到纳米材料具有的量子尺寸效应，大家可能感觉比较陌生，我们就可以举出铁的例子，例如铁的尺寸在宏观块体的时候呈现出银白色的金属光泽，是导体、具有铁磁性。当铁的大小减小到纳米尺寸以下时，就会变得无金属光泽、黑色，随着尺寸的进一步减小，铁磁性会逐渐消失甚至成为绝缘体。每种材料的合成方法都有自己的发展历程和原理，在讲述这块内容时都要讲述其背景知识，这样不仅可以激发学生的学习兴趣，更重要的是为后期的原理讲解做铺垫。各种材料的合成原理可能是比较枯燥的部分，给学生讲解时也要辅助各种生动形象的例子，加深学生在这方面的认识。

2.2 从仿生角度介绍各种智能纳米材料

智能材料是20世纪90年代迅速发展起来的一类新型复合材料，智能材料自发展以来所取得的成就以及对各个领域的影响和渗透一直引人关注。进入21世纪，智能材料体系的内涵不断扩大、领域逐渐拓宽。突出的特点是基础研究和应用研究密切结合、仿生技术与纳米技术密切结合。例如，仿荷叶表面微结构和性能的自清洁界面材料、仿猫前爪垫蜘蛛网柔顺结构及其性能的更为安全的轮胎、仿鲨鱼皮表面棱纹微结构的低能耗飞机外壳涂层、模仿乌贼等动物的变色机制制成的“智能玻璃”等［4］。因此，智能材料的研究正受到各方面的广泛关注，从其结构的构思到智能材料的新制法等方面都在积极开展研究。把智能材料的讲解融入到常规材料的合成与制备中，能够更加形象地展示我们合成各种各样功能材料的作用;同时，也能够让大家从材料科学的角度去分析日常生活中的现象，开拓了大家的视野。

2.3 理论与实践的结合

将学生带入我们的实验室中，让学生独立操作各种有关材料制备方面的仪器，把课堂上讲述的抽象概念步入实际的应用中。例如:我们讲到低温固相合成的时候，首先让学生对低温固相合成的发展历程和原理做一个了解，再了解低温固相合成的实验装置，就是玛瑙研钵。对于固体粉末产品来讲，材料的表征会经常用到红外光谱仪和XRD，可以通过参观郑州轻工业学院表界面重点实验室仪器进行了解。通过理论的学习，选择合适的时间，我们会设计一些比较简单的固相合成材料，让学生自己亲手去制备材料并且进行相应的表征。用到红外光谱仪的时候要学生通过自学的方式，了解红外光谱仪的构造和测试原理，包括样品的一些前处理。例如样品是固体粉末时，需要通过干燥处理，并混合少量的KBr进行压片处理，最后再放进红外仪器中进行测试，最终得到相应的表征结果。虽然我们的操作过程比较简单，但就是通过这样一系列的操作，让学生亲身体验到做科研的一个流程，从而便于开展自己领域的工作，有效地锻炼了学生的动手操作能力。

2.4 培养学生阅读文献的习惯

查阅有关材料合成与制备方面的文献，尤其是有关各种材料的制备过程，通过对学生的重点讲解，让理论知识运用到实际中，同时，也培养了学生阅读文献的能力。阅读大量的文献是研究生阶段重要组成部分，首先要向大家介绍下我们从事化学领域重要的一些数据库，比如英文的期刊ACS(http://pubs.acs.org)，Science Direct电子期刊(http://www.sciencedirect.com)，RSC(http://www.rsc.org)，Wiley Inter Science电子期刊(http://www3.interscience.wiley.com/jour－ nalfinder.html)等;还有一些中文的期刊:中国知网、维普中文期刊、万方数据库等，选择代表性的数据库给大家演示一下如何查文献，尤其是自己专业领域的文献。这样的话就给学生提供了一个搜集学习资料的手段。通过查阅相关的文献，仔细阅读并逐渐地提炼自己的想法，本身就是一个不断学习和创新的过程。

2.5 开展互动教学的方法

每个研究生可能研究的领域是不同的，要求学生每人以个人的研究领域为背景，选择2～3篇有关的文献综述或具体的文献做成10页左右的课件，上讲台给大家做一个讲解，同时下面的学生必须向讲解的学生提出相关的问题，让学生能够不断地发现问题解决问题，从而在不断的查阅文献的过程中提炼出自己的想法，为学生的实验工作打下基础。比如我们讲化学气相沉积法制备各种材料的专题时，可以让从事碳纳米材料研究的学生做一个有关利用化学气相沉积制备碳纳米管的报告。

2.6 各种软件技能的讲授

研究生阶段的学习不同于本科生阶段，对从事材料方面科研的研究生来说，在平时课堂的讲授过程中，如果时间允许，我会利用课堂多余的十分钟时间给学生讲授科研阶段用到的一些软件，这个软件的介绍是很有必要的，比如文献管理工具Endnote的安装和使用，Endnote功能是很强大的，比如:在线搜索文献，直接从网络搜索相关文献并导入到Endnote文献库内;建立文献库和图片库，收藏，管理和搜索个人文献和图片、表格;定制文稿:直接在Word中格式化引文和图形，利用文稿模板直接书写合乎杂志社要求的文章。这对于研究生来说发表论文是必须要经历的一个过程，而在发表文章的时候参考文献部分往往是大家比较头疼的地方，如果大家把Endnote的各种功能学会，对以后阶段的投稿或改投杂志将会是非常简便的方法。再如Photoshop的使用，在文章投稿中，图片的处理也是十分重要的，因此给学生展示图片处理工具也是很有必要的，还有一些化学领域常用的软件比如Chemoffice构建各种分子结构，Origin对数据的处理工具，投稿中Cover Letter的书写技巧等等，我都会在课堂上给大家做一些演示，为研究生后阶段的论文发表奠定基础，此部分技能的讲解引起了学生广泛的兴趣，从而也活跃了课堂的气氛。