材料制備及合成實(shí)驗(yàn)方法在高校材料類專業(yè)中教學(xué)應(yīng)用研究

代 凱，王中遼，呂佳麗，耿 磊，朱光平

(淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，淮北 安徽 235000)

·教學(xué)研究·

材料制備及合成實(shí)驗(yàn)方法在高校材料類專業(yè)中教學(xué)應(yīng)用研究

代 凱，王中遼，呂佳麗，耿 磊，朱光平

(淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，淮北 安徽 235000)

以高校材料類專業(yè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境污染原因及影響因素為分析和探究對象，充分開展綠色材料制備和合成方法技術(shù)路線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。在相關(guān)課程中引入材料合成的綠色化知識，讓學(xué)生充分了解目前材料的綠色制備及合成方法和發(fā)展趨勢，并根據(jù)材料制備及合成方法實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，結(jié)合整個(gè)教學(xué)中的反饋對實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)。

材料制備及合成；綠色化；教學(xué)研究；改革

任何技術(shù)的發(fā)展與革新都離不開材料的創(chuàng)新。[1,2]新材料的制備和使用使得產(chǎn)品日益更新?lián)Q代。在人們享受高新技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，材料的制備和合成尤其有機(jī)化工材料的合成造成了世界各國環(huán)境的極大污染和能源的極大損耗。霧霾、藍(lán)藻爆發(fā)、赤潮等環(huán)境惡化現(xiàn)象的不斷爆發(fā)，使得各國政府和人民對國民經(jīng)濟(jì)能否可持續(xù)發(fā)展及其所涉及的環(huán)境、能源、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)等方面的問題愈來愈關(guān)注。[3,4]材料合成方法是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力是理工科相關(guān)專業(yè)工作者的必備本領(lǐng)。因此，“實(shí)驗(yàn)”教學(xué)環(huán)節(jié)在整個(gè)材料學(xué)教育教學(xué)過程中占有特殊的地位，對于學(xué)生的知識、能力、思維和素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。因此，材料合成方法實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是培養(yǎng)材料物理類專業(yè)創(chuàng)新人才的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，同時(shí)也是培養(yǎng)近材料類專業(yè)(化學(xué)、生物、環(huán)境、化工等專業(yè))學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能、提高研究創(chuàng)新實(shí)踐能力的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，[5]并達(dá)到培養(yǎng)新世紀(jì)創(chuàng)新型人才的要求，提高大學(xué)生們的思維能力、創(chuàng)新能力和社會適應(yīng)能力的目的。

1 綠色材料制備及合成概念的把握

綠色材料制備及合成方法是指利用材料合成的原理采用對環(huán)境無毒的或者低毒的原材料和催化劑，重視材料制備及合成工藝中每個(gè)步驟，最大程度地實(shí)現(xiàn)無污染或者少污染的反應(yīng)過程。綠色材料制備及合成的人才培養(yǎng)最根本目的是從零排放和零污染的觀點(diǎn)來改革現(xiàn)有工業(yè)中材料制備及合成的技術(shù)方法。[5,6]采用適量無污染的原料來降低可能出現(xiàn)的污染狀況，加以使用催化劑和載體達(dá)到高效和重復(fù)利用，通過選擇具有高轉(zhuǎn)化率，對綠色化的反應(yīng)過程進(jìn)行材料指標(biāo)合成，盡量減少可能出現(xiàn)的衍生化步驟，避免使用可能帶來環(huán)境污染的有機(jī)溶劑等，從根本上消除可能出現(xiàn)環(huán)境污染的環(huán)節(jié)。因此，綠色材料制備及合成方法作為一門以高校理工科材料類專業(yè)必備的學(xué)科，是相關(guān)專業(yè)本科生及研究生掌握設(shè)備操作技能、靈活運(yùn)用材料制備及合成知識的重要渠道，并為將來從事相關(guān)環(huán)保產(chǎn)業(yè)夯實(shí)基礎(chǔ)。因此，只有綠色材料制備及合成方法才能從源頭上消除污染物進(jìn)入人們所在的環(huán)境，達(dá)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境，這才是高等教育培養(yǎng)理工科材料類專業(yè)人才的目的。

2 綠色材料制備及合成實(shí)驗(yàn)過程實(shí)施

由于材料制備及合成實(shí)驗(yàn)數(shù)次較多，所使用的原料大多數(shù)來自不可再生資源，盡管每次的原料使用量不是很大，但每年總的藥品使用量將非常可觀。如何從源頭上減少可能出現(xiàn)的浪費(fèi)和污染是綠色材料制備及合成實(shí)驗(yàn)過程實(shí)施的關(guān)鍵因素。因此，實(shí)驗(yàn)之前要先做好實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備，查閱資料弄明白實(shí)驗(yàn)原理和需要用到的藥品和設(shè)備。實(shí)驗(yàn)過程中要保證藥品稱量的精確性。實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的測量、記錄都要準(zhǔn)確，因?yàn)檎`差的緣故需要多次試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中防止出事故不能擅自離開實(shí)驗(yàn)臺。做化學(xué)實(shí)驗(yàn)之前不能忘記清洗儀器，實(shí)驗(yàn)過程中不能忘記貼標(biāo)簽。實(shí)驗(yàn)結(jié)束還要及時(shí)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，及時(shí)檢查實(shí)驗(yàn)出錯(cuò)地方，及時(shí)修改。每次材料制備及合成時(shí)，要將材料合成中的副產(chǎn)物及時(shí)回收并盡可能再次利用，建立起有效資源合理循環(huán)，不僅可以提高原料的利用率，而且還減少廢棄物對環(huán)境可能造成的污染。比如采用水熱法合成ZnO材料時(shí)，以氯化鋅和氫氧化鈉作為原料，反應(yīng)生成物除了ZnO之外還有氯化鈉副產(chǎn)物。因此可以將氯化鈉提取出來再次利用。又如實(shí)驗(yàn)制備次甲基藍(lán)指示劑，如果實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將它廢棄，既造成資源浪費(fèi)，也不符合綠色環(huán)保的理念。如果將制得的亞甲基藍(lán)回收保存，用作后續(xù)光催化實(shí)驗(yàn)中模擬有機(jī)污染物的降解，這樣不僅提高原料的利用率，還做到了對環(huán)境零污染。另外，在做到提高教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，采用微型材料制備及合成實(shí)驗(yàn)方式，即采用微克計(jì)量來合成材料。這樣，就能夠在有限資源使用條件下，讓更多的學(xué)生自己動(dòng)手操作。由于這種方法對操作者的要求進(jìn)一步提高，這樣就在學(xué)生的培養(yǎng)過程中，進(jìn)一步傳播綠色環(huán)保的概念，培養(yǎng)學(xué)生對綠色材料制備及合成實(shí)驗(yàn)的思考能力，端正了學(xué)生的科研態(tài)度。

3 綠色材料制備及合成實(shí)驗(yàn)過程改革

大量的研究表明，材料類專業(yè)本科生及研究生對材料基礎(chǔ)知識的把握能力和學(xué)以致用能力與用人單位的要求有顯著差距。通過課堂與用人單位協(xié)作觀察發(fā)現(xiàn)學(xué)生對材料綠色合成及制備方法中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)認(rèn)識不夠，無法做到利用材料專業(yè)角度指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，也就無法做到滿足用人單位材料創(chuàng)新性的開發(fā)；同時(shí)眾多學(xué)生認(rèn)為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中偏重基礎(chǔ)理論驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生求知的欲望、創(chuàng)新的積極性和科研探索的愿望。甚至通過社會調(diào)研反饋的結(jié)果中研究表明:某些高新技術(shù)企業(yè)所使用的材料合成及測試儀器設(shè)備比多數(shù)高校教學(xué)使用的設(shè)備更具先進(jìn)性和可操作性，造成應(yīng)屆本科畢業(yè)生的科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)際應(yīng)用能力無法達(dá)到用人單位的滿意度，導(dǎo)致眾多工科類畢業(yè)生無法順利就業(yè)。究其原因，主要是傳統(tǒng)的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在以下缺點(diǎn):1)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容長年累月不變，無法達(dá)到當(dāng)今科技發(fā)展要求；2)教學(xué)模式、教學(xué)手段和教學(xué)方法單一；3)兼具教學(xué)和科研師資匾乏等。針對上述問題，教師可以通過基于高校學(xué)科建設(shè)平臺，將材料制備及合成與當(dāng)代大型精密儀器測試相結(jié)合，提高實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性、趣味性，改革與創(chuàng)新傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式。這樣老師在教學(xué)的同時(shí)還可以進(jìn)行科學(xué)研究，并能夠提高材料類專業(yè)學(xué)生專業(yè)的實(shí)驗(yàn)技能、科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新意識。以淮北師范大學(xué)為例，該校擁有高倍透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X-射線衍射儀、磁控濺射、熒光光譜儀、電化學(xué)工作站等大型科研設(shè)備，通過將合成的材料與大型設(shè)備相結(jié)合來培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索興趣，提高材料類本科生專業(yè)素養(yǎng)，有利于驅(qū)動(dòng)人才培養(yǎng)模式的根本轉(zhuǎn)變，深化教學(xué)改革。并可以以材料類本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革為著眼點(diǎn)，促進(jìn)材料制備及合成等相關(guān)課程的教學(xué)大綱、教學(xué)思路、教學(xué)模式、教學(xué)理念及教學(xué)方法的改革，更好地達(dá)到教學(xué)效果與教學(xué)目標(biāo)的統(tǒng)一性，全面提升教學(xué)水平與教學(xué)檔次，培養(yǎng)高科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新型人才。在此基礎(chǔ)上，其相關(guān)成功的經(jīng)驗(yàn)還可以向其它的理工科學(xué)科(如:物理、電子、計(jì)算機(jī)、生物、環(huán)境、化學(xué)、化工等)全面推廣。

4 重視反饋和改進(jìn)

如今，教條化的理念規(guī)章越來越多。不可否認(rèn)其在實(shí)際的工作上取得一些積極的效果，但有些時(shí)候?qū)φ麄€(gè)工作的實(shí)施和完成幫助不大甚至?xí)鹱璧K作用。隨著綠色材料制備及合成實(shí)驗(yàn)過程的概念深化，過程的改革和落實(shí)一定要從實(shí)際出發(fā)，實(shí)事求是，因地制宜，一定要根據(jù)實(shí)際情況靈活地處理而不能教條化。綠色材料制備及合成實(shí)驗(yàn)過程的概念深化，過程改革和落實(shí)的各個(gè)環(huán)節(jié)都要注意多方面搜集信息，多交流探討，確保及時(shí)接收積極反饋，進(jìn)一步修改和完善各個(gè)環(huán)節(jié)。確保整個(gè)體系與客觀實(shí)際相吻合，確保整個(gè)體系能順利有效的完成。在整個(gè)綠色材料制備及合成實(shí)驗(yàn)的過程中，不僅要對材料制備和合成實(shí)驗(yàn)的“綠色化”落實(shí)好，而且也要注重學(xué)生們在實(shí)驗(yàn)收獲上的反饋。不僅要把材料制備及合成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理好，同時(shí)也要以人為本使整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)更具人性化，更加富有朝氣與活力。綠色材料制備及合成實(shí)驗(yàn)過程的教學(xué)是一項(xiàng)長期的，重要的任務(wù)，一定要做好教學(xué)實(shí)驗(yàn)的管理與實(shí)際情況相統(tǒng)一，一定要做好教學(xué)過程的實(shí)施和人性化的管理相一致。在不斷的反饋和改進(jìn)中，使整個(gè)綠色材料制備及合成實(shí)驗(yàn)過程的教學(xué)積極健康的發(fā)展。

5 總結(jié)

綠色材料制備及合成方法，在創(chuàng)新性合成新型功能材料的同時(shí)，減輕環(huán)境的污染。這就需要高校教師以綠色的當(dāng)代科學(xué)思維對傳統(tǒng)傳授知識方式進(jìn)行更新,要對傳統(tǒng)的材料合成與制備方法進(jìn)行創(chuàng)新性的改革,尋找節(jié)能、綠色、環(huán)保的新型材料合成與制備方法。對于高校而言，要將具有高科技含量的材料合成與制備方法適時(shí)引入學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,結(jié)合現(xiàn)代常出現(xiàn)的霧霾、藍(lán)藻、赤潮、有機(jī)有害污染物對環(huán)境的影響，讓學(xué)生從思想根本上充分認(rèn)識綠色材料制備及合成方法的重要性，才能夠?qū)?chuàng)新性和綠色化觀念植根于日常學(xué)習(xí)和探索中，為我國可持續(xù)發(fā)展培養(yǎng)合格的環(huán)保主義建設(shè)者。

[1] 田恬.材料基因組工程：推動(dòng)材料創(chuàng)新的引擎[J].科技導(dǎo)報(bào),2015(10):3.

[2] 陳祎淼.化工新材料創(chuàng)新實(shí)力待提升[J].化工管理,2013(23): 49-50．

[3] 胡立瓊,曾敏,雷鳴,等.含鐵材料對污染水稻土中砷的穩(wěn)定化效果[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2014(4): 1599-1604．

[4] 章智明,黃占斌,單瑞娟,等.環(huán)境材料對鉛、鎘污染土壤玉米生長和重金屬累積的影響[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013(3): 20-24．

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責(zé)任編輯：力 草

Research on the Teaching Application of Material Preparation and Synthesis Experiment Method

DAI Kai, WANG Zhongliao, LV Jiali, GENG Lei, ZHU Guangping

A new mode of experimental teaching of green preparation and synthesis technology is put forward by systematically analyzing and exploring the causes of environmental pollution of materials specialty in university. In relevant course, the introduction of knowledge about greening of material synthesis can help students fully understand the present method and trend of green preparation and synthesis. According to the characteristics of the course of material preparation and synthesis experiment, we pay attention to the feedback and make improvement in the whole teaching.

material preparation and synthesis; green; teaching research; reform

2017-01-17

本文系淮北師范大學(xué)質(zhì)量工程項(xiàng)目“《材料合成方法》課程教學(xué)新模式”(編號：jy15129)研究成果。

代凱(1980—)，男，安徽淮北人，教授，博士，研究方向：環(huán)境納米材料的制備及應(yīng)用。

G642.0

A

1671-8275(2017)02-0065-03