材料制備及合成實驗方法在高校材料類專業中教學應用研究

代 凱，王中遼，呂佳麗，耿 磊，朱光平

(淮北師范大學 物理與電子信息學院，淮北 安徽 235000)

·教學研究·

材料制備及合成實驗方法在高校材料類專業中教學應用研究

代 凱，王中遼，呂佳麗，耿 磊，朱光平

(淮北師范大學 物理與電子信息學院，淮北 安徽 235000)

以高校材料類專業實驗環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路線的實驗教學新模式。在相關課程中引入材料合成的綠色化知識，讓學生充分了解目前材料的綠色制備及合成方法和發展趨勢，并根據材料制備及合成方法實驗課程的特點，結合整個教學中的反饋對實驗方法進行改進。

材料制備及合成；綠色化；教學研究；改革

任何技術的發展與革新都離不開材料的創新。[1,2]新材料的制備和使用使得產品日益更新換代。在人們享受高新技術發展的同時，材料的制備和合成尤其有機化工材料的合成造成了世界各國環境的極大污染和能源的極大損耗。霧霾、藍藻爆發、赤潮等環境惡化現象的不斷爆發，使得各國政府和人民對國民經濟能否可持續發展及其所涉及的環境、能源、生態、經濟等方面的問題愈來愈關注。[3,4]材料合成方法是一門以實驗為基礎的學科，實驗動手能力是理工科相關專業工作者的必備本領。因此，“實驗”教學環節在整個材料學教育教學過程中占有特殊的地位，對于學生的知識、能力、思維和素質的協調發展起著至關重要的作用。因此，材料合成方法實驗教學不僅是培養材料物理類專業創新人才的重要實踐教學環節，同時也是培養近材料類專業(化學、生物、環境、化工等專業)學生實驗技能、提高研究創新實踐能力的重要實踐教學環節，[5]并達到培養新世紀創新型人才的要求，提高大學生們的思維能力、創新能力和社會適應能力的目的。

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步驟，最大程度地實現無污染或者少污染的反應過程。綠色材料制備及合成的人才培養最根本目的是從零排放和零污染的觀點來改革現有工業中材料制備及合成的技術方法。[5,6]采用適量無污染的原料來降低可能出現的污染狀況，加以使用催化劑和載體達到高效和重復利用，通過選擇具有高轉化率，對綠色化的反應過程進行材料指標合成，盡量減少可能出現的衍生化步驟，避免使用可能帶來環境污染的有機溶劑等，從根本上消除可能出現環境污染的環節。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必備的學科，是相關專業本科生及研究生掌握設備操作技能、靈活運用材料制備及合成知識的重要渠道，并為將來從事相關環保產業夯實基礎。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入人們所在的環境，達到保護生態環境，這才是高等教育培養理工科材料類專業人才的目的。

2 綠色材料制備及合成實驗過程實施

由于材料制備及合成實驗數次較多，所使用的原料大多數來自不可再生資源，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的浪費和污染是綠色材料制備及合成實驗過程實施的關鍵因素。因此，實驗之前要先做好實驗的準備，查閱資料弄明白實驗原理和需要用到的藥品和設備。實驗過程中要保證藥品稱量的精確性。實驗過程中數據的測量、記錄都要準確，因為誤差的緣故需要多次試驗，實驗過程中防止出事故不能擅自離開實驗臺。做化學實驗之前不能忘記清洗儀器，實驗過程中不能忘記貼標簽。實驗結束還要及時處理實驗數據，及時檢查實驗出錯地方，及時修改。每次材料制備及合成時，要將材料合成中的副產物及時回收并盡可能再次利用，建立起有效資源合理循環，不僅可以提高原料的利用率，而且還減少廢棄物對環境可能造成的污染。比如采用水熱法合成ZnO材料時，以氯化鋅和氫氧化鈉作為原料，反應生成物除了ZnO之外還有氯化鈉副產物。因此可以將氯化鈉提取出來再次利用。又如實驗制備次甲基藍指示劑，如果實驗結束后將它廢棄，既造成資源浪費，也不符合綠色環保的理念。如果將制得的亞甲基藍回收保存，用作后續光催化實驗中模擬有機污染物的降解，這樣不僅提高原料的利用率，還做到了對環境零污染。另外，在做到提高教學質量的同時，采用微型材料制備及合成實驗方式，即采用微克計量來合成材料。這樣，就能夠在有限資源使用條件下，讓更多的學生自己動手操作。由于這種方法對操作者的要求進一步提高，這樣就在學生的培養過程中，進一步傳播綠色環保的概念，培養學生對綠色材料制備及合成實驗的思考能力，端正了學生的科研態度。

3 綠色材料制備及合成實驗過程改革

大量的研究表明，材料類專業本科生及研究生對材料基礎知識的把握能力和學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作觀察發現學生對材料綠色合成及制備方法中的實驗教學環節認識不夠，無法做到利用材料專業角度指導實驗，也就無法做到滿足用人單位材料創新性的開發；同時眾多學生認為本科實驗教學過程中偏重基礎理論驗證型實驗，難以調動學生求知的欲望、創新的積極性和科研探索的愿望。甚至通過社會調研反饋的結果中研究表明:某些高新技術企業所使用的材料合成及測試儀器設備比多數高校教學使用的設備更具先進性和可操作性，造成應屆本科畢業生的科學素養和實際應用能力無法達到用人單位的滿意度，導致眾多工科類畢業生無法順利就業。究其原因，主要是傳統的本科實驗教學過程中存在以下缺點:1)實驗教學內容長年累月不變，無法達到當今科技發展要求；2)教學模式、教學手段和教學方法單一；3)兼具教學和科研師資匾乏等。針對上述問題，教師可以通過基于高校學科建設平臺，將材料制備及合成與當代大型精密儀器測試相結合，提高實驗的嚴謹性、趣味性，改革與創新傳統的實驗教學內容與教學模式。這樣老師在教學的同時還可以進行科學研究，并能夠提高材料類專業學生專業的實驗技能、科學素養和創新意識。以淮北師范大學為例，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、電化學工作站等大型科研設備，通過將合成的材料與大型設備相結合來培養學生科學探索興趣，提高材料類本科生專業素養，有利于驅動人才培養模式的根本轉變，深化教學改革。并可以以材料類本科實驗教學改革為著眼點，促進材料制備及合成等相關課程的教學大綱、教學思路、教學模式、教學理念及教學方法的改革，更好地達到教學效果與教學目標的統一性，全面提升教學水平與教學檔次，培養高科學素養和創新型人才。在此基礎上，其相關成功的經驗還可以向其它的理工科學科(如:物理、電子、計算機、生物、環境、化學、化工等)全面推廣。

4 重視反饋和改進

如今，教條化的理念規章越來越多。不可否認其在實際的工作上取得一些積極的效果，但有些時候對整個工作的實施和完成幫助不大甚至會起阻礙作用。隨著綠色材料制備及合成實驗過程的概念深化，過程的改革和落實一定要從實際出發，實事求是，因地制宜，一定要根據實際情況靈活地處理而不能教條化。綠色材料制備及合成實驗過程的概念深化，過程改革和落實的各個環節都要注意多方面搜集信息，多交流探討，確保及時接收積極反饋，進一步修改和完善各個環節。確保整個體系與客觀實際相吻合，確保整個體系能順利有效的完成。在整個綠色材料制備及合成實驗的過程中，不僅要對材料制備和合成實驗的“綠色化”落實好，而且也要注重學生們在實驗收獲上的反饋。不僅要把材料制備及合成的實驗結果處理好，同時也要以人為本使整個教學環節更具人性化，更加富有朝氣與活力。綠色材料制備及合成實驗過程的教學是一項長期的，重要的任務，一定要做好教學實驗的管理與實際情況相統一，一定要做好教學過程的實施和人性化的管理相一致。在不斷的反饋和改進中，使整個綠色材料制備及合成實驗過程的教學積極健康的發展。

5 總結

綠色材料制備及合成方法，在創新性合成新型功能材料的同時，減輕環境的污染。這就需要高校教師以綠色的當代科學思維對傳統傳授知識方式進行更新,要對傳統的材料合成與制備方法進行創新性的改革,尋找節能、綠色、環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引入學生的實驗教學過程中,結合現代常出現的霧霾、藍藻、赤潮、有機有害污染物對環境的影響，讓學生從思想根本上充分認識綠色材料制備及合成方法的重要性，才能夠將創新性和綠色化觀念植根于日常學習和探索中，為我國可持續發展培養合格的環保主義建設者。

[1] 田恬.材料基因組工程：推動材料創新的引擎[J].科技導報,2015(10):3.

[2] 陳祎淼.化工新材料創新實力待提升[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定化效果[J].環境工程學報,2014(4): 1599-1604．

[4] 章智明,黃占斌,單瑞娟,等.環境材料對鉛、鎘污染土壤玉米生長和重金屬累積的影響[J].河北農業大學學報,2013(3): 20-24．

[5] 代凱,朱光平,劉忠良,等.材料合成方法實驗教學改革探討[J].淮北師范大學學報(自然科學版),2013(34): 94-96．

[6] 董恩來,張偉,馬晉文,等.新能源材料與器件教改探討[J].人力資源管理,2015(6): 275-275．

責任編輯：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質量工程項目“《材料合成方法》課程教學新模式”(編號：jy15129)研究成果。

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

G642.0

A

1671-8275(2017)02-0065-03