材料化学专业《科学研究训练课程》教学实践

胡传跃，郭 军，胡继林

(湖南人文科技学院化学与材料科学系，湖南娄底417000)

材料化学专业是一门应用型理工科专业，将科研思维和方法引入课堂，对于培养学生学习的兴趣，激发学生科研的潜能，调动学生实验的积极性和主动性，提高学生发现问题与解决问题能力、实践操作能力、组织协调能力以及培养创新型的全面发展的综合性优秀人才具有非常重要的作用［1］。

进行实践教学改革，提高本科人才培养的创新能力，是当前高校教学改革、提高人才培养质量的重要任务之一。以教学科研成果为依托，提炼并转化为实验教学项目，开展探究式实验教学，是培养大学生强实践能力的有效途径［2］。由科研成果转化而来的实验项目教学，能够运用综合多学科知识与技能，对大学生进行综合训练，在保证学生掌握基本技能的同时，引领学生进入科学研究前沿，让学生在综合运用所掌握的多学科知识和技能的同时，获得较高的创新意识和创新能力。从教师的科研项目中提炼出的开放实验课题，能反映科学研究的新成果、新方法，知识点和技术要点多，学科覆盖面宽，实用性和可操作性强。通过有利于培养学生的创新能力［3－5］。湖南人文科技学院化学与材料科学系在材料化学专业开设的科学研究训练课程，5－8人一组，安排学生在2周内完成，学生得到了功能粉体材料与陶瓷材料的制备、结构分析与性质测试以及有关理论知识学习等综合训练，激发了学生的学习热情、显著提高了学生的创新能力。

一 科学研究训练课程的实施方案

(一)课题的选取

筛选科研课题需要考虑几个方面，第一，实验所需的仪器设备，现有条件下可否满足;第二，实验所需的药品的毒性是否适合学生实验以及药品的价格是否满足经费要求。常规教学经费能否满足将科研课题转化为科学研究训练课程的学生开放实验的经费需求，这是需要重点考虑的一方面;第三，实验所需的实验条件是否过于苛刻，部分科研课题实验条件比较苛刻，如需要无水无氧条件，这些都不适合学生实验，科学研究训练课程主要是对学生进行综合性训练，而不是完全意义上科研项目研究。综合以上因素最终筛选出合适的科研课题有:废旧锂离子电池中有价金属的回收与利用，氢氧化物共沉淀法制备锂离电子电池LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正极材料，稀土氧化物La2O3含量对95氧化铝陶瓷性能的影响等。

确定好实验项目后由科学研究训练课程指导教师将实验所需的仪器、药品等条件要求与经费需求向实验室主任申报，指导教师负责科学研究训练课程小组实验项目实施，向主管部门负责。一般每组学生数为5－8人，每位教师负责指导一个小组。

(二)课题实验方案设计

以从废旧锂离子电池中回收与再利用有价金属为例，阐述引导学生进行研究方案设计。

1．课题情况介绍

锂离子电池的结构，由外壳、正极、负极、电解液和隔膜四部分组成。正极、负极均由活性材料、导电添加剂和聚合物粘结剂与集流体组成。常见正极活性材料有钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂等，负极活性材料主要是碳素材料，电解液主要是六氟磷酸锂与有机溶剂，正、负极集流体分别是铝箔和铜箔。因此废旧锂离子电池中可以回收与再利用的有价金属有铝、铜、镍、钴、锰、锂等，为了节约资源、减少废旧锂离子电池污染环境，需要对废旧锂离子电池进行回收与再利用。

2．查阅文献

如要查阅废旧锂离子电池的回收与再利用的方法，要求学生一方面阅读化学电源书藉，了解化学电源的相关知识，到图书馆查阅期刊杂志，掌握废旧电池回收与再利用的相关文献信息，然后查阅science dircet、spring等外文数据库，选择关键词“spent lithium ion battery”，将相关废旧锂离子电池回收的文献下载并保存。要求学生详细阅读文献，撰写文献综述。文献综述内容包括不同作者对废旧锂离子电池中有价金属进行回收与再利用的具体方法，试剂、原料、分析表征的仪器设备等，比较不同方法的优缺点，根据实验室具备的条件，设计出自己的回收与再利用的实验方案。3．教师与学生共同探讨与修改实验方案

科研课题都具有综合性，在所选课题常常涉及物质的溶解与分离及提纯、无机合成等知识。教师应引导学生思考实验方案的每一步骤实验目的和要求，注重实验与理论知识的联系，加强对理论深度的挖掘。查阅文献后，教师与学生共同探讨实验方案与文献提供方案的区别，从实验方法的选择，实验的条件等方面考察实验方案的合理性与创新点。最后确定具体实验方案，如通过碱浸酸溶法制得Cu2+、Co2+/Co3+、Ni2+溶液，采用沉淀法、阴离子分离法得到有价金属化合物，以回收滤液为原料，探究滴定温度、烧结温度、pH值对沉淀生成速度和生成量的影响。采用XRD，激光粒度分析以及综合热分析表征了含有价金属化合物材料的结构和性质。在进行条件实验时，实验内容分解，每个学生负责一项，最后将全部实验结果综合，讨论回收条件的影响。

(三)科学研究训练课程的相关配套管理要求

1．实验前准备好所需的相关材料

如实验教学大纲、实验指导书、实验申请表、写出实验论文等，并根据教学实际需要和教学经费情况安排实验药品、玻璃仪器、器材，实验主要在指导教师所在创新实验室完成。

2．实验完成后清点并交还实验玻璃仪器

实验仪器若损坏按实验室有关规定进行赔偿。学生按实验要求撰写实验论文，送指导教师审阅，实验论文包括5个部分。前言、实验步骤、实验结果与讨论、结论、参考文献、实验感想与建议。最后要对学生实验进行考核、评定学生实验成绩。

二 科学研究训练课程的作用

不同科研项目涉及的材料知识与原理均不相同，随着教师不断申请和研究新的科研项目，相应的可以不断更新科学研究训练课的实验内容。

科研前沿实验增强学生的综合科研能力。首先，科学研究训练课程的实验过程中，需要综合运用基础化学实验的基本操作，如溶解、沉淀、分离等，使学生认识到基础化学实验中的基本技能在科学研究中的作用。其次，科学研究训练课程引领学生进入科研前沿的实验，使学生对科研工作的流程有了感性认识，还可以教会学生统筹安排实验，学生深刻领会到实验的前后连贯性，没有前面的结果，后面的实验没办法进行，端正了学生的实验态度。最后，学生在上实验课的过程中，原本感到深奥神秘的科研工作在指导教师引导下变得直观易懂，让学生感受教师的实验研究思路，最终使学生领略到科研工作的艰辛和乐趣，引领学生进入自行设计实验。因此，科学研究训练课程的开设对学生的实验设计起到“抛砖引玉”的作用，有助于学生在自行设计实验中，选题和立题的准确性、科学性。

三 结语

科学研究训练课程的开设使学生体会基础实验技能与真正的科学研究之间的联系。在基础实验教学上，恰当的将教师的科研课题和一些前沿的领域引入学生实验教学，在学生掌握实验原理、实验技能的同时，了解一些与本专业相关的科学前沿内容，感受做科研的一般思路，激发学生的创造性，激起学生做综合、创新实验的兴趣，培养学生创新能力。因此科学研究训练课程是培养应用型本科高级专门人才的重要实践环节，培养能够满足社会的需求应用型人才。

［1］郑春龙．实验室层次开放的思考与探索［J］．实验室研究与探索，2005，24(1):78 －80，102．

［2］李萍，管秀娟．地方院校教学与科研工作互动的实践研究［J］．广东工业大学学报:社会科学版，2007，7(1):23－24．

［3］张小强．教学型地方高校科研与教学互动探析［J］．钦州学院学报，2007，22(5):85 －89．

［4］张会清，王普，任明荣，等．专业课教学与科研互动的研究与实践［J］．电气电子教学学报，2008，30(2):109－111．

［5］王海滔．研究型化学实验教学模式的创新与实践［J］．实验室研究与探索，2011，30(2):117－120．