依托科研项目培养学生创新能力的实践与思考

张鹏，何宏，邱会东，周成裕，贾振福

为了培养大学生的实践创新能力，我国的高等院校在人才培养过程中设置了一系列的实践教学环节，同时还建立了许多实践教学平台，比如毕业设计和大学生科技创新训练计划。各高校都在实施大学生科技创新训练计划，希望通过训练计划项目，鼓励学生接触学科前沿，激发学生对科学研究的热情，培养学生的创新思维，增强学生的实践创新能力及团队协作意识。毕业设计是综合性实践教学环节，要求学生综合运用所学知识，独立分析和解决专业实际问题，这是培养学生综合素质和创新能力的重要环节。

教师的科研项目是强化实践教学和培养大学生创新能力的良好平台[1-2]。学生参与教师科研项目，在教师指导下承担部分研究任务，可以真正体验科学研究的实践过程。在这个实践过程中，学生的创新意识、创新思维、创新能力和创新精神都能够得到培养和锻炼。同时，研究实践会促进学生对专业知识的学习和应用，进而不断发现新的问题，产生进一步深入研究的兴趣。在研究实践中发现的一些新问题，也可以成为学生科技创新训练计划项目或毕业设计的研究课题。

下面，介绍学生参与教师承担的“某油田耐温抗盐聚合物及其凝胶体系开发”研究项目的情况。2011级化工专业有4个学生参加了这个项目的研究工作。在研究过程中，将部分新问题转化成了大学生科技创新训练计划项目和本科生毕业设计课题。

一、带领学生进行项目研究的过程

“某油田耐温抗盐聚合物及其凝胶体系开发”项目包含2个方面的研究内容：一个是耐温抗盐聚合物的合成，一个是耐温抗盐凝胶体系的开发。主持研究项目的教师，首先给参加项目的学生介绍了该项目的立项依据及背景，阐述了立项研究的必要性及该项目的主要研究内容；接着指导学生查阅相关文献，确定研究对象和方法；然后指导学生按计划进行实验，根据具体情况分析实验现象、调整实验内容和方法。

（一）查阅文献及确定研究对象的情况

耐温抗盐聚合物的合成方面，为了解耐温抗盐丙烯酰胺共聚物研究现状，指导学生以“耐温抗盐”“聚丙烯酰胺”“引发”“聚合方式”等为关键词，在中国知网上检索并阅读相关文献。通过查阅相关文献，学生对耐温抗盐聚合物的改性单体、聚合方式及引发体系有了比较全面的了解。丙烯酰胺聚合物改性应用较多的单体主要有3类：第一类是疏水单体，包括苯乙烯、N-烷基丙烯酰胺、2-乙烯基吡啶等；第二类是具有强电解质性质的单体，包括苯乙烯磺酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、乙烯基磺酸等；第三类是可抑制酰胺基水解的单体，主要有N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）和丙烯酰吗啉（ACMO）。聚合方式主要有水溶液聚合、乳液聚合、胶束聚合等。引发体系主要有低温氧化还原体系、偶氮类中温引发体系、高温引发体系、复配体系等。在此基础上，师生讨论分析之后，初步决定：选用AMPS或NVP作为改性单体，使用低温氧化还原体系或偶氮二异丁脒盐酸盐为引发剂，采用溶液聚合法，进行聚合物的合成。

耐温抗盐凝胶的制备方面，学生通过查阅文献了解到，研究较多的有2类：一类是多价金属离子交联剂，包括铬、铝、锆、钛离子，而调剖使用的交联剂主要是铬离子；另一类是酚醛树脂交联体系，使用的交联剂有酚类和醛类。由于重金属铬盐以及苯酚-甲醛具有毒性，这两类凝胶体系的应用往往受到限制。聚乙烯亚胺（PEI）冻胶是近年来应用于海上油田堵水的环境友好型凝胶，其交联反应机理是PEI分子中的伯胺、仲胺与酰胺基发生亲核取代反应，形成共价键，进而在溶液中形成三维网络结构。由于凝胶在地层中具有促使后续驱替液转向的作用，因此也称之为液流转向剂。PEI凝胶具有环境友好的特点，于是计划将此类凝胶作为研究对象。学生以“聚乙烯亚胺型抗高温液流转向剂体系开发与研究”为题，向学校申请第九届大学生科技创新训练计划项目，获得通过。

（二）实验研究过程及项目转化情况

指导学生进行实验。使用低温氧化还原引发体系或偶氮二异丁脒盐酸盐作为引发剂，进行丙烯酰胺与AMPS或NVP的共聚合反应实验；调整改性单体的用量、引发剂用量及反应温度，制备出不同的共聚物。在此过程中，学生掌握了聚合反应实验的基本操作技术和对产物的处理方法。通过使用红外光谱和核磁共振氢谱对合成出的共聚物进行表征，掌握了化合物中的官能团种类与红外吸收峰位置之间的对应关系，以及化合物中不同位置氢原子与其核磁吸收峰的化学位移之间的对应关系，锻炼了学生的解谱能力。接下来测定合成出的共聚物在一定温度下，不同老化时间的粘度。在这个过程中，学生学会了高温下聚合物溶液老化实验操作技术及布氏粘度计的使用方法，学会了正确选择粘度计的转速与转子的方法。然后，使用制备出的共聚物做稠化剂，用聚乙烯亚胺做交联剂，调整稠化剂与交联剂的配比，制备出凝胶。其间，测定了不同条件下的成胶时间及凝胶强度。最后指导学生撰写出研究报告，这个科技创新训练计划项目就顺利结题了。

在实验过程中，学生发现了许多问题。例如，合成出的聚合物与实践中使用的某种聚合物相比，具有较好的抗高温老化性，其抗老化的机理是什么呢？聚乙烯亚胺作为交联剂，凝胶的成胶时间短，强度高，但是在140℃下，老化二三天就会出现脱水现象，而且脱水率较高，为什么会这样呢？这些都是值得进一步研究的问题。于是，参与项目研究的一个学生将“某油田条件下调驱剂的制备与性质研究”作为自己毕业设计的题目，继续进行了研究。

在机理探索方面，对于很难通过实验揭示的机理，引导学生采用量子计算软件模拟的方法。学生与计算机在化学中的应用课主讲老师讨论后，决定借助量子计算软件Gaussian 09来探索实验合成聚合物的抗老化机理。先使用软件构造出丙烯酰胺均聚物和丙烯酰胺与NVP的共聚物，再模拟两种聚合物在温度从40℃升高到150℃的过程中的变化情况，计算吉布斯函数变和熵变的情况。理论计算结果表明，相对于丙烯酰胺均聚物，NVP共聚物在升温过程中的吉布斯函数变和熵变均较小，发生反应的倾向较小，热稳定性较好。关于聚乙烯亚胺型凝胶的脱水问题，学生通过查阅文献了解到，酚醛树脂型凝胶在高温下的热稳定性较好，脱水率较低。接下来立即着手实验。试验了酚醛树脂型凝胶在140℃下的热稳定性，发现在加入稳定剂的情况下，老化30天后的脱水率非常低，热稳定性良好，但是强度较弱。如果将酚醛树脂与聚乙烯亚胺复配使用，是否可以得到强度又高、热稳定性又好、脱水率又低的凝胶？做验证实验时发现，酚醛树脂预聚体与聚乙烯亚胺一起加入聚合物溶液中后会发生絮凝沉淀，无法成为凝胶。如果最初不加酚醛树脂预聚体，而是加入高温下能够释放出醛类的化学物质，使其与酚类形成酚醛树脂，也许能够解决絮凝的问题。顺着这个思路，学生又进行了验证试验。在聚合物溶液中依次加入聚乙烯亚胺、酚类、稳定剂和高温下能够释放出醛类的化学物质，结果没有出现絮凝现象；再放入140℃烘箱进行试验，结果获得了强度高、热稳定性好、脱水率非常低的凝胶。后来经过公开答辩和评选，这位学生的毕业设计被评为优秀毕业设计。

二、几点思考

教师在带领学生进行科研实践的过程中，引导学生将实践中发现的问题作为研究的新课题，然后进行深入研究，既锻炼培养了学生的创新能力和探索精神，也在一定范围内提升了学生研究课题（如毕业设计和创新训练计划项目）的真实性和实践价值。但这种做法也有一定的局限性，不适合没有研究课题的教师，同时也只能面向部分学生。在指导学生进行科研实践的过程中，教师应注意做好以下几个方面的工作。

（一）培养学生查阅和分析科技文献的能力

大多数本科学生没有参加过科研实践，缺乏科技论文写作训练，其科技文献检索能力有待提高[3-4]。学生在参与项目研究的初期，就严重依赖课题题目中出现的词组如“耐温”“抗盐”“聚合物”“凝胶”等去进行文献检索。这样检索得到的文献数量有限。这时，教师要注意引导学生尝试采用替代关键词的方法。例如：“耐温”可以替换为“抗温”，“抗盐”可以替换为“耐盐”“抗高矿化度”，“聚合物”可以替换为“高分子”“共聚物”，“凝胶”可以替换为“冻胶”“水膨体”“体膨颗粒”等，还可以用“高温”“高盐”“耐水解”等作为关键词进一步扩大检索范围。当然，一味扩大检索范围也不可取，在海量文献中如何精准锁定目标才是关键。因此，引导学生使用“调剖”“堵水”“聚合物驱”“油田化学”等专业术语，对之前检索出来的文献再进行限定检索。在广泛检索的基础上进行限定检索，得到的文献就会更适合研究的需要。

另外，本科学生很少有阅读英语科技文献的习惯，也缺乏检索和阅读英语科技文献的能力。为培养学生查阅英语文献的能力，教师可以尝试指定一本英文教科书中的部分章节让学生阅读，教科书中的语句相对比较简单。之后，再指定一二篇中国人用英语写的具有代表性的相关文献让学生阅读，并让学生查阅这几篇文章的参考文献。学生阅读英语文献时应养成做笔记的习惯，注意同一词义的不同表述形式。在进行英语文献检索时，可以灵活地使用这些不同的表述形式，扩大检索范围。

目前，保护知识产权的意识不断增强。科研工作者为了保护产权，可能在文献中隐藏或者调整了相关数据。因此教师要提醒学生，注意用批判性思维去阅读文献，对文献中涉及的方法、数据等，不必处处质疑，也不能全盘接收。

（二）引导学生注意细节，养成严谨的科研行为习惯

科学实验和研究工作都需要注重细节，参加了科研实践的学生对此会有体会。例如使用氧化还原体系作为引发剂进行聚合时，反应条件（如通氮时间、氮气流速、光照情况、加料顺序等）对引发效果及产物的粘度影响非常大。因此，仔细观察并详实记录实验过程和实验现象是十分必要的。有些实验结果无法进行量化记录，例如不同改性单体配比下聚合得到的胶块，让人能明显感觉到它们的硬度有所不同，干燥后粉碎的难易程度也有所不同，样品溶解后的状态（溶解均匀、溶胀或两者兼而有之）也会不同，对这些现象不能做量化记录，但也不能放弃记录。自己的一些心得体会，自己对实验现象的判断、分析，失败或成功的可能存在的原因，等等，也要随时记录下来。重要的部分，在记录时要用不同颜色的笔进行标注。另外，还要将书面版的记录及时整理成电子记录，原始记录也应拍照留存。

（三）引导学生独立思考，培养学生发现和解决问题的能力

独立思考能力是创新型人才需要具备的基本素质。实验研究初期，学生基本上是在跟着教师的思路走。应鼓励学生参加课题组老师们的讨论会，并引导学生提问题，发挥学生的主观能动性。学生提问题的能力可分为5个层次：敢于提出问题；能围绕学习中心提问题；能提出有份量的问题；尝试解决自己提出的问题；能在问题解决后提出新的问题[5]。在课题实施初期，学生提出的问题都比较简单，如聚合机理是什么、反应温度对分子量有什么影响。这些问题在教材上都能找到答案。后来，学生可以提出一些课本上找不到答案的问题了，如AMPS或NVP的耐温抗盐原因是什么、为什么改性单体有一个最佳用量。对这些问题，教师鼓励学生在相关专著或期刊文献中去寻找答案。再后来，学生可以提出一些更有深度的问题，如：为什么引入改性单体后的共聚物在蒸馏水中测出的粘度很高，而在一定矿化度的盐水中却不如未加改性单体的均聚物；为什么同一批次聚合得到的样品，水解度不同，特性粘数法测定出来的分子量有所不同；为什么酚醛树脂预聚体与聚乙烯亚胺混合会有絮凝，如何避免这种现象。这些问题，有的在文献中也找不到解释。这时，教师可以鼓励学生在查阅文献的基础上，大胆地进行假设，然后去通过实验进行验证。在这个阶段，教师可以引而不发，尽量不要代替学生思考，以培养学生独立思考和勇于探索的品质。

[1]沈剑英，黄风立.依托科研项目开发综合性实验的实践与探索[J].实验技术与管理，2014（3）．

[2]吴金星，王晓，王保东，等.教师科研项目是强化实践教学和培养创新能力的良好平台[J].大学教育，2014（1）．

[3]汪容.试论高校图书馆在本科生学位论文撰写过程中的职责与使命[J].新世纪图书馆，2012（11）．

[4]曹剑辉.实验教学与大学生文化素质教育刍论[J].实验技术与管理，2010（2）．

[5]魏红.谈学生独立思考能力的培养[J].教育探索，2007（7）．