張鵬，何宏，邱會東，周成裕，賈振福

為了培養(yǎng)大學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，我國的高等院校在人才培養(yǎng)過程中設(shè)置了一系列的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，同時還建立了許多實踐教學(xué)平臺，比如畢業(yè)設(shè)計和大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計劃。各高校都在實施大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計劃，希望通過訓(xùn)練計劃項目，鼓勵學(xué)生接觸學(xué)科前沿，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)研究的熱情，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，增強學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力及團(tuán)隊協(xié)作意識。畢業(yè)設(shè)計是綜合性實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生綜合運用所學(xué)知識，獨立分析和解決專業(yè)實際問題，這是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。

教師的科研項目是強化實踐教學(xué)和培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的良好平臺[1-2]。學(xué)生參與教師科研項目，在教師指導(dǎo)下承擔(dān)部分研究任務(wù)，可以真正體驗科學(xué)研究的實踐過程。在這個實踐過程中，學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神都能夠得到培養(yǎng)和鍛煉。同時，研究實踐會促進(jìn)學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，進(jìn)而不斷發(fā)現(xiàn)新的問題，產(chǎn)生進(jìn)一步深入研究的興趣。在研究實踐中發(fā)現(xiàn)的一些新問題，也可以成為學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目或畢業(yè)設(shè)計的研究課題。

下面，介紹學(xué)生參與教師承擔(dān)的“某油田耐溫抗鹽聚合物及其凝膠體系開發(fā)”研究項目的情況。2011級化工專業(yè)有4個學(xué)生參加了這個項目的研究工作。在研究過程中，將部分新問題轉(zhuǎn)化成了大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目和本科生畢業(yè)設(shè)計課題。

一、帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行項目研究的過程

“某油田耐溫抗鹽聚合物及其凝膠體系開發(fā)”項目包含2個方面的研究內(nèi)容：一個是耐溫抗鹽聚合物的合成，一個是耐溫抗鹽凝膠體系的開發(fā)。主持研究項目的教師，首先給參加項目的學(xué)生介紹了該項目的立項依據(jù)及背景，闡述了立項研究的必要性及該項目的主要研究內(nèi)容；接著指導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，確定研究對象和方法；然后指導(dǎo)學(xué)生按計劃進(jìn)行實驗，根據(jù)具體情況分析實驗現(xiàn)象、調(diào)整實驗內(nèi)容和方法。

（一）查閱文獻(xiàn)及確定研究對象的情況

耐溫抗鹽聚合物的合成方面，為了解耐溫抗鹽丙烯酰胺共聚物研究現(xiàn)狀，指導(dǎo)學(xué)生以“耐溫抗鹽”“聚丙烯酰胺”“引發(fā)”“聚合方式”等為關(guān)鍵詞，在中國知網(wǎng)上檢索并閱讀相關(guān)文獻(xiàn)。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，學(xué)生對耐溫抗鹽聚合物的改性單體、聚合方式及引發(fā)體系有了比較全面的了解。丙烯酰胺聚合物改性應(yīng)用較多的單體主要有3類：第一類是疏水單體，包括苯乙烯、N-烷基丙烯酰胺、2-乙烯基吡啶等；第二類是具有強電解質(zhì)性質(zhì)的單體，包括苯乙烯磺酸鈉、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、乙烯基磺酸等；第三類是可抑制酰胺基水解的單體，主要有N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）和丙烯酰嗎啉（ACMO）。聚合方式主要有水溶液聚合、乳液聚合、膠束聚合等。引發(fā)體系主要有低溫氧化還原體系、偶氮類中溫引發(fā)體系、高溫引發(fā)體系、復(fù)配體系等。在此基礎(chǔ)上，師生討論分析之后，初步?jīng)Q定：選用AMPS或NVP作為改性單體，使用低溫氧化還原體系或偶氮二異丁脒鹽酸鹽為引發(fā)劑，采用溶液聚合法，進(jìn)行聚合物的合成。

耐溫抗鹽凝膠的制備方面，學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)了解到，研究較多的有2類：一類是多價金屬離子交聯(lián)劑，包括鉻、鋁、鋯、鈦離子，而調(diào)剖使用的交聯(lián)劑主要是鉻離子；另一類是酚醛樹脂交聯(lián)體系，使用的交聯(lián)劑有酚類和醛類。由于重金屬鉻鹽以及苯酚-甲醛具有毒性，這兩類凝膠體系的應(yīng)用往往受到限制。聚乙烯亞胺（PEI）凍膠是近年來應(yīng)用于海上油田堵水的環(huán)境友好型凝膠，其交聯(lián)反應(yīng)機(jī)理是PEI分子中的伯胺、仲胺與酰胺基發(fā)生親核取代反應(yīng)，形成共價鍵，進(jìn)而在溶液中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于凝膠在地層中具有促使后續(xù)驅(qū)替液轉(zhuǎn)向的作用，因此也稱之為液流轉(zhuǎn)向劑。PEI凝膠具有環(huán)境友好的特點，于是計劃將此類凝膠作為研究對象。學(xué)生以“聚乙烯亞胺型抗高溫液流轉(zhuǎn)向劑體系開發(fā)與研究”為題，向?qū)W校申請第九屆大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目，獲得通過。

（二）實驗研究過程及項目轉(zhuǎn)化情況

指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗。使用低溫氧化還原引發(fā)體系或偶氮二異丁脒鹽酸鹽作為引發(fā)劑，進(jìn)行丙烯酰胺與AMPS或NVP的共聚合反應(yīng)實驗；調(diào)整改性單體的用量、引發(fā)劑用量及反應(yīng)溫度，制備出不同的共聚物。在此過程中，學(xué)生掌握了聚合反應(yīng)實驗的基本操作技術(shù)和對產(chǎn)物的處理方法。通過使用紅外光譜和核磁共振氫譜對合成出的共聚物進(jìn)行表征，掌握了化合物中的官能團(tuán)種類與紅外吸收峰位置之間的對應(yīng)關(guān)系，以及化合物中不同位置氫原子與其核磁吸收峰的化學(xué)位移之間的對應(yīng)關(guān)系，鍛煉了學(xué)生的解譜能力。接下來測定合成出的共聚物在一定溫度下，不同老化時間的粘度。在這個過程中，學(xué)生學(xué)會了高溫下聚合物溶液老化實驗操作技術(shù)及布氏粘度計的使用方法，學(xué)會了正確選擇粘度計的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的方法。然后，使用制備出的共聚物做稠化劑，用聚乙烯亞胺做交聯(lián)劑，調(diào)整稠化劑與交聯(lián)劑的配比，制備出凝膠。其間，測定了不同條件下的成膠時間及凝膠強度。最后指導(dǎo)學(xué)生撰寫出研究報告，這個科技創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目就順利結(jié)題了。

在實驗過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了許多問題。例如，合成出的聚合物與實踐中使用的某種聚合物相比，具有較好的抗高溫老化性，其抗老化的機(jī)理是什么呢？聚乙烯亞胺作為交聯(lián)劑，凝膠的成膠時間短，強度高，但是在140℃下，老化二三天就會出現(xiàn)脫水現(xiàn)象，而且脫水率較高，為什么會這樣呢？這些都是值得進(jìn)一步研究的問題。于是，參與項目研究的一個學(xué)生將“某油田條件下調(diào)驅(qū)劑的制備與性質(zhì)研究”作為自己畢業(yè)設(shè)計的題目，繼續(xù)進(jìn)行了研究。

在機(jī)理探索方面，對于很難通過實驗揭示的機(jī)理，引導(dǎo)學(xué)生采用量子計算軟件模擬的方法。學(xué)生與計算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用課主講老師討論后，決定借助量子計算軟件Gaussian 09來探索實驗合成聚合物的抗老化機(jī)理。先使用軟件構(gòu)造出丙烯酰胺均聚物和丙烯酰胺與NVP的共聚物，再模擬兩種聚合物在溫度從40℃升高到150℃的過程中的變化情況，計算吉布斯函數(shù)變和熵變的情況。理論計算結(jié)果表明，相對于丙烯酰胺均聚物，NVP共聚物在升溫過程中的吉布斯函數(shù)變和熵變均較小，發(fā)生反應(yīng)的傾向較小，熱穩(wěn)定性較好。關(guān)于聚乙烯亞胺型凝膠的脫水問題，學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)了解到，酚醛樹脂型凝膠在高溫下的熱穩(wěn)定性較好，脫水率較低。接下來立即著手實驗。試驗了酚醛樹脂型凝膠在140℃下的熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在加入穩(wěn)定劑的情況下，老化30天后的脫水率非常低，熱穩(wěn)定性良好，但是強度較弱。如果將酚醛樹脂與聚乙烯亞胺復(fù)配使用，是否可以得到強度又高、熱穩(wěn)定性又好、脫水率又低的凝膠？做驗證實驗時發(fā)現(xiàn)，酚醛樹脂預(yù)聚體與聚乙烯亞胺一起加入聚合物溶液中后會發(fā)生絮凝沉淀，無法成為凝膠。如果最初不加酚醛樹脂預(yù)聚體，而是加入高溫下能夠釋放出醛類的化學(xué)物質(zhì)，使其與酚類形成酚醛樹脂，也許能夠解決絮凝的問題。順著這個思路，學(xué)生又進(jìn)行了驗證試驗。在聚合物溶液中依次加入聚乙烯亞胺、酚類、穩(wěn)定劑和高溫下能夠釋放出醛類的化學(xué)物質(zhì)，結(jié)果沒有出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象；再放入140℃烘箱進(jìn)行試驗，結(jié)果獲得了強度高、熱穩(wěn)定性好、脫水率非常低的凝膠。后來經(jīng)過公開答辯和評選，這位學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計被評為優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計。

二、幾點思考

教師在帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行科研實踐的過程中，引導(dǎo)學(xué)生將實踐中發(fā)現(xiàn)的問題作為研究的新課題，然后進(jìn)行深入研究，既鍛煉培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索精神，也在一定范圍內(nèi)提升了學(xué)生研究課題（如畢業(yè)設(shè)計和創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目）的真實性和實踐價值。但這種做法也有一定的局限性，不適合沒有研究課題的教師，同時也只能面向部分學(xué)生。在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科研實踐的過程中，教師應(yīng)注意做好以下幾個方面的工作。

（一）培養(yǎng)學(xué)生查閱和分析科技文獻(xiàn)的能力

大多數(shù)本科學(xué)生沒有參加過科研實踐，缺乏科技論文寫作訓(xùn)練，其科技文獻(xiàn)檢索能力有待提高[3-4]。學(xué)生在參與項目研究的初期，就嚴(yán)重依賴課題題目中出現(xiàn)的詞組如“耐溫”“抗鹽”“聚合物”“凝膠”等去進(jìn)行文獻(xiàn)檢索。這樣檢索得到的文獻(xiàn)數(shù)量有限。這時，教師要注意引導(dǎo)學(xué)生嘗試采用替代關(guān)鍵詞的方法。例如：“耐溫”可以替換為“抗溫”，“抗鹽”可以替換為“耐鹽”“抗高礦化度”，“聚合物”可以替換為“高分子”“共聚物”，“凝膠”可以替換為“凍膠”“水膨體”“體膨顆?！钡?，還可以用“高溫”“高鹽”“耐水解”等作為關(guān)鍵詞進(jìn)一步擴(kuò)大檢索范圍。當(dāng)然，一味擴(kuò)大檢索范圍也不可取，在海量文獻(xiàn)中如何精準(zhǔn)鎖定目標(biāo)才是關(guān)鍵。因此，引導(dǎo)學(xué)生使用“調(diào)剖”“堵水”“聚合物驅(qū)”“油田化學(xué)”等專業(yè)術(shù)語，對之前檢索出來的文獻(xiàn)再進(jìn)行限定檢索。在廣泛檢索的基礎(chǔ)上進(jìn)行限定檢索，得到的文獻(xiàn)就會更適合研究的需要。

另外，本科學(xué)生很少有閱讀英語科技文獻(xiàn)的習(xí)慣，也缺乏檢索和閱讀英語科技文獻(xiàn)的能力。為培養(yǎng)學(xué)生查閱英語文獻(xiàn)的能力，教師可以嘗試指定一本英文教科書中的部分章節(jié)讓學(xué)生閱讀，教科書中的語句相對比較簡單。之后，再指定一二篇中國人用英語寫的具有代表性的相關(guān)文獻(xiàn)讓學(xué)生閱讀，并讓學(xué)生查閱這幾篇文章的參考文獻(xiàn)。學(xué)生閱讀英語文獻(xiàn)時應(yīng)養(yǎng)成做筆記的習(xí)慣，注意同一詞義的不同表述形式。在進(jìn)行英語文獻(xiàn)檢索時，可以靈活地使用這些不同的表述形式，擴(kuò)大檢索范圍。

目前，保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)的意識不斷增強。科研工作者為了保護(hù)產(chǎn)權(quán)，可能在文獻(xiàn)中隱藏或者調(diào)整了相關(guān)數(shù)據(jù)。因此教師要提醒學(xué)生，注意用批判性思維去閱讀文獻(xiàn)，對文獻(xiàn)中涉及的方法、數(shù)據(jù)等，不必處處質(zhì)疑，也不能全盤接收。

（二）引導(dǎo)學(xué)生注意細(xì)節(jié)，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲行袨榱?xí)慣

科學(xué)實驗和研究工作都需要注重細(xì)節(jié)，參加了科研實踐的學(xué)生對此會有體會。例如使用氧化還原體系作為引發(fā)劑進(jìn)行聚合時，反應(yīng)條件（如通氮時間、氮氣流速、光照情況、加料順序等）對引發(fā)效果及產(chǎn)物的粘度影響非常大。因此，仔細(xì)觀察并詳實記錄實驗過程和實驗現(xiàn)象是十分必要的。有些實驗結(jié)果無法進(jìn)行量化記錄，例如不同改性單體配比下聚合得到的膠塊，讓人能明顯感覺到它們的硬度有所不同，干燥后粉碎的難易程度也有所不同，樣品溶解后的狀態(tài)（溶解均勻、溶脹或兩者兼而有之）也會不同，對這些現(xiàn)象不能做量化記錄，但也不能放棄記錄。自己的一些心得體會，自己對實驗現(xiàn)象的判斷、分析，失敗或成功的可能存在的原因，等等，也要隨時記錄下來。重要的部分，在記錄時要用不同顏色的筆進(jìn)行標(biāo)注。另外，還要將書面版的記錄及時整理成電子記錄，原始記錄也應(yīng)拍照留存。

（三）引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力

獨立思考能力是創(chuàng)新型人才需要具備的基本素質(zhì)。實驗研究初期，學(xué)生基本上是在跟著教師的思路走。應(yīng)鼓勵學(xué)生參加課題組老師們的討論會，并引導(dǎo)學(xué)生提問題，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。學(xué)生提問題的能力可分為5個層次：敢于提出問題；能圍繞學(xué)習(xí)中心提問題；能提出有份量的問題；嘗試解決自己提出的問題；能在問題解決后提出新的問題[5]。在課題實施初期，學(xué)生提出的問題都比較簡單，如聚合機(jī)理是什么、反應(yīng)溫度對分子量有什么影響。這些問題在教材上都能找到答案。后來，學(xué)生可以提出一些課本上找不到答案的問題了，如AMPS或NVP的耐溫抗鹽原因是什么、為什么改性單體有一個最佳用量。對這些問題，教師鼓勵學(xué)生在相關(guān)專著或期刊文獻(xiàn)中去尋找答案。再后來，學(xué)生可以提出一些更有深度的問題，如：為什么引入改性單體后的共聚物在蒸餾水中測出的粘度很高，而在一定礦化度的鹽水中卻不如未加改性單體的均聚物；為什么同一批次聚合得到的樣品，水解度不同，特性粘數(shù)法測定出來的分子量有所不同；為什么酚醛樹脂預(yù)聚體與聚乙烯亞胺混合會有絮凝，如何避免這種現(xiàn)象。這些問題，有的在文獻(xiàn)中也找不到解釋。這時，教師可以鼓勵學(xué)生在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，大膽地進(jìn)行假設(shè)，然后去通過實驗進(jìn)行驗證。在這個階段，教師可以引而不發(fā)，盡量不要代替學(xué)生思考，以培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和勇于探索的品質(zhì)。

[1]沈劍英，黃風(fēng)立.依托科研項目開發(fā)綜合性實驗的實踐與探索[J].實驗技術(shù)與管理，2014（3）．

[2]吳金星，王曉，王保東，等.教師科研項目是強化實踐教學(xué)和培養(yǎng)創(chuàng)新能力的良好平臺[J].大學(xué)教育，2014（1）．

[3]汪容.試論高校圖書館在本科生學(xué)位論文撰寫過程中的職責(zé)與使命[J].新世紀(jì)圖書館，2012（11）．

[4]曹劍輝.實驗教學(xué)與大學(xué)生文化素質(zhì)教育芻論[J].實驗技術(shù)與管理，2010（2）．

[5]魏紅.談學(xué)生獨立思考能力的培養(yǎng)[J].教育探索，2007（7）．