關(guān)于本科生納米概念教育的探討

成漢文+王莉賢

摘 要 文章簡要介紹了在本科生的理論與實(shí)踐教學(xué)課程中通過引進(jìn)納米尺寸的概念對(duì)于本科學(xué)生從理論上理解儀器分析的定量分析給定物質(zhì)大小的重要意義，結(jié)合教學(xué)科研工作中積累的納米材料方面已有的經(jīng)驗(yàn)，指出了如何在“中級(jí)儀器分析”（雙語授課）課程中幫助學(xué)生真正建立明晰的納米甚至原子概念，從而使得理論更好地指導(dǎo)實(shí)踐。

關(guān)鍵詞 理論與實(shí)踐 納米材料 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.10.027

Abstract The significance of introducing the nano-scale concepts into theory-practical course for our undergraduate learners understanding of instrumental analysis of a given substance and the quantitative analysis from the theory. Combined with the experience in nanomaterial and nanotechnology of our research group， we point out how to help students really establishing clear nano-scale concept in the “Instrumental Analysis Ⅱ” （bilingual instruction） courses， which will combine theory and practice better.

Keywords theory and practice； nanomaterial； reform in education

目前全國高校的本科生已有很多的理論結(jié)合實(shí)踐課程，而就化學(xué)專業(yè)尤其是分析花絮專業(yè)的學(xué)生而言，儀器分析類課程是必修的理論結(jié)合實(shí)踐的課程。不論是教學(xué)中還是畢業(yè)后走上就業(yè)崗位，很多學(xué)生面臨著接觸或從事儀器類尤其是對(duì)材料進(jìn)行表征類儀器有關(guān)工作。

早在150年前，微米成為了新的精度標(biāo)準(zhǔn)，這樣的技術(shù)給人類帶來了巨大的發(fā)展，也奠定了世界工業(yè)化的基礎(chǔ)。但是，隨著人們對(duì)提高材料的性能、推動(dòng)高新技術(shù)發(fā)展的需求不斷增長，各類材料的制備技術(shù)和表征技術(shù)也在日新月異。自1861年膠體化學(xué)建立后，科學(xué)家們開始對(duì)小尺寸的粒子（1～100 nm）展開研究，由此引出了“納米”這一新概念。納米（nm），又稱毫微米，是長度的度量單位，1納米=10-9米。納米顆粒一般也就是指直徑在1～100 nm范圍的粒子。能夠?qū){米顆粒的尺寸、形貌、結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行表征的儀器有光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡（TEM）、高分辨透射電子顯微鏡（HR-TEM）等等。①而今本科教學(xué)課程中所涉及的這些顯微技術(shù)雖然在學(xué)生實(shí)驗(yàn)室中常見，但因缺乏納米尺寸以及原子概念的教育，所以仍有很多學(xué)生在學(xué)習(xí)中接觸到這樣的尺度概念時(shí)理解不清晰，這也引發(fā)了許多教學(xué)工作者對(duì)這一現(xiàn)象的思考。②③④

1 在本科教學(xué)中引入納米概念的必要性

在本科學(xué)習(xí)階段，本科生是否有必要對(duì)納米這樣極小尺寸甚至原子理論這些抽象概念進(jìn)行了解呢？其實(shí)很有必要。因?yàn)椴徽撛诤畏N材料中，其最小基本組成（原子或分子）的存在本身就是一個(gè)不容忽視的化學(xué)概念。即使是對(duì)頭發(fā)這樣已知并可見的物質(zhì)，本科學(xué)生不一定能準(zhǔn)確回答其尺寸大小是多少或者什么數(shù)量級(jí)。教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的常見光學(xué)顯微鏡雖然可以用來檢查物體的輪廓及細(xì)節(jié)，但只有當(dāng)該物的尺寸比光的波長還要大，才能觀察到該物質(zhì)，而小到幾個(gè)納米甚至原子級(jí)別則無法達(dá)到可視化。

在《Instrumental Analysis Ⅱ》雙語課程中有一章節(jié)將庫倫分析法這樣的電化學(xué)方法理論知識(shí)與納米級(jí)別以下的原子數(shù)目建立了關(guān)聯(lián)。原題是這樣描述的：“A monolayer （single layer of atoms） of Cu on the crystal face shown in the margin has 1.53 x 1015 atoms/cm2 = 2.54 x 10-9 mol/cm2. Question： What current can deposit one layer of Cu atoms on 1 cm2 in 1 s？”這個(gè)題目在問：當(dāng)電流和時(shí)間一定時(shí)，在面積為1cm2中能夠沉積銅原子的數(shù)目（圖1為“100”晶面排列的銅原子在1cm2的個(gè)數(shù)示意圖）；或者一定數(shù)目的銅原子在一定的時(shí)間里能夠沉積滿一個(gè)單原子層/1cm2則需要的電流為多少？由于發(fā)現(xiàn)本科生對(duì)納米以下的原子概念理解甚少，所以對(duì)這一量化計(jì)算顯得茫然。為了培養(yǎng)我們的學(xué)生能夠成功塑造完整的知識(shí)面和知識(shí)體系，達(dá)到學(xué)科不斷發(fā)展的需要，教學(xué)人員決定在《Instrumental Analysis Ⅱ》這門課程中引進(jìn)納米以及原子尺寸的概念。

2 引入納米概念的教育方式

如何在教學(xué)中能夠引入抽象的納米概念，又能激發(fā)本科生對(duì)此概念的興趣，是成功展開這方面教育的一個(gè)重要開始。普遍理論與具體實(shí)踐相結(jié)合的“理論聯(lián)系實(shí)際”原則可以達(dá)到主觀和客觀、理論和實(shí)踐、知和行的統(tǒng)一。那么關(guān)于納米的尺寸雖然小之又小，但是從人們所熟悉的頭發(fā)可以引起一個(gè)人們?cè)谌粘Ｉ钪兴熘淖钚〕叽绺拍睢Ｔ谡n堂中，首先讓本科生思考“細(xì)如發(fā)絲”的問題：頭發(fā)到底有多細(xì)？直徑大約在哪個(gè)數(shù)量級(jí)？這一問題的拋出，引起了學(xué)生們?cè)谡n堂上的熱鬧討論。結(jié)果有這樣幾種答案：0.1-0.01毫米、1-10個(gè)微米、10-100個(gè)微米。那么在《泰山醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)》上的《國人頭發(fā)直徑的調(diào)查》⑤中一文指出：“顯微鏡目鏡測微尺對(duì)571人的4272根頭發(fā)的直徑進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)其平均直徑為84.01€？3.07微米。”答案揭曉后，學(xué)生們對(duì)微米概念顯得饒有興趣，并對(duì)人體眼睛的分辨率有了一定的了解。

此后，再次以學(xué)生們所熟悉的足球?yàn)槔屍溆懻撘粋€(gè)足球的大小，結(jié)果學(xué)生們很快就能給出正確答案：十幾個(gè)厘米。當(dāng)這個(gè)簡單問題回答后，立即讓其討論我們和所有生物賴以生存的地球直徑是多少。這樣的例子對(duì)于本科生并不陌生，卻又難以捉摸正確答案。在經(jīng)過一段時(shí)間的思考后，課堂的本科生表現(xiàn)出強(qiáng)烈的求知欲望，希望能夠獲知答案。對(duì)于這一現(xiàn)象，教學(xué)者不是直接給出答案，而是將此問題上升為：如果將足球擴(kuò)大上億倍，將接近地球的尺寸，此時(shí)，本科生們對(duì)“一億”這樣的數(shù)量級(jí)有了一個(gè)模糊的概念。

實(shí)際上，一個(gè)地球的尺寸縮小一億倍，接近一個(gè)足球的尺寸，而一個(gè)足球同樣縮小一億倍，將是一個(gè)納米的尺寸。當(dāng)這一概念在課堂上給出后，本科生們覺得震撼，深切感嘆納米尺寸的渺小同時(shí)體會(huì)到納米尺寸的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展的不易，以及對(duì)發(fā)明納米尺寸表征技術(shù)的儀器創(chuàng)造者們表示由衷的敬佩。

3 對(duì)納米概念的鞏固

在理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)方式中介紹納米尺寸后，進(jìn)一步對(duì)原子概念進(jìn)行闡述。納米粒子也是由原子構(gòu)成的。但一納米相當(dāng)于多少個(gè)原子的直徑總和這一問題要結(jié)合元素周期表中具體原子的大小等因素來考慮，因?yàn)椴煌脑哟笮〔灰弧Ｍㄟ^概念講解前的提問引發(fā)本科生們的思考，再經(jīng)過由大到小的尺寸數(shù)量級(jí)概念演變并結(jié)合生活中的實(shí)例，之后為了對(duì)新鮮知識(shí)的鞏固，我們又設(shè)計(jì)了一些涉及到納米及原子尺寸概念的問題。我們發(fā)現(xiàn)通過這些練習(xí)使得學(xué)生們對(duì)納米尺寸和原子尺度概念的感知有了顯著的改善。

4 結(jié)束語

總之，我們已經(jīng)在《Instrumental Analysis Ⅱ》雙語課程中引入納米尺寸和原子尺寸，使得本科生對(duì)尺度概念有了新的認(rèn)識(shí)，為日后的科研和工作奠定了一定的理論基礎(chǔ)，學(xué)生們?cè)诒究平虒W(xué)中掌握了納米尺寸和原子尺度的概念將會(huì)對(duì)其未來的探究性學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)活動(dòng)有所幫助，同時(shí)也培養(yǎng)他們積極思考的好習(xí)慣。我們鼓勵(lì)將本科生納米概念教育的方式引入到教學(xué)中來。

注釋

① 任慶云，王松濤，張大飛.納米材料的結(jié)構(gòu)表征方法[J].廣州化工，2014.42（5）：34-35.

② 李明，張曉波，李洪俊，劉親壯.《納米材料》課程設(shè)計(jì)探討[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2011.3：145-147.

③ 王燕民，潘志東.本科生納米技術(shù)的工程教育[J].化工高等教育，2010.6：12-15.

④ 雪梅.納米材料科學(xué)與技術(shù)教學(xué)方法探索[J].教學(xué)研究，2013.12：86-87.

⑤ 曾昭訓(xùn)，秦慶亮.國人頭發(fā)直徑的調(diào)查[J].泰山醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，1991.12（4）：370-372.