功能高分子導(dǎo)向的納米材料課程的教學(xué)改革

秦大山 張計(jì)敏(河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130)

0 引言

納米材料是當(dāng)前材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新興研究熱點(diǎn)，涉及物理、材料、化學(xué)、半導(dǎo)體、生物等諸多方面的基礎(chǔ)知識(shí)，屬于前沿交叉學(xué)科的范疇。由于納米材料具有一系列新異的電、熱、力、光、磁等方面的小尺寸特性，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展在國(guó)防、光電子、航空、能源、化工、建材、醫(yī)藥等領(lǐng)域已獲得重要的應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了廣泛而深遠(yuǎn)的影響。納米材料的研發(fā)水平已成為評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家科技水平的一個(gè)重要考量[1-3]。

為功能高分子專(zhuān)業(yè)的本科生開(kāi)設(shè)納米材料課程具有重要的意義，這不僅能幫助學(xué)生及時(shí)了解最新的前沿科技動(dòng)態(tài)，激發(fā)學(xué)生的科研欲望和潛能，而且還能幫助學(xué)生認(rèn)清功能高分子專(zhuān)業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)[4]。但是，如何將納米材料課程與功能高分子專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)有機(jī)地結(jié)合在一起，提高學(xué)生對(duì)納米材料的認(rèn)知能力，以及在授課過(guò)程中如何推進(jìn)關(guān)于納米材料的課程思政建設(shè)，需更進(jìn)行深度的探究和思考。本文結(jié)合近年來(lái)的講授經(jīng)驗(yàn)和高分子學(xué)科的特點(diǎn)，對(duì)本課程進(jìn)行了一些教學(xué)改革方面的探討。

1 注重知識(shí)細(xì)節(jié)的教學(xué)方式

細(xì)節(jié)決定成敗，這句話(huà)不僅適用于指導(dǎo)科學(xué)研究，對(duì)教學(xué)也具有很好的啟發(fā)意義。化學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生主要通過(guò)化學(xué)反應(yīng)和儀器表征積累相關(guān)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，雖然他們的邏輯性較強(qiáng)，但學(xué)術(shù)思維不細(xì)膩。《納米材料》是一門(mén)以材料制備和性能表征為主的課程，在講授過(guò)程中若不細(xì)致教學(xué)，由于思維慣性化學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生很難掌握納米材料的精髓。例如，怎樣將納米材料這一科學(xué)術(shù)語(yǔ)翻譯成英文？有人將其譯成“nanosized materials”,這個(gè)譯法雖然簡(jiǎn)單易懂，但很容易被學(xué)生理解成任一維度的尺寸介于納米范圍的材料才是納米材料。其實(shí)，納米材料在一般意義上是指具有納米尺度顯微構(gòu)造的材料，因此翻譯成“nanostructured materials”應(yīng)較為合適。通過(guò)這兩種譯法的比較，可使學(xué)生深刻意識(shí)到維度大小只是納米材料的一個(gè)外在表現(xiàn)，晶粒和晶界才是納米材料的本質(zhì)內(nèi)涵，從而增強(qiáng)了學(xué)生通過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)的思考能力。再比如，普通人用肉眼能夠觀察到納米材料嗎？初學(xué)納米材料課程的化學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)該問(wèn)題的回答基本都是“不能”。通過(guò)講解納米級(jí)厚度的肥皂泡在陽(yáng)光下表現(xiàn)出的色彩(光的折射現(xiàn)象)，以及將鉛筆在紙上輕輕一劃，留下一條由幾層石墨烯組成的、肉眼可見(jiàn)的痕跡(光的吸收現(xiàn)象)，同學(xué)們會(huì)立刻認(rèn)識(shí)到納米材料原來(lái)離自己并不遙遠(yuǎn)，大學(xué)一年級(jí)和二年級(jí)學(xué)過(guò)的物理和化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)將在納米材料的研究中有廣闊的用武之地。一個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，其背后都隱藏著對(duì)學(xué)生所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的嚴(yán)格檢驗(yàn)。注重知識(shí)細(xì)節(jié)將幫助學(xué)生更好、更深入地學(xué)習(xí)納米材料課程。

2 授之以漁的教學(xué)理念

授之以漁的基本意思是指在老師的啟發(fā)下，學(xué)生運(yùn)用以前學(xué)過(guò)的基礎(chǔ)知識(shí)來(lái)理解目前正在學(xué)習(xí)的課程，簡(jiǎn)單地講就是以知識(shí)生知識(shí)，讓學(xué)生具備自我造血功能，這是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的關(guān)鍵。由于應(yīng)試教育的長(zhǎng)期存在，學(xué)生養(yǎng)成的思維模式大多是授之以魚(yú)。進(jìn)一步講，學(xué)生有可能機(jī)械地認(rèn)為他們正在學(xué)習(xí)的每一門(mén)課程都是新的領(lǐng)域，下意識(shí)忽視了他們所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)專(zhuān)業(yè)課程的承載作用。因此，在納米材料課程的講解中一定要注重基礎(chǔ)知識(shí)的運(yùn)用，不能簡(jiǎn)單地填鴨教學(xué)、生搬硬套。例如，量子尺寸效應(yīng)是納米材料課程中一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)概念，其定義如下：當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)，這些能隙變寬現(xiàn)象均稱(chēng)為量子尺寸效應(yīng)[2]。若將此定義強(qiáng)加給化學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，則他們斷無(wú)理解的可能；若先介紹固體能帶理論，然后引出費(fèi)米能級(jí)等概念，則重蹈授之以魚(yú)的老路，教學(xué)效果不好。其實(shí)，可以先從價(jià)鍵理論和雜化軌道理論(無(wú)機(jī)化學(xué)的內(nèi)容)出發(fā)，介紹氫分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)，引出分子軌道理論，如圖1所示；然后從分子軌道理論(有機(jī)化學(xué)的內(nèi)容)出發(fā)，介紹苯分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)，以此引出最高被占據(jù)分子軌道、最低未被占據(jù)分子軌道、能隙、光的吸收與發(fā)射等基本概念；在此基礎(chǔ)上，將π電子的離域特性與固體能帶理論中的電子公有化概念等同起來(lái)，進(jìn)而引出費(fèi)米能級(jí)和電子能級(jí)的連續(xù)性等概念。通過(guò)“老知識(shí)”來(lái)理解“新知識(shí)”，大部分學(xué)生可較好地掌握量子尺寸效應(yīng)的概念，并意識(shí)到“自我造血”能力培養(yǎng)的重要性，學(xué)習(xí)熱情也被激發(fā)出來(lái)了。

圖1 氫分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖

3 功能高分子導(dǎo)向的教學(xué)內(nèi)容

與納米材料復(fù)合或自身成為納米材料是當(dāng)前功能高分子發(fā)展的一個(gè)重要方向。給化學(xué)類(lèi)功能高分子專(zhuān)業(yè)的本科生開(kāi)設(shè)納米材料課程，其目的是提高他們未來(lái)從事該方向的科研及產(chǎn)業(yè)研發(fā)的能力。納米材料脫胎于材料學(xué)，其內(nèi)容廣泛，按傳統(tǒng)的材料體系分類(lèi)，包括納米金屬材料、納米陶瓷材料、納米高分子材料、納米復(fù)合材料等；按照應(yīng)用的目的分類(lèi)，包括納米電子材料、納米磁性材料、納米隱身材料、納米生物材料等。基于課時(shí)限制和專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)指標(biāo)點(diǎn)的要求—能夠了解高分子及相關(guān)交叉學(xué)科的知識(shí)，具有自主學(xué)習(xí)和不斷學(xué)習(xí)的意識(shí)，面向功能高分子的納米材料課程的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容概括如下：納米材料的基本性質(zhì)、納米材料的物理性質(zhì)、納米材料的制備方法、納米粒子、納米光電高分子薄膜與微納器件、納米填料增強(qiáng)高分子材料的性能、納米材料的顯微和光譜學(xué)表征手段。在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)注意舉例最新的納米前沿動(dòng)態(tài)，并與本專(zhuān)業(yè)老師的科研項(xiàng)目結(jié)合起來(lái)，做到理論聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)納米材料知識(shí)的理解和學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)的認(rèn)識(shí)。

4 課程考核

課程考核是課程教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它能反應(yīng)出學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)效果，也能體現(xiàn)出老師對(duì)該課程的教學(xué)效果，必須加以重視。《納米材料》的課程考核由期中考試和課程論文組成。期中考試以開(kāi)卷的方式進(jìn)行，主要是檢查學(xué)生對(duì)納米材料的基本性質(zhì)和物理性質(zhì)的掌握情況，因?yàn)檫@兩部分內(nèi)容構(gòu)成了納米材料的理論基礎(chǔ)，對(duì)學(xué)生未來(lái)的科研工作起到“漁”的作用，所以不可忽視，這部分在總成績(jī)中的占比為40%。課程論文是一個(gè)約2000～3000字的微型綜述，是基于某一具體納米材料的某一物理性質(zhì)及相關(guān)應(yīng)用展開(kāi)的討論，這部分在總成績(jī)中的占比為60%。為了將課程論文和課程內(nèi)容有機(jī)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的“漁”思維，要求課程論文中約20%左右的篇幅為與課程內(nèi)容相關(guān)的舉例和延伸討論，這樣能有效避免課程論文成為單純的文獻(xiàn)總結(jié)報(bào)告，同時(shí)細(xì)化學(xué)生的學(xué)術(shù)思維。

5 課程思政

課程思政的基本思想是，老師在授課過(guò)程中應(yīng)與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)，把“立德樹(shù)人”作為教育的根本任務(wù)。具體來(lái)講，老師不但要傳授學(xué)生知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生能力，而且還要起到培養(yǎng)學(xué)生世界觀、人生觀、價(jià)值觀的作用。但是，課程思政的目標(biāo)不是讓老師簡(jiǎn)單、機(jī)械、生硬去地重復(fù)思想政治理論課的基本內(nèi)容，而且是要春風(fēng)化雨、潤(rùn)物無(wú)聲地改造學(xué)生的思想世界，幫助他們不但成長(zhǎng)為社會(huì)主義事業(yè)的建設(shè)者，更是社會(huì)主義事業(yè)的接班人。為推進(jìn)納米材料課程的課程思政建設(shè)，特將以下內(nèi)容穿插到納米材料課程的講解之中：生動(dòng)的“中國(guó)納米”故事，生動(dòng)的“納米大師”故事，什么是科學(xué)觀、科學(xué)方法論與科學(xué)精神，經(jīng)典納米科研和產(chǎn)業(yè)案例，我校的納米研發(fā)水平等，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生家國(guó)情懷和契約精神之育人目的。課程思政建設(shè)不宜與課程考核直接掛鉤，以免成為形式主義，其效果只能在以后的生產(chǎn)社會(huì)實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)，這就需要老師必須在授課過(guò)程中認(rèn)真設(shè)計(jì)并切實(shí)執(zhí)行課程思政的建設(shè)內(nèi)容，且具有“成功不必在我”的奉獻(xiàn)精神。

6 結(jié)語(yǔ)

納米材料是一個(gè)不停發(fā)展的動(dòng)態(tài)領(lǐng)域。與納米材料交叉融合，是功能高分子的一個(gè)重要前沿領(lǐng)域，未來(lái)功能高分子材料的高性能化和產(chǎn)業(yè)化都離不開(kāi)納米材料的引導(dǎo)。因此，給功能高分子專(zhuān)業(yè)的學(xué)生開(kāi)設(shè)納米材料課程是十分必要的，具有現(xiàn)實(shí)意義。如何才能讓化學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的本科生基于所學(xué)的基礎(chǔ)課程更好地掌握納米材料的知識(shí)體系，做到授之以漁？如何與時(shí)俱進(jìn)地開(kāi)展納米材料課程的課程思政建設(shè)？這些都需要教師在實(shí)際教學(xué)中不斷探索、不斷思考、不斷提高。