功能高分子導向的納米材料課程的教學改革

秦大山 張計敏(河北工業大學化工學院，天津 300130)

0 引言

納米材料是當前材料科學領域的一個新興研究熱點，涉及物理、材料、化學、半導體、生物等諸多方面的基礎知識，屬于前沿交叉學科的范疇。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，經過多年的發展在國防、光電子、航空、能源、化工、建材、醫藥等領域已獲得重要的應用，對現代社會的生產生活產生了廣泛而深遠的影響。納米材料的研發水平已成為評價一個國家科技水平的一個重要考量[1-3]。

為功能高分子專業的本科生開設納米材料課程具有重要的意義，這不僅能幫助學生及時了解最新的前沿科技動態，激發學生的科研欲望和潛能，而且還能幫助學生認清功能高分子專業及相關產業的發展趨勢，提高學生發現問題、解決問題的能力，實現創新型人才的培養目標[4]。但是，如何將納米材料課程與功能高分子專業的培養目標有機地結合在一起，提高學生對納米材料的認知能力，以及在授課過程中如何推進關于納米材料的課程思政建設，需更進行深度的探究和思考。本文結合近年來的講授經驗和高分子學科的特點，對本課程進行了一些教學改革方面的探討。

1 注重知識細節的教學方式

細節決定成敗，這句話不僅適用于指導科學研究，對教學也具有很好的啟發意義。化學類專業的學生主要通過化學反應和儀器表征積累相關的知識和經驗，雖然他們的邏輯性較強，但學術思維不細膩。《納米材料》是一門以材料制備和性能表征為主的課程，在講授過程中若不細致教學，由于思維慣性化學類專業的學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術語翻譯成英文？有人將其譯成“nanosized materials”,這個譯法雖然簡單易懂，但很容易被學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，納米材料在一般意義上是指具有納米尺度顯微構造的材料，因此翻譯成“nanostructured materials”應較為合適。通過這兩種譯法的比較，可使學生深刻意識到維度大小只是納米材料的一個外在表現，晶粒和晶界才是納米材料的本質內涵，從而增強了學生通過現象看本質的思考能力。再比如，普通人用肉眼能夠觀察到納米材料嗎？初學納米材料課程的化學類專業學生對該問題的回答基本都是“不能”。通過講解納米級厚度的肥皂泡在陽光下表現出的色彩(光的折射現象)，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、肉眼可見的痕跡(光的吸收現象)，同學們會立刻認識到納米材料原來離自己并不遙遠，大學一年級和二年級學過的物理和化學基礎知識將在納米材料的研究中有廣闊的用武之地。一個看似簡單的問題，其背后都隱藏著對學生所學基礎知識的嚴格檢驗。注重知識細節將幫助學生更好、更深入地學習納米材料課程。

2 授之以漁的教學理念

授之以漁的基本意思是指在老師的啟發下，學生運用以前學過的基礎知識來理解目前正在學習的課程，簡單地講就是以知識生知識，讓學生具備自我造血功能，這是培養創新型人才的關鍵。由于應試教育的長期存在，學生養成的思維模式大多是授之以魚。進一步講，學生有可能機械地認為他們正在學習的每一門課程都是新的領域，下意識忽視了他們所學的基礎知識對專業課程的承載作用。因此，在納米材料課程的講解中一定要注重基礎知識的運用，不能簡單地填鴨教學、生搬硬套。例如，量子尺寸效應是納米材料課程中一個非常重要的基礎概念，其定義如下：當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續變為離散能級的現象和納米半導體微粒存在不連續的最高被占據分子軌道和最低未被占據的分子軌道能級，這些能隙變寬現象均稱為量子尺寸效應[2]。若將此定義強加給化學類專業的學生，則他們斷無理解的可能；若先介紹固體能帶理論，然后引出費米能級等概念，則重蹈授之以魚的老路，教學效果不好。其實，可以先從價鍵理論和雜化軌道理論(無機化學的內容)出發，介紹氫分子的能級結構，引出分子軌道理論，如圖1所示；然后從分子軌道理論(有機化學的內容)出發，介紹苯分子的能級結構，以此引出最高被占據分子軌道、最低未被占據分子軌道、能隙、光的吸收與發射等基本概念；在此基礎上，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，進而引出費米能級和電子能級的連續性等概念。通過“老知識”來理解“新知識”，大部分學生可較好地掌握量子尺寸效應的概念，并意識到“自我造血”能力培養的重要性，學習熱情也被激發出來了。

圖1 氫分子的能級結構示意圖

3 功能高分子導向的教學內容

與納米材料復合或自身成為納米材料是當前功能高分子發展的一個重要方向。給化學類功能高分子專業的本科生開設納米材料課程，其目的是提高他們未來從事該方向的科研及產業研發的能力。納米材料脫胎于材料學，其內容廣泛，按傳統的材料體系分類，包括納米金屬材料、納米陶瓷材料、納米高分子材料、納米復合材料等；按照應用的目的分類，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。基于課時限制和專業培養指標點的要求—能夠了解高分子及相關交叉學科的知識，具有自主學習和不斷學習的意識，面向功能高分子的納米材料課程的重點教學內容概括如下：納米材料的基本性質、納米材料的物理性質、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、納米填料增強高分子材料的性能、納米材料的顯微和光譜學表征手段。在教學過程中，應注意舉例最新的納米前沿動態，并與本專業老師的科研項目結合起來，做到理論聯系實際，加強學生對納米材料知識的理解和學科發展動態的認識。

4 課程考核

課程考核是課程教學的一個重要環節，它能反應出學生對該課程的學習效果，也能體現出老師對該課程的教學效果，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。期中考試以開卷的方式進行，主要是檢查學生對納米材料的基本性質和物理性質的掌握情況，因為這兩部分內容構成了納米材料的理論基礎，對學生未來的科研工作起到“漁”的作用，所以不可忽視，這部分在總成績中的占比為40%。課程論文是一個約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及相關應用展開的討論，這部分在總成績中的占比為60%。為了將課程論文和課程內容有機結合起來，進一步鍛煉學生的“漁”思維，要求課程論文中約20%左右的篇幅為與課程內容相關的舉例和延伸討論，這樣能有效避免課程論文成為單純的文獻總結報告，同時細化學生的學術思維。

5 課程思政

課程思政的基本思想是，老師在授課過程中應與思想政治理論課同向同行，形成協同效應，把“立德樹人”作為教育的根本任務。具體來講，老師不但要傳授學生知識、培養學生能力，而且還要起到培養學生世界觀、人生觀、價值觀的作用。但是，課程思政的目標不是讓老師簡單、機械、生硬去地重復思想政治理論課的基本內容，而且是要春風化雨、潤物無聲地改造學生的思想世界，幫助他們不但成長為社會主義事業的建設者，更是社會主義事業的接班人。為推進納米材料課程的課程思政建設，特將以下內容穿插到納米材料課程的講解之中：生動的“中國納米”故事，生動的“納米大師”故事，什么是科學觀、科學方法論與科學精神，經典納米科研和產業案例，我校的納米研發水平等，從而達到培養學生家國情懷和契約精神之育人目的。課程思政建設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社會實踐中進行檢驗，這就需要老師必須在授課過程中認真設計并切實執行課程思政的建設內容，且具有“成功不必在我”的奉獻精神。

6 結語

納米材料是一個不停發展的動態領域。與納米材料交叉融合，是功能高分子的一個重要前沿領域，未來功能高分子材料的高性能化和產業化都離不開納米材料的引導。因此，給功能高分子專業的學生開設納米材料課程是十分必要的，具有現實意義。如何才能讓化學類專業的本科生基于所學的基礎課程更好地掌握納米材料的知識體系，做到授之以漁？如何與時俱進地開展納米材料課程的課程思政建設？這些都需要教師在實際教學中不斷探索、不斷思考、不斷提高。