基于納米材料結構及制備方法的中外教材對比研究

岑宏宇 吳崇剛 李學鋒

湖北工業大學材料與化學工程學院，湖北 武漢 430068

一、教材基本情況

本研究選用的外文教材為《Nanostructures and nanomaterials：synthesis，properties，and applications（2nd Edition）》［1］（以下簡稱外文教材），由World Scientific Publishing在2011年出版，教材作者為美國華盛頓大學Guozhong C 教授和路易斯安那州立大學Ying W 教授。外文教材第二版是在第一版基礎上重新安排段落順序，加入新型納米材料的合成技術，拓展前沿應用。中文教材選用《納米材料及其制備技術》［2］（以下簡稱中文教材），由冶金工業出版社在2014 年出版，教材由青島科技大學劉漫紅教授主編，編委共7 名教師。

外文教材每章結尾附參考文獻列表，共計1674次，參考文獻發表時間主要集中在1985 ～2005 階段。中文教材在全文后附參考文獻，共計68 次，參考文獻發表時間主要集中在2000～2010階段。兩本教材參考文獻的構成如表1 所示。

表1 參考文獻構成情況

外文教材面向材料科學高年級本科生或研究生使用，中文教材面向高校材料學、應用化學、化工、紡織、制藥、環境、電子等專業的本科生及研究生。

二、教材內容設計

（一）教材內容設置架構

外文教材在介紹各種納米結構及其制備技術之前，首先討論了固態表面的物理化學理論，圍繞著納米材料的高表面能特點，重點闡述固態表面能的產生、減小材料表面能的各種機制、表面曲率對化學勢的影響，以及納米粒子穩定化的兩種機制，該部分內容作為納米材料制備與運用的基礎知識。教材從第3 章至第6 章，根據納米材料的結構維度差異（零維、一維、二維和特殊納米材料），介紹不同納米結構的形成過程及相應制備技術。從第7 章至第8 章，綜合闡述制備和表征納米結構的物理方法，并對納米材料性能進行分析總結。最后，教材對納米材料的前沿應用進行了介紹。外文教材在知識架構上按照理論—推導—實踐的順序，在核心章節均由熱力學和動力學理論方程分析納米材料的生長原理，隨后總結微粒形成和生長的過程，最后利用前沿學術報道成果予以驗證解釋。不同結構納米材料的生長原理是各章節的重難點內容，教材結合固體表面理論和最新學術報道采用大量篇幅闡述各原理的實際應用和延伸發展。前沿知識較基礎性知識占全書比重更多，學術報道成果大量出現在教材的論述中。全文共插入繪圖231 幅，表格22個，文中出現大量納米材料的前沿案例，未設置習題練習。

中文教材則首先聚焦在納米材料的基本概念及基本效應，闡述納米材料的定義，對納米材料的基本結構單元予以介紹，并詳細講解納米材料的六大基本效應。隨后，編者講解納米微粒的結構與物理化學特性，重點介紹納米材料的熱學性能、電學性能、光學性質、磁學性質、力學性質、動力學性質和化學特性。從第4 章至第10章，文中詳細介紹了七種納米材料的制備技術，各章節分別對應物理制備方法、化學氣相法、沉淀法、溶劑熱法、溶膠—凝膠法、化學還原法和模板法等制備方法。教材在知識架構上更注重闡述納米結構與性能的關系，從制備方法對納米材料進行區分，并對各制備技術的優缺點進行對比分析。教材的重難點集中在納米材料結構如何導致性能的差異和各制備技術的合成原理。前沿知識較基礎性知識占全書比重較低，全書基礎性論述占據大量篇幅，在制備技術中出現學術報道成果。全文共插入繪圖180 幅，表格18 個，文中展示了大量關于納米材料制備的前沿案例。教材在每章結尾處提供約5 個思考題，以論述類客觀題為主，考查學生對基礎知識的掌握程度。

圖1 外文教材中關于納米材料制備方法的設置構架

（二）教材內容設計體系

外文教材內容在背景知識、基礎知識和拓展知識上大體按照1：3：3 的知識架構組成，敘述性內容和案例分析的內容占比約為1：2。在每章開篇的引言部分，外文教材習慣將全章主要結論和核心內容進行總結，與學術論文的摘要內容和作用相似；在章節末尾處會出現總結部分，以簡短文字概括本章的內容。外文教材各章節的框架與學術論文類似，在知識點交叉上具有更明顯的廣度，在具體制備方法和研究結論中具有一定深度。外文教材的版面設計圖文并茂，內容上含有大量結構測試表征的結果圖，尤其以SEM 和TEM 圖片居多，針對性強。由于并未設置核心知識點，教材中未涉及具體的例題和練習題，主要內容更適合綜合性分析題目的設置。

注：本表中觀測點數據的計算公式為：

其中，φi為背景知識、基礎知識或拓展知識占比；ain為各章節中每類知識所占頁數；An為對應章節的頁數；ωn為章節頁數的權重，；n 為章節數。

1.背景知識：包括學科背景知識的介紹、數理化類及專業相關的自然科學基礎課程所涉及知識點等。

2.基礎知識：包括材料類專業基礎知識中的概念、定義及基礎理論等知識點。

3.拓展知識：包括對基礎知識的綜合、應用的描述及案例分析、行業應用前景，前沿科學研究、新技術應用等。

中文教材內容在背景知識、基礎知識和拓展知識上大體按照1：6：3 的知識架構組成（表2），敘述性內容和案例分析內容占比約為1：1。中文教材在每章的引言中常根據納米材料某項具體特點提出發散性問題，這些問題往往就是教材章節的核心內容，待學生完成本章的學習后即可解答此類問題。中文教材在核心知識點上具有明顯的深度，在知識遷移的廣度上稍顯較弱。中文教材中的圖表相對外文教材較少，圖片內容以示意圖和曲線圖為主，微觀結構表征圖較少。在版面設計上，中文教材中的圖片以小幅插圖為主，最多占據半個版面；外文教材插圖含有多圖組合形式，占據篇幅較大。每章結束時提供約5 個思考題，其中一半為記憶性、概念性題目，為名詞解釋和概念闡述；另一半為綜合性分析性題目，常為比較技術的優勢和不足。

表2 國內外教材內容體系變化情況

此外，外文教材的電子版內容在數據庫中可進行下載，書中并未插入正文內容外的鏈接地址和輔助視頻，可選擇的教輔資源較少。中文教材中的多媒體資源應用同樣較少，電子教材難以獲取。

（三）基于納米材料制備方法的內容分析

本文以納米材料的制備方法為例對比分析中外教材的內容設置邏輯。外文教材的設置構架如圖1 所示，目標物的合成思路分為“自下而上”和“自上而下”兩大類。“自下而上”類方法設置在不同維度納米材料的結構講解部分，通過結構特點講述從小分子聚集到納米尺度方法的原理和優勢，進而加深學生對納米結構的認識。“自上而下”方法則單獨設置一章，相比于前文方法，該方法源于微米結構的制備，聚焦從大尺寸結構剝離到納米尺度的物理方法。該方式易讓學生在章節知識間形成聯通，前后知識得到對比分析，進一步掌握納米結構與制備方法間的關聯。

中文教材的設置構架如圖2 所示，內容按照合成方法進行章節劃分，在各章節中再穿插不同納米材料的結構特點。編者在前言中已注明不討論納米粒子的制備方法應該如何科學地分類和定義，而著重針對納米粒子生成機理與制備過程，粗略地將制備方法分為物理方法、化學方法和物理化學方法。該設置的優勢是能夠抓住問題的主要方面，根據納米粒子制備的主要原理與主要過程，清晰闡述其中的物理機理、化學機理。

圖2 中文教材中關于納米材料制備方法的設置構架

對比而言，外文教材對納米材料結構及應用的論述在連貫性上更為合理，從結構維度對納米材料的劃分比從制備方法上更具代表性。首先，制備技術從原理上可以劃分為物理方法、化學方法和二者兼具的交叉方法，而中文教材將制備技術分為七類，則不同技術類別的分界區較為模糊。其次，外文教材將固體表面的基礎知識在全書開篇予以系統講述，在各章節中結合具體納米結構再進行生長過程的理論推導，強化基礎知識的掌握。中文教材則是將固體表面的基礎知識穿插到納米材料結構與性能的講解中，使得各章節內的邏輯性較強，但是各章節間的連接稍顯生硬。最后，中文教材更偏重于基礎知識的掌握，包括各專業名詞的定義和概念的區分，要求學生能夠掌握納米材料的基本結構和性能，熟悉常見的制備方法。外文教材則更偏重于基礎知識在前沿成果中的反映，引入大量案例講述納米材料在不同制備方法和生長環境中的結構演變，該方法更適合從本科生向研究生轉變階段的科研方向指導教程［3-4］。

三、材料學科與交叉學科融合的廣度和深度

（一）交叉學科融合的整體狀況

外文教材中交叉學科知識約占全書內容60%。在納米材料結構的論述中主要以固體表面的物理學知識作為基礎，在材料生長過程中結合化學反應知識進行多維結構的預測并建立模型。在制備方法中交叉多學科知識，例如刻蝕技術（包括普通光刻、相移光刻、電子束光刻、X 射線光刻、FIB 光刻等）、納米操縱、磁控濺射、電化學沉積、生物誘導等，教材對各制備方法的原理進行了詳細的闡述，對各方法的使用步驟也有深入的介紹。在材料表征中，教材引入X 射線衍射、電子顯微鏡、光譜、電子譜等儀器分析內容，結合納米材料的特殊結構對儀器表征過程和常見結果進行總結說明。最后，教材在納米材料的應用中介紹了大量交叉學科的前沿技術，包括納米電子學、納米機器人、生物應用、量子器件、納米力學和在能源、環境領域的應用。

中文教材中交叉學科知識約占全書內容40%。在納米材料基本概念及基本效應中，教材結合固體物理學知識闡述納米材料的六大效應；在結構與性能介紹中，將物理化學性能與材料結構交叉分析，包括熱學、電學、光學、磁學、力學、動力學和化學特性。教材在大篇幅講述納米材料的制備方法時，使用物理化學理論解釋不同制備技術的原理，并討論納米結構的生長過程，交叉知識主要集中在基礎理論的使用。中文教材聚焦在納米材料結構、性能和制備技術中，除金屬納米粒子的催化應用外并未詳細談及其他納米材料的應用，交叉廣度相對外文教材較弱，而交叉深度在原理闡述和現象解釋中與外文教材相當。從交叉學科設置形式上，外文教材理論知識的連貫性更強，集中闡述固體物理的成熟理論，核心知識點顯著，再到章節中具體討論知識點實現前后呼應。

（二）融合的途徑

外文教材將固體物理與界面相關的基礎理論作為全書的起始內容，編者認為深入理解固態表面的性質是掌握納米結構材料制備及加工技術的關鍵，該部分內容在后續章節作為不同維度納米材料生長原理的理論基礎。在納米材料制備和應用中，教材交叉不同學科的基礎理論擴展納米材料的知識體系，如能源應用中通過光電化學電池、鋰離子充電電池等具體案例幫助學生理解納米材料中能量轉化和存儲機理，使學生掌握納米材料及其界面的質量、電荷和熱傳輸動力學機制。在講述納米粒子的生物應用時，教材以膠質納米晶的分子識別應用為案例，突出納米材料在生物技術中的高度選擇性和特殊性。材料學科與交叉學科融合在基礎理論知識和前沿應用中皆得到體現［5-6］。

中文教材將交叉學科知識貫穿到納米材料結構與性能的講解中，作為解釋其構效關系的理論依據。如在納米材料的電學性能中，教材以納米材料尺寸越小，電子平均自由程越短，材料偏移理想周期場越嚴重為切入點，鼓勵學生思考納米材料與常規材料的電導行為是否相同以及電子在納米結構體系中的運動和散射有哪些新的特點。在具體性能的介紹中，教材會結合固體物理理論進行知識的遷移驗證，最后得出納米材料的特殊性質，這種交叉學科方式更易啟迪學生的開放性思維。在談到納米結構材料為什么會有高介電常數時，教材歸納了界面極化、轉向極化和松弛極化等三方面原因，并以具體納米材料為例闡述實際數據，針對具體問題做了詳細的解答。相比之下，中文教材在具體知識點的考察比外文教材更深入，通過章節后的思考題回顧重要知識點從而實現核心知識的強化。

綜合而言，外文教材具有以下特點。1.重視基礎知識講解，尤其是固體物理理論來源的分析；2.知識連貫性強，各章節間通過納米材料生長的基礎知識和不同的制備方法聯系，知識脈絡明晰；3.內容豐富，教材內插入大量前沿學術成果和實驗結果，讓學生將基礎知識和實際應用緊密聯系；4.學科交叉廣度寬，涉及多領域的制備技術和應用案例。中文教材的相對優勢在于思維的引導和知識點的透徹深入，但在學術前沿的交匯稍顯不足，教材章節間的聯系還需優化。

中外教材在納米材料課程上的設置各有特點，這與學生的基礎、習慣和學業要求緊密相關。作為國內材料學的教育工作者，我們希望能不斷優化材料類各專業教材體系的結構、教材內容體系以及新形態教材建設的方向和途徑，為建設具有國際視野、符合中國國情的精品教材和特色教材奠定基礎，并為“十四五”普通高等教育本科教材規劃與建設提供參考。