科教融合理念下“材料技術前沿進展”的教學改革探究

摘"要：材料技術前沿進展課程是一門介紹科研前沿尖端技術領域的課程，該課程為研究生了解前沿技術和理論提供了捷徑。但當下教學進程嚴重滯后于科研工作，教學內容陳舊單一，教學方式也亟待推陳出新，將先進表征技術融入材料技術前沿進展教學中很有必要。改革后的課程引入拉曼散射光譜技術，以其在光電材料聚芴薄膜中的分析過程為例，探討先進表征技術的發展和在科研工作中的應用，探索研究生階段材料技術前沿進展課程教學模式的改革和實踐，也為不同研究領域前沿進展的教學工作者提供一定的參考。

關鍵詞：材料技術前沿進展"教學模式改革"先進表征技術"拉曼散射光譜

中圖分類號：G643.2"""""""""文獻標志碼：A

Teaching"Reform"of"Advanced"Materials"Technology"Course"Under"the"Concept"of"Integration"of"Science"and"Education

LI"Tao，"CHENG"Dongyang，"LIAO"Jianguo，"ZHANG"Wenyan，"GUAN"Yijia*

School"of"Materials"Science"and"Engineering，"Henan"Polytechnic"University，"Jiaozuo，"He’nan"Province，"454000"China

Abstract："The"Advanced"Materials"Technology"course"introduces"graduate"students"to"the"cutting-edge"field"of"scientific"research，"offering"a"shortcut"to"understanding"advanced"technology"and"theory."However，"the"current"teaching"process"significantly"lags"behind"scientific"research，"with"outdated"and"limited"teaching"content，"necessitating"innovative"teaching"methods."It"is"necessary"to"integrate"advanced"characterization"technology"into"the"teaching"of"advanced"materials"technology"progress."This"reformed"course"introduces"Raman"scattering"spectroscopy"technology，"and"takes"its"analysis"process"in"optoelectronic"material"polyfluorene"film"as"an"example"to"discuss"the"development"and"application"of"advanced"characterization"technology"in"scientific"research."This"study"also"aims"to"explore"the"reform"and"practice"of"teaching"methods"for"the"Advanced"Materials"Technology"course"at"the"postgraduate"level，"providing"valuable"insights"for"educators"in"various"research"fields.

Key"Words："Advanced"materials"technology"course;"Reformation"of"teaching"methods;"Advanced"characterization"techniques;"Raman"scattering"spectrum

當前，高質量發展已經成為了我國今后的發展目標。作為世界工廠，幾乎實現全產業鏈分布的大國，材料行業一直是我國經濟發展的基石。近年來，我國新材料的產業進入了飛速發展的階段。2022年，我國的新材料產業總產值達到了約6.8萬億，比起2012年增長了將近6倍。這些新材料領域涵蓋了金屬材料、陶瓷材料、高分子材料等全行業，其中高效儲能、光伏、超硬、光電、化纖等多種先進材料的產量位居世界前沿，為我國經濟的快速發展提供了強勁的動力與領先的競爭力。

然而，在經濟和社會飛速發展的同時，新材料、新技術的開發和研究同樣面臨著全新的挑戰。我國在信息材料等一些關鍵材料方面的積累仍顯不足，較多核心材料仍需要大量進口，“卡脖子”現象仍沒有得到解決。打造安全自主、領先世界的材料研發和生產體系是目前發展的重中之重。因此，材料相關人才的教育和儲備便成了科技發展的重點內容。黨的二十大報告指出，教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎和戰略性支撐[1]。只有將教育、科技、人才融為一體，才能形成“系統性硬實力”，不受國外各種變動影響。因此，對于材料專業人才培養，亟須探索新的培養模式和方法來獲得升級。此外，隨著不同學科的互相交融，不同專業領域之間的教學工作和學術研究趨向更深層次的交叉，復雜程度亦大幅提高。不同領域的前沿技術和理論對科研工作順利開展的重要性越來越明顯。然而，僅僅依靠傳統的教學內容和一成不變的教案很難幫助研究生更新有關材料的前沿技術，也不利于高水平、高質量科研工作的開展。

1"目前材料技術前沿進展教學中存在的問題

材料技術前沿進展課程是一門針對新進研究生、面向國家發展戰略需求、響應社會發展需求、結合學校新工科建設需要開展的啟發性課程。該課程的開展旨在讓研究生了解人類社會文明發展與材料學科之間的關系，包括前沿材料的進展及其生產技術和應用、材料科學研究領域的先進表征方法及相關設備。課程主要培養學生對先進材料創新性的感知能力，著力提高學生解決復雜科學問題的能力，培養精益求精的科學態度。然而，當下課程的教學卻存在以下問題。

（1）隨著交叉學科的發展，不同專業領域之間的學科教學工作比以往更加交融擴展、復雜多樣。由于研究生的本科專業不同，知識背景差距較大，僅依賴少量教學安排，很難達到系統地構筑材料技術前沿理論體系框架的目的。材料技術前沿進展課程的開展也嚴重滯后于前沿科學研究，指導教師和學生均不同程度地反映教學內容落后，所涉及的技術知識更新慢、年代久，不能有效地指導當前科研工作的進行。

（2）課堂教學過程中仍保留較多的“教師講，學生聽”的傳統教學方法，在講課過程中，教師利用PPT進行講解教學，整堂課下來往往只有教師表演，而學生作為觀眾，參與度較低，往往會有走神、分心的情況發生，如睡覺、玩手機等。這是由于課堂教學方式老化，新意匱乏，而學生對于授課方式和風格的要求更高。因此，需要對這一傳統教學方式進行改革。

（3）目前材料技術前沿進展課程教學模式存在理論講解有余，實例講解匱乏的現狀。教學內容過多關注各種繁雜理論公式的分析與推導，與學生實際從事的科研方向相差甚遠，內容偏向“大而空”。這導致學生在課程講解完畢之后對所講技術沒有深刻印象，對自己的科研發展也沒有較多的助力。因此，教學內容脫離實際，將會無法激發學生對課程的興趣，教師和學生都得不到正向反饋。

2"材料技術前沿進展教學方案的改革探索

2.1"將科教融合理念引入教學方法中

為了改善教學內容落后和教師唱獨角戲的現象，解決教學過程中學生參與度低的問題，計劃采用科教融合、課堂互融的方式進行教學。科教融合的本質是在“科研-教學-學習”這一過程中對知識進行創新、傳授、傳承和傳播，使授課教師和學生之間能夠進行互動式的學術探究，取長補短、開拓進取[2]。基于科教融合的理念，在培養研究生的過程中，教學與科研始終相互促進、相輔相成[3]。由此可見，采用科教融合式的教學模式相較于過去傳統的理論式教學具有相當大的優勢。

在理論環節的教學中，科教融合的教學模式體現在以下兩方面。一方面，倡導學生走上講臺教學，將研究方向相近的研究生組成小組，小組成員根據自己的研究課題確定演講主題，查閱文獻資料，制作PPT，講解自己研究的材料相關領域新的進展和發展趨勢，以此提高學生的參與度和主人翁意識；另一方面，邀請高校及企業相關領域的專家進行講座式授課。講座人依據自身從業經歷，將研究成果或相關企業應用案例融入課堂內容中，將材料的前沿技術與理論結合有機結合起來，增強學生對于課堂的興趣。讓學生能夠更好地掌握相關領域對人才的要求及行業發展的現狀。

2.2"將先進表征技術引入教學內容中

為了解決課程技術落后，指導性差的問題。本課程改革實踐計劃在課程教學內容中引入先進表征技術理論和應用環節，將目前科研工作中一些密切相關的先進材料表征技術引入教學課堂中，以改善以往講授內容落后、前沿性差、指導性不足的情況。

拉曼光譜表征技術是基于光和材料的相互作用而開發的先進表征技術。拉曼光譜是一種可快速進行無損檢測的指紋光譜[4]，具有檢測重復性好、分辨率高等優勢，可以精確分辨不同的拉曼頻移。這對研究樣品的微結構、晶格結構等有著重要意義。此外，拉曼光譜檢測無須特殊制樣，操作簡單快速，并且具有不受水、二氧化碳、石英等的干擾特性。因此，試樣可以直接通過光纖探頭或通過玻璃、石英、藍寶石窗和光纖進行無損、原位與時間分辨測定。同時，由于水的拉曼散射極弱，拉曼光譜法非常適用于水體系的研究，如電化學體系。拉曼光譜可以檢測50～4"000"cm-1整個波數區間的振動信號，尤其是對低波數測量具有獨特的優勢。

目前，拉曼散射光譜技術在生物學、材料、地質、考古、醫藥、食品、珠寶、化學化工等領域得到了廣泛的應用，是當前材料領域較為先進的表征技術之一[5]。將拉曼散射光譜技術融入材料技術前沿進展教學中可以讓學生了解拉曼散射和表面增強拉曼散射的基本原理，了解拉曼光譜儀的基本結構與功能，掌握其對物質進行定性、定量和痕量分析的先進方法。有機光電材料是一類可以實現光和電性質單向或雙向轉換的材料，在有機太陽能電池、場效應晶體管、發光二極管、電泵激光等高新領域有著廣闊的開發和應用前景，涉及較多關注度高、潛在應用價值巨大的新材料[6-7]。拉曼光譜和有機光電材料的結合是當前的前沿和熱門領域。此次改革將拉曼散射光譜與有機高分子光電材料相結合，通過全面描述拉曼散射光譜法的最新功能及在分析有機聚芴光電薄膜中分子結構過程中發揮的作用，來進行材料技術前沿進展課程教學模式的改革和實踐。旨在引導學生加深對這一先進表征方法的了解，促進學生對交叉融合研究的興趣，從而助力其科研能力發展。

2.3"將拉曼表征技術實例與課程理論相結合

為了改善課堂教學理論講解有余，實例講解匱乏的問題，計劃以代表性光電高分子為實際樣品范例，在講解拉曼光譜表征技術理論的過程中，與有機光電高分子領域前沿進展的理論與分析相結合，使學生所學知識立體化、多維化，從而促進學生對表征技術原理與應用范圍的了解。聚芴是一類具有藍光性質的共軛高分子，具有良好的光學特性、優秀的穩定性和高量子產率，是當前光電高分子中的優秀代表。更奇特的是，這類高分子具有一種特殊的構象，被稱為β構象。β構象的鏈結構單元之間的空間夾角約為165°，而常見的α構象則為135°。因此，β構象的形成提高了共軛高分子的長程有序度，可以以自摻雜的模式提高器件的載流子遷移率和效率。而重要的是，這種β構象在拉曼光譜中也能表現出與α構象截然不同的差異，這其中，聚芴中的代表性分子聚（9，9-二辛基芴）（poly（9，9-dioctylfluorene，PFO）現象尤為明顯。因此，可以通過將拉曼光譜與聚芴β構象的研究相結合，讓學生深刻了解先進技術在高新材料中的應用與方式。

基于此，可進行拉曼散射光譜應用環節的教案設計：拉曼散射光譜的測試通常是通過物質分子受激光激發后產生散射，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面信息，并應用于物質分子結構表征。薄膜中高分子鏈的排列對激光的散射產生一定的影響，因此，在高分子薄膜有序性研究中，可以通過拉曼光譜進行分析。通過對結構參數不同的兩種PFO薄膜進行表征，可以得到各類結構參數對PFO薄膜中的鏈結構有序性的影響。

在該課程中，引入了有關聚芴研究的相關實驗。分子量對PFO溶液中β構象的形成有較大影響，低分子量的PFO溶液中較難形成β構象，而高分子量的PFO溶液和薄膜中往往可以通過分子鏈的自折疊形成較多β構象，而這一改變可以通過表征反映在拉曼光譜中。圖1為兩種不同分子量的PFO薄膜的拉曼散射光譜。M1薄膜的分子量為25"100"Da，M2薄膜的分子量為117"000"Da。從圖1可知，低分子量和高分子量PFO薄膜的拉曼譜圖均在1605"cm-1處出現最高峰，此拉曼峰值屬于苯環上C=C的拉伸模式[8]，而1"257"cm-1處的峰值與連接兩個苯環的C-C鍵的彎曲振動有關，且該C-C鍵對相鄰重復單元之間的扭轉角十分敏感。為了對比兩種不同分子量的PFO薄膜中分子主鏈的平面性，需要以1"605"cm-1處的拉曼峰值為參照對1"257"cm-1處的拉曼散射峰進行歸一化處理。根據文獻研究表明，1"257"cm-1與1"605"cm-1處的拉曼峰強度比可以定性地判斷PFO薄膜中主鏈的平面化程度，I1257/I1605的比值將隨著更平面化的有序β構象含量的增加而增加。因此，根據圖1兩種不同分子量PFO薄膜的拉曼譜圖，計算1"257"cm-1與1"605"cm-1的峰值比，結果如圖2所示。計算結果顯示，當PFO分子量較高時，I1257/I1605的比值明顯更高。此結果說明：當分子量比較高時，PFO薄膜中分子主鏈平面性比低分子量的PFO薄膜更好，其薄膜中的有序β構象比例也更高。

在拉曼散射光譜應用環節的教案設計中，始終堅持以學生為本，理論與實踐相結合，力爭讓每一位學生都參與到數據的分析和表征技術的應用中。通過對PFO薄膜的表征和分析讓學生充分了解拉曼散射光譜的基本原理，掌握拉曼與多學科結合進行研究的思路和方法，并應用到科研工作中。

2.4"教學改革實踐小結

總結以上方法，在理論講解環節，將材料的前沿技術與理論結合有機的結合起來，增強學生對課堂的興趣。讓學生能夠更好地掌握相關領域對人才的要求與行業發展的現狀。在實例講解環節，結合代表性先進技術（如拉曼光譜），引導學生了解如何對經典的聚芴進行拉曼散射光譜分析，促使學生掌握拉曼散射光譜儀的基本原理、基本操作與前沿應用范圍，以此來培養學生的實踐操作能力和獨立自主分析思考解決問題的能力。以上措施改善課堂教學方式，并將部分實驗環節融入課程的理論講解中，積極地響應國家倡導“科教融合”的號召，探索當下學科交叉融合時代背景下“更適合、更有效”教學模式可以為不同研究領域的教學工作提供一定的參考價值。

3"結語

進入21世紀以來，科技進入高速發展的時期。各個不同學科之間的交叉、融合發展成為必然的趨勢。相應的不同專業、學科之間的教學工作也不能像以往那樣僅僅停留在理論層面的講解。在當下倡導“科教融合”式教學的大背景下，科研中常用的先進表征方法在這一改革進程中有著舉足輕重的地位。作為材料與化工專業碩士學位研究生一年級的必修課程，“材料技術前沿進展”這門課程的課堂教學模式改革和實踐對研究生科學思維的培養、先進技術的學習具有十分重要的意義。將先進表征技術拉曼光譜的應用環節融入理論教學的課堂中來，不僅能夠響應“科教融合”式課堂的號召，而且能夠讓學生有更大的興趣投入課堂的學習中，引導學生獨立思考，培養自主解決問題的能力，并在今后的科研工作中能以拉曼散射光譜技術中所學到的分析方法、思維方式指導科研工作的開展。同樣也為不同研究領域的技術前沿進展教學工作提供一定的參考。

參考文獻

• 廖建國，馬婷婷，曹新鑫，等.思政元素融入技術前沿進展課程：以材料與化工專業為例[J].科技資訊，2024，22（2）：1-4.
• 趙浩，郭鑫，吳忠云，等."基于拉曼光譜儀搭建的項目式實驗設計[J]."實驗技術與管理，"2023，"40（3）：201-205.
• 黃音，"盛思詩，"毛莉莎，"等."基于創新驅動的科教融合人才培養模式及提升路徑研究[J]."科技資訊，"2020，"18（32）：122-124.
• 李金龍."基于國家戰略科技力量的跨建制科教融合協同育人模式探索與構建[J]."學位與研究生教育，"2024，"（4）：10-16.
• 張曦，"南瑞華，"堅佳瑩，等."拉曼光譜技術及其應用進展[J]."化學研究，"2024，"35（1）：1-15.
• LI"T，"ZHANG"Y，"Guan"Y，"et"al."The"development"of"poly（9，9-dioctylfluorene）"from"solutions"to"solution"processed"films"in"terms"of"β-conformation："Perspective"of"molecular"weight"and"solvent"quality"[J]."Polymer，"2024，"295："126748.
• 關意佳，"秦潔一，"張鈺華，"等."聚三芳胺/聚芴共混體系中的鏈構象研究[J]."高分子通報，"2024，nbsp;37（7）：934-943.
• LI"T，"He"Q"L，"Guo"Y"N，"et"al."Chain"structure"and"β"conformation"of"poly（9，9-dioctylfluorene）"（PFO）"with"different"molecular"weights"delivering"from"the"solution"to"the"film"in"a"drop-casting"process"[J]."Physical"Chemistry"Chemical"Physics，"2022，"24（46）：28191-28204.