基于纳米材料结构及制备方法的中外教材对比研究

岑宏宇 吴崇刚 李学锋

湖北工业大学材料与化学工程学院，湖北 武汉 430068

一、教材基本情况

本研究选用的外文教材为《Nanostructures and nanomaterials：synthesis，properties，and applications（2nd Edition）》［1］（以下简称外文教材），由World Scientific Publishing在2011年出版，教材作者为美国华盛顿大学Guozhong C 教授和路易斯安那州立大学Ying W 教授。外文教材第二版是在第一版基础上重新安排段落顺序，加入新型纳米材料的合成技术，拓展前沿应用。中文教材选用《纳米材料及其制备技术》［2］（以下简称中文教材），由冶金工业出版社在2014 年出版，教材由青岛科技大学刘漫红教授主编，编委共7 名教师。

外文教材每章结尾附参考文献列表，共计1674次，参考文献发表时间主要集中在1985 ～2005 阶段。中文教材在全文后附参考文献，共计68 次，参考文献发表时间主要集中在2000～2010阶段。两本教材参考文献的构成如表1 所示。

表1 参考文献构成情况

外文教材面向材料科学高年级本科生或研究生使用，中文教材面向高校材料学、应用化学、化工、纺织、制药、环境、电子等专业的本科生及研究生。

二、教材内容设计

（一）教材内容设置架构

外文教材在介绍各种纳米结构及其制备技术之前，首先讨论了固态表面的物理化学理论，围绕着纳米材料的高表面能特点，重点阐述固态表面能的产生、减小材料表面能的各种机制、表面曲率对化学势的影响，以及纳米粒子稳定化的两种机制，该部分内容作为纳米材料制备与运用的基础知识。教材从第3 章至第6 章，根据纳米材料的结构维度差异（零维、一维、二维和特殊纳米材料），介绍不同纳米结构的形成过程及相应制备技术。从第7 章至第8 章，综合阐述制备和表征纳米结构的物理方法，并对纳米材料性能进行分析总结。最后，教材对纳米材料的前沿应用进行了介绍。外文教材在知识架构上按照理论—推导—实践的顺序，在核心章节均由热力学和动力学理论方程分析纳米材料的生长原理，随后总结微粒形成和生长的过程，最后利用前沿学术报道成果予以验证解释。不同结构纳米材料的生长原理是各章节的重难点内容，教材结合固体表面理论和最新学术报道采用大量篇幅阐述各原理的实际应用和延伸发展。前沿知识较基础性知识占全书比重更多，学术报道成果大量出现在教材的论述中。全文共插入绘图231 幅，表格22个，文中出现大量纳米材料的前沿案例，未设置习题练习。

中文教材则首先聚焦在纳米材料的基本概念及基本效应，阐述纳米材料的定义，对纳米材料的基本结构单元予以介绍，并详细讲解纳米材料的六大基本效应。随后，编者讲解纳米微粒的结构与物理化学特性，重点介绍纳米材料的热学性能、电学性能、光学性质、磁学性质、力学性质、动力学性质和化学特性。从第4 章至第10章，文中详细介绍了七种纳米材料的制备技术，各章节分别对应物理制备方法、化学气相法、沉淀法、溶剂热法、溶胶—凝胶法、化学还原法和模板法等制备方法。教材在知识架构上更注重阐述纳米结构与性能的关系，从制备方法对纳米材料进行区分，并对各制备技术的优缺点进行对比分析。教材的重难点集中在纳米材料结构如何导致性能的差异和各制备技术的合成原理。前沿知识较基础性知识占全书比重较低，全书基础性论述占据大量篇幅，在制备技术中出现学术报道成果。全文共插入绘图180 幅，表格18 个，文中展示了大量关于纳米材料制备的前沿案例。教材在每章结尾处提供约5 个思考题，以论述类客观题为主，考查学生对基础知识的掌握程度。

图1 外文教材中关于纳米材料制备方法的设置构架

（二）教材内容设计体系

外文教材内容在背景知识、基础知识和拓展知识上大体按照1：3：3 的知识架构组成，叙述性内容和案例分析的内容占比约为1：2。在每章开篇的引言部分，外文教材习惯将全章主要结论和核心内容进行总结，与学术论文的摘要内容和作用相似；在章节末尾处会出现总结部分，以简短文字概括本章的内容。外文教材各章节的框架与学术论文类似，在知识点交叉上具有更明显的广度，在具体制备方法和研究结论中具有一定深度。外文教材的版面设计图文并茂，内容上含有大量结构测试表征的结果图，尤其以SEM 和TEM 图片居多，针对性强。由于并未设置核心知识点，教材中未涉及具体的例题和练习题，主要内容更适合综合性分析题目的设置。

注：本表中观测点数据的计算公式为：

其中，φi为背景知识、基础知识或拓展知识占比；ain为各章节中每类知识所占页数；An为对应章节的页数；ωn为章节页数的权重，；n 为章节数。

1.背景知识：包括学科背景知识的介绍、数理化类及专业相关的自然科学基础课程所涉及知识点等。

2.基础知识：包括材料类专业基础知识中的概念、定义及基础理论等知识点。

3.拓展知识：包括对基础知识的综合、应用的描述及案例分析、行业应用前景，前沿科学研究、新技术应用等。

中文教材内容在背景知识、基础知识和拓展知识上大体按照1：6：3 的知识架构组成（表2），叙述性内容和案例分析内容占比约为1：1。中文教材在每章的引言中常根据纳米材料某项具体特点提出发散性问题，这些问题往往就是教材章节的核心内容，待学生完成本章的学习后即可解答此类问题。中文教材在核心知识点上具有明显的深度，在知识迁移的广度上稍显较弱。中文教材中的图表相对外文教材较少，图片内容以示意图和曲线图为主，微观结构表征图较少。在版面设计上，中文教材中的图片以小幅插图为主，最多占据半个版面；外文教材插图含有多图组合形式，占据篇幅较大。每章结束时提供约5 个思考题，其中一半为记忆性、概念性题目，为名词解释和概念阐述；另一半为综合性分析性题目，常为比较技术的优势和不足。

表2 国内外教材内容体系变化情况

此外，外文教材的电子版内容在数据库中可进行下载，书中并未插入正文内容外的链接地址和辅助视频，可选择的教辅资源较少。中文教材中的多媒体资源应用同样较少，电子教材难以获取。

（三）基于纳米材料制备方法的内容分析

本文以纳米材料的制备方法为例对比分析中外教材的内容设置逻辑。外文教材的设置构架如图1 所示，目标物的合成思路分为“自下而上”和“自上而下”两大类。“自下而上”类方法设置在不同维度纳米材料的结构讲解部分，通过结构特点讲述从小分子聚集到纳米尺度方法的原理和优势，进而加深学生对纳米结构的认识。“自上而下”方法则单独设置一章，相比于前文方法，该方法源于微米结构的制备，聚焦从大尺寸结构剥离到纳米尺度的物理方法。该方式易让学生在章节知识间形成联通，前后知识得到对比分析，进一步掌握纳米结构与制备方法间的关联。

中文教材的设置构架如图2 所示，内容按照合成方法进行章节划分，在各章节中再穿插不同纳米材料的结构特点。编者在前言中已注明不讨论纳米粒子的制备方法应该如何科学地分类和定义，而着重针对纳米粒子生成机理与制备过程，粗略地将制备方法分为物理方法、化学方法和物理化学方法。该设置的优势是能够抓住问题的主要方面，根据纳米粒子制备的主要原理与主要过程，清晰阐述其中的物理机理、化学机理。

图2 中文教材中关于纳米材料制备方法的设置构架

对比而言，外文教材对纳米材料结构及应用的论述在连贯性上更为合理，从结构维度对纳米材料的划分比从制备方法上更具代表性。首先，制备技术从原理上可以划分为物理方法、化学方法和二者兼具的交叉方法，而中文教材将制备技术分为七类，则不同技术类别的分界区较为模糊。其次，外文教材将固体表面的基础知识在全书开篇予以系统讲述，在各章节中结合具体纳米结构再进行生长过程的理论推导，强化基础知识的掌握。中文教材则是将固体表面的基础知识穿插到纳米材料结构与性能的讲解中，使得各章节内的逻辑性较强，但是各章节间的连接稍显生硬。最后，中文教材更偏重于基础知识的掌握，包括各专业名词的定义和概念的区分，要求学生能够掌握纳米材料的基本结构和性能，熟悉常见的制备方法。外文教材则更偏重于基础知识在前沿成果中的反映，引入大量案例讲述纳米材料在不同制备方法和生长环境中的结构演变，该方法更适合从本科生向研究生转变阶段的科研方向指导教程［3-4］。

三、材料学科与交叉学科融合的广度和深度

（一）交叉学科融合的整体状况

外文教材中交叉学科知识约占全书内容60%。在纳米材料结构的论述中主要以固体表面的物理学知识作为基础，在材料生长过程中结合化学反应知识进行多维结构的预测并建立模型。在制备方法中交叉多学科知识，例如刻蚀技术（包括普通光刻、相移光刻、电子束光刻、X 射线光刻、FIB 光刻等）、纳米操纵、磁控溅射、电化学沉积、生物诱导等，教材对各制备方法的原理进行了详细的阐述，对各方法的使用步骤也有深入的介绍。在材料表征中，教材引入X 射线衍射、电子显微镜、光谱、电子谱等仪器分析内容，结合纳米材料的特殊结构对仪器表征过程和常见结果进行总结说明。最后，教材在纳米材料的应用中介绍了大量交叉学科的前沿技术，包括纳米电子学、纳米机器人、生物应用、量子器件、纳米力学和在能源、环境领域的应用。

中文教材中交叉学科知识约占全书内容40%。在纳米材料基本概念及基本效应中，教材结合固体物理学知识阐述纳米材料的六大效应；在结构与性能介绍中，将物理化学性能与材料结构交叉分析，包括热学、电学、光学、磁学、力学、动力学和化学特性。教材在大篇幅讲述纳米材料的制备方法时，使用物理化学理论解释不同制备技术的原理，并讨论纳米结构的生长过程，交叉知识主要集中在基础理论的使用。中文教材聚焦在纳米材料结构、性能和制备技术中，除金属纳米粒子的催化应用外并未详细谈及其他纳米材料的应用，交叉广度相对外文教材较弱，而交叉深度在原理阐述和现象解释中与外文教材相当。从交叉学科设置形式上，外文教材理论知识的连贯性更强，集中阐述固体物理的成熟理论，核心知识点显著，再到章节中具体讨论知识点实现前后呼应。

（二）融合的途径

外文教材将固体物理与界面相关的基础理论作为全书的起始内容，编者认为深入理解固态表面的性质是掌握纳米结构材料制备及加工技术的关键，该部分内容在后续章节作为不同维度纳米材料生长原理的理论基础。在纳米材料制备和应用中，教材交叉不同学科的基础理论扩展纳米材料的知识体系，如能源应用中通过光电化学电池、锂离子充电电池等具体案例帮助学生理解纳米材料中能量转化和存储机理，使学生掌握纳米材料及其界面的质量、电荷和热传输动力学机制。在讲述纳米粒子的生物应用时，教材以胶质纳米晶的分子识别应用为案例，突出纳米材料在生物技术中的高度选择性和特殊性。材料学科与交叉学科融合在基础理论知识和前沿应用中皆得到体现［5-6］。

中文教材将交叉学科知识贯穿到纳米材料结构与性能的讲解中，作为解释其构效关系的理论依据。如在纳米材料的电学性能中，教材以纳米材料尺寸越小，电子平均自由程越短，材料偏移理想周期场越严重为切入点，鼓励学生思考纳米材料与常规材料的电导行为是否相同以及电子在纳米结构体系中的运动和散射有哪些新的特点。在具体性能的介绍中，教材会结合固体物理理论进行知识的迁移验证，最后得出纳米材料的特殊性质，这种交叉学科方式更易启迪学生的开放性思维。在谈到纳米结构材料为什么会有高介电常数时，教材归纳了界面极化、转向极化和松弛极化等三方面原因，并以具体纳米材料为例阐述实际数据，针对具体问题做了详细的解答。相比之下，中文教材在具体知识点的考察比外文教材更深入，通过章节后的思考题回顾重要知识点从而实现核心知识的强化。

综合而言，外文教材具有以下特点。1.重视基础知识讲解，尤其是固体物理理论来源的分析；2.知识连贯性强，各章节间通过纳米材料生长的基础知识和不同的制备方法联系，知识脉络明晰；3.内容丰富，教材内插入大量前沿学术成果和实验结果，让学生将基础知识和实际应用紧密联系；4.学科交叉广度宽，涉及多领域的制备技术和应用案例。中文教材的相对优势在于思维的引导和知识点的透彻深入，但在学术前沿的交汇稍显不足，教材章节间的联系还需优化。

中外教材在纳米材料课程上的设置各有特点，这与学生的基础、习惯和学业要求紧密相关。作为国内材料学的教育工作者，我们希望能不断优化材料类各专业教材体系的结构、教材内容体系以及新形态教材建设的方向和途径，为建设具有国际视野、符合中国国情的精品教材和特色教材奠定基础，并为“十四五”普通高等教育本科教材规划与建设提供参考。