功能高分子导向的纳米材料课程的教学改革

秦大山 张计敏(河北工业大学化工学院，天津 300130)

0 引言

纳米材料是当前材料科学领域的一个新兴研究热点，涉及物理、材料、化学、半导体、生物等诸多方面的基础知识，属于前沿交叉学科的范畴。由于纳米材料具有一系列新异的电、热、力、光、磁等方面的小尺寸特性，经过多年的发展在国防、光电子、航空、能源、化工、建材、医药等领域已获得重要的应用，对现代社会的生产生活产生了广泛而深远的影响。纳米材料的研发水平已成为评价一个国家科技水平的一个重要考量[1-3]。

为功能高分子专业的本科生开设纳米材料课程具有重要的意义，这不仅能帮助学生及时了解最新的前沿科技动态，激发学生的科研欲望和潜能，而且还能帮助学生认清功能高分子专业及相关产业的发展趋势，提高学生发现问题、解决问题的能力，实现创新型人才的培养目标[4]。但是，如何将纳米材料课程与功能高分子专业的培养目标有机地结合在一起，提高学生对纳米材料的认知能力，以及在授课过程中如何推进关于纳米材料的课程思政建设，需更进行深度的探究和思考。本文结合近年来的讲授经验和高分子学科的特点，对本课程进行了一些教学改革方面的探讨。

1 注重知识细节的教学方式

细节决定成败，这句话不仅适用于指导科学研究，对教学也具有很好的启发意义。化学类专业的学生主要通过化学反应和仪器表征积累相关的知识和经验，虽然他们的逻辑性较强，但学术思维不细腻。《纳米材料》是一门以材料制备和性能表征为主的课程，在讲授过程中若不细致教学，由于思维惯性化学类专业的学生很难掌握纳米材料的精髓。例如，怎样将纳米材料这一科学术语翻译成英文？有人将其译成“nanosized materials”,这个译法虽然简单易懂，但很容易被学生理解成任一维度的尺寸介于纳米范围的材料才是纳米材料。其实，纳米材料在一般意义上是指具有纳米尺度显微构造的材料，因此翻译成“nanostructured materials”应较为合适。通过这两种译法的比较，可使学生深刻意识到维度大小只是纳米材料的一个外在表现，晶粒和晶界才是纳米材料的本质内涵，从而增强了学生通过现象看本质的思考能力。再比如，普通人用肉眼能够观察到纳米材料吗？初学纳米材料课程的化学类专业学生对该问题的回答基本都是“不能”。通过讲解纳米级厚度的肥皂泡在阳光下表现出的色彩(光的折射现象)，以及将铅笔在纸上轻轻一划，留下一条由几层石墨烯组成的、肉眼可见的痕迹(光的吸收现象)，同学们会立刻认识到纳米材料原来离自己并不遥远，大学一年级和二年级学过的物理和化学基础知识将在纳米材料的研究中有广阔的用武之地。一个看似简单的问题，其背后都隐藏着对学生所学基础知识的严格检验。注重知识细节将帮助学生更好、更深入地学习纳米材料课程。

2 授之以渔的教学理念

授之以渔的基本意思是指在老师的启发下，学生运用以前学过的基础知识来理解目前正在学习的课程，简单地讲就是以知识生知识，让学生具备自我造血功能，这是培养创新型人才的关键。由于应试教育的长期存在，学生养成的思维模式大多是授之以鱼。进一步讲，学生有可能机械地认为他们正在学习的每一门课程都是新的领域，下意识忽视了他们所学的基础知识对专业课程的承载作用。因此，在纳米材料课程的讲解中一定要注重基础知识的运用，不能简单地填鸭教学、生搬硬套。例如，量子尺寸效应是纳米材料课程中一个非常重要的基础概念，其定义如下：当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，这些能隙变宽现象均称为量子尺寸效应[2]。若将此定义强加给化学类专业的学生，则他们断无理解的可能；若先介绍固体能带理论，然后引出费米能级等概念，则重蹈授之以鱼的老路，教学效果不好。其实，可以先从价键理论和杂化轨道理论(无机化学的内容)出发，介绍氢分子的能级结构，引出分子轨道理论，如图1所示；然后从分子轨道理论(有机化学的内容)出发，介绍苯分子的能级结构，以此引出最高被占据分子轨道、最低未被占据分子轨道、能隙、光的吸收与发射等基本概念；在此基础上，将π电子的离域特性与固体能带理论中的电子公有化概念等同起来，进而引出费米能级和电子能级的连续性等概念。通过“老知识”来理解“新知识”，大部分学生可较好地掌握量子尺寸效应的概念，并意识到“自我造血”能力培养的重要性，学习热情也被激发出来了。

图1 氢分子的能级结构示意图

3 功能高分子导向的教学内容

与纳米材料复合或自身成为纳米材料是当前功能高分子发展的一个重要方向。给化学类功能高分子专业的本科生开设纳米材料课程，其目的是提高他们未来从事该方向的科研及产业研发的能力。纳米材料脱胎于材料学，其内容广泛，按传统的材料体系分类，包括纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米高分子材料、纳米复合材料等；按照应用的目的分类，包括纳米电子材料、纳米磁性材料、纳米隐身材料、纳米生物材料等。基于课时限制和专业培养指标点的要求—能够了解高分子及相关交叉学科的知识，具有自主学习和不断学习的意识，面向功能高分子的纳米材料课程的重点教学内容概括如下：纳米材料的基本性质、纳米材料的物理性质、纳米材料的制备方法、纳米粒子、纳米光电高分子薄膜与微纳器件、纳米填料增强高分子材料的性能、纳米材料的显微和光谱学表征手段。在教学过程中，应注意举例最新的纳米前沿动态，并与本专业老师的科研项目结合起来，做到理论联系实际，加强学生对纳米材料知识的理解和学科发展动态的认识。

4 课程考核

课程考核是课程教学的一个重要环节，它能反应出学生对该课程的学习效果，也能体现出老师对该课程的教学效果，必须加以重视。《纳米材料》的课程考核由期中考试和课程论文组成。期中考试以开卷的方式进行，主要是检查学生对纳米材料的基本性质和物理性质的掌握情况，因为这两部分内容构成了纳米材料的理论基础，对学生未来的科研工作起到“渔”的作用，所以不可忽视，这部分在总成绩中的占比为40%。课程论文是一个约2000～3000字的微型综述，是基于某一具体纳米材料的某一物理性质及相关应用展开的讨论，这部分在总成绩中的占比为60%。为了将课程论文和课程内容有机结合起来，进一步锻炼学生的“渔”思维，要求课程论文中约20%左右的篇幅为与课程内容相关的举例和延伸讨论，这样能有效避免课程论文成为单纯的文献总结报告，同时细化学生的学术思维。

5 课程思政

课程思政的基本思想是，老师在授课过程中应与思想政治理论课同向同行，形成协同效应，把“立德树人”作为教育的根本任务。具体来讲，老师不但要传授学生知识、培养学生能力，而且还要起到培养学生世界观、人生观、价值观的作用。但是，课程思政的目标不是让老师简单、机械、生硬去地重复思想政治理论课的基本内容，而且是要春风化雨、润物无声地改造学生的思想世界，帮助他们不但成长为社会主义事业的建设者，更是社会主义事业的接班人。为推进纳米材料课程的课程思政建设，特将以下内容穿插到纳米材料课程的讲解之中：生动的“中国纳米”故事，生动的“纳米大师”故事，什么是科学观、科学方法论与科学精神，经典纳米科研和产业案例，我校的纳米研发水平等，从而达到培养学生家国情怀和契约精神之育人目的。课程思政建设不宜与课程考核直接挂钩，以免成为形式主义，其效果只能在以后的生产社会实践中进行检验，这就需要老师必须在授课过程中认真设计并切实执行课程思政的建设内容，且具有“成功不必在我”的奉献精神。

6 结语

纳米材料是一个不停发展的动态领域。与纳米材料交叉融合，是功能高分子的一个重要前沿领域，未来功能高分子材料的高性能化和产业化都离不开纳米材料的引导。因此，给功能高分子专业的学生开设纳米材料课程是十分必要的，具有现实意义。如何才能让化学类专业的本科生基于所学的基础课程更好地掌握纳米材料的知识体系，做到授之以渔？如何与时俱进地开展纳米材料课程的课程思政建设？这些都需要教师在实际教学中不断探索、不断思考、不断提高。