淺談材料化學專業(yè)《材料化學》課程的教學改革與實踐

陳志民

摘? 要：《材料化學》是鄭州大學材料科學與工程學院材料化學專業(yè)本科生的一門重要的專業(yè)基礎課、主干課，其內容綜合了超分子化學、納米材料等內容，是一門材料科學與現(xiàn)代化學相結合的新興課程。該課程是在四大化學、生物化學和結構化學的基礎上進行的有效延伸，對擴展學生的知識面，改善學生的知識結構具有十分重要的意義。然而，由于該部分內容牽涉知識面廣，內容新，知識點間的跨越較大，國內沒有合適的配套教材等因素，往往導致學生覺得課程章節(jié)間上下聯(lián)系不緊密、概念理解不透徹、理論枯燥乏味，晦澀難懂以及對所學知識綜合運用能力弱等問題。為此，文章作者從多年教學實踐出發(fā)，圍繞著《材料化學》課程教學內容展開創(chuàng)新性的探索，通過優(yōu)化教學方式和方法，極大增加了學生的學習熱情，提高了教學和人才培養(yǎng)的質量，獲得了優(yōu)異的教學效果。

關鍵詞：材料化學;超分子化學;納米材料;教學改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）14-0121-03

Abstract： Material Chemistry is an important elementary and professional course for bachelor of material chemistry major in college of material science and engineering. It includes the content of supramolecular chemistry and nanomaterials et al. It is a newly-developing course which combines the material science and modern chemistry and an effective extension of the four major chemistry， biochemistry and structure chemistry. It has very important significance for extending the scope and improving the structure of knowledge. However， because it has these characters such as wide range of knowledge， new content， the big span of knowledge points and no reference book， which usually cause these feelings such as no closely connections of chapters， halfway understanding of the concepts， ambiguous theory and the lower integrative application ability. In order to overcome these problems， we focus on the course content and carry out the innovative exploration. Through optimizing the teaching modes and methods， the study enthusiasm of the students， the quality of teaching and talent training has been greatly improved and excellent teaching result has been achieved.

Keywords： material chemistry; supramolecular chemistry; nanomaterial; teaching reform

鄭州大學材料科學與工程學院成立材料化學專業(yè)的初衷是在堅持應用型理科人才培養(yǎng)目標定位的基礎上，努力拓展學科專業(yè)的生存空間，堅持以高分子材料為特色的辦學定位，通過創(chuàng)新的人才培養(yǎng)模式研究、培養(yǎng)機制研究，讓學生達到基礎扎實、知識面寬、系統(tǒng)掌握化學和材料科學的基本原理和基本實驗技能，能在材料科學及相關領域從事研究、科技開發(fā)和相關管理工作，最終成為具有創(chuàng)新精神的高端應用型人才。因此，課程除了開設有化學專業(yè)和材料專業(yè)的一些基礎課，高分子材料的一些專業(yè)課外，如何進一步拓展該專業(yè)學生的化學和材料的相關知識，實現(xiàn)化學和材料課程的緊密結合成為課程設置的一項十分重要的內容?；诖四康模瞬牧匣瘜W和納米材料等內容的《材料化學》課程被定為材料化學專業(yè)本科生的一門重要的專業(yè)的基礎課和主干課。然而，在授課過程中，卻發(fā)現(xiàn)該部分內容存在著涉及的知識面廣、內容新，知識點間的跨越較大[1]、國內沒有合適的配套教材以及國內沒有成體系的課程值得借鑒等一系列的問題。同時，學生的反饋也是課程章節(jié)之間聯(lián)系不夠緊密，概念理解不夠透徹、理論枯燥乏味，晦澀難懂以及對所學知識綜合運用能力弱等問題。

為了激發(fā)學生的學習興趣，提高該門課程的教學質量和教學效果，提高學生對所學知識的融會貫通能力，我們對《材料化學》課程教學過程中存在的問題進行了分析和總結，從教學內容和教學方法等方面進行了積極的探索和研究。

一、《材料化學》課程的教學現(xiàn)狀

（一）缺乏合適的教材

目前，國內很多高校都開設有《材料化學》這門專業(yè)課，同時，以《材料化學》命名的教材國內也很常見，但是，不同高校開設的材料化學專業(yè)，其《材料化學》課程包含的內容有不同的側重點[2]。對于鄭州大學《材料化學》這門課程來說，由于學生之前已經學習了《無機化學》、《有機化學》、《物理化學》、《分析化學》、《高分子物理》、《高分子化學》和《高分子材料》等課程，在《材料化學》再過多的增加基礎化學和材料學的知識不僅在教學內容上會產生重復，同時也會增加學生的厭學情緒，無法達到進一步拓展學生化學和材料相關知識的初衷。而將超分子化學和納米材料等內容加入到《材料化學》教學內容中，則既可達到最初課程開設的目的，也可拓寬學生的知識面，提高學生的學習興趣。然而，目前市面上的《材料化學》教材均不含超分子化學的內容，同時，其有關納米材料的內容也過于簡單，無法滿足課程開設的需求。

（二）教學內容差異化較大

國內開設《超分子化學》本科生課程的高校并不普遍，另外，在課程內容的選擇上各個高校的差異化也較大，這一方面和課程開設的目的息息相關，另一方面也和課程開設的性質有著緊密的關系。有些高校將《超分子化學》作為專業(yè)課程，有些將其作為拓展課，因此教學內容上有些偏重于超分子化學的基本概念和基本理論，有些則更多關注超分子化學的最新進展。如吉林大學開設的雙語課程《超分子化學》，其在引入超分子化學的基本概念后，更多的內容則傾向于超分子化學在各個領域取得的進展[3]，這與其課程開設的目的是開闊學生的視野，培養(yǎng)學生對科學研究的興趣息息相關。而鄭州大學引入超分子化學內容的主要目的是讓學生掌握超分子化學的基本概念、基本原理、能夠通過超分子化學的手段設計、合成一些簡單的材料，能夠分析常見的主客體化學中的作用力類型以及作用力的增強或減弱的原因，拓展其在化學和材料領域方面的基礎知識。有關納米材料教學內容方面，鄭州大學材料化學專業(yè)堅持高分子材料的辦學特色必然要求高分子納米材料要作為其中的重要內容。因此，如何解決教學內容差異大，同時突出自己的辦學特色，成為擺在我們面前的一個重要問題。

二、教材和教學內容的選擇

（一）教材的選擇

超分子化學和納米材料在本科教學方面基本沒有現(xiàn)成的教材，沒有成體系的教學模式和內容可以參考，很多院校都是在引入基本概念后，結合國內外研究的最新進展開展拓展性的教學[4]。這種教學模式比較適合在研究生教學中開展，但對于材料化學專業(yè)的本科生，源于以下幾個方面的考慮，該方法就不太適合。1. 課程所涉及的概念、理論和方法要成熟，進展類的內容盡量少涉及;2. 《材料化學》僅安排了48學時，教學內容要重點要放在了基本概念、基本理論和基本方法上;3. 本科生對知識理解的廣度和深度和研究生有一定的差距，過于復雜的理論和實驗不利于其理解和吸收?；谝陨蠋c考慮，在參考教材的選擇上，我們針對不同內容采取了不同的方案。對于超分子化學，我們主要選擇了國外的原版英文教材的譯著，如化學工業(yè)出版社出版的國外優(yōu)秀化學著作譯叢《超分子化學》和北京大學出版社出版的《超分子化學-概念和展望》等。而對于納米材料，我們主要選擇的是在國內納米材料領域的一些代表著作，如白春禮主編，四川教育出版社出版的《納米科技-現(xiàn)在與未來》和施利毅主編的華東理工大學出版社出版的《納米科技基礎等》。同時，為了更加適應我們專業(yè)的教學，我們成立了材料化學編寫小組，在參考了國內外大量書籍的基礎上，自編了《材料化學》教材，更加方便了學生的學習和參考。

（二）教學內容

根據本科生知識結構的特點，結合我們課程自身的實際情況，我們在超分子化學和納米材料授課內容的選擇上重點放在了基本概念、基本理論和基本方法的講解上。在超分子化學的教學內容上，我們主要講解了超分子化學的相關概念、生命中的超分子化學與生物模擬、陽離子的絡合、陰離子的鍵合、中性分子的絡合以及自組裝和模板等內容。在納米材料部分，我們主要講解納米材料概述、納米材料的化學制備方法、無機納米材料、高分子納米材料等。教學內容的選擇上除了突出重點，突出基礎外，更加注重章節(jié)間的聯(lián)系和邏輯關系，提高了課程的系統(tǒng)性和關聯(lián)性。具體來說，在超分子化學內容的選擇上，我們沿著什么是超分子化學-超分子化學是怎么發(fā)展起來的-超分子化學和普通化學有什么異同-超分子化學為什么是一門重要的值得學習的課程這條主線。而在納米材料內容的選擇上，我們則沿著什么是納米材料-納米材料和體相材料相比具有哪些優(yōu)異的性質-納米材料具有獨特性質的原因是什么-納米材料的常規(guī)制備手段有哪些-常見的高分子納米材料的制備方法-常見的無機納米材料的制備方法這條主線。沿著這些主線，極大提高了課程章節(jié)之間的邏輯性、系統(tǒng)性以及內容的關聯(lián)性，提高了學生的學習效率，增強了教學效果。同時為了增加學生的實驗能力，我們還開設了48學時的《材料化學實驗》課程，這在增強學生動手能力的同時，還可進一步提高學生對所學理論知識的理解。

三、教學方法探討

（一）激發(fā)式教學

針對該專業(yè)學生讀研和出國率較高的特點，在課堂上給他們簡單規(guī)劃科研成長的道路，告訴他們在科研的成長道路上選題的重要性，列舉了近些年在超分子化學領域和納米材料領域的重要研究成果和諾貝獎獲得者，讓學生深刻認識到學好超分子化學和納米材料的相關知識，可以在今后他們的學術成長道路上幫助他們易出成果、多出成果，出好成果，從而激勵學生發(fā)自內心去學習這兩個方向的知識的熱情。同時，鼓勵學生多思考，多用自己而非書上的文字來發(fā)表自己的觀點，并對他們進行啟迪和鼓勵，讓學生在回答問題的過程中去思考，讓其他學生對其觀點進行評述和補充，從而調動他們的積極性、能動性和創(chuàng)造性，達到激發(fā)式教學的效果。

（二）歸納對比式教學

超分子化學和納米材料教學內容點多面散，如何讓學生能夠在短暫的課堂上掌握這些教學內容中的基本概念和基本理論，學會用這些概念和理論分析和解決一些實驗中遇到的問題，理解文獻中報道的最新內容，是擺在任課教師面前一個十分現(xiàn)實的問題。為此，我們對這部分教學內容進行了歸納，同時將相近的內容進行了對比，這樣不僅能夠加深加快學生對教學內容的理解和掌握，還有利于學生學會思考，掌握分析問題的方法和技巧。例如，在超分子化學的教學上，我們就如何分析主客體之間鍵合的穩(wěn)定性進行了歸納，得出如下分析和解決問題的技巧：1. 主體的空腔和客體在空間尺寸上越匹配，主客體間的鍵合越強;2. 主體的空腔和客體在形狀上越類似，主客體間的鍵合越強;3. 主體和客體在電荷上要互補，相同條件下電荷密度越大，主客體結合越強;4. 相同條件下，主體的剛性越強，主客體間的結合力越強;5. 相同條件下，主體的預組織性越強，主客體間的結合力越強;6. 溶劑對主客體間的結合力影響很大，因此可利用親疏水性增強主客體間的結合;7. 利用大環(huán)效應、大二環(huán)效應可放大鍵合位點間的弱相互作用，增強主客體間的鍵合;8. 主客體和溶劑間的溶劑化自由能越大，主客體間的鍵合能力越弱。另外，為了對比分子化學和超分子化學的不同，我們采用圖像和表格兩種方式對他們進行了詳細的對比。其從結構和功能上形象地對比了超分子化學和分子化學之間的差異和聯(lián)系，闡明了分子化學是合成新物質，而超分子化學是形成分子組裝體。而表1則從結構單元、單元名稱、結合力、結構實現(xiàn)方式、結構以及性能等多方面對分子化學和超分子化學進行了多層次的對比，這在加深學生的理解和掌握的同時，也方便學生記憶。

（三）化抽象為形象式教學

超分子化學中的弱相互作用力的種類很多，包括氫鍵、離子-偶極、偶極-偶極、陽離子-π、π-π堆積、范德華力以及疏水效應等。在主客體的結合過程中通過將這些弱的相互作用力放大，可形成穩(wěn)定的主客體化合物，并且這些主客體化合物和主體與客體在適當的條件下可實現(xiàn)快速的轉換。如果只是講解這些抽象的理論，學生很容易困惑和迷茫。為了便于學生的理解，我們采取了化抽象為形象的教學方式。例如在講解冠醚，我們將冠醚比作一頂可伸縮的帶有幾個魔術貼粘接點的簡易柔性帽子，將堿金屬陽離子比作不同的人的頭。冠醚和陽離子絡合時，就好比不同人選擇不同帽子，只有帽子的尺寸和人頭的大小匹配時，其戴在頭上才會比較牢固和舒適，否則就容易脫落。而固定在冠醚環(huán)上的氧原子好比帽子上的魔術貼粘接點，只有帽子尺寸和頭的大小比較合適時，這些粘接點才能同時和頭部比較好的作用上，實現(xiàn)冠醚和陽離子的穩(wěn)定絡合。同時由于冠醚具有一定的柔性，就像有一頂伸縮性的帽子，其在尺寸不太匹配時，仍可通過帽子的伸縮不太舒服的戴在頭上，具有一定的結合性，就像冠醚尺寸和堿金屬離子不太匹配時，依然呈現(xiàn)出平臺選擇性相似。

四、結束語

本文針對鄭州大學材料科學與工程學院現(xiàn)有的《材料化學》課程中超分子化學和納米材料兩部分的教學內容的特點、現(xiàn)狀以及存在的問題，分析了教學改革的必要性，并從教材和教學內容的選擇、教學方法的改進等方面進行了該門課程的教學與實踐改革，取得了理想的教學效果。但是由于這門課程中涉及的教學內容龐雜，新的概念和理論不斷完善和替代舊者，新的研究成果不斷涌現(xiàn)，其和其它學科間的交叉也日益密切，因此課程的教學改革和實踐必定是一個長期的過程。在隨后的教學過程中，我們還需對《材料化學》課程在實踐中不斷地進行探索和總結，以使該課程的教學效果得到不斷的完善和提高。

參考文獻：

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