基于納米材料結(jié)構(gòu)及制備方法的中外教材對比研究

岑宏宇 吳崇剛 李學(xué)鋒

湖北工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)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(xué)Guozhong C 教授和路易斯安那州立大學(xué)Ying W 教授。外文教材第二版是在第一版基礎(chǔ)上重新安排段落順序，加入新型納米材料的合成技術(shù)，拓展前沿應(yīng)用。中文教材選用《納米材料及其制備技術(shù)》［2］（以下簡稱中文教材），由冶金工業(yè)出版社在2014 年出版，教材由青島科技大學(xué)劉漫紅教授主編，編委共7 名教師。

外文教材每章結(jié)尾附參考文獻(xiàn)列表，共計1674次，參考文獻(xiàn)發(fā)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(xiàn)，共計68 次，參考文獻(xiàn)發(fā)表時間主要集中在2000～2010階段。兩本教材參考文獻(xiàn)的構(gòu)成如表1 所示。

表1 參考文獻(xiàn)構(gòu)成情況

外文教材面向材料科學(xué)高年級本科生或研究生使用，中文教材面向高校材料學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、化工、紡織、制藥、環(huán)境、電子等專業(yè)的本科生及研究生。

二、教材內(nèi)容設(shè)計

（一）教材內(nèi)容設(shè)置架構(gòu)

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

中文教材則首先聚焦在納米材料的基本概念及基本效應(yīng)，闡述納米材料的定義，對納米材料的基本結(jié)構(gòu)單元予以介紹，并詳細(xì)講解納米材料的六大基本效應(yīng)。隨后，編者講解納米微粒的結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)特性，重點(diǎn)介紹納米材料的熱學(xué)性能、電學(xué)性能、光學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、動力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)特性。從第4 章至第10章，文中詳細(xì)介紹了七種納米材料的制備技術(shù)，各章節(jié)分別對應(yīng)物理制備方法、化學(xué)氣相法、沉淀法、溶劑熱法、溶膠—凝膠法、化學(xué)還原法和模板法等制備方法。教材在知識架構(gòu)上更注重闡述納米結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，從制備方法對納米材料進(jìn)行區(qū)分，并對各制備技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比分析。教材的重難點(diǎn)集中在納米材料結(jié)構(gòu)如何導(dǎo)致性能的差異和各制備技術(shù)的合成原理。前沿知識較基礎(chǔ)性知識占全書比重較低，全書基礎(chǔ)性論述占據(jù)大量篇幅，在制備技術(shù)中出現(xiàn)學(xué)術(shù)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(guān)于納米材料制備的前沿案例。教材在每章結(jié)尾處提供約5 個思考題，以論述類客觀題為主，考查學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握程度。

圖1 外文教材中關(guān)于納米材料制備方法的設(shè)置構(gòu)架

（二）教材內(nèi)容設(shè)計體系

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

注：本表中觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)的計算公式為：

其中，φi為背景知識、基礎(chǔ)知識或拓展知識占比；ain為各章節(jié)中每類知識所占頁數(shù)；An為對應(yīng)章節(jié)的頁數(shù)；ωn為章節(jié)頁數(shù)的權(quán)重，；n 為章節(jié)數(shù)。

1.背景知識：包括學(xué)科背景知識的介紹、數(shù)理化類及專業(yè)相關(guān)的自然科學(xué)基礎(chǔ)課程所涉及知識點(diǎn)等。

2.基礎(chǔ)知識：包括材料類專業(yè)基礎(chǔ)知識中的概念、定義及基礎(chǔ)理論等知識點(diǎn)。

3.拓展知識：包括對基礎(chǔ)知識的綜合、應(yīng)用的描述及案例分析、行業(yè)應(yīng)用前景，前沿科學(xué)研究、新技術(shù)應(yīng)用等。

中文教材內(nèi)容在背景知識、基礎(chǔ)知識和拓展知識上大體按照1：6：3 的知識架構(gòu)組成（表2），敘述性內(nèi)容和案例分析內(nèi)容占比約為1：1。中文教材在每章的引言中常根據(jù)納米材料某項具體特點(diǎn)提出發(fā)散性問題，這些問題往往就是教材章節(jié)的核心內(nèi)容，待學(xué)生完成本章的學(xué)習(xí)后即可解答此類問題。中文教材在核心知識點(diǎn)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(nèi)容以示意圖和曲線圖為主，微觀結(jié)構(gòu)表征圖較少。在版面設(shè)計上，中文教材中的圖片以小幅插圖為主，最多占據(jù)半個版面；外文教材插圖含有多圖組合形式，占據(jù)篇幅較大。每章結(jié)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(shù)的優(yōu)勢和不足。

表2 國內(nèi)外教材內(nèi)容體系變化情況

此外，外文教材的電子版內(nèi)容在數(shù)據(jù)庫中可進(jìn)行下載，書中并未插入正文內(nèi)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(yīng)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(nèi)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(nèi)容設(shè)置邏輯。外文教材的設(shè)置構(gòu)架如圖1 所示，目標(biāo)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(shè)置在不同維度納米材料的結(jié)構(gòu)講解部分，通過結(jié)構(gòu)特點(diǎn)講述從小分子聚集到納米尺度方法的原理和優(yōu)勢，進(jìn)而加深學(xué)生對納米結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。“自上而下”方法則單獨(dú)設(shè)置一章，相比于前文方法，該方法源于微米結(jié)構(gòu)的制備，聚焦從大尺寸結(jié)構(gòu)剝離到納米尺度的物理方法。該方式易讓學(xué)生在章節(jié)知識間形成聯(lián)通，前后知識得到對比分析，進(jìn)一步掌握納米結(jié)構(gòu)與制備方法間的關(guān)聯(lián)。

中文教材的設(shè)置構(gòu)架如圖2 所示，內(nèi)容按照合成方法進(jìn)行章節(jié)劃分，在各章節(jié)中再穿插不同納米材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。編者在前言中已注明不討論納米粒子的制備方法應(yīng)該如何科學(xué)地分類和定義，而著重針對納米粒子生成機(jī)理與制備過程，粗略地將制備方法分為物理方法、化學(xué)方法和物理化學(xué)方法。該設(shè)置的優(yōu)勢是能夠抓住問題的主要方面，根據(jù)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(jī)理、化學(xué)機(jī)理。

圖2 中文教材中關(guān)于納米材料制備方法的設(shè)置構(gòu)架

對比而言，外文教材對納米材料結(jié)構(gòu)及應(yīng)用的論述在連貫性上更為合理，從結(jié)構(gòu)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(shù)從原理上可以劃分為物理方法、化學(xué)方法和二者兼具的交叉方法，而中文教材將制備技術(shù)分為七類，則不同技術(shù)類別的分界區(qū)較為模糊。其次，外文教材將固體表面的基礎(chǔ)知識在全書開篇予以系統(tǒng)講述，在各章節(jié)中結(jié)合具體納米結(jié)構(gòu)再進(jìn)行生長過程的理論推導(dǎo)，強(qiáng)化基礎(chǔ)知識的掌握。中文教材則是將固體表面的基礎(chǔ)知識穿插到納米材料結(jié)構(gòu)與性能的講解中，使得各章節(jié)內(nèi)的邏輯性較強(qiáng)，但是各章節(jié)間的連接稍顯生硬。最后，中文教材更偏重于基礎(chǔ)知識的掌握，包括各專業(yè)名詞的定義和概念的區(qū)分，要求學(xué)生能夠掌握納米材料的基本結(jié)構(gòu)和性能，熟悉常見的制備方法。外文教材則更偏重于基礎(chǔ)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(huán)境中的結(jié)構(gòu)演變，該方法更適合從本科生向研究生轉(zhuǎn)變階段的科研方向指導(dǎo)教程［3-4］。

三、材料學(xué)科與交叉學(xué)科融合的廣度和深度

（一）交叉學(xué)科融合的整體狀況

外文教材中交叉學(xué)科知識約占全書內(nèi)容60%。在納米材料結(jié)構(gòu)的論述中主要以固體表面的物理學(xué)知識作為基礎(chǔ)，在材料生長過程中結(jié)合化學(xué)反應(yīng)知識進(jìn)行多維結(jié)構(gòu)的預(yù)測并建立模型。在制備方法中交叉多學(xué)科知識，例如刻蝕技術(shù)（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(xué)沉積、生物誘導(dǎo)等，教材對各制備方法的原理進(jìn)行了詳細(xì)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(nèi)容，結(jié)合納米材料的特殊結(jié)構(gòu)對儀器表征過程和常見結(jié)果進(jìn)行總結(jié)說明。最后，教材在納米材料的應(yīng)用中介紹了大量交叉學(xué)科的前沿技術(shù)，包括納米電子學(xué)、納米機(jī)器人、生物應(yīng)用、量子器件、納米力學(xué)和在能源、環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用。

中文教材中交叉學(xué)科知識約占全書內(nèi)容40%。在納米材料基本概念及基本效應(yīng)中，教材結(jié)合固體物理學(xué)知識闡述納米材料的六大效應(yīng)；在結(jié)構(gòu)與性能介紹中，將物理化學(xué)性能與材料結(jié)構(gòu)交叉分析，包括熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、動力學(xué)和化學(xué)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(xué)理論解釋不同制備技術(shù)的原理，并討論納米結(jié)構(gòu)的生長過程，交叉知識主要集中在基礎(chǔ)理論的使用。中文教材聚焦在納米材料結(jié)構(gòu)、性能和制備技術(shù)中，除金屬納米粒子的催化應(yīng)用外并未詳細(xì)談及其他納米材料的應(yīng)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(xiàn)象解釋中與外文教材相當(dāng)。從交叉學(xué)科設(shè)置形式上，外文教材理論知識的連貫性更強(qiáng)，集中闡述固體物理的成熟理論，核心知識點(diǎn)顯著，再到章節(jié)中具體討論知識點(diǎn)實現(xiàn)前后呼應(yīng)。

（二）融合的途徑

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

中文教材將交叉學(xué)科知識貫穿到納米材料結(jié)構(gòu)與性能的講解中，作為解釋其構(gòu)效關(guān)系的理論依據(jù)。如在納米材料的電學(xué)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(yán)重為切入點(diǎn)，鼓勵學(xué)生思考納米材料與常規(guī)材料的電導(dǎo)行為是否相同以及電子在納米結(jié)構(gòu)體系中的運(yùn)動和散射有哪些新的特點(diǎn)。在具體性能的介紹中，教材會結(jié)合固體物理理論進(jìn)行知識的遷移驗證，最后得出納米材料的特殊性質(zhì)，這種交叉學(xué)科方式更易啟迪學(xué)生的開放性思維。在談到納米結(jié)構(gòu)材料為什么會有高介電常數(shù)時，教材歸納了界面極化、轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，針對具體問題做了詳細(xì)的解答。相比之下，中文教材在具體知識點(diǎn)的考察比外文教材更深入，通過章節(jié)后的思考題回顧重要知識點(diǎn)從而實現(xiàn)核心知識的強(qiáng)化。

綜合而言，外文教材具有以下特點(diǎn)。1.重視基礎(chǔ)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(qiáng)，各章節(jié)間通過納米材料生長的基礎(chǔ)知識和不同的制備方法聯(lián)系，知識脈絡(luò)明晰；3.內(nèi)容豐富，教材內(nèi)插入大量前沿學(xué)術(shù)成果和實驗結(jié)果，讓學(xué)生將基礎(chǔ)知識和實際應(yīng)用緊密聯(lián)系；4.學(xué)科交叉廣度寬，涉及多領(lǐng)域的制備技術(shù)和應(yīng)用案例。中文教材的相對優(yōu)勢在于思維的引導(dǎo)和知識點(diǎn)的透徹深入，但在學(xué)術(shù)前沿的交匯稍顯不足，教材章節(jié)間的聯(lián)系還需優(yōu)化。

中外教材在納米材料課程上的設(shè)置各有特點(diǎn)，這與學(xué)生的基礎(chǔ)、習(xí)慣和學(xué)業(yè)要求緊密相關(guān)。作為國內(nèi)材料學(xué)的教育工作者，我們希望能不斷優(yōu)化材料類各專業(yè)教材體系的結(jié)構(gòu)、教材內(nèi)容體系以及新形態(tài)教材建設(shè)的方向和途徑，為建設(shè)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(chǔ)，并為“十四五”普通高等教育本科教材規(guī)劃與建設(shè)提供參考。