科教融合理念下“材料技術(shù)前沿進(jìn)展”的教學(xué)改革探究

摘"要：材料技術(shù)前沿進(jìn)展課程是一門介紹科研前沿尖端技術(shù)領(lǐng)域的課程，該課程為研究生了解前沿技術(shù)和理論提供了捷徑。但當(dāng)下教學(xué)進(jìn)程嚴(yán)重滯后于科研工作，教學(xué)內(nèi)容陳舊單一，教學(xué)方式也亟待推陳出新，將先進(jìn)表征技術(shù)融入材料技術(shù)前沿進(jìn)展教學(xué)中很有必要。改革后的課程引入拉曼散射光譜技術(shù)，以其在光電材料聚芴薄膜中的分析過程為例，探討先進(jìn)表征技術(shù)的發(fā)展和在科研工作中的應(yīng)用，探索研究生階段材料技術(shù)前沿進(jìn)展課程教學(xué)模式的改革和實(shí)踐，也為不同研究領(lǐng)域前沿進(jìn)展的教學(xué)工作者提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：材料技術(shù)前沿進(jìn)展"教學(xué)模式改革"先進(jìn)表征技術(shù)"拉曼散射光譜

中圖分類號：G643.2"""""""""文獻(xiàn)標(biāo)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outdated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(dāng)前，高質(zhì)量發(fā)展已經(jīng)成為了我國今后的發(fā)展目標(biāo)。作為世界工廠，幾乎實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈分布的大國，材料行業(yè)一直是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石。近年來，我國新材料的產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段。2022年，我國的新材料產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到了約6.8萬億，比起2012年增長了將近6倍。這些新材料領(lǐng)域涵蓋了金屬材料、陶瓷材料、高分子材料等全行業(yè)，其中高效儲能、光伏、超硬、光電、化纖等多種先進(jìn)材料的產(chǎn)量位居世界前沿，為我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展提供了強(qiáng)勁的動力與領(lǐng)先的競爭力。

然而，在經(jīng)濟(jì)和社會飛速發(fā)展的同時，新材料、新技術(shù)的開發(fā)和研究同樣面臨著全新的挑戰(zhàn)。我國在信息材料等一些關(guān)鍵材料方面的積累仍顯不足，較多核心材料仍需要大量進(jìn)口，“卡脖子”現(xiàn)象仍沒有得到解決。打造安全自主、領(lǐng)先世界的材料研發(fā)和生產(chǎn)體系是目前發(fā)展的重中之重。因此，材料相關(guān)人才的教育和儲備便成了科技發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容。黨的二十大報告指出，教育、科技、人才是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)和戰(zhàn)略性支撐[1]。只有將教育、科技、人才融為一體，才能形成“系統(tǒng)性硬實(shí)力”，不受國外各種變動影響。因此，對于材料專業(yè)人才培養(yǎng)，亟須探索新的培養(yǎng)模式和方法來獲得升級。此外，隨著不同學(xué)科的互相交融，不同專業(yè)領(lǐng)域之間的教學(xué)工作和學(xué)術(shù)研究趨向更深層次的交叉，復(fù)雜程度亦大幅提高。不同領(lǐng)域的前沿技術(shù)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(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和一成不變的教案很難幫助研究生更新有關(guān)材料的前沿技術(shù)，也不利于高水平、高質(zhì)量科研工作的開展。

1"目前材料技術(shù)前沿進(jìn)展教學(xué)中存在的問題

材料技術(shù)前沿進(jìn)展課程是一門針對新進(jìn)研究生、面向國家發(fā)展戰(zhàn)略需求、響應(yīng)社會發(fā)展需求、結(jié)合學(xué)校新工科建設(shè)需要開展的啟發(fā)性課程。該課程的開展旨在讓研究生了解人類社會文明發(fā)展與材料學(xué)科之間的關(guān)系，包括前沿材料的進(jìn)展及其生產(chǎn)技術(shù)和應(yīng)用、材料科學(xué)研究領(lǐng)域的先進(jìn)表征方法及相關(guān)設(shè)備。課程主要培養(yǎng)學(xué)生對先進(jìn)材料創(chuàng)新性的感知能力，著力提高學(xué)生解決復(fù)雜科學(xué)問題的能力，培養(yǎng)精益求精的科學(xué)態(tài)度。然而，當(dāng)下課程的教學(xué)卻存在以下問題。

（1）隨著交叉學(xué)科的發(fā)展，不同專業(yè)領(lǐng)域之間的學(xué)科教學(xué)工作比以往更加交融擴(kuò)展、復(fù)雜多樣。由于研究生的本科專業(yè)不同，知識背景差距較大，僅依賴少量教學(xué)安排，很難達(dá)到系統(tǒng)地構(gòu)筑材料技術(shù)前沿理論體系框架的目的。材料技術(shù)前沿進(jìn)展課程的開展也嚴(yán)重滯后于前沿科學(xué)研究，指導(dǎo)教師和學(xué)生均不同程度地反映教學(xué)內(nèi)容落后，所涉及的技術(shù)知識更新慢、年代久，不能有效地指導(dǎo)當(dāng)前科研工作的進(jìn)行。

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

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

2"材料技術(shù)前沿進(jìn)展教學(xué)方案的改革探索

2.1"將科教融合理念引入教學(xué)方法中

為了改善教學(xué)內(nèi)容落后和教師唱獨(dú)角戲的現(xiàn)象，解決教學(xué)過程中學(xué)生參與度低的問題，計劃采用科教融合、課堂互融的方式進(jìn)行教學(xué)?？平倘诤系谋举|(zhì)是在“科研-教學(xué)-學(xué)習(xí)”這一過程中對知識進(jìn)行創(chuàng)新、傳授、傳承和傳播，使授課教師和學(xué)生之間能夠進(jìn)行互動式的學(xué)術(shù)探究，取長補(bǔ)短、開拓進(jìn)取[2]?；诳平倘诤系睦砟?，在培養(yǎng)研究生的過程中，教學(xué)與科研始終相互促進(jìn)、相輔相成[3]。由此可見，采用科教融合式的教學(xué)模式相較于過去傳統(tǒng)的理論式教學(xué)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。

在理論環(huán)節(jié)的教學(xué)中，科教融合的教學(xué)模式體現(xiàn)在以下兩方面。一方面，倡導(dǎo)學(xué)生走上講臺教學(xué)，將研究方向相近的研究生組成小組，小組成員根據(jù)自己的研究課題確定演講主題，查閱文獻(xiàn)資料，制作PPT，講解自己研究的材料相關(guān)領(lǐng)域新的進(jìn)展和發(fā)展趨勢，以此提高學(xué)生的參與度和主人翁意識；另一方面，邀請高校及企業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的專家進(jìn)行講座式授課。講座人依據(jù)自身從業(yè)經(jīng)歷，將研究成果或相關(guān)企業(yè)應(yīng)用案例融入課堂內(nèi)容中，將材料的前沿技術(shù)與理論結(jié)合有機(jī)結(jié)合起來，增強(qiáng)學(xué)生對于課堂的興趣。讓學(xué)生能夠更好地掌握相關(guān)領(lǐng)域?qū)θ瞬诺囊蠹靶袠I(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀。

2.2"將先進(jìn)表征技術(shù)引入教學(xué)內(nèi)容中

為了解決課程技術(shù)落后，指導(dǎo)性差的問題。本課程改革實(shí)踐計劃在課程教學(xué)內(nèi)容中引入先進(jìn)表征技術(shù)理論和應(yīng)用環(huán)節(jié)，將目前科研工作中一些密切相關(guān)的先進(jìn)材料表征技術(shù)引入教學(xué)課堂中，以改善以往講授內(nèi)容落后、前沿性差、指導(dǎo)性不足的情況。

拉曼光譜表征技術(shù)是基于光和材料的相互作用而開發(fā)的先進(jìn)表征技術(shù)。拉曼光譜是一種可快速進(jìn)行無損檢測的指紋光譜[4]，具有檢測重復(fù)性好、分辨率高等優(yōu)勢，可以精確分辨不同的拉曼頻移。這對研究樣品的微結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)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(lán)寶石窗和光纖進(jìn)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(xué)體系。拉曼光譜可以檢測50～4"000"cm-1整個波數(shù)區(qū)間的振動信號，尤其是對低波數(shù)測量具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

目前，拉曼散射光譜技術(shù)在生物學(xué)、材料、地質(zhì)、考古、醫(yī)藥、食品、珠寶、化學(xué)化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)前材料領(lǐng)域較為先進(jìn)的表征技術(shù)之一[5]。將拉曼散射光譜技術(shù)融入材料技術(shù)前沿進(jìn)展教學(xué)中可以讓學(xué)生了解拉曼散射和表面增強(qiáng)拉曼散射的基本原理，了解拉曼光譜儀的基本結(jié)構(gòu)與功能，掌握其對物質(zhì)進(jìn)行定性、定量和痕量分析的先進(jìn)方法。有機(jī)光電材料是一類可以實(shí)現(xiàn)光和電性質(zhì)單向或雙向轉(zhuǎn)換的材料，在有機(jī)太陽能電池、場效應(yīng)晶體管、發(fā)光二極管、電泵激光等高新領(lǐng)域有著廣闊的開發(fā)和應(yīng)用前景，涉及較多關(guān)注度高、潛在應(yīng)用價值巨大的新材料[6-7]。拉曼光譜和有機(jī)光電材料的結(jié)合是當(dāng)前的前沿和熱門領(lǐng)域。此次改革將拉曼散射光譜與有機(jī)高分子光電材料相結(jié)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(jī)聚芴光電薄膜中分子結(jié)構(gòu)過程中發(fā)揮的作用，來進(jìn)行材料技術(shù)前沿進(jìn)展課程教學(xué)模式的改革和實(shí)踐。旨在引導(dǎo)學(xué)生加深對這一先進(jìn)表征方法的了解，促進(jìn)學(xué)生對交叉融合研究的興趣，從而助力其科研能力發(fā)展。

2.3"將拉曼表征技術(shù)實(shí)例與課程理論相結(jié)合

為了改善課堂教學(xué)理論講解有余，實(shí)例講解匱乏的問題，計劃以代表性光電高分子為實(shí)際樣品范例，在講解拉曼光譜表征技術(shù)理論的過程中，與有機(jī)光電高分子領(lǐng)域前沿進(jìn)展的理論與分析相結(jié)合，使學(xué)生所學(xué)知識立體化、多維化，從而促進(jìn)學(xué)生對表征技術(shù)原理與應(yīng)用范圍的了解。聚芴是一類具有藍(lán)光性質(zhì)的共軛高分子，具有良好的光學(xué)特性、優(yōu)秀的穩(wěn)定性和高量子產(chǎn)率，是當(dāng)前光電高分子中的優(yōu)秀代表。更奇特的是，這類高分子具有一種特殊的構(gòu)象，被稱為β構(gòu)象。β構(gòu)象的鏈結(jié)構(gòu)單元之間的空間夾角約為165°，而常見的α構(gòu)象則為135°。因此，β構(gòu)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(gòu)象在拉曼光譜中也能表現(xiàn)出與α構(gòu)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(xiàn)象尤為明顯。因此，可以通過將拉曼光譜與聚芴β構(gòu)象的研究相結(jié)合，讓學(xué)生深刻了解先進(jìn)技術(shù)在高新材料中的應(yīng)用與方式。

基于此，可進(jìn)行拉曼散射光譜應(yīng)用環(huán)節(jié)的教案設(shè)計：拉曼散射光譜的測試通常是通過物質(zhì)分子受激光激發(fā)后產(chǎn)生散射，對與入射光頻率不同的散射光譜進(jìn)行分析以得到分子振動、轉(zhuǎn)動方面信息，并應(yīng)用于物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)表征。薄膜中高分子鏈的排列對激光的散射產(chǎn)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(jìn)行分析。通過對結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的兩種PFO薄膜進(jìn)行表征，可以得到各類結(jié)構(gòu)參數(shù)對PFO薄膜中的鏈結(jié)構(gòu)有序性的影響。

在該課程中，引入了有關(guān)聚芴研究的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。分子量對PFO溶液中β構(gòu)象的形成有較大影響，低分子量的PFO溶液中較難形成β構(gòu)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(gòu)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(xiàn)最高峰，此拉曼峰值屬于苯環(huán)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(huán)的C-C鍵的彎曲振動有關(guān)，且該C-C鍵對相鄰重復(fù)單元之間的扭轉(zhuǎn)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(jìn)行歸一化處理。根據(jù)文獻(xiàn)研究表明，1"257"cm-1與1"605"cm-1處的拉曼峰強(qiáng)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(gòu)象含量的增加而增加。因此，根據(jù)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(jié)果如圖2所示。計算結(jié)果顯示，當(dāng)PFO分子量較高時，I1257/I1605的比值明顯更高。此結(jié)果說明：當(dāng)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(gòu)象比例也更高。

在拉曼散射光譜應(yīng)用環(huán)節(jié)的教案設(shè)計中，始終堅持以學(xué)生為本，理論與實(shí)踐相結(jié)合，力爭讓每一位學(xué)生都參與到數(shù)據(jù)的分析和表征技術(shù)的應(yīng)用中。通過對PFO薄膜的表征和分析讓學(xué)生充分了解拉曼散射光譜的基本原理，掌握拉曼與多學(xué)科結(jié)合進(jìn)行研究的思路和方法，并應(yīng)用到科研工作中。

2.4"教學(xué)改革實(shí)踐小結(jié)

總結(jié)以上方法，在理論講解環(huán)節(jié)，將材料的前沿技術(shù)與理論結(jié)合有機(jī)的結(jié)合起來，增強(qiáng)學(xué)生對課堂的興趣。讓學(xué)生能夠更好地掌握相關(guān)領(lǐng)域?qū)θ瞬诺囊笈c行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀。在實(shí)例講解環(huán)節(jié)，結(jié)合代表性先進(jìn)技術(shù)（如拉曼光譜），引導(dǎo)學(xué)生了解如何對經(jīng)典的聚芴進(jìn)行拉曼散射光譜分析，促使學(xué)生掌握拉曼散射光譜儀的基本原理、基本操作與前沿應(yīng)用范圍，以此來培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力和獨(dú)立自主分析思考解決問題的能力。以上措施改善課堂教學(xué)方式，并將部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)融入課程的理論講解中，積極地響應(yīng)國家倡導(dǎo)“科教融合”的號召，探索當(dāng)下學(xué)科交叉融合時代背景下“更適合、更有效”教學(xué)模式可以為不同研究領(lǐng)域的教學(xué)工作提供一定的參考價值。

3"結(jié)語

進(jìn)入21世紀(jì)以來，科技進(jìn)入高速發(fā)展的時期。各個不同學(xué)科之間的交叉、融合發(fā)展成為必然的趨勢。相應(yīng)的不同專業(yè)、學(xué)科之間的教學(xué)工作也不能像以往那樣僅僅停留在理論層面的講解。在當(dāng)下倡導(dǎo)“科教融合”式教學(xué)的大背景下，科研中常用的先進(jìn)表征方法在這一改革進(jìn)程中有著舉足輕重的地位。作為材料與化工專業(yè)碩士學(xué)位研究生一年級的必修課程，“材料技術(shù)前沿進(jìn)展”這門課程的課堂教學(xué)模式改革和實(shí)踐對研究生科學(xué)思維的培養(yǎng)、先進(jìn)技術(shù)的學(xué)習(xí)具有十分重要的意義。將先進(jìn)表征技術(shù)拉曼光譜的應(yīng)用環(huán)節(jié)融入理論教學(xué)的課堂中來，不僅能夠響應(yīng)“科教融合”式課堂的號召，而且能夠讓學(xué)生有更大的興趣投入課堂的學(xué)習(xí)中，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，培養(yǎng)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(shù)中所學(xué)到的分析方法、思維方式指導(dǎo)科研工作的開展。同樣也為不同研究領(lǐng)域的技術(shù)前沿進(jìn)展教學(xué)工作提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

• 廖建國，馬婷婷，曹新鑫，等.思政元素融入技術(shù)前沿進(jìn)展課程：以材料與化工專業(yè)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(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)設(shè)計[J]."實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，"2023，"40（3）：201-205.
• 黃音，"盛思詩，"毛莉莎，"等."基于創(chuàng)新驅(qū)動的科教融合人才培養(yǎng)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(zhàn)略科技力量的跨建制科教融合協(xié)同育人模式探索與構(gòu)建[J]."學(xué)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(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展[J]."化學(xué)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(guān)意佳，"秦潔一，"張鈺華，"等."聚三芳胺/聚芴共混體系中的鏈構(gòu)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.