陳志民

摘? 要：《材料化學(xué)》是鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)本科生的一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課、主干課，其內(nèi)容綜合了超分子化學(xué)、納米材料等內(nèi)容，是一門(mén)材料科學(xué)與現(xiàn)代化學(xué)相結(jié)合的新興課程。該課程是在四大化學(xué)、生物化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的有效延伸，對(duì)擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，改善學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義。然而，由于該部分內(nèi)容牽涉知識(shí)面廣，內(nèi)容新，知識(shí)點(diǎn)間的跨越較大，國(guó)內(nèi)沒(méi)有合適的配套教材等因素，往往導(dǎo)致學(xué)生覺(jué)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(duì)所學(xué)知識(shí)綜合運(yùn)用能力弱等問(wèn)題。為此，文章作者從多年教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，圍繞著《材料化學(xué)》課程教學(xué)內(nèi)容展開(kāi)創(chuàng)新性的探索，通過(guò)優(yōu)化教學(xué)方式和方法，極大增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了教學(xué)和人才培養(yǎng)的質(zhì)量，獲得了優(yōu)異的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：材料化學(xué);超分子化學(xué);納米材料;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院成立材料化學(xué)專業(yè)的初衷是在堅(jiān)持應(yīng)用型理科人才培養(yǎng)目標(biāo)定位的基礎(chǔ)上，努力拓展學(xué)科專業(yè)的生存空間，堅(jiān)持以高分子材料為特色的辦學(xué)定位，通過(guò)創(chuàng)新的人才培養(yǎng)模式研究、培養(yǎng)機(jī)制研究，讓學(xué)生達(dá)到基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、系統(tǒng)掌握化學(xué)和材料科學(xué)的基本原理和基本實(shí)驗(yàn)技能，能在材料科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域從事研究、科技開(kāi)發(fā)和相關(guān)管理工作，最終成為具有創(chuàng)新精神的高端應(yīng)用型人才。因此，課程除了開(kāi)設(shè)有化學(xué)專業(yè)和材料專業(yè)的一些基礎(chǔ)課，高分子材料的一些專業(yè)課外，如何進(jìn)一步拓展該專業(yè)學(xué)生的化學(xué)和材料的相關(guān)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)和材料課程的緊密結(jié)合成為課程設(shè)置的一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容?；诖四康模瞬牧匣瘜W(xué)和納米材料等內(nèi)容的《材料化學(xué)》課程被定為材料化學(xué)專業(yè)本科生的一門(mén)重要的專業(yè)的基礎(chǔ)課和主干課。然而，在授課過(guò)程中，卻發(fā)現(xiàn)該部分內(nèi)容存在著涉及的知識(shí)面廣、內(nèi)容新，知識(shí)點(diǎn)間的跨越較大[1]、國(guó)內(nèi)沒(méi)有合適的配套教材以及國(guó)內(nèi)沒(méi)有成體系的課程值得借鑒等一系列的問(wèn)題。同時(shí)，學(xué)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(duì)所學(xué)知識(shí)綜合運(yùn)用能力弱等問(wèn)題。

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高該門(mén)課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的融會(huì)貫通能力，我們對(duì)《材料化學(xué)》課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析和總結(jié)，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面進(jìn)行了積極的探索和研究。

一、《材料化學(xué)》課程的教學(xué)現(xiàn)狀

（一）缺乏合適的教材

目前，國(guó)內(nèi)很多高校都開(kāi)設(shè)有《材料化學(xué)》這門(mén)專業(yè)課，同時(shí)，以《材料化學(xué)》命名的教材國(guó)內(nèi)也很常見(jiàn)，但是，不同高校開(kāi)設(shè)的材料化學(xué)專業(yè)，其《材料化學(xué)》課程包含的內(nèi)容有不同的側(cè)重點(diǎn)[2]。對(duì)于鄭州大學(xué)《材料化學(xué)》這門(mén)課程來(lái)說(shuō)，由于學(xué)生之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了《無(wú)機(jī)化學(xué)》、《有機(jī)化學(xué)》、《物理化學(xué)》、《分析化學(xué)》、《高分子物理》、《高分子化學(xué)》和《高分子材料》等課程，在《材料化學(xué)》再過(guò)多的增加基礎(chǔ)化學(xué)和材料學(xué)的知識(shí)不僅在教學(xué)內(nèi)容上會(huì)產(chǎn)生重復(fù)，同時(shí)也會(huì)增加學(xué)生的厭學(xué)情緒，無(wú)法達(dá)到進(jìn)一步拓展學(xué)生化學(xué)和材料相關(guān)知識(shí)的初衷。而將超分子化學(xué)和納米材料等內(nèi)容加入到《材料化學(xué)》教學(xué)內(nèi)容中，則既可達(dá)到最初課程開(kāi)設(shè)的目的，也可拓寬學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。然而，目前市面上的《材料化學(xué)》教材均不含超分子化學(xué)的內(nèi)容，同時(shí)，其有關(guān)納米材料的內(nèi)容也過(guò)于簡(jiǎn)單，無(wú)法滿足課程開(kāi)設(shè)的需求。

（二）教學(xué)內(nèi)容差異化較大

國(guó)內(nèi)開(kāi)設(shè)《超分子化學(xué)》本科生課程的高校并不普遍，另外，在課程內(nèi)容的選擇上各個(gè)高校的差異化也較大，這一方面和課程開(kāi)設(shè)的目的息息相關(guān)，另一方面也和課程開(kāi)設(shè)的性質(zhì)有著緊密的關(guān)系。有些高校將《超分子化學(xué)》作為專業(yè)課程，有些將其作為拓展課，因此教學(xué)內(nèi)容上有些偏重于超分子化學(xué)的基本概念和基本理論，有些則更多關(guān)注超分子化學(xué)的最新進(jìn)展。如吉林大學(xué)開(kāi)設(shè)的雙語(yǔ)課程《超分子化學(xué)》，其在引入超分子化學(xué)的基本概念后，更多的內(nèi)容則傾向于超分子化學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域取得的進(jìn)展[3]，這與其課程開(kāi)設(shè)的目的是開(kāi)闊學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的興趣息息相關(guān)。而鄭州大學(xué)引入超分子化學(xué)內(nèi)容的主要目的是讓學(xué)生掌握超分子化學(xué)的基本概念、基本原理、能夠通過(guò)超分子化學(xué)的手段設(shè)計(jì)、合成一些簡(jiǎn)單的材料，能夠分析常見(jiàn)的主客體化學(xué)中的作用力類型以及作用力的增強(qiáng)或減弱的原因，拓展其在化學(xué)和材料領(lǐng)域方面的基礎(chǔ)知識(shí)。有關(guān)納米材料教學(xué)內(nèi)容方面，鄭州大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)堅(jiān)持高分子材料的辦學(xué)特色必然要求高分子納米材料要作為其中的重要內(nèi)容。因此，如何解決教學(xué)內(nèi)容差異大，同時(shí)突出自己的辦學(xué)特色，成為擺在我們面前的一個(gè)重要問(wèn)題。

二、教材和教學(xué)內(nèi)容的選擇

（一）教材的選擇

超分子化學(xué)和納米材料在本科教學(xué)方面基本沒(méi)有現(xiàn)成的教材，沒(méi)有成體系的教學(xué)模式和內(nèi)容可以參考，很多院校都是在引入基本概念后，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究的最新進(jìn)展開(kāi)展拓展性的教學(xué)[4]。這種教學(xué)模式比較適合在研究生教學(xué)中開(kāi)展，但對(duì)于材料化學(xué)專業(yè)的本科生，源于以下幾個(gè)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(jìn)展類的內(nèi)容盡量少涉及;2. 《材料化學(xué)》僅安排了48學(xué)時(shí)，教學(xué)內(nèi)容要重點(diǎn)要放在了基本概念、基本理論和基本方法上;3. 本科生對(duì)知識(shí)理解的廣度和深度和研究生有一定的差距，過(guò)于復(fù)雜的理論和實(shí)驗(yàn)不利于其理解和吸收。基于以上幾點(diǎn)考慮，在參考教材的選擇上，我們針對(duì)不同內(nèi)容采取了不同的方案。對(duì)于超分子化學(xué)，我們主要選擇了國(guó)外的原版英文教材的譯著，如化學(xué)工業(yè)出版社出版的國(guó)外優(yōu)秀化學(xué)著作譯叢《超分子化學(xué)》和北京大學(xué)出版社出版的《超分子化學(xué)-概念和展望》等。而對(duì)于納米材料，我們主要選擇的是在國(guó)內(nèi)納米材料領(lǐng)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(lái)》和施利毅主編的華東理工大學(xué)出版社出版的《納米科技基礎(chǔ)等》。同時(shí)，為了更加適應(yīng)我們專業(yè)的教學(xué)，我們成立了材料化學(xué)編寫(xiě)小組，在參考了國(guó)內(nèi)外大量書(shū)籍的基礎(chǔ)上，自編了《材料化學(xué)》教材，更加方便了學(xué)生的學(xué)習(xí)和參考。

（二）教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)本科生知識(shí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合我們課程自身的實(shí)際情況，我們?cè)诔肿踊瘜W(xué)和納米材料授課內(nèi)容的選擇上重點(diǎn)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(xué)的教學(xué)內(nèi)容上，我們主要講解了超分子化學(xué)的相關(guān)概念、生命中的超分子化學(xué)與生物模擬、陽(yáng)離子的絡(luò)合、陰離子的鍵合、中性分子的絡(luò)合以及自組裝和模板等內(nèi)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(xué)制備方法、無(wú)機(jī)納米材料、高分子納米材料等。教學(xué)內(nèi)容的選擇上除了突出重點(diǎn)，突出基礎(chǔ)外，更加注重章節(jié)間的聯(lián)系和邏輯關(guān)系，提高了課程的系統(tǒng)性和關(guān)聯(lián)性。具體來(lái)說(shuō)，在超分子化學(xué)內(nèi)容的選擇上，我們沿著什么是超分子化學(xué)-超分子化學(xué)是怎么發(fā)展起來(lái)的-超分子化學(xué)和普通化學(xué)有什么異同-超分子化學(xué)為什么是一門(mén)重要的值得學(xué)習(xí)的課程這條主線。而在納米材料內(nèi)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(zhì)-納米材料具有獨(dú)特性質(zhì)的原因是什么-納米材料的常規(guī)制備手段有哪些-常見(jiàn)的高分子納米材料的制備方法-常見(jiàn)的無(wú)機(jī)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(nèi)容的關(guān)聯(lián)性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)了教學(xué)效果。同時(shí)為了增加學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，我們還開(kāi)設(shè)了48學(xué)時(shí)的《材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程，這在增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，還可進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解。

三、教學(xué)方法探討

（一）激發(fā)式教學(xué)

針對(duì)該專業(yè)學(xué)生讀研和出國(guó)率較高的特點(diǎn)，在課堂上給他們簡(jiǎn)單規(guī)劃科研成長(zhǎng)的道路，告訴他們?cè)诳蒲械某砷L(zhǎng)道路上選題的重要性，列舉了近些年在超分子化學(xué)領(lǐng)域和納米材料領(lǐng)域的重要研究成果和諾貝獎(jiǎng)獲得者，讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到學(xué)好超分子化學(xué)和納米材料的相關(guān)知識(shí)，可以在今后他們的學(xué)術(shù)成長(zhǎng)道路上幫助他們易出成果、多出成果，出好成果，從而激勵(lì)學(xué)生發(fā)自內(nèi)心去學(xué)習(xí)這兩個(gè)方向的知識(shí)的熱情。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生多思考，多用自己而非書(shū)上的文字來(lái)發(fā)表自己的觀點(diǎn)，并對(duì)他們進(jìn)行啟迪和鼓勵(lì)，讓學(xué)生在回答問(wèn)題的過(guò)程中去思考，讓其他學(xué)生對(duì)其觀點(diǎn)進(jìn)行評(píng)述和補(bǔ)充，從而調(diào)動(dòng)他們的積極性、能動(dòng)性和創(chuàng)造性，達(dá)到激發(fā)式教學(xué)的效果。

（二）歸納對(duì)比式教學(xué)

超分子化學(xué)和納米材料教學(xué)內(nèi)容點(diǎn)多面散，如何讓學(xué)生能夠在短暫的課堂上掌握這些教學(xué)內(nèi)容中的基本概念和基本理論，學(xué)會(huì)用這些概念和理論分析和解決一些實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，理解文獻(xiàn)中報(bào)道的最新內(nèi)容，是擺在任課教師面前一個(gè)十分現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。為此，我們對(duì)這部分教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了歸納，同時(shí)將相近的內(nèi)容進(jìn)行了對(duì)比，這樣不僅能夠加深加快學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握，還有利于學(xué)生學(xué)會(huì)思考，掌握分析問(wèn)題的方法和技巧。例如，在超分子化學(xué)的教學(xué)上，我們就如何分析主客體之間鍵合的穩(wěn)定性進(jìn)行了歸納，得出如下分析和解決問(wèn)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(qiáng);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(qiáng);3. 主體和客體在電荷上要互補(bǔ)，相同條件下電荷密度越大，主客體結(jié)合越強(qiáng);4. 相同條件下，主體的剛性越強(qiáng)，主客體間的結(jié)合力越強(qiáng);5. 相同條件下，主體的預(yù)組織性越強(qiáng)，主客體間的結(jié)合力越強(qiáng);6. 溶劑對(duì)主客體間的結(jié)合力影響很大，因此可利用親疏水性增強(qiáng)主客體間的結(jié)合;7. 利用大環(huán)效應(yīng)、大二環(huán)效應(yīng)可放大鍵合位點(diǎn)間的弱相互作用，增強(qiáng)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(duì)比分子化學(xué)和超分子化學(xué)的不同，我們采用圖像和表格兩種方式對(duì)他們進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比。其從結(jié)構(gòu)和功能上形象地對(duì)比了超分子化學(xué)和分子化學(xué)之間的差異和聯(lián)系，闡明了分子化學(xué)是合成新物質(zhì)，而超分子化學(xué)是形成分子組裝體。而表1則從結(jié)構(gòu)單元、單元名稱、結(jié)合力、結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式、結(jié)構(gòu)以及性能等多方面對(duì)分子化學(xué)和超分子化學(xué)進(jìn)行了多層次的對(duì)比，這在加深學(xué)生的理解和掌握的同時(shí)，也方便學(xué)生記憶。

（三）化抽象為形象式教學(xué)

超分子化學(xué)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(yáng)離子-π、π-π堆積、范德華力以及疏水效應(yīng)等。在主客體的結(jié)合過(guò)程中通過(guò)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(dāng)?shù)臈l件下可實(shí)現(xiàn)快速的轉(zhuǎn)換。如果只是講解這些抽象的理論，學(xué)生很容易困惑和迷茫。為了便于學(xué)生的理解，我們采取了化抽象為形象的教學(xué)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(gè)魔術(shù)貼粘接點(diǎn)的簡(jiǎn)易柔性帽子，將堿金屬陽(yáng)離子比作不同的人的頭。冠醚和陽(yáng)離子絡(luò)合時(shí)，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(shí)，其戴在頭上才會(huì)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(shù)貼粘接點(diǎn)，只有帽子尺寸和頭的大小比較合適時(shí)，這些粘接點(diǎn)才能同時(shí)和頭部比較好的作用上，實(shí)現(xiàn)冠醚和陽(yáng)離子的穩(wěn)定絡(luò)合。同時(shí)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(shí)，仍可通過(guò)帽子的伸縮不太舒服的戴在頭上，具有一定的結(jié)合性，就像冠醚尺寸和堿金屬離子不太匹配時(shí)，依然呈現(xiàn)出平臺(tái)選擇性相似。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院現(xiàn)有的《材料化學(xué)》課程中超分子化學(xué)和納米材料兩部分的教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)、現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題，分析了教學(xué)改革的必要性，并從教材和教學(xué)內(nèi)容的選擇、教學(xué)方法的改進(jìn)等方面進(jìn)行了該門(mén)課程的教學(xué)與實(shí)踐改革，取得了理想的教學(xué)效果。但是由于這門(mén)課程中涉及的教學(xué)內(nèi)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(xué)科間的交叉也日益密切，因此課程的教學(xué)改革和實(shí)踐必定是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。在隨后的教學(xué)過(guò)程中，我們還需對(duì)《材料化學(xué)》課程在實(shí)踐中不斷地進(jìn)行探索和總結(jié)，以使該課程的教學(xué)效果得到不斷的完善和提高。

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