浅谈材料化学专业《材料化学》课程的教学改革与实践

陈志民

摘  要：《材料化学》是郑州大学材料科学与工程学院材料化学专业本科生的一门重要的专业基础课、主干课，其内容综合了超分子化学、纳米材料等内容，是一门材料科学与现代化学相结合的新兴课程。该课程是在四大化学、生物化学和结构化学的基础上进行的有效延伸，对扩展学生的知识面，改善学生的知识结构具有十分重要的意义。然而，由于该部分内容牵涉知识面广，内容新，知识点间的跨越较大，国内没有合适的配套教材等因素，往往导致学生觉得课程章节间上下联系不紧密、概念理解不透彻、理论枯燥乏味，晦涩难懂以及对所学知识综合运用能力弱等问题。为此，文章作者从多年教学实践出发，围绕着《材料化学》课程教学内容展开创新性的探索，通过优化教学方式和方法，极大增加了学生的学习热情，提高了教学和人才培养的质量，获得了优异的教学效果。

关键词：材料化学;超分子化学;纳米材料;教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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

鄭州大学材料科学与工程学院成立材料化学专业的初衷是在坚持应用型理科人才培养目标定位的基础上，努力拓展学科专业的生存空间，坚持以高分子材料为特色的办学定位，通过创新的人才培养模式研究、培养机制研究，让学生达到基础扎实、知识面宽、系统掌握化学和材料科学的基本原理和基本实验技能，能在材料科学及相关领域从事研究、科技开发和相关管理工作，最终成为具有创新精神的高端应用型人才。因此，课程除了开设有化学专业和材料专业的一些基础课，高分子材料的一些专业课外，如何进一步拓展该专业学生的化学和材料的相关知识，实现化学和材料课程的紧密结合成为课程设置的一项十分重要的内容。基于此目的，包含了材料化学和纳米材料等内容的《材料化学》课程被定为材料化学专业本科生的一门重要的专业的基础课和主干课。然而，在授课过程中，却发现该部分内容存在着涉及的知识面广、内容新，知识点间的跨越较大[1]、国内没有合适的配套教材以及国内没有成体系的课程值得借鉴等一系列的问题。同时，学生的反馈也是课程章节之间联系不够紧密，概念理解不够透彻、理论枯燥乏味，晦涩难懂以及对所学知识综合运用能力弱等问题。

为了激发学生的学习兴趣，提高该门课程的教学质量和教学效果，提高学生对所学知识的融会贯通能力，我们对《材料化学》课程教学过程中存在的问题进行了分析和总结，从教学内容和教学方法等方面进行了积极的探索和研究。

一、《材料化学》课程的教学现状

（一）缺乏合适的教材

目前，国内很多高校都开设有《材料化学》这门专业课，同时，以《材料化学》命名的教材国内也很常见，但是，不同高校开设的材料化学专业，其《材料化学》课程包含的内容有不同的侧重点[2]。对于郑州大学《材料化学》这门课程来说，由于学生之前已经学习了《无机化学》、《有机化学》、《物理化学》、《分析化学》、《高分子物理》、《高分子化学》和《高分子材料》等课程，在《材料化学》再过多的增加基础化学和材料学的知识不仅在教学内容上会产生重复，同时也会增加学生的厌学情绪，无法达到进一步拓展学生化学和材料相关知识的初衷。而将超分子化学和纳米材料等内容加入到《材料化学》教学内容中，则既可达到最初课程开设的目的，也可拓宽学生的知识面，提高学生的学习兴趣。然而，目前市面上的《材料化学》教材均不含超分子化学的内容，同时，其有关纳米材料的内容也过于简单，无法满足课程开设的需求。

（二）教学内容差异化较大

国内开设《超分子化学》本科生课程的高校并不普遍，另外，在课程内容的选择上各个高校的差异化也较大，这一方面和课程开设的目的息息相关，另一方面也和课程开设的性质有着紧密的关系。有些高校将《超分子化学》作为专业课程，有些将其作为拓展课，因此教学内容上有些偏重于超分子化学的基本概念和基本理论，有些则更多关注超分子化学的最新进展。如吉林大学开设的双语课程《超分子化学》，其在引入超分子化学的基本概念后，更多的内容则倾向于超分子化学在各个领域取得的进展[3]，这与其课程开设的目的是开阔学生的视野，培养学生对科学研究的兴趣息息相关。而郑州大学引入超分子化学内容的主要目的是让学生掌握超分子化学的基本概念、基本原理、能够通过超分子化学的手段设计、合成一些简单的材料，能够分析常见的主客体化学中的作用力类型以及作用力的增强或减弱的原因，拓展其在化学和材料领域方面的基础知识。有关纳米材料教学内容方面，郑州大学材料化学专业坚持高分子材料的办学特色必然要求高分子纳米材料要作为其中的重要内容。因此，如何解决教学内容差异大，同时突出自己的办学特色，成为摆在我们面前的一个重要问题。

二、教材和教学内容的选择

（一）教材的选择

超分子化学和纳米材料在本科教学方面基本没有现成的教材，没有成体系的教学模式和内容可以参考，很多院校都是在引入基本概念后，结合国内外研究的最新进展开展拓展性的教学[4]。这种教学模式比较适合在研究生教学中开展，但对于材料化学专业的本科生，源于以下几个方面的考虑，该方法就不太适合。1. 课程所涉及的概念、理论和方法要成熟，进展类的内容尽量少涉及;2. 《材料化学》仅安排了48学时，教学内容要重点要放在了基本概念、基本理论和基本方法上;3. 本科生对知识理解的广度和深度和研究生有一定的差距，过于复杂的理论和实验不利于其理解和吸收。基于以上几点考虑，在参考教材的选择上，我们针对不同内容采取了不同的方案。对于超分子化学，我们主要选择了国外的原版英文教材的译著，如化学工业出版社出版的国外优秀化学著作译丛《超分子化学》和北京大学出版社出版的《超分子化学-概念和展望》等。而对于纳米材料，我们主要选择的是在国内纳米材料领域的一些代表著作，如白春礼主编，四川教育出版社出版的《纳米科技-现在与未来》和施利毅主编的华东理工大学出版社出版的《纳米科技基础等》。同时，为了更加适应我们专业的教学，我们成立了材料化学编写小组，在参考了国内外大量书籍的基础上，自编了《材料化学》教材，更加方便了学生的学习和参考。

（二）教学内容

根据本科生知识结构的特点，结合我们课程自身的实际情况，我们在超分子化学和纳米材料授课内容的选择上重点放在了基本概念、基本理论和基本方法的讲解上。在超分子化学的教学内容上，我们主要讲解了超分子化学的相关概念、生命中的超分子化学与生物模拟、阳离子的络合、阴离子的键合、中性分子的络合以及自组装和模板等内容。在纳米材料部分，我们主要讲解纳米材料概述、纳米材料的化学制备方法、无机纳米材料、高分子纳米材料等。教学内容的选择上除了突出重点，突出基础外，更加注重章节间的联系和逻辑关系，提高了课程的系统性和关联性。具体来说，在超分子化学内容的选择上，我们沿着什么是超分子化学-超分子化学是怎么发展起来的-超分子化学和普通化学有什么异同-超分子化学为什么是一门重要的值得学习的课程这条主线。而在纳米材料内容的选择上，我们则沿着什么是纳米材料-纳米材料和体相材料相比具有哪些优异的性质-纳米材料具有独特性质的原因是什么-纳米材料的常规制备手段有哪些-常见的高分子纳米材料的制备方法-常见的无机纳米材料的制备方法这条主线。沿着这些主线，极大提高了课程章节之间的逻辑性、系统性以及内容的关联性，提高了学生的学习效率，增强了教学效果。同时为了增加学生的实验能力，我们还开设了48学时的《材料化学实验》课程，这在增强学生动手能力的同时，还可进一步提高学生对所学理论知识的理解。

三、教學方法探讨

（一）激发式教学

针对该专业学生读研和出国率较高的特点，在课堂上给他们简单规划科研成长的道路，告诉他们在科研的成长道路上选题的重要性，列举了近些年在超分子化学领域和纳米材料领域的重要研究成果和诺贝奖获得者，让学生深刻认识到学好超分子化学和纳米材料的相关知识，可以在今后他们的学术成长道路上帮助他们易出成果、多出成果，出好成果，从而激励学生发自内心去学习这两个方向的知识的热情。同时，鼓励学生多思考，多用自己而非书上的文字来发表自己的观点，并对他们进行启迪和鼓励，让学生在回答问题的过程中去思考，让其他学生对其观点进行评述和补充，从而调动他们的积极性、能动性和创造性，达到激发式教学的效果。

（二）归纳对比式教学

超分子化学和纳米材料教学内容点多面散，如何让学生能够在短暂的课堂上掌握这些教学内容中的基本概念和基本理论，学会用这些概念和理论分析和解决一些实验中遇到的问题，理解文献中报道的最新内容，是摆在任课教师面前一个十分现实的问题。为此，我们对这部分教学内容进行了归纳，同时将相近的内容进行了对比，这样不仅能够加深加快学生对教学内容的理解和掌握，还有利于学生学会思考，掌握分析问题的方法和技巧。例如，在超分子化学的教学上，我们就如何分析主客体之间键合的稳定性进行了归纳，得出如下分析和解决问题的技巧：1. 主体的空腔和客体在空间尺寸上越匹配，主客体间的键合越强;2. 主体的空腔和客体在形状上越类似，主客体间的键合越强;3. 主体和客体在电荷上要互补，相同条件下电荷密度越大，主客体结合越强;4. 相同条件下，主体的刚性越强，主客体间的结合力越强;5. 相同条件下，主体的预组织性越强，主客体间的结合力越强;6. 溶剂对主客体间的结合力影响很大，因此可利用亲疏水性增强主客体间的结合;7. 利用大环效应、大二环效应可放大键合位点间的弱相互作用，增强主客体间的键合;8. 主客体和溶剂间的溶剂化自由能越大，主客体间的键合能力越弱。另外，为了对比分子化学和超分子化学的不同，我们采用图像和表格两种方式对他们进行了详细的对比。其从结构和功能上形象地对比了超分子化学和分子化学之间的差异和联系，阐明了分子化学是合成新物质，而超分子化学是形成分子组装体。而表1则从结构单元、单元名称、结合力、结构实现方式、结构以及性能等多方面对分子化学和超分子化学进行了多层次的对比，这在加深学生的理解和掌握的同时，也方便学生记忆。

（三）化抽象为形象式教学

超分子化学中的弱相互作用力的种类很多，包括氢键、离子-偶极、偶极-偶极、阳离子-π、π-π堆积、范德华力以及疏水效应等。在主客体的结合过程中通过将这些弱的相互作用力放大，可形成稳定的主客体化合物，并且这些主客体化合物和主体与客体在适当的条件下可实现快速的转换。如果只是讲解这些抽象的理论，学生很容易困惑和迷茫。为了便于学生的理解，我们采取了化抽象为形象的教学方式。例如在讲解冠醚，我们将冠醚比作一顶可伸缩的带有几个魔术贴粘接点的简易柔性帽子，将碱金属阳离子比作不同的人的头。冠醚和阳离子络合时，就好比不同人选择不同帽子，只有帽子的尺寸和人头的大小匹配时，其戴在头上才会比较牢固和舒适，否则就容易脱落。而固定在冠醚环上的氧原子好比帽子上的魔术贴粘接点，只有帽子尺寸和头的大小比较合适时，这些粘接点才能同时和头部比较好的作用上，实现冠醚和阳离子的稳定络合。同时由于冠醚具有一定的柔性，就像有一顶伸缩性的帽子，其在尺寸不太匹配时，仍可通过帽子的伸缩不太舒服的戴在头上，具有一定的结合性，就像冠醚尺寸和碱金属离子不太匹配时，依然呈现出平台选择性相似。

四、结束语

本文针对郑州大学材料科学与工程学院现有的《材料化学》课程中超分子化学和纳米材料两部分的教学内容的特点、现状以及存在的问题，分析了教学改革的必要性，并从教材和教学内容的选择、教学方法的改进等方面进行了该门课程的教学与实践改革，取得了理想的教学效果。但是由于这门课程中涉及的教学内容庞杂，新的概念和理論不断完善和替代旧者，新的研究成果不断涌现，其和其它学科间的交叉也日益密切，因此课程的教学改革和实践必定是一个长期的过程。在随后的教学过程中，我们还需对《材料化学》课程在实践中不断地进行探索和总结，以使该课程的教学效果得到不断的完善和提高。

参考文献：

[1]刘东青，余金山，祖梅.《纳米材料》本科课程教学探讨[J].高教学刊，2017（11）：84-85.

[2]王学雷，周晓谦，洪晓东，等.《材料化学》课程设置与教学改革初探[J].广州化工，2018（46）：135-136.

[3]杜建周.以培养学生创新实践能力为导向的《纳米材料》课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2018（10）：125-126.

[4]陈晓欣，孙俊奇，王力彦.超分子化学课程建设与教学实践[J]. 化学教育，2018（39）：7-11.