关于本科生纳米概念教育的探讨

成汉文+王莉贤

摘 要 文章简要介绍了在本科生的理论与实践教学课程中通过引进纳米尺寸的概念对于本科学生从理论上理解仪器分析的定量分析给定物质大小的重要意义，结合教学科研工作中积累的纳米材料方面已有的经验，指出了如何在“中级仪器分析”（双语授课）课程中帮助学生真正建立明晰的纳米甚至原子概念，从而使得理论更好地指导实践。

关键词 理论与实践 纳米材料 教学改革

中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.10.027

Abstract The significance of introducing the nano-scale concepts into theory-practical course for our undergraduate learners understanding of instrumental analysis of a given substance and the quantitative analysis from the theory. Combined with the experience in nanomaterial and nanotechnology of our research group， we point out how to help students really establishing clear nano-scale concept in the “Instrumental Analysis Ⅱ” （bilingual instruction） courses， which will combine theory and practice better.

Keywords theory and practice； nanomaterial； reform in education

目前全国高校的本科生已有很多的理论结合实践课程，而就化学专业尤其是分析花絮专业的学生而言，仪器分析类课程是必修的理论结合实践的课程。不论是教学中还是毕业后走上就业岗位，很多学生面临着接触或从事仪器类尤其是对材料进行表征类仪器有关工作。

早在150年前，微米成为了新的精度标准，这样的技术给人类带来了巨大的发展，也奠定了世界工业化的基础。但是，随着人们对提高材料的性能、推动高新技术发展的需求不断增长，各类材料的制备技术和表征技术也在日新月异。自1861年胶体化学建立后，科学家们开始对小尺寸的粒子（1～100 nm）展开研究，由此引出了“纳米”这一新概念。纳米（nm），又称毫微米，是长度的度量单位，1纳米=10-9米。纳米颗粒一般也就是指直径在1～100 nm范围的粒子。能够对纳米颗粒的尺寸、形貌、结构和组成进行表征的仪器有光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）等等。①而今本科教学课程中所涉及的这些显微技术虽然在学生实验室中常见，但因缺乏纳米尺寸以及原子概念的教育，所以仍有很多学生在学习中接触到这样的尺度概念时理解不清晰，这也引发了许多教学工作者对这一现象的思考。②③④

1 在本科教学中引入纳米概念的必要性

在本科学习阶段，本科生是否有必要对纳米这样极小尺寸甚至原子理论这些抽象概念进行了解呢？其实很有必要。因为不论在何种材料中，其最小基本组成（原子或分子）的存在本身就是一个不容忽视的化学概念。即使是对头发这样已知并可见的物质，本科学生不一定能准确回答其尺寸大小是多少或者什么数量级。教学实验中的常见光学显微镜虽然可以用来检查物体的轮廓及细节，但只有当该物的尺寸比光的波长还要大，才能观察到该物质，而小到几个纳米甚至原子级别则无法达到可视化。

在《Instrumental Analysis Ⅱ》双语课程中有一章节将库伦分析法这样的电化学方法理论知识与纳米级别以下的原子数目建立了关联。原题是这样描述的：“A monolayer （single layer of atoms） of Cu on the crystal face shown in the margin has 1.53 x 1015 atoms/cm2 = 2.54 x 10-9 mol/cm2. Question： What current can deposit one layer of Cu atoms on 1 cm2 in 1 s？”这个题目在问：当电流和时间一定时，在面积为1cm2中能够沉积铜原子的数目（图1为“100”晶面排列的铜原子在1cm2的个数示意图）；或者一定数目的铜原子在一定的时间里能够沉积满一个单原子层/1cm2则需要的电流为多少？由于发现本科生对纳米以下的原子概念理解甚少，所以对这一量化计算显得茫然。为了培养我们的学生能够成功塑造完整的知识面和知识体系，达到学科不断发展的需要，教学人员决定在《Instrumental Analysis Ⅱ》这门课程中引进纳米以及原子尺寸的概念。

2 引入纳米概念的教育方式

如何在教学中能够引入抽象的纳米概念，又能激发本科生对此概念的兴趣，是成功展开这方面教育的一个重要开始。普遍理论与具体实践相结合的“理论联系实际”原则可以达到主观和客观、理论和实践、知和行的统一。那么关于纳米的尺寸虽然小之又小，但是从人们所熟悉的头发可以引起一个人们在日常生活中所熟知的最小尺寸概念。在课堂中，首先让本科生思考“细如发丝”的问题：头发到底有多细？直径大约在哪个数量级？这一问题的抛出，引起了学生们在课堂上的热闹讨论。结果有这样几种答案：0.1-0.01毫米、1-10个微米、10-100个微米。那么在《泰山医学院学报》上的《国人头发直径的调查》⑤中一文指出：“显微镜目镜测微尺对571人的4272根头发的直径进行了测量，发现其平均直径为84.01€？3.07微米。”答案揭晓后，学生们对微米概念显得饶有兴趣，并对人体眼睛的分辨率有了一定的了解。

此后，再次以学生们所熟悉的足球为例，让其讨论一个足球的大小，结果学生们很快就能给出正确答案：十几个厘米。当这个简单问题回答后，立即让其讨论我们和所有生物赖以生存的地球直径是多少。这样的例子对于本科生并不陌生，却又难以捉摸正确答案。在经过一段时间的思考后，课堂的本科生表现出强烈的求知欲望，希望能够获知答案。对于这一现象，教学者不是直接给出答案，而是将此问题上升为：如果将足球扩大上亿倍，将接近地球的尺寸，此时，本科生们对“一亿”这样的数量级有了一个模糊的概念。

实际上，一个地球的尺寸缩小一亿倍，接近一个足球的尺寸，而一个足球同样缩小一亿倍，将是一个纳米的尺寸。当这一概念在课堂上给出后，本科生们觉得震撼，深切感叹纳米尺寸的渺小同时体会到纳米尺寸的发现、发展的不易，以及对发明纳米尺寸表征技术的仪器创造者们表示由衷的敬佩。

3 对纳米概念的巩固

在理论联系实际的教学方式中介绍纳米尺寸后，进一步对原子概念进行阐述。纳米粒子也是由原子构成的。但一纳米相当于多少个原子的直径总和这一问题要结合元素周期表中具体原子的大小等因素来考虑，因为不同的原子大小不一。通过概念讲解前的提问引发本科生们的思考，再经过由大到小的尺寸数量级概念演变并结合生活中的实例，之后为了对新鲜知识的巩固，我们又设计了一些涉及到纳米及原子尺寸概念的问题。我们发现通过这些练习使得学生们对纳米尺寸和原子尺度概念的感知有了显著的改善。

4 结束语

总之，我们已经在《Instrumental Analysis Ⅱ》双语课程中引入纳米尺寸和原子尺寸，使得本科生对尺度概念有了新的认识，为日后的科研和工作奠定了一定的理论基础，学生们在本科教学中掌握了纳米尺寸和原子尺度的概念将会对其未来的探究性学习和实验活动有所帮助，同时也培养他们积极思考的好习惯。我们鼓励将本科生纳米概念教育的方式引入到教学中来。

注释

① 任庆云，王松涛，张大飞.纳米材料的结构表征方法[J].广州化工，2014.42（5）：34-35.

② 李明，张晓波，李洪俊，刘亲壮.《纳米材料》课程设计探讨[J].吉林师范大学学报，2011.3：145-147.

③ 王燕民，潘志东.本科生纳米技术的工程教育[J].化工高等教育，2010.6：12-15.

④ 雪梅.纳米材料科学与技术教学方法探索[J].教学研究，2013.12：86-87.

⑤ 曾昭训，秦庆亮.国人头发直径的调查[J].泰山医学院学报，1991.12（4）：370-372.