科研前沿对材料物理专业普通化学教学的促进作用

门学虎

摘  要：随着国内外科研的迅猛发展，与材料相关的前沿研究成果不胜枚举，而且通过媒体对科研信息的高效报道，本科生能够迅速接触比以往更多的科学概念。传统的教学内容及基本理论知识目前难以满足本科生的好奇心及学习兴趣，如何改变讲课方式及授课内容是目前教学领域广泛关注的热点问题。文章中，作者在多年科研工作基础上，结合教学经验，通过举例初步探讨目前热门的科研前沿对材料物理专业普通化学教学的促进作用。

关键词：科技前沿;普通化学;教学促进

中图分类号：G640 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）12-0121-04

Abstract： With the rapid development of scientific research in the world， the frontier research related to materials are too numerous to enumerate. Moreover， through efficient reporting of research information by the media， undergraduates can get more scie ntific con cepts rapidly than ever before. Traditional teaching content and basic theoretical knowledge are difficult to meet the curiosity and learning interest of undergraduates. Therefore， how to change the teaching method and content is a hot issue in the teaching do main at present. In this paper， on the basis of years of scientific research work， combined with teaching experience， the author preliminarily discusses the promotion effect of the current scientific research frontier on the general chemistry teaching to material physics majors through examples.

Keywords： research frontier; general chemistry; teaching promotion

普通化學是材料物理专业本科生的必修课程，主要是通过对化学动力学、化学反应、物质结构理论基础的基本规律与工程实际相关的重要元素和化合物、新技术、新材料等基本知识的学习，使学生了解近代化学的基本理论，并具备必要的与材料密切相关的化学基本知识。然而，如何引起学生高度的学习兴趣和主观能动性是普通化学教学所面临的共性问题。目前，由于国内外科技信息传播方式的高度发达，学生容易了解到一些热门的科技前沿报道。然而，从表象来看，普通化学的传统教学内容很难与这些新兴研究成果直接相关，也很难在授课过程中形成共鸣。因此，通过引入一些与教学内容相关的代表性科技前沿成果，对于调动学生学习的主动性和兴趣、增强学生基础知识理解力、培养学生科研素养、提高教学质量等都将具有积极的促进作用[1-3]。

一、科技前沿拓展绪论内容，提高学生专业自信与课程学习目标

作为普通化学课堂教学的第一课，绪论对于引导学生认识化学与材料专业的紧密关联性、激发学生的学习兴趣和热情具有重要作用。因此，如何设计绪论课的讲授内容，对于提高学生对本专业的学习和未来自身发展的自信，是非常必要的[4]。

首先，需要学生了解到，材料专业是一个交叉学科，涉及的专业领域几乎覆盖了目前大多数学科。作为一个具有很强工科背景的专业，材料的研究与应用领域涵盖了当前航空、航天、海洋、能源、信息、生物等高新技术领域。从石器时代人们就地取材的工具材料，到现代社会人类所研制出的金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料与新型功能化材料等发明创造，材料的发展历程在一定程度上可以说是和国民经济、国防建设和人民生活水平息息相关的。近些年来，材料和信息、能源等学科一样，已经被认为是人类生存、社会发展、科技进步的坚实基础，正在成为国家增强综合国力、提高国际竞争力的重要手段。其中，化学研究的进展与材料的发展史是密不可分的。因此，通过了解化学发展史中一些里程碑式的研究成果，尤其是最近几年极具代表性、热门的科技前沿成果，则有利于进一步加深学生理解化学知识在材料学习中的重要性。

通过新闻媒体，学生能够了解到，碳纤维材料由于其密度低、强度大、线膨胀系数小等特性使之在尖端装备制造等国防领域、汽车和医疗器械等工业领域、高尔夫球棒和自行车等体育休闲领域广受关注[5]。而且，国内外军用领域对碳纤维的需求一直很大，作为现代战略武器必不可少的新材料之一，可谓是战略性高性能材料。然而，碳纤维材料的这些优异性能与化学之间的专业问题是媒体报道较少的，若引导学生去进一步了解相关知识，很容易激发起学生的兴趣。我们以聚丙烯腈基碳纤维为例，碳纤维是外观为黑色的一维高强度材料，而作为主要原料的丙烯腈却是无色液体，两者是如何实现的“魔幻转变”将是学生们最为关注的重点。由此，我们通过视频与图片展示，针对性的阐述制备工艺中所涉及的单体聚合、聚丙烯腈原丝的制备、原丝预氧化和碳化等步骤，用相对简易的语言，以科普的方式讲述，将关键制备方法与化学反应机理紧密连接在一起。让学生初步了解高分子合成、反应速率、分子结构、规整度、石墨化等化学领域的基础知识点及其与材料宏观性能之间的对应关系，使他们初步了解到通过微观分子设计实现宏观物质性能的研究型基本思路。同时，也能够让学生们更为清晰地明白化学学科的具体方向划分以及与材料研究领域的相关性，从而促使大家在高中化学概念的基础上进一步扩大眼界，有豁然开朗的感觉。

另外，为了深层次激发学生的好奇心，可以引用一些更为“吸人眼球”的研究成果，例如比空气密度还小的气凝胶材料，将其放在蒲公英或狗尾巴草上，竟然压不弯纤细的绒毛，而这类材料在空间探测、阻燃隔热、储能、吸附、催化等应用领域具备巨大的潜力[6]。再例如，将喂养蚕的叶子包裹石墨烯等纳米材料作为饲料，通过蚕吐丝，可得到柔韧性更好的导电蚕丝材料[7]，其能够应用于目前较为“酷炫”的柔性可穿戴电子技术领域。常言道，“学贵刻苦、教贵善诱”，在教学中，我们期望通过这些特殊的例子，能够诱导并激发学生对前沿研究成果的兴趣和对相关基础化学知识的求知欲，并引导其科研兴趣和对学习的积极性。

二、科技前沿促进学生对化学反应基本原理的理解

目前国内普通化学教材版本较多，内容都很丰富，各有特色。其中，化学反应原理和物质结构两大部分基础知识是最为经典和通用的，也是普通化学课程都普遍选用的教学内容。其中化学反应原理包括化学热力学基础、化学动力学基础、电化学基础和化学平衡等几大部分基础专业知识，这些内容与高中阶段的化学知识有一定的联系，学生们都有初步印象。因此，在此阶段的学习中，学生们很容易产生轻视心理，并会感觉到内容枯燥，致使对授课内容似懂非懂，学习效果不佳。然而，与高中内容相比，大学普通化学知识体系的宽度和深度是有明显区别的，但仅仅从大篇幅的理论知识讲授的确是难以提高学生的学习兴趣和关注度。作者认为，结合一些前沿的研究成果，通过表观现象的认知和相关理论知识相结合，则可以促使并改善这一现状。以沉淀平衡为例，许多学生对此部分知识的印象大都停留在高中阶段的考试内容和一些初步的实验现象，但如何将此部分内容与实际材料的制备与功能化应用相联系，大多数学生脑海里一片空白，毫无概念可循。然而，恰恰是这种较为“无知”的状态能够促使他们的好奇心与求知欲。

我们以科研中常见的纳米材料制备方法为例，选取一些典型的、能够令人印象深刻的研究成果吸引学生，并辅助相关化学反应原理，从而加深其对相应课程知识的掌握和理解。例如利用水热、溶剂热、电化学沉积等化学方法制备不同形貌的铜基微纳米材料[8]，在制备过程中，可以通过调节反应物比例、温度、压力、电压等不同反应条件，能够形成立方体、空心球、多面体、纳米管、纳米笼、枝状等不同形貌的铜基微纳米晶体，并且不同相貌的微纳米晶体材料往往具有特殊的性能和对应的应用领域。通过扫描电镜照片，可以向学生展示这些不同化学反应条件可控制备的微纳米材料，很多类似于“花瓣”状的特殊微晶形貌往往令学生们惊讶不已，而且印象极为深刻。此时，再详细讲述相关的化学反应原理，能够进一步加深学生对酸碱平衡、沉淀平衡和电化学反应的理解，使他们明白，这些枯燥的理论知识在材料制备中有如此神奇的作用，任何匪夷所思的研究成果都是与这些基础理论知识息息相关的。甚至，有一些学生会产生马上想自己做实验的冲动，说明通过这些方法，学习积极性就能够逐渐调动起来。另外，通过进一步阐述所制备微晶材料的几何外形是由于材料内部不同晶格结构所决定的，使得学生们能够接触课程后续章节固体结构部分相关的初步概念，从而能够在一定程度上激发学生对未知新知识的期盼和热情。

三、研究前沿加强学生对物质结构基础知识的掌握

教学课程的物质结构部分主要包括了原子结构、分子结构、晶体结构和配合物结构等经典基础概念和原理。对于大多数学生来讲，物质结构部分中的概念几乎是全新和陌生的，而且有些知识点理解起来会比较晦涩。传统教学中，一般会采用模型教具进行描述，更先进一点的方法是利用软件模拟、多样化地讲述各种结构模型。但对于初次接触普通化学的本科生来讲，这些理论模型都很抽象，较难理解，很容易感到乏味，从而影响了对基础概念的掌握，学习热情也会减弱。所以，我们可以将这些学生认为“虚”的概念与“实”的材料研究成果联系在一起，促使他们更加明白，这些所谓枯燥的书本知识是材料制备实验设计的思路源泉，也是解释实验现象的主要依据。

例如，我们通过在课堂中引入近年来受到廣泛关注的低表面能材料，利用最新颖的光滑表面斥液材料研究成果[9]，向学生们讲述多种不同液体在表面粗糙度只有几个纳米的光滑表面上是如何达到低角度滑动，而且具备透明、防污、抗菌、自清洁、防结冰等多种功能。其中，可以讲述光滑表面的制备过程吸引学生的注意力，引起兴趣，再通过阐述材料表面的不同链长的烷烃基团结构和测试液体的分子结构，结合课堂教学内容的分子间作用力、极性、非极性等基础知识，可以使学生明白，在分子尺度下，分子的微观运动能够带来宏观上所观测到实验现象，不同的分子结构能够调节最终材料的特殊功能化性能。

我们还可以利用新型碳材料石墨炔研究为引子[10]，来详细描述碳家族中钻石、石墨、富勒烯、碳纳米管与石墨烯等主要材料分子构型和晶体结构之间的区别，并结合相应碳材料的宏观、微观形貌和相应的原子组成、共价键杂化方式和分子间作用力等化学知识，将相关课堂基础概念串联在一起，使得学生不会感觉所学理论知识碎片化，能够深入体会到从原子结构到晶体结构不仅仅是理论上的衔接，更是有大量实验数据和研究成果作为坚实支撑的。同时，学生们也能够理解到，科研前沿的“明星材料”，例如石墨烯和石墨炔，也和日常生活中耳熟能详的钻石和炭黑等物品在化学上具有紧密的关系，使他们进一步感觉到，科研其实就在身边，不是那么遥不可及和神秘莫测，并期望能够初步培养学生的科研素养，让他们能够了解如何从所学知识来分析和判断日常所接触到的材料的基本结构和性能。

另外，在学生们学习配位结构部分时，近年来方兴未艾的金属有机框架材料（MoFs）研究也是非常好的例子，这类材料目前在气体吸附和分离、催化等领域都有很好的应用前景[11]。MoFs材料是以金属离子为中心、有机物为配体的络合物骨架材料，通过合理选择金属离子和有机配体可以调节其分子结构和功能。将最新的MoFs材料研究成果展现给学生，不仅可以丰富教材中配合物部分的基础内容，使学生更加清楚地了解配合物的主要结构特点和形成方式，也可以通过讲述MoFs的多种化学制备方法，从而将教材前面章节中的化学平衡内容再引入进来，能够让学生们更系统地理解化学知识结构。与此同时，目前更热门的共价有机框架（CoFs）材料的一些研究成果也可以用来与MoFs材料进行对比性介绍，使学生能够站在化学材料的角度，更加明确地了解到共价键和配位键之间的关联性和区别，并对于分子结构和晶体结构的联系也能有深层次的了解，同时，也能够进一步开阔他们的视野，从而达到提升他们对化学基础知识学习兴趣的目的，并加强学生对基础理论在科研中重要性的理解。

四、加强科技前沿在教学中的思政作用，提高学生的爱国热情与科研动力

在普通化学课堂讲授专业知识的同时，围绕“立德树人”对学生进行思想政治教育是非常重要的[12]。在教学中，我们引入我国在航空航天科技、高铁、工程桥梁建设、造船技术、5G通讯发展等科研技术领域取得的世人瞩目的前沿研究成果，向学生们讲述与这些科技前沿相关的高分子材料、金属材料、无机非金属材料和复合材料。再选取一些具有代表性、最新的材料研究成果，结合相关的化学反应和制备原理，进一步阐述化学材料在我国重大研究发展领域中不可替代的关键作用，从而激发学生们的民族自豪感和专业自信心。更需要学生们明白，建国初期我国老一辈科学家们的艰苦奋斗奠定了科研基础，当代科学家们努力创新，引领我国的科研事业进入世界前沿。但我们更要知道，在一些尖端科技领域，我们依然和科技发达国家存在差距，因此，新时代年轻在校大学生是我国科研事业的继承者，也是我国科研未来的中坚力量和新领域的开拓者，任重道远，更应该充满科研激情、自信和动力。另外，还需要学生们明白，科技在不断进步，材料专业研究的分工也在逐渐细化，想成为一名合格的新时代科研人员，必须具备求真务实的研究精神、敢于担当完成难题的勇气和团结协作的集体意识。我们坚信，思政教育在教学中的融入和加强，不但能够提高学生的爱国热情与科研动力，也能够对学生未来的就业发展方向起到指导作用。

五、结束语

在普通化学课程讲授中融入科技前沿研究成果，可以活跃课堂气氛、开拓学生的视野、建立专业自信心、提高学生们的学习兴趣和主动性，从而达到促进材料物理专业学生对基础化学知识的掌握。当然，通过这些科技前沿的辅助教学，想让学生完全深入地明白所有化学基础知识是不现实的。更需要学生们理解的是，科研是一个长期的过程，材料学科和化学学科一样，是一个理论学习与实验研究相辅相成的探索过程，理论和实验技术都在不断发展更新，任何概念和基础理论都有一定的时代烙印和局限性。并且，科技前沿也能显示出一个国家科技发展的发达程度，强大的科技力量是我们国家繁荣昌盛的主要支柱之一。因此，更需要激发学生们的爱国情怀和科研动力，期望更多具有科研热情的年轻学生们能够投入到我国的科学研究中来。另外，为了提高教学效果，多样化的教学方式及多媒体演示的及时更新是非常必要的。通过前沿成果的引入，我们教师也能够在讲授过程中不断更新教学内容，对自身的科研能力也有一定的提升作用。

参考文献：

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