關于本科生納米概念教育的探討

成漢文+王莉賢

摘 要 文章簡要介紹了在本科生的理論與實踐教學課程中通過引進納米尺寸的概念對于本科學生從理論上理解儀器分析的定量分析給定物質大小的重要意義，結合教學科研工作中積累的納米材料方面已有的經驗，指出了如何在“中級儀器分析”（雙語授課）課程中幫助學生真正建立明晰的納米甚至原子概念，從而使得理論更好地指導實踐。

關鍵詞 理論與實踐 納米材料 教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：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

目前全國高校的本科生已有很多的理論結合實踐課程，而就化學專業尤其是分析花絮專業的學生而言，儀器分析類課程是必修的理論結合實踐的課程。不論是教學中還是畢業后走上就業崗位，很多學生面臨著接觸或從事儀器類尤其是對材料進行表征類儀器有關工作。

早在150年前，微米成為了新的精度標準，這樣的技術給人類帶來了巨大的發展，也奠定了世界工業化的基礎。但是，隨著人們對提高材料的性能、推動高新技術發展的需求不斷增長，各類材料的制備技術和表征技術也在日新月異。自1861年膠體化學建立后，科學家們開始對小尺寸的粒子（1～100 nm）展開研究，由此引出了“納米”這一新概念。納米（nm），又稱毫微米，是長度的度量單位，1納米=10-9米。納米顆粒一般也就是指直徑在1～100 nm范圍的粒子。能夠對納米顆粒的尺寸、形貌、結構和組成進行表征的儀器有光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡（TEM）、高分辨透射電子顯微鏡（HR-TEM）等等。①而今本科教學課程中所涉及的這些顯微技術雖然在學生實驗室中常見，但因缺乏納米尺寸以及原子概念的教育，所以仍有很多學生在學習中接觸到這樣的尺度概念時理解不清晰，這也引發了許多教學工作者對這一現象的思考。②③④

1 在本科教學中引入納米概念的必要性

在本科學習階段，本科生是否有必要對納米這樣極小尺寸甚至原子理論這些抽象概念進行了解呢？其實很有必要。因為不論在何種材料中，其最小基本組成（原子或分子）的存在本身就是一個不容忽視的化學概念。即使是對頭發這樣已知并可見的物質，本科學生不一定能準確回答其尺寸大小是多少或者什么數量級。教學實驗中的常見光學顯微鏡雖然可以用來檢查物體的輪廓及細節，但只有當該物的尺寸比光的波長還要大，才能觀察到該物質，而小到幾個納米甚至原子級別則無法達到可視化。

在《Instrumental Analysis Ⅱ》雙語課程中有一章節將庫倫分析法這樣的電化學方法理論知識與納米級別以下的原子數目建立了關聯。原題是這樣描述的：“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？”這個題目在問：當電流和時間一定時，在面積為1cm2中能夠沉積銅原子的數目（圖1為“100”晶面排列的銅原子在1cm2的個數示意圖）；或者一定數目的銅原子在一定的時間里能夠沉積滿一個單原子層/1cm2則需要的電流為多少？由于發現本科生對納米以下的原子概念理解甚少，所以對這一量化計算顯得茫然。為了培養我們的學生能夠成功塑造完整的知識面和知識體系，達到學科不斷發展的需要，教學人員決定在《Instrumental Analysis Ⅱ》這門課程中引進納米以及原子尺寸的概念。

2 引入納米概念的教育方式

如何在教學中能夠引入抽象的納米概念，又能激發本科生對此概念的興趣，是成功展開這方面教育的一個重要開始。普遍理論與具體實踐相結合的“理論聯系實際”原則可以達到主觀和客觀、理論和實踐、知和行的統一。那么關于納米的尺寸雖然小之又小，但是從人們所熟悉的頭發可以引起一個人們在日常生活中所熟知的最小尺寸概念。在課堂中，首先讓本科生思考“細如發絲”的問題：頭發到底有多細？直徑大約在哪個數量級？這一問題的拋出，引起了學生們在課堂上的熱鬧討論。結果有這樣幾種答案：0.1-0.01毫米、1-10個微米、10-100個微米。那么在《泰山醫學院學報》上的《國人頭發直徑的調查》⑤中一文指出：“顯微鏡目鏡測微尺對571人的4272根頭發的直徑進行了測量，發現其平均直徑為84.01€？3.07微米。”答案揭曉后，學生們對微米概念顯得饒有興趣，并對人體眼睛的分辨率有了一定的了解。

此后，再次以學生們所熟悉的足球為例，讓其討論一個足球的大小，結果學生們很快就能給出正確答案：十幾個厘米。當這個簡單問題回答后，立即讓其討論我們和所有生物賴以生存的地球直徑是多少。這樣的例子對于本科生并不陌生，卻又難以捉摸正確答案。在經過一段時間的思考后，課堂的本科生表現出強烈的求知欲望，希望能夠獲知答案。對于這一現象，教學者不是直接給出答案，而是將此問題上升為：如果將足球擴大上億倍，將接近地球的尺寸，此時，本科生們對“一億”這樣的數量級有了一個模糊的概念。

實際上，一個地球的尺寸縮小一億倍，接近一個足球的尺寸，而一個足球同樣縮小一億倍，將是一個納米的尺寸。當這一概念在課堂上給出后，本科生們覺得震撼，深切感嘆納米尺寸的渺小同時體會到納米尺寸的發現、發展的不易，以及對發明納米尺寸表征技術的儀器創造者們表示由衷的敬佩。

3 對納米概念的鞏固

在理論聯系實際的教學方式中介紹納米尺寸后，進一步對原子概念進行闡述。納米粒子也是由原子構成的。但一納米相當于多少個原子的直徑總和這一問題要結合元素周期表中具體原子的大小等因素來考慮，因為不同的原子大小不一。通過概念講解前的提問引發本科生們的思考，再經過由大到小的尺寸數量級概念演變并結合生活中的實例，之后為了對新鮮知識的鞏固，我們又設計了一些涉及到納米及原子尺寸概念的問題。我們發現通過這些練習使得學生們對納米尺寸和原子尺度概念的感知有了顯著的改善。

4 結束語

總之，我們已經在《Instrumental Analysis Ⅱ》雙語課程中引入納米尺寸和原子尺寸，使得本科生對尺度概念有了新的認識，為日后的科研和工作奠定了一定的理論基礎，學生們在本科教學中掌握了納米尺寸和原子尺度的概念將會對其未來的探究性學習和實驗活動有所幫助，同時也培養他們積極思考的好習慣。我們鼓勵將本科生納米概念教育的方式引入到教學中來。

注釋

① 任慶云，王松濤，張大飛.納米材料的結構表征方法[J].廣州化工，2014.42（5）：34-35.

② 李明，張曉波，李洪俊，劉親壯.《納米材料》課程設計探討[J].吉林師范大學學報，2011.3：145-147.

③ 王燕民，潘志東.本科生納米技術的工程教育[J].化工高等教育，2010.6：12-15.

④ 雪梅.納米材料科學與技術教學方法探索[J].教學研究，2013.12：86-87.

⑤ 曾昭訓，秦慶亮.國人頭發直徑的調查[J].泰山醫學院學報，1991.12（4）：370-372.