摘要：材料化学是材料类、化学类和化工类专业的基础课程。本文针对材料化学在传统教学中存在的理论性强、内容难度大、学生参与度低、科研反哺教学资源有限等问题，提出互动式“科教相融”的教学方法，以“金属有机骨架材料”一节内容为例，介绍了常用于水处理领域的金属有机骨架材料的种类和应用机制等，激励学生选择自己感兴趣的应用领域，自主调研相关领域的主流材料和应用机制，以课程论文或幻灯片演示文件等形式呈现。该互动式教学方法不仅能让学生快速地掌握相关基础知识，而且还能激发学生的科研兴趣，推进新工科人才培养的高质量发展。
关键词：材料化学；金属有机骨架；教学内容；课程体系
中图分类号： G642;TB30-4  文献标识码：A
 材料化学是研究材料的制备、组成、结构、性能及其应用等的科学，是材料类和化学、化工类专业等学科领域中重要的一门课程^[1]。该课程涉及材料种类多，结构复杂，传统的教学方式以教师讲授课程内容为主，难以充分调动学生的学习积极性，从而影响教学效果。
 材料化学的主要课程内容包括绪论、材料的化学基础、材料的结构与性能、材料的制备、复合材料、纳米材料、新能源材料和其他功能材料等八个部分（图1）。前四部分内容涉及结构化学等理论基础知识，学生学起来容易感到枯燥，自主学习积极性不高，后四部分可与相关实际应用相结合，穿插前四部分内容。授课老师将相关研究前沿，涉及的交叉学科内容等引入课堂内容中，充分体现课程内容的深度和广度等，让学生对课程内容感兴趣，体会到这门课程的创新性和高阶性等，进而让学生产生自发性学习的动力。
 
图1 金属有机骨架材料与材料化学课程内容的内在联系
本文以“金属有机骨架材料”课程内容为例，详细介绍了常用于水处理领域的金属有机骨架材料的种类和应用机制等。在水处理领域中，金属有机骨架（MOF）材料自身可作为吸附剂对污染物进行物理吸附分离。MOF及其复合物，MOF衍生的金属、金属氧化物、金属硫化物和多孔碳等材料均可以作为催化剂，活化H₂O₂或过硫酸盐等强氧化剂，实现对有机污染物的高效降解。
一、新课导入
结合我国2030年碳达峰、2060年碳中和的双碳目标，以及氢能产业发展等背景视频和图片，导入MOF材料的定义和常见应用。MOF是一类由金属离子和有机配体通过自组装形成的具有周期性结构的多孔材料，常采用溶剂热、电化学、微波辅助、机械化学和超声化学法等来合成^[2]。目前，已报道合成了超过20000种具有不同结构的MOF，因其具有高孔隙率、大比表面积、结构多样、孔结构和功能性能可调等优点，MOF及其相关材料已被广泛应用于传感、气体储存、催化和环境修复等多个领域^[3]。教师通过提出相关问题，如“MOF材料的主要研究内容是什么？什么样的MOF材料才能实现在特定领域的应用？”引发学生好奇心，并引导学生思考，MOF材料在特定研究领域中的合成、结构、性能和应用的内在关联等（图2）。
 
图2 金属有机骨架材料的主要研究内容
二、内容讲解
1.  MOF材料
以水处理应用为例，MOF材料可以通过静电作用、π-π相互作用、氢键、范德华力和配位作用等吸附废水中的污染物，也可以直接作为催化剂，用于有机污染物的降解^[4,5]。例如，Tang等人^[5]合成了一种具有配位不饱和位点的铁基MOF催化剂（CUS-MIL-100Fe），由于配位不饱和金属位点的引入、大的比表面积以及Fe²⁺和Fe³⁺混价金属的存在等，使得该催化剂具有良好的芬顿活性，在3小时内对磺胺甲嘧啶（SMT）的降解效率接近100%（图3）。
 
图3 MOF材料实例的授课内容示意图^[5]
2.MOF复合材料
将MOF材料与其他具有特殊功能的材料进行复合，如碳基材料或者铁基磁性材料等，得到相应的MOF复合材料，可提升其降解性能和稳定性等^[6,7]。例如，Xie等人制备了双功能阴极rGO/MIL-88A/CF，可实现H₂O₂的原位生成和活化，其电芬顿降解性能是CF阴极的13倍（图4）^[6]。rGO的引入能改善电极的导电性，有效地促进铁循环，提高有机污染物的降解效果。
 
图4 MOF复合材料实例的授课内容示意图^[6]
3.MOF衍生材料
大多数MOF及其复合材料作为芬顿催化剂时，存在导电性差、结构不稳定和与溶液难分离等问题，易造成二次污染等。通过对MOF进行高温煅烧，获得相应的MOF衍生物，不仅可以延续MOF的高分散性和高孔隙率的优点，而且还能因碳包覆结构而提高相应的导电性和稳定性等^[8,9]。例如，Xia等人对ZIF-8进行表面活性剂配位修饰后再高温煅烧，合成了FeN₄锚定在N掺杂多孔碳基质上的铁单原子催化剂（Fe-SAC/NC）^[8]。该催化剂具有丰富而稳定的FeN₄位点，在活化H₂O₂生成∙OH中占主导地位，其电芬顿性能明显优于不含表面活性剂的铁纳米颗粒（Fe-NP/NC），在90 min内完全降解2,4-二氯苯酚（图5）。
 
图5 MOF衍生材料实例的授课内容示意图^[8] 
综上所述，通过调控MOF、MOF复合材料和MOF衍生材料形貌和组成，均可获得具有高降解活性的催化剂。研究者们仍在开发具有更优异降解性能且稳定的催化剂，以期实现它们在实际水处理中的高效应用。
三、互动讨论
根据本节课学习的MOF基水处理材料的主要内容，将学生分为三组，每组学生负责一个主题（如MOF、MOF复合和MOF衍生材料），以小组为单位，每组成员分工合作，总结各自主题材料的结构特征、合成或制备过程、性能与应用等。约15分钟后，每组派一名代表进行相关主题总结的汇报，由授课老师点评和补充等。
接下来，是课后活动与拓展延伸，学生寻找本组感兴趣的材料或者研究领域，调研相关文献，结合科研前沿，总结相关的材料分类、制备方法和应用机制等，以幻灯片演示文件呈现，学生陈述，对所有积极参与的学生予以表扬。
 结语
本文针对“金属有机骨架材料”课程内容，以应用于水处理的MOF基材料种类及其作用机理为例，介绍了从新课导入、课程内容到互动讨论的一节课的教学流程与细节等。接下来，学生以此为例，发散思维，寻找新的材料或者研究领域，并进行相关文献调研和总结。该“互动式”“科教相融”的教学方法能让学生在快速掌握相关基础知识的同时，还能调动学生学习的自主性，激发其科研兴趣，进而提高相应的教学效果，促进新工科背景下人才培养的高质量内涵发展。