吳靜　劉煊赫　孫兵

摘 ?要：物理化學(xué)作為一門基礎(chǔ)化學(xué)課程，在眾多高校設(shè)置、面向眾多新工科專業(yè)開設(shè)。在當(dāng)今新工科建設(shè)的背景下，作為受眾較多的一門課程，物理化學(xué)需在教學(xué)各方面做出積極改革，從而滿足新工科人才培養(yǎng)的需要。文章中，作者提出從篩選教學(xué)內(nèi)容、變換教學(xué)形式、挖掘思政元素和利用綜合課題四個(gè)方面去構(gòu)建契合新工科專業(yè)的物理化學(xué)課程，以便在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、創(chuàng)新意識、人文意識和跨界整合意識，有助于實(shí)現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué);新工科;人才培養(yǎng)

中圖分類號：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）04-0001-05

Abstract： Physical Chemistry is a chemical foundation course set for students in many universities and new engineering specialties. Based on the development trend of new engineering construction， it is necessary to actively reform physical chemistry course which is set for many students in order to meet the requirements of personnel training goal of new engineering education. In this paper， we propose selecting teaching contents， changing teaching methods， excavating ideological and political education elements and utilizing comprehensive programs to construct suitable physical chemistry course for new engineering specialties in order to cultivate students equipped with engineering， innovation， humanity and culture and crossover integration awareness contributing to realize personnel training goal of new engineering education.

Keywords： Physical Chemistry; new engineering; talent cultivation

當(dāng)今世界興起了新的一輪產(chǎn)業(yè)革命和科技革命，全球經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，由此對工程教育的發(fā)展和改革提出了新挑戰(zhàn)，新工科建設(shè)是針對這一挑戰(zhàn)而作出的積極回應(yīng)[1]?！靶鹿た啤敝械摹肮た啤笔侵腹こ虒W(xué)科，“新”是指新興、新型和新生。“新興的工程學(xué)科”是以新能源、新材料、人工智能為代表，指的是新生的、從未建立的新學(xué)科，主要是指針對新產(chǎn)業(yè)和新技術(shù)的未來發(fā)展趨勢，從非工科學(xué)科中孕育、開拓和外延而來的學(xué)科。“新型的工程學(xué)科”是以機(jī)械、土木、化工為代表，指的是由于互聯(lián)網(wǎng)和人工智能對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的顛覆性影響，需要對傳統(tǒng)的、已有的學(xué)科進(jìn)行轉(zhuǎn)型、改造和升級，拓展其內(nèi)涵、轉(zhuǎn)變或提高培養(yǎng)目標(biāo)、改革和創(chuàng)新培養(yǎng)模式，由此而形成的新學(xué)科?！靶律墓こ虒W(xué)科”是以工程管理、智能醫(yī)學(xué)工程、光電信息科學(xué)與工程為代表，指的是多種學(xué)科交融而誕生的新學(xué)科，包括多種工程學(xué)科內(nèi)部的有機(jī)復(fù)合、工程學(xué)科與非工程學(xué)科的滲透融合。

開展新工科的研究與實(shí)踐活動(dòng)是目前新工科建設(shè)的主線，專業(yè)建設(shè)是其表現(xiàn)形式，培養(yǎng)勇于創(chuàng)新、擅長自然之道的偉大工程師是其目標(biāo)[2，3]。筆者所在的是一所以地學(xué)為特色的高校，涵蓋的新工科專業(yè)是以新興和新型工科專業(yè)為主，例如：能源、材料、信息工程、水資源與環(huán)境、土地資源與工程等，新工科建設(shè)的主要任務(wù)是對已有專業(yè)進(jìn)行升級改造、轉(zhuǎn)型發(fā)展機(jī)制、拓展專業(yè)內(nèi)涵、創(chuàng)新培養(yǎng)模式和提高培養(yǎng)目標(biāo)。物理化學(xué)作為一門重要的基礎(chǔ)理論課程，面向?qū)W校幾乎所有的工科專業(yè)開設(shè)，通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能借助物理學(xué)、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的理論及實(shí)驗(yàn)手段，來研究化學(xué)現(xiàn)象和物理現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系，了解物理及化學(xué)過程中的能量變化規(guī)律，從而找出化學(xué)運(yùn)動(dòng)中最具有普遍性的基本規(guī)律。學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)知識可以為解決在生產(chǎn)、生活實(shí)踐和科研實(shí)驗(yàn)中遇到的實(shí)際問題提供理論基礎(chǔ)[4-6]。新工科建設(shè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)專業(yè)型、創(chuàng)新型、綜合型和高素質(zhì)人才[1]。以新工科的建設(shè)為背景，積極探索適合新工科專業(yè)的物理化學(xué)教學(xué)方式，對培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、專業(yè)意識和增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際操作能力顯得尤為重要，也符合新工科建設(shè)的目標(biāo)[7]。筆者結(jié)合多年物理化學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出從篩選教學(xué)內(nèi)容、變換教學(xué)形式、挖掘思政元素和利用綜合課題的角度，去培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、創(chuàng)新意識、人文意識和跨界整合意識，以期望構(gòu)建出契合新工科專業(yè)建設(shè)需要的物理化學(xué)課程，實(shí)現(xiàn)新工科建設(shè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)（圖1）。

一、篩選教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識

物理化學(xué)課程內(nèi)容的特點(diǎn)是理論枯燥抽象、公式推導(dǎo)繁瑣、公式的適用條件多，學(xué)生難以理解掌握，所以，首先，教師要吃透教材，全面掌控整個(gè)教學(xué)內(nèi)容，對不同專業(yè)的學(xué)生側(cè)重點(diǎn)有所不同，才能真正做到契合學(xué)生專業(yè)，提高課堂教學(xué)效果。例如，熱力學(xué)第一定律和第二定律的研究對象主要是處于平衡態(tài)的密閉系統(tǒng)，而實(shí)際上，工科專業(yè)的學(xué)生面對的一般都是非平衡的敞開體系，因此，學(xué)生會(huì)感覺所學(xué)難以致用。而且，熱力學(xué)三大定律在《大學(xué)化學(xué)》《大學(xué)物理》等課程中也會(huì)學(xué)習(xí)，會(huì)讓學(xué)生覺得缺乏新鮮感，久而久之，學(xué)習(xí)積極性自然不高。針對該問題，教師就可以適當(dāng)減少該部分經(jīng)典內(nèi)容的講解，而將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至如何利用從這些定律衍生的判據(jù)來判斷反應(yīng)的方向和限度，或者在教學(xué)中，有意識地引入一些非平衡態(tài)熱力學(xué)的內(nèi)容。例如，面向醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生講授時(shí)，就可以將人體作為一個(gè)非平衡態(tài)系統(tǒng)，健康狀態(tài)是這個(gè)非平衡態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，疾病狀態(tài)則是打破了這種穩(wěn)態(tài)[8]。土地資源與工程專業(yè)的學(xué)生則可以將土壤視為一個(gè)敞開體系，有機(jī)物和離子在其中的遷移就是一個(gè)非平衡過程。能源專業(yè)的學(xué)生則可將選礦過程視為一個(gè)非平衡過程[9]。

由于工科專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)不同于理科專業(yè)，因此，面向這些專業(yè)開設(shè)的物理化學(xué)課程不能簡單地照搬物理化學(xué)教材上的理論內(nèi)容，有必要精簡其理論性而增加其實(shí)用性[10]。例如，面向醫(yī)藥工程專業(yè)的學(xué)生講解相圖中的簡單低共熔混合物的相圖時(shí)，可以舉例制藥時(shí)如將原料藥與載體以低共熔點(diǎn)的比例混合，所制備的藥物結(jié)構(gòu)是均勻分散的，在體內(nèi)的溶出速度就會(huì)顯著改善，增大生物利用率[11]。在講解簡單級數(shù)反應(yīng)時(shí)，又可引導(dǎo)醫(yī)藥工程專業(yè)的學(xué)生利用該部分知識如何來計(jì)算藥物的有效期。只有挑選與學(xué)生專業(yè)相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容才會(huì)引起學(xué)生興趣，學(xué)生在解決具體工程問題時(shí)，可以借助于所學(xué)的物理化學(xué)知識提煉出恰當(dāng)?shù)目茖W(xué)模型，并對其進(jìn)行專業(yè)分析，進(jìn)而提出專業(yè)性的解決思路，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的同時(shí)培養(yǎng)了其工程意識。

二、變換教學(xué)形式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識

物理化學(xué)課程由眾多知識點(diǎn)構(gòu)成，在科學(xué)篩選教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，需要合理采用多種教學(xué)方法，才能進(jìn)一步提高教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)有效教學(xué)，學(xué)生在熟練掌握課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，才有可能實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。

（一）創(chuàng)設(shè)情境法

真實(shí)的經(jīng)驗(yàn)情境是教學(xué)過程的第一要素[12]。在課堂教學(xué)過程中，創(chuàng)設(shè)與學(xué)生專業(yè)相關(guān)的情境，一方面可以提高他們的學(xué)習(xí)熱情，達(dá)到最佳學(xué)習(xí)狀態(tài);另一方面，可以幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，并引導(dǎo)他們尋找解決問題的方法，培養(yǎng)創(chuàng)新思維[13]。例如，面向食品工程專業(yè)的學(xué)生講解復(fù)雜反應(yīng)這一章節(jié)時(shí)，可以著重講解油脂催化加氫在食品方面的應(yīng)用：可以改變油脂的性質(zhì)與味道，從而改善食品的品質(zhì)和風(fēng)味。面向能源專業(yè)的學(xué)生講解多組分系統(tǒng)相關(guān)知識的時(shí)候，可以著重講解如何用該部分知識描述由各種氣體組成的天然氣，在講解表面現(xiàn)象的相關(guān)知識的時(shí)候，又可著重講解界面現(xiàn)象、表面吸附等知識點(diǎn)在天然氣傳輸管道中的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生思考如何實(shí)現(xiàn)天然氣的減阻傳輸。

（二）啟發(fā)式教學(xué)法

物理化學(xué)中的抽象內(nèi)容適合采用啟發(fā)式教學(xué)法，教師就課程內(nèi)容提出一個(gè)學(xué)生感興趣的問題，啟發(fā)他們進(jìn)行積極思考，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。例如，在講解“表面張力”的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，可以提問學(xué)生：如圖2，在毛細(xì)管中，分別有一段凸液柱和凹液柱，在毛細(xì)管右側(cè)加熱時(shí)，液柱怎樣移動(dòng)？在講解完附加壓力后，學(xué)生就會(huì)思考加熱后，右側(cè)液面的表面張力降低，附加壓力減小，但是凸、凹液面的附件壓力方向不同，因此，凸液面向右移動(dòng)而凹液面向左移動(dòng)。同樣，在講解這一章節(jié)時(shí)，還可以提問學(xué)生：在日常生活中，毛刷在干燥時(shí)是蓬松的，而浸水后會(huì)變軟并粘連在一起，為什么？這個(gè)看似簡單的問題，同樣要用表面張力的知識來解釋。毛刷被水潤濕后，在刷毛之間會(huì)形成水膜，這層水膜會(huì)傾向于減小自己的表面積，以降低表面能，因此，刷毛就會(huì)粘連在一起。

（三）案例教學(xué)法

利用案例進(jìn)行教學(xué)有利于學(xué)生學(xué)以致用，受案例啟發(fā)則可以迸發(fā)創(chuàng)新思維的火花。案例一：在講解節(jié)流膨脹相關(guān)知識時(shí)，可引用案例：高壓氧氣瓶打開閥門放氣時(shí)，一段時(shí)間后，閥門變冷，閥門及其附近的管道表面會(huì)有液滴，甚至掛霜，這就是由于氧氣從閥門放出時(shí)，相當(dāng)于經(jīng)過一個(gè)節(jié)流膨脹的過程，而氧氣的焦-湯系數(shù)大于零，因此，經(jīng)節(jié)流膨脹后，溫度降低。案例二：在講解溶液的依數(shù)性時(shí)，可引用案例：在寒冷氣候下，運(yùn)輸原油時(shí)為防止原油凝固，可以在原油中加入降凝劑，以降低原油的凝固點(diǎn)，防止凍結(jié)。案例三：在講解電化學(xué)相關(guān)知識時(shí)，可引用案例：油氣運(yùn)輸管道表面的銹跡，可用電化學(xué)知識理解金屬的腐蝕過程，以及如何來防腐。

（四）歸納式教學(xué)法

物理化學(xué)的知識點(diǎn)雜、章節(jié)較多，學(xué)生難以找到各章節(jié)知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，為了幫助學(xué)生理解知識點(diǎn)并找到其中的聯(lián)系，在教學(xué)過程中可以采用歸納式教學(xué)法，用示意圖來進(jìn)行歸納總結(jié)。例如，在講解電化學(xué)伊始，可用圖3將電化學(xué)與熱化學(xué)、電能與熱能聯(lián)系起來，學(xué)生容易找到兩者之間的關(guān)系，還可區(qū)分原電池和電解池，便于新知識的學(xué)習(xí)。在講解完二組分系統(tǒng)相圖后，可用圖4進(jìn)行總結(jié)，學(xué)生可以一目了然地看出液-液二組分系統(tǒng)和固-液二組分系統(tǒng)相圖分為哪幾類、各有什么特點(diǎn)，不至于混淆各種類型的相圖。歸納總結(jié)法可以厘清思路，找到知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，融會(huì)貫通后才可能創(chuàng)新。

在面向新工科專業(yè)的物理化學(xué)課程教學(xué)中，還可使用數(shù)學(xué)演繹法、習(xí)題講解法、自主學(xué)習(xí)法等，多種教學(xué)方法靈活使用以促進(jìn)教學(xué)效果的提高、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

三、挖掘思政元素，培養(yǎng)學(xué)生的人文意識

2017年在復(fù)旦大學(xué)達(dá)成的有關(guān)新工科建設(shè)的“復(fù)旦共識”中強(qiáng)調(diào)了科學(xué)教育、工程教育一定要和人文教育有機(jī)融合，培養(yǎng)出的新工科人才必須具備厚積薄發(fā)的科學(xué)基礎(chǔ)、架海擎天的工程能力、德厚流光的綜合素質(zhì)且勇于實(shí)現(xiàn)跨界整合。該共識明確指出了培養(yǎng)人文素質(zhì)是新工科建設(shè)不可或缺的重要內(nèi)容[14]?！兑攬?bào)告》也同樣肯定了人文素質(zhì)培養(yǎng)的重要性，該報(bào)告指出“沒有什么東西比人文教育更為有用”[15]。科學(xué)教育和人文教育的失衡會(huì)培養(yǎng)出精致的利己主義者，帶來很多弊端。思政教育中必不可少的一部分便是人文教育。習(xí)總書記強(qiáng)調(diào)：“要堅(jiān)持把立德樹人作為教育的中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，做好三全育人，努力開創(chuàng)中國高等教育事業(yè)的新局面”[16]。物理化學(xué)作為一門基礎(chǔ)課，面向很多新工科專業(yè)開設(shè)，其受眾廣，所以很有必要在其教學(xué)過程中充分挖掘思政元素，將思政教育融入物理化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容并貫穿教學(xué)的全過程，以提高學(xué)生的人文修養(yǎng)，最終培養(yǎng)出高素質(zhì)的新工科人才。

（一）挖掘歷史人物，培養(yǎng)家國情懷

物理化學(xué)研究在我國雖然起步較晚，但是，在物理化學(xué)的發(fā)展史上亦不乏我國著名的物理化學(xué)家所做出的重要貢獻(xiàn)。例如，物理化學(xué)家黃子卿先生測量了水的三相點(diǎn)，獲得了水三相點(diǎn)的精確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并被推薦為國際通用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在化學(xué)動(dòng)力學(xué)的發(fā)展過程中，第一個(gè)準(zhǔn)確勢能面是由我國著名物理化學(xué)家孫承諤先生提出的，這個(gè)勢能面的精確性被后來很多實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該勢能面的提出對過渡態(tài)理論的發(fā)展有重要貢獻(xiàn)[17]。這些實(shí)例可以讓學(xué)生感受到我國物理化學(xué)家前輩發(fā)奮圖強(qiáng)、奮起直追，也能提高學(xué)生的民族自信心，提升他們的愛國情懷。

（二）挖掘人文哲理，培養(yǎng)文化自信

物理化學(xué)教材中蘊(yùn)含了豐富的人文哲理，而其中的哲學(xué)內(nèi)涵則與我們的一些國學(xué)思想不謀而合。例如，化學(xué)平衡移動(dòng)原理與老子《道德經(jīng)》中的自然平衡觀“天之道，損有余而補(bǔ)不足”完全吻合[18]。同樣是升溫增熱操作，對于放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)所導(dǎo)致的結(jié)果完全不同。在放熱反應(yīng)中，產(chǎn)物端的熱量有多余，升高溫度是彌補(bǔ)反應(yīng)物端的熱量之不足，可以導(dǎo)致反應(yīng)逆向進(jìn)行;在吸熱反應(yīng)中，反應(yīng)物端的熱量有多余，升高溫度是補(bǔ)產(chǎn)物端的熱量之不足，可以導(dǎo)致反應(yīng)正向進(jìn)行。我們的先輩在千年之前竟然就已經(jīng)將這一原理闡述地如此精妙，不得不贊嘆我們先人的智慧。在教學(xué)過程中，引入這些內(nèi)容可以在培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物主義世界觀的同時(shí)，提升他們的文化自信。

（三）挖掘科學(xué)倫理，培養(yǎng)德才兼?zhèn)?/p>

科技是一把“雙刃劍”，只有幫助學(xué)生樹立正確的科學(xué)倫理觀，才能在享受科技發(fā)展帶來的高度發(fā)達(dá)的物質(zhì)文明的同時(shí)，盡量趨避它所引發(fā)的一系列弊端。例如，大規(guī)模合成氨技術(shù)是由化學(xué)家哈伯發(fā)明的，該技術(shù)的提出使得人類不再完全依靠天然氮肥，糧食產(chǎn)量顯著提高，有效解決了全球性的饑餓問題。但是，他又研制了給全世界帶來巨大災(zāi)難的炸藥——硝氨、硝基苯等，哈伯因此既被稱為“科學(xué)天才”又被稱為“戰(zhàn)爭魔鬼”[19]。在講述化學(xué)平衡知識點(diǎn)，講解合成氨反應(yīng)實(shí)例的同時(shí)，可以引入這個(gè)故事，對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)倫理教育，培養(yǎng)他們成為德才兼?zhèn)涞娜瞬拧?/p>

（四）挖掘美學(xué)內(nèi)涵，培養(yǎng)文化修養(yǎng)

四、利用綜合課題，培養(yǎng)學(xué)生的跨界整合意識

新工科建設(shè)中人才培養(yǎng)的關(guān)鍵是要培養(yǎng)新工科思維，即能綜合運(yùn)用各學(xué)科知識，進(jìn)行創(chuàng)新研究和開發(fā)，以解決復(fù)雜的工程問題。在具備工程意識、創(chuàng)新意識和人文意識的基礎(chǔ)上，新工科專業(yè)的學(xué)生還應(yīng)具備跨界整合意識。在物理化學(xué)教學(xué)過程中，可采用參與研究綜合課題的方式，讓學(xué)生提前演練如何運(yùn)用多學(xué)科知識去解決綜合性問題。例如，課題一——設(shè)計(jì)新型除濕機(jī)。首先，學(xué)生需要利用物理化學(xué)中水的相圖、毛細(xì)管凝聚、固液吸附和解析等知識點(diǎn)去理解除濕機(jī)的工作原理，在此基礎(chǔ)上再利用材料學(xué)知識去設(shè)計(jì)和制備新型的、可用于除濕的吸附材料，除濕機(jī)內(nèi)部的電子元器件、線路組裝則需利用到電路學(xué)方面的知識，整機(jī)的組裝則需要自動(dòng)化方面的知識[22]。課題二——腦電波與學(xué)習(xí)模式之間關(guān)系的研究。該課題研究需要監(jiān)測腦電波，因而，學(xué)生首先需要利用電化學(xué)和材料學(xué)方面的知識去制備能監(jiān)測腦電波的電極，還需整合電子學(xué)知識設(shè)計(jì)主動(dòng)式放大電路，此外，還要依靠機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)知識設(shè)計(jì)舒適且能穩(wěn)定接觸的電極帽。在得到腦電波數(shù)據(jù)后，還需要統(tǒng)計(jì)學(xué)知識才能分析它與學(xué)習(xí)模式之間的關(guān)系。在綜合課題研究中，將物理化學(xué)知識結(jié)合多學(xué)科進(jìn)行整合利用，在調(diào)動(dòng)學(xué)生對物理化學(xué)課程產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的跨界整合意識。

五、結(jié)論

新工科建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜、長期、全局的系統(tǒng)工程，需要服務(wù)于新工科建設(shè)的各項(xiàng)基礎(chǔ)課程也同步改革。物理化學(xué)作為一門面向眾多新工科專業(yè)開設(shè)的基礎(chǔ)課，探索從篩選教學(xué)內(nèi)容、變換教學(xué)形式、挖掘思政元素和利用綜合課題四個(gè)方面去積極探索構(gòu)建契合新工科專業(yè)的物理化學(xué)課程，以培養(yǎng)具備工程意識、創(chuàng)新意識、人文意識和跨界整合意識的新工科人才。

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基金項(xiàng)目：本文受國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“構(gòu)建紙基微流控芯片血腦屏障模型及疾病標(biāo)志物超靈敏分析新方法”（編號：21874120）;2019年中國地質(zhì)大學(xué)（北京）本科教育質(zhì)量和教學(xué)改革工程建設(shè)項(xiàng)目“構(gòu)建契合非化學(xué)專業(yè)學(xué)生的物理化學(xué)課堂”（教發(fā)[2019]32號）;中國地質(zhì)大學(xué)（北京）第四批“求真學(xué)人”計(jì)劃資助項(xiàng)目“基于紙基微流控芯片構(gòu)建生物醫(yī)藥研究模型”（編號：2652018004）

作者簡介：吳靜（1986-），女，漢族，安徽宣城人，博士，副教授，研究方向：微流控分析和發(fā)光納米材料;劉煊赫（1988-），女，漢族，山東菏澤人，博士，副教授，研究方向：二維材料的制備及電催化材料;孫兵（1988-），男，漢族，山東菏澤人，博士，副教授，研究方向：二維材料的制備及性能。