淺談納米材料雙語(yǔ)課程教學(xué)知識(shí)體系的構(gòu)建

張耀君

【摘要】構(gòu)建科學(xué)合理的納米材料（雙語(yǔ)）課程教學(xué)的知識(shí)體系是將納米材料的最新成果及研究進(jìn)展介紹給本科生的重要管道之一，前瞻系統(tǒng)的知識(shí)體系能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生的知識(shí)、能力和素質(zhì)的全面培養(yǎng)，以達(dá)到啟迪創(chuàng)新思維能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量之目的。

【關(guān)鍵詞】納米材料（雙語(yǔ)）教學(xué) 知識(shí)體系 知識(shí)點(diǎn)

【基金項(xiàng)目】西安建筑科技大學(xué)教改項(xiàng)目資助（編號(hào)：JG080225）。

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2014）10-0220-02

一、引言

為應(yīng)對(duì)當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)一體化以及科技革命帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，加強(qiáng)主宰世界經(jīng)濟(jì)及科技走向的新知識(shí)、新科技及新成果的學(xué)習(xí)勢(shì)在必行，而開(kāi)展承載著“爆炸信息量”的納米材料的雙語(yǔ)課程學(xué)習(xí)就顯得尤為重要。納米材料是填補(bǔ)了長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)于宏觀和微觀領(lǐng)域研究的缺失領(lǐng)域—介觀領(lǐng)域的空白，由于納米材料的結(jié)構(gòu)特性，具有常規(guī)材料不具備的納米效應(yīng)，因而，納米材料的研究已成為當(dāng)前先進(jìn)材料研究最活躍的領(lǐng)域之一[1]；同時(shí)，納制造技術(shù)也將對(duì)當(dāng)前的微制造技術(shù)帶來(lái)一次革命性的變革，這是因?yàn)榧{制造技術(shù)采用“自下而上”的制造原理，能夠制造出體積更小、便于攜帶、功能更強(qiáng)大的電子元器件及儀器設(shè)備，其研究成果日新月異，如：納米機(jī)器人、納米小轎車、納米間諜機(jī)、納米芯片、納米電池、納米醫(yī)藥，這些納米產(chǎn)品將對(duì)我們的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療、制造業(yè)等各行各業(yè)帶來(lái)前所未有的巨變與沖擊。

為了加強(qiáng)本科生對(duì)納米材料最新成果的了解，拓寬知識(shí)視野，啟迪學(xué)生的納米概念和納米理論的新思想，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，構(gòu)建一種納米材料雙語(yǔ)教學(xué)課程知識(shí)體系，對(duì)于科學(xué)系統(tǒng)的傳授納米材料基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)是十分必要的。作者在長(zhǎng)期的納米材料雙語(yǔ)教學(xué)過(guò)程中，力圖將納米材料基本概念系統(tǒng)的介紹給學(xué)生；采用現(xiàn)代化的教學(xué)方法，并將板書(shū)、圖表、視頻等教學(xué)手段相結(jié)合，不斷的充實(shí)授課內(nèi)容，期望形成一種較完整的雙語(yǔ)課程知識(shí)體系。

二、納米材料雙語(yǔ)課程教學(xué)知識(shí)體系的構(gòu)建

構(gòu)建科學(xué)合理的納米材料雙語(yǔ)課程教學(xué)知識(shí)體系是以知識(shí)、能力和素質(zhì)培養(yǎng)為宗旨，以能力培養(yǎng)為核心，以雙語(yǔ)教學(xué)為媒介，以傳授新概念、新理論、新工藝、新成果為紐帶，以提升創(chuàng)新能力為培養(yǎng)目的，著力開(kāi)啟納米材料課程教學(xué)人才培養(yǎng)的新模式和新途徑。納米材料雙語(yǔ)課程在我校屬于專業(yè)選修課，只有32學(xué)時(shí)，針對(duì)課程內(nèi)容多，學(xué)時(shí)少的現(xiàn)狀，課程教學(xué)中知識(shí)體系的選取原則是以基本的納米概念、基礎(chǔ)理論、納米效應(yīng)、納米制造方法、檢測(cè)手段、標(biāo)志性的成果（如碳納米材料中的富勒烯）以及納米材料在新能源領(lǐng)域中的應(yīng)用為主線。

納米材料雙語(yǔ)課程知識(shí)體系可分為八個(gè)知識(shí)單元：第一個(gè)知識(shí)單元Introduction to nanoscale materials（納米材料簡(jiǎn)介）；第二個(gè)知識(shí)單元Nanometer effects （納米效應(yīng)）；第三個(gè)知識(shí)單元Properties of nanoscale materials （納米材料的性質(zhì)）；第四個(gè)知識(shí)單元Synthesis of nanoscale materials （納米材料的合成）；第五個(gè)知識(shí)單元Scanning tunneling microscope and atomic force microscope （掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡）；第六個(gè)知識(shí)單元Synthesis of carbon nanomaterials （碳納米材料合成）；第七個(gè)知識(shí)單元Lithography for nanofabrication（光刻納米制造技術(shù)）；第八個(gè)知識(shí)單元Nanotechnology for production of hydrogen by solar energy （納米技術(shù)用于太陽(yáng)能產(chǎn)氫）。

作為納米科技基礎(chǔ)的納米材料，近年來(lái)已成為最熱門(mén)的研究課題之一，納米科技的濃厚興趣集中在能對(duì)經(jīng)濟(jì)、加工及科學(xué)產(chǎn)生巨大影響的若干領(lǐng)域。第一個(gè)知識(shí)單元中的知識(shí)點(diǎn)可劃分為納米材料定義及其分類。按照空間維度納米材料可分為零維、一維、二維及塊體材料，依據(jù)材料的量子性質(zhì)可分為量子點(diǎn)、量子線、量子阱，同樣，按照材料的性質(zhì)、組成以及形貌對(duì)納米材料進(jìn)行分類。更多的知識(shí)點(diǎn)涉及到納米科技的定義。工業(yè)革命推動(dòng)了納米科技的發(fā)展，當(dāng)作為芯片的氧化硅的絕緣層厚度被減薄至大約3個(gè)硅原子的厚度時(shí)，漏電就成為一個(gè)大問(wèn)題。加之，當(dāng)硅材料被限制在很小的尺寸時(shí)，將會(huì)失去它固有的能帶結(jié)構(gòu)，故此，目前微制造技術(shù)的局限性的知識(shí)點(diǎn)就顯得十分重要。如何才能克服當(dāng)前固態(tài)電子學(xué)技術(shù)中的局限性？分子電子學(xué)的誕生是一個(gè)嶄新的和誘人的研究領(lǐng)域，該研究領(lǐng)域正在喚起科學(xué)家的想象力；未來(lái)技術(shù)的挑戰(zhàn)在于原子操縱的分子和超分子系統(tǒng)設(shè)計(jì)；納米材料在水處理、納催化、納米傳感器、能源以及醫(yī)療方面等領(lǐng)域的應(yīng)用。

第二個(gè)知識(shí)單元是納米材料的納米效應(yīng)，當(dāng)一種材料的尺寸縮減到納米量級(jí)時(shí)，即使其組成與可以看得見(jiàn)和觸摸到的塊體材料完全相同，但材料的性能卻有著本質(zhì)的區(qū)別，納米材料表現(xiàn)出與常規(guī)塊體材料迥然不同的性質(zhì)稱為納米效應(yīng)。當(dāng)納米粒子的尺寸與光波長(zhǎng)，德布羅意波長(zhǎng)，電子的自由程長(zhǎng)度，或者超導(dǎo)態(tài)的相干波長(zhǎng)相當(dāng)或更小時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生小尺寸效應(yīng)。當(dāng)粒子尺寸減小到或接近于激子波爾半徑時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)，在量子尺寸效應(yīng)中主要闡明能隙與粒子尺寸的關(guān)系；當(dāng)納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨納米顆粒的粒徑減小而顯著增大時(shí)，將會(huì)引起表面效應(yīng)；宏觀量子隧道效應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)包括了彈道傳輸、隧穿、共振隧穿、隧穿效應(yīng)等內(nèi)容[2]。

第三個(gè)知識(shí)單元涉及納米材料的性能；力學(xué)性能表現(xiàn)為納米材料的硬度隨粒徑尺寸的減小而增大表現(xiàn)出正的Hall–Petch斜率關(guān)系（K>0），納米材料的硬度隨粒徑尺寸的減小而減小呈現(xiàn)出負(fù)的Hall–Petch斜率關(guān)系（K<0），有些材料的硬度隨著粒子尺寸的減小呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)為正-負(fù)Hall–Petch斜率關(guān)系；納米材料的熱學(xué)性質(zhì)表明低溫下納米粒子的熱學(xué)行為與塊體材料有明顯的區(qū)別；磁學(xué)性能表明隨著粒子尺寸的減小，粒子中的磁疇數(shù)量減少；當(dāng)粒子變得足夠小，由于熱擾動(dòng)，磁矩不可能有擇優(yōu)取向，而展示出超順磁性。量子點(diǎn)的另一個(gè)電學(xué)特性是發(fā)生單電子隧穿；光學(xué)性能知識(shí)點(diǎn)包括了納米材料的光化學(xué)和光物理過(guò)程、吸收光譜和發(fā)光光譜。

在過(guò)去數(shù)十年間，科學(xué)家已經(jīng)揭示了至少有一維處于納米量級(jí)的許多新材料的合成與表征方法。如：納米粒子，納米膜和納米管。然而，設(shè)計(jì)和制備具有可控性能的納米材料仍然是納米科技的一項(xiàng)重大的和長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)。納米材料的制備有多種途徑。了解納米材料制備過(guò)程中的一些工藝特性是非常重要的，這是因?yàn)橹苽涞墓に嚶肪€通常決定了所制備材料的性能。第四個(gè)知識(shí)單元納米材料的制備首先介紹采用傳統(tǒng)的“自上而下”的方法以及先進(jìn)的“自下而上”的兩種方法制備納米材料。利用固相方法制備納米材料包括了機(jī)械研磨和固相反應(yīng)。物理氣相沉積（PVD）法分為熱蒸發(fā)PVD法、等離子體輔助PVD法以及激光消融法。化學(xué)氣相沉積法 （CVD），液相合成方法包括了沉淀法、溶劑熱法、冷凍-干燥法（低溫化學(xué)合成法）、溶膠-凝膠法、微乳液法、微波輔助合成法、超聲波輔助合成法。采用冷壓和熱壓法固化納米粉體合成塊體納米材料。通過(guò)模板輔助自組裝納米結(jié)構(gòu)材料的合成；從節(jié)能減排、原子經(jīng)濟(jì)、溶劑安全性以及提高能量效率的角度設(shè)計(jì)納米材料的綠色合成路線。

第五個(gè)知識(shí)單元主要介紹掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM） 的基本原理，操作模式及其應(yīng)用。STM 和AFM表明是獲取材料表面原子形貌信息的新儀器。此外，通過(guò)納米操縱，人們可以采用掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡制造納米尺寸的材料和器件。

第六個(gè)知識(shí)單元涉及碳納米材料的合成。碳族的知識(shí)點(diǎn)涉及石墨、金剛石、碳的同素異形體。富勒烯的知識(shí)點(diǎn)包括C60的合成、富勒烯的純化、C60的結(jié)構(gòu)、13C核磁共振譜、富勒烯包合物、親核加成反應(yīng)、C60的聚合反應(yīng)、納米小轎車的制造。碳納米管的知識(shí)點(diǎn)包括了碳納米管的合成、碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理以及碳納米管的幾何構(gòu)型。

第七個(gè)知識(shí)單元是納米制造中的光刻技術(shù)，其知識(shí)點(diǎn)包括紫外線光刻技術(shù)；掃描束刻蝕納米制造的知識(shí)點(diǎn)有電子束刻蝕以及聚焦離子束刻蝕技術(shù)。納米壓印刻蝕技術(shù)包括了納米壓印刻蝕技術(shù)、步進(jìn)式閃爍壓印刻蝕技術(shù)及微接觸印制技術(shù)。掃描探針刻蝕技術(shù)。

第八個(gè)知識(shí)單元是納米技術(shù)用于太陽(yáng)能光催化分解水制氫的新能源應(yīng)用。知識(shí)點(diǎn)涉及太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、光催化分解水制氫、負(fù)載型TiO2、可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的光催化劑的發(fā)展、鉻離子摻雜的鈦酸鹽納米管以及半導(dǎo)體復(fù)合材料[3]。

在上述八個(gè)知識(shí)單元的教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合不同章節(jié)的具體情況，教學(xué)方法和教學(xué)手段要靈活多樣，將板書(shū)、多媒體、動(dòng)畫(huà)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)資源相結(jié)合，做到圖文并茂，寓教于樂(lè)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。另外，采用啟發(fā)式教學(xué)，課堂中加強(qiáng)與學(xué)生的活動(dòng)，提高學(xué)生的思考問(wèn)題及解決問(wèn)題的創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的知識(shí)、能力和素質(zhì)的全面培養(yǎng)。

三、結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建納米材料雙語(yǔ)課程知識(shí)體系是一項(xiàng)長(zhǎng)期而細(xì)致的教改工作，雖然我們對(duì)少學(xué)時(shí)的納米材料雙語(yǔ)課程教學(xué)勾勒出了知識(shí)體系，但不同的專業(yè)，教學(xué)目的有所不同，其側(cè)重點(diǎn)有所不同，則知識(shí)體系中的知識(shí)單元及知識(shí)點(diǎn)迥然不同。但通過(guò)我們堅(jiān)持不懈地努力，納米材料雙語(yǔ)課程知識(shí)體系會(huì)變得更加科學(xué)合理，更加新穎前瞻，更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情。

參考文獻(xiàn)：

[1]E. Serrano， G. Rus， J. Garcia-Martinez， Renew. Sust. Energy Rev. 13 （2009） 2373-2384.

[2]Y. Shirai， Y. Zhao， L. Cheng， J.M. Tour， Org. Lett. 6 （2004） 2129-2132.

[3]Y.J. Zhang， L. Zhang， Desalination， 249 （2009） 1017-1021.