納米材料學(xué)課程文獻(xiàn)引導(dǎo)法教學(xué)探索

龐越鵬 鄭時(shí)有

摘 要 納米材料學(xué)是新世紀(jì)材料科學(xué)專業(yè)的重要課程之一。本文分析了納米材料學(xué)課程的特殊性，包括新興性、熱點(diǎn)性、交叉性和實(shí)踐性，發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)引導(dǎo)教學(xué)法能夠非常好地與納米材料學(xué)課程相契合，隨后結(jié)合教學(xué)實(shí)踐給出了文獻(xiàn)引導(dǎo)法教授納米材料學(xué)課程的建議。

關(guān)鍵詞 納米材料學(xué) 文獻(xiàn)引導(dǎo)教學(xué)法 教學(xué)改革中圖分類(lèi)號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.04.042

Abstract Nanomaterials science is one of the important courses of material science in the new century. In this paper， the particularity of nanomaterials course is analyzed， including its emerging， hot spots， cross-cutting and practicality. It is found that the literature-guided teaching method can fit well with the nanomaterials course. Then， combining with the teaching practice， some suggestions on teaching nanomaterials course by the literature-guided teaching method are given.

Keywords Nanomaterials science; document-guided teaching method; teaching reform

0 前言

納米科學(xué)主要研究的是至少一個(gè)尺度在100納米以下物質(zhì)的制備及其特性，是本世紀(jì)的三大高新學(xué)科之一。納米科學(xué)綜合了許多相關(guān)學(xué)科（如物理、化學(xué)、生物）的先進(jìn)成果，是一門(mén)前沿的交叉性學(xué)科。近幾十年是納米科學(xué)迅速發(fā)展的黃金時(shí)代，產(chǎn)生了一大批已經(jīng)或者即將造福人類(lèi)的研究成果，如大規(guī)模集成電路、高靈敏傳感器、抗癌藥物等。納米科學(xué)的基本載體是納米材料，納米科學(xué)的最核心問(wèn)題是如何制備出結(jié)構(gòu)、尺寸可控且均一的納米材料。為了緊跟時(shí)代腳步，培養(yǎng)與時(shí)俱進(jìn)的材料科學(xué)與工程專業(yè)的人才，納米材料學(xué)這門(mén)課程逐漸成為了材料科學(xué)與工程專業(yè)的重要課程之一。[1]但是，由于納米科技起步晚、發(fā)展快、重要性大，使納米材料學(xué)課程具有特殊性。這些特殊性導(dǎo)致若仍采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，無(wú)法很好地完成教學(xué)目標(biāo)。因此，需要采用更加有針對(duì)性的的教學(xué)方法，讓學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有更深的認(rèn)識(shí)和理解的同時(shí)，也能具備一定的創(chuàng)新能力，有助于其將所學(xué)知識(shí)融入科研或者生產(chǎn)實(shí)踐中。[2]本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，著重討論了文獻(xiàn)引導(dǎo)教學(xué)法在納米材料學(xué)課程中的應(yīng)用。

1 文獻(xiàn)引導(dǎo)法教學(xué)與納米材料學(xué)課程特點(diǎn)的匹配分析

納米材料學(xué)是一門(mén)新興學(xué)科。納米科技的誕生不過(guò)幾十年的時(shí)間，人類(lèi)對(duì)納米材料的認(rèn)識(shí)還在快速發(fā)展中，相對(duì)不夠成熟，甚至有些學(xué)術(shù)觀點(diǎn)還存在一定的爭(zhēng)議。例如對(duì)于納米材料具有特殊物理化學(xué)性質(zhì)的原因，學(xué)術(shù)界的認(rèn)識(shí)還在不斷自我否定、自我突破。從最初的表象認(rèn)識(shí)發(fā)展到目前的四大效應(yīng)，即“表面效應(yīng)”“小尺寸效應(yīng)”、“量子尺寸效應(yīng)”和“宏觀量子隧道效應(yīng)”，在未來(lái)肯定還會(huì)新的理論提出，如有研究者嘗試從化學(xué)鍵的角度探索納米材料的特殊性質(zhì)來(lái)源。這就導(dǎo)致目前關(guān)于納米材料學(xué)還沒(méi)有足夠權(quán)威的教材資料，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難達(dá)到教學(xué)目的。因此采用文獻(xiàn)引導(dǎo)法，可以將原汁原味的最新知識(shí)介紹給學(xué)生，讓學(xué)生自己理解和領(lǐng)會(huì)，避免教材中知識(shí)的滯后性和不客觀性。

納米材料學(xué)是一門(mén)熱點(diǎn)學(xué)科。納米材料學(xué)是學(xué)術(shù)界公認(rèn)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，也是世界各國(guó)也大力推動(dòng)納米材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。以納米材料為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，可以看到每年的論文發(fā)表數(shù)量是呈現(xiàn)指數(shù)增加的。2016年就有92767篇SCI論文發(fā)表。特別地，雖然沒(méi)有權(quán)威統(tǒng)計(jì)，但學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，中國(guó)學(xué)者在納米材料學(xué)領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)量是世界之最，很多大學(xué)都成了專門(mén)從事納米研究的院/所。這說(shuō)明，納米材料學(xué)每天都有大量的最新研究成果發(fā)表，納米材料相關(guān)新知識(shí)的創(chuàng)造速度和數(shù)量非常驚人。同時(shí)，我國(guó)是一個(gè)納米科技大國(guó)，幾乎每所高校和研究所都有開(kāi)展納米研究的團(tuán)隊(duì)。這就意味著，納米材料學(xué)的大量知識(shí)都集中在最近幾年的文獻(xiàn)中，納米材為學(xué)課程的教學(xué)需要將最新的研究成果包括在內(nèi)，而學(xué)生們很容易在所在學(xué)校獲取最新的納米材料學(xué)的相關(guān)知識(shí)。

納米材料學(xué)是一門(mén)交叉學(xué)科。納米材料學(xué)涉及到的非常多的學(xué)科，與物理、化學(xué)、生物三個(gè)大的理工學(xué)科都密切相關(guān)。如納米材料的制備有物理氣相沉積法、光刻法（物理相關(guān)），化學(xué)氣相沉積法、溶膠凝膠法（化學(xué)相關(guān)）和生物模板法、生物合成法（生物相關(guān)），納米材料的應(yīng)用有大規(guī)模集成電路、太陽(yáng)能電池（物理相關(guān)），有鋰離子電池、電催化（化學(xué)相關(guān)），也有抗癌藥物、人工器官（生物相關(guān)），這就意味著納米材料學(xué)課程中的知識(shí)點(diǎn)會(huì)繁多而且龐雜，需要大量的預(yù)備知識(shí)。但實(shí)際上，學(xué)生在學(xué)習(xí)納米材料學(xué)課程之前，一般只能對(duì)本專業(yè)的相關(guān)知識(shí)基本理解，不可能全面掌握所有預(yù)備知識(shí)。因此，納米材料學(xué)課程需要針對(duì)不同的學(xué)生因材施教，根據(jù)學(xué)生的知識(shí)背景有選擇性地進(jìn)行教學(xué)。

納米材料學(xué)是一門(mén)實(shí)踐學(xué)科。納米材料學(xué)的關(guān)鍵是納米材料的制備，而納米材料的制備對(duì)工藝的敏感性非常高，如原料、溫度、壓力、時(shí)間等參數(shù)的微小變化都會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)物微觀形貌的巨大變化。[3]除了扎實(shí)的理論功底，納米材料的可控制備還需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)就是一個(gè)個(gè)具體案例，明確給出了所研究材料的具體工藝，大量文獻(xiàn)的閱讀可以讓學(xué)生對(duì)納米材料制備有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。另外，納米材料是廣泛應(yīng)用于人類(lèi)生活中的，與我們的生活息息相關(guān)，文獻(xiàn)中不僅報(bào)道了目前已有的納米材料應(yīng)用，還有很多前沿的未來(lái)應(yīng)用研究，可以讓學(xué)生對(duì)于納米材料的應(yīng)用有更為全面和前瞻的認(rèn)識(shí)。

2 納米材料學(xué)的文獻(xiàn)引導(dǎo)教學(xué)法經(jīng)驗(yàn)

前10%左右的課時(shí)開(kāi)展納米材料學(xué)最基礎(chǔ)知識(shí)的講授。納米材料學(xué)的關(guān)鍵詞是納米，基本的問(wèn)題就是研究材料在納米尺度下的制備和特殊性能，其核心知識(shí)點(diǎn)是表面能，包括表面能的來(lái)源和計(jì)算方法，以及表面能隨材料尺寸的變化規(guī)律，大自然是如何試圖降低材料的表面能的，以及人類(lèi)可以利用哪些手段去避免納米材料的長(zhǎng)大;還涉及一部分交叉學(xué)科，如量子力學(xué)、物理化學(xué)等知識(shí)。因此，在較短的授課時(shí)間里，很難完全講授清楚所有的基礎(chǔ)知識(shí)，需要視學(xué)生的前期知識(shí)儲(chǔ)備情況進(jìn)行課程微調(diào)，以保證學(xué)生能夠高效獲取知識(shí)。雖然課時(shí)短，但這部分最基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的講授要足夠系統(tǒng)和深入，為后面文獻(xiàn)引導(dǎo)教學(xué)打好基礎(chǔ)。

中間40%左右的課時(shí)讓學(xué)生進(jìn)行主題報(bào)告。每組學(xué)生3-5人，主題是特定維度、特定制備方法和特定應(yīng)用方向的納米材料，如零維TiO2光催化材料、一維靜電紡絲電催化材料、二維石墨烯鋰離子電池負(fù)極材料、三維介孔分子篩藥物靶向釋放材料等。主題報(bào)告要求是時(shí)間30分鐘，內(nèi)容完整且有一定深度，引用文獻(xiàn)5篇以上，同時(shí)，報(bào)告后要求其他學(xué)生針對(duì)報(bào)告內(nèi)容提問(wèn)，包括制備機(jī)理，應(yīng)用前景等。若學(xué)生的科研基礎(chǔ)較差，可給予每組一篇相關(guān)領(lǐng)域的中文綜述作為參考，學(xué)生可以在綜述中尋找感興趣的點(diǎn)，然后根據(jù)相關(guān)的參考文獻(xiàn)確定報(bào)告的主題和思路。該部分是文獻(xiàn)引導(dǎo)教學(xué)的難點(diǎn)，在教學(xué)實(shí)踐中，可能存在學(xué)生文獻(xiàn)閱讀困難、參與積極性不高、演講能力和信心不足等問(wèn)題，需要教師給予學(xué)生足夠的輔導(dǎo)和鼓勵(lì)。例如，針對(duì)文獻(xiàn)閱讀的問(wèn)題，可以對(duì)科技論文寫(xiě)作的一般規(guī)則先進(jìn)行講授;針對(duì)參與積極性不高的問(wèn)題，可以適當(dāng)將平時(shí)成績(jī)的評(píng)定與主題報(bào)告質(zhì)相掛鉤以激發(fā)學(xué)生的積極性;針對(duì)演講能力和信心不足的情況，可以多給學(xué)生講授一些演講的技巧，多鼓勵(lì)，少批評(píng)。

隨后40%左右的課時(shí)對(duì)學(xué)生的主題報(bào)告進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。學(xué)生的主題報(bào)告一般在原理方面的講解會(huì)有不足，需要教師針對(duì)各主題的基礎(chǔ)理論進(jìn)行深入的講授。如對(duì)于零維納米材料，其制備過(guò)程需要對(duì)新相的形核和長(zhǎng)大速率進(jìn)行嚴(yán)格的控制，這就涉及到固態(tài)相變的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí);對(duì)于一維納米材料，其制備大多與各向異性生長(zhǎng)有關(guān)，這就涉及到晶體學(xué)和擇優(yōu)生長(zhǎng)的相關(guān)知識(shí);對(duì)于二維納米材料，其制備往往是在基底上進(jìn)行沉積的過(guò)程，這就涉及到異相形核和氣相反應(yīng)的相關(guān)知識(shí);對(duì)于三維納米材料，其制備手段一般雜糅了其他各維度的方法，這就涉及到不同制備工藝的機(jī)理普適性和相容性的知識(shí)。同時(shí)，學(xué)生的主題報(bào)告可能沒(méi)有把握住最主線和最前沿的研究成果，需要教師將該主題的脈絡(luò)給學(xué)生梳理清楚，明確該主題的未來(lái)發(fā)展方向。該部分內(nèi)容需要教師全面且充分的備課，因?yàn)閷W(xué)生主題報(bào)告中出現(xiàn)的錯(cuò)誤和遺漏是無(wú)法預(yù)估的。

最后10%左右的課時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，即重復(fù)文獻(xiàn)中納米材料的制備。需結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室的條件，選取幾個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單且快速的納米材料制備方法，如溶劑熱法、溶膠凝膠法等，讓學(xué)生重復(fù)相關(guān)文獻(xiàn)納米材料的制備。隨后通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察所制備樣品的微觀形貌，判斷是否獲得與文獻(xiàn)相一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)的目的并不是要求每位學(xué)生都成功，而是希望通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析之后，讓學(xué)生自己總結(jié)出實(shí)驗(yàn)失敗的原因，能夠切實(shí)體會(huì)到納米材料制備的復(fù)雜性和困難性。該部分也可作為平時(shí)成績(jī)的重要指標(biāo)。

3 總結(jié)

納米材料學(xué)課程的新興性、熱點(diǎn)性、交叉性和實(shí)踐性決定了該課程非常適用文獻(xiàn)引導(dǎo)教學(xué)法。納米材料課程的文獻(xiàn)引導(dǎo)教學(xué)法可以包括基礎(chǔ)理論講授、學(xué)生主題報(bào)告、教師查漏補(bǔ)缺和重復(fù)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)四個(gè)環(huán)節(jié)，不僅可以覆蓋所有知識(shí)點(diǎn)，還可以調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和熱情，加之少量的實(shí)踐環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生全方位地領(lǐng)會(huì)納米材料學(xué)的精髓。

參考文獻(xiàn)

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