納米科學(xué)與技術(shù)課程教學(xué)實(shí)踐與探索

南京郵電大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 宇文力輝

納米科學(xué)與技術(shù)是指在納米尺度上研究物質(zhì)特性和相互作用以及利用以上特性的科學(xué)技術(shù)。自從20 世紀(jì)末新型納米表征技術(shù)的發(fā)明和新型納米材料的發(fā)現(xiàn)后，納米科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)蓬勃發(fā)展了幾十年，并與物理、化學(xué)、信息、生物、醫(yī)學(xué)、能源、環(huán)境等眾多學(xué)科高度融合，衍生出納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米電子學(xué)、納米生物學(xué)、納米測(cè)量學(xué)等新興學(xué)科，不斷推動(dòng)著基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，并展示出廣泛的應(yīng)用前景，促進(jìn)了人類認(rèn)知的革命，對(duì)科技、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)產(chǎn)生了重大影響，引起各國(guó)的高度重視。由教育部等部委下發(fā)的《國(guó)家納米科技發(fā)展綱要（2001—2010）》，要求在理工科專業(yè)中設(shè)置納米科技課程。作為我國(guó)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的第一個(gè)行動(dòng)綱領(lǐng)，《中國(guó)制造2025》也多次提到納米科技的重要價(jià)值。因而，納米科學(xué)與技術(shù)課程對(duì)于培養(yǎng)多學(xué)科交叉的復(fù)合型人才和保障我國(guó)納米科技的發(fā)展具有重要意義。

納米科學(xué)與技術(shù)課程要求學(xué)生正確理解和認(rèn)識(shí)物質(zhì)在納米尺度的新現(xiàn)象和新規(guī)律，熟悉納米材料的制備與表征方法，了解納米技術(shù)在電子、機(jī)械、化學(xué)與生物等領(lǐng)域中的應(yīng)用。通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)，使學(xué)生對(duì)納米科技的理論、技術(shù)、工藝、應(yīng)用有更深入的認(rèn)識(shí)，拓寬學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決多學(xué)科交叉領(lǐng)域中復(fù)雜問題的能力，提高自學(xué)能力與創(chuàng)新意識(shí)。由于納米科技涉及的學(xué)科眾多，部分內(nèi)容較為艱深，如何有效提高教學(xué)質(zhì)量是當(dāng)前的難點(diǎn)。

一、科技發(fā)展史融入課堂，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣

眾所周知，興趣是最好的老師?？鬃釉唬骸爸卟蝗绾弥?，好之者不如樂之者?！币蚨岣邔W(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是教學(xué)過程順利進(jìn)行的重要基礎(chǔ)。納米科學(xué)與技術(shù)課程設(shè)置在大學(xué)四年級(jí)上學(xué)期，盡管學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備更為充足，但找工作或考研也會(huì)消耗他們較多的精力。如何培養(yǎng)學(xué)生對(duì)課程的濃厚興趣成為教學(xué)過程中的重要內(nèi)容。通常，學(xué)生容易對(duì)單純的理論內(nèi)容產(chǎn)生畏難與厭倦的情緒，而更喜歡具體生動(dòng)的具有敘事風(fēng)格的教學(xué)內(nèi)容。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程是人類不斷認(rèn)識(shí)世界和改造世界的過程，其中既有科學(xué)家充滿好奇心的探索，也有浪漫主義的設(shè)想；既有令人驚奇的新穎發(fā)現(xiàn)，也有模仿自然的驚人創(chuàng)造。在納米科學(xué)與技術(shù)課程的授課過程中，將納米科技發(fā)展史中人類發(fā)現(xiàn)、發(fā)明、創(chuàng)造的過程生動(dòng)地展示出來，可以使學(xué)生站在歷史的角度觀察與學(xué)習(xí)，了解本學(xué)科的發(fā)展規(guī)律，樹立唯物主義世界觀和方法論，培養(yǎng)開拓創(chuàng)新的意識(shí)。

在課程的緒論部分，納米科技的發(fā)展歷史被作為重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容。首先，介紹古代人類無意識(shí)地利用納米科技。例如，古代中國(guó)利用松枝燃燒產(chǎn)生的碳納米顆粒作為墨的原料，使得古代字畫歷經(jīng)千年而不褪色；古埃及人使用含鉛的納米材料作為化妝品。通過展示公元4 世紀(jì)制造的具有獨(dú)特變色能力的萊克格斯杯和公元6 世紀(jì)建造的法國(guó)巴黎圣禮拜堂五彩絢爛的玻璃窗，向?qū)W生介紹金屬納米粒子獨(dú)特的光學(xué)效應(yīng)；通過展示公元13 世紀(jì)大馬士革刀，講述鍛造工藝中蘊(yùn)含的獨(dú)特納米加工技術(shù)。其次，在近代納米科技發(fā)展歷史部分，按照時(shí)間順序列舉重要科學(xué)家的卓越貢獻(xiàn)。1959年，著名物理學(xué)家費(fèi)曼教授極具預(yù)見性的報(bào)告，使人們意識(shí)到納米領(lǐng)域存在的空間與價(jià)值。隨后，依次介紹20 世紀(jì)60年代納米理論的建立、70 年代納米術(shù)語的提出、80 年代納米表征技術(shù)的發(fā)明等一系列標(biāo)志性事件及其背后的故事。學(xué)生通過了解納米科技的發(fā)展史，逐漸領(lǐng)略到納米科技的獨(dú)特魅力，能夠潛移默化地學(xué)習(xí)科學(xué)家勇于探索的精神。

在其他章節(jié)教學(xué)過程中，也可按照類似的思路將納米科技發(fā)展史融入教學(xué)內(nèi)容。例如，在納米表征技術(shù)的章節(jié)，對(duì)電子顯微技術(shù)的教學(xué)首先從1924 年德布羅意提出的波粒二象性理論導(dǎo)入，選取第一臺(tái)透射電子顯微鏡原型機(jī)、襯度理論的建立、高分辨像理論的發(fā)展等關(guān)鍵歷史節(jié)點(diǎn)進(jìn)行介紹；在納米材料制備章節(jié)，對(duì)于碳納米材料的發(fā)展過程進(jìn)行梳理，從富勒烯到碳納米管，再到石墨烯；在納米電子學(xué)章節(jié)，以集成電路芯片的微納加工技術(shù)為例，列舉芯片制程從90納米進(jìn)階到5 納米過程中納米科技發(fā)揮的重要作用。將科學(xué)發(fā)展史融入教學(xué)內(nèi)容的方式得到學(xué)生的肯定，他們?cè)谡n堂回答問題環(huán)節(jié)表現(xiàn)出了更高的積極性和參與度。

二、基礎(chǔ)理論與前沿研究互補(bǔ)，培養(yǎng)科學(xué)精神

納米科技與眾多學(xué)科存在廣泛而深入的交叉融合，并在迅速發(fā)展變化。盡管課程教材對(duì)納米科技有較為系統(tǒng)的總結(jié)，但是納米科技各分支都是新的學(xué)科增長(zhǎng)點(diǎn)，新的研究成果不斷涌現(xiàn)。因而，納米科學(xué)與技術(shù)課程的教學(xué)過程不僅要注重知識(shí)的系統(tǒng)性，而且必須適應(yīng)學(xué)科的高速發(fā)展。為此，在每章課件中都加入相應(yīng)的前沿專題，補(bǔ)充納米科技的研究進(jìn)展，才能使學(xué)生獲得最新的知識(shí)。

例如，在納米電子學(xué)章節(jié)，選取石墨烯作為納米材料研究前沿的典型例子，增加石墨烯材料專題，介紹石墨烯透明電極、石墨烯發(fā)光器件、石墨烯柔性電子、石墨烯觸摸屏等前沿進(jìn)展，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到納米科技將給人類未來的生活帶來巨大改變，增強(qiáng)他們的探索意識(shí)和創(chuàng)新精神。在納米生物學(xué)章節(jié)，專門設(shè)置DNA 納米技術(shù)專題，結(jié)合相關(guān)課題組的最新研究工作，詳細(xì)介紹DNA 納米技術(shù)的概念、從簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的演變過程、相關(guān)課題組的代表性工作和應(yīng)用前景，為學(xué)生展示最新出爐的研究成果，拉近學(xué)生與納米研究前沿的距離。

三、抽象內(nèi)容形象化，改進(jìn)學(xué)習(xí)方式

心理學(xué)研究表明，形象的內(nèi)容更容易被人理解與記憶。納米科學(xué)與技術(shù)課程中存在較多的理論內(nèi)容，抽象的教學(xué)內(nèi)容易導(dǎo)致注意力下降和疲勞，影響教學(xué)效果。為此，在教學(xué)過程中需要將抽象的教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為形象的圖片和動(dòng)畫，從而有效解決以上問題。

例如，在納米理論章節(jié)，為說明金納米粒子在超小尺寸下具有更低的熔點(diǎn)，引入一段金納米粒子被電子束照射的視頻，將受到輻照加熱后金納米粒子的流動(dòng)性展示出來，引起學(xué)生的關(guān)注與思考。在納米材料章節(jié)，許多制備方法存在大量技術(shù)細(xì)節(jié)，造成理解與掌握的困難。在授課過程中，將每種制備方法的原理與儀器均配上示意圖，標(biāo)注重要部分與關(guān)鍵反應(yīng)條件，使抽象的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為形象的圖形內(nèi)容，便于學(xué)生理解與掌握。在納米生物學(xué)章節(jié)，為演示血紅蛋白與氧氣的相互作用，在教學(xué)過程中使用動(dòng)態(tài)圖片，從而將氧氣吸附與脫附過程中血紅蛋白結(jié)構(gòu)的變化形象展示出來。

四、從書本到生活，鍛煉綜合能力

納米科學(xué)與技術(shù)課程的教學(xué)目標(biāo)是提高學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)分析并解決問題的綜合能力，以適應(yīng)科技迅速發(fā)展對(duì)復(fù)合型人才的需求。由于本課程涉及學(xué)科較為廣泛，內(nèi)容更新較快，此前的考試方式難以體現(xiàn)學(xué)生的能力，為此，課程考查方式選擇了論文寫作。學(xué)生圍繞“納米科技與人類生活”，在建議主題中選取個(gè)人感興趣的角度，查找資料，完成一篇論文。在課程結(jié)束后，專門安排時(shí)間對(duì)學(xué)生的論文寫作進(jìn)行指導(dǎo)，尤其是寫作方法、格式規(guī)范、數(shù)據(jù)庫使用等。通過論文寫作，學(xué)生能夠通過專業(yè)數(shù)據(jù)庫對(duì)生活中某種納米技術(shù)進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，在資料整理與論文撰寫過程中，學(xué)生分析當(dāng)前納米技術(shù)存在的問題，結(jié)合自身專業(yè)知識(shí)提出解決思路，從而提升學(xué)生思考問題與解決問題的綜合能力。同時(shí)，課程論文的寫作要求與本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的前言部分基本相同，能為他們進(jìn)行下一階段學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。

綜上所述，納米科技是當(dāng)前研究最為活躍、發(fā)展最為迅速的交叉學(xué)科，其內(nèi)容覆蓋面寬，知識(shí)更新快。納米科學(xué)與技術(shù)課程是理工科本科生重要的專業(yè)課，對(duì)于拓展知識(shí)面和增強(qiáng)綜合能力具有重要意義。多年的教學(xué)實(shí)踐表明，將納米科技發(fā)展史融入教學(xué)內(nèi)容，把前沿進(jìn)展與基礎(chǔ)理論緊密結(jié)合，充分利用形象化的教學(xué)方式，結(jié)合課程論文的考查方式，能夠有效提高納米科學(xué)與技術(shù)課程的教學(xué)效果和學(xué)生的綜合能力。