《納米材料與技術(shù)》教學(xué)改革探索*

魏顯起，徐錫金，黃金昭，丁 夢

(濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 濟南 250022)

作為一門新興科學(xué)，納米科技在材料、能源、信息等領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用，成為世界先進國家爭奪的戰(zhàn)略制高點.納米科技是一門多門類交叉學(xué)科，其發(fā)展過程伴隨著新概念、新理論、新技術(shù)和新方法的不斷涌現(xiàn)[1, 2].納米科技面臨著原始創(chuàng)新的機遇與挑戰(zhàn)，尤其是納米科技正在將微制造推向納制造與納加工的前沿，各種材料產(chǎn)品正從微尺度向納尺度悄然轉(zhuǎn)變.納米科技將給信息、能源、軍事、材料的生產(chǎn)與加工帶來深刻的變革.因此，納米科技作為前沿戰(zhàn)略科技，在世界范圍內(nèi)已開展了廣泛的研究和應(yīng)用[3].

對納米科技起決定性支撐作用的納米材料學(xué)是一門既年輕又年邁的學(xué)科.因為它既有悠久的歷史，也是近十幾年才形成的獨立的學(xué)科體系.納米材料是在納米尺度(1～100 nm)內(nèi)調(diào)控物質(zhì)結(jié)構(gòu)而形成的具有特異性能的材料，包括無機、有機、金屬及生物材料等，其內(nèi)涵豐富，研究范圍寬廣.研究納米材料，即研究材料性能與物理、化學(xué)、生物、信息等內(nèi)在關(guān)系，從本質(zhì)上探索物質(zhì)的結(jié)構(gòu)形態(tài)等對性能的影響，進而研究如何制備優(yōu)異性能的納米材料和納米器件的方法、檢測和分析納米材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等[4].作為納米科技基礎(chǔ)，納米材料近年來已成為熱門的研究領(lǐng)域之一.其熱點集中在能對經(jīng)濟、技術(shù)及科學(xué)產(chǎn)生巨大影響的若干領(lǐng)域，如半導(dǎo)體芯片、新納米材料與器件的利用、納米新現(xiàn)象的應(yīng)用等[5].近年來，我國把納米材料的研發(fā)提到了戰(zhàn)略位置，實現(xiàn)了在該領(lǐng)域的跨越式發(fā)展.近數(shù)十年來，國內(nèi)大部分院校及科研機構(gòu)進行了納米材料研究，部分高校甚至專門建立納米科技研究院.國家也設(shè)立了納米中心和蘇州納米材料與納米仿生研究所.目前，國家基金、科技計劃等對納米材料的研究投入逐年提高.國內(nèi)大部分高校，如北京大學(xué)、清華大學(xué)、山東大學(xué)、南京理工大學(xué)、濟南大學(xué)等增設(shè)了納米材料與技術(shù)相關(guān)研究機構(gòu)和專業(yè)教學(xué)課程[6, 7]，國外大部分大學(xué)也開設(shè)了納米材料與技術(shù)這一課程；但由于各學(xué)校的教學(xué)側(cè)重點的差異，在教學(xué)中如何兼顧學(xué)生的理論知識基礎(chǔ)及課程體系，更好的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，切實提高該課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，是目前各高校教師在授課過程中亟需解決的問題.《納米材料與技術(shù)》為我校物理學(xué)專業(yè)本科生和研究生開設(shè)的一門專業(yè)選修課，通過該課程的學(xué)習(xí)，目的是使學(xué)生掌握納米材料的基本理論、制備方法、特性研究、表征技術(shù)、納米材料的應(yīng)用及一些新型納米材料應(yīng)用；使學(xué)生提高對納米前沿科技發(fā)展領(lǐng)域的了解和認(rèn)識，培養(yǎng)科研思維和創(chuàng)新能力；為培養(yǎng)有綜合素質(zhì)，創(chuàng)新意識和能力的人才打下堅實的基礎(chǔ).基于多年的《納米材料與技術(shù)》教學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合專業(yè)特點，對本課進行了幾方面的教學(xué)改革.

1 教學(xué)內(nèi)容的更新

納米材料與技術(shù)涉及物理、化學(xué)、材料、生物等，屬于多門類交叉學(xué)科.根據(jù)物理專業(yè)特點和濟南大學(xué)研究生的研究方向，科學(xué)選取教學(xué)內(nèi)容尤其重要.參考各種教材，本教學(xué)內(nèi)容以汪信、劉孝恒《納米材料學(xué)》為主，以曹茂盛等《納米材料導(dǎo)論》、劉吉平《納米科學(xué)與技術(shù)》等為輔助資料，重點開設(shè)了以下主要內(nèi)容：(1)納米材料緒論， (2)納米材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)， (3)納米材料的制備方法， (4)納米材料的表征技術(shù)， (5) 納米材料的應(yīng)用，(6)自組裝與超分子結(jié)構(gòu)，(7)幾種典型的新型材料.在科學(xué)選擇基礎(chǔ)知識的前提下，注意拓展知識，將最新成果及前沿問題引入課堂極其重要，如通過專題討論、講座、交流參觀等與教學(xué)內(nèi)容相互補充，通過基礎(chǔ)知識和教學(xué)內(nèi)容的更新，更好的拓展了學(xué)生視野，培養(yǎng)了學(xué)習(xí)興趣，提高了研究能力.

2 教學(xué)方法和手段的改革

2.1 在傳統(tǒng)教學(xué)基礎(chǔ)上進一步改革教學(xué)方法

采用新穎的教學(xué)模式，如參觀教學(xué)法，任務(wù)驅(qū)動法等.在參觀教學(xué)方法中充分利用現(xiàn)有實驗室通過設(shè)置任務(wù)，利用參觀形式達(dá)到教學(xué)目的.目前可依托新能源材料與器件實驗室、納米自旋電子材料與器件科研團隊實驗室、激光實驗室等.教師還可將自己的科研和教研成果，結(jié)合最新的科技成果引入到教學(xué)中，向?qū)W生介紹納米材料在科研、教學(xué)和生活中的應(yīng)用；將科技發(fā)展中的新能源、新材料的應(yīng)用貫穿于教學(xué)過程.如光催化材料的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用，鋰離子電池、超級電容電極材料的應(yīng)用等.

2.2 注意挖掘新型教學(xué)內(nèi)容

采用先進的教學(xué)手段，鼓勵學(xué)生創(chuàng)新，讓學(xué)生自己改造或設(shè)計演示內(nèi)容及設(shè)計等.為配合理論教學(xué)，教師在課堂上除采用多媒體教學(xué)、演示視頻、動畫演示之外，適當(dāng)?shù)亟槿胍恍┡c教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的視頻片段、科研論文和科學(xué)大家的報告，如薛其坤在納米材料領(lǐng)域的報告等，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.這些輔助手段使教學(xué)內(nèi)容形象化，學(xué)生既輕松學(xué)習(xí)了知識，又拓展了知識面.同時，借助方便的宿舍和教室上網(wǎng)條件，向?qū)W生及時推薦網(wǎng)絡(luò)視頻等.

2.3 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，注重教給學(xué)生科學(xué)的思維方法

借助已有的實驗儀器和學(xué)生創(chuàng)新實驗室進行實驗創(chuàng)新，大力開展第二課堂教學(xué)，鼓勵學(xué)生進行創(chuàng)新實踐.課題組的老師已帶領(lǐng)學(xué)生在這方面做了大量工作，取得了可喜成績，許多學(xué)生在國家及省級科創(chuàng)比賽中獲獎.該方式培養(yǎng)了學(xué)生基本的實驗操作能力，增強學(xué)生的實踐動手能力，既鞏固學(xué)生的理論知識，又培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新能力.借此教學(xué)方法，在闡述一些重要實驗、概念、規(guī)律、理論時，以提出問題、抓住要害、克服困難、尋找聯(lián)系、揭示本質(zhì)的歷史過程為主軸，向?qū)W生展現(xiàn)科學(xué)發(fā)展的曲折過程及必由之路.這部分內(nèi)容大多輔以視頻資料、高水平論文，向?qū)W生展示科學(xué)家的科學(xué)思維方法及為科學(xué)執(zhí)著追求的精神.

2.4 大膽嘗試新的教學(xué)方法

采用翻轉(zhuǎn)式、網(wǎng)絡(luò)和激勵式教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生對前沿科學(xué)的興趣.在翻轉(zhuǎn)教學(xué)中，針對不同學(xué)生的興趣、科研方向，對學(xué)生提出的教學(xué)內(nèi)容進行指導(dǎo)，鼓勵學(xué)生嘗試和設(shè)計新的與科研課題相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容.學(xué)生參與教學(xué)，教學(xué)過程中，學(xué)生自由選擇或教師安排部分內(nèi)容讓學(xué)生自己準(zhǔn)備，然后通過PPT講解，如納米材料電子學(xué)、鋰離子電池材料、納米材料磁學(xué)、拓?fù)浣^緣體、光催化材料等；學(xué)生分組討論、問答等.在教學(xué)過程中，通過隨時查詢最新的科技動態(tài)，對解決課堂問題提供了很好的輔助作用.本課程開設(shè)了自己的教學(xué)網(wǎng)站，在網(wǎng)站上有本課程的全部教學(xué)課件.網(wǎng)站上學(xué)生不僅可以復(fù)習(xí)老師上課的內(nèi)容，隨時下載課件、參考資料、習(xí)題解答，還可以觀看動畫短片、科學(xué)家視頻等學(xué)習(xí)相關(guān)的擴展知識，從而為自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造了有利條件.同時進一步加大多種媒體教學(xué)體系，充分利用互聯(lián)網(wǎng)信息進行教學(xué)，例如，疫情期間的QQ會議、騰訊會議、丁丁教學(xué)等網(wǎng)上教學(xué)發(fā)揮了重要作用，并取得了很好的效果.

總之，在課程內(nèi)容設(shè)計上，既重視基礎(chǔ)內(nèi)容，又通過將教師科研成果、教研成果及最新科技成就的及時引入，給課程內(nèi)容注入新鮮血液.演示視頻、論文和科學(xué)家內(nèi)容的加入，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了科學(xué)思維方法及對科學(xué)執(zhí)著追求的精神.

3 考核方式的改革

傳統(tǒng)的教學(xué)成績評定方式大多為總成績由兩部分構(gòu)成，即期末考試成績(約占70%)和平時成績(約占30%).此種成績評定方式會使學(xué)生在考試前突擊學(xué)習(xí)，導(dǎo)致課堂聽課率下降，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提高，更不利于創(chuàng)新能力培養(yǎng).針對《納米材料與技術(shù)》課的特點，我們改革了傳統(tǒng)的考核方式.降低期末考查成績權(quán)重至50%或40%，提高平時成績至50%以上.期末考查方式采用試題或大作業(yè)形式，而平時成績由課堂考勤、課堂提問、課后作業(yè)、課內(nèi)討論、小組匯報討論、論文答辯等組成，每項給出一定分值.如在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)過程中，教師根據(jù)內(nèi)容或?qū)ｎ}的準(zhǔn)備情況，PPT的制作、講解、學(xué)生分組討論、回答情況等給出分值.學(xué)生平時成績由這些所有過程成績匯總形成.

4 結(jié)語

由于納米科技是一門新興學(xué)科，涉及領(lǐng)域廣泛，是前沿研究領(lǐng)域之一，與學(xué)生研究領(lǐng)域密切相關(guān).通過教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、評價方式的改革，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性高，教學(xué)效果明顯.從教學(xué)反饋來看，認(rèn)為任課教師教學(xué)內(nèi)容處理得當(dāng)，基本內(nèi)容與重點突出，能在教學(xué)中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，使學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識的同時，也得到科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng).任課教師還能夠適當(dāng)拓展納米材料及相關(guān)領(lǐng)域的科技成果和前沿研究，拓展學(xué)生的知識面，得到廣大學(xué)生的贊賞.《納米材料與技術(shù)》課程也被評為校級精品課.