新工科背景下《納米材料導論》的教學改革

王波，趙磊，劉鮑，張宇，沈宇華

（東北電力大學 理學院，吉林 吉林）

一 引言

納米材料是指在納米量級（1～100 nm）內(nèi)調控物質結構制成具有特異功能的新材料，其三維尺寸中至少有一維小于100 nm，且性質不同于一般的塊體材料。納米材料因其物理及化學特性十分優(yōu)良，以及表現(xiàn)出一系列新異的聲、光、熱、電、力、磁等方面特殊的性質，經(jīng)過多年發(fā)展，如今納米材料在各個領域都有著廣泛的應用，如國防、電子、化工、建材、醫(yī)藥、航空、能源、環(huán)境及日常生活用品中等，這些都體現(xiàn)出納米材料重要的應用價值及其潛在的發(fā)展?jié)摿1-7]。自發(fā)現(xiàn)納米材料開始，人們對物質世界的認知能力拓寬到微觀和宏觀的中間范圍，同時納米材料的發(fā)現(xiàn)也對人們認識自然、利用自然和改造自然產(chǎn)生了深遠的影響[4,8]。納米材料導論課程是一門綜合性交叉課程，涉及到物理、化學、材料等多個領域的多個方面，不僅內(nèi)容復雜豐富而且更新較快，這對于教師的講授和學生對新知識的接受都是一個巨大的挑戰(zhàn)，所以對該課程進行重新的設計便成了首要的任務。在納米材料導論課程的教學中，主要針對教學內(nèi)容、教學方法和考核方式三個方面進行教學改革。教學內(nèi)容包含納米材料的概述、納米材料的制備、納米材料的分析與表征、能源方面的應用和其他方面的應用；教學方法包含板書講授、多媒體講授、翻轉課堂、實驗教學和課后輔助；考核方式包含平時成績、論文成績、考試成績和實驗成績。納米材料導論課程教學改革的詳細方案見圖1。

圖1 納米材料導論課程教學改革的內(nèi)容

二 教學內(nèi)容的選擇

教學內(nèi)容主要是根據(jù)唐元洪教授主編的《納米材料導論》教材進行講解，介紹納米材料的相關概念、發(fā)展歷史，納米材料的制備方法、分析與表征及其應用，以及各國對納米材料的發(fā)展規(guī)劃和納米材料產(chǎn)業(yè)化前景，并總結納米材料的最新研究進展。教學內(nèi)容豐富完整，但對于我校新能源材料與器件專業(yè)本科生來說，這門課程屬于專業(yè)選修課，只有32 學時。此外，為了適應國家新能源材料方面的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，教學以光伏電池、鋰電池等材料的制備與器件的設計為主要方向，強化物理及化學基礎，突出材料與器件結合，形成以材料學、物理學、化學等多學科交叉的新興專業(yè)。所以對于納米材料導論課程的教學，應該著重于納米材料的制備及其在能源方面的應用這兩部分內(nèi)容講授。

教學過程中讓同學們在了解納米材料的相關概念及發(fā)展歷史后，重點講述納米材料的制備和納米材料在能源方面的應用。由于納米材料是合成器件的基礎，所以本課程中主要講授納米材料的制備過程，分別介紹零維、一維、二維和三維塊體材料的制備方法。根據(jù)已經(jīng)了解的制備方法，掌握每個維度下2 ～3 種材料的制備過程，熟悉不同材料的制備流程，鞏固所學的制備方法。這為學生實驗課的學習打下堅實的理論基礎。此外，納米材料在能源方面的應用相關于本專業(yè)的教學方向以及當下國家新能源戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，因此在能源方面主要介紹了納米材料在生物燃料電池、太陽能電池、超級電容器和儲能這四個方面的應用。該部分的介紹有利于同學們將專業(yè)課程內(nèi)容與之結合，并拓展自己課程設計、畢業(yè)設計及后續(xù)的科學研究。還能夠為國家培養(yǎng)具有新能源專業(yè)相關知識背景的人才。

對于納米材料的分析與表征、納米材料在其他領域的應用等方面，則根據(jù)本專業(yè)的需求側重講解。其中納米材料的分析與表征部分簡要介紹電子顯微鏡（掃描電子顯微鏡 SEM、透射電子顯微鏡 TEM）、掃描探針顯微鏡（掃描隧道顯微鏡 STM、原子力顯微鏡 AFM）、X 射線衍射分析（XRD）和光譜技術（紅外光譜 IR、拉曼光譜 Raman、X 射線光電子能譜 XPS 和核磁共振光譜 NMR）。其他領域的應用中簡要介紹一下納米材料在電子學、磁學、傳感器、生物醫(yī)學、環(huán)境工程、化工、航空航天等中的應用。所以在教學內(nèi)容的選擇上，與本專業(yè)相關的內(nèi)容，在授課過程中有重點、有突出地詳細講授，而其它非重點內(nèi)容進行了略講。這有利于教師在有限的教學學時內(nèi)合理分配教學任務，更利于學生在教學過程中對于所學知識的理解和掌握。具體納米材料導論課程的授課內(nèi)容見圖2。

圖2 納米材料導論課程的授課內(nèi)容

三 教學方法的改革

納米材料導論課程作為一門專業(yè)選修課，與其他的課程相比較，有著自己獨特的特性。因此在授課過程中，傳統(tǒng)的板書模式或多媒體授課方式似乎并不完全適用于此。若完全以板書模式授課，文字敘述較多，樣品形貌、分析與表征的方法和應用都無法直觀描述，課程會相對枯燥乏味，無法充分調動同學們的學習熱情和積極性。而在授課過程中完全采用多媒體的形式進行講解，文字配上圖片，可以讓同學們更加立體地理解納米材料的相關知識，了解其最近的研究進展和研究現(xiàn)狀，增添課堂的生動性與趣味性，同時還可以調動學生學習的興趣。但上課過程中內(nèi)容較多，學生抓不到重點知識，不利于學習對概念的掌握和對新知識點的全面了解，也不利于學生期末考試復習。因此，在講授過程中可以采用板書和多媒體結合的授課方式，課程中整體的知識脈絡呈現(xiàn)在板書中，多媒體主要結合納米材料的發(fā)展歷史和最新發(fā)展現(xiàn)狀（新概念、新知識、新進展），配合FLASH 動畫或者短視頻播放，課程將繪聲繪色、生動有趣。

板書作為一種重要的教學手段，它能夠將一節(jié)課的知識脈絡直觀地呈現(xiàn)出來，教學過程中的重點和難點知識也能在板書中清楚展現(xiàn)，課程結束時通過板書中的教學內(nèi)容有效地進行課程小結，利于學生理清本節(jié)課的學習內(nèi)容，幫助學生回顧和掌握所學內(nèi)容，更方便學生課后復習。多媒體講授的過程中引入納米材料的發(fā)展歷史，通過對材料發(fā)展歷史的學習，能夠讓學生了解人類文明的發(fā)展史，了解工業(yè)革命的發(fā)展進程，讓學生學習利用材料、制造材料和創(chuàng)新材料。多媒體講授中還可以引入新聞報道和紀錄片，這有利于進一步了解我國在材料技術方面與發(fā)達國家存在的差異，提高學生知識運用能力和國情意識，激發(fā)學生的學習熱情和愛國情懷，又可以便于老師將知識更立體地呈現(xiàn)出來。與此同時，結合課程所學內(nèi)容和本專業(yè)的特點，開展與本門課程相關的實驗教學，實驗題目主要設置納米材料的制備和分析與表征方面的知識點，既可以讓學生鞏固學習納米材料的課程內(nèi)容，又讓學生實際動手操作，大大提高了學生們對知識點的理解和掌握。同時還能培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，有利于學生形成科學探究能力。此外，課堂作業(yè)布置為當下最前沿的科技問題的調研，以達到開闊學生眼界的目的，在下一堂課程中讓同學們對調研結果進行匯報展示，在鍛煉學生自學能力的同時，還能增加同學們之間的互動性。最后，推薦一些資源讓同學們通過自主查詢、訂閱、瀏覽的方式輔助學習本門課程。進一步調動學生課后學習的興趣，增加學生的閱讀量。在教學過程中采用板書、多媒體、實驗、翻轉課堂等方法進行混合式教學，這能夠發(fā)揮教師在教學過程中的引導、啟發(fā)、監(jiān)控等主導作用，同時提高學生在學習過程中的積極性、主動性和創(chuàng)造性。具體納米材料導論課程的教學方法見圖3。

圖3 納米材料導論課程的教學方法

四 考核方式的變革

傳統(tǒng)的考核方式中包含考勤和課堂表現(xiàn)、主題報告、作業(yè)以及期末試卷考試[9]。納米材料導論課程全新的授課模式需要提供全新的考核方式。最終成績由平時成績、論文成績、考試成績和實驗成績組成。第一部分：平時成績包括平時作業(yè)、隨堂測驗、課堂討論，主要考核學生對每階段或每堂課知識點的復習、理解和掌握程度。該部分有利于提高學生課堂學習的效率和課后的復習能力。第二部分：論文考核，即根據(jù)老師給出的題目或學生自擬的題目，在規(guī)定的時間內(nèi)完成一篇綜述性論文的寫作。主要考核學生通過自己的學習對納米材料相關內(nèi)容的概述，更重要的是讓學生學會利用圖書館資源庫或其它渠道查閱相關文獻或者書籍，獨自完成一篇科技論文的撰寫。該部分是一名大學生必備的技能。在查閱的過程中，學生會接觸到關于納米材料科技最前沿的知識，不僅可以提高學生對這一門課程的興趣，更能提高學生們對科技的探索熱情，還可以為學生畢業(yè)設計的書寫，以及后續(xù)的科研之路打下良好的基礎。第三部分：卷面考試占一部分比重，筆試有助于檢驗學生對最基本概念的掌握情況，試卷以基礎知識點的記憶考查為主，采用閉卷的方式。閉卷考試可以促使學生平時用功學習，上課認真聽講，該記住的一定要記住，不能對書本產(chǎn)生依賴或存在僥幸心理。有利于培養(yǎng)學生的識記和背誦能力。最后一部分：實驗成績，本部分結合課上講述的內(nèi)容設計相應實驗內(nèi)容，實驗成績中包含操作分數(shù)和報告分數(shù)。主要考核學生對課堂知識點的理解能力和實際的動手能力。培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，有利于體會科學研究精神。具體的考核方式見圖4。希望可以通過這些考核方式鍛煉學生各方面的綜合能力。

圖4 納米材料導論課程的考核方式

五 結語

納米材料導論是一門諸多學科交叉課程，而新能源材料與器件專業(yè)也是一個諸多學科交叉的新興專業(yè)，所以對本專業(yè)的學生開展這一門課程的教學是非常有必要的。該課程的內(nèi)容十分豐富，在較多方面也與本專業(yè)有著緊密的聯(lián)系，因此希望通過全新的教學方式讓同學們在該課程的學習過程中收獲更多。此外，通過對該門課程的改革，加上在日常授課過程中對經(jīng)驗的不斷總結，達到為國家培養(yǎng)高質量高素質新型科技人才的目標。