基于實(shí)踐的納米材料學(xué)教學(xué)研究

施敏杰，華匯慧

（江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212028）

0 引言

與物理、數(shù)學(xué)等單獨(dú)學(xué)科不同，材料科學(xué)是一門交叉學(xué)科，其涉及面十分廣泛，很難對(duì)材料學(xué)的研究對(duì)象予以明確定義[1-2]。但材料科學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，其重要性不言而喻。國家在大力發(fā)展材料科學(xué)的同時(shí)，也逐步加大對(duì)納米材料科學(xué)教育的投入和發(fā)展，相繼在其領(lǐng)域形成了完備的人才培養(yǎng)體系，如納米材料制備、納米結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用、納米的普學(xué)研究等。納米材料學(xué)科的創(chuàng)新伴隨著新理念和新思想的誕生，隨著納米材料學(xué)科發(fā)展，其科研、教學(xué)均獲得了較大的成績，從系統(tǒng)性、梯度性、多維性、實(shí)踐性等多角度形成體系，并對(duì)人才培養(yǎng)起到了良好作用[3]。然而，納米材料學(xué)不僅是基礎(chǔ)學(xué)科，還注重工程實(shí)踐性，涉及材料的制備和使用，在缺乏實(shí)踐的環(huán)境下，如何推動(dòng)發(fā)展該學(xué)科的教學(xué)工作是當(dāng)前教育工作者關(guān)注的重點(diǎn)問題。

目前就業(yè)形勢(shì)要求在人才培養(yǎng)上做到“懂理論、能實(shí)踐、會(huì)創(chuàng)新”，基于材料科學(xué)的特點(diǎn)，文章將從納米材料學(xué)特點(diǎn)、教學(xué)特征方面出發(fā)，分析當(dāng)前的教學(xué)現(xiàn)狀和學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合實(shí)踐構(gòu)建理論與實(shí)踐結(jié)合的學(xué)科體系。

1 納米材料學(xué)科特點(diǎn)

納米材料學(xué)科是凝聚態(tài)物理與膠體化學(xué)等綜合在一起的交叉學(xué)科，具有廣泛的科研應(yīng)用前景。其要求學(xué)習(xí)掌握基本的納米材料物、化知識(shí)理論，又需要具備實(shí)踐上的創(chuàng)新與應(yīng)用，能夠解決現(xiàn)實(shí)需求問題。在納米材料學(xué)當(dāng)前的就業(yè)環(huán)境下，對(duì)學(xué)生在專業(yè)制備、結(jié)構(gòu)性能分析以及材料開發(fā)與應(yīng)用上的能力要求越發(fā)提升，這就需要在教學(xué)過程中通過實(shí)踐教學(xué)著重進(jìn)行培養(yǎng)[4]。納米材料研究至今，已發(fā)現(xiàn)其具備一些重要特性，包括材料表面與界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及一些伴生的光學(xué)特性。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，材料的表面與界面效應(yīng)被應(yīng)用于分離、催化、乳化等等，因此可利用其物理、化學(xué)活性特點(diǎn)開展符合工業(yè)生產(chǎn)需求的工藝處理；小尺寸效應(yīng)對(duì)納米材料產(chǎn)生光、熱、磁、導(dǎo)等方面的影響，并廣泛應(yīng)用于各類集成電路、物理實(shí)驗(yàn)；光學(xué)上，納米材料對(duì)光的散射、吸收及轉(zhuǎn)換也被運(yùn)用于生物領(lǐng)域和有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域。因此，納米材料學(xué)從基礎(chǔ)理論到應(yīng)用探索，可細(xì)分為不同方向，從理論到實(shí)踐的第一步是對(duì)納米材料進(jìn)行制備。在納米材料制備中，往往通過物理或化學(xué)方法進(jìn)行，已有較為成熟的方案，可充分利用熱能、壓力、真空、結(jié)晶、氣凝等多種物理方法，也采用穩(wěn)定劑參加化學(xué)反應(yīng)來制備。在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，或多或少會(huì)受到教學(xué)條件限制，無法開展較為全面的制備學(xué)習(xí)實(shí)踐。同時(shí)，實(shí)踐教學(xué)的人才培養(yǎng)模式難以滿足當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度要求的創(chuàng)新及競(jìng)爭(zhēng)力需求，因此在人才質(zhì)量、人才數(shù)量上還有很大提升空間，特別是針對(duì)納米材料學(xué)這類以理論為基礎(chǔ)，以工程實(shí)踐為核心的綜合性學(xué)科。

整體情況上，納米材料學(xué)的實(shí)踐教學(xué)呈現(xiàn)了如同其學(xué)科一般的交叉特點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以實(shí)踐教學(xué)為核心目標(biāo)，受課程體系、教學(xué)方式、師資力量、軟硬件條件影響，且其本質(zhì)是受教育大環(huán)境下的實(shí)踐教育觀點(diǎn)、創(chuàng)新人才培養(yǎng)體制、教育資源的分配及產(chǎn)學(xué)研合作力度影響的，呈現(xiàn)了較為復(fù)雜的特性。所以在開展這一學(xué)科的實(shí)踐教學(xué)時(shí)，不得不認(rèn)真分析其教學(xué)特征，以找到最適合實(shí)踐教學(xué)發(fā)展的方法。

2 納米材料學(xué)教學(xué)特征

納米材料教學(xué)大綱涵蓋了其發(fā)展簡史、材料的重要特性、材料的制備、結(jié)構(gòu)分析、晶體學(xué)、磁學(xué)及光電學(xué)，同時(shí)還應(yīng)對(duì)重要的納米材料進(jìn)行專門講解，再通過現(xiàn)有的材料應(yīng)用案例進(jìn)行剖析，以形成從理論到實(shí)踐的全程教學(xué)。其教學(xué)目的是對(duì)納米材料知識(shí)進(jìn)行了解，并拓寬學(xué)生在專業(yè)上的知識(shí)面，為今后從事相關(guān)行業(yè)的工作和科研打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，并從概念、性質(zhì)、性能以及制備等方面了解納米材料的實(shí)際應(yīng)用。

從教學(xué)內(nèi)容上看，納米材料在基本概念、研究方向、研究手段以及發(fā)展歷程都做了詳細(xì)的描述，可讓學(xué)生從點(diǎn)及面，逐步了解。同時(shí)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)分析和性能分析，有助于學(xué)生掌握現(xiàn)有納米材料的一般特性，并學(xué)會(huì)歸納總結(jié)，加深其對(duì)學(xué)科的認(rèn)識(shí)理解。此外，教學(xué)內(nèi)容中涉及了納米材料的各類物、化特性，能夠讓學(xué)生從宏觀角度理解納米材料的研究價(jià)值、涉及的納米材料結(jié)構(gòu)特征及觀察，能夠讓學(xué)生從微觀角度理解各類結(jié)構(gòu)的特征及其用途。在理解基本概念后，教學(xué)大綱一般要求開展一些常見的納米材料制備方法及其基本特性，在此階段占據(jù)一半以上的教學(xué)時(shí)長，因此作為實(shí)踐環(huán)節(jié)，此階段是開展實(shí)踐教學(xué)的重要組成，決定了學(xué)生是否能形成體系化的納米材料知識(shí)體系。物質(zhì)層次劃分的教學(xué)內(nèi)容，往往是納米材料學(xué)科的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，而結(jié)合實(shí)踐的講解能讓學(xué)生從直觀角度觀察微觀的納米材料特性，逐步掌握相關(guān)理論知識(shí)。

從教學(xué)考核上看，從單一的以考試成績?yōu)楹诵牡慕虒W(xué)考核指標(biāo)，逐步發(fā)展成全景式精準(zhǔn)教學(xué)考核評(píng)估，其包括了對(duì)教師的教學(xué)管理能力、學(xué)生的學(xué)習(xí)管理能力及學(xué)科創(chuàng)新發(fā)展能力等多維度考核。在教學(xué)管理能力考核上，通過課前、課中、課后三個(gè)階段進(jìn)行考核。如課前開展教學(xué)計(jì)劃考核，通過對(duì)教案、課堂教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)質(zhì)量、學(xué)生反饋情況、學(xué)生考試成績等方面綜合評(píng)定其計(jì)劃完成情況，并以此確定課前教學(xué)管理能力。課中根據(jù)月度檢查表檢查備課質(zhì)量以及課堂行為、教學(xué)效果，明確是否按照既定教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點(diǎn)、教學(xué)過程及方法執(zhí)行，最終再根據(jù)學(xué)生評(píng)測(cè)結(jié)果綜合評(píng)定其課中考核結(jié)果。課后則依托于課后作業(yè)，包括實(shí)踐和非實(shí)踐類作業(yè)，從數(shù)量、質(zhì)量上綜合考量，開展學(xué)期中、末的考試與質(zhì)量評(píng)定，并依據(jù)計(jì)劃、總結(jié)最終形成該學(xué)科的考核情況。由此可見，開展納米材料學(xué)科考核評(píng)定，最重要的是計(jì)劃與執(zhí)行，采用多元化方式開展綜合性的教學(xué)考核，與培養(yǎng)復(fù)合型人才的目標(biāo)一致性強(qiáng)，有助于教師、學(xué)生雙方積極參與課程，并明確課程學(xué)習(xí)成果，有序完成既定計(jì)劃。

3 基于實(shí)踐的教學(xué)構(gòu)建

為了建立基于實(shí)踐的納米材料學(xué)教學(xué)體系，需從構(gòu)建的目標(biāo)、基礎(chǔ)以及模式上展開工作，明確最終的人才培養(yǎng)目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所需的硬件、軟件資源，最終通過創(chuàng)新模式形成獨(dú)特的教學(xué)體系。

3.1 構(gòu)建的目標(biāo)

納米材料學(xué)從三個(gè)維度進(jìn)行階段目標(biāo)構(gòu)建，而總體目標(biāo)是培養(yǎng)具備扎實(shí)理論、動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維的復(fù)合型人才。在第一階段的維度是知識(shí)與技能目標(biāo)。知識(shí)與技能目標(biāo)是依托當(dāng)前納米材料學(xué)發(fā)展的前沿技術(shù)和知識(shí)，創(chuàng)建納米材料歷史發(fā)展、材料的制備技術(shù)、材料的結(jié)構(gòu)探究、特殊材料的合成技術(shù)、材料的物、化特性以及一些材料的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。因此，在這一階段的主要工作是將事實(shí)性知識(shí)、概念性知識(shí)、程序性知識(shí)、元認(rèn)知知識(shí)進(jìn)行理解記憶并分析應(yīng)用。教師在開展教學(xué)時(shí)要以此為主線，構(gòu)建階梯式的課堂教學(xué)內(nèi)容，并在課堂上延申展開，引入實(shí)踐環(huán)節(jié)。例如在開展納米材料的制備教學(xué)時(shí)，介紹一些依靠物理、化學(xué)方法能進(jìn)行制備的納米材料，并深入其原子特性，逐步結(jié)合物理和化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，完善學(xué)生對(duì)材料制備原理的理解，再結(jié)合加熱制備、氣凝制備等常見的方法開展實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生積極參與到實(shí)踐活動(dòng)，并不斷鞏固其理論知識(shí)，此時(shí)的理論和實(shí)踐課時(shí)比例可按一比一設(shè)置。當(dāng)介紹等離子體方法制備納米材料時(shí)可以結(jié)合制備的視頻從理論到實(shí)踐進(jìn)行講解，減少因?qū)嶒?yàn)條件缺乏導(dǎo)致的知識(shí)抽象問題，大幅完善了學(xué)生的直觀體驗(yàn)。在第二階段的維度是過程與方法目標(biāo)，即將知識(shí)進(jìn)行建模，按照學(xué)生掌握的知識(shí)進(jìn)行自主分析、分類與總結(jié)。如在每一章節(jié)知識(shí)學(xué)習(xí)完成后，開展基于實(shí)踐的知識(shí)分析，通過已有知識(shí)體系，舉一反三研究其余納米材料是否具備這些特性，并通過實(shí)踐進(jìn)行歸納總結(jié)，可通過小組任務(wù)開展的方式執(zhí)行這一過程，也讓學(xué)生在實(shí)踐過程中逐步掌握講授的方法，并形成其獨(dú)特的學(xué)習(xí)思路。仍然以材料制備為例，通過物理和化學(xué)制備，讓學(xué)生能掌握由上至下和由下至上的制備分類，當(dāng)采用機(jī)械或物理方法進(jìn)行尺寸縮小時(shí)，可認(rèn)為是由上至下的制備過程，且這一過程要求材料必須具備某一維度的納米尺寸特性，當(dāng)采用原子、分子級(jí)別的材料制備時(shí)，大多采用化學(xué)方法進(jìn)行沉積、乳化等方式制備。學(xué)生通過多次自主引導(dǎo)實(shí)踐，完全可以不通過教師的講授掌握這一歸納原則，效果要強(qiáng)于直接講授。在第三階段的維度是意義與價(jià)值目標(biāo)，即學(xué)有所用，學(xué)有所成。在進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)后，學(xué)生不光需要獲得成績上的正向反饋，還需要得到價(jià)值反饋，這便是在最后一階段明確的價(jià)值目標(biāo)。

3.2 構(gòu)建的基礎(chǔ)

構(gòu)建基于實(shí)踐的納米材料學(xué)教學(xué)需要具備一定的硬件及軟件基礎(chǔ)。在硬件方面，可以通過教學(xué)改革契機(jī)采購相應(yīng)的專業(yè)設(shè)備、建立專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室等方法，讓實(shí)踐課程具備硬件基礎(chǔ)，并通過設(shè)備共享、對(duì)外開放引進(jìn)、對(duì)外交流等方式不斷進(jìn)行硬件補(bǔ)充，最終將有限的資金、資源不斷整合，通過經(jīng)濟(jì)核算讓設(shè)備產(chǎn)生最大價(jià)值。也可以通過科研形式，參與到大型科研項(xiàng)目中去，為項(xiàng)目輸送人才，并依托專業(yè)特色獲得基金支持，減少因資金問題導(dǎo)致的硬件條件不足。在軟件方面，可以通過吸收、培養(yǎng)、引進(jìn)、交流等方式，逐步形成專業(yè)的納米材料學(xué)科研、實(shí)踐團(tuán)隊(duì)，并建立“雙師”型人才培養(yǎng)體系，在校內(nèi)發(fā)展一批學(xué)科骨干，并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)不斷朝市場(chǎng)需求的人才培養(yǎng)模式上邁進(jìn)。同時(shí)，開展形式多樣的實(shí)踐交流活動(dòng)，如舉辦創(chuàng)新大賽、校企獎(jiǎng)學(xué)金等，通過對(duì)專業(yè)學(xué)子的正向引導(dǎo)，不斷提升其實(shí)踐參與的積極性，并在活動(dòng)中加深校園內(nèi)部、校與校之間、校企之間的合作交流。最終，通過軟件、硬件的提升，打造良好的納米材料學(xué)人才培養(yǎng)環(huán)境。

3.3 構(gòu)建的模式

要實(shí)現(xiàn)以實(shí)踐為基礎(chǔ)的納米材料學(xué)教學(xué)，必須構(gòu)建相應(yīng)的實(shí)踐型教學(xué)模式。首先，樹立現(xiàn)代教學(xué)的理念，即以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標(biāo)，以學(xué)生為本的核心理念，以市場(chǎng)為導(dǎo)向的培養(yǎng)方法。需從行政管理改革、教學(xué)改革、校園環(huán)境打造三個(gè)方面分別執(zhí)行，讓管理人員、教師服務(wù)于此目標(biāo)，讓學(xué)生明確其學(xué)習(xí)目標(biāo)。其次，要突破課堂，創(chuàng)建生活滲透的泛在式教學(xué)模式，讓教學(xué)的本質(zhì)回歸為學(xué)生自主學(xué)習(xí)，改變傳統(tǒng)教師主導(dǎo)的教學(xué)觀點(diǎn)，在教學(xué)過程中通過與學(xué)生的互動(dòng)交流，雙向傳導(dǎo)知識(shí)，并調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，主動(dòng)參與實(shí)踐并獲得正向激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)以興趣為導(dǎo)向的快樂學(xué)習(xí)模式。在課堂教學(xué)完成之后，將作業(yè)引入生活，并實(shí)現(xiàn)以應(yīng)用為導(dǎo)向的課后知識(shí)鞏固，如讓學(xué)生自主收集多種制備納米材料的方法，并依托開放性實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生隨時(shí)可以進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。最后，建立基于學(xué)生社交途徑的知識(shí)傳播路徑，如：校園微博、公眾微信等，將知識(shí)碎片化，同時(shí)在線上組織學(xué)生開展實(shí)踐相關(guān)的專業(yè)活動(dòng)，以此融入學(xué)生的課后生活，實(shí)現(xiàn)泛在學(xué)習(xí)。

4 結(jié)語

由于納米材料學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，要實(shí)現(xiàn)其基于實(shí)踐的教學(xué)體系構(gòu)建，必須從思想觀念上形成統(tǒng)一，即培養(yǎng)符合市場(chǎng)需求的創(chuàng)新型復(fù)合人才。要從學(xué)科特點(diǎn)上分析其教學(xué)痛點(diǎn)，并結(jié)合硬件、軟件資源的補(bǔ)充整合，形成以學(xué)生為本的人才培養(yǎng)環(huán)境。在當(dāng)前的材料學(xué)發(fā)展環(huán)境下，掌握納米材料技術(shù)是許多行業(yè)突破創(chuàng)新的重要切入點(diǎn)。所以，要結(jié)合市場(chǎng)發(fā)展與需求，不斷完善當(dāng)前的人才培養(yǎng)模式，提升納米材料學(xué)的專業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和師資水平，才能對(duì)學(xué)科創(chuàng)新起到促進(jìn)作用。最后，改革其學(xué)科考核評(píng)價(jià)體系也是學(xué)科發(fā)展的重要保障。