《納米材料科學與技術》課程教學探索

胡小詩，吳 炎，韓旭斌，羅德力，樊 陽，倪華良

(杭州電子科技大學材料與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310018)

近年來，納米材料與技術成為世界上發(fā)展最為廣闊的交叉研究前沿領域之一，也是推動世界各國經(jīng)濟發(fā)展的驅動力之一。由于極小的晶粒和大量處于晶界和晶粒缺陷中心的原子，納米材料展現(xiàn)出特異的力學、熱學、光學、電學、磁學及化學性能，從而被廣泛應用于材料、能源、環(huán)保、信息、微電子、國防和生物醫(yī)藥等領域[1]。納米材料的發(fā)展把人們對自然的認識延伸到介于微觀和宏觀之間的領域，所產(chǎn)生的技術變革也正在大大促進著傳統(tǒng)技術產(chǎn)業(yè)的升級和改造。隨著科技創(chuàng)新對提高我國經(jīng)濟技術和生活水平重要性的日益凸顯，納米材料科學與技術在高等教育階段相關專業(yè)的開展顯得尤為重要，培養(yǎng)新一代大學生的創(chuàng)新能力是我國強國戰(zhàn)略背景下的必然需求。本文結合本人的課程講授體會，針對納米材料科學與技術這門課程的課程特點，從課程內(nèi)容、教學方法和教學評價體系等方面進行了一系列的探索和優(yōu)化，爭取培養(yǎng)富有自主學習能力、創(chuàng)新素質(zhì)、國際視野的新時代高素質(zhì)專門人才。

1 《納米材料科學與技術》課程特點

首先，《納米材料科學與技術》是一門專業(yè)性、綜合性非常強的多學科交叉課程，課程內(nèi)容較多，主要涉及材料科學、化學、物理學和生命科學等學科的相關基礎理論和知識，且可應用于多種不同的前沿熱點領域，但課時有限，無法面面俱到[2]。其次，傳統(tǒng)的課堂授課模式不能達到創(chuàng)新性和實踐性都非常強的納米材料課程的預期教學目標。再次，自然界中雖然存在大量的具有納米結構宏觀物體，但由于納米材料的尺寸非常小，無法通過肉眼直觀看到。納米材料的特異的物理、化學性質(zhì)往往與傳統(tǒng)材料所表現(xiàn)出來的截然不同，這些對學生來講都是比較抽象的，理解起來相對困難的。另外，新興的納米材料知識更新速度較快，教材的更新速卻跟不上，因此采用單一的教材難以滿足教學需求，而且納米技術的快速更新對學生的知識面要求較高[3]，因此如何將最新的納米材料相關理論及技術融會貫通到課堂當中，不管對教師的講授還是對學生的理解都將存在巨大的挑戰(zhàn)。

2 優(yōu)化教學內(nèi)容

2.1 優(yōu)化教學內(nèi)容，增強教學內(nèi)容的針對性和實用性

根據(jù)課程教學目標，對現(xiàn)有教材內(nèi)容和課時分配進行優(yōu)化調(diào)整，突出重難點，增強教學針對性和實用性?！都{米材料科學與技術》課程的主要教學目標在于使學生了解納米科技的歷史、現(xiàn)狀和未來，系統(tǒng)掌握納米科技和納米材料的相關概念、基礎理論知識、合成制備方法、結構表征、分析測試方法、特性及產(chǎn)生優(yōu)異特性的主要原因，了解納米科技在環(huán)保、能源、醫(yī)療健康、日常生活等各種不同領域的應用，為以后研究新材料、新性能、新工藝打下良好基礎[4]。此外，通過本課程學習，使學生能夠應用課程所學的知識，理解分析學習和生活中遇到的與納米科技相關的事物，獲得外在知識和內(nèi)在素養(yǎng)的提高，讓學生深刻理解納米科技對當今和未來社會發(fā)展的重大意義，激發(fā)學生對納米科技持續(xù)關注和創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)熱情，能理性看待納米科技的利弊，激發(fā)學生建立起多學科交叉意識和國際化視野，通過宇宙尺度的介紹幫助學生建立正確的人生觀，樹立遠大的理想。傳統(tǒng)的講解方法是將以上幾部分內(nèi)容逐級展開，這樣講解的課程主題框架思路不夠鮮明。因此在教學過程中首先要明確重難點(例如納米材料的4個最主要的基本效應：表面與界面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應)，其次按照納米材料的不同性能(比如熱學、電學、磁學、光學、力學及化學性能)來設置不同的課程內(nèi)容，每個章節(jié)的內(nèi)容包括此類納米材料的結構組成、性能特點、合成制備方法、結構表征及其在相應領域的實際應用，這樣簡單統(tǒng)一的主體課程框架既便于學生的學習理解與記憶，同時也增加了課程內(nèi)容的針對性和實用性。

2.2 實踐教學和理論教學相結合

由于納米材料具有1100 nm的極小尺寸，不借助儀器設備無法進行觀察和研究，因此在納米材料科學與技術這門課程中，部分教學內(nèi)容，需要結合實驗教學才能獲得良好的教學效果，這也體現(xiàn)了分析測試在納米材料的研究和應用中具有極其重要的作用。例如，在課堂上講解納米材料的微觀形貌和結構表征的時候，首先教師可選擇最為常見的方法和設備進行介紹，包括掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、原子力顯微鏡(AFM)和超高分辨熒光顯微鏡等，對其基本原理進行介紹，通過提問、圖片、視頻等將原理進行深入淺出的講解，原理清楚了，學生對該方法的檢測特點、檢測內(nèi)容就自然明白了，從而能利用知識進行應用和分析，并介紹發(fā)明超高分辨熒光顯微鏡相關科學家莊小威等的故事，深厚的物理學功底幫助莊小威發(fā)明了超高分辨熒光顯微鏡，引出深厚的學科基礎和學科交叉的重要性。此外，教師可事先準備用作鋰離子電池正極材料的納米過度金屬嵌鋰化合物樣品，組織學生分組并在指導老師帶領下通過掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和原子力顯微鏡(AFM)直接觀察納米材料的分散性、顆粒大小及表面形貌，并補充講解不同的形貌特征可能會對鋰離子電池的電化學性能產(chǎn)生的影響，這樣理論和實踐、實際應用相結合不僅可以加深學生對相關知識的理解和掌握，還可以充分調(diào)動學生學習的積極性，激發(fā)學生的分析和獨立思考能力，并防止學生出現(xiàn)厭學情緒。雖然實踐教學所使用的儀器設備價格昂貴、操作方法復雜，但應該在不影響儀器正常的測試工作條件下盡量整合現(xiàn)有的教學資源實現(xiàn)實踐教學，這將大大提高學生的學習興趣、動手能力和團隊協(xié)作精神。

2.3 結合前沿熱點、拓寬視野

納米材料科學近年來發(fā)展迅速而且相關理論及應用內(nèi)容更新速度快，傳統(tǒng)單一的教材無法滿足教學要求，因此教師除了要掌握扎實的基本功，還要能夠根據(jù)學科最新的前沿熱點，實時更新優(yōu)化課程內(nèi)容，給課堂注入新的生命力。這不僅可以豐富授課內(nèi)容，使學生及時了解學科相關前沿知識，還可以激發(fā)學生的好奇心和學習興趣，拓寬學生視野。例如，電能在我們現(xiàn)代生活中的方方面面都是不可或缺的，但大量的電能由于電阻的存在而耗損在輸出的過程，世界上每年的能源行業(yè)因此損失巨大。近期中國青年科學家曹原在自然雜志發(fā)文報道了石墨烯領域的重大發(fā)現(xiàn)：當兩層平行石墨烯旋轉到特定的“魔法角度”(1.1°)時，就會產(chǎn)生神奇的超導效應，為超導體的實際應用打開了新世界的大門，曾經(jīng)困擾物理學科的百年難題因該發(fā)現(xiàn)而解決，能源損耗問題也可輕而易舉解決[5]。假如把這種石墨烯技術運用到電池上，那么我們平時所使用的手機和新能源汽車就能快速甚至幾秒內(nèi)完成充電；如果將石墨烯導體材料運用于計算機，那么運算速度將提高至現(xiàn)在的上千倍，這無疑對現(xiàn)在所處的信息時代帶來一場偉大的革命。這不僅會激發(fā)學生的學習興趣，還能使其不斷思考如何將納米材料應用于實際生活當中來提升人們的生活品質(zhì)。

2.4 課程思政建設

關于高校專業(yè)課思政建設，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)“用好課堂教學這個主渠道”、“所有課堂都有育人功能”、“不能把思想政治工作只當作思想政治理論課的事，其他各門課要守好一段渠、種好責任田，要把做人做事的基本道理、把社會主義核心價值觀的要求、把實現(xiàn)民族復興的理想和責任融入各類課程教學之中，使各類課程與思想政治理論課通向同行，形成協(xié)同效應”。根據(jù)國家對課程思政建設的要求，納米材料科學與技術這門課程不僅要傳授給學生理論知識及自主學習能力，另外還要通過精心設計教學內(nèi)容，將思政教育潤物細無聲地融入到課堂中，培養(yǎng)學生正確的人生觀、價值觀和世界觀，并幫助學生成為合格的社會主義事業(yè)建設者和接班人[6]。例如，在課堂中穿插講解“中國納米人”的故事，科學方法和精神，中國的納米技術在國家重大需求和重點研發(fā)方向包括電子器件、鋰電池、納米醫(yī)學等領域的應用[7]。

3 優(yōu)化教學方法

教學活動不僅是傳授知識的過程，還是培養(yǎng)學生自主學習能力及鍛煉其綜合素質(zhì)的過程，該過程往往需要教師和學生的互動來完成，因此教學方法的選擇對教學效果的影響是巨大的。在“互聯(lián)網(wǎng)+聯(lián)時代的高校教育背景下，本課程的授課過程中，以多媒體為主，板書為輔，在傳統(tǒng)的以教師為主體的課堂教學的基礎上，結合其它多元化的教學方法如案例式教學法、翻轉課堂、實踐教學法等教學方法，從而激發(fā)學生的學習興趣，增加學生的主觀能動性，培養(yǎng)學生的自主學習能力[8]。例如，在講解納米材料的4個基本效應時，由于其是本課程中最抽象，最難以理解的一部分，但卻是理解、分析和掌握整個納米科技的基礎。由于全校本科生，學科差距大，基礎不同，盡可能結合學生們已有的知識，結合淺顯的教學案例，形象闡述深奧的理論，例如在講解表面效應時，介紹著名科學家王中林課題組用納米材料進行摩擦生電的例子，說明簡單的科學原理卻蘊含巨大應用價值，激勵大家關注生活，尋找新應用，激發(fā)創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)意識。在講授過程中，通過提問引發(fā)學生回顧檢索已有的知識，來思考關聯(lián)課堂內(nèi)容，從而實現(xiàn)對課堂內(nèi)容的理解和掌握，這里是讓學生體驗科學常識、知識面、學科交叉重要性的好機會。此外，在課堂教學中，引入翻轉課堂，進行研討式教學。首先，將學生分成若干學習小組(每組5人左右)并分配同一系列的納米材料的不同課題，請同學們利用互聯(lián)網(wǎng)查閱相關文獻并重點講述“基于目前相關領域存在的難題引出為什么做此研究”、“如何設計實驗來解決存在的問題”、以及“根據(jù)所做實驗得出什么結論”三個問題，學生通過這個學習過程不僅可以鍛煉文獻閱讀能力、思考能力，還可以拓寬視野，學習了解實驗方法。此外，通過小組學習的方式還可以培養(yǎng)學生的溝通能力和團隊協(xié)作能力。另外，尋求產(chǎn)教融合、校企合作的機會，構建高校、企業(yè)協(xié)同育人機制，完善傳統(tǒng)的教學方法，努力培養(yǎng)與社會實際接軌的高質(zhì)量人才。

4 完善教學評價體系

傳統(tǒng)的課程教學成績通常是由平時成績(20%)和期末考試成績(80%)兩部分組成，但這種平時成績占比較低而期末考試成績占比較重的成績評定方式存在很大的弊端，比如會讓學生忽視平時的學習過程，變?yōu)榭记巴粨?、臨時抱佛腳的方式來通過期末考試，這種為了應付考試的學習方式將不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和學習能力，也不符合基于人才綜合能力培養(yǎng)的核心理念。鑒于此，我們優(yōu)化了教學方法，更加注重學生參與的過程性評價，將平時成績占比提高至50%，期末考試成績占比降至50%。平時成績由出勤情況、課后作業(yè)、小組回答問題、小組匯報等組成并分別賦予一定的分值，這種考核方式將激發(fā)學生的學習興趣、充分調(diào)動其學習積極性、培養(yǎng)其團隊協(xié)作能力、溝通能力和解決問題的能力。

5 結 語

納米材料科學在學術界和工業(yè)界越來越受重視，而且其相關理論和在新領域中的應用一直都在快速發(fā)展著，因此納米材料科學與技術這門課程的教學改革探索是勢在必行的。在本文中就如何優(yōu)化教學內(nèi)容并及時把握前沿熱點，優(yōu)化教學方法，完善教學評價體系幾個方面做了改革探索，旨在激發(fā)學生的學習興趣，使其獲得和掌握相關領域基礎理論知識，培養(yǎng)其自主學習能力和綜合素質(zhì)，從而打造一個和諧、高效率的課堂，促使學生全面健康發(fā)展。