李 潔 郇偉偉
(浙江農(nóng)林大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院 浙江杭州 311300)
第一次工業(yè)革命以Fe基材料為基礎(chǔ),加工精度標(biāo)志尺度為毫米,人類跨入機(jī)械化工業(yè)時(shí)代;第二次工業(yè)革命以Fe、Cu、Al等金屬基材料為基礎(chǔ),加工精度仍然是毫米,社會(huì)進(jìn)入電氣化時(shí)代;第三次工業(yè)革命以Si基材料為基礎(chǔ),以電子技術(shù)為代表,使社會(huì)進(jìn)入信息化時(shí)代,它的標(biāo)志是微米技術(shù)的應(yīng)用;而21世紀(jì),人類對(duì)物質(zhì)世界探索的進(jìn)程進(jìn)一步加深,納米尺度的加工技術(shù)逐步應(yīng)用到人類的生產(chǎn)和科技活動(dòng)中,將為人類制造出更多新材料、新產(chǎn)品,納米器件和分子器件將引領(lǐng)時(shí)代的發(fā)展。目前,納米技術(shù)已廣泛應(yīng)用于材料、信息、能源、環(huán)境、醫(yī)藥和軍事等諸多領(lǐng)域。
納米材料及應(yīng)用屬于前沿交叉性綜合性學(xué)科,具有很強(qiáng)的前瞻性、專業(yè)性和交叉性,涉及化學(xué)、物理、電子、生物等多個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)。為化學(xué)及材料類專業(yè)學(xué)生開設(shè)納米材料類課程是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。通過課程的學(xué)習(xí),學(xué)生對(duì)物質(zhì)世界的了解進(jìn)一步加深,有助于拓寬知識(shí)面,培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力。學(xué)生們?cè)诒究平虒W(xué)中學(xué)習(xí)了納米尺寸和原子尺度的概念,將會(huì)對(duì)其未來的探究性學(xué)習(xí)和科研活動(dòng)有所助益,同時(shí)也培養(yǎng)他們積極思考的好習(xí)慣,實(shí)現(xiàn)復(fù)合型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)[1]。在線開放課程,使學(xué)生的學(xué)習(xí)不受時(shí)空的限制,并且可以進(jìn)行重復(fù)多次學(xué)習(xí),有利于學(xué)生更好地熟悉所學(xué)內(nèi)容,對(duì)課程進(jìn)行深入鞏固和理解。
自20世紀(jì)80年代以來,納米科學(xué)與技術(shù)迅猛發(fā)展,已成為科學(xué)家與研究者關(guān)注的焦點(diǎn),納米材料涉及多學(xué)科的融合與交叉,材料學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等,同時(shí)又因其聲、光、電、磁、熱性能,使其在光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等領(lǐng)域的相關(guān)教學(xué)中也有所涉及[2]。時(shí)至今日,納米材料的發(fā)展步伐仍不斷向前,學(xué)科內(nèi)容在實(shí)時(shí)更新,所以,在開設(shè)納米材料及應(yīng)用這門課程時(shí),要不斷更新課程內(nèi)容,如果仍按照以前的固有內(nèi)容進(jìn)行課程講授,勢(shì)必會(huì)對(duì)學(xué)生了解前沿納米動(dòng)態(tài)產(chǎn)生不利影響,因此,在課程內(nèi)容的選擇上,必須兼顧課程的基礎(chǔ)知識(shí)理論以及學(xué)科的前沿動(dòng)態(tài),既要體現(xiàn)材料發(fā)展的規(guī)律性,又要突出納米材料及技術(shù)在科技中的基礎(chǔ)地位。
在課程的基礎(chǔ)理論方面,我們采用徐志軍主編的《納米材料及納米技術(shù)》為教材,該教材難易繁簡(jiǎn)適當(dāng),涵蓋范圍較廣,可以使本科生對(duì)納米材料具有比較廣泛的了解,掌握納米材料的基本知識(shí)和基本理論。在線課程資源的建設(shè)依據(jù)該教材的框架為基礎(chǔ),進(jìn)行了八章內(nèi)容的建設(shè),分別是緒論、納米材料、納米粉體的制備、碳納米管、納米固體材料、介孔材料、納米材料的表征、納米材料與納米技術(shù)的應(yīng)用。章節(jié)的建設(shè)視頻數(shù)及內(nèi)容見表1所列。要突出納米材料及納米科技的趣味性、理論性和前瞻性,依托教材并根據(jù)納米技術(shù)的發(fā)展對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行不斷的調(diào)整和完善。另外,除教材外,我們還將B.S.Murty等編著的《納米科學(xué)與納米技術(shù)》,張耀君等編著的《納米材料基礎(chǔ)》(雙語版),張立德等編著的《納米材料與納米結(jié)構(gòu)》,王世敏等編著的《納米材料制備技術(shù)》等作為學(xué)生的拓展教材,使學(xué)生的教材內(nèi)容更加全面,更加立體。
表1 納米材料及應(yīng)用課程建設(shè)內(nèi)容一覽表
納米功能材料及應(yīng)用是一門知識(shí)涵蓋面廣、新理論與新技術(shù)層出疊見的新興學(xué)科,在相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)中占有重要地位[3],但是,納米材料課程的內(nèi)容,對(duì)于本科生而言比較抽象,日常學(xué)習(xí)與生活中主要是宏觀物質(zhì)與現(xiàn)象,而納米材料涉及微觀、介觀領(lǐng)域,要使學(xué)生理解透徹具有一定的難度。目前,納米課堂的教學(xué)方式仍然存在以下幾個(gè)問題。一是教學(xué)方式比較單一,主要以教師灌輸式教學(xué)為主,不利于學(xué)生思維的發(fā)展,學(xué)生在學(xué)習(xí)中沒有主動(dòng)思考,知識(shí)輸入的反饋比較匱乏;二是教學(xué)內(nèi)容涵蓋不足,納米材料發(fā)展迅猛,課程的教學(xué)依托教材,教材的內(nèi)容是基于傳統(tǒng)的經(jīng)典理論知識(shí),對(duì)于近期新發(fā)展起來的很多納米科技理論及應(yīng)用涉及較少;三是納米材料課時(shí)少,授課學(xué)時(shí)一般為32學(xué)時(shí),對(duì)于學(xué)生來講,要在短時(shí)間內(nèi),系統(tǒng)掌握納米材料及納米科技的諸多內(nèi)容,具有一定的難度。對(duì)于教師而言,在32學(xué)時(shí)內(nèi),要盡可能將學(xué)科的知識(shí)細(xì)致全面地呈現(xiàn)給學(xué)生,要注重知識(shí)的搭配,既不能枯燥無味,也不能泛泛而談。因此,在教學(xué)過程中,教師要努力克服主觀及客觀的各種不利因素的影響,優(yōu)化教學(xué)過程及教學(xué)手段,力圖使教學(xué)效果最大化。
納米材料及應(yīng)用課程內(nèi)容涉及廣泛,章節(jié)內(nèi)容各有側(cè)重點(diǎn),相互之間既有關(guān)聯(lián),又各有特色。教師在講解時(shí)不僅要突出各自重點(diǎn),而且要注意關(guān)聯(lián)。例如,第二章納米材料,在本章中,學(xué)生們接觸了納米材料的定義。從這里開始,學(xué)生對(duì)納米材料到底是什么有了精準(zhǔn)理解。接下來,教師對(duì)納米材料的分類,零維、一維、二維納米材料進(jìn)行理解,并與對(duì)物質(zhì)的宏觀分類進(jìn)行結(jié)合。比如,納米顆粒、納米線、納米棒及納米膜等。這一章中,學(xué)生還會(huì)接觸到納米材料的基本理論:表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)。這是本章的難點(diǎn),也是重點(diǎn)。教師要給學(xué)生建立起納米材料結(jié)構(gòu)-性質(zhì)的框架,為學(xué)生在后續(xù)章節(jié)中的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。第四章為學(xué)生們介紹的是一種新型一維納米材料——碳納米管,碳納米管的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都要結(jié)合第二章對(duì)納米材料的系統(tǒng)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上才能更好地理解。在教學(xué)時(shí),教師應(yīng)加強(qiáng)章與章之間的聯(lián)系,使學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解更加系統(tǒng)、更加全面。
在第七章納米材料的表征中,有粒度度分析、形貌分析、成分分析、熱分析等,這些表征及分析手段對(duì)于沒有進(jìn)行過納米材料制備及研究的本科生來講,比較抽象。教師在本章的講解時(shí),可以與第三章納米材料的制備相結(jié)合,采取科研實(shí)例中制備過的催化劑,并與其采用的表征方法相結(jié)合,為學(xué)生詳細(xì)講解相關(guān)表征方法,如透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、X-射線衍射儀、X-射線光電子能譜儀、能量分散譜儀、拉曼光譜儀等大型分析測(cè)試儀器的原理與應(yīng)用,使學(xué)生能比較系統(tǒng)地了解在科研中運(yùn)用表征儀器的重要性,并可以與納米材料的性質(zhì)結(jié)合起來,了解納米材料的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)與納米材料的應(yīng)用所產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)。
進(jìn)入21世紀(jì),納米材料技術(shù)飛速發(fā)展,科研工作者對(duì)納米材料的合成、結(jié)構(gòu)調(diào)控、性能優(yōu)化等諸多方面都進(jìn)行了深入研究,納米材料的應(yīng)用范圍也進(jìn)一步拓寬,某些前沿的研究成果在目前很多教材上都沒有體現(xiàn)。因此,在課程講授過程中,如果有涉及的相應(yīng)內(nèi)容時(shí),應(yīng)該結(jié)合前沿研究成果對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)充,使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可以接觸一些前沿的納米材料研究及應(yīng)用的相關(guān)知識(shí)。這不僅可以豐富課程內(nèi)容,而且可以為今后可能從事納米材料研究的學(xué)生進(jìn)行一定的科研啟發(fā)。
例如,納米材料在催化化工領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。1972年,日本東京大學(xué)兩位教授首次報(bào)道發(fā)現(xiàn)TiO2光催化分解水從而產(chǎn)生氫氣這一現(xiàn)象,這是納米材料在光催化領(lǐng)域的重要應(yīng)用。幾十年來,該研究方向已經(jīng)有大量的研究成果。因此,在講授納米材料在光解水制氫領(lǐng)域中的應(yīng)用時(shí),可以將常用的金屬氧化物、金屬硫化物和金屬氮化物等催化劑體系進(jìn)行介紹,對(duì)催化劑催化該反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行講解,并對(duì)催化劑存在的問題進(jìn)行闡述,如可見光利用效率低、響應(yīng)范圍窄以及穩(wěn)定性差等,使同學(xué)們對(duì)該反應(yīng)體系具有系統(tǒng)、全面了解,加深對(duì)納米材料應(yīng)用層面的理解。
為了能在有限的課堂時(shí)間內(nèi),使同學(xué)們有機(jī)會(huì)接觸到一些前沿的研究成果,我們以今年初云南大學(xué)柳清菊教授團(tuán)隊(duì)與英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院唐軍旺教授團(tuán)隊(duì)、華東師范大學(xué)黃榮教授團(tuán)隊(duì)合作發(fā)表在國(guó)際著名期刊《自然·通訊》上的一項(xiàng)重要研究成果為實(shí)例,給同學(xué)們講解該研究團(tuán)隊(duì)以單原子銅錨定二氧化鈦,成功制備新型光催化劑,其分解水制氫量子效率高達(dá)56%[4]。單原子金屬催化劑是近年來迅速發(fā)展起來的新型催化劑,與傳統(tǒng)金屬催化劑相比,單原子金屬催化劑中的原子以單個(gè)的形式負(fù)載在載體上,在催化反應(yīng)中可充分參與反應(yīng),提高催化劑活性中心的利用效率。但是,單原子具有極高的表面能,容易團(tuán)聚,穩(wěn)定性差,壽命短。該研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)該問題制備了具有大比表面積和豐富鈦空位的二氧化鈦納米材料,以此為載體錨定過渡金屬銅單原子,使銅與二氧化鈦形成了牢固的“銅—氧—鈦”鍵。該研究為設(shè)計(jì)具有卓越光催化活性和耐久性的先進(jìn)材料鋪平了道路。
通過這類科研實(shí)例的講授,同學(xué)們對(duì)納米材料的科研工作有一個(gè)初步的認(rèn)知,這對(duì)他們是一個(gè)很好的科研啟發(fā),開闊眼界,培養(yǎng)了對(duì)科研工作的興趣,為學(xué)生打開科研工作的大門,對(duì)學(xué)生的本科教育與研究生教育進(jìn)行銜接,為學(xué)生的后續(xù)深造打好基礎(chǔ)。在對(duì)本校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生開設(shè)納米材料及應(yīng)用課程后,并對(duì)后續(xù)學(xué)生考研選擇專業(yè)及研究方向進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)研,發(fā)現(xiàn)相當(dāng)一部分學(xué)生表示希望從事納米材料相關(guān)方向的研究。其中,有些學(xué)生直接表示希望考研后從事納米材料課堂上講過的科研內(nèi)容,并以此為契機(jī),選擇相關(guān)研究方向的導(dǎo)師?;诖耍P者認(rèn)為該課程的教學(xué)具有重要的意義,對(duì)學(xué)生的人生以及職業(yè)發(fā)展也起到了促進(jìn)和推動(dòng)作用。
傳統(tǒng)課程評(píng)價(jià)體系以考試成績(jī)?yōu)橹?,?dǎo)致很多學(xué)生的學(xué)習(xí)僅以考試為目的。然而,考試只是檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果的一種手段,不是最終目的。在課程建設(shè)過程中,我們豐富課程評(píng)價(jià)體系,將課程評(píng)價(jià)按照學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的參與度、理解度、個(gè)性化見解等方面,進(jìn)行考核方式改革,如表2所示,評(píng)價(jià)內(nèi)容包括視頻觀看、作業(yè)、階段測(cè)驗(yàn)、發(fā)帖討論和考試等內(nèi)容組成,考試成績(jī)占30分,其他包括視頻觀看30分,作業(yè)20分,發(fā)帖討論10分,階段測(cè)驗(yàn)10分。弱化考試成績(jī)?cè)谧罱K成績(jī)?cè)u(píng)定中所占的比重,不唯成績(jī)論,更加注重學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中的參與度,使學(xué)生注重課程內(nèi)容本身,而不是以考試為驅(qū)動(dòng)力的被動(dòng)學(xué)習(xí),學(xué)生的發(fā)帖討論,包含學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解,更是學(xué)生對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的思考,在不斷地理解-思考-理解的過程中,學(xué)生對(duì)本課程內(nèi)容的掌握程度進(jìn)一步加深,使課程的教學(xué)效果得以更好彰顯。
表2 納米材料及應(yīng)用在線課程考核評(píng)定表
在傳統(tǒng)課堂模式中,教師與學(xué)生面對(duì)面進(jìn)行講授,學(xué)生被動(dòng)獲取知識(shí),授課時(shí)長(zhǎng)固定,一節(jié)課45分鐘,教師按照既定教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行授課,學(xué)生無論接受程度如何,必須按照老師的節(jié)奏進(jìn)行課程的學(xué)習(xí)。而在線開放課程采用視頻教學(xué),教師提前錄制好教學(xué)視頻,視頻一般短小精悍,幾分鐘到十幾分鐘不等,長(zhǎng)度控制在學(xué)生注意力能較好集中的時(shí)間范圍內(nèi),并且每個(gè)視頻都針對(duì)一個(gè)特定的知識(shí)點(diǎn)或問題,具有較強(qiáng)的針對(duì)性,可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率;還可以隨時(shí)暫?;蚧胤乓曨l,可以由學(xué)生自主控制學(xué)習(xí)進(jìn)度,有利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。學(xué)生在日后的學(xué)習(xí)和科學(xué)研究中才能更好地利用所掌握的知識(shí)來解決問題,這也為培養(yǎng)創(chuàng)新性、應(yīng)用型人才具有積極的促進(jìn)作用。
時(shí)代發(fā)展對(duì)大學(xué)教育提出了越來越高的要求,納米材料及應(yīng)用課程的內(nèi)容豐富多彩,教學(xué)方式也日新月異,教育工作者要時(shí)時(shí)更新教學(xué)理念,豐富教程教學(xué)手段與方法,以期達(dá)到高質(zhì)、高效教學(xué),為新時(shí)期祖國(guó)納米科技的推廣與發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。