纳米科学与技术课程教学实践与探索

南京邮电大学材料科学与工程学院 宇文力辉

纳米科学与技术是指在纳米尺度上研究物质特性和相互作用以及利用以上特性的科学技术。自从20 世纪末新型纳米表征技术的发明和新型纳米材料的发现后，纳米科学与技术已经蓬勃发展了几十年，并与物理、化学、信息、生物、医学、能源、环境等众多学科高度融合，衍生出纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学、纳米电子学、纳米生物学、纳米测量学等新兴学科，不断推动着基础科学的发展，并展示出广泛的应用前景，促进了人类认知的革命，对科技、经济和社会产生了重大影响，引起各国的高度重视。由教育部等部委下发的《国家纳米科技发展纲要（2001—2010）》，要求在理工科专业中设置纳米科技课程。作为我国实施制造强国战略的第一个行动纲领，《中国制造2025》也多次提到纳米科技的重要价值。因而，纳米科学与技术课程对于培养多学科交叉的复合型人才和保障我国纳米科技的发展具有重要意义。

纳米科学与技术课程要求学生正确理解和认识物质在纳米尺度的新现象和新规律，熟悉纳米材料的制备与表征方法，了解纳米技术在电子、机械、化学与生物等领域中的应用。通过系统学习，使学生对纳米科技的理论、技术、工艺、应用有更深入的认识，拓宽学生的知识面，培养学生分析和解决多学科交叉领域中复杂问题的能力，提高自学能力与创新意识。由于纳米科技涉及的学科众多，部分内容较为艰深，如何有效提高教学质量是当前的难点。

一、科技发展史融入课堂，增强学习兴趣

众所周知，兴趣是最好的老师。孔子曰：“知之者不如好之者，好之者不如乐之者。”因而，提高学生的学习兴趣是教学过程顺利进行的重要基础。纳米科学与技术课程设置在大学四年级上学期，尽管学生的知识储备更为充足，但找工作或考研也会消耗他们较多的精力。如何培养学生对课程的浓厚兴趣成为教学过程中的重要内容。通常，学生容易对单纯的理论内容产生畏难与厌倦的情绪，而更喜欢具体生动的具有叙事风格的教学内容。纳米科学技术的发展过程是人类不断认识世界和改造世界的过程，其中既有科学家充满好奇心的探索，也有浪漫主义的设想；既有令人惊奇的新颖发现，也有模仿自然的惊人创造。在纳米科学与技术课程的授课过程中，将纳米科技发展史中人类发现、发明、创造的过程生动地展示出来，可以使学生站在历史的角度观察与学习，了解本学科的发展规律，树立唯物主义世界观和方法论，培养开拓创新的意识。

在课程的绪论部分，纳米科技的发展历史被作为重要的学习内容。首先，介绍古代人类无意识地利用纳米科技。例如，古代中国利用松枝燃烧产生的碳纳米颗粒作为墨的原料，使得古代字画历经千年而不褪色；古埃及人使用含铅的纳米材料作为化妆品。通过展示公元4 世纪制造的具有独特变色能力的莱克格斯杯和公元6 世纪建造的法国巴黎圣礼拜堂五彩绚烂的玻璃窗，向学生介绍金属纳米粒子独特的光学效应；通过展示公元13 世纪大马士革刀，讲述锻造工艺中蕴含的独特纳米加工技术。其次，在近代纳米科技发展历史部分，按照时间顺序列举重要科学家的卓越贡献。1959年，著名物理学家费曼教授极具预见性的报告，使人们意识到纳米领域存在的空间与价值。随后，依次介绍20 世纪60年代纳米理论的建立、70 年代纳米术语的提出、80 年代纳米表征技术的发明等一系列标志性事件及其背后的故事。学生通过了解纳米科技的发展史，逐渐领略到纳米科技的独特魅力，能够潜移默化地学习科学家勇于探索的精神。

在其他章节教学过程中，也可按照类似的思路将纳米科技发展史融入教学内容。例如，在纳米表征技术的章节，对电子显微技术的教学首先从1924 年德布罗意提出的波粒二象性理论导入，选取第一台透射电子显微镜原型机、衬度理论的建立、高分辨像理论的发展等关键历史节点进行介绍；在纳米材料制备章节，对于碳纳米材料的发展过程进行梳理，从富勒烯到碳纳米管，再到石墨烯；在纳米电子学章节，以集成电路芯片的微纳加工技术为例，列举芯片制程从90纳米进阶到5 纳米过程中纳米科技发挥的重要作用。将科学发展史融入教学内容的方式得到学生的肯定，他们在课堂回答问题环节表现出了更高的积极性和参与度。

二、基础理论与前沿研究互补，培养科学精神

纳米科技与众多学科存在广泛而深入的交叉融合，并在迅速发展变化。尽管课程教材对纳米科技有较为系统的总结，但是纳米科技各分支都是新的学科增长点，新的研究成果不断涌现。因而，纳米科学与技术课程的教学过程不仅要注重知识的系统性，而且必须适应学科的高速发展。为此，在每章课件中都加入相应的前沿专题，补充纳米科技的研究进展，才能使学生获得最新的知识。

例如，在纳米电子学章节，选取石墨烯作为纳米材料研究前沿的典型例子，增加石墨烯材料专题，介绍石墨烯透明电极、石墨烯发光器件、石墨烯柔性电子、石墨烯触摸屏等前沿进展，让学生认识到纳米科技将给人类未来的生活带来巨大改变，增强他们的探索意识和创新精神。在纳米生物学章节，专门设置DNA 纳米技术专题，结合相关课题组的最新研究工作，详细介绍DNA 纳米技术的概念、从简单结构到复杂结构的演变过程、相关课题组的代表性工作和应用前景，为学生展示最新出炉的研究成果，拉近学生与纳米研究前沿的距离。

三、抽象内容形象化，改进学习方式

心理学研究表明，形象的内容更容易被人理解与记忆。纳米科学与技术课程中存在较多的理论内容，抽象的教学内容易导致注意力下降和疲劳，影响教学效果。为此，在教学过程中需要将抽象的教学内容转化为形象的图片和动画，从而有效解决以上问题。

例如，在纳米理论章节，为说明金纳米粒子在超小尺寸下具有更低的熔点，引入一段金纳米粒子被电子束照射的视频，将受到辐照加热后金纳米粒子的流动性展示出来，引起学生的关注与思考。在纳米材料章节，许多制备方法存在大量技术细节，造成理解与掌握的困难。在授课过程中，将每种制备方法的原理与仪器均配上示意图，标注重要部分与关键反应条件，使抽象的内容转化为形象的图形内容，便于学生理解与掌握。在纳米生物学章节，为演示血红蛋白与氧气的相互作用，在教学过程中使用动态图片，从而将氧气吸附与脱附过程中血红蛋白结构的变化形象展示出来。

四、从书本到生活，锻炼综合能力

纳米科学与技术课程的教学目标是提高学生运用多学科知识分析并解决问题的综合能力，以适应科技迅速发展对复合型人才的需求。由于本课程涉及学科较为广泛，内容更新较快，此前的考试方式难以体现学生的能力，为此，课程考查方式选择了论文写作。学生围绕“纳米科技与人类生活”，在建议主题中选取个人感兴趣的角度，查找资料，完成一篇论文。在课程结束后，专门安排时间对学生的论文写作进行指导，尤其是写作方法、格式规范、数据库使用等。通过论文写作，学生能够通过专业数据库对生活中某种纳米技术进行文献检索，在资料整理与论文撰写过程中，学生分析当前纳米技术存在的问题，结合自身专业知识提出解决思路，从而提升学生思考问题与解决问题的综合能力。同时，课程论文的写作要求与本科毕业设计的前言部分基本相同，能为他们进行下一阶段学习奠定良好的基础。

综上所述，纳米科技是当前研究最为活跃、发展最为迅速的交叉学科，其内容覆盖面宽，知识更新快。纳米科学与技术课程是理工科本科生重要的专业课，对于拓展知识面和增强综合能力具有重要意义。多年的教学实践表明，将纳米科技发展史融入教学内容，把前沿进展与基础理论紧密结合，充分利用形象化的教学方式，结合课程论文的考查方式，能够有效提高纳米科学与技术课程的教学效果和学生的综合能力。