《纳米材料与技术》教学改革探索*

魏显起，徐锡金，黄金昭，丁 梦

(济南大学物理科学与技术学院，山东 济南 250022)

作为一门新兴科学，纳米科技在材料、能源、信息等领域已获得广泛应用，成为世界先进国家争夺的战略制高点.纳米科技是一门多门类交叉学科，其发展过程伴随着新概念、新理论、新技术和新方法的不断涌现[1, 2].纳米科技面临着原始创新的机遇与挑战，尤其是纳米科技正在将微制造推向纳制造与纳加工的前沿，各种材料产品正从微尺度向纳尺度悄然转变.纳米科技将给信息、能源、军事、材料的生产与加工带来深刻的变革.因此，纳米科技作为前沿战略科技，在世界范围内已开展了广泛的研究和应用[3].

对纳米科技起决定性支撑作用的纳米材料学是一门既年轻又年迈的学科.因为它既有悠久的历史，也是近十几年才形成的独立的学科体系.纳米材料是在纳米尺度(1～100 nm)内调控物质结构而形成的具有特异性能的材料，包括无机、有机、金属及生物材料等，其内涵丰富，研究范围宽广.研究纳米材料，即研究材料性能与物理、化学、生物、信息等内在关系，从本质上探索物质的结构形态等对性能的影响，进而研究如何制备优异性能的纳米材料和纳米器件的方法、检测和分析纳米材料的结构和性质等[4].作为纳米科技基础，纳米材料近年来已成为热门的研究领域之一.其热点集中在能对经济、技术及科学产生巨大影响的若干领域，如半导体芯片、新纳米材料与器件的利用、纳米新现象的应用等[5].近年来，我国把纳米材料的研发提到了战略位置，实现了在该领域的跨越式发展.近数十年来，国内大部分院校及科研机构进行了纳米材料研究，部分高校甚至专门建立纳米科技研究院.国家也设立了纳米中心和苏州纳米材料与纳米仿生研究所.目前，国家基金、科技计划等对纳米材料的研究投入逐年提高.国内大部分高校，如北京大学、清华大学、山东大学、南京理工大学、济南大学等增设了纳米材料与技术相关研究机构和专业教学课程[6, 7]，国外大部分大学也开设了纳米材料与技术这一课程；但由于各学校的教学侧重点的差异，在教学中如何兼顾学生的理论知识基础及课程体系，更好的激发学生学习兴趣，培养学生的创新意识，切实提高该课程的教学质量和教学效果，是目前各高校教师在授课过程中亟需解决的问题.《纳米材料与技术》为我校物理学专业本科生和研究生开设的一门专业选修课，通过该课程的学习，目的是使学生掌握纳米材料的基本理论、制备方法、特性研究、表征技术、纳米材料的应用及一些新型纳米材料应用；使学生提高对纳米前沿科技发展领域的了解和认识，培养科研思维和创新能力；为培养有综合素质，创新意识和能力的人才打下坚实的基础.基于多年的《纳米材料与技术》教学经验，结合专业特点，对本课进行了几方面的教学改革.

1 教学内容的更新

纳米材料与技术涉及物理、化学、材料、生物等，属于多门类交叉学科.根据物理专业特点和济南大学研究生的研究方向，科学选取教学内容尤其重要.参考各种教材，本教学内容以汪信、刘孝恒《纳米材料学》为主，以曹茂盛等《纳米材料导论》、刘吉平《纳米科学与技术》等为辅助资料，重点开设了以下主要内容：(1)纳米材料绪论， (2)纳米材料的结构与性质， (3)纳米材料的制备方法， (4)纳米材料的表征技术， (5) 纳米材料的应用，(6)自组装与超分子结构，(7)几种典型的新型材料.在科学选择基础知识的前提下，注意拓展知识，将最新成果及前沿问题引入课堂极其重要，如通过专题讨论、讲座、交流参观等与教学内容相互补充，通过基础知识和教学内容的更新，更好的拓展了学生视野，培养了学习兴趣，提高了研究能力.

2 教学方法和手段的改革

2.1 在传统教学基础上进一步改革教学方法

采用新颖的教学模式，如参观教学法，任务驱动法等.在参观教学方法中充分利用现有实验室通过设置任务，利用参观形式达到教学目的.目前可依托新能源材料与器件实验室、纳米自旋电子材料与器件科研团队实验室、激光实验室等.教师还可将自己的科研和教研成果，结合最新的科技成果引入到教学中，向学生介绍纳米材料在科研、教学和生活中的应用；将科技发展中的新能源、新材料的应用贯穿于教学过程.如光催化材料的发展现状及应用，锂离子电池、超级电容电极材料的应用等.

2.2 注意挖掘新型教学内容

采用先进的教学手段，鼓励学生创新，让学生自己改造或设计演示内容及设计等.为配合理论教学，教师在课堂上除采用多媒体教学、演示视频、动画演示之外，适当地介入一些与教学内容相关的视频片段、科研论文和科学大家的报告，如薛其坤在纳米材料领域的报告等，极大地提高了学生的学习兴趣.这些辅助手段使教学内容形象化，学生既轻松学习了知识，又拓展了知识面.同时，借助方便的宿舍和教室上网条件，向学生及时推荐网络视频等.

2.3 培养学生创新能力，注重教给学生科学的思维方法

借助已有的实验仪器和学生创新实验室进行实验创新，大力开展第二课堂教学，鼓励学生进行创新实践.课题组的老师已带领学生在这方面做了大量工作，取得了可喜成绩，许多学生在国家及省级科创比赛中获奖.该方式培养了学生基本的实验操作能力，增强学生的实践动手能力，既巩固学生的理论知识，又培养了学生创新能力.借此教学方法，在阐述一些重要实验、概念、规律、理论时，以提出问题、抓住要害、克服困难、寻找联系、揭示本质的历史过程为主轴，向学生展现科学发展的曲折过程及必由之路.这部分内容大多辅以视频资料、高水平论文，向学生展示科学家的科学思维方法及为科学执着追求的精神.

2.4 大胆尝试新的教学方法

采用翻转式、网络和激励式教学方法培养学生对前沿科学的兴趣.在翻转教学中，针对不同学生的兴趣、科研方向，对学生提出的教学内容进行指导，鼓励学生尝试和设计新的与科研课题相关的教学内容.学生参与教学，教学过程中，学生自由选择或教师安排部分内容让学生自己准备，然后通过PPT讲解，如纳米材料电子学、锂离子电池材料、纳米材料磁学、拓扑绝缘体、光催化材料等；学生分组讨论、问答等.在教学过程中，通过随时查询最新的科技动态，对解决课堂问题提供了很好的辅助作用.本课程开设了自己的教学网站，在网站上有本课程的全部教学课件.网站上学生不仅可以复习老师上课的内容，随时下载课件、参考资料、习题解答，还可以观看动画短片、科学家视频等学习相关的扩展知识，从而为自主学习创造了有利条件.同时进一步加大多种媒体教学体系，充分利用互联网信息进行教学，例如，疫情期间的QQ会议、腾讯会议、丁丁教学等网上教学发挥了重要作用，并取得了很好的效果.

总之，在课程内容设计上，既重视基础内容，又通过将教师科研成果、教研成果及最新科技成就的及时引入，给课程内容注入新鲜血液.演示视频、论文和科学家内容的加入，增加了学生学习兴趣，培养了科学思维方法及对科学执着追求的精神.

3 考核方式的改革

传统的教学成绩评定方式大多为总成绩由两部分构成，即期末考试成绩(约占70%)和平时成绩(约占30%).此种成绩评定方式会使学生在考试前突击学习，导致课堂听课率下降，不利于学生学习能力的提高，更不利于创新能力培养.针对《纳米材料与技术》课的特点，我们改革了传统的考核方式.降低期末考查成绩权重至50%或40%，提高平时成绩至50%以上.期末考查方式采用试题或大作业形式，而平时成绩由课堂考勤、课堂提问、课后作业、课内讨论、小组汇报讨论、论文答辩等组成，每项给出一定分值.如在翻转课堂教学过程中，教师根据内容或专题的准备情况，PPT的制作、讲解、学生分组讨论、回答情况等给出分值.学生平时成绩由这些所有过程成绩汇总形成.

4 结语

由于纳米科技是一门新兴学科，涉及领域广泛，是前沿研究领域之一，与学生研究领域密切相关.通过教学内容、教学方法、评价方式的改革，学生学习积极性高，教学效果明显.从教学反馈来看，认为任课教师教学内容处理得当，基本内容与重点突出，能在教学中激发学生的学习兴趣和主动性，使学生在学习基础知识的同时，也得到科学素质的培养.任课教师还能够适当拓展纳米材料及相关领域的科技成果和前沿研究，拓展学生的知识面，得到广大学生的赞赏.《纳米材料与技术》课程也被评为校级精品课.