《纳米材料科学与技术》课程教学探索

胡小诗，吴 炎，韩旭斌，罗德力，樊 阳，倪华良

(杭州电子科技大学材料与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

近年来，纳米材料与技术成为世界上发展最为广阔的交叉研究前沿领域之一，也是推动世界各国经济发展的驱动力之一。由于极小的晶粒和大量处于晶界和晶粒缺陷中心的原子，纳米材料展现出特异的力学、热学、光学、电学、磁学及化学性能，从而被广泛应用于材料、能源、环保、信息、微电子、国防和生物医药等领域[1]。纳米材料的发展把人们对自然的认识延伸到介于微观和宏观之间的领域，所产生的技术变革也正在大大促进着传统技术产业的升级和改造。随着科技创新对提高我国经济技术和生活水平重要性的日益凸显，纳米材料科学与技术在高等教育阶段相关专业的开展显得尤为重要，培养新一代大学生的创新能力是我国强国战略背景下的必然需求。本文结合本人的课程讲授体会，针对纳米材料科学与技术这门课程的课程特点，从课程内容、教学方法和教学评价体系等方面进行了一系列的探索和优化，争取培养富有自主学习能力、创新素质、国际视野的新时代高素质专门人才。

1 《纳米材料科学与技术》课程特点

首先，《纳米材料科学与技术》是一门专业性、综合性非常强的多学科交叉课程，课程内容较多，主要涉及材料科学、化学、物理学和生命科学等学科的相关基础理论和知识，且可应用于多种不同的前沿热点领域，但课时有限，无法面面俱到[2]。其次，传统的课堂授课模式不能达到创新性和实践性都非常强的纳米材料课程的预期教学目标。再次，自然界中虽然存在大量的具有纳米结构宏观物体，但由于纳米材料的尺寸非常小，无法通过肉眼直观看到。纳米材料的特异的物理、化学性质往往与传统材料所表现出来的截然不同，这些对学生来讲都是比较抽象的，理解起来相对困难的。另外，新兴的纳米材料知识更新速度较快，教材的更新速却跟不上，因此采用单一的教材难以满足教学需求，而且纳米技术的快速更新对学生的知识面要求较高[3]，因此如何将最新的纳米材料相关理论及技术融会贯通到课堂当中，不管对教师的讲授还是对学生的理解都将存在巨大的挑战。

2 优化教学内容

2.1 优化教学内容，增强教学内容的针对性和实用性

根据课程教学目标，对现有教材内容和课时分配进行优化调整，突出重难点，增强教学针对性和实用性。《纳米材料科学与技术》课程的主要教学目标在于使学生了解纳米科技的历史、现状和未来，系统掌握纳米科技和纳米材料的相关概念、基础理论知识、合成制备方法、结构表征、分析测试方法、特性及产生优异特性的主要原因，了解纳米科技在环保、能源、医疗健康、日常生活等各种不同领域的应用，为以后研究新材料、新性能、新工艺打下良好基础[4]。此外，通过本课程学习，使学生能够应用课程所学的知识，理解分析学习和生活中遇到的与纳米科技相关的事物，获得外在知识和内在素养的提高，让学生深刻理解纳米科技对当今和未来社会发展的重大意义，激发学生对纳米科技持续关注和创新、创业热情，能理性看待纳米科技的利弊，激发学生建立起多学科交叉意识和国际化视野，通过宇宙尺度的介绍帮助学生建立正确的人生观，树立远大的理想。传统的讲解方法是将以上几部分内容逐级展开，这样讲解的课程主题框架思路不够鲜明。因此在教学过程中首先要明确重难点(例如纳米材料的4个最主要的基本效应：表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应)，其次按照纳米材料的不同性能(比如热学、电学、磁学、光学、力学及化学性能)来设置不同的课程内容，每个章节的内容包括此类纳米材料的结构组成、性能特点、合成制备方法、结构表征及其在相应领域的实际应用，这样简单统一的主体课程框架既便于学生的学习理解与记忆，同时也增加了课程内容的针对性和实用性。

2.2 实践教学和理论教学相结合

由于纳米材料具有1100 nm的极小尺寸，不借助仪器设备无法进行观察和研究，因此在纳米材料科学与技术这门课程中，部分教学内容，需要结合实验教学才能获得良好的教学效果，这也体现了分析测试在纳米材料的研究和应用中具有极其重要的作用。例如，在课堂上讲解纳米材料的微观形貌和结构表征的时候，首先教师可选择最为常见的方法和设备进行介绍，包括扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)和超高分辨荧光显微镜等，对其基本原理进行介绍，通过提问、图片、视频等将原理进行深入浅出的讲解，原理清楚了，学生对该方法的检测特点、检测内容就自然明白了，从而能利用知识进行应用和分析，并介绍发明超高分辨荧光显微镜相关科学家庄小威等的故事，深厚的物理学功底帮助庄小威发明了超高分辨荧光显微镜，引出深厚的学科基础和学科交叉的重要性。此外，教师可事先准备用作锂离子电池正极材料的纳米过度金属嵌锂化合物样品，组织学生分组并在指导老师带领下通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)直接观察纳米材料的分散性、颗粒大小及表面形貌，并补充讲解不同的形貌特征可能会对锂离子电池的电化学性能产生的影响，这样理论和实践、实际应用相结合不仅可以加深学生对相关知识的理解和掌握，还可以充分调动学生学习的积极性，激发学生的分析和独立思考能力，并防止学生出现厌学情绪。虽然实践教学所使用的仪器设备价格昂贵、操作方法复杂，但应该在不影响仪器正常的测试工作条件下尽量整合现有的教学资源实现实践教学，这将大大提高学生的学习兴趣、动手能力和团队协作精神。

2.3 结合前沿热点、拓宽视野

纳米材料科学近年来发展迅速而且相关理论及应用内容更新速度快，传统单一的教材无法满足教学要求，因此教师除了要掌握扎实的基本功，还要能够根据学科最新的前沿热点，实时更新优化课程内容，给课堂注入新的生命力。这不仅可以丰富授课内容，使学生及时了解学科相关前沿知识，还可以激发学生的好奇心和学习兴趣，拓宽学生视野。例如，电能在我们现代生活中的方方面面都是不可或缺的，但大量的电能由于电阻的存在而耗损在输出的过程，世界上每年的能源行业因此损失巨大。近期中国青年科学家曹原在自然杂志发文报道了石墨烯领域的重大发现：当两层平行石墨烯旋转到特定的“魔法角度”(1.1°)时，就会产生神奇的超导效应，为超导体的实际应用打开了新世界的大门，曾经困扰物理学科的百年难题因该发现而解决，能源损耗问题也可轻而易举解决[5]。假如把这种石墨烯技术运用到电池上，那么我们平时所使用的手机和新能源汽车就能快速甚至几秒内完成充电；如果将石墨烯导体材料运用于计算机，那么运算速度将提高至现在的上千倍，这无疑对现在所处的信息时代带来一场伟大的革命。这不仅会激发学生的学习兴趣，还能使其不断思考如何将纳米材料应用于实际生活当中来提升人们的生活品质。

2.4 课程思政建设

关于高校专业课思政建设，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调“用好课堂教学这个主渠道”、“所有课堂都有育人功能”、“不能把思想政治工作只当作思想政治理论课的事，其他各门课要守好一段渠、种好责任田，要把做人做事的基本道理、把社会主义核心价值观的要求、把实现民族复兴的理想和责任融入各类课程教学之中，使各类课程与思想政治理论课通向同行，形成协同效应”。根据国家对课程思政建设的要求，纳米材料科学与技术这门课程不仅要传授给学生理论知识及自主学习能力，另外还要通过精心设计教学内容，将思政教育润物细无声地融入到课堂中，培养学生正确的人生观、价值观和世界观，并帮助学生成为合格的社会主义事业建设者和接班人[6]。例如，在课堂中穿插讲解“中国纳米人”的故事，科学方法和精神，中国的纳米技术在国家重大需求和重点研发方向包括电子器件、锂电池、纳米医学等领域的应用[7]。

3 优化教学方法

教学活动不仅是传授知识的过程，还是培养学生自主学习能力及锻炼其综合素质的过程，该过程往往需要教师和学生的互动来完成，因此教学方法的选择对教学效果的影响是巨大的。在“互联网+联时代的高校教育背景下，本课程的授课过程中，以多媒体为主，板书为辅，在传统的以教师为主体的课堂教学的基础上，结合其它多元化的教学方法如案例式教学法、翻转课堂、实践教学法等教学方法，从而激发学生的学习兴趣，增加学生的主观能动性，培养学生的自主学习能力[8]。例如，在讲解纳米材料的4个基本效应时，由于其是本课程中最抽象，最难以理解的一部分，但却是理解、分析和掌握整个纳米科技的基础。由于全校本科生，学科差距大，基础不同，尽可能结合学生们已有的知识，结合浅显的教学案例，形象阐述深奥的理论，例如在讲解表面效应时，介绍著名科学家王中林课题组用纳米材料进行摩擦生电的例子，说明简单的科学原理却蕴含巨大应用价值，激励大家关注生活，寻找新应用，激发创新和创业意识。在讲授过程中，通过提问引发学生回顾检索已有的知识，来思考关联课堂内容，从而实现对课堂内容的理解和掌握，这里是让学生体验科学常识、知识面、学科交叉重要性的好机会。此外，在课堂教学中，引入翻转课堂，进行研讨式教学。首先，将学生分成若干学习小组(每组5人左右)并分配同一系列的纳米材料的不同课题，请同学们利用互联网查阅相关文献并重点讲述“基于目前相关领域存在的难题引出为什么做此研究”、“如何设计实验来解决存在的问题”、以及“根据所做实验得出什么结论”三个问题，学生通过这个学习过程不仅可以锻炼文献阅读能力、思考能力，还可以拓宽视野，学习了解实验方法。此外，通过小组学习的方式还可以培养学生的沟通能力和团队协作能力。另外，寻求产教融合、校企合作的机会，构建高校、企业协同育人机制，完善传统的教学方法，努力培养与社会实际接轨的高质量人才。

4 完善教学评价体系

传统的课程教学成绩通常是由平时成绩(20%)和期末考试成绩(80%)两部分组成，但这种平时成绩占比较低而期末考试成绩占比较重的成绩评定方式存在很大的弊端，比如会让学生忽视平时的学习过程，变为考前突击、临时抱佛脚的方式来通过期末考试，这种为了应付考试的学习方式将不利于培养学生的创新能力和学习能力，也不符合基于人才综合能力培养的核心理念。鉴于此，我们优化了教学方法，更加注重学生参与的过程性评价，将平时成绩占比提高至50%，期末考试成绩占比降至50%。平时成绩由出勤情况、课后作业、小组回答问题、小组汇报等组成并分别赋予一定的分值，这种考核方式将激发学生的学习兴趣、充分调动其学习积极性、培养其团队协作能力、沟通能力和解决问题的能力。

5 结 语

纳米材料科学在学术界和工业界越来越受重视，而且其相关理论和在新领域中的应用一直都在快速发展着，因此纳米材料科学与技术这门课程的教学改革探索是势在必行的。在本文中就如何优化教学内容并及时把握前沿热点，优化教学方法，完善教学评价体系几个方面做了改革探索，旨在激发学生的学习兴趣，使其获得和掌握相关领域基础理论知识，培养其自主学习能力和综合素质，从而打造一个和谐、高效率的课堂，促使学生全面健康发展。