高等教育中纳米技术课程教学改革与实践

摘 要：纳米技术是一门多学科交叉的新兴学科，对我国经济发展、基础学科的进步、人民日常生活等诸多方面都发挥着举足轻重的作用，是本世纪前沿研究领域之一。因此，在高等院校开设纳米技术课程具有重要的应用价值，有助于培养新一代具有创新思维的人才。该文针对纳米技术课程的特点，分析在新工科教育背景下课程建设可能会面临的一些问题或困境，并结合笔者的课程讲授心得，深入探讨课程的教学内容，针对性地提出课程教学改革与实践的可行措施。

关键词：纳米技术；工科教育；课程建设；教学改革；教学实践

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）35-0146-04

Abstract： Nanotechnology as a multidisciplinary intersection of emerging disciplines has been playing a pivotal role in the national economic development， the progress of basic academic disciplines， and people's daily life in every regard， which is one of the most important research fields in this century. Therefore， it is of great value to establish the course of Nanotechnology in higher education institutions. This course helps to cultivate a new generation of talents with innovative thinking. The current paper focuses on the characteristics of Nanotechnology course， and analyzes some key problems or dilemmas that occur under the background of new engineering education. Most importantly， on basis of the author's abundant experience teaching the course， this paper discusses the course teaching contents in depth， and puts forward feasible measures for the reform and practice of the course teaching.

Keywords： Nanotechnology; engineering education; course construction; teaching reform; teaching practice

“纳米”是一个长度单位，1纳米也就是十亿分之一米，相当于人头发丝的六万分之一。而纳米技术就是一门研究纳米尺度（1到100纳米）物质的学科，它涵盖了物理学、化学、材料学、生物学和电子学等多个学科的理论与方法[1-2]，也是认知当前世界与整个宇宙的物质观和方法论。作为世界交叉领域研究的前沿课题之一，纳米技术在促进全球经济发展中扮演着关键角色。

纳米材料与技术的出现也将人类的视野从宏观领域转移到微观领域。当材料的尺寸达到纳米数量级时，往往会展现出和宏观尺寸不同的力学、电学、光学、热学、磁学以及化学等性能。这些性质的变化为研究者提供了研制具有性能卓越的纳米材料和设计与创造微纳结构的可能性，从而使得纳米技术在多个学科领域中具有广泛的应用前景。例如，在药物输送系统中，通过多层微纳结构设计和表面修饰技术，提高药物的靶向性和疗效，以及在纳米电子器件的制造中，通过纳米区域内器件阵列的控制，实现能耗的降低和计算性能的提升等。因此，纳米材料与技术在加快我国经济发展、促进科学技术创新和提升国民生活水平等方面起着重要的作用，有着广泛的研究价值和实用价值，是一门至关重要的学科。

纳米技术课程在我国高等教育的相关专业开设亦是至关重要的，致力于培育新一代有着创新思维、批判性分析能力以及跨学科问题解决技巧的大学生，从而实现教育强国建设的目的。本文从纳米技术课程特点出发，结合笔者授课的实际体会和学生课程学习的调研，从优化教学内容、试行双语教学、线下线上课程相结合和推进课程思政建设方面出发，探索课程教学改革方法，努力培养新时代的高素质新青年。

一 纳米技术课程特点

纳米技术是一门跨学科的前沿科学课程，内容覆盖面广，需要学生具备一定的物理学、材料学、化学等多个学科的基础理论知识，适合相关专业三年级本科生的选修专业课程[3-4]。课程内容紧贴纳米科技的最新发展，采用最新的研究文献和参考书籍作为教材，确保学生能够接触到该领域的最新研究成果。但目前课程授课还是存在一些待解决的问题：其一，由于课时有限，导致课程里面的一些细节内容无法面面俱到；其二，传统授课方式（如板书和PPT）难以满足其创新性和实践性需求的挑战，尤其是在帮助学生更加直观理解纳米尺度材料的特性方面；其三，由于纳米材料的微小尺寸远远超出了人眼观察的范围，教育者需要采用先进的视觉化工具和模拟技术来辅助教学，这对教学条件也提出了要求；其四，鉴于纳米技术领域的迅速发展，尽管教材的内容已经紧贴研究前沿，但是课程内容也必须保持更新，以反映最新的科研进展，这不仅对老师提出了要求，对学生的知识面储备也需要增加。因此，鉴于纳米技术课程所遇到的挑战，课程教学改革显得尤为重要和迫切。如何将最前沿的纳米材料的理论与技术融入到纳米技术的教学课程中，让学生能掌握好专业知识并具有创新性思维，这存在着巨大的挑战，但也充满着机遇。

二 课程教学改革方法

（一） 优化教学内容

由于课程内容丰富，并且知识覆盖面广，因此需根据课程的教学目标，以及课时安排情况，明确教学重点、难点，增强课程的目标和应用导向性。纳米技术课程的主要目的是让学生了解纳米技术的发展历史，并掌握纳米材料的基本概念、性质、制备方法、表征方法以及在不同领域的应用现状和前景。课程旨在拓宽学生的知识面，激发他们对纳米科学与技术的兴趣，培养其严谨的科学思维想象力，赋予学生创造力，为将来从事相关领域的工作或研究打下坚实的基础。

通过课程的学习，学生需要理解并掌握纳米材料的“四大效应”，分别为量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应和量子隧穿效应，以及这些效应如何影响材料的性能和应用的场景[5]。课程内容通常应包括纳米粒子的制备方法，如物理方法、化学方法以及其他综合方法。纳米薄膜材料性能特点，以及常规的制备方法，如物理气相沉积法、化学气相沉积法以及溶胶-凝胶法等方法。课程还需介绍纳米固体材料和纳米复合材料性质和制备方法，纳米技术在医疗、能源、信息技术等领域的应用，以及纳米科技的发展趋势和未来展望。并且在如今的教育体系中，仅掌握基础的理论知识难以满足工程实际需求。因此，本课程在加强基础知识学习的同时还应重视实践教育，如实验室实践，使学生能够将理论知识应用于实际问题的解决上，提高学生的动手能力，达到知行合一的教学效果。如今世界正处于一个不断发展的过程，纳米技术是二十一世纪的一场技术革新，纳米科技在解决当前全球面临的挑战中起着重要的作用，如环境保护、能源危机、健康医疗等。因此，课程可以通过加入案例分析和实际应用等方式，使学生能够认识到纳米科技在推动社会进步和可持续发展中的潜力和重要性。通过上述内容的学习，学生能够快速掌握纳米技术课程的整体框架，有助于学生的递进学习与理解，增加课程的基础性和实用性。

（二） 双语教学模式

在全球化经济的背景下，竞争日趋激烈，培养高素质的双语人才显得尤为重要和迫切。纳米技术课程作为我国高等教育与国际接轨的重要桥梁，不仅是教学改革发展的必然趋势，也是素质教育的重要途径。因此，该课程在后续教学中可以试行中英文双语教学模式，如图1所示。双语教学旨在提升学生的英语水平，增强其跨文化交流的能力，拓展学生们的国际视野。双语教学不仅是对学生双语思维能力的培养，还可以启发批判性和创造性思维的形成，加强学生的逻辑思维能力。对于学有余力的同学，经过双语教学的提升，使其能够具有自我阅读和理解最新国内外学术文献，掌握国内外先进的纳米科学技术知识的能力，可以根据其自身特点和兴趣进行课外自主拓展学习，紧跟时代发展步伐。

图1 双语教学模式

双语教学的实施，要求教师在教学中不仅要传授专业知识，还要注重学生双语能力的培养。这对教师的要求也随之提高，应具备良好的语言能力，能够整合双语教学资源，并运用恰当的教学方法提高学生的语言应用能力。双语教学的课程设计应考虑培养目标的双重性，即获取学科知识的同时提高学生运用外语的能力。并且教学重心不能偏离教学目标，首先要确保学生能吸收并掌握来自国内外先进的纳米技术知识，避免因语言问题而可能导致的理解误差，造成专业知识学习的困扰；其次，通过实施双语教学策略，旨在创造多元化的语言氛围，以此增强学生的外语沟通与实际应用技能，为学生后续发展打下坚实的基础。

在双语教学具体实施中，学生是课堂教学的主体，而学生的外语基础水平往往存在不一致的问题[6]，导致双语教学的实施存在实际运行困难。对于基础较好的学生而言，双语教学可以提供更好的学习环境，增加学习兴趣，建立学习信心，有助于学生创新思维和开拓性思维的培养。然而，对于一开始基础较差或者一般的同学，教学语言的增加会导致学习困难，最直接的可能就是无法跟上课程教学进度，并且不善于表达自己的问题和疑惑，长期以往，就会导致学习兴趣降低，影响教学效果。因此，双语教学的内容选择需先易后难，前期阶段应多照顾基础差的学生，加强老师与学生之间的交流，帮助学生培养学习兴趣。并且可以建立学习兴趣小组，让外语基础好的同学帮助基础较弱的同学，促进相互学习，形成良性教学循环。中后期课程教学中，则逐步提升教学难度，扩展教学内容的深度和广度，以确保学生能够在理解专业知识的基础之上进一步提高双语能力。总而言之，教学模式应以学生为中心，鼓励学生积极参与英语学习，激发其学习热情，从而全面提高学生专业课程的英语能力。双语教学是高等教育国际化的重要途径之一，对于培养具有国际视野和竞争力的人才具有重要意义。通过纳米技术等课程的双语教学实践，可以有效地提升学生的专业知识水平和双语应用能力，为学生的未来发展奠定坚实的基础。

（三） 线上线下教学相结合

近年来，随着国家大力推进发展“互联网+”战略，一种新颖的教学模式——线上教学在国内逐步兴起，并取得了一些成效[7]。展现了数字化时代的教育发展方向，并且实现了传统线下教学较难达到的随时学习、个性化学习以及自主学习等特点。而纳米技术课程作为一门新兴学科，其特点在前文也有提及，所涉及研究领域极广，知识体系复杂。因此，可以采取线下线上教学相结合的模式进行教学，综合两种模式各自的特点，既可以提升学生的学习兴趣，又能提高学习效率[8-9]。

线上教学在纳米技术课程的优势主要表现为以下三点。首先，线上教学可以提供丰富的学习材料，包括课程基础知识、最新的研究文献、互动式教学工具和模拟实验软件等，这是传统教学难以实现的。通过这些资源的合理利用，学生可以提前预习课程的基础知识，然后带着思考进行线下学习，并且在课堂上可以针对性提问，以便于更深入地理解纳米技术的内容。并且，通过在线仿真软件，学生可以借助教学工具模拟纳米尺度的实验，这在传统课堂上也是很难实现的。通过丰富的资源和工具能够增强学生的学习体验，增加他们的学习兴趣。其次，线上教学具有灵活性和持久性的特征。线上学习允许学生根据自己的时间和学习节奏来安排学习进度。而且学生可以在任何有网络连接的地方学习，无论是在家中、图书馆还是其他合适的地方，都能够按照自己的节奏来学习课程内容，这为学生而言提供了极大的便利。线上教学也支持学生进行终身学习，这是教育的最终目的之一。学生可以在课程结束后继续访问课程的资源，从而复习和进一步的学习，达到“温故而知新，可以为师矣”的学习境界。这种持续的学习机会对于希望在纳米技术领域保持最新知识的学生来说是非常宝贵的。最后，线上教学可以回馈线下教学。在线学习可以收集和分析学生的学习数据，包括学习进度、作业提交和测试成绩等。这些数据可以帮助教师了解学生的学习情况，及时调整教学策略，提供个性化的学习。同时，学生也可以通过这些数据来评估自己的学习效果，找出需要改进的地方。

尽管线上教学有着很多优势，但是其存在几个问题无法解决，如无法及时反馈，严重依赖网络，以及容易造成注意力不集中等缺点。因此，线下教学在纳米技术课程的授课中是不可或缺的。首先，线下教学可以增强师生的参与感。面对面的教学环境可以促进学生与教师之间的直接互动，这种互动能够激发学生的参与热情，这是线上教学无法替代的。并且在线下教学中，教师可以即时观察学生的学习状态，根据学生的课堂实际表现情况及时调整教学策略；对于学生在学习过程中遇到的问题，教师也可以提供即时的反馈和指导。这种即时的互动和反馈对于学生理解复杂概念和解决学习难题非常有帮助，确保每个学生都能跟上课程进度。其次，线下教学是培养学生创新能力的合适途径。线下教学可以通过实验室实践、项目研究和创新工作坊等方式，为学生提供动手操作的机会。如在实验和实践环节，学生可以直接操作仪器，进行实地观察纳米技术的微观特性，这种亲身体验的学习方式能够加深对纳米技术概念和原理的理解。这些实验不仅能够锻炼学生的动手能力，还能够激发他们的创新思维和解决问题的能力。学生可以在教师的指导下，设计和实施自己的纳米技术项目，从而在实践中学习和创新。再次，线下教学可以培养学生的团队意识和沟通表达能力。良好的线下教学有助于鼓励学生们进行小组合作，通过团队项目和讨论，完成一个具有挑战性的课题或者设计。在此期间，学生可以学习如何与他人合作，有效地沟通和表达自己的想法，并从同伴那里学习。这种合作学习的过程对于培养学生的团队精神和沟通技巧至关重要，这对培养高质量人才是至关重要的。最后，线下教学的内容也可反馈线上教学，同学们可以将课上学习所得在课后进行线上讨论分享，进一步促进相互学习，使学生达到课后提高学习的目的。

如图2所示，通过线上线下教学相结合的形式，可以激发学生的学习热情，培养良好的学习习惯。并且，可以通过多种方式进行学生学习成果的评估，包括但不限于传统的笔试、口试、实验操作考核和项目展示等，使课程评价过程化和多元化。这种评估方式能够全面地考察学生的学习情况，确保学生不仅掌握了理论知识，而且具备实际操作和应用能力，能够准确反映学生的学习效果。教师可以通过这些评估方式，更准确地了解学生的学习进度和理解程度，从而提供更有针对性的指导，也为后续课程的改革提供数据参考与指导。

图2 线上线下教学结合模式

（四） 推进课程思政建设

在深入贯彻党的二十大报告精神的背景下，我国高等教育正致力于实施科教兴国战略，加快推进现代化教育[10-11]。纳米技术课程作为高等教育体系中的关键组成部分，承载着培养具有国际竞争力的科技领军人才的重要任务。因此，在传授纳米科技领域的专业知识和技能的同时，要加强课程思政建设的深度融合，致力于在专业教学中融入“红色基因”和“工匠精神”，培养新时代有理想、敢担当、能吃苦、肯奋斗的新时代好青年。

纳米技术课程的思政教育应从课程实际出发，遵循习近平总书记所强调的：“推动思想政治理论课改革创新，要不断增强思政课的思想性、理论性和亲和力、针对性。[12]”因此，课程思政的实施不可务虚轻实，需打破惯性思维，解决单调乏味的教学之困。纳米技术课程的内容丰富，与国家科技发展前沿方向相符合，可以通过合理设计课程的内容，将国家战略需求与课程知识相结合，引导学生深入理解纳米技术在推动国家科技进步和产业升级中的核心作用，提升学生的爱国情怀。在讲授“四大效应”的表面效应时，可以将“莲叶自洁效应”为引，讨论分析莲叶表面微结构和机理，并从中映射 “出淤泥而不染”的高尚品格，培养学生的道德品质，为培养新时代具有高素质的爱国青年人才起着重要的引领作用。并且课堂还可以通过穿插讲述“中国纳米人”的故事，学习老一辈科研工作者在纳米科技领域的科研方法、态度和精神。通过这一系列的教育教学活动，旨在培养出既有深厚专业知识，又有强烈社会责任感和创新能力的新时代青年，为实现中华民族伟大复兴的中国梦贡献力量。

三 结束语

纳米技术课程是很多高等院校本科生的必修专业基础课程，其作为一门跨学科的前沿科学课程，不仅涵盖了物理学、化学、材料学等多个学科的理论与方法，而且紧密跟随纳米科技的最新发展，确保学生能够接触到该领域的最新研究成果。因此，面对课程内容的广阔性和教学方法的传统性所带来的挑战，教学改革显得尤为重要。改革的方向包括优化教学内容以明确教学重点，使学生能够快速准确学习纳米科学技术的基础内容，实施双语教学模式以提升学生的国际竞争力，以及结合线上线下教学模式以提高学习效率和兴趣。此外，通过推进课程思政建设，将中华民族的优秀“红色基因”以及爱国敬业的“工匠精神”融入课程中，激发学生的社会责任感和创新精神，提高教学质量和学习效率，达到教书育人的目的。通过这些综合性的教学改革措施，我们旨在培养出既具有深厚专业知识基础，又具备强烈社会责任感和创新能力的高素质科技人才，引领未来科技的进步和技术的革新。

参考文献：

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[12] 习近平：用新时代中国特色社会主义思想铸魂育人 贯彻党的教育方针落实立德树人根本任务[EB/OL].http：//jhsjk.people.cn/article/30982234.