《納米材料》課程教學改革與優化研究

盛 揚

(常州大學 材料科學與工程學院，江蘇 常州 213164)

隨著科技的發展，納米材料逐漸滲透到光學、微電子學、環境科學及生物醫學等眾多領域。如何可控的制備納米材料并利用它們的獨特性質為人們提供更好的服務是未來材料領域的重要課題，也是《中國制造2025》中重點關注的領域之一1。因此，在材料類本科教學中開設納米材料相關課程已成為許多高校的共識2。《納米材料》是我院材料化學專業開設的一門專業選修課。開設本課程的主要目標是為了引導學生了解當前納米材料發展的前沿，拓寬學生對新材料的知識面，提升現代科學素養，從而培養復合型與創新型人才。在綜合考慮學生基礎知識水平的前提下，結合課程開設以來的教學實踐情況，筆者從課程特點，教學內容，教學手段，課程考核等方面探討了對《納米材料》課程的教學改革和優化。

1 課程特點

首先，納米材料課程具有很強的學科交叉性與綜合性。納米材料制備方法主要涉及化學知識，納米材料性質需要物理做支撐，納米材料的應用現狀與面臨挑戰又與生物醫學、電子信息等前沿領域息息相關3。其次，課程內容相對抽象。納米材料尺寸非常小，無法用肉眼直接觀察，且它的性質與日常生活中所見的相同物質組成的傳統材料相比往往大相徑庭。因此對于學生而言在難以從日常生活中獲得感性認識，給學生對課程內容理解帶來困難與困惑。另一方面，納米材料這種特殊性質背后的本質又需要較好的物理基礎去理解，這對學生的基礎知識提出較高要求。第三，納米材料知識體系更新迅速。納米材料的概念與理論迄今為止發展了僅僅三十多年，產生了大量新的理論知識，并且新的現象，新的理論層出不窮。

2 課程內容選擇

針對課程的特點，結合本專業學生現有的知識結構和理論基礎，在教學內容的選擇方面，筆者采取了一系列措施，力求既要保證學生對納米材料有全面的認識，也要讓學生掌握納米材料的關鍵知識點。

2.1 教材的選用

目前針對納米材料課程的相關教材眾多，然而各有側重。有的教材側重于納米材料制備，對性質和應用一筆帶過，容易使學生對納米材料有什么實際應用價值產生疑問。有的教材側重于納米材料應用，對制備手段簡要敘述，不利于學生熟悉生產實踐環節。總之，單一教材無法滿足專業培養方案和課程教學目標的要求。納米材料內容廣泛，在教學內容的選擇上首先是必須保證對納米材料的性質，制備方法和應用都有較為全面的介紹。因此，在教材的選擇上，以徐志軍、初瑞清編著的《納米材料與納米技術》為主，B.S.Murty主編的《納米科學與納米技術》和張耀君編著的《納米材料基礎》等教材為輔，對教材內容按照內在邏輯關系重新編排整合。

2.2 理論知識的取舍

課程的教學目標是為了拓寬學生知識面和對納米材料的學習興趣，而不是深奧的理論知識。因此，教學活動開展過程中對具體的理論知識也有所取舍。相對難度較低的，學生有相關基礎知識的保留，并讓學生積極參與到理論知識的討論過程中，以加深印象與理解。例如荷葉表面超疏水現象的原因，所涉及的理論解釋可以用材料專業學生已經學過的楊氏方程和復合材料性質的混合律推導出來。不僅深化了高中階段將荷葉超疏水現象歸因于微納米結構這一籠統的解釋，也培養了學生獨立思考的科學思維邏輯。而對于理論背景較復雜的或者超出學生知識基礎的內容則淡化。例如在解釋膠體金為什么顯紅色時，避免使用米氏理論和等離子激元等較深奧的概念，而是從學生較容易接受的經典物理中光的波動性和電場對電子的極化的角度進行定性解釋。總之，教學中既要淡化艱深的理論知識，降低學習的阻力，也要體現課程的理論性，使學生知其然也知其所以然，避免教學內容浮于表面。

2.3 教學內容緊跟發展前沿

書本中的知識相對于領域前沿具有滯后性，因此需要在教學內容中不斷充實最新的前沿信息和觀點。要把最新的前沿成果傳授給學生，就要求教師必須時刻關注納米材料的發展動態，不斷提高和完善自己的相關知識水平，并努力將這些新的知識融入課堂教學，與課堂相關教學內容緊密結合。另一方面，學生的視野也不能僅僅局限在教材上，圖書館、科普網站、維基百科和期刊數據庫都是很好的知識來源。教師要在課堂上推薦與課程內容相關的網站和在線視頻，鼓勵學生在課后閱讀觀看這些資料，并結合教材和課堂內容理解，加深印象。

3 教學實踐手段的探索

基于以上分析，傳統的以老師講授為主的教學手段已經很難滿足課程的教學需求。因此，筆者采取了多種教學實踐手段來優化課堂的教學效果。

3.1 融入貼近生活的實例

納米材料概念術語抽象，課堂學習過程中學生難免會感到枯燥乏味，學習興趣下降，高深的理論也容易造成學生的挫敗感。因此，在教學過程中多舉一些與日常生活經驗相關的納米材料實例可以很好的激發學生的學習興趣，啟發學生對問題的思考，調動學生學習的主觀能動性，對提高教學質量具有很好的教學效果。這些實例可以是自然界中就存在的。例如一些植物和昆蟲表面具有的可以實現超疏水或斑斕色彩的微納結構。也可以是人們工業生產中已經應用的例子。例如量子點顯示是近年來興起的一個重要發展方向，與學生每天使用的手機、電腦等電子產品密切相關，因此很容易引起學生的興趣。這就要求教師平時注意拓寬自己的知識面，并且將生活中見到的例子及時融入教學內容中。

3.2 增加學生的參與感

概念術語之所以抽象往往并不是本身很難，而是因為其所描述的內容在學生的日常生活中完全沒有感官體驗對應。如果能將這些內容以眼見為實的形式展現在學生面前，對于降低概念術語的理解難度大有裨益。例如納米材料的制備方法有水熱法，物理氣相沉積法，熱解法等多種方法。僅僅依靠課本知識的講授，即使書本上有照片和示意圖幫助理解，距離感和枯燥感仍然很強。我們選擇一些相對簡單，也相對安全的制備方法開展演示實驗，例如機械攪拌法制備石墨烯，Turkevich法制備膠體金，共沉淀法制備納米氧化鐵等。在演示過程中，學生認真觀察實驗現象，教師則一邊演示一邊根據現象的變化講解制備過程中發生的物理或化學反應。此時，這些制備方法從課本上枯燥的文字變成眼前鮮活的感官體驗，更有利于學生的了解與掌握。而對于沒有條件開展的一些制備方法，則采用視頻播放的方式，將過程直觀的展現在學生眼前。通過增加學生的參與感，拉近學生與納米材料的距離，既提高了學生的學習興趣，也解決了學習過程中知識點抽象性高的難點。

3.3 鼓勵學生參與課堂討論，開展主動學習

通過提問引入新的教學內容是非常有效的一類教學手段。這不僅有助于引起學生的興趣，讓他們更加集中注意力，也有助于學生開動腦筋。在主動思考問題后再對照老師的講解印證自己的想法，更容易加深記憶和理解。由于納米材料往往具有與宏觀的傳統材料不一樣的特點，問題的答案常常與學生的想法大相徑庭。例如金從塊體變成納米粒子時，顏色會從金色變成紅色或紫色，而當尺寸進一步減小時，還會出現熒光效應。這些現象都是超出學生固有觀念的。然而正是這種新的現象給學生帶來了新奇感，因此納米材料課程采用這種提問討論的學習方式是非常合適的。

另外在教學過程中開展主動學習，讓學生每四人為一個小組，從磁性納米材料、金屬納米材料、量子點、石墨烯、碳納米管等材料中選擇一種感興趣的納米材料，通過收集閱讀資料，制作幻燈片，從材料誕生的背景、性質、常用的制備方法、應用前景和面臨的機遇挑戰等方面做簡短匯報。其它同學對相關的話題進行提問。最后老師對報告內容進行點評。為保證每位小組成員都能參與其中，在報告中還應注明各自的分工，便于老師根據學生的參與情況評分。通過這樣的方式，讓學生既復習了課堂知識，也在查找資料的過程中了解了前沿進展，還在討論中培養了科學的思維方式。

4 課程考核方式的探索

對于納米材料這樣一門交叉性，綜合性及時效性很強的課程，多樣化的考核方式更能全面的反映學生對知識的掌握和分析解決問題的能力。課程總評成績由平時成績和期末卷面成績共同構成。其中平時成績包括課堂參與討論得分和課堂分組報告得分，重點關注參與的積極性及分組匯報中的貢獻大小。本課程之所以不采用綜述論文的形式是因為分組匯報和提問的方式對學生能力的考查面更廣，也避免了綜述論文中容易出現的抄襲現象。分組匯報和提問的方式不僅鍛煉了收集資料分析問題的能力，還鍛煉了協作能力、語言組織能力和批判性思維能力，這對學生將來不論是考研還是工作都大有益處。期末考試則以半開卷的形式進行，即考試只允許攜帶一張A4紙的參考資料。由于納米材料課程知識點多而雜，如果采用傳統的閉卷考試，學生在知識點記憶上需要花費大量時間。課程考核的重點并非是對知識點的死板記憶，而是能夠在理解概念、術語、理論的基礎上，分析解決問題，并在此過程中形成科學的思維方式。之所以也不采取完全開卷的考試方式，是因為根據以往的教學經驗，學生可能會帶一摞書來，把考試的過程變成了查資料的過程，不利于學生真正掌握知識。而采用一張A4紙的半開卷考試，由于抄寫篇幅有限，學生必須在復習的過程中篩選重要的知識點摘抄。在篩選的過程中，把知識點逐步內化，形成自己的知識體系。

5 結語

進入21世紀以來，無論是學術界還是工業界都越來越重視納米材料的研發和應用。納米材料與人們的日常生活也逐漸變得越來越密切。因此將納米材料作為材料專業的選修課，對拓寬學生專業知識面，培養學生的現代科學素養，都是大有裨益的。然而如何將這樣一門新興的領域在課堂上講好，讓學生在多而雜的概念術語中理清課程脈絡，了解和掌握必要的理論知識，并靈活運用解決問題，形成良好的科學思維方式，是一項極富挑戰性的工作。只有在長期的實踐中堅持不斷的進行教學反思，總結經驗教訓，與同行和前輩交流學習，吸收他人的教學經驗，才能促進教學質量的不斷提高，為社會培養具備國際視野的創新型和復合型人才。