開展納米科學(xué)教育點亮納米科技夢想

朱紅偉

（江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)東延路實驗學(xué)校，江蘇蘇州 215000）

引 言

21世紀(jì)以來，全球納米技術(shù)突飛猛進(jìn)，納米技術(shù)被廣泛地運用于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)、百姓生活，給醫(yī)學(xué)、制造業(yè)、材料和通信等行業(yè)帶來革命性的變革，成為新工業(yè)革命的主導(dǎo)技術(shù)，極大地改變了人們的生活方式。當(dāng)前，納米科學(xué)已被列為國家發(fā)展四大重點學(xué)科之一。國家要想具備可持續(xù)的納米科技競爭力，納米科技人才是關(guān)鍵因素，人才的培養(yǎng)必須從基礎(chǔ)教育抓起，教育必須緊緊跟隨民族振興、科技發(fā)展的步伐，讓教育發(fā)展奠定科技發(fā)展的基石。義務(wù)教育學(xué)校對學(xué)生開展納米科學(xué)校本教育，是立德樹人教育根本任務(wù)的要求。學(xué)校要順應(yīng)科技發(fā)展對人才培養(yǎng)的要求，正視中小學(xué)納米科學(xué)教育的現(xiàn)狀，了解中小學(xué)納米科學(xué)教育的意義，創(chuàng)設(shè)納米科學(xué)實驗室，利用本地資源開展納米科學(xué)教育，點亮學(xué)生的納米科學(xué)夢想。

一、正視中小學(xué)納米科學(xué)教育的現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代以來，發(fā)達(dá)國家在納米科技領(lǐng)域投入了大量的資金，試圖搶占21世紀(jì)科技領(lǐng)域的制高點。在納米科技教育方面，伊朗把納米科技教育納入了基礎(chǔ)教育體系，構(gòu)建了十二年一貫的納米課程體系，在市區(qū)建立了納米實驗室，供周邊學(xué)校使用。目前，我國中小學(xué)科學(xué)校本課程開發(fā)有待加強，尤其是義務(wù)教育階段納米科學(xué)教育校本課程的開發(fā)近乎空白，而納米科技的迅速發(fā)展和廣闊前景，以及納米創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，對中小學(xué)納米科學(xué)教育提出了迫切的需求。

二、理解中小學(xué)納米科學(xué)教育的意義

科學(xué)技術(shù)是一個國家綜合國力的重要標(biāo)志，也是一個民族振興的重要武器，偉大的中國夢首先是科技夢、人才夢。我國政府十分重視培養(yǎng)納米科技人才，國家成立了納米科學(xué)中心，專門培養(yǎng)納米技術(shù)尖端人才[1]，培養(yǎng)學(xué)生承擔(dān)民族振興的歷史責(zé)任。我校地處高新技術(shù)云集的蘇州工業(yè)園區(qū)，區(qū)域內(nèi)不乏高等院校、高科技研究所和企業(yè)，其中就有專門的納米技術(shù)院系、研究機構(gòu)和企業(yè)。學(xué)校的科學(xué)教育應(yīng)以納米科學(xué)教育為特色，聚焦納米科學(xué)校園特色文化建設(shè)，注重學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)，特別重視學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成與發(fā)展。學(xué)校基于納米科技課程的豐厚基礎(chǔ)，進(jìn)行了積極的探索和努力，并形成了新的亮點。這不僅是學(xué)生成長的需要，更是時代發(fā)展的需要。

三、探索中小學(xué)納米科學(xué)教育的途徑

隨著對納米科學(xué)技術(shù)的研究，越來越多的納米科學(xué)理論轉(zhuǎn)化成技術(shù)，轉(zhuǎn)化成實踐。中小學(xué)納米科學(xué)教育是學(xué)校科技教育的重要內(nèi)容之一。義務(wù)教育階段的納米科學(xué)教育需要從學(xué)生的生活出發(fā)，充分利用周邊豐富的資源，開展納米科學(xué)教育活動，探索納米科學(xué)教育的實施路徑[2]。

（一）建設(shè)納米科學(xué)創(chuàng)新實驗室

中國科學(xué)院2015年3月提出實施“高端科研資源科普化”，倡導(dǎo)將高端科研資源轉(zhuǎn)化為惠及中小學(xué)科普教育的設(shè)施、產(chǎn)品，給中小學(xué)科普教育提供人才支持，促進(jìn)科教融合。學(xué)校在國家納米科學(xué)中心有關(guān)專家的指導(dǎo)下，在社區(qū)熱心企業(yè)的資助下，建設(shè)了一間納米科學(xué)學(xué)生創(chuàng)新實驗室，主要助力學(xué)生探索納米技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的運用。實驗室的建成為學(xué)生開發(fā)自己科學(xué)探索的內(nèi)在潛能發(fā)揮了重要的作用。實驗室里最引人注目的是兩臺納米顯微鏡：原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡。同時建成的還有一條以納米科技為主題的文化長廊和一個納米展品展覽區(qū)，幫助學(xué)生了解當(dāng)今時代全球納米科技最新發(fā)展成果及納米科技發(fā)展的美好前景，展示中國納米科技發(fā)展的偉大成就，以及納米科技在實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化強國中的重要作用，鼓勵學(xué)生為了中華民族的偉大復(fù)興，立志將來成為社會主義的建設(shè)者，成為國家發(fā)展的有用之才。這為學(xué)校開展納米科技教育創(chuàng)設(shè)了必要的硬件環(huán)境，營造了納米科技校本教育文化環(huán)境。

（二）系統(tǒng)設(shè)計學(xué)校納米科學(xué)教育課程

納米科技是一門尖端科學(xué)，如何讓尖端科技落地生根，讓中學(xué)生能理解課程內(nèi)容并參與到課程中來？對此，學(xué)校對納米科技課程進(jìn)行了頂層設(shè)計和系統(tǒng)推進(jìn)，由淺入深，由科普到探究，從課堂到課外，從校內(nèi)到校外，分年級有序進(jìn)行，把納米科技引入學(xué)校課程教育范疇，與小學(xué)科學(xué)、初中生物、初中物理、初中化學(xué)、綜合實踐等課程有機融合，以項目主題式形式螺旋推進(jìn)，綜合提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。下面筆者通過具體的四類案例來分析學(xué)校納米科技課程實施的特點。

1.科普入門類

知識是技術(shù)和能力的基礎(chǔ)。對于納米科技這門全新的課程，課程開發(fā)團(tuán)隊拋棄傳統(tǒng)講授形式向?qū)W生介紹納米科技知識，而是設(shè)計了調(diào)查、參觀、匯報、交流等一系列學(xué)生活動，讓學(xué)生自主、逐步認(rèn)識納米，體會納米科技在生活和生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，認(rèn)同納米科技與人類生活的密切聯(lián)系，從而自覺激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)納米科技的熱情[3]。

2.觀察實證類

納米是一個極小的長度單位，在此尺寸下研究的納米科技無法被學(xué)生直接感知和體會。課程開發(fā)團(tuán)隊從自然界中的納米現(xiàn)象入手，以經(jīng)典的“蓮葉效應(yīng)”為主題，通過一個個簡單的觀察實驗，讓學(xué)生真實地感知納米世界的神奇，激發(fā)學(xué)生深入研究和探索的熱情。

以觀察“蓮葉效應(yīng)”為例，教師聯(lián)系生活實際，提出疑問：為什么蓮葉能“出淤泥而不染”？為什么水珠能在蓮葉上滾動？為什么蓮葉的表面總是干干凈凈的？教師組織學(xué)生通過滴水實驗觀察神奇的“蓮葉效應(yīng)”，然后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究其他動植物是否有類似的現(xiàn)象，如常見的校園植物葉片，蝴蝶、蟬、蜻蜓等昆蟲的翅膀等。最后，教師組織學(xué)生收集自然界中的動植物具有的“蓮葉效應(yīng)”的例子，思考“蓮葉效應(yīng)”對動植物生存的意義，并在小組內(nèi)進(jìn)行匯報和交流。這些活動讓學(xué)生真實地觀察到納米現(xiàn)象在自然界中是真實存在的，并且對動植物的生存具有重要作用。

3.原理探知類

科學(xué)知識不僅要知其然，更要知其所以然。納米科技課程鼓勵學(xué)生充分運用納米觀測儀器進(jìn)入納米世界，探知現(xiàn)象背后的原理，進(jìn)入納米結(jié)構(gòu)表征的認(rèn)知，深入學(xué)習(xí)納米相關(guān)知識在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用[4]。

以“解密疏水性”為例，學(xué)生在實驗中發(fā)現(xiàn)蟬的翅膀、蓮葉等動植物結(jié)構(gòu)具有不沾水的特性（即疏水性），產(chǎn)生了濃厚的探究興趣，并把研究內(nèi)容確定在這些動植物組織的表面結(jié)構(gòu)上。教師指導(dǎo)學(xué)生用原子力顯微鏡、電子顯微鏡（在合作單位專家指導(dǎo)下）觀察蟬、蜻蜓、蝴蝶的翅膀和蓮葉的表面結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)表面都具有納米級大小的突起。那么，疏水性與這些微小突起之間是否存在直接聯(lián)系？學(xué)生還設(shè)計了驗證實驗：在原來不具有疏水性的材料表面制備納米顆粒，觀察該種材料疏水性的變化。學(xué)生查閱文獻(xiàn)得知，蠟燭在不完全燃燒時會產(chǎn)生黑煙，而煙霧中含有納米級大小的碳顆粒。于是，他們用普通廢棄光盤進(jìn)行實驗，在光盤的一側(cè)熏上一層碳顆粒，通過滴水實驗發(fā)現(xiàn)熏了碳顆粒的一側(cè)產(chǎn)生了疏水性，而未熏碳顆粒的一側(cè)沒有產(chǎn)生疏水性，從而驗證疏水性的產(chǎn)生確實與材料表面納米級的突起有直接關(guān)系。

4.拓展實訓(xùn)類

學(xué)校地處蘇州工業(yè)園區(qū)科教創(chuàng)新區(qū)，區(qū)域內(nèi)有300 多家納米科研單位和生產(chǎn)企業(yè)，特別是中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所是國內(nèi)該領(lǐng)域的最高科研機構(gòu)。學(xué)校與多家單位建立了共建合作關(guān)系，后者成為學(xué)校開展納米科技教育的實訓(xùn)基地，他們中的多位納米科研專家成為學(xué)校特聘指導(dǎo)教師，指導(dǎo)學(xué)校的課程建設(shè)、學(xué)生活動。利用優(yōu)越的區(qū)域優(yōu)勢，學(xué)校每學(xué)期都組織學(xué)生進(jìn)行拓展實訓(xùn)。例如，學(xué)校組織學(xué)生走進(jìn)納米顯微鏡研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)，學(xué)習(xí)原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡的使用和操作方法；聘請企業(yè)技術(shù)人員來學(xué)校現(xiàn)場指導(dǎo)學(xué)生動手實踐等。

以制備“PVA納米纖維”為例，學(xué)生課前通過調(diào)查了解和認(rèn)識“纖維”“納米纖維”的概念和用途，課上在專家的指導(dǎo)下，學(xué)習(xí)用靜電紡絲儀制備PVA納米纖維。如何證明制備出的纖維絲達(dá)到了納米級尺寸？學(xué)生想到用原子力顯微鏡進(jìn)行觀測。他們將制作的PVA纖維樣品，置于原子力顯微鏡下進(jìn)行觀測，獲得了清晰的掃描圖像，并且利用軟件測量觀測到的纖維絲，發(fā)現(xiàn)它們的尺寸在幾百納米不等，即納米纖維。

結(jié) 語

納米科學(xué)教育的魅力在于激發(fā)學(xué)生的好奇心與探究欲，培養(yǎng)學(xué)生探究過程中提出問題、解決問題的創(chuàng)造性思維、批判性思維。學(xué)生能夠在探究活動中，學(xué)會傾聽他人意見、樂于接受他人建議、與人合作，逐漸形成科技創(chuàng)新人才所必須具備的科學(xué)意識、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。學(xué)校應(yīng)重視納米科學(xué)教育活動的開展，潛移默化地點亮學(xué)生的納米科技夢想，為將來成為高素質(zhì)科技創(chuàng)新人才奠定基礎(chǔ)。