納米科學與技術課程教學實踐與探索

南京郵電大學材料科學與工程學院 宇文力輝

納米科學與技術是指在納米尺度上研究物質特性和相互作用以及利用以上特性的科學技術。自從20 世紀末新型納米表征技術的發明和新型納米材料的發現后，納米科學與技術已經蓬勃發展了幾十年，并與物理、化學、信息、生物、醫學、能源、環境等眾多學科高度融合，衍生出納米物理學、納米化學、納米材料學、納米機械學、納米電子學、納米生物學、納米測量學等新興學科，不斷推動著基礎科學的發展，并展示出廣泛的應用前景，促進了人類認知的革命，對科技、經濟和社會產生了重大影響，引起各國的高度重視。由教育部等部委下發的《國家納米科技發展綱要（2001—2010）》，要求在理工科專業中設置納米科技課程。作為我國實施制造強國戰略的第一個行動綱領，《中國制造2025》也多次提到納米科技的重要價值。因而，納米科學與技術課程對于培養多學科交叉的復合型人才和保障我國納米科技的發展具有重要意義。

納米科學與技術課程要求學生正確理解和認識物質在納米尺度的新現象和新規律，熟悉納米材料的制備與表征方法，了解納米技術在電子、機械、化學與生物等領域中的應用。通過系統學習，使學生對納米科技的理論、技術、工藝、應用有更深入的認識，拓寬學生的知識面，培養學生分析和解決多學科交叉領域中復雜問題的能力，提高自學能力與創新意識。由于納米科技涉及的學科眾多，部分內容較為艱深，如何有效提高教學質量是當前的難點。

一、科技發展史融入課堂，增強學習興趣

眾所周知，興趣是最好的老師。孔子曰：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者。”因而，提高學生的學習興趣是教學過程順利進行的重要基礎。納米科學與技術課程設置在大學四年級上學期，盡管學生的知識儲備更為充足，但找工作或考研也會消耗他們較多的精力。如何培養學生對課程的濃厚興趣成為教學過程中的重要內容。通常，學生容易對單純的理論內容產生畏難與厭倦的情緒，而更喜歡具體生動的具有敘事風格的教學內容。納米科學技術的發展過程是人類不斷認識世界和改造世界的過程，其中既有科學家充滿好奇心的探索，也有浪漫主義的設想；既有令人驚奇的新穎發現，也有模仿自然的驚人創造。在納米科學與技術課程的授課過程中，將納米科技發展史中人類發現、發明、創造的過程生動地展示出來，可以使學生站在歷史的角度觀察與學習，了解本學科的發展規律，樹立唯物主義世界觀和方法論，培養開拓創新的意識。

在課程的緒論部分，納米科技的發展歷史被作為重要的學習內容。首先，介紹古代人類無意識地利用納米科技。例如，古代中國利用松枝燃燒產生的碳納米顆粒作為墨的原料，使得古代字畫歷經千年而不褪色；古埃及人使用含鉛的納米材料作為化妝品。通過展示公元4 世紀制造的具有獨特變色能力的萊克格斯杯和公元6 世紀建造的法國巴黎圣禮拜堂五彩絢爛的玻璃窗，向學生介紹金屬納米粒子獨特的光學效應；通過展示公元13 世紀大馬士革刀，講述鍛造工藝中蘊含的獨特納米加工技術。其次，在近代納米科技發展歷史部分，按照時間順序列舉重要科學家的卓越貢獻。1959年，著名物理學家費曼教授極具預見性的報告，使人們意識到納米領域存在的空間與價值。隨后，依次介紹20 世紀60年代納米理論的建立、70 年代納米術語的提出、80 年代納米表征技術的發明等一系列標志性事件及其背后的故事。學生通過了解納米科技的發展史，逐漸領略到納米科技的獨特魅力，能夠潛移默化地學習科學家勇于探索的精神。

在其他章節教學過程中，也可按照類似的思路將納米科技發展史融入教學內容。例如，在納米表征技術的章節，對電子顯微技術的教學首先從1924 年德布羅意提出的波粒二象性理論導入，選取第一臺透射電子顯微鏡原型機、襯度理論的建立、高分辨像理論的發展等關鍵歷史節點進行介紹；在納米材料制備章節，對于碳納米材料的發展過程進行梳理，從富勒烯到碳納米管，再到石墨烯；在納米電子學章節，以集成電路芯片的微納加工技術為例，列舉芯片制程從90納米進階到5 納米過程中納米科技發揮的重要作用。將科學發展史融入教學內容的方式得到學生的肯定，他們在課堂回答問題環節表現出了更高的積極性和參與度。

二、基礎理論與前沿研究互補，培養科學精神

納米科技與眾多學科存在廣泛而深入的交叉融合，并在迅速發展變化。盡管課程教材對納米科技有較為系統的總結，但是納米科技各分支都是新的學科增長點，新的研究成果不斷涌現。因而，納米科學與技術課程的教學過程不僅要注重知識的系統性，而且必須適應學科的高速發展。為此，在每章課件中都加入相應的前沿專題，補充納米科技的研究進展，才能使學生獲得最新的知識。

例如，在納米電子學章節，選取石墨烯作為納米材料研究前沿的典型例子，增加石墨烯材料專題，介紹石墨烯透明電極、石墨烯發光器件、石墨烯柔性電子、石墨烯觸摸屏等前沿進展，讓學生認識到納米科技將給人類未來的生活帶來巨大改變，增強他們的探索意識和創新精神。在納米生物學章節，專門設置DNA 納米技術專題，結合相關課題組的最新研究工作，詳細介紹DNA 納米技術的概念、從簡單結構到復雜結構的演變過程、相關課題組的代表性工作和應用前景，為學生展示最新出爐的研究成果，拉近學生與納米研究前沿的距離。

三、抽象內容形象化，改進學習方式

心理學研究表明，形象的內容更容易被人理解與記憶。納米科學與技術課程中存在較多的理論內容，抽象的教學內容易導致注意力下降和疲勞，影響教學效果。為此，在教學過程中需要將抽象的教學內容轉化為形象的圖片和動畫，從而有效解決以上問題。

例如，在納米理論章節，為說明金納米粒子在超小尺寸下具有更低的熔點，引入一段金納米粒子被電子束照射的視頻，將受到輻照加熱后金納米粒子的流動性展示出來，引起學生的關注與思考。在納米材料章節，許多制備方法存在大量技術細節，造成理解與掌握的困難。在授課過程中，將每種制備方法的原理與儀器均配上示意圖，標注重要部分與關鍵反應條件，使抽象的內容轉化為形象的圖形內容，便于學生理解與掌握。在納米生物學章節，為演示血紅蛋白與氧氣的相互作用，在教學過程中使用動態圖片，從而將氧氣吸附與脫附過程中血紅蛋白結構的變化形象展示出來。

四、從書本到生活，鍛煉綜合能力

納米科學與技術課程的教學目標是提高學生運用多學科知識分析并解決問題的綜合能力，以適應科技迅速發展對復合型人才的需求。由于本課程涉及學科較為廣泛，內容更新較快，此前的考試方式難以體現學生的能力，為此，課程考查方式選擇了論文寫作。學生圍繞“納米科技與人類生活”，在建議主題中選取個人感興趣的角度，查找資料，完成一篇論文。在課程結束后，專門安排時間對學生的論文寫作進行指導，尤其是寫作方法、格式規范、數據庫使用等。通過論文寫作，學生能夠通過專業數據庫對生活中某種納米技術進行文獻檢索，在資料整理與論文撰寫過程中，學生分析當前納米技術存在的問題，結合自身專業知識提出解決思路，從而提升學生思考問題與解決問題的綜合能力。同時，課程論文的寫作要求與本科畢業設計的前言部分基本相同，能為他們進行下一階段學習奠定良好的基礎。

綜上所述，納米科技是當前研究最為活躍、發展最為迅速的交叉學科，其內容覆蓋面寬，知識更新快。納米科學與技術課程是理工科本科生重要的專業課，對于拓展知識面和增強綜合能力具有重要意義。多年的教學實踐表明，將納米科技發展史融入教學內容，把前沿進展與基礎理論緊密結合，充分利用形象化的教學方式，結合課程論文的考查方式，能夠有效提高納米科學與技術課程的教學效果和學生的綜合能力。