基于實踐的納米材料學教學研究

施敏杰，華匯慧

（江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212028）

0 引言

與物理、數學等單獨學科不同，材料科學是一門交叉學科，其涉及面十分廣泛，很難對材料學的研究對象予以明確定義[1-2]。但材料科學是一門基礎學科，其重要性不言而喻。國家在大力發展材料科學的同時，也逐步加大對納米材料科學教育的投入和發展，相繼在其領域形成了完備的人才培養體系，如納米材料制備、納米結構材料應用、納米的普學研究等。納米材料學科的創新伴隨著新理念和新思想的誕生，隨著納米材料學科發展，其科研、教學均獲得了較大的成績，從系統性、梯度性、多維性、實踐性等多角度形成體系，并對人才培養起到了良好作用[3]。然而，納米材料學不僅是基礎學科，還注重工程實踐性，涉及材料的制備和使用，在缺乏實踐的環境下，如何推動發展該學科的教學工作是當前教育工作者關注的重點問題。

目前就業形勢要求在人才培養上做到“懂理論、能實踐、會創新”，基于材料科學的特點，文章將從納米材料學特點、教學特征方面出發，分析當前的教學現狀和學科發展現狀，并結合實踐構建理論與實踐結合的學科體系。

1 納米材料學科特點

納米材料學科是凝聚態物理與膠體化學等綜合在一起的交叉學科，具有廣泛的科研應用前景。其要求學習掌握基本的納米材料物、化知識理論，又需要具備實踐上的創新與應用，能夠解決現實需求問題。在納米材料學當前的就業環境下，對學生在專業制備、結構性能分析以及材料開發與應用上的能力要求越發提升，這就需要在教學過程中通過實踐教學著重進行培養[4]。納米材料研究至今，已發現其具備一些重要特性，包括材料表面與界面效應、小尺寸效應及一些伴生的光學特性。在工業應用領域，材料的表面與界面效應被應用于分離、催化、乳化等等，因此可利用其物理、化學活性特點開展符合工業生產需求的工藝處理；小尺寸效應對納米材料產生光、熱、磁、導等方面的影響，并廣泛應用于各類集成電路、物理實驗；光學上，納米材料對光的散射、吸收及轉換也被運用于生物領域和有機化學領域。因此，納米材料學從基礎理論到應用探索，可細分為不同方向，從理論到實踐的第一步是對納米材料進行制備。在納米材料制備中，往往通過物理或化學方法進行，已有較為成熟的方案，可充分利用熱能、壓力、真空、結晶、氣凝等多種物理方法，也采用穩定劑參加化學反應來制備。在進行教學時，或多或少會受到教學條件限制，無法開展較為全面的制備學習實踐。同時，實踐教學的人才培養模式難以滿足當前產業發展速度要求的創新及競爭力需求，因此在人才質量、人才數量上還有很大提升空間，特別是針對納米材料學這類以理論為基礎，以工程實踐為核心的綜合性學科。

整體情況上，納米材料學的實踐教學呈現了如同其學科一般的交叉特點，具體表現在以實踐教學為核心目標，受課程體系、教學方式、師資力量、軟硬件條件影響，且其本質是受教育大環境下的實踐教育觀點、創新人才培養體制、教育資源的分配及產學研合作力度影響的，呈現了較為復雜的特性。所以在開展這一學科的實踐教學時，不得不認真分析其教學特征，以找到最適合實踐教學發展的方法。

2 納米材料學教學特征

納米材料教學大綱涵蓋了其發展簡史、材料的重要特性、材料的制備、結構分析、晶體學、磁學及光電學，同時還應對重要的納米材料進行專門講解，再通過現有的材料應用案例進行剖析，以形成從理論到實踐的全程教學。其教學目的是對納米材料知識進行了解，并拓寬學生在專業上的知識面，為今后從事相關行業的工作和科研打下堅實基礎，并從概念、性質、性能以及制備等方面了解納米材料的實際應用。

從教學內容上看，納米材料在基本概念、研究方向、研究手段以及發展歷程都做了詳細的描述，可讓學生從點及面，逐步了解。同時對材料的結構分析和性能分析，有助于學生掌握現有納米材料的一般特性，并學會歸納總結，加深其對學科的認識理解。此外，教學內容中涉及了納米材料的各類物、化特性，能夠讓學生從宏觀角度理解納米材料的研究價值、涉及的納米材料結構特征及觀察，能夠讓學生從微觀角度理解各類結構的特征及其用途。在理解基本概念后，教學大綱一般要求開展一些常見的納米材料制備方法及其基本特性，在此階段占據一半以上的教學時長，因此作為實踐環節，此階段是開展實踐教學的重要組成，決定了學生是否能形成體系化的納米材料知識體系。物質層次劃分的教學內容，往往是納米材料學科的教學重點和難點，而結合實踐的講解能讓學生從直觀角度觀察微觀的納米材料特性，逐步掌握相關理論知識。

從教學考核上看，從單一的以考試成績為核心的教學考核指標，逐步發展成全景式精準教學考核評估，其包括了對教師的教學管理能力、學生的學習管理能力及學科創新發展能力等多維度考核。在教學管理能力考核上，通過課前、課中、課后三個階段進行考核。如課前開展教學計劃考核，通過對教案、課堂教學內容、教學質量、學生反饋情況、學生考試成績等方面綜合評定其計劃完成情況，并以此確定課前教學管理能力。課中根據月度檢查表檢查備課質量以及課堂行為、教學效果，明確是否按照既定教學目標、教學重點、教學過程及方法執行，最終再根據學生評測結果綜合評定其課中考核結果。課后則依托于課后作業，包括實踐和非實踐類作業，從數量、質量上綜合考量，開展學期中、末的考試與質量評定，并依據計劃、總結最終形成該學科的考核情況。由此可見，開展納米材料學科考核評定，最重要的是計劃與執行，采用多元化方式開展綜合性的教學考核，與培養復合型人才的目標一致性強，有助于教師、學生雙方積極參與課程，并明確課程學習成果，有序完成既定計劃。

3 基于實踐的教學構建

為了建立基于實踐的納米材料學教學體系，需從構建的目標、基礎以及模式上展開工作，明確最終的人才培養目標和實現這一目標所需的硬件、軟件資源，最終通過創新模式形成獨特的教學體系。

3.1 構建的目標

納米材料學從三個維度進行階段目標構建，而總體目標是培養具備扎實理論、動手能力、創新思維的復合型人才。在第一階段的維度是知識與技能目標。知識與技能目標是依托當前納米材料學發展的前沿技術和知識，創建納米材料歷史發展、材料的制備技術、材料的結構探究、特殊材料的合成技術、材料的物、化特性以及一些材料的實際應用場景。因此，在這一階段的主要工作是將事實性知識、概念性知識、程序性知識、元認知知識進行理解記憶并分析應用。教師在開展教學時要以此為主線，構建階梯式的課堂教學內容，并在課堂上延申展開，引入實踐環節。例如在開展納米材料的制備教學時，介紹一些依靠物理、化學方法能進行制備的納米材料，并深入其原子特性，逐步結合物理和化學基礎知識，完善學生對材料制備原理的理解，再結合加熱制備、氣凝制備等常見的方法開展實踐教學，讓學生積極參與到實踐活動，并不斷鞏固其理論知識，此時的理論和實踐課時比例可按一比一設置。當介紹等離子體方法制備納米材料時可以結合制備的視頻從理論到實踐進行講解，減少因實驗條件缺乏導致的知識抽象問題，大幅完善了學生的直觀體驗。在第二階段的維度是過程與方法目標，即將知識進行建模，按照學生掌握的知識進行自主分析、分類與總結。如在每一章節知識學習完成后，開展基于實踐的知識分析，通過已有知識體系，舉一反三研究其余納米材料是否具備這些特性，并通過實踐進行歸納總結，可通過小組任務開展的方式執行這一過程，也讓學生在實踐過程中逐步掌握講授的方法，并形成其獨特的學習思路。仍然以材料制備為例，通過物理和化學制備，讓學生能掌握由上至下和由下至上的制備分類，當采用機械或物理方法進行尺寸縮小時，可認為是由上至下的制備過程，且這一過程要求材料必須具備某一維度的納米尺寸特性，當采用原子、分子級別的材料制備時，大多采用化學方法進行沉積、乳化等方式制備。學生通過多次自主引導實踐，完全可以不通過教師的講授掌握這一歸納原則，效果要強于直接講授。在第三階段的維度是意義與價值目標，即學有所用，學有所成。在進行教學活動后，學生不光需要獲得成績上的正向反饋，還需要得到價值反饋，這便是在最后一階段明確的價值目標。

3.2 構建的基礎

構建基于實踐的納米材料學教學需要具備一定的硬件及軟件基礎。在硬件方面，可以通過教學改革契機采購相應的專業設備、建立專業的實驗室等方法，讓實踐課程具備硬件基礎，并通過設備共享、對外開放引進、對外交流等方式不斷進行硬件補充，最終將有限的資金、資源不斷整合，通過經濟核算讓設備產生最大價值。也可以通過科研形式，參與到大型科研項目中去，為項目輸送人才，并依托專業特色獲得基金支持，減少因資金問題導致的硬件條件不足。在軟件方面，可以通過吸收、培養、引進、交流等方式，逐步形成專業的納米材料學科研、實踐團隊，并建立“雙師”型人才培養體系，在校內發展一批學科骨干，并帶領團隊不斷朝市場需求的人才培養模式上邁進。同時，開展形式多樣的實踐交流活動，如舉辦創新大賽、校企獎學金等，通過對專業學子的正向引導，不斷提升其實踐參與的積極性，并在活動中加深校園內部、校與校之間、校企之間的合作交流。最終，通過軟件、硬件的提升，打造良好的納米材料學人才培養環境。

3.3 構建的模式

要實現以實踐為基礎的納米材料學教學，必須構建相應的實踐型教學模式。首先，樹立現代教學的理念，即以創新人才培養為目標，以學生為本的核心理念，以市場為導向的培養方法。需從行政管理改革、教學改革、校園環境打造三個方面分別執行，讓管理人員、教師服務于此目標，讓學生明確其學習目標。其次，要突破課堂，創建生活滲透的泛在式教學模式，讓教學的本質回歸為學生自主學習，改變傳統教師主導的教學觀點，在教學過程中通過與學生的互動交流，雙向傳導知識，并調動學生積極性，主動參與實踐并獲得正向激勵，實現以興趣為導向的快樂學習模式。在課堂教學完成之后，將作業引入生活，并實現以應用為導向的課后知識鞏固，如讓學生自主收集多種制備納米材料的方法，并依托開放性實驗室，讓學生隨時可以進行實踐驗證。最后，建立基于學生社交途徑的知識傳播路徑，如：校園微博、公眾微信等，將知識碎片化，同時在線上組織學生開展實踐相關的專業活動，以此融入學生的課后生活，實現泛在學習。

4 結語

由于納米材料學是一門新興的交叉學科，要實現其基于實踐的教學體系構建，必須從思想觀念上形成統一，即培養符合市場需求的創新型復合人才。要從學科特點上分析其教學痛點，并結合硬件、軟件資源的補充整合，形成以學生為本的人才培養環境。在當前的材料學發展環境下，掌握納米材料技術是許多行業突破創新的重要切入點。所以，要結合市場發展與需求，不斷完善當前的人才培養模式，提升納米材料學的專業競爭力和師資水平，才能對學科創新起到促進作用。最后，改革其學科考核評價體系也是學科發展的重要保障。