淺析納米材料學課程文獻引導法教學范文

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摘要：納米材料學是新世紀材料科學專業(yè)的重要課程之一。本文分析了納米材料學課程的特殊性，包括新興性、熱點性、交叉性和實踐性，發(fā)現文獻引導教學法能夠非常好地與納米材料學課程相契合，隨后結合教學實踐給出了文獻引導法教授納米材料學課程的建議。

關鍵詞：納米材料學；文獻引導教學法；教學改革

前言

納米科學主要研究的是至少一個尺度在100納米以下物質的制備及其特性，是本世紀的三大高新學科之一。納米科學綜合了許多相關學科（如物理、化學、生物）的先進成果，是一門前沿的交叉性學科。近幾十年是納米科學迅速發(fā)展的黃金時代，產生了一大批已經或者即將造福人類的研究成果，如大規(guī)模集成電路、高靈敏傳感器、抗癌藥物等。納米科學的基本載體是納米材料，納米科學的最核心問題是如何制備出結構、尺寸可控且均一的納米材料。為了緊跟時代腳步，培養(yǎng)與時俱進的材料科學與工程專業(yè)的人才，納米材料學這門課程逐漸成為了材料科學與工程專業(yè)的重要課程之一。[1]但是，由于納米科技起步晚、發(fā)展快、重要性大，使納米材料學課程具有特殊性。這些特殊性導致若仍采用傳統(tǒng)的教學方法，無法很好地完成教學目標。因此，需要采用更加有針對性的的教學方法，讓學生對相關知識點有更深的認識和理解的同時，也能具備一定的創(chuàng)新能力，有助于其將所學知識融入科研或者生產實踐中。[2]本文結合教學實踐經驗，著重討論了文獻引導教學法在納米材料學課程中的應用。

1文獻引導法教學與納米材料學課程特點的匹配分析

納米材料學是一門新興學科。納米科技的誕生不過幾十年的時間，人類對納米材料的認識還在快速發(fā)展中，相對不夠成熟，甚至有些學術觀點還存在一定的爭議。例如對于納米材料具有特殊物理化學性質的原因，學術界的認識還在不斷自我否定、自我突破。從最初的表象認識發(fā)展到目前的四大效應，即“表面效應”“小尺寸效應”、“量子尺寸效應”和“宏觀量子隧道效應”，在未來肯定還會新的理論提出，如有研究者嘗試從化學鍵的角度探索納米材料的特殊性質來源。這就導致目前關于納米材料學還沒有足夠權威的教材資料，采用傳統(tǒng)的教學方法很難達到教學目的。因此采用文獻引導法，可以將原汁原味的最新知識介紹給學生，讓學生自己理解和領會，避免教材中知識的滯后性和不客觀性。納米材料學是一門熱點學科。納米材料學是學術界公認的熱點研究領域，也是世界各國也大力推動納米材料的開發(fā)和應用。以納米材料為關鍵詞進行檢索，可以看到每年的數量是呈現指數增加的。2016年就有92767篇SCI。特別地，雖然沒有權威統(tǒng)計，但學術界普遍認為，中國學者在納米材料學領域發(fā)表的論文數量是世界之最，很多大學都成了專門從事納米研究的院/所。這說明，納米材料學每天都有大量的最新研究成果發(fā)表，納米材料相關新知識的創(chuàng)造速度和數量非常驚人。同時，我國是一個納米科技大國，幾乎每所高校和研究所都有開展納米研究的團隊。這就意味著，納米材料學的大量知識都集中在最近幾年的文獻中，納米材為學課程的教學需要將最新的研究成果包括在內，而學生們很容易在所在學校獲取最新的納米材料學的相關知識。納米材料學是一門交叉學科。納米材料學涉及到的非常多的學科，與物理、化學、生物三個大的理工學科都密切相關。如納米材料的制備有物理氣相沉積法、光刻法（物理相關），化學氣相沉積法、溶膠凝膠法（化學相關）和生物模板法、生物合成法（生物相關），納米材料的應用有大規(guī)模集成電路、太陽能電池（物理相關），有鋰離子電池、電催化（化學相關），也有抗癌藥物、人工器官（生物相關），這就意味著納米材料學課程中的知識點會繁多而且龐雜，需要大量的預備知識。但實際上，學生在學習納米材料學課程之前，一般只能對本專業(yè)的相關知識基本理解，不可能全面掌握所有預備知識。因此，納米材料學課程需要針對不同的學生因材施教，根據學生的知識背景有選擇性地進行教學。課程教學納米材料學是一門實踐學科。納米材料學的關鍵是納米材料的制備，而納米材料的制備對工藝的敏感性非常高，如原料、溫度、壓力、時間等參數的微小變化都會導致最終產物微觀形貌的巨大變化。[3]除了扎實的理論功底，納米材料的可控制備還需要豐富的實踐經驗才能實現。文獻就是一個個具體案例，明確給出了所研究材料的具體工藝，大量文獻的閱讀可以讓學生對納米材料制備有一個初步的認識。另外，納米材料是廣泛應用于人類生活中的，與我們的生活息息相關，文獻中不僅報道了目前已有的納米材料應用，還有很多前沿的未來應用研究，可以讓學生對于納米材料的應用有更為全面和前瞻的認識。

2納米材料學的文獻引導教學法經驗

前10%左右的課時開展納米材料學最基礎知識的講授。納米材料學的關鍵詞是納米，基本的問題就是研究材料在納米尺度下的制備和特殊性能，其核心知識點是表面能，包括表面能的來源和計算方法，以及表面能隨材料尺寸的變化規(guī)律，大自然是如何試圖降低材料的表面能的，以及人類可以利用哪些手段去避免納米材料的長大；還涉及一部分交叉學科，如量子力學、物理化學等知識。因此，在較短的授課時間里，很難完全講授清楚所有的基礎知識，需要視學生的前期知識儲備情況進行課程微調，以保證學生能夠高效獲取知識。雖然課時短，但這部分最基礎知識點的講授要足夠系統(tǒng)和深入，為后面文獻引導教學打好基礎。中間40%左右的課時讓學生進行主題報告。每組學生3-5人，主題是特定維度、特定制備方法和特定應用方向的納米材料，如零維TiO2光催化材料、一維靜電紡絲電催化材料、二維石墨烯鋰離子電池負極材料、三維介孔分子篩藥物靶向釋放材料等。主題報告要求是時間30分鐘，內容完整且有一定深度，引用文獻5篇以上，同時，報告后要求其他學生針對報告內容提問，包括制備機理，應用前景等。若學生的科研基礎較差，可給予每組一篇相關領域的中文綜述作為參考，學生可以在綜述中尋找感興趣的點，然后根據相關的參考文獻確定報告的主題和思路。該部分是文獻引導教學的難點，在教學實踐中，可能存在學生文獻閱讀困難、參與積極性不高、演講能力和信心不足等問題，需要教師給予學生足夠的輔導和鼓勵。例如，針對文獻閱讀的問題，可以對科技論文寫作的一般規(guī)則先進行講授；針對參與積極性不高的問題，可以適當將平時成績的評定與主題報告質相掛鉤以激發(fā)學生的積極性；針對演講能力和信心不足的情況，可以多給學生講授一些演講的技巧，多鼓勵，少批評。隨后40%左右的課時對學生的主題報告進行查漏補缺。學生的主題報告一般在原理方面的講解會有不足，需要教師針對各主題的基礎理論進行深入的講授。如對于零維納米材料，其制備過程需要對新相的形核和長大速率進行嚴格的控制，這就涉及到固態(tài)相變的熱力學和動力學的相關知識；對于一維納米材料，其制備大多與各向異性生長有關，這就涉及到晶體學和擇優(yōu)生長的相關知識；對于二維納米材料，其制備往往是在基底上進行沉積的過程，這就涉及到異相形核和氣相反應的相關知識；對于三維納米材料，其制備手段一般雜糅了其他各維度的方法，這就涉及到不同制備工藝的機理普適性和相容性的知識。同時，學生的主題報告可能沒有把握住最主線和最前沿的研究成果，需要教師將該主題的脈絡給學生梳理清楚，明確該主題的未來發(fā)展方向。該部分內容需要教師全面且充分的備課，因為學生主題報告中出現的錯誤和遺漏是無法預估的。最后10%左右的課時開展實驗，即重復文獻中納米材料的制備。需結合本實驗室的條件，選取幾個相對簡單且快速的納米材料制備方法，如溶劑熱法、溶膠凝膠法等，讓學生重復相關文獻納米材料的制備。隨后通過掃描電子顯微鏡觀察所制備樣品的微觀形貌，判斷是否獲得與文獻相一致的實驗結果。該實驗的目的并不是要求每位學生都成功，而是希望通過對實驗結果進行對比分析之后，讓學生自己總結出實驗失敗的原因，能夠切實體會到納米材料制備的復雜性和困難性。該部分也可作為平時成績的重要指標。

3總結

納米材料學課程的新興性、熱點性、交叉性和實踐性決定了該課程非常適用文獻引導教學法。納米材料課程的文獻引導教學法可以包括基礎理論講授、學生主題報告、教師查漏補缺和重復文獻實驗四個環(huán)節(jié)，不僅可以覆蓋所有知識點，還可以調動學生積極性和熱情，加之少量的實踐環(huán)節(jié)，可以讓學生全方位地領會納米材料學的精髓。課題來源：上海高校特聘教授（東方學者）計劃和上海高校外國留學生英語授課示范性課程建設項目

參考文獻

[1]劉東青,余金山,祖梅.《納米材料》本科課程教學探討[J].高教學刊,2017(11).

[2]李洪蘋,陳貝貝.納米材料課程設計與教學探索[J]科教導刊,2014(11).

[3]劉曉芳,葉金蕊,李松梅,于榮海.基于特色實驗課程的雙創(chuàng)人才培養(yǎng)方案研究——助力“納米材料”教學篇[J].繼續(xù)教育,2016(3).

作者：龐越鵬 鄭時有 單位：上海理工大學材料科學與工程學院