淺析納米材料學(xué)課程文獻(xiàn)引導(dǎo)法教學(xué)范文

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摘要：納米材料學(xué)是新世紀(jì)材料科學(xué)專業(yè)的重要課程之一。本文分析了納米材料學(xué)課程的特殊性，包括新興性、熱點(diǎn)性、交叉性和實(shí)踐性，發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)引導(dǎo)教學(xué)法能夠非常好地與納米材料學(xué)課程相契合，隨后結(jié)合教學(xué)實(shí)踐給出了文獻(xiàn)引導(dǎo)法教授納米材料學(xué)課程的建議。

關(guān)鍵詞：納米材料學(xué)；文獻(xiàn)引導(dǎo)教學(xué)法；教學(xué)改革

前言

納米科學(xué)主要研究的是至少一個(gè)尺度在100納米以下物質(zhì)的制備及其特性，是本世紀(jì)的三大高新學(xué)科之一。納米科學(xué)綜合了許多相關(guān)學(xué)科（如物理、化學(xué)、生物）的先進(jìn)成果，是一門(mén)前沿的交叉性學(xué)科。近幾十年是納米科學(xué)迅速發(fā)展的黃金時(shí)代，產(chǎn)生了一大批已經(jīng)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(xué)的基本載體是納米材料，納米科學(xué)的最核心問(wèn)題是如何制備出結(jié)構(gòu)、尺寸可控且均一的納米材料。為了緊跟時(shí)代腳步，培養(yǎng)與時(shí)俱進(jìn)的材料科學(xué)與工程專業(yè)的人才，納米材料學(xué)這門(mén)課程逐漸成為了材料科學(xué)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(xué)課程具有特殊性。這些特殊性導(dǎo)致若仍采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，無(wú)法很好地完成教學(xué)目標(biāo)。因此，需要采用更加有針對(duì)性的的教學(xué)方法，讓學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有更深的認(rèn)識(shí)和理解的同時(shí)，也能具備一定的創(chuàng)新能力，有助于其將所學(xué)知識(shí)融入科研或者生產(chǎn)實(shí)踐中。[2]本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，著重討論了文獻(xiàn)引導(dǎo)教學(xué)法在納米材料學(xué)課程中的應(yīng)用。

1文獻(xiàn)引導(dǎo)法教學(xué)與納米材料學(xué)課程特點(diǎn)的匹配分析

納米材料學(xué)是一門(mén)新興學(xué)科。納米科技的誕生不過(guò)幾十年的時(shí)間，人類對(duì)納米材料的認(rèn)識(shí)還在快速發(fā)展中，相對(duì)不夠成熟，甚至有些學(xué)術(shù)觀點(diǎn)還存在一定的爭(zhēng)議。例如對(duì)于納米材料具有特殊物理化學(xué)性質(zhì)的原因，學(xué)術(shù)界的認(rèn)識(shí)還在不斷自我否定、自我突破。從最初的表象認(rèn)識(shí)發(fā)展到目前的四大效應(yīng)，即“表面效應(yīng)”“小尺寸效應(yīng)”、“量子尺寸效應(yīng)”和“宏觀量子隧道效應(yīng)”，在未來(lái)肯定還會(huì)新的理論提出，如有研究者嘗試從化學(xué)鍵的角度探索納米材料的特殊性質(zhì)來(lái)源。這就導(dǎo)致目前關(guān)于納米材料學(xué)還沒(méi)有足夠權(quán)威的教材資料，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難達(dá)到教學(xué)目的。因此采用文獻(xiàn)引導(dǎo)法，可以將原汁原味的最新知識(shí)介紹給學(xué)生，讓學(xué)生自己理解和領(lǐng)會(huì)，避免教材中知識(shí)的滯后性和不客觀性。納米材料學(xué)是一門(mén)熱點(diǎn)學(xué)科。納米材料學(xué)是學(xué)術(shù)界公認(rèn)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，也是世界各國(guó)也大力推動(dòng)納米材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。以納米材料為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，可以看到每年的數(shù)量是呈現(xiàn)指數(shù)增加的。2016年就有92767篇SCI。特別地，雖然沒(méi)有權(quán)威統(tǒng)計(jì)，但學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，中國(guó)學(xué)者在納米材料學(xué)領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)量是世界之最，很多大學(xué)都成了專門(mén)從事納米研究的院/所。這說(shuō)明，納米材料學(xué)每天都有大量的最新研究成果發(fā)表，納米材料相關(guān)新知識(shí)的創(chuàng)造速度和數(shù)量非常驚人。同時(shí)，我國(guó)是一個(gè)納米科技大國(guó)，幾乎每所高校和研究所都有開(kāi)展納米研究的團(tuán)隊(duì)。這就意味著，納米材料學(xué)的大量知識(shí)都集中在最近幾年的文獻(xiàn)中，納米材為學(xué)課程的教學(xué)需要將最新的研究成果包括在內(nèi)，而學(xué)生們很容易在所在學(xué)校獲取最新的納米材料學(xué)的相關(guān)知識(shí)。納米材料學(xué)是一門(mén)交叉學(xué)科。納米材料學(xué)涉及到的非常多的學(xué)科，與物理、化學(xué)、生物三個(gè)大的理工學(xué)科都密切相關(guān)。如納米材料的制備有物理氣相沉積法、光刻法（物理相關(guān)），化學(xué)氣相沉積法、溶膠凝膠法（化學(xué)相關(guān)）和生物模板法、生物合成法（生物相關(guān)），納米材料的應(yīng)用有大規(guī)模集成電路、太陽(yáng)能電池（物理相關(guān)），有鋰離子電池、電催化（化學(xué)相關(guān)），也有抗癌藥物、人工器官（生物相關(guān)），這就意味著納米材料學(xué)課程中的知識(shí)點(diǎn)會(huì)繁多而且龐雜，需要大量的預(yù)備知識(shí)。但實(shí)際上，學(xué)生在學(xué)習(xí)納米材料學(xué)課程之前，一般只能對(duì)本專業(yè)的相關(guān)知識(shí)基本理解，不可能全面掌握所有預(yù)備知識(shí)。因此，納米材料學(xué)課程需要針對(duì)不同的學(xué)生因材施教，根據(jù)學(xué)生的知識(shí)背景有選擇性地進(jìn)行教學(xué)。課程教學(xué)納米材料學(xué)是一門(mén)實(shí)踐學(xué)科。納米材料學(xué)的關(guān)鍵是納米材料的制備，而納米材料的制備對(duì)工藝的敏感性非常高，如原料、溫度、壓力、時(shí)間等參數(shù)的微小變化都會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)物微觀形貌的巨大變化。[3]除了扎實(shí)的理論功底，納米材料的可控制備還需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)就是一個(gè)個(gè)具體案例，明確給出了所研究材料的具體工藝，大量文獻(xiàn)的閱讀可以讓學(xué)生對(duì)納米材料制備有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。另外，納米材料是廣泛應(yīng)用于人類生活中的，與我們的生活息息相關(guān)，文獻(xiàn)中不僅報(bào)道了目前已有的納米材料應(yīng)用，還有很多前沿的未來(lái)應(yīng)用研究，可以讓學(xué)生對(duì)于納米材料的應(yīng)用有更為全面和前瞻的認(rèn)識(shí)。

2納米材料學(xué)的文獻(xiàn)引導(dǎo)教學(xué)法經(jīng)驗(yàn)

前10%左右的課時(shí)開(kāi)展納米材料學(xué)最基礎(chǔ)知識(shí)的講授。納米材料學(xué)的關(guān)鍵詞是納米，基本的問(wèn)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(shí)點(diǎn)是表面能，包括表面能的來(lái)源和計(jì)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(zhǎng)大；還涉及一部分交叉學(xué)科，如量子力學(xué)、物理化學(xué)等知識(shí)。因此，在較短的授課時(shí)間里，很難完全講授清楚所有的基礎(chǔ)知識(shí)，需要視學(xué)生的前期知識(shí)儲(chǔ)備情況進(jìn)行課程微調(diào)，以保證學(xué)生能夠高效獲取知識(shí)。雖然課時(shí)短，但這部分最基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的講授要足夠系統(tǒng)和深入，為后面文獻(xiàn)引導(dǎo)教學(xué)打好基礎(chǔ)。中間40%左右的課時(shí)讓學(xué)生進(jìn)行主題報(bào)告。每組學(xué)生3-5人，主題是特定維度、特定制備方法和特定應(yīng)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(fù)極材料、三維介孔分子篩藥物靶向釋放材料等。主題報(bào)告要求是時(shí)間30分鐘，內(nèi)容完整且有一定深度，引用文獻(xiàn)5篇以上，同時(shí)，報(bào)告后要求其他學(xué)生針對(duì)報(bào)告內(nèi)容提問(wèn)，包括制備機(jī)理，應(yīng)用前景等。若學(xué)生的科研基礎(chǔ)較差，可給予每組一篇相關(guān)領(lǐng)域的中文綜述作為參考，學(xué)生可以在綜述中尋找感興趣的點(diǎn)，然后根據(jù)相關(guān)的參考文獻(xiàn)確定報(bào)告的主題和思路。該部分是文獻(xiàn)引導(dǎo)教學(xué)的難點(diǎn)，在教學(xué)實(shí)踐中，可能存在學(xué)生文獻(xiàn)閱讀困難、參與積極性不高、演講能力和信心不足等問(wèn)題，需要教師給予學(xué)生足夠的輔導(dǎo)和鼓勵(lì)。例如，針對(duì)文獻(xiàn)閱讀的問(wèn)題，可以對(duì)科技論文寫(xiě)作的一般規(guī)則先進(jìn)行講授；針對(duì)參與積極性不高的問(wèn)題，可以適當(dāng)將平時(shí)成績(jī)的評(píng)定與主題報(bào)告質(zhì)相掛鉤以激發(fā)學(xué)生的積極性；針對(duì)演講能力和信心不足的情況，可以多給學(xué)生講授一些演講的技巧，多鼓勵(lì)，少批評(píng)。隨后40%左右的課時(shí)對(duì)學(xué)生的主題報(bào)告進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。學(xué)生的主題報(bào)告一般在原理方面的講解會(huì)有不足，需要教師針對(duì)各主題的基礎(chǔ)理論進(jìn)行深入的講授。如對(duì)于零維納米材料，其制備過(guò)程需要對(duì)新相的形核和長(zhǎng)大速率進(jìn)行嚴(yán)格的控制，這就涉及到固態(tài)相變的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)；對(duì)于一維納米材料，其制備大多與各向異性生長(zhǎng)有關(guān)，這就涉及到晶體學(xué)和擇優(yōu)生長(zhǎng)的相關(guān)知識(shí)；對(duì)于二維納米材料，其制備往往是在基底上進(jìn)行沉積的過(guò)程，這就涉及到異相形核和氣相反應(yīng)的相關(guān)知識(shí)；對(duì)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(jī)理普適性和相容性的知識(shí)。同時(shí)，學(xué)生的主題報(bào)告可能沒(méi)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(luò)給學(xué)生梳理清楚，明確該主題的未來(lái)發(fā)展方向。該部分內(nèi)容需要教師全面且充分的備課，因?yàn)閷W(xué)生主題報(bào)告中出現(xiàn)的錯(cuò)誤和遺漏是無(wú)法預(yù)估的。最后10%左右的課時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，即重復(fù)文獻(xiàn)中納米材料的制備。需結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室的條件，選取幾個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)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(xué)生重復(fù)相關(guān)文獻(xiàn)納米材料的制備。隨后通過(guò)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(xiàn)相一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)的目的并不是要求每位學(xué)生都成功，而是希望通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析之后，讓學(xué)生自己總結(jié)出實(shí)驗(yàn)失敗的原因，能夠切實(shí)體會(huì)到納米材料制備的復(fù)雜性和困難性。該部分也可作為平時(shí)成績(jī)的重要指標(biāo)。

3總結(jié)

納米材料學(xué)課程的新興性、熱點(diǎn)性、交叉性和實(shí)踐性決定了該課程非常適用文獻(xiàn)引導(dǎo)教學(xué)法。納米材料課程的文獻(xiàn)引導(dǎo)教學(xué)法可以包括基礎(chǔ)理論講授、學(xué)生主題報(bào)告、教師查漏補(bǔ)缺和重復(fù)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)四個(gè)環(huán)節(jié)，不僅可以覆蓋所有知識(shí)點(diǎn)，還可以調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和熱情，加之少量的實(shí)踐環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生全方位地領(lǐng)會(huì)納米材料學(xué)的精髓。課題來(lái)源：上海高校特聘教授（東方學(xué)者）計(jì)劃和上海高校外國(guó)留學(xué)生英語(yǔ)授課示范性課程建設(shè)項(xiàng)目

參考文獻(xiàn)

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

[2]李洪蘋(píng),陳貝貝.納米材料課程設(shè)計(jì)與教學(xué)探索[J]科教導(dǎo)刊,2014(11).

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

作者：龐越鵬 鄭時(shí)有 單位：上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院