納米材料導(dǎo)論課程教學(xué)設(shè)計和教學(xué)方法探索*

黃增芳, 王悅輝, 馬軍現(xiàn), 王　可, 王　毅

(電子科技大學(xué)中山學(xué)院材料與食品學(xué)院, 廣東　中山　528402)

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納米材料導(dǎo)論課程教學(xué)設(shè)計和教學(xué)方法探索*

黃增芳, 王悅輝, 馬軍現(xiàn), 王可, 王毅

(電子科技大學(xué)中山學(xué)院材料與食品學(xué)院, 廣東中山528402)

納米材料導(dǎo)論為材料化學(xué)的專業(yè)課，講解的是納米材料的性質(zhì)、制備、表征和應(yīng)用，本課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生了解納米材料和納米科技的發(fā)展方向。本文結(jié)合課程和學(xué)生自身的特點及授課經(jīng)驗，對納米材料導(dǎo)論課程的教學(xué)改革方向和措施進行初步探討，以達到良好的授課效果，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新能力。

納米材料；教學(xué)設(shè)計；教學(xué)改革和探索

自20世紀(jì)90年代以來，納米科技逐漸被人們所認(rèn)識，并成為化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)及材料學(xué)的熱點問題和交叉學(xué)科，并對多個研究領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛深入的影響和推動作用。納米材料是進行納米科技研究的物質(zhì)基礎(chǔ)，其把人們探索自然、創(chuàng)造知識的能力延伸到處于宏觀和微觀物體之間的介觀領(lǐng)域，對開辟人們認(rèn)識自然的層次、領(lǐng)域、知識創(chuàng)新具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價值[1]。納米材料是指在納米量級(1～100 nm)內(nèi)調(diào)控物質(zhì)結(jié)構(gòu)制成具有特異功能的新材料，其三維尺寸中至少有一維小于100 nm，且性質(zhì)不同于一般的塊體材料。納米材料是伴隨現(xiàn)代科技和人們的實踐活動發(fā)展起來的，已廣泛應(yīng)用于光學(xué)、微電子學(xué)、航空航天及生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域。納米材料導(dǎo)論講解的是納米材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、制備及應(yīng)用的一門課程，理論知識較深且知識面較廣，無論是對初學(xué)者還是初涉這門課的教學(xué)人員，都具有一定的難度。作者所在的學(xué)校是一所地方性應(yīng)用型本科院校，其培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)具有一定理論知識且能將理論知識用于到實踐中的應(yīng)用型人才。在材料類本科生中開設(shè)納米材料課程已成為中國許多高校的共識，這也適應(yīng)了社會發(fā)展和經(jīng)濟建設(shè)對未來畢業(yè)生的要求[2]。納米材料導(dǎo)論課程有利于引導(dǎo)學(xué)生了解當(dāng)前材料類學(xué)科發(fā)展的方向和納米材料的性質(zhì)及在人們生活中的應(yīng)用，拓寬學(xué)生的知識面，從而實現(xiàn)應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。課程具有前瞻性、專業(yè)性和交叉性的特點，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式已經(jīng)不能夠滿足其教學(xué)要求，因此，需要根據(jù)課程特點和學(xué)生實際情況對此課程進行教學(xué)改革。

1　納米材料導(dǎo)論課程的特點

正式把納米材料作為材料科學(xué)的一個新分支要源于1990年7月在美國巴爾的摩召開了第一屆納米科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會議[3]，其作為一個獨立學(xué)科的發(fā)展迄今不過二三十年的時間。相對于其它較成熟的課程，納米材料是一門前瞻性、創(chuàng)新性、專業(yè)性和實踐性很強的課程，另外，納米材料還具有概念術(shù)語多、抽象性強及交叉邊緣的特點。因此，結(jié)合課程特點，合理選擇授課內(nèi)容，恰當(dāng)利用授課方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，對于完成納米材料課程教學(xué)目標(biāo)具有重要意義。

1.1概念術(shù)語多

納米材料導(dǎo)論課程的顯著特點就是專業(yè)性概念、術(shù)語較多。按空間尺度可分為零維、一維、二維和三維納米材料。僅以零維納米材料的制備先后就有氣體蒸發(fā)、高頻感應(yīng)、等離子體、真空沉積、化學(xué)氣相反應(yīng)、成核、激光誘導(dǎo)、氣相凝聚、濺射、共沉淀、均相沉淀、水解沉淀、水熱溶劑熱、溶膠、凝膠及微乳液等眾多術(shù)語，而且解釋這些術(shù)語用到了很多化學(xué)、物理及材料方面的知識，理解起來也有相應(yīng)的難度。

1.2抽象性強

納米材料與傳統(tǒng)材料不同，是一種介于宏觀材料和分子原子體系的介觀材料，其直觀性較弱[4]。由于納米材料尺寸非常小，在學(xué)習(xí)其性質(zhì)、制備、表征及應(yīng)用等內(nèi)容時，就需要具有一定的抽象想象能力。例如，納米材料的很多性質(zhì)歸根結(jié)底都是由于其尺寸比較小所引起的，納米材料具有超塑性、較高的強度和硬度、很高的磁化率和矯頑力、低的飽和磁矩和低磁滯損耗和較低的熔點，更有趣的是，宏觀的金屬材料一般都有金屬光澤，當(dāng)其尺寸降低到納米級時，其金屬光澤將會消失，變?yōu)楹谏?/p>

1.3交叉性、邊緣學(xué)科

納米材料導(dǎo)論的內(nèi)容主要包括納米材料的性質(zhì)、制備及應(yīng)用等內(nèi)容。由于納米材料是一種粒徑介于1～100 nm的介觀材料，使其具有不同于宏觀材料及微觀材料的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等獨特的性質(zhì)，對于這些性質(zhì)的了解，涉及了較多的物理學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科的知識。納米材料的制備方法既包括磨碎和噴霧等傳統(tǒng)物理方法，也包括氣相分解、氣相合成、沉淀、溶膠-凝膠、微乳液及水熱法等化學(xué)法，同時還有電阻加熱及高頻感應(yīng)等構(gòu)筑法，涉及了較多的物理學(xué)及化學(xué)等學(xué)科的知識。納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域有光學(xué)、微電子學(xué)、航空航天及生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域，又涉及了電子學(xué)及生物學(xué)等學(xué)科的知識。這樣納米材料是以物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)及生物學(xué)為基礎(chǔ)的交叉性邊緣性的學(xué)科[5]，其中物理學(xué)、化學(xué)為其制備提供了理論基礎(chǔ)，而材料學(xué)、電子學(xué)及生物學(xué)為其應(yīng)用不斷開辟新的途徑。

2　課程設(shè)計和教學(xué)方法探索

根據(jù)國家對獨立學(xué)院的要求，學(xué)校定位為應(yīng)用型本科院校，其目標(biāo)是培養(yǎng)具有一定理論知識并能夠和市場接軌的創(chuàng)新性和應(yīng)用型人才，培養(yǎng)能將專業(yè)知識和技能應(yīng)用于所從事的專業(yè)，并掌握一線生產(chǎn)的專業(yè)技術(shù)和專業(yè)技能的專門性人才；另一目的是服務(wù)地方經(jīng)濟，并為其轉(zhuǎn)型升級做出貢獻[6]。另外，獨立學(xué)院的學(xué)生的學(xué)習(xí)自控能力不是很強，自律和自我約束能力較差，但思想較活躍，主見性較強，樂于接受新鮮事物[7]。這樣，為了使學(xué)生能夠真正接受新知識和新事物，授課時，就要掌握一定的方法和技巧，把復(fù)雜的問題簡單化、把抽象的問題具體化，最終達到使學(xué)生自覺地學(xué)、主動地學(xué)，即所謂的“授人以魚，不如授人以漁”。

2.1淡化抽象知識與形象比喻相結(jié)合

納米材料是一種介于宏觀和微觀的介觀材料，納米粒子具有特殊的表面效應(yīng)，納米材料所表現(xiàn)出來的的其它特殊性質(zhì)如力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)等，都和其表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)有密切關(guān)系。為了講解這一抽象概念，在黑板上畫出一個立方形圖形，并算一下它的表面積，然后將其一分為二，再算一下它此時的表面積，繼續(xù)將其分為四份，就會發(fā)現(xiàn)，其比表面積迅速增加。這一過程可以繼續(xù)利用講課時的粉筆的逐漸粉碎過程進行形象化演示，隨著被粉碎的粒徑逐漸減小，其比表面會迅速增加?？梢韵胂?，當(dāng)材料的尺寸降低到納米級時，將具有非常大的比表面積，從而使其表面具有很大的表面吸附性，這就是為什么納米材料可以用于催化劑的載體而用于催化領(lǐng)域的原因。通過這種由表入里、將抽象知識和形象比喻融為一體的講解方法，不僅思路具有條理性，學(xué)生們也更容易接受。

2.2理論教學(xué)與應(yīng)用相結(jié)合

在社會生活和自然現(xiàn)象中，納米材料的應(yīng)用隨處可見。例如，荷葉的基本化學(xué)成分是碳水化合物，很容易吸附水分或污垢，而且其生長的環(huán)境相對來說也都比較差，有些甚至常年生長在污水當(dāng)中。但奇怪的是，荷葉卻經(jīng)常能保持干凈的表面，幾乎不受外界環(huán)境的影響。這是由于其葉面是由一層微米至納米級的凸起表面所構(gòu)成，再加上表面所存在的蠟質(zhì)，當(dāng)灰塵或雨水等降落在其表面時，只能和凸起的表面形成點接觸，液滴在表面張力下形成球狀，它們在沿葉面滾動的過程中將灰塵污點帶走，這就是蓮花納米表面“自我潔凈”的奧妙所在，這一原理也被人們廣泛利用，如超疏水涂料的組成、國家大劇院的外貌和表面結(jié)構(gòu)。還有，壁虎這種生物，它們不僅能在垂直墻壁上爬行自如，甚至能在天花板上爬行和停留。這和其腳底的精細(xì)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，壁虎的每個腳趾包含數(shù)百萬根細(xì)小剛毛，長度約為30～130 μm，其末端又分叉形成數(shù)百根更細(xì)小的鏟狀絨毛(100～1000根)，尺寸約為200 nm，厚度約為5 nm。這些納米結(jié)構(gòu)極大地增加其與墻壁的接觸面積，相應(yīng)地增加粘附力。通過這些自然界或生活中與納米結(jié)構(gòu)相關(guān)的事例來進一步講解納米材料，講解時更加生動形象，學(xué)生們也更加容易接受。

2.3基礎(chǔ)理論與科研相結(jié)合

按照納米材料的成分，可分為無機納米材料、金屬納米材料、高分子納米材料及復(fù)合納米材料，由于其具有小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，其在磁學(xué)、傳感器、電子、半導(dǎo)體、催化、醫(yī)療生物、復(fù)合材料等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。作者近幾年也在從事納米材料的制備及應(yīng)用研究工作，包括利用乳液聚合制備功能性核殼結(jié)構(gòu)納米粒子，然后將其用于環(huán)氧樹脂的改性，可明顯提高環(huán)氧樹脂的沖擊強度；利用活性自由基可控聚合，制備兩親性熒光聚合物，其具有優(yōu)異的生物相容性，在介質(zhì)水中可自組裝成納米粒子，在生物成像領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景。在授課時，將自己進行科研的經(jīng)歷及成果與理論知識相結(jié)合，既可以使理論知識深入淺出，也可以為學(xué)生今后從事研發(fā)工作打好基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.4理論教學(xué)與培養(yǎng)學(xué)生人生觀世界觀相結(jié)合

關(guān)于納米尺寸的論述，早在兩千三百多年前，道家學(xué)說主要創(chuàng)始人莊子曾談到：一尺之棰，日取其半，萬世不竭。意思是指一尺的東西今天取其一半，明天取其一半的一半，后天再取其一半的一半的一半總有一半留下，所以永遠(yuǎn)也取不盡。若將這句論述用于納米材料領(lǐng)域，取一個一尺長的東西，每天將其長度減少一半，到第22天的時候，其長度為78.7 nm，即為納米尺寸。由于納米材料是人們借助現(xiàn)代儀器如透射電鏡、掃描電鏡認(rèn)識和研究的一種材料，莊子處于各國混戰(zhàn)不休的戰(zhàn)國時期，沒有現(xiàn)代儀器作為輔助，僅僅只能依靠思考和想象，能提出這種想法也是難能可貴的。進一步給學(xué)生講，其實很多成就都是在艱苦的環(huán)境下或困難下取得的，在遇到困難時千萬不要氣餒，在解決困難的過程中就會使自己逐步成長成熟起來，并取得更大的成績。對于即將步入社會的大學(xué)生來講，大學(xué)教育不應(yīng)該僅僅是專業(yè)知識的培養(yǎng)，還應(yīng)該進行做人做事等人文素質(zhì)的培養(yǎng)，這種理論教學(xué)和人生觀相結(jié)合的培養(yǎng)方式，符合大學(xué)教育的規(guī)律，也會使課堂氣氛更加活躍。

3　結(jié)　語

當(dāng)今，信息能源、化工環(huán)境、生物醫(yī)療、先進制造及國防的快速發(fā)展對材料的性質(zhì)和特性提出了新的要求，元件的小型智能化、高密度高集成化及快速信息傳輸對材料的尺寸的要求也越來越小，自進入21世紀(jì)以來，人們對納米材料的研究和需求正與日俱增。作為材料化學(xué)專業(yè)課的納米材料導(dǎo)論，內(nèi)容非常豐富，既包含納米材料的性質(zhì)與制備，又包含納米材料的表征與應(yīng)用，同時還和材料化學(xué)、電子材料、高分子材料等課程有著千絲萬縷的聯(lián)系，不論對學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)還是以后的工作都起著非常重要的作用。任何一門課程都有其本身的特點和規(guī)律，授課時，只要能抓住課程及學(xué)生的特點，就一定能將這門課講好。

[1]劉玉芹,杜高翔,楊靜. 《納米材料》課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法探索[J]. 中國科技信息, 2008(3): 210-211.

[2]劉漫紅,隋凝,肖海連. 《納米材料》教學(xué)研究[J]. 廣州化工，2013, 41(8): 221-223.

[3]李洪蘋，陳貝貝. 納米材料課程設(shè)計與教學(xué)探索[J]. 科教導(dǎo)刊(上旬刊)，2014(11): 138-138.

[4]楊丹丹,謝華清,朱路平,等. 《納米材料學(xué)》教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式的一些思考[J]. 科技視界, 2014(1): 17-17.

[5]李本俠,王艷芬,胡路陽. 淺論“納米材料與納米技術(shù)”課程教學(xué)研究[J]. 安徽化工, 2014,40 (1): 72-74.

[6]黃增芳, 馬軍現(xiàn), 王可, 等. 材料化學(xué)專業(yè)《高分子物理》課程教學(xué)改革與探索[J]. 廣州化工, 2015, 43(22): 182-183.

[7]黃增芳,王可,馬軍現(xiàn),等. 獨立學(xué)院高分子物理課程教學(xué)探索[J]. 廣州化工, 2010,38(3): 231-233.

Teaching Design and Teaching Method Exploration of Introduction of Nano-materials Course*

HUANG Zeng-fang， WANG Yue-hui, MA Jun-xian， WANG Ke， WANG Yi

(School of Materials Science and Food Engineering, Zhongshan Institute, UniversityofElectronicScience&TechnologyofChina,GuangdongZhongshan528402,China)

The course of Introduction of Nano-materials is the major course of Materials Chemistry, and it explains the properties, preparation, characterization and application of nano-materials, the object is to make the students understand the development direction of nano-materials and nanotechnology. Combining the properties of this course and the students themselves, together with the teaching experience, the teaching innovation direction and measure of Introduction of Nano-materials course were preliminarily expatiated, in order to achieve the good teaching effect and cultivate the study enthusiasm and innovation ability of students.

nano-materials; teaching design; innovation and exploration of teaching

廣東省高等教育教學(xué)研究和改革項目(No: S-JY201505); 電子科技大學(xué)中山學(xué)院教學(xué)質(zhì)量工程項目(No: JY201424)。

黃增芳(1976-)，男，博士，副教授，主要從事高分子復(fù)合材料等方面的研究。E-mail: hzf105@163.com

G642.0

A

1001-9677(2016)016-0200-03