《納米材料》課程教學(xué)改革與優(yōu)化研究

盛 揚(yáng)

(常州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

隨著科技的發(fā)展，納米材料逐漸滲透到光學(xué)、微電子學(xué)、環(huán)境科學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域。如何可控的制備納米材料并利用它們的獨特性質(zhì)為人們提供更好的服務(wù)是未來材料領(lǐng)域的重要課題，也是《中國制造2025》中重點關(guān)注的領(lǐng)域之一1。因此，在材料類本科教學(xué)中開設(shè)納米材料相關(guān)課程已成為許多高校的共識2?！都{米材料》是我院材料化學(xué)專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)選修課。開設(shè)本課程的主要目標(biāo)是為了引導(dǎo)學(xué)生了解當(dāng)前納米材料發(fā)展的前沿，拓寬學(xué)生對新材料的知識面，提升現(xiàn)代科學(xué)素養(yǎng)，從而培養(yǎng)復(fù)合型與創(chuàng)新型人才。在綜合考慮學(xué)生基礎(chǔ)知識水平的前提下，結(jié)合課程開設(shè)以來的教學(xué)實踐情況，筆者從課程特點，教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)手段，課程考核等方面探討了對《納米材料》課程的教學(xué)改革和優(yōu)化。

1 課程特點

首先，納米材料課程具有很強(qiáng)的學(xué)科交叉性與綜合性。納米材料制備方法主要涉及化學(xué)知識，納米材料性質(zhì)需要物理做支撐，納米材料的應(yīng)用現(xiàn)狀與面臨挑戰(zhàn)又與生物醫(yī)學(xué)、電子信息等前沿領(lǐng)域息息相關(guān)3。其次，課程內(nèi)容相對抽象。納米材料尺寸非常小，無法用肉眼直接觀察，且它的性質(zhì)與日常生活中所見的相同物質(zhì)組成的傳統(tǒng)材料相比往往大相徑庭。因此對于學(xué)生而言在難以從日常生活中獲得感性認(rèn)識，給學(xué)生對課程內(nèi)容理解帶來困難與困惑。另一方面，納米材料這種特殊性質(zhì)背后的本質(zhì)又需要較好的物理基礎(chǔ)去理解，這對學(xué)生的基礎(chǔ)知識提出較高要求。第三，納米材料知識體系更新迅速。納米材料的概念與理論迄今為止發(fā)展了僅僅三十多年，產(chǎn)生了大量新的理論知識，并且新的現(xiàn)象，新的理論層出不窮。

2 課程內(nèi)容選擇

針對課程的特點，結(jié)合本專業(yè)學(xué)生現(xiàn)有的知識結(jié)構(gòu)和理論基礎(chǔ)，在教學(xué)內(nèi)容的選擇方面，筆者采取了一系列措施，力求既要保證學(xué)生對納米材料有全面的認(rèn)識，也要讓學(xué)生掌握納米材料的關(guān)鍵知識點。

2.1 教材的選用

目前針對納米材料課程的相關(guān)教材眾多，然而各有側(cè)重。有的教材側(cè)重于納米材料制備，對性質(zhì)和應(yīng)用一筆帶過，容易使學(xué)生對納米材料有什么實際應(yīng)用價值產(chǎn)生疑問。有的教材側(cè)重于納米材料應(yīng)用，對制備手段簡要敘述，不利于學(xué)生熟悉生產(chǎn)實踐環(huán)節(jié)?？傊?，單一教材無法滿足專業(yè)培養(yǎng)方案和課程教學(xué)目標(biāo)的要求。納米材料內(nèi)容廣泛，在教學(xué)內(nèi)容的選擇上首先是必須保證對納米材料的性質(zhì)，制備方法和應(yīng)用都有較為全面的介紹。因此，在教材的選擇上，以徐志軍、初瑞清編著的《納米材料與納米技術(shù)》為主，B.S.Murty主編的《納米科學(xué)與納米技術(shù)》和張耀君編著的《納米材料基礎(chǔ)》等教材為輔，對教材內(nèi)容按照內(nèi)在邏輯關(guān)系重新編排整合。

2.2 理論知識的取舍

課程的教學(xué)目標(biāo)是為了拓寬學(xué)生知識面和對納米材料的學(xué)習(xí)興趣，而不是深奧的理論知識。因此，教學(xué)活動開展過程中對具體的理論知識也有所取舍。相對難度較低的，學(xué)生有相關(guān)基礎(chǔ)知識的保留，并讓學(xué)生積極參與到理論知識的討論過程中，以加深印象與理解。例如荷葉表面超疏水現(xiàn)象的原因，所涉及的理論解釋可以用材料專業(yè)學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的楊氏方程和復(fù)合材料性質(zhì)的混合律推導(dǎo)出來。不僅深化了高中階段將荷葉超疏水現(xiàn)象歸因于微納米結(jié)構(gòu)這一籠統(tǒng)的解釋，也培養(yǎng)了學(xué)生獨立思考的科學(xué)思維邏輯。而對于理論背景較復(fù)雜的或者超出學(xué)生知識基礎(chǔ)的內(nèi)容則淡化。例如在解釋膠體金為什么顯紅色時，避免使用米氏理論和等離子激元等較深奧的概念，而是從學(xué)生較容易接受的經(jīng)典物理中光的波動性和電場對電子的極化的角度進(jìn)行定性解釋?？傊?，教學(xué)中既要淡化艱深的理論知識，降低學(xué)習(xí)的阻力，也要體現(xiàn)課程的理論性，使學(xué)生知其然也知其所以然，避免教學(xué)內(nèi)容浮于表面。

2.3 教學(xué)內(nèi)容緊跟發(fā)展前沿

書本中的知識相對于領(lǐng)域前沿具有滯后性，因此需要在教學(xué)內(nèi)容中不斷充實最新的前沿信息和觀點。要把最新的前沿成果傳授給學(xué)生，就要求教師必須時刻關(guān)注納米材料的發(fā)展動態(tài)，不斷提高和完善自己的相關(guān)知識水平，并努力將這些新的知識融入課堂教學(xué)，與課堂相關(guān)教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合。另一方面，學(xué)生的視野也不能僅僅局限在教材上，圖書館、科普網(wǎng)站、維基百科和期刊數(shù)據(jù)庫都是很好的知識來源。教師要在課堂上推薦與課程內(nèi)容相關(guān)的網(wǎng)站和在線視頻，鼓勵學(xué)生在課后閱讀觀看這些資料，并結(jié)合教材和課堂內(nèi)容理解，加深印象。

3 教學(xué)實踐手段的探索

基于以上分析，傳統(tǒng)的以老師講授為主的教學(xué)手段已經(jīng)很難滿足課程的教學(xué)需求。因此，筆者采取了多種教學(xué)實踐手段來優(yōu)化課堂的教學(xué)效果。

3.1 融入貼近生活的實例

納米材料概念術(shù)語抽象，課堂學(xué)習(xí)過程中學(xué)生難免會感到枯燥乏味，學(xué)習(xí)興趣下降，高深的理論也容易造成學(xué)生的挫敗感。因此，在教學(xué)過程中多舉一些與日常生活經(jīng)驗相關(guān)的納米材料實例可以很好的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生對問題的思考，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，對提高教學(xué)質(zhì)量具有很好的教學(xué)效果。這些實例可以是自然界中就存在的。例如一些植物和昆蟲表面具有的可以實現(xiàn)超疏水或斑斕色彩的微納結(jié)構(gòu)。也可以是人們工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)應(yīng)用的例子。例如量子點顯示是近年來興起的一個重要發(fā)展方向，與學(xué)生每天使用的手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品密切相關(guān)，因此很容易引起學(xué)生的興趣。這就要求教師平時注意拓寬自己的知識面，并且將生活中見到的例子及時融入教學(xué)內(nèi)容中。

3.2 增加學(xué)生的參與感

概念術(shù)語之所以抽象往往并不是本身很難，而是因為其所描述的內(nèi)容在學(xué)生的日常生活中完全沒有感官體驗對應(yīng)。如果能將這些內(nèi)容以眼見為實的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，對于降低概念術(shù)語的理解難度大有裨益。例如納米材料的制備方法有水熱法，物理氣相沉積法，熱解法等多種方法。僅僅依靠課本知識的講授，即使書本上有照片和示意圖幫助理解，距離感和枯燥感仍然很強(qiáng)。我們選擇一些相對簡單，也相對安全的制備方法開展演示實驗，例如機(jī)械攪拌法制備石墨烯，Turkevich法制備膠體金，共沉淀法制備納米氧化鐵等。在演示過程中，學(xué)生認(rèn)真觀察實驗現(xiàn)象，教師則一邊演示一邊根據(jù)現(xiàn)象的變化講解制備過程中發(fā)生的物理或化學(xué)反應(yīng)。此時，這些制備方法從課本上枯燥的文字變成眼前鮮活的感官體驗，更有利于學(xué)生的了解與掌握。而對于沒有條件開展的一些制備方法，則采用視頻播放的方式，將過程直觀的展現(xiàn)在學(xué)生眼前。通過增加學(xué)生的參與感，拉近學(xué)生與納米材料的距離，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也解決了學(xué)習(xí)過程中知識點抽象性高的難點。

3.3 鼓勵學(xué)生參與課堂討論，開展主動學(xué)習(xí)

通過提問引入新的教學(xué)內(nèi)容是非常有效的一類教學(xué)手段。這不僅有助于引起學(xué)生的興趣，讓他們更加集中注意力，也有助于學(xué)生開動腦筋。在主動思考問題后再對照老師的講解印證自己的想法，更容易加深記憶和理解。由于納米材料往往具有與宏觀的傳統(tǒng)材料不一樣的特點，問題的答案常常與學(xué)生的想法大相徑庭。例如金從塊體變成納米粒子時，顏色會從金色變成紅色或紫色，而當(dāng)尺寸進(jìn)一步減小時，還會出現(xiàn)熒光效應(yīng)。這些現(xiàn)象都是超出學(xué)生固有觀念的。然而正是這種新的現(xiàn)象給學(xué)生帶來了新奇感，因此納米材料課程采用這種提問討論的學(xué)習(xí)方式是非常合適的。

另外在教學(xué)過程中開展主動學(xué)習(xí)，讓學(xué)生每四人為一個小組，從磁性納米材料、金屬納米材料、量子點、石墨烯、碳納米管等材料中選擇一種感興趣的納米材料，通過收集閱讀資料，制作幻燈片，從材料誕生的背景、性質(zhì)、常用的制備方法、應(yīng)用前景和面臨的機(jī)遇挑戰(zhàn)等方面做簡短匯報。其它同學(xué)對相關(guān)的話題進(jìn)行提問。最后老師對報告內(nèi)容進(jìn)行點評。為保證每位小組成員都能參與其中，在報告中還應(yīng)注明各自的分工，便于老師根據(jù)學(xué)生的參與情況評分。通過這樣的方式，讓學(xué)生既復(fù)習(xí)了課堂知識，也在查找資料的過程中了解了前沿進(jìn)展，還在討論中培養(yǎng)了科學(xué)的思維方式。

4 課程考核方式的探索

對于納米材料這樣一門交叉性，綜合性及時效性很強(qiáng)的課程，多樣化的考核方式更能全面的反映學(xué)生對知識的掌握和分析解決問題的能力。課程總評成績由平時成績和期末卷面成績共同構(gòu)成。其中平時成績包括課堂參與討論得分和課堂分組報告得分，重點關(guān)注參與的積極性及分組匯報中的貢獻(xiàn)大小。本課程之所以不采用綜述論文的形式是因為分組匯報和提問的方式對學(xué)生能力的考查面更廣，也避免了綜述論文中容易出現(xiàn)的抄襲現(xiàn)象。分組匯報和提問的方式不僅鍛煉了收集資料分析問題的能力，還鍛煉了協(xié)作能力、語言組織能力和批判性思維能力，這對學(xué)生將來不論是考研還是工作都大有益處。期末考試則以半開卷的形式進(jìn)行，即考試只允許攜帶一張A4紙的參考資料。由于納米材料課程知識點多而雜，如果采用傳統(tǒng)的閉卷考試，學(xué)生在知識點記憶上需要花費(fèi)大量時間。課程考核的重點并非是對知識點的死板記憶，而是能夠在理解概念、術(shù)語、理論的基礎(chǔ)上，分析解決問題，并在此過程中形成科學(xué)的思維方式。之所以也不采取完全開卷的考試方式，是因為根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗，學(xué)生可能會帶一摞書來，把考試的過程變成了查資料的過程，不利于學(xué)生真正掌握知識。而采用一張A4紙的半開卷考試，由于抄寫篇幅有限，學(xué)生必須在復(fù)習(xí)的過程中篩選重要的知識點摘抄。在篩選的過程中，把知識點逐步內(nèi)化，形成自己的知識體系。

5 結(jié)語

進(jìn)入21世紀(jì)以來，無論是學(xué)術(shù)界還是工業(yè)界都越來越重視納米材料的研發(fā)和應(yīng)用。納米材料與人們的日常生活也逐漸變得越來越密切。因此將納米材料作為材料專業(yè)的選修課，對拓寬學(xué)生專業(yè)知識面，培養(yǎng)學(xué)生的現(xiàn)代科學(xué)素養(yǎng)，都是大有裨益的。然而如何將這樣一門新興的領(lǐng)域在課堂上講好，讓學(xué)生在多而雜的概念術(shù)語中理清課程脈絡(luò)，了解和掌握必要的理論知識，并靈活運(yùn)用解決問題，形成良好的科學(xué)思維方式，是一項極富挑戰(zhàn)性的工作。只有在長期的實踐中堅持不斷的進(jìn)行教學(xué)反思，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，與同行和前輩交流學(xué)習(xí)，吸收他人的教學(xué)經(jīng)驗，才能促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的不斷提高，為社會培養(yǎng)具備國際視野的創(chuàng)新型和復(fù)合型人才。