基于生活科普理念的校外納米科技教育課程開(kāi)發(fā)研究

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摘 要 在生活中，人們對(duì)“納米”既熟悉又陌生，其實(shí)納米技術(shù)、納米材料及其相關(guān)現(xiàn)象就在我們的身邊。本文闡述了實(shí)施納米科技教育的意義，并針對(duì)校外課程教學(xué)的特點(diǎn)，分享基于生活科普理念的納米科技課程應(yīng)具備的特點(diǎn)及開(kāi)發(fā)的適合青少年兒童的校外納米科技課程及案例，以期為青少年兒童的納米科普教學(xué)模式與教學(xué)策略提供參考。

關(guān)鍵詞 生活科普 納米科技 校外教育 課程開(kāi)發(fā)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，納米的發(fā)現(xiàn)使人類在材料領(lǐng)域的有了重大突破，納米技術(shù)的應(yīng)用代表了一場(chǎng)新技術(shù)的變革。如今的“納米技術(shù)”已經(jīng)成了一個(gè)高頻的熱搜詞匯，它甚至已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ钪械母鱾€(gè)領(lǐng)域，然而除了這些“現(xiàn)象”或“產(chǎn)品”的神奇之處外，很多人對(duì)其原理知之甚少。作為一名科技教育工作者，筆者認(rèn)為科普工作和科研工作一樣重要，尤其是面對(duì)青少年兒童的科技教育，有必要將此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行科學(xué)普及并形成課程。因此筆者首先闡釋了實(shí)施納米科技教育的意義，基于生活科普理念，從生活中的“納米現(xiàn)象”出發(fā)，分享了該課程所具備的特點(diǎn)。結(jié)合校外教學(xué)現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)了基于生活科普理念的校外納米科技教育主題課程，并進(jìn)行案例分析。

1 實(shí)施納米科技教育的意義

納米世界，桃花流水，別有洞天。載藥的納米探針、仿生的納米纖維、華為的納米芯片……如今的納米已經(jīng)走進(jìn)人們的生活，納米的許多關(guān)鍵技術(shù)也關(guān)乎國(guó)計(jì)民生，納米有著非凡的能力，開(kāi)創(chuàng)了新的天地，但是了解它的人很少。因此，開(kāi)發(fā)納米科技教育課程，讓納米世界在青少年的科普教育中“視而可見(jiàn)”，顯得十分有意義。

1.1 有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

納米科技課程的本質(zhì)是一門(mén)科學(xué)課程，科學(xué)課程的核心價(jià)值是對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，科學(xué)素養(yǎng)是個(gè)人發(fā)展核心素養(yǎng)的關(guān)鍵，是培養(yǎng)促進(jìn)社會(huì)和諧發(fā)展的高素質(zhì)國(guó)民的重要基礎(chǔ)，“理性思維、批判能力、科學(xué)探究”是其三大關(guān)鍵。在納米科技的課程中，從認(rèn)識(shí)“納米”這個(gè)度量單位拉開(kāi)序幕，從古代的納米技術(shù)到近代科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，從生活的納米現(xiàn)象到學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐，從美麗的納米圖譜到構(gòu)建未來(lái)的納米藍(lán)圖，納米技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)的突破與驚喜充分體現(xiàn)著科學(xué)素養(yǎng)的求真精神。在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，學(xué)生將提出問(wèn)題、猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)、記錄數(shù)據(jù)與現(xiàn)象、解釋、檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)、表達(dá)與交流等。學(xué)生不僅要學(xué)會(huì)制備納米材料，還要學(xué)會(huì)電子顯微鏡的圖譜分析等計(jì)算機(jī)操作，這充分提高了學(xué)生在科學(xué)探究方面的理解與實(shí)踐能力。更值得一提的是，隨著社會(huì)發(fā)展，“納米”一詞更是貼上了前衛(wèi)的標(biāo)簽，某些商家便打起了“納米”的主意，如“納米水杯、納米內(nèi)衣、納米養(yǎng)生壺、納米遮陽(yáng)傘、納米食品、納米防曬霜”等，實(shí)則有些產(chǎn)品是偽納米技術(shù)，學(xué)生學(xué)習(xí)了納米科技課程就可以學(xué)會(huì)辨別真?zhèn)?，并積極地宣傳正確的納米知識(shí)。在這一過(guò)程中，學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用知識(shí)判斷真假，充分鍛煉了他們的批判性思維。因此，實(shí)施納米科技教育不僅在學(xué)生的科學(xué)知識(shí)、科學(xué)能力和科學(xué)的基本價(jià)值取向等科學(xué)素養(yǎng)方面起到積極作用，還為納米技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的空間。

1.2 有助于提升學(xué)生的跨學(xué)科能力

科技教育的改革，旨在將學(xué)生培養(yǎng)成為有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的人才，而在今天這樣一個(gè)時(shí)代，緊靠單一學(xué)科的知識(shí)欲解決問(wèn)題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。學(xué)生需要在真實(shí)情景中，超越學(xué)科界限的學(xué)習(xí)，將各種學(xué)科的知識(shí)內(nèi)容整合起來(lái)，學(xué)以致用、知行合一，才能夠獲得更多適應(yīng)未來(lái)社會(huì)的素養(yǎng)。納米科技本身就是一門(mén)涉及物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、能源、材料、技術(shù)、工程等多領(lǐng)域的綜合性課程。它已不能歸附于任何一門(mén)學(xué)科的傳統(tǒng)領(lǐng)域，是一個(gè)多學(xué)科交叉融合的前沿領(lǐng)域。在青少年中實(shí)施納米科技教育，有利于學(xué)生建立基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)之間的聯(lián)系，豐富已有知識(shí)的廣度和深度，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和探索科研的熱情。如開(kāi)篇在“走進(jìn)納米世界”的模塊中，通過(guò)介紹納米是一個(gè)小尺寸的概念，尺寸的概念除了和數(shù)學(xué)有關(guān)外，納米材料由于小尺寸對(duì)物理學(xué)性能也可以產(chǎn)生影響。在“納米與生活”模塊中，通過(guò)“眼鏡起霧”這一生活中的發(fā)現(xiàn)，到采用納米材料設(shè)計(jì)制作防霧眼鏡，整個(gè)活動(dòng)中滲透了物理、化學(xué)、工程、設(shè)計(jì)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)與方法。不僅讓學(xué)生可以建立基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)之間的聯(lián)系，更重要的是在活動(dòng)中，學(xué)生體會(huì)到一門(mén)技術(shù)的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展是各學(xué)科之間有機(jī)融合、互相補(bǔ)充、相互支撐的結(jié)果，提升跨學(xué)科素養(yǎng)。

1.3 有助于研究型人才的儲(chǔ)備

我國(guó)十分重視對(duì)科技人才的培養(yǎng)，在2001年科技部發(fā)布的《國(guó)家納米科技發(fā)展綱要（2001-2010年）》中就明確提出，“要形成高質(zhì)量的納米人才骨干隊(duì)伍。以人為本，把納米科技人才隊(duì)伍建設(shè)放在突出位置?！比绾螌?shí)現(xiàn)納米科技人才的培養(yǎng)？當(dāng)然要從娃娃做起。一方面，通過(guò)納米課程的內(nèi)容激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)納米知識(shí)的興趣，如“納米的發(fā)展史”中，學(xué)生帶著好奇與疑問(wèn)，思考科學(xué)家們是如何一步步揭開(kāi)納米的神秘面紗，觀前人之故事，習(xí)前人之經(jīng)驗(yàn)，然后上下而求索。他們掌握了納米科技跨學(xué)科的學(xué)習(xí)方法，對(duì)今后學(xué)習(xí)其他學(xué)科和自身發(fā)展將產(chǎn)生新的格局。另一方面，在納米科技的課程中含有大量需要學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的內(nèi)容，如“不用電的發(fā)光燈、水污染處理、制備納米防曬霜和一些小課題研究?jī)?nèi)容”等。學(xué)生需要像研究員一樣進(jìn)行文獻(xiàn)查閱、背景分析、實(shí)驗(yàn)操作、分析討論、撰寫(xiě)報(bào)告等一系列項(xiàng)目式活動(dòng)，在真實(shí)的情景中體驗(yàn)科學(xué)研究，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)科研任務(wù)嚴(yán)謹(jǐn)性、艱巨性、科學(xué)性的認(rèn)知，從小培養(yǎng)堅(jiān)持不懈、追求真理的科學(xué)精神，為我國(guó)21世紀(jì)納米科技事業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)后備人才。

2 基于生活科普理念的校外納米科技教育課程的主要特點(diǎn)

改革開(kāi)放以來(lái)，校外教育與學(xué)校教育相互融合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、彼此促進(jìn)，逐漸成為我國(guó)基礎(chǔ)教育必不可少的部分。在校外開(kāi)展納米科技課程對(duì)于學(xué)生自身素質(zhì)和人才培養(yǎng)有著重要意義。目前的納米科技教育主要集中在高等院校，課程內(nèi)容理論性強(qiáng)，知識(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)踐操作難度大。顯然，高校的納米科技課程并不適合青少年兒童，然而校外納米科技課程面向的學(xué)生對(duì)前沿科技興趣濃厚，并具備一定自然、科學(xué)、物理、化學(xué)等知識(shí)基礎(chǔ)，因此我們可以基于生活科普理念，概括起來(lái)就是“觀生活中的現(xiàn)象、用生活中的材料、探生活中的科學(xué)”。將納米科技教育要通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)回歸生活，從而進(jìn)行科學(xué)知識(shí)普及，開(kāi)發(fā)與實(shí)施適合青少年兒童的納米科技課程，進(jìn)一步豐富青少年兒童的科學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)興趣，鍛煉科學(xué)能力，并為高校輸送一些愿意在科學(xué)道路上繼續(xù)埋頭苦干的學(xué)子。因此，基于生活科普理念的校外納米科技教育課程需要具備以下特點(diǎn)。

2.1 課程主題生活化

教育源于生活，教育回歸于生活?！吧罴唇逃笔翘招兄壬罱逃碚摰暮诵?。如何讓科學(xué)變得不再冰冷？如何讓納米變得不再遙遠(yuǎn)？科學(xué)家已經(jīng)努力使納米技術(shù)滲透在人們的衣食住行之中，但是如何讓課程變得“接地氣”？納米科技課程的也應(yīng)從科技適應(yīng)生活需要，科技創(chuàng)新服務(wù)于生活的角度出發(fā)，課程主題需要生活化。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了生活化的6大主題，分別是“走進(jìn)納米世界”“納米與生活”“納米與科學(xué)”“納米與藥物”“納米與軍事”“納米與時(shí)尚”。從古代的納米技術(shù)到現(xiàn)代納米科技大大躍進(jìn)，從身邊的天然納米材料到人工合成的先進(jìn)材料，從單一用途到一“金”（金納米粒子）多用的材料實(shí)驗(yàn)，每個(gè)主題都和學(xué)生的日常生活緊密結(jié)合，讓學(xué)生深刻體會(huì)知識(shí)來(lái)源于生活。同時(shí)，在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)操作的活動(dòng)中，生活化的課程內(nèi)容可直接增強(qiáng)學(xué)生的感受和體驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中獲得直接經(jīng)驗(yàn)和深切感受，從而使感性認(rèn)識(shí)更好的上升為理性認(rèn)識(shí)，也極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.2 課題材料生活化

隨著許多實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的創(chuàng)新和改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)材料生活化的應(yīng)用變得越來(lái)越多。部分納米實(shí)驗(yàn)材料可采用生活中的簡(jiǎn)單、易得材料代替，課題材料生活化使學(xué)生對(duì)活動(dòng)主題印象更加深刻，實(shí)驗(yàn)操作更加方便，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所因地制宜。例如：認(rèn)識(shí)納米“小不點(diǎn)”這一特性時(shí)需要理解“比表面積實(shí)驗(yàn)”，教師可以用生活中豆腐或者瓊脂作為實(shí)驗(yàn)材料。用塑料小刀將豆腐切成一個(gè)個(gè)大小相等的小正方體，通過(guò)運(yùn)用數(shù)學(xué)表面積公式計(jì)算表面積，對(duì)比整塊豆腐的表面積和被分成一個(gè)個(gè)小方塊時(shí)的表面積之和的大小時(shí)，那么物質(zhì)粒子越小，它比表面積越大這一性質(zhì)就不難理解了。這些生活化實(shí)驗(yàn)的引入，不僅可以讓學(xué)生樹(shù)立建模意識(shí)，而且也可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，更讓學(xué)生體會(huì)到生活中無(wú)處不在的科學(xué)，用生活中的實(shí)驗(yàn)材料也可以解決抽象的問(wèn)題。

2.3 課堂情境生活化

常規(guī)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)是教師帶領(lǐng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室里完成，校外的納米科學(xué)實(shí)驗(yàn)不再局限于課堂或?qū)嶒?yàn)室，行走在湖邊欣賞“接天蓮葉無(wú)窮碧”的美景其實(shí)也是生活化納米科普案例。蓮花生長(zhǎng)于淤泥之中，卻出淤泥而不染;水滴落在荷葉上，卻似“大珠小珠落玉盤(pán)”，這樣的神奇現(xiàn)象卻是自然界納米結(jié)構(gòu)的結(jié)果——荷葉和蓮花表面微小的凹凸結(jié)構(gòu)就是一種天然的超疏水納米材料，水滴在花葉上滾來(lái)滾去還可以帶走灰塵，達(dá)到自清潔的效果。當(dāng)問(wèn)題來(lái)自于日常生活所經(jīng)歷的情境時(shí)，便會(huì)激發(fā)學(xué)生對(duì)周圍事物進(jìn)行探索的主動(dòng)性，在探究中通過(guò)采用合適的材料和方法進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)制造、科學(xué)創(chuàng)造等。這種在真實(shí)的問(wèn)題情境中通過(guò)生活化的實(shí)驗(yàn)獲得真知，正是生活科普所倡導(dǎo)的。如依據(jù)蓮花效應(yīng)，科學(xué)家們采用很多技術(shù)制備了眾多的仿生纖維，廣泛用于紡織業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)，甚至是軍事行業(yè)。它的原理也是依據(jù)模擬蓮花表面的凹凸結(jié)構(gòu)，增加液滴的表面張力，達(dá)到疏水憎油的自清潔效果。在活動(dòng)中，學(xué)生也可以一定程度的模擬實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，將疏水材料設(shè)計(jì)制成領(lǐng)帶或其他用途的產(chǎn)品。因此，應(yīng)用生活化情境設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)往往能讓學(xué)生收獲最直接、最深刻的科學(xué)探究體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生對(duì)生活科普研究的熱情。

3 基于生活科普的校外納米科技課程的實(shí)踐

在基于生活科普的校外納米科技課程的實(shí)踐過(guò)程中，采用項(xiàng)目式教學(xué)法對(duì)納米相關(guān)的資料收集與案例教學(xué)、形成了原創(chuàng)的校外納米科技課程。并在原有的基礎(chǔ)上不斷地嘗試與改進(jìn)，開(kāi)發(fā)的課程不僅適用于日常的教育教學(xué)，也可以普及到科技館、社區(qū)等校外活動(dòng)場(chǎng)地，對(duì)于青少年納米科學(xué)技術(shù)普及具有重要參考價(jià)值。

3.1 基于生活科普的校外納米技術(shù)課程開(kāi)發(fā)

如表1所示，基于生活科普的校外納米科技課程主要分為七個(gè)模塊，七個(gè)模塊的主題是總—分—總的關(guān)系，這些主題充分基于生活化、情景化、跨學(xué)科等特點(diǎn)。每個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)了相應(yīng)的教學(xué)案例主題，均有教學(xué)目標(biāo)。模塊一是“走進(jìn)納米世界”，主要面向小學(xué)高年級(jí)到高中的學(xué)員，從“納米起源”“自然界中的納米”到“納米是如何改變世界的”，主要針對(duì)納米技術(shù)、納米材料和辨別納米概念等科普知識(shí)的總體概述，其中還包含了一些“比表面積”“自清潔布”等動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。模塊二到模塊六，將進(jìn)一步解析納米在生活、科學(xué)、藥物、軍事、時(shí)尚等領(lǐng)域的有關(guān)現(xiàn)象與技術(shù)發(fā)展，同時(shí)遞進(jìn)式的課程內(nèi)容主要是針對(duì)初中到高中的學(xué)生，他們的基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)扎實(shí)，對(duì)于儀器的使用更加熟練。最后基于以上的實(shí)踐和學(xué)習(xí)，筆者設(shè)計(jì)了一些基于納米材料的小課題研究，學(xué)生將進(jìn)一步體驗(yàn)科學(xué)研究的方法和思維，為今后從事其他科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

3.2 基于生活科普的校外納米技術(shù)教學(xué)設(shè)計(jì)

基于生活科普的校外納米科技課程的主要采用“5E”的項(xiàng)目教學(xué)模式，如圖1所示，包含引入（engage）、探究（explore）、解釋（explain）、拓展（elaborate）和評(píng)價(jià)（evaluate）五個(gè)環(huán)節(jié)。

如表2所示，以“蓮花效應(yīng)”教學(xué)案例為例，從生活中的發(fā)現(xiàn)為引入。隨著問(wèn)題的提出進(jìn)行探究，學(xué)生是探究活動(dòng)的主體，采取自主、合作探究的方式參與。通過(guò)“我的設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)，自我尋找材料、設(shè)計(jì)裝置圖、實(shí)驗(yàn)方案或思維導(dǎo)圖、在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究中，觀察記錄、比較分類、交流討論等形式建立事物之間的聯(lián)系。教師在探究活動(dòng)中承擔(dān)指導(dǎo)作用，并在“解釋”環(huán)節(jié)根據(jù)探究現(xiàn)象揭示科學(xué)意義。隨后在“拓展”環(huán)節(jié)中進(jìn)一步知識(shí)遷移或繼續(xù)實(shí)踐。“評(píng)價(jià)”是貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程不僅包括學(xué)生學(xué)習(xí)的自評(píng)，還包括教師評(píng)價(jià)、學(xué)生互評(píng)，并且整個(gè)“5E”可設(shè)置循環(huán)模式。

4 結(jié)語(yǔ)

生活環(huán)境中蘊(yùn)含的資源是豐富多彩的，利用生活資源開(kāi)展的“生活化納米實(shí)驗(yàn)”，不受學(xué)校固有實(shí)驗(yàn)條件的制約，不受學(xué)校所處地域、層級(jí)的限制?；谏羁破绽砟畹募{米科技課程開(kāi)發(fā)與研究，能夠促進(jìn)師生更進(jìn)一步理解納米科學(xué)知識(shí)的內(nèi)涵和意義。讓科學(xué)生活化，讓生活科學(xué)化。

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