纳米材料科学与技术课程教学探索

2023-11-28 理论教育版权反馈

【摘要】：“纳米材料科学与技术”课程教学内容与方法探索●摘要“纳米材料科学与技术”课程的教学目标是使学生掌握纳米科技的基本概念、理论、方法、结构和性能的关系等内容，培养学生在交叉学科和创新能力等方面综合发展。本文从纳米材料的学科特点出发，论述了开设“纳米材料科学与技术”课程的目的，探讨了该课程教学内容的选取和教学方法的组织与改革。“纳米材料科学与技术”具有涵盖范围广、知识更新速度快的特点。

“纳米材料科学与技术”课程教学内容与方法探索

●(苏州科技学院，徐孝文)

摘　要　“纳米材料科学与技术”课程的教学目标是使学生掌握纳米科技的基本概念、理论、方法、结构和性能的关系等内容，培养学生在交叉学科和创新能力等方面综合发展。本文从纳米材料的学科特点出发，论述了开设“纳米材料科学与技术”课程的目的，探讨了该课程教学内容的选取和教学方法的组织与改革。

关键词　纳米材料科学与技术、教学内容、教学方法

一、引言

自20世纪90年代以来，纳米科技已成为全世界材料学、物理学、化学、生物学、电子学等多学科的研究热点和前沿之一，对多个研究领域产生了广泛而深入的影响。纳米材料指三维空间尺度至少有一维处于纳米数量级(1～100nm)，由数十或数百个原子(分子)构成，其尺度介于宏观物质与微观原子(分子)之间，把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域，对开辟人们认识自然的新层次，进行知识创新具有重要的科学和应用价值。在这个背景下，苏州科技学院为化学专业本科生和研究生开设“纳米材料科学与技术”专业选修课，其目的是使学生了解纳米科技的概念、内涵，纳米材料的性质、制备技术以及应用领域，了解纳米科技的研究进展，初步掌握进行纳米材料科学研究和开发应用的基本知识，开阔学生的视野，培养他们的科学创新意识和科学精神，为他们今后的发展打下基础。

“纳米材料科学与技术”具有涵盖范围广、知识更新速度快的特点。如采用单一的教材，沿袭传统的教学方法讲授这门课程很难达到预期的教学目标。针对这些特点，我们改革课程教学内容和教学方法，这里重点讲述笔者对该课程改革的几点体会。

二、教学内容和方法的探索(www.chuimin.cn)

纳米科技是一个新兴的多学科交叉的研究领域，内涵非常丰富。在有限的学时内，课堂教学内容不可能涵盖纳米科技研究的各个方面。我们采用精讲纳米材料的特性:纳米粒子的尺寸效应－Kubo理论、表面效应、库仑阻塞和量子隧穿、介电限域效应。让学生掌握纳米材料的基本概念和理论，在此基础上选用经典的文献，采用案例教学的方法，将纳米材料的制备、表征和应用贯穿起来，如在介绍完了纳米粒子的基本理论后，选用王中林的“Nano－belts of Semiconducting Oxides”(Science 2001，291:1947－1949)一文介绍了XRD(X射线粉末衍射法)、SEM(扫描电镜)、TEM(透射电镜)、HRTEM(高分辨透射电镜)等表征方法在纳米材料中的应用，一维纳米材料的VLS(气－液－固)生长机理，选取的教学内容兼顾基础和前沿、理论与实际的统一。

采用案例教学方法，提高教学质量。案例教学法由美国哈佛商学院(Harvard Business School)所倡导，当时是采取一种很独特的案例形式的教学，这些案例都是来自于商业管理的真实情境或事件，此种方式有助于培养和发展学生主动参与课堂讨论。实施之后，颇具绩效。这种教学法到了20世纪80年代，才受到师资培育的重视，尤其是1986年美国卡内基小组(Carnegie Task Force)提出《准备就绪的国家:二十一世纪的教师》(A Nation Prepared:Teachers for the 2lst Century)的报告书中，特别推荐案例教学法在师资培育课程的价值，并将其视为一种相当有效的教学模式。案例教学方法其本质就是运用社会或身边发生的事例激发学生学习兴趣，说明道理，给学生的行为以启发。如在介绍纳米材料的应用一节中，先提出现在的能源危机，国家在节能减排方面措施等，引入我们每天都白白浪费许多能源，如跑步、走路、心跳等产生的机械能，能不能将这些能量转化为可以利用的电能呢？如果这些能源可利用，又该怎样利用等问题，激发学生的兴趣和想象力，接着从理论上分析是可以将这些能量转化为电能，将这些被白白浪费掉的能量都利用起来。最后引入了王中林的文章“Microfibre－nanowire hybrid structure for energy scavenging”(Nature，2008，451:809－813)，他们利用溶液化学方法，将氧化锌纳米线沿径向均匀生长在纤维表面，然后用两根纤维模拟了将低频振动转化为电能的这一过程。为了能实现电极与氧化锌纳米线之间的肖特基接触，采用磁控溅射在一根纤维表面镀了一层金膜作为电极，而另一根表面是未经处理的氧化锌纳米线。当两根纤维在外力作用下发生相对运动时，表面镀有金膜的氧化锌纳米线像无数原子力显微镜探针一样，同时拨动另外一根纤维上的氧化锌纳米线；所有这些氧化锌纳米线同时被弯曲、积累电荷，然后再将电荷释放到镀金的纤维上，实现了机械能到电能的转换。纤维纳米发电机的材料都是生物安全材料，整个过程无排放、无污染，堪称最具潜力的绿色发电。以此激发学生的学习兴趣，提高了教学效果。

运用多种教学手段和形式，激发学生的学习兴趣。在课堂教学中，我们利用多媒体技术，将看不见摸不着的纳米材料用形象的图画或动画来表示，具体的“图、文、声、像”来创造教学，使抽象的内容具体化、清晰化，使学生的思维活跃，兴趣盎然，有助于学生发挥学习的主动性，积极思考，更好地培养学生的自主创新能力。为了说明半导体纳米粒子(量子点)的发光机理，我们制作了动画，打开光源，照射半导体纳米粒子，半导体纳米粒子价带上的电子吸收能量跃迁到空带上，接着在激发态的电子跃迁回来，纳米粒子发光了，形象说明了量子点的发光机理。为了进一步发挥学生学习的积极性和主动性，我们要求学生查阅文献，每个学生都要在课堂上提一个问题或介绍一个纳米科技的知识点，学生利用网络这个平台，查阅大量资料，丰富了知识，扩大了视野，提高了学习纳米科技的兴趣。

改进考核方法，提高学生的综合素质和能力。传统的考核都是以试题为主的模式，在纳米材料科学与技术这门课程中，我们改变这种考核方式，不以试题形式进行考核，避免了要求学生死记硬背的习惯，把考核贯穿在整个教学过程中，做到平时成绩占总成绩的60%，平时成绩根据课堂提问的水平和介绍知识点的内容给出成绩，期末要求每位同学写一篇纳米材料科技小论文或翻译一篇纳米材料科技的英文文献。让学生及时了解纳米材料科学与技术发展的最新动态，开阔学生的视野和想象力。

三、结束语

在纳米材料科学与技术这门课程中，采用先精讲纳米材料科学的基本理论，如纳米材料的物理性质、化学性质和制备等基础知识，扫清学生阅读纳米材料专业文献所遇到的障碍，再采用案例教学法和多媒体等教学手段提高学生学习兴趣，教会学生如何查阅文献，提高学生获得新知识的能力。让学生及时了解纳米材料科学与技术发展的最新动态，开阔学生的视野，培养学生的创新精神和对已有知识的批判与超越意识。

纳米材料科学与技术课程教学探索

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