关于专业选修课《纳米材料》课程的思考|什么叫纳米材料
时间：2019-01-08 03:24:59 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要： 纳米材料是未来社会发展的重要物质基础，开设《纳米材料》课程的教学目标是使学生了解纳米材料基础知识，掌握学科的发展方向，培养学生的创新意识，引导学生从事前沿性的科研活动。结合学生专业，本文对《纳米材料》课程内容的选取与组织，教学方法，以及教学手段进行了阐述，强调要注重传授材料绿色化理念，强调培养学生的环保意识。
关键词： 《纳米材料》课程 教学内容 教学方法
一、引言
纳米科技兴起于20世纪80年代末90年代初，是一门具有前沿性、交叉性的新兴学科，其新颖性、独特的思路和首批研究成果的问世，在科学技术界、军界和产业界产生巨大反响，引起人们的关注和思考。纳米科技的发展将会带动许多相关学科的发展，可能引导下一场工业革命，成为信息时代的核心，甚至改变人们的传统思维方式和生活方式，纳米科技被认为是21世纪的新动力［１］。纳米材料是纳米科技的重要组成部分，也是未来社会发展极为重要的物质基础。纳米材料是原子物理、凝聚态物理、固体化学、胶体化学、化学反应动力和表面、界面科学等多个相关学科交叉汇合而出现的新学科生长点，把人们探索、改造自然的能力从过去的宏观领域延伸到物理的微观领域，纳米材料的研究与发展对人类及人类社会的发展具有重大意义。21世纪是纳米科技突飞猛进的世纪，纳米科技水平是一个国家科学技术水平的象征，为了适应时代的需要，提升学生的竞争力和创新意识，各高校相继为本科生开设《纳米材料》课程，旨在使学生了解纳米材料的基本知识，掌握纳米材料的内涵、性质、制备技术及应用等，了解和掌握时代发展的脉搏，进一步引导学生进行创新性、前瞻性的科研活动，培养学生的创造力和想象力，为他们今后的发展奠定基础。《纳米材料》具有知识更新速度非常快、涵盖内容广泛的特点，采用传统的教学方法很难达到预期效果。作为专业课的教师，我结合自身的教学经验和实际体验，对高分子材料专业选修课程《纳米材料》谈点体会和想法。
二、精选教学内容、突出重点、结合前沿
纳米材料，就是在纳米量级（1―100nm）范围内调控物质结构研制而成的新材料［2］，是指材料的大小在1―100nm之间的微小物质。相对于纳米材料，普通材料为“块材”，是属于“宏观”世界的材料，肉眼可见，十指可触。纳米材料的颗粒肉眼看不见，需借助高倍数电子显微镜才能看到。纳米材料是种处于既非宏观尺度的物质，又非微观尺度的物质，称其为介于宏观与微观之间的“介观”世界。进入纳米量级的材料因其特殊的结构，从而具有传统材料所不具备的奇异或反常的特性，被科学家们誉为“超微粒材料”，不能用宏观的理论来推论纳米材料的特性［3］。
纳米材料是一个新兴的、多学科交叉的研究领域，内涵非常丰富。依据材料化学组成可分为：纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子、纳米复合材料等，此外还可依照材料的维度、物性、应用等来进行分类，涵盖内容非常广泛，课堂教学因学时有限不可能将纳米材料的全部内容进行精讲，教学内容的选取对课堂教学的成败至关重要。进行一门新课，尤其是一门反映科学前沿的课程，教师简单地将收集到的知识点和自己的科研成果进行组合是不够的。我们必须对这门课程的基础知识和专业知识进行有机整合，既要提高这门课程的深度，又不能过分狭窄［4］。因此，《纳米材料》课程的教学内容选取依据主线和辅线明确、广度和深度统一、基础和前沿衔接、理论联系实际等原则来考虑。
科技发展日新月异，纳米材料的发展速度更是惊人，《纳米材料》的课程安排不仅要包括介绍纳米材料基础知识，传授与高分子专业相关的纳米知识，而且要紧跟纳米材料发展步伐，适时引入科研成果发展最新动态，培养学生的科技发展观，同时将材料绿色化理念纳入课程，培养学生绿色环保的意识，教学效果令人满意。具体教学内容主要包括：（1）概论，介绍纳米材料的基本概念、发展历史及分类，重点讲授纳米材料的判断依据。（2）纳米材料的结构、基本效应和性能，该内容是课程的重点也是难点。（3）纳米材料的合成及制备方法，重点讲授溶胶―凝胶法、微乳液法及纳米材料的自组装与模板合成。（4）聚合物基纳米复合材料，这是纳米材料和聚合物材料交叉发展的结晶，代表材料学科发展的一个强劲方向。重点介绍聚合物―无机纳米复合材料及聚合物―聚合物纳米复合材料，对当前的研究热点如聚合物/粘土纳米复合、环氧树脂基纳米复合、聚酯纳米复合、聚合物/碳纳米管纳米复合等体系进行详细讲授。（5）材料绿色化理念，先进材料的发展及应用在给人类及社会带来便利的同时也给环境带来了许多负面效应，高分子材料对环境的“白色污染”问题也日趋突出。尽早向学生传授环保意识非常必要。在材料的研发及应用过程中，不能只片面追求材料的性能与功能，忽视消耗的资源及对环境的污染，应将预防环境污染的战略持续应用于材料生产和使用周期全过程，以减少对人类和环境的危害。该章节内容介绍绿色纳米合成技术在纳米材料研究中的最新进展，结合专业引入绿色高分子相关概念，让学生了解材料绿色化的必要性及途径，培养学生绿色环保和可持续发展的意识。（6）纳米材料的应用，介绍其在电子、信息、军事、生物、化工、能源环保及日常生活中的应用。
三、教学方法探索
与专业基础课相比，学生往往不太重视专业选修课，但专业选修课是专业基础课的补充和扩展，是拓宽学生专业知识、提高学生综合能力的重要途径，因此有效的教学方法可以显著增强教学效果。
1.从身边常见的现象入手，提出问题，激发学生兴趣。
作为教师，大家都曾有过这样一个体验，自己讲课很尽责，但课堂效果并不好，学生的听课兴趣并不大，原因何在呢？我们不能将原因全部归咎于学生，最主要的原因应该是在教师方面，每个人都有过做学生的经历，当老师讲授的内容能够激起学生兴趣时，学生精神状态非常好，课堂效果自然而然就好。当老师教条式讲授内容时，虽然讲授的内容非常重要，但不能激起学生的兴趣，他们会觉得枯燥乏味、理论高深，为了应付考试、拿到学分而被动学习，课堂效果当然不好。
在开始讲授一门课程时，吸引学生的注意力、激发他们的学习兴趣和求知欲是至关重要的。开始讲授《纳米材料》时，我没有直接进入纳米材料相关主体内容的介绍，而是从司空见惯的现象入手，给学生提了几个小问题，让学生去思考。例如：对于日常所见的金属（金、铂、铜和铁等），都知道它们具有不同的颜色，这是常识。当这些大块金属被细分到一定小的尺寸后，黄灿灿的黄金变成了黑色，银白色的铂金变成了黑色，美丽的紫铜也变成了黑色……为什么会出现这种奇异的现象？我们知道蜜蜂会辨别方向，其实鸽子、蝴蝶、海豚，以及水中的某些细菌都有辨别方向的能力，经过长距离的出游后，为什么它们具有回归的本领？池塘里的荷叶出淤泥而不染，原因何在？晶体物质的熔点是一定的，但当其被细分成超微粒后，熔点会明显下降，如金的熔点是1064℃，当颗粒尺寸为10nm时，熔点降至1037℃，颗粒尺寸小到2nm时，熔点降至327℃，熔点为什么会变化？陶瓷通常是脆性材料，能将其变成韧性材料让陶瓷弯曲吗？……有些现象是我们司空见惯的，但没有仔细探究过原因，有些现象与我们所知的常识不符，无法用常识来解释……我先提出令学生感兴趣的问题，再让学生去思考，在学习的过程中去探索寻求解决问题的方法和途径，借此激发了学生学习的兴趣，最大限度地调动了其学习积极性，加深了对所学内容的理解。问题、兴趣教学法可以贯穿一门课程的始终，让学生从被动听课的状态转变为主动思考的状态，对提高教学质量非常有帮助。
2.运用直观、生动的多媒体教学手段。
教学手段是教师传授知识和学生吸纳知识所借助的媒体，对于不同的课程因其性质及涵盖内容不同，所适用的教学手段也不同。纳米材料的许多知识肉眼看不到，只有借助高倍显微镜才能呈现出其微观世界的奇妙缤纷，尤其是一些伟大的科研成果和纳米结构，仅用语言和文字来描述，无法形象的表达，学生理解起来非常困难，只有借助图像或动画才能生动形象地体现出来。再者，该课程涵盖的信息量非常大、知识更新速度非常快，传统的教学手段很难达到预期的效果。教师可采用现代化多媒体技术进行教学，利用视、听、说向学生提供包括图形、表格、照片、声音等大量的素材资料，必要时可进行动画模拟，生动活泼，有利于学生提高形象思维的能力，有效提高课堂教学质量，强化学习效果。例如在讲到人类具备操纵单个原子的能力时，我将1989年IBM苏黎世实验室科学家用STM的针尖搬动35个氙原子，精确定位“写”出了IBM字样的精彩图片用多媒体呈现出来，大大增加了学生学习的趣味性。在讲授碳纳米管的独特电学性能――电子只能在单层石墨片中沿纳米管的轴向运动，径向运动受到限制时，将碳纳米管的奇异结构――壁管侧面由碳原子六边形组成、两端由碳原子的五边形封顶的图片呈现出来，学生理解起来也就轻而易举。碳簇如C60、C70等的结构也非常奇特，学生看到其形貌后非常感兴趣。通过多媒体技术可以轻松地向学生输送信息量比较丰富的知识，完成以往板书教学无法完成的教学内容，大大提高教学效率；可以将抽象的问题进行直观性的表达，教学效果生动形象，学生乐于接受；多媒体技术还具有方便灵活的特性，对于难于理解的、学生感兴趣的内容，课下也可以反复观摩，非常方便。
3.学生参与课堂教学法。
课堂教学是学生学习的主要途径，传统的教学模式是教师按部就班地讲授，如同“填鸭”一样向学生灌输知识，在这种教学模式中学生处于非常被动的地位，教学效果并不理想。要加强教师和学生之间的交流，及时了解学生对课堂教学的反馈意见，让学生参与到教学过程中，发挥学生的主体作用，才能有效提高学生学习兴趣，充分调动学习积极性。让学生参与教学法即让学生当老师，使学生成为教学主体。对于学生感兴趣的、便于展开讨论的内容，让学生写成讲稿或做成课件来进行讲授，如聚合物基纳米复合材料，该章节内容与专业知识结合紧密，在专业知识的基础上，学生比较容易理解且能进行拓展，让学生自选一个感兴趣的主题来进行讲授。通过此途径一方面培养了学生语言表达能力、自学能力、独立思考能力和综合分析能力。另一方面，他们亲身经历查阅文献资料，对资料进行收集、整理和总结，做课件或写讲稿，直至最后站在讲台上进行内容讲授等一系列的过程，不但提高了学生利用图书馆、网络等资源的能力，而且让学生体验了此过程的复杂与繁琐，了解到教师在课堂上所讲授的内容是通过花费大量的时间和精力来完成的，学会尊重教师的教学成果，提高学习的自觉性。此外，还要了解学生感兴趣的知识内容，及时把握学生对课程的理解和掌握程度。学生参与教学法不但加深了他们对课程内容的理解，而且培养了他们的综合能力，这种教学方法深受学生的欢迎。
四、结语
纳米材料出现的重要科学意义在于它引领人们认识自然的新层次，在纳米领域发现新现象，提出新概念，认识新规律，建立新理论，为构建纳米材料科学体系新框架奠定基础［5］。在讲授《纳米材料》过程中，通过精选内容、探索问题教学法、兴趣教学法，采用先进的多媒体教学手段及学生参与课堂教学法，充分发挥学生的主观能动性，目的在于使学生了解有关纳米材料的相关知识，把握纳米材料的发展方向，引导学生从事前瞻性的科研活动。由于纳米材料的发展日新月异，需要不断及时更新授课内容，激发和保持学生的学习兴趣，有许多动态知识很难在课堂教学中及时补充更新，这也是有待进一步完善的问题。
参考文献：
［1］林鸿溢.新的推动力――纳米技术最新进展［M］.北京：中国青年出版社，2003.
［2］潘爱珍.纳米技术与纳米材料的现状和展望［J］.浙江海洋学院学报（自然科学版），1999，1（3）.
［3］马远荣.纳米科技［M］.汕头：汕头大学出版社，2003.
［4］徐国财.讲授前沿课程 促进教学相长［J］.化工高等教育，2004，（2）：93-95.
［5］张立德.纳米材料研究的新进展及在21世纪的战略地位［J］.中国粉体技术，2000，6（1）.
