《纳米材料》课程教学改革与优化研究

盛 扬

(常州大学 材料科学与工程学院，江苏 常州 213164)

随着科技的发展，纳米材料逐渐渗透到光学、微电子学、环境科学及生物医学等众多领域。如何可控的制备纳米材料并利用它们的独特性质为人们提供更好的服务是未来材料领域的重要课题，也是《中国制造2025》中重点关注的领域之一1。因此，在材料类本科教学中开设纳米材料相关课程已成为许多高校的共识2。《纳米材料》是我院材料化学专业开设的一门专业选修课。开设本课程的主要目标是为了引导学生了解当前纳米材料发展的前沿，拓宽学生对新材料的知识面，提升现代科学素养，从而培养复合型与创新型人才。在综合考虑学生基础知识水平的前提下，结合课程开设以来的教学实践情况，笔者从课程特点，教学内容，教学手段，课程考核等方面探讨了对《纳米材料》课程的教学改革和优化。

1 课程特点

首先，纳米材料课程具有很强的学科交叉性与综合性。纳米材料制备方法主要涉及化学知识，纳米材料性质需要物理做支撑，纳米材料的应用现状与面临挑战又与生物医学、电子信息等前沿领域息息相关3。其次，课程内容相对抽象。纳米材料尺寸非常小，无法用肉眼直接观察，且它的性质与日常生活中所见的相同物质组成的传统材料相比往往大相径庭。因此对于学生而言在难以从日常生活中获得感性认识，给学生对课程内容理解带来困难与困惑。另一方面，纳米材料这种特殊性质背后的本质又需要较好的物理基础去理解，这对学生的基础知识提出较高要求。第三，纳米材料知识体系更新迅速。纳米材料的概念与理论迄今为止发展了仅仅三十多年，产生了大量新的理论知识，并且新的现象，新的理论层出不穷。

2 课程内容选择

针对课程的特点，结合本专业学生现有的知识结构和理论基础，在教学内容的选择方面，笔者采取了一系列措施，力求既要保证学生对纳米材料有全面的认识，也要让学生掌握纳米材料的关键知识点。

2.1 教材的选用

目前针对纳米材料课程的相关教材众多，然而各有侧重。有的教材侧重于纳米材料制备，对性质和应用一笔带过，容易使学生对纳米材料有什么实际应用价值产生疑问。有的教材侧重于纳米材料应用，对制备手段简要叙述，不利于学生熟悉生产实践环节。总之，单一教材无法满足专业培养方案和课程教学目标的要求。纳米材料内容广泛，在教学内容的选择上首先是必须保证对纳米材料的性质，制备方法和应用都有较为全面的介绍。因此，在教材的选择上，以徐志军、初瑞清编著的《纳米材料与纳米技术》为主，B.S.Murty主编的《纳米科学与纳米技术》和张耀君编著的《纳米材料基础》等教材为辅，对教材内容按照内在逻辑关系重新编排整合。

2.2 理论知识的取舍

课程的教学目标是为了拓宽学生知识面和对纳米材料的学习兴趣，而不是深奥的理论知识。因此，教学活动开展过程中对具体的理论知识也有所取舍。相对难度较低的，学生有相关基础知识的保留，并让学生积极参与到理论知识的讨论过程中，以加深印象与理解。例如荷叶表面超疏水现象的原因，所涉及的理论解释可以用材料专业学生已经学过的杨氏方程和复合材料性质的混合律推导出来。不仅深化了高中阶段将荷叶超疏水现象归因于微纳米结构这一笼统的解释，也培养了学生独立思考的科学思维逻辑。而对于理论背景较复杂的或者超出学生知识基础的内容则淡化。例如在解释胶体金为什么显红色时，避免使用米氏理论和等离子激元等较深奥的概念，而是从学生较容易接受的经典物理中光的波动性和电场对电子的极化的角度进行定性解释。总之，教学中既要淡化艰深的理论知识，降低学习的阻力，也要体现课程的理论性，使学生知其然也知其所以然，避免教学内容浮于表面。

2.3 教学内容紧跟发展前沿

书本中的知识相对于领域前沿具有滞后性，因此需要在教学内容中不断充实最新的前沿信息和观点。要把最新的前沿成果传授给学生，就要求教师必须时刻关注纳米材料的发展动态，不断提高和完善自己的相关知识水平，并努力将这些新的知识融入课堂教学，与课堂相关教学内容紧密结合。另一方面，学生的视野也不能仅仅局限在教材上，图书馆、科普网站、维基百科和期刊数据库都是很好的知识来源。教师要在课堂上推荐与课程内容相关的网站和在线视频，鼓励学生在课后阅读观看这些资料，并结合教材和课堂内容理解，加深印象。

3 教学实践手段的探索

基于以上分析，传统的以老师讲授为主的教学手段已经很难满足课程的教学需求。因此，笔者采取了多种教学实践手段来优化课堂的教学效果。

3.1 融入贴近生活的实例

纳米材料概念术语抽象，课堂学习过程中学生难免会感到枯燥乏味，学习兴趣下降，高深的理论也容易造成学生的挫败感。因此，在教学过程中多举一些与日常生活经验相关的纳米材料实例可以很好的激发学生的学习兴趣，启发学生对问题的思考，调动学生学习的主观能动性，对提高教学质量具有很好的教学效果。这些实例可以是自然界中就存在的。例如一些植物和昆虫表面具有的可以实现超疏水或斑斓色彩的微纳结构。也可以是人们工业生产中已经应用的例子。例如量子点显示是近年来兴起的一个重要发展方向，与学生每天使用的手机、电脑等电子产品密切相关，因此很容易引起学生的兴趣。这就要求教师平时注意拓宽自己的知识面，并且将生活中见到的例子及时融入教学内容中。

3.2 增加学生的参与感

概念术语之所以抽象往往并不是本身很难，而是因为其所描述的内容在学生的日常生活中完全没有感官体验对应。如果能将这些内容以眼见为实的形式展现在学生面前，对于降低概念术语的理解难度大有裨益。例如纳米材料的制备方法有水热法，物理气相沉积法，热解法等多种方法。仅仅依靠课本知识的讲授，即使书本上有照片和示意图帮助理解，距离感和枯燥感仍然很强。我们选择一些相对简单，也相对安全的制备方法开展演示实验，例如机械搅拌法制备石墨烯，Turkevich法制备胶体金，共沉淀法制备纳米氧化铁等。在演示过程中，学生认真观察实验现象，教师则一边演示一边根据现象的变化讲解制备过程中发生的物理或化学反应。此时，这些制备方法从课本上枯燥的文字变成眼前鲜活的感官体验，更有利于学生的了解与掌握。而对于没有条件开展的一些制备方法，则采用视频播放的方式，将过程直观的展现在学生眼前。通过增加学生的参与感，拉近学生与纳米材料的距离，既提高了学生的学习兴趣，也解决了学习过程中知识点抽象性高的难点。

3.3 鼓励学生参与课堂讨论，开展主动学习

通过提问引入新的教学内容是非常有效的一类教学手段。这不仅有助于引起学生的兴趣，让他们更加集中注意力，也有助于学生开动脑筋。在主动思考问题后再对照老师的讲解印证自己的想法，更容易加深记忆和理解。由于纳米材料往往具有与宏观的传统材料不一样的特点，问题的答案常常与学生的想法大相径庭。例如金从块体变成纳米粒子时，颜色会从金色变成红色或紫色，而当尺寸进一步减小时，还会出现荧光效应。这些现象都是超出学生固有观念的。然而正是这种新的现象给学生带来了新奇感，因此纳米材料课程采用这种提问讨论的学习方式是非常合适的。

另外在教学过程中开展主动学习，让学生每四人为一个小组，从磁性纳米材料、金属纳米材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等材料中选择一种感兴趣的纳米材料，通过收集阅读资料，制作幻灯片，从材料诞生的背景、性质、常用的制备方法、应用前景和面临的机遇挑战等方面做简短汇报。其它同学对相关的话题进行提问。最后老师对报告内容进行点评。为保证每位小组成员都能参与其中，在报告中还应注明各自的分工，便于老师根据学生的参与情况评分。通过这样的方式，让学生既复习了课堂知识，也在查找资料的过程中了解了前沿进展，还在讨论中培养了科学的思维方式。

4 课程考核方式的探索

对于纳米材料这样一门交叉性，综合性及时效性很强的课程，多样化的考核方式更能全面的反映学生对知识的掌握和分析解决问题的能力。课程总评成绩由平时成绩和期末卷面成绩共同构成。其中平时成绩包括课堂参与讨论得分和课堂分组报告得分，重点关注参与的积极性及分组汇报中的贡献大小。本课程之所以不采用综述论文的形式是因为分组汇报和提问的方式对学生能力的考查面更广，也避免了综述论文中容易出现的抄袭现象。分组汇报和提问的方式不仅锻炼了收集资料分析问题的能力，还锻炼了协作能力、语言组织能力和批判性思维能力，这对学生将来不论是考研还是工作都大有益处。期末考试则以半开卷的形式进行，即考试只允许携带一张A4纸的参考资料。由于纳米材料课程知识点多而杂，如果采用传统的闭卷考试，学生在知识点记忆上需要花费大量时间。课程考核的重点并非是对知识点的死板记忆，而是能够在理解概念、术语、理论的基础上，分析解决问题，并在此过程中形成科学的思维方式。之所以也不采取完全开卷的考试方式，是因为根据以往的教学经验，学生可能会带一摞书来，把考试的过程变成了查资料的过程，不利于学生真正掌握知识。而采用一张A4纸的半开卷考试，由于抄写篇幅有限，学生必须在复习的过程中筛选重要的知识点摘抄。在筛选的过程中，把知识点逐步内化，形成自己的知识体系。

5 结语

进入21世纪以来，无论是学术界还是工业界都越来越重视纳米材料的研发和应用。纳米材料与人们的日常生活也逐渐变得越来越密切。因此将纳米材料作为材料专业的选修课，对拓宽学生专业知识面，培养学生的现代科学素养，都是大有裨益的。然而如何将这样一门新兴的领域在课堂上讲好，让学生在多而杂的概念术语中理清课程脉络，了解和掌握必要的理论知识，并灵活运用解决问题，形成良好的科学思维方式，是一项极富挑战性的工作。只有在长期的实践中坚持不断的进行教学反思，总结经验教训，与同行和前辈交流学习，吸收他人的教学经验，才能促进教学质量的不断提高，为社会培养具备国际视野的创新型和复合型人才。