納米材料科學(xué)與技術(shù)教學(xué)方法探索

納米材料科學(xué)與技術(shù)主要研究尺度在0.1～100nm范圍的微觀物質(zhì)的特性及其相互作用，是多學(xué)科交叉的科學(xué)與技術(shù)。納米科技作為一個新興的學(xué)科和領(lǐng)域誕生于20世紀(jì)80年代末至90年代初。1982年誕生的掃描隧道顯微鏡技術(shù)（STM）被認(rèn)為是納米科技發(fā)展的里程碑式的事件。納米科技在短短的幾十年的時間內(nèi)得到了飛速的發(fā)展，目前已成為發(fā)展最迅速，最活躍的研究領(lǐng)域之一。納米科技的特點是與眾多學(xué)術(shù)領(lǐng)域的交叉和融合，發(fā)展出納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米化學(xué)、納米物理、納米機(jī)械學(xué)、納米電子學(xué)等眾多的學(xué)科分支。

納米材料學(xué)研究作為納米科技發(fā)展的基礎(chǔ)其地位尤為重要。納米科技在信息、國防、能源、醫(yī)藥、環(huán)境、材料、工程等眾多領(lǐng)域都存在重要的應(yīng)用前景。由于納米材料對未來社會發(fā)展、經(jīng)濟(jì)振興、國力增強(qiáng)有戰(zhàn)略性影響力，為提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力，近年來很多高校開始增設(shè)該課程為本科生和碩士生的專業(yè)課。

2005年起，筆者任教的內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院為本學(xué)院材料物理與化學(xué)專業(yè)的本科生及碩士研究生開設(shè)了該課程做為專業(yè)必修課。目的是讓材料專業(yè)大學(xué)生掌握更多的納米材料的基礎(chǔ)理論知識，掌握納米技術(shù)的前沿動態(tài)，拓寬他們的知識面，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。筆者在幾年的納米材料科學(xué)與技術(shù)課程教學(xué)工作中有以下幾點體會。

一基礎(chǔ)理論知識的透徹講解

納米材料是一種介觀物質(zhì)，其物理化學(xué)性質(zhì)不同于宏觀物體，也不同于微觀原子和分子。眾所周知，宏觀材料的尺寸改變時其物理化學(xué)性質(zhì)不會有大的改變，但當(dāng)材料的尺寸減小到納米級時，其物理化學(xué)性質(zhì)會有很大的變化，顯示出不同于宏觀材料的物理化學(xué)特性，如量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)、庫倫阻塞效應(yīng)、巨磁阻效應(yīng)等。這些特殊性質(zhì)使得納米材料在眾多領(lǐng)域中有著重要的潛在應(yīng)用前景，因而吸引著科研工作者的研究興趣。

我學(xué)院為本科生開設(shè)這門課程是在大學(xué)四年級的第一學(xué)期，學(xué)生已經(jīng)具有了一定的無機(jī)材料理論基礎(chǔ)和實驗經(jīng)驗，因此比較容易理解該課程內(nèi)容。任課教師在講解時注意引導(dǎo)學(xué)生對已學(xué)過的知識的運用。例如，介紹納米微粒的制備方法時先講解學(xué)生已經(jīng)掌握的液相制備法如沉淀法和水熱法，讓學(xué)生認(rèn)識到納米材料不再神秘，又能觸手可及，可以鍛煉學(xué)生解決問題的能力。

在講解量子隧穿效應(yīng)時，運用量子力學(xué)的定態(tài)薛定諤方程來推導(dǎo)出一維勢壘金屬納米粒子內(nèi)部及外表面的電子運動狀態(tài)波函數(shù)，結(jié)果金屬納米粒子外表面存在電子波函數(shù)，這種現(xiàn)象稱為“隧道效應(yīng)”。即金屬納米粒子表面處存在勢壘，阻止內(nèi)部電子向外逸出，但由于隧道效應(yīng)，仍有一部分電子穿過表面勢壘到達(dá)金屬表面以外，并形成一層電子云。講解量子隧道效應(yīng)在掃描隧道顯微鏡納米金屬探針中的應(yīng)用，使學(xué)生更容易理解和記憶枯燥的理論，進(jìn)而達(dá)到活學(xué)活用的目的。

我院材料專業(yè)本科生在三年級時學(xué)習(xí)了X射線衍射技術(shù)。因此在講解納米顆粒粒徑的表征方法時介紹了學(xué)生熟悉的X射線衍射技術(shù)中X射線衍射線線寬法（謝樂公式）測定一次顆粒晶粒度的方法。

碳納米材料中多壁、單壁碳納米管是大家關(guān)注的納米材料。講解單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)時運用石墨片的模型。石墨片可以沿不同方向卷曲，得到各種螺旋度的納米管，根據(jù)手性矢量Ch=na1+ma2的計算，可以將碳納米管記為（n， m）。n和m的數(shù)值確定了納米管的電學(xué)性質(zhì)。例如當(dāng)n=m時，納米管為金屬型，電子沿納米管壁傳輸，因此金屬型碳納米管可用作納米回路的導(dǎo)線等等。講解單壁碳納米管的表征方法時，采用透射電子顯微鏡的高分辨圖片HRTEM和Raman光譜中的環(huán)呼吸振動峰等來進(jìn)行表征。

二理論聯(lián)系實際，激發(fā)學(xué)生積極性

納米材料是一門實用性很強(qiáng)的學(xué)科，具有知識更新速度快的特點。大學(xué)四年級的學(xué)生面臨著找工作、考研究生、考公務(wù)員等實際狀況。如果任課老師此時一味地講解基礎(chǔ)理論知識，會使學(xué)生覺得枯燥無用，從而導(dǎo)致學(xué)生聽課疲勞、厭學(xué)等現(xiàn)象，所以講解時要注重理論聯(lián)系實際。首先講解與日常生活緊密相關(guān)的納米材料，單臂碳納米管陣列、磁性液體、鈦酸鋇納米片及納米纖維等。讓學(xué)生了解這是一門有用的課程，激發(fā)他們深入學(xué)習(xí)的積極性，達(dá)到事半功倍的效果。

例如，講解單臂碳納米管陣列的合成及應(yīng)用時，借助圖像和動畫，生動、直觀地介紹了用微點陣技術(shù)將金屬催化劑固定在硅基板上，然后采用化學(xué)氣相沉積法在特定條件下使碳納米管在硅片上垂直生長，形成單臂碳納米管陣列。因為碳納米管具有優(yōu)異的場發(fā)射性質(zhì)，單臂碳納米管陣列可用于場發(fā)射高清晰度平板顯示器等。

詳細(xì)講解磁性液體的多種用途，如用于旋轉(zhuǎn)軸的動態(tài)密封、潤滑劑、增進(jìn)揚聲器功率、礦物浮選、傳感器、阻尼器件等。

廣泛應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品中的多層陶瓷電容器的發(fā)展方向趨于大容量和薄層化，其主要原料鈦酸鋇高純超細(xì)粉體的制備工藝備受學(xué)術(shù)界關(guān)注。任課老師查閱最新的鈦酸鋇納米片及納米纖維的制備及表征的文獻(xiàn)，介紹給學(xué)生并進(jìn)行探討，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三注重課程在研究課題中的應(yīng)用

研究合成無機(jī)材料的同學(xué)很多會用到透射電子顯微鏡（TEM）技術(shù)進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)表征。講解納米材料的結(jié)構(gòu)表征時，讓本科學(xué)生了解透射電子顯微鏡（TEM）的結(jié)構(gòu)的同時掌握支持膜法制備納米粉末樣品。而且該課程的內(nèi)容可能在以后的研究生學(xué)習(xí)中起到重要的作用。

在為碩士生講解時，要求他們掌握電子衍射原理和初等結(jié)晶學(xué)等內(nèi)容，并選用立方晶系材料的選區(qū)電子衍射圖片具體講解了衍射斑點的指數(shù)標(biāo)定方法，讓學(xué)生認(rèn)識到學(xué)習(xí)該課程的重要性。準(zhǔn)備一些與課題有關(guān)的或最新的納米材料英文文獻(xiàn)，分組翻譯，并進(jìn)行討論，將基礎(chǔ)理論知識與研究課題相結(jié)合，提高他們的綜合能力。

四營造和諧互動的課堂氣氛

筆者是一位留學(xué)回國人員，在國外攻讀碩博課程期間有很多的學(xué)習(xí)體會。例如每周舉行一次組會。組會具體內(nèi)容有基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)、課題進(jìn)展報告、文獻(xiàn)研讀等。與學(xué)生一起分享自己的研究和學(xué)習(xí)的經(jīng)驗，討論學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)經(jīng)驗，從而可以使學(xué)生有計劃、有目的地使用時間，獲得事半功倍的學(xué)習(xí)效果。例如，利用關(guān)鍵詞搜索大量文獻(xiàn)，通過泛讀找到與課題有關(guān)的研究背景，再進(jìn)行精讀，來了解課題進(jìn)展情況等。根據(jù)自己的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，參考部分國外的教學(xué)模式，例如組會模式，活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性。

人類的每一次進(jìn)步都和一種或多種新材料的開發(fā)密不可分。新技術(shù)的產(chǎn)生是以新材料為基礎(chǔ)的。納米材料對我們國家經(jīng)濟(jì)振興及國力增強(qiáng)，實現(xiàn)中國夢具有戰(zhàn)略性影響力。因此高校為本科生和碩士生開設(shè)納米材料科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)課程是有必要的。納米科技具有發(fā)展迅速、知識更新速度快的特點，任課老師要針對課程特點不斷地查閱最新文獻(xiàn)，更新納米材料科研成果的內(nèi)容。講解時要注重納米科技理論知識和實際應(yīng)用的聯(lián)系，借助圖像和動畫等形式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。營造和諧互動的課堂氣氛，以學(xué)生為主體，幫助學(xué)生做好學(xué)習(xí)規(guī)劃，有效利用時間，獲得事半功倍的效果。

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