納米材料學課程文獻引導法教學探索

龐越鵬 鄭時有

摘 要 納米材料學是新世紀材料科學專業的重要課程之一。本文分析了納米材料學課程的特殊性，包括新興性、熱點性、交叉性和實踐性，發現文獻引導教學法能夠非常好地與納米材料學課程相契合，隨后結合教學實踐給出了文獻引導法教授納米材料學課程的建議。

關鍵詞 納米材料學 文獻引導教學法 教學改革中圖分類號：G424文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.04.042

Abstract Nanomaterials science is one of the important courses of material science in the new century. In this paper， the particularity of nanomaterials course is analyzed， including its emerging， hot spots， cross-cutting and practicality. It is found that the literature-guided teaching method can fit well with the nanomaterials course. Then， combining with the teaching practice， some suggestions on teaching nanomaterials course by the literature-guided teaching method are given.

Keywords Nanomaterials science; document-guided teaching method; teaching reform

0 前言

納米科學主要研究的是至少一個尺度在100納米以下物質的制備及其特性，是本世紀的三大高新學科之一。納米科學綜合了許多相關學科（如物理、化學、生物）的先進成果，是一門前沿的交叉性學科。近幾十年是納米科學迅速發展的黃金時代，產生了一大批已經或者即將造福人類的研究成果，如大規模集成電路、高靈敏傳感器、抗癌藥物等。納米科學的基本載體是納米材料，納米科學的最核心問題是如何制備出結構、尺寸可控且均一的納米材料。為了緊跟時代腳步，培養與時俱進的材料科學與工程專業的人才，納米材料學這門課程逐漸成為了材料科學與工程專業的重要課程之一。[1]但是，由于納米科技起步晚、發展快、重要性大，使納米材料學課程具有特殊性。這些特殊性導致若仍采用傳統的教學方法，無法很好地完成教學目標。因此，需要采用更加有針對性的的教學方法，讓學生對相關知識點有更深的認識和理解的同時，也能具備一定的創新能力，有助于其將所學知識融入科研或者生產實踐中。[2]本文結合教學實踐經驗，著重討論了文獻引導教學法在納米材料學課程中的應用。

1 文獻引導法教學與納米材料學課程特點的匹配分析

納米材料學是一門新興學科。納米科技的誕生不過幾十年的時間，人類對納米材料的認識還在快速發展中，相對不夠成熟，甚至有些學術觀點還存在一定的爭議。例如對于納米材料具有特殊物理化學性質的原因，學術界的認識還在不斷自我否定、自我突破。從最初的表象認識發展到目前的四大效應，即“表面效應”“小尺寸效應”、“量子尺寸效應”和“宏觀量子隧道效應”，在未來肯定還會新的理論提出，如有研究者嘗試從化學鍵的角度探索納米材料的特殊性質來源。這就導致目前關于納米材料學還沒有足夠權威的教材資料，采用傳統的教學方法很難達到教學目的。因此采用文獻引導法，可以將原汁原味的最新知識介紹給學生，讓學生自己理解和領會，避免教材中知識的滯后性和不客觀性。

納米材料學是一門熱點學科。納米材料學是學術界公認的熱點研究領域，也是世界各國也大力推動納米材料的開發和應用。以納米材料為關鍵詞進行檢索，可以看到每年的論文發表數量是呈現指數增加的。2016年就有92767篇SCI論文發表。特別地，雖然沒有權威統計，但學術界普遍認為，中國學者在納米材料學領域發表的論文數量是世界之最，很多大學都成了專門從事納米研究的院/所。這說明，納米材料學每天都有大量的最新研究成果發表，納米材料相關新知識的創造速度和數量非常驚人。同時，我國是一個納米科技大國，幾乎每所高校和研究所都有開展納米研究的團隊。這就意味著，納米材料學的大量知識都集中在最近幾年的文獻中，納米材為學課程的教學需要將最新的研究成果包括在內，而學生們很容易在所在學校獲取最新的納米材料學的相關知識。

納米材料學是一門交叉學科。納米材料學涉及到的非常多的學科，與物理、化學、生物三個大的理工學科都密切相關。如納米材料的制備有物理氣相沉積法、光刻法（物理相關），化學氣相沉積法、溶膠凝膠法（化學相關）和生物模板法、生物合成法（生物相關），納米材料的應用有大規模集成電路、太陽能電池（物理相關），有鋰離子電池、電催化（化學相關），也有抗癌藥物、人工器官（生物相關），這就意味著納米材料學課程中的知識點會繁多而且龐雜，需要大量的預備知識。但實際上，學生在學習納米材料學課程之前，一般只能對本專業的相關知識基本理解，不可能全面掌握所有預備知識。因此，納米材料學課程需要針對不同的學生因材施教，根據學生的知識背景有選擇性地進行教學。

納米材料學是一門實踐學科。納米材料學的關鍵是納米材料的制備，而納米材料的制備對工藝的敏感性非常高，如原料、溫度、壓力、時間等參數的微小變化都會導致最終產物微觀形貌的巨大變化。[3]除了扎實的理論功底，納米材料的可控制備還需要豐富的實踐經驗才能實現。文獻就是一個個具體案例，明確給出了所研究材料的具體工藝，大量文獻的閱讀可以讓學生對納米材料制備有一個初步的認識。另外，納米材料是廣泛應用于人類生活中的，與我們的生活息息相關，文獻中不僅報道了目前已有的納米材料應用，還有很多前沿的未來應用研究，可以讓學生對于納米材料的應用有更為全面和前瞻的認識。

2 納米材料學的文獻引導教學法經驗

前10%左右的課時開展納米材料學最基礎知識的講授。納米材料學的關鍵詞是納米，基本的問題就是研究材料在納米尺度下的制備和特殊性能，其核心知識點是表面能，包括表面能的來源和計算方法，以及表面能隨材料尺寸的變化規律，大自然是如何試圖降低材料的表面能的，以及人類可以利用哪些手段去避免納米材料的長大;還涉及一部分交叉學科，如量子力學、物理化學等知識。因此，在較短的授課時間里，很難完全講授清楚所有的基礎知識，需要視學生的前期知識儲備情況進行課程微調，以保證學生能夠高效獲取知識。雖然課時短，但這部分最基礎知識點的講授要足夠系統和深入，為后面文獻引導教學打好基礎。

中間40%左右的課時讓學生進行主題報告。每組學生3-5人，主題是特定維度、特定制備方法和特定應用方向的納米材料，如零維TiO2光催化材料、一維靜電紡絲電催化材料、二維石墨烯鋰離子電池負極材料、三維介孔分子篩藥物靶向釋放材料等。主題報告要求是時間30分鐘，內容完整且有一定深度，引用文獻5篇以上，同時，報告后要求其他學生針對報告內容提問，包括制備機理，應用前景等。若學生的科研基礎較差，可給予每組一篇相關領域的中文綜述作為參考，學生可以在綜述中尋找感興趣的點，然后根據相關的參考文獻確定報告的主題和思路。該部分是文獻引導教學的難點，在教學實踐中，可能存在學生文獻閱讀困難、參與積極性不高、演講能力和信心不足等問題，需要教師給予學生足夠的輔導和鼓勵。例如，針對文獻閱讀的問題，可以對科技論文寫作的一般規則先進行講授;針對參與積極性不高的問題，可以適當將平時成績的評定與主題報告質相掛鉤以激發學生的積極性;針對演講能力和信心不足的情況，可以多給學生講授一些演講的技巧，多鼓勵，少批評。

隨后40%左右的課時對學生的主題報告進行查漏補缺。學生的主題報告一般在原理方面的講解會有不足，需要教師針對各主題的基礎理論進行深入的講授。如對于零維納米材料，其制備過程需要對新相的形核和長大速率進行嚴格的控制，這就涉及到固態相變的熱力學和動力學的相關知識;對于一維納米材料，其制備大多與各向異性生長有關，這就涉及到晶體學和擇優生長的相關知識;對于二維納米材料，其制備往往是在基底上進行沉積的過程，這就涉及到異相形核和氣相反應的相關知識;對于三維納米材料，其制備手段一般雜糅了其他各維度的方法，這就涉及到不同制備工藝的機理普適性和相容性的知識。同時，學生的主題報告可能沒有把握住最主線和最前沿的研究成果，需要教師將該主題的脈絡給學生梳理清楚，明確該主題的未來發展方向。該部分內容需要教師全面且充分的備課，因為學生主題報告中出現的錯誤和遺漏是無法預估的。

最后10%左右的課時開展實驗，即重復文獻中納米材料的制備。需結合本實驗室的條件，選取幾個相對簡單且快速的納米材料制備方法，如溶劑熱法、溶膠凝膠法等，讓學生重復相關文獻納米材料的制備。隨后通過掃描電子顯微鏡觀察所制備樣品的微觀形貌，判斷是否獲得與文獻相一致的實驗結果。該實驗的目的并不是要求每位學生都成功，而是希望通過對實驗結果進行對比分析之后，讓學生自己總結出實驗失敗的原因，能夠切實體會到納米材料制備的復雜性和困難性。該部分也可作為平時成績的重要指標。

3 總結

納米材料學課程的新興性、熱點性、交叉性和實踐性決定了該課程非常適用文獻引導教學法。納米材料課程的文獻引導教學法可以包括基礎理論講授、學生主題報告、教師查漏補缺和重復文獻實驗四個環節，不僅可以覆蓋所有知識點，還可以調動學生積極性和熱情，加之少量的實踐環節，可以讓學生全方位地領會納米材料學的精髓。

參考文獻

[1] 劉東青，余金山，祖梅.《納米材料》本科課程教學探討[J].高教學刊，2017（11）.

[2] 李洪蘋，陳貝貝.納米材料課程設計與教學探索[J] 科教導刊，2014（11）.

[3] 劉曉芳，葉金蕊，李松梅，于榮海.基于特色實驗課程的雙創人才培養方案研究——助力“納米材料”教學篇[J].繼續教育，2016（3）.