納米科技教育:點亮學生的科技夢想

朱紅偉 吳蘭蘭

摘要：納米科技教育對納米科技創新人才的培養意義重大，但我國中小學納米科技教育的現狀卻不容樂觀。蘇州工業園區獨墅湖學校在中小學納米科技教育方面開展了有效的探索，設計并開發出五類納米科技教學課例，并對進一步推進納米科技課程進行了反思，提出了相應的對策。

關鍵詞：納米科技教育;納米科技課程;科學素養

進入21世紀，科技的飛速發展極大地改變了人們的生活方式，納米技術正成為影響人們生活的又一重要因素。納米技術被認為是新工業革命的主導技術，它將給醫學、制造業、材料和信息通訊等行業帶來革命性的變革。我國著名科學家錢學森曾預言：“下一階段科技發展的一個重點將是納米和納米以下的結構，21世紀的又一次產業革命。”因此有人提出“得納米者得天下”。這就帶來一個問題，國家要具備可持續的納米科技競爭力，納米科技人才的儲備是當務之急。因此，教育必須緊緊跟隨科技發展的步伐，以科技發展促進教育發展，讓教育發展奠定科技發展的基石。

一、納米科技教育在中小學中的現狀

我國政府十分重視對納米科技人才的培養，《國家納米科技發展綱要（2001—2010年）》中就明確提出要加強納米科技人才培養的重要性，并提出了具體的政策和措施：“要從學校教育抓起，要重視納米科技相關學科建設，擇優設立有關納米科技的專業，同時在物理、化學、生物、機械、電子學、計算機科學等專業內部，設置有關納米科技的新課程，重視和保障我國納米科技的可持續發展。”雖然我國的納米技術在某些方面處于世界水平，但是納米科技教育在中小學教育中幾乎是空白。據調查，我國還沒有一所中小學校有自己的一套成熟的納米科技教育課程體系。納米科技的迅速發展和廣闊前景，對中小學納米科技教育提出了迫切的需求，需要學校管理者給予足夠重視。

二、獨墅湖學校納米科技課程開發與實踐案例

蘇州工業園區獨墅湖學校的課程建設聚焦學生的“道德、人文、科學、藝術、心理、體育”六大基本素養，借助不同的課程體系培養學生六大基本素養。校長朱紅偉指出，學生科學素養的提升是學校課程建設中最濃墨重彩的篇章，這是學生成長的需要，更是時代發展的需要。在這樣的教育背景和教育理念下，學校基于納米科技課程的豐厚基礎，進行了積極的探索和努力，并形成了新的亮點。

（一）課程進展

2014年，學校成立納米科技課程組，在科研處領導下負責開發和實施納米科技課程。學校在熱心企業的資助下，建設了一間納米創新實驗室，實驗室里最引人注目的是兩臺納米顯微鏡：原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡。同時建成的還有一條以納米科技為主題的文化長廊和一個納米展品展覽區，這為學校開展納米科技課程創設了必要的硬件環境。2017年5月，學校納米科技課程獲批江蘇省中小學課程基地項目。同時，學校課題“開發納米科技課程培養學生科學素養的研究”立項為江蘇省教育科研“十三五”重點規劃課題，課題的研究讓學校始終關注納米科技教育的前沿進展，并深刻思考、探索理論與實踐相結合的新模式與新思路。

（二）實踐研究

納米科技是一門尖端科學，如何讓尖端科技落地生根，讓中學生能理解課程內容并參與到課程中來？獨墅湖學校對納米科技課程進行了頂層設計和系統推進，由淺入深，由科普到探究，從課堂到課外，從校內到校外，分年級有序進行，把納米科技引入學校科學教育范疇。同時，任課教師將納米課程與小學科學、初中生物、物理、化學、綜合實踐等學科有機融合，以項目化主題式的形式螺旋推進，綜合提升學生的創新能力和科學素養。

1.科普入門類。知識是技術和能力的基礎。對于納米科技這門全新的課程，課程開發團隊拋棄傳統講授形式，設計了調查、參觀、匯報、交流等一系列學生活動，讓學生自主地逐步認識納米，體會納米科技在生活和生產中的廣泛應用，認同納米科技與人類生活的密切關系，從而自覺激發學習納米科技的熱情。

[案例] 調查常見的納米產品

學生通過網絡調查，初步了解常見的納米產品，首次將納米科技與生活實際聯系起來。經過學習，學生參觀了學校自建的納米科技長廊和納米產品展覽區，能夠將納米產品的名稱和實物對應起來。我們還組織學生走進學校周邊的中科院蘇州納米所、蘇州納米城等納米科研院所和企業，從更廣更深的層面，全方面、多角度地了解和認識納米產品的研發和生產的過程、應用和前景。每年，學校都組織師生參觀中國國際納米技術與產業博覽會，讓學生在國際性的納米大舞臺中進一步感受納米科技廣闊的發展前景，體會納米產品與人類生活愈加密不可分的關系。

2.觀察實證類。納米是一個極小的長度單位，在此尺寸下研究的納米科技無法被學生直接感知和體會。為此，課程開發團隊從自然界中的納米現象入手，以經典的“蓮葉效應”為主題，通過一個個簡單的觀察實驗，讓學生真實地感知納米世界的神奇，調動學生深入研究和探索的激情。

[案例] 觀察“蓮葉效應”

首先，教師聯系生活實際，提出疑問：“為什么蓮葉能‘出淤泥而不染，表面總是干干凈凈的？”“為什么水珠能在蓮葉上滾動？”組織學生通過滴水實驗觀察神奇的“蓮葉效應”。然后，教師引導學生進一步探究其他動植物是否具有類似的現象，如常見的校園植物葉片，蝴蝶、蟬、蜻蜓等昆蟲的翅膀等。最后，教師組織學生收集自然界中的動植物具有的“蓮葉效應”的例子，思考“蓮葉效應”對于動植物生存的意義，并在小組間進行匯報和交流。這些活動讓學生真真實實地觀察到納米現象在自然界中是真實存在的，并且對動植物的生存起著重要作用。

3.原理探知類。對于科學知識，學生不僅要知其然，更要知其所以然。納米科技課程鼓勵學生充分運用納米觀測儀器進入納米世界，探知現象背后的原理，進入納米結構表征的認知，深入學習納米相關知識在生產生活中的應用。

[案例] 解密疏水性

實驗中，學生發現蟬的翅膀、蓮葉等動植物結構具有不沾水的特性（即疏水性），立即產生了濃厚的探究興趣，并把研究內容確定在這些動植物組織的表面結構上。教師引導學生用原子力顯微鏡、電子顯微鏡（在合作單位專家指導下）觀察蟬、蜻蜓、蝴蝶的翅膀和蓮葉的表面結構，發現這些結構表面都具有納米級大小的突起。那么，疏水性與這些微小突起之間是否存在直接聯系？學生在教師指導下設計了驗證實驗：在原來不具有疏水性的材料表面制備納米顆粒，觀察該種材料疏水性的變化。學生查閱文獻得知，蠟燭在不完全燃燒下會產生黑煙，而煙霧中含有納米級大小的碳顆粒。于是，他們用普通廢棄光盤進行實驗，在光盤的一側熏上一層碳顆粒，通過滴水實驗發現熏了碳顆粒的一側產生了疏水性，而未熏碳顆粒的一側沒有疏水性，從而驗證疏水性的產生確實與材料表面納米級的突起有直接關系。

4.科學探究類。納米科技課程推行探究式教學，鼓勵學生運用所學知識，開展自主探究，解決實際問題。學生在積極探索的過程中，創新智慧火花被點燃，科學素養得以提升。

[案例] 探究納米牙刷的清潔效果

學生在調查中了解到了多種納米產品，他們對這些納米產品的特殊功效產生了研究興趣。例如，一種納米牙刷在廣告中稱比普通牙刷的清潔效果更好。學生通過小組討論和合作學習，自主設計了探究方案，確定了對照實驗（與普通牙刷對照）、模擬牙齒的材料（貝殼、蛋殼、石膏、瓷磚等）、模擬污物的材料（醬油、辣油、可樂、食用色素等）。學生分工準備實驗材料，自主完成實驗探究。學生發現不同小組的實驗結論迥異。有的小組認為納米牙刷清潔效果好，而另外的小組卻產生了相反的結論。于是，在教師的組織下，學生對實驗結果進行認真的分析和總結，認為本實驗的結果受到多種因素的影響，如納米牙刷的質量（是否為真正的納米牙刷）、實驗的方法、實驗的材料、觀察的指標等。無論結果如何，學生親身經歷了科學探究的過程，鍛煉了科學思維，培養了合作學習的能力，同時也培養了尊重事實、不盲從盲信的科學態度。

5.拓展實訓類。獨墅湖學校地處蘇州工業園區科教創新區，區域內有300多家納米科研單位和生產企業，其中，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所是國內該領域的最高科研機構。學校與多家單位建立了共建合作關系，后者成為學校開展納米科技教育的實訓基地，他們中的多位納米科研專家成為學校特聘指導教師，對學校的課程建設、學生活動進行指導。利用優越的區域優勢，學校每學期都組織學生進行拓展實訓。例如，組織學生走進納米顯微鏡研發和生產企業，學習原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡的使用和操作;聘請公司技術人員來學校現場指導學生動手實踐等。

三、進一步推進納米科技課程的設想

在納米科技教育實踐中我們認識到，課程的關鍵是把納米科技的相關知識整合到小學科學、初中生物、物理、化學等學科課程之中，以納米科技的基本結構為核心設計課程系列，以一種循序漸進、螺旋上升的主題單元研究形式，讓學生從初步了解納米科技知識到深入開展納米科技探究實驗，掌握納米觀測工具的使用，并學會探究學習的方法，進而培養創新意識，提升科學素養。

學校納米科技課程的開發過程并不會一帆風順，目前仍存在諸多問題需要研究和解決。如由于納米科技課程的創新性，教師缺乏合作交流的空間與平臺;任課教師大多數為非納米專業，教師的專業素養和課程開發力亟需提升;納米科技教育的評價體系尚不成熟;學生學習納米科技的外部氛圍和途徑欠缺……針對這些現狀，為更加有效地推動納米科技課程的建設進程，我們需要在以下方面作出努力：第一，任課教師要加強自身學習，不僅要學習系統的課程理論、科學的教學策略、扎實的專業知識，還要拓寬視野，了解納米科技的最新發展，掌握納米實驗儀器設備的使用，提升業務素養和課程開發能力。第二，進一步研究課程的設置，促進納米科技與不同課程之間的有效融合，梳理納米科技課程之間的內在邏輯，使之真正符合學生的年齡特征和認知規律。第三，優化學生評價系統，形成科學量化表，全面評價學生能力的發展。第四，搭建更多學校與納米科研院所、研發企業的合作平臺，相互補充，共同培養適應未來發展需求的創新人才。第五，實現納米科技與信息技術、人工智能的高度融合，建設和完善學校、家庭、社會納米科技互動學習的平臺，為學生創設隨處可學的良好氛圍。

納米科技教育的魅力在于，關注激發學生的好奇心與探究欲，關注學生在提出問題、解決問題中創造性思維、批判性思維等的培養。學生在探究性活動中，學會傾聽他人意見，樂于接受他人建議，學會謙虛、友好地與人相處，逐步形成科技創新人才所必須具備的科學意識、科學態度和科學精神。總之，納米科技教育將點亮學生的科技夢想，是為未來培養高素質創新人才的重要途徑。

（注：本文系江蘇省教育科學“十三五”規劃2016 年度重點自籌課題“開發納米科技課程培養學生科學素養的研究”的部分成果，課題編號：B-b/2016/02/160）

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（責任編輯：吳延甲）

作者簡介：朱紅偉，江蘇省蘇州工業園區獨墅湖學校校長，特級教師。

吳蘭蘭，江蘇省蘇州工業園區獨墅湖學校納米科技課程組負責人，高級教師。