納米材料及應用在線開放課程建設的實踐與思考

李 潔 郇偉偉

（浙江農林大學化學與材料工程學院 浙江杭州 311300）

第一次工業革命以Fe基材料為基礎，加工精度標志尺度為毫米，人類跨入機械化工業時代；第二次工業革命以Fe、Cu、Al等金屬基材料為基礎，加工精度仍然是毫米，社會進入電氣化時代；第三次工業革命以Si基材料為基礎，以電子技術為代表，使社會進入信息化時代，它的標志是微米技術的應用；而21世紀，人類對物質世界探索的進程進一步加深，納米尺度的加工技術逐步應用到人類的生產和科技活動中，將為人類制造出更多新材料、新產品，納米器件和分子器件將引領時代的發展。目前，納米技術已廣泛應用于材料、信息、能源、環境、醫藥和軍事等諸多領域。

納米材料及應用屬于前沿交叉性綜合性學科，具有很強的前瞻性、專業性和交叉性，涉及化學、物理、電子、生物等多個學科的基礎知識。為化學及材料類專業學生開設納米材料類課程是順應時代發展的必然趨勢。通過課程的學習，學生對物質世界的了解進一步加深，有助于拓寬知識面，培養創造性思維能力。學生們在本科教學中學習了納米尺寸和原子尺度的概念，將會對其未來的探究性學習和科研活動有所助益，同時也培養他們積極思考的好習慣，實現復合型、創新型人才的培養目標[1]。在線開放課程，使學生的學習不受時空的限制，并且可以進行重復多次學習，有利于學生更好地熟悉所學內容，對課程進行深入鞏固和理解。

一、課程資源的建設

自20世紀80年代以來，納米科學與技術迅猛發展，已成為科學家與研究者關注的焦點，納米材料涉及多學科的融合與交叉，材料學、化學、物理學、生物學等，同時又因其聲、光、電、磁、熱性能，使其在光學、力學、熱學、電學等領域的相關教學中也有所涉及[2]。時至今日，納米材料的發展步伐仍不斷向前，學科內容在實時更新，所以，在開設納米材料及應用這門課程時，要不斷更新課程內容，如果仍按照以前的固有內容進行課程講授，勢必會對學生了解前沿納米動態產生不利影響，因此，在課程內容的選擇上，必須兼顧課程的基礎知識理論以及學科的前沿動態，既要體現材料發展的規律性，又要突出納米材料及技術在科技中的基礎地位。

在課程的基礎理論方面，我們采用徐志軍主編的《納米材料及納米技術》為教材，該教材難易繁簡適當，涵蓋范圍較廣，可以使本科生對納米材料具有比較廣泛的了解，掌握納米材料的基本知識和基本理論。在線課程資源的建設依據該教材的框架為基礎，進行了八章內容的建設，分別是緒論、納米材料、納米粉體的制備、碳納米管、納米固體材料、介孔材料、納米材料的表征、納米材料與納米技術的應用。章節的建設視頻數及內容見表1所列。要突出納米材料及納米科技的趣味性、理論性和前瞻性，依托教材并根據納米技術的發展對教學內容進行不斷的調整和完善。另外，除教材外，我們還將B.S.Murty等編著的《納米科學與納米技術》，張耀君等編著的《納米材料基礎》（雙語版），張立德等編著的《納米材料與納米結構》，王世敏等編著的《納米材料制備技術》等作為學生的拓展教材，使學生的教材內容更加全面，更加立體。

表1 納米材料及應用課程建設內容一覽表

二、課程內容的現狀及優化

1.教學現狀

納米功能材料及應用是一門知識涵蓋面廣、新理論與新技術層出疊見的新興學科，在相關專業人才培養中占有重要地位[3]，但是，納米材料課程的內容，對于本科生而言比較抽象，日常學習與生活中主要是宏觀物質與現象，而納米材料涉及微觀、介觀領域，要使學生理解透徹具有一定的難度。目前，納米課堂的教學方式仍然存在以下幾個問題。一是教學方式比較單一，主要以教師灌輸式教學為主，不利于學生思維的發展，學生在學習中沒有主動思考，知識輸入的反饋比較匱乏；二是教學內容涵蓋不足，納米材料發展迅猛，課程的教學依托教材，教材的內容是基于傳統的經典理論知識，對于近期新發展起來的很多納米科技理論及應用涉及較少；三是納米材料課時少，授課學時一般為32學時，對于學生來講，要在短時間內，系統掌握納米材料及納米科技的諸多內容，具有一定的難度。對于教師而言，在32學時內，要盡可能將學科的知識細致全面地呈現給學生，要注重知識的搭配，既不能枯燥無味，也不能泛泛而談。因此，在教學過程中，教師要努力克服主觀及客觀的各種不利因素的影響，優化教學過程及教學手段，力圖使教學效果最大化。

納米材料及應用課程內容涉及廣泛，章節內容各有側重點，相互之間既有關聯，又各有特色。教師在講解時不僅要突出各自重點，而且要注意關聯。例如，第二章納米材料，在本章中，學生們接觸了納米材料的定義。從這里開始，學生對納米材料到底是什么有了精準理解。接下來，教師對納米材料的分類，零維、一維、二維納米材料進行理解，并與對物質的宏觀分類進行結合。比如，納米顆粒、納米線、納米棒及納米膜等。這一章中，學生還會接觸到納米材料的基本理論：表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應及宏觀量子隧道效應。這是本章的難點，也是重點。教師要給學生建立起納米材料結構-性質的框架，為學生在后續章節中的學習打下良好的基礎。第四章為學生們介紹的是一種新型一維納米材料——碳納米管，碳納米管的結構和性質都要結合第二章對納米材料的系統學習的基礎上才能更好地理解。在教學時，教師應加強章與章之間的聯系，使學生對知識的學習和理解更加系統、更加全面。

在第七章納米材料的表征中，有粒度度分析、形貌分析、成分分析、熱分析等，這些表征及分析手段對于沒有進行過納米材料制備及研究的本科生來講，比較抽象。教師在本章的講解時，可以與第三章納米材料的制備相結合，采取科研實例中制備過的催化劑，并與其采用的表征方法相結合，為學生詳細講解相關表征方法，如透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、X-射線衍射儀、X-射線光電子能譜儀、能量分散譜儀、拉曼光譜儀等大型分析測試儀器的原理與應用，使學生能比較系統地了解在科研中運用表征儀器的重要性，并可以與納米材料的性質結合起來，了解納米材料的結構及理化性質與納米材料的應用所產生的關聯。

2.教學內容更新及優化

進入21世紀，納米材料技術飛速發展，科研工作者對納米材料的合成、結構調控、性能優化等諸多方面都進行了深入研究，納米材料的應用范圍也進一步拓寬，某些前沿的研究成果在目前很多教材上都沒有體現。因此，在課程講授過程中，如果有涉及的相應內容時，應該結合前沿研究成果對教材內容進行擴充，使學生在學習過程中可以接觸一些前沿的納米材料研究及應用的相關知識。這不僅可以豐富課程內容，而且可以為今后可能從事納米材料研究的學生進行一定的科研啟發。

例如，納米材料在催化化工領域中具有廣泛的應用。1972年，日本東京大學兩位教授首次報道發現TiO2光催化分解水從而產生氫氣這一現象，這是納米材料在光催化領域的重要應用。幾十年來，該研究方向已經有大量的研究成果。因此，在講授納米材料在光解水制氫領域中的應用時，可以將常用的金屬氧化物、金屬硫化物和金屬氮化物等催化劑體系進行介紹，對催化劑催化該反應的機理進行講解，并對催化劑存在的問題進行闡述，如可見光利用效率低、響應范圍窄以及穩定性差等，使同學們對該反應體系具有系統、全面了解，加深對納米材料應用層面的理解。

為了能在有限的課堂時間內，使同學們有機會接觸到一些前沿的研究成果，我們以今年初云南大學柳清菊教授團隊與英國倫敦大學學院唐軍旺教授團隊、華東師范大學黃榮教授團隊合作發表在國際著名期刊《自然·通訊》上的一項重要研究成果為實例，給同學們講解該研究團隊以單原子銅錨定二氧化鈦，成功制備新型光催化劑，其分解水制氫量子效率高達56%[4]。單原子金屬催化劑是近年來迅速發展起來的新型催化劑，與傳統金屬催化劑相比，單原子金屬催化劑中的原子以單個的形式負載在載體上，在催化反應中可充分參與反應，提高催化劑活性中心的利用效率。但是，單原子具有極高的表面能，容易團聚，穩定性差，壽命短。該研究團隊針對該問題制備了具有大比表面積和豐富鈦空位的二氧化鈦納米材料，以此為載體錨定過渡金屬銅單原子，使銅與二氧化鈦形成了牢固的“銅—氧—鈦”鍵。該研究為設計具有卓越光催化活性和耐久性的先進材料鋪平了道路。

通過這類科研實例的講授，同學們對納米材料的科研工作有一個初步的認知，這對他們是一個很好的科研啟發，開闊眼界，培養了對科研工作的興趣，為學生打開科研工作的大門，對學生的本科教育與研究生教育進行銜接，為學生的后續深造打好基礎。在對本校應用化學專業的學生開設納米材料及應用課程后，并對后續學生考研選擇專業及研究方向進行簡單的調研，發現相當一部分學生表示希望從事納米材料相關方向的研究。其中，有些學生直接表示希望考研后從事納米材料課堂上講過的科研內容，并以此為契機，選擇相關研究方向的導師。基于此，筆者認為該課程的教學具有重要的意義，對學生的人生以及職業發展也起到了促進和推動作用。

三、課程評價體系的改革與創新

傳統課程評價體系以考試成績為主，導致很多學生的學習僅以考試為目的。然而，考試只是檢驗學習效果的一種手段，不是最終目的。在課程建設過程中，我們豐富課程評價體系，將課程評價按照學生在學習過程中的參與度、理解度、個性化見解等方面，進行考核方式改革，如表2所示，評價內容包括視頻觀看、作業、階段測驗、發帖討論和考試等內容組成，考試成績占30分，其他包括視頻觀看30分，作業20分，發帖討論10分，階段測驗10分。弱化考試成績在最終成績評定中所占的比重，不唯成績論，更加注重學生在課程學習中的參與度，使學生注重課程內容本身，而不是以考試為驅動力的被動學習，學生的發帖討論，包含學生對相關內容的理解，更是學生對某個知識點的思考，在不斷地理解-思考-理解的過程中，學生對本課程內容的掌握程度進一步加深，使課程的教學效果得以更好彰顯。

表2 納米材料及應用在線課程考核評定表

四、在線課堂提高學習的自主性

在傳統課堂模式中，教師與學生面對面進行講授，學生被動獲取知識，授課時長固定，一節課45分鐘，教師按照既定教學計劃進行授課，學生無論接受程度如何，必須按照老師的節奏進行課程的學習。而在線開放課程采用視頻教學，教師提前錄制好教學視頻，視頻一般短小精悍，幾分鐘到十幾分鐘不等，長度控制在學生注意力能較好集中的時間范圍內，并且每個視頻都針對一個特定的知識點或問題，具有較強的針對性，可以有效提高學生的學習效率；還可以隨時暫停或回放視頻，可以由學生自主控制學習進度，有利于學生的自主學習。學生在日后的學習和科學研究中才能更好地利用所掌握的知識來解決問題，這也為培養創新性、應用型人才具有積極的促進作用。

結語

時代發展對大學教育提出了越來越高的要求，納米材料及應用課程的內容豐富多彩，教學方式也日新月異，教育工作者要時時更新教學理念，豐富教程教學手段與方法，以期達到高質、高效教學，為新時期祖國納米科技的推廣與發展貢獻一份力量。