王波，趙磊，劉鮑，張宇，沈宇華

（東北電力大學(xué) 理學(xué)院，吉林 吉林）

一 引言

納米材料是指在納米量級(jí)（1～100 nm）內(nèi)調(diào)控物質(zhì)結(jié)構(gòu)制成具有特異功能的新材料，其三維尺寸中至少有一維小于100 nm，且性質(zhì)不同于一般的塊體材料。納米材料因其物理及化學(xué)特性十分優(yōu)良，以及表現(xiàn)出一系列新異的聲、光、熱、電、力、磁等方面特殊的性質(zhì)，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，如今納米材料在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，如國(guó)防、電子、化工、建材、醫(yī)藥、航空、能源、環(huán)境及日常生活用品中等，這些都體現(xiàn)出納米材料重要的應(yīng)用價(jià)值及其潛在的發(fā)展?jié)摿1-7]。自發(fā)現(xiàn)納米材料開(kāi)始，人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)知能力拓寬到微觀和宏觀的中間范圍，同時(shí)納米材料的發(fā)現(xiàn)也對(duì)人們認(rèn)識(shí)自然、利用自然和改造自然產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響[4,8]。納米材料導(dǎo)論課程是一門(mén)綜合性交叉課程，涉及到物理、化學(xué)、材料等多個(gè)領(lǐng)域的多個(gè)方面，不僅內(nèi)容復(fù)雜豐富而且更新較快，這對(duì)于教師的講授和學(xué)生對(duì)新知識(shí)的接受都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，所以對(duì)該課程進(jìn)行重新的設(shè)計(jì)便成了首要的任務(wù)。在納米材料導(dǎo)論課程的教學(xué)中，主要針對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式三個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革。教學(xué)內(nèi)容包含納米材料的概述、納米材料的制備、納米材料的分析與表征、能源方面的應(yīng)用和其他方面的應(yīng)用；教學(xué)方法包含板書(shū)講授、多媒體講授、翻轉(zhuǎn)課堂、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課后輔助；考核方式包含平時(shí)成績(jī)、論文成績(jī)、考試成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)。納米材料導(dǎo)論課程教學(xué)改革的詳細(xì)方案見(jiàn)圖1。

圖1 納米材料導(dǎo)論課程教學(xué)改革的內(nèi)容

二 教學(xué)內(nèi)容的選擇

教學(xué)內(nèi)容主要是根據(jù)唐元洪教授主編的《納米材料導(dǎo)論》教材進(jìn)行講解，介紹納米材料的相關(guān)概念、發(fā)展歷史，納米材料的制備方法、分析與表征及其應(yīng)用，以及各國(guó)對(duì)納米材料的發(fā)展規(guī)劃和納米材料產(chǎn)業(yè)化前景，并總結(jié)納米材料的最新研究進(jìn)展。教學(xué)內(nèi)容豐富完整，但對(duì)于我校新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)本科生來(lái)說(shuō)，這門(mén)課程屬于專(zhuān)業(yè)選修課，只有32 學(xué)時(shí)。此外，為了適應(yīng)國(guó)家新能源材料方面的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，教學(xué)以光伏電池、鋰電池等材料的制備與器件的設(shè)計(jì)為主要方向，強(qiáng)化物理及化學(xué)基礎(chǔ)，突出材料與器件結(jié)合，形成以材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等多學(xué)科交叉的新興專(zhuān)業(yè)。所以對(duì)于納米材料導(dǎo)論課程的教學(xué)，應(yīng)該著重于納米材料的制備及其在能源方面的應(yīng)用這兩部分內(nèi)容講授。

教學(xué)過(guò)程中讓同學(xué)們?cè)诹私饧{米材料的相關(guān)概念及發(fā)展歷史后，重點(diǎn)講述納米材料的制備和納米材料在能源方面的應(yīng)用。由于納米材料是合成器件的基礎(chǔ)，所以本課程中主要講授納米材料的制備過(guò)程，分別介紹零維、一維、二維和三維塊體材料的制備方法。根據(jù)已經(jīng)了解的制備方法，掌握每個(gè)維度下2 ～3 種材料的制備過(guò)程，熟悉不同材料的制備流程，鞏固所學(xué)的制備方法。這為學(xué)生實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。此外，納米材料在能源方面的應(yīng)用相關(guān)于本專(zhuān)業(yè)的教學(xué)方向以及當(dāng)下國(guó)家新能源戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，因此在能源方面主要介紹了納米材料在生物燃料電池、太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容器和儲(chǔ)能這四個(gè)方面的應(yīng)用。該部分的介紹有利于同學(xué)們將專(zhuān)業(yè)課程內(nèi)容與之結(jié)合，并拓展自己課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)及后續(xù)的科學(xué)研究。還能夠?yàn)閲?guó)家培養(yǎng)具有新能源專(zhuān)業(yè)相關(guān)知識(shí)背景的人才。

對(duì)于納米材料的分析與表征、納米材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用等方面，則根據(jù)本專(zhuān)業(yè)的需求側(cè)重講解。其中納米材料的分析與表征部分簡(jiǎn)要介紹電子顯微鏡（掃描電子顯微鏡 SEM、透射電子顯微鏡 TEM）、掃描探針顯微鏡（掃描隧道顯微鏡 STM、原子力顯微鏡 AFM）、X 射線衍射分析（XRD）和光譜技術(shù)（紅外光譜 IR、拉曼光譜 Raman、X 射線光電子能譜 XPS 和核磁共振光譜 NMR）。其他領(lǐng)域的應(yīng)用中簡(jiǎn)要介紹一下納米材料在電子學(xué)、磁學(xué)、傳感器、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境工程、化工、航空航天等中的應(yīng)用。所以在教學(xué)內(nèi)容的選擇上，與本專(zhuān)業(yè)相關(guān)的內(nèi)容，在授課過(guò)程中有重點(diǎn)、有突出地詳細(xì)講授，而其它非重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行了略講。這有利于教師在有限的教學(xué)學(xué)時(shí)內(nèi)合理分配教學(xué)任務(wù)，更利于學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中對(duì)于所學(xué)知識(shí)的理解和掌握。具體納米材料導(dǎo)論課程的授課內(nèi)容見(jiàn)圖2。

圖2 納米材料導(dǎo)論課程的授課內(nèi)容

三 教學(xué)方法的改革

納米材料導(dǎo)論課程作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)選修課，與其他的課程相比較，有著自己獨(dú)特的特性。因此在授課過(guò)程中，傳統(tǒng)的板書(shū)模式或多媒體授課方式似乎并不完全適用于此。若完全以板書(shū)模式授課，文字?jǐn)⑹鲚^多，樣品形貌、分析與表征的方法和應(yīng)用都無(wú)法直觀描述，課程會(huì)相對(duì)枯燥乏味，無(wú)法充分調(diào)動(dòng)同學(xué)們的學(xué)習(xí)熱情和積極性。而在授課過(guò)程中完全采用多媒體的形式進(jìn)行講解，文字配上圖片，可以讓同學(xué)們更加立體地理解納米材料的相關(guān)知識(shí)，了解其最近的研究進(jìn)展和研究現(xiàn)狀，增添課堂的生動(dòng)性與趣味性，同時(shí)還可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。但上課過(guò)程中內(nèi)容較多，學(xué)生抓不到重點(diǎn)知識(shí)，不利于學(xué)習(xí)對(duì)概念的掌握和對(duì)新知識(shí)點(diǎn)的全面了解，也不利于學(xué)生期末考試復(fù)習(xí)。因此，在講授過(guò)程中可以采用板書(shū)和多媒體結(jié)合的授課方式，課程中整體的知識(shí)脈絡(luò)呈現(xiàn)在板書(shū)中，多媒體主要結(jié)合納米材料的發(fā)展歷史和最新發(fā)展現(xiàn)狀（新概念、新知識(shí)、新進(jìn)展），配合FLASH 動(dòng)畫(huà)或者短視頻播放，課程將繪聲繪色、生動(dòng)有趣。

板書(shū)作為一種重要的教學(xué)手段，它能夠?qū)⒁还?jié)課的知識(shí)脈絡(luò)直觀地呈現(xiàn)出來(lái)，教學(xué)過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)也能在板書(shū)中清楚展現(xiàn)，課程結(jié)束時(shí)通過(guò)板書(shū)中的教學(xué)內(nèi)容有效地進(jìn)行課程小結(jié)，利于學(xué)生理清本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容，幫助學(xué)生回顧和掌握所學(xué)內(nèi)容，更方便學(xué)生課后復(fù)習(xí)。多媒體講授的過(guò)程中引入納米材料的發(fā)展歷史，通過(guò)對(duì)材料發(fā)展歷史的學(xué)習(xí)，能夠讓學(xué)生了解人類(lèi)文明的發(fā)展史，了解工業(yè)革命的發(fā)展進(jìn)程，讓學(xué)生學(xué)習(xí)利用材料、制造材料和創(chuàng)新材料。多媒體講授中還可以引入新聞報(bào)道和紀(jì)錄片，這有利于進(jìn)一步了解我國(guó)在材料技術(shù)方面與發(fā)達(dá)國(guó)家存在的差異，提高學(xué)生知識(shí)運(yùn)用能力和國(guó)情意識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和愛(ài)國(guó)情懷，又可以便于老師將知識(shí)更立體地呈現(xiàn)出來(lái)。與此同時(shí)，結(jié)合課程所學(xué)內(nèi)容和本專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，開(kāi)展與本門(mén)課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)題目主要設(shè)置納米材料的制備和分析與表征方面的知識(shí)點(diǎn)，既可以讓學(xué)生鞏固學(xué)習(xí)納米材料的課程內(nèi)容，又讓學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作，大大提高了學(xué)生們對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。同時(shí)還能培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，有利于學(xué)生形成科學(xué)探究能力。此外，課堂作業(yè)布置為當(dāng)下最前沿的科技問(wèn)題的調(diào)研，以達(dá)到開(kāi)闊學(xué)生眼界的目的，在下一堂課程中讓同學(xué)們對(duì)調(diào)研結(jié)果進(jìn)行匯報(bào)展示，在鍛煉學(xué)生自學(xué)能力的同時(shí)，還能增加同學(xué)們之間的互動(dòng)性。最后，推薦一些資源讓同學(xué)們通過(guò)自主查詢(xún)、訂閱、瀏覽的方式輔助學(xué)習(xí)本門(mén)課程。進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生課后學(xué)習(xí)的興趣，增加學(xué)生的閱讀量。在教學(xué)過(guò)程中采用板書(shū)、多媒體、實(shí)驗(yàn)、翻轉(zhuǎn)課堂等方法進(jìn)行混合式教學(xué)，這能夠發(fā)揮教師在教學(xué)過(guò)程中的引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控等主導(dǎo)作用，同時(shí)提高學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性。具體納米材料導(dǎo)論課程的教學(xué)方法見(jiàn)圖3。

圖3 納米材料導(dǎo)論課程的教學(xué)方法

四 考核方式的變革

傳統(tǒng)的考核方式中包含考勤和課堂表現(xiàn)、主題報(bào)告、作業(yè)以及期末試卷考試[9]。納米材料導(dǎo)論課程全新的授課模式需要提供全新的考核方式。最終成績(jī)由平時(shí)成績(jī)、論文成績(jī)、考試成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)組成。第一部分：平時(shí)成績(jī)包括平時(shí)作業(yè)、隨堂測(cè)驗(yàn)、課堂討論，主要考核學(xué)生對(duì)每階段或每堂課知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度。該部分有利于提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的效率和課后的復(fù)習(xí)能力。第二部分：論文考核，即根據(jù)老師給出的題目或?qū)W生自擬的題目，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成一篇綜述性論文的寫(xiě)作。主要考核學(xué)生通過(guò)自己的學(xué)習(xí)對(duì)納米材料相關(guān)內(nèi)容的概述，更重要的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)利用圖書(shū)館資源庫(kù)或其它渠道查閱相關(guān)文獻(xiàn)或者書(shū)籍，獨(dú)自完成一篇科技論文的撰寫(xiě)。該部分是一名大學(xué)生必備的技能。在查閱的過(guò)程中，學(xué)生會(huì)接觸到關(guān)于納米材料科技最前沿的知識(shí)，不僅可以提高學(xué)生對(duì)這一門(mén)課程的興趣，更能提高學(xué)生們對(duì)科技的探索熱情，還可以為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的書(shū)寫(xiě)，以及后續(xù)的科研之路打下良好的基礎(chǔ)。第三部分：卷面考試占一部分比重，筆試有助于檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)最基本概念的掌握情況，試卷以基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的記憶考查為主，采用閉卷的方式。閉卷考試可以促使學(xué)生平時(shí)用功學(xué)習(xí)，上課認(rèn)真聽(tīng)講，該記住的一定要記住，不能對(duì)書(shū)本產(chǎn)生依賴(lài)或存在僥幸心理。有利于培養(yǎng)學(xué)生的識(shí)記和背誦能力。最后一部分：實(shí)驗(yàn)成績(jī)，本部分結(jié)合課上講述的內(nèi)容設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)成績(jī)中包含操作分?jǐn)?shù)和報(bào)告分?jǐn)?shù)。主要考核學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)點(diǎn)的理解能力和實(shí)際的動(dòng)手能力。培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，有利于體會(huì)科學(xué)研究精神。具體的考核方式見(jiàn)圖4。希望可以通過(guò)這些考核方式鍛煉學(xué)生各方面的綜合能力。

圖4 納米材料導(dǎo)論課程的考核方式

五 結(jié)語(yǔ)

納米材料導(dǎo)論是一門(mén)諸多學(xué)科交叉課程，而新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)也是一個(gè)諸多學(xué)科交叉的新興專(zhuān)業(yè)，所以對(duì)本專(zhuān)業(yè)的學(xué)生開(kāi)展這一門(mén)課程的教學(xué)是非常有必要的。該課程的內(nèi)容十分豐富，在較多方面也與本專(zhuān)業(yè)有著緊密的聯(lián)系，因此希望通過(guò)全新的教學(xué)方式讓同學(xué)們?cè)谠撜n程的學(xué)習(xí)過(guò)程中收獲更多。此外，通過(guò)對(duì)該門(mén)課程的改革，加上在日常授課過(guò)程中對(duì)經(jīng)驗(yàn)的不斷總結(jié)，達(dá)到為國(guó)家培養(yǎng)高質(zhì)量高素質(zhì)新型科技人才的目標(biāo)。