纳米材料导论课程教学设计和教学方法探索*

黄增芳, 王悦辉, 马军现, 王　可, 王　毅

(电子科技大学中山学院材料与食品学院, 广东　中山　528402)



纳米材料导论课程教学设计和教学方法探索*

黄增芳, 王悦辉, 马军现, 王可, 王毅

(电子科技大学中山学院材料与食品学院, 广东中山528402)

纳米材料导论为材料化学的专业课，讲解的是纳米材料的性质、制备、表征和应用，本课程的教学目标是使学生了解纳米材料和纳米科技的发展方向。本文结合课程和学生自身的特点及授课经验，对纳米材料导论课程的教学改革方向和措施进行初步探讨，以达到良好的授课效果，培养学生的学习热情和创新能力。

纳米材料；教学设计；教学改革和探索

自20世纪90年代以来，纳米科技逐渐被人们所认识，并成为化学、物理学、生物学、电子学及材料学的热点问题和交叉学科，并对多个研究领域产生了广泛深入的影响和推动作用。纳米材料是进行纳米科技研究的物质基础，其把人们探索自然、创造知识的能力延伸到处于宏观和微观物体之间的介观领域，对开辟人们认识自然的层次、领域、知识创新具有重要的科学和应用价值[1]。纳米材料是指在纳米量级(1～100 nm)内调控物质结构制成具有特异功能的新材料，其三维尺寸中至少有一维小于100 nm，且性质不同于一般的块体材料。纳米材料是伴随现代科技和人们的实践活动发展起来的，已广泛应用于光学、微电子学、航空航天及生物医学等众多领域。纳米材料导论讲解的是纳米材料的性质、结构、制备及应用的一门课程，理论知识较深且知识面较广，无论是对初学者还是初涉这门课的教学人员，都具有一定的难度。作者所在的学校是一所地方性应用型本科院校，其培养目标是培养具有一定理论知识且能将理论知识用于到实践中的应用型人才。在材料类本科生中开设纳米材料课程已成为中国许多高校的共识，这也适应了社会发展和经济建设对未来毕业生的要求[2]。纳米材料导论课程有利于引导学生了解当前材料类学科发展的方向和纳米材料的性质及在人们生活中的应用，拓宽学生的知识面，从而实现应用型、复合型、创新型人才的培养目标。课程具有前瞻性、专业性和交叉性的特点，传统的课堂教学模式已经不能够满足其教学要求，因此，需要根据课程特点和学生实际情况对此课程进行教学改革。

1　纳米材料导论课程的特点

正式把纳米材料作为材料科学的一个新分支要源于1990年7月在美国巴尔的摩召开了第一届纳米科学技术学术会议[3]，其作为一个独立学科的发展迄今不过二三十年的时间。相对于其它较成熟的课程，纳米材料是一门前瞻性、创新性、专业性和实践性很强的课程，另外，纳米材料还具有概念术语多、抽象性强及交叉边缘的特点。因此，结合课程特点，合理选择授课内容，恰当利用授课方法，激发学生的学习热情，对于完成纳米材料课程教学目标具有重要意义。

1.1概念术语多

纳米材料导论课程的显著特点就是专业性概念、术语较多。按空间尺度可分为零维、一维、二维和三维纳米材料。仅以零维纳米材料的制备先后就有气体蒸发、高频感应、等离子体、真空沉积、化学气相反应、成核、激光诱导、气相凝聚、溅射、共沉淀、均相沉淀、水解沉淀、水热溶剂热、溶胶、凝胶及微乳液等众多术语，而且解释这些术语用到了很多化学、物理及材料方面的知识，理解起来也有相应的难度。

1.2抽象性强

纳米材料与传统材料不同，是一种介于宏观材料和分子原子体系的介观材料，其直观性较弱[4]。由于纳米材料尺寸非常小，在学习其性质、制备、表征及应用等内容时，就需要具有一定的抽象想象能力。例如，纳米材料的很多性质归根结底都是由于其尺寸比较小所引起的，纳米材料具有超塑性、较高的强度和硬度、很高的磁化率和矫顽力、低的饱和磁矩和低磁滞损耗和较低的熔点，更有趣的是，宏观的金属材料一般都有金属光泽，当其尺寸降低到纳米级时，其金属光泽将会消失，变为黑色。

1.3交叉性、边缘学科

纳米材料导论的内容主要包括纳米材料的性质、制备及应用等内容。由于纳米材料是一种粒径介于1～100 nm的介观材料，使其具有不同于宏观材料及微观材料的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等独特的性质，对于这些性质的了解，涉及了较多的物理学、材料学等学科的知识。纳米材料的制备方法既包括磨碎和喷雾等传统物理方法，也包括气相分解、气相合成、沉淀、溶胶-凝胶、微乳液及水热法等化学法，同时还有电阻加热及高频感应等构筑法，涉及了较多的物理学及化学等学科的知识。纳米材料的应用领域有光学、微电子学、航空航天及生物医学等众多领域，又涉及了电子学及生物学等学科的知识。这样纳米材料是以物理学、化学、材料学、电子学及生物学为基础的交叉性边缘性的学科[5]，其中物理学、化学为其制备提供了理论基础，而材料学、电子学及生物学为其应用不断开辟新的途径。

2　课程设计和教学方法探索

根据国家对独立学院的要求，学校定位为应用型本科院校，其目标是培养具有一定理论知识并能够和市场接轨的创新性和应用型人才，培养能将专业知识和技能应用于所从事的专业，并掌握一线生产的专业技术和专业技能的专门性人才；另一目的是服务地方经济，并为其转型升级做出贡献[6]。另外，独立学院的学生的学习自控能力不是很强，自律和自我约束能力较差，但思想较活跃，主见性较强，乐于接受新鲜事物[7]。这样，为了使学生能够真正接受新知识和新事物，授课时，就要掌握一定的方法和技巧，把复杂的问题简单化、把抽象的问题具体化，最终达到使学生自觉地学、主动地学，即所谓的“授人以鱼，不如授人以渔”。

2.1淡化抽象知识与形象比喻相结合

纳米材料是一种介于宏观和微观的介观材料，纳米粒子具有特殊的表面效应，纳米材料所表现出来的的其它特殊性质如力学性质、电学性质、光学性质、热学性质、磁学性质和化学性质等，都和其表面效应和小尺寸效应有密切关系。为了讲解这一抽象概念，在黑板上画出一个立方形图形，并算一下它的表面积，然后将其一分为二，再算一下它此时的表面积，继续将其分为四份，就会发现，其比表面积迅速增加。这一过程可以继续利用讲课时的粉笔的逐渐粉碎过程进行形象化演示，随着被粉碎的粒径逐渐减小，其比表面会迅速增加。可以想象，当材料的尺寸降低到纳米级时，将具有非常大的比表面积，从而使其表面具有很大的表面吸附性，这就是为什么纳米材料可以用于催化剂的载体而用于催化领域的原因。通过这种由表入里、将抽象知识和形象比喻融为一体的讲解方法，不仅思路具有条理性，学生们也更容易接受。

2.2理论教学与应用相结合

在社会生活和自然现象中，纳米材料的应用随处可见。例如，荷叶的基本化学成分是碳水化合物，很容易吸附水分或污垢，而且其生长的环境相对来说也都比较差，有些甚至常年生长在污水当中。但奇怪的是，荷叶却经常能保持干净的表面，几乎不受外界环境的影响。这是由于其叶面是由一层微米至纳米级的凸起表面所构成，再加上表面所存在的蜡质，当灰尘或雨水等降落在其表面时，只能和凸起的表面形成点接触，液滴在表面张力下形成球状，它们在沿叶面滚动的过程中将灰尘污点带走，这就是莲花纳米表面“自我洁净”的奥妙所在，这一原理也被人们广泛利用，如超疏水涂料的组成、国家大剧院的外貌和表面结构。还有，壁虎这种生物，它们不仅能在垂直墙壁上爬行自如，甚至能在天花板上爬行和停留。这和其脚底的精细结构密切相关，壁虎的每个脚趾包含数百万根细小刚毛，长度约为30～130 μm，其末端又分叉形成数百根更细小的铲状绒毛(100～1000根)，尺寸约为200 nm，厚度约为5 nm。这些纳米结构极大地增加其与墙壁的接触面积，相应地增加粘附力。通过这些自然界或生活中与纳米结构相关的事例来进一步讲解纳米材料，讲解时更加生动形象，学生们也更加容易接受。

2.3基础理论与科研相结合

按照纳米材料的成分，可分为无机纳米材料、金属纳米材料、高分子纳米材料及复合纳米材料，由于其具有小尺寸效应和表面效应，其在磁学、传感器、电子、半导体、催化、医疗生物、复合材料等领域具有潜在的应用。作者近几年也在从事纳米材料的制备及应用研究工作，包括利用乳液聚合制备功能性核壳结构纳米粒子，然后将其用于环氧树脂的改性，可明显提高环氧树脂的冲击强度；利用活性自由基可控聚合，制备两亲性荧光聚合物，其具有优异的生物相容性，在介质水中可自组装成纳米粒子，在生物成像领域具有诱人的应用前景。在授课时，将自己进行科研的经历及成果与理论知识相结合，既可以使理论知识深入浅出，也可以为学生今后从事研发工作打好基础，培养学生的创新能力。

2.4理论教学与培养学生人生观世界观相结合

关于纳米尺寸的论述，早在两千三百多年前，道家学说主要创始人庄子曾谈到：一尺之棰，日取其半，万世不竭。意思是指一尺的东西今天取其一半，明天取其一半的一半，后天再取其一半的一半的一半总有一半留下，所以永远也取不尽。若将这句论述用于纳米材料领域，取一个一尺长的东西，每天将其长度减少一半，到第22天的时候，其长度为78.7 nm，即为纳米尺寸。由于纳米材料是人们借助现代仪器如透射电镜、扫描电镜认识和研究的一种材料，庄子处于各国混战不休的战国时期，没有现代仪器作为辅助，仅仅只能依靠思考和想象，能提出这种想法也是难能可贵的。进一步给学生讲，其实很多成就都是在艰苦的环境下或困难下取得的，在遇到困难时千万不要气馁，在解决困难的过程中就会使自己逐步成长成熟起来，并取得更大的成绩。对于即将步入社会的大学生来讲，大学教育不应该仅仅是专业知识的培养，还应该进行做人做事等人文素质的培养，这种理论教学和人生观相结合的培养方式，符合大学教育的规律，也会使课堂气氛更加活跃。

3　结　语

当今，信息能源、化工环境、生物医疗、先进制造及国防的快速发展对材料的性质和特性提出了新的要求，元件的小型智能化、高密度高集成化及快速信息传输对材料的尺寸的要求也越来越小，自进入21世纪以来，人们对纳米材料的研究和需求正与日俱增。作为材料化学专业课的纳米材料导论，内容非常丰富，既包含纳米材料的性质与制备，又包含纳米材料的表征与应用，同时还和材料化学、电子材料、高分子材料等课程有着千丝万缕的联系，不论对学生后续课程的学习还是以后的工作都起着非常重要的作用。任何一门课程都有其本身的特点和规律，授课时，只要能抓住课程及学生的特点，就一定能将这门课讲好。

[1]刘玉芹,杜高翔,杨静. 《纳米材料》课程教学内容与教学方法探索[J]. 中国科技信息, 2008(3): 210-211.

[2]刘漫红,隋凝,肖海连. 《纳米材料》教学研究[J]. 广州化工，2013, 41(8): 221-223.

[3]李洪苹，陈贝贝. 纳米材料课程设计与教学探索[J]. 科教导刊(上旬刊)，2014(11): 138-138.

[4]杨丹丹,谢华清,朱路平,等. 《纳米材料学》教学内容与教学模式的一些思考[J]. 科技视界, 2014(1): 17-17.

[5]李本侠,王艳芬,胡路阳. 浅论“纳米材料与纳米技术”课程教学研究[J]. 安徽化工, 2014,40 (1): 72-74.

[6]黄增芳, 马军现, 王可, 等. 材料化学专业《高分子物理》课程教学改革与探索[J]. 广州化工, 2015, 43(22): 182-183.

[7]黄增芳,王可,马军现,等. 独立学院高分子物理课程教学探索[J]. 广州化工, 2010,38(3): 231-233.

Teaching Design and Teaching Method Exploration of Introduction of Nano-materials Course*

HUANG Zeng-fang， WANG Yue-hui, MA Jun-xian， WANG Ke， WANG Yi

(School of Materials Science and Food Engineering, Zhongshan Institute, UniversityofElectronicScience&TechnologyofChina,GuangdongZhongshan528402,China)

The course of Introduction of Nano-materials is the major course of Materials Chemistry, and it explains the properties, preparation, characterization and application of nano-materials, the object is to make the students understand the development direction of nano-materials and nanotechnology. Combining the properties of this course and the students themselves, together with the teaching experience, the teaching innovation direction and measure of Introduction of Nano-materials course were preliminarily expatiated, in order to achieve the good teaching effect and cultivate the study enthusiasm and innovation ability of students.

nano-materials; teaching design; innovation and exploration of teaching

广东省高等教育教学研究和改革项目(No: S-JY201505); 电子科技大学中山学院教学质量工程项目(No: JY201424)。

黄增芳(1976-)，男，博士，副教授，主要从事高分子复合材料等方面的研究。E-mail: hzf105@163.com

G642.0

A

1001-9677(2016)016-0200-03