基于生活科普理念的校外纳米科技教育课程开发研究

张鑫

摘 要 在生活中，人们对“纳米”既熟悉又陌生，其实纳米技术、纳米材料及其相关现象就在我们的身边。本文阐述了实施纳米科技教育的意义，并针对校外课程教学的特点，分享基于生活科普理念的纳米科技课程应具备的特点及开发的适合青少年儿童的校外纳米科技课程及案例，以期为青少年儿童的纳米科普教学模式与教学策略提供参考。

关键词 生活科普 纳米科技 校外教育 课程开发

0 引言

随着科学技术的发展，纳米的发现使人类在材料领域的有了重大突破，纳米技术的应用代表了一场新技术的变革。如今的“纳米技术”已经成了一个高频的热搜词汇，它甚至已经渗透到人们日常生活中的各个领域，然而除了这些“现象”或“产品”的神奇之处外，很多人对其原理知之甚少。作为一名科技教育工作者，笔者认为科普工作和科研工作一样重要，尤其是面对青少年儿童的科技教育，有必要将此项技术进行科学普及并形成课程。因此笔者首先阐释了实施纳米科技教育的意义，基于生活科普理念，从生活中的“纳米现象”出发，分享了该课程所具备的特点。结合校外教学现状，开发了基于生活科普理念的校外纳米科技教育主题课程，并进行案例分析。

1 实施纳米科技教育的意义

纳米世界，桃花流水，别有洞天。载药的纳米探针、仿生的纳米纤维、华为的纳米芯片……如今的纳米已经走进人们的生活，纳米的许多关键技术也关乎国计民生，纳米有着非凡的能力，开创了新的天地，但是了解它的人很少。因此，开发纳米科技教育课程，让纳米世界在青少年的科普教育中“视而可见”，显得十分有意义。

1.1 有助于培养学生的科学素养

纳米科技课程的本质是一门科学课程，科学课程的核心价值是对学生科学素养的培养，科学素养是个人发展核心素养的关键，是培养促进社会和谐发展的高素质国民的重要基础，“理性思维、批判能力、科学探究”是其三大关键。在纳米科技的课程中，从认识“纳米”这个度量单位拉开序幕，从古代的纳米技术到近代科学家的发现，从生活的纳米现象到学生的动手实践，从美丽的纳米图谱到构建未来的纳米蓝图，纳米技术在各个领域带来的突破与惊喜充分体现着科学素养的求真精神。在动手实验环节中，学生将提出问题、猜想与假设、设计与实验、记录数据与现象、解释、检验与评价、表达与交流等。学生不仅要学会制备纳米材料，还要学会电子显微鏡的图谱分析等计算机操作，这充分提高了学生在科学探究方面的理解与实践能力。更值得一提的是，随着社会发展，“纳米”一词更是贴上了前卫的标签，某些商家便打起了“纳米”的主意，如“纳米水杯、纳米内衣、纳米养生壶、纳米遮阳伞、纳米食品、纳米防晒霜”等，实则有些产品是伪纳米技术，学生学习了纳米科技课程就可以学会辨别真伪，并积极地宣传正确的纳米知识。在这一过程中，学生学会运用知识判断真假，充分锻炼了他们的批判性思维。因此，实施纳米科技教育不仅在学生的科学知识、科学能力和科学的基本价值取向等科学素养方面起到积极作用，还为纳米技术的发展创造了良好的空间。

1.2 有助于提升学生的跨学科能力

科技教育的改革，旨在将学生培养成为有创新精神和实践能力的人才，而在今天这样一个时代，紧靠单一学科的知识欲解决问题是远远不够的。学生需要在真实情景中，超越学科界限的学习，将各种学科的知识内容整合起来，学以致用、知行合一，才能够获得更多适应未来社会的素养。纳米科技本身就是一门涉及物理、化学、数学、能源、材料、技术、工程等多领域的综合性课程。它已不能归附于任何一门学科的传统领域，是一个多学科交叉融合的前沿领域。在青少年中实施纳米科技教育，有利于学生建立基础学科知识之间的联系，丰富已有知识的广度和深度，激发学生主动学习和探索科研的热情。如开篇在“走进纳米世界”的模块中，通过介绍纳米是一个小尺寸的概念，尺寸的概念除了和数学有关外，纳米材料由于小尺寸对物理学性能也可以产生影响。在“纳米与生活”模块中，通过“眼镜起雾”这一生活中的发现，到采用纳米材料设计制作防雾眼镜，整个活动中渗透了物理、化学、工程、设计等多个学科的知识与方法。不仅让学生可以建立基础学科知识之间的联系，更重要的是在活动中，学生体会到一门技术的发现和发展是各学科之间有机融合、互相补充、相互支撑的结果，提升跨学科素养。

1.3 有助于研究型人才的储备

我国十分重视对科技人才的培养，在2001年科技部发布的《国家纳米科技发展纲要（2001-2010年）》中就明确提出，“要形成高质量的纳米人才骨干队伍。以人为本，把纳米科技人才队伍建设放在突出位置。”如何实现纳米科技人才的培养？当然要从娃娃做起。一方面，通过纳米课程的内容激发学生学习纳米知识的兴趣，如“纳米的发展史”中，学生带着好奇与疑问，思考科学家们是如何一步步揭开纳米的神秘面纱，观前人之故事，习前人之经验，然后上下而求索。他们掌握了纳米科技跨学科的学习方法，对今后学习其他学科和自身发展将产生新的格局。另一方面，在纳米科技的课程中含有大量需要学生动手实践的内容，如“不用电的发光灯、水污染处理、制备纳米防晒霜和一些小课题研究内容”等。学生需要像研究员一样进行文献查阅、背景分析、实验操作、分析讨论、撰写报告等一系列项目式活动，在真实的情景中体验科学研究，加强学生对科研任务严谨性、艰巨性、科学性的认知，从小培养坚持不懈、追求真理的科学精神，为我国21世纪纳米科技事业的发展培养后备人才。

2 基于生活科普理念的校外纳米科技教育课程的主要特点

改革开放以来，校外教育与学校教育相互融合、优势互补、彼此促进，逐渐成为我国基础教育必不可少的部分。在校外开展纳米科技课程对于学生自身素质和人才培养有着重要意义。目前的纳米科技教育主要集中在高等院校，课程内容理论性强，知识结构复杂，实践操作难度大。显然，高校的纳米科技课程并不适合青少年儿童，然而校外纳米科技课程面向的学生对前沿科技兴趣浓厚，并具备一定自然、科学、物理、化学等知识基础，因此我们可以基于生活科普理念，概括起来就是“观生活中的现象、用生活中的材料、探生活中的科学”。将纳米科技教育要通过实验教学回归生活，从而进行科学知识普及，开发与实施适合青少年儿童的纳米科技课程，进一步丰富青少年儿童的科学知识，培养科学兴趣，锻炼科学能力，并为高校输送一些愿意在科学道路上继续埋头苦干的学子。因此，基于生活科普理念的校外纳米科技教育课程需要具备以下特点。

2.1 课程主题生活化

教育源于生活，教育回归于生活。“生活即教育”是陶行知先生生活教育理论的核心。如何让科学变得不再冰冷？如何让纳米变得不再遥远？科学家已经努力使纳米技术渗透在人们的衣食住行之中，但是如何让课程变得“接地气”？纳米科技课程的也应从科技适应生活需要，科技创新服务于生活的角度出发，课程主题需要生活化。因此，我们设计了生活化的6大主题，分别是“走进纳米世界”“纳米与生活”“纳米与科学”“纳米与药物”“纳米与军事”“纳米与时尚”。从古代的纳米技术到现代纳米科技大大跃进，从身边的天然纳米材料到人工合成的先进材料，从单一用途到一“金”（金纳米粒子）多用的材料实验，每个主题都和学生的日常生活紧密结合，让学生深刻体会知识来源于生活。同时，在动手实验操作的活动中，生活化的课程内容可直接增强学生的感受和体验，实验中获得直接经验和深切感受，从而使感性认识更好的上升为理性认识，也极大地激发学生的学习热情。

2.2 课题材料生活化

随着许多实验过程中的创新和改进，实验材料生活化的应用变得越来越多。部分纳米实验材料可采用生活中的简单、易得材料代替，课题材料生活化使学生对活动主题印象更加深刻，实验操作更加方便，实验场所因地制宜。例如：认识纳米“小不点”这一特性时需要理解“比表面积实验”，教师可以用生活中豆腐或者琼脂作为实验材料。用塑料小刀将豆腐切成一个个大小相等的小正方体，通过运用数学表面积公式计算表面积，对比整块豆腐的表面积和被分成一个个小方块时的表面积之和的大小时，那么物质粒子越小，它比表面积越大这一性质就不难理解了。这些生活化实验的引入，不仅可以让学生树立建模意识，而且也可以激发学生的创新意识，更让学生体会到生活中无处不在的科学，用生活中的实验材料也可以解决抽象的问题。

2.3 课堂情境生活化

常规的科学实验是教师带领学生在实验室里完成，校外的纳米科学实验不再局限于课堂或实验室，行走在湖边欣赏“接天莲叶无穷碧”的美景其实也是生活化纳米科普案例。莲花生长于淤泥之中，却出淤泥而不染;水滴落在荷叶上，却似“大珠小珠落玉盘”，这样的神奇现象却是自然界纳米结构的结果——荷叶和莲花表面微小的凹凸结构就是一种天然的超疏水纳米材料，水滴在花叶上滚来滚去还可以带走灰尘，达到自清洁的效果。当问题来自于日常生活所经历的情境时，便会激发学生对周围事物进行探索的主动性，在探究中通过采用合适的材料和方法进行科学实验、科学制造、科学创造等。这種在真实的问题情境中通过生活化的实验获得真知，正是生活科普所倡导的。如依据莲花效应，科学家们采用很多技术制备了众多的仿生纤维，广泛用于纺织业、医药行业，甚至是军事行业。它的原理也是依据模拟莲花表面的凹凸结构，增加液滴的表面张力，达到疏水憎油的自清洁效果。在活动中，学生也可以一定程度的模拟实验、改进实验，将疏水材料设计制成领带或其他用途的产品。因此，应用生活化情境设计的实验往往能让学生收获最直接、最深刻的科学探究体验，激发学生对生活科普研究的热情。

3 基于生活科普的校外纳米科技课程的实践

在基于生活科普的校外纳米科技课程的实践过程中，采用项目式教学法对纳米相关的资料收集与案例教学、形成了原创的校外纳米科技课程。并在原有的基础上不断地尝试与改进，开发的课程不仅适用于日常的教育教学，也可以普及到科技馆、社区等校外活动场地，对于青少年纳米科学技术普及具有重要参考价值。

3.1 基于生活科普的校外纳米技术课程开发

如表1所示，基于生活科普的校外纳米科技课程主要分为七个模块，七个模块的主题是总—分—总的关系，这些主题充分基于生活化、情景化、跨学科等特点。每个项目设计了相应的教学案例主题，均有教学目标。模块一是“走进纳米世界”，主要面向小学高年级到高中的学员，从“纳米起源”“自然界中的纳米”到“纳米是如何改变世界的”，主要针对纳米技术、纳米材料和辨别纳米概念等科普知识的总体概述，其中还包含了一些“比表面积”“自清洁布”等动手实验。模块二到模块六，将进一步解析纳米在生活、科学、药物、军事、时尚等领域的有关现象与技术发展，同时递进式的课程内容主要是针对初中到高中的学生，他们的基础知识相对扎实，对于仪器的使用更加熟练。最后基于以上的实践和学习，笔者设计了一些基于纳米材料的小课题研究，学生将进一步体验科学研究的方法和思维，为今后从事其他科学研究奠定基础。

3.2 基于生活科普的校外纳米技术教学设计

基于生活科普的校外纳米科技课程的主要采用“5E”的项目教学模式，如图1所示，包含引入（engage）、探究（explore）、解释（explain）、拓展（elaborate）和评价（evaluate）五个环节。

如表2所示，以“莲花效应”教学案例为例，从生活中的发现为引入。随着问题的提出进行探究，学生是探究活动的主体，采取自主、合作探究的方式参与。通过“我的设计”环节，自我寻找材料、设计装置图、实验方案或思维导图、在进行实验探究中，观察记录、比较分类、交流讨论等形式建立事物之间的联系。教师在探究活动中承担指导作用，并在“解释”环节根据探究现象揭示科学意义。随后在“拓展”环节中进一步知识迁移或继续实践。“评价”是贯穿于整个教学过程不仅包括学生学习的自评，还包括教师评价、学生互评，并且整个“5E”可设置循环模式。

4 结语

生活环境中蕴含的资源是丰富多彩的，利用生活资源开展的“生活化纳米实验”，不受学校固有实验条件的制约，不受学校所处地域、层级的限制。基于生活科普理念的纳米科技课程开发与研究，能够促进师生更进一步理解纳米科学知识的内涵和意义。让科学生活化，让生活科学化。

参考文献

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