以培养学生科研兴趣与能力为导向的《纳米材料》课程教学创新

（辽宁大学化学院 辽宁·沈阳 110036）

“创新”是党的十九大报告中的出现50余次的热词，习近平总书记在党的十九大报告中指出，创新是引领发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑。要瞄准世界科技前沿，强化基础研究，实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破。国家“十四五”规划建议中，强调坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位，把科技自立自强作为国家发展的战略支撑。国家的发展依赖于科技的创新，素质的劳动者和创新人才在科技创新中发挥着不可替代的作用。高校是培养创新型人才的摇篮，本科教育是人才培养的基础，研究生教育是培养高层次科技创新人才的主要途径。经过多年的本科教学与研究生教学，我们发现学生结束本科阶段的学习后并不能立刻适应研究生阶段的学习生活。学生在本科阶段的学习以教师课堂讲授，学生被动接受为主，而升入研究生后需转变学习方式，学生在导师的指导下，选择研究方向并发现问题，在分析问题的过程中不断探索，拓宽知识面并完善自身的知识体系，最终解决问题进而完成科学研究。对于化学类专业的研究生来说，阅读文献是他们获取和储备知识的主要途径，为今后在科研中的创新和突破打下基础。但是文献中的绝大多数知识是他们从未学到的，即使部分知识在课堂教学中有所涉及，其深度和广度亦使学生难于理解。从未接触过文献的研究生在初读文献时往往觉得晦涩难懂，毫无头绪，进而严重影响了后续科研创新工作的进度。因此，将科学研究引入高年级本科教学，加重教学中科学研究的分量，借助学科前沿背景新知识，将科研动态融入教学内容，把传统的教学形式改造成为“研究性”的教学形式，能够使学生了解前沿科技动态与科研活动的基本过程，对科研工作产生兴趣，培养学生的创新思维和科研创新能力，为学生后续深造奠定基础。本文以《纳米材料》课程为例，探讨“研究性”教学创新课程建设，为本科和研究生教学的衔接提供一些参考。

1 《纳米材料》课程特点与面临的问题

《纳米材料》课程是高等院校材料专业的一门专业课，也是化学相关专业的一门重要方向课，主要为高年级本科生开设。纳米科技是本世纪的主导技术，纳米科学几乎涉及所有的技术领域，其中纳米材料是进行纳米科学与技术研究的物质基础，亦是当前材料科学领域的新兴研究热点。经多年研究与发展，纳米材料已广泛在能源、化工、医药诸多领域获得重要应用，对现代科技和社会的发展产生了深远的影响。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006-2020）中，纳米研究是其规划的四个“重大科学研究计划”之一。纳米材料的研发水平已成为评价一个国家科技水平的一个重要考量。

《纳米材料》是一门理论性、应用性较强的课程，讲解的是纳米材料的性质、结构、制备及应用，让学生理解纳米材料的基本概念，掌握材料的物理和化学特性，能够自己动手完成相关材料的制备和测试，了解纳米材料的应用背景，为学生今后从事科学研究和工业、工程第一线的工作提供理论基础和技术技能。因此，为化学相关专业的本科生开设纳米材料课程具有重要的意义，这不仅能帮助学生及时了解最新的前沿科技动态，激发学生的科研欲望和潜能，而且还能帮助学生认清化学相关专业及产业的发展趋势，拓宽学生的专业知识面和增长学生的眼界，从而提高学生发现问题、解决问题的能力，实现应用型、复合型、创新型人才的培养目标。特别是可以使学生深入了解纳米材料领域的研究现状与前沿科学问题，培养学生的科研兴趣与创新能力，为学生后续的继续深造奠定基础。

然而，《纳米材料》属于前沿交叉性综合性学科，具有前瞻性、专业性和交叉性的特点，涉及物理、化学、电子、生物等多个学科的基础知识，其理论知识较深且知识面较广，课程内容中概念术语多，抽象性很强且知识点相互交叉，学生在多个学科中的相关基础知识储备存在很大差异，这就使得教师在授课时的教学效果不理想。此外，与纳米材料相关的前沿科学研究发展速度快，教师须将最新的纳米材料与技术发展融入课堂教学中，采用传统方法授课并不能很好的提高学生的学习效率，无法满足其教学要求。鉴于上述情况，结合课程自身的特点以及学生实际情况进行课程教学的改革显得十分必要和紧迫。

2 《纳米材料》“研究性”教学创新课程建设

传统的《纳米材料》教学以教师课堂教授，学生被动接受为主，教学内容主要包括纳米材料与纳米科技的基本概念及其发展，纳米材料的结构与优异性能，纳米材料的表征技术，纳米材料的制备方法，纳米材料的应用等五大部分。经过多年的课堂教学，我们发现除了纳米材料与科技的基本概念及其发展这部分教学内容相对独立外，其它四大部分的教学内容相互关联，交叉性较强，例如，在讲授纳米材料的结构与优异性能时，涉及到的纳米材料形貌与结构这部分主要在纳米材料的表征技术中讲授，而纳米材料的优异性能又与纳米材料的应用密切相关，在课堂讲授过程中，由于这几部分内容的理论知识较深且知识面较广，又具有相互关联与交叉的特点，学生在每章节的学习中并不能很好的理解与掌握相关教学内容而导致教学效果并不理想。此外，纳米材料是当今材料科学领域的研究热点，其新理论、新技术、新应用的更新速度十分迅猛，传统的教学方法并不能及时向学生传达纳米材料与技术前沿的发展动向，尽管在教学内容中加入了具体案例，例如，在课件内容“纳米材料的形貌”基础上，引入《Science》杂志报道的Mo掺杂的PtNi八面体对氧还原反应具有超高活性和稳定性，在纳米尺度下将化学能转换成电能的应用成果，此时学生并未学习纳米材料的其它表征技术与纳米材料的应用，对此案例中描述的具体科学问题与解决方法，特别是对纳米材料的结构与性能之间的构效关系不能完全消化理解，而导致学生对该前沿科学研究一知半解，无法达到使学生切身体会到科学研究的魅力，激发科研兴趣，培养学生的创新思维和科研创新能力的教学目的。

根据德国教育家洪堡提出的大学人才培养应遵循“教学与科研相统一”的原则，我们重新梳理《纳米材料》课程的教学内容，将研究性教学理念贯穿于课堂教学中，选取若干纳米材料领域最具代表性的科学研究论文，将纳米材料的制备、表征、性质与应用贯穿起来，以科学研究的角度讲解该科研论文中涉及到具体知识点。在此，结合授课教师自身的科研课题——基于无机/有机复合纳米材料的电催化剂的制备与应用，阐述《纳米材料》“研究性”教学的具体过程。首先介绍研究背景，使学生了解电化学在能源领域的发展、应用与面临的问题，以及基于纳米材料的电催化剂的研究现状与技术瓶颈；其次，从该论文研究的具体纳米材料出发，讲解制备该纳米材料涉及到的具体方法，使学生深刻认识每一制备步骤的目的与具体过程，拓展相关纳米材料的基本知识；再次，按照该论文中结果与讨论部分内容的图表顺序，在剖析纳米材料的形貌与结构的同时，详细讲解相关表征方法，例如扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、X-射线衍射仪、X-射线光电子能谱仪、能量分散谱仪、波长分散谱仪、俄歇电子谱仪、拉曼光谱仪等大型分析测试仪器的原理与应用，以及相关测试结果的分析方法，并结合仪器使用的视频教学，利用多媒体教学适当介绍相关的科学发展史，让学生能够直观感受，加深对教学内容和相关知识的理解。此外，还组织学生实地参观大型测试分析仪器，深入了解大型仪器的原理与应用，增长学生的眼界，培养学生对科研工作的兴趣，以进一步提高教学质量、因材施教达到人才培养教学目标。最后，以该论文中的纳米材料为例，讲解纳米材料的优异性能与应用，使学生深刻理解纳米材料结构与性能之间的构效关系，掌握科技文献的阅读方法，为学生打开科学研究的大门，展示处于宏观与微观领域之间的介观领域的新奇世界，拓展学生的知识面与眼界，激发科研兴趣，做好本科教与研究生教学之间的衔接，为学生后续深造奠定基础。

在学生的成绩考核方面，除了最后的考试外，还可让每位学生讲解一篇与纳米材料相关的科技文献，以考察“研究性”教学模式的改革效果，评价学生对纳米材料相关知识的掌握程度，这部分可占总成绩的30%。

3 结语

本文从《纳米材料》课程的特点与教学中面临的问题出发，提出将“研究性”教学模式融入该课程的教学中，结合授课教师自身的研究方向，将研究性教学理念贯穿于课堂教学中，选取若干纳米材料领域最具代表性的科学研究论文，将纳米材料的制备、表征、性质与应用贯穿起来，以科学研究的角度讲解《纳米材料》课程中的具体知识点。通过教学改革，既可以使学生了解纳米材料的新理论、新技术、新应用和把握纳米科技发展的前沿趋势，又可以将理论和实践结合起来，通过实地参观大型测试分析仪器，深入了解大型仪器的原理与应用，拓展学生的眼界，培养学生对科研工作的兴趣和科研创新能力，为学生后续的继续深造奠定基础，以达到提高教学质量、因材施教达到人才培养教学目标。