基于实践的纳米材料学教学研究

施敏杰，华汇慧

（江苏科技大学，江苏 镇江 212028）

0 引言

与物理、数学等单独学科不同，材料科学是一门交叉学科，其涉及面十分广泛，很难对材料学的研究对象予以明确定义[1-2]。但材料科学是一门基础学科，其重要性不言而喻。国家在大力发展材料科学的同时，也逐步加大对纳米材料科学教育的投入和发展，相继在其领域形成了完备的人才培养体系，如纳米材料制备、纳米结构材料应用、纳米的普学研究等。纳米材料学科的创新伴随着新理念和新思想的诞生，随着纳米材料学科发展，其科研、教学均获得了较大的成绩，从系统性、梯度性、多维性、实践性等多角度形成体系，并对人才培养起到了良好作用[3]。然而，纳米材料学不仅是基础学科，还注重工程实践性，涉及材料的制备和使用，在缺乏实践的环境下，如何推动发展该学科的教学工作是当前教育工作者关注的重点问题。

目前就业形势要求在人才培养上做到“懂理论、能实践、会创新”，基于材料科学的特点，文章将从纳米材料学特点、教学特征方面出发，分析当前的教学现状和学科发展现状，并结合实践构建理论与实践结合的学科体系。

1 纳米材料学科特点

纳米材料学科是凝聚态物理与胶体化学等综合在一起的交叉学科，具有广泛的科研应用前景。其要求学习掌握基本的纳米材料物、化知识理论，又需要具备实践上的创新与应用，能够解决现实需求问题。在纳米材料学当前的就业环境下，对学生在专业制备、结构性能分析以及材料开发与应用上的能力要求越发提升，这就需要在教学过程中通过实践教学着重进行培养[4]。纳米材料研究至今，已发现其具备一些重要特性，包括材料表面与界面效应、小尺寸效应及一些伴生的光学特性。在工业应用领域，材料的表面与界面效应被应用于分离、催化、乳化等等，因此可利用其物理、化学活性特点开展符合工业生产需求的工艺处理；小尺寸效应对纳米材料产生光、热、磁、导等方面的影响，并广泛应用于各类集成电路、物理实验；光学上，纳米材料对光的散射、吸收及转换也被运用于生物领域和有机化学领域。因此，纳米材料学从基础理论到应用探索，可细分为不同方向，从理论到实践的第一步是对纳米材料进行制备。在纳米材料制备中，往往通过物理或化学方法进行，已有较为成熟的方案，可充分利用热能、压力、真空、结晶、气凝等多种物理方法，也采用稳定剂参加化学反应来制备。在进行教学时，或多或少会受到教学条件限制，无法开展较为全面的制备学习实践。同时，实践教学的人才培养模式难以满足当前产业发展速度要求的创新及竞争力需求，因此在人才质量、人才数量上还有很大提升空间，特别是针对纳米材料学这类以理论为基础，以工程实践为核心的综合性学科。

整体情况上，纳米材料学的实践教学呈现了如同其学科一般的交叉特点，具体表现在以实践教学为核心目标，受课程体系、教学方式、师资力量、软硬件条件影响，且其本质是受教育大环境下的实践教育观点、创新人才培养体制、教育资源的分配及产学研合作力度影响的，呈现了较为复杂的特性。所以在开展这一学科的实践教学时，不得不认真分析其教学特征，以找到最适合实践教学发展的方法。

2 纳米材料学教学特征

纳米材料教学大纲涵盖了其发展简史、材料的重要特性、材料的制备、结构分析、晶体学、磁学及光电学，同时还应对重要的纳米材料进行专门讲解，再通过现有的材料应用案例进行剖析，以形成从理论到实践的全程教学。其教学目的是对纳米材料知识进行了解，并拓宽学生在专业上的知识面，为今后从事相关行业的工作和科研打下坚实基础，并从概念、性质、性能以及制备等方面了解纳米材料的实际应用。

从教学内容上看，纳米材料在基本概念、研究方向、研究手段以及发展历程都做了详细的描述，可让学生从点及面，逐步了解。同时对材料的结构分析和性能分析，有助于学生掌握现有纳米材料的一般特性，并学会归纳总结，加深其对学科的认识理解。此外，教学内容中涉及了纳米材料的各类物、化特性，能够让学生从宏观角度理解纳米材料的研究价值、涉及的纳米材料结构特征及观察，能够让学生从微观角度理解各类结构的特征及其用途。在理解基本概念后，教学大纲一般要求开展一些常见的纳米材料制备方法及其基本特性，在此阶段占据一半以上的教学时长，因此作为实践环节，此阶段是开展实践教学的重要组成，决定了学生是否能形成体系化的纳米材料知识体系。物质层次划分的教学内容，往往是纳米材料学科的教学重点和难点，而结合实践的讲解能让学生从直观角度观察微观的纳米材料特性，逐步掌握相关理论知识。

从教学考核上看，从单一的以考试成绩为核心的教学考核指标，逐步发展成全景式精准教学考核评估，其包括了对教师的教学管理能力、学生的学习管理能力及学科创新发展能力等多维度考核。在教学管理能力考核上，通过课前、课中、课后三个阶段进行考核。如课前开展教学计划考核，通过对教案、课堂教学内容、教学质量、学生反馈情况、学生考试成绩等方面综合评定其计划完成情况，并以此确定课前教学管理能力。课中根据月度检查表检查备课质量以及课堂行为、教学效果，明确是否按照既定教学目标、教学重点、教学过程及方法执行，最终再根据学生评测结果综合评定其课中考核结果。课后则依托于课后作业，包括实践和非实践类作业，从数量、质量上综合考量，开展学期中、末的考试与质量评定，并依据计划、总结最终形成该学科的考核情况。由此可见，开展纳米材料学科考核评定，最重要的是计划与执行，采用多元化方式开展综合性的教学考核，与培养复合型人才的目标一致性强，有助于教师、学生双方积极参与课程，并明确课程学习成果，有序完成既定计划。

3 基于实践的教学构建

为了建立基于实践的纳米材料学教学体系，需从构建的目标、基础以及模式上展开工作，明确最终的人才培养目标和实现这一目标所需的硬件、软件资源，最终通过创新模式形成独特的教学体系。

3.1 构建的目标

纳米材料学从三个维度进行阶段目标构建，而总体目标是培养具备扎实理论、动手能力、创新思维的复合型人才。在第一阶段的维度是知识与技能目标。知识与技能目标是依托当前纳米材料学发展的前沿技术和知识，创建纳米材料历史发展、材料的制备技术、材料的结构探究、特殊材料的合成技术、材料的物、化特性以及一些材料的实际应用场景。因此，在这一阶段的主要工作是将事实性知识、概念性知识、程序性知识、元认知知识进行理解记忆并分析应用。教师在开展教学时要以此为主线，构建阶梯式的课堂教学内容，并在课堂上延申展开，引入实践环节。例如在开展纳米材料的制备教学时，介绍一些依靠物理、化学方法能进行制备的纳米材料，并深入其原子特性，逐步结合物理和化学基础知识，完善学生对材料制备原理的理解，再结合加热制备、气凝制备等常见的方法开展实践教学，让学生积极参与到实践活动，并不断巩固其理论知识，此时的理论和实践课时比例可按一比一设置。当介绍等离子体方法制备纳米材料时可以结合制备的视频从理论到实践进行讲解，减少因实验条件缺乏导致的知识抽象问题，大幅完善了学生的直观体验。在第二阶段的维度是过程与方法目标，即将知识进行建模，按照学生掌握的知识进行自主分析、分类与总结。如在每一章节知识学习完成后，开展基于实践的知识分析，通过已有知识体系，举一反三研究其余纳米材料是否具备这些特性，并通过实践进行归纳总结，可通过小组任务开展的方式执行这一过程，也让学生在实践过程中逐步掌握讲授的方法，并形成其独特的学习思路。仍然以材料制备为例，通过物理和化学制备，让学生能掌握由上至下和由下至上的制备分类，当采用机械或物理方法进行尺寸缩小时，可认为是由上至下的制备过程，且这一过程要求材料必须具备某一维度的纳米尺寸特性，当采用原子、分子级别的材料制备时，大多采用化学方法进行沉积、乳化等方式制备。学生通过多次自主引导实践，完全可以不通过教师的讲授掌握这一归纳原则，效果要强于直接讲授。在第三阶段的维度是意义与价值目标，即学有所用，学有所成。在进行教学活动后，学生不光需要获得成绩上的正向反馈，还需要得到价值反馈，这便是在最后一阶段明确的价值目标。

3.2 构建的基础

构建基于实践的纳米材料学教学需要具备一定的硬件及软件基础。在硬件方面，可以通过教学改革契机采购相应的专业设备、建立专业的实验室等方法，让实践课程具备硬件基础，并通过设备共享、对外开放引进、对外交流等方式不断进行硬件补充，最终将有限的资金、资源不断整合，通过经济核算让设备产生最大价值。也可以通过科研形式，参与到大型科研项目中去，为项目输送人才，并依托专业特色获得基金支持，减少因资金问题导致的硬件条件不足。在软件方面，可以通过吸收、培养、引进、交流等方式，逐步形成专业的纳米材料学科研、实践团队，并建立“双师”型人才培养体系，在校内发展一批学科骨干，并带领团队不断朝市场需求的人才培养模式上迈进。同时，开展形式多样的实践交流活动，如举办创新大赛、校企奖学金等，通过对专业学子的正向引导，不断提升其实践参与的积极性，并在活动中加深校园内部、校与校之间、校企之间的合作交流。最终，通过软件、硬件的提升，打造良好的纳米材料学人才培养环境。

3.3 构建的模式

要实现以实践为基础的纳米材料学教学，必须构建相应的实践型教学模式。首先，树立现代教学的理念，即以创新人才培养为目标，以学生为本的核心理念，以市场为导向的培养方法。需从行政管理改革、教学改革、校园环境打造三个方面分别执行，让管理人员、教师服务于此目标，让学生明确其学习目标。其次，要突破课堂，创建生活渗透的泛在式教学模式，让教学的本质回归为学生自主学习，改变传统教师主导的教学观点，在教学过程中通过与学生的互动交流，双向传导知识，并调动学生积极性，主动参与实践并获得正向激励，实现以兴趣为导向的快乐学习模式。在课堂教学完成之后，将作业引入生活，并实现以应用为导向的课后知识巩固，如让学生自主收集多种制备纳米材料的方法，并依托开放性实验室，让学生随时可以进行实践验证。最后，建立基于学生社交途径的知识传播路径，如：校园微博、公众微信等，将知识碎片化，同时在线上组织学生开展实践相关的专业活动，以此融入学生的课后生活，实现泛在学习。

4 结语

由于纳米材料学是一门新兴的交叉学科，要实现其基于实践的教学体系构建，必须从思想观念上形成统一，即培养符合市场需求的创新型复合人才。要从学科特点上分析其教学痛点，并结合硬件、软件资源的补充整合，形成以学生为本的人才培养环境。在当前的材料学发展环境下，掌握纳米材料技术是许多行业突破创新的重要切入点。所以，要结合市场发展与需求，不断完善当前的人才培养模式，提升纳米材料学的专业竞争力和师资水平，才能对学科创新起到促进作用。最后，改革其学科考核评价体系也是学科发展的重要保障。