纳米材料学课程文献引导法教学探索
庞越鹏 郑时有
（上海理工大学材料科学与工程学院 上海 200093）
摘 要 纳米材料学是新世纪材料科学专业的重要课程之一。本文分析了纳米材料学课程的特殊性，包括新兴性、热点性、交叉性和实践性，发现文献引导教学法能够非常好地与纳米材料学课程相契合，随后结合教学实践给出了文献引导法教授纳米材料学课程的建议。
关键词 纳米材料学 文献引导教学法 教学改革
0 前言
纳米科学主要研究的是至少一个尺度在100纳米以下物质的制备及其特性，是本世纪的三大高新学科之一。纳米科学综合了许多相关学科（如物理、化学、生物）的先进成果，是一门前沿的交叉性学科。近几十年是纳米科学迅速发展的黄金时代，产生了一大批已经或者即将造福人类的研究成果，如大规模集成电路、高灵敏传感器、抗癌药物等。纳米科学的基本载体是纳米材料，纳米科学的最核心问题是如何制备出结构、尺寸可控且均一的纳米材料。为了紧跟时代脚步，培养与时俱进的材料科学与工程专业的人才，纳米材料学这门课程逐渐成为了材料科学与工程专业的重要课程之一。[1]但是，由于纳米科技起步晚、发展快、重要性大，使纳米材料学课程具有特殊性。这些特殊性导致若仍采用传统的教学方法，无法很好地完成教学目标。因此，需要采用更加有针对性的的教学方法，让学生对相关知识点有更深的认识和理解的同时，也能具备一定的创新能力，有助于其将所学知识融入科研或者生产实践中。[2]本文结合教学实践经验，着重讨论了文献引导教学法在纳米材料学课程中的应用。
1 文献引导法教学与纳米材料学课程特点的匹配分析
纳米材料学是一门新兴学科。纳米科技的诞生不过几十年的时间，人类对纳米材料的认识还在快速发展中，相对不够成熟，甚至有些学术观点还存在一定的争议。例如对于纳米材料具有特殊物理化学性质的原因，学术界的认识还在不断自我否定、自我突破。从最初的表象认识发展到目前的四大效应，即“表面效应"“小尺寸效应"、“量子尺寸效应"和“宏观量子隧道效应"，在未来肯定还会新的理论提出，如有研究者尝试从化学键的角度探索纳米材料的特殊性质来源。这就导致目前关于纳米材料学还没有足够权威的教材资料，采用传统的教学方法很难达到教学目的。因此采用文献引导法，可以将原汁原味的最新知识介绍给学生，让学生自己理解和领会，避免教材中知识的滞后性和不客观性。
学习电解原理时,有较多同学会有“电解时阳极上一定是阴离子放电(或者阳离子不会在阳极上放电),阴极上一定是阳离子放电(或者阴离子不会在阴极上放电)”的错误认识,带着这种错误认识去解决有关电解问题,在思考过程中会走很多弯路,甚至引来不可避免的错误。实际上,电解过程中,阴极上有电子流入(外电源负极上电子流向阴极),此时阴极相当于是极强的还原剂,多种微粒会被还原(绝不仅仅是阳离子才可以在阴极上被还原);相应地,阳极要流出电子(这些电子流向外电源正极),此时阳极相当于强氧化剂,多种微粒会被氧化(绝不仅仅是阴离子才可能在阳极上被氧化)。
激光能量大小主要影响单位时间内产生的气溶胶颗粒的多少以及气溶胶颗粒传输到等离子体过程中的表现，从而影响信号强度。分别以不同百分比(80%～100%)的激光能量强度进行测定，每个百分比重复测定5次，得到样品中63Cu信号强度平均值及其相对标准偏差(RSD)，结果如图1和图2所示。由图1和图2可见，随着激光能量从80%逐渐增加到100%，63Cu的信号强度逐渐增加，其相对标准偏差逐渐降低。这可能是因为激光能量越高，单位时间内剥蚀量越大，产生的气溶胶颗粒越多，因而信号强度会越高；激光能量越低，样品不能充分的被剥蚀产生稳定数量的气溶胶颗粒，因而信号相对标准偏差越大。故选定100%能量强度为能量参数。
纳米材料学是一门热点学科。纳米材料学是学术界公认的热点研究领域，也是世界各国也大力推动纳米材料的开发和应用。以纳米材料为关键词 进行检索，可以看到每年的论文发表数量是呈现指数增加的。2016年就有92767篇SCI论文发表。特别地，虽然没有权威统计，但学术界普遍认为，中国学者在纳米材料学领域发表的论文数量是世界之最，很多大学都成了专门从事纳米研究的院/所。这说明，纳米材料学每天都有大量的最新研究成果发表，纳米材料相关新知识的创造速度和数量非常惊人。同时，我国是一个纳米科技大国，几乎每所高校和研究所都有开展纳米研究的团队。这就意味着，纳米材料学的大量知识都集中在最近几年的文献中，纳米材为学课程的教学需要将最新的研究成果包括在内，而学生们很容易在所在学校获取最新的纳米材料学的相关知识。
纳米材料学是一门交叉学科。纳米材料学涉及到的非常多的学科，与物理、化学、生物三个大的理工学科都密切相关。如纳米材料的制备有物理气相沉积法、光刻法（物理相关），化学气相沉积法、溶胶凝胶法（化学相关）和生物模板法、生物合成法（生物相关），纳米材料的应用有大规模集成电路、太阳能电池（物理相关），有锂离子电池、电催化（化学相关），也有抗癌药物、人工器官（生物相关），这就意味着纳米材料学课程中的知识点会繁多而且庞杂，需要大量的预备知识。但实际上，学生在学习纳米材料学课程之前，一般只能对本专业的相关知识基本理解，不可能全面掌握所有预备知识。因此，纳米材料学课程需要针对不同的学生因材施教，根据学生的知识背景有选择性地进行教学。
“预防腰椎管狭窄症，第一，要保持正确的坐姿，要坐直，腰不能弯着。第二，不能躺卧看电视或者玩手机，因为躺着的时候，你要么屈颈，要么屈曲胸椎和腰椎，否则的话你是看不到电视的，在这种情况下腰椎的稳定性特别不好，得腰椎管狭窄症的几率就更大一些。第三，我们要用正确的姿势搬运重物，要直腰、屈髋、屈膝来把重物搬起，而不是直腿弯腰，搬运重物时不正确的姿势会造成腰肌的扭伤或者劳损，也会增加腰椎管狭窄症的风险。第四，我们要积极锻炼腰背肌，主张做小燕飞或是游泳。其他的运动锻炼对身体也有好处，但是对腰背肌作用很小。”
2 纳米材料学的文献引导教学法经验
中间40%左右的课时让学生进行主题报告。每组学生3-5人，主题是特定维度、特定制备方法和特定应用方向的纳米材料，如零维TiO2光催化材料、一维静电纺丝电催化材料、二维石墨烯锂离子电池负极材料、三维介孔分子筛药物靶向释放材料等。主题报告要求是时间30分钟，内容完整且有一定深度，引用文献5篇以上，同时，报告后要求其他学生针对报告内容提问，包括制备机理，应用前景等。若学生的科研基础较差，可给予每组一篇相关领域的中文综述作为参考，学生可以在综述中寻找感兴趣的点，然后根据相关的参考文献确定报告的主题和思路。该部分是文献引导教学的难点，在教学实践中，可能存在学生文献阅读困难、参与积极性不高、演讲能力和信心不足等问题，需要教师给予学生足够的辅导和鼓励。例如，针对文献阅读的问题，可以对科技论文写作的一般规则先进行讲授；针对参与积极性不高的问题，可以适当将平时成绩的评定与主题报告质相挂钩以激发学生的积极性；针对演讲能力和信心不足的情况，可以多给学生讲授一些演讲的技巧，多鼓励，少批评。
前10%左右的课时开展纳米材料学最基础知识的讲授。纳米材料学的关键词 是纳米，基本的问题就是研究材料在纳米尺度下的制备和特殊性能，其核心知识点是表面能，包括表面能的来源和计算方法，以及表面能随材料尺寸的变化规律，大自然是如何试图降低材料的表面能的，以及人类可以利用哪些手段去避免纳米材料的长大；还涉及一部分交叉学科，如量子力学、物理化学等知识。因此，在较短的授课时间里，很难完全讲授清楚所有的基础知识，需要视学生的前期知识储备情况进行课程微调，以保证学生能够高效获取知识。虽然课时短，但这部分最基础知识点的讲授要足够系统和深入，为后面文献引导教学打好基础。
纳米材料学是一门实践学科。纳米材料学的关键是纳米材料的制备，而纳米材料的制备对工艺的敏感性非常高，如原料、温度、压力、时间等参数的微小变化都会导致最终产物微观形貌的巨大变化。[3]除了扎实的理论功底，纳米材料的可控制备还需要丰富的实践经验才能实现。文献就是一个个具体案例，明确给出了所研究材料的具体工艺，大量文献的阅读可以让学生对纳米材料制备有一个初步的认识。另外，纳米材料是广泛应用于人类生活中的，与我们的生活息息相关，文献中不仅报道了目前已有的纳米材料应用，还有很多前沿的未来应用研究，可以让学生对于纳米材料的应用有更为全面和前瞻的认识。
随后40%左右的课时对学生的主题报告进行查漏补缺。学生的主题报告一般在原理方面的讲解会有不足，需要教师针对各主题的基础理论进行深入的讲授。如对于零维纳米材料，其制备过程需要对新相的形核和长大速率进行严格的控制，这就涉及到固态相变的热力学和动力学的相关知识；对于一维纳米材料，其制备大多与各向异性生长有关，这就涉及到晶体学和择优生长的相关知识；对于二维纳米材料，其制备往往是在基底上进行沉积的过程，这就涉及到异相形核和气相反应的相关知识；对于三维纳米材料，其制备手段一般杂糅了其他各维度的方法，这就涉及到不同制备工艺的机理普适性和相容性的知识。同时，学生的主题报告可能没有把握住最主线和最前沿的研究成果，需要教师将该主题的脉络给学生梳理清楚，明确该主题的未来发展方向。该部分内容需要教师全面且充分的备课，因为学生主题报告中出现的错误和遗漏是无法预估的。
最后10%左右的课时开展实验，即重复文献中纳米材料的制备。需结合本实验室的条件，选取几个相对简单且快速的纳米材料制备方法，如溶剂热法、溶胶凝胶法等，让学生重复相关文献纳米材料的制备。随后通过扫描电子显微镜观察所制备样品的微观形貌，判断是否获得与文献相一致的实验结果。该实验的目的并不是要求每位学生都成功，而是希望通过对实验结果进行对比分析之后，让学生自己总结出实验失败的原因，能够切实体会到纳米材料制备的复杂性和困难性。该部分也可作为平时成绩的重要指标。
3 总结
纳米材料学课程的新兴性、热点性、交叉性和实践性决定了该课程非常适用文献引导教学法。纳米材料课程的文献引导教学法可以包括基础理论讲授、学生主题报告、教师查漏补缺和重复文献实验四个环节，不仅可以覆盖所有知识点，还可以调动学生积极性和热情，加之少量的实践环节，可以让学生全方位地领会纳米材料学的精髓。
参考文献
[1]刘东青,余金山,祖梅.《纳米材料》本科课程教学探讨[J].高教学刊,2017(11).
[2] 李洪苹,陈贝贝.纳米材料课程设计与教学探索[J]科教导刊,2014(11).
[3] 刘晓芳,叶金蕊,李松梅,于荣海.基于特色实验课程的双创人才培养方案研究——助力“纳米材料"教学篇[J].继续教育,2016(3).
Exploration of Document Guidance Teaching in Nanomaterials Course
PANG Yuepeng,ZHENG Shiyou
(School of Materials Science and Engineering,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093)
Abstract Nanomaterials science is one of the important courses ofmaterial science in the new century. In this paper, the particularityof nanomaterials course is analyzed, including its emerging, hot spots, cross-cutting and practicality. It is found thatthe literature-guided teaching method can fit well with the nanomaterials course. Then, combining with the teaching practice,some suggestions on teaching nanomaterials course by the literature-guided teaching method are given.
Keywords Nanomaterials science;document-guided teaching method;teaching reform
中图分类号 ：G424
文献标识码： A
doi: 10.16400/j.cnki.kjdks.2019.04.042
课题来源： 上海高校特聘教授（东方学者）计划和上海高校外国留学生英语授课示范性课程建设项目
标签：纳米材料学论文; 文献引导教学法论文; 教学改革论文; 上海理工大学材料科学与工程学院论文;