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（国防科学技术大学 航天科学与工程学院，湖南 长沙 410073）
摘 要：纳米科技的基础是纳米材料，在本科生中开展《纳米材料》公共选修课程的教学工作，对于学员获取科学知识、提高综合能力素质具有重要意义。文章首先对《纳米材料》课程进行简单介绍，然后从《纳米材料》课程定位与教学目标制定、教学内容的设置、教学方法和理念的探讨等方面进行了阐述。
关键词：纳米材料；课程目标；教学理念；本科教学
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）11-0084-02
Abstract： Nanomaterial is the foundation of nanotechnology. Carrying out undergraduate course education of nanomaterial plays an important role in knowledge acquisition and comprehensive abilities. In this paper， nanomaterial course is simple presented firstly. Then the location of course objectives， selection of course content and investigation of educational concept are discussed.
Keywords： nanomaterial； course objectives； educational concept； undergraduate education
前言
納米科技是在纳米尺度（1～100 nm）上研究物质的特性和相互作用，同时利用这些特性在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的多学科交叉的科学和技术。纳米科技最先是美国物理学家Richard Feynman于1959年在《底部还有很大的空间》的报告中提出的。经过多年发展，纳米科技与信息科技、生物科技一起被公认为21世纪的三大高新科技，带动了许多相关领域的迅猛发展[1]。纳米科技在引发人类认知革命的同时，将引发一场新的产业革命，是目前及以后很长时期内科学研究的前沿和热点。
纳米材料是物质结构在三维空间中至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元构成的且具有特殊性质的材料，是整个纳米科技的基础，也是未来社会发展重要的物质基础。纳米材料研究把人们对于自然的探索、知识的创新延伸到了介于以人类活动空间为代表的宏观和以原子、分子为代表的微观之间的介观领域[2]。同时，纳米材料也是一门多学科交叉的科学，涉及物理、化学、材料等学科门类中的多个具体研究领域。把《纳米材料》课程作为全校自然科学与工程技术系列的本科公共选修课，对于学员自然科学知识的融会贯通以及对世界认知层次的提高具有重要意义。通过本课程的学习，可使学员了解纳米科技的前沿发展动态，掌握纳米材料的基本概念和基本特性，了解常见纳米材料制备和测试技术，进一步拓宽学术视野，为更高层次的学习和研究工作奠定坚实基础。
一、课程目标定位
（一）获取科学知识
本课程重点讲述纳米材料有别于常规材料的基本效应并详细阐述了尺寸效应对对材料物理和化学性能的影响。这里面涉及到热学、电学、光学、磁学、热学、力学等学科的基本原理和知识以及它们在纳米材料中的应用，通过学习此章节，不单让学员学习到了新的纳米材料的知识，而且巩固了在大学物理等课程中学到过的知识。本课程介绍纳米材料的定义和分类，学习常见纳米材料制备方法，学习纳米材料分析和测试方法，这对于材料、物理、化学、机械等专业的学生来讲是打下了一个很好的专业基础，所获取的纳米方面的知识对于他们将来更高层次的学习和工作将发挥重要作用。在本课程中不但可以获取自然科学的知识，而且可以获取达到科学技术发展史方面的知识。通过分析纳米材料发展的历史，可以更加清晰的认识整个纳米科技甚至是近代科学技术的发展特点和规律，这对于提高学员们的人文素养不无裨益。
（二）培养创新方法
纳米科技发展到今天，纳米材料研究进入到今天这个研究领域和研究层次，有很多科学大师做了大量开创性和颠覆性的工作，通过本课程去感受纳米创新的魅力，对于我们今天开展创新性的研究工作具有很强的借鉴意义。本课程对于那些颠覆现有技术和知识而做出开创性贡献的科学家及相关知识点会重点讲授，这对于培养学员的创新精神，汲取创新方法具有重要的现实意义。如二维纳米材料石墨烯的发现过程，本课程在讲述纳米材料类型时进行了介绍。在最初时科学家认为二维晶体是不可能稳定存在的，而石墨烯的发现者们敢于向现有知识挑战，不囿于现有知识，采用简单的方式颠覆了人们对于二维材料的惯常看法，并最终获得了诺贝尔奖。课程采用课内多媒体教学和研讨等方式，以课堂讲授、讨论及调研相结合的教学模式，学习纳米材料创新发展的过程，进一步增强学员的创新意识，了解材料科学的创新方法。让学员在本课程知识传授的过程中慢慢体会进行科学创新的思路与方法，培养学员勇于创新、敢于创新的求知热情和打破常规、颠覆现有的科学思维能力。
（三）提升认知层次
纳米材料是我们肉眼看不到的领域，而现在我们已经有很多“眼睛”可以直接和间接的去感知这个奇妙的世界，甚至可以去操纵原子，形成我们所需要的图案。纳米材料课程学习使我们的关注点从肉眼可见的宏观世界转移到介观的纳米世界，提升了我们对于客观世界的认知层次。2013年，IBM 科学家宣布他们采用原子制作出世界上最小的电影，所采用的技术就是本课程中讲授的扫描隧道显微镜技术。在课堂上通过展示此微电影视频，可以让学员对于纳米世界有更直观的认识，对于纳米的魅力有更深切的感受。本课程在提升学员客观认知层次的同时，对提高学员的主观认知层次也具有重要意义。纳米材料是当今材料科学界最前沿研究领域，其新颖的结构、优异的性能与广阔的应用前景能激起学员对科学技术领域最前沿发展方向浓厚的兴趣。通过课程学习，可激发学员热爱科学技术的热情，树立科技改变社会的理念，并投身于科学传播的事业中，让科学流行起来，提高全社会的科学意识和创新意识。 二、教学内容设置
纳米材料涵盖的内容非常丰富，而且纳米材料知识更新速度很快。如何在有限的学时内合理设置教学内容对于本课程的建设非常重要。纳米材料按化学组成、材料物性或者是应用等可以分成不同的类别，其可以是金属、半导体，也可以是复合材料[3]。而且，纳米材料既有很深奥的涉及到量子力学的理论知识，又有浅显易懂的纳米材料制备方法的介绍。鉴于本课程是本科生的公共选修课，而且选修学员不一定具有材料学背景，所以如何设置教学深度也是一个重要问题。在有限的课堂教学时限内，不可能详细讲解纳米材料所包含的所有内容，也不可能涉及纳米材料很深层次的理论知识，因此必须对教学内容进行选取，突出重点，兼顾广度和深度、基础和前沿，以点带面，起到事半功倍、授人以渔的效果。通过统筹考虑，开设的《纳米材料》课程的教学内容主要包括以下五个方面。
（一）概述
从纳米尺度的概念出发，介绍纳米科技的发展历程，引出纳米材料的概念。主要介绍纳米材料的内涵、类型和应用前景，使学员掌握纳米材料的基本概念、研究领域，熟悉常见的纳米材料及其应用前景。并根据纳米材料的发展情况与学员的兴趣开展相应讨论，激发学员学习纳米材料的热情。
（二）纳米材料的特性
这部分是本课程的重点讲述部分，首先介绍纳米材料的表面效应、尺寸效应和量子效应，然后逐个介绍纳米材料基本效应对材料热学、电学、光学、磁学和化学性能的影响。使学员掌握纳米材料基本效应，理解纳米材料在纳米尺度内的基本效应对材料结构、形貌和性能的影响，引导学员主动思考。
（三）纳米材料的制备
首先介绍纳米材料两种主要的制备思想，即Top-Down方法和Bottom-Up方法，然后分别介绍纳米颗粒材料、一维纳米材料、二维纳米材料的制备方。这部分内容是使学员熟悉各种常见纳米材料制备方法，重点理解制备纳米材料的过程与机理，为学员以后开展相关方面的研究工作或者学习奠定坚实的基础。
（四）纳米结构材料
纳米结构材料是本课程比较容易混淆也是比较难理解的一个概念。这部分首先介绍纳米结构材料的内涵，并对每种类型的纳米结构材料进行简要介绍，使学员对这个概念有一个准确的直观认识。然后介绍纳米固体材料的力学性能和制备方法，最后介绍纳米复合材料的特性和制备。
（五）纳米材料的表征
主要介绍纳米材料的形貌、结构、成分和界面分析表征方法以及先进的FIB纳米分析与加工技术的特点，使学员熟悉常见纳米材料研究工具及实验方法，了解各种测试仪器的优缺点和适用范围。
三、教学理念探讨
由于纳米材料课程所涉及的知识涵盖面非常广、更新速度也很快，为提高本科教学质量，除了对教学内容进行合理设置外，更为重要的是还需要采用先进有效的教学方法和教学理念。以下就是对本课程教学理念的有关探讨。
（一）结合史实和实例，讲清基本理论知识
纳米材料容易使学员感觉内容枯燥、理论抽象等问题存在。因此在课堂讲授上，可通过结合一些学员感兴趣的史实和实例，讲清概念由来、概念内涵和基本原理，引导学员去主动思考，充分调动学员的学习兴趣和和主观能动性。例如在讲解纳米材料概念时，讲述胶体的发现历史，从而使学员对纳米尺度的概念由更深的理解。又如，在讲授纳米材料性质时，提出为什么采用蒸发方法制备不同厚度纳米薄膜时会呈现出不同的颜色的问题，从而表现出纳米材料与光的相互作用，揭示出纳米材料随颗粒尺寸的变化而引起其他变化的原因。再如，讲解纳米材料应用时，从在自然界动物中的应用和在历史上的应用讲起，学员不但了解了应用领域，而且对其基本原理也有了更深的了解。
（二）结合具体科研工作，理论知识与实际应用有机结合
纳米材料是一门开放性的课程，它的内容不是一成不变的。随着纳米材料研究的深入，新的理论、新的材料会不断涌现，这就要结合具体的科研工作，对课程内容进行更新扩容。同时，了解基本理论后，还要使学员感觉出学有所用，通过列举平常直观的应用实例进行阐述，进一步促进学员学习的积极性，加深理论的理解。例如，纳米材料在做催化剂时，表现出比其相应的块体材料更高的催化活性。究其原因，也是由纳米材料的特性决定的，如比表面积大、表面反应活性位点多。通过理论与实际应用的结合，引起了学员的兴趣，让学员从被动接收知识的状态转变为主动接收知识的状态，有助于教学质量的提高。
（三）布置讨论性和开放性课题，强化教学内容理解
在课堂上除教员讲授外，可充分调动学员的积极性，布置一些讨论性课题供学员们讨论，甚至可以尝试翻转课堂模式，让学员们走向讲台，表达他们对纳米材料的理解，激发创新火花。此外，作为课堂教学内容的补充，在每一章基本内容讲解结束后布置一定量的开放性习题，加深对基本知识的理解，强化理论和实际应用，同时拓宽学术视野，了解纳米材料科学前沿的发展动态，扩大知识面。课外习题以查阅文献资料、调研为主，通过对文献资料的理解，尽量加入学员自己的见解，帮助学员进一步理解和掌握重点、难点和疑点，提高他们的自学和分析问题的能力。
四、结束语
纳米材料涉及范围广，发展日新月异，开展《纳米材料》课程教学，不仅仅是传授纳米材料的基本专业知识，更重要的是培养学员的学习方法和学习兴趣。本文结合《纳米材料》课程的特点，对课程教学目标定位、教学内容设置以及教学理念进行了探讨。《纳米材料》课程先进的教学理念能调动学员学习的主观能动性，使学员不仅掌握纳米材料相关专业知识，而且能够初步运用所学相关知识分析问题、解决问题，提升自己的认知层次和综合素质。
参考文献
[1]白春礼.纳米科技及其发展前景[J].新材料产业，2001，4：8-11.
[2]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.
[3]李群.纳米材料的制备与应用技术[M].北京：化學工业出版社，2010.
摘 要：纳米科技的基础是纳米材料，在本科生中开展《纳米材料》公共选修课程的教学工作，对于学员获取科学知识、提高综合能力素质具有重要意义。文章首先对《纳米材料》课程进行简单介绍，然后从《纳米材料》课程定位与教学目标制定、教学内容的设置、教学方法和理念的探讨等方面进行了阐述。
关键词：纳米材料；课程目标；教学理念；本科教学
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）11-0084-02
Abstract： Nanomaterial is the foundation of nanotechnology. Carrying out undergraduate course education of nanomaterial plays an important role in knowledge acquisition and comprehensive abilities. In this paper， nanomaterial course is simple presented firstly. Then the location of course objectives， selection of course content and investigation of educational concept are discussed.
Keywords： nanomaterial； course objectives； educational concept； undergraduate education
前言
納米科技是在纳米尺度（1～100 nm）上研究物质的特性和相互作用，同时利用这些特性在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的多学科交叉的科学和技术。纳米科技最先是美国物理学家Richard Feynman于1959年在《底部还有很大的空间》的报告中提出的。经过多年发展，纳米科技与信息科技、生物科技一起被公认为21世纪的三大高新科技，带动了许多相关领域的迅猛发展[1]。纳米科技在引发人类认知革命的同时，将引发一场新的产业革命，是目前及以后很长时期内科学研究的前沿和热点。
纳米材料是物质结构在三维空间中至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元构成的且具有特殊性质的材料，是整个纳米科技的基础，也是未来社会发展重要的物质基础。纳米材料研究把人们对于自然的探索、知识的创新延伸到了介于以人类活动空间为代表的宏观和以原子、分子为代表的微观之间的介观领域[2]。同时，纳米材料也是一门多学科交叉的科学，涉及物理、化学、材料等学科门类中的多个具体研究领域。把《纳米材料》课程作为全校自然科学与工程技术系列的本科公共选修课，对于学员自然科学知识的融会贯通以及对世界认知层次的提高具有重要意义。通过本课程的学习，可使学员了解纳米科技的前沿发展动态，掌握纳米材料的基本概念和基本特性，了解常见纳米材料制备和测试技术，进一步拓宽学术视野，为更高层次的学习和研究工作奠定坚实基础。
一、课程目标定位
（一）获取科学知识
本课程重点讲述纳米材料有别于常规材料的基本效应并详细阐述了尺寸效应对对材料物理和化学性能的影响。这里面涉及到热学、电学、光学、磁学、热学、力学等学科的基本原理和知识以及它们在纳米材料中的应用，通过学习此章节，不单让学员学习到了新的纳米材料的知识，而且巩固了在大学物理等课程中学到过的知识。本课程介绍纳米材料的定义和分类，学习常见纳米材料制备方法，学习纳米材料分析和测试方法，这对于材料、物理、化学、机械等专业的学生来讲是打下了一个很好的专业基础，所获取的纳米方面的知识对于他们将来更高层次的学习和工作将发挥重要作用。在本课程中不但可以获取自然科学的知识，而且可以获取达到科学技术发展史方面的知识。通过分析纳米材料发展的历史，可以更加清晰的认识整个纳米科技甚至是近代科学技术的发展特点和规律，这对于提高学员们的人文素养不无裨益。
（二）培养创新方法
纳米科技发展到今天，纳米材料研究进入到今天这个研究领域和研究层次，有很多科学大师做了大量开创性和颠覆性的工作，通过本课程去感受纳米创新的魅力，对于我们今天开展创新性的研究工作具有很强的借鉴意义。本课程对于那些颠覆现有技术和知识而做出开创性贡献的科学家及相关知识点会重点讲授，这对于培养学员的创新精神，汲取创新方法具有重要的现实意义。如二维纳米材料石墨烯的发现过程，本课程在讲述纳米材料类型时进行了介绍。在最初时科学家认为二维晶体是不可能稳定存在的，而石墨烯的发现者们敢于向现有知识挑战，不囿于现有知识，采用简单的方式颠覆了人们对于二维材料的惯常看法，并最终获得了诺贝尔奖。课程采用课内多媒体教学和研讨等方式，以课堂讲授、讨论及调研相结合的教学模式，学习纳米材料创新发展的过程，进一步增强学员的创新意识，了解材料科学的创新方法。让学员在本课程知识传授的过程中慢慢体会进行科学创新的思路与方法，培养学员勇于创新、敢于创新的求知热情和打破常规、颠覆现有的科学思维能力。
（三）提升认知层次
纳米材料是我们肉眼看不到的领域，而现在我们已经有很多“眼睛”可以直接和间接的去感知这个奇妙的世界，甚至可以去操纵原子，形成我们所需要的图案。纳米材料课程学习使我们的关注点从肉眼可见的宏观世界转移到介观的纳米世界，提升了我们对于客观世界的认知层次。2013年，IBM 科学家宣布他们采用原子制作出世界上最小的电影，所采用的技术就是本课程中讲授的扫描隧道显微镜技术。在课堂上通过展示此微电影视频，可以让学员对于纳米世界有更直观的认识，对于纳米的魅力有更深切的感受。本课程在提升学员客观认知层次的同时，对提高学员的主观认知层次也具有重要意义。纳米材料是当今材料科学界最前沿研究领域，其新颖的结构、优异的性能与广阔的应用前景能激起学员对科学技术领域最前沿发展方向浓厚的兴趣。通过课程学习，可激发学员热爱科学技术的热情，树立科技改变社会的理念，并投身于科学传播的事业中，让科学流行起来，提高全社会的科学意识和创新意识。 二、教学内容设置
纳米材料涵盖的内容非常丰富，而且纳米材料知识更新速度很快。如何在有限的学时内合理设置教学内容对于本课程的建设非常重要。纳米材料按化学组成、材料物性或者是应用等可以分成不同的类别，其可以是金属、半导体，也可以是复合材料[3]。而且，纳米材料既有很深奥的涉及到量子力学的理论知识，又有浅显易懂的纳米材料制备方法的介绍。鉴于本课程是本科生的公共选修课，而且选修学员不一定具有材料学背景，所以如何设置教学深度也是一个重要问题。在有限的课堂教学时限内，不可能详细讲解纳米材料所包含的所有内容，也不可能涉及纳米材料很深层次的理论知识，因此必须对教学内容进行选取，突出重点，兼顾广度和深度、基础和前沿，以点带面，起到事半功倍、授人以渔的效果。通过统筹考虑，开设的《纳米材料》课程的教学内容主要包括以下五个方面。
（一）概述
从纳米尺度的概念出发，介绍纳米科技的发展历程，引出纳米材料的概念。主要介绍纳米材料的内涵、类型和应用前景，使学员掌握纳米材料的基本概念、研究领域，熟悉常见的纳米材料及其应用前景。并根据纳米材料的发展情况与学员的兴趣开展相应讨论，激发学员学习纳米材料的热情。
（二）纳米材料的特性
这部分是本课程的重点讲述部分，首先介绍纳米材料的表面效应、尺寸效应和量子效应，然后逐个介绍纳米材料基本效应对材料热学、电学、光学、磁学和化学性能的影响。使学员掌握纳米材料基本效应，理解纳米材料在纳米尺度内的基本效应对材料结构、形貌和性能的影响，引导学员主动思考。
（三）纳米材料的制备
首先介绍纳米材料两种主要的制备思想，即Top-Down方法和Bottom-Up方法，然后分别介绍纳米颗粒材料、一维纳米材料、二维纳米材料的制备方。这部分内容是使学员熟悉各种常见纳米材料制备方法，重点理解制备纳米材料的过程与机理，为学员以后开展相关方面的研究工作或者学习奠定坚实的基础。
（四）纳米结构材料
纳米结构材料是本课程比较容易混淆也是比较难理解的一个概念。这部分首先介绍纳米结构材料的内涵，并对每种类型的纳米结构材料进行简要介绍，使学员对这个概念有一个准确的直观认识。然后介绍纳米固体材料的力学性能和制备方法，最后介绍纳米复合材料的特性和制备。
（五）纳米材料的表征
主要介绍纳米材料的形貌、结构、成分和界面分析表征方法以及先进的FIB纳米分析与加工技术的特点，使学员熟悉常见纳米材料研究工具及实验方法，了解各种测试仪器的优缺点和适用范围。
三、教学理念探讨
由于纳米材料课程所涉及的知识涵盖面非常广、更新速度也很快，为提高本科教学质量，除了对教学内容进行合理设置外，更为重要的是还需要采用先进有效的教学方法和教学理念。以下就是对本课程教学理念的有关探讨。
（一）结合史实和实例，讲清基本理论知识
纳米材料容易使学员感觉内容枯燥、理论抽象等问题存在。因此在课堂讲授上，可通过结合一些学员感兴趣的史实和实例，讲清概念由来、概念内涵和基本原理，引导学员去主动思考，充分调动学员的学习兴趣和和主观能动性。例如在讲解纳米材料概念时，讲述胶体的发现历史，从而使学员对纳米尺度的概念由更深的理解。又如，在讲授纳米材料性质时，提出为什么采用蒸发方法制备不同厚度纳米薄膜时会呈现出不同的颜色的问题，从而表现出纳米材料与光的相互作用，揭示出纳米材料随颗粒尺寸的变化而引起其他变化的原因。再如，讲解纳米材料应用时，从在自然界动物中的应用和在历史上的应用讲起，学员不但了解了应用领域，而且对其基本原理也有了更深的了解。
（二）结合具体科研工作，理论知识与实际应用有机结合
纳米材料是一门开放性的课程，它的内容不是一成不变的。随着纳米材料研究的深入，新的理论、新的材料会不断涌现，这就要结合具体的科研工作，对课程内容进行更新扩容。同时，了解基本理论后，还要使学员感觉出学有所用，通过列举平常直观的应用实例进行阐述，进一步促进学员学习的积极性，加深理论的理解。例如，纳米材料在做催化剂时，表现出比其相应的块体材料更高的催化活性。究其原因，也是由纳米材料的特性决定的，如比表面积大、表面反应活性位点多。通过理论与实际应用的结合，引起了学员的兴趣，让学员从被动接收知识的状态转变为主动接收知识的状态，有助于教学质量的提高。
（三）布置讨论性和开放性课题，强化教学内容理解
在课堂上除教员讲授外，可充分调动学员的积极性，布置一些讨论性课题供学员们讨论，甚至可以尝试翻转课堂模式，让学员们走向讲台，表达他们对纳米材料的理解，激发创新火花。此外，作为课堂教学内容的补充，在每一章基本内容讲解结束后布置一定量的开放性习题，加深对基本知识的理解，强化理论和实际应用，同时拓宽学术视野，了解纳米材料科学前沿的发展动态，扩大知识面。课外习题以查阅文献资料、调研为主，通过对文献资料的理解，尽量加入学员自己的见解，帮助学员进一步理解和掌握重点、难点和疑点，提高他们的自学和分析问题的能力。
四、结束语
纳米材料涉及范围广，发展日新月异，开展《纳米材料》课程教学，不仅仅是传授纳米材料的基本专业知识，更重要的是培养学员的学习方法和学习兴趣。本文结合《纳米材料》课程的特点，对课程教学目标定位、教学内容设置以及教学理念进行了探讨。《纳米材料》课程先进的教学理念能调动学员学习的主观能动性，使学员不仅掌握纳米材料相关专业知识，而且能够初步运用所学相关知识分析问题、解决问题，提升自己的认知层次和综合素质。
参考文献
[1]白春礼.纳米科技及其发展前景[J].新材料产业，2001，4：8-11.
[2]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.
[3]李群.纳米材料的制备与应用技术[M].北京：化學工业出版社，2010.