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关于纳米材料与技术课程教学的思考
关于纳米材料与技术课程教学的思考
摘要:纳米材料及其技术是纳米科技的核心和基础,在大学阶段开设纳米材料及其技术课程是培养材料科学类综合性、创新性人才的必然要求。本文从教学目的、课程体系结构、教学内容和教学方式等方面对纳米材料及其技术课程的教学进行了讨论,提出了现阶段纳米材料及其技术课程教学目的、教学内容应包括八个方面的主要内容。
关键词:纳米材料及其技术创新性人才课程教学教学内容 材料工程学科产学
科教研究纳米科学技术被认为是2 1世纪非常重要的、将对人类的生存和发展产生显著影响的科技领域。它的内容包括纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米机械学、纳米加工学、纳米光子学、纳米检测与表征。纳米材料及其技术是这些分支学科的共同交点,是纳米科技的核心和基础[1]。1990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议,正式把纳米材料作为材料科学的一个新分支公布于世,从而纳米材料学作为一个相对比较独立学科诞生了[2]。纳米材料及其技术是近二十年兴起并受到普遍关注的一个新的科学领域,它涉及到凝聚态物理、化学、材料、生物等许多领域的知识[3]。在材料类本科专业中,开设“纳米材料及其技术”课程是工、农业发展,经济建设对未来毕业生的必然要求。在大学本科阶段开设纳米材料及其技术课程可为学生毕业后从事纳米科技方面的工作奠定基础;为提高大学生的科技素质,培养大学生在介观领域中分析、解决问题的能力打下必要的基础;实现综合性、复合型人才的培养目标。国外一些高校中,在2 0世纪末就开始在本科阶段开设纳米材料与技术的相关课程。2 1世纪初,欧盟委员会就建议,欧盟各国的大学应该在更大范围内将纳米科技纳入大学课程,推动多学科间的合作,以使欧洲在纳米技术领域占据领先地位。欧盟委员会发表了一篇名为《欧洲纳米技术战略》的政策性文章,其中指出:“本科生和研究生课程应该融入各项与纳米技术相关的技能训练,并且应该保证未来的纳米技术科学家是一批眼界开阔的专家,使他们可以与其它学科的专家展开广泛合作。”目前国内部分高校也已在一些专业内开设了纳米材料或纳米技术类课程。如浙江大学、哈尔滨工业大学,武汉大学、天津大学、华东师范大学、湖南大学、青岛大学、西南大学,武汉工程大学等高校。但由于目前纳米材料及其技术的教学体系、教学内容还没有统一的标准,各高校间在教学大纲、内容、结构上均有很大的差别。在教材的方面,一直没有一本面向本科教学的、较系统性的纳米材料及其技术的教材。本文拟从纳米材料及其技术课程教学目的,课程体系结构、教学内容和教学方式等方面对高等院校材料类专业进行纳米材料及其技术课程的教学改革进行探讨。
1 课程教学的目的
2 1世纪的竞争是人才的竞争,创新能力的竞争,作为高校教育有责任和义务引导学生走向科学技术的最前沿,了解并掌握先进的科学技术。课堂教学要激发学生的创造力和想象力。材料科学被誉为2 1世纪三大最引人瞩目、发展最为迅速的学科。高校材料类本科生的教育,不仅要让学生掌握基本的材料科学基础知识,还要引导学生了解学科、专业的前沿领域。纳米材料及其技术课程开设的目的是通过学习这门课程,使学生对材料科学的前沿领域——纳米材料的知识有一个较全面的认识,要求同学们掌握纳米材料的基本理论、纳米材料的基本特性、纳米材料的主要制备方法与常用设备、纳米材料表征与测量技术;了解纳米材料与技术应用的基本状况和对当代社会的影响;为将来从事与纳米科技研究及产业相关工作的本科毕业生提供必要的知识准备,以便能快速进入相关领域,满足社会之需求。并力图培养学生的科学思维和创新能力,为培养高层次、综合性、有创新意识和能力的人才奠定基础。
2 课程体系结构与主要内容
纳米材料及其技术的研究对象内容广泛,在课程体系结构的设计与教学内容选择上,既要充分考虑材料专类专业课程建设的“宽口径,厚基础”的要求,还要考虑在有限的学时内完成从基础理论到制备技术、从测试研究方法到功能应用的教学任务。课程教学既要体现材料发展的规律性,又要突出纳米材料及其技术在纳米科技中的基础地位。目前,在我国的高等院校材料类专业教学计划中,纳米材料类课程一般是作为高年级专业主干课或专业选修课开设。纳米材料及其技术经过2 0年～3 0年的高速发展,在基本理论、实验技术等方面均取得了显著成绩。中外许多学者、专家对此进行了系统的归纳总结,出版了相关的专著。但针对大学纳米材料及其技术教学的教材还较少,有关大学本科阶段纳米材料及其技术的教学研究论文也很少。简单地将知识点进行组合是不够的,必须对这门课程的基础理论和纳米材料的专业知识进行有机整合,既要提高这门课程的深度,又不能过分狭窄,同时还要有意识地扩充课程的广度[4]。根据我们从事纳米材料及其技术课程教学的实践,我们认为要达到前面提出的纳米材料及其技术课程教学目的。课程的教学主要内容应包含有:在纳米材料基本物理理论中包括电子能级的不连续性、超微粒子的久保理论、纳米材料的六个基本效应;主要类型纳米材料(微粉、薄膜、块体)的制备技术,纳米粒子的尺寸评估方法,纳米材料结构与性能分析研究的主要方法与技术,纳米微粒、薄膜、块体的特性与应用。从教学内容的连贯性和内在的逻辑性方面考虑可以将教学内容分为八个部分。
2.1绪论
从纳米材料独特的性质与神奇功用入手引出纳米科技、纳米材料的概念,以纳米材料的发展历程为主线,介绍、纳米科技涵盖的学科、纳米材料及其技术在工农业应用与发展前景,纳米科技已取得重大成就、最后探讨我国纳米材料发展的优先领域和基本现状,激发同学们对纳米材料、纳米技术的好奇心和求知欲。
2.2纳米材料基本组成
单元的物理理论基础以及它们的物理、化学特性包括纳米材料基本单元的分类,纳米微粒的电子能级的不连续性、久保理论。纳米微粒的六大基本效应。纳米材料基本组成单元的光、电、磁、热、表面吸附、催化等特性。通过这一部分有关纳米材料物理基础的学习,使学生认识到纳米材料神奇的特性的本质依然是基本物理、化学规律的体现,纳米材料的特殊性可以通过微观物理学来认识,来研究。
2.3纳米微粒的尺寸评价方法与技术包括透射电镜分析法
,X射线衍射宽化法,比表面分析计算法、扫描探针显微镜分析法、激光粒度分析法等方法的原理和评价过程。这一部分的知识使学生掌握纳米材料粒子粒径测定的主要方法及其仪器,并掌握主要方法的优缺点和适用范围。同时也使同学们认识到纳米材料研究的困难性、高技术性特征。
2.4纳米材料的制备与表面改性技术
包括高能球磨法、气相蒸发法、溅射法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法,水热/溶剂热法,微乳液法、辐射合成法等纳米微粒制备技术原理;真空镀膜、溅射镀膜、溶胶-凝胶法、电化学镀、电泳沉积、L B膜等纳米薄膜制备技术和热压烧结等纳米块体成型技术;纳米微粒表面物理、化学改性技术。通过这一部分内容的学习,使学生掌握几类纳米材料的主要制备技术,为以后从事纳米材料的研发奠定必备的基础。
2.5纳米材料结构与性能研究的主要方法与技术
包括纳米固体界面结构模型,界面对纳米固体性能的影响;高分辨透射电镜、光谱分析、X射线晶体衍射、高精度扫描探针显微镜等方法在纳米材料结构与性能测定和表征中的应用。
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