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關(guān)于納米材料與技術(shù)課程教學(xué)的思考
關(guān)于納米材料與技術(shù)課程教學(xué)的思考
摘要:納米材料及其技術(shù)是納米科技的核心和基礎(chǔ),在大學(xué)階段開設(shè)納米材料及其技術(shù)課程是培養(yǎng)材料科學(xué)類綜合性、創(chuàng)新性人才的必然要求。本文從教學(xué)目的、課程體系結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式等方面對(duì)納米材料及其技術(shù)課程的教學(xué)進(jìn)行了討論,提出了現(xiàn)階段納米材料及其技術(shù)課程教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容應(yīng)包括八個(gè)方面的主要內(nèi)容。
關(guān)鍵詞:納米材料及其技術(shù)創(chuàng)新性人才課程教學(xué)教學(xué)內(nèi)容 材料工程學(xué)科產(chǎn)學(xué)
科教研究納米科學(xué)技術(shù)被認(rèn)為是2 1世紀(jì)非常重要的、將對(duì)人類的生存和發(fā)展產(chǎn)生顯著影響的科技領(lǐng)域。它的內(nèi)容包括納米材料學(xué)、納米電子學(xué)、納米生物學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米加工學(xué)、納米光子學(xué)、納米檢測(cè)與表征。納米材料及其技術(shù)是這些分支學(xué)科的共同交點(diǎn),是納米科技的核心和基礎(chǔ)[1]。1990年7月在美國(guó)巴爾的摩召開了國(guó)際第一屆納米科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議,正式把納米材料作為材料科學(xué)的一個(gè)新分支公布于世,從而納米材料學(xué)作為一個(gè)相對(duì)比較獨(dú)立學(xué)科誕生了[2]。納米材料及其技術(shù)是近二十年興起并受到普遍關(guān)注的一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域,它涉及到凝聚態(tài)物理、化學(xué)、材料、生物等許多領(lǐng)域的知識(shí)[3]。在材料類本科專業(yè)中,開設(shè)“納米材料及其技術(shù)”課程是工、農(nóng)業(yè)發(fā)展,經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)未來畢業(yè)生的必然要求。在大學(xué)本科階段開設(shè)納米材料及其技術(shù)課程可為學(xué)生畢業(yè)后從事納米科技方面的工作奠定基礎(chǔ);為提高大學(xué)生的科技素質(zhì),培養(yǎng)大學(xué)生在介觀領(lǐng)域中分析、解決問題的能力打下必要的基礎(chǔ);實(shí)現(xiàn)綜合性、復(fù)合型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。國(guó)外一些高校中,在2 0世紀(jì)末就開始在本科階段開設(shè)納米材料與技術(shù)的相關(guān)課程。2 1世紀(jì)初,歐盟委員會(huì)就建議,歐盟各國(guó)的大學(xué)應(yīng)該在更大范圍內(nèi)將納米科技納入大學(xué)課程,推動(dòng)多學(xué)科間的合作,以使歐洲在納米技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位。歐盟委員會(huì)發(fā)表了一篇名為《歐洲納米技術(shù)戰(zhàn)略》的政策性文章,其中指出:“本科生和研究生課程應(yīng)該融入各項(xiàng)與納米技術(shù)相關(guān)的技能訓(xùn)練,并且應(yīng)該保證未來的納米技術(shù)科學(xué)家是一批眼界開闊的專家,使他們可以與其它學(xué)科的專家展開廣泛合作。”目前國(guó)內(nèi)部分高校也已在一些專業(yè)內(nèi)開設(shè)了納米材料或納米技術(shù)類課程。如浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué),武漢大學(xué)、天津大學(xué)、華東師范大學(xué)、湖南大學(xué)、青島大學(xué)、西南大學(xué),武漢工程大學(xué)等高校。但由于目前納米材料及其技術(shù)的教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),各高校間在教學(xué)大綱、內(nèi)容、結(jié)構(gòu)上均有很大的差別。在教材的方面,一直沒有一本面向本科教學(xué)的、較系統(tǒng)性的納米材料及其技術(shù)的教材。本文擬從納米材料及其技術(shù)課程教學(xué)目的,課程體系結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式等方面對(duì)高等院校材料類專業(yè)進(jìn)行納米材料及其技術(shù)課程的教學(xué)改革進(jìn)行探討。
1 課程教學(xué)的目的
2 1世紀(jì)的競(jìng)爭(zhēng)是人才的競(jìng)爭(zhēng),創(chuàng)新能力的競(jìng)爭(zhēng),作為高校教育有責(zé)任和義務(wù)引導(dǎo)學(xué)生走向科學(xué)技術(shù)的最前沿,了解并掌握先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)。課堂教學(xué)要激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力。材料科學(xué)被譽(yù)為2 1世紀(jì)三大最引人矚目、發(fā)展最為迅速的學(xué)科。高校材料類本科生的教育,不僅要讓學(xué)生掌握基本的材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),還要引導(dǎo)學(xué)生了解學(xué)科、專業(yè)的前沿領(lǐng)域。納米材料及其技術(shù)課程開設(shè)的目的是通過學(xué)習(xí)這門課程,使學(xué)生對(duì)材料科學(xué)的前沿領(lǐng)域——納米材料的知識(shí)有一個(gè)較全面的認(rèn)識(shí),要求同學(xué)們掌握納米材料的基本理論、納米材料的基本特性、納米材料的主要制備方法與常用設(shè)備、納米材料表征與測(cè)量技術(shù);了解納米材料與技術(shù)應(yīng)用的基本狀況和對(duì)當(dāng)代社會(huì)的影響;為將來從事與納米科技研究及產(chǎn)業(yè)相關(guān)工作的本科畢業(yè)生提供必要的知識(shí)準(zhǔn)備,以便能快速進(jìn)入相關(guān)領(lǐng)域,滿足社會(huì)之需求。并力圖培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力,為培養(yǎng)高層次、綜合性、有創(chuàng)新意識(shí)和能力的人才奠定基礎(chǔ)。
2 課程體系結(jié)構(gòu)與主要內(nèi)容
納米材料及其技術(shù)的研究對(duì)象內(nèi)容廣泛,在課程體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與教學(xué)內(nèi)容選擇上,既要充分考慮材料專類專業(yè)課程建設(shè)的“寬口徑,厚基礎(chǔ)”的要求,還要考慮在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)完成從基礎(chǔ)理論到制備技術(shù)、從測(cè)試研究方法到功能應(yīng)用的教學(xué)任務(wù)。課程教學(xué)既要體現(xiàn)材料發(fā)展的規(guī)律性,又要突出納米材料及其技術(shù)在納米科技中的基礎(chǔ)地位。目前,在我國(guó)的高等院校材料類專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中,納米材料類課程一般是作為高年級(jí)專業(yè)主干課或?qū)I(yè)選修課開設(shè)。納米材料及其技術(shù)經(jīng)過2 0年～3 0年的高速發(fā)展,在基本理論、實(shí)驗(yàn)技術(shù)等方面均取得了顯著成績(jī)。中外許多學(xué)者、專家對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納總結(jié),出版了相關(guān)的專著。但針對(duì)大學(xué)納米材料及其技術(shù)教學(xué)的教材還較少,有關(guān)大學(xué)本科階段納米材料及其技術(shù)的教學(xué)研究論文也很少。簡(jiǎn)單地將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行組合是不夠的,必須對(duì)這門課程的基礎(chǔ)理論和納米材料的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行有機(jī)整合,既要提高這門課程的深度,又不能過分狹窄,同時(shí)還要有意識(shí)地?cái)U(kuò)充課程的廣度[4]。根據(jù)我們從事納米材料及其技術(shù)課程教學(xué)的實(shí)踐,我們認(rèn)為要達(dá)到前面提出的納米材料及其技術(shù)課程教學(xué)目的。課程的教學(xué)主要內(nèi)容應(yīng)包含有:在納米材料基本物理理論中包括電子能級(jí)的不連續(xù)性、超微粒子的久保理論、納米材料的六個(gè)基本效應(yīng);主要類型納米材料(微粉、薄膜、塊體)的制備技術(shù),納米粒子的尺寸評(píng)估方法,納米材料結(jié)構(gòu)與性能分析研究的主要方法與技術(shù),納米微粒、薄膜、塊體的特性與應(yīng)用。從教學(xué)內(nèi)容的連貫性和內(nèi)在的邏輯性方面考慮可以將教學(xué)內(nèi)容分為八個(gè)部分。
2.1緒論
從納米材料獨(dú)特的性質(zhì)與神奇功用入手引出納米科技、納米材料的概念,以納米材料的發(fā)展歷程為主線,介紹、納米科技涵蓋的學(xué)科、納米材料及其技術(shù)在工農(nóng)業(yè)應(yīng)用與發(fā)展前景,納米科技已取得重大成就、最后探討我國(guó)納米材料發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域和基本現(xiàn)狀,激發(fā)同學(xué)們對(duì)納米材料、納米技術(shù)的好奇心和求知欲。
2.2納米材料基本組成
單元的物理理論基礎(chǔ)以及它們的物理、化學(xué)特性包括納米材料基本單元的分類,納米微粒的電子能級(jí)的不連續(xù)性、久保理論。納米微粒的六大基本效應(yīng)。納米材料基本組成單元的光、電、磁、熱、表面吸附、催化等特性。通過這一部分有關(guān)納米材料物理基礎(chǔ)的學(xué)習(xí),使學(xué)生認(rèn)識(shí)到納米材料神奇的特性的本質(zhì)依然是基本物理、化學(xué)規(guī)律的體現(xiàn),納米材料的特殊性可以通過微觀物理學(xué)來認(rèn)識(shí),來研究。
2.3納米微粒的尺寸評(píng)價(jià)方法與技術(shù)包括透射電鏡分析法
,X射線衍射寬化法,比表面分析計(jì)算法、掃描探針顯微鏡分析法、激光粒度分析法等方法的原理和評(píng)價(jià)過程。這一部分的知識(shí)使學(xué)生掌握納米材料粒子粒徑測(cè)定的主要方法及其儀器,并掌握主要方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。同時(shí)也使同學(xué)們認(rèn)識(shí)到納米材料研究的困難性、高技術(shù)性特征。
2.4納米材料的制備與表面改性技術(shù)
包括高能球磨法、氣相蒸發(fā)法、濺射法、化學(xué)氣相沉積法、溶膠-凝膠法,水熱/溶劑熱法,微乳液法、輻射合成法等納米微粒制備技術(shù)原理;真空鍍膜、濺射鍍膜、溶膠-凝膠法、電化學(xué)鍍、電泳沉積、L B膜等納米薄膜制備技術(shù)和熱壓燒結(jié)等納米塊體成型技術(shù);納米微粒表面物理、化學(xué)改性技術(shù)。通過這一部分內(nèi)容的學(xué)習(xí),使學(xué)生掌握幾類納米材料的主要制備技術(shù),為以后從事納米材料的研發(fā)奠定必備的基礎(chǔ)。
2.5納米材料結(jié)構(gòu)與性能研究的主要方法與技術(shù)
包括納米固體界面結(jié)構(gòu)模型,界面對(duì)納米固體性能的影響;高分辨透射電鏡、光譜分析、X射線晶體衍射、高精度掃描探針顯微鏡等方法在納米材料結(jié)構(gòu)與性能測(cè)定和表征中的應(yīng)用。
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