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關于納米材料與技術課程教學的思考
關于納米材料與技術課程教學的思考
摘要:納米材料及其技術是納米科技的核心和基礎,在大學階段開設納米材料及其技術課程是培養材料科學類綜合性、創新性人才的必然要求。本文從教學目的、課程體系結構、教學內容和教學方式等方面對納米材料及其技術課程的教學進行了討論,提出了現階段納米材料及其技術課程教學目的、教學內容應包括八個方面的主要內容。
關鍵詞:納米材料及其技術創新性人才課程教學教學內容 材料工程學科產學
科教研究納米科學技術被認為是2 1世紀非常重要的、將對人類的生存和發展產生顯著影響的科技領域。它的內容包括納米材料學、納米電子學、納米生物學、納米機械學、納米加工學、納米光子學、納米檢測與表征。納米材料及其技術是這些分支學科的共同交點,是納米科技的核心和基礎[1]。1990年7月在美國巴爾的摩召開了國際第一屆納米科學技術學術會議,正式把納米材料作為材料科學的一個新分支公布于世,從而納米材料學作為一個相對比較獨立學科誕生了[2]。納米材料及其技術是近二十年興起并受到普遍關注的一個新的科學領域,它涉及到凝聚態物理、化學、材料、生物等許多領域的知識[3]。在材料類本科專業中,開設“納米材料及其技術”課程是工、農業發展,經濟建設對未來畢業生的必然要求。在大學本科階段開設納米材料及其技術課程可為學生畢業后從事納米科技方面的工作奠定基礎;為提高大學生的科技素質,培養大學生在介觀領域中分析、解決問題的能力打下必要的基礎;實現綜合性、復合型人才的培養目標。國外一些高校中,在2 0世紀末就開始在本科階段開設納米材料與技術的相關課程。2 1世紀初,歐盟委員會就建議,歐盟各國的大學應該在更大范圍內將納米科技納入大學課程,推動多學科間的合作,以使歐洲在納米技術領域占據領先地位。歐盟委員會發表了一篇名為《歐洲納米技術戰略》的政策性文章,其中指出:“本科生和研究生課程應該融入各項與納米技術相關的技能訓練,并且應該保證未來的納米技術科學家是一批眼界開闊的專家,使他們可以與其它學科的專家展開廣泛合作。”目前國內部分高校也已在一些專業內開設了納米材料或納米技術類課程。如浙江大學、哈爾濱工業大學,武漢大學、天津大學、華東師范大學、湖南大學、青島大學、西南大學,武漢工程大學等高校。但由于目前納米材料及其技術的教學體系、教學內容還沒有統一的標準,各高校間在教學大綱、內容、結構上均有很大的差別。在教材的方面,一直沒有一本面向本科教學的、較系統性的納米材料及其技術的教材。本文擬從納米材料及其技術課程教學目的,課程體系結構、教學內容和教學方式等方面對高等院校材料類專業進行納米材料及其技術課程的教學改革進行探討。
1 課程教學的目的
2 1世紀的競爭是人才的競爭,創新能力的競爭,作為高校教育有責任和義務引導學生走向科學技術的最前沿,了解并掌握先進的科學技術。課堂教學要激發學生的創造力和想象力。材料科學被譽為2 1世紀三大最引人矚目、發展最為迅速的學科。高校材料類本科生的教育,不僅要讓學生掌握基本的材料科學基礎知識,還要引導學生了解學科、專業的前沿領域。納米材料及其技術課程開設的目的是通過學習這門課程,使學生對材料科學的前沿領域——納米材料的知識有一個較全面的認識,要求同學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備、納米材料表征與測量技術;了解納米材料與技術應用的基本狀況和對當代社會的影響;為將來從事與納米科技研究及產業相關工作的本科畢業生提供必要的知識準備,以便能快速進入相關領域,滿足社會之需求。并力圖培養學生的科學思維和創新能力,為培養高層次、綜合性、有創新意識和能力的人才奠定基礎。
2 課程體系結構與主要內容
納米材料及其技術的研究對象內容廣泛,在課程體系結構的設計與教學內容選擇上,既要充分考慮材料專類專業課程建設的“寬口徑,厚基礎”的要求,還要考慮在有限的學時內完成從基礎理論到制備技術、從測試研究方法到功能應用的教學任務。課程教學既要體現材料發展的規律性,又要突出納米材料及其技術在納米科技中的基礎地位。目前,在我國的高等院校材料類專業教學計劃中,納米材料類課程一般是作為高年級專業主干課或專業選修課開設。納米材料及其技術經過2 0年～3 0年的高速發展,在基本理論、實驗技術等方面均取得了顯著成績。中外許多學者、專家對此進行了系統的歸納總結,出版了相關的專著。但針對大學納米材料及其技術教學的教材還較少,有關大學本科階段納米材料及其技術的教學研究論文也很少。簡單地將知識點進行組合是不夠的,必須對這門課程的基礎理論和納米材料的專業知識進行有機整合,既要提高這門課程的深度,又不能過分狹窄,同時還要有意識地擴充課程的廣度[4]。根據我們從事納米材料及其技術課程教學的實踐,我們認為要達到前面提出的納米材料及其技術課程教學目的。課程的教學主要內容應包含有:在納米材料基本物理理論中包括電子能級的不連續性、超微粒子的久保理論、納米材料的六個基本效應;主要類型納米材料(微粉、薄膜、塊體)的制備技術,納米粒子的尺寸評估方法,納米材料結構與性能分析研究的主要方法與技術,納米微粒、薄膜、塊體的特性與應用。從教學內容的連貫性和內在的邏輯性方面考慮可以將教學內容分為八個部分。
2.1緒論
從納米材料獨特的性質與神奇功用入手引出納米科技、納米材料的概念,以納米材料的發展歷程為主線,介紹、納米科技涵蓋的學科、納米材料及其技術在工農業應用與發展前景,納米科技已取得重大成就、最后探討我國納米材料發展的優先領域和基本現狀,激發同學們對納米材料、納米技術的好奇心和求知欲。
2.2納米材料基本組成
單元的物理理論基礎以及它們的物理、化學特性包括納米材料基本單元的分類,納米微粒的電子能級的不連續性、久保理論。納米微粒的六大基本效應。納米材料基本組成單元的光、電、磁、熱、表面吸附、催化等特性。通過這一部分有關納米材料物理基礎的學習,使學生認識到納米材料神奇的特性的本質依然是基本物理、化學規律的體現,納米材料的特殊性可以通過微觀物理學來認識,來研究。
2.3納米微粒的尺寸評價方法與技術包括透射電鏡分析法
,X射線衍射寬化法,比表面分析計算法、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價過程。這一部分的知識使學生掌握納米材料粒子粒徑測定的主要方法及其儀器,并掌握主要方法的優缺點和適用范圍。同時也使同學們認識到納米材料研究的困難性、高技術性特征。
2.4納米材料的制備與表面改性技術
包括高能球磨法、氣相蒸發法、濺射法、化學氣相沉積法、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原理;真空鍍膜、濺射鍍膜、溶膠-凝膠法、電化學鍍、電泳沉積、L B膜等納米薄膜制備技術和熱壓燒結等納米塊體成型技術;納米微粒表面物理、化學改性技術。通過這一部分內容的學習,使學生掌握幾類納米材料的主要制備技術,為以后從事納米材料的研發奠定必備的基礎。
2.5納米材料結構與性能研究的主要方法與技術
包括納米固體界面結構模型,界面對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構與性能測定和表征中的應用。
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