淺談納米材料雙語課程教學知識體系的構建的內容

淺談納米材料雙語課程教學知識體系的構建的內容

　　一、引言

　　為應對當前世界經濟一體化以及科技革命帶來的嚴峻挑戰，加強主宰世界經濟及科技走向的新知識、新科技及新成果的學習勢在必行，而開展承載著“爆炸信息量”的納米材料的雙語課程學習就顯得尤為重要。納米材料是填補了長期以來人們對于宏觀和微觀領域研究的缺失領域―介觀領域的空白，由于納米材料的結構特性，具有常規材料不具備的納米效應，因而，納米材料的研究已成為當前先進材料研究最活躍的領域之一[1]；同時，納制造技術也將對當前的微制造技術帶來一次革命性的變革，這是因為納制造技術采用“自下而上”的制造原理，能夠制造出體積更小、便于攜帶、功能更強大的電子元器件及儀器設備，其研究成果日新月異，如：納米機器人、納米小轎車、納米間諜機、納米芯片、納米電池、納米醫藥，這些納米產品將對我們的生活、工業、農業、軍事、醫療、制造業等各行各業帶來前所未有的巨變與沖擊。

　　為了加強本科生對納米材料最新成果的了解，拓寬知識視野，啟迪學生的納米概念和納米理論的新思想，培養學生的創新意識，構建一種納米材料雙語教學課程知識體系，對于科學系統的傳授納米材料基本概念和基礎知識是十分必要的。作者在長期的納米材料雙語教學過程中，力圖將納米材料基本概念系統的介紹給學生；采用現代化的教學方法，并將板書、圖表、視頻等教學手段相結合，不斷的充實授課內容，期望形成一種較完整的雙語課程知識體系。

　　二、納米材料雙語課程教學知識體系的構建

　　構建科學合理的納米材料雙語課程教學知識體系是以知識、能力和素質培養為宗旨，以能力培養為核心，以雙語教學為媒介，以傳授新概念、新理論、新工藝、新成果為紐帶，以提升創新能力為培養目的，著力開啟納米材料課程教學人才培養的新模式和新途徑。納米材料雙語課程在我校屬于專業選修課，只有32學時，針對課程內容多，學時少的現狀，課程教學中知識體系的選取原則是以基本的納米概念、基礎理論、納米效應、納米制造方法、檢測手段、標志性的成果（如碳納米材料中的富勒烯）以及納米材料在新能源領域中的應用為主線。

　　納米材料雙語課程知識體系可分為八個知識單元：第一個知識單元Introduction to nanoscale materials（納米材料簡介）；第二個知識單元Nanometer effects （納米效應）；第三個知識單元Properties of nanoscale materials （納米材料的性質）；第四個知識單元Synthesis of nanoscale materials （納米材料的合成）；第五個知識單元Scanning tunneling microscope and atomic force microscope （掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡）；第六個知識單元Synthesis of carbon nanomaterials （碳納米材料合成）；第七個知識單元Lithography for nanofabrication（光刻納米制造技術）；第八個知識單元Nanotechnology for production of hydrogen by solar energy （納米技術用于太陽能產氫）。

　　作為納米科技基礎的納米材料，近年來已成為最熱門的研究課題之一，納米科技的濃厚興趣集中在能對經濟、加工及科學產生巨大影響的若干領域。第一個知識單元中的知識點可劃分為納米材料定義及其分類。按照空間維度納米材料可分為零維、一維、二維及塊體材料，依據材料的量子性質可分為量子點、量子線、量子阱，同樣，按照材料的性質、組成以及形貌對納米材料進行分類。更多的知識點涉及到納米科技的定義。工業革命推動了納米科技的發展，當作為芯片的氧化硅的絕緣層厚度被減薄至大約3個硅原子的厚度時，漏電就成為一個大問題。加之，當硅材料被限制在很小的尺寸時，將會失去它固有的能帶結構，故此，目前微制造技術的局限性的知識點就顯得十分重要。如何才能克服當前固態電子學技術中的局限性？分子電子學的誕生是一個嶄新的和誘人的研究領域，該研究領域正在喚起科學家的想象力；未來技術的挑戰在于原子操縱的分子和超分子系統設計；納米材料在水處理、納催化、納米傳感器、能源以及醫療方面等領域的應用。

　　第二個知識單元是納米材料的納米效應，當一種材料的尺寸縮減到納米量級時，即使其組成與可以看得見和觸摸到的塊體材料完全相同，但材料的性能卻有著本質的區別，納米材料表現出與常規塊體材料迥然不同的性質稱為納米效應。當納米粒子的尺寸與光波長，德布羅意波長，電子的自由程長度，或者超導態的相干波長相當或更小時，將會產生小尺寸效應。當粒子尺寸減小到或接近于激子波爾半徑時，將會產生量子尺寸效應，在量子尺寸效應中主要闡明能隙與粒子尺寸的關系；當納米粒子的表面原子數與總原子數之比隨納米顆粒的粒徑減小而顯著增大時，將會引起表面效應；宏觀量子隧道效應的知識點包括了彈道傳輸、隧穿、共振隧穿、隧穿效應等內容[2]。

　　第三個知識單元涉及納米材料的性能；力學性能表現為納米材料的硬度隨粒徑尺寸的減小而增大表現出正的Hall?Petch斜率關系（K>0），納米材料的硬度隨粒徑尺寸的減小而減小呈現出負的Hall?Petch斜率關系（K<0），有些材料的硬度隨著粒子尺寸的減小呈現先增大后減小的趨勢為正-負Hall?Petch斜率關系；納米材料的熱學性質表明低溫下納米粒子的熱學行為與塊體材料有明顯的區別；磁學性能表明隨著粒子尺寸的減小，粒子中的磁疇數量減少；當粒子變得足夠小，由于熱擾動，磁矩不可能有擇優取向，而展示出超順磁性。量子點的另一個電學特性是發生單電子隧穿；光學性能知識點包括了納米材料的光化學和光物理過程、吸收光譜和發光光譜。     在過去數十年間，科學家已經揭示了至少有一維處于納米量級的許多新材料的合成與表征方法。如：納米粒子，納米膜和納米管。然而，設計和制備具有可控性能的納米材料仍然是納米科技的一項重大的和長期的挑戰。納米材料的制備有多種途徑。了解納米材料制備過程中的一些工藝特性是非常重要的，這是因為制備的工藝路線通常決定了所制備材料的性能。第四個知識單元納米材料的制備首先介紹采用傳統的“自上而下”的方法以及先進的“自下而上”的兩種方法制備納米材料。利用固相方法制備納米材料包括了機械研磨和固相反應。物理氣相沉積（PVD）法分為熱蒸發PVD法、等離子體輔助PVD法以及激光消融法。化學氣相沉積法 （CVD），液相合成方法包括了沉淀法、溶劑熱法、冷凍-干燥法（低溫化學合成法）、溶膠-凝膠法、微乳液法、微波輔助合成法、超聲波輔助合成法。采用冷壓和熱壓法固化納米粉體合成塊體納米材料。通過模板輔助自組裝納米結構材料的合成；從節能減排、原子經濟、溶劑安全性以及提高能量效率的角度設計納米材料的綠色合成路線。

　　第五個知識單元主要介紹掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM） 的基本原理，操作模式及其應用。STM 和AFM表明是獲取材料表面原子形貌信息的新儀器。此外，通過納米操縱，人們可以采用掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡制造納米尺寸的材料和器件。

　　第六個知識單元涉及碳納米材料的合成。碳族的知識點涉及石墨、金剛石、碳的同素異形體。富勒烯的知識點包括C60的合成、富勒烯的純化、C60的結構、13C核磁共振譜、富勒烯包合物、親核加成反應、C60的聚合反應、納米小轎車的制造。碳納米管的知識點包括了碳納米管的合成、碳納米管的生長機理以及碳納米管的幾何構型。

　　第七個知識單元是納米制造中的光刻技術，其知識點包括紫外線光刻技術；掃描束刻蝕納米制造的知識點有電子束刻蝕以及聚焦離子束刻蝕技術。納米壓印刻蝕技術包括了納米壓印刻蝕技術、步進式閃爍壓印刻蝕技術及微接觸印制技術。掃描探針刻蝕技術。

　　第八個知識單元是納米技術用于太陽能光催化分解水制氫的新能源應用。知識點涉及太陽能轉換、光催化分解水制氫、負載型TiO2、可見光驅動的光催化劑的發展、鉻離子摻雜的鈦酸鹽納米管以及半導體復合材料[3]。

　　在上述八個知識單元的教學過程中，結合不同章節的具體情況，教學方法和教學手段要靈活多樣，將板書、多媒體、動畫技術及網絡資源相結合，做到圖文并茂，寓教于樂，激發學生的學習熱情。另外，采用啟發式教學，課堂中加強與學生的活動，提高學生的思考問題及解決問題的創新能力，實現學生的知識、能力和素質的全面培養。

　　三、結語

　　構建納米材料雙語課程知識體系是一項長期而細致的教改工作，雖然我們對少學時的納米材料雙語課程教學勾勒出了知識體系，但不同的專業，教學目的有所不同，其側重點有所不同，則知識體系中的知識單元及知識點迥然不同。但通過我們堅持不懈地努力，納米材料雙語課程知識體系會變得更加科學合理，更加新穎前瞻，更能激發學生的創新熱情。

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