纳米材料科学与技术教学方法探索

纳米材料科学与技术主要研究尺度在0.1～100nm范围的微观物质的特性及其相互作用，是多学科交叉的科学与技术。纳米科技作为一个新兴的学科和领域诞生于20世纪80年代末至90年代初。1982年诞生的扫描隧道显微镜技术（STM）被认为是纳米科技发展的里程碑式的事件。纳米科技在短短的几十年的时间内得到了飞速的发展，目前已成为发展最迅速，最活跃的研究领域之一。纳米科技的特点是与众多学术领域的交叉和融合，发展出纳米材料学、纳米生物学、纳米化学、纳米物理、纳米机械学、纳米电子学等众多的学科分支。

纳米材料学研究作为纳米科技发展的基础其地位尤为重要。纳米科技在信息、国防、能源、医药、环境、材料、工程等众多领域都存在重要的应用前景。由于纳米材料对未来社会发展、经济振兴、国力增强有战略性影响力，为提高大学生的创新能力，近年来很多高校开始增设该课程为本科生和硕士生的专业课。

2005年起，笔者任教的内蒙古大学化学化工学院为本学院材料物理与化学专业的本科生及硕士研究生开设了该课程做为专业必修课。目的是让材料专业大学生掌握更多的纳米材料的基础理论知识，掌握纳米技术的前沿动态，拓宽他们的知识面，培养创新型人才。笔者在几年的纳米材料科学与技术课程教学工作中有以下几点体会。

一基础理论知识的透彻讲解

纳米材料是一种介观物质，其物理化学性质不同于宏观物体，也不同于微观原子和分子。众所周知，宏观材料的尺寸改变时其物理化学性质不会有大的改变，但当材料的尺寸减小到纳米级时，其物理化学性质会有很大的变化，显示出不同于宏观材料的物理化学特性，如量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应、量子隧穿效应、库伦阻塞效应、巨磁阻效应等。这些特殊性质使得纳米材料在众多领域中有着重要的潜在应用前景，因而吸引着科研工作者的研究兴趣。

我学院为本科生开设这门课程是在大学四年级的第一学期，学生已经具有了一定的无机材料理论基础和实验经验，因此比较容易理解该课程内容。任课教师在讲解时注意引导学生对已学过的知识的运用。例如，介绍纳米微粒的制备方法时先讲解学生已经掌握的液相制备法如沉淀法和水热法，让学生认识到纳米材料不再神秘，又能触手可及，可以锻炼学生解决问题的能力。

在讲解量子隧穿效应时，运用量子力学的定态薛定谔方程来推导出一维势垒金属纳米粒子内部及外表面的电子运动状态波函数，结果金属纳米粒子外表面存在电子波函数，这种现象称为“隧道效应”。即金属纳米粒子表面处存在势垒，阻止内部电子向外逸出，但由于隧道效应，仍有一部分电子穿过表面势垒到达金属表面以外，并形成一层电子云。讲解量子隧道效应在扫描隧道显微镜纳米金属探针中的应用，使学生更容易理解和记忆枯燥的理论，进而达到活学活用的目的。

我院材料专业本科生在三年级时学习了X射线衍射技术。因此在讲解纳米颗粒粒径的表征方法时介绍了学生熟悉的X射线衍射技术中X射线衍射线线宽法（谢乐公式）测定一次颗粒晶粒度的方法。

碳纳米材料中多壁、单壁碳纳米管是大家关注的纳米材料。讲解单壁碳纳米管的结构时运用石墨片的模型。石墨片可以沿不同方向卷曲，得到各种螺旋度的纳米管，根据手性矢量Ch=na1+ma2的计算，可以将碳纳米管记为（n， m）。n和m的数值确定了纳米管的电学性质。例如当n=m时，纳米管为金属型，电子沿纳米管壁传输，因此金属型碳纳米管可用作纳米回路的导线等等。讲解单壁碳纳米管的表征方法时，采用透射电子显微镜的高分辨图片HRTEM和Raman光谱中的环呼吸振动峰等来进行表征。

二理论联系实际，激发学生积极性

纳米材料是一门实用性很强的学科，具有知识更新速度快的特点。大学四年级的学生面临着找工作、考研究生、考公务员等实际状况。如果任课老师此时一味地讲解基础理论知识，会使学生觉得枯燥无用，从而导致学生听课疲劳、厌学等现象，所以讲解时要注重理论联系实际。首先讲解与日常生活紧密相关的纳米材料，单臂碳纳米管阵列、磁性液体、钛酸钡纳米片及纳米纤维等。让学生了解这是一门有用的课程，激发他们深入学习的积极性，达到事半功倍的效果。

例如，讲解单臂碳纳米管阵列的合成及应用时，借助图像和动画，生动、直观地介绍了用微点阵技术将金属催化剂固定在硅基板上，然后采用化学气相沉积法在特定条件下使碳纳米管在硅片上垂直生长，形成单臂碳纳米管阵列。因为碳纳米管具有优异的场发射性质，单臂碳纳米管阵列可用于场发射高清晰度平板显示器等。

详细讲解磁性液体的多种用途，如用于旋转轴的动态密封、剂、增进扬声器功率、矿物浮选、传感器、阻尼器件等。

广泛应用于数码产品中的多层陶瓷电容器的发展方向趋于大容量和薄层化，其主要原料钛酸钡高纯超细粉体的制备工艺备受学术界关注。任课老师查阅最新的钛酸钡纳米片及纳米纤维的制备及表征的文献，介绍给学生并进行探讨，激发学生的学习兴趣。

三注重课程在研究课题中的应用

研究合成无机材料的同学很多会用到透射电子显微镜（TEM）技术进行晶体结构表征。讲解纳米材料的结构表征时，让本科学生了解透射电子显微镜（TEM）的结构的同时掌握支持膜法制备纳米粉末样品。而且该课程的内容可能在以后的研究生学习中起到重要的作用。

在为硕士生讲解时，要求他们掌握电子衍射原理和初等结晶学等内容，并选用立方晶系材料的选区电子衍射图片具体讲解了衍射斑点的指数标定方法，让学生认识到学习该课程的重要性。准备一些与课题有关的或最新的纳米材料英文文献，分组翻译，并进行讨论，将基础理论知识与研究课题相结合，提高他们的综合能力。

四营造和谐互动的课堂气氛

笔者是一位留学回国人员，在国外攻读硕博课程期间有很多的学习体会。例如每周举行一次组会。组会具体内容有基础理论学习、课题进展报告、文献研读等。与学生一起分享自己的研究和学习的经验，讨论学习方法、学习经验，从而可以使学生有计划、有目的地使用时间，获得事半功倍的学习效果。例如，利用关键词搜索大量文献，通过泛读找到与课题有关的研究背景，再进行精读，来了解课题进展情况等。根据自己的学习经历，参考部分国外的教学模式，例如组会模式，活跃课堂气氛，激发学生学习的积极主动性。

人类的每一次进步都和一种或多种新材料的开发密不可分。新技术的产生是以新材料为基础的。纳米材料对我们国家经济振兴及国力增强，实现中国梦具有战略性影响力。因此高校为本科生和硕士生开设纳米材料科学与技术的专业课程是有必要的。纳米科技具有发展迅速、知识更新速度快的特点，任课老师要针对课程特点不断地查阅最新文献，更新纳米材料科研成果的内容。讲解时要注重纳米科技理论知识和实际应用的联系，借助图像和动画等形式，激发学生的学习兴趣。营造和谐互动的课堂气氛，以学生为主体，帮助学生做好学习规划，有效利用时间，获得事半功倍的效果。

参考文献

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