納米材料科學(xué)與技術(shù)課程教學(xué)改革探析

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摘要：針對(duì)“新基建”背景下納米材料科學(xué)與技術(shù)前沿課程的教學(xué)實(shí)際，分析其多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)方法、拓展教學(xué)資源、完善評(píng)價(jià)體系等方面，探索跨學(xué)科創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，探討符合“新基建”需求的新型人才培養(yǎng)理念和實(shí)踐教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：新基建；納米材料科學(xué)與技術(shù)；教學(xué)改革

隨著5G和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速演進(jìn)，以“新基建”多學(xué)科交叉為特征的人才培養(yǎng)目標(biāo)對(duì)教學(xué)工作提出了新的要求。近年來(lái)，納米材料科學(xué)與技術(shù)是世界上爆炸式發(fā)展的最廣闊和多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，在信息、材料、能源、環(huán)境、微電子、生物、醫(yī)學(xué)和國(guó)防等方面顯示了廣泛的應(yīng)用前景。因此，立足于“新基建”建設(shè)理念和人才培養(yǎng)總體方向，納米材料科學(xué)與技術(shù)前沿課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)資源和評(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行了探索，提出了全方位優(yōu)化方案，努力培養(yǎng)適應(yīng)國(guó)家“新基建”要求的創(chuàng)新人才。

一、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

納米材料科學(xué)與技術(shù)是了解納米材料理論前沿、應(yīng)用前景和最新發(fā)展動(dòng)態(tài)及納米產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r的學(xué)科。該課程以納米材料發(fā)展為主線，了解納米材料發(fā)展的重大事件，討論納米材料和技術(shù)的最新動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)。納米材料科學(xué)與技術(shù)前沿課程對(duì)實(shí)施材料通才教育，開(kāi)闊學(xué)生視野起到重要的作用。為使學(xué)生了解各領(lǐng)域納米材料的研究方法、應(yīng)用前景和最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，教學(xué)內(nèi)容選擇方面考慮到更多方面的應(yīng)用需求。講授納米半導(dǎo)體材料及器件研究前沿、納米功能材料在環(huán)境和能源領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展前景；介紹納米生物技術(shù)研究前沿，了解納米生物材料及納米生物技術(shù)研究前沿、應(yīng)用及發(fā)展前景；介紹新概念納米構(gòu)造及功能化，了解新概念微納加工方法、納米器件構(gòu)造及功能化前沿研究等。通過(guò)在教學(xué)內(nèi)容上精心選擇納米材料與技術(shù)領(lǐng)域的最新科技進(jìn)展，注重與生活實(shí)踐緊密聯(lián)系，重視理論聯(lián)系實(shí)際。把最新科研成果與問(wèn)題引入課堂教學(xué)，設(shè)問(wèn)留疑，組織課堂討論，使學(xué)生對(duì)國(guó)內(nèi)外納米材料科學(xué)與技術(shù)前沿現(xiàn)狀與趨勢(shì)有較為全面的了解。例如，在向未來(lái)社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程中，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)于智能化的需求，使得智能傳感器成為研究熱點(diǎn)。目前智能傳感器技術(shù)發(fā)展有三種趨勢(shì)。一是新材料應(yīng)用。傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)是敏感材料的不斷發(fā)展，如低維納米材料等。隨著科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，將會(huì)有更多適用于傳感器的新型材料誕生。新材料的開(kāi)發(fā)利用使得傳感器高性能化、微型化、集成化、多功能化、低成本化。二是新工藝采用。隨著微納技術(shù)、三維技術(shù)等的不斷開(kāi)發(fā)，對(duì)于新型傳感器未來(lái)的產(chǎn)業(yè)化、商品化將會(huì)有很大的促進(jìn)作用。三是新型傳感器設(shè)計(jì)。這種新型傳感器主要具備柔性、透明、多功能、小型化和高性能等特點(diǎn)，需要在新原理、新材料和新技術(shù)等諸多方面進(jìn)行不斷創(chuàng)新[1]?；谝陨纤悸?，在課堂教學(xué)中以石墨烯基應(yīng)力、應(yīng)變傳感器為例，闡述納米傳感器的設(shè)計(jì)、組裝、原理及其性能調(diào)控，并介紹柔性應(yīng)力、應(yīng)變傳感器在健康監(jiān)控、柔性觸摸屏、柔性電子皮膚等領(lǐng)域的應(yīng)用。通過(guò)上述教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生在掌握基本概念和基本理論的基礎(chǔ)上，獲得更多新材料、新技術(shù)及材料研究新進(jìn)展等知識(shí)內(nèi)容和研究方法。

二、創(chuàng)新教學(xué)方法

由于納米材料科學(xué)及技術(shù)前沿的多學(xué)科交叉性特點(diǎn)，知識(shí)跨度范圍大，講授內(nèi)容難以一本或幾本教材覆蓋，教學(xué)過(guò)程中采用開(kāi)放式授課，突破教材束縛，使教材由主導(dǎo)地位轉(zhuǎn)變?yōu)檩o助地位。例如，為了適應(yīng)5G與人工智能時(shí)代的要求，高性能電子器件及光電子器件一直是半導(dǎo)體工業(yè)追逐的目標(biāo)。傳統(tǒng)體相半導(dǎo)體材料顯然無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展的需要，納米半導(dǎo)體材料由于具有獨(dú)特的物理、化學(xué)特性，在納米計(jì)算機(jī)、納米生物探測(cè)器及納米微型機(jī)械等應(yīng)用領(lǐng)域顯示出了強(qiáng)大的生命力。其中，二維層狀材料由于具有原子層厚度和表面無(wú)懸掛鍵等特點(diǎn)，被視為納米電子學(xué)和光電子學(xué)最有希望的材料之一。二維材料厚度方向的尺寸遠(yuǎn)小于目前最小硅基晶體管的制程，這是其應(yīng)用于高性能晶體管的巨大優(yōu)勢(shì)。目前，已開(kāi)發(fā)的二維材料具有金屬性、半金屬性、半導(dǎo)體性及絕緣性，且部分二維半導(dǎo)體材料的帶隙可以通過(guò)改變層數(shù)、施加應(yīng)力和電場(chǎng)等方法調(diào)節(jié)。另外，二維材料普遍具有柔性、透明的特征，這在可穿戴器件及透明電子產(chǎn)品領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[2]。上述相關(guān)內(nèi)容成果由于均是近年來(lái)的最新研究成果，不會(huì)在已有的教科書(shū)中體現(xiàn)，而是需要綜合相關(guān)各高水平學(xué)術(shù)期刊的論文，吸納相關(guān)領(lǐng)域前沿成果。此外，從學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)出發(fā)，構(gòu)建節(jié)點(diǎn)化知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，凸顯前沿性、交叉性與綜合性的學(xué)科教學(xué)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)由“灌輸知識(shí)”向“培養(yǎng)能力”的轉(zhuǎn)變。采用小組討論方式授課。在課前布置任務(wù)，學(xué)生在課下準(zhǔn)備相關(guān)資料。上課時(shí)各小組自由討論，教師針對(duì)討論中存在的問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)充、糾正和擴(kuò)展。

三、整合教學(xué)資源

國(guó)家納米科學(xué)中心是納米領(lǐng)域國(guó)家級(jí)科研院所，擁有一流的師資力量。為了進(jìn)一步提升本校納米材料與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的國(guó)內(nèi)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，加強(qiáng)學(xué)校與科研院所的合作，2012年北京科技大學(xué)與國(guó)家納米科學(xué)中心簽訂了關(guān)于聯(lián)合培養(yǎng)納米專(zhuān)業(yè)本科生的合作協(xié)議，為探索培養(yǎng)高層次納米材料專(zhuān)業(yè)人才的創(chuàng)新模式提供了良好的實(shí)踐平臺(tái)[3]。為此，從納米科學(xué)對(duì)高端前沿材料人才的要求出發(fā)，充分發(fā)揮高校和研究院所的科研優(yōu)勢(shì)，把優(yōu)質(zhì)科研資源轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，定期邀請(qǐng)納米領(lǐng)域知名專(zhuān)家講授納米材料科學(xué)與技術(shù)前沿最新研究成果與進(jìn)展。例如，納米材料與技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，納米技術(shù)可應(yīng)用于靶向藥物運(yùn)輸和基因治療，采用納米材料運(yùn)輸基因或藥物能夠在提高治療效果的同時(shí)減輕對(duì)其它細(xì)胞的傷害。納米中心的一些專(zhuān)家在這一領(lǐng)域有深厚的研究基礎(chǔ)，并在前沿方向取得了非常優(yōu)異的成果。通過(guò)邀請(qǐng)這一領(lǐng)域的專(zhuān)家授課，并與學(xué)生一起探討，獲得了良好的教學(xué)效果。通過(guò)推進(jìn)產(chǎn)教融合、校企合作，構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研合作協(xié)同育人機(jī)制。集聚優(yōu)質(zhì)教育資源，強(qiáng)化高校、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)等多元主體之間的協(xié)同，打破體制壁壘，探索共建組織架構(gòu)和育人模式，建立并完善了課程體系和研究型教學(xué)方法，全面提高了教育教學(xué)水平，提升了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

四、完善成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系

對(duì)學(xué)生成績(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)應(yīng)基于人才培養(yǎng)核心理念，著重考慮學(xué)生應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)[4]。教學(xué)評(píng)價(jià)更多體現(xiàn)在學(xué)習(xí)成果方面[5]。學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成度評(píng)價(jià)是專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革的重要措施，對(duì)教學(xué)活動(dòng)的持續(xù)改進(jìn)起指導(dǎo)作用。以往本課程考核的主要方式是通過(guò)考試評(píng)定學(xué)生成績(jī)，但考試是教學(xué)手段，而不是目的。另一種考核方式是學(xué)生期末提交一篇關(guān)于納米材料科學(xué)與技術(shù)前沿方面的研究報(bào)告，雖然能反映學(xué)生一定的文獻(xiàn)綜合能力，但無(wú)法檢測(cè)其基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握程度。為了提高授課效果，采用多元評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將課堂提問(wèn)、分組討論、小論文/報(bào)告考核、考試考核等結(jié)合起來(lái)，形成一套完整的評(píng)價(jià)體系。通過(guò)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的總體掌握，為進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李峰.二維MoS2力光電耦合性能調(diào)控及器件應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2018.

[3]秦子，廖慶亮，張錚，等.“新工科”背景下多方協(xié)同育人的納米專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建[J].中國(guó)冶金教育，2019（3）：59-61.

[4]高相勝，昝濤，王民.工程教育認(rèn)證畢業(yè)要求達(dá)成度評(píng)價(jià)方法和步驟[J].教育教學(xué)論壇，2016（51）：206-208.

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作者:齊俊杰 單位:北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院