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纳米材料科学与技术课程教学改革探析

发布时间:2020/12/31 8:58:08   阅读:

摘要:针对“新基建”背景下纳米材料科学与技术前沿课程的教学实际,分析其多学科交叉的特点,从优化教学内容、创新教学方法、拓展教学资源、完善评价体系等方面,探索跨学科创新人才培养模式,探讨符合“新基建”需求的新型人才培养理念和实践教学方法。

关键词:新基建;纳米材料科学与技术;教学改革

随着5G和物联网时代的来临,新一轮科技革命和产业变革加速演进,以“新基建”多学科交叉为特征的人才培养目标对教学工作提出了新的要求。近年来,纳米材料科学与技术是世界上爆炸式发展的最广阔和多学科交叉研究领域,在信息、材料、能源、环境、微电子、生物、医学和国防等方面显示了广泛的应用前景。因此,立足于“新基建”建设理念和人才培养总体方向,纳米材料科学与技术前沿课程在教学内容、教学方法、教学资源和评价体系等方面进行了探索,提出了全方位优化方案,努力培养适应国家“新基建”要求的创新人才。

一、优化教学内容

纳米材料科学与技术是了解纳米材料理论前沿、应用前景和最新发展动态及纳米产业发展状况的学科。该课程以纳米材料发展为主线,了解纳米材料发展的重大事件,讨论纳米材料和技术的最新动态和发展趋势。纳米材料科学与技术前沿课程对实施材料通才教育,开阔学生视野起到重要的作用。为使学生了解各领域纳米材料的研究方法、应用前景和最新发展动态,教学内容选择方面考虑到更多方面的应用需求。讲授纳米半导体材料及器件研究前沿、纳米功能材料在环境和能源领域的应用及发展前景;介绍纳米生物技术研究前沿,了解纳米生物材料及纳米生物技术研究前沿、应用及发展前景;介绍新概念纳米构造及功能化,了解新概念微纳加工方法、纳米器件构造及功能化前沿研究等。通过在教学内容上精心选择纳米材料与技术领域的最新科技进展,注重与生活实践紧密联系,重视理论联系实际。把最新科研成果与问题引入课堂教学,设问留疑,组织课堂讨论,使学生对国内外纳米材料科学与技术前沿现状与趋势有较为全面的了解。例如,在向未来社会发展的进程中,人类活动对于智能化的需求,使得智能传感器成为研究热点。目前智能传感器技术发展有三种趋势。一是新材料应用。传感器技术的重要基础是敏感材料的不断发展,如低维纳米材料等。随着科学技术不断创新发展,将会有更多适用于传感器的新型材料诞生。新材料的开发利用使得传感器高性能化、微型化、集成化、多功能化、低成本化。二是新工艺采用。随着微纳技术、三维技术等的不断开发,对于新型传感器未来的产业化、商品化将会有很大的促进作用。三是新型传感器设计。这种新型传感器主要具备柔性、透明、多功能、小型化和高性能等特点,需要在新原理、新材料和新技术等诸多方面进行不断创新[1]。基于以上思路,在课堂教学中以石墨烯基应力、应变传感器为例,阐述纳米传感器的设计、组装、原理及其性能调控,并介绍柔性应力、应变传感器在健康监控、柔性触摸屏、柔性电子皮肤等领域的应用。通过上述教学内容,使学生在掌握基本概念和基本理论的基础上,获得更多新材料、新技术及材料研究新进展等知识内容和研究方法。

二、创新教学方法

由于纳米材料科学及技术前沿的多学科交叉性特点,知识跨度范围大,讲授内容难以一本或几本教材覆盖,教学过程中采用开放式授课,突破教材束缚,使教材由主导地位转变为辅助地位。例如,为了适应5G与人工智能时代的要求,高性能电子器件及光电子器件一直是半导体工业追逐的目标。传统体相半导体材料显然无法满足未来半导体领域发展的需要,纳米半导体材料由于具有独特的物理、化学特性,在纳米计算机、纳米生物探测器及纳米微型机械等应用领域显示出了强大的生命力。其中,二维层状材料由于具有原子层厚度和表面无悬挂键等特点,被视为纳米电子学和光电子学最有希望的材料之一。二维材料厚度方向的尺寸远小于目前最小硅基晶体管的制程,这是其应用于高性能晶体管的巨大优势。目前,已开发的二维材料具有金属性、半金属性、半导体性及绝缘性,且部分二维半导体材料的带隙可以通过改变层数、施加应力和电场等方法调节。另外,二维材料普遍具有柔性、透明的特征,这在可穿戴器件及透明电子产品领域有广泛的应用前景[2]。上述相关内容成果由于均是近年来的最新研究成果,不会在已有的教科书中体现,而是需要综合相关各高水平学术期刊的论文,吸纳相关领域前沿成果。此外,从学生认知特点出发,构建节点化知识结构体系,凸显前沿性、交叉性与综合性的学科教学特点,实现由“灌输知识”向“培养能力”的转变。采用小组讨论方式授课。在课前布置任务,学生在课下准备相关资料。上课时各小组自由讨论,教师针对讨论中存在的问题进行补充、纠正和扩展。

三、整合教学资源

国家纳米科学中心是纳米领域国家级科研院所,拥有一流的师资力量。为了进一步提升本校纳米材料与技术专业的国内和国际竞争力,加强学校与科研院所的合作,2012年北京科技大学与国家纳米科学中心签订了关于联合培养纳米专业本科生的合作协议,为探索培养高层次纳米材料专业人才的创新模式提供了良好的实践平台[3]。为此,从纳米科学对高端前沿材料人才的要求出发,充分发挥高校和研究院所的科研优势,把优质科研资源转化为教学资源,定期邀请纳米领域知名专家讲授纳米材料科学与技术前沿最新研究成果与进展。例如,纳米材料与技术在生物医学领域的应用,纳米技术可应用于靶向药物运输和基因治疗,采用纳米材料运输基因或药物能够在提高治疗效果的同时减轻对其它细胞的伤害。纳米中心的一些专家在这一领域有深厚的研究基础,并在前沿方向取得了非常优异的成果。通过邀请这一领域的专家授课,并与学生一起探讨,获得了良好的教学效果。通过推进产教融合、校企合作,构建产学研合作协同育人机制。集聚优质教育资源,强化高校、企业和科研机构等多元主体之间的协同,打破体制壁垒,探索共建组织架构和育人模式,建立并完善了课程体系和研究型教学方法,全面提高了教育教学水平,提升了人才培养质量。

四、完善成绩评价体系

对学生成绩进行评价应基于人才培养核心理念,着重考虑学生应达到的目标[4]。教学评价更多体现在学习成果方面[5]。学生学习目标的达成度评价是专业教学改革的重要措施,对教学活动的持续改进起指导作用。以往本课程考核的主要方式是通过考试评定学生成绩,但考试是教学手段,而不是目的。另一种考核方式是学生期末提交一篇关于纳米材料科学与技术前沿方面的研究报告,虽然能反映学生一定的文献综合能力,但无法检测其基础理论知识的掌握程度。为了提高授课效果,采用多元评价标准,将课堂提问、分组讨论、小论文/报告考核、考试考核等结合起来,形成一套完整的评价体系。通过对学生学习成果的总体掌握,为进一步提升教学质量提供指导。

参考文献:

[1]徐旻轩.石墨烯基柔性应力/应变传感器的设计、构筑与性能研究[D].北京:北京科技大学,2018.

[2]李峰.二维MoS2力光电耦合性能调控及器件应用基础研究[D].北京:北京科技大学,2018.

[3]秦子,廖庆亮,张铮,等.“新工科”背景下多方协同育人的纳米专业实践教学平台构建[J].中国冶金教育,2019(3):59-61.

[4]高相胜,昝涛,王民.工程教育认证毕业要求达成度评价方法和步骤[J].教育教学论坛,2016(51):206-208.

[5]王天宝,程卫东.基于CDIO的创新型工程人才培养模式研究与实践[J].高等工程教育研究,2010(1):25-31.

作者:齐俊杰 单位:北京科技大学材料科学与工程学院

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