浅谈纳米材料双语课程教学知识体系的构建

　　【基金项目】西安建筑科技大学教改项目资助（编号：JG080225）。

　　【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）10-0220-02

　　一、引言

　　为应对当前世界经济一体化以及科技革命带来的严峻挑战，加强主宰世界经济及科技走向的新知识、新科技及新成果的学习势在必行，而开展承载着“爆炸信息量”的纳米材料的双语课程学习就显得尤为重要。纳米材料是填补了长期以来人们对于宏观和微观领域研究的缺失领域―介观领域的空白，由于纳米材料的结构特性，具有常规材料不具备的纳米效应，因而，纳米材料的研究已成为当前先进材料研究最活跃的领域之一[1]；同时，纳制造技术也将对当前的微制造技术带来一次革命性的变革，这是因为纳制造技术采用“自下而上”的制造原理，能够制造出体积更小、便于携带、功能更强大的电子元器件及仪器设备，其研究成果日新月异，如：纳米机器人、纳米小轿车、纳米间谍机、纳米芯片、纳米电池、纳米医药，这些纳米产品将对我们的生活、工业、农业、军事、医疗、制造业等各行各业带来前所未有的巨变与冲击。

　　为了加强本科生对纳米材料最新成果的了解，拓宽知识视野，启迪学生的纳米概念和纳米理论的新思想，培养学生的创新意识，构建一种纳米材料双语教学课程知识体系，对于科学系统的传授纳米材料基本概念和基础知识是十分必要的。作者在长期的纳米材料双语教学过程中，力图将纳米材料基本概念系统的介绍给学生；采用现代化的教学方法，并将板书、图表、视频等教学手段相结合，不断的充实授课内容，期望形成一种较完整的双语课程知识体系。

　　二、纳米材料双语课程教学知识体系的构建

　　构建科学合理的纳米材料双语课程教学知识体系是以知识、能力和素质培养为宗旨，以能力培养为核心，以双语教学为媒介，以传授新概念、新理论、新工艺、新成果为纽带，以提升创新能力为培养目的，着力开启纳米材料课程教学人才培养的新模式和新途径。纳米材料双语课程在我校属于专业选修课，只有32学时，针对课程内容多，学时少的现状，课程教学中知识体系的选取原则是以基本的纳米概念、基础理论、纳米效应、纳米制造方法、检测手段、标志性的成果（如碳纳米材料中的富勒烯）以及纳米材料在新能源领域中的应用为主线。

　　纳米材料双语课程知识体系可分为八个知识单元：第一个知识单元Introduction to nanoscale materials（纳米材料简介）；第二个知识单元Nanometer effects （纳米效应）；第三个知识单元Properties of nanoscale materials （纳米材料的性质）；第四个知识单元Synthesis of nanoscale materials （纳米材料的合成）；第五个知识单元Scanning tunneling microscope and atomic force microscope （扫描隧道显微镜和原子力显微镜）；第六个知识单元Synthesis of carbon nanomaterials （碳纳米材料合成）；第七个知识单元Lithography for nanofabrication（光刻纳米制造技术）；第八个知识单元Nanotechnology for production of hydrogen by solar energy （纳米技术用于太阳能产氢）。

　　作为纳米科技基础的纳米材料，近年来已成为最热门的研究课题之一，纳米科技的浓厚兴趣集中在能对经济、加工及科学产生巨大影响的若干领域。第一个知识单元中的知识点可划分为纳米材料定义及其分类。按照空间维度纳米材料可分为零维、一维、二维及块体材料，依据材料的量子性质可分为量子点、量子线、量子阱，同样，按照材料的性质、组成以及形貌对纳米材料进行分类。更多的知识点涉及到纳米科技的定义。工业革命推动了纳米科技的发展，当作为芯片的氧化硅的绝缘层厚度被减薄至大约3个硅原子的厚度时，漏电就成为一个大问题。加之，当硅材料被限制在很小的尺寸时，将会失去它固有的能带结构，故此，目前微制造技术的局限性的知识点就显得十分重要。如何才能克服当前固态电子学技术中的局限性？分子电子学的诞生是一个崭新的和诱人的研究领域，该研究领域正在唤起科学家的想象力；未来技术的挑战在于原子操纵的分子和超分子系统设计；纳米材料在水处理、纳催化、纳米传感器、能源以及医疗方面等领域的应用。

　　第二个知识单元是纳米材料的纳米效应，当一种材料的尺寸缩减到纳米量级时，即使其组成与可以看得见和触摸到的块体材料完全相同，但材料的性能却有着本质的区别，纳米材料表现出与常规块体材料迥然不同的性质称为纳米效应。当纳米粒子的尺寸与光波长，德布罗意波长，电子的自由程长度，或者超导态的相干波长相当或更小时，将会产生小尺寸效应。当粒子尺寸减小到或接近于激子波尔半径时，将会产生量子尺寸效应，在量子尺寸效应中主要阐明能隙与粒子尺寸的关系；当纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随纳米颗粒的粒径减小而显著增大时，将会引起表面效应；宏观量子隧道效应的知识点包括了弹道传输、隧穿、共振隧穿、隧穿效应等内容[2]。

　　第三个知识单元涉及纳米材料的性能；力学性能表现为纳米材料的硬度随粒径尺寸的减小而增大表现出正的Hall?Petch斜率关系（K>0），纳米材料的硬度随粒径尺寸的减小而减小呈现出负的Hall?Petch斜率关系（K<0），有些材料的硬度随着粒子尺寸的减小呈现先增大后减小的趋势为正-负Hall?Petch斜率关系；纳米材料的热学性质表明低温下纳米粒子的热学行为与块体材料有明显的区别；磁学性能表明随着粒子尺寸的减小，粒子中的磁畴数量减少；当粒子变得足够小，由于热扰动，磁矩不可能有择优取向，而展示出超顺磁性。量子点的另一个电学特性是发生单电子隧穿；光学性能知识点包括了纳米材料的光化学和光物理过程、吸收光谱和发光光谱。 　　在过去数十年间，科学家已经揭示了至少有一维处于纳米量级的许多新材料的合成与表征方法。如：纳米粒子，纳米膜和纳米管。然而，设计和制备具有可控性能的纳米材料仍然是纳米科技的一项重大的和长期的挑战。纳米材料的制备有多种途径。了解纳米材料制备过程中的一些工艺特性是非常重要的，这是因为制备的工艺路线通常决定了所制备材料的性能。第四个知识单元纳米材料的制备首先介绍采用传统的“自上而下”的方法以及先进的“自下而上”的两种方法制备纳米材料。利用固相方法制备纳米材料包括了机械研磨和固相反应。物理气相沉积（PVD）法分为热蒸发PVD法、等离子体辅助PVD法以及激光消融法。化学气相沉积法 （CVD），液相合成方法包括了沉淀法、溶剂热法、冷冻-干燥法（低温化学合成法）、溶胶-凝胶法、微乳液法、微波辅助合成法、超声波辅助合成法。采用冷压和热压法固化纳米粉体合成块体纳米材料。通过模板辅助自组装纳米结构材料的合成；从节能减排、原子经济、溶剂安全性以及提高能量效率的角度设计纳米材料的绿色合成路线。

　　第五个知识单元主要介绍扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM） 的基本原理，操作模式及其应用。STM 和AFM表明是获取材料表面原子形貌信息的新仪器。此外，通过纳米操纵，人们可以采用扫描隧道显微镜和原子力显微镜制造纳米尺寸的材料和器件。

　　第六个知识单元涉及碳纳米材料的合成。碳族的知识点涉及石墨、金刚石、碳的同素异形体。富勒烯的知识点包括C60的合成、富勒烯的纯化、C60的结构、13C核磁共振谱、富勒烯包合物、亲核加成反应、C60的聚合反应、纳米小轿车的制造。碳纳米管的知识点包括了碳纳米管的合成、碳纳米管的生长机理以及碳纳米管的几何构型。

　　第七个知识单元是纳米制造中的光刻技术，其知识点包括紫外线光刻技术；扫描束刻蚀纳米制造的知识点有电子束刻蚀以及聚焦离子束刻蚀技术。纳米压印刻蚀技术包括了纳米压印刻蚀技术、步进式闪烁压印刻蚀技术及微接触印制技术。扫描探针刻蚀技术。

　　第八个知识单元是纳米技术用于太阳能光催化分解水制氢的新能源应用。知识点涉及太阳能转换、光催化分解水制氢、负载型TiO2、可见光驱动的光催化剂的发展、铬离子掺杂的钛酸盐纳米管以及半导体复合材料[3]。

　　在上述八个知识单元的教学过程中，结合不同章节的具体情况，教学方法和教学手段要灵活多样，将板书、多媒体、动画技术及网络资源相结合，做到图文并茂，寓教于乐，激发学生的学习热情。另外，采用启发式教学，课堂中加强与学生的活动，提高学生的思考问题及解决问题的创新能力，实现学生的知识、能力和素质的全面培养。

　　三、结语

　　构建纳米材料双语课程知识体系是一项长期而细致的教改工作，虽然我们对少学时的纳米材料双语课程教学勾勒出了知识体系，但不同的专业，教学目的有所不同，其侧重点有所不同，则知识体系中的知识单元及知识点迥然不同。但通过我们坚持不懈地努力，纳米材料双语课程知识体系会变得更加科学合理，更加新颖前瞻，更能激发学生的创新热情。

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