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      納米材料科學與技術課程教學改革探析

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      納米材料科學與技術課程教學改革探析

      摘要:針對“新基建”背景下納米材料科學技術前沿課程的教學實際,分析其多學科交叉的特點,從優化教學內容、創新教學方法、拓展教學資源、完善評價體系等方面,探索跨學科創新人才培養模式,探討符合“新基建”需求的新型人才培養理念和實踐教學方法。

      關鍵詞:新基建;納米材料科學與技術;教學改革

      隨著5G和物聯網時代的來臨,新一輪科技革命和產業變革加速演進,以“新基建”多學科交叉為特征的人才培養目標對教學工作提出了新的要求。近年來,納米材料科學與技術是世界上爆炸式發展的最廣闊和多學科交叉研究領域,在信息、材料、能源、環境、微電子、生物、醫學和國防等方面顯示了廣泛的應用前景。因此,立足于“新基建”建設理念和人才培養總體方向,納米材料科學與技術前沿課程在教學內容、教學方法、教學資源和評價體系等方面進行了探索,提出了全方位優化方案,努力培養適應國家“新基建”要求的創新人才。

      一、優化教學內容

      納米材料科學與技術是了解納米材料理論前沿、應用前景和最新發展動態及納米產業發展狀況的學科。該課程以納米材料發展為主線,了解納米材料發展的重大事件,討論納米材料和技術的最新動態和發展趨勢。納米材料科學與技術前沿課程對實施材料通才教育,開闊學生視野起到重要的作用。為使學生了解各領域納米材料的研究方法、應用前景和最新發展動態,教學內容選擇方面考慮到更多方面的應用需求。講授納米半導體材料及器件研究前沿、納米功能材料在環境和能源領域的應用及發展前景;介紹納米生物技術研究前沿,了解納米生物材料及納米生物技術研究前沿、應用及發展前景;介紹新概念納米構造及功能化,了解新概念微納加工方法、納米器件構造及功能化前沿研究等。通過在教學內容上精心選擇納米材料與技術領域的最新科技進展,注重與生活實踐緊密聯系,重視理論聯系實際。把最新科研成果與問題引入課堂教學,設問留疑,組織課堂討論,使學生對國內外納米材料科學與技術前沿現狀與趨勢有較為全面的了解。例如,在向未來社會發展的進程中,人類活動對于智能化的需求,使得智能傳感器成為研究熱點。目前智能傳感器技術發展有三種趨勢。一是新材料應用。傳感器技術的重要基礎是敏感材料的不斷發展,如低維納米材料等。隨著科學技術不斷創新發展,將會有更多適用于傳感器的新型材料誕生。新材料的開發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、三維技術等的不斷開發,對于新型傳感器未來的產業化、商品化將會有很大的促進作用。三是新型傳感器設計。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,需要在新原理、新材料和新技術等諸多方面進行不斷創新[1]。基于以上思路,在課堂教學中以石墨烯基應力、應變傳感器為例,闡述納米傳感器的設計、組裝、原理及其性能調控,并介紹柔性應力、應變傳感器在健康監控、柔性觸摸屏、柔性電子皮膚等領域的應用。通過上述教學內容,使學生在掌握基本概念和基本理論的基礎上,獲得更多新材料、新技術及材料研究新進展等知識內容和研究方法。

      二、創新教學方法

      由于納米材料科學及技術前沿的多學科交叉性特點,知識跨度范圍大,講授內容難以一本或幾本教材覆蓋,教學過程中采用開放式授課,突破教材束縛,使教材由主導地位轉變為輔助地位。例如,為了適應5G與人工智能時代的要求,高性能電子器件及光電子器件一直是半導體工業追逐的目標。傳統體相半導體材料顯然無法滿足未來半導體領域發展的需要,納米半導體材料由于具有獨特的物理、化學特性,在納米計算機、納米生物探測器及納米微型機械等應用領域顯示出了強大的生命力。其中,二維層狀材料由于具有原子層厚度和表面無懸掛鍵等特點,被視為納米電子學和光電子學最有希望的材料之一。二維材料厚度方向的尺寸遠小于目前最小硅基晶體管的制程,這是其應用于高性能晶體管的巨大優勢。目前,已開發的二維材料具有金屬性、半金屬性、半導體性及絕緣性,且部分二維半導體材料的帶隙可以通過改變層數、施加應力和電場等方法調節。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品領域有廣泛的應用前景[2]。上述相關內容成果由于均是近年來的最新研究成果,不會在已有的教科書中體現,而是需要綜合相關各高水平學術期刊的論文,吸納相關領域前沿成果。此外,從學生認知特點出發,構建節點化知識結構體系,凸顯前沿性、交叉性與綜合性的學科教學特點,實現由“灌輸知識”向“培養能力”的轉變。采用小組討論方式授課。在課前布置任務,學生在課下準備相關資料。上課時各小組自由討論,教師針對討論中存在的問題進行補充、糾正和擴展。

      三、整合教學資源

      國家納米科學中心是納米領域國家級科研院所,擁有一流的師資力量。為了進一步提升本校納米材料與技術專業的國內和國際競爭力,加強學校與科研院所的合作,2012年北京科技大學與國家納米科學中心簽訂了關于聯合培養納米專業本科生的合作協議,為探索培養高層次納米材料專業人才的創新模式提供了良好的實踐平臺[3]。為此,從納米科學對高端前沿材料人才的要求出發,充分發揮高校和研究院所的科研優勢,把優質科研資源轉化為教學資源,定期邀請納米領域知名專家講授納米材料科學與技術前沿最新研究成果與進展。例如,納米材料與技術在生物醫學領域的應用,納米技術可應用于靶向藥物運輸和基因治療,采用納米材料運輸基因或藥物能夠在提高治療效果的同時減輕對其它細胞的傷害。納米中心的一些專家在這一領域有深厚的研究基礎,并在前沿方向取得了非常優異的成果。通過邀請這一領域的專家授課,并與學生一起探討,獲得了良好的教學效果。通過推進產教融合、校企合作,構建產學研合作協同育人機制。集聚優質教育資源,強化高校、企業和科研機構等多元主體之間的協同,打破體制壁壘,探索共建組織架構和育人模式,建立并完善了課程體系和研究型教學方法,全面提高了教育教學水平,提升了人才培養質量。

      四、完善成績評價體系

      對學生成績進行評價應基于人才培養核心理念,著重考慮學生應達到的目標[4]。教學評價更多體現在學習成果方面[5]。學生學習目標的達成度評價是專業教學改革的重要措施,對教學活動的持續改進起指導作用。以往本課程考核的主要方式是通過考試評定學生成績,但考試是教學手段,而不是目的。另一種考核方式是學生期末提交一篇關于納米材料科學與技術前沿方面的研究報告,雖然能反映學生一定的文獻綜合能力,但無法檢測其基礎理論知識的掌握程度。為了提高授課效果,采用多元評價標準,將課堂提問、分組討論、小論文/報告考核、考試考核等結合起來,形成一套完整的評價體系。通過對學生學習成果的總體掌握,為進一步提升教學質量提供指導。

      參考文獻:

      [1]徐旻軒.石墨烯基柔性應力/應變傳感器的設計、構筑與性能研究[D].北京:北京科技大學,2018.

      [2]李峰.二維MoS2力光電耦合性能調控及器件應用基礎研究[D].北京:北京科技大學,2018.

      [3]秦子,廖慶亮,張錚,等.“新工科”背景下多方協同育人的納米專業實踐教學平臺構建[J].中國冶金教育,2019(3):59-61.

      [4]高相勝,昝濤,王民.工程教育認證畢業要求達成度評價方法和步驟[J].教育教學論壇,2016(51):206-208.

      [5]王天寶,程衛東.基于CDIO的創新型工程人才培養模式研究與實踐[J].高等工程教育研究,2010(1):25-31.

      作者:齊俊杰 單位:北京科技大學材料科學與工程學院

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