淺談納米材料雙語(yǔ)課程教學(xué)知識(shí)體系的構(gòu)建的內(nèi)容

淺談納米材料雙語(yǔ)課程教學(xué)知識(shí)體系的構(gòu)建的內(nèi)容為應(yīng)對(duì)當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)一體化以及科技革命帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，加強(qiáng)主宰世界經(jīng)濟(jì)及科技走向的新學(xué)問(wèn)、新科技及新成果的學(xué)習(xí)勢(shì)在必行，而開(kāi)展承載著“爆炸信息量”的納米材料的雙語(yǔ)課程學(xué)習(xí)就顯得尤為重要。納米材料是填補(bǔ)了長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)于宏觀和微觀領(lǐng)域討論的缺失領(lǐng)域―介觀領(lǐng)域的空白，由于納米材料的結(jié)構(gòu)特性，具有常規(guī)材料不具備的納米效應(yīng)，因而，納米材料的討論已成為當(dāng)前先進(jìn)材料討論最活躍的領(lǐng)域之一[1]；同時(shí)，納制造技術(shù)也將對(duì)當(dāng)前的微制造技術(shù)帶來(lái)一次革命性的變革，這是由于納制造技術(shù)采納“自下而上”的制造原理，能夠制造出體積更小、便于攜帶、功能更強(qiáng)大的電子元器件及儀器設(shè)備，其討論成果日新月異，如：納米機(jī)器人、納米小轎車、納米間諜機(jī)、納米芯片、納米電池、納米醫(yī)藥，這些納米產(chǎn)品將對(duì)我們的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療、制造業(yè)等各行各業(yè)帶來(lái)前所未有的巨變與沖擊。

為了加強(qiáng)本科生對(duì)納米材料最新成果的了解，拓寬學(xué)問(wèn)視野，啟迪同學(xué)的納米概念和納米理論的新思想，培育同學(xué)的創(chuàng)新意識(shí)，構(gòu)建一種納米材料雙語(yǔ)教學(xué)課程學(xué)問(wèn)體系，對(duì)于科學(xué)系統(tǒng)的傳授納米材料基本概念和基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)是非常必要的。在長(zhǎng)期的納米材料雙語(yǔ)教學(xué)過(guò)程中，力圖將納米材料基本概念系統(tǒng)的介紹給同學(xué)；采納現(xiàn)代化的教學(xué)方法，并將板書、圖表、視頻等教學(xué)手段相結(jié)合，不斷的充實(shí)授課內(nèi)容，期望形成一種較完整的雙語(yǔ)課程學(xué)問(wèn)體系。

二、納米材料雙語(yǔ)課程教學(xué)學(xué)問(wèn)體系的構(gòu)建

構(gòu)建科學(xué)合理的納米材料雙語(yǔ)課程教學(xué)學(xué)問(wèn)體系是以學(xué)問(wèn)、力量和素養(yǎng)培育為宗旨，以力量培育為核心，以雙語(yǔ)教學(xué)為媒介，以傳授新概念、新理論、新工藝、新成果為紐帶，以提升創(chuàng)新力量為培育目的，著力開(kāi)啟納米材料課程教學(xué)人才培育的新模式和新途徑。納米材料雙語(yǔ)課程在我校屬于專業(yè)選修課，只有32學(xué)時(shí)，針對(duì)課程內(nèi)容多，學(xué)時(shí)少的現(xiàn)狀，課程教學(xué)中學(xué)問(wèn)體系的選取原則是以基本的納米概念、基礎(chǔ)理論、納米效應(yīng)、納米制造方法、檢測(cè)手段、標(biāo)志性的成果（如碳納米材料中的富勒烯）以及納米材料在新能源領(lǐng)域中的應(yīng)用為主線。

納米材料雙語(yǔ)課程學(xué)問(wèn)體系可分為八個(gè)學(xué)問(wèn)單元：第一個(gè)學(xué)問(wèn)單元Introductiontonanoscalematerials（納米材料簡(jiǎn)介）；其次個(gè)學(xué)問(wèn)單元Nanometereffects（納米效應(yīng)）；第三個(gè)學(xué)問(wèn)單元Propertiesofnanoscalematerials（納米材料的性質(zhì)）；第四個(gè)學(xué)問(wèn)單元Synthesisofnanoscalematerials（納米材料的合成）；第五個(gè)學(xué)問(wèn)單元Scanningtunnelingmicroscopeandatomicforcemicroscope（掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡）；第六個(gè)學(xué)問(wèn)單元Synthesisofcarbonnanomaterials（碳納米材料合成）；第七個(gè)學(xué)問(wèn)單元Lithographyfornanofabrication（光刻納米制造技術(shù)）；第八個(gè)學(xué)問(wèn)單元Nanotechnologyforproductionofhydrogenbysolarenergy（納米技術(shù)用于太陽(yáng)能產(chǎn)氫）。

作為納米科技基礎(chǔ)的納米材料，近年來(lái)已成為最熱門的討論課題之一，納米科技的深厚愛(ài)好集中在能對(duì)經(jīng)濟(jì)、加工及科學(xué)產(chǎn)生巨大影響的若干領(lǐng)域。第一個(gè)學(xué)問(wèn)單元中的學(xué)問(wèn)點(diǎn)可劃分為納米材料定義及其分類。根據(jù)空間維度納米材料可分為零維、一維、二維及塊體材料，依據(jù)材料的量子性質(zhì)可分為量子點(diǎn)、量子線、量子阱，同樣，根據(jù)材料的性質(zhì)、組成以及形貌對(duì)納米材料進(jìn)行分類。更多的學(xué)問(wèn)點(diǎn)涉及到納米科技的定義。工業(yè)革命推動(dòng)了納米科技的進(jìn)展，當(dāng)作為芯片的氧化硅的絕緣層厚度被減薄至大約3個(gè)硅原子的厚度時(shí)，漏電就成為一個(gè)大問(wèn)題。加之，當(dāng)硅材料被限制在很小的尺寸時(shí)，將會(huì)失去它固有的能帶結(jié)構(gòu)，故此，目前微制造技術(shù)的局限性的學(xué)問(wèn)點(diǎn)就顯得非常重要。如何才能克服當(dāng)前固態(tài)電子學(xué)技術(shù)中的局限性？分子電子學(xué)的誕生是一個(gè)嶄新的和迷人的討論領(lǐng)域，該討論領(lǐng)域正在喚起科學(xué)家的想象力；將來(lái)技術(shù)的挑戰(zhàn)在于原子操縱的分子和超分子系統(tǒng)設(shè)計(jì)；納米材料在水處理、納催化、納米傳感器、能源以及醫(yī)療方面等領(lǐng)域的應(yīng)用。

其次個(gè)學(xué)問(wèn)單元是納米材料的納米效應(yīng)，當(dāng)一種材料的尺寸縮減到納米量級(jí)時(shí)，即使其組成與可以看得見(jiàn)和觸摸到的塊體材料完全相同，但材料的性能卻有著本質(zhì)的區(qū)分，納米材料表現(xiàn)出與常規(guī)塊體材料迥然不同的性質(zhì)稱為納米效應(yīng)。當(dāng)納米粒子的尺寸與光波長(zhǎng)，德布羅意波長(zhǎng)，電子的自由程長(zhǎng)度，或者超導(dǎo)態(tài)的相干波長(zhǎng)相當(dāng)或更小時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生小尺寸效應(yīng)。當(dāng)粒子尺寸減小到或接近于激子波爾半徑時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)，在量子尺寸效應(yīng)中主要闡明能隙與粒子尺寸的關(guān)系；當(dāng)納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨納米顆粒的粒徑減小而顯著增大時(shí)，將會(huì)引起表面效應(yīng)；宏觀量子隧道效應(yīng)的學(xué)問(wèn)點(diǎn)包括了彈道傳輸、隧穿、共振隧穿、隧穿效應(yīng)等內(nèi)容[2]。

第三個(gè)學(xué)問(wèn)單元涉及納米材料的性能；力學(xué)性能表現(xiàn)為納米材料的硬度隨粒徑尺寸的減小而增大表現(xiàn)出正的Hall?Petch斜率關(guān)系（K0），納米材料的硬度隨粒徑尺寸的減小而減小呈現(xiàn)出負(fù)的`Hall?Petch斜率關(guān)系（K0），有些材料的硬度隨著粒子尺寸的減小呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)為正-負(fù)Hall?Petch斜率關(guān)系；納米材料的熱學(xué)性質(zhì)表明低溫下納米粒子的熱學(xué)行為與塊體材料有明顯的區(qū)分；磁學(xué)性能表明隨著粒子尺寸的減小，粒子中的磁疇數(shù)量削減；當(dāng)粒子變得足夠小，由于熱擾動(dòng)，磁矩不行能有擇優(yōu)取向，而展現(xiàn)出超順磁性。量子點(diǎn)的另一個(gè)電學(xué)特性是發(fā)生單電子隧穿；光學(xué)性能學(xué)問(wèn)點(diǎn)包括了納米材料的光化學(xué)和光物理過(guò)程、汲取光譜和發(fā)光光譜。在過(guò)去數(shù)十年間，科學(xué)家已經(jīng)揭示了至少有一維處于納米量級(jí)的很多新材料的合成與表征方法。如：納米粒子，納米膜和納米管。然而，設(shè)計(jì)和制備具有可控性能的納米材料仍舊是納米科技的一項(xiàng)重大的和長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)。納米材料的制備有多種途徑。了解納米材料制備過(guò)程中的一些工藝特性是特別重要的，這是由于制備的工藝路線通常打算了所制備材料的性能。第四個(gè)學(xué)問(wèn)單元納米材料的制備首先介紹采納傳統(tǒng)的“自上而下”的方法以及先進(jìn)的“自下而上”的兩種方法制備納米材料。利用固相方法制備納米材料包括了機(jī)械研磨和固相反應(yīng)。物理氣相沉積（PVD）法分為熱蒸發(fā)PVD法、等離子體幫助PVD法以及激光消融法?；瘜W(xué)氣相沉積法（CVD），液相合成方法包括了沉淀法、溶劑熱法、冷凍-干燥法（低溫化學(xué)合成法）、溶膠-凝膠法、微乳液法、微波幫助合成法、超聲波幫助合成法。采納冷壓和熱壓法固化納米粉體合成塊體納米材料。通過(guò)模板幫助自組裝納米結(jié)構(gòu)材料的合成；從節(jié)能減排、原子經(jīng)濟(jì)、溶劑平安性以及提高能量效率的角度設(shè)計(jì)納米材料的綠色合成路線。

第五個(gè)學(xué)問(wèn)單元主要介紹掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）的基本原理，操作模式及其應(yīng)用。STM和AFM表明是獵取材料表面原子形貌信息的新儀器。此外，通過(guò)納米操縱，人們可以采納掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡制造納米尺寸的材料和器件。

第六個(gè)學(xué)問(wèn)單元涉及碳納米材料的合成。碳族的學(xué)問(wèn)點(diǎn)涉及石墨、金剛石、碳的同素異形體。富勒烯的學(xué)問(wèn)點(diǎn)包括C60的合成、富勒烯的純化、C60的結(jié)構(gòu)、13C核磁共振譜、富勒烯包合物、親核加成反應(yīng)、C60的聚合反應(yīng)、納米小轎車的制造。碳納米管的學(xué)問(wèn)點(diǎn)包括了碳納米管的合成、碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理以及碳納米管的幾何構(gòu)型。

第七個(gè)學(xué)問(wèn)單元是納米制造中的光刻技術(shù)，其學(xué)問(wèn)點(diǎn)包括紫外線光刻技術(shù)；掃描束刻蝕納米制造的學(xué)問(wèn)點(diǎn)有電子束刻蝕以及聚焦離子束刻蝕技術(shù)。納米壓印刻蝕技術(shù)包括了納米壓印刻蝕技術(shù)、步進(jìn)式閃耀壓印刻蝕技術(shù)及微接觸印制技術(shù)。掃描探針刻蝕技術(shù)。

第八個(gè)學(xué)問(wèn)單元是納米技術(shù)用于太陽(yáng)能光催化分解水制氫的新能源應(yīng)用。學(xué)問(wèn)點(diǎn)涉及太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、光催化分解水制氫、負(fù)載型TiO2、可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的光催化劑的進(jìn)展、鉻離子摻雜的鈦酸鹽納米管以及半導(dǎo)體復(fù)合材料[3]。

在上述八個(gè)學(xué)問(wèn)單元的教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合不同章節(jié)的詳細(xì)狀況，教學(xué)方法和教學(xué)手段要敏捷多樣，將板書、多媒體、動(dòng)畫技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)資源相結(jié)合，做到圖文并茂，寓教于樂(lè)，激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)熱忱。另外，采納啟發(fā)式教學(xué)，課堂中加強(qiáng)與同學(xué)的活動(dòng)，提高同學(xué)的思索問(wèn)題及解決問(wèn)題的創(chuàng)新力量，實(shí)現(xiàn)同學(xué)的學(xué)問(wèn)