纳米科技教育:点亮学生的科技梦想

朱红伟 吴兰兰

摘要：纳米科技教育对纳米科技创新人才的培养意义重大，但我国中小学纳米科技教育的现状却不容乐观。苏州工业园区独墅湖学校在中小学纳米科技教育方面开展了有效的探索，设计并开发出五类纳米科技教学课例，并对进一步推进纳米科技课程进行了反思，提出了相应的对策。

关键词：纳米科技教育;纳米科技课程;科学素养

进入21世纪，科技的飞速发展极大地改变了人们的生活方式，纳米技术正成为影响人们生活的又一重要因素。纳米技术被认为是新工业革命的主导技术，它将给医学、制造业、材料和信息通讯等行业带来革命性的变革。我国著名科学家钱学森曾预言：“下一阶段科技发展的一个重点将是纳米和纳米以下的结构，21世纪的又一次产业革命。”因此有人提出“得纳米者得天下”。这就带来一个问题，国家要具备可持续的纳米科技竞争力，纳米科技人才的储备是当务之急。因此，教育必须紧紧跟随科技发展的步伐，以科技发展促进教育发展，让教育发展奠定科技发展的基石。

一、纳米科技教育在中小学中的现状

我国政府十分重视对纳米科技人才的培养，《国家纳米科技发展纲要（2001—2010年）》中就明确提出要加强纳米科技人才培养的重要性，并提出了具体的政策和措施：“要从学校教育抓起，要重视纳米科技相关学科建设，择优设立有关纳米科技的专业，同时在物理、化学、生物、机械、电子学、计算机科学等专业内部，设置有关纳米科技的新课程，重视和保障我国纳米科技的可持续发展。”虽然我国的纳米技术在某些方面处于世界水平，但是纳米科技教育在中小学教育中几乎是空白。据调查，我国还没有一所中小学校有自己的一套成熟的纳米科技教育课程体系。纳米科技的迅速发展和广阔前景，对中小学纳米科技教育提出了迫切的需求，需要学校管理者给予足够重视。

二、独墅湖学校纳米科技课程开发与实践案例

苏州工业园区独墅湖学校的课程建设聚焦学生的“道德、人文、科学、艺术、心理、体育”六大基本素养，借助不同的课程体系培养学生六大基本素养。校长朱红伟指出，学生科学素养的提升是学校课程建设中最浓墨重彩的篇章，这是学生成长的需要，更是时代发展的需要。在这样的教育背景和教育理念下，学校基于纳米科技课程的丰厚基础，进行了积极的探索和努力，并形成了新的亮点。

（一）课程进展

2014年，学校成立纳米科技课程组，在科研处领导下负责开发和实施纳米科技课程。学校在热心企业的资助下，建设了一间纳米创新实验室，实验室里最引人注目的是两台纳米显微镜：原子力显微镜和扫描隧道显微镜。同时建成的还有一条以纳米科技为主题的文化长廊和一个纳米展品展览区，这为学校开展纳米科技课程创设了必要的硬件环境。2017年5月，学校纳米科技课程获批江苏省中小学课程基地项目。同时，学校课题“开发纳米科技课程培养学生科学素养的研究”立项为江苏省教育科研“十三五”重点规划课题，课题的研究让学校始终关注纳米科技教育的前沿进展，并深刻思考、探索理论与实践相结合的新模式与新思路。

（二）实践研究

纳米科技是一门尖端科学，如何让尖端科技落地生根，让中学生能理解课程内容并参与到课程中来？独墅湖学校对纳米科技课程进行了顶层设计和系统推进，由浅入深，由科普到探究，从课堂到课外，从校内到校外，分年级有序进行，把纳米科技引入学校科学教育范畴。同时，任课教师将纳米课程与小学科学、初中生物、物理、化学、综合实践等学科有机融合，以项目化主题式的形式螺旋推进，综合提升学生的创新能力和科学素养。

1.科普入门类。知识是技术和能力的基础。对于纳米科技这门全新的课程，课程开发团队抛弃传统讲授形式，设计了调查、参观、汇报、交流等一系列学生活动，让学生自主地逐步认识纳米，体会纳米科技在生活和生产中的广泛应用，认同纳米科技与人类生活的密切关系，从而自觉激发学习纳米科技的热情。

[案例] 调查常见的纳米产品

学生通过网络调查，初步了解常见的纳米产品，首次将纳米科技与生活实际联系起来。经过学习，学生参观了学校自建的纳米科技长廊和纳米产品展览区，能够将纳米产品的名称和实物对应起来。我们还组织学生走进学校周边的中科院苏州纳米所、苏州纳米城等纳米科研院所和企业，从更广更深的层面，全方面、多角度地了解和认识纳米产品的研发和生产的过程、应用和前景。每年，学校都组织师生参观中国国际纳米技术与产业博览会，让学生在国际性的纳米大舞台中进一步感受纳米科技广阔的发展前景，体会纳米产品与人类生活愈加密不可分的关系。

2.观察实证类。纳米是一个极小的长度单位，在此尺寸下研究的纳米科技无法被学生直接感知和体会。为此，课程开发团队从自然界中的纳米现象入手，以经典的“莲叶效应”为主题，通过一个个简单的观察实验，让学生真实地感知纳米世界的神奇，调动学生深入研究和探索的激情。

[案例] 观察“莲叶效应”

首先，教师联系生活实际，提出疑问：“为什么莲叶能‘出淤泥而不染，表面总是干干净净的？”“为什么水珠能在莲叶上滚动？”组织学生通过滴水实验观察神奇的“莲叶效应”。然后，教师引导学生进一步探究其他动植物是否具有类似的现象，如常见的校园植物叶片，蝴蝶、蝉、蜻蜓等昆虫的翅膀等。最后，教师组织学生收集自然界中的动植物具有的“莲叶效应”的例子，思考“莲叶效应”对于动植物生存的意义，并在小组间进行汇报和交流。这些活动让学生真真实实地观察到纳米现象在自然界中是真实存在的，并且对动植物的生存起着重要作用。

3.原理探知类。对于科学知识，学生不仅要知其然，更要知其所以然。纳米科技课程鼓励学生充分运用纳米观测仪器进入纳米世界，探知现象背后的原理，进入纳米结构表征的认知，深入学习纳米相关知识在生产生活中的应用。

[案例] 解密疏水性

实验中，学生发现蝉的翅膀、莲叶等动植物结构具有不沾水的特性（即疏水性），立即产生了浓厚的探究兴趣，并把研究内容确定在这些动植物组织的表面结构上。教师引导学生用原子力显微镜、电子显微镜（在合作单位专家指导下）观察蝉、蜻蜓、蝴蝶的翅膀和莲叶的表面结构，发现这些结构表面都具有纳米级大小的突起。那么，疏水性与这些微小突起之间是否存在直接聯系？学生在教师指导下设计了验证实验：在原来不具有疏水性的材料表面制备纳米颗粒，观察该种材料疏水性的变化。学生查阅文献得知，蜡烛在不完全燃烧下会产生黑烟，而烟雾中含有纳米级大小的碳颗粒。于是，他们用普通废弃光盘进行实验，在光盘的一侧熏上一层碳颗粒，通过滴水实验发现熏了碳颗粒的一侧产生了疏水性，而未熏碳颗粒的一侧没有疏水性，从而验证疏水性的产生确实与材料表面纳米级的突起有直接关系。

4.科学探究类。纳米科技课程推行探究式教学，鼓励学生运用所学知识，开展自主探究，解决实际问题。学生在积极探索的过程中，创新智慧火花被点燃，科学素养得以提升。

[案例] 探究纳米牙刷的清洁效果

学生在调查中了解到了多种纳米产品，他们对这些纳米产品的特殊功效产生了研究兴趣。例如，一种纳米牙刷在广告中称比普通牙刷的清洁效果更好。学生通过小组讨论和合作学习，自主设计了探究方案，确定了对照实验（与普通牙刷对照）、模拟牙齿的材料（贝壳、蛋壳、石膏、瓷砖等）、模拟污物的材料（酱油、辣油、可乐、食用色素等）。学生分工准备实验材料，自主完成实验探究。学生发现不同小组的实验结论迥异。有的小组认为纳米牙刷清洁效果好，而另外的小组却产生了相反的结论。于是，在教师的组织下，学生对实验结果进行认真的分析和总结，认为本实验的结果受到多种因素的影响，如纳米牙刷的质量（是否为真正的纳米牙刷）、实验的方法、实验的材料、观察的指标等。无论结果如何，学生亲身经历了科学探究的过程，锻炼了科学思维，培养了合作学习的能力，同时也培养了尊重事实、不盲从盲信的科学态度。

5.拓展实训类。独墅湖学校地处苏州工业园区科教创新区，区域内有300多家纳米科研单位和生产企业，其中，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所是国内该领域的最高科研机构。学校与多家单位建立了共建合作关系，后者成为学校开展纳米科技教育的实训基地，他们中的多位纳米科研专家成为学校特聘指导教师，对学校的课程建设、学生活动进行指导。利用优越的区域优势，学校每学期都组织学生进行拓展实训。例如，组织学生走进纳米显微镜研发和生产企业，学习原子力显微镜和扫描隧道显微镜的使用和操作;聘请公司技术人员来学校现场指导学生动手实践等。

三、进一步推进纳米科技课程的设想

在纳米科技教育实践中我们认识到，课程的关键是把纳米科技的相关知识整合到小学科学、初中生物、物理、化学等学科课程之中，以纳米科技的基本结构为核心设计课程系列，以一种循序渐进、螺旋上升的主题单元研究形式，让学生从初步了解纳米科技知识到深入开展纳米科技探究实验，掌握纳米观测工具的使用，并学会探究学习的方法，进而培养创新意识，提升科学素养。

学校纳米科技课程的开发过程并不会一帆风顺，目前仍存在诸多问题需要研究和解决。如由于纳米科技课程的创新性，教师缺乏合作交流的空间与平台;任课教师大多数为非纳米专业，教师的专业素养和课程开发力亟需提升;纳米科技教育的评价体系尚不成熟;学生学习纳米科技的外部氛围和途径欠缺……针对这些现状，为更加有效地推动纳米科技课程的建设进程，我们需要在以下方面作出努力：第一，任课教师要加强自身学习，不仅要学习系统的课程理论、科学的教学策略、扎实的专业知识，还要拓宽视野，了解纳米科技的最新发展，掌握纳米实验仪器设备的使用，提升业务素养和課程开发能力。第二，进一步研究课程的设置，促进纳米科技与不同课程之间的有效融合，梳理纳米科技课程之间的内在逻辑，使之真正符合学生的年龄特征和认知规律。第三，优化学生评价系统，形成科学量化表，全面评价学生能力的发展。第四，搭建更多学校与纳米科研院所、研发企业的合作平台，相互补充，共同培养适应未来发展需求的创新人才。第五，实现纳米科技与信息技术、人工智能的高度融合，建设和完善学校、家庭、社会纳米科技互动学习的平台，为学生创设随处可学的良好氛围。

纳米科技教育的魅力在于，关注激发学生的好奇心与探究欲，关注学生在提出问题、解决问题中创造性思维、批判性思维等的培养。学生在探究性活动中，学会倾听他人意见，乐于接受他人建议，学会谦虚、友好地与人相处，逐步形成科技创新人才所必须具备的科学意识、科学态度和科学精神。总之，纳米科技教育将点亮学生的科技梦想，是为未来培养高素质创新人才的重要途径。

（注：本文系江苏省教育科学“十三五”规划2016 年度重点自筹课题“开发纳米科技课程培养学生科学素养的研究”的部分成果，课题编号：B-b/2016/02/160）

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[4]张蕾.培养学生科学素养的教学策略[J].江西教育，2019（18）：62.

（责任编辑：吴延甲）

作者简介：朱红伟，江苏省苏州工业园区独墅湖学校校长，特级教师。

吴兰兰，江苏省苏州工业园区独墅湖学校纳米科技课程组负责人，高级教师。