创新创业视域下的纳米材料与技术课程建设与教学改革

黄军同　李喜宝　陈智　冯志军

[摘 要]在创新创业视域下，大学生的培养模式要顺势而为、转变思路，以适应社会发展的需求。纳米材料与技术这门课程涉及面广，纳米科技是21世纪的研究热点之一，开展纳米材料与技术课程教学模式的改革，将课堂教学、前沿科研、实验实践与创新创业相结合，能够充分挖掘学生潜能，培养其创新意识并提高其创业能力，为社会培养出新时代创新型人才。

[关键词]创新创业;纳米材料与技术;课程建设;教学改革

[中圖分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）05-0213-04

创新意识和创新能力是人才的必备素质，是推动人才和社会发展的第一动力。在如今的创新中国大背景下，如何实现社会性的创新创业（简称“双创”），让不同的社会角色融入“双创”潮流，关键是要重视创新型人才培养，而高校教育在人才培养方面肩负着重要责任。高校构建系统化、专业化的教育模式是开展人才培养工作的基础，高校培养专业人才的重要途径在课程教学，因此我们应该使“双创”能具体体现在每一门课程当中，努力培养大学生的创新思维以及创业的意识与能力。

一、“双创”教育内涵与人才培养目标

高校人才培养的核心是育人，在“双创”教育过程中，要始终坚持以学生发展为中心的原则，坚持以育人为目标，培养大学生的创新意识，激发其创业热情，鼓励其积极进取、开拓创新，从而促进素质教育深化，提高大学生的整体素质。

培养“双创”型高级人才分为创新教育与创业教育两个层面[1]。第一个层面是创新教育。创新教育主要是高校根据科学的人才培养方案，通过常规课程教学、考试评估、校内外实习以及毕业论文写作指导与评估等既定的高校本科生课业流程，将创新教育理念注入教学过程的每个环节，逐渐培养学生的创新思维与创新意识。第二个层面是创业教育。创业教育是高校在对学生开展创新教育的同时引导学生在相关领域探寻新的道路。创新教育与创业教育相辅相成、缺一不可：创新意识在创业活动中才能充分体现价值，而创业实践也需要创新理念的支撑，且两者均有助于塑造学生的创新型人格。

“双创”教育是高校顺应新时代发展要求的必然选择。高校应以“双创”教育为载体，做到以人才培养为目标，将培养大学生的创新精神以及创业意识和能力贯穿于人才培养的整个过程中，将大学生培养成具有较强“双创”素质的综合性人才。

二、纳米材料与技术课程的教学现状

课程教学是开展“双创”教育培养学生“双创”意识与能力的主阵地，改进课程教学的模式以逐渐塑造学生的创新精神以及培养创业意识和能力是关键。纳米材料与技术是高校开设的一门交叉性课程。纳米材料与技术自1991年问世以来，世界各国的专家学者在纳米材料与技术方面做了大量的研究工作，在其基本理论、实验技术等方面均取得了显著成果，出版了大量的相关专著。但是针对大学纳米材料与技术教学的教材还是比较少，特别是缺乏对这门课程的基本理论和最新研究成果进行有机整合。而纳米材料与技术这门课程本身内容繁杂且更新较快，涉及领域广，教学内容包括纳米材料基础理论、合成与制备方法、结构表征及性能测试技术、物理化学性能、纳米材料与技术的应用等。由于相关教材的知识结构和内容更新相对滞后[2]，因此高校需根据自身的理解和需要对此课程的教学内容进行优化。

传统教学模式侧重于教师对学生的灌输式教学，是知识与信息的单向输出过程，学生被动学习，缺乏参与课程教学的主观能动性，教师难以及时得到学生反馈，而且学生之间在课堂缺乏有效的交流和讨论。大多数高校的相关教学资源及实验设备无法满足教学需要，学生难以从多方面了解纳米材料与技术领域的知识和技能。而纳米材料与技术这门课程是理论性、实践性、应用性都非常强的一门跨学科课程，能够熟练掌握相关理论知识只是学好这门课程的基础，多参与到相关实践环节才能对纳米材料与技术有更深入的了解，也才能有助于培养学生的相关创新创业意识与能力。

三、纳米材料与技术课程建设与教学改革措施及其实施效果

（一）课程建设与教学改革思路

在“双创”视域下，纳米材料与技术课程改革内容可分为五点[3-4]。第一，要确立课程建设目标。纳米科技是继信息技术之后人类的又一次伟大技术革命，为纳米科技领域培养“双创”型人才是其课程建设的目标。第二，要重建课程体系和优化课程内容。纳米材料与技术课程体系除了理论教学，综合实验实践对于学生理解与消化这门课程的学习内容也是至关重要的。纳米材料与技术课程内容繁杂，而教学课时有限，教师需要做到对教学内容烂熟于心、优选优讲，包括讲好纳米材料与技术领域的故事及关注纳米科技前沿研究。第三，建设师资队伍。这门课程需要有相关研究背景的教师来开展理论教学和实验教学。引进纳米材料与技术领域的优秀导师和企业人才开展专题讲座，使教学内容更丰富，拉近课程教学与创新创业实践的距离，充分发挥企业人才的实践指导作用，培养学生的“双创”意识与能力。第四，根据科研发展形势优化教学模式，使教学评估与前沿科技发展要求相统一。德国教育家洪堡认为“大学的人才培养应遵循‘教学与科研相统一’原则”，“双创”视域下的教学模式改革需要有创新之处和可靠实用的技术支持。采用互联网与Seminar教学相结合的模式，让学生课前利用微课自主学习，教师与学生在课中合作学习，调动学生学习主观能动性，提高其学习效果。第五，开展多元化教学评估。可具体分为书面考核、平时考核、实验考核、口头报告等方面，提高学生的参与感和锻炼学生的科学探索能力。

（二）纳米材料与技术课程的具体教学改革措施

纳米材料与技术作为环境、信息、新能源等高新科技产业及其发展的基础，在“双创”视域下，教师在重视激发学生的学习兴趣、提升教学效果的同时，重视培养学生的“双创”意识也是重要的一环。所以教师需要在课程教学中架起与学生积极沟通的桥梁，激发学生对纳米领域的探索兴趣，运用丰富而有效的教学手段提高教学效率与质量，引导学生培养“双创”的意识与能力。

1.充分利用引人入胜的图片与视频，激发学生的学习兴趣

多媒体教学可以利用视频、图片、音频、文字等载体，以丰富的、形象直观的形式表现复杂的理论和概念，启迪学生思考，激发学生学习兴趣，从而提高纳米材料与技术课程的教学质量。

比如，笔者第一次介绍纳米材料时，首先让学生开动脑筋，想想自然界中存在哪些纳米材料和纳米结构，接着导入蝴蝶的翅膀、壁虎的脚和莲花等图片，然后放一幅很抓眼球的动画，呈现池塘中的一片荷叶在随风摇曳，蜻蜓飞至荷叶上，再提出问题：北宋理学家周敦頤所著的《爱莲说》说到莲花出淤泥而不染，这是为何？进而引入荷叶表面的扫描电镜图片，告诉学生荷叶具有自洁性是由于其表面的微纳米复合结构具有疏水性，随后播放利用荷叶效应制作的领带具有疏水性能的演示视频。

为了展示纳米技术的美妙，可以展示一些图片和动画。比如用碳原子堆砌的世界上最小的中国地图是如何绘制的（这幅地图的直径约150 nm，分辨率约6 nm，相当于头发丝的1/500）？中科院化学所的科研人员用纳米加工技术（STM针尖）完成了这幅作品。在医学领域，可以将纳米机器人注入血管后，通过特定的预设程序打通脑血栓以达到治疗目的。将生动活泼的视频图像与引人入胜的图文相结合，加上教师的详细讲解，不仅能提高学生学习的主观能动性，也能拓展学生的想象空间，培养学生的“双创”意识。

2.引入前沿科研动态，分享科学家的创新创业故事，培养学生的创新创业思维

当今世界，纳米材料与技术日新月异，纳米材料与技术课程的教材内容往往跟不上知识更新速度。因此，教师首先要把自己以及本学院教师相关的科研成果融入教学中，以丰富教学内容。特别是可以向学生介绍教师自己申请获批的基金项目的研究思路、灵感及其创新点，循序渐进地培养学生的创新思维。其次要把学科发展历程和相关学术动态等融入课堂，并介绍学科领域科学家的“双创”故事，培养学生的“双创”思维，激发学生的“双创”灵感。比如笔者在授课时把曼彻斯特大学海姆和诺沃肖洛夫教授[5-6]制备石墨烯，中科院沈阳金属材料研究所卢柯院士[7-8]发明纳米孪晶Cu及其拉伸形变达5100%，中科院化学所江雷院士[9]从荷叶效应仿生疏水-疏油等结构，佐治亚理工学院王中林院士[10-11]发现氧化物纳米带结构以及创立新的细分学科——纳米压电电子学，哈佛大学Charles M. Lieber教授[12]开创核壳结构并制备一维纳米线引领纳米科技的发展，加州大学伯克利分校杨培东教授[13]可控制备半导体纳米线及其人工光合作用，斯坦福大学崔屹教授[14]从发明Si基电池到创办安普瑞斯公司生产硅负极高能锂电池等涉及“双创”的经典故事引入教学，并向他们介绍科学奇闻趣事，陶冶他们的科学情操。比如关于石墨烯的发现还有个小故事，起初是英国曼彻斯特大学物理教授海姆让他的博士生姜达利用热解石墨通过高级抛光机希望制备得到尽可能薄的薄膜，可他制备得到的产物厚度达10微米，后来海姆和诺沃肖洛夫两位教授利用从超市买来的普通胶带反复对折粘拉剥离高定向热解石墨后逐渐减薄形成只有一层厚稳定存在的石墨烯，突破了传统认为单层石墨烯在常温条件下不能稳定存在的固有知识。教师在故事讲完后，播放石墨烯通过普通胶带反复对折粘拉剥离石墨制备过程及结构表征的视频。石墨烯的优异性能受到了各方科学家的关注，后续的石墨烯相关研究逐渐发展成一股新的科研潮流，海姆和诺沃肖洛夫两位教授也被授予了诺贝尔物理学奖。通过上述方式既能提高学生的学习热情，使课堂教学面貌大为改观，又能激发他们的科研兴趣，使他们的“双创”意识和能力得到培养。

3.导入Seminar教学模式，调动学生的学习主观能动性和提高其团队协作能力

传统教学模式侧重于教师对学生灌输传授知识，缺乏对学生自学能力、创造思维能力和团队协作能力的培养。Seminar教学模式遵循“以学生为主体、以教师为主导”的教育理念[15]，将科研融入教学当中，引导学生对所学理论知识进行分析和思考。这种教学模式是在教师的指导下以小组形式将学生组织起来，对《纳米材料与技术》教材中的某一专题进行研讨、制作PPT，小组代表发言，与其他同学辩论，学生互评，教师再进行点评，开展启发式、互动式和讨论式教学。这样的互动过程能有效提高学生学习的积极性、主动性和参与性，极大地激发学生的学习热情和挖掘其内在潜力，锻炼学生的思辨能力，培养学生的分析、综合、表达能力以及团队协作精神。

4.根据教学进程设置相关实验，逐渐锻炼学生的科研和创新能力

实践教育是高校开展“双创”教育以及加强理论与实践联系的有效手段。同时，实践教育可以直接引导学生学习和开展科学创新。纳米材料与技术是一门理论与实践结合得非常紧密的课程，因此，除了要在课堂上讲授基础理论，也要将理论运用到实践中，发挥理论指导实践的作用。比如纳米材料的合成与制备、结构表征、性能测试、材料应用等，都是通过实验实践完成的。课程实验能够帮助学生理解并掌握纳米材料与技术的相关知识，因此需要开展相关实验让学生进行实践操作，以强化学生对理论知识的理解与掌握。

例如，笔者在课程实验教学中，开展了熔盐法制备Ni掺杂的Mo2C@碳纤维纸复合电催化材料及其析氢性能的实验。在该实验中，涉及纳米材料的合成与制备、物相与结构表征（XRD、FTIR、Raman、SEM、TEM、EDS等）、物理性能（电化学性能、双电层电容、阻抗谱、稳定性）测试和应用研究（电解水产氢）等全流程。在生动有趣的实验课堂上，学生会积极参与实验过程，主动思考实验问题，观察实验现象，分析总结实验数据。而且，实验课堂上教学氛围活跃，教师和学生互动增加，学生实践能力提升，科学创新素养也逐渐得到培养。

5.尝试“创业导师进课堂，学生创新进企业”，探索课堂教学改革新模式

强化校内外“双创”实习基地建设是推动“双创”视域下课堂教育教学工作的另一个实践，既要开展好校内“双创”教育活动，也要创新校企合作模式。在纳米材料与技术课程的授课过程中，笔者提出了“创业导师进课堂，学生创新进企业”的教育教学新模式，尝试邀请了致力于石墨烯生产及应用开发的志阳科技（中国）有限公司的董事长、总经理以及技术专家等来到纳米材料与技术课程的课堂，聘请他们为笔者所在学院的大学生创新创业导师。他们交流了自己的“双创”故事，特别是他们结合带来的产品实物进行了最新热点的纳米材料即石墨烯的制备技术与应用等前沿知识的授课，深受学生的欢迎。一周后，笔者组织研修该课程的学生到志阳科技（中国）有限公司参观石墨烯的生产和应用车间，让学生初步了解石墨烯的实际生产过程，了解到石墨烯在充电宝、面膜、抗静电砂、合成机油、发热瓷砖、导热片、散热粉体涂料、柔性手机等领域的应用。学生和专家进行了积极互动，他们的创新思维发生碰撞是此次校外课堂的最大收获。大部分学生认为这种“双创”教育模式效果很好，比如大四保送到中国科技大学读研究生的李畅同学说：“作为学生，我们非常赞同并提倡进行这种教育及上课方式的改革。它缩短了书本理论和实践之间的距离，真正做到了专业教育和对实践操作认知的两全其美。”

（三）纳米材料与技术课程教学改革的初步效果

通过对纳米材料与技术课程以上教学改革措施的实施，创新了教学方式，极大地调动了学生的学习主观能动性，课堂氛围活跃，提高了教学效率与教学质量。实践与理论结合，使学生接触到实际，了解实际生产，更加热爱自己的专业。由考核成绩和平时学习状态可以看出，学生的专业综合素质以及“双创”意识与能力都得到了提升。

四、结语

对于“双创”视域下的纳米材料与技术课程，任课教师首先应该熟练掌握纳米材料与技术专业知识，在传授纳米材料与技术的基础理论时，运用丰富的教学手段引导学生将教学、科研与“双创”教育结合在一起，营造浓厚的“双创”氛围，以培养学生的创新能力及创业意识，实现培养创新型人才的目标。

[ 参 考 文 献 ]

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[责任编辑：庞丹丹]