《纳米科学与技术》课程教学大纲

《纳米科学与技术》课程教学大纲

一、课程基本信息

二、课程目标

（一）总体目标：

本课程的目的是通过课堂教学使学生了解、掌握纳米材料的概念、分类及其特点；了解纳米材料的物理性能和化学性能；了解纳米材料的主要制备方法及其原理；了解纳米材料在不同领域的应用现状和应用前景以及研究进展，拓宽本专业学生的知识面，为将来有可能从事纳米科学与纳米技术方面生产和研究工作打好基础；在教学课堂中以大量问题为辅助手段，调动学生主动思考纳米微观世界的想象画面，培养学生科学思维想象力和创造力。

（二）课程目标：

（课程目标规定某一阶段的学生通过课程学习以后，在发展德、智、体、美、劳等方面期望实现的程度，它是确定课程内容、教学目标和教学方法的基础。）（五号宋体）

课程目标1：掌握纳米材料的概念、基本效应、特殊性能；理解纳米材料结构特征和基本效应之间的关系，基本效应和特殊性能之间的内在关联因素，进而理解由特殊性能所产生的实际应用；理清：结构→效应→特殊性能→应用，彼此之间的对应联系。

课程目标2：掌握纳米材料的各类纳米材料的制备方法，以纳米二氧化钛为支点理解半导体纳米材料的制备性质及应用；以碳纳米材料为支点理解无机非金属纳米材料的制备性质及应用；将纳米科技的美好愿景落地到实际操作和现实的科研实验中，了解科学研究的过程和意义。

课程目标3：了解纳米材料在各类实际场景中的应用；了解科学技术与生活的关系。

（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系

表1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表

三、教学内容

第一章 纳米材料的基本概念与性质

1.教学目标：了解、掌握纳米材料的概念、分类及其特点；了解纳米材料的物理性能和化学性能；理解纳米材料的量子尺寸效应、小尺寸效应、表界面效应；理解纳米材料基本效应和特殊性能之间的对应关系。

2.教学重难点：理解纳米材料的量子尺寸效应、小尺寸效应、表界面效应；理解纳米材料基本效应和特殊性能之间的对应关系

3.教学内容：

第一节  纳米材料与纳米技术绪论：了解纳米科学技术纳米材料的基本概念、范畴和不同分类方法    

第二节  纳米材料的基本效应：理解纳米材料的量子尺寸效应、小尺寸效应、表界面效应、宏观量子隧道效应、库伦堵塞与量子遂穿效应、介电限域效应的概念和内涵

第三节  纳米材料热学性质和光学性质：理解掌握纳米材料在热学和光学上的特殊表现，与常规材料的不同之处，并理解热学、光学特殊性产生的原因

第四节  纳米材料的电学性质和磁学性质：理解掌握纳米材料在电学和磁学上的特殊表现，与常规材料的不同之处，并理解电学、磁学特殊性产生的原因

第五节  纳米材料的力学性质和化学性质：理解掌握纳米材料在力学和化学上的特殊表现，与常规材料的不同之处，并理解力学、化学特殊性产生的原因

第六节  纳米科技的发展历史与应用：了解纳米科技的发展历史，掌握纳米技术的研究热点、应用及研究方法  

4.教学方法：用雨课堂讲授法， 在讲授过程中融入大量选择题和判断题，特别是针对重难点，多方面多角度地针对一个知识点提问，帮助学生建立空间想象思维，培训学生科学想象力和创新力。

5.教学评价

回答下列问题：

1. 纳米材料与传统材料的主要差别

2. 纳米材料的四大基本效应

3. 什么是量子尺寸效应

4. 什么是小尺寸效应

5. 什么是表(界)面效应

6. 什么是库仑堵塞效应

7. 纳米微粒熔点降低的原因

8. 烧结温度比常规粉体显著降低的原因

9. 纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因

10. 纳米材料吸收光谱蓝移的原因

11. 金属纳米颗粒材料电阻增大原因

12. 纳米材料的超顺磁性及原因

13. 纳米材料的高矫顽力及原因

14. 纳米材料较高的化学活性和催化活性的原因

第二章   纳米二氧化钛

1.教学目标：以纳米二氧化钛为例了解半导体纳米材料。理解纳米二氧化钛光催的概念、催化的原理以及制备方法；改善二氧化钛光催化活性的办法。

2.教学重难点：纳米二氧化钛光催化的原理以及改善二氧化钛光催化活性的原理。

3.教学内容：

第一节  纳米二氧化钛光催化概念原理：理解纳米二氧化钛光催的概念、催化的原理，了解二氧化钛在实际生活中的应用及未来可能的应用范围    

第二节  纳米二氧化钛光催化活性改进：理解纳米二氧化钛光催化的影响因素，了解提高二氧化钛光催化活性的办法

第三节  纳米二氧化钛粉体制备方法：了解纳米二氧化钛粉体的制备：气相反应法、溶胶-凝胶法、化学沉淀法、微乳液法、水解法、水热反应法等  

4.教学方法：用雨课堂讲授法， 在讲授过程中融入大量选择题和判断题，特别是针对重难点，多方面多角度地针对一个知识点提问，帮助学生建立空间想象思维，培训学生科学想象力和创新力。

5.教学评价

回答下列问题：

1. 什么是光催化

2. 光照射纳米TiO2的反应

3. 纳米TiO2半导体粒子产生光催化作用而相应的体相半导体上却没有任何光催化活性的原因

4. 纳米TiO2光触媒作用的应用有哪些

5. 提高TiO2光催化效率的途径

6. 纳米TiO2中掺杂过渡金属离子提高光催化活性的原因

7. 在纳米TiO2光催化剂的表面沉积贵金属的两个作用是什么

8. 详述CdS-TiO2复合体系提高光催化效率的过程（可以加图示形式）

第三章   碳纳米材料

1.教学目标：了解碳纳米材料无机非金属纳米材料，富勒烯、碳纳米管、石墨烯的制备、性质及应用。

2.教学重难点：富勒烯、碳纳米管、石墨烯三种材料相互之间的性质和制备方法的异同之处。

3.教学内容：

第一节  富勒烯的制备、性质及应用：掌握富勒烯的概念和制备方法，理解富勒烯的特殊性能，了解富勒烯的应用范围和应用前景    

第二节  碳纳米管的制备、性质及应用：掌握碳纳米管的概念和制备方法，理解碳纳米管的特殊性能，了解碳纳米管的应用范围和应用前景

第三节  石墨烯的制备、性质及应用：掌握石墨烯的概念和制备方法，理解石墨烯的特殊性能，了解石墨烯的应用范围和应用前景

4.教学方法：用雨课堂讲授法， 在讲授过程中融入大量选择题和判断题，特别是针对重难点，多方面多角度地针对一个知识点提问，帮助学生建立空间想象思维，培训学生科学想象力和创新力。

5.教学评价

回答下列问题：

1. 富勒烯、碳纳米管、石墨烯物理结构的异同之处

2. 富勒烯、碳纳米管、石墨烯制备方法的异同之处

3. 富勒烯、碳纳米管、石墨烯物理化学性质的异同之处

第四章   纳米材料应用

1.教学目标：了解纳米材料在汽车材料、建筑材料、环保方面等等实际生活中的应用。

2.教学重难点：理解纳米材料应用实例与第一章第二章相应理论知识的对应关系。

3.教学内容：

纳米材料应用：了解纳米材料在汽车材料、建筑材料、环保、纸张、油墨、纺织品方面的应用    

4.教学方法：用雨课堂讲授法， 在讲授过程中融入问答题，引导学生应用前面所讲知识点分析在本章中的应用，加深学生思考理解科学知识与实际应用之间的关系。

5.教学评价

回答下列问题：

1. 用纳米技术改性的增强增韧塑料，可以用于汽车各种部件，是基于纳米材料的什么特性

2. 为什么在汽油中加入微乳化剂后，可降低车辆消耗10％ ～20％ ，提高25％动力性，并使尾气中的污染物降低50％～80％，还可清除积碳，提高汽油的综合性能。这又是发挥了纳米材料的什么特性

3. 纳米二氧化钛广泛用于制造防晒化妆品基于什么性质

4. 纳米二氧化钛自清洁涂料基于什么性质

第五章   纳米材料制备

1.教学目标：了解各种纳米材料的制备方法。

2.教学重难点：掌握零维纳米材料制备过程中控制生长尺寸；一维纳米材料制备过程中控制各向异性生长的方法；二维纳米材料制备过程中控制膜厚的方法；体相纳米材料制备过程中控制粒子团聚的方法。

3.教学内容：

第一节  零维纳米材料的制备方法一：掌握零维纳米材料的物理制备方法：1）机械粉碎法 2）蒸发凝聚法 3）离子溅射法 4）冷冻干燥法 5）其它方法    

第二节  零维纳米材料的制备方法二：掌握零维纳米材料的化学制备方法：1）气相化学反应法 2）沉淀法 3）水热合成法 4）喷雾热解法 5）溶胶－凝胶法

第三节  一维纳米材料的制备方法：掌握一维纳米材料的化学制备方法：气相生长、模板生长、液相生长、组装生长

第四节  二维纳米材料的制备方法：掌握二维纳米材料的化学制备方法：LB技术、自组装技术、物理气相沉积、MBE (Molecular beam Epitaxy) 技术、化学气相沉积

4.教学方法：用雨课堂讲授法， 在讲授过程中融入大量选择题和判断题，特别是针对重难点，多方面多角度地针对一个知识点提问，帮助学生建立空间想象思维，培训学生科学想象力和创新力。

5.教学评价

回答下列问题：

1. 纳米材料制备技术的发展三阶段

2. 纳米粒子制备的关键是

3. 各种粉碎存在最低粒度下限的主要原因

4. 气流磨与机械研磨法不同的是

5. 一维纳米材料模板生长对模板的要求，及其常见种类

6. 分子自组装原理

7. 分子自组装“弱相互作用力”指的是

8. 溶胶－凝胶法制备纳米薄膜基本步骤

四、学时分配

表2：各章节的具体内容和学时分配表

五、教学进度

表3：教学进度表

六、教材及参考书目

 1.崔作林等箸，《纳米技术与纳米材料》，国防工业出版社，2001  

 2.黄昆，韩汝琦编，《固体物理学》，高等教育出版社，1988

 3.张立德，牟季美编，《纳米材料和纳米结构》，北京科学出版社，2001

 4.张立德编，严东升，冯端主编，材料新星—《纳米材料科学》，长沙湖南科学技术出版社，1997

 5.Introduction to Nanotechnology, John Wiley & Sons INC. 2003

 6.Nanomaterials Handbook, CRC Taylor & Francis Group. 2006

 7.袁哲俊编著，《纳科学与技术》，哈尔滨工业大学出版社，2005

 8.许并社等 ，《纳米材料及应用技术 》，  化学工业出版社，2004

 9.丁秉钧，《纳米材料》，机械工业出版社，2004     

七、教学方法

用雨课堂讲授法， 在讲授过程中融入大量选择题和判断题，特别是针对重难点，多方面多角度地针对一个知识点提问，帮助学生建立空间想象思维，培训学生科学想象力和创新力。

八、考核方式及评定方法

（一）课程考核与课程目标的对应关系

表4：课程考核与课程目标的对应关系表

（二）评定方法

1．评定方法

平时成绩：20%，期中考试：20%，期末考试60%。

2．课程目标的考核占比与达成度分析

表5：课程目标的考核占比与达成度分析表

（三）评分标准