朱紅偉 吳蘭蘭

摘要：納米科技教育對納米科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng)意義重大，但我國中小學(xué)納米科技教育的現(xiàn)狀卻不容樂觀。蘇州工業(yè)園區(qū)獨(dú)墅湖學(xué)校在中小學(xué)納米科技教育方面開展了有效的探索，設(shè)計(jì)并開發(fā)出五類納米科技教學(xué)課例，并對進(jìn)一步推進(jìn)納米科技課程進(jìn)行了反思，提出了相應(yīng)的對策。

關(guān)鍵詞：納米科技教育;納米科技課程;科學(xué)素養(yǎng)

進(jìn)入21世紀(jì)，科技的飛速發(fā)展極大地改變了人們的生活方式，納米技術(shù)正成為影響人們生活的又一重要因素。納米技術(shù)被認(rèn)為是新工業(yè)革命的主導(dǎo)技術(shù)，它將給醫(yī)學(xué)、制造業(yè)、材料和信息通訊等行業(yè)帶來革命性的變革。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森曾預(yù)言：“下一階段科技發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)將是納米和納米以下的結(jié)構(gòu)，21世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命?！币虼擞腥颂岢觥暗眉{米者得天下”。這就帶來一個(gè)問題，國家要具備可持續(xù)的納米科技競爭力，納米科技人才的儲(chǔ)備是當(dāng)務(wù)之急。因此，教育必須緊緊跟隨科技發(fā)展的步伐，以科技發(fā)展促進(jìn)教育發(fā)展，讓教育發(fā)展奠定科技發(fā)展的基石。

一、納米科技教育在中小學(xué)中的現(xiàn)狀

我國政府十分重視對納米科技人才的培養(yǎng)，《國家納米科技發(fā)展綱要（2001—2010年）》中就明確提出要加強(qiáng)納米科技人才培養(yǎng)的重要性，并提出了具體的政策和措施：“要從學(xué)校教育抓起，要重視納米科技相關(guān)學(xué)科建設(shè)，擇優(yōu)設(shè)立有關(guān)納米科技的專業(yè)，同時(shí)在物理、化學(xué)、生物、機(jī)械、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等專業(yè)內(nèi)部，設(shè)置有關(guān)納米科技的新課程，重視和保障我國納米科技的可持續(xù)發(fā)展?！彪m然我國的納米技術(shù)在某些方面處于世界水平，但是納米科技教育在中小學(xué)教育中幾乎是空白。據(jù)調(diào)查，我國還沒有一所中小學(xué)校有自己的一套成熟的納米科技教育課程體系。納米科技的迅速發(fā)展和廣闊前景，對中小學(xué)納米科技教育提出了迫切的需求，需要學(xué)校管理者給予足夠重視。

二、獨(dú)墅湖學(xué)校納米科技課程開發(fā)與實(shí)踐案例

蘇州工業(yè)園區(qū)獨(dú)墅湖學(xué)校的課程建設(shè)聚焦學(xué)生的“道德、人文、科學(xué)、藝術(shù)、心理、體育”六大基本素養(yǎng)，借助不同的課程體系培養(yǎng)學(xué)生六大基本素養(yǎng)。校長朱紅偉指出，學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升是學(xué)校課程建設(shè)中最濃墨重彩的篇章，這是學(xué)生成長的需要，更是時(shí)代發(fā)展的需要。在這樣的教育背景和教育理念下，學(xué)校基于納米科技課程的豐厚基礎(chǔ)，進(jìn)行了積極的探索和努力，并形成了新的亮點(diǎn)。

（一）課程進(jìn)展

2014年，學(xué)校成立納米科技課程組，在科研處領(lǐng)導(dǎo)下負(fù)責(zé)開發(fā)和實(shí)施納米科技課程。學(xué)校在熱心企業(yè)的資助下，建設(shè)了一間納米創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室里最引人注目的是兩臺(tái)納米顯微鏡：原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡。同時(shí)建成的還有一條以納米科技為主題的文化長廊和一個(gè)納米展品展覽區(qū)，這為學(xué)校開展納米科技課程創(chuàng)設(shè)了必要的硬件環(huán)境。2017年5月，學(xué)校納米科技課程獲批江蘇省中小學(xué)課程基地項(xiàng)目。同時(shí)，學(xué)校課題“開發(fā)納米科技課程培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的研究”立項(xiàng)為江蘇省教育科研“十三五”重點(diǎn)規(guī)劃課題，課題的研究讓學(xué)校始終關(guān)注納米科技教育的前沿進(jìn)展，并深刻思考、探索理論與實(shí)踐相結(jié)合的新模式與新思路。

（二）實(shí)踐研究

納米科技是一門尖端科學(xué)，如何讓尖端科技落地生根，讓中學(xué)生能理解課程內(nèi)容并參與到課程中來？獨(dú)墅湖學(xué)校對納米科技課程進(jìn)行了頂層設(shè)計(jì)和系統(tǒng)推進(jìn)，由淺入深，由科普到探究，從課堂到課外，從校內(nèi)到校外，分年級有序進(jìn)行，把納米科技引入學(xué)?？茖W(xué)教育范疇。同時(shí)，任課教師將納米課程與小學(xué)科學(xué)、初中生物、物理、化學(xué)、綜合實(shí)踐等學(xué)科有機(jī)融合，以項(xiàng)目化主題式的形式螺旋推進(jìn)，綜合提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。

1.科普入門類。知識(shí)是技術(shù)和能力的基礎(chǔ)。對于納米科技這門全新的課程，課程開發(fā)團(tuán)隊(duì)拋棄傳統(tǒng)講授形式，設(shè)計(jì)了調(diào)查、參觀、匯報(bào)、交流等一系列學(xué)生活動(dòng)，讓學(xué)生自主地逐步認(rèn)識(shí)納米，體會(huì)納米科技在生活和生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，認(rèn)同納米科技與人類生活的密切關(guān)系，從而自覺激發(fā)學(xué)習(xí)納米科技的熱情。

[案例] 調(diào)查常見的納米產(chǎn)品

學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)查，初步了解常見的納米產(chǎn)品，首次將納米科技與生活實(shí)際聯(lián)系起來。經(jīng)過學(xué)習(xí)，學(xué)生參觀了學(xué)校自建的納米科技長廊和納米產(chǎn)品展覽區(qū)，能夠?qū)⒓{米產(chǎn)品的名稱和實(shí)物對應(yīng)起來。我們還組織學(xué)生走進(jìn)學(xué)校周邊的中科院蘇州納米所、蘇州納米城等納米科研院所和企業(yè)，從更廣更深的層面，全方面、多角度地了解和認(rèn)識(shí)納米產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)的過程、應(yīng)用和前景。每年，學(xué)校都組織師生參觀中國國際納米技術(shù)與產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)，讓學(xué)生在國際性的納米大舞臺(tái)中進(jìn)一步感受納米科技廣闊的發(fā)展前景，體會(huì)納米產(chǎn)品與人類生活愈加密不可分的關(guān)系。

2.觀察實(shí)證類。納米是一個(gè)極小的長度單位，在此尺寸下研究的納米科技無法被學(xué)生直接感知和體會(huì)。為此，課程開發(fā)團(tuán)隊(duì)從自然界中的納米現(xiàn)象入手，以經(jīng)典的“蓮葉效應(yīng)”為主題，通過一個(gè)個(gè)簡單的觀察實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生真實(shí)地感知納米世界的神奇，調(diào)動(dòng)學(xué)生深入研究和探索的激情。

[案例] 觀察“蓮葉效應(yīng)”

首先，教師聯(lián)系生活實(shí)際，提出疑問：“為什么蓮葉能‘出淤泥而不染，表面總是干干凈凈的？”“為什么水珠能在蓮葉上滾動(dòng)？”組織學(xué)生通過滴水實(shí)驗(yàn)觀察神奇的“蓮葉效應(yīng)”。然后，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究其他動(dòng)植物是否具有類似的現(xiàn)象，如常見的校園植物葉片，蝴蝶、蟬、蜻蜓等昆蟲的翅膀等。最后，教師組織學(xué)生收集自然界中的動(dòng)植物具有的“蓮葉效應(yīng)”的例子，思考“蓮葉效應(yīng)”對于動(dòng)植物生存的意義，并在小組間進(jìn)行匯報(bào)和交流。這些活動(dòng)讓學(xué)生真真實(shí)實(shí)地觀察到納米現(xiàn)象在自然界中是真實(shí)存在的，并且對動(dòng)植物的生存起著重要作用。

3.原理探知類。對于科學(xué)知識(shí)，學(xué)生不僅要知其然，更要知其所以然。納米科技課程鼓勵(lì)學(xué)生充分運(yùn)用納米觀測儀器進(jìn)入納米世界，探知現(xiàn)象背后的原理，進(jìn)入納米結(jié)構(gòu)表征的認(rèn)知，深入學(xué)習(xí)納米相關(guān)知識(shí)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。

[案例] 解密疏水性

實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)蟬的翅膀、蓮葉等動(dòng)植物結(jié)構(gòu)具有不沾水的特性（即疏水性），立即產(chǎn)生了濃厚的探究興趣，并把研究內(nèi)容確定在這些動(dòng)植物組織的表面結(jié)構(gòu)上。教師引導(dǎo)學(xué)生用原子力顯微鏡、電子顯微鏡（在合作單位專家指導(dǎo)下）觀察蟬、蜻蜓、蝴蝶的翅膀和蓮葉的表面結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)表面都具有納米級大小的突起。那么，疏水性與這些微小突起之間是否存在直接聯(lián)系？學(xué)生在教師指導(dǎo)下設(shè)計(jì)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：在原來不具有疏水性的材料表面制備納米顆粒，觀察該種材料疏水性的變化。學(xué)生查閱文獻(xiàn)得知，蠟燭在不完全燃燒下會(huì)產(chǎn)生黑煙，而煙霧中含有納米級大小的碳顆粒。于是，他們用普通廢棄光盤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在光盤的一側(cè)熏上一層碳顆粒，通過滴水實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熏了碳顆粒的一側(cè)產(chǎn)生了疏水性，而未熏碳顆粒的一側(cè)沒有疏水性，從而驗(yàn)證疏水性的產(chǎn)生確實(shí)與材料表面納米級的突起有直接關(guān)系。

4.科學(xué)探究類。納米科技課程推行探究式教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，開展自主探究，解決實(shí)際問題。學(xué)生在積極探索的過程中，創(chuàng)新智慧火花被點(diǎn)燃，科學(xué)素養(yǎng)得以提升。

[案例] 探究納米牙刷的清潔效果

學(xué)生在調(diào)查中了解到了多種納米產(chǎn)品，他們對這些納米產(chǎn)品的特殊功效產(chǎn)生了研究興趣。例如，一種納米牙刷在廣告中稱比普通牙刷的清潔效果更好。學(xué)生通過小組討論和合作學(xué)習(xí)，自主設(shè)計(jì)了探究方案，確定了對照實(shí)驗(yàn)（與普通牙刷對照）、模擬牙齒的材料（貝殼、蛋殼、石膏、瓷磚等）、模擬污物的材料（醬油、辣油、可樂、食用色素等）。學(xué)生分工準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料，自主完成實(shí)驗(yàn)探究。學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)論迥異。有的小組認(rèn)為納米牙刷清潔效果好，而另外的小組卻產(chǎn)生了相反的結(jié)論。于是，在教師的組織下，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行認(rèn)真的分析和總結(jié)，認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果受到多種因素的影響，如納米牙刷的質(zhì)量（是否為真正的納米牙刷）、實(shí)驗(yàn)的方法、實(shí)驗(yàn)的材料、觀察的指標(biāo)等。無論結(jié)果如何，學(xué)生親身經(jīng)歷了科學(xué)探究的過程，鍛煉了科學(xué)思維，培養(yǎng)了合作學(xué)習(xí)的能力，同時(shí)也培養(yǎng)了尊重事實(shí)、不盲從盲信的科學(xué)態(tài)度。

5.拓展實(shí)訓(xùn)類。獨(dú)墅湖學(xué)校地處蘇州工業(yè)園區(qū)科教創(chuàng)新區(qū)，區(qū)域內(nèi)有300多家納米科研單位和生產(chǎn)企業(yè)，其中，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所是國內(nèi)該領(lǐng)域的最高科研機(jī)構(gòu)。學(xué)校與多家單位建立了共建合作關(guān)系，后者成為學(xué)校開展納米科技教育的實(shí)訓(xùn)基地，他們中的多位納米科研專家成為學(xué)校特聘指導(dǎo)教師，對學(xué)校的課程建設(shè)、學(xué)生活動(dòng)進(jìn)行指導(dǎo)。利用優(yōu)越的區(qū)域優(yōu)勢，學(xué)校每學(xué)期都組織學(xué)生進(jìn)行拓展實(shí)訓(xùn)。例如，組織學(xué)生走進(jìn)納米顯微鏡研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)，學(xué)習(xí)原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡的使用和操作;聘請公司技術(shù)人員來學(xué)?，F(xiàn)場指導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐等。

三、進(jìn)一步推進(jìn)納米科技課程的設(shè)想

在納米科技教育實(shí)踐中我們認(rèn)識(shí)到，課程的關(guān)鍵是把納米科技的相關(guān)知識(shí)整合到小學(xué)科學(xué)、初中生物、物理、化學(xué)等學(xué)科課程之中，以納米科技的基本結(jié)構(gòu)為核心設(shè)計(jì)課程系列，以一種循序漸進(jìn)、螺旋上升的主題單元研究形式，讓學(xué)生從初步了解納米科技知識(shí)到深入開展納米科技探究實(shí)驗(yàn)，掌握納米觀測工具的使用，并學(xué)會(huì)探究學(xué)習(xí)的方法，進(jìn)而培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，提升科學(xué)素養(yǎng)。

學(xué)校納米科技課程的開發(fā)過程并不會(huì)一帆風(fēng)順，目前仍存在諸多問題需要研究和解決。如由于納米科技課程的創(chuàng)新性，教師缺乏合作交流的空間與平臺(tái);任課教師大多數(shù)為非納米專業(yè)，教師的專業(yè)素養(yǎng)和課程開發(fā)力亟需提升;納米科技教育的評價(jià)體系尚不成熟;學(xué)生學(xué)習(xí)納米科技的外部氛圍和途徑欠缺……針對這些現(xiàn)狀，為更加有效地推動(dòng)納米科技課程的建設(shè)進(jìn)程，我們需要在以下方面作出努力：第一，任課教師要加強(qiáng)自身學(xué)習(xí)，不僅要學(xué)習(xí)系統(tǒng)的課程理論、科學(xué)的教學(xué)策略、扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，還要拓寬視野，了解納米科技的最新發(fā)展，掌握納米實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的使用，提升業(yè)務(wù)素養(yǎng)和課程開發(fā)能力。第二，進(jìn)一步研究課程的設(shè)置，促進(jìn)納米科技與不同課程之間的有效融合，梳理納米科技課程之間的內(nèi)在邏輯，使之真正符合學(xué)生的年齡特征和認(rèn)知規(guī)律。第三，優(yōu)化學(xué)生評價(jià)系統(tǒng)，形成科學(xué)量化表，全面評價(jià)學(xué)生能力的發(fā)展。第四，搭建更多學(xué)校與納米科研院所、研發(fā)企業(yè)的合作平臺(tái)，相互補(bǔ)充，共同培養(yǎng)適應(yīng)未來發(fā)展需求的創(chuàng)新人才。第五，實(shí)現(xiàn)納米科技與信息技術(shù)、人工智能的高度融合，建設(shè)和完善學(xué)校、家庭、社會(huì)納米科技互動(dòng)學(xué)習(xí)的平臺(tái)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)隨處可學(xué)的良好氛圍。

納米科技教育的魅力在于，關(guān)注激發(fā)學(xué)生的好奇心與探究欲，關(guān)注學(xué)生在提出問題、解決問題中創(chuàng)造性思維、批判性思維等的培養(yǎng)。學(xué)生在探究性活動(dòng)中，學(xué)會(huì)傾聽他人意見，樂于接受他人建議，學(xué)會(huì)謙虛、友好地與人相處，逐步形成科技創(chuàng)新人才所必須具備的科學(xué)意識(shí)、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。總之，納米科技教育將點(diǎn)亮學(xué)生的科技夢想，是為未來培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的重要途徑。

（注：本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2016 年度重點(diǎn)自籌課題“開發(fā)納米科技課程培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的研究”的部分成果，課題編號(hào)：B-b/2016/02/160）

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（責(zé)任編輯：吳延甲）

作者簡介：朱紅偉，江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)獨(dú)墅湖學(xué)校校長，特級教師。

吳蘭蘭，江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)獨(dú)墅湖學(xué)校納米科技課程組負(fù)責(zé)人，高級教師。