《纳米材料与器件》教学大纲

《纳米材料与器件》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：03154241课程性质：专业选修课学分：2学分学时：32学时（理论32学时）先修课程：物理化学、材料科学基础A、材料物理性能A等后续课程：毕业实习、毕业设计等适用专业：材料科学与工程开课单位：材料科学与工程学院一、课程说明《纳米材料与器件》是材料科学与工程专业一门专业选修课程。本课程主要介绍目前典型纳米材料及器件的基本概念、原理、规律、特点以及应用情况等。学生通过本课程的学习可以掌握纳米材料的分类及特性、制备和表征、原理及应用等较为成熟的理论知识，提高学生课程相关的知识应用能力、测试分析能力、逻辑推理能力、总结归纳能力及自学新知识的能力，同时为后续课程的学习、创新实践的开展及毕业后的工作学习打下必要的基础。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：掌握纳米材料及器件的基本概念、原理、规律、特点以及应用情况；熟悉纳米材料与器件相关材料的设计、制备、性能检测分析和产品质量控制的基础理论和专业知识；了解纳米材料与器件学科的发展现状和趋势。课程目标2：具备纳米材料的设计和制备、材料性能的提升优化和相关器件制造等方面的基本能力；具有在纳米材料与器件相关领域从事生产、技术研发、工艺设计等工作的能力。课程目标3：具有良好的纳米材料与器件方面的设计、制备、改性、性能检测与分析等方面的专业素质；具有良好的社会公德和职业道德、较强的社会责任感和团队合作精神；树立正确的是非观念和劳动意识；具有坚定正确的政治方向、科学的世界观、人生观和价值观。三、课程目标与毕业要求《纳米材料与器件》课程教学目标对材料科学与工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识：能将数学、自然科学、工程基础和专业知识应用于解决复杂材料工程问题。1.1能正确使用技术语言表达材料专业相关复杂工程问题。1.4能运用工程专业知识，解决材料科学和工程专业相关产品的设计、制备、加工、改性、分析、技术开发、应用研究等技术问题。课程目标1：掌握纳米材料及器件的基本概念、原理、规律、特点以及应用情况；熟悉纳米材料与器件相关材料的设计、制备、性能检测分析和产品质量控制的基础理论和专业知识；了解纳米材料与器件学科的发展现状和趋势。H3.设计/开发解决方案：能够设计针对材料科学与工程专业相关复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。3.1能够设计针对材料科学与工程领域复杂工程问题的合理解决方案，设计满足国家和区域经济社会发展需求的系统、单元（部件）或工艺流程。课程目标2：具备纳米材料的设计和制备、材料性能的提升优化和相关器件制造等方面的基本能力；具有在纳米材料与器件相关领域从事生产、技术研发、工艺设计等工作的能力。M注：表中“H（高）、M（中）、L（弱）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时对应的课程目标1.纳米科技及发展史1.1纳米科技与纳米材料；1.2纳米科技发展的轨迹；1.3纳米材料学科的深厚积淀。结合时事，进行相关思政主题教育。教学要求：了解纳米科技发展的轨迹及里程碑事件；掌握纳米科技与纳米材料的基本概念及涉及领域；拓展诺贝尔奖及相关科技期刊所反映出的学科发展信息。重点：纳米科技与纳米材料的引入和介绍。难点：纳米材料及科技研究发展的历程及重要人物和事件。21、2、32.纳米材料的重要特性2.1纳米材料和纳米结构；2.2表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、纳米材料的可见光谱学。教学要求：理解并掌握纳米材料及纳米结构的简介及品质评价基本内容；理解并掌握表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应以及纳米材料的可见光谱学等特殊的效应和现象。重点：纳米材料及纳米结构的简介及品质评价。难点：纳米材料相关的特殊效应。41、2、33.纳米材料的制备3.1纳米材料制备方法概述；3.2特殊加热法、气体冷凝法、等离子体法、机械研磨法、等物理方法；3.3化学沉积法、微乳液法、溶胶凝胶法、等化学制备方法；3.4一些纳米材料制备的研究进展。结合时事，进行相关思政主题教育。教学要求：理解并掌握纳米材料制备方法的基本特点；理解并掌握典型的纳米材料制备物理方法及化学方法；扩展了解一些纳米材料制备的前沿方法及研究进展。重点：典型的纳米材料制备物理方法及化学方法。难点：一些纳米材料制备的前沿方法及研究进展。41、2、34.纳米材料结构表征4.1纳米材料结构的X射线衍射表征；4.2纳米材料结构的气体吸附法表征；4.3纳米材料结构的显微观察；4.4纳米材料结构的X射线及电子显微综合分析。教学要求：理解并掌握纳米材料结构的X射线衍射分析计算；理解并掌握纳米材料结构的BET表征法；理解并掌握纳米材料结构的典型电子显微分析法。了解纳米材料结构的X射线及电子显微技术综合分析思路及方法。重点：纳米材料结构的XRD及电子显微测试分析。难点：纳米材料结构的X射线及电子显微技术综合分析。41、2、35.纳米材料晶体学5.1ZnO六方晶型特点；5.2纳米材料表面缺陷及晶体生长的取向性；5.3纳米材料晶体学一些研究进展。教学要求：理解并掌握典型纳米材料ZnO的晶型特点；理解并掌握纳米材料表面缺陷及晶体生长取向性的基本内容；拓展了解纳米材料晶体学的一些研究进展。重点：典型纳米材料的晶型特点，纳米材料表面缺陷及纳米晶体生长的取向性。难点：纳米材料晶体学的研究进展。21、2、36.纳米材料的磁学6.1磁学的基本概念；6.2磁性纳米材料；6.3纳米材料特殊的磁性质。教学要求：理解并掌握磁学基本概念以及典型纳米磁性材料的分类及特点；了解和初步掌握各向异性、超顺磁性等常用磁性纳米材料的特殊磁学性质及应用。重点：磁学基本概念，典型纳米磁性材料的分类及特点。难点：纳米材料的特殊磁性能。41、2、37.纳米材料电子学与光电子学7.1计算机技术的发展与纳米材料的关系；7.2纳米材料电子学的理论基础和研究进展；7.3纳米材料光电子学简介。教学要求：了解计算机技术的发展与纳米材料技术的关系；理解并掌握纳米材料电子学和光电子学的基本概念和基础理论；了解纳米材料电子学和光电子学相关研究进展及应用。重点：纳米材料电子学与光电子学的理论基础和研究应用情况。难点：纳米材料电子学及光电子学基础理论需相关的物理知识支撑。41、2、38.重要的纳米材料6.1无机类（单质、二元无机非化合物、二元金属和其他无机化合物等）典型纳米材料的概念、特性及应用；6.2典型有机物纳米材料的概念、特性及应用。教学要求：理解并掌握典型的金属和无机非类单质和化合物纳米材料的基础理论及应用；了解掌握有机物纳米材料的特性及应用。重点：典型无机类纳米材料的基础理论及应用。难点：有机物纳米材料的特性及应用。41、2、39.纳米材料的应用9.1金属纳米材料的力学性能、软磁性能、催化性能和储氢性能及应用；9.2磁性液体、纳米复合材料的特点及应用；9.3典型纳米器件与装置的原理及应用。结合时事，进行相关思政主题教育。教学要求：理解并掌握金属纳米材料的力学性能、软磁性能、催化性能和储氢性能及应用；理解并掌握磁性液体、纳米复合材料的特点及应用；了解典型纳米器件与装置的原理及应用。重点：金属纳米材料、磁性液体和纳米复合材料的特性及应用。难点：代表性纳米器件与装置的原理及应用。41、2、3合计32五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，采用启发式、讨论式教学和案例教学等，充分用丰富的多媒体和网络资源，使学生在课堂活动中学习掌握纳米材料与器件的基础知识，了解该类材料和器件的工程应用情况，促进学生积极思考，开发学生的潜能，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力。精选代表性的教学内容，采用视频、图片、软件等丰富的形式类型，安排讨论、习题和测试等，巩固课堂所学知识。六、课程资源1.推荐教材：（1）汪信,刘孝恒.纳米材料化学简明教程.化学工业出版社,2014.12.参考书：（1）张耀君.纳米材料基础.化学工业出版社.2015.9.（2）张立德.纳米材料和纳米结构.科学出版社.2016.3.（3）林志东.纳米材料基础与应用.北京大学出版社.2010.11.（4）刘漫红.纳米材料及其制备技术.冶金工业出版社.2014.8.3.期刊：（1）牛浩,吴文果.纳米材料修饰微生物燃料电池阳极的研究进展[J].生物工程学报,2016,32(3):271-283.（2）魏湫龙等.钒氧化物纳米材料在钠离子电池中的应用[J].硅酸盐学报,2016,44(5):693-706.（3）张增海等.基于溶胶凝胶法水热合成WO3纳米材料及气致变色应用[J].稀有金属材料与工程,2016:354-359.（4）袁竞优,贾庆明,陕绍云.碳羟基磷灰石纳米材料的研究进展[J].材料导报,2020,34(13):88-94.（5）SantoroF,ZhaoW,JoubertL,etal.RevealingTheCell-MaterialInterfaceWithNanometerResolutionByFocusedIonBeam/ScanningElectronMicroscopy.AcsNano,2017,11(8):8320-8331.4.网络资源：（1）高鸿钧.纳米材料及其未来量子.中国科学院物理研究所.泛雅课程.http://nation.chaoxing.com/play?seriesId=3846&id=5222&seriesName（2）尹良君.新能源材料与器件导论.电子科技大学.中国大学MOOC，2020./course/UESTC-1454939178?tid=1455305456七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课堂表现10（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√433作业20（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，以及自主学习和表达能力，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√884阶段测验10（1）主要考核学生对阶段性所学知识点的理解和掌握程度，满分100分；（2）阶段测验单独评分，取该成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以阶段测验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√442期末考核60（1）课程论文100分，以论文成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核学生通过本课程的学习培训，对纳米材料与器件的基础理论知识，对选材、设计、制备、检测分析、应用等方面的了解程度，对专业内容的书面表达能力等。（3）考核形式为：自选一种或几种纳米材料与器件，从选材、设计、制备、加工、组装、微观组织、性能、检测分析、应用等方面进行论述，手写论文，规范表述。√√√252510合计：100分414019八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、作业、阶段测验、期末考核等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末考核成绩和过程性考核成绩组成。其中：期末考核成绩为100分（权重60%），采用课程论文的形式，考核学生对纳米材料与器件基础理论知识的掌握，对选材、设计、制备、检测分析、应用等方面的了解程度，对专业内容的书面表达能力等；课堂表现、作业、阶段测验等过程性考核成绩为100分（权重40%）；过程性考核和期末考核分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂表现25笔记完整，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%。笔记完整，认真参与教学活动，回答问题准确率大于80%。笔记不完整，偶尔参与教学活动，回答问题准确率大于70%。上课不