功能材料學(xué)課程體系建設(shè)的探索及實(shí)踐

1、功能材料學(xué)課程體系建設(shè)的探索與實(shí)踐摘要：本文以“應(yīng)用為先，兼顧理論”的課程建設(shè)為特色，圍繞功能材料學(xué)的課程體系建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐等開(kāi)展教學(xué)研究與教學(xué)改革。探索課堂教學(xué)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結(jié)合的教學(xué)模式，克服理論與實(shí)踐脫節(jié)的問(wèn)題，促進(jìn)功能材料學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的提高和功能材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。關(guān)鍵詞：功能材料學(xué)；課程建設(shè)；教學(xué)實(shí)踐 功能材料是指具有優(yōu)異的物理、化學(xué)、生物、光電性質(zhì)及其之間相互轉(zhuǎn)化的，用于非結(jié)構(gòu)目的的一類先進(jìn)材料1。功能材料學(xué)是為了滿足當(dāng)代材料技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)、航天技術(shù)等國(guó)家重點(diǎn)支持的高新技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一門交叉學(xué)科。其涉及的領(lǐng)域非常廣泛，包括電子學(xué)、光學(xué)、生物學(xué)、電磁學(xué)等，已經(jīng)成為

2、現(xiàn)代材料學(xué)科的重要研究分支之一。特別是20世紀(jì)60年代以來(lái)，微電子、激光、計(jì)算機(jī)、生物醫(yī)學(xué)、光電等技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ牧系钠惹行枨笸苿?dòng)了功能材料的快速發(fā)展。大量的功能材料和器件已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中制備出來(lái)或者得到了工業(yè)化的批量生產(chǎn)。因此，功能材料學(xué)課程是當(dāng)今高校材料學(xué)和材料化學(xué)專業(yè)的一門很重要的專業(yè)課，它要求學(xué)生在前期學(xué)習(xí)材料研究方法、材料科學(xué)與基礎(chǔ)、材料物理性能等材料專業(yè)課的基礎(chǔ)上，通過(guò)功能材料學(xué)課程的學(xué)習(xí)進(jìn)一步深化材料專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)，并且掌握各種類型功能材料的制備、性能測(cè)試以及具有解決實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題的能力，并能使學(xué)生畢業(yè)后勝任功能材料研究和測(cè)試方面的工作。為了提高材料學(xué)專業(yè)學(xué)生對(duì)材料專業(yè)的整體認(rèn)識(shí)

3、，從2006年開(kāi)始，本校材料學(xué)專業(yè)開(kāi)展功能材料學(xué)的選修課程，總共32學(xué)時(shí)。從2010年開(kāi)始，材料化學(xué)專業(yè)也設(shè)置了該課程作為其專業(yè)選修課。筆者經(jīng)過(guò)數(shù)年的教學(xué)實(shí)踐，不斷充實(shí)和完善功能材料學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，在材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，充分體現(xiàn)本課程內(nèi)容的特色“應(yīng)用為先，兼顧理論”。結(jié)合本校創(chuàng)建高水平教學(xué)研究型大學(xué)的辦校方針，筆者對(duì)功能材料學(xué)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)等方面進(jìn)行了嘗試和探索，主要取得了三個(gè)方面的成果，以供同行做參考。一、教材選擇與教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)安排選擇一本好的教材等于學(xué)生有了一個(gè)極好的課外輔導(dǎo)老師。一方面，為了能進(jìn)一步拓寬材料學(xué)專業(yè)和材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生的知識(shí)面，擴(kuò)大學(xué)生今后的就業(yè)面；另一方面

4、，考慮到學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了大量的材料學(xué)或材料化學(xué)的基礎(chǔ)理論課程，教材的選擇就應(yīng)該重點(diǎn)在應(yīng)用方面，兼顧一些理論知識(shí)。為此，本專業(yè)選擇了北京理工大學(xué)出版社出版的功能材料學(xué)教材。該教材涉及到了兩大類功能材料：電學(xué)功能材料和光功能材料。其中，電功能材料包括導(dǎo)電材料、介電材料、壓電材料、熱電材料；光功能材料包括太陽(yáng)能電池、光纖材料、發(fā)光材料、激光材料、非線性光學(xué)材料、光學(xué)存儲(chǔ)材料。這兩大類功能材料包括了當(dāng)今國(guó)內(nèi)外最熱門的幾個(gè)行業(yè)，既可以為學(xué)生的就業(yè)提供一定的指導(dǎo)，也可以為學(xué)生進(jìn)一步深造提供一定的參考。筆者講授該課程始終圍繞“應(yīng)用為先，兼顧理論”的原則，以材料設(shè)計(jì)中的基本思路“結(jié)構(gòu)性能模型”為主線，為材料學(xué)專

5、業(yè)和材料化學(xué)專業(yè)的本科學(xué)生講授了上述兩大類功能材料。突出了該課程的全面性、系統(tǒng)性。考慮到當(dāng)今國(guó)內(nèi)外對(duì)新能源、信息技術(shù)的重視，以及本校材料科學(xué)與工程學(xué)院以發(fā)光材料以及能源材料為主的研究特色，筆者重點(diǎn)講述了壓電材料、太陽(yáng)能電池、光電材料以及發(fā)光材料。同時(shí)，考慮到功能材料種類的多樣性和復(fù)雜性，筆者注重多學(xué)科交叉性，所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用性。在講授的同時(shí)，綜合交叉學(xué)生前期學(xué)過(guò)的基礎(chǔ)課，如材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料研究方法、電工學(xué)、光學(xué)等知識(shí)，將基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)。二、材料研究與開(kāi)發(fā)的前沿性、實(shí)用性和趣味性當(dāng)今世界處于信息爆炸時(shí)代，大量的新型功能材料不斷被科學(xué)家發(fā)明出來(lái)。在講授一些最基本的、最常見(jiàn)的功能材料的同

6、時(shí)，也要把這類新的功能材料及時(shí)地介紹給學(xué)生，盡可能地引起學(xué)生對(duì)該課程的興趣，遵循的原則也是“應(yīng)用為先，兼顧理論”。比如，當(dāng)今非常熱門的石墨烯材料2。研究表明該類材料具有非同尋常的導(dǎo)電性能、超出鋼數(shù)十倍的強(qiáng)度和極好的透光性，那么具備這類性能的材料可以應(yīng)用在什么方面呢？可以讓學(xué)生充分地發(fā)揮各自的想象能力，讓學(xué)生討論該材料可能的用途，通過(guò)這種方式也可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。只有性能的引出還不夠，還要在引出特性的同時(shí)結(jié)合材料結(jié)構(gòu)來(lái)分析，始終貫徹材料研究的基本思想結(jié)構(gòu)性能模型。最后，把石墨烯材料已經(jīng)應(yīng)用的方向介紹給學(xué)生，讓學(xué)生能深刻感受到新型功能材料的巨大應(yīng)用價(jià)值。如果大量的闡述各種功能材料的理論原理，會(huì)

7、導(dǎo)致學(xué)生聽(tīng)不懂課、覺(jué)得乏味，最終會(huì)對(duì)該課程失去興趣。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可以采用通過(guò)選用學(xué)生生活中可以看到的一些產(chǎn)品開(kāi)始，介紹該產(chǎn)品有某類物理或化學(xué)特性，然后引出產(chǎn)生這些物理或化學(xué)特性的根源，引出制作該類產(chǎn)品可以使用的材料，最后介紹這類材料的性能、結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的原理。比如，筆者在講授壓電材料的時(shí)候引用了一個(gè)和生活有密切關(guān)系的例子：美國(guó)芝加哥設(shè)計(jì)師提出的“能源飛躍”項(xiàng)目3。該項(xiàng)目是為了實(shí)現(xiàn)在馬路上只要有人經(jīng)過(guò)，就可以為建筑物、街道和霓虹燈的照明。然后分析該項(xiàng)目里所采用材料的本質(zhì)：地板磚采用的材料是鋯酸鉛，上面裝有黃銅覆蓋的鎳電極。那么這類材料為什么具有這種性質(zhì)呢？帶著這個(gè)疑問(wèn)引出該項(xiàng)目的最基

8、本的原理壓電性能，然后詳細(xì)講解這類材料壓電性能產(chǎn)生的原因、材料的結(jié)構(gòu)、表征的參數(shù)等。使學(xué)生們對(duì)壓電材料的原理和應(yīng)用都有了一定的認(rèn)識(shí)，取得了良好的教學(xué)效果。三、傳統(tǒng)教學(xué)手段和現(xiàn)代化教學(xué)手段結(jié)合研究表明，人對(duì)圖像的興奮程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)大段文字的興奮程度4。而且，隨著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，學(xué)生對(duì)電腦和網(wǎng)絡(luò)的依賴程度越來(lái)越高，所以筆者認(rèn)為講授該課程應(yīng)采用多媒體和板書(shū)教學(xué)相結(jié)合的手段。板書(shū)可以簡(jiǎn)單的書(shū)寫功能材料性能理論，讓學(xué)生跟著筆者的思路走；幻燈片主要給學(xué)生傳遞圖像，刺激學(xué)生的興奮感，制作的幻燈片的顏色要選一些對(duì)人眼比較突出的顏色對(duì)比。在講解一些比較復(fù)雜的物理或化學(xué)過(guò)程的時(shí)候，也可以

9、充分利用flash軟件，制作一些動(dòng)畫(huà)效果，在學(xué)生腦海里留下一個(gè)圖像。比如，在講解半導(dǎo)體pn結(jié)形成的時(shí)候，就可以制作一個(gè)動(dòng)畫(huà)，將pn結(jié)中p型半導(dǎo)體的多子空穴，n型半導(dǎo)體中的多子電子的擴(kuò)散過(guò)程用動(dòng)畫(huà)的方式演示出來(lái)。最后引出pn結(jié)中加正電壓和負(fù)電壓的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。實(shí)踐證明，通過(guò)這種方式來(lái)講解知識(shí)點(diǎn)，可以讓學(xué)生對(duì)pn節(jié)形成的過(guò)程理解的非常透徹，可以達(dá)到過(guò)目不忘的效果。為了培養(yǎng)學(xué)生對(duì)功能材料的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也為了對(duì)今后從事材料相關(guān)的工作有個(gè)大概的了解，筆者特意布置了寫一篇功能材料相關(guān)的論文，可以利用網(wǎng)絡(luò)或者圖書(shū)館進(jìn)行查閱，該論文有三個(gè)要求：（1）對(duì)整理出的某一類功能材料，學(xué)生要對(duì)它的性能和結(jié)構(gòu)做出描述，最后要總結(jié)出制備這些功能材料采用的方法；（2）這類功能材料目前發(fā)展的瓶頸以及克服瓶頸的方法；（3）了解這些功能材料在工業(yè)界中的哪些公司有生產(chǎn)。通過(guò)這種課外作業(yè)的手段不僅可以培養(yǎng)學(xué)生查閱資料以及對(duì)資料分析整理的能力，而且還可以對(duì)自己感興趣的材料的生產(chǎn)企業(yè)有個(gè)大致的了解。參考文獻(xiàn)