《功能材料學》課程體系建設的探索與實踐

摘要：本文以“應用為先，兼顧理論”的課程建設為特色，圍繞《功能材料學》的課程體系建設和教學實踐等開展教學研究與教學改革。探索課堂教學、創新能力培養相結合的教學模式，克服理論與實踐脫節的問題，促進功能材料學課程教學質量的提高和功能材料科學與技術的發展。

關鍵詞：功能材料學；課程建設；教學實踐

中圖分類號：G423.07 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）04-0234-02

功能材料是指具有優異的物理、化學、生物、光電性質及其之間相互轉化的，用于非結構目的的一類先進材料[1]。功能材料學是為了滿足當代材料技術、信息技術、生物技術、航天技術等國家重點支持的高新技術的發展而產生的一門交叉學科。其涉及的領域非常廣泛，包括電子學、光學、生物學、電磁學等，已經成為現代材料學科的重要研究分支之一。特別是20世紀60年代以來，微電子、激光、計算機、生物醫學、光電等技術領域對材料的迫切需求推動了功能材料的快速發展。大量的功能材料和器件已經在實驗室中制備出來或者得到了工業化的批量生產。因此，《功能材料學》課程是當今高校材料學和材料化學專業的一門很重要的專業課，它要求學生在前期學習《材料研究方法》、《材料科學與基礎》、《材料物理性能》等材料專業課的基礎上，通過《功能材料學》課程的學習進一步深化材料專業的基礎知識，并且掌握各種類型功能材料的制備、性能測試以及具有解決實際應用中出現的問題的能力，并能使學生畢業后勝任功能材料研究和測試方面的工作。為了提高材料學專業學生對材料專業的整體認識，從2006年開始，本校材料學專業開展《功能材料學》的選修課程，總共32學時。從2010年開始，材料化學專業也設置了該課程作為其專業選修課。筆者經過數年的教學實踐，不斷充實和完善《功能材料學》的教學內容，在材料類專業基礎課程知識點的基礎上，充分體現本課程內容的特色——“應用為先，兼顧理論”。結合本校創建高水平教學研究型大學的辦校方針，筆者對《功能材料學》理論教學和實踐教學等方面進行了嘗試和探索，主要取得了三個方面的成果，以供同行做參考。

一、教材選擇與教學內容和教學安排

選擇一本好的教材等于學生有了一個極好的課外輔導老師。一方面，為了能進一步拓寬材料學專業和材料化學專業學生的知識面，擴大學生今后的就業面；另一方面，考慮到學生已經學習了大量的材料學或材料化學的基礎理論課程，教材的選擇就應該重點在應用方面，兼顧一些理論知識。為此，本專業選擇了北京理工大學出版社出版的《功能材料學》教材。該教材涉及到了兩大類功能材料：電學功能材料和光功能材料。其中，電功能材料包括導電材料、介電材料、壓電材料、熱電材料；光功能材料包括太陽能電池、光纖材料、發光材料、激光材料、非線性光學材料、光學存儲材料。這兩大類功能材料包括了當今國內外最熱門的幾個行業，既可以為學生的就業提供一定的指導，也可以為學生進一步深造提供一定的參考。筆者講授該課程始終圍繞“應用為先，兼顧理論”的原則，以材料設計中的基本思路“結構—性能—模型”為主線，為材料學專業和材料化學專業的本科學生講授了上述兩大類功能材料。突出了該課程的全面性、系統性。考慮到當今國內外對新能源、信息技術的重視，以及本校材料科學與工程學院以發光材料以及能源材料為主的研究特色，筆者重點講述了壓電材料、太陽能電池、光電材料以及發光材料。同時，考慮到功能材料種類的多樣性和復雜性，筆者注重多學科交叉性，所學知識的應用性。在講授的同時，綜合交叉學生前期學過的基礎課，如《材料科學基礎》、《材料研究方法》、《電工學》、《光學》等知識，將基礎知識和實際應用結合起來。

二、材料研究與開發的前沿性、實用性和趣味性

當今世界處于信息爆炸時代，大量的新型功能材料不斷被科學家發明出來。在講授一些最基本的、最常見的功能材料的同時，也要把這類新的功能材料及時地介紹給學生，盡可能地引起學生對該課程的興趣，遵循的原則也是“應用為先，兼顧理論”。比如，當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電性能、超出鋼數十倍的強度和極好的透光性，那么具備這類性能的材料可以應用在什么方面呢？可以讓學生充分地發揮各自的想象能力，讓學生討論該材料可能的用途，通過這種方式也可以培養學生的創新能力。只有性能的引出還不夠，還要在引出特性的同時結合材料結構來分析，始終貫徹材料研究的基本思想——結構—性能—模型。最后，把石墨烯材料已經應用的方向介紹給學生，讓學生能深刻感受到新型功能材料的巨大應用價值。如果大量的闡述各種功能材料的理論原理，會導致學生聽不懂課、覺得乏味，最終會對該課程失去興趣。為了提高學生的學習興趣，可以采用通過選用學生生活中可以看到的一些產品開始，介紹該產品有某類物理或化學特性，然后引出產生這些物理或化學特性的根源，引出制作該類產品可以使用的材料，最后介紹這類材料的性能、結構以及相應的原理。比如，筆者在講授壓電材料的時候引用了一個和生活有密切關系的例子：美國芝加哥設計師提出的“能源飛躍”項目[3]。該項目是為了實現在馬路上只要有人經過，就可以為建筑物、街道和霓虹燈的照明。然后分析該項目里所采用材料的本質：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呢？帶著這個疑問引出該項目的最基本的原理——壓電性能，然后詳細講解這類材料壓電性能產生的原因、材料的結構、表征的參數等。使學生們對壓電材料的原理和應用都有了一定的認識，取得了良好的教學效果。

三、傳統教學手段和現代化教學手段結合

研究表明，人對圖像的興奮程度要遠遠大于對大段文字的興奮程度[4]。而且，隨著信息科學技術的發展和人們生活水平的提高，學生對電腦和網絡的依賴程度越來越高，所以筆者認為講授該課程應采用多媒體和板書教學相結合的手段。板書可以簡單的書寫功能材料性能理論，讓學生跟著筆者的思路走；幻燈片主要給學生傳遞圖像，刺激學生的興奮感，制作的幻燈片的顏色要選一些對人眼比較突出的顏色對比。在講解一些比較復雜的物理或化學過程的時候，也可以充分利用Flash軟件，制作一些動畫效果，在學生腦海里留下一個圖像。比如，在講解半導體PN結形成的時候，就可以制作一個動畫，將PN結中P型半導體的多子空穴，N型半導體中的多子電子的擴散過程用動畫的方式演示出來。最后引出PN結中加正電壓和負電壓的動態變化過程。實踐證明，通過這種方式來講解知識點，可以讓學生對PN節形成的過程理解的非常透徹，可以達到過目不忘的效果。為了培養學生對功能材料的學習興趣，同時也為了對今后從事材料相關的工作有個大概的了解，筆者特意布置了寫一篇功能材料相關的論文，可以利用網絡或者圖書館進行查閱，該論文有三個要求：（1）對整理出的某一類功能材料，學生要對它的性能和結構做出描述，最后要總結出制備這些功能材料采用的方法；（2）這類功能材料目前發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界中的哪些公司有生產。通過這種課外作業的手段不僅可以培養學生查閱資料以及對資料分析整理的能力，而且還可以對自己感興趣的材料的生產企業有個大致的了解。

參考文獻：

[1]周馨我.功能材料學[M].北京：北京理工大學出版社，2005.

[2]劉霞.神奇材料石墨烯[J].今日科苑，2011，（14）：35-36.

[3]趙鴻鐸，梁穎慧，凌建明.基于壓電效應的路面能量收集技術[J].上海交通大學學報，2011，（45）：62-66.

[4]詹姆斯.心理學原理.[M].北京：中國城市出版社，2010.