智能材料課程教學改革的實踐與探索

楊進+李隆基+吉海燕

摘 要： 本文根據材料行業的發展對人才的需求及材料專業的培養目標定位，提出了在高等院校材料專業本科階段加強教授智能材料課程內容的必要性，結合材料專業學生特點探討了智能材料課程本科教學的講授內容，并對教學方法和手段進行了探討。

關鍵詞： 智能材料 教學改革 教學方法研究

智能材料是20世紀90年代迅速發展起來的一類新型復合材料。它是指具有感知環境（包括內環境和外環境）刺激后，能夠采取一定的措施進行適度響應的材料，其內容涉及化學、物理、數學、計算機、材料學、仿生科學等相關理論，是一門以綜合性和應用性為顯著特征的交叉學科。它與生命科學、材料科學、環境科學等眾多學科相互滲透、相互促進、相互依存，足以凸顯智能材料在當今社會發展、科學技術發展中的作用。智能材料的特點是基礎研究與應用研究密切結合、仿生技術與納米技術密切結合[1]。因此，它的發展往往成為一個國家科學技術水平和國力的標志之一，可以預計今后全社會對智能材料相關的各類人才具有極大的需求量。

近年來，隨著科學技術的發展、國家綜合實力的提高，材料行業需要大量高層次產品開發和科學研究分析人員，為滿足材料行業的這種需求，國內許多高校的材料專業開設了智能材料課程。目前大學學分制條件下，往往不斷壓縮基礎課程的學時，智能材料的學時越來越少，使得教學內容多與學時少之間產生了矛盾，這自然影響到學生學習內容的深度與廣度。為使學生走上工作崗位后盡快熟悉行業特點，成為行家里手，智能材料課程的本科教學內容和教學方法的設計是必須考慮的首要問題。對此，筆者結合多年從事智能材料課程教學與科研經驗，結合智能材料課程特點，作探討。

一、教學內容

在智能材料課程教學中，應既保證一定的廣度，又保證一定的深度、新度，遵循基本理論與生產實踐結合，材料宏觀性質與微觀結構分析結合，唯象性討論與數學分析結合的原則，少而精地設置內容。在教學內容上，對復雜的、深奧的知識點的講解盡可能地簡單化和具體化，利用聯系發展觀，對大量的知識點盡可能地進行聯系和統一，使學生迅速并全面地掌握智能材料的基礎知識，減輕學生的學習負擔；引入學科前沿，近年來材料科學發展迅猛，每年都有大量學術論文發表，作為傳道、授業、解惑的教育工作者必須緊跟學科發展趨勢，超越課本，在授課時穿插新進展。根據課程特點及重要性，結合材料專業學生學習智能材料課程的教學時間安排，在教學中應該重點講授以下內容。

1.智能材料概述

主要介紹智能材料的定義、仿生智能材料的設計思想、仿生智能材料的典型實例及智能化設計，使學生掌握智能材料的基本概念、設計思想，了解智能材料的發展歷史和面臨的挑戰，懂得智能材料的發展趨勢和方向，激發學生對智能材料的興趣，投身于仿生智能材料行業中，為以后進行仿生智能材料的科學研究打下基礎。

2.自然界中具有特殊表面性能的生物體

自然界中的生物體通過進化已經完成了智能操縱的全過程。物競天擇，適者生存。本章重點介紹具有特殊表面性質的生物體，包括植物葉表面的自清潔性、滾動各向異性；昆蟲翅膀的自清潔性、減反射性及結構顏色、水黽腿的超疏水型、壁虎腳底的高粘附性、沙漠甲蟲的集水性及變色功能等。揭示微觀結構與宏觀性質之間的必然聯系，將微觀結構模擬及由此產生的特殊性講清講透。

3.固體表面的浸潤性

浸潤性的基本理論是本章教學的重點，應使學生掌握影響固體表面浸潤性的兩個主要因素：一是表面自由能，二是微觀結構。

4.仿生超疏水表面

主要介紹制備仿生超疏水的方法，如：溶膠—凝膠法、電化學法、模板法、自主裝法、溶劑—非溶劑法等，使學生了解每種制備方法的優缺點。

5.特殊浸潤性的智能材料

生物體表面特殊的微觀結構域優異宏觀性能之間的聯系與統一給予了我們靈感和啟示，仿生智能材料體系形成的設計思想源自生物體系，材料界面的仿生化為創造智能化的新材料提供了新的方法和途徑。主要講授超雙疏表面、超疏水/超親油性表面、超親水/超疏水智能響應性表面，特別是可控浸潤性表面、光響應性表面、磁響應性表面等。通過學習，學生了解新型多功能化智能材料的設計和研制。

二、教學方法改革

采取怎樣的教學方法，應視課程性質、特點和內容來定。教改目的是改革和優化教學模式，按不同教學內容采取相應手段和方法，激發學生的學習動力，提高教學質量，培養學生的綜合能力。

1.教師引導

教師是教學改革的主體，充分發揮教師主導作用是教改成功的關鍵。為讓學生進行課程銜接及為課后自學鋪墊，每次課開始時應對上節課內容簡單回顧，勾起學生記憶，結束時對下次課內容提要，利于學生自學。另外，學生在課堂上有發言的欲望，如能正確引導，增加學生討論環節就能夠達到很好的效果，提高學生學習興趣，但限于教學內容和學時的矛盾，往往無法展開。曾嘗試將討論興趣所在之題目布置給學生，課下進行查閱資料、總結、歸納，但限于學習壓力及態度，只有部分學生認真對待。

2.理論聯系實際

智能材料是一門理論性和應用性都很強的交叉學科，理論知識比較晦澀，必須與實際結合才能使學得的知識深化和鞏固，才能激發學生的興趣。在理論基礎的學習過程中，學生往往感覺內容艱深，興趣不高，而應當與實際背景結合，目前，材料行業的快速發展，各地智能材料生產廠家遍地開花，使學生有可能去智能材料生產廠家和使用部門參觀和學習，學習智能材料的生產方法和檢測方法，了解生產設備和檢測儀器設備。特別是與當前比較熱的汽車、航天、生物、軍事等結合時，學生往往很有興致，注意力高度集中，將理論知識寓于合適的實際背景中講授，效果顯著。

3.采用多媒體教學

教師無法強迫學生學習，只能吸引學生學習，在教學過程中起引導作用。多媒體教學手段是將文字、聲音、圖象、動畫等結合在一起通過課堂教學實施，通過多種方式調動學生的多感官，促進學生開展記憶、思考、探討等活動，使教學內容從單調的文字形式轉變為多種生動的形式，將枯燥乏味的理論知識變得直觀、形象，使學生更易理解所學內容。多媒體教學通過聲像可以刺激學生的好奇心，突出重點，有利于學生掌握知識點，還可以加大信息量，減少板書量，在有限的課時內講授更多知識，同時可以將可將智能材料生產設備、檢測設備、施工設備和涂裝后的工件等展現在屏幕上，將過程以動畫展示，彌補語言的障礙，加深學生理解，而不是領悟老師的理解。利用網絡對教學內容適時更新，做到教學與科研互動，多引用與課程有關的實例，增加教學內容，加強學生對書本知識的掌握。

4.課堂教學與課后自學相結合

由于教學時數有限，如何在有限的時間內使學生學到更多的智能材料知識，除教師摒棄傳統板書，采用多媒體對基礎理論等重要內容進行課堂授課外，也可發揮學生的主觀能動性，結合目前已出版的智能材料書籍和研究論文，有選擇地引導學生自學一些應用及發展前沿的內容，作為課堂教學內容的補充，加深理解。

5.開設實驗課

為加深對智能理論的理解，在教學過程中應配合開設實驗課。一般應開設的實驗課有超疏水、超疏水油材料的制備及性能檢測等，通過實驗，訓練學生進行智能材料生產和科學[2]研究的方法，培養學生的動手能力、分析和解決問題的能力。

三、成績評定

嚴格的考核是正確調動學生的學習積極性，監督和檢查學生學習效果及應用能力，提高智能材料教學質量的有效手段。在智能材料教學中，我們將成績考核與過程管理緊密結合起來，既考核學生專業基礎知識掌握的情況，又考核學生的操作能力，更注重學生的創新精神。考核由平時考核、基礎理論考試及實驗考核三部分組成，其中平時考核占總成績的10%，基礎理論考試占60%，實驗考核占30%。

四、結語

材料行業快速發展，已滲透到科學技術各個領域和日常生活的各個角落，科技含量越來越高，需大批高層次的掌握材料的科研和技術人員，這對材料專業的畢業生就提出了新要求。我們要積極適應這種要求，改革現有的智能材料教學內容，改進教學方法及成績評定，激發學生學習本課程的興趣和欲望，提高學習熱情，充分調動學生參與學習的主動性，體現學生在學習過程中的主體地位。為后續各專業課的學習奠定堅實基礎，為材料行業培養合格的智能材料研發人才，促進材料行業的快速發展。

參考文獻：

[1]江雷，馮琳.仿生智能納米界面材料.化學工業出版社，2007.

[2]王迎軍，項聰，余其俊，曾幸榮，劉粵惠.材料科學與工程專業學生實踐創新能力的培養[J].高等工程教育研究，2012，5，127-131.

基金項目：江蘇省創新創業訓練計劃項目資助（201310299007Z）。endprint