《今日新材料》教學(xué)探索體會(huì)*

劉　俊，常夢(mèng)潔

(西安科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西　西安　710054)

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《今日新材料》教學(xué)探索體會(huì)*

劉俊，常夢(mèng)潔

(西安科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710054)

新能源與新材料的開發(fā)利用是解決我國當(dāng)前能源短缺、環(huán)境污染的有效途徑和熱點(diǎn)問題。《今日新材料》是一門不限專業(yè)的全校公選課。為了取得良好的教學(xué)效果，結(jié)合課程特點(diǎn)和選課學(xué)生的專業(yè)背景，我們從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、課程考核等方面進(jìn)行了初步的探索和改革，在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)探索精神等方面，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

新材料；教學(xué)改革；學(xué)習(xí)興趣

材料是人類文明的三大支柱之一，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。新材料是現(xiàn)代高科技發(fā)展的支撐與物質(zhì)基礎(chǔ)，新材料對(duì)社會(huì)進(jìn)步的推動(dòng)作用越來越大，是一個(gè)國家現(xiàn)代化水平和文明程度的標(biāo)志之一[1]。筆者結(jié)合自己的專業(yè)和研究背景，開設(shè)了全校公選課《今日新材料》，以幫助學(xué)生了解材料，加深對(duì)高速發(fā)展世界的認(rèn)識(shí)。通過學(xué)生網(wǎng)上選課情況，可知此門公選課非常受歡迎，每學(xué)期選課人數(shù)均超過150人次，我們根據(jù)往年的上課情況，制定并調(diào)整了教學(xué)大綱。本文主要從開課教師的角度，對(duì)如何加強(qiáng)公共選修課的課程建設(shè)，提升公選課的教學(xué)效果，讓學(xué)生輕松積極參與到選修課的課堂中來談幾點(diǎn)個(gè)人體會(huì)。我們希望通過選擇合適的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式，讓學(xué)生通過《今日新材料》這門課程的學(xué)習(xí)，不僅掌握基本的材料知識(shí)，了解材料對(duì)社會(huì)發(fā)展的重要性，培養(yǎng)學(xué)生的探索創(chuàng)新精神，同時(shí)也學(xué)會(huì)將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際的材料功能分析中，用材料和其他領(lǐng)域去交叉創(chuàng)新。

1　因材施教，合理設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

新材料涵蓋的內(nèi)容非常廣泛，從材料的性質(zhì)分類，包括無機(jī)非金屬材料、金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料等；從材料功能性分類，包括導(dǎo)電材料、超導(dǎo)材料、磁性材料、光學(xué)材料、力學(xué)性能材料等等；從材料的應(yīng)用領(lǐng)域分類，又可分為信息材料、生物醫(yī)用材料、能源材料、航空航天材料等等。一方面，大學(xué)開設(shè)公選課的主要目的是拓寬學(xué)生視野、啟發(fā)學(xué)生的探索熱情、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維。另一方面，受公選課課時(shí)的限制，我們不能向?qū)W生系統(tǒng)化地講解如此龐大的材料體系，因此需要精心組織教學(xué)內(nèi)容[2-3]。考慮到學(xué)生的專業(yè)背景、專業(yè)知識(shí)掌握程度與學(xué)習(xí)能力不同，我們?cè)诮虒W(xué)中不涉及過深的理論，但需要凸顯時(shí)代性，把最新、最有價(jià)值的研究成果介紹分享給大家，幫助同學(xué)開闊視野，提高學(xué)生在生活中運(yùn)用材料知識(shí)的能力。我們以近年來的科學(xué)研究熱點(diǎn)為依據(jù)，結(jié)合學(xué)生的專業(yè)背景，在16學(xué)時(shí)(8次課)的有限教學(xué)時(shí)間內(nèi)，擬定了以下教學(xué)內(nèi)容：材料科學(xué)基礎(chǔ)(2學(xué)時(shí))、納米材料(4學(xué)時(shí))、新能源材料(4學(xué)時(shí))、高分子材料(2學(xué)時(shí))、生物醫(yī)用材料(2學(xué)時(shí))、3D 打印(2 學(xué)時(shí))，考核通過獲得一個(gè)學(xué)分。

我們?cè)诮虒W(xué)內(nèi)容的安排上，充分考慮到西安科技大學(xué)煤炭地礦和安全優(yōu)勢(shì)學(xué)科的特色，選修課的多數(shù)學(xué)生專業(yè)與能源及地礦學(xué)科相關(guān)[4]。在教學(xué)過程中，充分將材料與不同學(xué)科的自身需求相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。同時(shí)，各學(xué)科自身的發(fā)展也為《今日新材料》的教學(xué)注入了活力，拓寬了材料學(xué)的學(xué)科視野，有助于啟迪任課教師的學(xué)術(shù)思維。如我們?cè)诘诙v《納米材料》中，先介紹了納米材料的基本性質(zhì)、研究內(nèi)容、發(fā)展現(xiàn)狀等，著重介紹了阻燃納米技術(shù)與碳納米材料兩方面的內(nèi)容[5]。自1976年納米黏土阻燃尼龍的專利發(fā)表起，納米技術(shù)成為阻燃領(lǐng)域的重要分支。相對(duì)于傳統(tǒng)阻燃劑而言，納米阻燃體系最為顯著的特點(diǎn)是只需添加極少量(<5%)的阻燃劑即可顯著降低材料的燃燒性能，并且納米阻燃劑的加入還能使得材料的機(jī)械性能得到提高，而普通阻燃劑的加入會(huì)大大影響材料的力學(xué)強(qiáng)度。此外，針對(duì)煤炭能源專業(yè)為學(xué)校優(yōu)勢(shì)學(xué)科的特點(diǎn)，我們特別安排了富勒烯(1986年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng))、碳納米管、石墨烯(2004年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))、碳量子點(diǎn)等碳納米材料的的教學(xué)內(nèi)容，不僅讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到在納米材料的范疇內(nèi)，碳材料的形式豐富、性能優(yōu)異，同時(shí)也感受到了由傳統(tǒng)能耗型資源向新能源材料轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切需求與廣闊前景。設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)知識(shí)相關(guān)聯(lián)，大大提高學(xué)生了的學(xué)習(xí)積極性，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也讓我們的課堂教學(xué)更高效。

2　貼近生活，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

《今日新材料》是面向全校學(xué)生的公選課，很多同學(xué)沒有材料方面的專業(yè)基礎(chǔ)，因此，我們的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)盡量和生活及社會(huì)相聯(lián)系，減少公式與理論的描述。教學(xué)過程主要以材料學(xué)科為基礎(chǔ)，圍繞生活及社會(huì)中的熱點(diǎn)問題展開。我們圍繞“夜明珠為什么被認(rèn)為是稀世珍寶”、“隱形飛機(jī)隱形的原理”、“緩釋膠囊發(fā)明的巨大貢獻(xiàn)”、“高鐵快速運(yùn)行所需材料”、“水立方膜材料”、“手機(jī)電池優(yōu)缺點(diǎn)”等社會(huì)中的常見現(xiàn)象，以提問的方式激發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)學(xué)生思考材料對(duì)社會(huì)生活及社會(huì)進(jìn)步的重要性。

我們通過設(shè)置多種問題情境，然后進(jìn)行釋疑層層引導(dǎo)學(xué)生尋找答案，在引導(dǎo)回答中激發(fā)學(xué)生的興趣，促使學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)。在介紹高分子材料時(shí)，設(shè)置家庭或者宿舍為情景，啟發(fā)學(xué)生思考身邊的高分子材料。如抬頭可見的燈罩可能是聚苯乙烯材料，開關(guān)盒是酚醛樹脂，花瓶是有機(jī)玻璃材質(zhì)，透明的水杯是聚丙烯塑料，包括塑性門窗、涂料、空調(diào)、洗衣機(jī)、手機(jī)等等都大量涉及高分子材料的應(yīng)用；我們身著的羊毛衫、絲綢等等又是天然高分子材料的范疇，這些高分子材料悄無聲息地影響著我們的生活。在介紹高分子性質(zhì)時(shí)，我們以擠牙膏為例，牙膏從牙膏管口擠出時(shí)，好像突然變大了好多，這是因?yàn)槭裁茨兀?借此我們講解高分子的一個(gè)重要特性---蠕變性。所謂高分子的蠕變，是指材料在恒定載荷作用下，變形隨時(shí)間而增大的過程。牙膏中含有大量的高分子化合物，如濕潤劑、香料、起泡劑等，這些高分子鏈在牙膏管中是都是呈自然卷曲的，在被擠出牙膏管口的狹小位置時(shí)，高分子鏈在管口的作用下被迫發(fā)生鏈的舒展成線性狀態(tài)，在擠出管口后外力減小，高分子鏈在無外力作用下回自然呈卷曲狀態(tài)，從而使體積大。用理論知識(shí)解釋身邊的現(xiàn)象和實(shí)例是我們這門課的教學(xué)目的之一，貼近生活能更好地聯(lián)系學(xué)生已經(jīng)認(rèn)知的領(lǐng)域，有效促使學(xué)生“有意義學(xué)習(xí)”，同時(shí)啟發(fā)學(xué)生的發(fā)散性思維[6]。

3　良好的互動(dòng)是課堂必不缺少的要素

雖然選修課的學(xué)生較多，但筆者盡量做到課堂的互動(dòng)式教學(xué)，讓學(xué)生加入課堂討論，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)學(xué)生的積極思考。因此，我們把課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)在問題中，通過提問抓住學(xué)生的注意力，將學(xué)生和老師的提問、學(xué)生的討論以及教師的集中講授相融合。同時(shí)，我們的問題要盡量跨越專業(yè)的限制，使課程具有通識(shí)性、可感知性、使理論教學(xué)不枯燥乏味。我們?cè)诒菊n程的第一節(jié)課，請(qǐng)同學(xué)介紹和自己專業(yè)相關(guān)和一種材料，采礦專業(yè)的同學(xué)介紹了煤礦填充材料，材料專業(yè)的同學(xué)提到了建筑陶瓷材料，通信專業(yè)的同學(xué)提到了光導(dǎo)纖維，地質(zhì)環(huán)境專業(yè)的同學(xué)介紹了污水處理凈化材料，管理學(xué)院的同學(xué)分享了在社交禮儀過程中商務(wù)制服領(lǐng)帶的材料和工藝等等。此外，我們根據(jù)學(xué)生的興趣愛好進(jìn)行引導(dǎo)，如學(xué)生談到踢足球，我們引導(dǎo)學(xué)生足球鞋鞋底和鞋面使用不同的材料，而具有不同的功能。足球鞋要求能抗撕扯強(qiáng)度高，有好觸感、防水、透氣性能等，鞋面材料通常是牛皮、袋鼠皮、羊皮等皮革材料，而鞋底材質(zhì)一般分為TPU、尼龍、碳纖維和橡膠。如此類比，大大豐富了教學(xué)內(nèi)容、活躍了課堂、激發(fā)了學(xué)生對(duì)材料學(xué)科的學(xué)習(xí)熱情和興趣。對(duì)主講教師而言，在啟迪學(xué)生探索熱情的過程中，自身也同樣會(huì)充滿探索熱情，并從一個(gè)多學(xué)科的全新視角審視量度自身學(xué)科，做到他山攻錯(cuò)，找出新的生長點(diǎn)。不同專業(yè)的學(xué)生提出的與其自身相關(guān)的材料學(xué)問題，可以有效促進(jìn)主講教師對(duì)跨學(xué)科問題的換位思考和探究，從而做到教學(xué)相長、相得益彰。

4　教學(xué)手段多元化，關(guān)注熱點(diǎn)問題

公選課上課時(shí)間為9～10節(jié)，經(jīng)過一天的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)非常疲乏，如果再采用長時(shí)間講解的授課方式很難持續(xù)吸引學(xué)生的注意力。我們借助多媒體現(xiàn)代化教學(xué)手段，不斷向?qū)W生展示精彩的畫面、鮮明的色彩和動(dòng)人的情節(jié)，這樣容易引起學(xué)生的興趣，把注意力集中到學(xué)習(xí)對(duì)象上去，使學(xué)生在不知不覺中去探究它們，提高課堂的教學(xué)效率。課堂內(nèi)容以電子教案Power Point的形成呈現(xiàn)，我們充分發(fā)揮多媒體課件集聲音、視頻、文字、圖標(biāo)等為一體的特點(diǎn)，在有限的教學(xué)學(xué)時(shí)內(nèi)給大家分享更多的內(nèi)容。

3D打印無疑是近年來的研究熱點(diǎn)之一，已經(jīng)成為國際上一個(gè)新的技術(shù)潮流。權(quán)威機(jī)構(gòu)列出的對(duì)人類生活具有顛覆性影響的12項(xiàng)技術(shù)中，3D打印位列第9，特別是今年“先進(jìn)制造與3D打印”走進(jìn)了國務(wù)院的會(huì)議室。我們將3D打印知識(shí)作為今年課程內(nèi)容的一部分進(jìn)行了專門的介紹。隨著3D打印技術(shù)的日益成熟，3D打印機(jī)不再是設(shè)計(jì)師和科學(xué)家的專屬機(jī)器，她已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室和工廠中走出來，走進(jìn)學(xué)校和家庭，與每個(gè)人的生活息息相關(guān)。如3D打印的服裝已遍布各大時(shí)裝展，3D打印立體人物照片街邊可見，3D打印助聽器與牙齒等讓人們大大受益，自行車汽車等交通工具的設(shè)計(jì)中也越來越多的體現(xiàn)出3D元素。我們以電影中視頻片段開始3D打印的學(xué)習(xí)，在影片《十二生肖》中，成龍先生佩戴專業(yè)掃描手套，通過手掌環(huán)繞獸首，另外一邊快速的將圖紙發(fā)送到3D打印機(jī)中，幾秒鐘內(nèi)，一個(gè)外形完全相同的復(fù)制品就制作出來了。盡管在現(xiàn)實(shí)中，根據(jù)復(fù)雜程度不同，3D打印需要耗費(fèi)一兩個(gè)小時(shí)，甚至更長的時(shí)間，電影片段能大大吸引學(xué)生的眼球，讓學(xué)生對(duì)3D打印有直觀感性的認(rèn)識(shí)，明白3D打印的基本原理和三維建模的重要性。我們結(jié)合影片，給學(xué)生講解了3D打印的流程、打印材料、性能與特點(diǎn)等。類似地，介紹新能源材料的鋰離子電池時(shí)，我們先介紹鋰離子電池的工作原理和主要特點(diǎn)，再通過視頻的形式闡述了鋰離子電池完整的制作過程，加深學(xué)生的印象。

5　考核形式各方兼顧

學(xué)生上課出勤率及平時(shí)成績是給定公選課成績的一個(gè)重要參考。鑒于選修《今日新材料》的學(xué)生人數(shù)較多，不宜采取點(diǎn)名的方式來保證學(xué)生的出勤率，筆者采取了以下幾種方式來評(píng)定課程的綜合成績：(1)平時(shí)隨機(jī)抽查的方式，課堂上讓學(xué)生就某種材料概念或性質(zhì)問題進(jìn)行快速筆答并上交答題紙，據(jù)此給出平時(shí)成績。(2)結(jié)課小論文，結(jié)合課堂所講內(nèi)容, 學(xué)生自己準(zhǔn)備論題, 就自己感興趣的一種新材料寫一篇論文，分別介紹材料的基本性質(zhì)、加工方法、最新發(fā)展動(dòng)態(tài)及應(yīng)用前景等。學(xué)生要完成論文不僅需要了解和獲取最新資料文獻(xiàn), 還需要對(duì)所獲取的資料文獻(xiàn)進(jìn)行收集、整理和綜合。在回顧課堂講授內(nèi)容的同時(shí)，也強(qiáng)化學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力。

6　結(jié)　語

我們根據(jù)當(dāng)前材料學(xué)科的研究熱點(diǎn)和我校的學(xué)科特色，確定了納米材料、新能源材料、高分子材料、生物醫(yī)用材料、3D 打印等為《今日新材料》課程的主要教學(xué)內(nèi)容，通過教學(xué)內(nèi)容貼近生活，課堂良好互動(dòng)，教學(xué)手段多元化，考核方式各方兼顧等教學(xué)方式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，取得了良好的教學(xué)效果。

[1]胡曉燕,林喆,秦志宏.新能源與可再生能源課程雙語教學(xué)探討[J].廣州化工,2015,43(23):259-260.

[2]劉法謙,郭志巖,張乾.《新能源材料》課程的教學(xué)探討[J].教育教學(xué)論壇,2015(29):132-133.

[3]邢亮.化學(xué)與人類文明公選課教學(xué)探討[J].大學(xué)化學(xué),2012,27(3):22-25.

[4]陳華文.地礦院校大學(xué)特色文化的精神特征與建設(shè)策略[J].學(xué)校黨建與思想教育,2014(3):88-90.

[5]劉漫紅,隋凝,肖海連.《納米材料》教學(xué)研究[J].廣州化工,2013,41(8):221-223.

[6]佟運(yùn)祥,王香,田兵,等.《功能材料》課程教學(xué)方法思考[J].大學(xué)教育,2014(6):151-152.

Exploration and Practice on Today’s New Materials Teaching

LIU Jun, CHANG Meng-jie

(College of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Science andTechnology,ShaanxiXi’an710054,China)

Exploring new energy and materials is the most effective approach to solve the challenge of energy shortage and environment pollution in our country, as well as the hot research topic.Today’sNewMaterialsis a public selective course without major limitation for all the undergraduates. In order to gain better teaching quality, the teaching content, teaching methods and examination of this course were explored and improved. The above efforts were aimed on cultivating the learning interest and training the scientific spirits of the students, as well as achieving a better teaching effect.

new materials; teaching reform; learning interest

陜西省教育廳項(xiàng)目(No: 15JK1453, 14JK1468)；西安科技大學(xué)博士啟動(dòng)金(No: 2014QDJ052, 2014QDJ051)。

劉俊(1983-)，男，講師，理學(xué)博士,主要從事無機(jī)新能源納米材料的研究。

G642

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1001-9677(2016)09-0171-03