新型炭材料專業課程的應用牽引式教學探索

黃小蕭 劉強 張弛 黃陸軍

摘? 要：新型炭材料教學方式的改進是提升課程教學效果的持續需求。文章從該課程的教學內容和現存的實際問題分析，提出應用需求牽引的教學方式探索。文章具體分析課程各內容的應用前景，進而以此為目標，講授材料的基本理論、設計標準、組織結構和性能特點，鼓勵學生以應用為目標，結合基本理論知識進行思考，為新型炭材料的進一步應用貢獻自己的智慧。應用牽引式教學即可調動學生的學習積極性和創造性，也能更好的提升學習效果。

關鍵詞：專業課程;應用式教學;教學評價

中圖分類號：G641? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）09-0107-04

Abstract： The improvement of the teaching method of New Carbon Materials is the continuous demand to improve the teaching effect of this course. Based on the analysis of the teaching content and the existing practical problems of the course， this paper puts forward the exploration of the teaching method of application demand traction. This paper analyzes the application prospect of each content of the course， and then takes this as the goal to teach the basic theory， design standards， organizational structure and performance characteristics of materials， encourage students to take application as the goal， combine with basic theoretical knowledge to think， and contribute their wisdom for the further application of New Carbon Materials. The application of traction teaching can not only mobilize students' learning enthusiasm and creativity， but also better improve the learning effect.

Keywords： professional courses; applied teaching; teaching evaluation

新型炭材料課程是材料科學與工程學科的選修課程。炭材料和人類的進化、發展、生產和科學技術的發展的關系極為密切。人類從農耕的石器時代到陶器、銅器、鐵器至今為止，對炭材料的研發和應用從未停止。新型炭材料具有密度高、強度高、耐高溫和耐腐蝕等一系列優異的特性，是軍民兩用的新材料，與機械、汽車、電子電氣、鐵路交通以及航空航天等各領域聯系密切，已成為二十一世紀最前沿的研究熱點和最具應用潛力的新型材料之一，炭材料已成為材料學科發展的一個重要分支。

新型炭材料課程以掌握新型炭材料的特性、結構與性質為基礎，重點學習幾種新型炭材料的結構、制備、性能及應用前景，結合彼此間共性和個性的研究，可以使學生獲得新型炭材料的基本知識，拓寬學生的視野，增強學生投入材料研發的興趣與信心。本文通過對該專業課程體系內容的專業分析，總結出了與應用聯系式的教學方法和知識體系，建立了基礎理論知識與學術科研熱點和前沿應用的邏輯關系，對改善新型炭材料課程教學的效率和意義具有重要的作用[1-2]。

一、新型炭材料專業課程的講授內容及問題分析

新型炭材料專業課程共五章內容，內容主要集中在炭材料的結構及新型微納米炭材料，具體包括第一章SP2雜化炭的結構及炭炭雙鍵的構成、第二章炭纖維的制備及性能特點、第三章炭納米管的結構及生長機制、第四章石墨烯的性能特點及應用及第五章富勒炭和其他先進炭材料。內容緊跟國際研究及應用熱點，涉及材料制備、生長機制、性能特點及使用領域。是一門鼓勵學生利用已掌握的專業知識和炭材料的特性，了解炭材料的重要性，培養學生在后續的科學研究中大膽設計和運用，獲取高性能材料的重要途徑。但是目前的教學過程存在以下常見的問題：（1）課程主要是針對各類新型炭材料加以分類講述，其先進性、該類材料的研發的創新點及其在未來研究中的可能應用還是不足以體現。怎樣在講授過程中緊密結合國際研究熱點講述該課程的具體實際應用，增長學生的學習興趣是該課程教授過程中迫切需要解決的問題;（2）該課程知識點繁雜，單就制備而言，就涉及到物理、化學、材料等多學科的交叉運用及相互融合，通過梳理知識點脈絡，講清該類材料的來龍去脈及其發展過程中運用到的科學知識點，弄清這類材料蘊含的結構及性能潛力，對提高學生的未來的科研及實踐應用能力是該課程承擔的重要使命之一;（3）課程評估效果的改革。課程學習是為了增強學生發現問題和解決問題的實際能力培養。該課程為選修課程，評估手段不應該局限在理論考試以及平時測驗，而應該探索更符合課程目標的考核手段，既有利于鞏固教學效果，又可以讓學生學以致用，培養專業競爭力[3-4]。

二、應用式教學方式探索

新型炭材料主要是以新型微納米炭材料為目標，這類材料的組織結構設計及發展主要是以其獨特的應用為前提。所以該課程的學習要與其關鍵性獨特的應用相結合，促進學生對該課程的理解和學習[5]。

炭纖維是具有SP2鍵的石墨沿著平行于基面軸生長，具有大的長徑比的纖維材料。炭纖維有聚合物基炭纖維和氣相生長炭纖維。聚合物基的炭纖維中的聚丙烯腈炭纖維是目前的主要商用纖維。具有優異的強度和彈性模量。炭纖維的發展就是從應用需求開始的。航天材料的首要需求就是質量輕、力學性能好和耐高溫等需求，炭纖維的發展就是在這樣的需求下粉墨登場。直至今日，炭纖維由于其性能和應用領域的不斷發展，依然被國際上認為是21世紀最具發展潛力并對未來發展有巨大影響力的新材料產業。目前炭纖維是軍工產業尤其是最頂尖洲際彈道導彈的最理想材料。高強度和高模量的纖維不斷被更新，需要學生在理解炭纖維的基本結構和制備工藝的基礎上，面向高性能炭纖維的持續需求，貢獻自己的智慧。炭纖維的制備工藝簡單，但是針對高性能的材料獲取需求，各關鍵步驟的工藝控制水平近乎苛刻。從原材料的種類成分、純度、紡絲、穩定化和炭化等各步驟與性能間的關鍵影響規律，要引起學生的高度重視。比如說在紡絲環節，即要將原絲中的各種雜質、氣泡和缺陷避免掉，還對紡絲工藝的環境要求極高。給學生展示紡絲清潔室的潔凈度與炭纖維性能的間的影響規律，既能號召同學們對材料設計和制備中關注細節，也能引發學生對高性能材料的設計方案的新思考。在炭纖維新材料方面，我國是應用需求大國，是航空航天發展的重要保證。但是目前我國的炭纖維質量、技術和生產規模與日本、德國等國外發達國家的差距還是很大的，面對國外高新技術的封鎖和壟斷，我們只有埋頭苦干，發展自己的高性能炭纖維的核心技術，才是保證國家發展的持續動力。核心技術是買不來要不來的，只能通過自己的努力研究出來。號召廣大同學們面對國家的短板，面對“卡脖子”關鍵技術，勇于投入自己的努力，奉獻自己的價值，增強國家競爭力[6-7]。

碳納米管材料是完善碳納米家族從一維到三維的里程碑式的發現。其科學研究涉及到物理、化學、材料科學、生命及醫藥科學等各領域，理論研究結果更是展示了該材料的巨大應用前景，如圖1所示。

不同結構的碳納米管其性能及應用相差很大，理解其結構特征是科學界研究的熱點，也是發揮其應用潛力的前提。碳納米管的結構是由單層或者多層石墨六邊形網格平面圍繞按照一定螺旋角卷繞而成的無縫、中空的微管，兩端由碳原子的五邊形或者七邊形封頂。在碳納米管中，碳原子以SP2雜化為主，在形成空間拓撲結構時，可含有一部分SP3結構，是一種熱力學不穩定但是動力學穩定的亞穩態物質。碳納米管的這種中空無縫、穩定、輕質的特性在制備復合材料時極具競爭力。若能將其以增強相的方式均勻分散到金屬、合金、陶瓷以及高分子等材料中，會起到彌散強化的效果。理論和實際研究結果表明，具有螺旋、管狀特性的碳納米管表現出優異的電磁特性。利用其良好的導電性、穩定性和大的載流能力，在很低的工作電壓下就能產生大的局部電場強度。利用碳納米管薄膜作為場發射陰極，可以實現長時間穩定發射，電流波動小于5%。設計高比表面積的碳納米管還將在吸附、過濾、催化等新型領域有重要的應用前景。碳納米管從發現到現在的幾十年間，無論從結構、性能還是應用領域的發展都是巨大的。即便如此，我們仍然知道碳納米管的應用潛力仍然沒有被完全開發。這種空心的炭材料結構經過何種設計，能滿足更多的應用需求仍然等待著同學們去完善[8]。在課程的講述中，更多的介紹碳納米管的應用現狀，以及為實現該應用科學家及工程技術人員所進行的工作。組織同學們分組討論，如何在前人的基礎上，發揮自己的專業特長，繼續設計新型結構的碳納米管材料，討論如何制備？如何應用？提高學生的課程參與度，提升課程的教學效果

對于石墨烯材料的講述時，鼓勵同學們從石墨烯的研發中學習以下三點：（1）堅定自己的科研信念。完美的石墨烯是由一層碳原子構成的二維碳納米材料。石墨烯的很多重要性能如極高的的載流子遷移率、優異的電荷輸運特性、光學、熱學、力學及化學等性能都和石墨烯的層數有直接的關系。但是，根據嚴格意義上的二維原子晶體理論，這種材料在熱力學上是不穩定的，是不可能存在的。諾貝爾獎獲得者安德烈·海姆（Ander Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）經過精心的設計，用機械剝離法反復刮擦石墨片，獲得了單層的石墨烯，該成果一經發表立即震撼科學界。號召同學們只要認準了方向，就要鍥而不舍，刻苦攻關。（2）石墨烯的性能特性仍存在巨大的研發空間。石墨烯一經發現，就帶給人們期待。驚人的遷移率，顯著的室溫霍爾效應，穩定的狄拉克電子結構、媲美ITO的透光性，超高的機械強度和熱導率等眾多的誘人性質，給眾多領域的高端應用提供了可能。比如在半導體領域，目前的硅基半導體材料，無論在加工極限、運行速度、穩定性能方面都面臨著艱巨的考驗。石墨烯的層面尺寸減小到納米尺寸時，仍能保持其獨特電學性能和穩定性，這使得制備單電子器件成為可能。石墨烯新型晶體管延長了摩爾定律的壽命，必將為研制新型超高速計算機芯片帶來突破[9]。但是針對石墨烯的特性，如何實現帶隙、載流子濃度、極性可調，仍然是石墨烯半導體面臨的挑戰。加大石墨烯的研發力度，弄清石墨烯的潛在功能特性，拓展石墨烯的應用領域。當給學生講述這一內容時，恰當引入當前國內的研究現狀，指出研發和應用上，中國始終處于世界前列，不僅會激發學生的學習和科研熱情，也會增進國家民族驕傲與自豪感。（3）石墨烯的批量化工業應用仍然是任重道遠。石墨烯由于它獨特的結構和優異的性能引領全球的技術革命，成為具有重要戰略意義的新材料。新材料的發展是迅速的，但是新材料的應用也需要一定的過程。石墨烯的真正應用必將和這一代學生相關，石墨烯的應用技術攻關也必將在新一代年輕人手中誕生！

三、應用牽引式教學方法成效探索

應用牽引式教學應用在新型炭材料的專業課教學中，其教學效果可以有如下預期。

（一）促進教師將專業課堂教學與實際應用緊密結合，提升教學效果

教師在準備課程時，要時時緊跟前沿研究熱點和應用需求。既要時時更新教學內容和教學大綱，又要善于利用課堂環境，因勢教學。教師要善于學習，善于總結，善于設置問題。在課堂上根據教學內容，合理提出應用需求，引導學生自己發現問題和解決問題，提升學生上課學習的精氣神。鼓勵同學們面對新的需求，結合自己的專業基礎，大膽講述自己的思路和見解;鼓勵同學們建立討論小組，避免認識的片面性;鼓勵同學們全面考慮問題，不拘泥于文獻，不受教科書限制，勇于創新，迎接挑戰。這也是教師牢牢把握教學質量的重要教學方式改革，培養學生成為能肩負起建設祖國使命的棟梁之材，號召同學們志存高遠，腳踏實地，為黨、祖國和人民多做貢獻，更是提升教師榮譽和成就感的方式方法。

（二）促進學生加強對專業技術的學習及應用的思考

新型炭材料課程是一門緊跟技術前沿的一門專業技術課程。不同的學習有不同的評價方式。專業基礎理論課程要求同學們對基本概念、原理方法等要有深入的理解和認識。但是新型炭材料課程中在評價同學們的學習效果時，會更多地關注同學們解決問題的思考，甚至是實際問題的解決能力。比如在講解炭材料抗氧化性不足的問題時，我們講述了摻雜法和涂層保護工藝，是提高炭炭復合材料在高溫苛刻環境下應用的成熟技術。但是隨著極端環境的持續需求，考慮溫度、化學反應、機械應力、輻射和磨損等多種因素共同作用時，如何設計新型的抗氧化技術，滿足炭材料在高溫使用的需求。

（三）與思政教育結合，培養合格的社會主義接班人

應用牽引式教學是把實際應用前沿合理的引入到課堂的教學中。眾所周知，在前沿應用的關鍵技術研發中，各國競爭極為激烈。要讓同學們意識到，目前我國科技創新大多數仍基于應用環節，很多側重基礎研究突破的上游產品研發、核心零部件、關鍵原材料還依賴進口，在當前復雜多變、不確定性增大的國際環境下，“卡脖子”技術問題對國家發展和安全的重要制約。讓同學們在未來的科技活動中，堅持知、信、行統一，堅定愛國主義信念。號召學生必須在現實的工作中積極努力，發揚艱苦奮斗的精神，為實現共產主義創造條件，為建設共產主義大廈添磚加瓦，為完成我們黨的全面建成小康社會、實現社會主義現代化、實現中華民族的偉大復興的歷史任務作出貢獻。

總之，以應用為牽引的新型炭材料課程教學，可以提升教學效果。首先該課程為大學生選修課程。該選修課程的目的之一是拓寬具有材料科學基礎的學生的知識領域范圍。課程的泛泛講述容易讓學生感覺枯燥乏味，不利于集中注意力。與當前國內外迫切應用需求結合，可以有的放矢，讓學生迅速掌握該類材料的用武之地和設計準則。其次，以應用為牽引的課程學習，有助于學生反復思考個人的興趣愛好和科研潛力，盡快找尋適合自己的研究方向。新型炭材料課程雖然介紹的材料種類不多，但是其本就是國際研究和應用的熱點，涉及領域眾多。讓學生體會新型材料在國民經濟社會中的高端應用及存在的技術發展瓶頸，結合自己的專業知識和興趣愛好，明確將來的科研和就業方向。有利于更大程度發揮個人的專業價值，并取得卓越的成就。最后，以應用為牽引的學習，以國家需求為指向，讓同學們在學習的同時深入思考科學研究的設計思路，組織結構對應的性能特點，以及該材料將會獲得的潛在應用。激發學生學以致用、因用促學的良好學習興趣。

四、教學評價方式的思考

教學評價方式是考核教學效果的優劣的手段之一。教師教學內容和手段的改進方向，與考核方式方法有著直接的密切聯系。良好的課程考核是教學的風向標和指揮棒，可以更大程度的吸引同學門對課程的關注度和學習主動性，不斷提高教學質量。新型炭材料的考核方式為完成課程學習和課程報告，考核的內容偏重于對專業課知識的理解。以往考核內容大多局限于教材、文獻和平時劃定的范圍，對學生平時的學習態度或實踐能力的考核不足，助長了部分學生的惰性。本課程擬采取的考核方式與方法如下：（1）課堂參與度的考核。加強學生平時的考核力度，如出勤率、參與討論和報告的次數和質量，促進學生對受到的專業教育內容進行消化和吸收;（2）課程報告考核。課程報告著眼于解決實際問題的考核。比如結合電性能應用，如何涉及可調節的納米碳材料的結構，實現從絕緣的炭材料到良好導電碳材料的可控制備;（3）小論文的考核。加強小論文撰寫考核的占比。小論文的開放性要更加廣泛，不僅僅限于學術書籍和文獻，考核和實際的結合能力，解決問題的能力。讓學生在完成論文的同時，審視學科的價值，找尋自己理論知識的薄弱點。培養攻堅克難的創新精神，解決問題的科學家專業精神，思考面對當前的技術問題，怎樣能更好的發揮個人主觀能動性，更好的為科技進步、社會發展做貢獻。

五、結束語

新型炭材料專業課時材料類專業的選修課程，課程內容豐富，涉及物理、化學、材料等多專業交叉，與實踐應用結合緊密。然而課程分類講述過程中知識點繁雜，與實際應用脫節，課程考核環節也不能很好的與應用結合。本文探索了以應用為牽引，以解決應用問題促進學生學習的新型教學模式，講新型炭材料的制備、組織結構、性能和應用領域進行良好的結合，引入國內外最新的研究熱點和經濟社會發展的迫切應用需求，激發同學們的學習熱情，提高教與學的效率。

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