淺談如何提高《先進功能材料》教學(xué)質(zhì)量*

高 潔，韓小兵，陳 濤，趙 媛

(湖北科技學(xué)院核技術(shù)與化學(xué)生物學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

能源、信息、材料是現(xiàn)代文明的三大支柱，而材料又是一切技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，國家在制定和修訂戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，一直把新材料作為重點產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。功能材料是新材料領(lǐng)域的核心，是國民經(jīng)濟、社會發(fā)展及國防建設(shè)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，它涉及信息技術(shù)、生物工程技術(shù)、能源技術(shù)、納米技術(shù)、環(huán)保技術(shù)、空間技術(shù)、計算機技術(shù)、武器技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，對我國未來的技術(shù)和經(jīng)濟發(fā)展將起到?jīng)Q定性的作用[1]。

功能材料是指那些具有電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)等特殊功能的高新技術(shù)材料。先進功能材料不僅包括了功能材料的分類、結(jié)構(gòu)、性能、制備方法和應(yīng)用原理，還包括了功能材料的最新研究進展和發(fā)展方向。先進功能材料的迅速發(fā)展，要求即將成為材料工作者的在校學(xué)生有一個較高的學(xué)習(xí)起點，掌握這一領(lǐng)域的基本概念、原理和方法，并能獨立的學(xué)習(xí)先進功能材料科學(xué)前沿領(lǐng)域和新的進展[2]。

因此如何提高《先進功能材料》課堂教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出符合要求的材料工作者，是我們每一位任課教師必須關(guān)注的問題。作者在近年來的教學(xué)實踐基礎(chǔ)上，擬從理論聯(lián)系實際、問題導(dǎo)向、內(nèi)容可視化、課程思政等四個方面淺談如何提高本課程的課堂教學(xué)質(zhì)量[3]。

1 理論聯(lián)系實際，激發(fā)興趣

愛因斯坦說過“興趣是最好的老師”，如果能有效激發(fā)學(xué)生對所學(xué)知識的興趣，就能使學(xué)生產(chǎn)生強烈的求知欲，將被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。在《先進功能材料》的教學(xué)過程中，堅持理論學(xué)習(xí)與實際生活、科研相結(jié)合，讓學(xué)生真切感受到知識就是力量，學(xué)好功能材料基礎(chǔ)知識和基本技能可以造福人類，進而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動機[4]。

在先進功能材料相關(guān)原理的理論學(xué)習(xí)中，結(jié)合功能材料在日常生活中應(yīng)用的實例進行講解。例如，在碳達峰碳中和的“雙碳”背景下，我們需要大力發(fā)展清潔能源材料，包括太陽能、水力、風(fēng)力、核電等。在太陽能電池光電轉(zhuǎn)化原理的學(xué)習(xí)中，我們可以結(jié)合現(xiàn)在屋頂、山坡、湖面上等隨處可見的藍(lán)色硅基太陽能電池板進行講解，硅基太陽能電池板是由硼摻雜的P型硅和磷摻雜的N型硅組成的，在界面處形成了P-N結(jié)。太陽光照射到電池板上會被硅基半導(dǎo)體材料吸收，那些能量大于硅半導(dǎo)體禁帶寬度的光子可以激發(fā)價電子產(chǎn)生光生電子空穴對(載流子)，P-N結(jié)中的光生載流子會被內(nèi)建電場分離，在P-N結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，進而產(chǎn)生光生電動勢，這就是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化的光生伏特效應(yīng)。此外，講授離子交換原理時，例舉能用于污水處理的離子交換樹脂和可用于清潔生產(chǎn)的離子交換膜和雙極膜，在電滲析裝置的電場作用下，帶電荷的金屬離子或者有機物能只能選擇性的通過一種膜而被富集；介紹分子識別原理時，例舉能用于新冠病毒、三聚氰胺、瘦肉精等有害物質(zhì)快速檢測的試劑盒，待檢測的物質(zhì)能在分子印跡聚合物或超分子的分子間作用力和空腔匹配的作用下被選擇性分離；講授相變儲能原理時，例舉可以用于降低室內(nèi)晝夜溫差的保溫材料，保溫材料能通過相變吸熱和放熱從而實現(xiàn)保溫；介紹吸波材料的原理時，就例舉隱身戰(zhàn)機和艦艇等，其表面的涂層就含有多孔的吸波材料，電磁波不會被材料反射而是最大限度的進入材料內(nèi)部，在材料內(nèi)部電磁波的會被轉(zhuǎn)化為熱能耗散。

除此之外，在學(xué)習(xí)先進功能材料的制備、檢測及應(yīng)用的過程中，結(jié)合實驗研究和科技前沿等科研實際進行傳授。在“雙碳”背景下，大量的多孔吸附劑見諸報道，這些材料的多孔結(jié)構(gòu)能為CO2的吸附提供巨大的比表面積，同時負(fù)載在多孔材料上面的堿性有機胺官能團，能通過中和作用對酸性CO2進行高效吸附。此外，在介紹OLED電致發(fā)光器件的研發(fā)過程中，系統(tǒng)的介紹相關(guān)實驗設(shè)計、原料準(zhǔn)備、材料制備、器件組裝、性能檢測、條件優(yōu)化等實驗研究的常規(guī)步驟；在先進能源材料應(yīng)用的學(xué)習(xí)中，介紹可打印的薄膜太陽能電池、石墨烯基超級電容器、鋰離子電池等科技前沿，利用科研成果促進和推動課堂教學(xué)，不僅能拓展知識面，還能加大教學(xué)的深度。引入這些實際生活和科研中先進功能材料的應(yīng)用，不僅能提高課堂的生動性，還能促使學(xué)生體會到所學(xué)知識的價值所在[5]。

2 問題導(dǎo)向，提高參與

我國現(xiàn)階段的大學(xué)課堂教學(xué)中，學(xué)生參與教學(xué)活動的主動性和積極性普遍偏低，師生間的交流互動比較少。在課堂教學(xué)中通過問題導(dǎo)向的學(xué)習(xí)提高學(xué)生的參與度，讓學(xué)生自主進行知識構(gòu)建，不僅能提高學(xué)生對知識的掌握程度和課堂效率，而且能提高學(xué)生運用知識分析和解決問題的能力。因此，需要在課堂上設(shè)置適量、難度適中的問題，使學(xué)生的注意力都集中在所學(xué)的內(nèi)容上，并對相關(guān)知識點進行理解和記憶，從而達到提高參與度的目的[6-7]。

在先進功能材料的課堂教學(xué)中，可以利用雨課堂的單選題、多選題、投票、填空、主觀題、隨機點名等功能進行提問，設(shè)置充足的思考或討論時間，讓學(xué)生在手機端參與互動。例如在學(xué)習(xí)離子交換樹脂這一章時可以通過以下問題設(shè)置提高學(xué)生的參與度：

(1)在導(dǎo)入部分，可以設(shè)置主觀題“工業(yè)廢水中的重金屬離子一般如何去除？”，答題時間設(shè)為5 min，重金屬離子的除去通常有化學(xué)沉淀法、溶液蒸發(fā)、離子交換和電滲析脫鹽法等，根據(jù)作答結(jié)果引導(dǎo)出高效、低成本且無二次污染的離子交換法；(2)在介紹我國離子交換樹脂事業(yè)發(fā)展時可以設(shè)置單選題“我國的離子交換樹脂之父是誰？”，何炳林院士僅用兩年時間就合成出了當(dāng)時世界上所有種類的離子交換樹脂，被譽為我國的離子交換樹脂之父，這樣不僅提高學(xué)生的參與程度，還能擴大學(xué)生的知識廣度和加深記憶；(3)在講解離子交換樹脂的種類時，可以設(shè)置多選題“根據(jù)固定官能團的不同，離子交換樹脂可以分為哪幾類？”，答案設(shè)置如為(a)陽離子交換樹脂、(b)陰離子交換樹脂、(c)兩性離子交換樹脂、(d)螯合樹脂，其中前三類是根據(jù)固體離子基團與反離子之間的靜電引力進行離子吸附的，第四種是根據(jù)固定含雜原子的官能團與金屬離子間的配位作用進行金屬離子吸附的；(4)在講解陽離子交換樹脂的性質(zhì)或應(yīng)用的時，可以設(shè)置投票題“陽離子交換樹脂不能吸附下列哪種物質(zhì)？”，選項設(shè)置為①汞離子、②亞甲基藍(lán)、③銨離子、④硫酸根離子，其中汞離子是金屬陽離子、亞甲基藍(lán)是陽離子型染料、銨離子是復(fù)合陽離子，只有硫酸根是陰離子，因此只有硫酸根離子不能被陽離子交換樹脂所吸附；(5)在其他知識點的學(xué)習(xí)過程中可以設(shè)置相關(guān)的填空題和隨機點名。通過這些問題的提出，不僅能提高學(xué)生的參與度，還能循序漸進地引導(dǎo)學(xué)生了解、理解、掌握和應(yīng)用相關(guān)知識點，提高分析解決實際問題的能力，達到學(xué)以致用的目的[8]。

3 教學(xué)可視，提升效率

人類通過視覺獲取的信息占獲取信息總量的83%，可視化成為人類學(xué)習(xí)的重要方式。與純文字教學(xué)相比，圖像可以高效的呈現(xiàn)大量復(fù)雜的信息，從而提高大腦處理的速度和效率。發(fā)揮可視化教學(xué)的優(yōu)勢不僅能提升學(xué)習(xí)效率，還能突破大腦記憶的限制。可視化教學(xué)的方式多種多樣，包括教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的圖片、思維導(dǎo)圖、表格，以及能反映變化過程的動圖、視頻、微課、虛擬仿真等[9]。

在先進功能材料的課堂教學(xué)中，利用可視化的方式進行教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)。在講解不同種類吸附功能材料分子設(shè)計的時候，可以根據(jù)吸附底物種類的不同，利用表格進行直觀的歸納總結(jié)(表1)。不同的吸附底物具有不同的性質(zhì)，能與不同的官能團形成多種分子間相互作用，根據(jù)分子間相互作用的不同就可以進行吸附劑分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

表1 不同吸附功能材料的分子設(shè)計

在講解識別功能材料的時候，可以利用思維導(dǎo)圖進行知識網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建(圖1)。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容可分為設(shè)計原理、超分子識別材料、分子印跡聚合物及應(yīng)用四節(jié)內(nèi)容。其中設(shè)計原理部分包含了分子間相互作用及底物與識別材料的空間匹配，超分子識別材料包括具有空間結(jié)構(gòu)的四代主體材料，分子印跡材料包括空腔分布不同的本體、表面和表位三類印跡材料，其應(yīng)用又包括金屬離子、有機小分子和生物大分子三個當(dāng)面。傳統(tǒng)的線性板書與大腦神經(jīng)元的發(fā)散結(jié)構(gòu)相沖突，記憶效果甚微。如果利用這種發(fā)散的思維導(dǎo)圖進行板書，將能夠顯著提高記憶效果。

圖1 識別功能材料的知識網(wǎng)絡(luò)

此外，講授聚合物太陽能電池結(jié)構(gòu)的時候，可以給出相關(guān)電池器件的實物照片及結(jié)構(gòu)示意圖；介紹該電池的光電轉(zhuǎn)換原理時，可以利用動圖或虛擬仿真展示光子吸收、激子產(chǎn)生及分離、光電流產(chǎn)生等系列過程；講解聚合物太陽能電池器件制備時，可以通過視頻展示電極的制備及處理、傳輸層及給受體層的涂覆、蒸鍍。利用這些可視化的方法輔助教學(xué)，將學(xué)習(xí)過程中的抽象原理、復(fù)雜過程、隱性思維等直觀呈現(xiàn)，能有效激發(fā)學(xué)生的思維，引導(dǎo)學(xué)生對知識進行深層次加工，幫助學(xué)生更好的理解和記憶，從而提高學(xué)習(xí)效率[10]。

4 課程思政，價值引領(lǐng)

習(xí)總書記指出：“要用好課堂教學(xué)這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進中加強，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學(xué)生成長發(fā)展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)”。為了實現(xiàn)專業(yè)課程“立德樹人”的目的，在《先進功能材料》的教學(xué)過程中，必須深入挖掘思政元素，并有機融入到課堂教學(xué)中[2]。

在先進功能材料的課堂教學(xué)中，進行課程思政元素的挖掘與融入。例如在講解功能陶瓷時介紹我國的陶瓷發(fā)展史，我國的唐三彩和景德鎮(zhèn)瓷器具有非常輝煌的歷史，這樣不僅能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，還能提高學(xué)生的文化素養(yǎng)，增強民族自豪感；在講授離子交換樹脂時，介紹何炳林院士為了祖國離子交換樹脂事業(yè)的發(fā)展，毅然放棄國外優(yōu)厚的生活，并帶回了那時國內(nèi)還不能生產(chǎn)的原料二乙烯基苯和苯乙烯，弘揚老一輩的愛國主義精神；在講授離子交換樹脂、離子交換膜、清潔能源相關(guān)章節(jié)的時候，可以滲透重金屬污染、溫室氣體、酸雨等環(huán)境保護的問題。在上述基礎(chǔ)知識講授的過程中進行思政教育元素的灌輸，同時提升專業(yè)基礎(chǔ)與思想政治素質(zhì)，達到專業(yè)知識與思政教育的有機統(tǒng)一[11-13]。

5 結(jié) 語

將理論聯(lián)系實際、問題導(dǎo)向、內(nèi)容可視化、課程思政等方法應(yīng)用到《先進功能材料》的課堂教學(xué)中，不僅能激發(fā)學(xué)生的興趣、提高學(xué)生的參與度、提升學(xué)習(xí)效率，從而使學(xué)生較好的掌握先進功能材料的理論知識和基本技能，還能實現(xiàn)專業(yè)課“立德樹人”的目的，進而有效提高課堂教學(xué)質(zhì)量。以上幾個方面是作者講授《先進功能材料》的經(jīng)驗總結(jié)，希望通過與各位同行進行交流，從而不斷提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，最終培養(yǎng)出滿足從事先進功能材料工作要求的人才。