《炭及石墨材料》課程教學改革探討

＊樊哲瓊 譚瑞軒 毛衛國 易文君 賀浩 周哲

（1.長沙理工大學材料科學與工程學院 湖南 410114 2.湖南大學材料科學與工程學院 湖南 410082）

炭材料是國民經濟發展不可或缺的材料種類之一，在航空航天、核能、電子、機械、冶金工業等領域均具有重要應用。隨著新型炭材料的發展，如碳纖維、碳納米管、石墨烯等炭材料的相繼問世，炭材料開始逐漸走入人們的生活和視野。因此，為適應當前科研和就業的需要，國內各大院校紛紛開設炭材料相關課程。該類專業課程的教學在材料、化工類人才培養中具有重要地位。

1.國內炭材料相關教學課程的特點與現狀

碳元素是地球上存量最豐富的元素之一，碳元素電子軌道的多樣性（sp、sp2、sp3雜化）和結構排列的豐富性（各向異性、各向同性），使人工制備出的炭材料具有多種多樣的種類及性質。早在20 世紀之前，木炭、焦炭、天然石墨、炭黑等炭材料已在工業生產和日常生活中被人們廣泛使用。1985 年，C60 的發現帶領人們進入了全新的炭世界，其發現者Robert F.Curl, Jr、Harold Kroto 和Richard E.Smalley也因此獲得了1996 年諾貝爾化學獎。1991 年，日本的S.Iijima 教授發現的碳納米管以其優異的光、電、力學性能受到了人們的廣泛關注。2010 年，英國曼徹斯特大學的Andre Geim 和Konstantin Novoselov 因石墨烯的發現而獲得了諾貝爾物理獎。隨著科技的發展，人們不斷發現和利用炭材料，而炭材料也在各個領域展現出了巨大的應用價值和良好的應用前景，因此，炭材料始終是世界各國科學家研究的熱點材料之一。

為適應當今科學研究熱點領域和就業市場熱門行業對炭材料知識的需求，國內各大院校材料學、材料化學、無機非金屬等專業紛紛開設了炭材料相關課程。對于炭材料課程開設的時間，部分高校在本科教學中就已經開設炭材料相關課程，如清華大學材料科學與工程學院的《新型碳材料》課程，天津大學材料科學與工程學院的《功能碳材料》。而部分高校的炭材料相關課程僅針對材料類、化學類專業研究生開設，如東北林業大學材料科學與工程學院為博士研究生開設的《碳材料科學》，南開大學化學學院為碩士研究生開設的《新型碳材料》課程，課程內容更深入且更具應用性。此外，部分高校雖沒有開設專門的炭材料相關課程，但在無機化學、物理化學或材料前沿等課程中均會涉及到炭材料知識的學習[1]。

對于炭材料課程的教學，與其他課程教學相比，主要存在以下兩個特點。

（1）課程知識體系分支廣泛，涉及多個學科交叉。其教學內容中既包括基本原理的講授，又涉及到材料的實際應用，是一門基礎科學和技術理論實踐緊密結合的綜合性學科[2-3]。例如，在基礎理論部分，炭材料的電子雜化軌道、晶體結構等內容是《結構化學》《物理化學》中的基礎知識；而炭材料優異的熱學、電學、力學等物理性質則涉及到了《大學物理》《材料物理性能》等課程的教學內容。此外，炭材料的應用又涉及到了復合材料、鋰離子電池等課程內容。因此，在開展炭材料課程授課之前，要求學生具有較為完備且廣泛的知識體系。

（2）課程教學內容繁多。碳元素具有眾多的同素異構體，如金剛石、石墨、無定形碳、C60、石墨烯、碳納米管等，因此，需要根據實際授課對象的需求，有針對性地選擇授課內容。如何在全面涵蓋大部分知識點的同時根據學生群體的差異有所側重，也是該課程教學的一大難題[4]。目前，炭材料相關課程主要分為三類：①炭材料概括性基礎知識的介紹，包括炭材料的基本結構、基本性質等，如大連理工大學開設的《碳材料基礎》、東北林業大學開設的《碳材料科學》等；②詳細地講解各類新型炭材料，例如，碳納米管、石墨烯等新型炭材料的結構及性質、應用，如清華大學、北京化工大學等學校開設的《新型碳材料》；③傳統碳素材料的制備及應用，主要針對的是石墨電極、核石墨等炭材料，如湖南大學開設的《碳素材料》、昆明冶金高等專科學校開設的《炭素工藝學》等。

2.《炭及石墨材料》課程改革擬解決的關鍵問題

《炭及石墨材料》課程是我校材料學院無機非金屬材料工程專業一門重要的專業選修課，是學生學習專業基礎課程之后的延伸課程，對整體專業課程的學習具有完善作用。通過該課程的學習使學生能夠初步了解炭及石墨材料的基本概念、基本特性及制備方法，掌握炭及石墨材料所研究的對象和內容，特點和應用及未來發展方向。課程為無機非金屬材料工程專業的學生拓寬知識口徑及畢業設計（論文）和從事專業工作奠定重要的理論基礎。該門課程的教學實施對拓寬學生知識面、提高學生專業素養水平和鞏固學生的專業認同感具有重要意義。為契合專業“高素質復合型專門人才和行業精英”的培養目標，本課程將從課程內容、教學方法和教學手段及課程評價體系三方面內容進行改革探索，以提升課程教學質量和育人效果。

首先，課程體系的合理構建和課程內容的優化是實現專業培養目標和保障人才培養質量的重要抓手。隨著炭材料領域的不斷發展進步，炭材料課程教學內容知識點大幅擴容，課程知識更新與有限學時之間存在一定矛盾[4]。此外，《炭及石墨材料》課程涉及知識面既廣又雜，不僅包括基礎理論部分還包括實際技術應用部分，且基礎內容學習通常安排在實際技術應用學習之前。過于抽象和繁雜的基礎理論知識的學習會在很大程度上影響學生的學習興趣，導致學生缺乏學習的主動性。而對于學生具有相對較高學習興趣的技術應用部分的課程知識，由于學生缺乏對基礎理論知識的深度掌握，學生無法較好地完成由基礎理論與技術應用之間的銜接[5]，存在“外行看熱鬧”的問題。如此循環往復，課程教學效果不佳。

其次，在信息化時代，單一的講授式教學模式已經無法滿足學生的學習需求，一味地“填鴨式”教學容易引起學生反感，尤其是在學習枯燥無味的基礎理論知識時，學生容易產生學習倦怠和抵觸情緒，不可避免地降低了課堂教學效率。盡管部分老師嘗試通過問題引入、課堂提問等方式來增加老師和學生的互動，活躍教學氣氛，但學生的自主學習意識和主體意識未被真正激發，學生難以建立較為完備的炭材料基礎理論知識體系，課堂教學效果不理想。

最后，完善的考核評價方式是調動學生課堂參與積極性的有效保障之一。通常專業選修課的考核方式為“平時成績+期末考試”的形式，平時成績包括出勤情況、課堂表現和作業完成情況等方面，期末考試則以課程論文的形式進行判定。這種傳統的考核評價方式不夠全面，僅考核了學生對理論知識的掌握程度，缺乏對學生其它方面，如團隊合作、創新精神等方面的考察，并不能綜合反映學生的學習能力和效果。

3.《炭及石墨材料》課程采用的改革措施

(1)合理選擇與優化教學內容

炭材料課程內容具有知識點多、知識面廣的特點，授課教師可根據不同學科和專業學生特點，在教學內容上合理取舍，依據實際授課學時選取最適合本專業自身發展需要的教學內容?？紤]到我校無機非金屬材料工程專業學生在畢業設計、研究深造和就業方向等方面對炭材料知識的儲備需求，本課程的教學內容在傳統碳素材料和新型炭材料方面均有涉及，其具體的教學內容、學時安排和主要知識點，如表1 所示。

表1 《炭及石墨材料》課程內容及學時分配

從表1 可以看到，本課程的教學內容安排以“結構—性質—制備—應用”的邏輯脈絡進行構筑，主要包括三部分：炭材料的基礎知識、炭材料的制備和幾種典型炭材料的介紹。在炭材料的基礎知識中，重點關注炭材料的結構特征和結構表征，包括從微觀、介觀及宏觀尺度下分析炭材料結構的構成單元，以及它們在不同尺度檢測儀器下所呈現的形貌特征，并將這些結構單元與材料的宏觀性能之間建立聯系；在炭材料的制備中，重點關注炭化工藝和石墨化工藝，探討炭化工藝的基本要求及材料在炭化工藝中如何最終轉變為炭材料，分析石墨化工藝對于炭材料結構和性能的改變作用；在典型炭材料介紹中，分別選擇炭黑、碳素制品、C/C 復合材料和石墨烯四種典型炭材料進行介紹，其中，炭黑和碳素制品屬于傳統炭材料范疇，C/C 復合材料和石墨烯則屬于新型炭材料，課程主要從這四種炭材料的制備手段、性質特點和應用領域三方面進行學習。通過學習這些傳統炭材料和新型炭材料的制備及性質特征，使學生能夠對炭材料的發展有更深入的理解。此外，還應該將講授內容的最新發展動態及時更新到教學內容中，這不僅可以吸引學生注意，提高其學習興趣，增加學生的創新積極性，還可以使學生充分認識到任何高精尖的理論或技術都是建立在牢牢掌握基礎理論知識之上的，以此提高學生對炭材料基礎理論知識的重視程度。

(2)創新教學模式

教師在教學過程中應綜合運用多種教學模式，如案例分析、研討式教學等，多樣化授課，提升學生的學習興趣，激發課堂教學活力，實現從單向講授課堂向雙向交流式課堂轉變，從知識接受課堂到能力開發課堂的轉變。以炭化章節的講授為例，首先，通過回憶傳統金屬材料冶煉—加工的制備過程，引發學生思考“我們日常生活中出現的各類炭材料是否也是通過冶煉石墨礦的形式獲得？”，并依據碳元素的相圖引導學生從理論層面分析“為什么炭材料需要特殊的制備工藝？”。其次，通過觀看木炭的燒制視頻，要求學生從視頻中提取炭化工藝的關鍵參數：合適的溫度和惰性氣氛，引出炭化工藝的定義。最后，在講授完成炭化工藝的特點后，從不同的案例，如處理生活污泥、制備工藝品等分析炭化工藝除了制備炭材料外，還可以給我們的日常生活帶來哪些便利。通過有效梳理炭化工藝的知識點（作用、關鍵工藝參數、應用），幫助學生建立炭化工藝知識體系。

在課件制作上，教師可在課件中加入豐富的視頻、動畫甚至模擬軟件等素材，盡可能豐富課件，以快速吸引學生的注意力，也可幫助學生更直觀地理解一些抽象概念。同時，教師在授課前及時將課件上傳至學校的網絡教學平臺，方便學生課前預習和課后復習鞏固，并添加部分最新研究文獻報道作為授課知識點的擴展閱讀內容，幫助學生增加知識攝取量，引導學生開展探究性學習。

(3)完善考核評價模式

盡管在考核評價方式上，課程仍采用“平時成績+期末考試”的考評方式，但這兩部分考察內容有所改變。其中，平時成績部分增加了學生匯報討論PPT 成績，引導學生以小組為單位，根據教學進度安排，在課后通過查閱資料、觀看視頻等途徑對教師的課堂內容以PPT 的形式進行補充講解，此項工作旨在增強師生間的交流互動，激發學生學習主動性，增強學生的個性化學習，培養學生的團隊意識與協作精神。在期末考試部分，不再單純以課程論文的方式進行考核，而改革為課程論文和小組自選題匯報結合，并在匯報中進行教師提問和組間提問互評，提高學生的邏輯思維和語言表達能力，培養學生創新能力。教師按照學生的專業知識掌握度、態度、能力等方面對學生綜合能力進行評價，使課程考核方式更全面、公平。

4.結語

通過對《炭及石墨材料》課程在教學培養過程中存在問題的分析，筆者從合理選擇與優化教學內容、創新教學模式、完善考核評價模式三方面入手探討了該課程的教學改革策略，以期達到進一步提高本科生專業知識能力和工程素養的目的。