新型炭材料专业课程的应用牵引式教学探索

黄小萧 刘强 张弛 黄陆军

摘  要：新型炭材料教学方式的改进是提升课程教学效果的持续需求。文章从该课程的教学内容和现存的实际问题分析，提出应用需求牵引的教学方式探索。文章具体分析课程各内容的应用前景，进而以此为目标，讲授材料的基本理论、设计标准、组织结构和性能特点，鼓励学生以應用为目标，结合基本理论知识进行思考，为新型炭材料的进一步应用贡献自己的智慧。应用牵引式教学即可调动学生的学习积极性和创造性，也能更好的提升学习效果。

关键词：专业课程;应用式教学;教学评价

中图分类号：G641       文献标志码：A          文章编号：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

新型炭材料课程是材料科学与工程学科的选修课程。炭材料和人类的进化、发展、生产和科学技术的发展的关系极为密切。人类从农耕的石器时代到陶器、铜器、铁器至今为止，对炭材料的研发和应用从未停止。新型炭材料具有密度高、强度高、耐高温和耐腐蚀等一系列优异的特性，是军民两用的新材料，与机械、汽车、电子电气、铁路交通以及航空航天等各领域联系密切，已成为二十一世纪最前沿的研究热点和最具应用潜力的新型材料之一，炭材料已成为材料学科发展的一个重要分支。

新型炭材料课程以掌握新型炭材料的特性、结构与性质为基础，重点学习几种新型炭材料的结构、制备、性能及应用前景，结合彼此间共性和个性的研究，可以使学生获得新型炭材料的基本知识，拓宽学生的视野，增强学生投入材料研发的兴趣与信心。本文通过对该专业课程体系内容的专业分析，总结出了与应用联系式的教学方法和知识体系，建立了基础理论知识与学术科研热点和前沿应用的逻辑关系，对改善新型炭材料课程教学的效率和意义具有重要的作用[1-2]。

一、新型炭材料专业课程的讲授内容及问题分析

新型炭材料专业课程共五章内容，内容主要集中在炭材料的结构及新型微纳米炭材料，具体包括第一章SP2杂化炭的结构及炭炭双键的构成、第二章炭纤维的制备及性能特点、第三章炭纳米管的结构及生长机制、第四章石墨烯的性能特点及应用及第五章富勒炭和其他先进炭材料。内容紧跟国际研究及应用热点，涉及材料制备、生长机制、性能特点及使用领域。是一门鼓励学生利用已掌握的专业知识和炭材料的特性，了解炭材料的重要性，培养学生在后续的科学研究中大胆设计和运用，获取高性能材料的重要途径。但是目前的教学过程存在以下常见的问题：（1）课程主要是针对各类新型炭材料加以分类讲述，其先进性、该类材料的研发的创新点及其在未来研究中的可能应用还是不足以体现。怎样在讲授过程中紧密结合国际研究热点讲述该课程的具体实际应用，增长学生的学习兴趣是该课程教授过程中迫切需要解决的问题;（2）该课程知识点繁杂，单就制备而言，就涉及到物理、化学、材料等多学科的交叉运用及相互融合，通过梳理知识点脉络，讲清该类材料的来龙去脉及其发展过程中运用到的科学知识点，弄清这类材料蕴含的结构及性能潜力，对提高学生的未来的科研及实践应用能力是该课程承担的重要使命之一;（3）课程评估效果的改革。课程学习是为了增强学生发现问题和解决问题的实际能力培养。该课程为选修课程，评估手段不应该局限在理论考试以及平时测验，而应该探索更符合课程目标的考核手段，既有利于巩固教学效果，又可以让学生学以致用，培养专业竞争力[3-4]。

二、应用式教学方式探索

新型炭材料主要是以新型微纳米炭材料为目标，这类材料的组织结构设计及发展主要是以其独特的应用为前提。所以该课程的学习要与其关键性独特的应用相结合，促进学生对该课程的理解和学习[5]。

炭纤维是具有SP2键的石墨沿着平行于基面轴生长，具有大的长径比的纤维材料。炭纤维有聚合物基炭纤维和气相生长炭纤维。聚合物基的炭纤维中的聚丙烯腈炭纤维是目前的主要商用纤维。具有优异的强度和弹性模量。炭纤维的发展就是从应用需求开始的。航天材料的首要需求就是质量轻、力学性能好和耐高温等需求，炭纤维的发展就是在这样的需求下粉墨登场。直至今日，炭纤维由于其性能和应用领域的不断发展，依然被国际上认为是21世纪最具发展潜力并对未来发展有巨大影响力的新材料产业。目前炭纤维是军工产业尤其是最顶尖洲际弹道导弹的最理想材料。高强度和高模量的纤维不断被更新，需要学生在理解炭纤维的基本结构和制备工艺的基础上，面向高性能炭纤维的持续需求，贡献自己的智慧。炭纤维的制备工艺简单，但是针对高性能的材料获取需求，各关键步骤的工艺控制水平近乎苛刻。从原材料的种类成分、纯度、纺丝、稳定化和炭化等各步骤与性能间的关键影响规律，要引起学生的高度重视。比如说在纺丝环节，即要将原丝中的各种杂质、气泡和缺陷避免掉，还对纺丝工艺的环境要求极高。给学生展示纺丝清洁室的洁净度与炭纤维性能的间的影响规律，既能号召同学们对材料设计和制备中关注细节，也能引发学生对高性能材料的设计方案的新思考。在炭纤维新材料方面，我国是应用需求大国，是航空航天发展的重要保证。但是目前我国的炭纤维质量、技术和生产规模与日本、德国等国外发达国家的差距还是很大的，面对国外高新技术的封锁和垄断，我们只有埋头苦干，发展自己的高性能炭纤维的核心技术，才是保证国家发展的持续动力。核心技术是买不来要不来的，只能通过自己的努力研究出来。号召广大同学们面对国家的短板，面对“卡脖子”关键技术，勇于投入自己的努力，奉献自己的价值，增强国家竞争力[6-7]。

碳纳米管材料是完善碳纳米家族从一维到三维的里程碑式的发现。其科学研究涉及到物理、化学、材料科学、生命及医药科学等各领域，理论研究结果更是展示了该材料的巨大应用前景，如图1所示。

不同结构的碳纳米管其性能及应用相差很大，理解其结构特征是科学界研究的热点，也是发挥其应用潜力的前提。碳纳米管的结构是由单层或者多层石墨六边形网格平面围绕按照一定螺旋角卷绕而成的无缝、中空的微管，两端由碳原子的五边形或者七边形封顶。在碳纳米管中，碳原子以SP2杂化为主，在形成空间拓扑结构时，可含有一部分SP3结构，是一种热力学不稳定但是动力学稳定的亚稳态物质。碳纳米管的这种中空无缝、稳定、轻质的特性在制备复合材料时极具竞争力。若能将其以增强相的方式均匀分散到金属、合金、陶瓷以及高分子等材料中，会起到弥散强化的效果。理论和实际研究结果表明，具有螺旋、管状特性的碳纳米管表现出优异的电磁特性。利用其良好的导电性、稳定性和大的载流能力，在很低的工作电压下就能产生大的局部电场强度。利用碳纳米管薄膜作为场发射阴极，可以实现长时间稳定发射，电流波动小于5%。设计高比表面积的碳纳米管还将在吸附、过滤、催化等新型领域有重要的应用前景。碳纳米管从发现到现在的几十年间，无论从结构、性能还是应用领域的发展都是巨大的。即便如此，我们仍然知道碳纳米管的应用潜力仍然没有被完全开发。这种空心的炭材料结构经过何种设计，能满足更多的应用需求仍然等待着同学们去完善[8]。在课程的讲述中，更多的介绍碳纳米管的应用现状，以及为实现该应用科学家及工程技术人员所进行的工作。组织同学们分组讨论，如何在前人的基础上，发挥自己的专业特长，继续设计新型结构的碳纳米管材料，讨论如何制备？如何应用？提高学生的课程参与度，提升课程的教学效果

对于石墨烯材料的讲述时，鼓励同学们从石墨烯的研发中学习以下三点：（1）坚定自己的科研信念。完美的石墨烯是由一层碳原子构成的二维碳纳米材料。石墨烯的很多重要性能如极高的的载流子迁移率、优异的电荷输运特性、光学、热学、力学及化学等性能都和石墨烯的层数有直接的关系。但是，根据严格意义上的二维原子晶体理论，这种材料在热力学上是不稳定的，是不可能存在的。诺贝尔奖获得者安德烈·海姆（Ander Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）经过精心的设计，用机械剥离法反复刮擦石墨片，获得了单层的石墨烯，该成果一经发表立即震撼科学界。号召同学们只要认准了方向，就要锲而不舍，刻苦攻关。（2）石墨烯的性能特性仍存在巨大的研发空间。石墨烯一经发现，就带给人们期待。惊人的迁移率，显著的室温霍尔效应，稳定的狄拉克电子结构、媲美ITO的透光性，超高的机械强度和热导率等众多的诱人性质，给众多领域的高端应用提供了可能。比如在半导体领域，目前的硅基半導体材料，无论在加工极限、运行速度、稳定性能方面都面临着艰巨的考验。石墨烯的层面尺寸减小到纳米尺寸时，仍能保持其独特电学性能和稳定性，这使得制备单电子器件成为可能。石墨烯新型晶体管延长了摩尔定律的寿命，必将为研制新型超高速计算机芯片带来突破[9]。但是针对石墨烯的特性，如何实现带隙、载流子浓度、极性可调，仍然是石墨烯半导体面临的挑战。加大石墨烯的研发力度，弄清石墨烯的潜在功能特性，拓展石墨烯的应用领域。当给学生讲述这一内容时，恰当引入当前国内的研究现状，指出研发和应用上，中国始终处于世界前列，不仅会激发学生的学习和科研热情，也会增进国家民族骄傲与自豪感。（3）石墨烯的批量化工业应用仍然是任重道远。石墨烯由于它独特的结构和优异的性能引领全球的技术革命，成为具有重要战略意义的新材料。新材料的发展是迅速的，但是新材料的应用也需要一定的过程。石墨烯的真正应用必将和这一代学生相关，石墨烯的应用技术攻关也必将在新一代年轻人手中诞生！

三、应用牵引式教学方法成效探索

应用牵引式教学应用在新型炭材料的专业课教学中，其教学效果可以有如下预期。

（一）促进教师将专业课堂教学与实际应用紧密结合，提升教学效果

教师在准备课程时，要时时紧跟前沿研究热点和应用需求。既要时时更新教学内容和教学大纲，又要善于利用课堂环境，因势教学。教师要善于学习，善于总结，善于设置问题。在课堂上根据教学内容，合理提出应用需求，引导学生自己发现问题和解决问题，提升学生上课学习的精气神。鼓励同学们面对新的需求，结合自己的专业基础，大胆讲述自己的思路和见解;鼓励同学们建立讨论小组，避免认识的片面性;鼓励同学们全面考虑问题，不拘泥于文献，不受教科书限制，勇于创新，迎接挑战。这也是教师牢牢把握教学质量的重要教学方式改革，培养学生成为能肩负起建设祖国使命的栋梁之材，号召同学们志存高远，脚踏实地，为党、祖国和人民多做贡献，更是提升教师荣誉和成就感的方式方法。

（二）促进学生加强对专业技术的学习及应用的思考

新型炭材料课程是一门紧跟技术前沿的一门专业技术课程。不同的学习有不同的评价方式。专业基础理论课程要求同学们对基本概念、原理方法等要有深入的理解和认识。但是新型炭材料课程中在评价同学们的学习效果时，会更多地关注同学们解决问题的思考，甚至是实际问题的解决能力。比如在讲解炭材料抗氧化性不足的问题时，我们讲述了掺杂法和涂层保护工艺，是提高炭炭复合材料在高温苛刻环境下应用的成熟技术。但是随着极端环境的持续需求，考虑温度、化学反应、机械应力、辐射和磨损等多种因素共同作用时，如何设计新型的抗氧化技术，满足炭材料在高温使用的需求。

（三）与思政教育结合，培养合格的社会主义接班人

应用牵引式教学是把实际应用前沿合理的引入到课堂的教学中。众所周知，在前沿应用的关键技术研发中，各国竞争极为激烈。要让同学们意识到，目前我国科技创新大多数仍基于应用环节，很多侧重基础研究突破的上游产品研发、核心零部件、关键原材料还依赖进口，在当前复杂多变、不确定性增大的国际环境下，“卡脖子”技术问题对国家发展和安全的重要制约。让同学们在未来的科技活动中，坚持知、信、行统一，坚定爱国主义信念。号召学生必须在现实的工作中积极努力，发扬艰苦奋斗的精神，为实现共产主义创造条件，为建设共产主义大厦添砖加瓦，为完成我们党的全面建成小康社会、实现社会主义现代化、实现中华民族的伟大复兴的历史任务作出贡献。

总之，以应用为牵引的新型炭材料课程教学，可以提升教学效果。首先该课程为大学生选修课程。该选修课程的目的之一是拓宽具有材料科学基础的学生的知识领域范围。课程的泛泛讲述容易让学生感觉枯燥乏味，不利于集中注意力。与当前国内外迫切应用需求结合，可以有的放矢，让学生迅速掌握该类材料的用武之地和设计准则。其次，以应用为牵引的课程学习，有助于学生反复思考个人的兴趣爱好和科研潜力，尽快找寻适合自己的研究方向。新型炭材料课程虽然介绍的材料种类不多，但是其本就是国际研究和应用的热点，涉及领域众多。让学生体会新型材料在国民经济社会中的高端应用及存在的技术发展瓶颈，结合自己的专业知识和兴趣爱好，明确将来的科研和就业方向。有利于更大程度发挥个人的专业价值，并取得卓越的成就。最后，以应用为牵引的学习，以国家需求为指向，让同学们在学习的同时深入思考科学研究的设计思路，组织结构对应的性能特点，以及该材料将会获得的潜在应用。激发学生学以致用、因用促学的良好学习兴趣。

四、教学评价方式的思考

教学评价方式是考核教学效果的优劣的手段之一。教师教学内容和手段的改进方向，与考核方式方法有着直接的密切联系。良好的课程考核是教学的风向标和指挥棒，可以更大程度的吸引同学门对课程的关注度和学习主动性，不断提高教学质量。新型炭材料的考核方式为完成课程学习和课程报告，考核的内容偏重于对专业课知识的理解。以往考核内容大多局限于教材、文献和平时划定的范围，对学生平时的学习态度或实践能力的考核不足，助长了部分学生的惰性。本课程拟采取的考核方式与方法如下：（1）课堂参与度的考核。加强学生平时的考核力度，如出勤率、参与讨论和报告的次数和质量，促进学生对受到的专业教育内容进行消化和吸收;（2）课程报告考核。课程报告着眼于解决实际问题的考核。比如结合电性能应用，如何涉及可调节的纳米碳材料的结构，实现从绝缘的炭材料到良好导电碳材料的可控制备;（3）小论文的考核。加强小论文撰写考核的占比。小论文的开放性要更加广泛，不仅仅限于学术书籍和文献，考核和实际的结合能力，解决问题的能力。让学生在完成论文的同时，审视学科的价值，找寻自己理论知识的薄弱点。培养攻坚克难的创新精神，解决问题的科学家专业精神，思考面对当前的技术问题，怎样能更好的发挥个人主观能动性，更好的为科技进步、社会发展做贡献。

五、结束语

新型炭材料专业课时材料类专业的选修课程，课程内容丰富，涉及物理、化学、材料等多专业交叉，与实践应用结合紧密。然而课程分类讲述过程中知识点繁杂，与实际应用脱节，课程考核环节也不能很好的与应用结合。本文探索了以应用为牵引，以解决应用问题促进学生学习的新型教学模式，讲新型炭材料的制备、组织结构、性能和应用领域进行良好的结合，引入国内外最新的研究热点和经济社会发展的迫切应用需求，激发同学们的学习热情，提高教与学的效率。

参考文献：

[1]罗劲明，罗裕霞，邓定南，等.激发兴趣为导向的工科专业理论课程教学改革探讨[J].大学教育，2021（3）：99-102.

[2]史小慧，李志，袁小亚，等.新工科背景下材料科学与工程专业《高分子科学》课程教学改革初探[J].广东化工，2021（48）：216.

[3]王怀文，计宏伟，张晓川.卓越工程师计划下工科专业材料力学课程教学改革[J].中国冶金教育，2020（6）：42-43.

[4]侯莉，姜洋，高发明，等.材料化学专业“超级金课”课程群建设探索[J].化工高等教育2020（6）：44-49.

[5]张军帅，党丽赟，胡继勇.问题导向的材料化学专业文献检索与科技论文写作课程教学改革研究[J].山东化工，2020（49）：193-194.

[6]廖建國，文静.材料类专业研究生《生物材料学》课程的教学探讨[J].高等教育研究，2020（35）：143-145.

[7]张晓亮，武春霞，杨文姝，等.工程教育专业认证背景下材料力学性能课程教学改革研究[J].广东化工，2020（22）：182-183.

[8]李嘉俐，庞东贺，黄陆军.“第二课堂成绩单”制度的实践路径探索[J].教育现代化，2019，88：76-78.

[9]Ponpmarenko L A， Schedin F， Katsnelson M I， et al， Chaotioc dirac billiard in graphene auantun dots.[J] Science，2008，320（5874）：356-358.