《功能材料学》课程体系建设的探索与实践

摘要：本文以“应用为先，兼顾理论”的课程建设为特色，围绕《功能材料学》的课程体系建设和教学实践等开展教学研究与教学改革。探索课堂教学、创新能力培养相结合的教学模式，克服理论与实践脱节的问题，促进功能材料学课程教学质量的提高和功能材料科学与技术的发展。

关键词：功能材料学；课程建设；教学实践

中图分类号：G423.07 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）04-0234-02

功能材料是指具有优异的物理、化学、生物、光电性质及其之间相互转化的，用于非结构目的的一类先进材料[1]。功能材料学是为了满足当代材料技术、信息技术、生物技术、航天技术等国家重点支持的高新技术的发展而产生的一门交叉学科。其涉及的领域非常广泛，包括电子学、光学、生物学、电磁学等，已经成为现代材料学科的重要研究分支之一。特别是20世纪60年代以来，微电子、激光、计算机、生物医学、光电等技术领域对材料的迫切需求推动了功能材料的快速发展。大量的功能材料和器件已经在实验室中制备出来或者得到了工业化的批量生产。因此，《功能材料学》课程是当今高校材料学和材料化学专业的一门很重要的专业课，它要求学生在前期学习《材料研究方法》、《材料科学与基础》、《材料物理性能》等材料专业课的基础上，通过《功能材料学》课程的学习进一步深化材料专业的基础知识，并且掌握各种类型功能材料的制备、性能测试以及具有解决实际应用中出现的问题的能力，并能使学生毕业后胜任功能材料研究和测试方面的工作。为了提高材料学专业学生对材料专业的整体认识，从2006年开始，本校材料学专业开展《功能材料学》的选修课程，总共32学时。从2010年开始，材料化学专业也设置了该课程作为其专业选修课。笔者经过数年的教学实践，不断充实和完善《功能材料学》的教学内容，在材料类专业基础课程知识点的基础上，充分体现本课程内容的特色——“应用为先，兼顾理论”。结合本校创建高水平教学研究型大学的办校方针，笔者对《功能材料学》理论教学和实践教学等方面进行了尝试和探索，主要取得了三个方面的成果，以供同行做参考。

一、教材选择与教学内容和教学安排

选择一本好的教材等于学生有了一个极好的课外辅导老师。一方面，为了能进一步拓宽材料学专业和材料化学专业学生的知识面，扩大学生今后的就业面；另一方面，考虑到学生已经学习了大量的材料学或材料化学的基础理论课程，教材的选择就应该重点在应用方面，兼顾一些理论知识。为此，本专业选择了北京理工大学出版社出版的《功能材料学》教材。该教材涉及到了两大类功能材料：电学功能材料和光功能材料。其中，电功能材料包括导电材料、介电材料、压电材料、热电材料；光功能材料包括太阳能电池、光纤材料、发光材料、激光材料、非线性光学材料、光学存储材料。这两大类功能材料包括了当今国内外最热门的几个行业，既可以为学生的就业提供一定的指导，也可以为学生进一步深造提供一定的参考。笔者讲授该课程始终围绕“应用为先，兼顾理论”的原则，以材料设计中的基本思路“结构—性能—模型”为主线，为材料学专业和材料化学专业的本科学生讲授了上述两大类功能材料。突出了该课程的全面性、系统性。考虑到当今国内外对新能源、信息技术的重视，以及本校材料科学与工程学院以发光材料以及能源材料为主的研究特色，笔者重点讲述了压电材料、太阳能电池、光电材料以及发光材料。同时，考虑到功能材料种类的多样性和复杂性，笔者注重多学科交叉性，所学知识的应用性。在讲授的同时，综合交叉学生前期学过的基础课，如《材料科学基础》、《材料研究方法》、《电工学》、《光学》等知识，将基础知识和实际应用结合起来。

二、材料研究与开发的前沿性、实用性和趣味性

当今世界处于信息爆炸时代，大量的新型功能材料不断被科学家发明出来。在讲授一些最基本的、最常见的功能材料的同时，也要把这类新的功能材料及时地介绍给学生，尽可能地引起学生对该课程的兴趣，遵循的原则也是“应用为先，兼顾理论”。比如，当今非常热门的石墨烯材料[2]。研究表明该类材料具有非同寻常的导电性能、超出钢数十倍的强度和极好的透光性，那么具备这类性能的材料可以应用在什么方面呢？可以让学生充分地发挥各自的想象能力，让学生讨论该材料可能的用途，通过这种方式也可以培养学生的创新能力。只有性能的引出还不够，还要在引出特性的同时结合材料结构来分析，始终贯彻材料研究的基本思想——结构—性能—模型。最后，把石墨烯材料已经应用的方向介绍给学生，让学生能深刻感受到新型功能材料的巨大应用价值。如果大量的阐述各种功能材料的理论原理，会导致学生听不懂课、觉得乏味，最终会对该课程失去兴趣。为了提高学生的学习兴趣，可以采用通过选用学生生活中可以看到的一些产品开始，介绍该产品有某类物理或化学特性，然后引出产生这些物理或化学特性的根源，引出制作该类产品可以使用的材料，最后介绍这类材料的性能、结构以及相应的原理。比如，笔者在讲授压电材料的时候引用了一个和生活有密切关系的例子：美国芝加哥设计师提出的“能源飞跃”项目[3]。该项目是为了实现在马路上只要有人经过，就可以为建筑物、街道和霓虹灯的照明。然后分析该项目里所采用材料的本质：地板砖采用的材料是锆酸铅，上面装有黄铜覆盖的镍电极。那么这类材料为什么具有这种性质呢？带着这个疑问引出该项目的最基本的原理——压电性能，然后详细讲解这类材料压电性能产生的原因、材料的结构、表征的参数等。使学生们对压电材料的原理和应用都有了一定的认识，取得了良好的教学效果。

三、传统教学手段和现代化教学手段结合

研究表明，人对图像的兴奋程度要远远大于对大段文字的兴奋程度[4]。而且，随着信息科学技术的发展和人们生活水平的提高，学生对电脑和网络的依赖程度越来越高，所以笔者认为讲授该课程应采用多媒体和板书教学相结合的手段。板书可以简单的书写功能材料性能理论，让学生跟着笔者的思路走；幻灯片主要给学生传递图像，刺激学生的兴奋感，制作的幻灯片的颜色要选一些对人眼比较突出的颜色对比。在讲解一些比较复杂的物理或化学过程的时候，也可以充分利用Flash软件，制作一些动画效果，在学生脑海里留下一个图像。比如，在讲解半导体PN结形成的时候，就可以制作一个动画，将PN结中P型半导体的多子空穴，N型半导体中的多子电子的扩散过程用动画的方式演示出来。最后引出PN结中加正电压和负电压的动态变化过程。实践证明，通过这种方式来讲解知识点，可以让学生对PN节形成的过程理解的非常透彻，可以达到过目不忘的效果。为了培养学生对功能材料的学习兴趣，同时也为了对今后从事材料相关的工作有个大概的了解，笔者特意布置了写一篇功能材料相关的论文，可以利用网络或者图书馆进行查阅，该论文有三个要求：（1）对整理出的某一类功能材料，学生要对它的性能和结构做出描述，最后要总结出制备这些功能材料采用的方法；（2）这类功能材料目前发展的瓶颈以及克服瓶颈的方法；（3）了解这些功能材料在工业界中的哪些公司有生产。通过这种课外作业的手段不仅可以培养学生查阅资料以及对资料分析整理的能力，而且还可以对自己感兴趣的材料的生产企业有个大致的了解。

参考文献：

[1]周馨我.功能材料学[M].北京：北京理工大学出版社，2005.

[2]刘霞.神奇材料石墨烯[J].今日科苑，2011，（14）：35-36.

[3]赵鸿铎，梁颖慧，凌建明.基于压电效应的路面能量收集技术[J].上海交通大学学报，2011，（45）：62-66.

[4]詹姆斯.心理学原理.[M].北京：中国城市出版社，2010.