浅谈如何提高《先进功能材料》教学质量*
时间：2023-02-24 17:55:07 来源：千叶帆 本文已影响人
高 洁，韩小兵，陈 涛，赵 媛
(湖北科技学院核技术与化学生物学院，湖北 咸宁 437100)
能源、信息、材料是现代文明的三大支柱，而材料又是一切技术发展的物质基础。因此，国家在制定和修订战略性新兴产业发展规划中，一直把新材料作为重点产业发展方向。功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导，它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、武器技术等现代高新技术及其产业，对我国未来的技术和经济发展将起到决定性的作用[1]。
功能材料是指那些具有电学、磁学、光学、热学、声学、力学等特殊功能的高新技术材料。先进功能材料不仅包括了功能材料的分类、结构、性能、制备方法和应用原理，还包括了功能材料的最新研究进展和发展方向。先进功能材料的迅速发展，要求即将成为材料工作者的在校学生有一个较高的学习起点，掌握这一领域的基本概念、原理和方法，并能独立的学习先进功能材料科学前沿领域和新的进展[2]。
因此如何提高《先进功能材料》课堂教学质量，培养出符合要求的材料工作者，是我们每一位任课教师必须关注的问题。作者在近年来的教学实践基础上，拟从理论联系实际、问题导向、内容可视化、课程思政等四个方面浅谈如何提高本课程的课堂教学质量[3]。
爱因斯坦说过“兴趣是最好的老师”，如果能有效激发学生对所学知识的兴趣，就能使学生产生强烈的求知欲，将被动学习变为主动学习。在《先进功能材料》的教学过程中，坚持理论学习与实际生活、科研相结合，让学生真切感受到知识就是力量，学好功能材料基础知识和基本技能可以造福人类，进而激发学生学习的兴趣和动机[4]。
在先进功能材料相关原理的理论学习中，结合功能材料在日常生活中应用的实例进行讲解。例如，在碳达峰碳中和的“双碳”背景下，我们需要大力发展清洁能源材料，包括太阳能、水力、风力、核电等。在太阳能电池光电转化原理的学习中，我们可以结合现在屋顶、山坡、湖面上等随处可见的蓝色硅基太阳能电池板进行讲解，硅基太阳能电池板是由硼掺杂的P型硅和磷掺杂的N型硅组成的，在界面处形成了P-N结。太阳光照射到电池板上会被硅基半导体材料吸收，那些能量大于硅半导体禁带宽度的光子可以激发价电子产生光生电子空穴对(载流子)，P-N结中的光生载流子会被内建电场分离，在P-N结两侧产生电荷积累，进而产生光生电动势，这就是实现光电转化的光生伏特效应。此外，讲授离子交换原理时，例举能用于污水处理的离子交换树脂和可用于清洁生产的离子交换膜和双极膜，在电渗析装置的电场作用下，带电荷的金属离子或者有机物能只能选择性的通过一种膜而被富集；
介绍分子识别原理时，例举能用于新冠病毒、三聚氰胺、瘦肉精等有害物质快速检测的试剂盒，待检测的物质能在分子印迹聚合物或超分子的分子间作用力和空腔匹配的作用下被选择性分离；
讲授相变储能原理时，例举可以用于降低室内昼夜温差的保温材料，保温材料能通过相变吸热和放热从而实现保温；
介绍吸波材料的原理时，就例举隐身战机和舰艇等，其表面的涂层就含有多孔的吸波材料，电磁波不会被材料反射而是最大限度的进入材料内部，在材料内部电磁波的会被转化为热能耗散。
除此之外，在学习先进功能材料的制备、检测及应用的过程中，结合实验研究和科技前沿等科研实际进行传授。在“双碳”背景下，大量的多孔吸附剂见诸报道，这些材料的多孔结构能为CO2的吸附提供巨大的比表面积，同时负载在多孔材料上面的碱性有机胺官能团，能通过中和作用对酸性CO2进行高效吸附。此外，在介绍OLED电致发光器件的研发过程中，系统的介绍相关实验设计、原料准备、材料制备、器件组装、性能检测、条件优化等实验研究的常规步骤；
在先进能源材料应用的学习中，介绍可打印的薄膜太阳能电池、石墨烯基超级电容器、锂离子电池等科技前沿，利用科研成果促进和推动课堂教学，不仅能拓展知识面，还能加大教学的深度。引入这些实际生活和科研中先进功能材料的应用，不仅能提高课堂的生动性，还能促使学生体会到所学知识的价值所在[5]。
我国现阶段的大学课堂教学中，学生参与教学活动的主动性和积极性普遍偏低，师生间的交流互动比较少。在课堂教学中通过问题导向的学习提高学生的参与度，让学生自主进行知识构建，不仅能提高学生对知识的掌握程度和课堂效率，而且能提高学生运用知识分析和解决问题的能力。因此，需要在课堂上设置适量、难度适中的问题，使学生的注意力都集中在所学的内容上，并对相关知识点进行理解和记忆，从而达到提高参与度的目的[6-7]。
在先进功能材料的课堂教学中，可以利用雨课堂的单选题、多选题、投票、填空、主观题、随机点名等功能进行提问，设置充足的思考或讨论时间，让学生在手机端参与互动。例如在学习离子交换树脂这一章时可以通过以下问题设置提高学生的参与度：
(1)在导入部分，可以设置主观题“工业废水中的重金属离子一般如何去除？”，答题时间设为5 min，重金属离子的除去通常有化学沉淀法、溶液蒸发、离子交换和电渗析脱盐法等，根据作答结果引导出高效、低成本且无二次污染的离子交换法；
(2)在介绍我国离子交换树脂事业发展时可以设置单选题“我国的离子交换树脂之父是谁？”，何炳林院士仅用两年时间就合成出了当时世界上所有种类的离子交换树脂，被誉为我国的离子交换树脂之父，这样不仅提高学生的参与程度，还能扩大学生的知识广度和加深记忆；
(3)在讲解离子交换树脂的种类时，可以设置多选题“根据固定官能团的不同，离子交换树脂可以分为哪几类？”，答案设置如为(a)阳离子交换树脂、(b)阴离子交换树脂、(c)两性离子交换树脂、(d)螯合树脂，其中前三类是根据固体离子基团与反离子之间的静电引力进行离子吸附的，第四种是根据固定含杂原子的官能团与金属离子间的配位作用进行金属离子吸附的；
(4)在讲解阳离子交换树脂的性质或应用的时，可以设置投票题“阳离子交换树脂不能吸附下列哪种物质？”，选项设置为①汞离子、②亚甲基蓝、③铵离子、④硫酸根离子，其中汞离子是金属阳离子、亚甲基蓝是阳离子型染料、铵离子是复合阳离子，只有硫酸根是阴离子，因此只有硫酸根离子不能被阳离子交换树脂所吸附；
(5)在其他知识点的学习过程中可以设置相关的填空题和随机点名。通过这些问题的提出，不仅能提高学生的参与度，还能循序渐进地引导学生了解、理解、掌握和应用相关知识点，提高分析解决实际问题的能力，达到学以致用的目的[8]。
人类通过视觉获取的信息占获取信息总量的83%，可视化成为人类学习的重要方式。与纯文字教学相比，图像可以高效的呈现大量复杂的信息，从而提高大脑处理的速度和效率。发挥可视化教学的优势不仅能提升学习效率，还能突破大脑记忆的限制。可视化教学的方式多种多样，包括教学内容相关的图片、思维导图、表格，以及能反映变化过程的动图、视频、微课、虚拟仿真等[9]。
在先进功能材料的课堂教学中，利用可视化的方式进行教学内容的呈现。在讲解不同种类吸附功能材料分子设计的时候，可以根据吸附底物种类的不同，利用表格进行直观的归纳总结(表1)。不同的吸附底物具有不同的性质，能与不同的官能团形成多种分子间相互作用，根据分子间相互作用的不同就可以进行吸附剂分子结构的设计。
表1 不同吸附功能材料的分子设计
在讲解识别功能材料的时候，可以利用思维导图进行知识网络的构建(图1)。根据教学内容可分为设计原理、超分子识别材料、分子印迹聚合物及应用四节内容。其中设计原理部分包含了分子间相互作用及底物与识别材料的空间匹配，超分子识别材料包括具有空间结构的四代主体材料，分子印迹材料包括空腔分布不同的本体、表面和表位三类印迹材料，其应用又包括金属离子、有机小分子和生物大分子三个当面。传统的线性板书与大脑神经元的发散结构相冲突，记忆效果甚微。如果利用这种发散的思维导图进行板书，将能够显著提高记忆效果。
图1 识别功能材料的知识网络
此外，讲授聚合物太阳能电池结构的时候，可以给出相关电池器件的实物照片及结构示意图；
介绍该电池的光电转换原理时，可以利用动图或虚拟仿真展示光子吸收、激子产生及分离、光电流产生等系列过程；
讲解聚合物太阳能电池器件制备时，可以通过视频展示电极的制备及处理、传输层及给受体层的涂覆、蒸镀。利用这些可视化的方法辅助教学，将学习过程中的抽象原理、复杂过程、隐性思维等直观呈现，能有效激发学生的思维，引导学生对知识进行深层次加工，帮助学生更好的理解和记忆，从而提高学习效率[10]。
习总书记指出：“要用好课堂教学这个主渠道，思想政治理论课要坚持在改进中加强，提升思想政治教育亲和力和针对性，满足学生成长发展需求和期待，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应”。为了实现专业课程“立德树人”的目的，在《先进功能材料》的教学过程中，必须深入挖掘思政元素，并有机融入到课堂教学中[2]。
在先进功能材料的课堂教学中，进行课程思政元素的挖掘与融入。例如在讲解功能陶瓷时介绍我国的陶瓷发展史，我国的唐三彩和景德镇瓷器具有非常辉煌的历史，这样不仅能提高学生学习的兴趣，还能提高学生的文化素养，增强民族自豪感；
在讲授离子交换树脂时，介绍何炳林院士为了祖国离子交换树脂事业的发展，毅然放弃国外优厚的生活，并带回了那时国内还不能生产的原料二乙烯基苯和苯乙烯，弘扬老一辈的爱国主义精神；
在讲授离子交换树脂、离子交换膜、清洁能源相关章节的时候，可以渗透重金属污染、温室气体、酸雨等环境保护的问题。在上述基础知识讲授的过程中进行思政教育元素的灌输，同时提升专业基础与思想政治素质，达到专业知识与思政教育的有机统一[11-13]。
将理论联系实际、问题导向、内容可视化、课程思政等方法应用到《先进功能材料》的课堂教学中，不仅能激发学生的兴趣、提高学生的参与度、提升学习效率，从而使学生较好的掌握先进功能材料的理论知识和基本技能，还能实现专业课“立德树人”的目的，进而有效提高课堂教学质量。以上几个方面是作者讲授《先进功能材料》的经验总结，希望通过与各位同行进行交流，从而不断提高该课程的教学质量，最终培养出满足从事先进功能材料工作要求的人才。
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