高校本科《功能材料》課程課堂教學改革實踐探索

金光 段占強 張寶迪

摘?要：對《功能材料》課程進行課堂教學改革，授課中融入該領(lǐng)域研究及發(fā)展現(xiàn)狀，以人物事例─高溫超導(dǎo)體研制的先驅(qū)之一，中科院趙忠賢院士的研究歷程來展示我國科學家的成就，激發(fā)學生的科學探索精神、愛崗敬業(yè)精神以及責任感和使命感;以固態(tài)儲氫系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用的實施者，廣東省科學院稀有金屬研究所高級工程師孫泰博士的科研和產(chǎn)品應(yīng)用來展示創(chuàng)業(yè)者的創(chuàng)新成果，培養(yǎng)學生科學研究和創(chuàng)新產(chǎn)品服務(wù)社會的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神。課堂教學效果良好。

關(guān)鍵詞：功能材料;課堂教學改革;人物事例

《功能材料》課程是金屬材料工程本科專業(yè)的一門必修課程。學生在學習完成材料科學基礎(chǔ)、材料性能學等主要專業(yè)基礎(chǔ)課之后，根據(jù)已經(jīng)掌握的材料科學的基本理論繼續(xù)學習具有特殊功能的材料，例如超導(dǎo)材料、儲氫合金、非晶態(tài)合金、形狀記憶合金、磁性材料、半導(dǎo)體材料、激光材料、紅外材料以及與人體相關(guān)聯(lián)的生物醫(yī)學材料等功能材料的相關(guān)知識，側(cè)重金屬功能材料的學習。通過學習，使學生了解和初步掌握當今世界上正在研究和使用的先進功能材料，掌握基本理論及應(yīng)用，開闊學生的知識視野，進一步培養(yǎng)學生對本專業(yè)的感情并樹立為本專業(yè)而奮斗獻身的精神;對于繼續(xù)攻讀碩士研究生乃至博士生的同學，《功能材料》課程可以為本科學生提供重要的參考領(lǐng)域，有助于考研的同學設(shè)計自己未來的研究方向和職業(yè)規(guī)劃。

原有的《功能材料》課程只是講授理論、性能和應(yīng)用，基本上沒有該領(lǐng)域人物的介紹，學生學習過程中感到較為枯燥，很少了解到該領(lǐng)域國內(nèi)外的最新成果，很少了解到該領(lǐng)域的人物事跡，為適應(yīng)國家新時代高等教育的要求，展示我國功能材料領(lǐng)域的科技成果以及科技工作者的奮斗歷程，體現(xiàn)愛崗愛國、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神，《功能材料》課程在原有授課內(nèi)容的基礎(chǔ)上引入課堂教學改革。通過在課堂教學中引入具體的人物事例，豐富課程教學內(nèi)容，提升學生的科學探索精神、愛崗敬業(yè)精神、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神、工匠精神、愛國精神，為人民服務(wù)精神，從而實現(xiàn)課程的教學改革目標[1-4]。

一、人物事例融入《功能材料》課堂教學改革的實施方法

《功能材料》課程作為金屬材料工程專業(yè)學生的必修課，是專業(yè)方向課，考查課。課程的特點是講授多種功能材料，例如包括超導(dǎo)材料、儲氫合金、非晶態(tài)合金、形狀記憶合金、生物材料等等，各種功能材料之間的聯(lián)系很小，它們的理論不同、特點不同、應(yīng)用也不相同，可以說每一種功能材料都是一個獨立的領(lǐng)域體系，是一個獨立的授課單元。這也決定了課程講授過程中每一部分的相對對立性，所以根據(jù)該課程的特點，在講授過程中采取針對每種功能材料均介紹該材料的發(fā)展現(xiàn)狀，用結(jié)合圖片和視頻重點講述我國科技工作者在該領(lǐng)域的研究歷程和成果，學習他們孜孜不倦、刻苦鉆研、愛崗愛國、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的精神。

二、《功能材料》課程具體人物事例

在授課過程中，人物事例融入課程體系例子很多，本文通過兩個人物事例，分別對應(yīng)兩種功能材料的發(fā)展來闡述課程的教學改革，從而實現(xiàn)課程的教學改革目標。具體事例如下：

（一）培養(yǎng)學生愛國奉獻，堅持不懈的奮斗精神，提升學生責任感和使命感

在講授超導(dǎo)材料時，介紹我國高溫超導(dǎo)領(lǐng)域研究的先驅(qū)之一，中科院院士趙忠賢。

當今時代，科學技術(shù)對國家和社會的影響越來越深刻。建國70多年以來，我國高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的研究實現(xiàn)了從無到有，從追趕到領(lǐng)先的超越，這些成績的獲得與趙忠賢院士的辛勤工作是分不開的。作為我國高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域的創(chuàng)始者之一，在國內(nèi)他最早提出進行高溫超導(dǎo)體的研究探索，最早提出建立國家超導(dǎo)實驗室，帶領(lǐng)科研團隊兩次獲得國家自然科學領(lǐng)域的最高獎─國家自然科學一等獎，使我國高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的研究走在世界的前列。

超導(dǎo)體指的是某溫度下，電阻為零的導(dǎo)體。超導(dǎo)體可應(yīng)用于超導(dǎo)核磁共振層析成像儀、超導(dǎo)磁懸浮列車等領(lǐng)域，具有重要的應(yīng)用價值。在物理界，超導(dǎo)臨界溫度在40K以上的超導(dǎo)體被稱為高溫超導(dǎo)體。美國物理學家麥克米蘭根據(jù)理論計算得出結(jié)果，超導(dǎo)體的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度不能超過40K，該溫度稱為“麥克米蘭極限”溫度。因為超導(dǎo)臨界溫度極低，必須使用液氦進行冷卻（液氦的沸點為4.2K），但氦是稀有氣體，液氦制備和儲存都很困難，成本也很高，所以，超導(dǎo)體在當時的應(yīng)用受到極大限制，那么，尋找高溫超導(dǎo)體理所當然就成為全世界科學家們的追求目標。1977年，趙忠賢在國際知名雜志《物理》上發(fā)表文章，指出超導(dǎo)體的超導(dǎo)臨界溫度能夠達到40K-55K，特殊情況下甚至能夠達到80K。這種結(jié)論與傳統(tǒng)的“麥克米蘭極限”溫度理論產(chǎn)生了沖突，當時，國內(nèi)外很多學者也對趙忠賢的研究結(jié)論存在疑問，但趙忠賢不怕質(zhì)疑，依然繼續(xù)自己的研究思路，他要使我國的超導(dǎo)研究走在世界的前面。1986年，趙忠賢科研團隊開展了銅氧化物超導(dǎo)體的研究。實驗室的條件比較差，它們自制燒結(jié)電爐燒結(jié)樣品，用淘汰的設(shè)備自己改裝成有用的實驗設(shè)備。課題組成員艱苦奮斗，經(jīng)常通宵實驗，在實驗室煮面條，在實驗室的凳子上睡覺。經(jīng)過無數(shù)個深夜苦熬，終于迎來了希望的曙光！1986年12月，課題組首次在鑭鋇銅氧組成物中，發(fā)現(xiàn)了起始溫度為70K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。次年的2月19日深夜，課題組在釔鋇銅氧化物中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度為93K的高溫超導(dǎo)體，該超導(dǎo)體可以使用液氮進行冷卻，屬于液氮溫區(qū)超導(dǎo)體（液氮的沸點為77.3K），這個實驗結(jié)果可以無限重復(fù)。課題組都為此歡呼。當時，趙忠賢已經(jīng)連續(xù)工作了兩天兩夜，這當然是一個世界級的研究成果，超導(dǎo)冷卻介質(zhì)從4.2K的液氦溫區(qū)提高到了77.3K的液氮溫區(qū)，大幅度降低了制冷難度。氮氣在空氣中大量存在，可以通過分離空氣法獲得，而液氦的價格是液氮的幾十倍，該超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)可以節(jié)約大量成本。1987年的3月18日，美國物理學會年會在紐約召開，出于對高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域成果的重視，會議臨時增加了高臨界溫度超導(dǎo)體專門會場。超導(dǎo)體會議報告內(nèi)容很多，從晚上開始，一直進行到凌晨，共持續(xù)了近8個小時。中國科學家趙忠賢在報告中首次公布了液氮溫區(qū)超導(dǎo)體的元素組成：釔鋇銅氧，這在世界上引起了轟動，該研究成果標志著新中國的高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域已經(jīng)領(lǐng)先于世界，證明了中國人不僅能夠在物理領(lǐng)域的前沿進行科學研究，而且智慧的中國科學家可以質(zhì)疑西方學者的理論，并且成功進行超越。?1989年，趙忠賢獲得國家自然科學領(lǐng)域的最高獎─國家自然科學一等獎，表彰的成果就是將超導(dǎo)材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度從液氦溫區(qū)提高到了液氮溫區(qū)。趙忠賢院士孜孜不倦的科研精神，艱苦奮斗的奉獻精神值得同學們學習。

“熱的時候要堅持，冷的時候更要堅持”，他說，“這輩子只做一件事，那就是尋找更好的超導(dǎo)材料?！备邷爻瑢?dǎo)體的研究并不是一帆風順的，90年代中后期，國內(nèi)外的高溫超導(dǎo)領(lǐng)域基本上沒有什么實用的研究成果，很多學者放棄了高溫超導(dǎo)研究而轉(zhuǎn)向到其他研究領(lǐng)域，國內(nèi)的高溫超導(dǎo)研究陷入了低谷。但趙忠賢不放棄，始終堅持高溫超導(dǎo)的研究，他有一顆執(zhí)著的心，相信只要堅持就會有突破。團隊上下一如既往地潛心研究，這次課題組把研究重點放在了可塑性好的鐵基超導(dǎo)體的研究上，經(jīng)過論證和大量實驗，團隊終于研制了50K以上的鐵基高溫超導(dǎo)體，實現(xiàn)了55K鐵基超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變的新紀錄。由于鐵基高溫超導(dǎo)體的可塑性好，可以制成超導(dǎo)長線，該研究成果預(yù)示著超導(dǎo)技術(shù)可以走向大規(guī)模的應(yīng)用。2014年，趙忠賢院士再次獲得國家自然科學一等獎，成果就是鐵基高溫超導(dǎo)體的成功研制。

趙忠賢院士的勇于探索的精神，堅毅執(zhí)著的精神，愛國敬業(yè)的精神，忘我奉獻的精神，艱苦奮斗的老黃牛精神，值得我們學生和科技工作者學習。

（二）培養(yǎng)學生科研探索精神，樹立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、服務(wù)社會理念

2021年3月5日，十三屆全國人民代表大會第四次會議召開，李克強總理在政府工作報告中提到的“創(chuàng)新”有40多次，可見，創(chuàng)新在我國社會主義建設(shè)中的重要性。本文在講授儲氫合金時，介紹廣東省科學院稀有金屬研究所高級工程師孫泰博士研發(fā)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)歷程。

世界海洋上有眾多的島嶼，由于遠離大陸海岸，不可能從大陸上架設(shè)高壓輸電線路，那么，島嶼上人們的生活用電就成為一大難題。這些島嶼環(huán)境優(yōu)美，基本沒有污染，那么，低碳排放或者沒有碳排放的、環(huán)保的生產(chǎn)電能和使用電能的生活方式就成為人們追求的目標。如今，島上安裝了風力發(fā)電裝置和太陽能電池板發(fā)電裝置，利用島上的風能和太陽能發(fā)電，島上無人的閑時，太陽能和風能產(chǎn)生的電能對水進行電解處理，產(chǎn)生氫氣和氧氣，系統(tǒng)把氫氣儲存起來，當人們來到島上生活時，通過燃料電池把氫能轉(zhuǎn)化為電能供生活使用。整個過程工作安靜，可再生利用，并且是清潔無污染的。如今，歐洲許多島嶼的供電采用的就是這種形式。我國廣東省稀有金屬研究所能源中心的孫泰博士團隊就是為這個氫氣儲能系統(tǒng)提供固態(tài)儲氫材料和技術(shù)支持的。孫泰致力于固態(tài)儲氫領(lǐng)域的應(yīng)用研究及技術(shù)產(chǎn)業(yè)化研發(fā)，現(xiàn)階段已經(jīng)開發(fā)出多個商用產(chǎn)品。他致力于把所學到的專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為科技產(chǎn)品，并應(yīng)用到日常生活當中。

儲氫合金是指既能吸收氫氣，又能放出氫氣，能夠循環(huán)使用的合金材料。氫分子在一定的溫度和壓力的條件下分解成氫原子，氫原子能夠進入合金原子之間的空隙中，與合金原子進行化學反應(yīng)生成金屬氫化物，從外表看來，表現(xiàn)為大量地吸收氫氣分子。加熱金屬氫化物時，氫化物發(fā)生分解反應(yīng)，氫原子會釋放出來，并結(jié)合成氫分子。這些金屬可以看成是儲存氫氣的容器，所以稱為儲氫合金。一定條件下，儲氫合金儲存氫氣的量比相同體積的固態(tài)氫和液態(tài)氫還要多。把氫氣和氧氣的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置就是氫燃料電池。氫燃料電池實質(zhì)是電解水的逆反應(yīng)，向陽極和陰極分別供給氫氣和氧氣，氫氣通過陽極向外部擴散并與電解質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)，釋放的電子通過外部負載也就是用電器到達陰極，電子的運動即產(chǎn)生電流，從而實現(xiàn)了發(fā)電，供生活使用。

孫泰就職于廣東省稀有金屬研究所，碩士和博士研究的都是儲氫技術(shù)。課題組一直致力于配合燃料電池的固態(tài)儲氫技術(shù)攻關(guān)，現(xiàn)階段，與華南理工大學的燃料電池團隊共同開發(fā)的燃料電池及儲氫系統(tǒng)已經(jīng)賣到了歐洲，在離岸島嶼作為分布式電源使用。實現(xiàn)了風力（太陽能）發(fā)電-電解水制氫-氫氣存儲-燃料電池發(fā)電的集成電源系統(tǒng)，這種氫燃料電池對環(huán)境無污染，它是通過電化學反應(yīng)，而不是采用燃燒（汽、柴油）方式發(fā)電，汽柴油燃燒會釋放一氧化碳、氮氧化物、硫化物氣體和粉塵等污染物，而氫燃料電池只會產(chǎn)生水和熱。整個循環(huán)不產(chǎn)生有害物質(zhì)排放。如今，課題組出售的儲氫合金多達十幾噸，真正實現(xiàn)了把科研成果轉(zhuǎn)化成為高科技產(chǎn)品。除此之外，課題組的儲氫技術(shù)和材料還應(yīng)用到筆記本電腦電源、無人機燃料電池儲氫系統(tǒng)等產(chǎn)品領(lǐng)域。

科研的目的是為了服務(wù)社會，能夠研制成產(chǎn)品是非常了不起的！科研成果的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性、再現(xiàn)性可能要求并不是十分嚴格，但是作為產(chǎn)品一定要質(zhì)量穩(wěn)定，運行可靠！團隊必須實驗各種排列組合的配方，不停地反復(fù)實驗，重復(fù)實驗，質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品是成百上千次實驗的結(jié)果，凝聚著課題組的辛勤汗水。目前，課題組把握市場導(dǎo)向，正在研發(fā)應(yīng)用于氫燃料電池汽車的加氫站系統(tǒng)。

孫泰博士的刻苦鉆研的精神，把科研成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品服務(wù)社會的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神是學生們學習的榜樣。

三、結(jié)語

人物事例融入《功能材料》課程的教學改革實踐效果很好，通過文字、圖片、視頻的方式介紹具體的人物事例，學生在課堂上的注意力集中，氣氛活躍，討論環(huán)節(jié)踴躍。學生既學習到了理論知識，又樹立了正確的價值觀，培養(yǎng)了艱苦奮斗精神、愛國奉獻精神、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神，提升了責任感和使命感，達到了課程教學改革的目標[5]。

參考文獻：

[1]高德毅，宗愛東.課程思政：有效發(fā)揮課堂育人主渠道作用的必然選擇[J].思想理論教育導(dǎo)刊，2017，（01）：31-34.

[2]李翠霞.高校專業(yè)課程”無機功能材料”課程思政初探[J].教育教學論壇，2019，（49）：28-29.

[3]趙海濤，李鑫，李增榮.課程思政融入研究生課程《先進功能材料》探索[J].科技風，2020，（19）：59.

[4]望紅玉，王自潔.新工科背景下《先進功能材料》課程教學改革探索[J].科技風，2020，（36）：29-31.

[5]劉紅.對高?！闭n程思政”立德樹人機制的思考[J].教育現(xiàn)代化，2020，7（20）：59-61.

作者簡介：金光（1971—??），男，漢族，遼寧沈陽人，副教授，研究方向：金屬材料及表面處理。