智能材料課程教學(xué)改革的實踐與探索

楊進(jìn)+李隆基+吉海燕

摘 要： 本文根據(jù)材料行業(yè)的發(fā)展對人才的需求及材料專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)定位，提出了在高等院校材料專業(yè)本科階段加強(qiáng)教授智能材料課程內(nèi)容的必要性，結(jié)合材料專業(yè)學(xué)生特點探討了智能材料課程本科教學(xué)的講授內(nèi)容，并對教學(xué)方法和手段進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞： 智能材料 教學(xué)改革 教學(xué)方法研究

智能材料是20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一類新型復(fù)合材料。它是指具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激后，能夠采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的材料，其內(nèi)容涉及化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、計算機(jī)、材料學(xué)、仿生科學(xué)等相關(guān)理論，是一門以綜合性和應(yīng)用性為顯著特征的交叉學(xué)科。它與生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等眾多學(xué)科相互滲透、相互促進(jìn)、相互依存，足以凸顯智能材料在當(dāng)今社會發(fā)展、科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的作用。智能材料的特點是基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究密切結(jié)合、仿生技術(shù)與納米技術(shù)密切結(jié)合[1]。因此，它的發(fā)展往往成為一個國家科學(xué)技術(shù)水平和國力的標(biāo)志之一，可以預(yù)計今后全社會對智能材料相關(guān)的各類人才具有極大的需求量。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、國家綜合實力的提高，材料行業(yè)需要大量高層次產(chǎn)品開發(fā)和科學(xué)研究分析人員，為滿足材料行業(yè)的這種需求，國內(nèi)許多高校的材料專業(yè)開設(shè)了智能材料課程。目前大學(xué)學(xué)分制條件下，往往不斷壓縮基礎(chǔ)課程的學(xué)時，智能材料的學(xué)時越來越少，使得教學(xué)內(nèi)容多與學(xué)時少之間產(chǎn)生了矛盾，這自然影響到學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容的深度與廣度。為使學(xué)生走上工作崗位后盡快熟悉行業(yè)特點，成為行家里手，智能材料課程的本科教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的設(shè)計是必須考慮的首要問題。對此，筆者結(jié)合多年從事智能材料課程教學(xué)與科研經(jīng)驗，結(jié)合智能材料課程特點，作探討。

一、教學(xué)內(nèi)容

在智能材料課程教學(xué)中，應(yīng)既保證一定的廣度，又保證一定的深度、新度，遵循基本理論與生產(chǎn)實踐結(jié)合，材料宏觀性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)合，唯象性討論與數(shù)學(xué)分析結(jié)合的原則，少而精地設(shè)置內(nèi)容。在教學(xué)內(nèi)容上，對復(fù)雜的、深奧的知識點的講解盡可能地簡單化和具體化，利用聯(lián)系發(fā)展觀，對大量的知識點盡可能地進(jìn)行聯(lián)系和統(tǒng)一，使學(xué)生迅速并全面地掌握智能材料的基礎(chǔ)知識，減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)；引入學(xué)科前沿，近年來材料科學(xué)發(fā)展迅猛，每年都有大量學(xué)術(shù)論文發(fā)表，作為傳道、授業(yè)、解惑的教育工作者必須緊跟學(xué)科發(fā)展趨勢，超越課本，在授課時穿插新進(jìn)展。根據(jù)課程特點及重要性，結(jié)合材料專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)智能材料課程的教學(xué)時間安排，在教學(xué)中應(yīng)該重點講授以下內(nèi)容。

1.智能材料概述

主要介紹智能材料的定義、仿生智能材料的設(shè)計思想、仿生智能材料的典型實例及智能化設(shè)計，使學(xué)生掌握智能材料的基本概念、設(shè)計思想，了解智能材料的發(fā)展歷史和面臨的挑戰(zhàn)，懂得智能材料的發(fā)展趨勢和方向，激發(fā)學(xué)生對智能材料的興趣，投身于仿生智能材料行業(yè)中，為以后進(jìn)行仿生智能材料的科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。

2.自然界中具有特殊表面性能的生物體

自然界中的生物體通過進(jìn)化已經(jīng)完成了智能操縱的全過程。物競天擇，適者生存。本章重點介紹具有特殊表面性質(zhì)的生物體，包括植物葉表面的自清潔性、滾動各向異性；昆蟲翅膀的自清潔性、減反射性及結(jié)構(gòu)顏色、水黽腿的超疏水型、壁虎腳底的高粘附性、沙漠甲蟲的集水性及變色功能等。揭示微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間的必然聯(lián)系，將微觀結(jié)構(gòu)模擬及由此產(chǎn)生的特殊性講清講透。

3.固體表面的浸潤性

浸潤性的基本理論是本章教學(xué)的重點，應(yīng)使學(xué)生掌握影響固體表面浸潤性的兩個主要因素：一是表面自由能，二是微觀結(jié)構(gòu)。

4.仿生超疏水表面

主要介紹制備仿生超疏水的方法，如：溶膠—凝膠法、電化學(xué)法、模板法、自主裝法、溶劑—非溶劑法等，使學(xué)生了解每種制備方法的優(yōu)缺點。

5.特殊浸潤性的智能材料

生物體表面特殊的微觀結(jié)構(gòu)域優(yōu)異宏觀性能之間的聯(lián)系與統(tǒng)一給予了我們靈感和啟示，仿生智能材料體系形成的設(shè)計思想源自生物體系，材料界面的仿生化為創(chuàng)造智能化的新材料提供了新的方法和途徑。主要講授超雙疏表面、超疏水/超親油性表面、超親水/超疏水智能響應(yīng)性表面，特別是可控浸潤性表面、光響應(yīng)性表面、磁響應(yīng)性表面等。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生了解新型多功能化智能材料的設(shè)計和研制。

二、教學(xué)方法改革

采取怎樣的教學(xué)方法，應(yīng)視課程性質(zhì)、特點和內(nèi)容來定。教改目的是改革和優(yōu)化教學(xué)模式，按不同教學(xué)內(nèi)容采取相應(yīng)手段和方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

1.教師引導(dǎo)

教師是教學(xué)改革的主體，充分發(fā)揮教師主導(dǎo)作用是教改成功的關(guān)鍵。為讓學(xué)生進(jìn)行課程銜接及為課后自學(xué)鋪墊，每次課開始時應(yīng)對上節(jié)課內(nèi)容簡單回顧，勾起學(xué)生記憶，結(jié)束時對下次課內(nèi)容提要，利于學(xué)生自學(xué)。另外，學(xué)生在課堂上有發(fā)言的欲望，如能正確引導(dǎo)，增加學(xué)生討論環(huán)節(jié)就能夠達(dá)到很好的效果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，但限于教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時的矛盾，往往無法展開。曾嘗試將討論興趣所在之題目布置給學(xué)生，課下進(jìn)行查閱資料、總結(jié)、歸納，但限于學(xué)習(xí)壓力及態(tài)度，只有部分學(xué)生認(rèn)真對待。

2.理論聯(lián)系實際

智能材料是一門理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的交叉學(xué)科，理論知識比較晦澀，必須與實際結(jié)合才能使學(xué)得的知識深化和鞏固，才能激發(fā)學(xué)生的興趣。在理論基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生往往感覺內(nèi)容艱深，興趣不高，而應(yīng)當(dāng)與實際背景結(jié)合，目前，材料行業(yè)的快速發(fā)展，各地智能材料生產(chǎn)廠家遍地開花，使學(xué)生有可能去智能材料生產(chǎn)廠家和使用部門參觀和學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)智能材料的生產(chǎn)方法和檢測方法，了解生產(chǎn)設(shè)備和檢測儀器設(shè)備。特別是與當(dāng)前比較熱的汽車、航天、生物、軍事等結(jié)合時，學(xué)生往往很有興致，注意力高度集中，將理論知識寓于合適的實際背景中講授，效果顯著。

3.采用多媒體教學(xué)

教師無法強(qiáng)迫學(xué)生學(xué)習(xí)，只能吸引學(xué)生學(xué)習(xí)，在教學(xué)過程中起引導(dǎo)作用。多媒體教學(xué)手段是將文字、聲音、圖象、動畫等結(jié)合在一起通過課堂教學(xué)實施，通過多種方式調(diào)動學(xué)生的多感官，促進(jìn)學(xué)生開展記憶、思考、探討等活動，使教學(xué)內(nèi)容從單調(diào)的文字形式轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N生動的形式，將枯燥乏味的理論知識變得直觀、形象，使學(xué)生更易理解所學(xué)內(nèi)容。多媒體教學(xué)通過聲像可以刺激學(xué)生的好奇心，突出重點，有利于學(xué)生掌握知識點，還可以加大信息量，減少板書量，在有限的課時內(nèi)講授更多知識，同時可以將可將智能材料生產(chǎn)設(shè)備、檢測設(shè)備、施工設(shè)備和涂裝后的工件等展現(xiàn)在屏幕上，將過程以動畫展示，彌補(bǔ)語言的障礙，加深學(xué)生理解，而不是領(lǐng)悟老師的理解。利用網(wǎng)絡(luò)對教學(xué)內(nèi)容適時更新，做到教學(xué)與科研互動，多引用與課程有關(guān)的實例，增加教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)學(xué)生對書本知識的掌握。

4.課堂教學(xué)與課后自學(xué)相結(jié)合

由于教學(xué)時數(shù)有限，如何在有限的時間內(nèi)使學(xué)生學(xué)到更多的智能材料知識，除教師摒棄傳統(tǒng)板書，采用多媒體對基礎(chǔ)理論等重要內(nèi)容進(jìn)行課堂授課外，也可發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，結(jié)合目前已出版的智能材料書籍和研究論文，有選擇地引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)一些應(yīng)用及發(fā)展前沿的內(nèi)容，作為課堂教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充，加深理解。

5.開設(shè)實驗課

為加深對智能理論的理解，在教學(xué)過程中應(yīng)配合開設(shè)實驗課。一般應(yīng)開設(shè)的實驗課有超疏水、超疏水油材料的制備及性能檢測等，通過實驗，訓(xùn)練學(xué)生進(jìn)行智能材料生產(chǎn)和科學(xué)[2]研究的方法，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、分析和解決問題的能力。

三、成績評定

嚴(yán)格的考核是正確調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，監(jiān)督和檢查學(xué)生學(xué)習(xí)效果及應(yīng)用能力，提高智能材料教學(xué)質(zhì)量的有效手段。在智能材料教學(xué)中，我們將成績考核與過程管理緊密結(jié)合起來，既考核學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識掌握的情況，又考核學(xué)生的操作能力，更注重學(xué)生的創(chuàng)新精神?？己擞善綍r考核、基礎(chǔ)理論考試及實驗考核三部分組成，其中平時考核占總成績的10%，基礎(chǔ)理論考試占60%，實驗考核占30%。

四、結(jié)語

材料行業(yè)快速發(fā)展，已滲透到科學(xué)技術(shù)各個領(lǐng)域和日常生活的各個角落，科技含量越來越高，需大批高層次的掌握材料的科研和技術(shù)人員，這對材料專業(yè)的畢業(yè)生就提出了新要求。我們要積極適應(yīng)這種要求，改革現(xiàn)有的智能材料教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法及成績評定，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣和欲望，提高學(xué)習(xí)熱情，充分調(diào)動學(xué)生參與學(xué)習(xí)的主動性，體現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位。為后續(xù)各專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定堅實基礎(chǔ)，為材料行業(yè)培養(yǎng)合格的智能材料研發(fā)人才，促進(jìn)材料行業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]江雷，馮琳.仿生智能納米界面材料.化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]王迎軍，項聰，余其俊，曾幸榮，劉粵惠.材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].高等工程教育研究，2012，5，127-131.

基金項目：江蘇省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助（201310299007Z）。endprint