金光 段占強(qiáng) 張寶迪

摘?要：對(duì)《功能材料》課程進(jìn)行課堂教學(xué)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(lái)展示我國(guó)科學(xué)家的成就，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索精神、愛(ài)崗敬業(yè)精神以及責(zé)任感和使命感;以固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用的實(shí)施者，廣東省科學(xué)院稀有金屬研究所高級(jí)工程師孫泰博士的科研和產(chǎn)品應(yīng)用來(lái)展示創(chuàng)業(yè)者的創(chuàng)新成果，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究和創(chuàng)新產(chǎn)品服務(wù)社會(huì)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神。課堂教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞：功能材料;課堂教學(xué)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(xué)生在學(xué)習(xí)完成材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料性能學(xué)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(xué)的基本理論繼續(xù)學(xué)習(xí)具有特殊功能的材料，例如超導(dǎo)材料、儲(chǔ)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(xué)材料等功能材料的相關(guān)知識(shí)，側(cè)重金屬功能材料的學(xué)習(xí)。通過(guò)學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解和初步掌握當(dāng)今世界上正在研究和使用的先進(jìn)功能材料，掌握基本理論及應(yīng)用，開(kāi)闊學(xué)生的知識(shí)視野，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生對(duì)本專業(yè)的感情并樹(shù)立為本專業(yè)而奮斗獻(xiàn)身的精神;對(duì)于繼續(xù)攻讀碩士研究生乃至博士生的同學(xué)，《功能材料》課程可以為本科學(xué)生提供重要的參考領(lǐng)域，有助于考研的同學(xué)設(shè)計(jì)自己未來(lái)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(méi)有該領(lǐng)域人物的介紹，學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中感到較為枯燥，很少了解到該領(lǐng)域國(guó)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(guó)家新時(shí)代高等教育的要求，展示我國(guó)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(ài)崗愛(ài)國(guó)、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(xué)改革。通過(guò)在課堂教學(xué)中引入具體的人物事例，豐富課程教學(xué)內(nèi)容，提升學(xué)生的科學(xué)探索精神、愛(ài)崗敬業(yè)精神、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神、工匠精神、愛(ài)國(guó)精神，為人民服務(wù)精神，從而實(shí)現(xiàn)課程的教學(xué)改革目標(biāo)[1-4]。

一、人物事例融入《功能材料》課堂教學(xué)改革的實(shí)施方法

《功能材料》課程作為金屬材料工程專業(yè)學(xué)生的必修課，是專業(yè)方向課，考查課。課程的特點(diǎn)是講授多種功能材料，例如包括超導(dǎo)材料、儲(chǔ)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(diǎn)不同、應(yīng)用也不相同，可以說(shuō)每一種功能材料都是一個(gè)獨(dú)立的領(lǐng)域體系，是一個(gè)獨(dú)立的授課單元。這也決定了課程講授過(guò)程中每一部分的相對(duì)對(duì)立性，所以根據(jù)該課程的特點(diǎn)，在講授過(guò)程中采取針對(duì)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(diǎn)講述我國(guó)科技工作者在該領(lǐng)域的研究歷程和成果，學(xué)習(xí)他們孜孜不倦、刻苦鉆研、愛(ài)崗愛(ài)國(guó)、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(guò)程中，人物事例融入課程體系例子很多，本文通過(guò)兩個(gè)人物事例，分別對(duì)應(yīng)兩種功能材料的發(fā)展來(lái)闡述課程的教學(xué)改革，從而實(shí)現(xiàn)課程的教學(xué)改革目標(biāo)。具體事例如下：

（一）培養(yǎng)學(xué)生愛(ài)國(guó)奉獻(xiàn)，堅(jiān)持不懈的奮斗精神，提升學(xué)生責(zé)任感和使命感

在講授超導(dǎo)材料時(shí)，介紹我國(guó)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(dāng)今時(shí)代，科學(xué)技術(shù)對(duì)國(guó)家和社會(huì)的影響越來(lái)越深刻。建國(guó)70多年以來(lái)，我國(guó)高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的研究實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有，從追趕到領(lǐng)先的超越，這些成績(jī)的獲得與趙忠賢院士的辛勤工作是分不開(kāi)的。作為我國(guó)高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域的創(chuàng)始者之一，在國(guó)內(nèi)他最早提出進(jìn)行高溫超導(dǎo)體的研究探索，最早提出建立國(guó)家超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)兩次獲得國(guó)家自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)─國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，使我國(guó)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(jià)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(guó)物理學(xué)家麥克米蘭根據(jù)理論計(jì)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(guò)40K，該溫度稱為“麥克米蘭極限”溫度。因?yàn)槌瑢?dǎo)臨界溫度極低，必須使用液氦進(jìn)行冷卻（液氦的沸點(diǎn)為4.2K），但氦是稀有氣體，液氦制備和儲(chǔ)存都很困難，成本也很高，所以，超導(dǎo)體在當(dāng)時(shí)的應(yīng)用受到極大限制，那么，尋找高溫超導(dǎo)體理所當(dāng)然就成為全世界科學(xué)家們的追求目標(biāo)。1977年，趙忠賢在國(guó)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(dá)到40K-55K，特殊情況下甚至能夠達(dá)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(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者也對(duì)趙忠賢的研究結(jié)論存在疑問(wèn)，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(guó)的超導(dǎo)研究走在世界的前面。1986年，趙忠賢科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了銅氧化物超導(dǎo)體的研究。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備。課題組成員艱苦奮斗，經(jīng)常通宵實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室煮面條，在實(shí)驗(yàn)室的凳子上睡覺(jué)。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)個(gè)深夜苦熬，終于迎來(lái)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(jìn)行冷卻，屬于液氮溫區(qū)超導(dǎo)體（液氮的沸點(diǎn)為77.3K），這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以無(wú)限重復(fù)。課題組都為此歡呼。當(dāng)時(shí)，趙忠賢已經(jīng)連續(xù)工作了兩天兩夜，這當(dāng)然是一個(gè)世界級(jí)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?dú)庠诳諝庵写罅看嬖?，可以通過(guò)分離空氣法獲得，而液氦的價(jià)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(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)在紐約召開(kāi)，出于對(duì)高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域成果的重視，會(huì)議臨時(shí)增加了高臨界溫度超導(dǎo)體專門會(huì)場(chǎng)。超導(dǎo)體會(huì)議報(bào)告內(nèi)容很多，從晚上開(kāi)始，一直進(jìn)行到凌晨，共持續(xù)了近8個(gè)小時(shí)。中國(guó)科學(xué)家趙忠賢在報(bào)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(dòng)，該研究成果標(biāo)志著新中國(guó)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(guó)人不僅能夠在物理領(lǐng)域的前沿進(jìn)行科學(xué)研究，而且智慧的中國(guó)科學(xué)家可以質(zhì)疑西方學(xué)者的理論，并且成功進(jìn)行超越。?1989年，趙忠賢獲得國(guó)家自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)─國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，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(xiàn)精神值得同學(xué)們學(xué)習(xí)。

“熱的時(shí)候要堅(jiān)持，冷的時(shí)候更要堅(jiān)持”，他說(shuō)，“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(fēng)順的，90年代中后期，國(guó)內(nèi)外的高溫超導(dǎo)領(lǐng)域基本上沒(méi)有什么實(shí)用的研究成果，很多學(xué)者放棄了高溫超導(dǎo)研究而轉(zhuǎn)向到其他研究領(lǐng)域，國(guó)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(jiān)持高溫超導(dǎo)的研究，他有一顆執(zhí)著的心，相信只要堅(jiān)持就會(huì)有突破。團(tuán)隊(duì)上下一如既往地潛心研究，這次課題組把研究重點(diǎn)放在了可塑性好的鐵基超導(dǎo)體的研究上，經(jīng)過(guò)論證和大量實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)終于研制了50K以上的鐵基高溫超導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)了55K鐵基超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變的新紀(jì)錄。由于鐵基高溫超導(dǎo)體的可塑性好，可以制成超導(dǎo)長(zhǎng)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(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，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(jiān)毅執(zhí)著的精神，愛(ài)國(guó)敬業(yè)的精神，忘我奉獻(xiàn)的精神，艱苦奮斗的老黃牛精神，值得我們學(xué)生和科技工作者學(xué)習(xí)。

（二）培養(yǎng)學(xué)生科研探索精神，樹(shù)立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、服務(wù)社會(huì)理念

2021年3月5日，十三屆全國(guó)人民代表大會(huì)第四次會(huì)議召開(kāi)，李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中提到的“創(chuàng)新”有40多次，可見(jiàn)，創(chuàng)新在我國(guó)社會(huì)主義建設(shè)中的重要性。本文在講授儲(chǔ)氫合金時(shí)，介紹廣東省科學(xué)院稀有金屬研究所高級(jí)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(yuǎn)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(méi)有污染，那么，低碳排放或者沒(méi)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(biāo)。如今，島上安裝了風(fēng)力發(fā)電裝置和太陽(yáng)能電池板發(fā)電裝置，利用島上的風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電，島上無(wú)人的閑時(shí)，太陽(yáng)能和風(fēng)能產(chǎn)生的電能對(duì)水進(jìn)行電解處理，產(chǎn)生氫氣和氧氣，系統(tǒng)把氫氣儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)人們來(lái)到島上生活時(shí)，通過(guò)燃料電池把氫能轉(zhuǎn)化為電能供生活使用。整個(gè)過(guò)程工作安靜，可再生利用，并且是清潔無(wú)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(guó)廣東省稀有金屬研究所能源中心的孫泰博士團(tuán)隊(duì)就是為這個(gè)氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)提供固態(tài)儲(chǔ)氫材料和技術(shù)支持的。孫泰致力于固態(tài)儲(chǔ)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(kāi)發(fā)出多個(gè)商用產(chǎn)品。他致力于把所學(xué)到的專業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)化為科技產(chǎn)品，并應(yīng)用到日常生活當(dāng)中。

儲(chǔ)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(jìn)入合金原子之間的空隙中，與合金原子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成金屬氫化物，從外表看來(lái)，表現(xiàn)為大量地吸收氫氣分子。加熱金屬氫化物時(shí)，氫化物發(fā)生分解反應(yīng)，氫原子會(huì)釋放出來(lái)，并結(jié)合成氫分子。這些金屬可以看成是儲(chǔ)存氫氣的容器，所以稱為儲(chǔ)氫合金。一定條件下，儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)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(xué)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(shí)質(zhì)是電解水的逆反應(yīng)，向陽(yáng)極和陰極分別供給氫氣和氧氣，氫氣通過(guò)陽(yáng)極向外部擴(kuò)散并與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放的電子通過(guò)外部負(fù)載也就是用電器到達(dá)陰極，電子的運(yùn)動(dòng)即產(chǎn)生電流，從而實(shí)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(chǔ)氫技術(shù)。課題組一直致力于配合燃料電池的固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)攻關(guān)，現(xiàn)階段，與華南理工大學(xué)的燃料電池團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)的燃料電池及儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)了風(fēng)力（太陽(yáng)能）發(fā)電-電解水制氫-氫氣存儲(chǔ)-燃料電池發(fā)電的集成電源系統(tǒng)，這種氫燃料電池對(duì)環(huán)境無(wú)污染，它是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，而不是采用燃燒（汽、柴油）方式發(fā)電，汽柴油燃燒會(huì)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(huì)產(chǎn)生水和熱。整個(gè)循環(huán)不產(chǎn)生有害物質(zhì)排放。如今，課題組出售的儲(chǔ)氫合金多達(dá)十幾噸，真正實(shí)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(chǔ)氫技術(shù)和材料還應(yīng)用到筆記本電腦電源、無(wú)人機(jī)燃料電池儲(chǔ)氫系統(tǒng)等產(chǎn)品領(lǐng)域。

科研的目的是為了服務(wù)社會(huì)，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(yán)格，但是作為產(chǎn)品一定要質(zhì)量穩(wěn)定，運(yùn)行可靠！團(tuán)隊(duì)必須實(shí)驗(yàn)各種排列組合的配方，不停地反復(fù)實(shí)驗(yàn)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品是成百上千次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，凝聚著課題組的辛勤汗水。目前，課題組把握市場(chǎng)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(huì)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神是學(xué)生們學(xué)習(xí)的榜樣。

三、結(jié)語(yǔ)

人物事例融入《功能材料》課程的教學(xué)改革實(shí)踐效果很好，通過(guò)文字、圖片、視頻的方式介紹具體的人物事例，學(xué)生在課堂上的注意力集中，氣氛活躍，討論環(huán)節(jié)踴躍。學(xué)生既學(xué)習(xí)到了理論知識(shí)，又樹(shù)立了正確的價(jià)值觀，培養(yǎng)了艱苦奮斗精神、愛(ài)國(guó)奉獻(xiàn)精神、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神，提升了責(zé)任感和使命感，達(dá)到了課程教學(xué)改革的目標(biāo)[5]。

參考文獻(xiàn)：

[1]高德毅，宗愛(ài)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(wú)機(jī)功能材料”課程思政初探[J].教育教學(xué)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(jìn)功能材料》探索[J].科技風(fēng)，2020，（19）：59.

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

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

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