＊樊哲瓊 譚瑞軒 毛衛(wèi)國(guó) 易文君 賀浩 周哲

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 湖南 410114 2.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 湖南 410082）

炭材料是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的材料種類之一，在航空航天、核能、電子、機(jī)械、冶金工業(yè)等領(lǐng)域均具有重要應(yīng)用。隨著新型炭材料的發(fā)展，如碳纖維、碳納米管、石墨烯等炭材料的相繼問(wèn)世，炭材料開(kāi)始逐漸走入人們的生活和視野。因此，為適應(yīng)當(dāng)前科研和就業(yè)的需要，國(guó)內(nèi)各大院校紛紛開(kāi)設(shè)炭材料相關(guān)課程。該類專業(yè)課程的教學(xué)在材料、化工類人才培養(yǎng)中具有重要地位。

1.國(guó)內(nèi)炭材料相關(guān)教學(xué)課程的特點(diǎn)與現(xiàn)狀

碳元素是地球上存量最豐富的元素之一，碳元素電子軌道的多樣性（sp、sp2、sp3雜化）和結(jié)構(gòu)排列的豐富性（各向異性、各向同性），使人工制備出的炭材料具有多種多樣的種類及性質(zhì)。早在20 世紀(jì)之前，木炭、焦炭、天然石墨、炭黑等炭材料已在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中被人們廣泛使用。1985 年，C60 的發(fā)現(xiàn)帶領(lǐng)人們進(jìn)入了全新的炭世界，其發(fā)現(xiàn)者Robert F.Curl, Jr、Harold Kroto 和Richard E.Smalley也因此獲得了1996 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1991 年，日本的S.Iijima 教授發(fā)現(xiàn)的碳納米管以其優(yōu)異的光、電、力學(xué)性能受到了人們的廣泛關(guān)注。2010 年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Andre Geim 和Konstantin Novoselov 因石墨烯的發(fā)現(xiàn)而獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。隨著科技的發(fā)展，人們不斷發(fā)現(xiàn)和利用炭材料，而炭材料也在各個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景，因此，炭材料始終是世界各國(guó)科學(xué)家研究的熱點(diǎn)材料之一。

為適應(yīng)當(dāng)今科學(xué)研究熱點(diǎn)領(lǐng)域和就業(yè)市場(chǎng)熱門行業(yè)對(duì)炭材料知識(shí)的需求，國(guó)內(nèi)各大院校材料學(xué)、材料化學(xué)、無(wú)機(jī)非金屬等專業(yè)紛紛開(kāi)設(shè)了炭材料相關(guān)課程。對(duì)于炭材料課程開(kāi)設(shè)的時(shí)間，部分高校在本科教學(xué)中就已經(jīng)開(kāi)設(shè)炭材料相關(guān)課程，如清華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的《新型碳材料》課程，天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的《功能碳材料》。而部分高校的炭材料相關(guān)課程僅針對(duì)材料類、化學(xué)類專業(yè)研究生開(kāi)設(shè)，如東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為博士研究生開(kāi)設(shè)的《碳材料科學(xué)》，南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院為碩士研究生開(kāi)設(shè)的《新型碳材料》課程，課程內(nèi)容更深入且更具應(yīng)用性。此外，部分高校雖沒(méi)有開(kāi)設(shè)專門的炭材料相關(guān)課程，但在無(wú)機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)或材料前沿等課程中均會(huì)涉及到炭材料知識(shí)的學(xué)習(xí)[1]。

對(duì)于炭材料課程的教學(xué)，與其他課程教學(xué)相比，主要存在以下兩個(gè)特點(diǎn)。

（1）課程知識(shí)體系分支廣泛，涉及多個(gè)學(xué)科交叉。其教學(xué)內(nèi)容中既包括基本原理的講授，又涉及到材料的實(shí)際應(yīng)用，是一門基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)理論實(shí)踐緊密結(jié)合的綜合性學(xué)科[2-3]。例如，在基礎(chǔ)理論部分，炭材料的電子雜化軌道、晶體結(jié)構(gòu)等內(nèi)容是《結(jié)構(gòu)化學(xué)》《物理化學(xué)》中的基礎(chǔ)知識(shí)；而炭材料優(yōu)異的熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等物理性質(zhì)則涉及到了《大學(xué)物理》《材料物理性能》等課程的教學(xué)內(nèi)容。此外，炭材料的應(yīng)用又涉及到了復(fù)合材料、鋰離子電池等課程內(nèi)容。因此，在開(kāi)展炭材料課程授課之前，要求學(xué)生具有較為完備且廣泛的知識(shí)體系。

（2）課程教學(xué)內(nèi)容繁多。碳元素具有眾多的同素異構(gòu)體，如金剛石、石墨、無(wú)定形碳、C60、石墨烯、碳納米管等，因此，需要根據(jù)實(shí)際授課對(duì)象的需求，有針對(duì)性地選擇授課內(nèi)容。如何在全面涵蓋大部分知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)根據(jù)學(xué)生群體的差異有所側(cè)重，也是該課程教學(xué)的一大難題[4]。目前，炭材料相關(guān)課程主要分為三類：①炭材料概括性基礎(chǔ)知識(shí)的介紹，包括炭材料的基本結(jié)構(gòu)、基本性質(zhì)等，如大連理工大學(xué)開(kāi)設(shè)的《碳材料基礎(chǔ)》、東北林業(yè)大學(xué)開(kāi)設(shè)的《碳材料科學(xué)》等；②詳細(xì)地講解各類新型炭材料，例如，碳納米管、石墨烯等新型炭材料的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)、應(yīng)用，如清華大學(xué)、北京化工大學(xué)等學(xué)校開(kāi)設(shè)的《新型碳材料》；③傳統(tǒng)碳素材料的制備及應(yīng)用，主要針對(duì)的是石墨電極、核石墨等炭材料，如湖南大學(xué)開(kāi)設(shè)的《碳素材料》、昆明冶金高等專科學(xué)校開(kāi)設(shè)的《炭素工藝學(xué)》等。

2.《炭及石墨材料》課程改革擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

《炭及石墨材料》課程是我校材料學(xué)院無(wú)機(jī)非金屬材料工程專業(yè)一門重要的專業(yè)選修課，是學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課程之后的延伸課程，對(duì)整體專業(yè)課程的學(xué)習(xí)具有完善作用。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生能夠初步了解炭及石墨材料的基本概念、基本特性及制備方法，掌握炭及石墨材料所研究的對(duì)象和內(nèi)容，特點(diǎn)和應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展方向。課程為無(wú)機(jī)非金屬材料工程專業(yè)的學(xué)生拓寬知識(shí)口徑及畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）和從事專業(yè)工作奠定重要的理論基礎(chǔ)。該門課程的教學(xué)實(shí)施對(duì)拓寬學(xué)生知識(shí)面、提高學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)水平和鞏固學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感具有重要意義。為契合專業(yè)“高素質(zhì)復(fù)合型專門人才和行業(yè)精英”的培養(yǎng)目標(biāo)，本課程將從課程內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段及課程評(píng)價(jià)體系三方面內(nèi)容進(jìn)行改革探索，以提升課程教學(xué)質(zhì)量和育人效果。

首先，課程體系的合理構(gòu)建和課程內(nèi)容的優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和保障人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要抓手。隨著炭材料領(lǐng)域的不斷發(fā)展進(jìn)步，炭材料課程教學(xué)內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)大幅擴(kuò)容，課程知識(shí)更新與有限學(xué)時(shí)之間存在一定矛盾[4]。此外，《炭及石墨材料》課程涉及知識(shí)面既廣又雜，不僅包括基礎(chǔ)理論部分還包括實(shí)際技術(shù)應(yīng)用部分，且基礎(chǔ)內(nèi)容學(xué)習(xí)通常安排在實(shí)際技術(shù)應(yīng)用學(xué)習(xí)之前。過(guò)于抽象和繁雜的基礎(chǔ)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)會(huì)在很大程度上影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。而對(duì)于學(xué)生具有相對(duì)較高學(xué)習(xí)興趣的技術(shù)應(yīng)用部分的課程知識(shí)，由于學(xué)生缺乏對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的深度掌握，學(xué)生無(wú)法較好地完成由基礎(chǔ)理論與技術(shù)應(yīng)用之間的銜接[5]，存在“外行看熱鬧”的問(wèn)題。如此循環(huán)往復(fù)，課程教學(xué)效果不佳。

其次，在信息化時(shí)代，單一的講授式教學(xué)模式已經(jīng)無(wú)法滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，一味地“填鴨式”教學(xué)容易引起學(xué)生反感，尤其是在學(xué)習(xí)枯燥無(wú)味的基礎(chǔ)理論知識(shí)時(shí)，學(xué)生容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)倦怠和抵觸情緒，不可避免地降低了課堂教學(xué)效率。盡管部分老師嘗試通過(guò)問(wèn)題引入、課堂提問(wèn)等方式來(lái)增加老師和學(xué)生的互動(dòng)，活躍教學(xué)氣氛，但學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)和主體意識(shí)未被真正激發(fā)，學(xué)生難以建立較為完備的炭材料基礎(chǔ)理論知識(shí)體系，課堂教學(xué)效果不理想。

最后，完善的考核評(píng)價(jià)方式是調(diào)動(dòng)學(xué)生課堂參與積極性的有效保障之一。通常專業(yè)選修課的考核方式為“平時(shí)成績(jī)+期末考試”的形式，平時(shí)成績(jī)包括出勤情況、課堂表現(xiàn)和作業(yè)完成情況等方面，期末考試則以課程論文的形式進(jìn)行判定。這種傳統(tǒng)的考核評(píng)價(jià)方式不夠全面，僅考核了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度，缺乏對(duì)學(xué)生其它方面，如團(tuán)隊(duì)合作、創(chuàng)新精神等方面的考察，并不能綜合反映學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和效果。

3.《炭及石墨材料》課程采用的改革措施

(1)合理選擇與優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

炭材料課程內(nèi)容具有知識(shí)點(diǎn)多、知識(shí)面廣的特點(diǎn)，授課教師可根據(jù)不同學(xué)科和專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)，在教學(xué)內(nèi)容上合理取舍，依據(jù)實(shí)際授課學(xué)時(shí)選取最適合本專業(yè)自身發(fā)展需要的教學(xué)內(nèi)容?？紤]到我校無(wú)機(jī)非金屬材料工程專業(yè)學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)、研究深造和就業(yè)方向等方面對(duì)炭材料知識(shí)的儲(chǔ)備需求，本課程的教學(xué)內(nèi)容在傳統(tǒng)碳素材料和新型炭材料方面均有涉及，其具體的教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時(shí)安排和主要知識(shí)點(diǎn)，如表1 所示。

表1 《炭及石墨材料》課程內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配

從表1 可以看到，本課程的教學(xué)內(nèi)容安排以“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—制備—應(yīng)用”的邏輯脈絡(luò)進(jìn)行構(gòu)筑，主要包括三部分：炭材料的基礎(chǔ)知識(shí)、炭材料的制備和幾種典型炭材料的介紹。在炭材料的基礎(chǔ)知識(shí)中，重點(diǎn)關(guān)注炭材料的結(jié)構(gòu)特征和結(jié)構(gòu)表征，包括從微觀、介觀及宏觀尺度下分析炭材料結(jié)構(gòu)的構(gòu)成單元，以及它們?cè)诓煌叨葯z測(cè)儀器下所呈現(xiàn)的形貌特征，并將這些結(jié)構(gòu)單元與材料的宏觀性能之間建立聯(lián)系；在炭材料的制備中，重點(diǎn)關(guān)注炭化工藝和石墨化工藝，探討炭化工藝的基本要求及材料在炭化工藝中如何最終轉(zhuǎn)變?yōu)樘坎牧希治鍪に噷?duì)于炭材料結(jié)構(gòu)和性能的改變作用；在典型炭材料介紹中，分別選擇炭黑、碳素制品、C/C 復(fù)合材料和石墨烯四種典型炭材料進(jìn)行介紹，其中，炭黑和碳素制品屬于傳統(tǒng)炭材料范疇，C/C 復(fù)合材料和石墨烯則屬于新型炭材料，課程主要從這四種炭材料的制備手段、性質(zhì)特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域三方面進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過(guò)學(xué)習(xí)這些傳統(tǒng)炭材料和新型炭材料的制備及性質(zhì)特征，使學(xué)生能夠?qū)μ坎牧系陌l(fā)展有更深入的理解。此外，還應(yīng)該將講授內(nèi)容的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)及時(shí)更新到教學(xué)內(nèi)容中，這不僅可以吸引學(xué)生注意，提高其學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)生的創(chuàng)新積極性，還可以使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到任何高精尖的理論或技術(shù)都是建立在牢牢掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)之上的，以此提高學(xué)生對(duì)炭材料基礎(chǔ)理論知識(shí)的重視程度。

(2)創(chuàng)新教學(xué)模式

教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)綜合運(yùn)用多種教學(xué)模式，如案例分析、研討式教學(xué)等，多樣化授課，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)課堂教學(xué)活力，實(shí)現(xiàn)從單向講授課堂向雙向交流式課堂轉(zhuǎn)變，從知識(shí)接受課堂到能力開(kāi)發(fā)課堂的轉(zhuǎn)變。以炭化章節(jié)的講授為例，首先，通過(guò)回憶傳統(tǒng)金屬材料冶煉—加工的制備過(guò)程，引發(fā)學(xué)生思考“我們?nèi)粘Ｉ钪谐霈F(xiàn)的各類炭材料是否也是通過(guò)冶煉石墨礦的形式獲得？”，并依據(jù)碳元素的相圖引導(dǎo)學(xué)生從理論層面分析“為什么炭材料需要特殊的制備工藝？”。其次，通過(guò)觀看木炭的燒制視頻，要求學(xué)生從視頻中提取炭化工藝的關(guān)鍵參數(shù)：合適的溫度和惰性氣氛，引出炭化工藝的定義。最后，在講授完成炭化工藝的特點(diǎn)后，從不同的案例，如處理生活污泥、制備工藝品等分析炭化工藝除了制備炭材料外，還可以給我們的日常生活帶來(lái)哪些便利。通過(guò)有效梳理炭化工藝的知識(shí)點(diǎn)（作用、關(guān)鍵工藝參數(shù)、應(yīng)用），幫助學(xué)生建立炭化工藝知識(shí)體系。

在課件制作上，教師可在課件中加入豐富的視頻、動(dòng)畫甚至模擬軟件等素材，盡可能豐富課件，以快速吸引學(xué)生的注意力，也可幫助學(xué)生更直觀地理解一些抽象概念。同時(shí)，教師在授課前及時(shí)將課件上傳至學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，方便學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)鞏固，并添加部分最新研究文獻(xiàn)報(bào)道作為授課知識(shí)點(diǎn)的擴(kuò)展閱讀內(nèi)容，幫助學(xué)生增加知識(shí)攝取量，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展探究性學(xué)習(xí)。

(3)完善考核評(píng)價(jià)模式

盡管在考核評(píng)價(jià)方式上，課程仍采用“平時(shí)成績(jī)+期末考試”的考評(píng)方式，但這兩部分考察內(nèi)容有所改變。其中，平時(shí)成績(jī)部分增加了學(xué)生匯報(bào)討論P(yáng)PT 成績(jī)，引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度安排，在課后通過(guò)查閱資料、觀看視頻等途徑對(duì)教師的課堂內(nèi)容以PPT 的形式進(jìn)行補(bǔ)充講解，此項(xiàng)工作旨在增強(qiáng)師生間的交流互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)與協(xié)作精神。在期末考試部分，不再單純以課程論文的方式進(jìn)行考核，而改革為課程論文和小組自選題匯報(bào)結(jié)合，并在匯報(bào)中進(jìn)行教師提問(wèn)和組間提問(wèn)互評(píng)，提高學(xué)生的邏輯思維和語(yǔ)言表達(dá)能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。教師按照學(xué)生的專業(yè)知識(shí)掌握度、態(tài)度、能力等方面對(duì)學(xué)生綜合能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，使課程考核方式更全面、公平。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)《炭及石墨材料》課程在教學(xué)培養(yǎng)過(guò)程中存在問(wèn)題的分析，筆者從合理選擇與優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)模式、完善考核評(píng)價(jià)模式三方面入手探討了該課程的教學(xué)改革策略，以期達(dá)到進(jìn)一步提高本科生專業(yè)知識(shí)能力和工程素養(yǎng)的目的。