高校本科《功能材料》课程课堂教学改革实践探索

金光 段占强 张宝迪

摘 要：对《功能材料》课程进行课堂教学改革，授课中融入该领域研究及发展现状，以人物事例─高温超导体研制的先驱之一，中科院赵忠贤院士的研究历程来展示我国科学家的成就，激发学生的科学探索精神、爱岗敬业精神以及责任感和使命感;以固态储氢系统研发及应用的实施者，广东省科学院稀有金属研究所高级工程师孙泰博士的科研和产品应用来展示创业者的创新成果，培养学生科学研究和创新产品服务社会的创新创业精神。课堂教学效果良好。

关键词：功能材料;课堂教学改革;人物事例

《功能材料》课程是金属材料工程本科专业的一门必修课程。学生在学习完成材料科学基础、材料性能学等主要专业基础课之后，根据已经掌握的材料科学的基本理论继续学习具有特殊功能的材料，例如超导材料、储氢合金、非晶态合金、形状记忆合金、磁性材料、半导体材料、激光材料、红外材料以及与人体相关联的生物医学材料等功能材料的相关知识，侧重金属功能材料的学习。通过学习，使学生了解和初步掌握当今世界上正在研究和使用的先进功能材料，掌握基本理论及应用，开阔学生的知识视野，进一步培养学生对本专业的感情并树立为本专业而奋斗献身的精神;对于继续攻读硕士研究生乃至博士生的同学，《功能材料》课程可以为本科学生提供重要的参考领域，有助于考研的同学设计自己未来的研究方向和职业规划。

原有的《功能材料》课程只是讲授理论、性能和应用，基本上没有该领域人物的介绍，学生学习过程中感到较为枯燥，很少了解到该领域国内外的最新成果，很少了解到该领域的人物事迹，为适应国家新时代高等教育的要求，展示我国功能材料领域的科技成果以及科技工作者的奋斗历程，体现爱岗爱国、创新创业精神，《功能材料》课程在原有授课内容的基础上引入课堂教学改革。通过在课堂教学中引入具体的人物事例，丰富课程教学内容，提升学生的科学探索精神、爱岗敬业精神、创新创业精神、工匠精神、爱国精神，为人民服务精神，从而实现课程的教学改革目标[1-4]。

一、人物事例融入《功能材料》课堂教学改革的实施方法

《功能材料》课程作为金属材料工程专业学生的必修课，是专业方向课，考查课。课程的特点是讲授多种功能材料，例如包括超导材料、储氢合金、非晶态合金、形状记忆合金、生物材料等等，各种功能材料之间的联系很小，它们的理论不同、特点不同、应用也不相同，可以说每一种功能材料都是一个独立的领域体系，是一个独立的授课单元。这也决定了课程讲授过程中每一部分的相对对立性，所以根据该课程的特点，在讲授过程中采取针对每种功能材料均介绍该材料的发展现状，用结合图片和视频重点讲述我国科技工作者在该领域的研究历程和成果，学习他们孜孜不倦、刻苦钻研、爱岗爱国、创新创业的精神。

二、《功能材料》课程具体人物事例

在授課过程中，人物事例融入课程体系例子很多，本文通过两个人物事例，分别对应两种功能材料的发展来阐述课程的教学改革，从而实现课程的教学改革目标。具体事例如下：

（一）培养学生爱国奉献，坚持不懈的奋斗精神，提升学生责任感和使命感

在讲授超导材料时，介绍我国高温超导领域研究的先驱之一，中科院院士赵忠贤。

当今时代，科学技术对国家和社会的影响越来越深刻。建国70多年以来，我国高温超导领域的研究实现了从无到有，从追赶到领先的超越，这些成绩的获得与赵忠贤院士的辛勤工作是分不开的。作为我国高温超导研究领域的创始者之一，在国内他最早提出进行高温超导体的研究探索，最早提出建立国家超导实验室，带领科研团队两次获得国家自然科学领域的最高奖─国家自然科学一等奖，使我国高温超导领域的研究走在世界的前列。

超导体指的是某温度下，电阻为零的导体。超导体可应用于超导核磁共振层析成像仪、超导磁悬浮列车等领域，具有重要的应用价值。在物理界，超导临界温度在40K以上的超导体被称为高温超导体。美国物理学家麦克米兰根据理论计算得出结果，超导体的超导临界转变温度不能超过40K，该温度称为“麦克米兰极限”温度。因为超导临界温度极低，必须使用液氦进行冷却（液氦的沸点为4.2K），但氦是稀有气体，液氦制备和储存都很困难，成本也很高，所以，超导体在当时的应用受到极大限制，那么，寻找高温超导体理所当然就成为全世界科学家们的追求目标。1977年，赵忠贤在国际知名杂志《物理》上发表文章，指出超导体的超导临界温度能够达到40K-55K，特殊情况下甚至能够达到80K。这种结论与传统的“麦克米兰极限”温度理论产生了冲突，当时，国内外很多学者也对赵忠贤的研究结论存在疑问，但赵忠贤不怕质疑，依然继续自己的研究思路，他要使我国的超导研究走在世界的前面。1986年，赵忠贤科研团队开展了铜氧化物超导体的研究。实验室的条件比较差，它们自制烧结电炉烧结样品，用淘汰的设备自己改装成有用的实验设备。课题组成员艰苦奋斗，经常通宵实验，在实验室煮面条，在实验室的凳子上睡觉。经过无数个深夜苦熬，终于迎来了希望的曙光！1986年12月，课题组首次在镧钡铜氧组成物中，发现了起始温度为70K的超导转变现象。次年的2月19日深夜，课题组在钇钡铜氧化物中发现了超导临界转变温度为93K的高温超导体，该超导体可以使用液氮进行冷却，属于液氮温区超导体（液氮的沸点为77.3K），这个实验结果可以无限重复。课题组都为此欢呼。当时，赵忠贤已经连续工作了两天两夜，这当然是一个世界级的研究成果，超导冷却介质从4.2K的液氦温区提高到了77.3K的液氮温区，大幅度降低了制冷难度。氮气在空气中大量存在，可以通过分离空气法获得，而液氦的价格是液氮的几十倍，该超导体的发现可以节约大量成本。1987年的3月18日，美国物理学会年会在纽约召开，出于对高温超导研究领域成果的重视，会议临时增加了高临界温度超导体专门会场。超导体会议报告内容很多，从晚上开始，一直进行到凌晨，共持续了近8个小时。中国科学家赵忠贤在报告中首次公布了液氮温区超导体的元素组成：钇钡铜氧，这在世界上引起了轰动，该研究成果标志着新中国的高温超导研究领域已经领先于世界，证明了中国人不仅能够在物理领域的前沿进行科学研究，而且智慧的中国科学家可以质疑西方学者的理论，并且成功进行超越。 1989年，赵忠贤获得国家自然科学领域的最高奖─国家自然科学一等奖，表彰的成果就是将超导材料的临界转变温度从液氦温区提高到了液氮温区。赵忠贤院士孜孜不倦的科研精神，艰苦奋斗的奉献精神值得同学们学习。

“热的时候要坚持，冷的时候更要坚持”，他说，“这辈子只做一件事，那就是寻找更好的超导材料。”高温超导体的研究并不是一帆风顺的，90年代中后期，国内外的高温超导领域基本上没有什么实用的研究成果，很多学者放弃了高温超导研究而转向到其他研究领域，国内的高温超导研究陷入了低谷。但赵忠贤不放弃，始终坚持高温超导的研究，他有一颗执着的心，相信只要坚持就会有突破。团队上下一如既往地潜心研究，这次课题组把研究重点放在了可塑性好的铁基超导体的研究上，经过论证和大量实验，团队终于研制了50K以上的铁基高温超导体，实现了55K铁基超导体转变的新纪录。由于铁基高温超导体的可塑性好，可以制成超导长线，该研究成果预示着超导技术可以走向大规模的应用。2014年，赵忠贤院士再次获得国家自然科学一等奖，成果就是铁基高温超导体的成功研制。

赵忠贤院士的勇于探索的精神，坚毅执着的精神，爱国敬业的精神，忘我奉献的精神，艰苦奋斗的老黄牛精神，值得我们学生和科技工作者学习。

（二）培养学生科研探索精神，树立创新创业、服务社会理念

2021年3月5日，十三届全国人民代表大会第四次会议召开，李克强总理在政府工作报告中提到的“创新”有40多次，可见，创新在我国社会主义建设中的重要性。本文在讲授储氢合金时，介绍广东省科学院稀有金属研究所高级工程师孙泰博士研发和创新创业历程。

世界海洋上有众多的岛屿，由于远离大陆海岸，不可能从大陆上架设高压输电线路，那么，岛屿上人们的生活用电就成为一大难题。这些岛屿环境优美，基本没有污染，那么，低碳排放或者没有碳排放的、环保的生产电能和使用电能的生活方式就成为人们追求的目标。如今，岛上安装了风力发电装置和太阳能电池板发电装置，利用岛上的风能和太阳能发电，岛上无人的闲时，太阳能和风能产生的电能对水进行电解处理，产生氢气和氧气，系统把氢气储存起来，当人们来到岛上生活时，通过燃料电池把氢能转化为电能供生活使用。整个过程工作安静，可再生利用，并且是清洁无污染的。如今，欧洲许多岛屿的供电采用的就是这种形式。我国广东省稀有金属研究所能源中心的孙泰博士团队就是为这个氢气储能系统提供固态储氢材料和技术支持的。孙泰致力于固态储氢领域的应用研究及技术产业化研发，现阶段已经开发出多个商用产品。他致力于把所学到的专业知识转化为科技产品，并应用到日常生活当中。

储氢合金是指既能吸收氢气，又能放出氢气，能够循环使用的合金材料。氢分子在一定的温度和压力的条件下分解成氢原子，氢原子能够进入合金原子之间的空隙中，与合金原子进行化学反应生成金属氢化物，从外表看来，表现为大量地吸收氢气分子。加热金属氢化物时，氢化物发生分解反应，氢原子会释放出来，并结合成氢分子。这些金属可以看成是储存氢气的容器，所以称为储氢合金。一定条件下，储氢合金储存氢气的量比相同体积的固态氢和液态氢还要多。把氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置就是氢燃料电池。氢燃料电池实质是电解水的逆反应，向阳极和阴极分别供给氢气和氧气，氢气通过阳极向外部扩散并与电解质发生化学反应，释放的电子通过外部负载也就是用电器到达阴极，电子的运动即产生电流，从而实现了发电，供生活使用。

孙泰就职于广东省稀有金属研究所，硕士和博士研究的都是储氢技术。课题组一直致力于配合燃料电池的固态储氢技术攻关，现阶段，与华南理工大学的燃料电池团队共同开发的燃料电池及储氢系统已经卖到了欧洲，在离岸岛屿作为分布式电源使用。实现了风力（太阳能）发电-电解水制氢-氢气存储-燃料电池发电的集成电源系统，这种氢燃料电池对环境无污染，它是通过电化学反应，而不是采用燃烧（汽、柴油）方式发电，汽柴油燃烧会释放一氧化碳、氮氧化物、硫化物气体和粉尘等污染物，而氢燃料电池只会产生水和热。整个循环不产生有害物质排放。如今，课题组出售的储氢合金多达十几吨，真正实现了把科研成果转化成为高科技产品。除此之外，课题组的储氢技术和材料还应用到笔记本电脑电源、无人机燃料电池储氢系统等产品领域。

科研的目的是为了服务社会，能够研制成产品是非常了不起的！科研成果的重現性、稳定性、再现性可能要求并不是十分严格，但是作为产品一定要质量稳定，运行可靠！团队必须实验各种排列组合的配方，不停地反复实验，重复实验，质量稳定的产品是成百上千次实验的结果，凝聚着课题组的辛勤汗水。目前，课题组把握市场导向，正在研发应用于氢燃料电池汽车的加氢站系统。

孙泰博士的刻苦钻研的精神，把科研成果转化为产品服务社会的创新创业精神是学生们学习的榜样。

三、结语

人物事例融入《功能材料》课程的教学改革实践效果很好，通过文字、图片、视频的方式介绍具体的人物事例，学生在课堂上的注意力集中，气氛活跃，讨论环节踊跃。学生既学习到了理论知识，又树立了正确的价值观，培养了艰苦奋斗精神、爱国奉献精神、创新创业精神，提升了责任感和使命感，达到了课程教学改革的目标[5]。

参考文献：

[1]高德毅，宗爱东.课程思政：有效发挥课堂育人主渠道作用的必然选择[J].思想理论教育导刊，2017，（01）：31-34.

[2]李翠霞.高校专业课程”无机功能材料”课程思政初探[J].教育教学论坛，2019，（49）：28-29.

[3]赵海涛，李鑫，李增荣.课程思政融入研究生课程《先进功能材料》探索[J].科技风，2020，（19）：59.

[4]望红玉，王自洁.新工科背景下《先进功能材料》课程教学改革探索[J].科技风，2020，（36）：29-31.

[5]刘红.对高校”课程思政”立德树人机制的思考[J].教育现代化，2020，7（20）：59-61.

作者简介：金光（1971—  ），男，汉族，辽宁沈阳人，副教授，研究方向：金属材料及表面处理。

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