《炭及石墨材料》课程教学改革探讨

＊樊哲琼 谭瑞轩 毛卫国 易文君 贺浩 周哲

（1.长沙理工大学材料科学与工程学院 湖南 410114 2.湖南大学材料科学与工程学院 湖南 410082）

炭材料是国民经济发展不可或缺的材料种类之一，在航空航天、核能、电子、机械、冶金工业等领域均具有重要应用。随着新型炭材料的发展，如碳纤维、碳纳米管、石墨烯等炭材料的相继问世，炭材料开始逐渐走入人们的生活和视野。因此，为适应当前科研和就业的需要，国内各大院校纷纷开设炭材料相关课程。该类专业课程的教学在材料、化工类人才培养中具有重要地位。

1.国内炭材料相关教学课程的特点与现状

碳元素是地球上存量最丰富的元素之一，碳元素电子轨道的多样性（sp、sp2、sp3杂化）和结构排列的丰富性（各向异性、各向同性），使人工制备出的炭材料具有多种多样的种类及性质。早在20 世纪之前，木炭、焦炭、天然石墨、炭黑等炭材料已在工业生产和日常生活中被人们广泛使用。1985 年，C60 的发现带领人们进入了全新的炭世界，其发现者Robert F.Curl, Jr、Harold Kroto 和Richard E.Smalley也因此获得了1996 年诺贝尔化学奖。1991 年，日本的S.Iijima 教授发现的碳纳米管以其优异的光、电、力学性能受到了人们的广泛关注。2010 年，英国曼彻斯特大学的Andre Geim 和Konstantin Novoselov 因石墨烯的发现而获得了诺贝尔物理奖。随着科技的发展，人们不断发现和利用炭材料，而炭材料也在各个领域展现出了巨大的应用价值和良好的应用前景，因此，炭材料始终是世界各国科学家研究的热点材料之一。

为适应当今科学研究热点领域和就业市场热门行业对炭材料知识的需求，国内各大院校材料学、材料化学、无机非金属等专业纷纷开设了炭材料相关课程。对于炭材料课程开设的时间，部分高校在本科教学中就已经开设炭材料相关课程，如清华大学材料科学与工程学院的《新型碳材料》课程，天津大学材料科学与工程学院的《功能碳材料》。而部分高校的炭材料相关课程仅针对材料类、化学类专业研究生开设，如东北林业大学材料科学与工程学院为博士研究生开设的《碳材料科学》，南开大学化学学院为硕士研究生开设的《新型碳材料》课程，课程内容更深入且更具应用性。此外，部分高校虽没有开设专门的炭材料相关课程，但在无机化学、物理化学或材料前沿等课程中均会涉及到炭材料知识的学习[1]。

对于炭材料课程的教学，与其他课程教学相比，主要存在以下两个特点。

（1）课程知识体系分支广泛，涉及多个学科交叉。其教学内容中既包括基本原理的讲授，又涉及到材料的实际应用，是一门基础科学和技术理论实践紧密结合的综合性学科[2-3]。例如，在基础理论部分，炭材料的电子杂化轨道、晶体结构等内容是《结构化学》《物理化学》中的基础知识；而炭材料优异的热学、电学、力学等物理性质则涉及到了《大学物理》《材料物理性能》等课程的教学内容。此外，炭材料的应用又涉及到了复合材料、锂离子电池等课程内容。因此，在开展炭材料课程授课之前，要求学生具有较为完备且广泛的知识体系。

（2）课程教学内容繁多。碳元素具有众多的同素异构体，如金刚石、石墨、无定形碳、C60、石墨烯、碳纳米管等，因此，需要根据实际授课对象的需求，有针对性地选择授课内容。如何在全面涵盖大部分知识点的同时根据学生群体的差异有所侧重，也是该课程教学的一大难题[4]。目前，炭材料相关课程主要分为三类：①炭材料概括性基础知识的介绍，包括炭材料的基本结构、基本性质等，如大连理工大学开设的《碳材料基础》、东北林业大学开设的《碳材料科学》等；②详细地讲解各类新型炭材料，例如，碳纳米管、石墨烯等新型炭材料的结构及性质、应用，如清华大学、北京化工大学等学校开设的《新型碳材料》；③传统碳素材料的制备及应用，主要针对的是石墨电极、核石墨等炭材料，如湖南大学开设的《碳素材料》、昆明冶金高等专科学校开设的《炭素工艺学》等。

2.《炭及石墨材料》课程改革拟解决的关键问题

《炭及石墨材料》课程是我校材料学院无机非金属材料工程专业一门重要的专业选修课，是学生学习专业基础课程之后的延伸课程，对整体专业课程的学习具有完善作用。通过该课程的学习使学生能够初步了解炭及石墨材料的基本概念、基本特性及制备方法，掌握炭及石墨材料所研究的对象和内容，特点和应用及未来发展方向。课程为无机非金属材料工程专业的学生拓宽知识口径及毕业设计（论文）和从事专业工作奠定重要的理论基础。该门课程的教学实施对拓宽学生知识面、提高学生专业素养水平和巩固学生的专业认同感具有重要意义。为契合专业“高素质复合型专门人才和行业精英”的培养目标，本课程将从课程内容、教学方法和教学手段及课程评价体系三方面内容进行改革探索，以提升课程教学质量和育人效果。

首先，课程体系的合理构建和课程内容的优化是实现专业培养目标和保障人才培养质量的重要抓手。随着炭材料领域的不断发展进步，炭材料课程教学内容知识点大幅扩容，课程知识更新与有限学时之间存在一定矛盾[4]。此外，《炭及石墨材料》课程涉及知识面既广又杂，不仅包括基础理论部分还包括实际技术应用部分，且基础内容学习通常安排在实际技术应用学习之前。过于抽象和繁杂的基础理论知识的学习会在很大程度上影响学生的学习兴趣，导致学生缺乏学习的主动性。而对于学生具有相对较高学习兴趣的技术应用部分的课程知识，由于学生缺乏对基础理论知识的深度掌握，学生无法较好地完成由基础理论与技术应用之间的衔接[5]，存在“外行看热闹”的问题。如此循环往复，课程教学效果不佳。

其次，在信息化时代，单一的讲授式教学模式已经无法满足学生的学习需求，一味地“填鸭式”教学容易引起学生反感，尤其是在学习枯燥无味的基础理论知识时，学生容易产生学习倦怠和抵触情绪，不可避免地降低了课堂教学效率。尽管部分老师尝试通过问题引入、课堂提问等方式来增加老师和学生的互动，活跃教学气氛，但学生的自主学习意识和主体意识未被真正激发，学生难以建立较为完备的炭材料基础理论知识体系，课堂教学效果不理想。

最后，完善的考核评价方式是调动学生课堂参与积极性的有效保障之一。通常专业选修课的考核方式为“平时成绩+期末考试”的形式，平时成绩包括出勤情况、课堂表现和作业完成情况等方面，期末考试则以课程论文的形式进行判定。这种传统的考核评价方式不够全面，仅考核了学生对理论知识的掌握程度，缺乏对学生其它方面，如团队合作、创新精神等方面的考察，并不能综合反映学生的学习能力和效果。

3.《炭及石墨材料》课程采用的改革措施

(1)合理选择与优化教学内容

炭材料课程内容具有知识点多、知识面广的特点，授课教师可根据不同学科和专业学生特点，在教学内容上合理取舍，依据实际授课学时选取最适合本专业自身发展需要的教学内容。考虑到我校无机非金属材料工程专业学生在毕业设计、研究深造和就业方向等方面对炭材料知识的储备需求，本课程的教学内容在传统碳素材料和新型炭材料方面均有涉及，其具体的教学内容、学时安排和主要知识点，如表1 所示。

表1 《炭及石墨材料》课程内容及学时分配

从表1 可以看到，本课程的教学内容安排以“结构—性质—制备—应用”的逻辑脉络进行构筑，主要包括三部分：炭材料的基础知识、炭材料的制备和几种典型炭材料的介绍。在炭材料的基础知识中，重点关注炭材料的结构特征和结构表征，包括从微观、介观及宏观尺度下分析炭材料结构的构成单元，以及它们在不同尺度检测仪器下所呈现的形貌特征，并将这些结构单元与材料的宏观性能之间建立联系；在炭材料的制备中，重点关注炭化工艺和石墨化工艺，探讨炭化工艺的基本要求及材料在炭化工艺中如何最终转变为炭材料，分析石墨化工艺对于炭材料结构和性能的改变作用；在典型炭材料介绍中，分别选择炭黑、碳素制品、C/C 复合材料和石墨烯四种典型炭材料进行介绍，其中，炭黑和碳素制品属于传统炭材料范畴，C/C 复合材料和石墨烯则属于新型炭材料，课程主要从这四种炭材料的制备手段、性质特点和应用领域三方面进行学习。通过学习这些传统炭材料和新型炭材料的制备及性质特征，使学生能够对炭材料的发展有更深入的理解。此外，还应该将讲授内容的最新发展动态及时更新到教学内容中，这不仅可以吸引学生注意，提高其学习兴趣，增加学生的创新积极性，还可以使学生充分认识到任何高精尖的理论或技术都是建立在牢牢掌握基础理论知识之上的，以此提高学生对炭材料基础理论知识的重视程度。

(2)创新教学模式

教师在教学过程中应综合运用多种教学模式，如案例分析、研讨式教学等，多样化授课，提升学生的学习兴趣，激发课堂教学活力，实现从单向讲授课堂向双向交流式课堂转变，从知识接受课堂到能力开发课堂的转变。以炭化章节的讲授为例，首先，通过回忆传统金属材料冶炼—加工的制备过程，引发学生思考“我们日常生活中出现的各类炭材料是否也是通过冶炼石墨矿的形式获得？”，并依据碳元素的相图引导学生从理论层面分析“为什么炭材料需要特殊的制备工艺？”。其次，通过观看木炭的烧制视频，要求学生从视频中提取炭化工艺的关键参数：合适的温度和惰性气氛，引出炭化工艺的定义。最后，在讲授完成炭化工艺的特点后，从不同的案例，如处理生活污泥、制备工艺品等分析炭化工艺除了制备炭材料外，还可以给我们的日常生活带来哪些便利。通过有效梳理炭化工艺的知识点（作用、关键工艺参数、应用），帮助学生建立炭化工艺知识体系。

在课件制作上，教师可在课件中加入丰富的视频、动画甚至模拟软件等素材，尽可能丰富课件，以快速吸引学生的注意力，也可帮助学生更直观地理解一些抽象概念。同时，教师在授课前及时将课件上传至学校的网络教学平台，方便学生课前预习和课后复习巩固，并添加部分最新研究文献报道作为授课知识点的扩展阅读内容，帮助学生增加知识摄取量，引导学生开展探究性学习。

(3)完善考核评价模式

尽管在考核评价方式上，课程仍采用“平时成绩+期末考试”的考评方式，但这两部分考察内容有所改变。其中，平时成绩部分增加了学生汇报讨论PPT 成绩，引导学生以小组为单位，根据教学进度安排，在课后通过查阅资料、观看视频等途径对教师的课堂内容以PPT 的形式进行补充讲解，此项工作旨在增强师生间的交流互动，激发学生学习主动性，增强学生的个性化学习，培养学生的团队意识与协作精神。在期末考试部分，不再单纯以课程论文的方式进行考核，而改革为课程论文和小组自选题汇报结合，并在汇报中进行教师提问和组间提问互评，提高学生的逻辑思维和语言表达能力，培养学生创新能力。教师按照学生的专业知识掌握度、态度、能力等方面对学生综合能力进行评价，使课程考核方式更全面、公平。

4.结语

通过对《炭及石墨材料》课程在教学培养过程中存在问题的分析，笔者从合理选择与优化教学内容、创新教学模式、完善考核评价模式三方面入手探讨了该课程的教学改革策略，以期达到进一步提高本科生专业知识能力和工程素养的目的。