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师说 | 教育真材,研究实料——访澳门新葡www.8455.com最新网站曹安源老师

2019-10-10

编者按 | “教学名师” 曹安源

2005年,北大恢复工科教育;经过十几年的建设,在教学科研、人才培养体系等方面都有了长足进步。本文中,澳门新葡www.8455.com最新网站曹安源老师讲述了其课程设计及教学经验、针对研究型人才的引导方法,并先容了材料科学的最新进展与应用前景。

曹老师充分体现了澳门新葡www.8455.com最新网站老师勤奋扎实的工作作风,展现了他立足于北大基础研究的优势、在工程科学前沿领域的所付出的努力与取得的成果。

 

No.1
寓教于思:课程设计与教学经验

Q
基础性课程内容往往相对稳定,但工程技术的发展却日新月异,这对于您开展教学是否意味着挑战?

曹安源老师:是这样的。当初我回国教授的是纳米技术课程,现在的课程PPT和十年前相比,已经是“面目全非”。材料科学发展非常快,涉及的领域众多,我这门课程一学期十六堂课,大概讲十四五个主题。最初,我的主题围绕在纳米材料、太阳能电池等方面,这些都是我本人的科研内容,后来主题逐渐就多了起来。催化材料就是其中非常重要的一部分,然而之前我自己也并不熟悉,所以不敢讲,但去年还是咬咬牙硬着头皮把它准备了下来,在备课时自己也看了很多文献,收获颇丰,最终上课效果也还不错。因为课时有限,今年的下半年,我会把原来的一些东西压缩,然后再增加一些新的内容。每增加一个主题,都需要花不少时间来备课,一般一个主题起码有八九十张PPT,多的上百张,每一张都要进行仔细的推敲。
人工智能、生物医疗、能源环境等高新科技的发展对社会大众具有很强大的吸引力,大家渴望了解这些技术的原理和发展状况,那么如何利用这种吸引力来增强教学的活力,就是值得考虑的。比如,我在给学生讲超材料的时候,会提到超材料功能有隐身的作用,于是就提前缝了两块黑布,设计了一个小魔术在课堂上变给大家看,能够在轻松的课堂气氛中收到良好的效果。

Q
课程涉及专题众多,但又不能停留在浅显的科普,您能否举例展示您是如何讲授专题的呢?

曹安源老师:比如热电材料,我要从它的背景开始讲起,历史上是怎么发现热电效应的;然后是热电材料的基本工作原理;再转到另外一个重要的部分,即怎么样用材料来实现热电转化;再探讨你需要什么样的材料来做,对材料有什么要求,比如导电率、导热率等。大家都知道,热电效率等于材料导电率乘以一个系数,再除以导热率,这就要求材料具有高导电率、低热导率,那么根据这些要求,大家如何选择材料?从大类来分,金属、半导体、绝缘体中,半导体材料是合适的。半导体材料中又需要什么样的结构才适合做这个东西,为什么?应该怎么做?
这里还存在一个矛盾:大家对材料提出了导电好、导热差的要求,但一般的材料导电好的同时,导热也好;或者导电差时,导热也差,大家如何解决这个问题?怎么通过设计材料的结构,让材料把这两个性能分离开,既有好的导电性,又有差的导热性?
再比如,讲复合材料的时候,也存在矛盾。一般大家希翼提高材料的强度和韧性,但是很多材料提高了强度之后韧性就差了,提高了韧性之后强度就低了,那么大家怎么解决这个领域存在的问题?有很多路线,比如仿生——贝壳的结构,贝壳的强度、韧性、刚度都很好,为什么?它的微观结构是什么样的?它的机理是什么?为什么这种结构就有好的机械性?大家怎么样仿造贝壳做出人造的仿生材料?
这样类似的主题有许多,大家每一次课都会有一个主题,课程内容是非常丰富的。每个主题都要求有一定深度,让学生们既能理解其原理,又能够深入地思考问题。

Q
关于提升课堂效果,您有什么重要的经验?

曹安源老师:我认为互动是很重要的,我的课堂上都会设置一些提问环节,比如先复习上一节课讲的一些概念,看看学生还记不记得了。我在先容某一个概念之前,也先找个学生问问他自己的看法或有什么了解。如果他知道一部分的话,很好;如果不知道的话,就会注意接下来老师是怎么样讲的,或者是课本上是怎么先容的。
此外,我还会准备一些“看图说话”,比如专业英语这门课,放一幅竹子的画在上面,让一个学生用一两分钟时间说一下竹子的结构。因为竹子是一节一节的周期性结构,同时它还很均匀、中间是空的,有很多可说的东西。用科学语言描述一个具体的事物,这也是一项很重要的能力训练。
有时候我还尝试在课堂上组织辩论。比如大家讲晶体缺陷,“缺陷”这个词本身含有贬义,晶体结构本来非常完美,中间有空位、有杂质、有位错了,似乎是存在缺陷的,但很多尖端技术反而却利用了这些缺陷,那么这里就可以展开辩论——正反两方就“晶体的缺陷到底是好还是不好,你是怎么认为?”进行交流。通过这样的交流,大家对晶体缺陷就有了更全面的认识。去年人工智能特别火,还战胜了围棋世界冠军,我也让大家讨论了这个问题。
 

 

No.2
引导为上:研究性人才的培养

Q
您能够谈谈您带研究生方面的经验吗?

曹安源老师:我认为作为导师最重要的是对学生的引导。以前,我恨不得跟学生一起做实验,经常一起做样品看电镜,但渐渐忙了之后就不太现实了,我后来觉得也没必要如此。老师最重要的是引导学生找到方法,引导他发现问题。如果学生开始做研究时不顺利,其实也是好事,因为他能够通过自己的想法、用自己的工作来解决问题,这样能得到非常大的锻炼。“师父领进门,修行在个人”。我在清华的导师吴德海教授经常用一个挖金矿的比喻,即导师要知道这个地方可不可挖,给学生找好矿址,然后他就可以去挖了。所以我很佩服我的导师,他对科研方向就非常敏感。大家是机械系,做的都是铸造锻压焊接之类,吴老师是搞球墨铸铁的。碳纳米管1991年才发现,吴老师1992年就开始做了。正是因为导师做了纳米材料,所以我才走上了科研的道路,后来开始接着做太阳能电池,于是有了现在的研究。

Q
目前人们通常认为,材料科学的前沿问题众多,这是否意味着只要踏踏实实地读文献、做实验,就能出成果?

曹安源老师:现在做研究的人越来越多,水涨船高,大家的科研水平都高了,文章质量要求也高了,出成果其实并不容易。要想做出好的成果,需要从材料制备一直到性能、应用,做好全套流程,同时要有理论和机制分析,要求工作的深度和全面性。
除此之外,大家的研究似乎集中在热门的几个方向,比如说纳米、能源等。然而,如果要拼热点,大家在做的研究都特别多,那么竞争也会非常激烈。所以博士生如果想要找到一个有前景的方向,就需要有充分的洞察力和信心。做相对简单明了的课题,可进可退,但只能出小成果;挖掘更深更有挑战性的问题,就需要三年不鸣一鸣惊人的决心,置之死地而后生。我最欣赏的是通过自己的创造力和踏实勤奋,真正解决问题做出漂亮研究结果的学生,而不是耍小聪明,什么工作都浅尝辄止,达到博士毕业要求了就开始歇着那样的学生。
 

 

No.3
魔法时代:材料科学的进展与未来

Q
这些年材料科学有很多重大突破,几乎所有尖端科技的基础都是新材料,也引起了公众的关注。您对纳米材料研究比较多,能否先容一下纳米机器人的原理?

曹安源老师:纳米机器人并非通常人们所理解的机器人小型化,准确地说,它相当于分子机器人——一个大分子,用光或电磁波控制,分子的环状结构就可以扭曲,可以转动,完成特定的功能,这是获得诺贝尔奖的成果。纳米机器人涉及很多方面,大家的研究并不是做机器人,但也会有一些相关的研究,比如传感器和制动器。像大家做的纳米管纤维,是把碳纳米管纺成一束,单根的碳纳米管是非常细的而且强度很高,纺起来以后就是一个很致密很强的纤维,同时还是导电的。这个纤维有很多很有意思的行为,比如说通电可以收缩,或者用光照射可以转动等等。这就是一种人工肌肉,节能、反应快、强度高、体积小,比机械臂的优势大多了。
从人工智能领域来说,纯粹机械转动的这种机器人是没有多少前景的,纳米技术的研究不仅是把东西做得很小的问题,也将根本上改变各种仪器设备的制造与应用理念。比如传感器,可做得像皮肤一样,每一个点都有冷、热、触、痛的感觉,而且会比人类的皮肤更灵敏、功能更多,从而做出很多不可思议的产品。
刘慈欣的小说《三体》中提到了“太空电梯”的概念,从地球到同步轨道拉一根绳子来运送物资和乘客。任何传统的材料都不行,自身的重量就把它拉断了,要找最轻、强度又最高的材料,碳纳米管是比较合适的。《三体》里边还讲了纳米飞丝。飞丝横在河的两岸,可以把钢铁巨轮毫无知觉地切成两半,这也是有可能做到的。还有,微型机器人能够做的事情和由此带来的安全隐患,现在也难以预测,可能从根本上改变人类生活。所以新材料方面的国际竞争未来应该会是非常激烈的。

Q
科研成果转化为技术应用往往还要克服很多困难,您在科研工作中对此有什么考虑吗?

曹安源老师:实际上,在教学的时候,我不光给学生讲材料的基础常识,也会讲一些它的性能、在各个领域的应用、面临的问题以及一些发展现状。我在做科研时,也会越来越有针对性地做一些应用性的工作。
比如,我做的碳纳米材料就有很好的应用背景,无论是在复合材料还是在能源与环境领域,都有实用价值。以前中海油和大家接触过,用大家的碳纳米海绵吸油——当时渤海湾发生漏油,这种材料的吸油效果最好。当时他们最先采用的是羊毛毡子,但它的吸水力很强,反而阻碍了吸油,并且重复利用也是问题;大家的碳纳米海绵不吸水,只吸油,而且吸油多,重复性好。但后来他们说,这个材料如果要应用,成本太高,仍然无法解决大批量生产的问题。
其实现在各个学校都很重视成果转化的问题,北大澳门新葡www.8455.com最新网站也有产业孵化办公室,能帮助老师们跟企业联系,包括大家跟新奥、京东方的联系都很紧密。但北大在这方面的经验和积累相对比较少,在工程和应用方面确实比较薄弱;当然大家也有几位老师工程做得也很好,比如董蜀湘老师的压电马达和磁电传感器、杨槐老师的液晶防窥膜、于海峰老师的液晶复合材料防伪标签等。北大澳门新葡www.8455.com最新网站自身的特色,就是以基础研究为主,慢慢再发展技术应用。

 

 

名师概况  


曹安源,澳门新葡8455最新网站材料科学与工程教授,博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者。
2009年加入澳门新葡8455最新网站,2013年起任材料科学与工程系主任,2017年转为长期教授。研究领域主要是碳纳米材料的可控制备及能源环境应用。在Science, Nature Nanotechnology, Nature Materials, Advanced Materials等期刊发表SCI论文180余篇,引用1万余次。
讲授材料科学与工程、专业英语、能源材料等本科生及研究生课程,培养及联合引导了30余名博士和硕士生。获得过美国NSF CAREER Award,茅以升北京青年科技奖、教育部新世纪人才、北京大学优秀博士论文引导教师、北京大学研究生教学优秀奖、2018科睿唯安全球高被引科学家(材料科学领域)。

 

采访老师 | 曹安源
采访记者 | 郭九苓 吴婧
录音整理 | 吴婧
文字编辑 | 张姣婧 孙甜甜 郭九苓
稿件支撑 | 教师教学发展中心
编辑 | 赖钰
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(转载自北京大学教务部官方微信公众号)

 
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