發(fā)布時(shí)間：2023-03-16 15:55:38
序言：寫作是分享個(gè)人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的生命科學(xué)導(dǎo)論論文樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
1.1以社會熱點(diǎn)為切入點(diǎn)引出知識點(diǎn)
為了引起學(xué)生的興趣及加深印象，在教學(xué)過程中，先從當(dāng)前社會熱點(diǎn)入手，更會引起同學(xué)們的共鳴。例如講解蛋白質(zhì)的元素構(gòu)成這一章節(jié)，從之前沸沸揚(yáng)揚(yáng)的“三聚氰胺毒奶粉事件”入手，因?yàn)槿矍璋肥且环N含有大量氮元素的化工原料，被一些不良廠家添加在食品中提高檢測食品中蛋白質(zhì)檢測數(shù)值。這樣學(xué)生對蛋白質(zhì)中含有氮元素并且可以通過檢測氮元素含量來確定蛋白質(zhì)含量這一知識點(diǎn)有了一定的了解。例如近段時(shí)間的H7N9禽流感病毒讓人們談雞色變，借用這一事件，引入對病毒特征的講解。
1.2以著名實(shí)驗(yàn)為例子加深印象
《生命科學(xué)導(dǎo)論》是一門選修課，沒有開設(shè)實(shí)驗(yàn)課，這就導(dǎo)致學(xué)生只能單一的接受課本和老師講授的知識，如果適當(dāng)?shù)慕榻B一些著名實(shí)驗(yàn)，不僅有助于學(xué)生對知識的理解，也能激發(fā)興趣。例如介紹胃液的分泌時(shí)，介紹了一個(gè)“假飼”實(shí)驗(yàn)，這是巴普諾夫用于驗(yàn)證胃液的頭期分泌的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們記住了那只“吃不飽”的可憐狗。在講到條件反射的建立時(shí)，當(dāng)提到了巴普諾夫，學(xué)生們立刻反應(yīng)：“那只可憐狗這次又為科學(xué)做出怎樣的犧牲呢？”這時(shí)見學(xué)生們的眼睛里充滿了好奇和疑問，興趣一下被激發(fā)了。
1.3變知識為常識
常識是日常的見識或普通的見識，它是日常生活(日常思維和日常行動)賴以進(jìn)行的知識源泉。它是最普遍的知識。有時(shí)候被記住的常識性的東西往往比被動接受的知識要更深刻。在講解了蛋白質(zhì)變性這一特點(diǎn)后，我告訴學(xué)生們：沾有血漬或者牛奶的衣服不易用熱水洗凈，這是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)遇熱會發(fā)生變性。學(xué)生們這時(shí)頻頻點(diǎn)頭，看得出他們接受了這一信息。我相信同學(xué)們以后在清洗沾有血漬或者牛奶的衣服的時(shí)候，會記住我所講的這句話的。
2素質(zhì)教育貫穿教學(xué)之中
2.1培養(yǎng)學(xué)生關(guān)愛他人的品質(zhì)
作為一門對非生物專業(yè)學(xué)生開設(shè)的公選課，其目標(biāo)并不在于培養(yǎng)學(xué)生精深的專業(yè)技能，而在于培養(yǎng)學(xué)生的生命科學(xué)素質(zhì)，是一門實(shí)實(shí)在在的素質(zhì)教育課。而作為對小學(xué)教育專業(yè)學(xué)生開設(shè)的公選課，能夠把素質(zhì)教育融入其中，更能夠提高他們的專業(yè)素養(yǎng)和能力。課程里經(jīng)常會講到各種疾病以及疾病的治療方法，借此激發(fā)學(xué)生的關(guān)愛之心，對患者不能歧視和嘲笑，要多一些理解和關(guān)愛，在能力范圍內(nèi)伸出援手，人們的理解和幫助對于疾病的治療和康復(fù)是非常重要的。
2.2提高自我保護(hù)意識
除了關(guān)愛他人，也要有一定的自我保護(hù)意識。知道了如何自我保護(hù)，才能去保護(hù)他人，這一點(diǎn)我時(shí)常在授課過程中提到。例如講解艾滋病時(shí)，除了病因我還側(cè)重預(yù)防方面的講解，目的在于提醒學(xué)生珍視生命。講到遺傳病方面的知識，我也重點(diǎn)提出了近親結(jié)婚的危害，引起學(xué)生的重視。
2.3提升社會責(zé)任感
當(dāng)今社會在多種因素的影響下，有些大學(xué)生的社會責(zé)任感表現(xiàn)出淡化，有重才輕德的傾向，因此大學(xué)生社會責(zé)任感的培養(yǎng)勢在必行?；谶@種現(xiàn)狀，我會不定期開展課堂討論，比如環(huán)境污染，生物多樣性的保護(hù)，克隆人等問題。學(xué)生們開始覺得事不關(guān)己的問題，在查閱文獻(xiàn)資料，并在課堂上發(fā)言傾聽之后，覺得其實(shí)只要自己認(rèn)識上和行動上的一點(diǎn)點(diǎn)改變對社會都是有幫助的。
3考評方法的改革
多種形式的考評方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的期末一次書面考試。課堂討論、作業(yè)、課程論文和考勤多種形式相結(jié)合的考評方法更能全面反映學(xué)生對課程的掌握程度及重視程度。為了杜絕作業(yè)和課程論文相互抄襲的現(xiàn)象，采取同班同學(xué)之間作業(yè)和論文的辦法，重復(fù)率高的便相應(yīng)扣除一定分?jǐn)?shù)。這種方法有效的杜絕了抄襲現(xiàn)象，讓學(xué)生們養(yǎng)成獨(dú)立思考的能力。
4教學(xué)改革實(shí)踐的效果及思考
我?，F(xiàn)有的公共選修課程中,既適合理、工科又適合文、管、藝術(shù)專業(yè)的為數(shù)不多,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足學(xué)生的選課需求。針對這種局面,在現(xiàn)代生命科學(xué)課程已初具規(guī)模并已成為我校重點(diǎn)推薦的公選課的基礎(chǔ)上,繼續(xù)面向各專業(yè)學(xué)生開設(shè)食品營養(yǎng)學(xué)、普通藥物學(xué)的生命科學(xué)系列課程,不僅豐富了我校公選課的種類,而且使學(xué)生對生命科學(xué)有一個(gè)系統(tǒng)的、全面的認(rèn)識和了解。生命科學(xué)類系列課程立足于對理、工、文科等非生物學(xué)類學(xué)生進(jìn)行生命科學(xué)的素質(zhì)教育,以生命為主線展開討論,使學(xué)生了解學(xué)科間的交叉點(diǎn),激發(fā)其創(chuàng)新思維的火花,為今后的發(fā)展奠定基礎(chǔ);使學(xué)生了解有關(guān)食品營養(yǎng)學(xué)和常用藥物的基本理論和概念,掌握合理搭配食物、保持膳食平衡、合理用藥的具體措施,為科學(xué)飲食、提高自身保健意識、抗病防病提供了操作性強(qiáng)的實(shí)施方法。
(一)精選教學(xué)內(nèi)容
現(xiàn)代生命科學(xué)課程,突出介紹生命科學(xué)的基本概念、發(fā)展趨勢及熱點(diǎn)問題,突出生命科學(xué)與理、工、文科各領(lǐng)域之間的交叉,精選教學(xué)內(nèi)容,定位于基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性、趣味性和學(xué)科交叉性。以教材《基礎(chǔ)生命科學(xué)》[1]、《生命科學(xué)導(dǎo)論》[2]為主要藍(lán)本編寫教案,內(nèi)容從生命的物質(zhì)基礎(chǔ)到生命活動的基本單位———細(xì)胞,進(jìn)而討論“克隆”、“癌細(xì)胞”等熱點(diǎn)問題;從物質(zhì)代謝深入到生物遺傳的本質(zhì),在分子水平上闡述遺傳疾病等的奧秘;從生物技術(shù)到生物芯片、生物傳感器;從生物材料到人工器官,明確仿生學(xué)在工程技術(shù)上的應(yīng)用,同時(shí)還從動物、植物、微生物、環(huán)境與人類的密切聯(lián)系來認(rèn)識保護(hù)生物多樣性、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要性。利用現(xiàn)代信息技術(shù),從國內(nèi)外科學(xué)圖冊和網(wǎng)站上采集豐富、精美的圖片和信息補(bǔ)充到電子教案中,以視頻的方式向?qū)W生介紹一些世界著名科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和研究經(jīng)歷,以及他們獲得這些知識的著名實(shí)驗(yàn),如Loewi的雙蛙心灌流設(shè)計(jì)、著名的肺炎球菌實(shí)驗(yàn)、遺傳密碼的破譯、PCR技術(shù)等,使學(xué)生體驗(yàn)到探索生命奧秘的樂趣。
對于系列課程的開設(shè),本著實(shí)用性、針對性、可操作性的原則,對大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)素質(zhì)教育。系列課程之一———食品營養(yǎng)學(xué),根據(jù)相關(guān)教材[3]重點(diǎn)介紹營養(yǎng)素的概念及生理作用、營養(yǎng)與疾病、營養(yǎng)與健康長壽的關(guān)系,強(qiáng)調(diào)保持膳食平衡及合理營養(yǎng)的重要性,補(bǔ)充講授食品營養(yǎng)學(xué)應(yīng)用的熱點(diǎn)問題,如減肥、美容、糖尿病、補(bǔ)鈣等內(nèi)容,并通過視頻向?qū)W生宣傳食品的安全和衛(wèi)生知識、食品新資源的開發(fā)以及世界食品的發(fā)展趨勢等國內(nèi)外在本學(xué)科新的研究進(jìn)展。學(xué)生既學(xué)到了有關(guān)食品營養(yǎng)學(xué)的基本理論知識,又掌握了合理搭配食物、保持平衡膳食的具體方法。系列課程之二———普通藥物學(xué),其開設(shè)的必要性是針對大多數(shù)學(xué)生有自我藥療行為,且有錯(cuò)誤診斷和不合理用藥的傾向,這種情況已通過開放式問卷形式加以證實(shí)。因此,有必要對綜合性高校非醫(yī)藥專業(yè)學(xué)生開設(shè)藥物學(xué)公選課,以提高廣大學(xué)生的合理用藥水平。參考非醫(yī)藥專業(yè)的《普通藥物學(xué)》[4],重點(diǎn)介紹常用藥物的防治作用及不良反應(yīng),內(nèi)容包括:藥物的基本知識,常見疾病的用藥知識,消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、生殖與泌尿系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)的用藥方法,抗生素與維生素專題,各類藥物的禁忌癥及不良反應(yīng)防治,家庭常備藥物介紹等。為使學(xué)生更好地理解和掌握藥物在體內(nèi)的代謝,將人體系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)適當(dāng)補(bǔ)充到相關(guān)章節(jié)中。通過本課程的學(xué)習(xí),有利于提高大學(xué)生的抗病防病能力和科學(xué)用藥水平。
(二)多元化考核
選修課教學(xué)中,學(xué)生方面的瓶頸主要在于學(xué)習(xí)積極性不高、到課率低、混學(xué)分現(xiàn)象嚴(yán)重。為促進(jìn)學(xué)生樂學(xué)、愛學(xué)、會學(xué),在輕負(fù)擔(dān)、高效率、高質(zhì)量的教學(xué)境界中得到積極、主動、全面的發(fā)展,對考核方式進(jìn)行了改革與實(shí)踐,變期末考核為隨堂測驗(yàn)、課堂提問、專題討論、聯(lián)系專業(yè)的小論文以及對本課程提出建設(shè)性建議等多元化的素質(zhì)考核,學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)并提出自身感興趣的具體問題,使學(xué)生思維活躍,把學(xué)生從只注重記憶知識結(jié)論的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)法引向注重探究問題所需要的觀察能力、思維能力、探索能力、分析及解決問題能力的培養(yǎng)上來,并結(jié)合蓋章形式抽查考勤,期末綜合記分給出考核成績。例如,在講授食品交換份法時(shí),要求學(xué)生以自身為對象進(jìn)行能量和營養(yǎng)素的計(jì)算,結(jié)合自身的喜好設(shè)計(jì)一日三餐的食譜;在介紹體重指數(shù)(BMI)時(shí),要求學(xué)生通過計(jì)算,判斷自身的營養(yǎng)狀況,并提出合理的調(diào)整措施。通過課堂討論形式進(jìn)行相互交流,學(xué)生們的興趣高漲。多元化的考核方式調(diào)動了學(xué)生的積極性,得到了廣大學(xué)生的認(rèn)可,每次課的出勤率都達(dá)到95%以上,學(xué)生的滿意度達(dá)90%以上。
二、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,培養(yǎng)實(shí)踐能力
充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室資源,遵循實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的科學(xué)性、趣味性和與實(shí)際生活的貼近性的指導(dǎo)思想,面向非生物類本科生開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。對已初具規(guī)模的現(xiàn)代生命科學(xué)課程,實(shí)行獨(dú)立設(shè)課實(shí)驗(yàn),開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有:食醋中總酸含量的測定、葉綠體色素的層析法分離、牛奶中蛋白質(zhì)的分離提取、生物樣品中微量元素的測定、現(xiàn)代工業(yè)水質(zhì)分析等,使學(xué)生既學(xué)習(xí)和掌握了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技能和分析方法,還學(xué)會了離心機(jī)、酸度計(jì)、分光光度計(jì)、電導(dǎo)儀等常規(guī)儀器的使用和操作,深受學(xué)生的歡迎。此外,注意把當(dāng)代科學(xué)的研究熱點(diǎn)及校內(nèi)的科研成果及時(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,既讓學(xué)生了解學(xué)科前沿,又有很強(qiáng)的實(shí)用性。例如,結(jié)合本系教師的科研成果,設(shè)計(jì)生物農(nóng)藥蘇云金桿菌毒蛋白的合成及殺蟲實(shí)驗(yàn)、污水的生物處理實(shí)驗(yàn),一方面使學(xué)生了解生物合成與生物降解的原理及方法,同時(shí)又加深對現(xiàn)代生物技術(shù)重要作用的認(rèn)識。食品營養(yǎng)學(xué)、普通藥物學(xué)課程,配置開放性實(shí)驗(yàn),供選題目有:酸牛奶的制備、常用消毒藥品如紫藥水、碘酒的配制等,由學(xué)生自主選擇,也可由學(xué)生自己擬定題目,實(shí)驗(yàn)步驟的制定、儀器設(shè)備的選擇和使用、數(shù)據(jù)的處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析均由學(xué)生通過查閱資料和獨(dú)立完成。實(shí)行開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以讓學(xué)生在掌握有關(guān)知識和技能的同時(shí),獲得較好的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
三、改革教學(xué)手段,提高教學(xué)效果
隨著學(xué)校招生規(guī)模的擴(kuò)大,大班教學(xué)已成為我校公共課教學(xué)的主要形式。為了提高課堂的教學(xué)效果和信息量,借助PPT軟件,開發(fā)了多媒體教學(xué)課件。利用多媒體課件聲像并茂、視聽結(jié)合、感染力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),將書本知識變靜為動,化虛為實(shí),化抽象為直觀,極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望,達(dá)到寓教于樂,寓學(xué)于樂的目的。例如,在講述遺傳密碼時(shí),設(shè)計(jì)體外翻譯系統(tǒng)的動畫實(shí)驗(yàn),通過慢放、定格、特寫等方法,真實(shí)、藝術(shù)地展現(xiàn)遺傳密碼破譯的全過程,使抽象的概念變得新穎有趣,再加上教師的適時(shí)講解,學(xué)生可輕松地掌握細(xì)胞中64套密碼子與20種氨基酸的對應(yīng)關(guān)系,從而也加深了對遺傳的中心法則的理解?？傊?正確合理地使用多媒體教學(xué),可以激發(fā)學(xué)生興趣,提高學(xué)生的主動性,突破教學(xué)難點(diǎn),起到事半功倍的效果。
多媒體課件的使用具有許多傳統(tǒng)方式無法比擬的優(yōu)勢,但在教學(xué)實(shí)踐中也存在一些比較突出的問題。例如,信息量較大,教學(xué)節(jié)奏較快,容易導(dǎo)致部分學(xué)生跟不上教師的思路。因此,在使用多媒體教學(xué)時(shí)一方面要把握好度,注意控制演示速度,使可視信息與教師的教學(xué)思路同步。另一方面,由于頁面的切換還容易造成學(xué)生對某一個(gè)知識點(diǎn)缺乏整體的認(rèn)識和思考過程,利用板書、講述、多媒體演示相結(jié)合的方法,可以彌補(bǔ)上述不足。此外,將傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)的一些演示實(shí)驗(yàn)、教具模型等穿插在多媒體教學(xué)中,可進(jìn)一步強(qiáng)化教與學(xué)的互動,達(dá)到理想的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；多樣化訓(xùn)練；算法設(shè)計(jì)與分析
中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)16-3910-02
The Research of Training Computational Thinking in Teaching Algorithm Design and Analysis
SUN Ya-hong
（Xi’an Fanyi University, Xi’an 710105,China）
Abstract: Computational thinking has become the hot issue in current international education. How to develop students’habit of using the computational thinking in real life, this article discusses a computational thinking training model based on variety practice in teaching al gorithm design and analysis. And give a lot of examples to illustrate the training model.
Key words: computational thinking; variety practice; algorithm design and analysis
自2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授在美國計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊《Communica tions of the ACM》上發(fā)表《Computational Thinking》一文以來，國際國內(nèi)計(jì)算機(jī)教育界掀起了研究計(jì)算思維的熱潮。2008年6月，美國計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會（CSTA）發(fā)表文章《Computational Thinking:A problem solving tool for every classroom》，在該文章中，作者給出了計(jì)算思維的定義，并分類歸納了社會科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自然科學(xué)、數(shù)學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域中關(guān)于計(jì)算思維的經(jīng)典論文；2008年美國國家科學(xué)基金會NSF通過了一項(xiàng)計(jì)算使能的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新CDI（Cyber-Enabled Discovery and Innovation）計(jì)劃，該計(jì)劃進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了“計(jì)算思維”領(lǐng)域的創(chuàng)新對自然科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的推動作用。同時(shí)，計(jì)算思維在國內(nèi)也得到了廣泛的討論。2008年11月，由全國計(jì)算機(jī)教育研究會主持的“計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)導(dǎo)論專題學(xué)術(shù)研討會”在廣西桂林召開，參加會議的學(xué)者總結(jié)了當(dāng)前計(jì)算思維的研究進(jìn)展?fàn)顩r，并討論了計(jì)算思維對計(jì)算機(jī)教育的影響。2009年7月，在NOI2009開幕式和NOI 25周年紀(jì)念會上，中科院計(jì)算技術(shù)研究所所長李國杰院士進(jìn)一步闡述了計(jì)算思維的定義，他指出“計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為，它選擇合適的方式去陳述一個(gè)問題，對問題的相關(guān)方面建模并用最有效的辦法實(shí)現(xiàn)問題求解”；2009年12月，王亞東等人在《計(jì)算與計(jì)算思維》一文中討論了計(jì)算思維對各門學(xué)科產(chǎn)生的影響，并提出應(yīng)該在計(jì)算機(jī)專業(yè)的各門課程中滲透“計(jì)算思維”的設(shè)想；2010年12月，張曉茹等人在《再談計(jì)算思維》一文中通過對計(jì)算機(jī)科學(xué)思維，計(jì)算思維和計(jì)算機(jī)思維概念進(jìn)行一致性分析，從不同方面分析和闡述了計(jì)算思維的特征，并對計(jì)算思維研究的基本問題進(jìn)行了初步探索。盡管如此，如何在具體的課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力仍處于起步階段，還沒有形成一套成熟的教學(xué)指導(dǎo)體系。那么，如何在課堂上結(jié)合課本的知識點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，使得計(jì)算思維成為學(xué)生的一種思維習(xí)慣；如何在學(xué)生的四年大學(xué)學(xué)習(xí)，持續(xù)不斷地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，使學(xué)生能夠運(yùn)用計(jì)算思維的方法進(jìn)行問題的分析和思考，是一個(gè)重要且值得探討的問題?；诖耍撐囊罁?jù)計(jì)算思維的方法，在《算法設(shè)計(jì)與分析》課程的教學(xué)中，提出一種基于算法多樣化訓(xùn)練的計(jì)算思維培養(yǎng)方法。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該方法有利于幫助教師提高教學(xué)效率，挖掘?qū)W生潛能，有利于提高學(xué)生分析問題，解決問題的能力。
1計(jì)算思維
什么是計(jì)算思維？計(jì)算思維同我們的閱讀、寫作能力一樣，是人類的基本思維方式。這種思維方式運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念和方法對問題進(jìn)行描述，建模，求解。它是一種具有普適性的科學(xué)思維方法。為了更加具體的、詳細(xì)的說明這一概念，周教授將計(jì)算思維的概念進(jìn)一步定義為以下幾個(gè)方面內(nèi)容：
1)通過約簡、嵌人、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看來困難的問題闡釋成一個(gè)我們知道問題怎樣解決的思維方法。
2)是一種遞歸思維是一種并行處理能把代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼，是一種多維分析推廣的類型檢查方法。
3)是一種采用抽象和分解來控制龐雜的任務(wù)或進(jìn)行巨大復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，是一種基于關(guān)注點(diǎn)分離的方法。
4)是一種選擇合適的方式陳述一個(gè)問題,或?qū)σ粋€(gè)問題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法。
5)是按照預(yù)防、保護(hù),通過冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)方式,并從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法。
6)是利用啟發(fā)式推理尋求解答,即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法。
關(guān)鍵詞：嵌入式信息素質(zhì)教育 高校圖書館 首都師范大學(xué)圖書館
泛在知識環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)遍及用戶學(xué)習(xí)、工作和日常生活中，用戶可以在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)通過泛在網(wǎng)絡(luò)獲取信息服務(wù)或知識服務(wù)。泛在知識環(huán)境下，高校圖書館的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，圖書館需要變革服務(wù)理念與服務(wù)模式，為用戶提供泛在化的服務(wù)，嵌入到用戶的學(xué)習(xí)和科研環(huán)境中。其中，嵌入式信息素質(zhì)教育，即：高校圖書館的圖書館員與院系專業(yè)教師合作，將信息素質(zhì)教育嵌入到院系的專業(yè)課程教學(xué)中為學(xué)生提供有針對性的培訓(xùn)，是圖書館泛在服務(wù)的重要內(nèi)容之一。實(shí)際上，國內(nèi)外高校圖書館開展嵌入式信息素質(zhì)教育的大多是學(xué)科館員，他們與教師合作的程度直接影響著嵌入式信息素質(zhì)教育的效果。本文以首都師范大學(xué)圖書館的探索與實(shí)踐為例，擬對高校圖書館學(xué)科館員與教師合作開展嵌入式信息素質(zhì)教育的相關(guān)問題進(jìn)行探討。
1 開展嵌入式信息素質(zhì)教育的意義和主要嵌入模式
學(xué)科館員和教師合作開展嵌入式信息素質(zhì)教育對用戶（包括學(xué)生和院系教師）和圖書館都具有積極意義。對學(xué)生而言，將信息素質(zhì)與學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)結(jié)合，有利于為學(xué)生提供有針對性的信息素質(zhì)教育，不僅局限于信息資源的檢索方面，而且面向?qū)W生解決信息問題的全過程，力求真正提高學(xué)生分析、評價(jià)和利用信息的能力，進(jìn)而培養(yǎng)他們終生學(xué)習(xí)的能力。對教師而言，學(xué)科館員可以向教師提供一些課程建設(shè)方面的文獻(xiàn)資源支撐，承擔(dān)學(xué)生的某些問題的咨詢與輔導(dǎo)，節(jié)省教師的工作時(shí)間，提高課程教學(xué)的質(zhì)量。對圖書館而言，通過提供嵌入式信息素質(zhì)教育，學(xué)科館員能夠直接參與專業(yè)課教學(xué)，加強(qiáng)了圖書館與院系教師之間的交流合作，拓展了圖書館服務(wù)的廣度與深度，有利于提升圖書館在學(xué)校的影響和地位。
根據(jù)學(xué)科館員嵌入課程教學(xué)的深度來劃分，學(xué)科館員與教師合作開展嵌人式信息素質(zhì)教育主要分為兩種嵌入模式：一種是學(xué)科館員部分參與專業(yè)課程的教學(xué)，簡稱為“部分參與式嵌入”；一種是學(xué)科館員全程參與專業(yè)課程的教學(xué)，簡稱為“全程參與式嵌入”。
2 國內(nèi)外高校圖書館嵌入式信息素質(zhì)教育的現(xiàn)狀
2.1 國內(nèi)高校圖書館
根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)國內(nèi)部分高校圖書館的學(xué)科館員開始嘗試與院系教師合作，將信息素質(zhì)教育嵌入到院系的專業(yè)課中。如：上海交通大學(xué)圖書館的學(xué)科館員嵌入媒體與設(shè)計(jì)學(xué)院的《傳媒市場調(diào)查與分析》和《英文報(bào)刊導(dǎo)讀》兩門課程，分別采用一次介入式（即：部分參與式）和全程跟蹤式（即：全程參與式）的嵌入模式進(jìn)行了探索和嘗試_4]。華南理工大學(xué)圖書館與土木交通學(xué)院合作，將信息素質(zhì)教育嵌入到“船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程中，學(xué)科館員在三次單獨(dú)的課程中以模塊化的形式進(jìn)行教學(xué)。北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部圖書館與天津工業(yè)大學(xué)圖書館也與院系合作，分別參與到臨床醫(yī)學(xué)和莎士比亞作品研究的課程中，對學(xué)生利用相關(guān)信息資源進(jìn)行指導(dǎo)。
我們也在國內(nèi)高校圖書館進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)一些學(xué)科館員開展嵌入式教學(xué)的案例。如：北京大學(xué)圖書館的學(xué)科館員與歷史系教師合作講授“美國公民權(quán)史”，與信息管理系教師合作講授“商業(yè)信息檢索”，學(xué)科館員參與這兩門課的教學(xué)都是部分參與式嵌入。學(xué)科館員與法學(xué)院教師合作講授的“法律寫作與法律檢索”就屬于全程參與式嵌入，學(xué)科館員參加三分之一的課程教學(xué)，參與作業(yè)評分，而且被列為正式教師，在教務(wù)處備案。又如：湖南大學(xué)圖書館的學(xué)科館員和本校外國語學(xué)院教師合作講授“網(wǎng)絡(luò)資源與閱讀”，學(xué)科館員承擔(dān)兩次授課任務(wù)。
總之，目前我國高校圖書館的學(xué)科館員與教師合作開展的嵌入式信息素質(zhì)教育尚未全面普及，仍然處于探索階段。學(xué)科館員主要采用的是部分參與式的嵌入模式，采用全程參與式的嵌入模式很少。學(xué)科館員和教師的合作程度還有待加強(qiáng)。
2.2 國外高校圖書館
目前國外高校圖書館開展了一些嵌入到院系課程的信息素質(zhì)教育，涉及的合作教學(xué)內(nèi)容比較廣泛，如：丹尼爾韋伯斯特學(xué)院（Daniel Webster College）的學(xué)科館員為英語學(xué)院的學(xué)生共提供八次信息素質(zhì)教學(xué)內(nèi)容，包括：圖書館研究導(dǎo)言和課前測試、圖書館的紙本館藏利用、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源的利用、參考引文的使用、特定作者的文獻(xiàn)查找、新聞和錄音稿的檢索、館際互借和文獻(xiàn)傳遞、小組討論和課后測試，并根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容的需要，靈活地改變教學(xué)時(shí)間和教學(xué)地點(diǎn)。而紐約市立大學(xué)（City University of New York）圖書館的學(xué)科館員在院系開設(shè)的“婦女研究導(dǎo)論”課程中嵌入了信息素質(zhì)教育，采用了主動式的教學(xué)法，通過設(shè)計(jì)一些開放討論的問題，如；美國婦女的定義是什么？由誰定義的？引導(dǎo)學(xué)生自己通過網(wǎng)絡(luò)信息源查找分析信息，并通過小組討論讓學(xué)生在課堂上進(jìn)行互動交流。
此外，還有少數(shù)國外高校圖書館的學(xué)科館員利用虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境平臺輔助嵌入式信息素質(zhì)教育，如：紐約城市大學(xué)學(xué)科館員與史泰登島學(xué)院護(hù)理專業(yè)的教師合作，嵌入到“文化探索”的課程中，并利用Blackboard開發(fā)了專門的圖書館指南。在這個(gè)虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中，為學(xué)生提供了如下內(nèi)容：課件、護(hù)理專業(yè)數(shù)據(jù)庫、與跨文化護(hù)理有關(guān)的網(wǎng)站、關(guān)于某一種族的期刊論文參考目錄和論文寫作指導(dǎo)等。
目前國外高校圖書館的學(xué)科館員嵌入到院系的專業(yè)課程中開展信息素質(zhì)教育的主要特點(diǎn)是：（1）學(xué)科館員與院系教師合作程度深，兩者建立了持久、穩(wěn)定而密切的合作關(guān)系。（2）學(xué)科館員和教師都非常重視對合作效果和教學(xué)效果的評估。（3）積極利用新型信息環(huán)境和信息技術(shù)促進(jìn)信息素質(zhì)教育。
2.3 國內(nèi)外高校圖書館開展嵌入式信息素質(zhì)教育的比較分析
國內(nèi)外高校圖書館開展的嵌入式信息素質(zhì)教育有很多共同之處。如：嵌入的學(xué)科范圍都比較廣泛；采取的教學(xué)形式都是以面授為主；教學(xué)內(nèi)容都以專業(yè)信息資源的檢索與利用為主。
但相對我國而言，國外高校圖書館學(xué)科館員開展的嵌入式信息素質(zhì)教育更為普及和成熟。在教學(xué)形式上，很多國外高校圖書館的學(xué)科館員都利用了網(wǎng)絡(luò)平臺協(xié)助教學(xué)，還有部分利用了虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境Blackboard輔助教學(xué)。在教學(xué)模式上，國外高校圖書館既有部分參與式嵌入，也有全程參與式嵌入，學(xué)科館員和教師合作的程度比較深入。在教學(xué)效果上，國外高校教師和學(xué)科館員都十分重視教學(xué)效果的評估。
3 首都師范大學(xué)圖書館的實(shí)踐案例分析
3.1 首都師范大學(xué)圖書館開展嵌入式信息素質(zhì)教育的現(xiàn)狀
首都師范大學(xué)圖書館2003年正式建立學(xué)科館員制度，從那時(shí)起，館領(lǐng)導(dǎo)就積極鼓勵(lì)學(xué)科館員與教師合作開展多層次的信息素質(zhì)教育。目前全館部分學(xué)科館員已經(jīng)嘗試開展了嵌入院系專業(yè)課程的信息素質(zhì)教育。主要案例見表1。
如表1所示，目前首都師范大學(xué)圖書館在嵌入式信息素質(zhì)教育方面進(jìn)行了實(shí)踐探索。學(xué)科館員根據(jù)具體院系教師的需求，開展了不同層次、不同程度的嵌入式信息素質(zhì)教育。
從參與合作的院系來看，既有文科類的院系，如：美術(shù)學(xué)院、初等教育學(xué)院、教育學(xué)院、外國語學(xué)院，也有理科類的院系，如：化學(xué)系、生命科學(xué)學(xué)院?？梢娖涓采w的院系和學(xué)科范圍都比較廣泛，嵌入式信息素質(zhì)教育具有學(xué)科普適性，完全可以在全校范圍內(nèi)進(jìn)行推廣。
從嵌入的課程來分析，嵌入式信息素質(zhì)教育適合嵌入的課程有其特點(diǎn)，多數(shù)為研究方法導(dǎo)論、論文寫作等對學(xué)生綜合能力要求比較高的課程。如：“社會科學(xué)研究與論文寫作”、“教育研究方法導(dǎo)論”。也有少數(shù)專業(yè)基礎(chǔ)課的任課教師認(rèn)為學(xué)生需要在課程中掌握信息檢索能力，也適合學(xué)科館員進(jìn)行嵌入教學(xué)。如：生命科學(xué)學(xué)院為研究生開設(shè)的“昆蟲生態(tài)”。
從授課次數(shù)和對象來看，學(xué)科館員多數(shù)為一次性授課，當(dāng)然也有少數(shù)學(xué)科館員授課次數(shù)比較多，但從介入整個(gè)專業(yè)課程的程度分析，還沒有達(dá)到全程參與式嵌入的強(qiáng)度和深度。在授課對象上，既有本科生，也有研究生。一般而言，學(xué)科館員對本科生的授課主要是一次性授課。對研究生的授課則次數(shù)更多。
在授課內(nèi)容上，主要側(cè)重對學(xué)科專業(yè)需要的館藏資源利用進(jìn)行講解，也有學(xué)科館員根據(jù)院系教師和學(xué)生的需要，拓展授課內(nèi)容，如：館際互借和文獻(xiàn)傳遞、免費(fèi)學(xué)術(shù)資源利用、論文格式編輯等。相對而言，學(xué)科館員面向研究生的授課內(nèi)容更為豐富、深入。
在授課起因上，目前首都師范大學(xué)圖書館開展的嵌入式信息素質(zhì)教育多數(shù)是由教師主動提出要求，也有少數(shù)是學(xué)科館員主動向教師自我推薦。學(xué)科館員對教師主動提出的需要會很快做出積極反應(yīng)，并主動跟教師溝通，了解具體的教學(xué)需求，盡量滿足院系教師的需要。學(xué)科館員主動提出授課需求之前，應(yīng)做好詳細(xì)的教學(xué)計(jì)劃，才更容易被教師所認(rèn)可和接納。
3.2 首都師范大學(xué)圖書館開展嵌入式信息素質(zhì)教育的不足及對策
盡管首都師范大學(xué)圖書館在開展嵌入式信息素質(zhì)教育方面進(jìn)行了一些有益探索，取得了一些成績和經(jīng)驗(yàn)，但在具體實(shí)踐中還面臨一些難題，需要積極探索，不斷改進(jìn)。
第一，學(xué)科館員與教師合作的廣度和深度還不夠。學(xué)科館員從整體上是以部分參與式嵌入教學(xué)為主，主要體現(xiàn)在：學(xué)科館員對學(xué)生的授課和指導(dǎo)主要集中在參與的一次或者幾次課程中，之后的課程作業(yè)、考核等主要是由院系教師負(fù)責(zé)，學(xué)科館員對專業(yè)課程的參與度以及與院系教師合作的密切程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
雖然學(xué)科館員對院系課程的參與和介入是漸進(jìn)的過程，需要從部分參與式嵌入教學(xué)開始，逐漸深入，逐步擴(kuò)大影響。但學(xué)科館員可通過建立虛擬網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺提供答疑、課后提供專門時(shí)間進(jìn)行輔導(dǎo)等手段，提高和院系教師的合作深度和合作效果。
第二，學(xué)科館員的工作時(shí)間難以保障。如果實(shí)施全程參與式嵌人教學(xué)，需要學(xué)科館員投入大量的時(shí)間和精力準(zhǔn)備教學(xué)計(jì)劃及背課、參與批改作業(yè)和進(jìn)行教學(xué)效果的調(diào)查與評估等?，F(xiàn)在，首都師范大學(xué)圖書館的學(xué)科館員均為兼職，學(xué)科館員除了承擔(dān)學(xué)科服務(wù)外，還需承擔(dān)信息咨詢、資源建設(shè)等其他業(yè)務(wù)工作。在這種兼職模式下，學(xué)科館員的工作時(shí)間有限，難以實(shí)施深入的、全程參與式的信息素質(zhì)教育。
筆者認(rèn)為有條件的高校圖書館可以嘗試對部分重點(diǎn)院系的學(xué)科館員實(shí)行專職模式，這有利于提高學(xué)科館員與教師合作開展嵌入式信息素質(zhì)教育的深度和質(zhì)量。此外，也可通過招聘學(xué)生助管等方式，減輕學(xué)科館員事務(wù)性工作的數(shù)量，有利于學(xué)科館員更深地融入教學(xué)、科研和學(xué)生學(xué)習(xí)的過程，更好地開展嵌人式信息素質(zhì)教育。
第三，學(xué)科館員對學(xué)生的專業(yè)信息需求缺乏深入了解，導(dǎo)致學(xué)科館員在開展教學(xué)活動過程中，不容易找到信息素質(zhì)教育與學(xué)科專業(yè)知識的結(jié)合點(diǎn)。學(xué)科館員一般都具備專業(yè)學(xué)科背景，對相關(guān)的學(xué)科知識有大致了解，但任何專業(yè)知識都會隨著時(shí)代的發(fā)展而不斷更新，學(xué)生對專業(yè)信息的需求也呈現(xiàn)動態(tài)變化的趨勢。相對于院系教師，學(xué)科館員對學(xué)科專業(yè)知識的掌握還有相當(dāng)差距，而信息素質(zhì)教育是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，常常采用基于案例的教學(xué)模式。學(xué)科館員對專業(yè)知識的掌握和運(yùn)用程度將直接影響嵌入式信息素質(zhì)教育的教學(xué)質(zhì)量和效果。
學(xué)科館員可通過瀏覽專業(yè)核心學(xué)術(shù)期刊、關(guān)注專業(yè)領(lǐng)域?qū)W術(shù)活動以及直接旁聽相關(guān)專業(yè)課程等途徑不斷更新、擴(kuò)充自己的專業(yè)知識，隨時(shí)了解相關(guān)專業(yè)的學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)，了解學(xué)生的專業(yè)信息需要，進(jìn)而在嵌入式信息素質(zhì)教育中有的放矢地開展教學(xué)。
4 推進(jìn)我國高校圖書館實(shí)施嵌入式信息素質(zhì)教育的建議
4.1 循序漸進(jìn)，以點(diǎn)帶面
目前，嵌入式信息素質(zhì)教育在我國高校圖書館的實(shí)施還遠(yuǎn)未普及，主動提出嵌入需求的院系教師并不多。因此，各館在實(shí)施嵌入式信息素質(zhì)教育之初，主要靠學(xué)科館員主動聯(lián)系合適的院系教師，商議如何進(jìn)行合作并盡快開始嵌入式信息素質(zhì)教育的實(shí)踐。在實(shí)施之初，學(xué)科館員不可能在全校各院系全面鋪開，可采取抓典型的方法，首先開展與一個(gè)院系某門課程的合作，取得初步成效后，再逐步在其他學(xué)科和院系推廣和實(shí)踐。
作為抓典型的院系，在選取時(shí)可考慮如下因素：第一，有國家和學(xué)校重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科的院系，可為嵌入式信息素質(zhì)教育提供良好的人力和物力條件的院系。第二，對圖書館的學(xué)科服務(wù)較為認(rèn)可的院系。由于學(xué)科館員、教師等各方面的努力，有些院系目前的學(xué)科服務(wù)已取得明顯成效，院系教師對學(xué)科館員的工作較為信任和尊重，有利于學(xué)科館員與教師開展多層面的深入合作。
相應(yīng)地，院系合作教師的選擇可從如下方面考慮：第一，在學(xué)科服務(wù)中表現(xiàn)比較積極、與學(xué)科館員溝通比較多的教師。第二，其承擔(dān)的課程適合嵌入信息素質(zhì)教育的教師。并不是所有的課程都適合嵌入信息素質(zhì)教育，一般而言，專業(yè)基礎(chǔ)課更強(qiáng)調(diào)對教材知識體系的介紹，與信息素養(yǎng)知識結(jié)合并不多。因此，可選擇對學(xué)生綜合素質(zhì)要求較高的々業(yè)選修課程進(jìn)行嵌入。如：“學(xué)科前沿與發(fā)展”、“學(xué)科研究方法論”、“學(xué)科論文寫作”等。
4.2 制定計(jì)劃，積極宣傳
學(xué)科館員在與教師合作開展嵌入式信息素質(zhì)教育之前，必須做好充分準(zhǔn)備。通過多種方式了解所嵌入專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容，然后制定詳細(xì)的教學(xué)計(jì)劃。尤其是對沒有院系教師主動提出嵌入需求的高校圖書館，學(xué)科館員更要精心考察和選擇適合的課程與合作教師，制定有關(guān)合作教學(xué)計(jì)劃，才能更有針對性地說服院系教師進(jìn)行合作教學(xué)。
制定教學(xué)計(jì)劃時(shí)主要需要考慮四個(gè)方面的內(nèi)容：（1）教學(xué)目標(biāo)。需要結(jié)合專業(yè)課程的教學(xué)目的，多體現(xiàn)為以培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)信息的獲取、檢索和利用能力為主要教學(xué)目標(biāo)。（2）教學(xué)內(nèi)容。圍繞教學(xué)目標(biāo)，制定學(xué)科館員參與的教學(xué)內(nèi)容。主要包括：檢索算符及檢索式的制定、學(xué)科有關(guān)數(shù)據(jù)庫的檢索與利用、論文寫作與投稿、參考文獻(xiàn)管理等知識。（3）教學(xué)形式。一般以當(dāng)面授課為主要教學(xué)形式，方便學(xué)科館員與學(xué)生直接交流和溝通。同時(shí)也可利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂等軟件輔助教學(xué)，方便學(xué)生自學(xué)。（4）教學(xué)時(shí)間。根據(jù)實(shí)際需要靈活安排教學(xué)時(shí)間。
制定周詳?shù)挠?jì)劃后，還需對學(xué)科館員開展嵌入式信息素質(zhì)教育進(jìn)行宣傳，尋求合作機(jī)遇。由于圖書館在學(xué)校的影響力有限，很多院系教師還意識不到學(xué)科館員對其教學(xué)的參與能力和支持作用。因此，學(xué)科館員主動進(jìn)行宣傳和推廣十分重要?？赏ㄟ^發(fā)郵件、打電話、召開座談會、全校教師大會等多種途徑，對圖書館的嵌入式信息素質(zhì)教育進(jìn)行廣泛宣傳。
4.3 巧用技術(shù)，優(yōu)化教學(xué)
受諸多因素影響，目前我國高校圖書館開展的嵌入式信息素質(zhì)教育以學(xué)科館員部分參與的嵌入課程為主，多數(shù)是一次性的嵌人與合作。為了進(jìn)一步提升高校圖書館嵌入式信息素質(zhì)教育的質(zhì)量，可利用現(xiàn)代信息技術(shù)，借助虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境平臺延伸學(xué)科館員的教學(xué)空間。虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境具有時(shí)空開放性、資源豐富性、利用交互性等特點(diǎn)，在嵌入式信息素質(zhì)教育中利用虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境平臺，為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件，有利于培養(yǎng)學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力，發(fā)揮信息素質(zhì)教育的效果。
國外很多高校在開展嵌入式信息素質(zhì)教育時(shí)，引入了B1ackboard等虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境平臺，促進(jìn)了學(xué)科館員和教師的合作。利用虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，在專業(yè)課程中嵌入信息素質(zhì)教育對學(xué)科館員和教師都是新的挑戰(zhàn)，需要雙方及時(shí)有效地溝通，而且利用虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境提供的諸多課程元素，如通知、討論區(qū)、作業(yè)題庫等，有利于拓展信息素質(zhì)教育的范圍。
4.4 重視評估，提升質(zhì)量
【論文摘要】：21世紀(jì)是生物科技迅猛發(fā)展的時(shí)代，生物技術(shù)為農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、林業(yè)以及食品工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的手段。近幾年來，轉(zhuǎn)基因植物推出的品種之多、推廣面積之大、發(fā)展速度之快，遠(yuǎn)超出人們的預(yù)測。在研究與開發(fā)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的同時(shí)，理智、客觀、安全地運(yùn)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，加強(qiáng)其安全性防范的長期應(yīng)用研究。
植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來一場新的革命，它將為農(nóng)作物的持續(xù)增產(chǎn)和解決全球人炸所造成的糧食危機(jī)做出巨大貢獻(xiàn)。但也有人對這一技術(shù)持懷疑態(tài)度，認(rèn)為目前人類還不能對它的潛在危險(xiǎn)性做出正確的評價(jià)。因此，在大規(guī)模應(yīng)用前有必要對轉(zhuǎn)基因植物的安全性進(jìn)行更深入的研究和分析。
1植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)的研究意義
轉(zhuǎn)基因植物是指利用重組DNA技術(shù)將克隆的優(yōu)良目的基因?qū)胫参锛?xì)胞或組織，并在其中進(jìn)行表達(dá)，從而使植物獲得新的性狀。這一技術(shù)克服了植物有性雜交的限制，基因交流的范圍無限擴(kuò)大，可將從細(xì)菌、病毒、動物、人類、遠(yuǎn)緣植物甚至人工合成的基因?qū)胫参?。轉(zhuǎn)基因作物可提高農(nóng)作物產(chǎn)量，減少除草劑、殺蟲劑等農(nóng)藥的使用量，并節(jié)省大量勞動力，因而給人類帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。根據(jù)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用國際服務(wù)組織（ISAAA）的年度報(bào)告，2006年，全球轉(zhuǎn)基因作物的種植面積猛增了1200萬公頃，首次突破了1億公頃大關(guān)。轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)生至今僅20年時(shí)間，但其研究和應(yīng)用得到了非常迅猛的發(fā)展。
2對轉(zhuǎn)基因植物安全性評價(jià)的必要性
從理論上說，轉(zhuǎn)基因技術(shù)和常規(guī)雜交育種都是通過優(yōu)良基因重組獲得新品種的，但常規(guī)育種的安全性并未受到人們的質(zhì)疑。其主要理由是常規(guī)育種是模擬自然現(xiàn)象進(jìn)行的，基因重組和交流的范圍很有限，僅限于種內(nèi)或近緣種間。并且，在長期的育種實(shí)踐中并未發(fā)現(xiàn)什么災(zāi)難性的結(jié)果。而轉(zhuǎn)基因技術(shù)則不同，它可以把任何生物甚至人工合成的基因轉(zhuǎn)入植物。因?yàn)檫@種事件在自然界是不可能發(fā)生的，所以人們無法預(yù)測將基因轉(zhuǎn)入一個(gè)新的遺傳背景中會產(chǎn)生什么樣的作用，故而對其后果存在著疑慮。而消除這一疑慮的有效途徑就是進(jìn)行轉(zhuǎn)基因植物的安全性評價(jià)。也就是說要經(jīng)過合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和嚴(yán)密科學(xué)的試驗(yàn)程序，積累足夠的數(shù)據(jù)。人們根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以判斷轉(zhuǎn)基因植物的田間釋放或大規(guī)模商品化生產(chǎn)是否安全。對試驗(yàn)證明安全的轉(zhuǎn)基因植物可以正式用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而對存在安全隱患的則要加以限制，避免危及人類生存以及破壞生態(tài)環(huán)境。只有這樣，我們才能揚(yáng)長避短，充分發(fā)揮轉(zhuǎn)基因技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的巨大應(yīng)用潛力。
3轉(zhuǎn)基因植物安全性評價(jià)的主要內(nèi)容
目前，國際市場上的轉(zhuǎn)基因食品按照要求必須進(jìn)行了嚴(yán)格審查，證明它們對人類健康無副作用。檢驗(yàn)不僅在生產(chǎn)國進(jìn)行,而且聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織聯(lián)合委員會負(fù)責(zé)監(jiān)管。對轉(zhuǎn)基因植物的安全性評價(jià)主要集中在兩個(gè)方面，一個(gè)是環(huán)境安全性，另一個(gè)是食品安全性。
3.1轉(zhuǎn)基因植物的環(huán)境安全性
環(huán)境安全性評價(jià)要回答的核心問題是轉(zhuǎn)基因植物釋放到田間去是否會將基因轉(zhuǎn)移到野生植物中，或是否會破壞自然生態(tài)環(huán)境，打破原有生物種群的動態(tài)平衡。
⑴對野生生物的影響：轉(zhuǎn)基因植物種植推廣后，釋放到自然環(huán)境中的機(jī)會多。因其具有野生植物缺少的多種抗性，將會迅速成為新的優(yōu)勢種群，從而影響生態(tài)平衡。雖然利用"終止因子技術(shù)"，以及"化學(xué)催化"技術(shù)可以限制轉(zhuǎn)基因植物的擴(kuò)散，但因此項(xiàng)技術(shù)對農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展等諸多方面影響而受到多方面的關(guān)注。
⑵對自然生物類群的影響：出現(xiàn)高抗藥性有害生物。"病毒重組"或"異源包裝"是否會產(chǎn)生新的農(nóng)作物病原物，自然界存在著植物病毒的重組現(xiàn)象，包括DNA病毒和RNA病毒。轉(zhuǎn)外殼蛋白(CP)基因的抗病毒植物，當(dāng)有其它病毒侵染時(shí)，入侵病毒的核酸有可能被轉(zhuǎn)基因植物表達(dá)的外殼蛋白質(zhì)包裝，從而改變病毒的寄主范圍，使病毒病防治更加困難。擔(dān)心作物中轉(zhuǎn)入抗蟲或抗病基因后，會加大對某一種害蟲或病原體的選擇壓，使害蟲或病原體加速突變產(chǎn)生抗性，給防治增加麻煩。
3.2轉(zhuǎn)基因植物的食品安全性
食品安全性也是轉(zhuǎn)基因植物安全性評價(jià)的一個(gè)重要方面。如果轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)的產(chǎn)品與傳統(tǒng)產(chǎn)品具有實(shí)質(zhì)等同性，則可以認(rèn)為是安全的。若轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)的產(chǎn)品與傳統(tǒng)產(chǎn)品不存在實(shí)質(zhì)等同性，則應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的安全性評價(jià)。在進(jìn)行實(shí)質(zhì)等同性評價(jià)時(shí)，一般需要考慮以下一些主要方面。
⑴有毒物質(zhì)：必須確保轉(zhuǎn)入外源基因或基因產(chǎn)物對人畜無毒。如轉(zhuǎn)Bt殺蟲基因玉米除含有Bt殺蟲蛋白外，與傳統(tǒng)玉米在營養(yǎng)物質(zhì)含量等方面具有實(shí)質(zhì)等同性。要評價(jià)它作為飼料或食品的安全性，則應(yīng)集中研究Bt蛋白對人畜的安全性。
⑵過敏源：在自然條件下存在著許多過敏源。在基因工程中如果將控制過敏源形成的基因轉(zhuǎn)入新的植物中，則會對過敏人群造成不利的影響。所以，轉(zhuǎn)入過敏源基因的植物不能批準(zhǔn)商品化。另外還要考慮營養(yǎng)物質(zhì)和抗?fàn)I養(yǎng)因子的含量等。
4總結(jié)
植物基因工程食品在解決全球饑餓問題和保障農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，并可通過轉(zhuǎn)基因能源植物為緩解世界能源危機(jī)作出巨大貢獻(xiàn)，盡管與之相伴的轉(zhuǎn)基因植物安全性問題與公眾態(tài)度、貿(mào)易中的技術(shù)壁壘及倫理、宗教等復(fù)雜因素交織為一個(gè)科技含量很高的政治、經(jīng)濟(jì)問題，成為了國際、國內(nèi)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)，但轉(zhuǎn)基因植物輝煌的發(fā)展前景是不容置疑的。在研究與開發(fā)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的同時(shí)，理智、客觀、安全地運(yùn)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，加強(qiáng)其安全性防范的長期應(yīng)用研究。建立起一整套完善的、既符合國際標(biāo)準(zhǔn)又與我國國情相適應(yīng)的檢測體系，確保轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品進(jìn)出口的安全性，讓植物轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)成為21世紀(jì)解決健康、環(huán)境、資源等重大社會與經(jīng)濟(jì)問題的有效手段。
參考文獻(xiàn)：
[1]陳君石主譯，轉(zhuǎn)基因食品:基礎(chǔ)知認(rèn)及安全性，人民衛(wèi)生出版社，2003.8
[2]閆新甫，轉(zhuǎn)基因植物(生命科學(xué)專論)，科學(xué)出版社，2006.3
[3]吳愛忠，基因轉(zhuǎn)移，上海教育出版社，2004.9
[關(guān)鍵詞]生物技術(shù) 細(xì)胞生物學(xué) 雙語教學(xué) 教學(xué)改革
[中圖分類號] Q2-4 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）11-0101-02
一、引言
2001年9月教育部出臺了要求各高校積極推動使用英語進(jìn)行公共課和專業(yè)課的教學(xué)，特別強(qiáng)調(diào)應(yīng)在生物技術(shù)等國家發(fā)展急需的專業(yè)率先開展雙語教學(xué)的文件。[1] [2]生物技術(shù)是典型的高新技術(shù)，為了加強(qiáng)國際的溝通與合作，英語就理所當(dāng)然地成了生物技術(shù)人才的重要工具。從某種程度上來講，英語的駕馭能力與生物技術(shù)人才的國際競爭能力成正比關(guān)系。因此對于生物技術(shù)專業(yè)的學(xué)生來說，雙語教學(xué)帶來的英語水平的提高，可以起到“如虎添翼”的作用。[3]
細(xì)胞生物學(xué)知識更新很快，新概念、新名詞、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，是目前生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展最為迅速的前沿學(xué)科之一。但目前歐美等地區(qū)處于這一領(lǐng)域發(fā)展的中心，高質(zhì)量的細(xì)胞生物學(xué)學(xué)術(shù)論文都用英語撰寫，90%以上的新發(fā)現(xiàn)都是以英語方式傳播，要了解細(xì)胞生物學(xué)的最新進(jìn)展，必須查閱相關(guān)英語文獻(xiàn)。為培養(yǎng)復(fù)合型、開放型的高素質(zhì)生物技術(shù)專業(yè)人才，對細(xì)胞生物學(xué)課程開展雙語教學(xué)勢在必行。本文根據(jù)筆者在細(xì)胞生物學(xué)雙語教學(xué)實(shí)踐中的體會，對高校生物技術(shù)專業(yè)的細(xì)胞生物學(xué)雙語教學(xué)的方法進(jìn)行了探討。
二、雙語教學(xué)教材的選擇
教材選用是否恰當(dāng)，對雙語教學(xué)而言至關(guān)重要。教研組首先根據(jù)生物技術(shù)專業(yè)學(xué)生的具體情況編寫了教學(xué)大綱及多媒體課件。在進(jìn)行細(xì)胞生物學(xué)雙語教學(xué)時(shí)，課程組仍以翟中和等人編寫的《細(xì)胞生物學(xué)》（第3版）中文教材為主，同時(shí)，教研組對國際著名院校采用的教材Molecular cell biology、Essential cell biology、Molecular biology of the cell等進(jìn)行選編，并輔以適量易讀、簡短的英語材料或文獻(xiàn)的閱讀資料。
三、選擇適合的教學(xué)方法
教學(xué)方法和模式的好壞，是能否實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)、完成教學(xué)任務(wù)的關(guān)鍵。課程組最初就設(shè)立了“以傳授專業(yè)知識為主，以傳授專業(yè)英語知識為輔”的細(xì)胞生物學(xué)雙語教學(xué)目標(biāo)，并據(jù)此精心選擇了以下的教學(xué)方法。
（一）循序漸進(jìn)
在細(xì)胞生物學(xué)的雙語教學(xué)中，根據(jù)細(xì)胞生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容的難易，專業(yè)詞匯的多少、生僻程度來決定多媒體課件中英語詞匯的使用量以及課堂講解中英語的使用量。遵循循序漸進(jìn)的原則，讓學(xué)生由簡單到復(fù)雜、由少到多地接觸并接受細(xì)胞生物學(xué)雙語教學(xué)，在掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，提高專業(yè)英語的聽說讀寫能力。如在第一章緒論中，我們的雙語教學(xué)以介紹術(shù)語為主，而在“細(xì)胞膜與物質(zhì)運(yùn)輸”這一章，專業(yè)詞匯不多，也不十分生僻，因此在這一章的雙語教學(xué)中，無論是多媒體展示還是課堂講解都可以采用通俗的英語來表達(dá)，多媒體課件采用了“全英文+生僻詞中文注釋”的形式。在整章內(nèi)容的課堂講解時(shí)，大約55%的內(nèi)容使用了英語授課。對于難度較大的章節(jié)如“細(xì)胞信號通路”這一章，其內(nèi)容本身就抽象難懂，專業(yè)詞匯非常多且生僻，在多媒體課件中，中英文應(yīng)各占50%：英語部分主要選擇了一些非?；A(chǔ)且需要學(xué)生掌握的內(nèi)容，并加中文注解。課堂講解只采用了10%左右的英語。
此外，為了幫助學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，提前將教學(xué)大綱、教案、課件資料（包括大量的圖片、動畫）、閱讀材料及參考文獻(xiàn)發(fā)給學(xué)生，對學(xué)生的學(xué)習(xí)提供幫助，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。
（二）加強(qiáng)專業(yè)詞匯的學(xué)習(xí)
細(xì)胞生物學(xué)是生命科學(xué)的前沿學(xué)科，新名詞、新術(shù)語、新知識不斷涌現(xiàn)。雙語課堂教學(xué)效果在一定程度上依賴于學(xué)生對專業(yè)英語詞匯的積累和擴(kuò)充。如果學(xué)生對專業(yè)詞匯量的掌握不夠多，勢必影響對專業(yè)知識的掌握。因此，在教學(xué)過程中，我們編寫了專業(yè)詞匯中英文對照表，讓學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)，以便學(xué)生在課堂上能在掌握基本專業(yè)詞匯的基礎(chǔ)上，在較熟悉的英語環(huán)境中更好地理解專業(yè)課堂內(nèi)容。經(jīng)過我們的實(shí)踐，一般經(jīng)過1 / 3的專業(yè)詞匯的積累，學(xué)生往往就能適應(yīng)和接受雙語教學(xué)，跨越專業(yè)詞匯理解這一難關(guān)。與此同時(shí)，教師還在課堂上隨時(shí)將遇到的詞匯，通過構(gòu)詞法進(jìn)行簡單講解，降低學(xué)生對專業(yè)詞匯的陌生感，有利于學(xué)生理解和記憶。而且這樣的方式還能讓學(xué)生舉一反三，進(jìn)而觸類旁通地掌握更多的詞匯。例如，前綴cyto表示“細(xì)胞”“細(xì)胞質(zhì)”，skeleton學(xué)生知道是“骨骼”，那么cytoskeleton就是“細(xì)胞骨架”，而cytochemistry是“細(xì)胞化學(xué)”，cytoplasm是“細(xì)胞質(zhì)”。
（三）充分利用網(wǎng)絡(luò)的資源
當(dāng)今社會網(wǎng)絡(luò)高度發(fā)達(dá)，關(guān)于細(xì)胞生物學(xué)專業(yè)知識的網(wǎng)上資源也非常豐富，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源對教師和學(xué)生有著極大的幫助。我們課程組的做法是教師提前進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索，將與細(xì)胞生物學(xué)相關(guān)的國內(nèi)外網(wǎng)站進(jìn)行篩選、分類，收集到較適合我們教材內(nèi)容的網(wǎng)站地址后，在第一節(jié)課時(shí)就介紹給學(xué)生，鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間自主學(xué)習(xí)。因很多資源都來自國外網(wǎng)站，所以學(xué)生自主學(xué)習(xí)時(shí)，除了可以提高利用網(wǎng)絡(luò)資源獲取相關(guān)知識的能力，還能提高專業(yè)英語水平。此外，課程組還充分利用本校國家級雙語教學(xué)示范課程《食品科學(xué)技術(shù)導(dǎo)論》的平臺（http：// / ）。該平臺包含網(wǎng)絡(luò)字典、細(xì)胞生物學(xué)習(xí)題、游戲、動畫、在線學(xué)習(xí)、視頻等相關(guān)資源，方便學(xué)生學(xué)習(xí)，有助于開拓學(xué)生的思想維度，激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)造力。
（四）充分利用課堂進(jìn)行英語互動教學(xué)
目前雙語教學(xué)要求學(xué)生具備一定的英語聽力能力，而聽力往往就是學(xué)生的弱項(xiàng)。教學(xué)中教師若不能設(shè)法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性及參與性，學(xué)生很可能就會因?yàn)榻處熯^度的英語講授而不能較好地理解和掌握專業(yè)知識，進(jìn)而失去學(xué)習(xí)的興趣。因此，在雙語教學(xué)過程中，適時(shí)的師生互動是必不可少的。本課程組在細(xì)胞生物學(xué)教學(xué)過程中總結(jié)的互動形式有多種，如教師英語提問，學(xué)生中文回答，這時(shí)的問題要以淺顯易答為主，提問的目的在于激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動學(xué)生參與性，使學(xué)生精力更加集中。對于較難的問題教師可以用英語自問自答，目的在于強(qiáng)調(diào)內(nèi)容的重要性，吸引學(xué)生注意力;也可以針對某個(gè)知識點(diǎn)，讓學(xué)生展開課堂討論，教師最后分別以中、英文加以歸納、總結(jié)。
四、教學(xué)效果評價(jià)
（一）教師評價(jià)反饋
教師的評價(jià)有定性評價(jià)和定量評價(jià)。定性評價(jià)包括課前隨機(jī)檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)筆記、課外材料的閱讀整理，了解學(xué)生的主動學(xué)習(xí)情況和學(xué)生上課表現(xiàn)及回答問題情況。定量評價(jià)包括筆試和平時(shí)考核，將兩次成績作為學(xué)生的最終成績進(jìn)而做出評價(jià)。筆試采取閉卷方式，在試題中有40%的考題用英文描述，涉及概念解析、回答問題等內(nèi)容，重在考查學(xué)生對基本知識的掌握及理解情況，以及對專業(yè)詞匯的理解和掌握情況。
（二）學(xué)生評反饋評價(jià)
學(xué)期結(jié)束時(shí)學(xué)生通過評教的方式對雙語教學(xué)方式給出客觀分?jǐn)?shù)和主觀評價(jià)?？陀^分?jǐn)?shù)評教雙語教學(xué)法要高于傳統(tǒng)教學(xué)法（95.7 Vs 91.4）。學(xué)生主觀評價(jià)主要包括在雙語教學(xué)模式下自身的自主學(xué)習(xí)能力是否得到提升，學(xué)習(xí)的興趣是否提高，專業(yè)英語水平是否提高，是否喜歡這種教學(xué)模式，學(xué)業(yè)壓力是否增加等。
五、細(xì)胞生物學(xué)應(yīng)用雙語教學(xué)模式存在的問題及解決方法探討
通過問卷調(diào)查、卷面考試等方式，可以看出細(xì)胞生物學(xué)雙語教學(xué)模式在實(shí)踐過程中也存在一定的問題。如教師需要轉(zhuǎn)變思想觀念，加強(qiáng)自身的英語學(xué)習(xí)，特別是因?yàn)樾枰ㄙM(fèi)比較多的時(shí)間和精力學(xué)習(xí)這種教學(xué)模式而更愿意采用傳統(tǒng)教學(xué)模式的教師，更需要轉(zhuǎn)變觀念。而缺乏自律性，不能自主預(yù)習(xí)專業(yè)英語詞匯和術(shù)語的學(xué)生，因不能適應(yīng)雙語授課模式而更習(xí)慣于傳統(tǒng)授課模式。雙語教學(xué)在一定程度上加大了學(xué)生的課業(yè)負(fù)擔(dān)。此外，雙語教學(xué)模式并不適用于所有的教學(xué)內(nèi)容，例如“細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)”這部分內(nèi)容比較抽象，學(xué)生即使采用母語學(xué)習(xí)也比較困難，因此這些內(nèi)容就需要用傳統(tǒng)的教學(xué)模式來講授。有學(xué)生反映學(xué)習(xí)內(nèi)容太多、太集中，知識消化不了，這些是我們在進(jìn)一步改革時(shí)需要深入思考的。此外，在閉卷考試中，可將40%的英文部分試題分布在填空、選擇和名詞解釋等單項(xiàng)分值較少的題型上，避免英文問答題。
盡管雙語教學(xué)目前還處在起步階段，存在較多問題，實(shí)施也有一定困難，但隨著經(jīng)驗(yàn)的逐步積累、師資隊(duì)伍的不斷建設(shè)、學(xué)生英語水平的不斷提高，雙語教學(xué)必將實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，上升到新的水平。
[ 注 釋 ]
[1] 龍莉，李清，陳元曉，等.學(xué)生為本、循序漸進(jìn)的細(xì)胞生物學(xué)雙語教學(xué)初探[J].中華醫(yī)學(xué)教育探索雜志，2011（11）.
1 我校環(huán)境科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)現(xiàn)狀
2005年，我校優(yōu)化整合本科專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系，其中將環(huán)境科學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課一《無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)》和《有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》等實(shí)驗(yàn)課調(diào)整到化學(xué)學(xué)院，《生物學(xué)概論》等實(shí)驗(yàn)課調(diào)整到生命科學(xué)學(xué)院，環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心保留環(huán)境科學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)、系列和主干實(shí)驗(yàn)課10門。經(jīng)過三年實(shí)踐，將環(huán)境科學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（化學(xué)類、生物類，物理類和工程制圖類等胺照其所屬學(xué)科分配給相關(guān)院系開設(shè)，不但充分保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)專業(yè)化水平，還實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化整合實(shí)驗(yàn)室資源，使環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心能夠集中精力建設(shè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室。
1.1環(huán)境科學(xué)本科實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱
環(huán)境科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課依附相關(guān)理論課程而設(shè)，依據(jù)《東北師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)課程本科教學(xué)大綱》共開設(shè)了10門實(shí)驗(yàn)課。詳情見表1
由表1可知，本專業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)數(shù)達(dá)到198課時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)目為52個(gè)，在數(shù)量上完全能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容也能基本保證學(xué)生們的專業(yè)需要。
而考察實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)，則存在著諸多問題，導(dǎo)致目前的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系無法達(dá)到預(yù)期教學(xué)要求和效果。
受到實(shí)驗(yàn)條件（儀器等）眾多因素的限制，《實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱》中各科實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜷_出規(guī)定數(shù)量的60%~70%就已很難。一般的大型精密分析儀器，只能演示使用，而不能提供具體參與操作的機(jī)會。受到實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)及儀器數(shù)量等因素的限制，稍有些難度的實(shí)驗(yàn)題目均采取學(xué)生4~6人組的分組實(shí)驗(yàn)，無法保證學(xué)生獲得充分實(shí)驗(yàn)機(jī)會。不同實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容上經(jīng)常出現(xiàn)重復(fù)沖突現(xiàn)象，比如《環(huán)境監(jiān)測》實(shí)驗(yàn)中有水化學(xué)指標(biāo)的測定，而《環(huán)境化學(xué)》和《水污染控制工程》實(shí)驗(yàn)中多處存在重復(fù)內(nèi)容，內(nèi)容的重復(fù)導(dǎo)致了學(xué)生的厭學(xué)情緒。
所以，看似質(zhì)優(yōu)量足的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，在目前實(shí)驗(yàn)條件和管理水平下，受到多方面因素制約，達(dá)不到相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)和效果。
1.2實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置與成績考核
環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)課使用的教材一般取自國家環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法，正規(guī)出版社的實(shí)驗(yàn)教材以及科技文獻(xiàn)中出現(xiàn)的成熟的實(shí)驗(yàn)方法等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，目前采取節(jié)選相關(guān)書籍或者教材中部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，輯成自編教材，作為環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材的辦法。受限于實(shí)驗(yàn)室條件，很難選擇一本完全適合我系環(huán)境科學(xué)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教材，若能針對本專業(yè)特點(diǎn)出版系列實(shí)驗(yàn)教材，其針對性和效果將會更佳。
實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過程一般由實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員備好藥品和儀器，理論課教師指導(dǎo)具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生按照既定的題目完成實(shí)驗(yàn)過程即可。學(xué)生一般無法參與到實(shí)驗(yàn)前期化學(xué)藥品的配置、儀器的調(diào)試，以及原材料的預(yù)處理過程中，這不利于學(xué)生從事自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)以及參與科研。應(yīng)該注重學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ?xùn)練，讓其參與到實(shí)驗(yàn)課的全過程中，接受系統(tǒng)的鍛煉。
實(shí)驗(yàn)課程的考核是由學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，獲得數(shù)據(jù)并處理后，進(jìn)行分析與評價(jià)，最終撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，論述實(shí)驗(yàn)全程及給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課堂表現(xiàn)和多次實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量給出其實(shí)驗(yàn)成績。實(shí)驗(yàn)成績一般折算為百分制的20%與學(xué)生理論課浙算80%)成績合計(jì)成為該科總成績。指導(dǎo)教師僅憑實(shí)驗(yàn)課堂上有限的印象和書面報(bào)告確定實(shí)驗(yàn)成績，不能衡量學(xué)生們的真實(shí)實(shí)驗(yàn)技能水平。
1.3實(shí)驗(yàn)室管理
環(huán)境科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要使用環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的環(huán)境科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室、環(huán)境科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室、環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室、兩個(gè)儀器分析室，及若干實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備室。本科所有實(shí)驗(yàn)以課程為單元分屬各實(shí)驗(yàn)室，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員負(fù)責(zé)管理維護(hù)實(shí)驗(yàn)室及準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。
具體實(shí)驗(yàn)課涉及到的原材料、藥品、玻璃器皿、小型儀器、耗材等所需物品由指導(dǎo)教師開學(xué)時(shí)報(bào)給實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員核對后確定需領(lǐng)取物品，到庫房領(lǐng)取。某些儀器如低速離心機(jī)、分光光度計(jì)等按實(shí)驗(yàn)室等量配置，不足時(shí)需要去別的實(shí)驗(yàn)室借用。
由于各實(shí)驗(yàn)室每個(gè)學(xué)期承擔(dān)一至兩門實(shí)驗(yàn)課程，其余時(shí)間實(shí)閑置，浪費(fèi)了實(shí)驗(yàn)室資源，同時(shí)學(xué)生們在有限的課時(shí)內(nèi)也無法獲得足夠的訓(xùn)練機(jī)會。
1.4實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革亟待解決的問題
目前環(huán)境科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)亟需解決的問題是，實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)形式和內(nèi)容無法培養(yǎng)出高質(zhì)量人才，實(shí)驗(yàn)室管理沒有高效率的運(yùn)轉(zhuǎn)起來，更談不上建立高水平的教學(xué)和科研平臺。
2實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案
2.1整合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)課獨(dú)立設(shè)課
解決實(shí)驗(yàn)課程體系松散、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重復(fù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)量開出率較低等諸多問題，要求重新整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，刪去無法完成的實(shí)驗(yàn)題目，合并重復(fù)的實(shí)驗(yàn)題目，按照現(xiàn)代教育規(guī)律建立新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。另外把實(shí)驗(yàn)課教學(xué)提高到與理論課同樣的高度，單獨(dú)設(shè)課，單獨(dú)考核。
根據(jù)環(huán)境科學(xué)專業(yè)的特點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中原有的10門實(shí)驗(yàn)課，按其內(nèi)容性質(zhì)和規(guī)律整合歸類，形成四門實(shí)驗(yàn)課，其優(yōu)劣可以通過實(shí)踐過程來檢驗(yàn)，以資調(diào)整。設(shè)置的四門骨干實(shí)驗(yàn)課，參見表2其具體教學(xué)內(nèi)容以《實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱》中10門實(shí)驗(yàn)課為參考，推陳出新，將實(shí)驗(yàn)題目有機(jī)的整合，形成系統(tǒng)的課程體系。按照教育教學(xué)規(guī)律設(shè)置學(xué)分，確定課時(shí)數(shù)量。
增設(shè)〈〈環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)》性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)論課，主要講授本專業(yè)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)內(nèi)容，如監(jiān)測類實(shí)驗(yàn)中的布點(diǎn)米樣和樣品保存技術(shù)，有毒有害樣品分析時(shí)的防護(hù)技術(shù)等，將學(xué)生們導(dǎo)入后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程中。還增設(shè)了《環(huán)境科學(xué)高級實(shí)驗(yàn)》性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)課，培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和解決具體環(huán)境問題的科學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。調(diào)整后的實(shí)驗(yàn)課程，形成以〈〈環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)》、四門骨干課程、《環(huán)境科學(xué)高級實(shí)驗(yàn)》系列課組成的核心實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。
2.2實(shí)驗(yàn)授課與考核方式的變化
實(shí)驗(yàn)課獨(dú)立設(shè)課后，若能夠聘用專職的實(shí)驗(yàn)教師講授實(shí)驗(yàn)課程將更為有效。因?yàn)槟壳爸笇?dǎo)實(shí)驗(yàn)課的一般為理論課教師或者年輕教師，他們承擔(dān)數(shù)門理論課程和繁重的科研任務(wù)，勢必影響實(shí)驗(yàn)課教學(xué)效果。專職的實(shí)驗(yàn)教師本職工作就是教好實(shí)驗(yàn)課，效果不言而喻。
實(shí)驗(yàn)課程的考核方式也應(yīng)進(jìn)行必要的調(diào)整，不但考核學(xué)生們平時(shí)勤席率。課堂表現(xiàn)、操作規(guī)范、實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，還在期末設(shè)置專門的書面考試或面試來考察其實(shí)驗(yàn)基本技能和對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握程度。
2.3改進(jìn)實(shí)驗(yàn)室管理方式
實(shí)驗(yàn)室的管理應(yīng)與實(shí)驗(yàn)課教學(xué)相適應(yīng)。對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)儀器等資源進(jìn)行再配置，將數(shù)量相對較少小型儀器（如分析天平，低速離心機(jī)，分光光度計(jì)等）等分類集中放置，保證學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，不必再施行分組實(shí)驗(yàn)的做法，其它儀器設(shè)備管理亦可酌情參照。
另外，將學(xué)生從實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備階段就引入實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生從頭到尾了解玻璃器皿的洗滌、標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置和標(biāo)定、儀器的維護(hù)和校訂，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)束后廢物的處理和實(shí)驗(yàn)室的整理等環(huán)節(jié)的工作，以提高學(xué)生們珍惜實(shí)驗(yàn)藥品，愛護(hù)實(shí)驗(yàn)儀器的良好作風(fēng)，主要目的是為學(xué)生們?nèi)蘸螵?dú)立設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)練好基本功。
2.4開放實(shí)驗(yàn)室
實(shí)驗(yàn)室開放是實(shí)驗(yàn)室資源利用最優(yōu)化的最佳形式。把實(shí)驗(yàn)室開放作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課外延伸，不但能夠增加學(xué)生們接受實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的機(jī)會，同時(shí)為學(xué)生們獨(dú)立思考問題，參與科研活動提供了訓(xùn)練平臺。
對于低年級學(xué)生，可將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容占用課時(shí)多，難度較低和需要反復(fù)訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)整理集中，作為實(shí)驗(yàn)室開放內(nèi)容并引導(dǎo)學(xué)生們積極參與；對于高年級學(xué)生，可以將學(xué)生科研項(xiàng)目，教師科研課題的子課題（難度低些的）以及其畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)等納入實(shí)驗(yàn)室開放內(nèi)容中，由指導(dǎo)教師啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用所掌握的實(shí)驗(yàn)技能，銜接好理論與實(shí)踐應(yīng)用的關(guān)系。
關(guān)鍵詞:梯度功能材料,復(fù)合材料,研究進(jìn)展
TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials
JinliangCui
(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會發(fā)展的三大支柱?，F(xiàn)代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學(xué)的發(fā)展。對材料,特別是對高性能材料的認(rèn)識水平、掌握和應(yīng)用能力,直接體現(xiàn)國家的科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力,也是一個(gè)國家綜合國力和社會文明進(jìn)步速度的標(biāo)志。因此,新材料的開發(fā)與研究是材料科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo),是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的基石。
近年來,材料科學(xué)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]。究其原因,一方面是各個(gè)學(xué)科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實(shí)驗(yàn)技術(shù);另一方面是實(shí)際應(yīng)用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用問題而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質(zhì)化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領(lǐng)域，所以它是近年來在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點(diǎn)之一。
1FGM概念的提出
當(dāng)代航天飛機(jī)等高新技術(shù)的發(fā)展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當(dāng)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過25個(gè)馬赫數(shù)，其表面溫度高達(dá)2000℃。而其燃燒室內(nèi)燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達(dá)5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強(qiáng)制冷卻的冷卻劑，此時(shí)燃燒室內(nèi)外要承受高達(dá)1000K以上的溫差,傳統(tǒng)的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復(fù)合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數(shù)和熱應(yīng)力的差別較大,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落[3]或龜裂[1]現(xiàn)象，其關(guān)鍵在于基底和涂層間存在有一個(gè)物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續(xù)變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應(yīng)力降至最小[3],如圖1所示。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分類
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點(diǎn)如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比FGM有如下優(yōu)勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結(jié)強(qiáng)度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性;
4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強(qiáng)連接強(qiáng)度也可以減小裂紋驅(qū)動力。
圖2
2.2FGM的分類
根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)FGM有多種分類方式。根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據(jù)其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個(gè)基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度FGM，成分FGM，光學(xué)FGM，精細(xì)FGM等[4]；根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱FGM，生物、化學(xué)工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3FGM的應(yīng)用
FGM最初是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結(jié)構(gòu)、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應(yīng)用于許多領(lǐng)域。FGM的應(yīng)用[8]見圖3。
圖3FGM的應(yīng)用
功能
應(yīng)用領(lǐng)域材料組合
緩和熱應(yīng)
力功能及
結(jié)合功能
航天飛機(jī)的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機(jī)械部件
耐熱性機(jī)械部件
耐蝕性機(jī)械部件
加工工具
運(yùn)動用具:建材陶瓷金屬
陶瓷金屬
塑料金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石金屬
碳纖維金屬塑料
核功能
原子爐構(gòu)造材料
核融合爐內(nèi)壁材料
放射性遮避材料輕元素高強(qiáng)度材料
耐熱材料遮避材料
耐熱材料遮避材料
生物相溶性
及醫(yī)學(xué)功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關(guān)節(jié)
人工內(nèi)臟器官:人工血管
補(bǔ)助感覺器官
生命科學(xué)磷灰石氧化鋁
磷灰石金屬
磷灰石塑料
異種塑料
硅芯片塑料
電磁功能
電磁功能陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導(dǎo)材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板壓電陶瓷塑料
壓電陶瓷塑料
硅化合物半導(dǎo)體
多層磁性薄膜
金屬鐵磁體
金屬鐵磁體
金屬陶瓷
金屬超導(dǎo)陶瓷
塑料導(dǎo)電性材料
陶瓷陶瓷
光學(xué)功能防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發(fā)光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導(dǎo)體
稀土類元素玻璃
能源轉(zhuǎn)化功能
MHD發(fā)電
電極;池內(nèi)壁
熱電變換發(fā)電
燃料電池
地?zé)岚l(fā)電
太陽電池陶瓷高熔點(diǎn)金屬
金屬陶瓷
金屬硅化物
陶瓷固體電解質(zhì)
金屬陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4FGM的研究
FGM研究內(nèi)容包括材料設(shè)計(jì)、材料制備和材料性能評價(jià)。FGM的研究開發(fā)體系如圖4所示[8]。
設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)
圖4FGM研究開發(fā)體系
4.1FGM設(shè)計(jì)
FGM設(shè)計(jì)是一個(gè)逆向設(shè)計(jì)過程[7]。
首先確定材料的最終結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件,然后從FGM設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結(jié)構(gòu),以及制備和評價(jià)方法,最后基于上述結(jié)構(gòu)和材料組合選擇,根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù),計(jì)算出體系的溫度分布和熱應(yīng)力分布。如果調(diào)整假定的組成成份分布函數(shù),就有可能計(jì)算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應(yīng)力分布,此時(shí)的組成分布函數(shù)即最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。
FGM設(shè)計(jì)主要構(gòu)成要素有三:
1)確定結(jié)構(gòu)形狀,熱—力學(xué)邊界條件和成分分布函數(shù);
2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參數(shù)模型;
3)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)—力學(xué)計(jì)算方法,包括有限元方法計(jì)算FGM的應(yīng)力分布,采用通用的和自行開發(fā)的軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。
FGM設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是與材料的制備工藝緊密結(jié)合,借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng),得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
4.2FGM的制備
FGM制備研究的主要目標(biāo)是通過合適的手段,實(shí)現(xiàn)FGM組成成份、微觀結(jié)構(gòu)能夠按設(shè)計(jì)分布,從而實(shí)現(xiàn)FGM的設(shè)計(jì)性能?？煞譃榉勰┲旅芊?如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設(shè)計(jì)的梯度成分成形,然后燒結(jié)。通過控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性,可獲得熱應(yīng)力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復(fù)雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反應(yīng)燒結(jié)等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設(shè)備簡單、易于操作和成本低等優(yōu)點(diǎn),但要對保溫溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。國內(nèi)外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應(yīng)時(shí),發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術(shù)。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學(xué)反應(yīng),此后化學(xué)反應(yīng)在自身放熱的支持下,自動持續(xù)地蔓延下去,利用反應(yīng)熱將粉末燒結(jié)成材，最后合成新的化合物。其反應(yīng)示意圖如圖6所示[16]：
圖6SHS反應(yīng)過程示意圖
SHS法具有產(chǎn)物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點(diǎn)。并且適合制造大尺寸和形狀復(fù)雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應(yīng)的材料體系,金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大,燒結(jié)程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機(jī)械強(qiáng)度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復(fù)雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內(nèi),并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層?？梢酝ㄟ^計(jì)算機(jī)程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設(shè)計(jì)所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來制備耐熱合金發(fā)動機(jī)葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等離子噴涂法(PS)
PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達(dá)1500K,同時(shí)處于高度壓縮狀態(tài),所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時(shí)急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達(dá)1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時(shí)還會與等離子體發(fā)生復(fù)雜的冶金化學(xué)反應(yīng),隨后被霧化成細(xì)小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結(jié),形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調(diào)整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)點(diǎn)是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結(jié),不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
圖7PS方法制備FGM涂層示意圖[17]（a）單槍噴涂（b）雙槍噴涂
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是將預(yù)先設(shè)計(jì)好組分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便會產(chǎn)生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時(shí)注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復(fù)以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強(qiáng)劑熔覆金屬獲得了梯度多層結(jié)構(gòu)。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來獲得,熔區(qū)的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時(shí)會出現(xiàn)裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
圖8同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[18]
4.2.3.3熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關(guān)的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強(qiáng)粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復(fù)合材料中。陶瓷增強(qiáng)顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態(tài),混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復(fù)合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續(xù)地改變增強(qiáng)顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/SiC復(fù)合材料?？梢允褂脽岬褥o壓工序以消除梯度復(fù)合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學(xué)方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學(xué)功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學(xué)性能破壞小、設(shè)備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受材料研究者的關(guān)注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù)。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實(shí)現(xiàn)組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結(jié)合強(qiáng)度低、設(shè)備比較復(fù)雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機(jī)理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩類。
化學(xué)氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進(jìn)行均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使反映產(chǎn)物沉積在基板上。通過控制反應(yīng)氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度,精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài),并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化,可得到按設(shè)計(jì)要求的FGM。另外,該法無須燒結(jié)即可制備出致密而性能優(yōu)異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應(yīng)物的形成；氣相反應(yīng)物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質(zhì),使其蒸發(fā)為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點(diǎn)是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應(yīng)變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個(gè)附加的被稱作“相變塑性”的變形機(jī)制。借助這種機(jī)制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應(yīng)力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內(nèi),可以通過施加應(yīng)變(或等價(jià)應(yīng)力)梯度,在這種材料中產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體體積分?jǐn)?shù)梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內(nèi)部獲得了鐵磁馬氏體α體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個(gè)簡單的方法,可以一步生產(chǎn)含有飽和磁化強(qiáng)度連續(xù)變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應(yīng)用前景。
4.3FGM的特性評價(jià)
功能梯度材料的特征評價(jià)是為了進(jìn)一步優(yōu)化成分設(shè)計(jì),為成分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),目前已開發(fā)出局部熱應(yīng)力試驗(yàn)評價(jià)、熱屏蔽性能評價(jià)和熱性能測定、機(jī)械強(qiáng)度測定等四個(gè)方面。這些評價(jià)技術(shù)還停留在功能梯度材料物性值試驗(yàn)測定等基礎(chǔ)性的工作上[7]。目前,對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機(jī)械性能進(jìn)行評價(jià)[8]。目前,日本、美國正致力于建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)特征評價(jià)體系[7~8]。
5FGM的研究發(fā)展方向
5.1存在的問題
作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進(jìn)一步的研究和解決,主要表現(xiàn)在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫（包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評價(jià)等）還需要補(bǔ)充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進(jìn)一步研究和探索統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的材料物理性質(zhì)模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結(jié)構(gòu)以及制備條件的定量關(guān)系，為準(zhǔn)確、可靠地預(yù)測梯度材料物理性能奠定基礎(chǔ)；
3）隨著梯度材料除熱應(yīng)力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設(shè)計(jì)體系，為梯度材料在多方面研究和應(yīng)用開辟道路；
4）尚需完善連續(xù)介質(zhì)理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結(jié)構(gòu)模型，并借助計(jì)算機(jī)模擬對材料性能進(jìn)行理論預(yù)測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結(jié)構(gòu)簡單,還不具有較多的實(shí)用價(jià)值;
6)成本高。
5.2FGM制備技術(shù)總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發(fā)的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術(shù)；
2）開發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的FGM制備技術(shù)；
3）開發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術(shù)（高性能材料復(fù)合技術(shù)）；
4）深入研究各種先進(jìn)的制備工藝機(jī)理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3對FGM的性能評價(jià)進(jìn)行研究[2、13]
有必要從以下5個(gè)方面進(jìn)行研究：
1）熱穩(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨時(shí)間變化關(guān)系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環(huán)境變化能力；
5）其他性能評價(jià)，如熱電性能、壓電性能、光學(xué)性能和磁學(xué)性能等
6結(jié)束語
FGM的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代材料的設(shè)計(jì)思想進(jìn)入了高性能新型材料的開發(fā)階段[8]。FGM的研究和開發(fā)應(yīng)用已成為當(dāng)前材料科學(xué)的前沿課題。目前正在向多學(xué)科交叉,多產(chǎn)業(yè)結(jié)合,國際化合作的方向發(fā)展。
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