深度 | 教育真材，研究实料—访工学院曹安源老师
人 物
WECHAT ID: DEANPKU
关键词：教学名师 工学院 曹安源
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，曹安源老师为我们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，并介绍了材料科学的最新进展与应用前景。
曹老师充分体现了工学院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。我们都知道，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：我们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，我们如何解决这个问题？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。一般我们希望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，我们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。我在介绍某一个概念之前，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介绍的。
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。比如我们讲晶体缺陷，“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：研究型人才的培养
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。我们是机械系，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，能否介绍一下纳米机器人的原理？
曹安源老师：纳米机器人并非通常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，我们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。像我们做的纳米管纤维，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知识，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。以前中海油和我们接触过，用我们的碳纳米海绵吸油——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；我们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，北大工学院也有产业孵化办公室，能帮助老师们跟企业联系，包括我们跟新奥、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；当然我们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。北大工学院自身的特色，就是以基础研究为主，慢慢再发展技术应用。
名师简介
曹安源，北京大学工学院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年加入北京大学工学院，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，培养及联合指导了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指导教师、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
稿件支持 | 教师教学发展中心
编辑 | 赖钰
推 荐 阅 读