夯實(shí)學(xué)科基礎(chǔ) 突出前沿交叉 以學(xué)生為中心

許靜 李宇杰 鄭春滿 劉雙科

[摘 要]材料化學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科課程，針對(duì)其涉及的知識(shí)面廣以及內(nèi)容多而龐雜等特點(diǎn)，作者在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外材料化學(xué)課程內(nèi)容情況的基礎(chǔ)上，以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)原理、手段分析和解決材料問題的能力為目標(biāo)，對(duì)國(guó)防科技大學(xué)材料化學(xué)的研究生課程內(nèi)容進(jìn)行了凝練和優(yōu)化，從夯實(shí)學(xué)科基礎(chǔ)、突出前沿交叉、以學(xué)生為中心開展教學(xué)三方面進(jìn)行了材料化學(xué)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐探索，取得了良好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]材料化學(xué);課程內(nèi)容;教學(xué)改革;研究生教育

[中圖分類號(hào)] G642.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2022）01-0142-03

材料是一切科學(xué)技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，材料科學(xué)是當(dāng)前科學(xué)研究的前沿。各種材料源于化學(xué)制造和化學(xué)開發(fā)，隨著新材料新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，材料學(xué)科與化學(xué)之間的聯(lián)系也日益密切。材料化學(xué)是在材料學(xué)科與化學(xué)學(xué)科互相交叉、互相滲透過程中興起的一門綜合性交叉學(xué)科[1]，是溝通化學(xué)和材料兩大學(xué)科領(lǐng)域的橋梁，在材料學(xué)科和化學(xué)學(xué)科中均占有重要地位。

近年來，許多院校為材料或應(yīng)用化學(xué)相關(guān)專業(yè)的本?？聘吣昙?jí)學(xué)生或研究生開設(shè)了材料化學(xué)課程或內(nèi)容相近的課程，但由于材料本身種類很多，材料化學(xué)涉及的內(nèi)容非常廣泛，其教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置一直以來是各高校課程建設(shè)和教學(xué)改革的重點(diǎn)[2-5]。材料化學(xué)是國(guó)防科技大學(xué)材料學(xué)科研究生的專業(yè)核心課程，為提高材料化學(xué)課程的質(zhì)量，適應(yīng)培養(yǎng)新時(shí)代創(chuàng)新型人才的需求，我們?cè)诔浞终{(diào)研國(guó)內(nèi)外材料化學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，從夯實(shí)學(xué)科基礎(chǔ)、突出前沿交叉、以學(xué)生（本文所提的學(xué)生均指研究生）為中心開展教學(xué)三方面進(jìn)行了材料化學(xué)研究生課程教學(xué)改革探索，取得了較好的教學(xué)效果。

一、國(guó)內(nèi)外材料化學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容對(duì)比分析

目前，直接開設(shè)材料化學(xué)研究生課程的國(guó)內(nèi)外一流大學(xué)較少，內(nèi)容相近的課程有固體化學(xué)、無機(jī)材料化學(xué)、功能材料化學(xué)等。也有一些大學(xué)在本科階段就將其作為基礎(chǔ)核心課程，如國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)等;英國(guó)的圣安德魯斯大學(xué)、加拿大的不列顛哥倫比亞大學(xué)等著名大學(xué)為本科生開設(shè)了材料化學(xué)課程。而國(guó)內(nèi)的復(fù)旦大學(xué)、北京化工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、浙江大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、廈門大學(xué)、西北大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)等大學(xué)則將材料化學(xué)作為核心基礎(chǔ)課程，為研究生開設(shè)了材料化學(xué)或內(nèi)容相近的固體化學(xué)基礎(chǔ)理論課程。

目前，國(guó)內(nèi)不同高校的材料化學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的差別非常大，大致可分為以下三類：第一類側(cè)重于某一類材料，屬于單科性的。部分高校的材料化學(xué)課程內(nèi)容基本上是圍繞各自具有特色的優(yōu)勢(shì)材料體系進(jìn)行組織，應(yīng)該屬于某某材料化學(xué)，如無機(jī)材料化學(xué)、多孔材料化學(xué)、納米材料化學(xué)等。第二類側(cè)重于材料化學(xué)的基礎(chǔ)理論和知識(shí)，比如有些高校的材料化學(xué)課程強(qiáng)調(diào)固體化學(xué)基礎(chǔ)理論，有些則側(cè)重于物理化學(xué)、電化學(xué)、表面化學(xué)、膠體化學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，其課程內(nèi)容偏應(yīng)用化學(xué)，與材料學(xué)科結(jié)合不緊密。第三類側(cè)重于在系統(tǒng)闡述材料化學(xué)的基礎(chǔ)理論的同時(shí)，分述包括高分子材料、金屬材料、無機(jī)非金屬材料等各類材料的結(jié)構(gòu)、性能和制備方法[6-8]，但其內(nèi)容多為基礎(chǔ)性和梗概性的，且材料化學(xué)的基礎(chǔ)理論部分與分述的各類材料部分的聯(lián)系相對(duì)獨(dú)立，沒有有機(jī)結(jié)合起來。與國(guó)內(nèi)高校相比，國(guó)外高校的材料化學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容有理論深度不斷增加的趨勢(shì)，在幫助學(xué)生構(gòu)建材料化學(xué)知識(shí)體系的同時(shí)，注重學(xué)生運(yùn)用知識(shí)分析和解決問題的能力的培養(yǎng)。如美國(guó)中密歇根大學(xué)開設(shè)的材料化學(xué)（Materials Chemistry）課程以固體化學(xué)（Solid Chemistry）的經(jīng)典理論為主，并將其基本理論貫穿到金屬、半導(dǎo)體、聚合物、納米材料等材料體系的結(jié)構(gòu)和性能中，強(qiáng)調(diào)化學(xué)基礎(chǔ)理論在材料研究中的應(yīng)用。

總的來說，國(guó)內(nèi)外不同高校對(duì)材料化學(xué)的定義缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和理解，材料化學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容具有明顯的發(fā)散性。

二、材料化學(xué)研究生課程教學(xué)改革與實(shí)踐

（一）精選核心重點(diǎn)內(nèi)容，夯實(shí)學(xué)生學(xué)科基礎(chǔ)

材料化學(xué)是從化學(xué)角度并運(yùn)用化學(xué)方法從原子和分子等微觀尺度研究材料的制備、組成、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系的一門科學(xué)。材料化學(xué)研究生通過本科階段的材料科學(xué)基礎(chǔ)、大學(xué)化學(xué)、物理化學(xué)等課程的學(xué)習(xí)，對(duì)材料的制備、組成、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系及其研究方法已有一定的了解，且具有一定的化學(xué)理論基礎(chǔ)。但是對(duì)于如何將化學(xué)基礎(chǔ)理論與材料研究聯(lián)系起來以及如何從化學(xué)角度分析和解決材料研究中的有關(guān)問題，他們?nèi)狈ο到y(tǒng)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。因此，材料化學(xué)研究生課程的主要任務(wù)旨在幫助研究生建立材料的宏觀性能和過程與材料微觀結(jié)構(gòu)以及原子、分子運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)的基本原理、手段分析和解決材料實(shí)際問題的能力，為其未來開發(fā)和研制高新材料打好堅(jiān)實(shí)寬廣的基礎(chǔ)。

為了適應(yīng)專業(yè)核心課程教學(xué)“寬廣性”“基礎(chǔ)性”的要求，與本校材料學(xué)科研究生的其他課程內(nèi)容形成有效的銜接，同時(shí)考慮到與材料的性能和表征有關(guān)的內(nèi)容在其他研究生課程如功能材料、微觀分析與表征技術(shù)等課程中已有涉及，材料化學(xué)課程省略了大多數(shù)材料化學(xué)課程中專門介紹各種功能材料的內(nèi)容，將重點(diǎn)放在對(duì)材料化學(xué)基本理論的闡述以及其在材料制備中的應(yīng)用方面。

基于此，可將材料化學(xué)課程內(nèi)容分為兩大部分。第一部分為材料化學(xué)基礎(chǔ)理論部分，重點(diǎn)講述經(jīng)典的固體化學(xué)理論，包括缺陷化學(xué)、固相中擴(kuò)散、相變和反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論等。由于近年來自組裝化學(xué)在材料研究中的應(yīng)用和發(fā)展迅速，因此本課程增加了自組裝化學(xué)的相關(guān)章節(jié)。第二部分主要介紹材料不同層次的微介觀結(jié)構(gòu)（化學(xué)組成、單晶結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)、有序結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等）以及形貌的控制原理和方法，介紹先進(jìn)材料的化學(xué)制備技術(shù)。

固體化學(xué)是材料化學(xué)的前身[8]，經(jīng)典的固體化學(xué)理論是從化學(xué)角度研究固體的基礎(chǔ)理論，主要揭示固體中原子、分子等微粒運(yùn)動(dòng)的微觀機(jī)理及其對(duì)固體宏觀性能和過程的影響規(guī)律，是從原子、分子的角度理解材料的制備、組成、結(jié)構(gòu)和性能之間關(guān)系的基礎(chǔ)。全面掌握固體化學(xué)理論，有助于學(xué)生建立固體材料中微觀與宏觀之間的聯(lián)系，為其運(yùn)用化學(xué)原理解決材料問題奠定基礎(chǔ)。雖然固體化學(xué)最初涉及的材料體系主要為無機(jī)材料，但其基本理論和研究方法是具有共性的，在其他固相材料（如高分子材料等）、非均相體系、材料界面等的研究方面也具有重要的應(yīng)用和參考價(jià)值，因此，本課程將固體化學(xué)理論作為材料化學(xué)基礎(chǔ)理論的重點(diǎn)內(nèi)容。自組裝近年來在材料科學(xué)研究中受到廣泛關(guān)注，與傳統(tǒng)的基于原子構(gòu)建分子的化學(xué)合成不同，自組裝是通過不同組裝單元（表面活性劑小分子、嵌段共聚物、納米或膠體顆粒等）之間的組裝與復(fù)合來構(gòu)造各種新型的、復(fù)雜的、功能集成的組裝體，提供了一條用聚集體來創(chuàng)造新物質(zhì)和新材料的途徑。自組裝化學(xué)是以化學(xué)鍵為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)化學(xué)理論的拓展和延伸，其理論仍處于發(fā)展和完善之中，所以在本課程材料化學(xué)基礎(chǔ)理論部分也做了相應(yīng)的介紹，以使學(xué)生對(duì)材料學(xué)科的前沿和熱點(diǎn)有一定的了解，同時(shí)也為學(xué)生后續(xù)自組裝制備有序結(jié)構(gòu)材料部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

（二）分析材料微觀結(jié)構(gòu)制備方法，充分體現(xiàn)課程前沿交叉特性

第二部分著重將化學(xué)過程和原理跟材料組成、微結(jié)構(gòu)的控制聯(lián)系起來，是第一部分材料化學(xué)基礎(chǔ)理論的延伸和在材料制備中的具體應(yīng)用，充分體現(xiàn)了材料和化學(xué)之間的密切關(guān)系以及材料化學(xué)的交叉學(xué)科特點(diǎn)。對(duì)于這部分內(nèi)容，本課程沒有沿用按材料種類或按制備方法來介紹的慣例，而是以材料不同層次結(jié)構(gòu)的化學(xué)控制為主線，闡述如何運(yùn)用化學(xué)的基礎(chǔ)理論實(shí)現(xiàn)材料不同層次結(jié)構(gòu)的控制，同時(shí)也介紹了材料不同層次結(jié)構(gòu)與材料性能之間的關(guān)系。材料的性能取決于結(jié)構(gòu)，而材料的結(jié)構(gòu)可分為多種層次，不同層次的結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能有著不同的影響。比如摻硼和摻磷的單晶硅分別表現(xiàn)出p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體特性，這種電性能差別來源于二者化學(xué)組成層次上的差別;又如具有相同的化學(xué)組成的單晶硅和多晶硅材料，單晶硅的光伏轉(zhuǎn)換效率明顯高于多晶硅，這種光伏特性的差別就是二者晶體結(jié)構(gòu)層次上的差別導(dǎo)致的;再如微觀結(jié)構(gòu)層次上三維有序的硅反蛋白石光子晶體雖然與塊體硅具有相同的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)，但卻表現(xiàn)出塊體硅沒有的光學(xué)禁帶特性，這種光學(xué)性能差異主要是二者微觀結(jié)構(gòu)層次上的差別導(dǎo)致的。因此，材料性能的控制實(shí)際上是材料不同層次結(jié)構(gòu)的控制，如何從化學(xué)角度控制材料各種層次的結(jié)構(gòu)，就是材料制備化學(xué)的核心問題。本課程按材料的不同層次結(jié)構(gòu)的控制來組織內(nèi)容，便于學(xué)生掌握控制材料結(jié)構(gòu)制備的共性原理和方法，非常實(shí)用?？紤]到材料的尺度、維數(shù)等微介觀結(jié)構(gòu)的控制是近年來材料學(xué)科發(fā)展前沿，本課程在介紹材料的化學(xué)組成和分子聚集狀態(tài)（晶態(tài)、非晶態(tài)）的控制方法的基礎(chǔ)上，增加了有序結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)等高層次結(jié)構(gòu)控制的相關(guān)內(nèi)容，以使學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論的同時(shí)，緊跟材料相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)。

在教學(xué)內(nèi)容的編排上，既應(yīng)符合科學(xué)發(fā)展的規(guī)律，也要照顧到知識(shí)層次循序漸進(jìn)的要求。本課程第一部分內(nèi)容中固相擴(kuò)散過程與固體中缺陷變化及其運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，固態(tài)相變和固相反應(yīng)又都涉及固相中的擴(kuò)散，因此，缺陷化學(xué)是整個(gè)固體化學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，缺陷化學(xué)又是理解固體的光、電、聲、磁等物理化學(xué)性能與固體的化學(xué)結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的基礎(chǔ)，故將其放在最前面，按缺陷化學(xué)→固相擴(kuò)散→固態(tài)相變→固相反應(yīng)的次序進(jìn)行編排。自組裝化學(xué)涉及相變過程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，可以放在這些基礎(chǔ)理論之后單獨(dú)進(jìn)行討論。第二部分內(nèi)容則根據(jù)材料結(jié)構(gòu)的層次從低到高進(jìn)行編排，其基本順序?yàn)榛瘜W(xué)組成的控制→晶體結(jié)構(gòu)的控制→納米結(jié)構(gòu)的控制→有序結(jié)構(gòu)的控制→多孔結(jié)構(gòu)等的化學(xué)控制，最后再單獨(dú)介紹先進(jìn)的材料制備技術(shù)。

（三）以學(xué)生為中心，大力開展推演式、啟發(fā)式和研討式教學(xué)改革

在凝練材料化學(xué)課程內(nèi)容并科學(xué)編排教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，我們對(duì)傳統(tǒng)的教師講授為主的教學(xué)模式進(jìn)行了改革：通過增加推演式教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)、研討式教學(xué)等教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了從“以教師為中心”向“以學(xué)生為中心”的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，提升了學(xué)生分析解決問題的能力。

1.強(qiáng)化基礎(chǔ)理論的推演，提高學(xué)生的科研素養(yǎng)

為適應(yīng)研究生層次的培養(yǎng)需求，我們適當(dāng)增加了材料化學(xué)基礎(chǔ)理論部分的深度和難度，將重要定律和參數(shù)的推演過程作為學(xué)習(xí)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。比如講授Fick定律中擴(kuò)散系數(shù)的物理意義時(shí)，我們從一維原子躍遷的擴(kuò)散模型著手，演示了采用統(tǒng)計(jì)的方法逐步得到擴(kuò)散方程的推導(dǎo)過程，然后再將一維模型擴(kuò)散到三維模型，將原子擴(kuò)展到其他質(zhì)點(diǎn)，最后通過比較得到了擴(kuò)散系數(shù)的物理表達(dá)式和意義，并在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生通過逐步修正假設(shè)自發(fā)推導(dǎo)出空位擴(kuò)散機(jī)制、間隙擴(kuò)散機(jī)制等不同的擴(kuò)散機(jī)制下擴(kuò)散系數(shù)的物理表達(dá)式。這種推演過程的學(xué)習(xí)不僅使學(xué)生深刻理解了宏觀的擴(kuò)散系數(shù)與微觀的擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系，使其對(duì)固體化學(xué)中常用的建模和理論研究方法有了一定的了解，還訓(xùn)練了其演繹推理的思維習(xí)慣，提高其舉一反三、融會(huì)貫通的能力。

2.開展啟發(fā)式教學(xué)，提升學(xué)生分析解決問題的能力

教師在以往的科研活動(dòng)中，常常發(fā)現(xiàn)學(xué)生面對(duì)具體的問題時(shí)不知如何下手，這反映了學(xué)生不能將所學(xué)知識(shí)用于實(shí)踐分析和解決問題，對(duì)于培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才極為不利。在材料化學(xué)課堂教學(xué)中，我們通過啟發(fā)式教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)際的材料問題與化學(xué)基礎(chǔ)理論聯(lián)系起來，訓(xùn)練和強(qiáng)化其將所學(xué)知識(shí)用于分析解決問題的能力，取得了良好的效果。例如項(xiàng)目組在研制一種新型鋰離子電極材料時(shí)，需要將鈦酸鋰均勻包覆在石墨的表面，但發(fā)現(xiàn)很難包覆上，容易形成鈦酸鋰顆粒與石墨的物理共混物。此時(shí)將該問題拋給學(xué)生，介紹涉及鈦酸鋰成核生長(zhǎng)的微觀動(dòng)力學(xué)過程，引導(dǎo)學(xué)生從成核角度分析包覆的關(guān)鍵條件，于是有學(xué)生提出包覆的前提是優(yōu)先在石墨上成核同時(shí)抑制溶液中的成核過程，再根據(jù)成核勢(shì)壘的動(dòng)力學(xué)因素確定了解決包覆問題的多種途徑。啟發(fā)式教學(xué)使課堂教學(xué)從傳統(tǒng)的單向傳授變?yōu)殡p向互動(dòng)的活動(dòng)過程，推動(dòng)學(xué)生多思考，使學(xué)生養(yǎng)成自覺將所學(xué)理論知識(shí)與具體實(shí)踐相聯(lián)系的習(xí)慣，提高了學(xué)生分析解決問題的能力。

3.開展研討式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力

創(chuàng)新思維能力包括活躍的創(chuàng)新的思維能力、質(zhì)疑與批判能力、對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析思維能力、條理清晰與論證嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋磉_(dá)能力。如何在教學(xué)過程中訓(xùn)練和提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，是研究生教學(xué)的重要任務(wù)之一。研討式教學(xué)是一種重要的研究型互動(dòng)教學(xué)方式，其關(guān)鍵是研討內(nèi)容的設(shè)計(jì)和過程的組織。對(duì)于要研討的內(nèi)容，學(xué)生應(yīng)具有一定的相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備，同時(shí)又具有相應(yīng)的知識(shí)拓展性和延伸性，而且在研討過程中教師要鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)質(zhì)疑求異并提出創(chuàng)見。例如我們?cè)诮榻B完擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力時(shí)列出了一個(gè)合金中碳元素上坡擴(kuò)散的特例，大部分學(xué)生能發(fā)現(xiàn)其中存在“碳濃度相同時(shí)仍發(fā)生顯著擴(kuò)散”的問題。應(yīng)該說能提出這樣的問題說明學(xué)生已經(jīng)掌握了這些內(nèi)容。然后再鼓勵(lì)學(xué)生就這種現(xiàn)象與已學(xué)的擴(kuò)散定律相矛盾的原因展開討論。在逐一完成分析排除后，有名學(xué)生大膽地對(duì)濃度梯度驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)散定律原始表達(dá)式提出質(zhì)疑，建議將濃度梯度改為活度梯度，這正是擴(kuò)散定律的“升級(jí)版”，筆者在課堂上表?yè)P(yáng)了這名學(xué)生。材料化學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐表明，這種精心設(shè)計(jì)的研討過程將被動(dòng)的知識(shí)傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的知識(shí)發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造，不僅激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，還訓(xùn)練和提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

三、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過近幾年的教學(xué)研究與實(shí)踐探索，我們以幫助學(xué)生建立材料的宏觀性能和過程與材料微觀結(jié)構(gòu)以及原子、分子運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)的基本原理和手段分析和解決材料實(shí)際問題的能力為目標(biāo)，從夯實(shí)學(xué)科基礎(chǔ)、突出前沿交叉、以學(xué)生為中心開展教學(xué)三方面進(jìn)行材料化學(xué)研究生課程教學(xué)改革和實(shí)踐，培養(yǎng)和提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和分析解決問題的能力，有效提升了材料化學(xué)課程教學(xué)的質(zhì)量和效果。

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]

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