材料化學專業課程體系的改革與建設

文 勝,龔春麗,鄭根穩,汪連生,周環波

(孝感學院化學與材料科學學院,湖北孝感432000)

材料化學專業課程體系的改革與建設

文 勝,龔春麗,鄭根穩,汪連生,周環波

(孝感學院化學與材料科學學院,湖北孝感432000)

文章從材料化學專業教育的發展和服務于地方的角度出發,提出了孝感學院材料化學專業的定位及合理的課程體系設置。

材料化學;課程體系;改革

材料是人類賴以生存的物質基礎,每種材料的實際功能和用途取決于由分子構成的宏觀物體的狀態和結構,但其原始基礎在于構成它們的功能分子的種類及其結構。材料化學在研究開發新材料中的作用就是用化學理論和方法研究功能分子以及由功能分子構筑的材料結構與功能之間的關系,使人們能夠設計新型材料[1]。材料化學專業既不同于傳統的材料科學專業,也不同于傳統的化學專業,是材料科學與化學的交叉學科,具有交叉學科、邊緣學科的性質。它還是材料科學的核心部分,具有應用理科性質,在理論和實踐上的重要性不言而喻[2]。目前國內眾多高校在近幾年相繼設立了這個專業,作為省屬地方高等院校的孝感學院也于2003年設立了材料化學專業。

1 孝感學院設立材料化學專業的定位

材料化學是教育部于1997年認定的新專業,一般是作為材料科學與工程系/學院中的一個專業方向。主要的研究范疇并不是材料的化學性質(盡管從字面上可以這么理解),而是材料在制備、使用過程中涉及到的化學過程、材料性質的測量。比如陶瓷材料在燒結過程中的變化(也就是怎么才能燒出想要的陶瓷)、金屬材料在使用過程中的腐蝕現象(怎樣防止生銹)、冶金過程中條件的控制對產品的影響(怎么才能煉出優質鋼材)等等。

截至今年,在國內約有120多所高校開設有材料化學專業,如北京大學、復旦大學、南京大學、浙江大學、中國科技大學、廈門大學、四川大學、西北大學、蘭州大學、青島科技大學、中南大學、中國地質大學、武漢理工大學、湖北大學等。

由于材料本身范圍十分多樣,而且各高校開設此專業的背景以及所依托的優勢學科也各不相同,所以盡管專業名稱都叫材料化學,但是各個學校的材料化學專業的培養模式、教學內容都相差很大[3]。例如,中國科學技術大學的材料化學專業基本上就是無機非金屬材料的內容,本科生畢業頒發理學學士學位;而作為國內率先開設材料化學專業的復旦大學,則發揮了自身綜合性大學的特長,將高分子材料、納米材料、復合材料、智能材料、液晶材料、生物材料、國防專用材料等新材料的分子設計、制備方法、性能研究及應用開發等前沿內容引入到本專業的教學和畢業設計中,本科生畢業頒發理學學士學位。北京大學材料化學系建立于1996年,隸屬于化學與分子工程學院,主要由無機化學研究所和稀土化學研究中心構成,其中由部分材料化學系人員組成了稀土材料化學及應用國家重點實驗室,研究領域主要包括無機功能材料及結構化學、稀土材料化學及應用、納米材料、高分子材料化學與有機/無機復合材料化學等,重點在材料的分離、合成、表征與結構等基礎研究方面[2]。中國民航學院材料化學專業的3個專業方向緊扣與航天航空相關材料中的化學問題;中國石油大學材料化學專業則著重研究與石油化工相關材料的化學問題。

湖北作為高教大省,目前共有35所普通本科高等院校,且還在不斷增加,開設材料化學專業的高校有武漢理工大學、中國地質大學(武漢)、武漢工程大學、湖北大學、武漢工業學院、孝感學院等6所院校,這幾個高校開設材料化學專業的側重點各有不同。如武漢理工大學依托其材料復合新技術國家重點實驗室和硅酸鹽材料工程教育部重點實驗室,將復合材料和無機非金屬材料列為材料化學的專業方向。中國地質大學的材料學科為國土資源部重點學科,材料化學專業主要側重于其優勢研究領域如巖礦新材料和無機非金屬材料。武漢工程大學依靠其化工院校的優勢,于2005年成立了材料化學專業,其專業方向主要是功能材料和納米材料。湖北大學的材料科學與工程學院是由化學材料與物理材料進行整合而成,其材料化學專業側重于高分子材料和物理材料研究過程中的制備、使用過程中涉及到的化學過程。武漢工業學院的材料化學專業于2007年開始招生,材料化學專業方向偏重于化工和環境工程中所涉及的材料。

孝感學院作為一所省屬二類普通高等院校,考慮到學校的發展和服務地方的原則,于2003年成立了材料化學專業,如何能在眾多開設材料化學專業的學校中占有一席之地,其專業定位就顯得尤為重要。在2003級和2004級材料化學專業的人才培養方案里,其專業定位是偏向于高分子材料方向,因為在孝感地區有幾個較大的高分子材料加工的企業,如華中地區最大的塑料薄膜加工企業、國家重點高新技術企業——孝感市云夢富斯特集團,以生產藥用瓶塞為主的孝感市應城恒天藥業包裝有限公司等,材料化學專業的方向能很好地滿足地方經濟建設對專業人才的需求。但孝感學院2005年新設置的高分子材料與工程專業又與材料化學專業的方向相重疊,因此,需調整材料化學專業的定位,并且要能很好地體現地方特色。

孝感素有“膏都”、“鹽海”、“磷山”之稱,礦產資源豐富。金、銀、銅、錳等24種主要礦產開采潛力巨大,其中優質礦11種,“膏、鹽、磷”被譽為“孝感三寶”。應城石膏蜚聲中外,品位居亞洲第一,儲量豐富,其中纖維石膏儲量占全國的60%。應城云夢一帶巖鹽地質儲量280億噸,品位居全國之冠。大悟磷礦地質儲量近2億噸,地質風化,富集顯著,易于露采。但目前湖北從事石膏、巖鹽和磷礦資源加工和利用的專業人才還相當匱乏,遠不能滿足地方經濟發展的需求,隨著武漢“8+1”城市圈的建設和經濟的發展,對從事相關礦產資源加工和利用的專業人才需求將會迅速增長。因此孝感學院的材料化學專業方向調整定位為無機材料制備與加工,以充分體現服務地方、為地方培養緊缺性人才的特色。

2 材料化學專業課程體系的基本框架

由于材料化學在全國是個較新的專業,涵蓋的學科范圍非常廣闊,各高校的材料化學培養方案和課程體系差別較大,本科生實驗開設也有很大的差別。孝感學院的材料化學專業堅持依托化學專業這個全國特色專業,走理工結合的路子,既強調理科重基礎的特點,又適當加大一些應用性課程的學習。目前材料化學專業構建了以公共必修課、專業必修課、集中綜合實踐、專業選修課(模塊一和模塊二)有機結合的課程體系結構,使學生具備獲取知識的能力和創造能力。

1)專業必修課。

材料化學是從化學的角度研究材料的制備、組成、結構、性質及其應用的一門科學,作為材料化學專業的學生,必須具有厚實的化學基礎[3],因此在專業必修課設置中,開設了四大基礎化學理論和相應的實驗課程,但側重點與化學專業不同,其中的無機化學是使學生掌握元素周期律、物質結構理論、化學熱力學等基本原理,掌握重要元素化合物的結構、主要性質及用途,考慮到材料化學專業的定位及孝感地區豐富的無機礦產的特點,把無機化學作為化學基礎的重點,將其定位為材料化學專業的學位課程。

在材料方面的基礎課程中,設置了材料科學基礎、材料化學、材料物理、材料合成與加工及實驗、材料性能測試實驗這幾門基本課程,充分體現了大材料的特點,滿足了教育部提出的寬專業口徑的要求。

材料科學基礎是材料類專業最主要的技術基礎課。以金屬材料、陶瓷材料、高分子材料及復合材料為對象,從材料的電子、原子尺度入手,介紹了熱力學、動力學理論及納觀、微觀尺度組織,細觀尺度斷裂機制及宏觀性能。主要目的是介紹材料的成分、微觀結構、制備工藝及性能之間的關系,為材料性能測試和材料加工奠定基礎。

材料化學主要研究材料的物質組成、化學鍵、結構與轉變、化學反應等方面的基本理論及應用,為學生學習其他專業課以及專業選修課打下基礎。而材料物理主要教授材料(主要是凝聚物質)本征的性質(微觀結構、運動狀態、物理性質)以及它們在各種外界條件(如熱、力、光、電、磁、各種微觀粒子束輻照)下發生的變化,涉及到晶體學、金屬物理、半導體物理、超導物理、電介質物理學及表面物理學、非晶態物理學及低維固體物理學等多門學科。通過本課程學習,學生可以對材料,特別是功能材料的結構、制備機理及各種物理性質有較全面的了解。

在材料科學基礎、材料化學與材料物理的具體講授過程中,要解決好如下一些問題:如何在兼顧金屬材料、無機材料、高分子材料三大材料的同時突出本專業的特色;這三門材料的專業課程之間及它們與專業基礎課在內容上會不可避免出現重復,其內容如何取舍、授課時間如何銜接等等,比如晶體化學的知識是理解材料(特別是金屬材料與無機非金屬材料)的性能與聚集態結構之間關系的基礎,這部分內容在材料化學、材料物理及結構化學中都存在,在教學過程中,可以根據課程設置的情況適當進行取舍。再如相圖理論是理解材料的制備過程(特別是合金與陶瓷材料制備)以及材料組成與性能之間關系、組成與結構之間關系、結構與性能之間關系的重要基礎知識,是材料化學基礎理論的重要組成部分,這部分內容和物理化學的內容雖有所重復,但作為材料化學中指導材料制備和結構研究的基礎知識是不可或缺的。當然,這不應是物理化學中相圖知識的簡單重復,而應從材料的角度出發,對有關的內容進行新的編排和論述[1]。

材料合成與加工實驗及材料性能測試實驗是材料化學專業的兩門重要的實驗課程,主要使學生能掌握材料的合成、制造方法、加工應用及材料性能表征方面的實驗技術,從而為學生將來從事有關新型材料的研制、開發、應用奠定基礎。

2)專業選修課。

專業選修課分為三個模塊,其中模塊一為指定選修,模塊二和模塊三為任意選修。本次改革擬對專業選修課的模塊方向和課程設置做較大改動,2005年人才培養方案對于專業選修課模塊方向設定模糊,學生在選修了某一模塊的課程之后,仍難以在該模塊方向進行就業。因此本次修訂充分結合了孝感當地企業需求和化學與材料科學學院教師的科研方向,將任意選修模塊方向設置為二:一為無機非金屬材料方向,主要設置了無機非金屬方面的基本課程如無機非金屬材料概論、材料工藝學、材料性能學、功能陶瓷材料與器件、特種水泥等,另外還考慮到了孝感地區礦產企業多及材料化學專業的定位,設置了一些巖礦方面的課程如粉體技術導論、巖礦化學分析、硅酸鹽物理化學等;另一方向為復合材料方向,主要設置的課程為復合材料工藝與設備、功能復合材料、無機非金屬基復合材料、復合材料力學、材料腐蝕與防護等。這樣學生從其中的任意一個模塊中選修14個學分即7門課等,就能使其在這一領域內的知識有所深化,畢業后便能盡快上手。

3)集中綜合實踐。

由于材料化學專業既是理論性強的學科,又是實踐性、應用性非常強的學科,需高度重視鍛煉和提高學生的實踐能力。對于重要的專業基礎課,不僅安排了理論基礎課,還相應安排了集中綜合實踐課,分為專業見習、專業實習、課程設計、工程訓練和畢業論文五個部分,以便使學生有更多的機會,自主地將學到的理論知識運用到實際的研究和工程設計中去,提高實踐能力。

3 結語

材料的發展是極其迅速的,每年都會有許多新材料、新技術、新工藝不斷涌現,而教育教學改革隨著社會的發展也是永無止境的。材料化學在全國是個較新的專業,許多高校還在積極準備興辦,對材料化學專業的培養方案、課程體系的探索和完善也將是我們今后多年的一大工作任務。四年后,我們要對現有的人才培養方案和課程體系培養出的學生作調查、研究,以檢驗我們的專業定位和課程體系是否合理,再經修改實踐、不斷完善,最終設計出適合孝感學院化學與材料科學學院實際情況、滿足社會需求的人才培養方案和課程體系。

[1] 朱光明.材料化學課程的內容設置及其與材料科學的關系[J].大學化學,2004,19(6):16-18.

[2] 陳德志,劉元隆,謝宇,等.地方航空院校材料化學專業的定位及其課程體系的思考[J].化工高等教育,2008(4):25-27.

[3] 張寶蓮,魏冬青,楊學穩,等.材料化學專業定位及課程體系的思考[J].高等建筑教育,2007,16(4):93-95

Abstract:This paper analyzed the localization and curriculum setting of material chemistry major construction from the development of material chemistry education and the need of local construction.And we proposed the suitable major orientation and course system of material science major.

Key Words:material chemistry;course system;reform of education

Reform and Construction on the Course System of Materials Chemistry Major

Wen Sheng,Gong Chunli,Zheng Genwen,Wang Liansheng,Zhou Huanbo
(School of Chemistry and Material Science,Xiaogan University,Xiaogan,Hubei432000,China)

G642.3

A

1671-2544(2010)03-0109-04

2009-11-28

文 勝(1979— ),男,湖北孝感人,孝感學院化學與材料科學學院副教授,博士。

(責任編輯:張曉軍)