高分子材料教學(xué)融入在材料科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)中的探索與實(shí)踐

崔 萌，路大勇

(吉林化工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林吉林132022)

材料科學(xué)與工程專業(yè)是以一級學(xué)科命名、注重綜合性人才培養(yǎng)的大專業(yè)［1-2］。近年來，該專業(yè)已逐漸成為國內(nèi)各大高校重點(diǎn)打造的特色專業(yè)。吉林化工學(xué)院的材料科學(xué)與工程專業(yè)是2011年3月獲教育部直接批準(zhǔn)成立，并于同年7月開始正式招生的本科專業(yè)。該專業(yè)成立之初，就穩(wěn)固樹立了其獨(dú)有的辦學(xué)特色——無機(jī)固體功能材料與金屬表面科學(xué)與技術(shù)兩個(gè)人才培養(yǎng)的主要方向。在三年多的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐活動(dòng)中，因大學(xué)科的特征，不斷融入了一系列有機(jī)高分子材料的相關(guān)內(nèi)容。本文從專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)兩個(gè)方面著重討論和分析了高分子材料相關(guān)教學(xué)在材料科學(xué)與工程專業(yè)中所起到的作用，將為我院材料科學(xué)與工程專業(yè)的特色發(fā)展提供借鑒和參考。

一、材料科學(xué)與工程專業(yè)的發(fā)展

20世紀(jì)40年代以前，基礎(chǔ)科學(xué)和工程之間的聯(lián)系并不十分緊密。如圖1所示，在20世紀(jì)20年代固體物理和材料工程兩學(xué)科是分離的，到40年代兩學(xué)科才有交叉。從60年代初開始出現(xiàn)了材料科學(xué)。到了70年代，材料科學(xué)和材料工程的學(xué)科內(nèi)涵大部分重疊，材料科學(xué)兼?zhèn)渥匀豢茖W(xué)和應(yīng)用科學(xué)的屬性，故“材料科學(xué)與工程”作為一個(gè)大學(xué)科逐步為科技界和教育界所接受［3-5］。

材料科學(xué)與工程學(xué)科的發(fā)展從細(xì)分走向綜合，通過學(xué)科相互交叉、滲透、移植，最終形成具有共同理論和技術(shù)基礎(chǔ)的大材料科學(xué)。進(jìn)入21世紀(jì)后，人才的復(fù)合型要求進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)大學(xué)科專業(yè)的發(fā)展。在我國200多所設(shè)置了材料科學(xué)與工程專業(yè)的高校中，涵蓋了研究型、教學(xué)研究型和教學(xué)應(yīng)用型三類學(xué)校。當(dāng)前，我國材料學(xué)科的發(fā)展得到了難得的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。培養(yǎng)創(chuàng)新性和適應(yīng)性人才，做好大材料背景下的通識教育是材料專業(yè)人才培養(yǎng)的基本方針與基本途徑。

圖1 “材料科學(xué)與工程”的形成與發(fā)展

從材料科學(xué)與工程學(xué)科以及專業(yè)的形成與發(fā)展歷史不難看出，該專業(yè)與固體材料的發(fā)展有著極其緊密的關(guān)系，而無機(jī)固體材料相對于金屬材料而言，更起到舉足輕重的作用。20世紀(jì)以來，金屬和合金應(yīng)用日趨廣泛，社會對人才的需求不斷變化，掌握金屬材料相關(guān)知識的人才已逐步成為材料類學(xué)科的緊缺人才而近乎呈現(xiàn)了“供不應(yīng)求”的局面［6］。21世紀(jì)，材料類專業(yè)的復(fù)合型人才培養(yǎng)日益具有時(shí)代特征。

因此，2011年吉林化工學(xué)院開辦材料科學(xué)與工程專業(yè)時(shí)，充分考慮了市場對材料類人才的時(shí)代需求，定位了專業(yè)的辦學(xué)特色——無機(jī)固體功能材料與金屬表面科學(xué)與技術(shù)有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)辦和發(fā)展了如今的以無機(jī)固體功能材料與金屬表面處理為特色的材料科學(xué)與工程專業(yè)。但是，由于現(xiàn)代工業(yè)社會對材料類綜合型人才的越來越大的需求，以及復(fù)合材料的開發(fā)和應(yīng)用的迅速發(fā)展，作為“大專業(yè)”的材料科學(xué)與工程系專業(yè)僅僅依賴這兩個(gè)支柱型辦學(xué)方向支撐已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到市場對人才的新的需求。因此，吉林化工學(xué)院的材料科學(xué)與工程專業(yè)在無機(jī)固體功能材料與金屬表面科學(xué)與技術(shù)兩個(gè)主要辦學(xué)方向的基礎(chǔ)上，不斷融入了有機(jī)高分子材料以及復(fù)合材料方面的相關(guān)教學(xué)，以求使該專業(yè)培養(yǎng)出的學(xué)生能夠適應(yīng)新的市場要求、走出校門后可以在社會上憑借自身所具備的材料科學(xué)綜合知識站穩(wěn)腳跟。

二、現(xiàn)代材料科學(xué)與工程技術(shù)的發(fā)展趨勢

當(dāng)前，材料科學(xué)與工程技術(shù)的發(fā)展趨勢有以下幾種:

第一，從均質(zhì)材料向復(fù)合材料發(fā)展。以前人們只使用金屬材料、高分子材料等均質(zhì)材料，現(xiàn)在開始越來越多地使用諸如把金屬材料和高分子材料結(jié)合在一起的復(fù)合材料。

第二，由結(jié)構(gòu)材料向功能材料、多功能材料并重的方向發(fā)展。以前講材料，實(shí)際上都是指結(jié)構(gòu)材料。但是隨著高技術(shù)的發(fā)展，其他高技術(shù)要求材料技術(shù)為它們提供更多更好的功能材料，而材料技術(shù)也越來越有能力滿足這一要求。所以現(xiàn)在各種功能材料越來越多，終會有一天功材料將同結(jié)構(gòu)材料在材料領(lǐng)域平分秋色。

第三，材料結(jié)構(gòu)的尺度向越來越小的方向發(fā)展。如以前組成材料的顆粒，尺寸都在微米方向發(fā)展的材料。由于顆粒極度細(xì)化，使有些性能發(fā)生了截然不同的變化。如以前給人以極脆印象的陶瓷，居然可以用來制造發(fā)動(dòng)機(jī)零件。

第四，由被動(dòng)性材料想具有主動(dòng)性的智能材料方向發(fā)展。過去的材料不會對外界環(huán)境的作用做出反應(yīng)，完全是被動(dòng)的。新的智能材料能夠感知外界條件的變化、進(jìn)行判斷并主動(dòng)做出反應(yīng)。

第五，通過仿生途徑來發(fā)展新材料。生物通過千年萬年的進(jìn)化，在嚴(yán)峻的自然環(huán)境中經(jīng)過優(yōu)勝劣汰、適者生存的生存規(guī)律發(fā)展到今天，自有其獨(dú)特之處。通過“師法自然”并揭開其奧秘，會給我們以無窮的啟發(fā)，為開發(fā)新材料又提供了一條廣闊的途徑。

材料是現(xiàn)代文明的三大支柱之一，新材料更是被視為新技術(shù)革命的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，原來各自獨(dú)立的各個(gè)材料領(lǐng)域——金屬材料、無機(jī)小分子材料和有機(jī)高分子材料等已經(jīng)逐漸相互滲透、相互結(jié)合形成了一個(gè)新的綜合型的大專業(yè)體系。

在這樣的材料科學(xué)發(fā)展的大環(huán)境下，要想發(fā)展完善的、獨(dú)特的、極具競爭性的綜合型大專業(yè)——材料科學(xué)與工程專業(yè)，有機(jī)高分子材料相關(guān)內(nèi)容的不斷融入已經(jīng)成為該專業(yè)能夠取得長足發(fā)展的必然趨勢［7］。

三、高分子材料相關(guān)教學(xué)的融入在我校材料科學(xué)與工程專業(yè)中的作用

在對我校材料科學(xué)與工程專業(yè)招收的第一屆學(xué)生的培養(yǎng)過程中，逐漸摸索、并不斷改進(jìn)和完善該專業(yè)的課程設(shè)置和培養(yǎng)方向，發(fā)現(xiàn)學(xué)生僅僅具備相對完備的無機(jī)固體功能材料與金屬表面科學(xué)與技術(shù)方面的知識并不足以使他們在走出校門之后在社會上完全占有一席之地。本著對每一個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)的態(tài)度，也在嘗試將一系列有機(jī)高分子材料的相關(guān)內(nèi)容融入到材料科學(xué)與工程專業(yè)的課程設(shè)置中，進(jìn)而使學(xué)生成為真正的復(fù)合型材料科學(xué)技術(shù)人才。

(一)高分子材料相關(guān)內(nèi)容的融入對材料科學(xué)與工程專業(yè)建設(shè)的作用

傳統(tǒng)的材料科學(xué)與工程專業(yè)是在無機(jī)固體學(xué)科上衍生出來的。在開設(shè)材料科學(xué)與工程專業(yè)的絕大多數(shù)高校中，理論課程設(shè)置和實(shí)踐環(huán)節(jié)安排也大多沿襲無機(jī)固體的相關(guān)內(nèi)容，如晶體結(jié)構(gòu)、波函數(shù)等為主。吉林化工學(xué)院的材料科學(xué)與工程專業(yè)成立之初，就緊密結(jié)合市場需求，將金屬表面科學(xué)與技術(shù)加入到學(xué)科的主要辦學(xué)方向之中，成為我校該學(xué)科的另一獨(dú)有的辦學(xué)特色，但市場對人才的需求是隨社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而不斷發(fā)生變化的。近幾年，隨著國際形勢的變化，眾多國內(nèi)材料類工業(yè)企業(yè)對復(fù)合型材料人才的需求急劇增加，培養(yǎng)材料行業(yè)復(fù)合型人才也成為該行業(yè)亟待解決的問題［8］。因此，應(yīng)市場發(fā)展需要，在學(xué)科建設(shè)過程中將材料學(xué)科三大分支適當(dāng)融合也顯得越來越必要。所以在我校的材料科學(xué)與工程專業(yè)發(fā)展過程中，我們刻意將部分有機(jī)高分子材料的內(nèi)容有機(jī)的結(jié)合進(jìn)去，為復(fù)合型材料人才的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(二)高分子材料相關(guān)內(nèi)容的融入對建設(shè)材料科學(xué)與工程“大專業(yè)”學(xué)科的作用

材料科學(xué)與工程專業(yè)誕生之初已經(jīng)墊定了它作為材料科學(xué)領(lǐng)域一級學(xué)科的堅(jiān)實(shí)地位。作為一級學(xué)科，其綜合性相較于其他材料類的二級學(xué)科而言一定是更強(qiáng)一些的。進(jìn)入新世紀(jì)之后，人們對材料科學(xué)與工程專業(yè)又進(jìn)一步提出了“大專業(yè)”的需求，即將該學(xué)科的綜合性進(jìn)一步加強(qiáng)，使其充分融合材料發(fā)展過程中逐漸形成的三大分支——無機(jī)小分子材料、金屬材料和有機(jī)高分子材料［9］。如此，材料科學(xué)與工程專業(yè)的建設(shè)中，有機(jī)高分子材料系列內(nèi)容的融入就成為了必須之舉。我校在建設(shè)該學(xué)科的過程中，充分研究和認(rèn)識到材料科學(xué)與工程“大專業(yè)”的發(fā)展趨勢，在修訂培養(yǎng)方案時(shí)就有意將高分子材料有關(guān)內(nèi)容加入到該專業(yè)所設(shè)置的課程之中，例如:在該專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)過程中，《材料科學(xué)概論》、《材料化學(xué)》、《材料科學(xué)基礎(chǔ)》、《材料分析基礎(chǔ)》都是作為主干必修課的，在這些專業(yè)主干必修課中，都分別設(shè)置了有機(jī)高分子材料的內(nèi)容作為這些主干必修課中的一個(gè)或兩個(gè)章節(jié)獨(dú)立存在，這些課程中的高分子材料的相關(guān)內(nèi)容分別反映了高分子材料發(fā)展中的幾個(gè)側(cè)面，而多種課程中不同高分子材料側(cè)面的融合就使得學(xué)生對有機(jī)高分子材料有了較為全面和深刻的認(rèn)識。

(三)高分子材料相關(guān)內(nèi)容的融入對材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生思維養(yǎng)成的作用

根據(jù)材料科學(xué)與工程專業(yè)的發(fā)展歷史，在我校該專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)過程中，《固體物理》、《無機(jī)固體化學(xué)》、《金屬學(xué)與熱處理》、《材料科學(xué)基礎(chǔ)》等課程成為主流課程。通過以上一系列課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生會對無機(jī)非金屬材料、金屬及合金材料的微觀結(jié)構(gòu)有一個(gè)較為形象的認(rèn)識，在分析大部分無機(jī)材料與金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，頭腦中會產(chǎn)生相應(yīng)的模型，方便對該種材料的初步認(rèn)知和深刻研究。例如:對于無機(jī)非金屬材料，可以建立晶胞模型以研究它的微觀結(jié)構(gòu);對于金屬材料，可以建立簡單的二元、三元或多元相圖，以深入理解金屬材料微觀結(jié)構(gòu)。但在實(shí)際應(yīng)用中，材料是多種多樣的，不僅僅只有完美的晶體材料和較為純凈的金屬材料，還有很多材料沒有規(guī)律性的結(jié)構(gòu)，它們在外界環(huán)境中的一系列變化也無法完全利用無機(jī)固體材料與金屬材料的相關(guān)知識可以解釋。這就需要學(xué)生引入新的模型、接受新的理論、拓寬現(xiàn)有的思維方式。將有機(jī)高分子的部分內(nèi)容融入到課程設(shè)置當(dāng)中，使學(xué)生建立理解材料結(jié)構(gòu)的新思維，方便其解決問題。

高分子由于其分子結(jié)構(gòu)的多樣性，使得人們在研究其結(jié)構(gòu)時(shí)創(chuàng)建了多種多樣的結(jié)構(gòu)模型，其中無規(guī)線團(tuán)模型、Flory插線板模型、纓狀膠束模型等結(jié)構(gòu)模型都是研究不完全具有規(guī)律性結(jié)構(gòu)或完全無規(guī)律結(jié)構(gòu)的材料的典型模型。將該部分內(nèi)容有機(jī)的融入進(jìn)課程之中，使學(xué)生掌握多種高分子材料的結(jié)構(gòu)模型，能夠大大拓寬學(xué)生可掌握的材料種類和領(lǐng)域，為復(fù)合型材料類人才的培養(yǎng)打下牢固的理論基礎(chǔ)。

(四)高分子材料相關(guān)內(nèi)容的融入對材料科學(xué)與工程學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的作用

對于材料類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)，僅有理論教學(xué)是不夠的。在對學(xué)生的培養(yǎng)過程中，將實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)和理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合到一起是至關(guān)重要的［7］。在首屆學(xué)生進(jìn)入大三以來，我們大量開設(shè)了一系列實(shí)驗(yàn)課程，例如《無機(jī)與分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)》、《材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》、《材料科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)》等等。而這些實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)之初，在每個(gè)課程選擇實(shí)驗(yàn)題目時(shí)都少量加入了1-2個(gè)有機(jī)高分子部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。目的就是使學(xué)生除了在理論課堂上接觸到了無機(jī)非金屬材料、金屬材料和有機(jī)高分子材料并對它們有了理論的結(jié)合以外，在實(shí)踐動(dòng)手環(huán)節(jié)，能夠更為直觀的、近距離的、通過自己的實(shí)驗(yàn)操作真正理解什么是無機(jī)固體材料、金屬材料、有機(jī)高分子材料，真正做到將材料學(xué)科三大分支融合，為復(fù)合型材料類人才奠定實(shí)踐基礎(chǔ)。

(五)高分子材料相關(guān)內(nèi)容的融入對材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生未來去向的選擇的作用

吉林化工學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)的第一批學(xué)生已經(jīng)進(jìn)入他們大學(xué)的最后一年，他們正面臨著大學(xué)畢業(yè)后去向選擇的關(guān)鍵時(shí)刻，在2011級的33名學(xué)生中，有9名學(xué)生選擇了考研，而材料科學(xué)類專業(yè)的研究生專業(yè)和研究方向也是多種多樣的，選擇考研的學(xué)生就面臨著在眾多方向中進(jìn)行選擇的關(guān)鍵時(shí)刻。從大方向來講，材料科學(xué)類專業(yè)有無機(jī)小分子材料、金屬材料和有機(jī)高分子材料三個(gè)大的學(xué)科方向，而我校的材料科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生在其專業(yè)課的學(xué)習(xí)過程中，對三個(gè)材料學(xué)分支都有所涉獵、有所了解，這就拓寬了他們考研方向的選擇，即在無機(jī)固體功能材料與金屬表面科學(xué)與技術(shù)兩個(gè)大的主要辦學(xué)方向的基礎(chǔ)上，有機(jī)高分子材料內(nèi)容在該專業(yè)中的融入也為該專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后在考研方向上的選擇提供了一個(gè)新的方向，拓寬了他們對材料科學(xué)深入學(xué)習(xí)的道路［10］。

四、結(jié) 語

從吉林化工學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)的理論教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)和學(xué)生思維養(yǎng)成三個(gè)方面，詳細(xì)分析了有機(jī)高分子材料的教學(xué)在我校獨(dú)有的以無機(jī)固體功能材料和金屬表面科學(xué)與技術(shù)為辦學(xué)特色的材料科學(xué)與工程專業(yè)中的作用。

通過對首屆學(xué)生的教學(xué)過程中，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，逐漸形成和建立了我校材料科學(xué)與工程專業(yè)持續(xù)有特色發(fā)展的方向——以無機(jī)固體功能材料和金屬表面處理為辦學(xué)特色、以有機(jī)高分子材料為必要補(bǔ)充，使該專業(yè)成為每一位學(xué)生走出校門之后能夠擁有穩(wěn)固的材料類全面基礎(chǔ)的綜合性材料大專業(yè)。

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