材料化學課程內容與專業課程體系設置的探析

陳萬平

(懷化學院化學與材料工程學院，湖南懷化418008)

材料化學課程內容與專業課程體系設置的探析

陳萬平*

(懷化學院化學與材料工程學院，湖南懷化418008)

材料化學是材料學與化學等學科交叉、滲透下產生的一門新興交叉學科，其學科內容還沒有得到一致的認同，對應材料化學課程的內容往往與材料化學專業開設的其他課程內容出現重疊。本文通過對材料化學專業要求、核心知識領域以及材料化學學科概念的分析，對材料化學課程內容和材料化學專業課程體系的設置作了初步的探討。

材料化學；課程內容；課程體系

在我國，很多人把二級學科和專業混同起來。事實上，作為一門專業，例如很多的理工科專業，計算機、數學、英語等方面的知識也是該專業學生必須要具備的。換句話說，對某一專業學生的培養，需要對他們進行多個學科領域知識的傳授。同時，作為一個學科，其學科知識點也是很多的。因此，一個專業的學生往往需要學習多學科領域的眾多知識點。

材料化學既是一門新興的交叉學科，也是一門新興的熱門專業。在教育部公布的專業目錄里面[1]，化學類下有化學和應用化學2個專業；材料類下有材料化學、材料科學與工程、冶金工程、材料物理、金屬材料工程、無機非金屬材料工程、高分子材料與工程、復合材料與工程等8個專業?？梢?，作為一個專業，材料化學是材料類的一個分支專業。然而就學科性質而言，材料化學是在材料學和化學等學科的相互交叉、滲透過程中形成的新興的交叉學科。由于是新興的交叉學科，在教育部公布的學科門類中[2]，看不到材料化學的具體歸屬。例如，在理學類的化學一級學科下只有有機化學、無機化學、物理化學、分析化學和高分子化學5個二級學科；在工學類的材料科學與工程一級學科下只有唯一的一個材料物理與化學二級學科。正是由于材料化學的新興性和交叉性，致使其學科內容還沒有得到一致的認同，對應材料化學課程的內容往往與材料化學專業開設的其他課程內容出現重疊。因此，對于材料化學學科內容有哪些，其對應的材料化學專業的開設課程應該如何設置等問題引起了教育工作者的眾多思考[3—6]。然而他們的思考通常是針對其所在的一校一專業來開展，往往難以給出一個可接受的普適性的答案。

1 材料化學專業課程現狀

事實上，不同學校的專業要求是有差別的，更何況，材料化學專業既可以授予理學學位也可以授予工學學位。例如，北京大學[7]、復旦大學[8]以及中南大學[9]等高校關于材料化學專業的要求以及專業課程體系的設置就存在非常明顯的差別。北京大學的材料化學專業開設在化學與分子工程學院，專業性質為理學類?；瘜W與分子工程學院按化學大學科招生，學生入學3年后可根據自己的興趣和志向選擇4個專業方向(化學、材料化學、應用化學和化學生物學)進一步學習；他們本科階段的培養目標是“培養具有寬厚而扎實的化學知識基礎、自主學習能力和創新意識強、健全人格和良好學術素養的基礎科學研究與教學后備人才”。其專業課程中除了有機化學、無機化學、分析化學和物理化學等四大化學以外，與材料相關的課程有專業必修的材料化學以及選修課中的高分子材料化學、表面物理化學、多晶X射線衍射和材料物理等，從能查閱到的相關網絡資料上看不到開設了關于材料制備、表征以及具體材料介紹的課程。復旦大學的材料化學專業開設在學校直屬的材料系，專業性質為工學類。他們要求學生從化學的角度來學習和掌握材料的分子設計、制備方法、結構與性能及應用等方面的基本知識和基本技能，并以“化學與物理相結合”、“材料與化學相結合”、“基礎與應用相結合”、“材料與器件相結合”、“面向國際合作”和“面向產業需求”為本專業的學科建設思想。其專業課程中除了四大化學外，與材料相關的課程有材料制備與加工、材料結構與性能、材料科學基礎、納米材料學、材料化學、高分子材料化學、聚合物材料結構與性能、電子材料與器件工藝和材料綜合實驗等。中南大學的材料化學專業開設在粉末冶金研究院，專業性質為工學類。他們從材料科學和化學的角度出發對學生開展系統的培養，要求學生掌握材料科學的基本理論和技術，了解材料科學與技術的發展動態，具備材料與化學相關的基本知識、基礎理論以及較強的工程技術和研究技能，能夠從事材料化學的基礎研究和應用開發研究，具備材料合成與制備、材料表面科學與工程方面突出的研究能力和完成能力。其專業的主干課程除了一門工科大學化學外，并沒有開設相應的四大化學，與材料相關的課程有材料科學基礎、材料化學基礎、金屬材料與熱處理、現代材料分析測試技術和材料性能及測試等。此外，還有一系列的特色課程，如粉末冶金原理、材料化學合成與制備、材料表面科學與工程和金屬腐蝕與防護等。這三所學校材料化學專業的專業屬性、專業要求以及課程設置等方面雖然存在明顯的差異，但還存在一些共性，即對化學知識、材料結構、材料制備、材料性能以及材料表征等方面提出的知識和能力要求。這些知識和能力方面的要求完全體現出了材料化學專業的學生需要涉足的核心知識領域。表1列出了材料化學及其相關專業的主干學科和核心知識領域[1]。

由表1可知，材料化學與各個相近專業所涉及的學科和相應的核心知識領域明顯不同。就材料化學來說，其涉及的主干學科是化學和材料科學與工程，對應的核心知識領域有四大化學、結構化學、分析測試技術、合成技術、材料科學基礎和材料化學等。在這些專業中，只有材料化學與化學學科關系最為密切。材料科學與工程和無機非金屬材料工程都明顯地偏向于材料工程，后者從字面意義看更加關注與無機非金屬材料相關的知識領域，而前者的知識領域明顯更加廣泛；相應的，材料物理專業知識領域明顯偏向于物理學。既然材料化學專業涉及如此眾多的相關知識領域，那么作為材料化學專業中一個重要的核心知識領域——材料化學(學科)應該包括哪些具體的知識點呢？

表1 材料化學及其相關專業的主干學科和核心知識領域

2 材料化學學科核心知識點探討

材料化學學科到底包括哪些知識點，應該與人們對該學科概念的認知有關。例如，美國學者Falhman認為[10]：材料化學提供對各種類型材料的一個概述，并致力于材料制備方法以及材料整體性能和結構之間的關系；材料化學學科領域包括對已有材料結構/性能的研究、新材料的合成與表征以及使用先進計算技術對材料的結構和性能進行預測；廣義上的材料化學學科致力于了解組成材料的原子、離子或者分子與整體結構/性能之間的關系。又如，國內學者彭正合[11]認為材料化學是集中全部化學理論及方法在原子和分子水平上研究、優化既有材料，定向設計、合成、剪裁、組裝和表征新材料的新興學科；材料化學善于通過調控材料的化學組成、分子及晶體結構，以及通過摻雜、復合、雜化等化學手段，從微觀到宏觀最大限度地優化材料的品質和功能。可見，對材料化學學科的概念，學者們有著基本相似的看法。如果用一句話進行簡單概括，可以認為：材料化學是以化學為手段，以材料為對象，通過對結構的調控使材料的某些性能得以再現或者優化為目的的一門學科。然而，對于學科概念的認同，并不一定代表人們對材料化學學科知識點具有一致的看法，這可以從他們編寫的材料化學教材的內容差異體現出來。在國內，以“材料化學”、“材料化學導論”或者“無機材料化學”等為書名的教材至少超過了20種。例如，Fahlman編寫的英文教材[10]，全書具有7個章節，其中第一章為什么是材料化學，第二章為固態化學，第七章為材料表征，其他章節分別具體論述金屬、半導體、聚合物和納米材料；在其一個附錄中提供了11個與材料相關的實驗內容，主要是某些材料的制備方法，例如碳納米管、銅氧化物納米粒子、液晶、鎳納米纖維、金納米團簇、多孔硅和硅納米纖維等。又如，彭正合[11]主編的普通高等教育“十二五”規劃教材，全書具有11個章節，除了第一、二章緒論和結構與物性外，其他章節是以納米材料、復合材料與雜化材料、電功能材料、磁功能材料、光功能材料、功能轉換與智能材料、化學功能材料、分子材料與分子器等特定材料為章節內容，具體論述中主要包括這些材料的結構與性能。又如，朱光明和朱華宇[12]著的普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，全書包括9章節，第一章為緒論，第二章為化學熱力學基礎，第三章為相圖，第四章為溶液與固溶體，第五章為表面現象與膠體分散體系，其他章節分別是金屬與合金、非金屬材料、高分子材料以及復合材料，內容包括這些材料的結構、性能以及制備等方面。再如，趙志鳳等[13]編寫的“十二五”國家重點圖書規劃項目教材，全書具有9個章節，包括材料的晶體學基礎、材料中的缺陷、材料的制備方法、材料結構與性能的關系、材料表面化學、無機非金屬材料、金屬材料、高分子材料和復合材料?？梢?，當前關于材料化學的研究內容還是因人而異，即不同專業的學者只會框定與本人專業相關的內容[11]。

作為一門學科，在一個相當長的時期內，應該具有其自身獨立的固定的核心知識點，盡管其后繼的發展會使其學科知識得到不斷的發展和補充。上述材料化學教材所框定的內容不盡相同，但還是可以歸納出許多共同的內容。這些教材中大部分的內容可以歸納為4個方面：其一，典型的化學知識，例如化學熱力學或者化學動力學知識；其二，晶體結構知識，例如晶體學基礎或者晶體缺陷；其三，某些類型材料的介紹，例如金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料等的結構、性能與應用等；其四，材料的制備和材料表征等方面的知識。不難發現，這些內容應該是當前材料化學固定的學科知識點的主要來源。但是，材料化學課程內容到底應該是哪些，哪些應該詳細深入，哪些應該只是稍作涉及，哪些又不能納入其學科知識體系呢？只有結合對材料化學專業核心知識領域的了解和分析，從材料化學學科概念出發，才有可能對這些問題做出比較合理的回答，并對相應知識點進行合適的總結和梳理。

3 材料化學課程教學內容

從材料化學專業核心知識領域和學科概念的分析中可以看出，相比于其他材料專業，材料化學專業與化學學科的關系最為密切，材料化學專業的核心知識點主要來自化學學科和材料學科。顯然，材料化學的學科知識點不應該是材料學和化學等學科的某些知識點的簡單累加，也就是不能把化學課程的內容和材料課程的內容簡單的組合而形成材料化學課程的內容。材料化學學科的主要內容應該是化學知識與材料學知識的一個有機結合，或者說是化學知識在材料學中的應用。具體來說，材料化學學科知識點應該體現在對材料結構的調控中所涉及的化學手段(知識)。

當前，以化學的手段對材料進行結構調控主要體現在材料的制備、材料表面修飾、材料組分控制(摻雜)、材料尺寸控制、材料形貌控制等方面。當然，要實現對材料結構的有效調控，了解掌握材料結構基礎、材料結構與性能、材料表征方法等方面的知識也是非常必要的。因此，材料化學的學科知識點應該主要集中在材料制備方法、材料表面修飾、材料組分控制(摻雜)、材料尺寸控制、材料形貌控制、材料結構與性能、材料結構基礎和材料表征方法等方面。對應材料化學課程的教學內容應該圍繞這些知識點而展開。其中，材料的制備、材料的表面修飾性、材料的組分控制、材料的尺寸控制和形貌控制等都是與化學密切相關而直接指向材料性能的再現或者優化的，這些應該是材料化學學科的核心知識點，也是材料化學課程教學內容的主要組成部分。此外，對材料結構、材料結構與性能以及材料表征方法等方面內容的初步了解，有利于利用化學手段從事材料的制備和結構的調控。這些內容可以歸屬于材料化學學科的一般知識點，也即材料化學課程教學內容的一般組成部分?？梢?，這些核心知識點和一般知識點構成了材料化學學科的完整知識體系，而對應知識點的展開就構成了材料化學課程教學的具體內容。對于一般知識點而言，在教學內容中僅僅只能是一個簡單的介紹，一個知識體系完整性的體現。如果需要對其中某個知識領域進行具體深入的介紹，那也應該是以該專業的一門課程的開設來實現，而不是全部放到材料化學課程中來。例如，材料化學專業可以選擇開設材料表征、材料性能、材料測試、材料結構等方面的課程。此外，為體現不同學校的專業特色，更有必要就其中某一個知識領域進行拓展和完善，例如北京大學在稀土化學和中南大學在礦冶工程方面的學科優勢使他們的材料化學專業的專業特色十分明顯。

然而，對于材料的制備、材料表面修飾性、材料組分控制、材料尺寸控制和形貌控制這些與化學密切相關的核心知識點要如何展開，即如何組織安排相應的教學內容，則又是另外一個值得繼續探索的問題。例如，對于結構調控而言，是否存在一套趨于完善的公認的理論體系，抑或能否收集到大量的實驗的經驗總結？能否找到一些已有實驗報道作為經典案例來展示理論知識在結構調控中的應用？對于理論知識的介紹是應該面面俱到還是要有所側重呢？例如具體到材料制備方法中的高溫固相法而言，是應該側重熱力學還是側重動力學呢？是應該強化數學公式的推導還是側重知識性的介紹呢？是側重理論知識的傳輸還是經典案例的分析呢？也許，短期內又是一個仁者見仁、不同專業的教師對不同內容進行自我框定的局面。

4 結語

材料化學作為一門以化學為手段，以材料為對象，以結構的調控使材料的某些性能得以再現或者優化為目的的新興交叉學科，其學科知識點應該是化學和材料的一個有機結合，而不應該只是二者簡單的累加。本文通過對材料化學專業現狀的介紹、學科概念的總結、現有教材內容的分析，認為材料化學課程教學內容應該主要圍繞材料制備方法、材料表面修飾、材料組分控制、材料尺寸控制、材料形貌控制等知識點來組織編排，同時也應該對材料結構、材料結構與性能、材料表征方法以及某些類型材料等方面進行簡單的介紹。這兩類內容對應知識點構成了材料化學的完整學科知識體系。此外，對于材料化學專業的課程設置來說，除了開設一些基礎性的化學類課程和材料類課程外，應該選擇性地開設如材料表征、材料性能、材料測試或者材料結構等方面的課程，以此對材料化學課程內容中的某些一般知識點進行較為全面而深入的介紹，結合學校的某些優勢學科而形成材料化學的專業(學校)特色。

[1]中華人民共和國教育部高等教育司.普通高等學校本科專業目錄和專業介紹.北京:高等教育出版社,2012.

[2][2016-04-12].http://wenku.baidu.com/view/eb6fafdba58da0116c174944.html.

[3]溫福山,王 燕,杜永霞,賈元東.廣東化工,2015,42(314),160.

[4]禹新良.廣東化工,2016,43(315),174.

[5]許新江,朱立剛.廣州化工,2015,43(12),192.

[6]李明田,龔 敏,金永中,羅 宏.大學教育,2015,12,108.

[7][2016-04-12].http://www.chem.pku.edu.cn/index.php?id=159;http://www.chem.pku.edu.cn/index.php?id=140.

[8][2016-04-12].http://mse.fudan.edu.cn/Data/View/799.

[9][2016-04-12].http://pmri.csu.edu.cn/News/NoticeDetaillInfo.aspx?NewsID=718&newsTypeID=140110130.

[10]Fahlman,B.D.材料化學(國外化學經典教材系列影印版).北京:科學出版社,2012.

[11]彭正合.材料化學.北京:科學出版社,2013.

[12]朱光明,朱華宇.材料化學.北京:機械工業出版社,2009.

[13]趙志鳳,畢建聰,宿 輝.材料化學.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2012.

Analyses on the Content and Major Curriculum of Materials Chemistry

CHEN Wan-Ping*
(School of Chemistry and Materials Engineering,Huaihua University,Huaihua 418008,Hunan Province,P.R.China)

Materials chemistry is a new interdisciplinary originated from the combination of materials and chemistry.Its course content has not been confirmed,and always overlaps the content of other major course of materials chemistry.In this paper,based on the investigation of major requirements,core knowledge areas,and subject concept of materials chemistry,the course content and major curriculum of materials chemistry are explored and analyzed.

Materials chemistry;Curriculum content;Curriculum system

G64；O6

10.3866/PKU.DXHX201604030

*通訊作者，Email:cwp0918@aliyun.com

湖南省教育廳普通高校教學改革研究項目([2015]291-458)；懷化學院教學改革研究項目([2014]19-37)

www.dxhx.pku.edu.cn