夯實學科基礎 突出前沿交叉 以學生為中心

許靜 李宇杰 鄭春滿 劉雙科

[摘 要]材料化學是一門新興的交叉學科課程，針對其涉及的知識面廣以及內容多而龐雜等特點，作者在充分調研國內外材料化學課程內容情況的基礎上，以培養學生運用化學原理、手段分析和解決材料問題的能力為目標，對國防科技大學材料化學的研究生課程內容進行了凝練和優化，從夯實學科基礎、突出前沿交叉、以學生為中心開展教學三方面進行了材料化學課程的教學改革與實踐探索，取得了良好的教學效果。

[關鍵詞]材料化學;課程內容;教學改革;研究生教育

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）01-0142-03

材料是一切科學技術的物質基礎，材料科學是當前科學研究的前沿。各種材料源于化學制造和化學開發，隨著新材料新技術的不斷涌現，材料學科與化學之間的聯系也日益密切。材料化學是在材料學科與化學學科互相交叉、互相滲透過程中興起的一門綜合性交叉學科[1]，是溝通化學和材料兩大學科領域的橋梁，在材料學科和化學學科中均占有重要地位。

近年來，許多院校為材料或應用化學相關專業的本專科高年級學生或研究生開設了材料化學課程或內容相近的課程，但由于材料本身種類很多，材料化學涉及的內容非常廣泛，其教學內容的設置一直以來是各高校課程建設和教學改革的重點[2-5]。材料化學是國防科技大學材料學科研究生的專業核心課程，為提高材料化學課程的質量，適應培養新時代創新型人才的需求，我們在充分調研國內外材料化學課程教學內容的基礎上，從夯實學科基礎、突出前沿交叉、以學生（本文所提的學生均指研究生）為中心開展教學三方面進行了材料化學研究生課程教學改革探索，取得了較好的教學效果。

一、國內外材料化學課程教學內容對比分析

目前，直接開設材料化學研究生課程的國內外一流大學較少，內容相近的課程有固體化學、無機材料化學、功能材料化學等。也有一些大學在本科階段就將其作為基礎核心課程，如國內的哈爾濱工業大學、中南大學等;英國的圣安德魯斯大學、加拿大的不列顛哥倫比亞大學等著名大學為本科生開設了材料化學課程。而國內的復旦大學、北京化工大學、中國科學技術大學、浙江大學、西北工業大學、廈門大學、西北大學、中國石油大學等大學則將材料化學作為核心基礎課程，為研究生開設了材料化學或內容相近的固體化學基礎理論課程。

目前，國內不同高校的材料化學課程教學內容的差別非常大，大致可分為以下三類：第一類側重于某一類材料，屬于單科性的。部分高校的材料化學課程內容基本上是圍繞各自具有特色的優勢材料體系進行組織，應該屬于某某材料化學，如無機材料化學、多孔材料化學、納米材料化學等。第二類側重于材料化學的基礎理論和知識，比如有些高校的材料化學課程強調固體化學基礎理論，有些則側重于物理化學、電化學、表面化學、膠體化學等相關基礎知識，其課程內容偏應用化學，與材料學科結合不緊密。第三類側重于在系統闡述材料化學的基礎理論的同時，分述包括高分子材料、金屬材料、無機非金屬材料等各類材料的結構、性能和制備方法[6-8]，但其內容多為基礎性和梗概性的，且材料化學的基礎理論部分與分述的各類材料部分的聯系相對獨立，沒有有機結合起來。與國內高校相比，國外高校的材料化學課程教學內容有理論深度不斷增加的趨勢，在幫助學生構建材料化學知識體系的同時，注重學生運用知識分析和解決問題的能力的培養。如美國中密歇根大學開設的材料化學（Materials Chemistry）課程以固體化學（Solid Chemistry）的經典理論為主，并將其基本理論貫穿到金屬、半導體、聚合物、納米材料等材料體系的結構和性能中，強調化學基礎理論在材料研究中的應用。

總的來說，國內外不同高校對材料化學的定義缺乏統一的認識和理解，材料化學課程的教學內容具有明顯的發散性。

二、材料化學研究生課程教學改革與實踐

（一）精選核心重點內容，夯實學生學科基礎

材料化學是從化學角度并運用化學方法從原子和分子等微觀尺度研究材料的制備、組成、結構與性能之間的關系的一門科學。材料化學研究生通過本科階段的材料科學基礎、大學化學、物理化學等課程的學習，對材料的制備、組成、結構與性能之間的關系及其研究方法已有一定的了解，且具有一定的化學理論基礎。但是對于如何將化學基礎理論與材料研究聯系起來以及如何從化學角度分析和解決材料研究中的有關問題，他們缺乏系統的學習和訓練。因此，材料化學研究生課程的主要任務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構以及原子、分子運動之間的聯系，培養學生運用化學的基本原理、手段分析和解決材料實際問題的能力，為其未來開發和研制高新材料打好堅實寬廣的基礎。

為了適應專業核心課程教學“寬廣性”“基礎性”的要求，與本校材料學科研究生的其他課程內容形成有效的銜接，同時考慮到與材料的性能和表征有關的內容在其他研究生課程如功能材料、微觀分析與表征技術等課程中已有涉及，材料化學課程省略了大多數材料化學課程中專門介紹各種功能材料的內容，將重點放在對材料化學基本理論的闡述以及其在材料制備中的應用方面。

基于此，可將材料化學課程內容分為兩大部分。第一部分為材料化學基礎理論部分，重點講述經典的固體化學理論，包括缺陷化學、固相中擴散、相變和反應的熱力學和動力學理論等。由于近年來自組裝化學在材料研究中的應用和發展迅速，因此本課程增加了自組裝化學的相關章節。第二部分主要介紹材料不同層次的微介觀結構（化學組成、單晶結構、納米結構、有序結構、多孔結構等）以及形貌的控制原理和方法，介紹先進材料的化學制備技術。

固體化學是材料化學的前身[8]，經典的固體化學理論是從化學角度研究固體的基礎理論，主要揭示固體中原子、分子等微粒運動的微觀機理及其對固體宏觀性能和過程的影響規律，是從原子、分子的角度理解材料的制備、組成、結構和性能之間關系的基礎。全面掌握固體化學理論，有助于學生建立固體材料中微觀與宏觀之間的聯系，為其運用化學原理解決材料問題奠定基礎。雖然固體化學最初涉及的材料體系主要為無機材料，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用和參考價值，因此，本課程將固體化學理論作為材料化學基礎理論的重點內容。自組裝近年來在材料科學研究中受到廣泛關注，與傳統的基于原子構建分子的化學合成不同，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）之間的組裝與復合來構造各種新型的、復雜的、功能集成的組裝體，提供了一條用聚集體來創造新物質和新材料的途徑。自組裝化學是以化學鍵為基礎的傳統化學理論的拓展和延伸，其理論仍處于發展和完善之中，所以在本課程材料化學基礎理論部分也做了相應的介紹，以使學生對材料學科的前沿和熱點有一定的了解，同時也為學生后續自組裝制備有序結構材料部分內容的學習奠定基礎。

（二）分析材料微觀結構制備方法，充分體現課程前沿交叉特性

第二部分著重將化學過程和原理跟材料組成、微結構的控制聯系起來，是第一部分材料化學基礎理論的延伸和在材料制備中的具體應用，充分體現了材料和化學之間的密切關系以及材料化學的交叉學科特點。對于這部分內容，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構的化學控制為主線，闡述如何運用化學的基礎理論實現材料不同層次結構的控制，同時也介紹了材料不同層次結構與材料性能之間的關系。材料的性能取決于結構，而材料的結構可分為多種層次，不同層次的結構對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出p型半導體和n型半導體特性，這種電性能差別來源于二者化學組成層次上的差別;又如具有相同的化學組成的單晶硅和多晶硅材料，單晶硅的光伏轉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構層次上的差別導致的;再如微觀結構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組成和晶體結構，但卻表現出塊體硅沒有的光學禁帶特性，這種光學性能差異主要是二者微觀結構層次上的差別導致的。因此，材料性能的控制實際上是材料不同層次結構的控制，如何從化學角度控制材料各種層次的結構，就是材料制備化學的核心問題。本課程按材料的不同層次結構的控制來組織內容，便于學生掌握控制材料結構制備的共性原理和方法，非常實用。考慮到材料的尺度、維數等微介觀結構的控制是近年來材料學科發展前沿，本課程在介紹材料的化學組成和分子聚集狀態（晶態、非晶態）的控制方法的基礎上，增加了有序結構、納米結構等高層次結構控制的相關內容，以使學生在學習基礎理論的同時，緊跟材料相關領域發展趨勢。

在教學內容的編排上，既應符合科學發展的規律，也要照顧到知識層次循序漸進的要求。本課程第一部分內容中固相擴散過程與固體中缺陷變化及其運動密切相關，固態相變和固相反應又都涉及固相中的擴散，因此，缺陷化學是整個固體化學知識的基礎。同時，缺陷化學又是理解固體的光、電、聲、磁等物理化學性能與固體的化學結構之間關系的基礎，故將其放在最前面，按缺陷化學→固相擴散→固態相變→固相反應的次序進行編排。自組裝化學涉及相變過程的熱力學和動力學，可以放在這些基礎理論之后單獨進行討論。第二部分內容則根據材料結構的層次從低到高進行編排，其基本順序為化學組成的控制→晶體結構的控制→納米結構的控制→有序結構的控制→多孔結構等的化學控制，最后再單獨介紹先進的材料制備技術。

（三）以學生為中心，大力開展推演式、啟發式和研討式教學改革

在凝練材料化學課程內容并科學編排教學內容的同時，我們對傳統的教師講授為主的教學模式進行了改革：通過增加推演式教學、啟發式教學、研討式教學等教學環節，實現了從“以教師為中心”向“以學生為中心”的轉變，培養了學生的創新思維，提升了學生分析解決問題的能力。

1.強化基礎理論的推演，提高學生的科研素養

為適應研究生層次的培養需求，我們適當增加了材料化學基礎理論部分的深度和難度，將重要定律和參數的推演過程作為學習的難點和重點。比如講授Fick定律中擴散系數的物理意義時，我們從一維原子躍遷的擴散模型著手，演示了采用統計的方法逐步得到擴散方程的推導過程，然后再將一維模型擴散到三維模型，將原子擴展到其他質點，最后通過比較得到了擴散系數的物理表達式和意義，并在此基礎上引導學生通過逐步修正假設自發推導出空位擴散機制、間隙擴散機制等不同的擴散機制下擴散系數的物理表達式。這種推演過程的學習不僅使學生深刻理解了宏觀的擴散系數與微觀的擴散質點運動之間的聯系，使其對固體化學中常用的建模和理論研究方法有了一定的了解，還訓練了其演繹推理的思維習慣，提高其舉一反三、融會貫通的能力。

2.開展啟發式教學，提升學生分析解決問題的能力

教師在以往的科研活動中，常常發現學生面對具體的問題時不知如何下手，這反映了學生不能將所學知識用于實踐分析和解決問題，對于培養高素質的創新型人才極為不利。在材料化學課堂教學中，我們通過啟發式教學引導學生將實際的材料問題與化學基礎理論聯系起來，訓練和強化其將所學知識用于分析解決問題的能力，取得了良好的效果。例如項目組在研制一種新型鋰離子電極材料時，需要將鈦酸鋰均勻包覆在石墨的表面，但發現很難包覆上，容易形成鈦酸鋰顆粒與石墨的物理共混物。此時將該問題拋給學生，介紹涉及鈦酸鋰成核生長的微觀動力學過程，引導學生從成核角度分析包覆的關鍵條件，于是有學生提出包覆的前提是優先在石墨上成核同時抑制溶液中的成核過程，再根據成核勢壘的動力學因素確定了解決包覆問題的多種途徑。啟發式教學使課堂教學從傳統的單向傳授變為雙向互動的活動過程，推動學生多思考，使學生養成自覺將所學理論知識與具體實踐相聯系的習慣，提高了學生分析解決問題的能力。

3.開展研討式教學，培養學生的創新思維能力

創新思維能力包括活躍的創新的思維能力、質疑與批判能力、對實驗現象和獲得的實驗數據的分析思維能力、條理清晰與論證嚴謹的表達能力。如何在教學過程中訓練和提高學生的創新思維能力，是研究生教學的重要任務之一。研討式教學是一種重要的研究型互動教學方式，其關鍵是研討內容的設計和過程的組織。對于要研討的內容，學生應具有一定的相關知識儲備，同時又具有相應的知識拓展性和延伸性，而且在研討過程中教師要鼓勵學生主動質疑求異并提出創見。例如我們在介紹完擴散的驅動力時列出了一個合金中碳元素上坡擴散的特例，大部分學生能發現其中存在“碳濃度相同時仍發生顯著擴散”的問題。應該說能提出這樣的問題說明學生已經掌握了這些內容。然后再鼓勵學生就這種現象與已學的擴散定律相矛盾的原因展開討論。在逐一完成分析排除后，有名學生大膽地對濃度梯度驅動的擴散定律原始表達式提出質疑，建議將濃度梯度改為活度梯度，這正是擴散定律的“升級版”，筆者在課堂上表揚了這名學生。材料化學課程的教學實踐表明，這種精心設計的研討過程將被動的知識傳輸轉變為主動的知識發現、創造，不僅激發了學生的創新意識，還訓練和提高了學生的創新思維能力。

三、結束語

經過近幾年的教學研究與實踐探索，我們以幫助學生建立材料的宏觀性能和過程與材料微觀結構以及原子、分子運動之間的聯系，培養學生運用化學的基本原理和手段分析和解決材料實際問題的能力為目標，從夯實學科基礎、突出前沿交叉、以學生為中心開展教學三方面進行材料化學研究生課程教學改革和實踐，培養和提高了學生的創新思維能力和分析解決問題的能力，有效提升了材料化學課程教學的質量和效果。

[ 參 考 文 獻 ]

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[6] 朱光明，秦華宇.材料化學[M].2版.北京：機械工業出版社，2009.

[7] 曾兆華，楊建文.材料化學[M].2版.北京：化學工業出版社，2020.

[8] 蘇勉曾.固體化學導論[M].北京：北京大學出版社，1987.

[責任編輯：龐丹丹]

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