材料化学专业课程体系的改革与建设

文 胜,龚春丽,郑根稳,汪连生,周环波

(孝感学院化学与材料科学学院,湖北孝感432000)

材料化学专业课程体系的改革与建设

文 胜,龚春丽,郑根稳,汪连生,周环波

(孝感学院化学与材料科学学院,湖北孝感432000)

文章从材料化学专业教育的发展和服务于地方的角度出发,提出了孝感学院材料化学专业的定位及合理的课程体系设置。

材料化学;课程体系;改革

材料是人类赖以生存的物质基础,每种材料的实际功能和用途取决于由分子构成的宏观物体的状态和结构,但其原始基础在于构成它们的功能分子的种类及其结构。材料化学在研究开发新材料中的作用就是用化学理论和方法研究功能分子以及由功能分子构筑的材料结构与功能之间的关系,使人们能够设计新型材料[1]。材料化学专业既不同于传统的材料科学专业,也不同于传统的化学专业,是材料科学与化学的交叉学科,具有交叉学科、边缘学科的性质。它还是材料科学的核心部分,具有应用理科性质,在理论和实践上的重要性不言而喻[2]。目前国内众多高校在近几年相继设立了这个专业,作为省属地方高等院校的孝感学院也于2003年设立了材料化学专业。

1 孝感学院设立材料化学专业的定位

材料化学是教育部于1997年认定的新专业,一般是作为材料科学与工程系/学院中的一个专业方向。主要的研究范畴并不是材料的化学性质(尽管从字面上可以这么理解),而是材料在制备、使用过程中涉及到的化学过程、材料性质的测量。比如陶瓷材料在烧结过程中的变化(也就是怎么才能烧出想要的陶瓷)、金属材料在使用过程中的腐蚀现象(怎样防止生锈)、冶金过程中条件的控制对产品的影响(怎么才能炼出优质钢材)等等。

截至今年,在国内约有120多所高校开设有材料化学专业,如北京大学、复旦大学、南京大学、浙江大学、中国科技大学、厦门大学、四川大学、西北大学、兰州大学、青岛科技大学、中南大学、中国地质大学、武汉理工大学、湖北大学等。

由于材料本身范围十分多样,而且各高校开设此专业的背景以及所依托的优势学科也各不相同,所以尽管专业名称都叫材料化学,但是各个学校的材料化学专业的培养模式、教学内容都相差很大[3]。例如,中国科学技术大学的材料化学专业基本上就是无机非金属材料的内容,本科生毕业颁发理学学士学位;而作为国内率先开设材料化学专业的复旦大学,则发挥了自身综合性大学的特长,将高分子材料、纳米材料、复合材料、智能材料、液晶材料、生物材料、国防专用材料等新材料的分子设计、制备方法、性能研究及应用开发等前沿内容引入到本专业的教学和毕业设计中,本科生毕业颁发理学学士学位。北京大学材料化学系建立于1996年,隶属于化学与分子工程学院,主要由无机化学研究所和稀土化学研究中心构成,其中由部分材料化学系人员组成了稀土材料化学及应用国家重点实验室,研究领域主要包括无机功能材料及结构化学、稀土材料化学及应用、纳米材料、高分子材料化学与有机/无机复合材料化学等,重点在材料的分离、合成、表征与结构等基础研究方面[2]。中国民航学院材料化学专业的3个专业方向紧扣与航天航空相关材料中的化学问题;中国石油大学材料化学专业则着重研究与石油化工相关材料的化学问题。

湖北作为高教大省,目前共有35所普通本科高等院校,且还在不断增加,开设材料化学专业的高校有武汉理工大学、中国地质大学(武汉)、武汉工程大学、湖北大学、武汉工业学院、孝感学院等6所院校,这几个高校开设材料化学专业的侧重点各有不同。如武汉理工大学依托其材料复合新技术国家重点实验室和硅酸盐材料工程教育部重点实验室,将复合材料和无机非金属材料列为材料化学的专业方向。中国地质大学的材料学科为国土资源部重点学科,材料化学专业主要侧重于其优势研究领域如岩矿新材料和无机非金属材料。武汉工程大学依靠其化工院校的优势,于2005年成立了材料化学专业,其专业方向主要是功能材料和纳米材料。湖北大学的材料科学与工程学院是由化学材料与物理材料进行整合而成,其材料化学专业侧重于高分子材料和物理材料研究过程中的制备、使用过程中涉及到的化学过程。武汉工业学院的材料化学专业于2007年开始招生,材料化学专业方向偏重于化工和环境工程中所涉及的材料。

孝感学院作为一所省属二类普通高等院校,考虑到学校的发展和服务地方的原则,于2003年成立了材料化学专业,如何能在众多开设材料化学专业的学校中占有一席之地,其专业定位就显得尤为重要。在2003级和2004级材料化学专业的人才培养方案里,其专业定位是偏向于高分子材料方向,因为在孝感地区有几个较大的高分子材料加工的企业,如华中地区最大的塑料薄膜加工企业、国家重点高新技术企业——孝感市云梦富斯特集团,以生产药用瓶塞为主的孝感市应城恒天药业包装有限公司等,材料化学专业的方向能很好地满足地方经济建设对专业人才的需求。但孝感学院2005年新设置的高分子材料与工程专业又与材料化学专业的方向相重叠,因此,需调整材料化学专业的定位,并且要能很好地体现地方特色。

孝感素有“膏都”、“盐海”、“磷山”之称,矿产资源丰富。金、银、铜、锰等24种主要矿产开采潜力巨大,其中优质矿11种,“膏、盐、磷”被誉为“孝感三宝”。应城石膏蜚声中外,品位居亚洲第一,储量丰富,其中纤维石膏储量占全国的60%。应城云梦一带岩盐地质储量280亿吨,品位居全国之冠。大悟磷矿地质储量近2亿吨,地质风化,富集显著,易于露采。但目前湖北从事石膏、岩盐和磷矿资源加工和利用的专业人才还相当匮乏,远不能满足地方经济发展的需求,随着武汉“8+1”城市圈的建设和经济的发展,对从事相关矿产资源加工和利用的专业人才需求将会迅速增长。因此孝感学院的材料化学专业方向调整定位为无机材料制备与加工,以充分体现服务地方、为地方培养紧缺性人才的特色。

2 材料化学专业课程体系的基本框架

由于材料化学在全国是个较新的专业,涵盖的学科范围非常广阔,各高校的材料化学培养方案和课程体系差别较大,本科生实验开设也有很大的差别。孝感学院的材料化学专业坚持依托化学专业这个全国特色专业,走理工结合的路子,既强调理科重基础的特点,又适当加大一些应用性课程的学习。目前材料化学专业构建了以公共必修课、专业必修课、集中综合实践、专业选修课(模块一和模块二)有机结合的课程体系结构,使学生具备获取知识的能力和创造能力。

1)专业必修课。

材料化学是从化学的角度研究材料的制备、组成、结构、性质及其应用的一门科学,作为材料化学专业的学生,必须具有厚实的化学基础[3],因此在专业必修课设置中,开设了四大基础化学理论和相应的实验课程,但侧重点与化学专业不同,其中的无机化学是使学生掌握元素周期律、物质结构理论、化学热力学等基本原理,掌握重要元素化合物的结构、主要性质及用途,考虑到材料化学专业的定位及孝感地区丰富的无机矿产的特点,把无机化学作为化学基础的重点,将其定位为材料化学专业的学位课程。

在材料方面的基础课程中,设置了材料科学基础、材料化学、材料物理、材料合成与加工及实验、材料性能测试实验这几门基本课程,充分体现了大材料的特点,满足了教育部提出的宽专业口径的要求。

材料科学基础是材料类专业最主要的技术基础课。以金属材料、陶瓷材料、高分子材料及复合材料为对象,从材料的电子、原子尺度入手,介绍了热力学、动力学理论及纳观、微观尺度组织,细观尺度断裂机制及宏观性能。主要目的是介绍材料的成分、微观结构、制备工艺及性能之间的关系,为材料性能测试和材料加工奠定基础。

材料化学主要研究材料的物质组成、化学键、结构与转变、化学反应等方面的基本理论及应用,为学生学习其他专业课以及专业选修课打下基础。而材料物理主要教授材料(主要是凝聚物质)本征的性质(微观结构、运动状态、物理性质)以及它们在各种外界条件(如热、力、光、电、磁、各种微观粒子束辐照)下发生的变化,涉及到晶体学、金属物理、半导体物理、超导物理、电介质物理学及表面物理学、非晶态物理学及低维固体物理学等多门学科。通过本课程学习,学生可以对材料,特别是功能材料的结构、制备机理及各种物理性质有较全面的了解。

在材料科学基础、材料化学与材料物理的具体讲授过程中,要解决好如下一些问题:如何在兼顾金属材料、无机材料、高分子材料三大材料的同时突出本专业的特色;这三门材料的专业课程之间及它们与专业基础课在内容上会不可避免出现重复,其内容如何取舍、授课时间如何衔接等等,比如晶体化学的知识是理解材料(特别是金属材料与无机非金属材料)的性能与聚集态结构之间关系的基础,这部分内容在材料化学、材料物理及结构化学中都存在,在教学过程中,可以根据课程设置的情况适当进行取舍。再如相图理论是理解材料的制备过程(特别是合金与陶瓷材料制备)以及材料组成与性能之间关系、组成与结构之间关系、结构与性能之间关系的重要基础知识,是材料化学基础理论的重要组成部分,这部分内容和物理化学的内容虽有所重复,但作为材料化学中指导材料制备和结构研究的基础知识是不可或缺的。当然,这不应是物理化学中相图知识的简单重复,而应从材料的角度出发,对有关的内容进行新的编排和论述[1]。

材料合成与加工实验及材料性能测试实验是材料化学专业的两门重要的实验课程,主要使学生能掌握材料的合成、制造方法、加工应用及材料性能表征方面的实验技术,从而为学生将来从事有关新型材料的研制、开发、应用奠定基础。

2)专业选修课。

专业选修课分为三个模块,其中模块一为指定选修,模块二和模块三为任意选修。本次改革拟对专业选修课的模块方向和课程设置做较大改动,2005年人才培养方案对于专业选修课模块方向设定模糊,学生在选修了某一模块的课程之后,仍难以在该模块方向进行就业。因此本次修订充分结合了孝感当地企业需求和化学与材料科学学院教师的科研方向,将任意选修模块方向设置为二:一为无机非金属材料方向,主要设置了无机非金属方面的基本课程如无机非金属材料概论、材料工艺学、材料性能学、功能陶瓷材料与器件、特种水泥等,另外还考虑到了孝感地区矿产企业多及材料化学专业的定位,设置了一些岩矿方面的课程如粉体技术导论、岩矿化学分析、硅酸盐物理化学等;另一方向为复合材料方向,主要设置的课程为复合材料工艺与设备、功能复合材料、无机非金属基复合材料、复合材料力学、材料腐蚀与防护等。这样学生从其中的任意一个模块中选修14个学分即7门课等,就能使其在这一领域内的知识有所深化,毕业后便能尽快上手。

3)集中综合实践。

由于材料化学专业既是理论性强的学科,又是实践性、应用性非常强的学科,需高度重视锻炼和提高学生的实践能力。对于重要的专业基础课,不仅安排了理论基础课,还相应安排了集中综合实践课,分为专业见习、专业实习、课程设计、工程训练和毕业论文五个部分,以便使学生有更多的机会,自主地将学到的理论知识运用到实际的研究和工程设计中去,提高实践能力。

3 结语

材料的发展是极其迅速的,每年都会有许多新材料、新技术、新工艺不断涌现,而教育教学改革随着社会的发展也是永无止境的。材料化学在全国是个较新的专业,许多高校还在积极准备兴办,对材料化学专业的培养方案、课程体系的探索和完善也将是我们今后多年的一大工作任务。四年后,我们要对现有的人才培养方案和课程体系培养出的学生作调查、研究,以检验我们的专业定位和课程体系是否合理,再经修改实践、不断完善,最终设计出适合孝感学院化学与材料科学学院实际情况、满足社会需求的人才培养方案和课程体系。

[1] 朱光明.材料化学课程的内容设置及其与材料科学的关系[J].大学化学,2004,19(6):16-18.

[2] 陈德志,刘元隆,谢宇,等.地方航空院校材料化学专业的定位及其课程体系的思考[J].化工高等教育,2008(4):25-27.

[3] 张宝莲,魏冬青,杨学稳,等.材料化学专业定位及课程体系的思考[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 胜(1979— ),男,湖北孝感人,孝感学院化学与材料科学学院副教授,博士。

(责任编辑:张晓军)