高分子材料教学融入在材料科学与工程专业教学中的探索与实践

崔 萌，路大勇

(吉林化工学院材料科学与工程学院，吉林吉林132022)

材料科学与工程专业是以一级学科命名、注重综合性人才培养的大专业［1-2］。近年来，该专业已逐渐成为国内各大高校重点打造的特色专业。吉林化工学院的材料科学与工程专业是2011年3月获教育部直接批准成立，并于同年7月开始正式招生的本科专业。该专业成立之初，就稳固树立了其独有的办学特色——无机固体功能材料与金属表面科学与技术两个人才培养的主要方向。在三年多的理论与实验教学和实践活动中，因大学科的特征，不断融入了一系列有机高分子材料的相关内容。本文从专业建设和人才培养两个方面着重讨论和分析了高分子材料相关教学在材料科学与工程专业中所起到的作用，将为我院材料科学与工程专业的特色发展提供借鉴和参考。

一、材料科学与工程专业的发展

20世纪40年代以前，基础科学和工程之间的联系并不十分紧密。如图1所示，在20世纪20年代固体物理和材料工程两学科是分离的，到40年代两学科才有交叉。从60年代初开始出现了材料科学。到了70年代，材料科学和材料工程的学科内涵大部分重叠，材料科学兼备自然科学和应用科学的属性，故“材料科学与工程”作为一个大学科逐步为科技界和教育界所接受［3-5］。

材料科学与工程学科的发展从细分走向综合，通过学科相互交叉、渗透、移植，最终形成具有共同理论和技术基础的大材料科学。进入21世纪后，人才的复合型要求进一步驱动大学科专业的发展。在我国200多所设置了材料科学与工程专业的高校中，涵盖了研究型、教学研究型和教学应用型三类学校。当前，我国材料学科的发展得到了难得的机遇和严峻的挑战。培养创新性和适应性人才，做好大材料背景下的通识教育是材料专业人才培养的基本方针与基本途径。

图1 “材料科学与工程”的形成与发展

从材料科学与工程学科以及专业的形成与发展历史不难看出，该专业与固体材料的发展有着极其紧密的关系，而无机固体材料相对于金属材料而言，更起到举足轻重的作用。20世纪以来，金属和合金应用日趋广泛，社会对人才的需求不断变化，掌握金属材料相关知识的人才已逐步成为材料类学科的紧缺人才而近乎呈现了“供不应求”的局面［6］。21世纪，材料类专业的复合型人才培养日益具有时代特征。

因此，2011年吉林化工学院开办材料科学与工程专业时，充分考虑了市场对材料类人才的时代需求，定位了专业的办学特色——无机固体功能材料与金属表面科学与技术有机结合，创办和发展了如今的以无机固体功能材料与金属表面处理为特色的材料科学与工程专业。但是，由于现代工业社会对材料类综合型人才的越来越大的需求，以及复合材料的开发和应用的迅速发展，作为“大专业”的材料科学与工程系专业仅仅依赖这两个支柱型办学方向支撑已经远远无法达到市场对人才的新的需求。因此，吉林化工学院的材料科学与工程专业在无机固体功能材料与金属表面科学与技术两个主要办学方向的基础上，不断融入了有机高分子材料以及复合材料方面的相关教学，以求使该专业培养出的学生能够适应新的市场要求、走出校门后可以在社会上凭借自身所具备的材料科学综合知识站稳脚跟。

二、现代材料科学与工程技术的发展趋势

当前，材料科学与工程技术的发展趋势有以下几种:

第一，从均质材料向复合材料发展。以前人们只使用金属材料、高分子材料等均质材料，现在开始越来越多地使用诸如把金属材料和高分子材料结合在一起的复合材料。

第二，由结构材料向功能材料、多功能材料并重的方向发展。以前讲材料，实际上都是指结构材料。但是随着高技术的发展，其他高技术要求材料技术为它们提供更多更好的功能材料，而材料技术也越来越有能力满足这一要求。所以现在各种功能材料越来越多，终会有一天功材料将同结构材料在材料领域平分秋色。

第三，材料结构的尺度向越来越小的方向发展。如以前组成材料的颗粒，尺寸都在微米方向发展的材料。由于颗粒极度细化，使有些性能发生了截然不同的变化。如以前给人以极脆印象的陶瓷，居然可以用来制造发动机零件。

第四，由被动性材料想具有主动性的智能材料方向发展。过去的材料不会对外界环境的作用做出反应，完全是被动的。新的智能材料能够感知外界条件的变化、进行判断并主动做出反应。

第五，通过仿生途径来发展新材料。生物通过千年万年的进化，在严峻的自然环境中经过优胜劣汰、适者生存的生存规律发展到今天，自有其独特之处。通过“师法自然”并揭开其奥秘，会给我们以无穷的启发，为开发新材料又提供了一条广阔的途径。

材料是现代文明的三大支柱之一，新材料更是被视为新技术革命的基础和先导。随着科学技术的进步，原来各自独立的各个材料领域——金属材料、无机小分子材料和有机高分子材料等已经逐渐相互渗透、相互结合形成了一个新的综合型的大专业体系。

在这样的材料科学发展的大环境下，要想发展完善的、独特的、极具竞争性的综合型大专业——材料科学与工程专业，有机高分子材料相关内容的不断融入已经成为该专业能够取得长足发展的必然趋势［7］。

三、高分子材料相关教学的融入在我校材料科学与工程专业中的作用

在对我校材料科学与工程专业招收的第一届学生的培养过程中，逐渐摸索、并不断改进和完善该专业的课程设置和培养方向，发现学生仅仅具备相对完备的无机固体功能材料与金属表面科学与技术方面的知识并不足以使他们在走出校门之后在社会上完全占有一席之地。本着对每一个学生负责的态度，也在尝试将一系列有机高分子材料的相关内容融入到材料科学与工程专业的课程设置中，进而使学生成为真正的复合型材料科学技术人才。

(一)高分子材料相关内容的融入对材料科学与工程专业建设的作用

传统的材料科学与工程专业是在无机固体学科上衍生出来的。在开设材料科学与工程专业的绝大多数高校中，理论课程设置和实践环节安排也大多沿袭无机固体的相关内容，如晶体结构、波函数等为主。吉林化工学院的材料科学与工程专业成立之初，就紧密结合市场需求，将金属表面科学与技术加入到学科的主要办学方向之中，成为我校该学科的另一独有的办学特色，但市场对人才的需求是随社会经济的发展而不断发生变化的。近几年，随着国际形势的变化，众多国内材料类工业企业对复合型材料人才的需求急剧增加，培养材料行业复合型人才也成为该行业亟待解决的问题［8］。因此，应市场发展需要，在学科建设过程中将材料学科三大分支适当融合也显得越来越必要。所以在我校的材料科学与工程专业发展过程中，我们刻意将部分有机高分子材料的内容有机的结合进去，为复合型材料人才的培养打下坚实的基础。

(二)高分子材料相关内容的融入对建设材料科学与工程“大专业”学科的作用

材料科学与工程专业诞生之初已经垫定了它作为材料科学领域一级学科的坚实地位。作为一级学科，其综合性相较于其他材料类的二级学科而言一定是更强一些的。进入新世纪之后，人们对材料科学与工程专业又进一步提出了“大专业”的需求，即将该学科的综合性进一步加强，使其充分融合材料发展过程中逐渐形成的三大分支——无机小分子材料、金属材料和有机高分子材料［9］。如此，材料科学与工程专业的建设中，有机高分子材料系列内容的融入就成为了必须之举。我校在建设该学科的过程中，充分研究和认识到材料科学与工程“大专业”的发展趋势，在修订培养方案时就有意将高分子材料有关内容加入到该专业所设置的课程之中，例如:在该专业学生的培养过程中，《材料科学概论》、《材料化学》、《材料科学基础》、《材料分析基础》都是作为主干必修课的，在这些专业主干必修课中，都分别设置了有机高分子材料的内容作为这些主干必修课中的一个或两个章节独立存在，这些课程中的高分子材料的相关内容分别反映了高分子材料发展中的几个侧面，而多种课程中不同高分子材料侧面的融合就使得学生对有机高分子材料有了较为全面和深刻的认识。

(三)高分子材料相关内容的融入对材料科学与工程专业学生思维养成的作用

根据材料科学与工程专业的发展历史，在我校该专业的学生培养过程中，《固体物理》、《无机固体化学》、《金属学与热处理》、《材料科学基础》等课程成为主流课程。通过以上一系列课程的学习，学生会对无机非金属材料、金属及合金材料的微观结构有一个较为形象的认识，在分析大部分无机材料与金属材料的微观结构时，头脑中会产生相应的模型，方便对该种材料的初步认知和深刻研究。例如:对于无机非金属材料，可以建立晶胞模型以研究它的微观结构;对于金属材料，可以建立简单的二元、三元或多元相图，以深入理解金属材料微观结构。但在实际应用中，材料是多种多样的，不仅仅只有完美的晶体材料和较为纯净的金属材料，还有很多材料没有规律性的结构，它们在外界环境中的一系列变化也无法完全利用无机固体材料与金属材料的相关知识可以解释。这就需要学生引入新的模型、接受新的理论、拓宽现有的思维方式。将有机高分子的部分内容融入到课程设置当中，使学生建立理解材料结构的新思维，方便其解决问题。

高分子由于其分子结构的多样性，使得人们在研究其结构时创建了多种多样的结构模型，其中无规线团模型、Flory插线板模型、缨状胶束模型等结构模型都是研究不完全具有规律性结构或完全无规律结构的材料的典型模型。将该部分内容有机的融入进课程之中，使学生掌握多种高分子材料的结构模型，能够大大拓宽学生可掌握的材料种类和领域，为复合型材料类人才的培养打下牢固的理论基础。

(四)高分子材料相关内容的融入对材料科学与工程学生实践能力培养的作用

对于材料类专业学生的培养，仅有理论教学是不够的。在对学生的培养过程中，将实践教学环节和理论教学有机结合到一起是至关重要的［7］。在首届学生进入大三以来，我们大量开设了一系列实验课程，例如《无机与分析化学实验》、《材料科学基础实验》、《材料科学专业实验》等等。而这些实验课程开设之初，在每个课程选择实验题目时都少量加入了1-2个有机高分子部分的实验内容。目的就是使学生除了在理论课堂上接触到了无机非金属材料、金属材料和有机高分子材料并对它们有了理论的结合以外，在实践动手环节，能够更为直观的、近距离的、通过自己的实验操作真正理解什么是无机固体材料、金属材料、有机高分子材料，真正做到将材料学科三大分支融合，为复合型材料类人才奠定实践基础。

(五)高分子材料相关内容的融入对材料科学与工程专业学生未来去向的选择的作用

吉林化工学院材料科学与工程专业的第一批学生已经进入他们大学的最后一年，他们正面临着大学毕业后去向选择的关键时刻，在2011级的33名学生中，有9名学生选择了考研，而材料科学类专业的研究生专业和研究方向也是多种多样的，选择考研的学生就面临着在众多方向中进行选择的关键时刻。从大方向来讲，材料科学类专业有无机小分子材料、金属材料和有机高分子材料三个大的学科方向，而我校的材料科学与工程专业的学生在其专业课的学习过程中，对三个材料学分支都有所涉猎、有所了解，这就拓宽了他们考研方向的选择，即在无机固体功能材料与金属表面科学与技术两个大的主要办学方向的基础上，有机高分子材料内容在该专业中的融入也为该专业学生毕业后在考研方向上的选择提供了一个新的方向，拓宽了他们对材料科学深入学习的道路［10］。

四、结 语

从吉林化工学院材料科学与工程专业的理论教学内容、学生实践能力培养和学生思维养成三个方面，详细分析了有机高分子材料的教学在我校独有的以无机固体功能材料和金属表面科学与技术为办学特色的材料科学与工程专业中的作用。

通过对首届学生的教学过程中，不断总结经验，逐渐形成和建立了我校材料科学与工程专业持续有特色发展的方向——以无机固体功能材料和金属表面处理为办学特色、以有机高分子材料为必要补充，使该专业成为每一位学生走出校门之后能够拥有稳固的材料类全面基础的综合性材料大专业。

［1］ 邓海金，潘伟．材料科学与工程专业教学体系和课程体系的改革［J］．建材高教理论与实践，1997(1):41-43．

［2］ 郑举功，杨婷．材料科学与工程专业实践性教学的探索［J］．化工高等教育，2005(2):16-19．

［3］ 李强，陈文哲．美国和欧洲的材料科学与工程教育［J］．高等理科教育，2002(6):33-40．

［4］ 刘兴江，王建中，穆柏春．材料科学与工程学科建设现状与发展动态［J］．辽宁工学院学报，2002(2):75-77．

［5］ 侯光明，晋琳琳，黄莉．对我国研究型大学建设的阶段回顾与分析［J］．高教管理，2005(3):97-101．

［6］ 王章忠，皮锦红，巴志新．材料科学与工程专业应用型人才培养的思考［J］．南京工程学院学报:社会科学版，2007(3):37-40．

［7］ 沈晓红，肖祖法，任磊，等．材料科学与工程特色专业的建设与思考［J］．大学教育，2014(8):62-64．

［8］ 王章忠，皮锦红，巴志新．材料科学与工程专业应用型人才培养的思考［J］．南京工程学院学报:社会科学版，2007(1):30-34．

［9］ 宋晓平，浩宏奇．关于建设一级材料科学与工程专业的探讨［J］．高等工程教育研究，1997(1):9-12．

［10］林金辉，汪灵，邱克辉，等．材料科学与工程专业的课程体系和实验教学体系建设［J］．高等教育研究，2007(2):54-56．