夯实学科基础 突出前沿交叉 以学生为中心

许静 李宇杰 郑春满 刘双科

[摘 要]材料化学是一门新兴的交叉学科课程，针对其涉及的知识面广以及内容多而庞杂等特点，作者在充分调研国内外材料化学课程内容情况的基础上，以培养学生运用化学原理、手段分析和解决材料问题的能力为目标，对国防科技大学材料化学的研究生课程内容进行了凝练和优化，从夯实学科基础、突出前沿交叉、以学生为中心开展教学三方面进行了材料化学课程的教学改革与实践探索，取得了良好的教学效果。

[关键词]材料化学;课程内容;教学改革;研究生教育

[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）01-0142-03

材料是一切科学技术的物质基础，材料科学是当前科学研究的前沿。各种材料源于化学制造和化学开发，随着新材料新技术的不断涌现，材料学科与化学之间的联系也日益密切。材料化学是在材料学科与化学学科互相交叉、互相渗透过程中兴起的一门综合性交叉学科[1]，是沟通化学和材料两大学科领域的桥梁，在材料学科和化学学科中均占有重要地位。

近年来，许多院校为材料或应用化学相关专业的本专科高年级学生或研究生开设了材料化学课程或内容相近的课程，但由于材料本身种类很多，材料化学涉及的内容非常广泛，其教学内容的设置一直以来是各高校课程建设和教学改革的重点[2-5]。材料化学是国防科技大学材料学科研究生的专业核心课程，为提高材料化学课程的质量，适应培养新时代创新型人才的需求，我们在充分调研国内外材料化学课程教学内容的基础上，从夯实学科基础、突出前沿交叉、以学生（本文所提的学生均指研究生）为中心开展教学三方面进行了材料化学研究生课程教学改革探索，取得了较好的教学效果。

一、国内外材料化学课程教学内容对比分析

目前，直接开设材料化学研究生课程的国内外一流大学较少，内容相近的课程有固体化学、无机材料化学、功能材料化学等。也有一些大学在本科阶段就将其作为基础核心课程，如国内的哈尔滨工业大学、中南大学等;英国的圣安德鲁斯大学、加拿大的不列颠哥伦比亚大学等著名大学为本科生开设了材料化学课程。而国内的复旦大学、北京化工大学、中国科学技术大学、浙江大学、西北工业大学、厦门大学、西北大学、中国石油大学等大学则将材料化学作为核心基础课程，为研究生开设了材料化学或内容相近的固体化学基础理论课程。

目前，国内不同高校的材料化学课程教学内容的差别非常大，大致可分为以下三类：第一类侧重于某一类材料，属于单科性的。部分高校的材料化学课程内容基本上是围绕各自具有特色的优势材料体系进行组织，应该属于某某材料化学，如无机材料化学、多孔材料化学、纳米材料化学等。第二类侧重于材料化学的基础理论和知识，比如有些高校的材料化学课程强调固体化学基础理论，有些则侧重于物理化学、电化学、表面化学、胶体化学等相关基础知识，其课程内容偏应用化学，与材料学科结合不紧密。第三类侧重于在系统阐述材料化学的基础理论的同时，分述包括高分子材料、金属材料、无机非金属材料等各类材料的结构、性能和制备方法[6-8]，但其内容多为基础性和梗概性的，且材料化学的基础理论部分与分述的各类材料部分的联系相对独立，没有有机结合起来。与国内高校相比，国外高校的材料化学课程教学内容有理论深度不断增加的趋势，在帮助学生构建材料化学知识体系的同时，注重学生运用知识分析和解决问题的能力的培养。如美国中密歇根大学开设的材料化学（Materials Chemistry）课程以固体化学（Solid Chemistry）的经典理论为主，并将其基本理论贯穿到金属、半导体、聚合物、纳米材料等材料体系的结构和性能中，强调化学基础理论在材料研究中的應用。

总的来说，国内外不同高校对材料化学的定义缺乏统一的认识和理解，材料化学课程的教学内容具有明显的发散性。

二、材料化学研究生课程教学改革与实践

（一）精选核心重点内容，夯实学生学科基础

材料化学是从化学角度并运用化学方法从原子和分子等微观尺度研究材料的制备、组成、结构与性能之间的关系的一门科学。材料化学研究生通过本科阶段的材料科学基础、大学化学、物理化学等课程的学习，对材料的制备、组成、结构与性能之间的关系及其研究方法已有一定的了解，且具有一定的化学理论基础。但是对于如何将化学基础理论与材料研究联系起来以及如何从化学角度分析和解决材料研究中的有关问题，他们缺乏系统的学习和训练。因此，材料化学研究生课程的主要任务旨在帮助研究生建立材料的宏观性能和过程与材料微观结构以及原子、分子运动之间的联系，培养学生运用化学的基本原理、手段分析和解决材料实际问题的能力，为其未来开发和研制高新材料打好坚实宽广的基础。

为了适应专业核心课程教学“宽广性”“基础性”的要求，与本校材料学科研究生的其他课程内容形成有效的衔接，同时考虑到与材料的性能和表征有关的内容在其他研究生课程如功能材料、微观分析与表征技术等课程中已有涉及，材料化学课程省略了大多数材料化学课程中专门介绍各种功能材料的内容，将重点放在对材料化学基本理论的阐述以及其在材料制备中的应用方面。

基于此，可将材料化学课程内容分为两大部分。第一部分为材料化学基础理论部分，重点讲述经典的固体化学理论，包括缺陷化学、固相中扩散、相变和反应的热力学和动力学理论等。由于近年来自组装化学在材料研究中的应用和发展迅速，因此本课程增加了自组装化学的相关章节。第二部分主要介绍材料不同层次的微介观结构（化学组成、单晶结构、纳米结构、有序结构、多孔结构等）以及形貌的控制原理和方法，介绍先进材料的化学制备技术。

固体化学是材料化学的前身[8]，经典的固体化学理论是从化学角度研究固体的基础理论，主要揭示固体中原子、分子等微粒运动的微观机理及其对固体宏观性能和过程的影响规律，是从原子、分子的角度理解材料的制备、组成、结构和性能之间关系的基础。全面掌握固体化学理论，有助于学生建立固体材料中微观与宏观之间的联系，为其运用化学原理解决材料问题奠定基础。虽然固体化学最初涉及的材料体系主要为无机材料，但其基本理论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）、非均相体系、材料界面等的研究方面也具有重要的应用和参考价值，因此，本课程将固体化学理论作为材料化学基础理论的重点内容。自组装近年来在材料科学研究中受到广泛关注，与传统的基于原子构建分子的化学合成不同，自组装是通过不同组装单元（表面活性剂小分子、嵌段共聚物、纳米或胶体颗粒等）之间的组装与复合来构造各种新型的、复杂的、功能集成的组装体，提供了一条用聚集体来创造新物质和新材料的途径。自组装化学是以化学键为基础的传统化学理论的拓展和延伸，其理论仍处于发展和完善之中，所以在本课程材料化学基础理论部分也做了相应的介绍，以使学生对材料学科的前沿和热点有一定的了解，同时也为学生后续自组装制备有序结构材料部分内容的学习奠定基础。

（二）分析材料微观结构制备方法，充分体现课程前沿交叉特性

第二部分着重将化学过程和原理跟材料组成、微结构的控制联系起来，是第一部分材料化学基础理论的延伸和在材料制备中的具体应用，充分体现了材料和化学之间的密切关系以及材料化学的交叉学科特点。对于这部分内容，本课程没有沿用按材料种类或按制备方法来介绍的惯例，而是以材料不同层次结构的化学控制为主线，阐述如何运用化学的基础理论实现材料不同层次结构的控制，同时也介绍了材料不同层次结构与材料性能之间的关系。材料的性能取决于结构，而材料的结构可分为多种层次，不同层次的结构对材料性能有着不同的影响。比如掺硼和掺磷的单晶硅分别表现出p型半导体和n型半导体特性，这种电性能差别来源于二者化学组成层次上的差别;又如具有相同的化学组成的单晶硅和多晶硅材料，单晶硅的光伏转换效率明显高于多晶硅，这种光伏特性的差别就是二者晶体结构层次上的差别导致的;再如微观结构层次上三维有序的硅反蛋白石光子晶体虽然与块体硅具有相同的化学组成和晶体结构，但却表现出块体硅没有的光学禁带特性，这种光学性能差异主要是二者微观结构层次上的差别导致的。因此，材料性能的控制实际上是材料不同层次结构的控制，如何从化学角度控制材料各种层次的结构，就是材料制备化学的核心问题。本课程按材料的不同层次结构的控制来组织内容，便于学生掌握控制材料结构制备的共性原理和方法，非常实用。考虑到材料的尺度、维数等微介观结构的控制是近年来材料学科发展前沿，本课程在介绍材料的化学组成和分子聚集状态（晶态、非晶态）的控制方法的基础上，增加了有序结构、纳米结构等高层次结构控制的相关内容，以使学生在学习基础理论的同时，紧跟材料相关领域发展趋势。

在教学内容的编排上，既应符合科学发展的规律，也要照顾到知识层次循序渐进的要求。本课程第一部分内容中固相扩散过程与固体中缺陷变化及其运动密切相关，固态相变和固相反应又都涉及固相中的扩散，因此，缺陷化学是整个固体化学知识的基础。同时，缺陷化学又是理解固体的光、电、声、磁等物理化学性能与固体的化学结构之间关系的基础，故将其放在最前面，按缺陷化学→固相扩散→固态相变→固相反应的次序进行编排。自组装化学涉及相变过程的热力学和动力学，可以放在这些基础理论之后单独进行讨论。第二部分内容则根据材料结构的层次从低到高进行编排，其基本顺序为化学组成的控制→晶体结构的控制→纳米结构的控制→有序结构的控制→多孔结构等的化学控制，最后再单独介绍先进的材料制备技术。

（三）以学生为中心，大力开展推演式、启发式和研讨式教学改革

在凝练材料化学课程内容并科学编排教学内容的同时，我们对传统的教师讲授为主的教学模式进行了改革：通过增加推演式教学、启发式教学、研讨式教学等教学环节，实现了从“以教师为中心”向“以学生为中心”的转变，培养了学生的创新思维，提升了学生分析解决问题的能力。

1.强化基础理论的推演，提高学生的科研素养

为适应研究生层次的培养需求，我们适当增加了材料化学基础理论部分的深度和难度，将重要定律和参数的推演过程作为学习的难点和重点。比如讲授Fick定律中扩散系数的物理意义时，我们从一维原子跃迁的扩散模型着手，演示了采用统计的方法逐步得到扩散方程的推导过程，然后再将一维模型扩散到三维模型，将原子扩展到其他质点，最后通过比较得到了扩散系数的物理表达式和意义，并在此基础上引导学生通过逐步修正假设自发推导出空位扩散机制、间隙扩散机制等不同的扩散机制下扩散系数的物理表达式。这种推演过程的学习不仅使学生深刻理解了宏观的扩散系数与微观的扩散质点运动之间的联系，使其对固体化学中常用的建模和理论研究方法有了一定的了解，还训练了其演绎推理的思维习惯，提高其举一反三、融会贯通的能力。

2.开展启发式教学，提升学生分析解决问题的能力

教师在以往的科研活动中，常常发现学生面对具体的问题时不知如何下手，这反映了学生不能将所学知识用于实践分析和解决问题，对于培养高素质的创新型人才极为不利。在材料化学课堂教学中，我们通过启发式教学引导学生将实际的材料問题与化学基础理论联系起来，训练和强化其将所学知识用于分析解决问题的能力，取得了良好的效果。例如项目组在研制一种新型锂离子电极材料时，需要将钛酸锂均匀包覆在石墨的表面，但发现很难包覆上，容易形成钛酸锂颗粒与石墨的物理共混物。此时将该问题抛给学生，介绍涉及钛酸锂成核生长的微观动力学过程，引导学生从成核角度分析包覆的关键条件，于是有学生提出包覆的前提是优先在石墨上成核同时抑制溶液中的成核过程，再根据成核势垒的动力学因素确定了解决包覆问题的多种途径。启发式教学使课堂教学从传统的单向传授变为双向互动的活动过程，推动学生多思考，使学生养成自觉将所学理论知识与具体实践相联系的习惯，提高了学生分析解决问题的能力。

3.开展研讨式教学，培养学生的创新思维能力

创新思维能力包括活跃的创新的思维能力、质疑与批判能力、对实验现象和获得的实验数据的分析思维能力、条理清晰与论证严谨的表达能力。如何在教学过程中训练和提高学生的创新思维能力，是研究生教学的重要任务之一。研讨式教学是一种重要的研究型互动教学方式，其关键是研讨内容的设计和过程的组织。对于要研讨的内容，学生应具有一定的相关知识储备，同时又具有相应的知识拓展性和延伸性，而且在研讨过程中教师要鼓励学生主动质疑求异并提出创见。例如我们在介绍完扩散的驱动力时列出了一个合金中碳元素上坡扩散的特例，大部分学生能发现其中存在“碳浓度相同时仍发生显著扩散”的问题。应该说能提出这样的问题说明学生已经掌握了这些内容。然后再鼓励学生就这种现象与已学的扩散定律相矛盾的原因展开讨论。在逐一完成分析排除后，有名学生大胆地对浓度梯度驱动的扩散定律原始表达式提出质疑，建议将浓度梯度改为活度梯度，这正是扩散定律的“升级版”，笔者在课堂上表扬了这名学生。材料化学课程的教学实践表明，这种精心设计的研讨过程将被动的知识传输转变为主动的知识发现、创造，不仅激发了学生的创新意识，还训练和提高了学生的创新思维能力。

三、结束语

经过近几年的教学研究与实践探索，我们以帮助学生建立材料的宏观性能和过程与材料微观结构以及原子、分子运动之间的联系，培养学生运用化学的基本原理和手段分析和解决材料实际问题的能力为目标，从夯实学科基础、突出前沿交叉、以学生为中心开展教学三方面进行材料化学研究生课程教学改革和实践，培养和提高了学生的创新思维能力和分析解决问题的能力，有效提升了材料化学课程教学的质量和效果。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 唐小真.材料化学导论[M].北京：高等教育出版社，2010.

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[3] 温福山，王燕，杜永霞，等.专业核心课程《材料化学》的建设与思考[J].广东化工，2015，42（24）：160，164.

[4] 何敏，彭顺金，刘宏玉，等.交叉学科课程《材料化学》的教学改革与实践[J].山东化工，2018，47（24）：152-153，155.

[5] 陈万平.材料化学课程内容与专业课程体系设置的探析[J].大学化学，2016，31（12）：21-25.

[6] 朱光明，秦华宇.材料化学[M].2版.北京：机械工业出版社，2009.

[7] 曾兆华，杨建文.材料化学[M].2版.北京：化学工业出版社，2020.

[8] 苏勉曾.固体化学导论[M].北京：北京大学出版社，1987.

[责任编辑：庞丹丹]

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