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主题:化学课程论文写作 时间:2024-02-20

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1 材料化学的定位

目前,能源、信息、材料被公认为是现代国民经济的三大支柱.其中这三者中的材料是各行各业的基础.材料的进步与发展可以推动社会、经济、文化等方面的进步与发展.因此材料科学与工程这一学科应运而生,自起源到现在已经形成了较为完整的体系.对于该专业的研究者而言,刚刚踏入材料科学与工程这个大门免不了要以学习者的身份对其基础性学科进行学习.

材料科学与工程的任务是研究材料的组织结构、性质、生产加工和使用效能以及他们之间的相互关系[1-6].它的专业基础性课包括材料科学基础、材料工程理论、材料化学、材料物理、材料物理化学等.其中材料科学基础这一学科发展最为完善.材料科学基础这门课程的任务就是通过实验,总结生产实践经验以及建立材料基础理论从理论上预计材料的结构与性能三种途径来研究结构与性能的关系[1].材料物理学是从物理学角度,用一些基本的物理概念和理论阐述材料的结构、性质和它们在各种外界条件下的变化规律的介于材料学和物理学之间的边缘性学科[7,8].材料物理化学是金属材料、陶瓷材料、高分子材料专业的公因子,将材料科学基础等各方面的内容应用于各个专业方向,深入介绍物态、热力学定律、动力学定律、化学势、表面与界面等知识的综合性学科[9,10].

什么是材料化学?目前对于它的解释和定义众说纷纭.对于刚刚接触材料专业和即将接触材料专业的人而言这是必须回答和弄明白的首要问题.在众多解释与定义中,我们认为较为准确与全面回答什么是材料化学这个问题的是“材料是指人类用来制造一切设施、工具、装备、器物和用品的化学物质”[11],“化学是一门中心的、实用的和创造性的科学,是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构、性质及结构与性质关系并探讨其应用的科学,是设计、合成、表征新物质并探讨其应用的科学”[11].这样将材料化学分开来定义清楚明白地将什么是材料化学展现在大家面前.

通俗点而言,材料化学是与材料问题相关的化学,即为以材料为研究对象和研究目的的化学科学.材料化学的研究应集中在以化学的手段在化学的研究水平和层次上研究优化现有材料,并定向设计制备和表征新材料.材料化学的内容应该充分涉及基础化学知识(化学原理)、材料的制及材料的使用中相关化学知识.

2 目前“材料化学”教材的现状

随着材料学学科的重要性日趋见长,各个高校都争相设立材料科学与工程或者跟其相关的专业.但因每个学校的学科基础建设不同,设立的学科也各有千秋.材料化学作为材料学基础性课程,它的建设与发展也日益重要.

目前各大高校在使用的“材料化学”教材也是琳琅满目,但在阅读后不禁让人烟花缭乱,将现行教材的现状分析如下:

目前现行教材最为明显的特点就是内容范围较窄,各自有侧重点,导致教材在大方向上应用范围不广[11-21].现行材料化学的教材中占最大比例的是侧重于金属材料方面的知识[11-21].教材开篇介绍一下金属材料会涉及的一些知识点如晶型、晶体缺陷等结晶相关的知识以及物态等方面的物理知识等,并没有讲解化学的基本知识如热力学、动力学等.这样的内容设计会导致学习者在学习后面若涉及化学知识的知识点时会不明讲解,进而导致不能充分理解和掌握.

之所以会出现这样的问题跟材料科学与工程学科的起源和发展历史有莫大的关系.从材料科学与工程学科的发展历史来看,对材料的研究源于传统的金属材料、陶瓷材料和高分子材料专业[22].因为关于材料的研究最先是分别在冶金、陶瓷、化工等行业研究,而后渐渐地凝聚态物理学、固体物理学以及应用化学等相关专业参与进来,造成了八仙过海各显神通的局面,再到后来逐渐发展开来形成了独立的一门学科.材料化学作为材料科学与工程学的一门基础性学科自然不能独善其身.

由于其历史起源性问题和目前国际上缺乏学科规划、布局和分工等问题导致现在基础性课程设计也显得百花齐放[22].当前关于材料化学的研究内容是各自为政,大家都是根据每个学校的专业发展历史结合自身的专业特点讲述,框定和研究内容.这样的现象导致现行的教材也具备此种特点,面向的对象更多是本校本专业的学习者,应用范围并不是很广泛.

另外较为明显的一个现象就是现行教材的内容中都有以专题的方式来设置章节[11-21].或以结构为集结点分别设置金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料和纳米材料等材料的专题,或以功能为集中点分别设置纳米材料、复合材料及杂化材料、电功能材料、磁功能材料、光功能材料、功能转换与智能材料、化学功能材料、分子材料与分子器件和特种功能材料等专题.每个专题中均会介绍每种材料的结构,具备的性能以及其制备的方法.虽然这样的结构设计方便学习者就某一类材料进行了解和学习,但是以专题的形式来讲解制备中的化学知识会因每个专题的独立性不免导致各个知识点相互独立.学习者在学习时不能将所学知识串联起来,不能起到举一反三的效果,且会出现在学习新的专题时而忘记前面专题所学的内容的现象.以专题的形式进行讲解更适应于将新材料、新的合成方法等前沿性的知识介绍给已经具备基础知识的学习者比如研究生[23].这样的设计加大了内容的难度和深度,适合他们进一步深入学习.

第三个较为明显的特点就是在内容设置上与材料科学基础、材料物理和材料物理化学的内容有较大重复.例如现行教材在讲述材料的知识时更多的关注于介绍材料的结构与性能的关系以及一些概念性的东西,没有深入介绍关于化学的原理性知识[11-21].材料的结构与性能关系在材料科学基础这一门课程上有较为深入系统全面的讲解[1-3],在材料化学中再过多地关注不免过于重复,会降低学习者的兴趣,也使学习者更为分不清这几门基础课各自的意义所在.

当然现行的教材中也不乏有以化学基础知识和材料的制备和使用为内容的,但是其中的化学基础知识的内容并不是十分全面,还需要进行些许的补充.另外虽然讲解了材料的制备和使用但是关于材料的制备和使用中的化学知识却较少.尤其是关于使用中会出现的问题以及后期回收的化学知识更是少之又少,更多的是进行内容的介绍而非化学反应的讲解.

从上面的分析中可以看到,目前对于学习材料的本科生和研究生而言并没有一本完全合适的材料化学的课本.然而材料化学是材料专业的一门基础性课程,主要的面向对象是本科生,是用来打基础的.它是多学科交叉的产物,其中的化学内容涉及了化学的所有次级学科如无机化学、有机化学、物理化学、分析化学等.本科生是刚刚步入这个交叉学科的新人,故而需要基础性强、系统性强的教材来指引他们.因此需要对现有的教材进行改造.

3“材料化学”的改造

随着科技发展的日新月异,材料专业将会向着稳定的综合专业方向发展.针对上述材料化学学科目前存在的问题,要想推动材料化学向综合专业的稳定发展,首先要对材料化学的教材进行改造,使其能够规范统一.教材的内容应避开因大背景发展和院校专业历史发展不同而导致的现有教材大多是根据编写者所在高校的专业侧重点而不能大范围使用的弊端,调整成能够在大方向下适用于所有有化学背景和无化学背景的想要从事本方面研究的人,深度与广度并存的教材.让这一基础性学科能够充分发挥其基础性作用,为学习者后续的深入学习打下良好的基础.

在翻阅了这么多现有教材和对材料化学的学习后,我们认为材料化学在改造时应该充分尊重其基础性学科的地位以及本身的化学身份.整本书的内容在选取时应充分考虑最终面向对象是本科生,内容应该更注重基础性和系统性以及可读性,知识结构应充分考虑到人的思维模式,从一个逻辑点出发,沿着一条主线并逐步前进,最终建立一个完整的体系.这样既满足了学习者对知识的学习又方便记忆理解和使用.

当然想要将材料化学与其他课程完全独立开来是不可能的,因其本身就是交叉学科的产物.但是其应该抓住自己的特点,在讲清、讲明自身课程的内容的同时应该注意尽量避免与其交叉的学科知识点的重复.材料化学在设置内容时要把握住其内涵是一门化学课,不能偏离这一轨迹和有违初衷.

另外我们觉得材料化学这门课程主要面向的是本科生,那么在内容方面应该充分介绍化学基础知识(也可以称之为化学反应原理),然后应该介绍材料的制备以及材料的使用.在介绍材料的制备和使用时并不是单纯罗列出材料的制备方法有哪些,可以应用到什么方面,而应该着重介绍这些方面出现和涉及的化学问题.

材料的制备的章节应讲明白每种制备方法中都有些什么化学反应,每种化学反应都是有哪些反应原理,涉及哪方面的基础知识,然后在每种制备方法的最后用举例的方式说明该种制备手段都可以应用到什么材料的制备.采用这样举例的设计来代替现在教材中在所有制备讲完后再列材料专题的方式.学生通过此种方法可以一目了然地看到方法的使用,更便于理解与以后的应用.此种方法也避免了专题讲述时制备内容的重复讲述,以及与前面内容相隔太远学生不能很好地将之联系起来的问题.当然选取的例子应该浅显易懂,并且经典有代表性,太过于前沿的东西不适合基础学习者的掌握.新的材料和以合成的新的方法等太前沿的知识点可以编写成一个小专题放在所有内容的最后,学习者可以根据自身的能力和知识储备量来决定是否要去学习这些内容.

材料的使用章节的重点不应该放在某种材料因为具备何种结构从而具备某种性能进而可以应用到何种方面去.材料的结构与性能这是材料科学基础课程要研究的内容,在材料化学中应尽量避免与其重复,以减少和避免学生在学习时感觉所学内容已经学过了甚至学得更深入从而产生厌倦心理.关于结构与性能方面的知识也不是完全避免而是给其少量的篇幅,稍微介绍一下.这一部分在材料化学中起到的作用是服务性的作用,是为了帮助学习者更好地理解其中涉及的化学知识而非重点.重点应该放在材料在使用过程中出现的化学问题,讲清楚出现这些问题都是发生了哪些化学反应,针对其发生的化学反应应该采取怎样的措施来减少有害的化学问题的发生,促进有利的化学反应的发生以及最终材料的回收问题.如金属的腐蚀与防护机理或高分子的老化与保护机理都可以是这方面的内容.

如若要掌握好上面所提及的内容,那么初始学习者必须了解化学反应的基本原理也就是基础的化学知识.这就需要在讲解制备和使用中的化学知识之前充分讲解一些化学基础知识比如说化学键、分子的构造、原子的构造、化学反应热力学、化学反应动力学、表面与界面、相平衡与相图以及电化学等基础知识.初始学习者在了解了这些知识后才会更加方便后面知识的掌握与学习.

这样的内容选择和结构设计以化学基础知识为逻辑出发点,以化学反应为主线,将所有的内容都串在了一起,既能避免了与某些课程内容的过多重复又抓住了材料化学本身化学的本质.另外通过这样系统的设计后,学习者会在自己的头脑中形成一条以化学反应为主线的知识点,遇到任何其他支线的知识只要一扯就会将知识连贯起来,进而找到自己需要的知识,使材料化学起到了其基础性课程的作用.

以上是我们对材料化学的较为粗浅的看法和想法,若能为材料化学这个学科的建设和发展起到微小的作用,那就是我们之幸了.

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