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時(shí)間：2023-07-18 09:36:23
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在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，材料科學(xué)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的三大支柱之一。近年來(lái)，我國(guó)在材料領(lǐng)域的發(fā)展突飛猛進(jìn)。目前，國(guó)內(nèi)眾多知名高校已經(jīng)開設(shè)了材料科學(xué)相關(guān)專業(yè)，如清華大學(xué)、北京科技大學(xué)等開設(shè)了金屬材料學(xué)科；北京化工大學(xué)、浙江大學(xué)等開設(shè)了高分子材料；西北工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)等開設(shè)了材料加工學(xué)科等。2016年，合肥師范學(xué)院成功獲批了材料科學(xué)與工程專業(yè)，并開始招生。作為應(yīng)用型高校，該學(xué)科的建設(shè)處起步階段，雖經(jīng)過(guò)3年的教學(xué)實(shí)踐，但在專業(yè)課程設(shè)置、教學(xué)方法以及考核模式等方面存在很多的問(wèn)題亟待解決。
1課程教學(xué)的問(wèn)題剖析
材料科學(xué)與工程是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝和使用性能以及四者之間相互關(guān)系的學(xué)科，因而將成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝和使用性能成為材料科學(xué)的四要素，把四者聯(lián)在一起就構(gòu)成了材料科學(xué)四要素的四面體結(jié)構(gòu)，如圖1所示?！恫牧峡茖W(xué)基礎(chǔ)》這一門課程便是以材料科學(xué)四要素為主要內(nèi)容，從教學(xué)要求出發(fā)，著重于基本概念和基礎(chǔ)理論，并引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用理論解決材料工程中的實(shí)際問(wèn)題。該課程中材料學(xué)知識(shí)十分復(fù)雜，理論性強(qiáng)，涉及大量的名詞、概念等等，要求學(xué)生具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)基礎(chǔ)。而對(duì)于我校本科生而言，大多數(shù)同學(xué)數(shù)理化基礎(chǔ)比較薄弱且在學(xué)習(xí)該門課程之前并未系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過(guò)無(wú)機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等課程，因此在教學(xué)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一系列的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：第一，該課程的部分內(nèi)容理論性強(qiáng)且難度大，涉及大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程和復(fù)雜的文字解釋，使同學(xué)們難以理解和識(shí)記，因而易產(chǎn)生抵觸情緒，教學(xué)效果不理想。第二，在國(guó)內(nèi)大部分高校，包括我校，目前該課程的教學(xué)方式仍以板書與多媒體教學(xué)相結(jié)合的方式。這種教學(xué)方式以文字、公式推導(dǎo)和曲線圖為主，圖片、視頻等影音資料很少，使得學(xué)生上課期間缺乏興趣，難以集中注意力；第三，該課程的考核模式以考試為主，且占比很大?？荚噧?nèi)容多以課本上的概念、定理以及理論計(jì)算為主，應(yīng)用類題目較少涉及，因而難以達(dá)到指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用已學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的教學(xué)目標(biāo)。第四，目前國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)發(fā)展更新迭代較快，新材料、新技術(shù)、新工藝層出不窮，書本上的內(nèi)容較為有限，在教學(xué)上應(yīng)用部分課時(shí)講授材料前沿發(fā)展方向及應(yīng)用，為學(xué)生就業(yè)及科研提供參考，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。第五，材料科學(xué)具有理論知識(shí)與應(yīng)用廣泛結(jié)合的性質(zhì)，在教學(xué)上，應(yīng)該適當(dāng)培育學(xué)生們的科研及實(shí)踐能力。因此，基于以上教學(xué)經(jīng)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合材料科學(xué)的特點(diǎn)，本文將以“夯實(shí)基礎(chǔ)、注重應(yīng)用”為指導(dǎo)，探索該課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核模式等方面上的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2課程教學(xué)的改革措施
2.1夯實(shí)理論基礎(chǔ)
材料科學(xué)基礎(chǔ)涵蓋較多的基礎(chǔ)概念，這些概念與科學(xué)研究及實(shí)際應(yīng)用都有深刻的聯(lián)系。基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度對(duì)于學(xué)習(xí)材料科學(xué)非常重要。無(wú)論是前沿研究還是基礎(chǔ)應(yīng)用，都需要有扎實(shí)的基本功。如利用高分辨透射電子顯微鏡研究材料結(jié)構(gòu)時(shí)，需要掌握材料中原子排列的相關(guān)知識(shí)，包括晶面指數(shù)、倒易空間等；針對(duì)材料的拉伸或壓縮過(guò)程，需要掌握材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度。同時(shí)，相關(guān)概念不僅僅只用于某一個(gè)領(lǐng)域，如關(guān)于材料結(jié)構(gòu)，即可用于分析材料的相變，又可用于分析二維材料的電磁性能。原子的擴(kuò)散，即可用于研究金屬的熱處理，又可用于研究鋰離子電池。材料科學(xué)基礎(chǔ)的相關(guān)概念復(fù)雜難懂，且課時(shí)有限，教師在授課時(shí)應(yīng)將相關(guān)概念的背景、定義及應(yīng)用講清講透，確保學(xué)生理解和掌握，積累扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)。
2.2培養(yǎng)實(shí)踐能力
材料科學(xué)基礎(chǔ)是一門理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)科。其中，相關(guān)內(nèi)容是從實(shí)踐的基礎(chǔ)上總結(jié)提煉得到的，如材料的相變，相圖的制作是根據(jù)各個(gè)成分及溫度下，進(jìn)行熱處理得到的結(jié)果。本科生僅僅學(xué)習(xí)書本上的內(nèi)容，很難建立起直觀的認(rèn)識(shí)。在課程學(xué)習(xí)初期，教師應(yīng)將材料科學(xué)基礎(chǔ)的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合、抽象概念與具體圖像相結(jié)合，以直觀性的事物或圖像引導(dǎo)學(xué)生對(duì)抽象性的理論進(jìn)行掌握。如在學(xué)習(xí)晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，可用實(shí)物模型展示晶體的FCC、BCC等結(jié)構(gòu)。在講解原子擴(kuò)散時(shí)，提示學(xué)生通過(guò)想象構(gòu)建原子在材料中運(yùn)動(dòng)的圖像。
同時(shí)，為使學(xué)生更加全面的理解所學(xué)內(nèi)容，建議學(xué)校開設(shè)一定學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課程，如材料的熱處理過(guò)程、材料的力學(xué)性能、材料的微觀結(jié)構(gòu)等等。使得在提升運(yùn)用理論知識(shí)分析解決實(shí)際問(wèn)題能力的同時(shí)，進(jìn)一步鞏固自己的知識(shí)體系。此外，本學(xué)院的教師均有科研經(jīng)歷，研究方向各有側(cè)重，如計(jì)算材料學(xué)、太陽(yáng)能電池，催化、二維材料等等，有豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷及理論知識(shí)。因此可以鼓勵(lì)學(xué)生在課外時(shí)間積極參與到教師的相關(guān)課題研究中，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合所學(xué)內(nèi)容加以分析，進(jìn)一步加深對(duì)知識(shí)的理解與應(yīng)用。
2.3豐富教學(xué)方法
首先，科學(xué)合理控制每課時(shí)授課量。確保知識(shí)點(diǎn)高質(zhì)量的被學(xué)生吸收，而非對(duì)學(xué)生進(jìn)行數(shù)量上的灌輸。其次，調(diào)節(jié)授課內(nèi)容的輸出速率。通過(guò)板書、調(diào)節(jié)語(yǔ)速等方式，在難點(diǎn)、重點(diǎn)如材料中的缺陷、擴(kuò)散等知識(shí)點(diǎn)上講懂講透，使學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容充分吸納和梳理。再者，利用多種方法將相關(guān)概念實(shí)物化、圖像化。在學(xué)習(xí)材料的結(jié)構(gòu)時(shí)，可以通過(guò)硬球模型展示材料中FCC，BCC等簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)。在學(xué)習(xí)材料的力學(xué)性能時(shí)，可以利用多媒體技術(shù)，展示材料在受到壓縮或拉伸時(shí)的變形過(guò)程。此外，利用現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)。利用微信、QQ等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立課堂內(nèi)容學(xué)習(xí)交流群，以便及時(shí)上傳教學(xué)內(nèi)容、作業(yè)，分享參考書目，解決問(wèn)題等。讓學(xué)生充分利用課余時(shí)間主動(dòng)學(xué)習(xí)，及時(shí)解決遇到的問(wèn)題，進(jìn)一步提高授課效率。
2.4把握學(xué)科前沿
近幾年，材料科學(xué)發(fā)展日新月異，前沿?zé)狳c(diǎn)難點(diǎn)時(shí)常更新，新材料、新技術(shù)、新工藝層出不窮。然而書本上的內(nèi)容較為有限，針對(duì)材料科學(xué)的前沿進(jìn)展，在課堂教學(xué)時(shí)應(yīng)設(shè)置部分學(xué)時(shí)介紹材料科學(xué)相關(guān)進(jìn)展，講授基礎(chǔ)知識(shí)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，為學(xué)生就業(yè)及科研提供參考。結(jié)合現(xiàn)有條件，可以邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域教師來(lái)校開展專題知識(shí)講座，講解本領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、前沿進(jìn)展。授課教師也可以利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立微信群或者微信公眾號(hào)，向?qū)W生推送材料領(lǐng)域最新的成果，文獻(xiàn)或者方法等等，營(yíng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)材料領(lǐng)域的興趣。
2.5完善考核方式
目前，對(duì)于材料科學(xué)基礎(chǔ)的評(píng)分方法，總成績(jī)中期末成績(jī)占到70%，平時(shí)成績(jī)占30%，其中在平時(shí)成績(jī)中平時(shí)作業(yè)占主要比例。由此可以看出最終成績(jī)主要取決于期末考試的成績(jī)，而平時(shí)成績(jī)主要取決于平時(shí)作業(yè)。結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：①關(guān)于期末考試。僅僅只在期末考核一次，會(huì)造成學(xué)生在期末階段突擊學(xué)習(xí)，而忽視了平時(shí)的積累；②關(guān)于平時(shí)成績(jī)。平時(shí)作業(yè)在總分中占據(jù)20%左右的比例。學(xué)生往往偏重平時(shí)作業(yè)，而忽視其他課堂表現(xiàn)。教師難以對(duì)每個(gè)學(xué)生的課堂表現(xiàn)作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)；③材料科學(xué)是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性較強(qiáng)的課程，在本課程的教學(xué)過(guò)程中缺乏相應(yīng)的實(shí)踐課程。因此難以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。鑒于以上因素，可以在材料科學(xué)基礎(chǔ)一課的成績(jī)?cè)u(píng)定制度上進(jìn)行如下改進(jìn)。
一是引入階段性考核。首先，建議在第9周前后增加一次期中考試。在檢驗(yàn)前期所學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并整改。將期中考試的成績(jī)按照一定比例納入到總成績(jī)中。在期末考試中，主要考核后期的學(xué)習(xí)內(nèi)容，前期的學(xué)習(xí)內(nèi)容也要有所涉及。其次，提高課堂表現(xiàn)的分值比例，建立周期性的課堂問(wèn)答方法，如按照學(xué)號(hào)讓學(xué)生參與教學(xué)環(huán)節(jié)，確保至學(xué)習(xí)結(jié)束時(shí)每人都有機(jī)會(huì)能參與到課堂教學(xué)。對(duì)于主動(dòng)提問(wèn)，經(jīng)常與教師討論問(wèn)題的學(xué)生給予較高的平時(shí)成績(jī)。
二是設(shè)立相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程，考核實(shí)踐能力。材料科學(xué)是一門注重實(shí)踐的課程，書本上的知識(shí)點(diǎn)最終要運(yùn)到到材料的實(shí)際性能、制備及應(yīng)用上。紙上得來(lái)終覺(jué)淺，通過(guò)實(shí)踐考核可以綜合考查學(xué)生對(duì)于材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。如通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法畫制Fe-C相圖及分析合金的力學(xué)性能等。在畫質(zhì)Fe-C相圖時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)對(duì)FeC合金進(jìn)行熱處理，得到不同成分下的合金相，并在顯微鏡下進(jìn)行觀察、分析合金相的形成過(guò)程。在分析合金的力學(xué)性能時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)如何對(duì)合金進(jìn)行拉伸或者壓縮，并繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線。進(jìn)一步掌握根據(jù)得到的曲線分析合金的塑性變形、彈性變形及屈服強(qiáng)度等。
課程體系
材料學(xué)是一門試驗(yàn)性科學(xué)，涵蓋金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料四個(gè)方向，材料科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生，畢業(yè)后主要從事材料制備與加工的科研與生產(chǎn)工作，材料的多樣性，各種材料制備、加工方法千差萬(wàn)別，材料工程問(wèn)題就顯得錯(cuò)綜復(fù)雜了，這就要求從這多種多樣的工程問(wèn)題中提煉出各種材料制備與加工的共同涉及基礎(chǔ)問(wèn)題，建立材料學(xué)學(xué)的平臺(tái)課程—材料工程基礎(chǔ)完整的知識(shí)體系。
“工程”是科學(xué)的某種應(yīng)用，通過(guò)這一應(yīng)用，使自然界的物質(zhì)和能源的特性能夠通過(guò)各種結(jié)構(gòu)、機(jī)器、產(chǎn)品、系統(tǒng)和過(guò)程，是以最短的時(shí)間和精而少的人力做出高效、可靠且對(duì)人類有用的東西。在現(xiàn)代社會(huì)中，“工程”一詞有廣義和狹義之分。就狹義而言，工程定義為“以某組設(shè)想的目標(biāo)為依據(jù)，應(yīng)用有關(guān)的科學(xué)知識(shí)和技術(shù)手段，通過(guò)一群人的有組織活動(dòng)將某個(gè)（或某些）現(xiàn)有實(shí)體（自然的或人造的）轉(zhuǎn)化為具有預(yù)期使用價(jià)值的人造產(chǎn)品過(guò)程”。就廣義而言，工程則定義為由一群人為達(dá)到某種目的，在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間周期內(nèi)進(jìn)行協(xié)作活動(dòng)的過(guò)程。又根據(jù)兩院院士師昌緒先生的定義：材料是人類制造生活和生產(chǎn)用的物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的物質(zhì)。顯然，材料工程屬狹義工程的范疇，材料工程應(yīng)為是有組織活動(dòng)將自然的或人造的物質(zhì)制造成生活和生產(chǎn)產(chǎn)品的活動(dòng)或過(guò)程。因此，從這個(gè)定義出發(fā)，凡是材料制備過(guò)程中所涉及技術(shù)和方法問(wèn)題都屬材料工程問(wèn)題包括原材料的輸送、原材料精制、合成、產(chǎn)品精制、后加工、包裝、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)工序原理以及為完成上述工序的一些配套工序如生產(chǎn)過(guò)程中的傳熱問(wèn)題、三廢處理問(wèn)題。由于材料的多樣性，各種材料制備、加工方法千差萬(wàn)別，材料工程問(wèn)題就顯得內(nèi)容龐大、錯(cuò)綜復(fù)雜了，避開各種材料的制備的特殊工藝問(wèn)題，各種材料在制備過(guò)程中所涉及的共同的基本原理應(yīng)成為材料工程課程中的基本問(wèn)題。我們以自編《材料工程基礎(chǔ)》為教學(xué)的教材，教授物質(zhì)輸送原理及設(shè)備、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞，并對(duì)質(zhì)量衡算、能量衡算、經(jīng)濟(jì)衡算做簡(jiǎn)單介紹。
教學(xué)手段
課程改革的目的是提高教學(xué)質(zhì)量，提高教學(xué)質(zhì)量是通過(guò)一定的教學(xué)手段得以實(shí)現(xiàn)的。材料工程基礎(chǔ)的教學(xué)擬采取小班教學(xué)的方式，除在知識(shí)點(diǎn)的傳授方面如基本公式的推導(dǎo)、理論的講解仍采用傳統(tǒng)的以教師授課為主方式外，在課堂教學(xué)中還采用一下的教學(xué)手段。
1 多媒體課件
當(dāng)今的學(xué)生，從校門到校門，多數(shù)學(xué)生既沒(méi)有生活經(jīng)驗(yàn)，更無(wú)工程概念，要學(xué)好材料工程基礎(chǔ)這一工程類課程，老實(shí)說(shuō)，有一定的難度，充分利用現(xiàn)代化教學(xué)手段進(jìn)行教學(xué)，制作了多媒體課件，模擬實(shí)際生產(chǎn)工藝和流程，使抽象的概念具體化，復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，繁瑣的內(nèi)容精煉化，實(shí)際問(wèn)題形象化，為學(xué)生生動(dòng)形象的理解生產(chǎn)原理和過(guò)程起了重要的作用。
2 討論式教學(xué)及設(shè)計(jì)演練
課堂設(shè)置討論課，引導(dǎo)學(xué)生探究各種材料制備過(guò)程中所共性問(wèn)題，生產(chǎn)過(guò)程技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)問(wèn)題，分層次布置工程設(shè)計(jì)任務(wù)，使學(xué)生能全面思考工程問(wèn)題。例如在傳熱部分，進(jìn)行板式換熱器的設(shè)計(jì)；在傳質(zhì)的幾個(gè)章節(jié)中，吸收部分設(shè)計(jì)煤氣中苯類物質(zhì)吸收工藝流程；精餾章節(jié)中，進(jìn)行年產(chǎn)8000噸乙醇板式精餾塔工藝設(shè)計(jì)等。使學(xué)生初步了解設(shè)計(jì)程序與步驟：設(shè)計(jì)任務(wù)下達(dá)后，通過(guò)資料的收集，流程選擇，基本計(jì)算，確定工藝路線，確定生產(chǎn)設(shè)備大小，進(jìn)行設(shè)備平面布置，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。
3 雙語(yǔ)教學(xué)
隨著全球一體化進(jìn)程的加速，在國(guó)際交流日夜頻繁的今天，語(yǔ)言顯得尤為重要。采用原版教材，雙語(yǔ)教學(xué)無(wú)疑能使學(xué)生掌握原汁原味的英語(yǔ)，為其日后的交流掃清障礙。更重要的是可以拓寬學(xué)生的國(guó)際視野、國(guó)際交流能力和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，同時(shí)可以吸引更多的留學(xué)生優(yōu)質(zhì)生源，提高國(guó)際化辦學(xué)能力。
能力培養(yǎng)
在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，全民都面臨同樣的信息平臺(tái)，甚至我們的學(xué)生比教師有更好的計(jì)算機(jī)能力，輕點(diǎn)鼠標(biāo)就可能獲得一門學(xué)科的基礎(chǔ)理論。這就給我們提出新的問(wèn)題和面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，專業(yè)課我們應(yīng)該教學(xué)生什么以及如何教，培養(yǎng)學(xué)生那些能力。首先是收集信息的能力，現(xiàn)代社會(huì)是信息時(shí)代，大量信息資源都可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享，除此之外，還有大量的數(shù)據(jù)庫(kù)可以利用，掌握了信息資源，就是掌握了該學(xué)科的發(fā)展前沿。然后是自主學(xué)習(xí)能力，收集到信息，怎樣才能轉(zhuǎn)化為自己的知識(shí)，建立自己的知識(shí)體系這就需要培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)創(chuàng)新的科學(xué)思維與人格以及為科學(xué)獻(xiàn)身的精神和健康向上的學(xué)習(xí)精神；接下來(lái)是合作精神，隨著社會(huì)分工的越來(lái)越細(xì)，完成一個(gè)工程問(wèn)題往往是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要多方面人員的相互合作，因此合作能力就顯得十分重要了，在教學(xué)中，有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生分工合作是教育的一個(gè)重要組成部分，對(duì)本門課而言可以采用分組進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，同組同學(xué)之間分工協(xié)作，共同完成一個(gè)課題，已達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生合作能力的目的。
評(píng)估體系
理論考試不在作為學(xué)業(yè)成績(jī)的唯一標(biāo)準(zhǔn)，可以從多層面進(jìn)行評(píng)價(jià)如理論考試成績(jī)、課程設(shè)計(jì)成績(jī)、課堂討論成績(jī)、平時(shí)作業(yè)成績(jī)等。
結(jié)論
材料工程基礎(chǔ)課程改革是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要執(zhí)行者有強(qiáng)烈的社會(huì)責(zé)任感，從課程的內(nèi)容體系、教學(xué)手段、能力培養(yǎng)目標(biāo)，評(píng)價(jià)體系進(jìn)行研究和探索，真正實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)合格人才的教育目標(biāo)。
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“材料科學(xué)基礎(chǔ)”是材料科學(xué)與工程學(xué)科的主干課程之一,國(guó)內(nèi)大多數(shù)院校都把該課程當(dāng)作研究生入學(xué)考試課程。
對(duì)于這樣一門專業(yè)性很強(qiáng)的課程,教學(xué)改革一般是積極吸收學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的新知識(shí)、新理論,使學(xué)生學(xué)到更加前沿的知識(shí)。我在此基礎(chǔ)上,另辟蹊徑,挖掘、提煉該課程中蘊(yùn)涵的豐富哲學(xué)知識(shí),從而使學(xué)生在專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的同時(shí),還感受到哲學(xué)思想與哲學(xué)方法的魅力,將自然科學(xué)范疇的材料專業(yè)知識(shí)與人文科學(xué)范疇的哲學(xué)知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。
一、哲學(xué)教學(xué)的困惑
從知識(shí)學(xué)習(xí)的角度講,本科生需要更加高深的專業(yè)知識(shí)和更為寬廣的學(xué)術(shù)視野。因此,本科教學(xué)的一般思路是加深、加寬專業(yè)知識(shí)。加深知識(shí)靠更為高深的專業(yè)理論,而拓寬知識(shí)則必須吸收最新的科技成果。
如果站在高于知識(shí)的思想與方法的角度上,則僅限于專業(yè)知識(shí)范疇是不夠的,還必須讓學(xué)生具備一定的哲學(xué)思想,掌握一定的哲學(xué)方法,從而應(yīng)對(duì)專業(yè)以外的事物。因?yàn)樵诋?dāng)今社會(huì),純粹專業(yè)內(nèi)部的事物是極少的,科學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)踐往往涉及其他學(xué)科的知識(shí),往往需要處理人際事物。因此,從最高層面的哲學(xué)入手,來(lái)強(qiáng)化學(xué)生的素質(zhì)非常必要。
然而,當(dāng)我們把教育的視野延伸到哲學(xué)的高度時(shí),就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)令人困惑的難題,即哲學(xué)的巨大作用與這種作用很難實(shí)現(xiàn)之間的矛盾。也就是說(shuō),雖然哲學(xué)是人類知識(shí)形態(tài)的極致,但由于哲學(xué)非常抽象,因此教學(xué)難度非常大。不難看出,理工科中的哲學(xué)教學(xué),既有巨大需求,又難以操作。
應(yīng)該指出,目前理工科開設(shè)的“科學(xué)技術(shù)哲學(xué)”選修課程,是這方面的一種積極嘗試,該課程對(duì)于學(xué)生的哲學(xué)素養(yǎng)的提高確實(shí)起到了一定的作用。盡管如此,無(wú)論是從學(xué)時(shí)數(shù)還是從教學(xué)效果看,僅僅一門課程還難以起到太大的作用。同時(shí),理工科學(xué)生趨于定型的學(xué)習(xí)習(xí)慣,也制約了該課程功效的發(fā)揮。例如,有些學(xué)生對(duì)于“科學(xué)技術(shù)哲學(xué)”不感興趣,有些則難以適應(yīng)這類文科課程的教學(xué)方法。
凡此種種,都說(shuō)明理工科哲學(xué)教學(xué)中所面臨的窘境。因此,要想突破這種狀況,我們就必須轉(zhuǎn)變觀念,另辟蹊徑,從而找到一條更加適合理工科的哲學(xué)教學(xué)之道。
二、“材料科學(xué)基礎(chǔ)”哲學(xué)概念的提煉
課程的教學(xué)基礎(chǔ)是知識(shí)的生成,沒(méi)有知識(shí)課程就無(wú)法生存。但是,要想在理工科專業(yè)課中實(shí)施哲學(xué)教學(xué),僅僅有專業(yè)知識(shí)是不夠的,還必須把這些專業(yè)知識(shí)背后的哲學(xué)概念、方法提煉出來(lái)。下面以實(shí)例的方式展示理工科課程中哲學(xué)知識(shí)的提煉過(guò)程與結(jié)果,歸納提煉的方法。
1.牛頓第二定律的哲學(xué)意義。
牛頓第二定律本不屬于“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程范疇。之所以拿它作為例子,是因?yàn)樵摱墒亲匀豢茖W(xué)的經(jīng)典,所以人人都能夠理解。而直接選用“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程中的例子,由于專業(yè)性很強(qiáng),讀者不易理解。
牛頓第二定律為f=ma,換一種表述形式就是a=f/m。根據(jù)語(yǔ)義流源理論,可以把屬于物理學(xué)的專有概念轉(zhuǎn)化為哲學(xué)表述。例如,f是外力,這是一種物理表述,但根據(jù)語(yǔ)義流源,外力退化為外界作用;m是質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量,它也可以表述為事物的內(nèi)在屬性,因?yàn)橘|(zhì)點(diǎn)說(shuō)到底還是一種事物,而質(zhì)量是用來(lái)描述質(zhì)點(diǎn)屬性的;a是質(zhì)點(diǎn)加速度,它退化為事物的行為;“二”退化為關(guān)聯(lián),因?yàn)椤岸辈贿^(guò)是關(guān)系(關(guān)聯(lián))的一種特殊形式。
在完成了上述轉(zhuǎn)換之后,牛頓第二定律就有了哲學(xué)意味,其新的表述為:事物的行為既與其內(nèi)在屬性有關(guān),又與外界對(duì)于該事物的作用有關(guān)[1]。不難看出,這是一個(gè)典型的哲學(xué)規(guī)律,潘懋元先生提出的高等教育內(nèi)外部關(guān)系規(guī)律,恰好是這一哲學(xué)規(guī)律在教育中的體現(xiàn)。換言之,自然科學(xué)的牛頓第二定律與教育學(xué)的高等教育內(nèi)外部關(guān)系規(guī)律,具有哲學(xué)意義的統(tǒng)一性。
2.“材料科學(xué)基礎(chǔ)”中的哲學(xué)概念。
牛頓第二定律的哲學(xué)抽象不僅展示了一條哲學(xué)規(guī)律,而且展示了抽象過(guò)程的一般方法。按照這一方法,就可以處理“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程中的相關(guān)知識(shí),以使它們上升到哲學(xué)的高度。同時(shí),由于基本的提煉方法在牛頓第二定律中已經(jīng)展示,因此在下面的例子中更多地介紹過(guò)程與結(jié)果,以避免過(guò)多的專業(yè)介紹帶來(lái)理解困難。
(1)晶體缺陷
它是材料學(xué)科中一個(gè)極為重要的概念,表示晶體中不但存在缺陷,而且缺陷有可能以平衡的方式存在。
從哲學(xué)的角度看,缺陷無(wú)非是一種新的物質(zhì)存在方式。換言之,缺陷造成了物質(zhì)存在的多樣性,而多樣性概念就屬于哲學(xué)范疇了。因此,材料缺陷的哲學(xué)抽象就是:事物以多樣性的方式存在,優(yōu)于單一的存在方式。這個(gè)規(guī)律在自然界與社會(huì)領(lǐng)域都是顛撲不破的真理。
(2)凝固(相變)過(guò)程
在材料的凝固過(guò)程中,形核理論至關(guān)重要。該理論的基本預(yù)設(shè)是,在原來(lái)的液相中產(chǎn)生具有固相結(jié)構(gòu)的小核心,且它們隨機(jī)出現(xiàn)、時(shí)聚時(shí)散。一旦過(guò)冷度足夠大,這些小核心就能長(zhǎng)大,直至完全凝固。
從哲學(xué)的角度看,凝固形核現(xiàn)象是舊事物中存在新事物的范例。存在于舊事物中的新事物盡管是不穩(wěn)定的,但它包含了新事物的“基因”,且一旦環(huán)境條件適合,這些“弱小稚嫩”的新事物就能由小到大、由弱變強(qiáng),直至完全取代舊事物。
(3)界面平衡偏析
這個(gè)材料概念可以用來(lái)展示哲學(xué)認(rèn)識(shí)論的一般程序,也就是邏輯學(xué)中的屬+種差理論。一般來(lái)說(shuō),一個(gè)新概念總是由幾個(gè)舊概念組合而成。在組成新概念的舊概念中,必有一個(gè)是基本的,而其他是從屬的。例如,知識(shí)經(jīng)濟(jì)概念中,經(jīng)濟(jì)是基本的,而知識(shí)是從屬的。邏輯學(xué)把這種處于基礎(chǔ)地位的概念稱為屬,從屬概念稱為種差[2]。
以界面平衡偏析為例,最基本的屬就是偏析這一概念,而平衡是從屬概念。因此,平衡偏析概念的根本意義由偏析決定,它意味著成分的(空間)差異,平衡偏析無(wú)非是說(shuō)這種成分差異處于熱力學(xué)穩(wěn)定的狀態(tài),因此稱為平衡。當(dāng)我們建立了平衡偏析概念之后,它就成了新的起點(diǎn),即新的屬,而相對(duì)于這個(gè)屬,界面就是種差。因此,界面平衡偏析就是:與界面有關(guān)的平衡偏析。換言之,界面平衡偏析=界面(種差)+平衡偏析(屬)。
不難看出,盡管界面平衡偏析概念本身沒(méi)有演繹出什么哲學(xué)意味的東西,但對(duì)于它的認(rèn)識(shí)卻能從方法的角度上升到邏輯學(xué)的層次,從而具有哲學(xué)意義的普遍性。
(4)規(guī)則溶液自由能表達(dá)式
在二元合金固溶體的自由能表達(dá)式中,學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)并不在表達(dá)式的數(shù)學(xué)形式。教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),他們產(chǎn)生模糊認(rèn)識(shí)的根源在于:該表達(dá)式說(shuō)的是誰(shuí)。
按著德國(guó)哲學(xué)家弗雷格的指稱理論[3],一個(gè)事物的認(rèn)識(shí)與三個(gè)要素密不可分,即事物的名稱、事物的內(nèi)涵和事物的所指,其中名稱與內(nèi)涵很容易理解,而事物的所指(這是一個(gè)哲學(xué)專有名詞)是需要進(jìn)一步說(shuō)明的。按理說(shuō),認(rèn)識(shí)過(guò)程涉及所指應(yīng)該是常識(shí),如黃山,它有名稱(就是黃山),有內(nèi)涵(如險(xiǎn)峻、秀美等),還有就是作為物質(zhì)存在的那些花崗巖構(gòu)成的山巒。因此,所指就是指向物質(zhì)存在的,因此理解起來(lái)似乎并不難。但是,當(dāng)某個(gè)所需認(rèn)識(shí)的對(duì)象以抽象的、看不見的方式存在時(shí),所指就不像黃山那么清晰了。在初學(xué)的過(guò)程中,所指往往被學(xué)生忽略,甚至是遺忘,而只記住三要素中的名稱與內(nèi)涵。這種所指認(rèn)識(shí)的缺失會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的問(wèn)題,如把對(duì)象搞混。不難看出,弗雷格的指稱理論有助于強(qiáng)化學(xué)生的認(rèn)識(shí)對(duì)象意識(shí),而這種意識(shí)的強(qiáng)化在面對(duì)數(shù)學(xué)公式具有特殊的價(jià)值。
(5)相變定義
根據(jù)馮端院士的定義[4],“相變”指:“在外界條件發(fā)生變化的過(guò)程中物相于某一特定條件下發(fā)生突變?！钡?相變的定義也可以簡(jiǎn)化為:凡是結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的過(guò)程都是相變。不難看出,與馮端院士的定義相比,新的相變定義粗略了很多。
如何看待這種由于簡(jiǎn)化而帶來(lái)的粗略,是一個(gè)超越材料專業(yè)的問(wèn)題,而知識(shí)范疇的超越本身就具有哲學(xué)的意味。顯然,這里涉及思想方法的問(wèn)題,對(duì)于不同思想方法的認(rèn)識(shí)與把握,恰恰是學(xué)生應(yīng)該努力的新方面。這個(gè)問(wèn)題的重心不在于孰是孰非的細(xì)節(jié)探討,而在于認(rèn)識(shí)效率等更高的層次范疇。換言之,細(xì)節(jié)的是非判斷轉(zhuǎn)向了效率考量,這種價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)向?qū)W(xué)生思維訓(xùn)練具有重要作用。
三、“材料科學(xué)基礎(chǔ)”哲學(xué)概念的教學(xué)意義
從上面的論述看出,在材料專業(yè)知識(shí)中提煉具有哲學(xué)意味的概念與方法并非難事,其中的關(guān)鍵是思想觀念的轉(zhuǎn)換,具體就是從單純專業(yè)視野拓展到更為寬廣的哲學(xué)領(lǐng)域。站在哲學(xué)的高度重新看待“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué),它有了新的意義和價(jià)值。
1.豐富了教學(xué)內(nèi)容,深化了專業(yè)知識(shí)。
到目前為止,理工科專業(yè)課改革的思路重點(diǎn)在更新教學(xué)內(nèi)容,具體方法是積極吸收新專業(yè)知識(shí),反映學(xué)科的新發(fā)展。不難看出,這種改革的視野仍然局限在專業(yè)、學(xué)科的范疇之內(nèi)。
因此,本文給出的哲學(xué)概念提煉的思路,是一種新的嘗試。按著這樣的思路,教學(xué)內(nèi)容同樣得以豐富。同時(shí),還可以深化課程的內(nèi)容,如上面列舉的弗雷格指稱理論,屬種+差的認(rèn)識(shí)理論,都具有很高的認(rèn)知難度,這些哲學(xué)概念的學(xué)習(xí)會(huì)極大地深化課程內(nèi)容。
2.建立了理解的新維度。
就本科生學(xué)習(xí)而言,理解的重要性遠(yuǎn)大于高中生。從某種意義上講,理解是本科生學(xué)習(xí)的生命,而高中生的學(xué)習(xí)還帶有相當(dāng)成分的記憶因素。因此,深化理解就成了本科生學(xué)習(xí)的當(dāng)務(wù)之急。
但是,深入剖析理解概念會(huì)發(fā)現(xiàn),理工科學(xué)生的理解視野是不夠?qū)拸V的,他們的理解維度主要集中在以下幾個(gè)方面。首先是事實(shí)和自然科學(xué)定律,這是理解不可或缺的維度;其次是簡(jiǎn)單邏輯,因?yàn)槔斫獾倪^(guò)程往往是邏輯推理過(guò)程;最后就是數(shù)理方法,因?yàn)槔砉た浦写罅康闹R(shí)是建筑在數(shù)理基礎(chǔ)上的。但是,僅僅把理解的視野向這些方面展開是不夠的,因?yàn)檫@些維度的綜合也不具備超越的功能和開拓創(chuàng)新的意味。因此,有必要把理解的維度進(jìn)一步向哲學(xué)、方法論的層次展開,以便提高學(xué)生的理解水平,進(jìn)而提高他們的思維能力。
3.開拓了通識(shí)教育的新視野。
在本科教學(xué)中,通識(shí)教育盡管非常重要,但它的實(shí)際操作卻一直令人困擾。其中的重要問(wèn)題是不同門類的知識(shí)各行其是,結(jié)果是多而不通。本文提出的理工科知識(shí)的哲學(xué)提煉與教學(xué),為解決這一問(wèn)題的提供了新的思路,因?yàn)橥ㄗR(shí)教育的終極價(jià)值在于一個(gè)“通”字,即融會(huì)貫通。但由于不同學(xué)科之間的天然差異,因此直接貫通是不可能的。但是,如果使不同學(xué)科的知識(shí)都升華為哲學(xué)概念,則在哲學(xué)層面就能實(shí)現(xiàn)貫通。
參考文獻(xiàn):
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材料化學(xué);緒論課;教學(xué)設(shè)計(jì)
材料化學(xué)是材料科學(xué)與化學(xué)的交叉學(xué)科，伴隨著材料科學(xué)的發(fā)展而誕生和成長(zhǎng)，即是材料科學(xué)的重要部分，又是化學(xué)學(xué)科的一個(gè)分支［1］。目前，很多高等學(xué)校的化學(xué)和材料類專業(yè)開設(shè)了《材料化學(xué)》這門課程?！恫牧匣瘜W(xué)》是南陽(yáng)師范學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，分析和解決材料制備和應(yīng)用中的化學(xué)問(wèn)題的能力起到了關(guān)鍵作用。但是該課程涉及的知識(shí)面廣泛，內(nèi)容龐雜、概念甚多、加上課程改革，理論課時(shí)數(shù)減小，學(xué)生在學(xué)習(xí)《材料化學(xué)》課程過(guò)程中，普遍存在概念混淆、重點(diǎn)難以掌握等問(wèn)題。緒論是一門課程的開場(chǎng)白和宣言書，是師生之間學(xué)習(xí)和交流的起始點(diǎn)，能為學(xué)生建立起一門課程的知識(shí)輪廓。通過(guò)對(duì)緒論進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解課程在所學(xué)專業(yè)中所處的地位和作用，以及該課程的教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法和考核方式等問(wèn)題［2］。如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，提高課程的教學(xué)質(zhì)量，緒論課在整個(gè)課程教學(xué)中有著舉足輕重的地位。結(jié)合近年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐，就如何講好《材料化學(xué)》緒論課談一些心得。
1首先明確課程性質(zhì)、特點(diǎn)及地位
教學(xué)之初，首先明確該課程作為專業(yè)核心課程的重要地位，是學(xué)習(xí)后面材料專業(yè)課程的基礎(chǔ)課程，同時(shí)明確考核方式，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)本課程的重視程度。材料化學(xué)是材料科學(xué)和化學(xué)學(xué)科的交叉學(xué)科，課程內(nèi)容既涉及工程材料應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題，又包括材料結(jié)構(gòu)及制備中的化學(xué)問(wèn)題。作為一門交叉學(xué)科，很多知識(shí)點(diǎn)與材料學(xué)和化學(xué)課程中的相關(guān)內(nèi)容重復(fù)，很多學(xué)生以為學(xué)過(guò)相關(guān)知識(shí)，就會(huì)從思想上松懈。然而，相關(guān)知識(shí)點(diǎn)雖然出現(xiàn)重復(fù)，但在不同學(xué)科中講授的重點(diǎn)是不同的。在講授材料化學(xué)課程的過(guò)程中，要著重培養(yǎng)學(xué)生利用化學(xué)的思維解決材料科學(xué)中的問(wèn)題，使學(xué)生深刻領(lǐng)會(huì)化學(xué)與材料科學(xué)交叉的重要意義。通過(guò)一些實(shí)例，講解本課程與化學(xué)和材料相關(guān)課程的區(qū)別和聯(lián)系，使學(xué)生更加深入了本課程的性質(zhì)和地位。材料科學(xué)是偏實(shí)際應(yīng)用的工科課程，化學(xué)是偏理論的理科課程，材料化學(xué)則是利用化學(xué)的理論解決材料應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題。
2材料
以材料的實(shí)際應(yīng)用為引子，如材料在航天航空、交通運(yùn)輸、電子信息、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生回想什么是材料?材料的種類?提出材料是對(duì)人類有用的物質(zhì)，是人類賴以生存和發(fā)展，征服自然和改造自然的物質(zhì)基礎(chǔ);是人類進(jìn)步的里程碑。然后介紹材料的發(fā)展歷史，說(shuō)明人們對(duì)材料的使用，是從最早的天然材料，依次經(jīng)歷了陶瓷、青銅、鐵、鋼、有色金屬、高分子材料以及新型功能材料。根據(jù)材料的發(fā)展史，啟發(fā)學(xué)生思考材料研究和發(fā)展過(guò)程中的規(guī)律和特點(diǎn)。人們對(duì)材料的使用經(jīng)歷了從天然材料到合成材料，從傳統(tǒng)材料到新興材料。傳統(tǒng)的材料主要以經(jīng)驗(yàn)，技藝為基礎(chǔ)，材料靠配方篩選和性能測(cè)試，通過(guò)宏觀現(xiàn)象建立的唯象理論對(duì)材料宏觀性能定性解釋，不能預(yù)示性能和指明新材料開發(fā)方向，而新型材料則以基礎(chǔ)理論為指導(dǎo)。材料科學(xué)的歷史表明，當(dāng)一種全新的材料在原子或分子水平上合成后真正巨大的進(jìn)展就常常隨之而來(lái)?；瘜W(xué)的發(fā)展往往導(dǎo)致材料技術(shù)的實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。在新材料的研發(fā)和材料工藝的發(fā)展中，化學(xué)一直擔(dān)當(dāng)著關(guān)鍵的角色［3］。任何新材料的獲得都離不開化學(xué)，以石墨烯為例，物理學(xué)家主要關(guān)注其電子結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)理論，材料學(xué)家主要測(cè)試材料的電磁、光電、傳感和催化等性能，而化學(xué)家的任務(wù)則是利用化學(xué)氣相沉積和插層剝離等方法制備該材料。只有通過(guò)化學(xué)氣相沉積法制備出高質(zhì)量大尺寸的石墨烯，才能推動(dòng)石墨烯在電子信息領(lǐng)域走向?qū)嵱没?/p>
3材料與化學(xué)
材料化學(xué)是材料科學(xué)與化學(xué)學(xué)科的交叉，很多學(xué)生容易混淆材料科學(xué)和化學(xué)的研究范疇。在本課程的第一節(jié)課，一項(xiàng)重要的任務(wù)是使學(xué)生明確材料科學(xué)和化學(xué)的研究?jī)?nèi)容和范疇，這對(duì)于后續(xù)相關(guān)概念的講解至關(guān)重要。材料科學(xué)的研究對(duì)象是材料，材料是對(duì)人類有用的物質(zhì)，指的是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。而化學(xué)的研究對(duì)象是物質(zhì)，物質(zhì)是構(gòu)成人類物質(zhì)世界的基礎(chǔ)。材料是物質(zhì)，但不是所有物質(zhì)都可以稱為材料;材料科學(xué)是一門研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝與材料性能及應(yīng)用之間相互關(guān)系的科學(xué);而化學(xué)則是從原子和分子角度研究物質(zhì)的組成，結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及相互轉(zhuǎn)變規(guī)律的科學(xué)。因此，化學(xué)研究的尺度范圍是原子、分子、分子納米聚集體。材料科學(xué)最早研究的尺度范圍在微米以上，如鋼和陶瓷的組織結(jié)構(gòu)。隨著一些新興材料的出現(xiàn)和發(fā)展，人們對(duì)材料的研究甚至小到電子結(jié)構(gòu)。如近些年發(fā)現(xiàn)的拓?fù)浣^緣體，其表面導(dǎo)電，體內(nèi)不導(dǎo)電的性質(zhì)由其拓?fù)涞哪軒ЫY(jié)構(gòu)決定，而該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則與電子的自旋運(yùn)動(dòng)有關(guān)，研究拓?fù)浣^緣體必須從電子自旋角度認(rèn)識(shí)其結(jié)構(gòu)。因此，材料科學(xué)的研究范疇不斷拓展，并于其它學(xué)科交叉。
4材料化學(xué)
通過(guò)學(xué)習(xí)材料的發(fā)展歷程、材料科學(xué)與化學(xué)之間的區(qū)別和聯(lián)系，學(xué)生已經(jīng)對(duì)材料化學(xué)有了一定的認(rèn)識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生給材料化學(xué)下一個(gè)定義。材料化學(xué)是關(guān)于材料結(jié)構(gòu)、制備、性能和應(yīng)用的化學(xué)。本校材料化學(xué)專業(yè)選用曾兆華、楊建文編著第二版《材料化學(xué)》作為教材，教材的章節(jié)也是按照材料結(jié)構(gòu)、制備、性能和應(yīng)用進(jìn)行安排的［4］。在這部分內(nèi)容講授過(guò)程中，可以讓學(xué)生以教材目錄為參照，講到相關(guān)內(nèi)容可以與教材相關(guān)章節(jié)進(jìn)行對(duì)應(yīng)。
4.1材料的結(jié)構(gòu)
從三個(gè)層次講解材料的結(jié)構(gòu)，分別是電子原子結(jié)構(gòu)、晶體學(xué)結(jié)構(gòu)和組織結(jié)構(gòu)。電子原子結(jié)構(gòu)在很大程度上影響材料的電、磁、熱和光的行為，并可能影響到原子鍵合的方式，因而決定材料的類型。在這個(gè)層次上研究的化學(xué)問(wèn)題主要涉及原子序數(shù)、相對(duì)原子量、電離勢(shì)、電子親核勢(shì)、電負(fù)性、原子及離子半徑等。原子序數(shù)決定了材料的化學(xué)組成，電負(fù)性決定材料內(nèi)部原子之間的鍵合方式，從而影響材料的導(dǎo)電性、強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)等。晶體學(xué)結(jié)構(gòu)主要指原子或分子在空間排列的方式，根據(jù)原子排列的有序性，將材料分為晶體和非晶體。晶體中出現(xiàn)局部無(wú)序，或?qū)硐刖w的產(chǎn)生偏離，則出現(xiàn)缺陷。缺陷的存在影響材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能等。如在本征硅內(nèi)部摻雜磷元素，磷原子替代硅原子的位置，形成雜質(zhì)原子缺陷，增加本征硅的導(dǎo)電性，形成N型半導(dǎo)體。組織結(jié)構(gòu)主要指材料的物相組成及結(jié)構(gòu)、晶粒的大小和取向等。在大多數(shù)金屬、某些陶瓷以及個(gè)別聚合物材料內(nèi)部，晶粒之間原子排列的變化，可以改變它們之間的取向，從而影響材料的性能。一般來(lái)說(shuō)，減小金屬的晶?？梢越档推淙埸c(diǎn)。在這一結(jié)構(gòu)層次上，顆粒的大小和形狀起著關(guān)鍵作用。大多數(shù)材料是多相組成的，控制材料內(nèi)部物相的類型、大小、分布和數(shù)量可以調(diào)控材料的性能。
4.2材料制備
材料合成與制備就是將原子、分子聚集在一起，并轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏卯a(chǎn)品的一系列過(guò)程。材料制備的方法和工藝影響材料的結(jié)構(gòu)，從而影響材料的性能。根據(jù)制備原理的不同，材料制備方法可以分為物理法和化學(xué)法。物理法指在材料制備過(guò)程中，僅改變材料內(nèi)部原子或分子的聚集狀態(tài)，不涉及化學(xué)反應(yīng)的方法。如真空鍍膜、濺射鍍膜、脈沖激光沉積法等?；瘜W(xué)法則在材料制備過(guò)程中，涉及化學(xué)反應(yīng)，并且有新物質(zhì)的生成。如固相反應(yīng)法、有機(jī)合成法、水熱法、沉淀法、化學(xué)氣相沉積法等。以石墨烯材料為例講解材料的制備方法。石墨烯作為二維單原子層材料，既可以采用物理法制備，也可以采用化學(xué)法制備。2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯的報(bào)道，便是采用簡(jiǎn)單的膠帶對(duì)撕方法制備，該方法依靠外力使石墨片層克服層間范德華力，使層與層之間分離，從而獲得單層石墨，該方法也稱為物理機(jī)械剝離法。利用甲烷、乙烯等烴類氣體作為碳源，鎳、銅、金等金屬作為基片，采用化學(xué)氣相沉積法則可以制備高質(zhì)量大尺寸的石墨烯。另外，以石墨為原料，利用化學(xué)插層剝離的方法也可以用來(lái)制備石墨烯［5］。但不同方法制備獲得石墨烯的尺寸及性能差別較大，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域采用的石墨烯制備方法是不同的。
4.3材料性能
材料的性能由其結(jié)構(gòu)決定，與材料制備的工藝和方法有關(guān)。性能是指材料固有的物理、化學(xué)特性，材料性能決定了其應(yīng)用。廣義地說(shuō)，性能是材料在一定的條件下對(duì)外部作用的反應(yīng)的定量表述，例如力學(xué)性能是材料對(duì)外力的響應(yīng)、電學(xué)性能是對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)、光學(xué)性能是對(duì)光的響應(yīng)等。因此，材料的性能可分為力學(xué)性能和特殊的物理性能。常見的力學(xué)性能包括材料的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等。力學(xué)性能決定著材料工作的好壞，同時(shí)也決定著是否易于將材料加工成使用的形狀。鍛造成型的部件必須能夠經(jīng)受快速加載而不破壞，并且還要有足夠的延性才能加工變形成適用的形狀。微小的結(jié)構(gòu)變化往往對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響。材料特殊的物理性能包括電、磁、光、熱等行為。物理性能由材料的結(jié)構(gòu)和制造工藝決定。對(duì)于許多半導(dǎo)體金屬和陶瓷材料來(lái)說(shuō)，即使成分稍有變化，也會(huì)引起導(dǎo)電性很大變化。過(guò)高的加熱溫度有可能顯著地降低耐火磚的絕熱特性。少量的雜質(zhì)會(huì)改變玻璃或聚合物的顏色。
4.4材料應(yīng)用
材料化學(xué)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域，如電子信息、環(huán)境能源、生物醫(yī)藥和航天航空等領(lǐng)域。例如，在電子信息領(lǐng)域，現(xiàn)代芯片制造離不開化學(xué)。光刻過(guò)程使用的光刻膠和顯影液，鍍膜過(guò)程中的化學(xué)氣相沉積和原子層沉積，刻蝕過(guò)程中的反應(yīng)離子刻蝕，這些工藝過(guò)程都離不開化學(xué)的作用。在環(huán)境能源領(lǐng)域，新型光催化材料和太陽(yáng)能電池材料的研究和開發(fā)，離不開化學(xué)法制備材料和對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)摻雜改性。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，對(duì)傳感材料進(jìn)行化學(xué)改性提高其傳感特性，對(duì)仿生材料進(jìn)行表面改性可以提高其生物相容性。在航天航空領(lǐng)域，各種輕質(zhì)、耐高溫、耐摩擦等結(jié)構(gòu)材料和功能化智能材料的研發(fā)都離不開化學(xué)。
5結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)“材料化學(xué)”緒論課的精心設(shè)計(jì)，使學(xué)生明確了該課程的性質(zhì)和重要地位，大量的實(shí)例激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和求知欲，樹立了學(xué)生學(xué)好該課程的信心，為課程的深入學(xué)習(xí)起到了奠基石的作用。以“材料、材料與化學(xué)、材料化學(xué)”為主線進(jìn)行講授，使學(xué)生對(duì)本課程的內(nèi)容有了更加清晰和深入的認(rèn)識(shí)，取得了良好的教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn)
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［2］楊卓娟，楊曉東.關(guān)于高校課程緒論教學(xué)的思考［J］．中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2011(12):39－41.
［3］唐小真，楊宏秀，丁馬太.材料化學(xué)導(dǎo)論［M］．北京:高等教育出版社，1997.
中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2012）07-0058-02
一、材料物理專業(yè)簡(jiǎn)介
材料物理專業(yè)各高校定義不一，縱觀各大高校的描述，認(rèn)為南京郵電大學(xué)[1]描述比較全面：材料物理專業(yè)培養(yǎng)掌握材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論與技術(shù)，掌握現(xiàn)代材料科學(xué)研究方法，掌握材料性能與各層次微觀結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的基本規(guī)律，能從事各種材料應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究，傳統(tǒng)材料的性能改進(jìn)與新型材料開發(fā)與研制，材料的合理使用和材料的檢測(cè)分析等工作的高級(jí)專門人才。能在材料科學(xué)與工程和相關(guān)交叉學(xué)科領(lǐng)域從事科研、教學(xué)、產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)技術(shù)或管理工作的具有理科素質(zhì)及工科意識(shí)的理工復(fù)合型專門人才。本專業(yè)畢業(yè)生應(yīng)具有以下幾方面的能力和素質(zhì)：具備寬厚的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)，較好的計(jì)算機(jī)和電子科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)，人文社會(huì)科學(xué)基礎(chǔ)和外語(yǔ)綜合能力；系統(tǒng)掌握物理和材料物理基礎(chǔ)理論，基本實(shí)驗(yàn)方法和技能；本專業(yè)學(xué)生繼續(xù)深造的方向有材料學(xué)、材料物理與化學(xué)、材料加工工程、微電子學(xué)與固體電子學(xué)、凝聚態(tài)物理、物理電子學(xué)、光學(xué)和半導(dǎo)體物理學(xué)等。本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后可以在材料、能源、電子、信息等諸多領(lǐng)域和交叉學(xué)科從事教學(xué)、科研、開發(fā)、設(shè)計(jì)和管理工作。主要研究方向有：固體微結(jié)構(gòu)分析與信息功能材料，位移式相變與形狀記憶和超彈性材料，復(fù)合功能材料與智能結(jié)構(gòu)，生物醫(yī)學(xué)材料及應(yīng)用以及界面化學(xué)與功能陶瓷等。
二、材料物理人才培養(yǎng)的瓶頸
材料物理專業(yè)，一般屬于理學(xué)院或者材料工程學(xué)院下轄的專業(yè)之一，所涉及到的方面主要是材料的宏觀及微觀結(jié)構(gòu)，尤其是微觀結(jié)構(gòu)，材料的物理性能基本參數(shù)以及這些參數(shù)的物理本質(zhì)。畢業(yè)生可能面臨的另外一個(gè)問(wèn)題是，由于很多高校建立材料專業(yè)的背景不同，兼之材料科學(xué)作為專業(yè)名稱提出來(lái)，又不是很長(zhǎng)時(shí)間的事情，造成很多用人單位不了解這個(gè)專業(yè)的畢業(yè)生究竟是做什么的。這也是導(dǎo)致這幾年材料物理專業(yè)越來(lái)越多的畢業(yè)生畢業(yè)后待業(yè)的一個(gè)重要的原因。眾多的因素阻礙著材料物理學(xué)生的發(fā)展，但是最主要的還是學(xué)生的專業(yè)課程設(shè)置，不同的教學(xué)安排會(huì)培養(yǎng)出完全不同的學(xué)生，最終的結(jié)果也會(huì)大不相同。
三、材料物理人才培養(yǎng)的趨勢(shì)
材料物理專業(yè)是材料科學(xué)不可或缺的重要組成部分。猶如支撐萬(wàn)丈高樓的基石，材料支撐著人類文明。雖然材料物理專業(yè)目前遇到了很多的問(wèn)題，但是幸運(yùn)的是這些問(wèn)題被教育者意識(shí)到了，現(xiàn)在很多學(xué)者都在探討材料物理專業(yè)以后的培養(yǎng)模式和方向。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料正朝著微型化、功能化、智能化的方向發(fā)展。這也就意味著材料行業(yè)將迎來(lái)一次大的變革，相應(yīng)的材料產(chǎn)物也會(huì)隨著變化?，F(xiàn)在頗為流行的納米材料、環(huán)境材料、電子材料、信息材料，大部分都是材料的物理性能在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。社會(huì)對(duì)人才的要求是各大高校培養(yǎng)學(xué)生的一個(gè)重要依據(jù)，雖然各個(gè)學(xué)校有自己的特色，但是面對(duì)瞬息萬(wàn)變的局勢(shì)，各大高校還是打破框架，尋求發(fā)展。很多學(xué)校與時(shí)俱進(jìn)，將材料學(xué)的重心由傳統(tǒng)材料開始偏向于新型材料，如：納米材料、復(fù)合材料、環(huán)保材料、電子材料等。從目前來(lái)看，在短時(shí)間內(nèi)，各大高校的培養(yǎng)趨勢(shì)將會(huì)繼續(xù)朝著微型化、功能化、智能化材料方向發(fā)展，未來(lái)也會(huì)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，跟上前沿科技，不斷更新培養(yǎng)計(jì)劃，培養(yǎng)出21世紀(jì)綜合型的人才。
四、武漢科技大學(xué)材料物理專業(yè)簡(jiǎn)介
武漢科技大學(xué)理學(xué)院材料物理專業(yè)開辦于2001年，是一門材料學(xué)與物理學(xué)相交叉的學(xué)科，迄今已有6屆畢業(yè)生，材料物理專業(yè)在探索中發(fā)展。武漢科技大學(xué)材料物理專業(yè)培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)需要，具有遠(yuǎn)大理想和良好思想品德，具有較深厚的數(shù)學(xué)和物理學(xué)基礎(chǔ)，掌握材料科學(xué)基本理論和現(xiàn)代材料科學(xué)研究與測(cè)試的基本方法，能在科學(xué)研究、科技服務(wù)、教育、工業(yè)、事業(yè)、社會(huì)服務(wù)等方面從事材料及其相關(guān)領(lǐng)域的研究設(shè)計(jì)、性能檢測(cè)、技術(shù)開發(fā)、質(zhì)量管理等方面工作的應(yīng)用型高級(jí)專門人才。然而隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工程教育的擴(kuò)大，材料類專業(yè)教育進(jìn)行了改革。武漢科技大學(xué)材料物理專業(yè)自2004年以來(lái)，也對(duì)教學(xué)進(jìn)行了初步調(diào)整，但特色仍不明顯。2008年金融危機(jī)以來(lái)，大學(xué)生就業(yè)問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，材料物理專業(yè)的發(fā)展也因此面臨著新的挑戰(zhàn)，對(duì)未來(lái)科學(xué)和教育趨勢(shì)面臨著新的思考。武漢科技大學(xué)材料物理專業(yè)就業(yè)率有降低趨勢(shì)，加入鋼鐵相關(guān)企業(yè)的畢業(yè)生也逐年減少，選擇考研的同學(xué)占大多數(shù)。
五、材料物理專業(yè)課程設(shè)置的特點(diǎn)
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)多所名校的調(diào)研，給出了以下結(jié)論：名校的課程都由基礎(chǔ)課、專業(yè)課、必修課、選修課和實(shí)踐課組成。名校的課程設(shè)置都是緊密結(jié)合本校的特色，充分依托學(xué)校這個(gè)平臺(tái)，使專業(yè)的發(fā)展平臺(tái)更加寬廣同時(shí)有底氣。名校在設(shè)置課程的時(shí)候也會(huì)均衡各個(gè)學(xué)期學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生的接受程度，盡量做到循序漸進(jìn)，由淺入深，由易到難。所有的高校都步伐統(tǒng)一的把專業(yè)課放在了第五、第六和第七學(xué)期。但是調(diào)查表明學(xué)生并不希望太晚上專業(yè)課，特別是第七學(xué)期，大家都希望可以提前一些時(shí)間上專業(yè)課，使專業(yè)課上課時(shí)間同學(xué)生考研和找工作的時(shí)間分開。武漢科技大學(xué)材料物理專業(yè)的主要課程有普通物理、理論物理、固體物理、數(shù)學(xué)物理方法、物理化學(xué)、材料物理導(dǎo)論、材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料研究方法、材料合成與制備、普通物理實(shí)驗(yàn)、近代物理實(shí)驗(yàn)、材料物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)等。我校材料物理由于成立得比較晚，所以成立的時(shí)候大量的借鑒了其他高校的課程安排。雖然這樣的借鑒可以幫助我們少走彎路，但是過(guò)多的借鑒使我校的材料物理專業(yè)缺乏特色。我校的材料物理專業(yè)的基礎(chǔ)課就是一些最基本的知識(shí)，我有人有，人有我無(wú)。不過(guò)有一點(diǎn)也是值得欣慰的，就是我們的物理基礎(chǔ)比較牢靠。我們的專業(yè)選修課雖然很多，但是不受重視，安排的時(shí)間太晚。我們的專業(yè)課比較少，而且都是些入門的基礎(chǔ)知識(shí)，實(shí)用性不強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)很多，但是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)比較少，都是些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，且在考核方式上要進(jìn)行合理的改善。實(shí)踐課程安排得很好，這是我校的亮點(diǎn)?？傮w來(lái)說(shuō)，我校的材料物理專業(yè)的課程偏理論，應(yīng)用型的課很少，課程間的交叉太多，這樣造成我們的課程多而雜，缺乏特色，就業(yè)口徑窄。換句話說(shuō)，我校的材料物理專業(yè)的整體設(shè)計(jì)顯得太過(guò)中規(guī)中矩，這樣的設(shè)置不會(huì)出錯(cuò)，但是也缺少特色，缺乏亮點(diǎn)，所以我們的課程設(shè)置有必要進(jìn)行一些改進(jìn)。如何更好更有效地改進(jìn)材料物理專業(yè)課程的設(shè)置將是我們下一步重點(diǎn)研究和討論的課題。
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《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程是材料專業(yè)首要的專業(yè)基礎(chǔ)課,是學(xué)生全面進(jìn)入專業(yè)領(lǐng)域、從基礎(chǔ)課到專業(yè)課的過(guò)渡課程。它具有概念多、學(xué)科知識(shí)面寬、應(yīng)用基礎(chǔ)理論廣的特點(diǎn),既包括基本原理,又涉及工程實(shí)踐應(yīng)用,無(wú)論教師教起來(lái),還是學(xué)生學(xué)起來(lái)都有相當(dāng)難度。為了提高該課程的教學(xué)質(zhì)量,必須改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和優(yōu)化教學(xué)手段并注重教學(xué)反思,在課堂教學(xué)中,積極探索適應(yīng)素質(zhì)教育需要的教學(xué)方法。
1.教學(xué)內(nèi)容的改革
我校使用的參考教材是高等教育出版社出版的余永寧教授主編的普通高等教育“十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《材料科學(xué)基礎(chǔ)》,共有十二章:晶體學(xué)基礎(chǔ)、固體材料中的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、晶體缺陷、非晶態(tài)與半晶態(tài)、相圖、有序介質(zhì)中的點(diǎn)缺陷和線缺陷、面缺陷和體缺陷、固體中原子的擴(kuò)散、材料的形變、相變的基本原理、凝固、固態(tài)轉(zhuǎn)變。對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō),通過(guò)這門課程的學(xué)習(xí),目的是學(xué)習(xí)、掌握材料科學(xué)學(xué)科的基本概念、基本原理和基礎(chǔ)理論知識(shí),建立起成分、結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的基本思維模式。對(duì)于教師來(lái)說(shuō),教學(xué)的目的就是要幫助學(xué)生達(dá)到上述目的,正確地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入這一材料科學(xué)領(lǐng)域。為了達(dá)到上述目的,我對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了增減。
增加的部分主要是與材料學(xué)教學(xué)內(nèi)容有關(guān)的國(guó)內(nèi)外最新的科技成果,緊跟當(dāng)前科研前沿動(dòng)態(tài),介紹國(guó)際上一些最新成果和研究進(jìn)展,學(xué)術(shù)界比較關(guān)心的熱點(diǎn)和難點(diǎn)、疑點(diǎn)問(wèn)題,把當(dāng)前國(guó)內(nèi)外最新的研究成果融進(jìn)教學(xué)中,增加教學(xué)的時(shí)效性。如學(xué)過(guò)“塑性變形”章節(jié)后,我在課堂上介紹了2004年度中國(guó)十大科技成果之一的“超高強(qiáng)度高導(dǎo)電性納米孿晶純銅”,通過(guò)這個(gè)成果,我把強(qiáng)度―結(jié)構(gòu)材料的性能、導(dǎo)電―功能材料的性能、孿晶―材料的塑性變形性能和納米技術(shù)聯(lián)系在一起,讓學(xué)生把一個(gè)個(gè)孤立的知識(shí)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合,讓學(xué)生感受、理解某一知識(shí)、發(fā)明或創(chuàng)造產(chǎn)生和發(fā)展的過(guò)程,培養(yǎng)學(xué)生的獻(xiàn)身科研的精神和創(chuàng)新思維的習(xí)慣,同時(shí)又要求學(xué)生腳踏實(shí)地,知識(shí)的大廈是靠平時(shí)點(diǎn)滴的積累。
精講某方面知識(shí)的專題,如我把材料的強(qiáng)韌化與材料的缺陷理論知識(shí)構(gòu)成一個(gè)小專題。學(xué)生在學(xué)習(xí)材料的缺陷章節(jié)時(shí),感到枯燥,因?yàn)楦拍疃x繁多,又抽象,如刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)、全位錯(cuò)、不全位錯(cuò)等,只有把它們放到材料強(qiáng)化的知識(shí)中去講才能賦予這些位錯(cuò)以生命,滑移、攀移等這些概念才能被學(xué)生掌握。我在課堂上利用納米銅三氧化二鋁(Cu/Al2O3)復(fù)合材料的實(shí)例,讓學(xué)生知道純銅的變形能力優(yōu)異。我在課堂上直接演示純銅管的變形,讓學(xué)生思考在銅基復(fù)合材料中銅的優(yōu)良塑性變形能力哪里去了?Al2O3的作用是什么?從而講清了位錯(cuò)、沉淀強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化等概念,加深了學(xué)生的認(rèn)知程度。
由于課時(shí)是有限的,增加的教學(xué)內(nèi)容占用了一定的課堂時(shí)間,因而必須減去一定的教學(xué)內(nèi)容。我在教學(xué)的過(guò)程中刪掉了與具體制備工藝有關(guān)的內(nèi)容,如鑄錠的凝固、熔焊及特殊凝固工藝、玻璃體的形成于晶化、聚合物的結(jié)晶、燒結(jié)過(guò)程、熱處理過(guò)程等。這些內(nèi)容留待具體的專業(yè)課講授。
2.教學(xué)手段的綜合應(yīng)用
當(dāng)前我國(guó)高校普遍還是采取在課堂上“滿堂灌、填鴨式”的教學(xué)方式,這樣減少了學(xué)生自己閱讀、思考、消化的時(shí)間,使他們消極、被動(dòng)地接受知識(shí)的單向輸入,導(dǎo)致繼承性有余,開拓性、創(chuàng)新性不足。本科生,特別是高年級(jí)的學(xué)生,都會(huì)認(rèn)為教師“照本宣科”,不去上課業(yè)余時(shí)間自學(xué)也行,造成學(xué)生大面積“翹課”(當(dāng)然學(xué)生“翹課”原因多種多樣,我只是從教師的主觀、自我反思的角度認(rèn)識(shí)問(wèn)題)。來(lái)上課的學(xué)生同樣抱有這個(gè)觀點(diǎn),有的認(rèn)為聽課沒(méi)意思,思想“開小差”,有的干脆上課講話,發(fā)短信,課堂一派“繁忙景象”。
我在教學(xué)中摒棄傳統(tǒng)教學(xué)方法,科學(xué)引進(jìn)靈活的教學(xué)方法啟發(fā)教學(xué),留給學(xué)生更多思考的空間和機(jī)會(huì),加強(qiáng)方法的傳授,弱化知識(shí)灌輸。實(shí)施方法論教學(xué),而非一味灌輸現(xiàn)成的知識(shí),教師的主導(dǎo)作用主要表現(xiàn)在處處想方設(shè)法地啟發(fā)學(xué)生的思維,引起其興趣,有意識(shí)地留出“空白時(shí)間”讓學(xué)生以充分的思考、發(fā)問(wèn),而不是代替其談出問(wèn)題的結(jié)論。同時(shí)教師要進(jìn)行研究性教學(xué),選取合適的研究性課題,合理設(shè)計(jì)教學(xué)進(jìn)程,制定好研究方案,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探索研究,研究成果撰寫成研究報(bào)告。
如何充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性,變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí),變“讓他學(xué)”為“我要學(xué)”?我認(rèn)為著力點(diǎn)是變革教師的思想、教學(xué)觀念、教學(xué)策略和教學(xué)方法,使教師由傳授者、灌輸者變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)的組織者、指導(dǎo)者、幫助者和促進(jìn)者。為此,我作了如下一些嘗試。
(1)課后習(xí)題的多樣性
除了常規(guī)的課后習(xí)題,用于鞏固當(dāng)堂所學(xué)的知識(shí)外,我在每講一個(gè)新內(nèi)容之前,先給學(xué)生講一、兩個(gè)生產(chǎn)中的實(shí)際事例,讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題,指出解決問(wèn)題所需的理論知識(shí),讓學(xué)生自己試著解決問(wèn)題。這樣既可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性,又可以啟發(fā)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的思維方式,還可以培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的基本能力。例如在講“回復(fù)與再結(jié)晶”內(nèi)容之前,先讓學(xué)生去了解“冷作硬化”的現(xiàn)象,讓學(xué)生自己體會(huì)怎樣不利用工具折斷細(xì)鐵絲,怎樣更容易讓銅管子彎等實(shí)際問(wèn)題。讓學(xué)生帶著問(wèn)題走進(jìn)課堂,走進(jìn)知識(shí)的海洋,這樣課堂的教學(xué)氣氛和諧,教師與學(xué)生的互動(dòng)熱烈,教學(xué)效果理想。
(2)課堂教學(xué)中溶入科研
我認(rèn)為教學(xué)與科研是高度統(tǒng)一的。教學(xué)能發(fā)現(xiàn)科研中存在的問(wèn)題,科研能促進(jìn)教學(xué)水平的提高,在這方面,二者并沒(méi)有根本沖突,而是互相幫助、互相提高的關(guān)系。科研對(duì)教學(xué)的促進(jìn)作用是:一是科研充實(shí)教學(xué)的內(nèi)容,教學(xué)內(nèi)容的更新和深化的基礎(chǔ)是科研。我在材料學(xué)的教學(xué)過(guò)程中,書本上有一章節(jié)只是簡(jiǎn)單涉及環(huán)境因素對(duì)凝固的影響,教科書中只是一筆帶過(guò)。由于我有相關(guān)的科研課題,在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中積累了許多的經(jīng)驗(yàn)或者是彎路,便在課堂上列舉了一些因素,如溫度、濕度等,豐富了教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)也涉及地域?qū)囟鹊挠绊?。在?shí)驗(yàn)條件中,經(jīng)常會(huì)有“室溫條件”,我就具體到不同地域的“室溫條件”,講清實(shí)驗(yàn)結(jié)論的差異所在。如某種金屬材料的性能在我國(guó)南部地區(qū)是能滿足零件技術(shù)要求的,而在我國(guó)北部地區(qū)就有可能不能滿足零件的技術(shù)要求。究其原因是環(huán)境溫度的差異。北部地區(qū)的冬天溫度,如2009年的溫度低于零下三四十度,很有可能接近了材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間,會(huì)發(fā)生脆性斷裂的幾率明顯增大。我通過(guò)講解自己的科研工作,不但培養(yǎng)了學(xué)生的科研欲望、獻(xiàn)身科研的精神,而且培養(yǎng)了學(xué)生做任何事情都要嚴(yán)謹(jǐn)、精益求精的作風(fēng)。二是科研深化教學(xué)的手段和方法。教學(xué)手段和方法的創(chuàng)新和深化其基礎(chǔ)也是科研。教師通過(guò)科研,更能把握全局,以點(diǎn)帶面,避免“滿堂灌”,給學(xué)生更多的學(xué)習(xí)空間。教學(xué)也有利于科研的進(jìn)一步深化,因?yàn)榻虒W(xué)過(guò)程是一個(gè)師生互動(dòng)和教學(xué)相長(zhǎng)的過(guò)程,同時(shí)也是一個(gè)知識(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)程。教學(xué)是目的,科研是手段,要想把教學(xué)搞好,就要不斷研究教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段,否則教學(xué)就是蒼白、單調(diào)的,教師就是一位“教書匠”而已,而且有可能會(huì)誤人子弟。所以,要想結(jié)出甜美的教學(xué)之果,就要多進(jìn)行科研方面的投入,根好才能葉壯,果實(shí)才有可能是豐碩的。
(3)多媒體的靈活使用
教師可以把理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中,因教學(xué)手段落后,教師往往很難將理論與實(shí)踐有機(jī)統(tǒng)一起來(lái)。多媒體教學(xué)是利用計(jì)算機(jī)的主動(dòng)交互功能,產(chǎn)生出新的圖文并茂、豐富多彩的人機(jī)交互方式,這種交互式的教學(xué)過(guò)程能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)欲望。例如,教師通過(guò)Flash等形象地演示點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)過(guò)程,有助于學(xué)生的理解。有的教師在一些課上從頭至尾都用多媒體,這樣用機(jī)器取代教師,對(duì)學(xué)生實(shí)施“目中無(wú)人”的教學(xué),既違背了教學(xué)規(guī)律,又忘記了教師是教學(xué)的主導(dǎo)。計(jì)算機(jī)只能起到輔助教學(xué)的作用,教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容選擇相應(yīng)的教學(xué)手段,如公式的推導(dǎo),我認(rèn)為應(yīng)該用板書較好,充分發(fā)揮教師在教學(xué)中的主導(dǎo)作用。只有將教師的主導(dǎo)性與多媒體的輔結(jié)合起來(lái),才能獲得良好的教學(xué)效果。
《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的教學(xué)實(shí)踐證明:上述課堂教學(xué)的一些做法,較好地體現(xiàn)了“學(xué)生主體,教師主導(dǎo)”的教學(xué)思想,不僅保證了每一個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)任務(wù)落到實(shí)處,而且較好地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性,達(dá)到了事半功倍的教學(xué)效果。
中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-0278(2011)10-098-03
現(xiàn)代高科技的競(jìng)爭(zhēng)在很大程度上依賴于人才的培養(yǎng)，因而社會(huì)對(duì)人才的綜合素質(zhì)提出了更高的要求。培養(yǎng)專業(yè)知識(shí)面寬、實(shí)踐能力強(qiáng)、具備創(chuàng)新精神的高素質(zhì)人才，是高等院校義不容辭的責(zé)任，是歷史賦予的使命。近年來(lái)，為了全面推進(jìn)素質(zhì)教育，提升大學(xué)生的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力，學(xué)院以教學(xué)為中心，不斷深化課程教學(xué)改革，創(chuàng)新教學(xué)體系，取得了顯著的成效。實(shí)踐表明，課程教學(xué)改革是一項(xiàng)圍繞人才培養(yǎng)目標(biāo)而展開的系統(tǒng)工程，需要學(xué)校各方面的支持、配合以及全體師生的共同參與。筆者結(jié)合本校的課程教學(xué)改革實(shí)踐對(duì)《材料化學(xué)》課程進(jìn)行了定位，并討論了該課程教學(xué)方法和內(nèi)容的改革探索與實(shí)踐。
一、材料化學(xué)的定位
(一)材料化學(xué)的定義
材料化學(xué)是一門研究材料的制備、組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、應(yīng)用及其相互關(guān)系的科學(xué)，它是材料科學(xué)的一個(gè)重要分支，又是核心內(nèi)容。材料化學(xué)是一門新興的邊緣學(xué)科，是在學(xué)科的生長(zhǎng)和發(fā)展中互相交叉、互相滲透下形成的，是作為基礎(chǔ)學(xué)科的化學(xué)更直接地介入到材料科學(xué)中的一個(gè)具體體現(xiàn)。因此，可以說(shuō)《材料化學(xué)》課程是化學(xué)基礎(chǔ)課和材料學(xué)專業(yè)課程之間的一個(gè)重要橋梁。
為打破原有專業(yè)劃分的界限，在制定《材料化學(xué)》的教學(xué)內(nèi)容時(shí)，必須進(jìn)行以加強(qiáng)基礎(chǔ)、拓寬專業(yè)知識(shí)面和加強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練為主要目的的課程改革；在課程建設(shè)中，必須結(jié)合實(shí)際，明確了《材料化學(xué)》課程的定位：通過(guò)對(duì)這一課程的理論學(xué)習(xí)，使學(xué)生在掌握材料化學(xué)的基本原理基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)運(yùn)用基礎(chǔ)化學(xué)理論解決實(shí)際問(wèn)題。
(二)材料化學(xué)教材的選擇
材料化學(xué)學(xué)科的著眼點(diǎn)是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，而課程教學(xué)是實(shí)現(xiàn)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，它對(duì)全面加強(qiáng)學(xué)生知識(shí)、技能、能力、創(chuàng)新精神和綜合素質(zhì)培養(yǎng)有著舉足輕重的作用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展與知識(shí)的不斷更新，教材的選擇是關(guān)鍵點(diǎn)。自從2005年開設(shè)《材料化學(xué)》這門課程，我國(guó)出版的教材在質(zhì)上發(fā)生了一些微妙的變化。最早的教材是1994年廈門大學(xué)丁馬太教授出版的《材料化學(xué)導(dǎo)論》，該教科書還被復(fù)旦大學(xué)、西北大學(xué)等采用，但內(nèi)容相對(duì)比較陳舊。其后，北京師范大學(xué)李奇老師主編了《材料化學(xué)》，上海交通大學(xué)唐小真教授主編了《材料化學(xué)導(dǎo)論》以及南京師范大學(xué)周志華教授主編了《材料化學(xué)》等。直到2008年，中山大學(xué)曾兆華老師根據(jù)自己多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐體會(huì)出版了《材料化學(xué)》教材，前半部分涉及材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能等材料化學(xué)的基本內(nèi)容，后半部分則以金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料四大類材料為主線，對(duì)不同種類的材料進(jìn)行介紹，其中涉及各種現(xiàn)代先進(jìn)材料如高性能金屬材料、電子信息材料、納米材料、功能陶瓷、感光材料、生物醫(yī)用材料、航空航天材料、能源材料等，并敘述各種材料的性能和行為與其成分及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，這些內(nèi)容與本課程以前的教學(xué)內(nèi)容不謀而合?？傊?，教材是指引學(xué)生入門的工具，作為教師一定要把好教材關(guān)，找到適合自己學(xué)生的教材，方能做到事半功倍。
二、材料化學(xué)課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐
雖然材料化學(xué)是一門理論性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，但隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，材料化學(xué)領(lǐng)域的研究成果逐漸得到應(yīng)用。例如Motorola、保潔等公司每年都會(huì)招聘材料化學(xué)方向的人才到其研發(fā)中心進(jìn)行新產(chǎn)品新工藝的開發(fā)。因此，從培養(yǎng)創(chuàng)新型人才角度來(lái)看，教學(xué)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)材料化學(xué)理論知識(shí)與科研、生產(chǎn)實(shí)踐中的實(shí)際問(wèn)題的聯(lián)系，從而提高學(xué)生綜合運(yùn)用材料化學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。然而，由于受傳統(tǒng)教學(xué)方法的影響，其教學(xué)主要以教師、課堂、教材為申心教學(xué)模式。該模式過(guò)于依賴?yán)碚摻虒W(xué)，由于材料化學(xué)綜合了材料學(xué)，普通化學(xué)等方面的內(nèi)容，涉及的理論知識(shí)較為抽象，內(nèi)容較為難懂，因此，單純地采取傳統(tǒng)教學(xué)模式，在授課過(guò)程中，教師很難將復(fù)雜的知識(shí)簡(jiǎn)單化，把抽象的知識(shí)具體化，降低了學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣。我們要培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，就必須建立有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的教學(xué)體系，因此，進(jìn)行材料化學(xué)課程的教學(xué)模式改革是十分必要的。
(一)教學(xué)方法與手段的改革探索與實(shí)踐
(1)采用循環(huán)式教學(xué)方法，加強(qiáng)理論與實(shí)際的聯(lián)系
科學(xué)地組織教學(xué)內(nèi)容，采用循環(huán)式教學(xué)方法，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，加強(qiáng)能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練。在教學(xué)過(guò)程中，首先從生活或生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，讓學(xué)生了解一些材料的性能及應(yīng)用知識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的基本理論的興趣，再運(yùn)用材料化學(xué)基本理論來(lái)解釋材料結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，凝煉出材料設(shè)計(jì)與制備的原理和方法，并以此原理和方法來(lái)設(shè)計(jì)和制各出有一定社會(huì)需求的新型材料。這種循環(huán)式教學(xué)方法既能提高學(xué)生的理論水平，又能培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。
2、實(shí)施三結(jié)合教學(xué)方式，營(yíng)造生動(dòng)活潑的教學(xué)氛圍
在教學(xué)中，我們采用自創(chuàng)三結(jié)合教學(xué)方式，即講解與討論相結(jié)合、講授與自學(xué)相結(jié)合、期末考試與平時(shí)小論文相結(jié)合。我們改革了傳統(tǒng)的“注入式”教學(xué)，建立了“啟發(fā)式”教學(xué)模式，采取“以學(xué)生為主體、教為引導(dǎo)”的方式，突出學(xué)生的學(xué)習(xí)主導(dǎo)地位。在教學(xué)過(guò)程中注意調(diào)動(dòng)學(xué)生參與教學(xué)的積極_陛，隨時(shí)讓學(xué)生提出問(wèn)題，然后大家共同討論，以此不斷提高他們分析問(wèn)題的能力和對(duì)問(wèn)題的理解、認(rèn)知和表達(dá)能力。通過(guò)我們有意識(shí)地將講解與討論相結(jié)合，較大力度地變教師為主的傳統(tǒng)教學(xué)方式為教師與學(xué)生互動(dòng)的教學(xué)形式。在教學(xué)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，最新的科研成果往往最能激發(fā)學(xué)生的興趣和開發(fā)學(xué)生的思維。因此在相應(yīng)的章節(jié)教學(xué)中，我們會(huì)及時(shí)有效地插入一些最新的研究成果與數(shù)據(jù)，通過(guò)這種方式培養(yǎng)學(xué)生掌握學(xué)科最新發(fā)展動(dòng)態(tài)和開拓知識(shí)的能力。
通過(guò)近幾年教學(xué)實(shí)踐表明，我們的教學(xué)方法在培養(yǎng)學(xué)生的新思維和新思路方面發(fā)揮了獨(dú)到的作用。通過(guò)三結(jié)合教學(xué)方式進(jìn)一步鍛煉了學(xué)生解決問(wèn)題的能力、表達(dá)能力、自學(xué)能力以及撰寫科技論文的能力，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。
3、豐富教學(xué)手段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣
現(xiàn)代化教育技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上促進(jìn)了教學(xué)手段的多元化，首先在參考其他學(xué)校相近課程課件的基礎(chǔ)上結(jié)合本課程的教學(xué)內(nèi)容制作了《材料化學(xué)》電子課件。綜合運(yùn)用圖片、動(dòng)畫、文字等多種形式向?qū)W生提供豐富的感性材料，直觀而又形象地揭示事物的本質(zhì)和內(nèi)在聯(lián)系，有效地突破教學(xué)難點(diǎn)，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。例如在緒論部分，將材料科學(xué)發(fā)展的相關(guān)圖片做成課件在課堂上放映，使學(xué)生對(duì)本課程的發(fā)展、意義、主要內(nèi)容有生動(dòng)而深刻的印象；在納米材料章節(jié)中，一些納米材料的圖片能更形象、直觀，有效地幫助學(xué)生理解和掌握 知識(shí)點(diǎn)。此外，我們還充分利用flas直觀易理解的優(yōu)勢(shì)，例如在材料的結(jié)構(gòu)一章中，插入14種空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)模型，金屬晶體的3種典型堆積模型，晶體間隙的形成、缺陷和位錯(cuò)的形成等：在材料的制各一章中，插入多個(gè)物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積裝置動(dòng)畫；在無(wú)機(jī)非金屬材料一章中針對(duì)石英光纖的制各，插入了多幅動(dòng)畫。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，該課件產(chǎn)生了很好的教學(xué)效果極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
另外，互聯(lián)網(wǎng)也是老師和學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間交流的平臺(tái)，將主講教師的電子信箱告訴學(xué)生，學(xué)生可以給教師發(fā)電子郵件談學(xué)習(xí)、談思想，交流學(xué)習(xí)中存在的問(wèn)題，以及學(xué)習(xí)、生活中的感受和困難，利用現(xiàn)代化的手段，拉近師生間以及學(xué)生之間的距離。
(二)教學(xué)內(nèi)容改革探索與實(shí)踐
材料化學(xué)是從化學(xué)的角度研究材料的制備、組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其應(yīng)用的一門科學(xué)。它既是材料科學(xué)的一個(gè)重要分支，又是化學(xué)學(xué)科的一個(gè)組成部分，具有明顯的交叉學(xué)科、邊緣學(xué)科的性質(zhì)，并且是材料科學(xué)的核心部分，具有明顯的應(yīng)用理科性質(zhì)，在理論和實(shí)踐上的重要性是不言而喻的。
1、優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)
優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)在于突出理論知識(shí)的應(yīng)用和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，基礎(chǔ)理論教學(xué)以應(yīng)用為目的，專業(yè)課教學(xué)強(qiáng)調(diào)針對(duì)性和實(shí)用性。在構(gòu)建新的課程體系過(guò)程中一方面要規(guī)劃好專業(yè)的主干課程，另一方面以技術(shù)應(yīng)用能力培養(yǎng)為主線，理順相關(guān)課程開課順序，加大實(shí)踐教學(xué)的比例，強(qiáng)化實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)并重。我院在課程設(shè)置上力求反映材料化學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)、專業(yè)特點(diǎn)和培養(yǎng)要求，注意改變知識(shí)簡(jiǎn)單任意拼湊、課程之間相互脫節(jié)的狀況，整個(gè)課程以通識(shí)教育課程、學(xué)科類基礎(chǔ)課程、專業(yè)必修課、選修課、跨學(xué)科任意選修課和實(shí)踐教學(xué)構(gòu)成。選修課開設(shè)的原則是：有利于培養(yǎng)學(xué)生的一專多能、拓寬學(xué)生的知識(shí)面以及培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工作能力和創(chuàng)新精神等。根據(jù)專業(yè)方向的不同，開設(shè)課程也有所區(qū)別。同時(shí)，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，在課程體系中實(shí)施改革，增加人文教育內(nèi)容，強(qiáng)化人文素質(zhì)教育，促進(jìn)專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的提高。
2、教學(xué)內(nèi)容與特色學(xué)科建設(shè)相結(jié)合
材料化學(xué)以普通化學(xué)基礎(chǔ)和材料學(xué)理論為基礎(chǔ)，涉及的理論知識(shí)比較抽象，從學(xué)習(xí)的角度將，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中從宏觀的概念轉(zhuǎn)化到微觀。如從電子，原子、分子水平來(lái)理解材料的基本性能。因此，教學(xué)難度比較大，如果單純地采用單一的教學(xué)方式，會(huì)導(dǎo)致理論與試劑脫離，增加了教學(xué)難度，在一定程度上不利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣。所以，在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)該結(jié)合我院材料學(xué)科建設(shè)的特點(diǎn)，拓寬教材內(nèi)容，結(jié)合我院材料學(xué)科的優(yōu)勢(shì)和特色，在教學(xué)內(nèi)容中融入我院金屬材料、無(wú)機(jī)納米材料的物理化學(xué)性能，以使學(xué)生更加容易接受，增強(qiáng)教學(xué)效果。同時(shí)結(jié)合材料的最新研究動(dòng)態(tài)，理論聯(lián)系實(shí)際地將新興材料的最新進(jìn)展向?qū)W生介紹，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和實(shí)際應(yīng)用能力。
3、教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)材料化學(xué)專業(yè)人才的培養(yǎng)方案
針對(duì)材料化學(xué)課程特點(diǎn)，依托學(xué)科特色，圍繞培養(yǎng)和造就富有創(chuàng)新意識(shí)和能力的寬口徑、厚基礎(chǔ)、高素質(zhì)、顯個(gè)性的人才培養(yǎng)理念并結(jié)合本專業(yè)現(xiàn)有的教學(xué)科研條件，對(duì)材料化學(xué)學(xué)課程進(jìn)行了改革和探索。材料化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的選材要體現(xiàn)基礎(chǔ)寬、起點(diǎn)高、內(nèi)容新、知識(shí)活的原則，強(qiáng)調(diào)從化學(xué)角度提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法和思路。教學(xué)內(nèi)容應(yīng)讓學(xué)生了解材料學(xué)科的概況和發(fā)展趨勢(shì)；了解材料制各過(guò)程中的化學(xué)現(xiàn)象和反應(yīng)特征；了解所制得材料的形貌、物相和物理化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系：掌握材料制備過(guò)程中的化學(xué)原理與方法：了解材料的化學(xué)改性方法和新材料設(shè)計(jì)和開發(fā)的研究方法，同時(shí)也要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。實(shí)踐證明，通過(guò)改革，學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)明顯得到提高。
(三)教師隊(duì)伍的建設(shè)
現(xiàn)代制造工業(yè)在行業(yè)發(fā)展中呈蒸蒸日上的發(fā)展新趨勢(shì)，并受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，為工業(yè)發(fā)展作出巨大的貢獻(xiàn)。制造業(yè)的材料成型與控制工程方面的技術(shù)發(fā)展，同時(shí)也是業(yè)內(nèi)十分關(guān)注的內(nèi)容之一，我們從其技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)入手屁，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步分析和探究。
一、材料成與控制工程模具制造技術(shù)分析探討
材料成型與制造中講究技術(shù)發(fā)展，從效益、節(jié)能、生產(chǎn)速率等方面考慮進(jìn)一步探討研究，下面以奇瑞A21汽車中支板產(chǎn)品圖的制造技術(shù)方面進(jìn)行分析探究。
（一）金屬材料成型與控制工程加工技術(shù)
1技術(shù)材料一次成型加工技術(shù)
擠壓：在置于模具內(nèi)金屬坯料的端部加壓，使之通過(guò)一定形狀、尺寸摸孔，產(chǎn)生塑性變形，獲得與?？紫鄳?yīng)的形狀尺寸的工件。
特點(diǎn)：塑性好、不易變形
拉拔：在置于模具內(nèi)金屬坯料的前端施加拉力，使之通過(guò)一定形狀、尺寸的摸孔，產(chǎn)生塑性變形，獲得與模孔相應(yīng)的形狀尺寸的工件
特點(diǎn)：變形阻力比擠壓小，但對(duì)材料塑性要求高
軋制：金屬通過(guò)旋轉(zhuǎn)的軋輥受到壓縮產(chǎn)生塑性變形，獲得一定形狀、尺寸斷面的工件。
2金屬材料的二次成型加工
2.1鍛造：阻力大，通常需要加熱實(shí)現(xiàn)。
自由鍛造：在錘或壓力機(jī)上，通過(guò)砧子、錘頭或其它簡(jiǎn)單工具對(duì)金屬坯料施加壓力，使之產(chǎn)生塑性變形，獲得所需形狀、尺寸的工件。
特點(diǎn)：不用模具，易變形，簡(jiǎn)單的工件形狀。
模型鍛造：坯料在錘或壓力機(jī)上，通過(guò)模具施加壓力，產(chǎn)生塑性變形，獲得所需形狀、尺寸的工件。
特點(diǎn)：需要模具（鍛模），變形阻力大，工件形狀可以比較復(fù)雜。適于大批量生產(chǎn)，制造中小型件。
2.2沖壓：金屬板材在壓力機(jī)上通過(guò)模具對(duì)金屬板材施壓，使之產(chǎn)生塑性變形或分離，獲得所需的形狀、尺寸的工件。
2.3旋壓：金屬板料毛坯被壓緊在旋轉(zhuǎn)的芯模上并隨芯模轉(zhuǎn)動(dòng)，借助旋輪對(duì)工件施壓使其產(chǎn)生塑性變形并獲得所需尺寸、形狀、性能的工件。
特點(diǎn)：工藝力小，大小件均適合，模具相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率較低
奇瑞A21汽車中支板產(chǎn)品工藝方流程例圖下：
2.4焊接：焊接是通過(guò)加熱或加壓，或者兩者并用，使焊接件達(dá)到原子結(jié)合。
焊接分類：
①熔化焊：焊接過(guò)程中，將焊件接頭加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法。
②壓焊：焊接過(guò)程中，對(duì)焊件施加壓力（加熱或不加熱）以完成焊接的方法。
③釬焊：指采用比焊件材熔點(diǎn)低的金屬做釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于焊件熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕焊件，填充接頭間隙并與焊件材料相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)焊接的方法。
（二）非金屬材料成型與控制工程加工技術(shù)
1擠出成型
原理：利用螺桿或柱塞的擠壓、剪切作用使固體塑料熔融并以一定壓力通過(guò)口模，冷卻固化后，獲得具有與口模相應(yīng)形狀的制件。
塑料變化過(guò)程：塑化（加熱、剪切摩擦）-成型-冷卻固化定型
特點(diǎn)：①連續(xù)化生產(chǎn)，效率高，質(zhì)量穩(wěn)定；②應(yīng)用范圍廣；③設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，見效快；④生產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)生，勞動(dòng)強(qiáng)度低；⑤適于大批量生產(chǎn)
2注射成型
原理：將塑料原料在注射機(jī)中加熱熔融，然后以高壓射入模具型腔，冷卻固化，開模后，獲得所需工件。
特點(diǎn)：生產(chǎn)速度快、效率高，操作可自動(dòng)化，能成型形狀復(fù)雜的零件，特別適合大量生產(chǎn)。
3壓制成型
定義：塑料在閉合模腔內(nèi)借助加壓、固化成型的方法。也稱模壓成型或壓塑。
特點(diǎn)：可壓制較大平面塑件或一次壓制多個(gè)塑件塑件收縮小、變形小、各向性能均勻、強(qiáng)度高沒(méi)有澆注系統(tǒng)，料耗少其缺點(diǎn)是生產(chǎn)周期長(zhǎng)，效率低。
二、現(xiàn)階段材料成型加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
（一）精確成型加工技術(shù)
現(xiàn)階段精確成型加工技術(shù)在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用。特別是在汽車制造工業(yè)方面精確成型加工技術(shù)應(yīng)用更加廣泛。例如汽車工業(yè)中的Bosworth鑄造、消失模鑄造及壓力鑄造等工藝。
（二）快速及自由成型加工技術(shù)
隨著國(guó)際經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，產(chǎn)品開發(fā)速度受到制造工業(yè)界的廣泛關(guān)注，為了適應(yīng)時(shí)展的潮流，快速及自由成型加工技術(shù)備受關(guān)注并活躍起來(lái)。
（三）材料加工制造過(guò)程的模擬和仿真
時(shí)代不斷變化，除實(shí)驗(yàn)和理論外計(jì)算材料科學(xué)成為解決材料科學(xué)中實(shí)際問(wèn)題的第3個(gè)重要研究方法。它比理論和實(shí)驗(yàn)做得更深刻、更全面、更細(xì)致，可以進(jìn)行一些理論和實(shí)驗(yàn)暫時(shí)還做不到的研究。所以，材料加工制造的仿真技術(shù)和模擬技術(shù)成為時(shí)下研究的熱點(diǎn)。
綜上所述，材料成型與工程控制方面技術(shù)研究與不斷創(chuàng)新，更加有利于機(jī)械制造工業(yè)的不斷向前發(fā)展。由上述案例和技術(shù)特點(diǎn)介紹分析我們不難看出，技術(shù)的不斷革新應(yīng)順應(yīng)時(shí)展的潮流，現(xiàn)階段是以速度取勝的時(shí)代，科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和尖端人才的不斷培養(yǎng)是企業(yè)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)得以致勝的法寶。故而，材料成型工藝應(yīng)以變化發(fā)展和不斷創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)其市場(chǎng)發(fā)展的不敗地位。
參考文獻(xiàn)：
中圖分類號(hào)：V267 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）01-0293-02
飛機(jī)客艙玻璃，存在多種損傷形式，常見的有裂紋、劃痕、分層等。但有一種損傷，在日常維護(hù)中容易被忽略，這就是銀紋。那么，什么是銀紋呢？在英文中銀紋被稱為“crazing”，波音將其定義為“Many very fine fissures with no visible width at the surface of a ply”。銀紋一般是不容易檢查到的，必須在一定的角度和光線下才能看到，它是發(fā)生在玻璃表層并且寬度不可測(cè)的細(xì)小裂縫，這種狀態(tài)屬于微觀裂紋。
有機(jī)玻璃線膨脹系數(shù)比金屬材料相差很大，如果安裝在金屬骨架內(nèi)的有機(jī)玻璃沒(méi)有足夠的熱間隙，材料膨脹收縮受到限制，也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，這種應(yīng)力及使用應(yīng)力將加速裂紋的擴(kuò)展。
高分子聚合物的疲勞破壞機(jī)理在拉應(yīng)力作用下，由于非晶態(tài)聚合物的表面和內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)銀紋，因此，不同結(jié)構(gòu)的聚合物疲勞破壞機(jī)理也有差異，易產(chǎn)生銀紋的非晶態(tài)聚合物的疲勞破壞過(guò)程主要決定于外加名義應(yīng)力。高循環(huán)應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力很快便達(dá)到或超過(guò)材料銀紋的引發(fā)應(yīng)力，產(chǎn)生銀紋，并隨之轉(zhuǎn)變成裂紋，擴(kuò)展后導(dǎo)致材料疲勞破壞；中應(yīng)力循環(huán)時(shí)也會(huì)引發(fā)銀紋，并轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸭y，裂紋擴(kuò)展速度比高應(yīng)力區(qū)低，但機(jī)理、過(guò)程相同；低應(yīng)力循環(huán)時(shí)因難以引發(fā)銀紋，由材料微損傷累積及微觀結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生微孔洞及裂紋，并導(dǎo)致宏觀破壞。
飛機(jī)從地面到空中又回到地面的循環(huán)過(guò)程，被稱為飛行循環(huán)。在每一次飛行循環(huán)中，飛機(jī)將承受溫度的變化，這是從地面常溫到升空后降到-36℃至-55℃的冷熱變化；同時(shí)飛機(jī)還將承受機(jī)械應(yīng)力變化，這是從地面的正常大氣壓力到升空后的機(jī)外壓力降低引起的壓力變化?？团摬Ａ怯蓛?nèi)外層玻璃組成的套件，外層復(fù)合材料的有機(jī)玻璃在受到溫度變化和機(jī)械應(yīng)力變化的反復(fù)循環(huán)中將承受熱疲勞和機(jī)械疲勞，然后逐步產(chǎn)生銀紋。有機(jī)玻璃零件中存在大的內(nèi)應(yīng)力及裝配時(shí)應(yīng)力過(guò)高，也會(huì)誘發(fā)銀紋甚至裂紋。
銀紋是復(fù)合材料的有機(jī)玻璃發(fā)生失效的先兆，是復(fù)合材料的有機(jī)玻璃發(fā)生疲勞破壞的必然過(guò)程，如果不采取有效措施消除隱患可能會(huì)造成嚴(yán)重的安全后果。英國(guó)在1954年就發(fā)生過(guò)因類似原因引發(fā)的空難。盡管在這幾十年間高分子聚合物的研發(fā)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，復(fù)合材料的有機(jī)玻璃壽命也不可同日而語(yǔ)，但銀紋的形成并最終發(fā)展成裂紋導(dǎo)致宏觀破壞依然是是客觀存在的。應(yīng)用到飛機(jī)上，則是由于客艙外層玻璃破損導(dǎo)致座艙失密的隱患也是客觀存在的。
如何在維護(hù)工作中消除銀紋所帶來(lái)的安全隱患呢？首先應(yīng)按照飛機(jī)制造廠家的相關(guān)文件制定定期的檢查計(jì)劃，國(guó)航的維修計(jì)劃中規(guī)定每24個(gè)月或4000飛行循環(huán)對(duì)玻璃進(jìn)行檢查，別的航空公司也有類似的維修計(jì)劃；其次要對(duì)銀紋的特點(diǎn)有詳細(xì)的認(rèn)知并應(yīng)用到實(shí)際工作中。銀紋的初始階段會(huì)呈現(xiàn)細(xì)小的密密麻麻的點(diǎn)狀，肉眼看起來(lái)是很多細(xì)小的白點(diǎn)（圖1），這是該舷窗疲勞（熱疲勞+壓差疲勞）失效的先兆，這最初的點(diǎn)狀會(huì)逐步發(fā)展為微觀裂紋，從而形成銀紋。在充分照明的條件下，變換光源角度，如果發(fā)現(xiàn)有銀色反光，就可確定銀紋已從其初始階段演變?yōu)殂y紋了；最后就是必須采取有效措施消除隱患。每個(gè)飛機(jī)制造廠都有相應(yīng)的更換和修理標(biāo)準(zhǔn)。
以波音為例，根據(jù)波音手冊(cè)AMM56-21-00的要求，玻璃允許出現(xiàn)銀紋，當(dāng)銀紋深度達(dá)到手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)才更換，即邊緣的銀紋深度超過(guò)0.03英寸，中央的銀紋深度超過(guò)0.05英寸（圖2-1和圖2-2）。但銀紋深度的測(cè)量必須有特殊工具并且要在拆下的狀態(tài)下測(cè)量才準(zhǔn)確，這對(duì)于航線維護(hù)來(lái)說(shuō)，測(cè)量工作的不可操作性較大，因此在維護(hù)工作中一旦確認(rèn)有銀紋存在，最簡(jiǎn)潔有效的措施就是將其更換，拆下的玻璃送廠修理。銀紋可以通過(guò)打磨去除，只要打磨后的玻璃剩余厚度超過(guò)0.265英寸（6.731毫米），則修理后的玻璃仍然可用。另外，在組裝玻璃套件的施工過(guò)程中，工作者往往可能會(huì)擔(dān)心漏氣而將內(nèi)外層玻璃進(jìn)行緊配合安裝，這種做法是錯(cuò)誤的，必須按飛機(jī)制造廠家手冊(cè)或部件制造廠家手冊(cè)中的標(biāo)準(zhǔn)施工程序完成組裝，避免因裝配時(shí)應(yīng)力過(guò)高，誘發(fā)銀紋。
對(duì)于航空公司來(lái)說(shuō)，客艙玻璃銀紋損傷的安全性問(wèn)題來(lái)自于日常維護(hù)中該損傷易被忽略且不太容易被發(fā)現(xiàn)，從而錯(cuò)過(guò)最佳維護(hù)時(shí)機(jī)導(dǎo)致埋下了安全隱患。但這種情況并非不能避免，只要對(duì)銀紋有了足夠的認(rèn)知并在日常工作中嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)定和檢查標(biāo)準(zhǔn)，這一安全隱患完全可以消除。
參考文獻(xiàn)：
[1]BOEING 737NG AMM Part II， P&P D633A101-BEJ， Revision No. 51.
[2]BOEING 737-FTD-56-11004： Passenger Window Outer Pane Cracks and Departures.
具體指標(biāo)體系如表1所示。此次評(píng)價(jià)在往年31個(gè)排行榜的基礎(chǔ)之上，又增加了網(wǎng)絡(luò)影響力排名。具體的排行榜分別為:國(guó)家(地區(qū))科研競(jìng)爭(zhēng)力排行榜、世界大學(xué)科研競(jìng)爭(zhēng)力排行榜、世界大學(xué)與科研機(jī)構(gòu)分22個(gè)學(xué)科的科研競(jìng)爭(zhēng)力排行榜(即農(nóng)業(yè)科學(xué)、生物學(xué)與生物化學(xué)、化學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)與商學(xué)、工程學(xué)、環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)、地球科學(xué)、免疫學(xué)、材料科學(xué)、數(shù)學(xué)、微生物學(xué)、分子生物學(xué)和遺傳學(xué)、綜合交叉學(xué)科、神經(jīng)科學(xué)和行為科學(xué)、藥理學(xué)和毒物學(xué)、物理學(xué)、植物學(xué)與動(dòng)物學(xué)、精神病學(xué)與心理學(xué)、社會(huì)科學(xué)總論、空間科學(xué))、世界大學(xué)科研競(jìng)爭(zhēng)力分8個(gè)基本指標(biāo)排行榜(即收錄論文數(shù)、論文被引次數(shù)、高被引論文數(shù)、進(jìn)入排行學(xué)科數(shù)、發(fā)明專利數(shù)、熱門論文數(shù)、高被引論文占有率、網(wǎng)絡(luò)影響力)。RCCSE世界大學(xué)評(píng)價(jià)報(bào)告還給出了世界一流大學(xué)和世界一流學(xué)科的界定，從而可以幫助讀者充分認(rèn)識(shí)學(xué)校及其學(xué)科發(fā)展的準(zhǔn)確定位。評(píng)價(jià)結(jié)果中，前600名(即位居全世界前5‰的大學(xué))定義為世界高水平大學(xué)，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外一些大學(xué)對(duì)自己的定位與規(guī)劃，又將世界高水平大學(xué)分為三個(gè)檔次:前100名為世界頂尖大學(xué);101～300名為世界高水平著名大學(xué);301～600名定義為世界高水平知名大學(xué)，其中世界頂尖大學(xué)和世界高水平著名大學(xué)稱為“世界一流大學(xué)”。至于世界一流學(xué)科的界定，主要根據(jù)所評(píng)22個(gè)學(xué)科的不同評(píng)價(jià)單位在相應(yīng)學(xué)科中的排名情況而進(jìn)行劃分，其標(biāo)準(zhǔn)為某學(xué)科排名前10%內(nèi)的科研單位為該學(xué)科世界一流學(xué)科，世界一流學(xué)科也劃分為三個(gè)檔次:某學(xué)科前1%(含1%)的科研單位的學(xué)科為世界頂尖學(xué)科;1%～5%(含5%)為世界高水平著名學(xué)科;5%～10%(含10%)為世界高水平知名學(xué)科。
二、中國(guó)高校總體世界一流水平建設(shè)分析
(一)進(jìn)入ESI排名高校數(shù)量變化情況
每年RCCSE世界大學(xué)評(píng)價(jià)報(bào)告均是以美國(guó)《基本科學(xué)指標(biāo)》ESI數(shù)據(jù)庫(kù)中近11年來(lái)論文總被引次數(shù)排列在前1%的大學(xué)和分22個(gè)學(xué)科中大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)近11年來(lái)論文總被引次數(shù)排列在前1%的學(xué)科為總體的評(píng)價(jià)對(duì)象。但是由于ESI統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的變動(dòng)，該評(píng)價(jià)的對(duì)象也隨之有所變化，具體如表1所示。由于最初開展的兩次世界大學(xué)評(píng)價(jià)還處在探索階段，加上前期人力、物力的限制，對(duì)于評(píng)價(jià)對(duì)象中的同機(jī)構(gòu)不同名稱標(biāo)注的情況，未能詳盡的合并、更正，因此出現(xiàn)機(jī)構(gòu)數(shù)量相對(duì)較多的情況。而在后來(lái)的三次評(píng)價(jià)中，都盡力解決這一問(wèn)題。不過(guò)，評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)量逐漸增長(zhǎng)的事實(shí)不可以否定，同時(shí)中國(guó)進(jìn)入ESI科研競(jìng)爭(zhēng)力排行的高校數(shù)量也日益攀升，這一點(diǎn)很值得欣喜。
(二)國(guó)家(地區(qū))排名變化情況
在2005－2012年這7年內(nèi)的5次評(píng)價(jià)中，均設(shè)置了“國(guó)家(地區(qū))科研競(jìng)爭(zhēng)力排行榜”，主要是對(duì)排名前30位的國(guó)家或地區(qū)情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。我們對(duì)這5次評(píng)價(jià)中中國(guó)的總體排名變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(如表2所示，其中“”表示上升，“”表示無(wú)變化，“”表示下降，表3、表5亦同)，發(fā)現(xiàn)中國(guó)大陸一直處于排名上升的狀態(tài)，從22位一路躍升至第6位;中國(guó)香港地區(qū)在這期間排名有上升、有下降，但總體相對(duì)穩(wěn)定，一直保持在21名左右，這可能與其學(xué)校數(shù)量有關(guān)，在7年內(nèi)，該地區(qū)進(jìn)入評(píng)價(jià)的學(xué)校數(shù)量?jī)H增加1所，對(duì)排名的影響也就不是很大;中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)與大陸地區(qū)類似，排名變化與進(jìn)入評(píng)價(jià)的學(xué)校數(shù)量變化正相關(guān)，排名由26位上升至13位?？傮w可見，中國(guó)在世界水平的科研競(jìng)爭(zhēng)力發(fā)展中整體成效卓著。具體對(duì)中國(guó)大陸地區(qū)科研實(shí)力各指標(biāo)在前30強(qiáng)中的排名變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(如表3所示)，發(fā)現(xiàn)中國(guó)大陸發(fā)文、論文被引、熱門論文、高被引論文數(shù)等方面上升迅速，目前均已進(jìn)入世界前10強(qiáng)的行列;專利數(shù)一直是中國(guó)大陸在世界各國(guó)或地區(qū)科研實(shí)力競(jìng)爭(zhēng)中的強(qiáng)項(xiàng)，一直保持在前10名以內(nèi)，并由2007年的第8位迅速躍升為目前的第3位，實(shí)力可見一斑。但是，在各項(xiàng)絕對(duì)指標(biāo)飛速攀升的同時(shí)，高被引占有率這項(xiàng)相對(duì)指標(biāo)(高被引論文數(shù)量與發(fā)文數(shù)量的比值)卻一直下滑，由最初的18位一直降到25位，這也就反映出論文質(zhì)量的提升速度并未跟上論文數(shù)量增加的步伐，也警示中國(guó)在提升科研競(jìng)爭(zhēng)力的進(jìn)程中，莫讓數(shù)量掩蓋質(zhì)量，而要注重優(yōu)秀人才的培養(yǎng)和儲(chǔ)備，加強(qiáng)高質(zhì)量論文的產(chǎn)出，從而真正提升國(guó)際影響力和世界科研競(jìng)爭(zhēng)力。
三、中國(guó)高校之世界一流大學(xué)建設(shè)進(jìn)展
(一)中國(guó)高?？蒲懈?jìng)爭(zhēng)力總體排名變化情況
通過(guò)前文闡述，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)中國(guó)高校在世界水平上的數(shù)量可見度已經(jīng)越來(lái)越高。接下來(lái)，具體分析一下這些進(jìn)入世界大學(xué)排名的中國(guó)高校整體排名情況。對(duì)世界一流大學(xué)(前300名)中中國(guó)高校名次分布情況分析(表4)可以發(fā)現(xiàn)，中國(guó)不僅在進(jìn)入ESI排名的總體學(xué)校數(shù)增加，同時(shí)進(jìn)入世界一流大學(xué)行列的學(xué)校數(shù)也不斷提升。大陸由最初的3所學(xué)校增加到9所，中國(guó)香港和中國(guó)臺(tái)灣目前分別有2所和4所，它們分別是:北京大學(xué)(72)、清華大學(xué)(84)、浙江大學(xué)(94)、上海交通大學(xué)(122)、復(fù)旦大學(xué)(172)、南京大學(xué)(203)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)(215)、中山大學(xué)(273)、武漢大學(xué)(295);香港大學(xué)(121)、香港中文大學(xué)(170)、香港科技大學(xué)(261)、香港城市大學(xué)(296);臺(tái)灣大學(xué)(71)、臺(tái)灣成功大學(xué)(202)。中國(guó)高校處于世界頂尖水平的已有4所，其中大陸有3所，可見高水平大學(xué)建設(shè)已初具規(guī)模。這些高校在世界排名中的位置并非一成不變，而是隨著它們各自的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的改變而發(fā)生變化。我們對(duì)RCCSE公布的2012年中國(guó)大陸高校排名前10的學(xué)校在歷年世界大學(xué)評(píng)價(jià)中變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表5)發(fā)現(xiàn)，中國(guó)一流大學(xué)在世界大學(xué)排名中多呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的局面，雖然個(gè)別學(xué)校在2009年有下降的現(xiàn)象，但是總體上升幅度較大。目前在中國(guó)大陸前10強(qiáng)已有8所進(jìn)入世界一流大學(xué)的行列，國(guó)內(nèi)排名前3的北京大學(xué)、清華大學(xué)和浙江大學(xué)也榮升世界百?gòu)?qiáng)(即世界頂尖大學(xué));中山大學(xué)和武漢大學(xué)的提升幅度最大，都由600名以外逐步發(fā)展進(jìn)入了世界一流的行列;相比之下，南京大學(xué)的發(fā)展進(jìn)度略顯緩慢，有待進(jìn)一步提升。
(二)中國(guó)高?？蒲懈?jìng)爭(zhēng)力分指標(biāo)排名情況
為了進(jìn)一步探究中國(guó)高?？蒲懈?jìng)爭(zhēng)力提升與世界一流大學(xué)發(fā)展的脈絡(luò)，并尋找其中的關(guān)鍵因素，我們對(duì)2012年世界一流大學(xué)行列內(nèi)中國(guó)高校分指標(biāo)排名情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(表6)，發(fā)現(xiàn)中國(guó)高校中最有優(yōu)勢(shì)的科研指標(biāo)在于發(fā)文數(shù)和專利數(shù)，部分學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)排名情況也值得肯定。但是這些優(yōu)勢(shì)還很微弱，而且不夠穩(wěn)定，在能夠真正充分體現(xiàn)科研競(jìng)爭(zhēng)力的主體指標(biāo)實(shí)力方面，如總被引、高被引和熱引等質(zhì)量型指標(biāo)上仍有很大欠缺，需要引起教育監(jiān)管部門、高校管理者的廣泛重視，加大力度，提升科研質(zhì)量建設(shè)，只有這樣才能保證中國(guó)高校在世界上的科研競(jìng)爭(zhēng)地位。通過(guò)以上分析，我們還注意到中國(guó)科技大學(xué)作為國(guó)內(nèi)高校排名中逐漸下跌的一所重點(diǎn)高校［11］，其科研力量不容小覷。它自2005年以來(lái)，一直處于世界一流大學(xué)的行列，并已在8個(gè)學(xué)科進(jìn)入ESI排名，其中化學(xué)、工程學(xué)、材料科學(xué)和物理學(xué)均已進(jìn)入世界一流學(xué)科的行列(即排名前10%)，在國(guó)內(nèi)的專業(yè)優(yōu)秀率也居于領(lǐng)先地位。可以說(shuō)這個(gè)“短小精悍”且容易被人忽視的國(guó)內(nèi)重點(diǎn)高校，在世界一流大學(xué)的進(jìn)程中甚至超過(guò)了排在它前面的很多知名高校，也是這些學(xué)校在國(guó)際化進(jìn)程、世界一流化建設(shè)中的榜樣。
四、中國(guó)高校之世界一流學(xué)科建設(shè)進(jìn)展
(一)學(xué)科總體發(fā)展情況
世界一流大學(xué)的建設(shè)離不開世界一流學(xué)科的創(chuàng)建與發(fā)展。我們對(duì)中國(guó)進(jìn)入ESI排名學(xué)科總數(shù)變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(如圖1所示)，發(fā)現(xiàn)中國(guó)大陸從最初的16個(gè)學(xué)科已經(jīng)發(fā)展到目前在ESI分設(shè)的22個(gè)學(xué)科的全部進(jìn)入，這是一個(gè)很大的突破，非常值得肯定。但是詳細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，中國(guó)大陸高校真正進(jìn)入排名的卻只實(shí)現(xiàn)了由9個(gè)到19個(gè)學(xué)科的發(fā)展，增加了10個(gè)學(xué)科，但仍然在免疫學(xué)、綜合交叉學(xué)科和空間科學(xué)3個(gè)學(xué)科處于空白，這也是中國(guó)香港和臺(tái)灣同樣面臨的問(wèn)題，這便是中國(guó)高校在世界一流大學(xué)與學(xué)科建設(shè)進(jìn)程中所要攻克的重要難關(guān)之一。另外，從各地區(qū)內(nèi)世界一流大學(xué)進(jìn)入ESI學(xué)科排行的平均學(xué)科數(shù)統(tǒng)計(jì)情況看(如表7所示)，在連續(xù)5次評(píng)價(jià)中，中國(guó)的平均學(xué)科數(shù)均低于世界平均水平。不過(guò)令人欣喜的是，中國(guó)三個(gè)地區(qū)的平均學(xué)科數(shù)增長(zhǎng)速度較快，尤其是中國(guó)大陸由最初的5．67增至11．11，已經(jīng)逐漸縮小了與世界平均值的差距，但仍需繼續(xù)努力，向世界高水平國(guó)家看齊。雖然22個(gè)學(xué)科均有中國(guó)大陸的大學(xué)或科研機(jī)構(gòu)進(jìn)入ESI排名，但是對(duì)于每所大學(xué)或科研機(jī)構(gòu)而言，進(jìn)入ESI學(xué)科排名的學(xué)科數(shù)量卻參差不齊。絕大多數(shù)中國(guó)大陸大學(xué)都只有1～9個(gè)學(xué)科進(jìn)入ESI排名。除了中國(guó)科學(xué)院在20個(gè)學(xué)科均有進(jìn)入以外，重點(diǎn)高校情況也相對(duì)較好，大陸排名前6強(qiáng)的高校均有10個(gè)以上學(xué)科進(jìn)入，且都有排名前10%的學(xué)科存在，尤其是前3強(qiáng)的北京大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)均有4個(gè)世界一流學(xué)科(表8)。同時(shí)重點(diǎn)高校仍然能夠呈現(xiàn)與國(guó)內(nèi)排名類似的文史綜合類院校學(xué)科廣而全、理工類院校學(xué)科少而精的特點(diǎn)。這也在一定程度上說(shuō)明中國(guó)國(guó)內(nèi)高校發(fā)展策略與世界一流大學(xué)建設(shè)進(jìn)程規(guī)劃不謀而合。國(guó)內(nèi)教育教學(xué)質(zhì)量的提升可以促進(jìn)世界一流大學(xué)與學(xué)科的建設(shè)，科研競(jìng)爭(zhēng)力國(guó)際化水平的提升亦可推進(jìn)整體實(shí)力不斷加強(qiáng)。
(二)優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)學(xué)科分析
從進(jìn)入ESI排名的學(xué)科數(shù)量和具體排名情況看，中國(guó)高校在數(shù)理化生等基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域占有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。2012年的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，中國(guó)大陸高校的農(nóng)業(yè)科學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、地球科學(xué)、材料科學(xué)等14個(gè)學(xué)科都進(jìn)入了世界一流學(xué)科的行列，尤其是生物學(xué)與生物化學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)、地球科學(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)和植物學(xué)與動(dòng)物學(xué)等8個(gè)學(xué)科還有頂尖機(jī)構(gòu)存在，不過(guò)除了清華的工程學(xué)，其他所有的頂尖學(xué)科機(jī)構(gòu)均被中國(guó)科學(xué)院獨(dú)攬。同時(shí)在科研機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)中，中國(guó)科學(xué)院在發(fā)文量、被引總量、熱門論文數(shù)、高被引論文數(shù)和進(jìn)入ESI學(xué)科數(shù)5個(gè)指標(biāo)上都名列前茅，這些都深刻印證了它作為國(guó)內(nèi)第一研究巨頭的科研競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。另外，總排名前10位的世界一流大學(xué)其學(xué)科都很齊全，并且每個(gè)學(xué)科影響力都很大，如哈佛大學(xué)有15個(gè)學(xué)科位于世界前10強(qiáng)，斯坦福大學(xué)有9個(gè)學(xué)科位于世界前10強(qiáng)。中國(guó)大陸高校只有北京大學(xué)的數(shù)學(xué)和清華大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程學(xué)和材料科學(xué)3個(gè)學(xué)科排在世界前10位，其他高校在世界前10強(qiáng)的學(xué)科領(lǐng)域則仍然處于空白，這也在一定程度上說(shuō)明中國(guó)大陸高校在學(xué)科建設(shè)上仍然表現(xiàn)較弱?？v覽2005－2012年5次世界大學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果，中國(guó)大學(xué)或科研機(jī)構(gòu)總體上在化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程學(xué)、材料科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科上的優(yōu)勢(shì)相對(duì)明顯，但也呈現(xiàn)出學(xué)科建設(shè)相對(duì)集中的現(xiàn)象:優(yōu)勢(shì)學(xué)科愈益強(qiáng)大，劣勢(shì)學(xué)科發(fā)展緩慢。因此，在發(fā)展這些優(yōu)勢(shì)學(xué)科的同時(shí)，高校管理人員、教育發(fā)展監(jiān)管人員也要注意到在分子生物學(xué)與遺傳學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)與商學(xué)、精神病學(xué)與心理學(xué)、空間科學(xué)、免疫學(xué)、社會(huì)科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)與行為科學(xué)以及臨床醫(yī)學(xué)這8個(gè)學(xué)科中，中國(guó)大陸還沒(méi)有高校進(jìn)入世界一流學(xué)科的行列，這也正是我們的劣勢(shì)所在，急需加大投入，力爭(zhēng)消除劣勢(shì)，平衡發(fā)展，爭(zhēng)創(chuàng)全面一流?？傊?，要真正實(shí)現(xiàn)與世界一流大學(xué)與學(xué)科的接軌，中國(guó)大陸的科研創(chuàng)新和學(xué)科建設(shè)仍任重道遠(yuǎn)。
本論文為6腿機(jī)器人控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)，采用了1種分層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用1點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的串行通信模式。論文對(duì)單關(guān)節(jié)控制器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)單研究并采用PID控制算法對(duì)關(guān)節(jié)的位置控制進(jìn)行控制。完成了基本的硬件設(shè)計(jì)，包括主從控制器的設(shè)計(jì)，主從通訊設(shè)計(jì)，延時(shí)及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，傳感器及其信號(hào)處理的設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)方面，給出了主從通訊，步態(tài)算法的軟件實(shí)現(xiàn)程序框圖。
關(guān)鍵詞：6腿機(jī)器人、Motorola MCU、PID控制、主從通訊、編碼器、步態(tài)
第1章 緒論
1.1 課題的研究背景及意義
機(jī)器人學(xué)是迅速發(fā)展的交叉性學(xué)科，但世界各國(guó)對(duì)機(jī)器人的定義各不相同，聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給“機(jī)器人”下的定義:“1種可以反復(fù)編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、0件、工具的操作機(jī)；或者為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變的和可編程的動(dòng)作的專門系統(tǒng)”。
機(jī)器人技術(shù)成為高科技應(yīng)用領(lǐng)域中的重要組成部分?？梢灶A(yù)言，機(jī)器人技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，它正向著具有行走能力、對(duì)環(huán)境的自主性強(qiáng)、具有多種感覺(jué)能力的智能機(jī)器人的方向發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)展與其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國(guó)專家、學(xué)者的普遍關(guān)注。許多技術(shù)先進(jìn)國(guó)家均把機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)、研究列入國(guó)家高科技發(fā)展計(jì)劃，進(jìn)行大力研究。機(jī)器人學(xué)作為1門邊緣學(xué)科，成為當(dāng)前高科技發(fā)展的前沿學(xué)科，它與高等動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)、近代電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)控制理論與系統(tǒng)、傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)、系統(tǒng)工程等學(xué)科關(guān)系密切，相互滲透，共同發(fā)展。機(jī)器人的要害是自動(dòng)控制，是計(jì)算機(jī)與人工智能的結(jié)合，它解決CAD, CAM, CAE等1系列問(wèn)題。機(jī)器人先進(jìn)程度和功能的強(qiáng)弱，通常直接受到其控制技術(shù)的影響。由于機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型具有變參數(shù)強(qiáng)耦合、高度非線性的特點(diǎn)，機(jī)器人控制要求精度高與速度快;并具有通用性、柔軟性與靈活性，它在很大程度上依賴于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、感知能力與伺服技術(shù)?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展、高級(jí)控制策略的探求，新1代計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與人工智能開發(fā)將給機(jī)器人技術(shù)帶來(lái)新的生機(jī)。
機(jī)器人學(xué)是迅速發(fā)展的交叉性學(xué)科，但世界各國(guó)對(duì)機(jī)器人的定義各不相同，聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給“機(jī)器人”下的定義:“1種可以反復(fù)編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、0件、工具的操作機(jī):或者為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變的和可編程的動(dòng)作的專門系統(tǒng)”。
