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摘要:

在《材料化學》緒論課的教學過程中，采用啟發引導教學方式，以“材料、材料與化學、材料化學”為主線進行教學設計，通過講解材料發展中的化學，引入材料科學與化學的區別與聯系，重點從材料結構、制備、性能和應用四個方面講授了材料研究中的化學問題，使學生對本課程的內容有了清晰的認識，激發了學生學習本課程的信心和興趣，并取得了滿意的教學效果。

關鍵詞:

材料化學;緒論課;教學設計

材料化學是材料科學與化學的交叉學科，伴隨著材料科學的發展而誕生和成長，即是材料科學的重要部分，又是化學學科的一個分支［1］。目前，很多高等學校的化學和材料類專業開設了《材料化學》這門課程?！恫牧匣瘜W》是南陽師范學院材料化學專業的核心基礎課程，對于培養學生的材料科學基礎知識，分析和解決材料制備和應用中的化學問題的能力起到了關鍵作用。但是該課程涉及的知識面廣泛，內容龐雜、概念甚多、加上課程改革，理論課時數減小，學生在學習《材料化學》課程過程中，普遍存在概念混淆、重點難以掌握等問題。緒論是一門課程的開場白和宣言書，是師生之間學習和交流的起始點，能為學生建立起一門課程的知識輪廓。通過對緒論進行學習，學生可以了解課程在所學專業中所處的地位和作用，以及該課程的教學內容、學習方法和考核方式等問題［2］。如何激發學生學習該課程的興趣，提高課程的教學質量，緒論課在整個課程教學中有著舉足輕重的地位。結合近年來的教學實踐，就如何講好《材料化學》緒論課談一些心得。

1首先明確課程性質、特點及地位

教學之初，首先明確該課程作為專業核心課程的重要地位，是學習后面材料專業課程的基礎課程，同時明確考核方式，加強學生對本課程的重視程度。材料化學是材料科學和化學學科的交叉學科，課程內容既涉及工程材料應用中的實際問題，又包括材料結構及制備中的化學問題。作為一門交叉學科，很多知識點與材料學和化學課程中的相關內容重復，很多學生以為學過相關知識，就會從思想上松懈。然而，相關知識點雖然出現重復，但在不同學科中講授的重點是不同的。在講授材料化學課程的過程中，要著重培養學生利用化學的思維解決材料科學中的問題，使學生深刻領會化學與材料科學交叉的重要意義。通過一些實例，講解本課程與化學和材料相關課程的區別和聯系，使學生更加深入了本課程的性質和地位。材料科學是偏實際應用的工科課程，化學是偏理論的理科課程，材料化學則是利用化學的理論解決材料應用中的實際問題。

2材料

以材料的實際應用為引子，如材料在航天航空、交通運輸、電子信息、生物醫藥等領域的應用，帶領學生進入學習狀態，引導學生回想什么是材料?材料的種類?提出材料是對人類有用的物質，是人類賴以生存和發展，征服自然和改造自然的物質基礎;是人類進步的里程碑。然后介紹材料的發展歷史，說明人們對材料的使用，是從最早的天然材料，依次經歷了陶瓷、青銅、鐵、鋼、有色金屬、高分子材料以及新型功能材料。根據材料的發展史，啟發學生思考材料研究和發展過程中的規律和特點。人們對材料的使用經歷了從天然材料到合成材料，從傳統材料到新興材料。傳統的材料主要以經驗，技藝為基礎，材料靠配方篩選和性能測試，通過宏觀現象建立的唯象理論對材料宏觀性能定性解釋，不能預示性能和指明新材料開發方向，而新型材料則以基礎理論為指導。材料科學的歷史表明，當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展就常常隨之而來。化學的發展往往導致材料技術的實質性進步。在新材料的研發和材料工藝的發展中，化學一直擔當著關鍵的角色［3］。任何新材料的獲得都離不開化學，以石墨烯為例，物理學家主要關注其電子結構及輸運理論，材料學家主要測試材料的電磁、光電、傳感和催化等性能，而化學家的任務則是利用化學氣相沉積和插層剝離等方法制備該材料。只有通過化學氣相沉積法制備出高質量大尺寸的石墨烯，才能推動石墨烯在電子信息領域走向實用化。

3材料與化學

材料化學是材料科學與化學學科的交叉，很多學生容易混淆材料科學和化學的研究范疇。在本課程的第一節課，一項重要的任務是使學生明確材料科學和化學的研究內容和范疇，這對于后續相關概念的講解至關重要。材料科學的研究對象是材料，材料是對人類有用的物質，指的是人類用于制造物品、器件、構件、機器或其他產品的那些物質。而化學的研究對象是物質，物質是構成人類物質世界的基礎。材料是物質，但不是所有物質都可以稱為材料;材料科學是一門研究材料的成分、組織結構、制備工藝與材料性能及應用之間相互關系的科學;而化學則是從原子和分子角度研究物質的組成，結構、性質及相互轉變規律的科學。因此，化學研究的尺度范圍是原子、分子、分子納米聚集體。材料科學最早研究的尺度范圍在微米以上，如鋼和陶瓷的組織結構。隨著一些新興材料的出現和發展，人們對材料的研究甚至小到電子結構。如近些年發現的拓撲絕緣體，其表面導電，體內不導電的性質由其拓撲的能帶結構決定，而該拓撲結構則與電子的自旋運動有關，研究拓撲絕緣體必須從電子自旋角度認識其結構。因此，材料科學的研究范疇不斷拓展，并于其它學科交叉。

4材料化學

通過學習材料的發展歷程、材料科學與化學之間的區別和聯系，學生已經對材料化學有了一定的認識，引導學生給材料化學下一個定義。材料化學是關于材料結構、制備、性能和應用的化學。本校材料化學專業選用曾兆華、楊建文編著第二版《材料化學》作為教材，教材的章節也是按照材料結構、制備、性能和應用進行安排的［4］。在這部分內容講授過程中，可以讓學生以教材目錄為參照，講到相關內容可以與教材相關章節進行對應。

4.1材料的結構

從三個層次講解材料的結構，分別是電子原子結構、晶體學結構和組織結構。電子原子結構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。在這個層次上研究的化學問題主要涉及原子序數、相對原子量、電離勢、電子親核勢、電負性、原子及離子半徑等。原子序數決定了材料的化學組成，電負性決定材料內部原子之間的鍵合方式，從而影響材料的導電性、強度和熱膨脹系數等。晶體學結構主要指原子或分子在空間排列的方式，根據原子排列的有序性，將材料分為晶體和非晶體。晶體中出現局部無序，或對理想晶體的產生偏離，則出現缺陷。缺陷的存在影響材料的力學性能和電學性能等。如在本征硅內部摻雜磷元素，磷原子替代硅原子的位置，形成雜質原子缺陷，增加本征硅的導電性，形成N型半導體。組織結構主要指材料的物相組成及結構、晶粒的大小和取向等。在大多數金屬、某些陶瓷以及個別聚合物材料內部，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。一般來說，減小金屬的晶?？梢越档推淙埸c。在這一結構層次上，顆粒的大小和形狀起著關鍵作用。大多數材料是多相組成的，控制材料內部物相的類型、大小、分布和數量可以調控材料的性能。

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，并轉變為有用產品的一系列過程。材料制備的方法和工藝影響材料的結構，從而影響材料的性能。根據制備原理的不同，材料制備方法可以分為物理法和化學法。物理法指在材料制備過程中，僅改變材料內部原子或分子的聚集狀態，不涉及化學反應的方法。如真空鍍膜、濺射鍍膜、脈沖激光沉積法等。化學法則在材料制備過程中，涉及化學反應，并且有新物質的生成。如固相反應法、有機合成法、水熱法、沉淀法、化學氣相沉積法等。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，也可以采用化學法制備。2004年發現石墨烯的報道，便是采用簡單的膠帶對撕方法制備，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，采用化學氣相沉積法則可以制備高質量大尺寸的石墨烯。另外，以石墨為原料，利用化學插層剝離的方法也可以用來制備石墨烯［5］。但不同方法制備獲得石墨烯的尺寸及性能差別較大，在不同的應用領域采用的石墨烯制備方法是不同的。

4.3材料性能

材料的性能由其結構決定，與材料制備的工藝和方法有關。性能是指材料固有的物理、化學特性，材料性能決定了其應用。廣義地說，性能是材料在一定的條件下對外部作用的反應的定量表述，例如力學性能是材料對外力的響應、電學性能是對電場的響應、光學性能是對光的響應等。因此，材料的性能可分為力學性能和特殊的物理性能。常見的力學性能包括材料的強度、硬度、塑性、韌性等。力學性能決定著材料工作的好壞，同時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。微小的結構變化往往對材料的力學性能產生很大的影響。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構和制造工藝決定。對于許多半導體金屬和陶瓷材料來說，即使成分稍有變化，也會引起導電性很大變化。過高的加熱溫度有可能顯著地降低耐火磚的絕熱特性。少量的雜質會改變玻璃或聚合物的顏色。

4.4材料應用

材料化學已經滲透到現代科學技術的眾多領域，如電子信息、環境能源、生物醫藥和航天航空等領域。例如，在電子信息領域，現代芯片制造離不開化學。光刻過程使用的光刻膠和顯影液，鍍膜過程中的化學氣相沉積和原子層沉積，刻蝕過程中的反應離子刻蝕，這些工藝過程都離不開化學的作用。在環境能源領域，新型光催化材料和太陽能電池材料的研究和開發，離不開化學法制備材料和對材料進行化學摻雜改性。在生物醫藥領域，對傳感材料進行化學改性提高其傳感特性，對仿生材料進行表面改性可以提高其生物相容性。在航天航空領域，各種輕質、耐高溫、耐摩擦等結構材料和功能化智能材料的研發都離不開化學。

5結語

通過對“材料化學”緒論課的精心設計，使學生明確了該課程的性質和重要地位，大量的實例激發了學生學習的興趣和求知欲，樹立了學生學好該課程的信心，為課程的深入學習起到了奠基石的作用。以“材料、材料與化學、材料化學”為主線進行講授，使學生對本課程的內容有了更加清晰和深入的認識，取得了良好的教學效果。

參考文獻

［1］禹筱元，羅穎，董先明.材料化學專業人才培養模式的改革與實踐［J］．高教論壇，2010，1(1):23－25.

［2］楊卓娟，楊曉東.關于高校課程緒論教學的思考［J］．中國大學教學，2011(12):39－41.

［3］唐小真，楊宏秀，丁馬太.材料化學導論［M］．北京:高等教育出版社，1997.

［4］曾兆華，楊建文.材料化學.2版［M］．北京:化學工業出版社，2013.

［5］胡耀娟，金娟，張卉，等.石墨烯的制備、功能化及在化學中的應用［J］．物理化學學報，2010，26(8):2073－2086.

作者:李濤 高利敏 單位:南陽師范學院化學與制藥工程學院 南陽師范學院校醫院