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应用型材料化学专业实践教学体系的构建和实施以天津城建大学材料化学专业为例
1 国内高校材料化学专业课程设置情况分析
现今,全国很多高校如复旦大学、中国科技大学、天津大学、中山大学、南京大学、四川大学、河南大学、河南理工大学和郑州大学等均开设了材料化学专业,这些学校在建立材料化学课程体系的时候大都遵循以材料科学和化学为基础,以特色材料类专业课程为中心的原则.如复旦大学在材料科学基础、材料化学、高分子化学等课程的基础上,又开设了电子材料与器件工艺和电子封装材料与工艺等电子材料方向课程；天津大学材料化学专业课程体系由高分子化学、高分子物理、金属学、固态相变和材料科学基础等组成,通过对三大材料基本原理的学习,实现材料化学专业“宽基础”的目标.中山大学课程设置则由高分子与环境保护、高分子助剂、新能源材料等组成,以实现其在环境与能源方向的要求.
2 应用型材料化学专业实践教学体系构建的意义
近年来党和国家提出了京津冀协同发展,“实现京津冀协同发展是一个重大国家战略,要坚持优势互补、互利共赢、扎实推进,加快走出一条科学持续的协同发展路子.”其中更是包含了能源、环境等发展规划.京津冀也都相继出台了促进绿色建筑、绿色建材发展的相关规定.发展绿色建材、绿色建筑及绿色建材产业在京津冀地区有着现实需求.
绿色建材的概念是1988 年在“第一届国际材料研究会”上首次提出的.绿色建材又称生态建材、环保建材等.绿色建材是指采用清洁生产技术、少用天然资源和能源、大量使用工业或城市固态废弃物生产的无毒害、无污染、无放射性、有利于环境保护和人体健康的建筑材料.
天津城建大学是天津现今唯一的城市建设类普通本科院校,秉承“发展城市科学,培育建设人才”的办学理念.在京津冀协同发展的大背景下,城市自然资源利用、城市污染控制、城市节能等领域自然成为了学校教学和科研着眼点.建筑材料作为建筑的载体,对绿色建筑的节能、环保特性起着决定性的作用.大力发展绿色建材,构建合理的绿色化学建材教学体系,培养专业人才,对我国特别是京津冀地区建材产业结构调整有着十分重要的意义.
3 应用型材料化学专业实践教学体系的构建与实施
材料化学专业是天津城建大学材料科学与工程学院的一个本科专业,材料化学课程是该专业的专业核心课.课程设置的理念包括材料化学的基本原理、绿色化学建材的基本原理、绿色化学建材的应用原理.经过了多年的教学,该门课程现在已从师资队伍、课程内容、教学手段和课程体系等方面均取得了较好的发展和完善,教学效果和成果突出.
3.1 师资队伍
负责材料化学课程教学的是一群有“理想信念、道德情操、扎实学士、仁爱之心”的教师,均具有国家985、211 重点大学工学博士学位,长年奋战在科研一线.依托天津城建大学绿色建材研究所,多年以来,主讲教师开展了大量绿色化学建材的研究,发表多篇SCI 检索论文,承担多项国家级和省部级科研项目.与相关企业合作,开展了多项绿色化学建材类横向课题研究,具有较高的理论水平和较丰富的实践经验,对于绿色化学建材的发展历程、学科前沿、实践应用均有较为深刻的理解.在专注科研的同时,主讲教师也注重教学水平的不断提升,部分主讲教师获得了教学基本功大赛以及多媒体课件大赛的一、二等奖,具有较高的理论教学水平.
3.2 课程内容和教学手段
作为材料化学专业的核心课,共48 理论学时.材料化学课程注重从材料科学的基础引入,帮助学生夯实基础,从三大材料的结构与性能关系深化学生对材料化学的理解,以复合材料为依托着重研究高分子基体的化学建材的构建机理和应用实例分析.课程主要讲授内容包括：（1）绪论（2 学时）：了解材料及其种类；理解材料各要素；掌握材料各要素、材料化学的研究范畴、具体内容、方法以及其在化学、材料、信息、生物等领域的重要意义.（2）材料的结构（16 学时）：掌握晶体学基本概念、晶体的基本性质、点阵概念、对称动作、对称元素和32个点群、空间群的基本概念、晶面指数.掌握晶体缺陷的种类与固溶体的形成；理解点、线、面、体缺陷形成；掌握点、线、面、体缺陷形成与特征,以及点、线、面、体缺陷对材料性能的影响.掌握金属材料的结构、无机非金属材料的结构和高分子材料的结构.（3）材料化学热力学（4 学时）：了解材料热力学基础内容,掌握材料界面热力学,掌握相图的种类.（4）材料的制备（10 学时）：了解金属材料的制备、陶瓷的制备、高分子材料制备,掌握气相沉淀法、溶胶- 凝胶法、液相沉淀法和固相反应,了解晶体生长技术、插层法和反插层法、自蔓延高温合成法和自组装技术.（5）金属材料（4 学时）：掌握金属材料结构与性能,了解超耐热合金、超低温合金、超塑合金、形状记忆合金、储氢合金和生物医用金属材料.（6 ）无机非金属材料（4 学时）：掌握无机非金属材料的结构、分类和特点,了解水泥与玻璃、陶瓷、半导体材料和超导材料.（7）高分子材料（4 学时）：掌握高分子结构与性能,了解聚合物光子材料、电功能材料和生物医用高分子材料.（8）高性能复合材料（4 学时）：掌握复合材料的分类、复合材料的基体材料和复合材料的增强相,了解复合材料主要性能与制造.
在教学手段上,注重以多媒体为工具引入生动实例.结合教学内容,适时地引入一些材料化学前沿领域的相关纪录片,如Discovery 频道制作的“How It´s Made?”以及流言终结者等视频资料片段,既可以激发学生的学习兴趣又可以全方位地训练和提高学生的英语水平.比如在讲授高分子材料时,热塑性塑料是极为重要的内容,而且热塑性塑料在建筑材料中的利用也是非常广泛的,就可以通过多媒体手段引入“How It´s Made?”第六季第四集中关于塑钢门窗的制作过程的相关视频片段,让学生直观地了解到如何利用热塑性塑料的高温塑性制备复杂形状的建筑材料.
经过多年的材料化学课程教学探索,该课程的讲授无论从深度、广度、教师教学水平和经验、学生学习效果等方面均得到大幅提升.该课程于2014 年获得了校级优秀课程.
3.3 课程体系
在短短的48 学时内让学生对于绿色化学建材从理论到实践均有很大的飞跃是不现实的.因此就需要材料化学教学体系中其他课程的紧密配合,建立以绿色化学建材为教学目标,以“材料化学”为核心的多课程联动教学体系.目前天津城建大学材料科学与工程学院材料化学系已初步构建了面向绿色化学建材的材料化学课程教学体系,并获得了较好的教学效果.如图1 所示,以“材料化学”为核心,遵循材料科学与工程的主线,以科学为基础,以工程为实践,建立理论与实践的联系、材料化学与绿色化学建材的联系.通过“高分子化学”“高分子物理”和“材料表面与界面化学”等基础理论课帮助学生建立材料化学的科学体系基础,随后引入“高分子材料成型与加工”“塑料模具”等课程,帮助学生初步认识材料化学工程实践是如何实施开展的,通过“材料化学基础实验”和“塑料模具课程设计”等实践环节,加深学生对材料化学的认识.在学生有了一定的材料化学理论和实践基础后,为学生讲授绿色化学建材的相关科学理论知识,如“化学建材概论”“化学建材物理化学”和“化学建材性能检测”等,让学生对绿色化学键的基础理论有足够的认识,随后引入“建筑涂料与涂装”“建筑防水涂料”等与生产实践紧密结合的课程,使学生更完善地理解绿色建材的生产过程.利用“绿色建材综合实验”让学生亲身实践绿色建材的实验室制备方法,最后带领学生前往建筑材料相关生产单位开展生产实习,使学生见到绿色化学建材生产一线,帮助其建立学以致用的信心.
4 结语
应用型材料化学专业实践教学体系与绿色建筑这一战略性新兴产业相关,以材料化学课程为核心的课程体系的设置加大了战略性新兴建筑材料产业人才培养力度,有利于推动产业转型升级,促进高等学校从本科教育入手,加速教学内容、课程体系、教学方法和管理体制与运行机制的改革和创新.通过积极培养专业人才,满足国家和地方战略性新兴绿色建材产业发展对高素质人才的迫切需求.以社会需求为导向,做好课程体系的建设,拓展新兴学科,优化专业结构,有利于逐步构建与国家和地方经济发展相适应、特色鲜明、领域合理、结构优化的建筑材料产业人才培养体系.
编辑张效瑞
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