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在現代科學技術中，材料科學是國民經濟發展的三大支柱之一。近年來，我國在材料領域的發展突飛猛進。目前，國內眾多知名高校已經開設了材料科學相關專業，如清華大學、北京科技大學等開設了金屬材料學科；北京化工大學、浙江大學等開設了高分子材料；西北工業大學、中南大學等開設了材料加工學科等。2016年，合肥師范學院成功獲批了材料科學與工程專業，并開始招生。作為應用型高校，該學科的建設處起步階段，雖經過3年的教學實踐，但在專業課程設置、教學方法以及考核模式等方面存在很多的問題亟待解決。
1課程教學的問題剖析
材料科學與工程是研究材料的成分、組織結構、制備工藝和使用性能以及四者之間相互關系的學科，因而將成分、組織結構、制備工藝和使用性能成為材料科學的四要素，把四者聯在一起就構成了材料科學四要素的四面體結構，如圖1所示?！恫牧峡茖W基礎》這一門課程便是以材料科學四要素為主要內容，從教學要求出發，著重于基本概念和基礎理論，并引導學生應用理論解決材料工程中的實際問題。該課程中材料學知識十分復雜，理論性強，涉及大量的名詞、概念等等，要求學生具有扎實的數學、物理和化學基礎。而對于我校本科生而言，大多數同學數理化基礎比較薄弱且在學習該門課程之前并未系統的學習過無機化學、物理化學等課程，因此在教學過程中會產生一系列的問題，主要表現為以下幾個方面：第一，該課程的部分內容理論性強且難度大，涉及大量的數學推導過程和復雜的文字解釋，使同學們難以理解和識記，因而易產生抵觸情緒，教學效果不理想。第二，在國內大部分高校，包括我校，目前該課程的教學方式仍以板書與多媒體教學相結合的方式。這種教學方式以文字、公式推導和曲線圖為主，圖片、視頻等影音資料很少，使得學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。考試內容多以課本上的概念、定理以及理論計算為主，應用類題目較少涉及，因而難以達到指導學生應用已學知識解決實際工程問題的教學目標。第四，目前國內外材料科學發展更新迭代較快，新材料、新技術、新工藝層出不窮，書本上的內容較為有限，在教學上應用部分課時講授材料前沿發展方向及應用，為學生就業及科研提供參考，培養學生的創新思維。第五，材料科學具有理論知識與應用廣泛結合的性質，在教學上，應該適當培育學生們的科研及實踐能力。因此，基于以上教學經驗中出現的問題，結合材料科學的特點，本文將以“夯實基礎、注重應用”為指導，探索該課程在教學內容、教學方法和考核模式等方面上的優化設計。
2課程教學的改革措施
2.1夯實理論基礎
材料科學基礎涵蓋較多的基礎概念，這些概念與科學研究及實際應用都有深刻的聯系?；A知識的掌握程度對于學習材料科學非常重要。無論是前沿研究還是基礎應用，都需要有扎實的基本功。如利用高分辨透射電子顯微鏡研究材料結構時，需要掌握材料中原子排列的相關知識，包括晶面指數、倒易空間等；針對材料的拉伸或壓縮過程，需要掌握材料的彈性模量、屈服強度。同時，相關概念不僅僅只用于某一個領域，如關于材料結構，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。材料科學基礎的相關概念復雜難懂，且課時有限，教師在授課時應將相關概念的背景、定義及應用講清講透，確保學生理解和掌握，積累扎實的理論基礎知識。
2.2培養實踐能力
材料科學基礎是一門理論知識與實踐相結合的學科。其中，相關內容是從實踐的基礎上總結提煉得到的，如材料的相變，相圖的制作是根據各個成分及溫度下，進行熱處理得到的結果。本科生僅僅學習書本上的內容，很難建立起直觀的認識。在課程學習初期，教師應將材料科學基礎的理論知識與實際應用相結合、抽象概念與具體圖像相結合，以直觀性的事物或圖像引導學生對抽象性的理論進行掌握。如在學習晶體結構時，可用實物模型展示晶體的FCC、BCC等結構。在講解原子擴散時，提示學生通過想象構建原子在材料中運動的圖像。
同時，為使學生更加全面的理解所學內容，建議學校開設一定學時的實驗課程，如材料的熱處理過程、材料的力學性能、材料的微觀結構等等。使得在提升運用理論知識分析解決實際問題能力的同時，進一步鞏固自己的知識體系。此外，本學院的教師均有科研經歷，研究方向各有側重，如計算材料學、太陽能電池，催化、二維材料等等，有豐富的實驗經歷及理論知識。因此可以鼓勵學生在課外時間積極參與到教師的相關課題研究中，針對發現的問題，結合所學內容加以分析，進一步加深對知識的理解與應用。
2.3豐富教學方法
首先，科學合理控制每課時授課量。確保知識點高質量的被學生吸收，而非對學生進行數量上的灌輸。其次，調節授課內容的輸出速率。通過板書、調節語速等方式，在難點、重點如材料中的缺陷、擴散等知識點上講懂講透，使學生對所學內容充分吸納和梳理。再者，利用多種方法將相關概念實物化、圖像化。在學習材料的結構時，可以通過硬球模型展示材料中FCC，BCC等簡單晶體結構。在學習材料的力學性能時，可以利用多媒體技術，展示材料在受到壓縮或拉伸時的變形過程。此外，利用現狀網絡技術進行學習。利用微信、QQ等網絡技術，建立課堂內容學習交流群，以便及時上傳教學內容、作業，分享參考書目，解決問題等。讓學生充分利用課余時間主動學習，及時解決遇到的問題，進一步提高授課效率。
2.4把握學科前沿
近幾年，材料科學發展日新月異，前沿熱點難點時常更新，新材料、新技術、新工藝層出不窮。然而書本上的內容較為有限，針對材料科學的前沿進展，在課堂教學時應設置部分學時介紹材料科學相關進展，講授基礎知識在相關領域的應用，啟發學生的創新思維，為學生就業及科研提供參考。結合現有條件，可以邀請相關領域教師來校開展專題知識講座，講解本領域的研究現狀、前沿進展。授課教師也可以利用網絡技術，建立微信群或者微信公眾號，向學生推送材料領域最新的成果，文獻或者方法等等，營造良好的學習氛圍，培養學生對材料領域的興趣。
2.5完善考核方式
目前，對于材料科學基礎的評分方法，總成績中期末成績占到70%，平時成績占30%，其中在平時成績中平時作業占主要比例。由此可以看出最終成績主要取決于期末考試的成績，而平時成績主要取決于平時作業。結合教學經驗發現以下問題：①關于期末考試。僅僅只在期末考核一次，會造成學生在期末階段突擊學習，而忽視了平時的積累；②關于平時成績。平時作業在總分中占據20%左右的比例。學生往往偏重平時作業，而忽視其他課堂表現。教師難以對每個學生的課堂表現作出準確評價；③材料科學是一門實踐性和應用性較強的課程，在本課程的教學過程中缺乏相應的實踐課程。因此難以培養學生的實踐能力。鑒于以上因素，可以在材料科學基礎一課的成績評定制度上進行如下改進。
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。在檢驗前期所學內容的同時，及時發現問題并整改。將期中考試的成績按照一定比例納入到總成績中。在期末考試中，主要考核后期的學習內容，前期的學習內容也要有所涉及。其次，提高課堂表現的分值比例，建立周期性的課堂問答方法，如按照學號讓學生參與教學環節，確保至學習結束時每人都有機會能參與到課堂教學。對于主動提問，經常與教師討論問題的學生給予較高的平時成績。
二是設立相關實驗課程，考核實踐能力。材料科學是一門注重實踐的課程，書本上的知識點最終要運到到材料的實際性能、制備及應用上。紙上得來終覺淺，通過實踐考核可以綜合考查學生對于材料科學基礎知識點的掌握程度。如通過實驗方法畫制Fe-C相圖及分析合金的力學性能等。在畫質Fe-C相圖時，培養學生學會對FeC合金進行熱處理，得到不同成分下的合金相，并在顯微鏡下進行觀察、分析合金相的形成過程。在分析合金的力學性能時，培養學生學會如何對合金進行拉伸或者壓縮，并繪制應力應變曲線。進一步掌握根據得到的曲線分析合金的塑性變形、彈性變形及屈服強度等。
課程體系
材料學是一門試驗性科學，涵蓋金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、復合材料四個方向，材料科學與工程專業的學生，畢業后主要從事材料制備與加工的科研與生產工作，材料的多樣性，各種材料制備、加工方法千差萬別，材料工程問題就顯得錯綜復雜了，這就要求從這多種多樣的工程問題中提煉出各種材料制備與加工的共同涉及基礎問題，建立材料學學的平臺課程—材料工程基礎完整的知識體系。
“工程”是科學的某種應用，通過這一應用，使自然界的物質和能源的特性能夠通過各種結構、機器、產品、系統和過程，是以最短的時間和精而少的人力做出高效、可靠且對人類有用的東西。在現代社會中，“工程”一詞有廣義和狹義之分。就狹義而言，工程定義為“以某組設想的目標為依據，應用有關的科學知識和技術手段，通過一群人的有組織活動將某個（或某些）現有實體（自然的或人造的）轉化為具有預期使用價值的人造產品過程”。就廣義而言，工程則定義為由一群人為達到某種目的，在一個較長時間周期內進行協作活動的過程。又根據兩院院士師昌緒先生的定義：材料是人類制造生活和生產用的物品、器件、構件、機器或其他產品的物質。顯然，材料工程屬狹義工程的范疇，材料工程應為是有組織活動將自然的或人造的物質制造成生活和生產產品的活動或過程。因此，從這個定義出發，凡是材料制備過程中所涉及技術和方法問題都屬材料工程問題包括原材料的輸送、原材料精制、合成、產品精制、后加工、包裝、運輸等生產工序原理以及為完成上述工序的一些配套工序如生產過程中的傳熱問題、三廢處理問題。由于材料的多樣性，各種材料制備、加工方法千差萬別，材料工程問題就顯得內容龐大、錯綜復雜了，避開各種材料的制備的特殊工藝問題，各種材料在制備過程中所涉及的共同的基本原理應成為材料工程課程中的基本問題。我們以自編《材料工程基礎》為教學的教材，教授物質輸送原理及設備、熱量傳遞、質量傳遞，并對質量衡算、能量衡算、經濟衡算做簡單介紹。
教學手段
課程改革的目的是提高教學質量，提高教學質量是通過一定的教學手段得以實現的。材料工程基礎的教學擬采取小班教學的方式，除在知識點的傳授方面如基本公式的推導、理論的講解仍采用傳統的以教師授課為主方式外，在課堂教學中還采用一下的教學手段。
1 多媒體課件
當今的學生，從校門到校門，多數學生既沒有生活經驗，更無工程概念，要學好材料工程基礎這一工程類課程，老實說，有一定的難度，充分利用現代化教學手段進行教學，制作了多媒體課件，模擬實際生產工藝和流程，使抽象的概念具體化，復雜的問題簡單化，繁瑣的內容精煉化，實際問題形象化，為學生生動形象的理解生產原理和過程起了重要的作用。
2 討論式教學及設計演練
課堂設置討論課，引導學生探究各種材料制備過程中所共性問題，生產過程技術經濟評價問題，分層次布置工程設計任務，使學生能全面思考工程問題。例如在傳熱部分，進行板式換熱器的設計；在傳質的幾個章節中，吸收部分設計煤氣中苯類物質吸收工藝流程；精餾章節中，進行年產8000噸乙醇板式精餾塔工藝設計等。使學生初步了解設計程序與步驟：設計任務下達后，通過資料的收集，流程選擇，基本計算，確定工藝路線，確定生產設備大小，進行設備平面布置，完成設計任務。
3 雙語教學
隨著全球一體化進程的加速，在國際交流日夜頻繁的今天，語言顯得尤為重要。采用原版教材，雙語教學無疑能使學生掌握原汁原味的英語，為其日后的交流掃清障礙。更重要的是可以拓寬學生的國際視野、國際交流能力和競爭意識，同時可以吸引更多的留學生優質生源，提高國際化辦學能力。
能力培養
在互聯網時代，全民都面臨同樣的信息平臺，甚至我們的學生比教師有更好的計算機能力，輕點鼠標就可能獲得一門學科的基礎理論。這就給我們提出新的問題和面臨嚴峻的挑戰：在互聯網時代，專業課我們應該教學生什么以及如何教，培養學生那些能力。首先是收集信息的能力，現代社會是信息時代，大量信息資源都可以通過網絡共享，除此之外，還有大量的數據庫可以利用，掌握了信息資源，就是掌握了該學科的發展前沿。然后是自主學習能力，收集到信息，怎樣才能轉化為自己的知識，建立自己的知識體系這就需要培養學生嚴謹求實創新的科學思維與人格以及為科學獻身的精神和健康向上的學習精神；接下來是合作精神，隨著社會分工的越來越細，完成一個工程問題往往是一個系統工程，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，在教學中，有意識地培養學生分工合作是教育的一個重要組成部分，對本門課而言可以采用分組進行課程設計，同組同學之間分工協作，共同完成一個課題，已達到培養學生合作能力的目的。
評估體系
理論考試不在作為學業成績的唯一標準，可以從多層面進行評價如理論考試成績、課程設計成績、課堂討論成績、平時作業成績等。
結論
材料工程基礎課程改革是一個系統工程，需要執行者有強烈的社會責任感，從課程的內容體系、教學手段、能力培養目標，評價體系進行研究和探索，真正實現培養合格人才的教育目標。
參考文獻：
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[3] 王昆林.材料工程基礎 [M].北京：清華大學出版，2009，9.
“材料科學基礎”是材料科學與工程學科的主干課程之一,國內大多數院校都把該課程當作研究生入學考試課程。
對于這樣一門專業性很強的課程,教學改革一般是積極吸收學科領域內的新知識、新理論,使學生學到更加前沿的知識。我在此基礎上,另辟蹊徑,挖掘、提煉該課程中蘊涵的豐富哲學知識,從而使學生在專業知識學習的同時,還感受到哲學思想與哲學方法的魅力,將自然科學范疇的材料專業知識與人文科學范疇的哲學知識有機地結合起來。
一、哲學教學的困惑
從知識學習的角度講,本科生需要更加高深的專業知識和更為寬廣的學術視野。因此,本科教學的一般思路是加深、加寬專業知識。加深知識靠更為高深的專業理論,而拓寬知識則必須吸收最新的科技成果。
如果站在高于知識的思想與方法的角度上,則僅限于專業知識范疇是不夠的,還必須讓學生具備一定的哲學思想,掌握一定的哲學方法,從而應對專業以外的事物。因為在當今社會,純粹專業內部的事物是極少的,科學研究、生產實踐往往涉及其他學科的知識,往往需要處理人際事物。因此,從最高層面的哲學入手,來強化學生的素質非常必要。
然而,當我們把教育的視野延伸到哲學的高度時,就會發現一個令人困惑的難題,即哲學的巨大作用與這種作用很難實現之間的矛盾。也就是說,雖然哲學是人類知識形態的極致,但由于哲學非常抽象,因此教學難度非常大。不難看出,理工科中的哲學教學,既有巨大需求,又難以操作。
應該指出,目前理工科開設的“科學技術哲學”選修課程,是這方面的一種積極嘗試,該課程對于學生的哲學素養的提高確實起到了一定的作用。盡管如此,無論是從學時數還是從教學效果看,僅僅一門課程還難以起到太大的作用。同時,理工科學生趨于定型的學習習慣,也制約了該課程功效的發揮。例如,有些學生對于“科學技術哲學”不感興趣,有些則難以適應這類文科課程的教學方法。
凡此種種,都說明理工科哲學教學中所面臨的窘境。因此,要想突破這種狀況,我們就必須轉變觀念,另辟蹊徑,從而找到一條更加適合理工科的哲學教學之道。
二、“材料科學基礎”哲學概念的提煉
課程的教學基礎是知識的生成,沒有知識課程就無法生存。但是,要想在理工科專業課中實施哲學教學,僅僅有專業知識是不夠的,還必須把這些專業知識背后的哲學概念、方法提煉出來。下面以實例的方式展示理工科課程中哲學知識的提煉過程與結果,歸納提煉的方法。
1.牛頓第二定律的哲學意義。
牛頓第二定律本不屬于“材料科學基礎”課程范疇。之所以拿它作為例子,是因為該定律是自然科學的經典,所以人人都能夠理解。而直接選用“材料科學基礎”課程中的例子,由于專業性很強,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。根據語義流源理論,可以把屬于物理學的專有概念轉化為哲學表述。例如,f是外力,這是一種物理表述,但根據語義流源,外力退化為外界作用;m是質點質量,它也可以表述為事物的內在屬性,因為質點說到底還是一種事物,而質量是用來描述質點屬性的;a是質點加速度,它退化為事物的行為;“二”退化為關聯,因為“二”不過是關系(關聯)的一種特殊形式。
在完成了上述轉換之后,牛頓第二定律就有了哲學意味,其新的表述為:事物的行為既與其內在屬性有關,又與外界對于該事物的作用有關[1]。不難看出,這是一個典型的哲學規律,潘懋元先生提出的高等教育內外部關系規律,恰好是這一哲學規律在教育中的體現。換言之,自然科學的牛頓第二定律與教育學的高等教育內外部關系規律,具有哲學意義的統一性。
2.“材料科學基礎”中的哲學概念。
牛頓第二定律的哲學抽象不僅展示了一條哲學規律,而且展示了抽象過程的一般方法。按照這一方法,就可以處理“材料科學基礎”課程中的相關知識,以使它們上升到哲學的高度。同時,由于基本的提煉方法在牛頓第二定律中已經展示,因此在下面的例子中更多地介紹過程與結果,以避免過多的專業介紹帶來理解困難。
(1)晶體缺陷
它是材料學科中一個極為重要的概念,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。
從哲學的角度看,缺陷無非是一種新的物質存在方式。換言之,缺陷造成了物質存在的多樣性,而多樣性概念就屬于哲學范疇了。因此,材料缺陷的哲學抽象就是:事物以多樣性的方式存在,優于單一的存在方式。這個規律在自然界與社會領域都是顛撲不破的真理。
(2)凝固(相變)過程
在材料的凝固過程中,形核理論至關重要。該理論的基本預設是,在原來的液相中產生具有固相結構的小核心,且它們隨機出現、時聚時散。一旦過冷度足夠大,這些小核心就能長大,直至完全凝固。
從哲學的角度看,凝固形核現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定的,但它包含了新事物的“基因”,且一旦環境條件適合,這些“弱小稚嫩”的新事物就能由小到大、由弱變強,直至完全取代舊事物。
(3)界面平衡偏析
這個材料概念可以用來展示哲學認識論的一般程序,也就是邏輯學中的屬+種差理論。一般來說,一個新概念總是由幾個舊概念組合而成。在組成新概念的舊概念中,必有一個是基本的,而其他是從屬的。例如,知識經濟概念中,經濟是基本的,而知識是從屬的。邏輯學把這種處于基礎地位的概念稱為屬,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,平衡偏析無非是說這種成分差異處于熱力學穩定的狀態,因此稱為平衡。當我們建立了平衡偏析概念之后,它就成了新的起點,即新的屬,而相對于這個屬,界面就是種差。因此,界面平衡偏析就是:與界面有關的平衡偏析。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有演繹出什么哲學意味的東西,但對于它的認識卻能從方法的角度上升到邏輯學的層次,從而具有哲學意義的普遍性。
(4)規則溶液自由能表達式
在二元合金固溶體的自由能表達式中,學生的學習難點并不在表達式的數學形式。教學實踐發現,他們產生模糊認識的根源在于:該表達式說的是誰。
按著德國哲學家弗雷格的指稱理論[3],一個事物的認識與三個要素密不可分,即事物的名稱、事物的內涵和事物的所指,其中名稱與內涵很容易理解,而事物的所指(這是一個哲學專有名詞)是需要進一步說明的。按理說,認識過程涉及所指應該是常識,如黃山,它有名稱(就是黃山),有內涵(如險峻、秀美等),還有就是作為物質存在的那些花崗巖構成的山巒。因此,所指就是指向物質存在的,因此理解起來似乎并不難。但是,當某個所需認識的對象以抽象的、看不見的方式存在時,所指就不像黃山那么清晰了。在初學的過程中,所指往往被學生忽略,甚至是遺忘,而只記住三要素中的名稱與內涵。這種所指認識的缺失會帶來嚴重的問題,如把對象搞混。不難看出,弗雷格的指稱理論有助于強化學生的認識對象意識,而這種意識的強化在面對數學公式具有特殊的價值。
(5)相變定義
根據馮端院士的定義[4],“相變”指:“在外界條件發生變化的過程中物相于某一特定條件下發生突變?！钡?相變的定義也可以簡化為:凡是結構發生變化的過程都是相變。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化而帶來的粗略,是一個超越材料專業的問題,而知識范疇的超越本身就具有哲學的意味。顯然,這里涉及思想方法的問題,對于不同思想方法的認識與把握,恰恰是學生應該努力的新方面。這個問題的重心不在于孰是孰非的細節探討,而在于認識效率等更高的層次范疇。換言之,細節的是非判斷轉向了效率考量,這種價值標準的轉向對學生思維訓練具有重要作用。
三、“材料科學基礎”哲學概念的教學意義
從上面的論述看出,在材料專業知識中提煉具有哲學意味的概念與方法并非難事,其中的關鍵是思想觀念的轉換,具體就是從單純專業視野拓展到更為寬廣的哲學領域。站在哲學的高度重新看待“材料科學基礎”課程的教學,它有了新的意義和價值。
1.豐富了教學內容,深化了專業知識。
到目前為止,理工科專業課改革的思路重點在更新教學內容,具體方法是積極吸收新專業知識,反映學科的新發展。不難看出,這種改革的視野仍然局限在專業、學科的范疇之內。
因此,本文給出的哲學概念提煉的思路,是一種新的嘗試。按著這樣的思路,教學內容同樣得以豐富。同時,還可以深化課程的內容,如上面列舉的弗雷格指稱理論,屬種+差的認識理論,都具有很高的認知難度,這些哲學概念的學習會極大地深化課程內容。
2.建立了理解的新維度。
就本科生學習而言,理解的重要性遠大于高中生。從某種意義上講,理解是本科生學習的生命,而高中生的學習還帶有相當成分的記憶因素。因此,深化理解就成了本科生學習的當務之急。
但是,深入剖析理解概念會發現,理工科學生的理解視野是不夠寬廣的,他們的理解維度主要集中在以下幾個方面。首先是事實和自然科學定律,這是理解不可或缺的維度;其次是簡單邏輯,因為理解的過程往往是邏輯推理過程;最后就是數理方法,因為理工科中大量的知識是建筑在數理基礎上的。但是,僅僅把理解的視野向這些方面展開是不夠的,因為這些維度的綜合也不具備超越的功能和開拓創新的意味。因此,有必要把理解的維度進一步向哲學、方法論的層次展開,以便提高學生的理解水平,進而提高他們的思維能力。
3.開拓了通識教育的新視野。
在本科教學中,通識教育盡管非常重要,但它的實際操作卻一直令人困擾。其中的重要問題是不同門類的知識各行其是,結果是多而不通。本文提出的理工科知識的哲學提煉與教學,為解決這一問題的提供了新的思路,因為通識教育的終極價值在于一個“通”字,即融會貫通。但由于不同學科之間的天然差異,因此直接貫通是不可能的。但是,如果使不同學科的知識都升華為哲學概念,則在哲學層面就能實現貫通。
參考文獻:
[1]吳鏘.從博雅教育、通識教育到人文素質教育.南京理工大學學報(社會科學版),2004,1.
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?；瘜W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
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［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.
中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）07-0058-02
一、材料物理專業簡介
材料物理專業各高校定義不一，縱觀各大高校的描述，認為南京郵電大學[1]描述比較全面：材料物理專業培養掌握材料科學的基礎理論與技術，掌握現代材料科學研究方法，掌握材料性能與各層次微觀結構之間關系的基本規律，能從事各種材料應用基礎理論研究，傳統材料的性能改進與新型材料開發與研制，材料的合理使用和材料的檢測分析等工作的高級專門人才。能在材料科學與工程和相關交叉學科領域從事科研、教學、產品研發、生產技術或管理工作的具有理科素質及工科意識的理工復合型專門人才。本專業畢業生應具有以下幾方面的能力和素質：具備寬厚的數學和物理基礎，較好的計算機和電子科學技術基礎，人文社會科學基礎和外語綜合能力；系統掌握物理和材料物理基礎理論，基本實驗方法和技能；本專業學生繼續深造的方向有材料學、材料物理與化學、材料加工工程、微電子學與固體電子學、凝聚態物理、物理電子學、光學和半導體物理學等。本專業學生畢業后可以在材料、能源、電子、信息等諸多領域和交叉學科從事教學、科研、開發、設計和管理工作。主要研究方向有：固體微結構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，復合功能材料與智能結構，生物醫學材料及應用以及界面化學與功能陶瓷等。
二、材料物理人才培養的瓶頸
材料物理專業，一般屬于理學院或者材料工程學院下轄的專業之一，所涉及到的方面主要是材料的宏觀及微觀結構，尤其是微觀結構，材料的物理性能基本參數以及這些參數的物理本質。畢業生可能面臨的另外一個問題是，由于很多高校建立材料專業的背景不同，兼之材料科學作為專業名稱提出來，又不是很長時間的事情，造成很多用人單位不了解這個專業的畢業生究竟是做什么的。這也是導致這幾年材料物理專業越來越多的畢業生畢業后待業的一個重要的原因。眾多的因素阻礙著材料物理學生的發展，但是最主要的還是學生的專業課程設置，不同的教學安排會培養出完全不同的學生，最終的結果也會大不相同。
三、材料物理人才培養的趨勢
材料物理專業是材料科學不可或缺的重要組成部分。猶如支撐萬丈高樓的基石，材料支撐著人類文明。雖然材料物理專業目前遇到了很多的問題，但是幸運的是這些問題被教育者意識到了，現在很多學者都在探討材料物理專業以后的培養模式和方向。隨著科學技術的發展，材料正朝著微型化、功能化、智能化的方向發展。這也就意味著材料行業將迎來一次大的變革，相應的材料產物也會隨著變化?，F在頗為流行的納米材料、環境材料、電子材料、信息材料，大部分都是材料的物理性能在各個領域的應用。社會對人才的要求是各大高校培養學生的一個重要依據，雖然各個學校有自己的特色，但是面對瞬息萬變的局勢，各大高校還是打破框架，尋求發展。很多學校與時俱進，將材料學的重心由傳統材料開始偏向于新型材料，如：納米材料、復合材料、環保材料、電子材料等。從目前來看，在短時間內，各大高校的培養趨勢將會繼續朝著微型化、功能化、智能化材料方向發展，未來也會隨著科學技術的發展，跟上前沿科技，不斷更新培養計劃，培養出21世紀綜合型的人才。
四、武漢科技大學材料物理專業簡介
武漢科技大學理學院材料物理專業開辦于2001年，是一門材料學與物理學相交叉的學科，迄今已有6屆畢業生，材料物理專業在探索中發展。武漢科技大學材料物理專業培養適應現代化建設需要，具有遠大理想和良好思想品德，具有較深厚的數學和物理學基礎，掌握材料科學基本理論和現代材料科學研究與測試的基本方法，能在科學研究、科技服務、教育、工業、事業、社會服務等方面從事材料及其相關領域的研究設計、性能檢測、技術開發、質量管理等方面工作的應用型高級專門人才。然而隨著經濟的快速發展，工程教育的擴大，材料類專業教育進行了改革。武漢科技大學材料物理專業自2004年以來，也對教學進行了初步調整，但特色仍不明顯。2008年金融危機以來，大學生就業問題越來越嚴重，材料物理專業的發展也因此面臨著新的挑戰，對未來科學和教育趨勢面臨著新的思考。武漢科技大學材料物理專業就業率有降低趨勢，加入鋼鐵相關企業的畢業生也逐年減少，選擇考研的同學占大多數。
五、材料物理專業課程設置的特點
通過對國內多所名校的調研，給出了以下結論：名校的課程都由基礎課、專業課、必修課、選修課和實踐課組成。名校的課程設置都是緊密結合本校的特色，充分依托學校這個平臺，使專業的發展平臺更加寬廣同時有底氣。名校在設置課程的時候也會均衡各個學期學生的學習任務，學生的接受程度，盡量做到循序漸進，由淺入深，由易到難。所有的高校都步伐統一的把專業課放在了第五、第六和第七學期。但是調查表明學生并不希望太晚上專業課，特別是第七學期，大家都希望可以提前一些時間上專業課，使專業課上課時間同學生考研和找工作的時間分開。武漢科技大學材料物理專業的主要課程有普通物理、理論物理、固體物理、數學物理方法、物理化學、材料物理導論、材料科學基礎、材料研究方法、材料合成與制備、普通物理實驗、近代物理實驗、材料物理專業實驗等。我校材料物理由于成立得比較晚，所以成立的時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，但是過多的借鑒使我校的材料物理專業缺乏特色。我校的材料物理專業的基礎課就是一些最基本的知識，我有人有，人有我無。不過有一點也是值得欣慰的，就是我們的物理基礎比較牢靠。我們的專業選修課雖然很多，但是不受重視，安排的時間太晚。我們的專業課比較少，而且都是些入門的基礎知識，實用性不強。實驗很多，但是創新實驗比較少，都是些傳統的實驗，且在考核方式上要進行合理的改善。實踐課程安排得很好，這是我校的亮點?？傮w來說，我校的材料物理專業的課程偏理論，應用型的課很少，課程間的交叉太多，這樣造成我們的課程多而雜，缺乏特色，就業口徑窄。換句話說，我校的材料物理專業的整體設計顯得太過中規中矩，這樣的設置不會出錯，但是也缺少特色，缺乏亮點，所以我們的課程設置有必要進行一些改進。如何更好更有效地改進材料物理專業課程的設置將是我們下一步重點研究和討論的課題。
參考文獻：
[1]南京郵電大學.材料科學與工程學院專業介紹[EB/OL].http：///s/73/t/164/a/7915/info.jspy，2010-01-01.
[2]石敏，陳翌慶，許育東，等.論材料物理專業教學的改革[J].中國科教創新導刊，2009，（19）：73-74.
《材料科學基礎》課程是材料專業首要的專業基礎課,是學生全面進入專業領域、從基礎課到專業課的過渡課程。它具有概念多、學科知識面寬、應用基礎理論廣的特點,既包括基本原理,又涉及工程實踐應用,無論教師教起來,還是學生學起來都有相當難度。為了提高該課程的教學質量,必須改革教學內容、教學方式和優化教學手段并注重教學反思,在課堂教學中,積極探索適應素質教育需要的教學方法。
1.教學內容的改革
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”國家級規劃教材《材料科學基礎》,共有十二章:晶體學基礎、固體材料中的電子運動狀態、晶體缺陷、非晶態與半晶態、相圖、有序介質中的點缺陷和線缺陷、面缺陷和體缺陷、固體中原子的擴散、材料的形變、相變的基本原理、凝固、固態轉變。對于學生來說,通過這門課程的學習,目的是學習、掌握材料科學學科的基本概念、基本原理和基礎理論知識,建立起成分、結構與性能之間關系的基本思維模式。對于教師來說,教學的目的就是要幫助學生達到上述目的,正確地引導學生進入這一材料科學領域。為了達到上述目的,我對教學內容進行了增減。
增加的部分主要是與材料學教學內容有關的國內外最新的科技成果,緊跟當前科研前沿動態,介紹國際上一些最新成果和研究進展,學術界比較關心的熱點和難點、疑點問題,把當前國內外最新的研究成果融進教學中,增加教學的時效性。如學過“塑性變形”章節后,我在課堂上介紹了2004年度中國十大科技成果之一的“超高強度高導電性納米孿晶純銅”,通過這個成果,我把強度―結構材料的性能、導電―功能材料的性能、孿晶―材料的塑性變形性能和納米技術聯系在一起,讓學生把一個個孤立的知識點有機地結合,讓學生感受、理解某一知識、發明或創造產生和發展的過程,培養學生的獻身科研的精神和創新思維的習慣,同時又要求學生腳踏實地,知識的大廈是靠平時點滴的積累。
精講某方面知識的專題,如我把材料的強韌化與材料的缺陷理論知識構成一個小專題。學生在學習材料的缺陷章節時,感到枯燥,因為概念定義繁多,又抽象,如刃位錯、螺位錯、全位錯、不全位錯等,只有把它們放到材料強化的知識中去講才能賦予這些位錯以生命,滑移、攀移等這些概念才能被學生掌握。我在課堂上利用納米銅三氧化二鋁(Cu/Al2O3)復合材料的實例,讓學生知道純銅的變形能力優異。我在課堂上直接演示純銅管的變形,讓學生思考在銅基復合材料中銅的優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、沉淀強化、彌散強化等概念,加深了學生的認知程度。
由于課時是有限的,增加的教學內容占用了一定的課堂時間,因而必須減去一定的教學內容。我在教學的過程中刪掉了與具體制備工藝有關的內容,如鑄錠的凝固、熔焊及特殊凝固工藝、玻璃體的形成于晶化、聚合物的結晶、燒結過程、熱處理過程等。這些內容留待具體的專業課講授。
2.教學手段的綜合應用
當前我國高校普遍還是采取在課堂上“滿堂灌、填鴨式”的教學方式,這樣減少了學生自己閱讀、思考、消化的時間,使他們消極、被動地接受知識的單向輸入,導致繼承性有余,開拓性、創新性不足。本科生,特別是高年級的學生,都會認為教師“照本宣科”,不去上課業余時間自學也行,造成學生大面積“翹課”(當然學生“翹課”原因多種多樣,我只是從教師的主觀、自我反思的角度認識問題)。來上課的學生同樣抱有這個觀點,有的認為聽課沒意思,思想“開小差”,有的干脆上課講話,發短信,課堂一派“繁忙景象”。
我在教學中摒棄傳統教學方法,科學引進靈活的教學方法啟發教學,留給學生更多思考的空間和機會,加強方法的傳授,弱化知識灌輸。實施方法論教學,而非一味灌輸現成的知識,教師的主導作用主要表現在處處想方設法地啟發學生的思維,引起其興趣,有意識地留出“空白時間”讓學生以充分的思考、發問,而不是代替其談出問題的結論。同時教師要進行研究性教學,選取合適的研究性課題,合理設計教學進程,制定好研究方案,引導學生進行探索研究,研究成果撰寫成研究報告。
如何充分發揮學生在學習過程中的主動性、積極性和創造性,變被動學習為主動學習,變“讓他學”為“我要學”?我認為著力點是變革教師的思想、教學觀念、教學策略和教學方法,使教師由傳授者、灌輸者變為學生學習的組織者、指導者、幫助者和促進者。為此,我作了如下一些嘗試。
(1)課后習題的多樣性
除了常規的課后習題,用于鞏固當堂所學的知識外,我在每講一個新內容之前,先給學生講一、兩個生產中的實際事例,讓學生自己發現存在的問題,指出解決問題所需的理論知識,讓學生自己試著解決問題。這樣既可以培養學生的學習興趣和積極性,又可以啟發學生理論聯系實際的思維方式,還可以培養學生分析問題、解決問題的基本能力。例如在講“回復與再結晶”內容之前,先讓學生去了解“冷作硬化”的現象,讓學生自己體會怎樣不利用工具折斷細鐵絲,怎樣更容易讓銅管子彎等實際問題。讓學生帶著問題走進課堂,走進知識的海洋,這樣課堂的教學氣氛和諧,教師與學生的互動熱烈,教學效果理想。
(2)課堂教學中溶入科研
我認為教學與科研是高度統一的。教學能發現科研中存在的問題,科研能促進教學水平的提高,在這方面,二者并沒有根本沖突,而是互相幫助、互相提高的關系。科研對教學的促進作用是:一是科研充實教學的內容,教學內容的更新和深化的基礎是科研。我在材料學的教學過程中,書本上有一章節只是簡單涉及環境因素對凝固的影響,教科書中只是一筆帶過。由于我有相關的科研課題,在平時的實驗過程中積累了許多的經驗或者是彎路,便在課堂上列舉了一些因素,如溫度、濕度等,豐富了教學內容。同時也涉及地域對溫度的影響。在實驗條件中,經常會有“室溫條件”,我就具體到不同地域的“室溫條件”,講清實驗結論的差異所在。如某種金屬材料的性能在我國南部地區是能滿足零件技術要求的,而在我國北部地區就有可能不能滿足零件的技術要求。究其原因是環境溫度的差異。北部地區的冬天溫度,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變溫度區間,會發生脆性斷裂的幾率明顯增大。我通過講解自己的科研工作,不但培養了學生的科研欲望、獻身科研的精神,而且培養了學生做任何事情都要嚴謹、精益求精的作風。二是科研深化教學的手段和方法。教學手段和方法的創新和深化其基礎也是科研。教師通過科研,更能把握全局,以點帶面,避免“滿堂灌”,給學生更多的學習空間。教學也有利于科研的進一步深化,因為教學過程是一個師生互動和教學相長的過程,同時也是一個知識發現過程。教學是目的,科研是手段,要想把教學搞好,就要不斷研究教學內容和教學手段,否則教學就是蒼白、單調的,教師就是一位“教書匠”而已,而且有可能會誤人子弟。所以,要想結出甜美的教學之果,就要多進行科研方面的投入,根好才能葉壯,果實才有可能是豐碩的。
(3)多媒體的靈活使用
教師可以把理論教學與實踐教學有機地結合起來。在傳統的教學模式中,因教學手段落后,教師往往很難將理論與實踐有機統一起來。多媒體教學是利用計算機的主動交互功能,產生出新的圖文并茂、豐富多彩的人機交互方式,這種交互式的教學過程能充分激發學生的學習興趣,使學生產生強烈的學習欲望。例如,教師通過Flash等形象地演示點缺陷的產生、運動過程,有助于學生的理解。有的教師在一些課上從頭至尾都用多媒體,這樣用機器取代教師,對學生實施“目中無人”的教學,既違背了教學規律,又忘記了教師是教學的主導。計算機只能起到輔助教學的作用,教師應根據教學目標和教學內容選擇相應的教學手段,如公式的推導,我認為應該用板書較好,充分發揮教師在教學中的主導作用。只有將教師的主導性與多媒體的輔結合起來,才能獲得良好的教學效果。
《材料科學基礎》的教學實踐證明:上述課堂教學的一些做法,較好地體現了“學生主體,教師主導”的教學思想,不僅保證了每一個環節的教學任務落到實處,而且較好地調動了學生學習的積極性、主動性和創造性,達到了事半功倍的教學效果。
中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1006-0278(2011)10-098-03
現代高科技的競爭在很大程度上依賴于人才的培養，因而社會對人才的綜合素質提出了更高的要求。培養專業知識面寬、實踐能力強、具備創新精神的高素質人才，是高等院校義不容辭的責任，是歷史賦予的使命。近年來，為了全面推進素質教育，提升大學生的社會競爭力，學院以教學為中心，不斷深化課程教學改革，創新教學體系，取得了顯著的成效。實踐表明，課程教學改革是一項圍繞人才培養目標而展開的系統工程，需要學校各方面的支持、配合以及全體師生的共同參與。筆者結合本校的課程教學改革實踐對《材料化學》課程進行了定位，并討論了該課程教學方法和內容的改革探索與實踐。
一、材料化學的定位
(一)材料化學的定義
材料化學是一門研究材料的制備、組成、結構、性質、應用及其相互關系的科學，它是材料科學的一個重要分支，又是核心內容。材料化學是一門新興的邊緣學科，是在學科的生長和發展中互相交叉、互相滲透下形成的，是作為基礎學科的化學更直接地介入到材料科學中的一個具體體現。因此，可以說《材料化學》課程是化學基礎課和材料學專業課程之間的一個重要橋梁。
為打破原有專業劃分的界限，在制定《材料化學》的教學內容時，必須進行以加強基礎、拓寬專業知識面和加強實踐訓練為主要目的的課程改革；在課程建設中，必須結合實際，明確了《材料化學》課程的定位：通過對這一課程的理論學習，使學生在掌握材料化學的基本原理基礎上，學習運用基礎化學理論解決實際問題。
(二)材料化學教材的選擇
材料化學學科的著眼點是培養創新型人才，而課程教學是實現高素質創新型人才培養的重要環節，它對全面加強學生知識、技能、能力、創新精神和綜合素質培養有著舉足輕重的作用。隨著現代科學技術的快速發展與知識的不斷更新，教材的選擇是關鍵點。自從2005年開設《材料化學》這門課程，我國出版的教材在質上發生了一些微妙的變化。最早的教材是1994年廈門大學丁馬太教授出版的《材料化學導論》，該教科書還被復旦大學、西北大學等采用，但內容相對比較陳舊。其后，北京師范大學李奇老師主編了《材料化學》，上海交通大學唐小真教授主編了《材料化學導論》以及南京師范大學周志華教授主編了《材料化學》等。直到2008年，中山大學曾兆華老師根據自己多年的教學經驗和實踐體會出版了《材料化學》教材，前半部分涉及材料的制備、結構、性能等材料化學的基本內容，后半部分則以金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料四大類材料為主線，對不同種類的材料進行介紹，其中涉及各種現代先進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部組織結構之間的關系，這些內容與本課程以前的教學內容不謀而合?？傊?，教材是指引學生入門的工具，作為教師一定要把好教材關，找到適合自己學生的教材，方能做到事半功倍。
二、材料化學課程教學改革探索與實踐
雖然材料化學是一門理論性較強的專業基礎課程，但隨著材料科學的飛速發展，材料化學領域的研究成果逐漸得到應用。例如Motorola、保潔等公司每年都會招聘材料化學方向的人才到其研發中心進行新產品新工藝的開發。因此，從培養創新型人才角度來看，教學過程中應加強實踐性教學內容，增強材料化學理論知識與科研、生產實踐中的實際問題的聯系，從而提高學生綜合運用材料化學知識解決實際問題的能力，培養學生創新意識和創新能力。然而，由于受傳統教學方法的影響，其教學主要以教師、課堂、教材為申心教學模式。該模式過于依賴理論教學，由于材料化學綜合了材料學，普通化學等方面的內容，涉及的理論知識較為抽象，內容較為難懂，因此，單純地采取傳統教學模式，在授課過程中，教師很難將復雜的知識簡單化，把抽象的知識具體化，降低了學生對該課程的學習興趣。我們要培養創新型人才，就必須建立有利于培養創新型人才的教學體系，因此，進行材料化學課程的教學模式改革是十分必要的。
(一)教學方法與手段的改革探索與實踐
(1)采用循環式教學方法，加強理論與實際的聯系
科學地組織教學內容，采用循環式教學方法，使學生在學習理論知識的同時，加強能力的培養和訓練。在教學過程中，首先從生活或生產實際出發，讓學生了解一些材料的性能及應用知識，激發學生學習本課程的基本理論的興趣，再運用材料化學基本理論來解釋材料結構與功能之間的關系，凝煉出材料設計與制備的原理和方法，并以此原理和方法來設計和制各出有一定社會需求的新型材料。這種循環式教學方法既能提高學生的理論水平，又能培養學生解決實際問題的綜合能力。
2、實施三結合教學方式，營造生動活潑的教學氛圍
在教學中，我們采用自創三結合教學方式，即講解與討論相結合、講授與自學相結合、期末考試與平時小論文相結合。我們改革了傳統的“注入式”教學，建立了“啟發式”教學模式，采取“以學生為主體、教為引導”的方式，突出學生的學習主導地位。在教學過程中注意調動學生參與教學的積極_陛，隨時讓學生提出問題，然后大家共同討論，以此不斷提高他們分析問題的能力和對問題的理解、認知和表達能力。通過我們有意識地將講解與討論相結合，較大力度地變教師為主的傳統教學方式為教師與學生互動的教學形式。在教學過程中我們發現，最新的科研成果往往最能激發學生的興趣和開發學生的思維。因此在相應的章節教學中，我們會及時有效地插入一些最新的研究成果與數據，通過這種方式培養學生掌握學科最新發展動態和開拓知識的能力。
通過近幾年教學實踐表明，我們的教學方法在培養學生的新思維和新思路方面發揮了獨到的作用。通過三結合教學方式進一步鍛煉了學生解決問題的能力、表達能力、自學能力以及撰寫科技論文的能力，有利于學生綜合素質的提高。
3、豐富教學手段，提高學生的學習興趣
現代化教育技術的應用在很大程度上促進了教學手段的多元化，首先在參考其他學校相近課程課件的基礎上結合本課程的教學內容制作了《材料化學》電子課件。綜合運用圖片、動畫、文字等多種形式向學生提供豐富的感性材料，直觀而又形象地揭示事物的本質和內在聯系，有效地突破教學難點，提高課堂教學質量。例如在緒論部分，將材料科學發展的相關圖片做成課件在課堂上放映，使學生對本課程的發展、意義、主要內容有生動而深刻的印象；在納米材料章節中，一些納米材料的圖片能更形象、直觀，有效地幫助學生理解和掌握 知識點。此外，我們還充分利用flas直觀易理解的優勢，例如在材料的結構一章中，插入14種空間點陣結構模型，金屬晶體的3種典型堆積模型，晶體間隙的形成、缺陷和位錯的形成等：在材料的制各一章中，插入多個物理氣相沉積和化學氣相沉積裝置動畫；在無機非金屬材料一章中針對石英光纖的制各，插入了多幅動畫。在整個教學過程中，該課件產生了很好的教學效果極大地提高了學生的學習興趣。
另外，互聯網也是老師和學生、學生與學生之間交流的平臺，將主講教師的電子信箱告訴學生，學生可以給教師發電子郵件談學習、談思想，交流學習中存在的問題，以及學習、生活中的感受和困難，利用現代化的手段，拉近師生間以及學生之間的距離。
(二)教學內容改革探索與實踐
材料化學是從化學的角度研究材料的制備、組成、結構、性質及其應用的一門科學。它既是材料科學的一個重要分支，又是化學學科的一個組成部分，具有明顯的交叉學科、邊緣學科的性質，并且是材料科學的核心部分，具有明顯的應用理科性質，在理論和實踐上的重要性是不言而喻的。
1、優化課程結構
優化課程結構的重點在于突出理論知識的應用和實踐能力的培養，基礎理論教學以應用為目的，專業課教學強調針對性和實用性。在構建新的課程體系過程中一方面要規劃好專業的主干課程，另一方面以技術應用能力培養為主線，理順相關課程開課順序，加大實踐教學的比例，強化實踐性教學環節，實現理論教學和實踐教學并重。我院在課程設置上力求反映材料化學專業的培養目標、專業特點和培養要求，注意改變知識簡單任意拼湊、課程之間相互脫節的狀況，整個課程以通識教育課程、學科類基礎課程、專業必修課、選修課、跨學科任意選修課和實踐教學構成。選修課開設的原則是：有利于培養學生的一專多能、拓寬學生的知識面以及培養學生的實際工作能力和創新精神等。根據專業方向的不同，開設課程也有所區別。同時，結合專業特點，在課程體系中實施改革，增加人文教育內容，強化人文素質教育，促進專業教學質量的提高。
2、教學內容與特色學科建設相結合
材料化學以普通化學基礎和材料學理論為基礎，涉及的理論知識比較抽象，從學習的角度將，要求學生在學習過程中從宏觀的概念轉化到微觀。如從電子，原子、分子水平來理解材料的基本性能。因此，教學難度比較大，如果單純地采用單一的教學方式，會導致理論與試劑脫離，增加了教學難度，在一定程度上不利于培養學生對本課程的學習興趣。所以，在教學過程中，應該結合我院材料學科建設的特點，拓寬教材內容，結合我院材料學科的優勢和特色，在教學內容中融入我院金屬材料、無機納米材料的物理化學性能，以使學生更加容易接受，增強教學效果。同時結合材料的最新研究動態，理論聯系實際地將新興材料的最新進展向學生介紹，從而提高學生學習的興趣和實際應用能力。
3、教學內容體現材料化學專業人才的培養方案
針對材料化學課程特點，依托學科特色，圍繞培養和造就富有創新意識和能力的寬口徑、厚基礎、高素質、顯個性的人才培養理念并結合本專業現有的教學科研條件，對材料化學學課程進行了改革和探索。材料化學教學內容的選材要體現基礎寬、起點高、內容新、知識活的原則，強調從化學角度提出問題、分析問題、解決問題的方法和思路。教學內容應讓學生了解材料學科的概況和發展趨勢；了解材料制各過程中的化學現象和反應特征；了解所制得材料的形貌、物相和物理化學性質之間的關系：掌握材料制備過程中的化學原理與方法：了解材料的化學改性方法和新材料設計和開發的研究方法，同時也要培養學生的創新思維、創新意識、創新能力和創新精神。實踐證明，通過改革，學生的實踐能力、創新能力和綜合素質明顯得到提高。
(三)教師隊伍的建設
現代制造工業在行業發展中呈蒸蒸日上的發展新趨勢，并受到業界的廣泛關注，為工業發展作出巨大的貢獻。制造業的材料成型與控制工程方面的技術發展，同時也是業內十分關注的內容之一，我們從其技術發展特點入手屁，實現進一步分析和探究。
一、材料成與控制工程模具制造技術分析探討
材料成型與制造中講究技術發展，從效益、節能、生產速率等方面考慮進一步探討研究，下面以奇瑞A21汽車中支板產品圖的制造技術方面進行分析探究。
（一）金屬材料成型與控制工程加工技術
1技術材料一次成型加工技術
擠壓：在置于模具內金屬坯料的端部加壓，使之通過一定形狀、尺寸摸孔，產生塑性變形，獲得與?？紫鄳男螤畛叽绲墓ぜ?。
特點：塑性好、不易變形
拉拔：在置于模具內金屬坯料的前端施加拉力，使之通過一定形狀、尺寸的摸孔，產生塑性變形，獲得與?？紫鄳男螤畛叽绲墓ぜ?/p>
特點：變形阻力比擠壓小，但對材料塑性要求高
軋制：金屬通過旋轉的軋輥受到壓縮產生塑性變形，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，通常需要加熱實現。
自由鍛造：在錘或壓力機上，通過砧子、錘頭或其它簡單工具對金屬坯料施加壓力，使之產生塑性變形，獲得所需形狀、尺寸的工件。
特點：不用模具，易變形，簡單的工件形狀。
模型鍛造：坯料在錘或壓力機上，通過模具施加壓力，產生塑性變形，獲得所需形狀、尺寸的工件。
特點：需要模具（鍛模），變形阻力大，工件形狀可以比較復雜。適于大批量生產，制造中小型件。
2.2沖壓：金屬板材在壓力機上通過模具對金屬板材施壓，使之產生塑性變形或分離，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的芯模上并隨芯模轉動，借助旋輪對工件施壓使其產生塑性變形并獲得所需尺寸、形狀、性能的工件。
特點：工藝力小，大小件均適合，模具相對簡單，生產效率較低
奇瑞A21汽車中支板產品工藝方流程例圖下：
2.4焊接：焊接是通過加熱或加壓，或者兩者并用，使焊接件達到原子結合。
焊接分類：
①熔化焊：焊接過程中，將焊件接頭加熱至熔化狀態，不加壓力完成焊接的方法。
②壓焊：焊接過程中，對焊件施加壓力（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低的金屬做釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點、低于焊件熔點的溫度，利用液態釬料潤濕焊件，填充接頭間隙并與焊件材料相互擴散實現焊接的方法。
（二）非金屬材料成型與控制工程加工技術
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口模，冷卻固化后，獲得具有與口模相應形狀的制件。
塑料變化過程：塑化（加熱、剪切摩擦）-成型-冷卻固化定型
特點：①連續化生產，效率高，質量穩定；②應用范圍廣；③設備簡單，投資少，見效快；④生產環境衛生，勞動強度低；⑤適于大批量生產
2注射成型
原理：將塑料原料在注射機中加熱熔融，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：生產速度快、效率高，操作可自動化，能成型形狀復雜的零件，特別適合大量生產。
3壓制成型
定義：塑料在閉合模腔內借助加壓、固化成型的方法。也稱模壓成型或壓塑。
特點：可壓制較大平面塑件或一次壓制多個塑件塑件收縮小、變形小、各向性能均勻、強度高沒有澆注系統，料耗少其缺點是生產周期長，效率低。
二、現階段材料成型加工技術的發展趨勢
（一）精確成型加工技術
現階段精確成型加工技術在國內外被廣泛應用。特別是在汽車制造工業方面精確成型加工技術應用更加廣泛。例如汽車工業中的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
隨著國際經濟市場競爭的不斷加劇，產品開發速度受到制造工業界的廣泛關注，為了適應時展的潮流，快速及自由成型加工技術備受關注并活躍起來。
（三）材料加工制造過程的模擬和仿真
時代不斷變化，除實驗和理論外計算材料科學成為解決材料科學中實際問題的第3個重要研究方法。它比理論和實驗做得更深刻、更全面、更細致，可以進行一些理論和實驗暫時還做不到的研究。所以，材料加工制造的仿真技術和模擬技術成為時下研究的熱點。
綜上所述，材料成型與工程控制方面技術研究與不斷創新，更加有利于機械制造工業的不斷向前發展。由上述案例和技術特點介紹分析我們不難看出，技術的不斷革新應順應時展的潮流，現階段是以速度取勝的時代，科學技術的突飛猛進和尖端人才的不斷培養是企業和國際競爭得以致勝的法寶。故而，材料成型工藝應以變化發展和不斷創新來實現其市場發展的不敗地位。
參考文獻：
中圖分類號：V267 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）01-0293-02
飛機客艙玻璃，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，它是發生在玻璃表層并且寬度不可測的細小裂縫，這種狀態屬于微觀裂紋。
有機玻璃線膨脹系數比金屬材料相差很大，如果安裝在金屬骨架內的有機玻璃沒有足夠的熱間隙，材料膨脹收縮受到限制，也會產生應力集中，這種應力及使用應力將加速裂紋的擴展。
高分子聚合物的疲勞破壞機理在拉應力作用下，由于非晶態聚合物的表面和內部會出現銀紋，因此，不同結構的聚合物疲勞破壞機理也有差異，易產生銀紋的非晶態聚合物的疲勞破壞過程主要決定于外加名義應力。高循環應力時，應力很快便達到或超過材料銀紋的引發應力，產生銀紋，并隨之轉變成裂紋，擴展后導致材料疲勞破壞；中應力循環時也會引發銀紋，并轉變為裂紋，裂紋擴展速度比高應力區低，但機理、過程相同；低應力循環時因難以引發銀紋，由材料微損傷累積及微觀結構變化產生微孔洞及裂紋，并導致宏觀破壞。
飛機從地面到空中又回到地面的循環過程，被稱為飛行循環。在每一次飛行循環中，飛機將承受溫度的變化，這是從地面常溫到升空后降到-36℃至-55℃的冷熱變化；同時飛機還將承受機械應力變化，這是從地面的正常大氣壓力到升空后的機外壓力降低引起的壓力變化。客艙玻璃是由內外層玻璃組成的套件，外層復合材料的有機玻璃在受到溫度變化和機械應力變化的反復循環中將承受熱疲勞和機械疲勞，然后逐步產生銀紋。有機玻璃零件中存在大的內應力及裝配時應力過高，也會誘發銀紋甚至裂紋。
銀紋是復合材料的有機玻璃發生失效的先兆，是復合材料的有機玻璃發生疲勞破壞的必然過程，如果不采取有效措施消除隱患可能會造成嚴重的安全后果。英國在1954年就發生過因類似原因引發的空難。盡管在這幾十年間高分子聚合物的研發得到了長足的發展，復合材料的有機玻璃壽命也不可同日而語，但銀紋的形成并最終發展成裂紋導致宏觀破壞依然是是客觀存在的。應用到飛機上，則是由于客艙外層玻璃破損導致座艙失密的隱患也是客觀存在的。
如何在維護工作中消除銀紋所帶來的安全隱患呢？首先應按照飛機制造廠家的相關文件制定定期的檢查計劃，國航的維修計劃中規定每24個月或4000飛行循環對玻璃進行檢查，別的航空公司也有類似的維修計劃；其次要對銀紋的特點有詳細的認知并應用到實際工作中。銀紋的初始階段會呈現細小的密密麻麻的點狀，肉眼看起來是很多細小的白點（圖1），這是該舷窗疲勞（熱疲勞+壓差疲勞）失效的先兆，這最初的點狀會逐步發展為微觀裂紋，從而形成銀紋。在充分照明的條件下，變換光源角度，如果發現有銀色反光，就可確定銀紋已從其初始階段演變為銀紋了；最后就是必須采取有效措施消除隱患。每個飛機制造廠都有相應的更換和修理標準。
以波音為例，根據波音手冊AMM56-21-00的要求，玻璃允許出現銀紋，當銀紋深度達到手冊標準才更換，即邊緣的銀紋深度超過0.03英寸，中央的銀紋深度超過0.05英寸（圖2-1和圖2-2）。但銀紋深度的測量必須有特殊工具并且要在拆下的狀態下測量才準確，這對于航線維護來說，測量工作的不可操作性較大，因此在維護工作中一旦確認有銀紋存在，最簡潔有效的措施就是將其更換，拆下的玻璃送廠修理。銀紋可以通過打磨去除，只要打磨后的玻璃剩余厚度超過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程中，工作者往往可能會擔心漏氣而將內外層玻璃進行緊配合安裝，這種做法是錯誤的，必須按飛機制造廠家手冊或部件制造廠家手冊中的標準施工程序完成組裝，避免因裝配時應力過高，誘發銀紋。
對于航空公司來說，客艙玻璃銀紋損傷的安全性問題來自于日常維護中該損傷易被忽略且不太容易被發現，從而錯過最佳維護時機導致埋下了安全隱患。但這種情況并非不能避免，只要對銀紋有了足夠的認知并在日常工作中嚴格執行相關規定和檢查標準，這一安全隱患完全可以消除。
參考文獻：
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[2]BOEING 737-FTD-56-11004： Passenger Window Outer Pane Cracks and Departures.
具體指標體系如表1所示。此次評價在往年31個排行榜的基礎之上，又增加了網絡影響力排名。具體的排行榜分別為:國家(地區)科研競爭力排行榜、世界大學科研競爭力排行榜、世界大學與科研機構分22個學科的科研競爭力排行榜(即農業科學、生物學與生物化學、化學、臨床醫學、計算機科學、經濟學與商學、工程學、環境科學與生態學、地球科學、免疫學、材料科學、數學、微生物學、分子生物學和遺傳學、綜合交叉學科、神經科學和行為科學、藥理學和毒物學、物理學、植物學與動物學、精神病學與心理學、社會科學總論、空間科學)、世界大學科研競爭力分8個基本指標排行榜(即收錄論文數、論文被引次數、高被引論文數、進入排行學科數、發明專利數、熱門論文數、高被引論文占有率、網絡影響力)。RCCSE世界大學評價報告還給出了世界一流大學和世界一流學科的界定，從而可以幫助讀者充分認識學校及其學科發展的準確定位。評價結果中，前600名(即位居全世界前5‰的大學)定義為世界高水平大學，同時結合國內外一些大學對自己的定位與規劃，又將世界高水平大學分為三個檔次:前100名為世界頂尖大學;101～300名為世界高水平著名大學;301～600名定義為世界高水平知名大學，其中世界頂尖大學和世界高水平著名大學稱為“世界一流大學”。至于世界一流學科的界定，主要根據所評22個學科的不同評價單位在相應學科中的排名情況而進行劃分，其標準為某學科排名前10%內的科研單位為該學科世界一流學科，世界一流學科也劃分為三個檔次:某學科前1%(含1%)的科研單位的學科為世界頂尖學科;1%～5%(含5%)為世界高水平著名學科;5%～10%(含10%)為世界高水平知名學科。
二、中國高?？傮w世界一流水平建設分析
(一)進入ESI排名高校數量變化情況
每年RCCSE世界大學評價報告均是以美國《基本科學指標》ESI數據庫中近11年來論文總被引次數排列在前1%的大學和分22個學科中大學和科研機構近11年來論文總被引次數排列在前1%的學科為總體的評價對象。但是由于ESI統計數據的變動，該評價的對象也隨之有所變化，具體如表1所示。由于最初開展的兩次世界大學評價還處在探索階段，加上前期人力、物力的限制，對于評價對象中的同機構不同名稱標注的情況，未能詳盡的合并、更正，因此出現機構數量相對較多的情況。而在后來的三次評價中，都盡力解決這一問題。不過，評價對象數量逐漸增長的事實不可以否定，同時中國進入ESI科研競爭力排行的高校數量也日益攀升，這一點很值得欣喜。
(二)國家(地區)排名變化情況
在2005－2012年這7年內的5次評價中，均設置了“國家(地區)科研競爭力排行榜”，主要是對排名前30位的國家或地區情況進行分析評價。我們對這5次評價中中國的總體排名變化情況進行統計(如表2所示，其中“”表示上升，“”表示無變化，“”表示下降，表3、表5亦同)，發現中國大陸一直處于排名上升的狀態，從22位一路躍升至第6位;中國香港地區在這期間排名有上升、有下降，但總體相對穩定，一直保持在21名左右，這可能與其學校數量有關，在7年內，該地區進入評價的學校數量僅增加1所，對排名的影響也就不是很大;中國臺灣地區與大陸地區類似，排名變化與進入評價的學校數量變化正相關，排名由26位上升至13位?？傮w可見，中國在世界水平的科研競爭力發展中整體成效卓著。具體對中國大陸地區科研實力各指標在前30強中的排名變化情況進行統計(如表3所示)，發現中國大陸發文、論文被引、熱門論文、高被引論文數等方面上升迅速，目前均已進入世界前10強的行列;專利數一直是中國大陸在世界各國或地區科研實力競爭中的強項，一直保持在前10名以內，并由2007年的第8位迅速躍升為目前的第3位，實力可見一斑。但是，在各項絕對指標飛速攀升的同時，高被引占有率這項相對指標(高被引論文數量與發文數量的比值)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量的提升速度并未跟上論文數量增加的步伐，也警示中國在提升科研競爭力的進程中，莫讓數量掩蓋質量，而要注重優秀人才的培養和儲備，加強高質量論文的產出，從而真正提升國際影響力和世界科研競爭力。
三、中國高校之世界一流大學建設進展
(一)中國高校科研競爭力總體排名變化情況
通過前文闡述，我們已經發現中國高校在世界水平上的數量可見度已經越來越高。接下來，具體分析一下這些進入世界大學排名的中國高校整體排名情況。對世界一流大學(前300名)中中國高校名次分布情況分析(表4)可以發現，中國不僅在進入ESI排名的總體學校數增加，同時進入世界一流大學行列的學校數也不斷提升。大陸由最初的3所學校增加到9所，中國香港和中國臺灣目前分別有2所和4所，它們分別是:北京大學(72)、清華大學(84)、浙江大學(94)、上海交通大學(122)、復旦大學(172)、南京大學(203)、中國科學技術大學(215)、中山大學(273)、武漢大學(295);香港大學(121)、香港中文大學(170)、香港科技大學(261)、香港城市大學(296);臺灣大學(71)、臺灣成功大學(202)。中國高校處于世界頂尖水平的已有4所，其中大陸有3所，可見高水平大學建設已初具規模。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爭實力的改變而發生變化。我們對RCCSE公布的2012年中國大陸高校排名前10的學校在歷年世界大學評價中變化情況進行統計(表5)發現，中國一流大學在世界大學排名中多呈現穩步上升的局面，雖然個別學校在2009年有下降的現象，但是總體上升幅度較大。目前在中國大陸前10強已有8所進入世界一流大學的行列，國內排名前3的北京大學、清華大學和浙江大學也榮升世界百強(即世界頂尖大學);中山大學和武漢大學的提升幅度最大，都由600名以外逐步發展進入了世界一流的行列;相比之下，南京大學的發展進度略顯緩慢，有待進一步提升。
(二)中國高?？蒲懈偁幜Ψ种笜伺琶闆r
為了進一步探究中國高?？蒲懈偁幜μ嵘c世界一流大學發展的脈絡，并尋找其中的關鍵因素，我們對2012年世界一流大學行列內中國高校分指標排名情況進行了統計分析(表6)，發現中國高校中最有優勢的科研指標在于發文數和專利數，部分學校的網絡排名情況也值得肯定。但是這些優勢還很微弱，而且不夠穩定，在能夠真正充分體現科研競爭力的主體指標實力方面，如總被引、高被引和熱引等質量型指標上仍有很大欠缺，需要引起教育監管部門、高校管理者的廣泛重視，加大力度，提升科研質量建設，只有這樣才能保證中國高校在世界上的科研競爭地位。通過以上分析，我們還注意到中國科技大學作為國內高校排名中逐漸下跌的一所重點高校［11］，其科研力量不容小覷。它自2005年以來，一直處于世界一流大學的行列，并已在8個學科進入ESI排名，其中化學、工程學、材料科學和物理學均已進入世界一流學科的行列(即排名前10%)，在國內的專業優秀率也居于領先地位?？梢哉f這個“短小精悍”且容易被人忽視的國內重點高校，在世界一流大學的進程中甚至超過了排在它前面的很多知名高校，也是這些學校在國際化進程、世界一流化建設中的榜樣。
四、中國高校之世界一流學科建設進展
(一)學科總體發展情況
世界一流大學的建設離不開世界一流學科的創建與發展。我們對中國進入ESI排名學科總數變化情況進行統計(如圖1所示)，發現中國大陸從最初的16個學科已經發展到目前在ESI分設的22個學科的全部進入，這是一個很大的突破，非常值得肯定。但是詳細分析后發現，中國大陸高校真正進入排名的卻只實現了由9個到19個學科的發展，增加了10個學科，但仍然在免疫學、綜合交叉學科和空間科學3個學科處于空白，這也是中國香港和臺灣同樣面臨的問題，這便是中國高校在世界一流大學與學科建設進程中所要攻克的重要難關之一。另外，從各地區內世界一流大學進入ESI學科排行的平均學科數統計情況看(如表7所示)，在連續5次評價中，中國的平均學科數均低于世界平均水平。不過令人欣喜的是，中國三個地區的平均學科數增長速度較快，尤其是中國大陸由最初的5．67增至11．11，已經逐漸縮小了與世界平均值的差距，但仍需繼續努力，向世界高水平國家看齊。雖然22個學科均有中國大陸的大學或科研機構進入ESI排名，但是對于每所大學或科研機構而言，進入ESI學科排名的學科數量卻參差不齊。絕大多數中國大陸大學都只有1～9個學科進入ESI排名。除了中國科學院在20個學科均有進入以外，重點高校情況也相對較好，大陸排名前6強的高校均有10個以上學科進入，且都有排名前10%的學科存在，尤其是前3強的北京大學、清華大學、浙江大學均有4個世界一流學科(表8)。同時重點高校仍然能夠呈現與國內排名類似的文史綜合類院校學科廣而全、理工類院校學科少而精的特點。這也在一定程度上說明中國國內高校發展策略與世界一流大學建設進程規劃不謀而合。國內教育教學質量的提升可以促進世界一流大學與學科的建設，科研競爭力國際化水平的提升亦可推進整體實力不斷加強。
(二)優勢與劣勢學科分析
從進入ESI排名的學科數量和具體排名情況看，中國高校在數理化生等基礎學科領域占有相當優勢。2012年的評價結果顯示，中國大陸高校的農業科學、化學、工程學、地球科學、材料科學等14個學科都進入了世界一流學科的行列，尤其是生物學與生物化學、化學、工程學、環境科學與生態學、地球科學、材料科學、物理學和植物學與動物學等8個學科還有頂尖機構存在，不過除了清華的工程學，其他所有的頂尖學科機構均被中國科學院獨攬。同時在科研機構的統計中，中國科學院在發文量、被引總量、熱門論文數、高被引論文數和進入ESI學科數5個指標上都名列前茅，這些都深刻印證了它作為國內第一研究巨頭的科研競爭實力。另外，總排名前10位的世界一流大學其學科都很齊全，并且每個學科影響力都很大，如哈佛大學有15個學科位于世界前10強，斯坦福大學有9個學科位于世界前10強。中國大陸高校只有北京大學的數學和清華大學的計算機科學、工程學和材料科學3個學科排在世界前10位，其他高校在世界前10強的學科領域則仍然處于空白，這也在一定程度上說明中國大陸高校在學科建設上仍然表現較弱。縱覽2005－2012年5次世界大學評價結果，中國大學或科研機構總體上在化學、計算機科學、工程學、材料科學、數學、物理學等學科上的優勢相對明顯，但也呈現出學科建設相對集中的現象:優勢學科愈益強大，劣勢學科發展緩慢。因此，在發展這些優勢學科的同時，高校管理人員、教育發展監管人員也要注意到在分子生物學與遺傳學、經濟學與商學、精神病學與心理學、空間科學、免疫學、社會科學、神經科學與行為科學以及臨床醫學這8個學科中，中國大陸還沒有高校進入世界一流學科的行列，這也正是我們的劣勢所在，急需加大投入，力爭消除劣勢，平衡發展，爭創全面一流?？傊?，要真正實現與世界一流大學與學科的接軌，中國大陸的科研創新和學科建設仍任重道遠。
本論文為6腿機器人控制系統研究與設計，采用了1種分層控制系統結構，采用1點對多點的串行通信模式。論文對單關節控制器的數學模型進行了簡單研究并采用PID控制算法對關節的位置控制進行控制。完成了基本的硬件設計，包括主從控制器的設計，主從通訊設計，延時及驅動電路的設計，傳感器及其信號處理的設計。在軟件設計方面，給出了主從通訊，步態算法的軟件實現程序框圖。
關鍵詞：6腿機器人、Motorola MCU、PID控制、主從通訊、編碼器、步態
第1章 緒論
1.1 課題的研究背景及意義
機器人學是迅速發展的交叉性學科，但世界各國對機器人的定義各不相同，聯合國標準化組織采納美國機器人協會給“機器人”下的定義:“1種可以反復編程和多功能的，用來搬運材料、0件、工具的操作機；或者為了執行不同的任務而具有可改變的和可編程的動作的專門系統”。
機器人技術成為高科技應用領域中的重要組成部分?？梢灶A言，機器人技術具有廣闊的發展前景，它正向著具有行走能力、對環境的自主性強、具有多種感覺能力的智能機器人的方向發展。機器人技術的進展與其在各個領域的廣泛應用，引起了各國專家、學者的普遍關注。許多技術先進國家均把機器人技術的開發、研究列入國家高科技發展計劃，進行大力研究。機器人學作為1門邊緣學科，成為當前高科技發展的前沿學科，它與高等動力學、材料科學、近代電子學、計算機科學、自動控制理論與系統、傳感技術、人工智能、仿生學、系統工程等學科關系密切，相互滲透，共同發展。機器人的要害是自動控制，是計算機與人工智能的結合，它解決CAD, CAM, CAE等1系列問題。機器人先進程度和功能的強弱，通常直接受到其控制技術的影響。由于機器人動力學模型具有變參數強耦合、高度非線性的特點，機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構運動學和動力學分析、感知能力與伺服技術。現代控制理論的發展、高級控制策略的探求，新1代計算機的出現與人工智能開發將給機器人技術帶來新的生機。
機器人學是迅速發展的交叉性學科，但世界各國對機器人的定義各不相同，聯合國標準化組織采納美國機器人協會給“機器人”下的定義:“1種可以反復編程和多功能的，用來搬運材料、0件、工具的操作機:或者為了執行不同的任務而具有可改變的和可編程的動作的專門系統”。
