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在现代科学技术中，材料科学是国民经济发展的三大支柱之一。近年来，我国在材料领域的发展突飞猛进。目前，国内众多知名高校已经开设了材料科学相关专业，如清华大学、北京科技大学等开设了金属材料学科；北京化工大学、浙江大学等开设了高分子材料；西北工业大学、中南大学等开设了材料加工学科等。2016年，合肥师范学院成功获批了材料科学与工程专业，并开始招生。作为应用型高校，该学科的建设处起步阶段，虽经过3年的教学实践，但在专业课程设置、教学方法以及考核模式等方面存在很多的问题亟待解决。
1课程教学的问题剖析
材料科学与工程是研究材料的成分、组织结构、制备工艺和使用性能以及四者之间相互关系的学科，因而将成分、组织结构、制备工艺和使用性能成为材料科学的四要素，把四者联在一起就构成了材料科学四要素的四面体结构，如图1所示。《材料科学基础》这一门课程便是以材料科学四要素为主要内容，从教学要求出发，着重于基本概念和基础理论，并引导学生应用理论解决材料工程中的实际问题。该课程中材料学知识十分复杂，理论性强，涉及大量的名词、概念等等，要求学生具有扎实的数学、物理和化学基础。而对于我校本科生而言，大多数同学数理化基础比较薄弱且在学习该门课程之前并未系统的学习过无机化学、物理化学等课程，因此在教学过程中会产生一系列的问题，主要表现为以下几个方面：第一，该课程的部分内容理论性强且难度大，涉及大量的数学推导过程和复杂的文字解释，使同学们难以理解和识记，因而易产生抵触情绪，教学效果不理想。第二，在国内大部分高校，包括我校，目前该课程的教学方式仍以板书与多媒体教学相结合的方式。这种教学方式以文字、公式推导和曲线图为主，图片、视频等影音资料很少，使得学生上课期间缺乏兴趣，难以集中注意力；第三，该课程的考核模式以考试为主，且占比很大。考试内容多以课本上的概念、定理以及理论计算为主，应用类题目较少涉及，因而难以达到指导学生应用已学知识解决实际工程问题的教学目标。第四，目前国内外材料科学发展更新迭代较快，新材料、新技术、新工艺层出不穷，书本上的内容较为有限，在教学上应用部分课时讲授材料前沿发展方向及应用，为学生就业及科研提供参考，培养学生的创新思维。第五，材料科学具有理论知识与应用广泛结合的性质，在教学上，应该适当培育学生们的科研及实践能力。因此，基于以上教学经验中出现的问题，结合材料科学的特点，本文将以“夯实基础、注重应用”为指导，探索该课程在教学内容、教学方法和考核模式等方面上的优化设计。
2课程教学的改革措施
2.1夯实理论基础
材料科学基础涵盖较多的基础概念，这些概念与科学研究及实际应用都有深刻的联系。基础知识的掌握程度对于学习材料科学非常重要。无论是前沿研究还是基础应用，都需要有扎实的基本功。如利用高分辨透射电子显微镜研究材料结构时，需要掌握材料中原子排列的相关知识，包括晶面指数、倒易空间等；针对材料的拉伸或压缩过程，需要掌握材料的弹性模量、屈服强度。同时，相关概念不仅仅只用于某一个领域，如关于材料结构，即可用于分析材料的相变，又可用于分析二维材料的电磁性能。原子的扩散，即可用于研究金属的热处理，又可用于研究锂离子电池。材料科学基础的相关概念复杂难懂，且课时有限，教师在授课时应将相关概念的背景、定义及应用讲清讲透，确保学生理解和掌握，积累扎实的理论基础知识。
2.2培养实践能力
材料科学基础是一门理论知识与实践相结合的学科。其中，相关内容是从实践的基础上总结提炼得到的，如材料的相变，相图的制作是根据各个成分及温度下，进行热处理得到的结果。本科生仅仅学习书本上的内容，很难建立起直观的认识。在课程学习初期，教师应将材料科学基础的理论知识与实际应用相结合、抽象概念与具体图像相结合，以直观性的事物或图像引导学生对抽象性的理论进行掌握。如在学习晶体结构时，可用实物模型展示晶体的FCC、BCC等结构。在讲解原子扩散时，提示学生通过想象构建原子在材料中运动的图像。
同时，为使学生更加全面的理解所学内容，建议学校开设一定学时的实验课程，如材料的热处理过程、材料的力学性能、材料的微观结构等等。使得在提升运用理论知识分析解决实际问题能力的同时，进一步巩固自己的知识体系。此外，本学院的教师均有科研经历，研究方向各有侧重，如计算材料学、太阳能电池，催化、二维材料等等，有丰富的实验经历及理论知识。因此可以鼓励学生在课外时间积极参与到教师的相关课题研究中，针对发现的问题，结合所学内容加以分析，进一步加深对知识的理解与应用。
2.3丰富教学方法
首先，科学合理控制每课时授课量。确保知识点高质量的被学生吸收，而非对学生进行数量上的灌输。其次，调节授课内容的输出速率。通过板书、调节语速等方式，在难点、重点如材料中的缺陷、扩散等知识点上讲懂讲透，使学生对所学内容充分吸纳和梳理。再者，利用多种方法将相關概念实物化、图像化。在学习材料的结构时，可以通过硬球模型展示材料中FCC，BCC等简单晶体结构。在学习材料的力学性能时，可以利用多媒体技术，展示材料在受到压缩或拉伸时的变形过程。此外，利用现状网络技术进行学习。利用微信、QQ等网络技术，建立课堂内容学习交流群，以便及时上传教学内容、作业，分享参考书目，解决问题等。让学生充分利用课余时间主动学习，及时解决遇到的问题，进一步提高授课效率。
2.4把握学科前沿
近几年，材料科学发展日新月异，前沿热点难点时常更新，新材料、新技术、新工艺层出不穷。然而书本上的内容较为有限，针对材料科学的前沿进展，在课堂教学时应设置部分学时介绍材料科学相关进展，讲授基础知识在相关领域的应用，启发学生的创新思维，为学生就业及科研提供参考。结合现有条件，可以邀请相关领域教师来校开展专题知识讲座，讲解本领域的研究现状、前沿进展。授课教师也可以利用网络技术，建立微信群或者微信公众号，向学生推送材料领域最新的成果，文献或者方法等等，营造良好的学习氛围，培养学生对材料领域的兴趣。
2.5完善考核方式
目前，对于材料科学基础的评分方法，总成绩中期末成绩占到70%，平时成绩占30%，其中在平时成绩中平时作业占主要比例。由此可以看出最终成绩主要取决于期末考试的成绩，而平时成绩主要取决于平时作业。结合教学经验发现以下问题：①关于期末考试。仅仅只在期末考核一次，会造成学生在期末阶段突击学习，而忽视了平时的积累；②关于平时成绩。平时作业在总分中占据20%左右的比例。学生往往偏重平时作业，而忽视其他课堂表现。教师难以对每个学生的课堂表现作出準确评价；③材料科学是一门实践性和应用性较强的课程，在本课程的教学过程中缺乏相应的实践课程。因此难以培养学生的实践能力。鉴于以上因素，可以在材料科学基础一课的成绩评定制度上进行如下改进。
一是引入阶段性考核。首先，建议在第9周前后增加一次期中考试。在检验前期所学内容的同时，及时发现问题并整改。将期中考试的成绩按照一定比例纳入到总成绩中。在期末考试中，主要考核后期的学习内容，前期的学习内容也要有所涉及。其次，提高课堂表现的分值比例，建立周期性的课堂问答方法，如按照学号让学生参与教学环节，确保至学习结束时每人都有机会能参与到课堂教学。对于主动提问，经常与教师讨论问题的学生给予较高的平时成绩。
二是设立相关实验课程，考核实践能力。材料科学是一门注重实践的课程，书本上的知识点最终要运到到材料的实际性能、制备及应用上。纸上得来终觉浅，通过实践考核可以综合考查学生对于材料科学基础知识点的掌握程度。如通过实验方法画制Fe-C相图及分析合金的力学性能等。在画质Fe-C相图时，培养学生学会对FeC合金进行热处理，得到不同成分下的合金相，并在显微镜下进行观察、分析合金相的形成过程。在分析合金的力学性能时，培养学生学会如何对合金进行拉伸或者压缩，并绘制应力应变曲线。进一步掌握根据得到的曲线分析合金的塑性变形、弹性变形及屈服强度等。
课程体系
材料学是一门试验性科学，涵盖金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料四个方向，材料科学与工程专业的学生，毕业后主要从事材料制备与加工的科研与生产工作，材料的多样性，各种材料制备、加工方法千差万别，材料工程问题就显得错综复杂了，这就要求从这多种多样的工程问题中提炼出各种材料制备与加工的共同涉及基础问题，建立材料学学的平台课程—材料工程基础完整的知识体系。
“工程”是科学的某种应用，通过这一应用，使自然界的物质和能源的特性能够通过各种结构、机器、产品、系统和过程，是以最短的时间和精而少的人力做出高效、可靠且对人类有用的东西。在现代社会中，“工程”一词有广义和狭义之分。就狭义而言，工程定义为“以某组设想的目标为依据，应用有关的科学知识和技术手段，通过一群人的有组织活动将某个（或某些）现有实体（自然的或人造的）转化为具有预期使用价值的人造产品过程”。就广义而言，工程则定义为由一群人为达到某种目的，在一个较长时间周期内进行协作活动的过程。又根据两院院士师昌绪先生的定义：材料是人类制造生活和生产用的物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。显然，材料工程属狭义工程的范畴，材料工程应为是有组织活动将自然的或人造的物质制造成生活和生产产品的活动或过程。因此，从这个定义出发，凡是材料制备过程中所涉及技术和方法问题都属材料工程问题包括原材料的输送、原材料精制、合成、产品精制、后加工、包装、运输等生产工序原理以及为完成上述工序的一些配套工序如生产过程中的传热问题、三废处理问题。由于材料的多样性，各种材料制备、加工方法千差万别，材料工程问题就显得内容庞大、错综复杂了，避开各种材料的制备的特殊工艺问题，各种材料在制备过程中所涉及的共同的基本原理应成为材料工程课程中的基本问题。我们以自编《材料工程基础》为教学的教材，教授物质输送原理及设备、热量传递、质量传递，并对质量衡算、能量衡算、经济衡算做简单介绍。
教学手段
课程改革的目的是提高教学质量，提高教学质量是通过一定的教学手段得以实现的。材料工程基础的教学拟采取小班教学的方式，除在知识点的传授方面如基本公式的推导、理论的讲解仍采用传统的以教师授课为主方式外，在课堂教学中还采用一下的教学手段。
1 多媒体课件
当今的学生，从校门到校门，多数学生既没有生活经验，更无工程概念，要学好材料工程基础这一工程类课程，老实说，有一定的难度，充分利用现代化教学手段进行教学，制作了多媒体课件，模拟实际生产工艺和流程，使抽象的概念具体化，复杂的问题简单化，繁琐的内容精炼化，实际问题形象化，为学生生动形象的理解生产原理和过程起了重要的作用。
2 讨论式教学及设计演练
课堂设置讨论课，引导学生探究各种材料制备过程中所共性问题，生产过程技术经济评价问题，分层次布置工程设计任务，使学生能全面思考工程问题。例如在传热部分，进行板式换热器的设计；在传质的几个章节中，吸收部分设计煤气中苯类物质吸收工艺流程；精馏章节中，进行年产8000吨乙醇板式精馏塔工艺设计等。使学生初步了解设计程序与步骤：设计任务下达后，通过资料的收集，流程选择，基本计算，确定工艺路线，确定生产设备大小，进行设备平面布置，完成设计任务。
3 双语教学
随着全球一体化进程的加速，在国际交流日夜频繁的今天，语言显得尤为重要。采用原版教材，双语教学无疑能使学生掌握原汁原味的英语，为其日后的交流扫清障碍。更重要的是可以拓宽学生的国际视野、国际交流能力和竞争意识，同时可以吸引更多的留学生优质生源，提高国际化办学能力。
能力培养
在互联网时代，全民都面临同样的信息平台，甚至我们的学生比教师有更好的计算机能力，轻点鼠标就可能获得一门学科的基础理论。这就给我们提出新的问题和面临严峻的挑战：在互联网时代，专业课我们应该教学生什么以及如何教，培养学生那些能力。首先是收集信息的能力，现代社会是信息时代，大量信息资源都可以通过网络共享，除此之外，还有大量的数据库可以利用，掌握了信息资源，就是掌握了该学科的发展前沿。然后是自主学习能力，收集到信息，怎样才能转化为自己的知识，建立自己的知识体系这就需要培养学生严谨求实创新的科学思维与人格以及为科学献身的精神和健康向上的学习精神；接下来是合作精神，随着社会分工的越来越细，完成一个工程问题往往是一个系统工程，需要多方面人员的相互合作，因此合作能力就显得十分重要了，在教学中，有意识地培养学生分工合作是教育的一个重要组成部分，对本门课而言可以采用分组进行课程设计，同组同学之间分工协作，共同完成一个课题，已达到培养学生合作能力的目的。
评估体系
理论考试不在作为学业成绩的唯一标准，可以从多层面进行评价如理论考试成绩、课程设计成绩、课堂讨论成绩、平时作业成绩等。
结论
材料工程基础课程改革是一个系统工程，需要执行者有强烈的社会责任感，从课程的内容体系、教学手段、能力培养目标，评价体系进行研究和探索，真正实现培养合格人才的教育目标。
参考文献：
[1]胡赓祥，蔡珣.材料科学基础[M].上海：上海交通大学出版社，2002.
[2] 陶杰，姚正军，薛烽.材料科学基础[M].北京：化学工业出版社，2006.
[3] 王昆林.材料工程基础 [M].北京：清华大学出版，2009，9.
“材料科学基础”是材料科学与工程学科的主干课程之一,国内大多数院校都把该课程当作研究生入学考试课程。
对于这样一门专业性很强的课程,教学改革一般是积极吸收学科领域内的新知识、新理论,使学生学到更加前沿的知识。我在此基础上,另辟蹊径,挖掘、提炼该课程中蕴涵的丰富哲学知识,从而使学生在专业知识学习的同时,还感受到哲学思想与哲学方法的魅力,将自然科学范畴的材料专业知识与人文科学范畴的哲学知识有机地结合起来。
一、哲学教学的困惑
从知识学习的角度讲,本科生需要更加高深的专业知识和更为宽广的学术视野。因此,本科教学的一般思路是加深、加宽专业知识。加深知识靠更为高深的专业理论,而拓宽知识则必须吸收最新的科技成果。
如果站在高于知识的思想与方法的角度上,则仅限于专业知识范畴是不够的,还必须让学生具备一定的哲学思想,掌握一定的哲学方法,从而应对专业以外的事物。因为在当今社会,纯粹专业内部的事物是极少的,科学研究、生产实践往往涉及其他学科的知识,往往需要处理人际事物。因此,从最高层面的哲学入手,来强化学生的素质非常必要。
然而,当我们把教育的视野延伸到哲学的高度时,就会发现一个令人困惑的难题,即哲学的巨大作用与这种作用很难实现之间的矛盾。也就是说,虽然哲学是人类知识形态的极致,但由于哲学非常抽象,因此教学难度非常大。不难看出,理工科中的哲学教学,既有巨大需求,又难以操作。
应该指出,目前理工科开设的“科学技术哲学”选修课程,是这方面的一种积极尝试,该课程对于学生的哲学素养的提高确实起到了一定的作用。尽管如此,无论是从学时数还是从教学效果看,仅仅一门课程还难以起到太大的作用。同时,理工科学生趋于定型的学习习惯,也制约了该课程功效的发挥。例如,有些学生对于“科学技术哲学”不感兴趣,有些则难以适应这类文科课程的教学方法。
凡此种种,都说明理工科哲学教学中所面临的窘境。因此,要想突破这种状况,我们就必须转变观念,另辟蹊径,从而找到一条更加适合理工科的哲学教学之道。
二、“材料科学基础”哲学概念的提炼
课程的教学基础是知识的生成,没有知识课程就无法生存。但是,要想在理工科专业课中实施哲学教学,仅仅有专业知识是不够的,还必须把这些专业知识背后的哲学概念、方法提炼出来。下面以实例的方式展示理工科课程中哲学知识的提炼过程与结果,归纳提炼的方法。
1.牛顿第二定律的哲学意义。
牛顿第二定律本不属于“材料科学基础”课程范畴。之所以拿它作为例子,是因为该定律是自然科学的经典,所以人人都能够理解。而直接选用“材料科学基础”课程中的例子,由于专业性很强,读者不易理解。
牛顿第二定律为f=ma,换一种表述形式就是a=f/m。根据语义流源理论,可以把属于物理学的专有概念转化为哲学表述。例如,f是外力,这是一种物理表述,但根据语义流源,外力退化为外界作用;m是质点质量,它也可以表述为事物的内在属性,因为质点说到底还是一种事物,而质量是用来描述质点属性的;a是质点加速度,它退化为事物的行为;“二”退化为关联,因为“二”不过是关系(关联)的一种特殊形式。
在完成了上述转换之后,牛顿第二定律就有了哲学意味,其新的表述为:事物的行为既与其内在属性有关,又与外界对于该事物的作用有关[1]。不难看出,这是一个典型的哲学规律,潘懋元先生提出的高等教育内外部关系规律,恰好是这一哲学规律在教育中的体现。换言之,自然科学的牛顿第二定律与教育学的高等教育内外部关系规律,具有哲学意义的统一性。
2.“材料科学基础”中的哲学概念。
牛顿第二定律的哲学抽象不仅展示了一条哲学规律,而且展示了抽象过程的一般方法。按照这一方法,就可以处理“材料科学基础”课程中的相关知识,以使它们上升到哲学的高度。同时,由于基本的提炼方法在牛顿第二定律中已经展示,因此在下面的例子中更多地介绍过程与结果,以避免过多的专业介绍带来理解困难。
(1)晶体缺陷
它是材料学科中一个极为重要的概念,表示晶体中不但存在缺陷,而且缺陷有可能以平衡的方式存在。
从哲学的角度看,缺陷无非是一种新的物质存在方式。换言之,缺陷造成了物质存在的多样性,而多样性概念就属于哲学范畴了。因此,材料缺陷的哲学抽象就是:事物以多样性的方式存在,优于单一的存在方式。这个规律在自然界与社会领域都是颠扑不破的真理。
(2)凝固(相变)过程
在材料的凝固过程中,形核理论至关重要。该理论的基本预设是,在原来的液相中产生具有固相结构的小核心,且它们随机出现、时聚时散。一旦过冷度足够大,这些小核心就能长大,直至完全凝固。
从哲学的角度看,凝固形核现象是旧事物中存在新事物的范例。存在于旧事物中的新事物尽管是不稳定的,但它包含了新事物的“基因”,且一旦环境条件适合,这些“弱小稚嫩”的新事物就能由小到大、由弱变强,直至完全取代旧事物。
(3)界面平衡偏析
这个材料概念可以用来展示哲学认识论的一般程序,也就是逻辑学中的属+种差理论。一般来说,一个新概念总是由几个旧概念组合而成。在组成新概念的旧概念中,必有一个是基本的,而其他是从属的。例如,知识经济概念中,经济是基本的,而知识是从属的。逻辑学把这种处于基础地位的概念称为属,从属概念称为种差[2]。
以界面平衡偏析为例,最基本的属就是偏析这一概念,而平衡是从属概念。因此,平衡偏析概念的根本意义由偏析决定,它意味着成分的(空间)差异,平衡偏析无非是说这种成分差异处于热力学稳定的状态,因此称为平衡。当我们建立了平衡偏析概念之后,它就成了新的起点,即新的属,而相对于这个属,界面就是种差。因此,界面平衡偏析就是:与界面有关的平衡偏析。换言之,界面平衡偏析=界面(种差)+平衡偏析(属)。
不难看出,尽管界面平衡偏析概念本身没有演绎出什么哲学意味的东西,但对于它的认识却能从方法的角度上升到逻辑学的层次,从而具有哲学意义的普遍性。
(4)规则溶液自由能表达式
在二元合金固溶体的自由能表达式中,学生的学习难点并不在表达式的数学形式。教学实践发现,他们产生模糊认识的根源在于:该表达式说的是谁。
按着德国哲学家弗雷格的指称理论[3],一个事物的认识与三个要素密不可分,即事物的名称、事物的内涵和事物的所指,其中名称与内涵很容易理解,而事物的所指(这是一个哲学专有名词)是需要进一步说明的。按理说,认识过程涉及所指应该是常识,如黄山,它有名称(就是黄山),有内涵(如险峻、秀美等),还有就是作为物质存在的那些花岗岩构成的山峦。因此,所指就是指向物质存在的,因此理解起来似乎并不难。但是,当某个所需认识的对象以抽象的、看不见的方式存在时,所指就不像黄山那么清晰了。在初学的过程中,所指往往被学生忽略,甚至是遗忘,而只记住三要素中的名称与内涵。这种所指认识的缺失会带来严重的问题,如把对象搞混。不难看出,弗雷格的指称理论有助于强化学生的认识对象意识,而这种意识的强化在面对数学公式具有特殊的价值。
(5)相变定义
根据冯端院士的定义[4],“相变”指:“在外界条件发生变化的过程中物相于某一特定条件下发生突变。”但是,相变的定义也可以简化为:凡是结构发生变化的过程都是相变。不难看出,与冯端院士的定义相比,新的相变定义粗略了很多。
如何看待这种由于简化而带来的粗略,是一个超越材料专业的问题,而知识范畴的超越本身就具有哲学的意味。显然,这里涉及思想方法的问题,对于不同思想方法的认识与把握,恰恰是学生应该努力的新方面。这个问题的重心不在于孰是孰非的细节探讨,而在于认识效率等更高的层次范畴。换言之,细节的是非判断转向了效率考量,这种价值标准的转向对学生思维训练具有重要作用。
三、“材料科学基础”哲学概念的教学意义
从上面的论述看出,在材料专业知识中提炼具有哲学意味的概念与方法并非难事,其中的关键是思想观念的转换,具体就是从单纯专业视野拓展到更为宽广的哲学领域。站在哲学的高度重新看待“材料科学基础”课程的教学,它有了新的意义和价值。
1.丰富了教学内容,深化了专业知识。
到目前为止,理工科专业课改革的思路重点在更新教学内容,具体方法是积极吸收新专业知识,反映学科的新发展。不难看出,这种改革的视野仍然局限在专业、学科的范畴之内。
因此,本文给出的哲学概念提炼的思路,是一种新的尝试。按着这样的思路,教学内容同样得以丰富。同时,还可以深化课程的内容,如上面列举的弗雷格指称理论,属种+差的认识理论,都具有很高的认知难度,这些哲学概念的学习会极大地深化课程内容。
2.建立了理解的新维度。
就本科生学习而言,理解的重要性远大于高中生。从某种意义上讲,理解是本科生学习的生命,而高中生的学习还带有相当成分的记忆因素。因此,深化理解就成了本科生学习的当务之急。
但是,深入剖析理解概念会发现,理工科学生的理解视野是不够宽广的,他们的理解维度主要集中在以下几个方面。首先是事实和自然科学定律,这是理解不可或缺的维度;其次是简单逻辑,因为理解的过程往往是逻辑推理过程;最后就是数理方法,因为理工科中大量的知识是建筑在数理基础上的。但是,仅仅把理解的视野向这些方面展开是不够的,因为这些维度的综合也不具备超越的功能和开拓创新的意味。因此,有必要把理解的维度进一步向哲学、方法论的层次展开,以便提高学生的理解水平,进而提高他们的思维能力。
3.开拓了通识教育的新视野。
在本科教学中,通识教育尽管非常重要,但它的实际操作却一直令人困扰。其中的重要问题是不同门类的知识各行其是,结果是多而不通。本文提出的理工科知识的哲学提炼与教学,为解决这一问题的提供了新的思路,因为通识教育的终极价值在于一个“通”字,即融会贯通。但由于不同学科之间的天然差异,因此直接贯通是不可能的。但是,如果使不同学科的知识都升华为哲学概念,则在哲学层面就能实现贯通。
参考文献:
[1]吴锵.从博雅教育、通识教育到人文素质教育.南京理工大学学报(社会科学版),2004,1.
关键词:
材料化学;绪论课;教学设计
材料化学是材料科学与化学的交叉学科，伴随着材料科学的发展而诞生和成长，即是材料科学的重要部分，又是化学学科的一个分支［1］。目前，很多高等学校的化学和材料类专业开设了《材料化学》这门课程。《材料化学》是南阳师范学院材料化学专业的核心基础课程，对于培养学生的材料科学基础知识，分析和解决材料制备和应用中的化学问题的能力起到了关键作用。但是该课程涉及的知识面广泛，内容庞杂、概念甚多、加上课程改革，理论课时数减小，学生在学习《材料化学》课程过程中，普遍存在概念混淆、重点难以掌握等问题。绪论是一门课程的开场白和宣言书，是师生之间学习和交流的起始点，能为学生建立起一门课程的知识轮廓。通过对绪论进行学习，学生可以了解课程在所学专业中所处的地位和作用，以及该课程的教学内容、学习方法和考核方式等问题［2］。如何激发学生学习该课程的兴趣，提高课程的教学质量，绪论课在整个课程教学中有着举足轻重的地位。结合近年来的教学实践，就如何讲好《材料化学》绪论课谈一些心得。
1首先明确课程性质、特点及地位
教学之初，首先明确该课程作为专业核心课程的重要地位，是学习后面材料专业课程的基础课程，同时明确考核方式，加强学生对本课程的重视程度。材料化学是材料科学和化学学科的交叉学科，课程内容既涉及工程材料应用中的实际问题，又包括材料结构及制备中的化学问题。作为一门交叉学科，很多知识点与材料学和化学课程中的相关内容重复，很多学生以为学过相关知识，就会从思想上松懈。然而，相关知识点虽然出现重复，但在不同学科中讲授的重点是不同的。在讲授材料化学课程的过程中，要着重培养学生利用化学的思维解决材料科学中的问题，使学生深刻领会化学与材料科学交叉的重要意义。通过一些实例，讲解本课程与化学和材料相关课程的区别和联系，使学生更加深入了本课程的性质和地位。材料科学是偏实际应用的工科课程，化学是偏理论的理科课程，材料化学则是利用化学的理论解决材料应用中的实际问题。
2材料
以材料的实际应用为引子，如材料在航天航空、交通运输、电子信息、生物医药等领域的应用，带领学生进入学习状态，引导学生回想什么是材料?材料的种类?提出材料是对人类有用的物质，是人类赖以生存和发展，征服自然和改造自然的物质基础;是人类进步的里程碑。然后介绍材料的发展历史，说明人们对材料的使用，是从最早的天然材料，依次经历了陶瓷、青铜、铁、钢、有色金属、高分子材料以及新型功能材料。根据材料的发展史，启发学生思考材料研究和发展过程中的规律和特点。人们对材料的使用经历了从天然材料到合成材料，从传统材料到新兴材料。传统的材料主要以经验，技艺为基础，材料靠配方筛选和性能测试，通过宏观现象建立的唯象理论对材料宏观性能定性解释，不能预示性能和指明新材料开发方向，而新型材料则以基础理论为指导。材料科学的历史表明，当一种全新的材料在原子或分子水平上合成后真正巨大的进展就常常随之而来。化学的发展往往导致材料技术的实质性进步。在新材料的研发和材料工艺的发展中，化学一直担当着关键的角色［3］。任何新材料的获得都离不开化学，以石墨烯为例，物理学家主要关注其电子结构及输运理论，材料学家主要测试材料的电磁、光电、传感和催化等性能，而化学家的任务则是利用化学气相沉积和插层剥离等方法制备该材料。只有通过化学气相沉积法制备出高质量大尺寸的石墨烯，才能推动石墨烯在电子信息领域走向实用化。
3材料与化学
材料化学是材料科学与化学学科的交叉，很多学生容易混淆材料科学和化学的研究范畴。在本课程的第一节课，一项重要的任务是使学生明确材料科学和化学的研究内容和范畴，这对于后续相关概念的讲解至关重要。材料科学的研究对象是材料，材料是对人类有用的物质，指的是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。而化学的研究对象是物质，物质是构成人类物质世界的基础。材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料;材料科学是一门研究材料的成分、组织结构、制备工艺与材料性能及应用之间相互关系的科学;而化学则是从原子和分子角度研究物质的组成，结构、性质及相互转变规律的科学。因此，化学研究的尺度范围是原子、分子、分子纳米聚集体。材料科学最早研究的尺度范围在微米以上，如钢和陶瓷的组织结构。随着一些新兴材料的出现和发展，人们对材料的研究甚至小到电子结构。如近些年发现的拓扑绝缘体，其表面导电，体内不导电的性质由其拓扑的能带结构决定，而该拓扑结构则与电子的自旋运动有关，研究拓扑绝缘体必须从电子自旋角度认识其结构。因此，材料科学的研究范畴不断拓展，并于其它学科交叉。
4材料化学
通过学习材料的发展历程、材料科学与化学之间的区别和联系，学生已经对材料化学有了一定的认识，引导学生给材料化学下一个定义。材料化学是关于材料结构、制备、性能和应用的化学。本校材料化学专业选用曾兆华、杨建文编著第二版《材料化学》作为教材，教材的章节也是按照材料结构、制备、性能和应用进行安排的［4］。在这部分内容讲授过程中，可以让学生以教材目录为参照，讲到相关内容可以与教材相关章节进行对应。
4.1材料的结构
从三个层次讲解材料的结构，分别是电子原子结构、晶体学结构和组织结构。电子原子结构在很大程度上影响材料的电、磁、热和光的行为，并可能影响到原子键合的方式，因而决定材料的类型。在这个层次上研究的化学问题主要涉及原子序数、相对原子量、电离势、电子亲核势、电负性、原子及离子半径等。原子序数决定了材料的化学组成，电负性决定材料内部原子之间的键合方式，从而影响材料的导电性、强度和热膨胀系数等。晶体学结构主要指原子或分子在空间排列的方式，根据原子排列的有序性，将材料分为晶体和非晶体。晶体中出现局部无序，或对理想晶体的产生偏离，则出现缺陷。缺陷的存在影响材料的力学性能和电学性能等。如在本征硅内部掺杂磷元素，磷原子替代硅原子的位置，形成杂质原子缺陷，增加本征硅的导电性，形成N型半导体。组织结构主要指材料的物相组成及结构、晶粒的大小和取向等。在大多数金属、某些陶瓷以及个别聚合物材料内部，晶粒之间原子排列的变化，可以改变它们之间的取向，从而影响材料的性能。一般来说，减小金属的晶粒可以降低其熔点。在这一结构层次上，颗粒的大小和形状起着关键作用。大多数材料是多相组成的，控制材料内部物相的类型、大小、分布和数量可以调控材料的性能。
4.2材料制备
材料合成与制备就是将原子、分子聚集在一起，并转变为有用产品的一系列过程。材料制备的方法和工艺影响材料的结构，从而影响材料的性能。根据制备原理的不同，材料制备方法可以分为物理法和化学法。物理法指在材料制备过程中，仅改变材料内部原子或分子的聚集状态，不涉及化学反应的方法。如真空镀膜、溅射镀膜、脉冲激光沉积法等。化学法则在材料制备过程中，涉及化学反应，并且有新物质的生成。如固相反应法、有机合成法、水热法、沉淀法、化学气相沉积法等。以石墨烯材料为例讲解材料的制备方法。石墨烯作为二维单原子层材料，既可以采用物理法制备，也可以采用化学法制备。2004年发现石墨烯的报道，便是采用简单的胶带对撕方法制备，该方法依靠外力使石墨片层克服层间范德华力，使层与层之间分离，从而获得单层石墨，该方法也称为物理机械剥离法。利用甲烷、乙烯等烃类气体作为碳源，镍、铜、金等金属作为基片，采用化学气相沉积法则可以制备高质量大尺寸的石墨烯。另外，以石墨为原料，利用化学插层剥离的方法也可以用来制备石墨烯［5］。但不同方法制备获得石墨烯的尺寸及性能差别较大，在不同的应用领域采用的石墨烯制备方法是不同的。
4.3材料性能
材料的性能由其结构决定，与材料制备的工艺和方法有关。性能是指材料固有的物理、化学特性，材料性能决定了其应用。广义地说，性能是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量表述，例如力学性能是材料对外力的响应、电学性能是对电场的响应、光学性能是对光的响应等。因此，材料的性能可分为力学性能和特殊的物理性能。常见的力学性能包括材料的强度、硬度、塑性、韧性等。力学性能决定着材料工作的好坏，同时也决定着是否易于将材料加工成使用的形状。锻造成型的部件必须能够经受快速加载而不破坏，并且还要有足够的延性才能加工变形成适用的形状。微小的结构变化往往对材料的力学性能产生很大的影响。材料特殊的物理性能包括电、磁、光、热等行为。物理性能由材料的结构和制造工艺决定。对于许多半导体金属和陶瓷材料来说，即使成分稍有变化，也会引起导电性很大变化。过高的加热温度有可能显著地降低耐火砖的绝热特性。少量的杂质会改变玻璃或聚合物的颜色。
4.4材料应用
材料化学已经渗透到现代科学技术的众多领域，如电子信息、环境能源、生物医药和航天航空等领域。例如，在电子信息领域，现代芯片制造离不开化学。光刻过程使用的光刻胶和显影液，镀膜过程中的化学气相沉积和原子层沉积，刻蚀过程中的反应离子刻蚀，这些工艺过程都离不开化学的作用。在环境能源领域，新型光催化材料和太阳能电池材料的研究和开发，离不开化学法制备材料和对材料进行化学掺杂改性。在生物医药领域，对传感材料进行化学改性提高其传感特性，对仿生材料进行表面改性可以提高其生物相容性。在航天航空领域，各种轻质、耐高温、耐摩擦等结构材料和功能化智能材料的研发都离不开化学。
5结语
通过对“材料化学”绪论课的精心设计，使学生明确了该课程的性质和重要地位，大量的实例激发了学生学习的兴趣和求知欲，树立了学生学好该课程的信心，为课程的深入学习起到了奠基石的作用。以“材料、材料与化学、材料化学”为主线进行讲授，使学生对本课程的内容有了更加清晰和深入的认识，取得了良好的教学效果。
参考文献
［1］禹筱元，罗颖，董先明.材料化学专业人才培养模式的改革与实践［J］．高教论坛，2010，1(1):23－25.
［2］杨卓娟，杨晓东.关于高校课程绪论教学的思考［J］．中国大学教学，2011(12):39－41.
［3］唐小真，杨宏秀，丁马太.材料化学导论［M］．北京:高等教育出版社，1997.
中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）07-0058-02
一、材料物理专业简介
材料物理专业各高校定义不一，纵观各大高校的描述，认为南京邮电大学[1]描述比较全面：材料物理专业培养掌握材料科学的基础理论与技术，掌握现代材料科学研究方法，掌握材料性能与各层次微观结构之间关系的基本规律，能从事各种材料应用基础理论研究，传统材料的性能改进与新型材料开发与研制，材料的合理使用和材料的检测分析等工作的高级专门人才。能在材料科学与工程和相关交叉学科领域从事科研、教学、产品研发、生产技术或管理工作的具有理科素质及工科意识的理工复合型专门人才。本专业毕业生应具有以下几方面的能力和素质：具备宽厚的数学和物理基础，较好的计算机和电子科学技术基础，人文社会科学基础和外语综合能力；系统掌握物理和材料物理基础理论，基本实验方法和技能；本专业学生继续深造的方向有材料学、材料物理与化学、材料加工工程、微电子学与固体电子学、凝聚态物理、物理电子学、光学和半导体物理学等。本专业学生毕业后可以在材料、能源、电子、信息等诸多领域和交叉学科从事教学、科研、开发、设计和管理工作。主要研究方向有：固体微结构分析与信息功能材料，位移式相变与形状记忆和超弹性材料，复合功能材料与智能结构，生物医学材料及应用以及界面化学与功能陶瓷等。
二、材料物理人才培养的瓶颈
材料物理专业，一般属于理学院或者材料工程学院下辖的专业之一，所涉及到的方面主要是材料的宏观及微观结构，尤其是微观结构，材料的物理性能基本参数以及这些参数的物理本质。毕业生可能面临的另外一个问题是，由于很多高校建立材料专业的背景不同，兼之材料科学作为专业名称提出来，又不是很长时间的事情，造成很多用人单位不了解这个专业的毕业生究竟是做什么的。这也是导致这几年材料物理专业越来越多的毕业生毕业后待业的一个重要的原因。众多的因素阻碍着材料物理学生的发展，但是最主要的还是学生的专业课程设置，不同的教学安排会培养出完全不同的学生，最终的结果也会大不相同。
三、材料物理人才培养的趋势
材料物理专业是材料科学不可或缺的重要组成部分。犹如支撑万丈高楼的基石，材料支撑着人类文明。虽然材料物理专业目前遇到了很多的问题，但是幸运的是这些问题被教育者意识到了，现在很多学者都在探讨材料物理专业以后的培养模式和方向。随着科学技术的发展，材料正朝着微型化、功能化、智能化的方向发展。这也就意味着材料行业将迎来一次大的变革，相应的材料产物也会随着变化。现在颇为流行的纳米材料、环境材料、电子材料、信息材料，大部分都是材料的物理性能在各个领域的应用。社会对人才的要求是各大高校培养学生的一个重要依据，虽然各个学校有自己的特色，但是面对瞬息万变的局势，各大高校还是打破框架，寻求发展。很多学校与时俱进，将材料学的重心由传统材料开始偏向于新型材料，如：纳米材料、复合材料、环保材料、电子材料等。从目前来看，在短时间内，各大高校的培养趋势将会继续朝着微型化、功能化、智能化材料方向发展，未来也会随着科学技术的发展，跟上前沿科技，不断更新培养计划，培养出21世纪综合型的人才。
四、武汉科技大学材料物理专业简介
武汉科技大学理学院材料物理专业开办于2001年，是一门材料学与物理学相交叉的学科，迄今已有6届毕业生，材料物理专业在探索中发展。武汉科技大学材料物理专业培养适应现代化建设需要，具有远大理想和良好思想品德，具有较深厚的数学和物理学基础，掌握材料科学基本理论和现代材料科学研究与测试的基本方法，能在科学研究、科技服务、教育、工业、事业、社会服务等方面从事材料及其相关领域的研究设计、性能检测、技术开发、质量管理等方面工作的应用型高级专门人才。然而随着经济的快速发展，工程教育的扩大，材料类专业教育进行了改革。武汉科技大学材料物理专业自2004年以来，也对教学进行了初步调整，但特色仍不明显。2008年金融危机以来，大学生就业问题越来越严重，材料物理专业的发展也因此面临着新的挑战，对未来科学和教育趋势面临着新的思考。武汉科技大学材料物理专业就业率有降低趋势，加入钢铁相关企业的毕业生也逐年减少，选择考研的同学占大多数。
五、材料物理专业课程设置的特点
通过对国内多所名校的调研，给出了以下结论：名校的课程都由基础课、专业课、必修课、选修课和实践课组成。名校的课程设置都是紧密结合本校的特色，充分依托学校这个平台，使专业的发展平台更加宽广同时有底气。名校在设置课程的时候也会均衡各个学期学生的学习任务，学生的接受程度，尽量做到循序渐进，由浅入深，由易到难。所有的高校都步伐统一的把专业课放在了第五、第六和第七学期。但是调查表明学生并不希望太晚上专业课，特别是第七学期，大家都希望可以提前一些时间上专业课，使专业课上课时间同学生考研和找工作的时间分开。武汉科技大学材料物理专业的主要课程有普通物理、理论物理、固体物理、数学物理方法、物理化学、材料物理导论、材料科学基础、材料研究方法、材料合成与制备、普通物理实验、近代物理实验、材料物理专业实验等。我校材料物理由于成立得比较晚，所以成立的时候大量的借鉴了其他高校的课程安排。虽然这样的借鉴可以帮助我们少走弯路，但是过多的借鉴使我校的材料物理专业缺乏特色。我校的材料物理专业的基础课就是一些最基本的知识，我有人有，人有我无。不过有一点也是值得欣慰的，就是我们的物理基础比较牢靠。我们的专业选修课虽然很多，但是不受重视，安排的时间太晚。我们的专业课比较少，而且都是些入门的基础知识，实用性不强。实验很多，但是创新实验比较少，都是些传统的实验，且在考核方式上要进行合理的改善。实践课程安排得很好，这是我校的亮点。总体来说，我校的材料物理专业的课程偏理论，应用型的课很少，课程间的交叉太多，这样造成我们的课程多而杂，缺乏特色，就业口径窄。换句话说，我校的材料物理专业的整体设计显得太过中规中矩，这样的设置不会出错，但是也缺少特色，缺乏亮点，所以我们的课程设置有必要进行一些改进。如何更好更有效地改进材料物理专业课程的设置将是我们下一步重点研究和讨论的课题。
参考文献：
[1]南京邮电大学.材料科学与工程学院专业介绍[EB/OL].http：///s/73/t/164/a/7915/info.jspy，2010-01-01.
[2]石敏，陈翌庆，许育东，等.论材料物理专业教学的改革[J].中国科教创新导刊，2009，（19）：73-74.
《材料科学基础》课程是材料专业首要的专业基础课,是学生全面进入专业领域、从基础课到专业课的过渡课程。它具有概念多、学科知识面宽、应用基础理论广的特点,既包括基本原理,又涉及工程实践应用,无论教师教起来,还是学生学起来都有相当难度。为了提高该课程的教学质量,必须改革教学内容、教学方式和优化教学手段并注重教学反思,在课堂教学中,积极探索适应素质教育需要的教学方法。
1.教学内容的改革
我校使用的参考教材是高等教育出版社出版的余永宁教授主编的普通高等教育“十五”国家级规划教材《材料科学基础》,共有十二章:晶体学基础、固体材料中的电子运动状态、晶体缺陷、非晶态与半晶态、相图、有序介质中的点缺陷和线缺陷、面缺陷和体缺陷、固体中原子的扩散、材料的形变、相变的基本原理、凝固、固态转变。对于学生来说,通过这门课程的学习,目的是学习、掌握材料科学学科的基本概念、基本原理和基础理论知识,建立起成分、结构与性能之间关系的基本思维模式。对于教师来说,教学的目的就是要帮助学生达到上述目的,正确地引导学生进入这一材料科学领域。为了达到上述目的,我对教学内容进行了增减。
增加的部分主要是与材料学教学内容有关的国内外最新的科技成果,紧跟当前科研前沿动态,介绍国际上一些最新成果和研究进展,学术界比较关心的热点和难点、疑点问题,把当前国内外最新的研究成果融进教学中,增加教学的时效性。如学过“塑性变形”章节后,我在课堂上介绍了2004年度中国十大科技成果之一的“超高强度高导电性纳米孪晶纯铜”,通过这个成果,我把强度―结构材料的性能、导电―功能材料的性能、孪晶―材料的塑性变形性能和纳米技术联系在一起,让学生把一个个孤立的知识点有机地结合,让学生感受、理解某一知识、发明或创造产生和发展的过程,培养学生的献身科研的精神和创新思维的习惯,同时又要求学生脚踏实地,知识的大厦是靠平时点滴的积累。
精讲某方面知识的专题,如我把材料的强韧化与材料的缺陷理论知识构成一个小专题。学生在学习材料的缺陷章节时,感到枯燥,因为概念定义繁多,又抽象,如刃位错、螺位错、全位错、不全位错等,只有把它们放到材料强化的知识中去讲才能赋予这些位错以生命,滑移、攀移等这些概念才能被学生掌握。我在课堂上利用纳米铜三氧化二铝(Cu/Al2O3)复合材料的实例,让学生知道纯铜的变形能力优异。我在课堂上直接演示纯铜管的变形,让学生思考在铜基复合材料中铜的优良塑性变形能力哪里去了?Al2O3的作用是什么?从而讲清了位错、沉淀强化、弥散强化等概念,加深了学生的认知程度。
由于课时是有限的,增加的教学内容占用了一定的课堂时间,因而必须减去一定的教学内容。我在教学的过程中删掉了与具体制备工艺有关的内容,如铸锭的凝固、熔焊及特殊凝固工艺、玻璃体的形成于晶化、聚合物的结晶、烧结过程、热处理过程等。这些内容留待具体的专业课讲授。
2.教学手段的综合应用
当前我国高校普遍还是采取在课堂上“满堂灌、填鸭式”的教学方式,这样减少了学生自己阅读、思考、消化的时间,使他们消极、被动地接受知识的单向输入,导致继承性有余,开拓性、创新性不足。本科生,特别是高年级的学生,都会认为教师“照本宣科”,不去上课业余时间自学也行,造成学生大面积“翘课”(当然学生“翘课”原因多种多样,我只是从教师的主观、自我反思的角度认识问题)。来上课的学生同样抱有这个观点,有的认为听课没意思,思想“开小差”,有的干脆上课讲话,发短信,课堂一派“繁忙景象”。
我在教学中摒弃传统教学方法,科学引进灵活的教学方法启发教学,留给学生更多思考的空间和机会,加强方法的传授,弱化知识灌输。实施方法论教学,而非一味灌输现成的知识,教师的主导作用主要表现在处处想方设法地启发学生的思维,引起其兴趣,有意识地留出“空白时间”让学生以充分的思考、发问,而不是代替其谈出问题的结论。同时教师要进行研究性教学,选取合适的研究性课题,合理设计教学进程,制定好研究方案,引导学生进行探索研究,研究成果撰写成研究报告。
如何充分发挥学生在学习过程中的主动性、积极性和创造性,变被动学习为主动学习,变“让他学”为“我要学”?我认为着力点是变革教师的思想、教学观念、教学策略和教学方法,使教师由传授者、灌输者变为学生学习的组织者、指导者、帮助者和促进者。为此,我作了如下一些尝试。
(1)课后习题的多样性
除了常规的课后习题,用于巩固当堂所学的知识外,我在每讲一个新内容之前,先给学生讲一、两个生产中的实际事例,让学生自己发现存在的问题,指出解决问题所需的理论知识,让学生自己试着解决问题。这样既可以培养学生的学习兴趣和积极性,又可以启发学生理论联系实际的思维方式,还可以培养学生分析问题、解决问题的基本能力。例如在讲“回复与再结晶”内容之前,先让学生去了解“冷作硬化”的现象,让学生自己体会怎样不利用工具折断细铁丝,怎样更容易让铜管子弯等实际问题。让学生带着问题走进课堂,走进知识的海洋,这样课堂的教学气氛和谐,教师与学生的互动热烈,教学效果理想。
(2)课堂教学中溶入科研
我认为教学与科研是高度统一的。教学能发现科研中存在的问题,科研能促进教学水平的提高,在这方面,二者并没有根本冲突,而是互相帮助、互相提高的关系。科研对教学的促进作用是:一是科研充实教学的内容,教学内容的更新和深化的基础是科研。我在材料学的教学过程中,书本上有一章节只是简单涉及环境因素对凝固的影响,教科书中只是一笔带过。由于我有相关的科研课题,在平时的实验过程中积累了许多的经验或者是弯路,便在课堂上列举了一些因素,如温度、湿度等,丰富了教学内容。同时也涉及地域对温度的影响。在实验条件中,经常会有“室温条件”,我就具体到不同地域的“室温条件”,讲清实验结论的差异所在。如某种金属材料的性能在我国南部地区是能满足零件技术要求的,而在我国北部地区就有可能不能满足零件的技术要求。究其原因是环境温度的差异。北部地区的冬天温度,如2009年的温度低于零下三四十度,很有可能接近了材料的脆性转变温度区间,会发生脆性断裂的几率明显增大。我通过讲解自己的科研工作,不但培养了学生的科研欲望、献身科研的精神,而且培养了学生做任何事情都要严谨、精益求精的作风。二是科研深化教学的手段和方法。教学手段和方法的创新和深化其基础也是科研。教师通过科研,更能把握全局,以点带面,避免“满堂灌”,给学生更多的学习空间。教学也有利于科研的进一步深化,因为教学过程是一个师生互动和教学相长的过程,同时也是一个知识发现过程。教学是目的,科研是手段,要想把教学搞好,就要不断研究教学内容和教学手段,否则教学就是苍白、单调的,教师就是一位“教书匠”而已,而且有可能会误人子弟。所以,要想结出甜美的教学之果,就要多进行科研方面的投入,根好才能叶壮,果实才有可能是丰硕的。
(3)多媒体的灵活使用
教师可以把理论教学与实践教学有机地结合起来。在传统的教学模式中,因教学手段落后,教师往往很难将理论与实践有机统一起来。多媒体教学是利用计算机的主动交互功能,产生出新的图文并茂、丰富多彩的人机交互方式,这种交互式的教学过程能充分激发学生的学习兴趣,使学生产生强烈的学习欲望。例如,教师通过Flash等形象地演示点缺陷的产生、运动过程,有助于学生的理解。有的教师在一些课上从头至尾都用多媒体,这样用机器取代教师,对学生实施“目中无人”的教学,既违背了教学规律,又忘记了教师是教学的主导。计算机只能起到辅助教学的作用,教师应根据教学目标和教学内容选择相应的教学手段,如公式的推导,我认为应该用板书较好,充分发挥教师在教学中的主导作用。只有将教师的主导性与多媒体的辅结合起来,才能获得良好的教学效果。
《材料科学基础》的教学实践证明:上述课堂教学的一些做法,较好地体现了“学生主体,教师主导”的教学思想,不仅保证了每一个环节的教学任务落到实处,而且较好地调动了学生学习的积极性、主动性和创造性,达到了事半功倍的教学效果。
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1006-0278(2011)10-098-03
现代高科技的竞争在很大程度上依赖于人才的培养，因而社会对人才的综合素质提出了更高的要求。培养专业知识面宽、实践能力强、具备创新精神的高素质人才，是高等院校义不容辞的责任，是历史赋予的使命。近年来，为了全面推进素质教育，提升大学生的社会竞争力，学院以教学为中心，不断深化课程教学改革，创新教学体系，取得了显著的成效。实践表明，课程教学改革是一项围绕人才培养目标而展开的系统工程，需要学校各方面的支持、配合以及全体师生的共同参与。笔者结合本校的课程教学改革实践对《材料化学》课程进行了定位，并讨论了该课程教学方法和内容的改革探索与实践。
一、材料化学的定位
(一)材料化学的定义
材料化学是一门研究材料的制备、组成、结构、性质、应用及其相互关系的科学，它是材料科学的一个重要分支，又是核心内容。材料化学是一门新兴的边缘学科，是在学科的生长和发展中互相交叉、互相渗透下形成的，是作为基础学科的化学更直接地介入到材料科学中的一个具体体现。因此，可以说《材料化学》课程是化学基础课和材料学专业课程之间的一个重要桥梁。
为打破原有专业划分的界限，在制定《材料化学》的教学内容时，必须进行以加强基础、拓宽专业知识面和加强实践训练为主要目的的课程改革；在课程建设中，必须结合实际，明确了《材料化学》课程的定位：通过对这一课程的理论学习，使学生在掌握材料化学的基本原理基础上，学习运用基础化学理论解决实际问题。
(二)材料化学教材的选择
材料化学学科的着眼点是培养创新型人才，而课程教学是实现高素质创新型人才培养的重要环节，它对全面加强学生知识、技能、能力、创新精神和综合素质培养有着举足轻重的作用。随着现代科学技术的快速发展与知识的不断更新，教材的选择是关键点。自从2005年开设《材料化学》这门课程，我国出版的教材在质上发生了一些微妙的变化。最早的教材是1994年厦门大学丁马太教授出版的《材料化学导论》，该教科书还被复旦大学、西北大学等采用，但内容相对比较陈旧。其后，北京师范大学李奇老师主编了《材料化学》，上海交通大学唐小真教授主编了《材料化学导论》以及南京师范大学周志华教授主编了《材料化学》等。直到2008年，中山大学曾兆华老师根据自己多年的教学经验和实践体会出版了《材料化学》教材，前半部分涉及材料的制备、结构、性能等材料化学的基本内容，后半部分则以金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四大类材料为主线，对不同种类的材料进行介绍，其中涉及各种现代先进材料如高性能金属材料、电子信息材料、纳米材料、功能陶瓷、感光材料、生物医用材料、航空航天材料、能源材料等，并叙述各种材料的性能和行为与其成分及内部组织结构之间的关系，这些内容与本课程以前的教学内容不谋而合。总之，教材是指引学生入门的工具，作为教师一定要把好教材关，找到适合自己学生的教材，方能做到事半功倍。
二、材料化学课程教学改革探索与实践
虽然材料化学是一门理论性较强的专业基础课程，但随着材料科学的飞速发展，材料化学领域的研究成果逐渐得到应用。例如Motorola、保洁等公司每年都会招聘材料化学方向的人才到其研发中心进行新产品新工艺的开发。因此，从培养创新型人才角度来看，教学过程中应加强实践性教学内容，增强材料化学理论知识与科研、生产实践中的实际问题的联系，从而提高学生综合运用材料化学知识解决实际问题的能力，培养学生创新意识和创新能力。然而，由于受传统教学方法的影响，其教学主要以教师、课堂、教材为申心教学模式。该模式过于依赖理论教学，由于材料化学综合了材料学，普通化学等方面的内容，涉及的理论知识较为抽象，内容较为难懂，因此，单纯地采取传统教学模式，在授课过程中，教师很难将复杂的知识简单化，把抽象的知识具体化，降低了学生对该课程的学习兴趣。我们要培养创新型人才，就必须建立有利于培养创新型人才的教学体系，因此，进行材料化学课程的教学模式改革是十分必要的。
(一)教学方法与手段的改革探索与实践
(1)采用循环式教学方法，加强理论与实际的联系
科学地组织教学内容，采用循环式教学方法，使学生在学习理论知识的同时，加强能力的培养和训练。在教学过程中，首先从生活或生产实际出发，让学生了解一些材料的性能及应用知识，激发学生学习本课程的基本理论的兴趣，再运用材料化学基本理论来解释材料结构与功能之间的关系，凝炼出材料设计与制备的原理和方法，并以此原理和方法来设计和制各出有一定社会需求的新型材料。这种循环式教学方法既能提高学生的理论水平，又能培养学生解决实际问题的综合能力。
2、实施三结合教学方式，营造生动活泼的教学氛围
在教学中，我们采用自创三结合教学方式，即讲解与讨论相结合、讲授与自学相结合、期末考试与平时小论文相结合。我们改革了传统的“注入式”教学，建立了“启发式”教学模式，采取“以学生为主体、教为引导”的方式，突出学生的学习主导地位。在教学过程中注意调动学生参与教学的积极_陛，随时让学生提出问题，然后大家共同讨论，以此不断提高他们分析问题的能力和对问题的理解、认知和表达能力。通过我们有意识地将讲解与讨论相结合，较大力度地变教师为主的传统教学方式为教师与学生互动的教学形式。在教学过程中我们发现，最新的科研成果往往最能激发学生的兴趣和开发学生的思维。因此在相应的章节教学中，我们会及时有效地插入一些最新的研究成果与数据，通过这种方式培养学生掌握学科最新发展动态和开拓知识的能力。
通过近几年教学实践表明，我们的教学方法在培养学生的新思维和新思路方面发挥了独到的作用。通过三结合教学方式进一步锻炼了学生解决问题的能力、表达能力、自学能力以及撰写科技论文的能力，有利于学生综合素质的提高。
3、丰富教学手段，提高学生的学习兴趣
现代化教育技术的应用在很大程度上促进了教学手段的多元化，首先在参考其他学校相近课程课件的基础上结合本课程的教学内容制作了《材料化学》电子课件。综合运用图片、动画、文字等多种形式向学生提供丰富的感性材料，直观而又形象地揭示事物的本质和内在联系，有效地突破教学难点，提高课堂教学质量。例如在绪论部分，将材料科学发展的相关图片做成课件在课堂上放映，使学生对本课程的发展、意义、主要内容有生动而深刻的印象；在纳米材料章节中，一些纳米材料的图片能更形象、直观，有效地帮助学生理解和掌握 知识点。此外，我们还充分利用flas直观易理解的优势，例如在材料的结构一章中，插入14种空间点阵结构模型，金属晶体的3种典型堆积模型，晶体间隙的形成、缺陷和位错的形成等：在材料的制各一章中，插入多个物理气相沉积和化学气相沉积装置动画；在无机非金属材料一章中针对石英光纤的制各，插入了多幅动画。在整个教学过程中，该课件产生了很好的教学效果极大地提高了学生的学习兴趣。
另外，互联网也是老师和学生、学生与学生之间交流的平台，将主讲教师的电子信箱告诉学生，学生可以给教师发电子邮件谈学习、谈思想，交流学习中存在的问题，以及学习、生活中的感受和困难，利用现代化的手段，拉近师生间以及学生之间的距离。
(二)教学内容改革探索与实践
材料化学是从化学的角度研究材料的制备、组成、结构、性质及其应用的一门科学。它既是材料科学的一个重要分支，又是化学学科的一个组成部分，具有明显的交叉学科、边缘学科的性质，并且是材料科学的核心部分，具有明显的应用理科性质，在理论和实践上的重要性是不言而喻的。
1、优化课程结构
优化课程结构的重点在于突出理论知识的应用和实践能力的培养，基础理论教学以应用为目的，专业课教学强调针对性和实用性。在构建新的课程体系过程中一方面要规划好专业的主干课程，另一方面以技术应用能力培养为主线，理顺相关课程开课顺序，加大实践教学的比例，强化实践性教学环节，实现理论教学和实践教学并重。我院在课程设置上力求反映材料化学专业的培养目标、专业特点和培养要求，注意改变知识简单任意拼凑、课程之间相互脱节的状况，整个课程以通识教育课程、学科类基础课程、专业必修课、选修课、跨学科任意选修课和实践教学构成。选修课开设的原则是：有利于培养学生的一专多能、拓宽学生的知识面以及培养学生的实际工作能力和创新精神等。根据专业方向的不同，开设课程也有所区别。同时，结合专业特点，在课程体系中实施改革，增加人文教育内容，强化人文素质教育，促进专业教学质量的提高。
2、教学内容与特色学科建设相结合
材料化学以普通化学基础和材料学理论为基础，涉及的理论知识比较抽象，从学习的角度将，要求学生在学习过程中从宏观的概念转化到微观。如从电子，原子、分子水平来理解材料的基本性能。因此，教学难度比较大，如果单纯地采用单一的教学方式，会导致理论与试剂脱离，增加了教学难度，在一定程度上不利于培养学生对本课程的学习兴趣。所以，在教学过程中，应该结合我院材料学科建设的特点，拓宽教材内容，结合我院材料学科的优势和特色，在教学内容中融入我院金属材料、无机纳米材料的物理化学性能，以使学生更加容易接受，增强教学效果。同时结合材料的最新研究动态，理论联系实际地将新兴材料的最新进展向学生介绍，从而提高学生学习的兴趣和实际应用能力。
3、教学内容体现材料化学专业人才的培养方案
针对材料化学课程特点，依托学科特色，围绕培养和造就富有创新意识和能力的宽口径、厚基础、高素质、显个性的人才培养理念并结合本专业现有的教学科研条件，对材料化学学课程进行了改革和探索。材料化学教学内容的选材要体现基础宽、起点高、内容新、知识活的原则，强调从化学角度提出问题、分析问题、解决问题的方法和思路。教学内容应让学生了解材料学科的概况和发展趋势；了解材料制各过程中的化学现象和反应特征；了解所制得材料的形貌、物相和物理化学性质之间的关系：掌握材料制备过程中的化学原理与方法：了解材料的化学改性方法和新材料设计和开发的研究方法，同时也要培养学生的创新思维、创新意识、创新能力和创新精神。实践证明，通过改革，学生的实践能力、创新能力和综合素质明显得到提高。
(三)教师队伍的建设
现代制造工业在行业发展中呈蒸蒸日上的发展新趋势，并受到业界的广泛关注，为工业发展作出巨大的贡献。制造业的材料成型与控制工程方面的技术发展，同时也是业内十分关注的内容之一，我们从其技术发展特点入手屁，实现进一步分析和探究。
一、材料成与控制工程模具制造技术分析探讨
材料成型与制造中讲究技术发展，从效益、节能、生产速率等方面考虑进一步探讨研究，下面以奇瑞A21汽车中支板产品图的制造技术方面进行分析探究。
（一）金属材料成型与控制工程加工技术
1技术材料一次成型加工技术
挤压：在置于模具内金属坯料的端部加压，使之通过一定形状、尺寸摸孔，产生塑性变形，获得与模孔相应的形状尺寸的工件。
特点：塑性好、不易变形
拉拔：在置于模具内金属坯料的前端施加拉力，使之通过一定形状、尺寸的摸孔，产生塑性变形，获得与模孔相应的形状尺寸的工件
特点：变形阻力比挤压小，但对材料塑性要求高
轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩产生塑性变形，获得一定形状、尺寸断面的工件。
2金属材料的二次成型加工
2.1锻造：阻力大，通常需要加热实现。
自由锻造：在锤或压力机上，通过砧子、锤头或其它简单工具对金属坯料施加压力，使之产生塑性变形，获得所需形状、尺寸的工件。
特点：不用模具，易变形，简单的工件形状。
模型锻造：坯料在锤或压力机上，通过模具施加压力，产生塑性变形，获得所需形状、尺寸的工件。
特点：需要模具（锻模），变形阻力大，工件形状可以比较复杂。适于大批量生产，制造中小型件。
2.2冲压：金属板材在压力机上通过模具对金属板材施压，使之产生塑性变形或分离，获得所需的形状、尺寸的工件。
2.3旋压：金属板料毛坯被压紧在旋转的芯模上并随芯模转动，借助旋轮对工件施压使其产生塑性变形并获得所需尺寸、形状、性能的工件。
特点：工艺力小，大小件均适合，模具相对简单，生产效率较低
奇瑞A21汽车中支板产品工艺方流程例图下：
2.4焊接：焊接是通过加热或加压，或者两者并用，使焊接件达到原子结合。
焊接分类：
①熔化焊：焊接过程中，将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。
②压焊：焊接过程中，对焊件施加压力（加热或不加热）以完成焊接的方法。
③钎焊：指采用比焊件材熔点低的金属做钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于焊件熔点的温度，利用液态钎料润湿焊件，填充接头间隙并与焊件材料相互扩散实现焊接的方法。
（二）非金属材料成型与控制工程加工技术
1挤出成型
原理：利用螺杆或柱塞的挤压、剪切作用使固体塑料熔融并以一定压力通过口模，冷却固化后，获得具有与口模相应形状的制件。
塑料变化过程：塑化（加热、剪切摩擦）-成型-冷却固化定型
特点：①连续化生产，效率高，质量稳定；②应用范围广；③设备简单，投资少，见效快；④生产环境卫生，劳动强度低；⑤适于大批量生产
2注射成型
原理：将塑料原料在注射机中加热熔融，然后以高压射入模具型腔，冷却固化，开模后，获得所需工件。
特点：生产速度快、效率高，操作可自动化，能成型形状复杂的零件，特别适合大量生产。
3压制成型
定义：塑料在闭合模腔内借助加压、固化成型的方法。也称模压成型或压塑。
特点：可压制较大平面塑件或一次压制多个塑件塑件收缩小、变形小、各向性能均匀、强度高没有浇注系统，料耗少其缺点是生产周期长，效率低。
二、现阶段材料成型加工技术的发展趋势
（一）精确成型加工技术
现阶段精确成型加工技术在国内外被广泛应用。特别是在汽车制造工业方面精确成型加工技术应用更加广泛。例如汽车工业中的Bosworth铸造、消失模铸造及压力铸造等工艺。
（二）快速及自由成型加工技术
随着国际经济市场竞争的不断加剧，产品开发速度受到制造工业界的广泛关注，为了适应时展的潮流，快速及自由成型加工技术备受关注并活跃起来。
（三）材料加工制造过程的模拟和仿真
时代不断变化，除实验和理论外计算材料科学成为解决材料科学中实际问题的第3个重要研究方法。它比理论和实验做得更深刻、更全面、更细致，可以进行一些理论和实验暂时还做不到的研究。所以，材料加工制造的仿真技术和模拟技术成为时下研究的热点。
综上所述，材料成型与工程控制方面技术研究与不断创新，更加有利于机械制造工业的不断向前发展。由上述案例和技术特点介绍分析我们不难看出，技术的不断革新应顺应时展的潮流，现阶段是以速度取胜的时代，科学技术的突飞猛进和尖端人才的不断培养是企业和国际竞争得以致胜的法宝。故而，材料成型工艺应以变化发展和不断创新来实现其市场发展的不败地位。
参考文献：
中图分类号：V267 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）01-0293-02
飞机客舱玻璃，存在多种损伤形式，常见的有裂纹、划痕、分层等。但有一种损伤，在日常维护中容易被忽略，这就是银纹。那么，什么是银纹呢？在英文中银纹被称为“crazing”，波音将其定义为“Many very fine fissures with no visible width at the surface of a ply”。银纹一般是不容易检查到的，必须在一定的角度和光线下才能看到，它是发生在玻璃表层并且宽度不可测的细小裂缝，这种状态属于微观裂纹。
有机玻璃线膨胀系数比金属材料相差很大，如果安装在金属骨架内的有机玻璃没有足够的热间隙，材料膨胀收缩受到限制，也会产生应力集中，这种应力及使用应力将加速裂纹的扩展。
高分子聚合物的疲劳破坏机理在拉应力作用下，由于非晶态聚合物的表面和内部会出现银纹，因此，不同结构的聚合物疲劳破坏机理也有差异，易产生银纹的非晶态聚合物的疲劳破坏过程主要决定于外加名义应力。高循环应力时，应力很快便达到或超过材料银纹的引发应力，产生银纹，并随之转变成裂纹，扩展后导致材料疲劳破坏；中应力循环时也会引发银纹，并转变为裂纹，裂纹扩展速度比高应力区低，但机理、过程相同；低应力循环时因难以引发银纹，由材料微损伤累积及微观结构变化产生微孔洞及裂纹，并导致宏观破坏。
飞机从地面到空中又回到地面的循环过程，被称为飞行循环。在每一次飞行循环中，飞机将承受温度的变化，这是从地面常温到升空后降到-36℃至-55℃的冷热变化；同时飞机还将承受机械应力变化，这是从地面的正常大气压力到升空后的机外压力降低引起的压力变化。客舱玻璃是由内外层玻璃组成的套件，外层复合材料的有机玻璃在受到温度变化和机械应力变化的反复循环中将承受热疲劳和机械疲劳，然后逐步产生银纹。有机玻璃零件中存在大的内应力及装配时应力过高，也会诱发银纹甚至裂纹。
银纹是复合材料的有机玻璃发生失效的先兆，是复合材料的有机玻璃发生疲劳破坏的必然过程，如果不采取有效措施消除隐患可能会造成严重的安全后果。英国在1954年就发生过因类似原因引发的空难。尽管在这几十年间高分子聚合物的研发得到了长足的发展，复合材料的有机玻璃寿命也不可同日而语，但银纹的形成并最终发展成裂纹导致宏观破坏依然是是客观存在的。应用到飞机上，则是由于客舱外层玻璃破损导致座舱失密的隐患也是客观存在的。
如何在维护工作中消除银纹所带来的安全隐患呢？首先应按照飞机制造厂家的相关文件制定定期的检查计划，国航的维修计划中规定每24个月或4000飞行循环对玻璃进行检查，别的航空公司也有类似的维修计划；其次要对银纹的特点有详细的认知并应用到实际工作中。银纹的初始阶段会呈现细小的密密麻麻的点状，肉眼看起来是很多细小的白点（图1），这是该舷窗疲劳（热疲劳+压差疲劳）失效的先兆，这最初的点状会逐步发展为微观裂纹，从而形成银纹。在充分照明的条件下，变换光源角度，如果发现有银色反光，就可确定银纹已从其初始阶段演变为银纹了；最后就是必须采取有效措施消除隐患。每个飞机制造厂都有相应的更换和修理标准。
以波音为例，根据波音手册AMM56-21-00的要求，玻璃允许出现银纹，当银纹深度达到手册标准才更换，即边缘的银纹深度超过0.03英寸，中央的银纹深度超过0.05英寸（图2-1和图2-2）。但银纹深度的测量必须有特殊工具并且要在拆下的状态下测量才准确，这对于航线维护来说，测量工作的不可操作性较大，因此在维护工作中一旦确认有银纹存在，最简洁有效的措施就是将其更换，拆下的玻璃送厂修理。银纹可以通过打磨去除，只要打磨后的玻璃剩余厚度超过0.265英寸（6.731毫米），则修理后的玻璃仍然可用。另外，在组装玻璃套件的施工过程中，工作者往往可能会担心漏气而将内外层玻璃进行紧配合安装，这种做法是错误的，必须按飞机制造厂家手册或部件制造厂家手册中的标准施工程序完成组装，避免因装配时应力过高，诱发银纹。
对于航空公司来说，客舱玻璃银纹损伤的安全性问题来自于日常维护中该损伤易被忽略且不太容易被发现，从而错过最佳维护时机导致埋下了安全隐患。但这种情况并非不能避免，只要对银纹有了足够的认知并在日常工作中严格执行相关规定和检查标准，这一安全隐患完全可以消除。
参考文献：
[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.
具体指标体系如表1所示。此次评价在往年31个排行榜的基础之上，又增加了网络影响力排名。具体的排行榜分别为:国家(地区)科研竞争力排行榜、世界大学科研竞争力排行榜、世界大学与科研机构分22个学科的科研竞争力排行榜(即农业科学、生物学与生物化学、化学、临床医学、计算机科学、经济学与商学、工程学、环境科学与生态学、地球科学、免疫学、材料科学、数学、微生物学、分子生物学和遗传学、综合交叉学科、神经科学和行为科学、药理学和毒物学、物理学、植物学与动物学、精神病学与心理学、社会科学总论、空间科学)、世界大学科研竞争力分8个基本指标排行榜(即收录论文数、论文被引次数、高被引论文数、进入排行学科数、发明专利数、热门论文数、高被引论文占有率、网络影响力)。RCCSE世界大学评价报告还给出了世界一流大学和世界一流学科的界定，从而可以帮助读者充分认识学校及其学科发展的准确定位。评价结果中，前600名(即位居全世界前5‰的大学)定义为世界高水平大学，同时结合国内外一些大学对自己的定位与规划，又将世界高水平大学分为三个档次:前100名为世界顶尖大学;101～300名为世界高水平著名大学;301～600名定义为世界高水平知名大学，其中世界顶尖大学和世界高水平著名大学称为“世界一流大学”。至于世界一流学科的界定，主要根据所评22个学科的不同评价单位在相应学科中的排名情况而进行划分，其标准为某学科排名前10%内的科研单位为该学科世界一流学科，世界一流学科也划分为三个档次:某学科前1%(含1%)的科研单位的学科为世界顶尖学科;1%～5%(含5%)为世界高水平著名学科;5%～10%(含10%)为世界高水平知名学科。
二、中国高校总体世界一流水平建设分析
(一)进入ESI排名高校数量变化情况
每年RCCSE世界大学评价报告均是以美国《基本科学指标》ESI数据库中近11年来论文总被引次数排列在前1%的大学和分22个学科中大学和科研机构近11年来论文总被引次数排列在前1%的学科为总体的评价对象。但是由于ESI统计数据的变动，该评价的对象也随之有所变化，具体如表1所示。由于最初开展的两次世界大学评价还处在探索阶段，加上前期人力、物力的限制，对于评价对象中的同机构不同名称标注的情况，未能详尽的合并、更正，因此出现机构数量相对较多的情况。而在后来的三次评价中，都尽力解决这一问题。不过，评价对象数量逐渐增长的事实不可以否定，同时中国进入ESI科研竞争力排行的高校数量也日益攀升，这一点很值得欣喜。
(二)国家(地区)排名变化情况
在2005－2012年这7年内的5次评价中，均设置了“国家(地区)科研竞争力排行榜”，主要是对排名前30位的国家或地区情况进行分析评价。我们对这5次评价中中国的总体排名变化情况进行统计(如表2所示，其中“”表示上升，“”表示无变化，“”表示下降，表3、表5亦同)，发现中国大陆一直处于排名上升的状态，从22位一路跃升至第6位;中国香港地区在这期间排名有上升、有下降，但总体相对稳定，一直保持在21名左右，这可能与其学校数量有关，在7年内，该地区进入评价的学校数量仅增加1所，对排名的影响也就不是很大;中国台湾地区与大陆地区类似，排名变化与进入评价的学校数量变化正相关，排名由26位上升至13位。总体可见，中国在世界水平的科研竞争力发展中整体成效卓著。具体对中国大陆地区科研实力各指标在前30强中的排名变化情况进行统计(如表3所示)，发现中国大陆发文、论文被引、热门论文、高被引论文数等方面上升迅速，目前均已进入世界前10强的行列;专利数一直是中国大陆在世界各国或地区科研实力竞争中的强项，一直保持在前10名以内，并由2007年的第8位迅速跃升为目前的第3位，实力可见一斑。但是，在各项绝对指标飞速攀升的同时，高被引占有率这项相对指标(高被引论文数量与发文数量的比值)却一直下滑，由最初的18位一直降到25位，这也就反映出论文质量的提升速度并未跟上论文数量增加的步伐，也警示中国在提升科研竞争力的进程中，莫让数量掩盖质量，而要注重优秀人才的培养和储备，加强高质量论文的产出，从而真正提升国际影响力和世界科研竞争力。
三、中国高校之世界一流大学建设进展
(一)中国高校科研竞争力总体排名变化情况
通过前文阐述，我们已经发现中国高校在世界水平上的数量可见度已经越来越高。接下来，具体分析一下这些进入世界大学排名的中国高校整体排名情况。对世界一流大学(前300名)中中国高校名次分布情况分析(表4)可以发现，中国不仅在进入ESI排名的总体学校数增加，同时进入世界一流大学行列的学校数也不断提升。大陆由最初的3所学校增加到9所，中国香港和中国台湾目前分别有2所和4所，它们分别是:北京大学(72)、清华大学(84)、浙江大学(94)、上海交通大学(122)、复旦大学(172)、南京大学(203)、中国科学技术大学(215)、中山大学(273)、武汉大学(295);香港大学(121)、香港中文大学(170)、香港科技大学(261)、香港城市大学(296);台湾大学(71)、台湾成功大学(202)。中国高校处于世界顶尖水平的已有4所，其中大陆有3所，可见高水平大学建设已初具规模。这些高校在世界排名中的位置并非一成不变，而是随着它们各自的竞争实力的改变而发生变化。我们对RCCSE公布的2012年中国大陆高校排名前10的学校在历年世界大学评价中变化情况进行统计(表5)发现，中国一流大学在世界大学排名中多呈现稳步上升的局面，虽然个别学校在2009年有下降的现象，但是总体上升幅度较大。目前在中国大陆前10强已有8所进入世界一流大学的行列，国内排名前3的北京大学、清华大学和浙江大学也荣升世界百强(即世界顶尖大学);中山大学和武汉大学的提升幅度最大，都由600名以外逐步发展进入了世界一流的行列;相比之下，南京大学的发展进度略显缓慢，有待进一步提升。
(二)中国高校科研竞争力分指标排名情况
为了进一步探究中国高校科研竞争力提升与世界一流大学发展的脉络，并寻找其中的关键因素，我们对2012年世界一流大学行列内中国高校分指标排名情况进行了统计分析(表6)，发现中国高校中最有优势的科研指标在于发文数和专利数，部分学校的网络排名情况也值得肯定。但是这些优势还很微弱，而且不够稳定，在能够真正充分体现科研竞争力的主体指标实力方面，如总被引、高被引和热引等质量型指标上仍有很大欠缺，需要引起教育监管部门、高校管理者的广泛重视，加大力度，提升科研质量建设，只有这样才能保证中国高校在世界上的科研竞争地位。通过以上分析，我们还注意到中国科技大学作为国内高校排名中逐渐下跌的一所重点高校［11］，其科研力量不容小觑。它自2005年以来，一直处于世界一流大学的行列，并已在8个学科进入ESI排名，其中化学、工程学、材料科学和物理学均已进入世界一流学科的行列(即排名前10%)，在国内的专业优秀率也居于领先地位。可以说这个“短小精悍”且容易被人忽视的国内重点高校，在世界一流大学的进程中甚至超过了排在它前面的很多知名高校，也是这些学校在国际化进程、世界一流化建设中的榜样。
四、中国高校之世界一流学科建设进展
(一)学科总体发展情况
世界一流大学的建设离不开世界一流学科的创建与发展。我们对中国进入ESI排名学科总数变化情况进行统计(如图1所示)，发现中国大陆从最初的16个学科已经发展到目前在ESI分设的22个学科的全部进入，这是一个很大的突破，非常值得肯定。但是详细分析后发现，中国大陆高校真正进入排名的却只实现了由9个到19个学科的发展，增加了10个学科，但仍然在免疫学、综合交叉学科和空间科学3个学科处于空白，这也是中国香港和台湾同样面临的问题，这便是中国高校在世界一流大学与学科建设进程中所要攻克的重要难关之一。另外，从各地区内世界一流大学进入ESI学科排行的平均学科数统计情况看(如表7所示)，在连续5次评价中，中国的平均学科数均低于世界平均水平。不过令人欣喜的是，中国三个地区的平均学科数增长速度较快，尤其是中国大陆由最初的5．67增至11．11，已经逐渐缩小了与世界平均值的差距，但仍需继续努力，向世界高水平国家看齐。虽然22个学科均有中国大陆的大学或科研机构进入ESI排名，但是对于每所大学或科研机构而言，进入ESI学科排名的学科数量却参差不齐。绝大多数中国大陆大学都只有1～9个学科进入ESI排名。除了中国科学院在20个学科均有进入以外，重点高校情况也相对较好，大陆排名前6强的高校均有10个以上学科进入，且都有排名前10%的学科存在，尤其是前3强的北京大学、清华大学、浙江大学均有4个世界一流学科(表8)。同时重点高校仍然能够呈现与国内排名类似的文史综合类院校学科广而全、理工类院校学科少而精的特点。这也在一定程度上说明中国国内高校发展策略与世界一流大学建设进程规划不谋而合。国内教育教学质量的提升可以促进世界一流大学与学科的建设，科研竞争力国际化水平的提升亦可推进整体实力不断加强。
(二)优势与劣势学科分析
从进入ESI排名的学科数量和具体排名情况看，中国高校在数理化生等基础学科领域占有相当优势。2012年的评价结果显示，中国大陆高校的农业科学、化学、工程学、地球科学、材料科学等14个学科都进入了世界一流学科的行列，尤其是生物学与生物化学、化学、工程学、环境科学与生态学、地球科学、材料科学、物理学和植物学与动物学等8个学科还有顶尖机构存在，不过除了清华的工程学，其他所有的顶尖学科机构均被中国科学院独揽。同时在科研机构的统计中，中国科学院在发文量、被引总量、热门论文数、高被引论文数和进入ESI学科数5个指标上都名列前茅，这些都深刻印证了它作为国内第一研究巨头的科研竞争实力。另外，总排名前10位的世界一流大学其学科都很齐全，并且每个学科影响力都很大，如哈佛大学有15个学科位于世界前10强，斯坦福大学有9个学科位于世界前10强。中国大陆高校只有北京大学的数学和清华大学的计算机科学、工程学和材料科学3个学科排在世界前10位，其他高校在世界前10强的学科领域则仍然处于空白，这也在一定程度上说明中国大陆高校在学科建设上仍然表现较弱。纵览2005－2012年5次世界大学评价结果，中国大学或科研机构总体上在化学、计算机科学、工程学、材料科学、数学、物理学等学科上的优势相对明显，但也呈现出学科建设相对集中的现象:优势学科愈益强大，劣势学科发展缓慢。因此，在发展这些优势学科的同时，高校管理人员、教育发展监管人员也要注意到在分子生物学与遗传学、经济学与商学、精神病学与心理学、空间科学、免疫学、社会科学、神经科学与行为科学以及临床医学这8个学科中，中国大陆还没有高校进入世界一流学科的行列，这也正是我们的劣势所在，急需加大投入，力争消除劣势，平衡发展，争创全面一流。总之，要真正实现与世界一流大学与学科的接轨，中国大陆的科研创新和学科建设仍任重道远。
本论文为6腿机器人控制系统研究与设计，采用了1种分层控制系统结构，采用1点对多点的串行通信模式。论文对单关节控制器的数学模型进行了简单研究并采用PID控制算法对关节的位置控制进行控制。完成了基本的硬件设计，包括主从控制器的设计，主从通讯设计，延时及驱动电路的设计，传感器及其信号处理的设计。在软件设计方面，给出了主从通讯，步态算法的软件实现程序框图。
关键词：6腿机器人、Motorola MCU、PID控制、主从通讯、编码器、步态
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
机器人学是迅速发展的交叉性学科，但世界各国对机器人的定义各不相同，联合国标准化组织采纳美国机器人协会给“机器人”下的定义:“1种可以反复编程和多功能的，用来搬运材料、0件、工具的操作机；或者为了执行不同的任务而具有可改变的和可编程的动作的专门系统”。
机器人技术成为高科技应用领域中的重要组成部分。可以预言，机器人技术具有广阔的发展前景，它正向着具有行走能力、对环境的自主性强、具有多种感觉能力的智能机器人的方向发展。机器人技术的进展与其在各个领域的广泛应用，引起了各国专家、学者的普遍关注。许多技术先进国家均把机器人技术的开发、研究列入国家高科技发展计划，进行大力研究。机器人学作为1门边缘学科，成为当前高科技发展的前沿学科，它与高等动力学、材料科学、近代电子学、计算机科学、自动控制理论与系统、传感技术、人工智能、仿生学、系统工程等学科关系密切，相互渗透，共同发展。机器人的要害是自动控制，是计算机与人工智能的结合，它解决CAD, CAM, CAE等1系列问题。机器人先进程度和功能的强弱，通常直接受到其控制技术的影响。由于机器人动力学模型具有变参数强耦合、高度非线性的特点，机器人控制要求精度高与速度快;并具有通用性、柔软性与灵活性，它在很大程度上依赖于机构运动学和动力学分析、感知能力与伺服技术。现代控制理论的发展、高级控制策略的探求，新1代计算机的出现与人工智能开发将给机器人技术带来新的生机。
机器人学是迅速发展的交叉性学科，但世界各国对机器人的定义各不相同，联合国标准化组织采纳美国机器人协会给“机器人”下的定义:“1种可以反复编程和多功能的，用来搬运材料、0件、工具的操作机:或者为了执行不同的任务而具有可改变的和可编程的动作的专门系统”。
