時間：2023-06-12 14:45:04
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇材料科學與工程的定義，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：材料科學與工程；材料科學基礎；應用型本科教育；課程改革
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。《材料科學基礎》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。基礎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。
三是增加研究報告的考核形式。結合材料科學基礎的特點，由教師羅列出熱點領域，在班級分成若干小組，每個小組自行選取興趣領域，形成研究報告，并在課堂上以PPT的形式進行報告。講述該領域的發展現狀及問題，形成PPT并向老師和同學做報告，最后形成綜合評分。這一考核方式有助于培養學生的協調組織能力及團隊意識。在促進學生自身思考以及激發學習主動性的同時，也能讓學生及時了解最新的國際研究動態。
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。《材料化學》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，減小金屬的晶粒可以降低其熔點。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.
［4］曾兆華，楊建文.材料化學.2版［M］．北京:化學工業出版社，2013.
【關鍵詞】材料化學；改革；探索
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。總之，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
高校師資隊伍是學校發展的根本所在，是學科建設的重中之重。一所高水平大學必須擁有一支高水平的教師隊伍。師資是衡量大學水平的最重要的指標和要素。由于材料化學課程是介于材料學和化學之間的一門邊緣學科，所涉及面較廣。單純有純化學背景的教師或純材料學背景的教師上課，由于知識面的問題，會導致教師教的費勁，學生學得困難。對于材料化學課程教師隊伍應該持續充電，完善知識結構。要鼓勵材料材料化學課程教師積極對外交流，這樣有利于學科交叉和吸取其他高校的成功經驗，同時還要做到教學和科研相結合，緊跟材料科學研究的前沿。在教學過程中，教師要對教學內容進行延伸，不僅僅是單純地講述課本上的內容，這樣就使本來很單調的內容變得比較有趣，活躍了課堂氣氛，讓學生學到最新和最現代的知識和技術。因此，在材料化學課程教學改革探索與實踐中，必須加強高校師資隊伍建設。
目前，在全球范圍內開展世界大學評價的機構已有幾家，并產生了許多具有較大影響的世界大學排名，如《美國新聞與世界報道》的“世界最佳大學(World’sBestUniversities，WBU)”［1］，上海交通大學的“世界大學學術排名(AcademicRankingofWorldUniversities，ARWU)”［2］，《泰晤士報高等教育專刊》的“世界大學排名(WorldUniversityRankings，WUR)”［3］，德國高等教育發展中心的“CHE大學排名”(CHEUniversityRanking，CHEUR)［4］和西班牙人文與社會科學研究中心(CentrodeCienciasHu-manasySociales，CCHS－CSIC)網絡計量實驗室(CybermetricsLab)的“世界大學網絡計量排名(WebometricsRankingsofWorldUniversities，WRWU)”［5］等。2005年，武漢大學中國科學評價研究中心(RCCSE)在各項世界大學排名的基礎上，按照中心的既有理念，設計了世界大學排名指標、權重、對象和方法，分析研究了進入ESI排行的世界大學的綜合競爭力，首次了“世界一流大學與科研機構學科競爭力評價研究報告”。之后，RCCSE每兩年對世界大學和科研機構的科研現狀進行綜合的研究。經過多年的實踐和經驗總結，此項排名不斷成熟和完善，至2011年已連續4次排名結果［6－9］。另外，考慮到世界大學與學科評價對中國高等教育國際化發展的影響力和必要性及其在教育管理者和高水平受教育者中的需求性，RCCSE自2012年起將每年評價一次并出版相應的評價研究報告。同時為了迎合網絡時代的新興需求還創新性地引入了“網絡影響力”這一指標，以進一步考察各學校的聲望情況、科研成果的開放獲取程度，并作為Web環境下科研影響力評價的補充，以達到從科研產出到現實影響再到網絡影響的綜合實力評價［10］。
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、中國高校總體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。總體可見，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)中國高校科研競爭力分指標排名情況
為了進一步探究中國高校科研競爭力提升與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。可以說這個“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。總之，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。
五、結語
一門科學的內涵和定義至少有四個屬性:
整體和局部性科學是一個復雜的知識體系,好比一塊蛋糕。為了便于研究,要把它切成大、中、小塊。首先切成自然科學、技術科學和社會科學三大塊。在自然科學中,又有許多切法。一種傳統的切法是分為物理學、化學、生物學、天文學、地理學等一級學科。近年來又有切成物質科學、生命科學、地球科學、信息科學、材料科學、能源科學、生態環境科學、納米科學、認知科學、系統科學等的分類方法。化學是從科學整體中分割開來的一個局部,它和整體必然有千絲萬縷的聯系。這是它的第一個屬性。
學科之間的關聯和交叉如果把科學整體看成一條大河,那么按照各門科學研究的對象由簡單到復雜,可以分為上游、中游和下游。數學、物理學是上游科學,化學是中游科學,生命科學、社會科學等是下游科學。上游科學研究的對象比較簡單,但研究的深度很大。下游科學的研究對象比較復雜,除了用本門科學的方法以外,如果借用上游科學的理論和方法,往往可以收到事半功倍之效。所以“移上游科學之花,可以接下游科學之木”。具有上游科學的深厚基礎的科學家,如果把上游科學的花,移植到下游科學,往往能取得突破性的成就。例如1994年諾貝爾經濟獎授予納什,他在1950年得數學博士學位,1951-1958年任美國麻省理工學院數學講師、副教授,后轉而研究經濟學,把數學中概率論之花,移到經濟學中來,提出預測經濟發展趨勢的博弈論,因而獲得諾貝爾經濟獎。
發展性化學的內涵隨時代前進而改變。在19世紀,恩格斯認為化學是原子的科學(參見《自然辯證法》),因為化學是研究化學變化,即改變原子的組合和排布,而原子本身不變的科學。到了20世紀,人們認為化學是研究分子的科學,因為在這100年中,在《美國化學文摘》上登錄的天然和人工合成的分子和化合物的數目已從1900年的55萬種,增加到1999年12月31日的2340萬種。沒有別的科學能像化學那樣制造出如此眾多的新分子、新物質。現在世紀之交,我們大家深深感受到化學的研究對象和研究內容大大擴充了,研究方法大大深化和延伸了,所以21世紀的化學是研究泛分子的科學。
定義的多維性一門科學的定義,按照從簡單到詳細的程度可以分為:(1)一維定義或X-定義,X是指研究對象。(2)二維定義或XY-定義。Y是指研究的內容。(3)三維定義或XYZ-定義。Z是指研究方法。(4)四維定義或WXYZ定義,W是指研究的目的。(5)多維定義或全息定義。一門科學的全息定義還要說明它的發展趨勢、與其他科學的交叉、世紀難題和突破口等等。這樣才能對這門科學有全面的了解。下面以化學為例加以說明。
化學的一維定義
21世紀的化學是研究泛分子的科學。泛分子的名詞是仿照泛太平洋會議等提出的。泛分子是泛指21世紀化學的研究對象。它可以分為以下十個層次:(1)原子層次,(2)分子片層次,(3)結構單元層次,(4)分子層次,(5)超分子層次,(6)高分子層次,(7)生物分子和活分子層次,(8)納米分子和納米聚集體層次,(9)原子和分子的宏觀聚集體層次,(10)復雜分子體系及其組裝體的層次。
化學的二維定義化學是研究X對象的Y內容的科學。具體地說,就是:化學是研究原子、分子片、結構單元、分子、高分子、原子分子團簇、原子分子的激發態、過渡態、吸附態、超分子、生物大分子、分子和原子的各種不同維數、不同尺度和不同復雜程度的聚集態和組裝態,直到分子材料、分子器件和分子機器的合成和反應,制備、剪裁和組裝,分離和分析,結構和構象,粒度和形貌,物理和化學性能,生理和生物活性及其輸運和調控的作用機制,以及上述各方面的規律,相互關系和應用的自然科學。
化學的三維定義化學是用Z方法研究X對象的Y內容的科學。化學的研究方法和它的研究對象及研究內容一樣,也是隨時代的前進而發展的。在19世紀,化學主要是實驗的科學,它的研究方法主要是實驗方法。到了20世紀下半葉,隨著量子化學在化學中的應用,化學不再是純粹的實驗科學了,它的研究方法有實驗和理論。現在21世紀又將增加第三種方法,即模型和計算機虛擬的方法。化學的四維定義化學是用Z方法研究X對象的Y內容以達到W目的的科學。化學的目的和其他科學技術一樣是認識世界和改造世界,但現在應該增加一個“保護世界”。化學和化學工業在保護世界而不是破壞地球這一偉大任務中要發揮特別重要的作用。造成污染的傳統化學向綠色化學的轉變是必然的趨勢。21世紀的化工企業的信條是五個“為了”和五個“關心”:為了社會而關心環保;為了職工而關心安全、健康和福利;為了顧客而關心質量、聲譽和商標;為了發展而關心創新;為了股東而關心效益。
化學的多維定義———21世紀化學研究的五大趨勢
1、更加重視國家目標,更加重視不同學科之間的交叉和融合在世紀之交,中國和世界各國政府都更加重視國家目標,在加強基礎研究的同時,要求化學更多地來改造世界,更多地滲透到與下述十個科學郡的交叉和融合:1數理科學,2生命科學,3材料科學,4能源科學,5地球和生態環境科學,6信息科學,7納米科學技術,8工程技術科學,9系統科學,10哲學和社會科學。這是化學發展成為研究泛分子的大化學的根本原因。所以培養21世紀的化學家要有寬廣的知識面,多學科的基礎。
2、理論和實驗更加密切結合
1998年,諾貝爾化學獎授予W.Kohn和J.A.Plple。頒獎公告說:“量子化學已經發展成為廣大化學家所使用的工具,將化學帶入一個新時代,在這個新時代里實驗和理論能夠共同協力探討分子體系的性質。化學不再是純粹的實驗科學了。”所以在21世紀,理論和計算方法的應用將大大加強,理論和實驗更加密切結合。
3、在研究方法和手段上,更加重視尺度效應
20世紀的化學已重視宏觀和微觀的結合,21世紀將更加重視介乎兩者之間的納米尺度,并注意到從小的原子、分子組裝成大的納米分子,以至微型分子機器。
4、合成化學的新方法層出不窮合成化學始終是化學的根本任務,21世紀的合成化學將從化合物的經典合成方法擴展到包含組裝等在內的廣義合成,目的在于得到能實際應用的分子器件和組裝體。合成方法的十化:芯片化,組合化,模板化,定向化,設計化,基因工程化,自組裝化,手性化,原子經濟化,綠色化。化學實驗室的微型化和超微型化:節能、節材料、節時間、減少污染。從單個化合物的合成、分離、分析及性能測試的手工操作方法,發展到成千上萬個化合物的同時合成,在未分離的條件下,進行性能測試,從而篩選出我們需要的化合物(例如藥物)的組合化學方法。
5、分析化學已發展成為分析科學分析化學已吸收了大量物理方法、生物學方法、電子學和信息科學的方法,發展成為分析科學,應用范圍也大大拓寬了。分析方法的十化:微型化芯片化、仿生化、在線化、實時化、原位化、在體化、智能化信息化、高靈敏化、高選擇性化、單原子化和單分子化。單分子光譜、單分子檢測,搬運和調控的技術受到重視。分離和分析方法的連用,合成和分離方法的連用,合成、分離和分析方法的三連用。
[關鍵詞] 服裝材料 發展趨勢 新型材料
一、服裝材料的性能
服裝是人們生活中必不可少的東西，在"衣、食、住、行"中，它排在首位，可見其重要性。服裝是由款式、色彩和材料三要素組成的，其中材料是最基本的要素。服裝材料是指構成服裝的一切材料，它可分為服裝面料和服裝輔料。何謂服裝？狹義地說，服裝就是單指穿在身上的衣服、褲子、裙子等等；廣義地說，服裝就是包覆人體各個部位的物質，也包括各種裝飾品。這樣，我們可以給服裝材料下一個定義：用來制作服裝的材料。不僅指制作衣服的材料，還包括制作其他配件所用的材料。
一般來說，服裝材料主要以下的基本性能：
1.吸濕性能。吸濕性是服裝材料必備的基本性能之一。良好的吸濕性能可以使人穿著時感到舒適，及時吸附人體排出的汗液，調節體溫。從服裝材料的組織結構來看，針織材料比梭織材料的吸濕性能好，其中經編針織為最佳。在實際使用時，外衣材料的吸濕性應比內衣材料的吸濕性差。
2.保溫性能。保溫性是服裝材料必備的基本性能之一。紡織纖維中所含的靜止空氣越多，保溫性能就越強。比如，毛線比棉線更蓬松，保溫性就更好。質地疏松的織物比質地緊密的織物保溫性強，例如：粗紡呢絨的保溫性比精紡呢絨強。此外，天然纖維比化學纖維的保溫性好。
3.彈性和強度。彈性是指服裝材料受擠壓變形后恢復原狀的能力。通常，天然纖維的彈性較好，但恢復原狀的能力也較弱。合成纖維，尤其是滌綸，其恢復原狀的能力很強，制成的服裝更為挺括。強度是指使用時的堅牢程度。一般來說，合成纖維的強度要比天然纖維的強度大得多，不易破損。
4.透氣性能。透氣性能是調節人體舒適感的性能，與人體健康密切相關。透氣性能的強弱，取決于材料組織的密度、厚度及其表面形狀，選用時，應根據設計意圖，慎重挑選。
5.柔軟性能。服裝材料的柔軟性能是指材料的柔和程度，對人的心理和生理都有一定影響。柔軟性能與纖維的粗細，質地的軟硬直接有關。選用的材料越柔軟，制成的服裝穿起來也越舒適。
二、對服裝材料科學技術的要求
服裝材料科學技術的要求不僅要滿足服裝的服用性能指標即舒適性、耐用性及外觀性等三個方面,更要適應人類社會的發展對服裝功能的要求,即服裝面料對人體具有適應與保護的機能，服裝形態的穩定性機能;服裝形態的變化機能(同一件服裝可以變換樣式)，色彩適應機能(隨著光的冷暖變化,服裝的色彩也相應的變化)。
隨著科學技術的發展,尤其是紡織工業的發展,人們對服裝材料的要求越來越高,為了最大限度地提高服裝材料的服用性能,滿足人們對服裝的各種需求,服裝材料將不斷地從低級、單一型走向高級、多樣化。
1.面料纖維性能的不斷提高
從人們對服裝藝術形態需求的角度分析,天然纖維與化學纖維將交替成為人們追求的中心,且根據不同的服裝及服裝的用途,其纖維用料將會是相對穩定的,合成纖維仍然是需求的主要纖維。要求合成纖維要天然化,天然纖維合成化。
2.面料花樣的不斷翻新
如高支紗、包芯紗等,最大限度地適應人體機能。
3.織染技術的不斷提高
在國際上出現了轉移印染、噴液印染、圓網印花等。后期整理方面增加了各種防護功能,
如防水、防燃、防腐等。
三、服裝材料對服裝設計的影響
從人們學會運用紡織技術織布制衣開始,人類社會就從來沒有停止過對紡織技術的研究以及服裝面料的創作,一直表現著這種研究與生產變化內容的就是標志歷史與現代的人類服裝形態。所以服裝面料的科學性與服裝設計有著直接的對應關系,它是服裝藝術形態設計的基本要素,它為服裝造型、結構設定提供了主要的可行性依據。例如:性質、結構及色彩不同的服裝面料,由于其適用性不同,服裝設計師將從視覺形態、人體工程、服裝機能等方面考慮
確定服裝產品的設計定位及服裝形態的結構形式。從這一點上講,服裝材料是服裝設計的基礎,它為服裝設計做好充分的技術準備工作,使服裝設計在其物質條件的基礎上得以實現。
服裝材料在服裝設計中的運用
服裝設計的三大要素分別是色彩、造型和材料。有好的色彩及造型設計構思,還需通過相應的服裝材料,才能使設計構思得到完美體現。若對服裝材料的科學技術不了解,選用不慎或漫不經心,就會破壞設計造型的整體效果。因此,如何從科學性和審美性兩個方面充分發揮服裝材料的作用,正確選擇運用服裝材料才是服裝設計中最為關鍵的問題。服裝設計是通過服裝材料的不同造型完成的。不同的材料在造型風格上各具特色,如何選用適當的服裝材料,利用材料的質感和塑型性體現服裝造型,使服裝設計與服裝造型完美結合也是服裝設計成功與否的重要環節。
不同的服裝材料,運用相同的設計表現形式和相同的工藝技術,會出現不同的服裝效果。例如:有些服裝的色牢度不穩定,出現退色或是變色的現象;有些服裝的形態不夠穩定,易縮水變形;有些服裝面料的物理機械性能不穩定,如面料纖維的耐熱、吸濕、可縮性直接決定了服裝工藝熱處理定型的量化要求;面料的編織密度、松緊、輕重也直接作用于服裝工藝技巧及制作方法。那么,不同材質面料的造型特點在服裝設計中是如何運用的?我們應從以下幾方面來論述:柔軟型面料柔軟型面料一般懸垂性好,較柔軟,造形流暢而貼體,服裝輪廓自然舒展,能柔順地體現衣著者的體形,這類面料包括針織面料和絲綢面料。針織面料的服裝可省略一些剪輯線和省道,取長方形造型,使衣、裙、褲自然貼身下垂;絲綢面料的服裝多采用松散型和有褶裥效果的造型。厚重型面料 厚重型面料質地厚實挺括,有一定的體積感和毛茸感,能產生濃厚穩定的造型效果。服裝造型和輪廓也不宜過于合體貼身或細致精確,以A型和H型造型最為恰當。透明型面料 透明型面料質薄而通透,能不同程度地展露體形,常用線條自然豐滿、富于變化的H形和圓臺形的設計造型。挺爽型面料 挺爽型面料天然硬挺,造型線條清晰而有體積感,能形成豐滿的服裝輪廓,給人以莊嚴穩重的感覺。這類面料包括棉布、麻布、毛料和化纖織物。挺爽型面料可設計出輪廓線鮮明合體的服裝,以突出服裝造型的精確性。光澤型面料 光澤型面料表面光滑,并能反射出亮光,有熠熠生輝之感,常用來制作晚禮服或舞臺演出服,以取得光澤閃耀、華麗奪目的強烈效果。這類面料大多為緞紋結構的織物,在服裝總體造型上應以適體、簡潔、修長為宜。絨毛型面料 絨毛型面料指表面起絨或有一定長度的細毛面料,這類面料有絲光感,顯得柔和溫暖。絨毛型面料因材料不同而質感各異,在造型風格上也各有特點,一般以A型和H型的造型為宜。
【關鍵詞】智能混凝土；研究；問題；應用
在科學技術日新月異的今天，材料科學也獲得了很大的發展，作為建筑重要材料的混凝土不斷向高性能、多功能和智能化方向發展。用它可以建造大型化和復雜化的混凝土結構。因此，研發具有主動、自動地對結構進行自我診斷、自我調節、自我修復、恢復的智能混凝土已成為混凝土的主要發展趨勢。
一、智能混凝土的定義和研發過程
1、智能混凝土的定義
智能混凝土是在混凝土原有成分的基礎上復合智能型的建筑材料，它使混凝土具有自我感知和記憶能力，能自己適應和自我修復特性的多功能型材料。依據它的這些特性可以有效地感知混凝土材料內部的損傷，滿足結構自我安全檢測需要，防止混凝土結構潛在的危險性破壞，它能根據檢測結果自動進行修復，明顯地提高混凝土結構的安全性和耐久性。總而言之，智能混凝士是自我感知和記憶、自我適應、自我修復等多種功能的綜合體，缺一不可，但是以當今的科技水平制備完善的智能混凝土材料還相當困難。但近年來損傷自診斷混凝土、溫度自調節混凝土，仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相繼出現，為智能混凝土的研究打下了堅實的基礎。
2、智能混凝土的研發過程
智能混凝土的基本材料與一般的混凝土沒有什么區別，都是水泥和砂子。但是智能混凝土中還含有石英砂和各種加固的材料、纖維。這種石英砂和其他大量混在砂子中的石英砂是不同的，它的純度很高，高達100%。依據它的特點，伊朗的土木工程師把智能混凝土應用到從修建水壩到鋪設污水管的各個領域，并且不斷地完善其應用技術。哈馬丹布-阿里大學的穆哈穆德?尼力教授在智能混凝土中配入了聚丙烯纖維和石英粉，使其韌性大大提高，抗爆能力比普通混凝土高出數倍。盧合拉?阿里扎德的改進更加完善。薩韋省伊斯蘭阿薩德大學阿里?納扎里教授及其同事發表了多篇論文，研究使用各種氧化金屬納米粒子改變混凝土內部結構的方法。他們使用過氧化鐵，氧化鋁，氧化鋯，氧化鈦及氧化銅。材料經過納米粒子處理后會呈現出極佳的屬性。盡管只有幾件小樣品呈現出了這種屬性，但至少證明了這個方法是可行的。使用這樣的納米粒子，有望制造出比拉法基混凝土強度高出四倍的混凝土。2008年，德黑蘭大學發表了一份研究報告，研究的是智能混凝土抵御鋼彈沖擊的能力。一般情況下，這些在地震時都不是問題。研究發現，加有大量長鋼質纖維的混凝土性能最佳。隨著智能混凝土的研發過程的不斷推進，其工能也在不斷完善和強化。
二、智能混凝土的研究現狀，及其研究中應注意的問題
1、智能混凝土的研究現狀
對于具有自診斷、自調節和自修復功能的混凝土只是智能混凝土研究的初步階段，它們不是具備智能混凝土的全部特征，而是只擁有它的某一個特征，所以說它們是一種智能混凝土的最初形成的簡化形式。因此有人把它們叫做機敏混凝土。顯然這種功能不完整的混凝土不能代替發揮智能混凝土的作用，當今科研工作者們正努力于將兩種以上的功能進行混合組裝在一起，這就是我們知道的智能組裝混凝土材料的研究。智能組裝混凝土材料是將具有自我感應、自我凋節和自我修復組件材料的功能，混凝土基材復合可以做到依據結構的需要進行排列，以此來達到混凝土結構的內部損傷的自我診斷、自我修復以及抗震減振的智能化。
2、智能混凝土研究中應注意的問題
在建筑房地產飛速發展的今天，智能混凝土具有非常廣闊的前景，但是作為新型的功能材料，在運用到實際的工程中，我們還有一些問題需要進一步地加強探索和研究：例如碳纖維混凝土電阻率的穩定性、電極布置方式、耐久性等方面的研究；光纖混凝土的光纖傳感陣列的最優排布方式研究；自愈合混凝土的修復粘結劑的選擇研究，自愈后混凝土耐用和持久性能的完善等。這些問題的解決將對智能混凝土的進一步發展產生深遠的影響。為進一步為促進智能混凝土的研究工作我們可以從以下幾點著手。
首先，要用針對性地進行開發研究。研究的針對性是指要針對混凝土的性能發生惡化以及結構發生破壞等具體情況，采取不同的智能方法，例如可以針對這些情況，進一步縮小智能化范圍，以某一種具體功能為對象，然后研究出相對應的方法。
其次，注重其實際應用中的可行性。澆注混凝土要在工程現場進行，因而應以原有工藝為基礎開發相應的較為簡單的方法。選用的材料應具有化學穩定性，要有利于安全施工，不揮發任何有刺激的氣味以及其它有害物質等，并且還能夠能大量使用而且成本較低。
再次，注意研究設計的綜合功能性。采用智能化，雖能夠提高材料的耐用和持久性，但是也存在一些負面影響。例如因為采用了某種材料雖可以對某種惡化情況進行控制以及進一步改善，但是否會對其它性能會產生，面對正反兩方面的問題都在判斷和設計時進行綜合而全面的考慮和衡量。
三、智能混凝土的應用前景
智能混凝土是科學技術日新月異時展的結果，它的運用對重大土木基礎設施應變的實量監測、損傷的無損評估、及時修復以及減輕臺風、地震的沖擊等諸多方面有很大的意義，對保證建筑物的安全耐用和持久性都具有十分重要的作用。而且隨著現在建筑發展的智能化趨勢，傳統的建筑材料的研究、制造、缺陷預防和修復等都面臨著強烈的挑戰。智能混凝土材料作為建筑材料領域的高新技術，為傳統建材的未來發展注入了新的內容和活力，也提供了全新的機遇。它發展可以使混凝土材料的應用具有更廣闊的前景，相信也會帶來巨大的社會經濟效益。
四、結束語
綜上所述，隨著科學技術的創新運用到建筑材料領域，隨之就產生了智能混凝土材料，智能混凝土材料的出現以及運用將會革新我國土木工程的建設，其意義重大。
【參考文獻】
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關鍵詞：創新；教學；批判性思維
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）05-0001-02
近幾十年來，批判性思維作為一種教學理念、學科和教學方式出現，已成為北美和歐洲教學的主要目標之一[1，2]。如在美國，20世紀70年代，其教育改革運動以批判性為焦點，80年代后，批判性逐漸成為教學改革的核心。批判性思維已成為一門培養學生素質的課程，并貫徹到各門具體學科的教學中去[3]。在現有的研究中對批判性的思維不同的人有不同的定義。一些人認為：批判性思維是一種能力。一些人認為批判性思維是積極地、熟練地解析、應用、分析、綜合、評估支配信念和行為的那些信息的過程。無論是能力還是過程，批判性思維均需要我們對判斷和論證進行批判性的反思[4，5]。大學生批判性思維的培養，對大學生創新精神的培養，信息處理能力的提高，以及個體未來的發展都有不可估量的作用[6-8]。國內外對于大學生批判性思維的培養，也開展了大量的工作，南敬實[9]分析了批判性思維在學生學習中的重要性，重點探討了教師在課堂教學組織以及促進學生批判性思維能力的措施。吳彥茹[10]研究了協作學習、研究性學習、在線學習、學術對話等學習方式對學生批判性思維發展的作用，混合式學習對發展大學生批判性思維能力具有@著促進作用。吳亞婕[11]研究了網絡環境下大學生批判性思維能力培養教學模式，利用網絡進行混合式教學在傳統高等院校中對大學生批判性思維能力的培養具有優勢，主題的選擇、活動內容的安排和活動時間的安排都影響批判性思維的整體培養。總結國內外文獻表明，在教學過程中，引導學生進行批判性思考，培養學生的批判性思維能力，具有十分重要的意義。
在教學過程中培養大學生創新思維能力，首先需要營造好的師生交流氛圍。有別于傳統中小學以知識灌輸為主的教學方式，在大學教學過程中，特別是專業課程的教學，其與工業生產密切相關。在教學過程中，教師能夠將理論與實際相結合，激發學生的學習興趣，引導學生積極思考，形成一種互動式教學氛圍，而在互動式教學過程中，培養學生的批判性思維將是一種十分有益的嘗試。在互動式教學過程中，我們將考慮理論與知識的運用，以及課后學生如何運用批判性思維方式分析問題。
培養學生的批判性思維能力，核心在于教師的課程內容的設計以及教師在課堂上的引導。而在互動式教學過程中，學生積極參與其中，圍繞教師提出的問題，開展討論。因此，如何設計教學內容，營造互動式教學氛圍，在這種氛圍中，有效引導學生開展批評性思考，是我們青年教師需要學習和提升的地方。以《材料工程基礎》為例子，這是一門材料科學與工程專業的核心課程，我們在教學中采用了英文原版教材且主要采用英語教學。如何提高學生的課堂參與積極性以及在參與過程中引導學生進行思考，培養其獨立的批判性思維就具有很大的挑戰。首先是要求老師有好的教案設計，針對這門課程與實際應用關系緊密的特點，在教案設計過程中，我們提供了很多實際應用的例子。同時在教學形式上，我們采用了多種手段，如提供了很多視頻內容。這樣能引起學生的興趣，然后講解知識要點時，重點講解其過程。在這中間，我們對其原理及定律的思想進行分析。提出一些對原理及定律存在的一些誤解，讓同學們分析，提出自己見解。一個同學的觀點，引出其他同學的討論，作為教師在關鍵時候給予點撥評價。這是在理論教學方面，通過引導學生進行有效的思考，激發其批判性思維能力的培養有效方式之一。
在涉及到應用性實際問題時，我們引導學生基于所學理論，針對具體問題設計出合理的解決問題方法。如在設計某種零件時的選材問題，其需要選擇一種金屬材料在既滿足設計時提出的材料性能要求，同時也必須要考慮其經濟性價比。因此，我們將學生分成幾組，通過討論并分工，最后給出各自的方案。每組在課堂上進行陳述，老師針對其設計方案，引導同學從材料特性、加工工藝、經濟性等方面對學生進行引導。如在具體的熱處理工藝參數環節，提出其熱處理溫度的設計理由、合理性等方面的問題。如果改變參數，那結果將是怎么樣的？改變保溫時間，會達到什么樣的效果？有沒有其他的處理方式降低成本？等等，通過一些看似很普通的問題，讓同學學會深入學習知識，提高其思考的深度，達到批判性思維能力的培養。在上述教學過程中，關鍵是要求老師能夠激發學生的興趣使其參與其中，我們采用了大量的實際生產案例，讓同學感受到所學知識與以后工作密切相關。
互動式教學從課堂上延伸到課外，引導學生在課余時間投入精力進行學習、思考。如在每次課程結束后布置作業時，既有理論知識要點分析的題目，又有團隊設計類型題目。同學生在課后組成學習小組對所需理論知識自己進行分析思考，做出自己的判斷和思考，同時對于設計題目，小組成員之間相互合作，將課堂所學的分析方法用于具體事例分析，逐漸提升批判性思維能力。對于一些特定的問題，在答疑和輔導環節，和學生以平等的方式探討，引導和鼓勵學生的批判性思考問題方式。此外，教師收集一些生產中遇到的問題，將其中與《材料工程基礎》相關內容提取出來，和學生一起討論所涉及到的材料性能、加工工藝等專業知識，思考方案的合理性以及是否可以改善。
批判性思維方式的培養，是提升學生創新能力的基礎。教師不僅要關注課堂上的培養，也應該關注學生在課后運用批判性思維學習分析問題。在《如何成為卓越的大學教師》一書中，美國著名教育研究學者肯?貝恩寫到，我們的大學教育應該是一種深度學習的教育，通過教育改變學生對傳統觀念的認識，進而影響其人生。而在這背后，批判性思維的培養十分重要，大學擔負著為國家培養人才，教師與學生的互動形成互動式教學，有利于教師和學生的平等交流，在此基礎上，教師通過激發學生興趣，引導學生進行一些逆向思考，逐漸培養其批判性思考的習慣。
在互動教學過程中培養學生的批判性思維能力對于教師特別是新進青年教師的教學能力發展、提高教學質量和學生學習效果具有十分重要的意義。首先，在互動式教學氛圍的營造方面，如何引導學生積極參與課堂教學中，就需要青年教師在教學前期做好充分的準備，對于材料科學與工程學科，不僅需要熟知專業知識，還得結合生產實際，增加實際案例，豐富課堂知識表現形式，提高學生的興趣。對于學生而言，在互動教學過程中，教條式的知識點，變成了與理論密切相結合的實用性知識。學生在充分參與的條件下學習，有助于對知識的理解、掌握，進而提升學生學習的效果。其次，在互動課堂中，教師對問題的設計，是引導學生進行批判性思考的重要環節，這就要求教師需要提高自身對專業知識深入的理解，同時需要不斷增加自身知識面。對于學生而言，通過老師的引導，學生在實際中學會了運用所學知識，熟悉了運用知識解決問題的思路和方法，有助于培養學生批判性思維能力，最終提高教學質量。最后，在互動式教學過程中，還有助于青年教師在教學過程中準確表達問題、理清核心問題的能力。對于學生而言，有助于準確有效地表達自己的學術觀點，增強自身專業知識，學會學術溝通方法及技巧。互動教學氛圍中培養學生的批判性思維能力將有助于提升青年教師的教學能力，提高教W質量以及學生學習效果。
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1. 正負電子對撞機
北京正負電子對撞機（BEPC）是中國第一臺大科學裝置，也是中國第一臺高能加速器，1990年建成運行，后又經過一系列改造，已在高能物理研究方面取得了多項國際領先的成果。到2020年，BEPC的科學目標就基本完成了，科學家設想，未來建成一個50～100千米周長的環形正負電子對撞機CEPC，進一步將CEPC改建成一個超級質子對撞機。
2. 郭守敬巡天望遠鏡
郭守敬巡天望遠鏡全稱是大天區面積多目標光纖光譜望遠鏡（LAMOST），它位于中科院國家天文臺河北興隆觀測基地。自2012年9月正式巡天以來，已捕獲700余萬條高質量恒星光譜，超過此前全球所有已知光譜巡天項目獲得數據的總和。光譜包含著關于恒星各種特性的信息，能夠揭示其運動狀態、溫度、質量和化學成分。
3. EAST裝置
EAST由“實驗”“先進”“超導”“托卡馬克”4個英文單詞的首字母組成，也稱“東方超環”，位于中科院合肥等離子體研究所。“托卡馬克”是一環形裝置，外面纏繞著線圈，通電時內部會產生強大的磁場，來約束核聚變材料產生的高溫等離子體，從而實現人類對聚變反應的控制。EAST是世界上第一個建成并正式投入運行的全超導“托卡馬克”實驗裝置，而且是世界上第一個非圓截面全超導“托卡馬克”實驗裝置。
4. 神光II裝置
“托卡馬克”裝置的“磁約束聚變”是實現可控核聚變反應的一條途徑，另一條途徑則是“慣性約束聚變”，即把強大的激光束聚焦到核聚變材料制成的微型靶丸上，在瞬間產生極高的高溫和極大的壓力，被高度壓縮的稠密等離子體在擴散之前，即完成全部核反應。中科院上海光學精密機械研究所的神光Ⅱ高功率激光實驗裝置便是這樣一個被譽為“在地球上人造一個小太陽的大科學工程”。
5. 種質資源庫
中國西南野生生物種質資源庫位于云南昆明，主要收集和保存云南及周邊地區和青藏高原的種質資源，包括種子庫、植物離體種質庫、DNA庫、微生物庫和動物種質庫。與世界其他著名的種子庫相比，西南種質資源庫是唯一建立在“生物多樣性熱點地區”的種質資源庫。
6. 上海光源
上海同步輻射裝置（SSRF）簡稱上海光源，是世界上性能最好的第三代中能同步輻射光源之一。同步輻射是由以接近光速運動的電子在磁場中做曲線運動改變運動方向時所產生的電磁輻射。
7. 子午工程
“東半球空間環境地基綜合監測子午鏈”（簡稱子午工程）是指沿東經120度附近，北起漠河經北京、武漢南至海南并延伸到南極中山站，以及沿北緯30度附近，東起上海經武漢、成都西至拉薩的15個監測臺站所組成的監測網絡。通過運用地磁（電）、無線電、光學和探空火箭等多種手段，連續監測空間環境，為天氣研究、地震監測等提供幫助。
8. “科學”號考察船
“科學”號是我國最先進的海洋科學綜合考察船，它具備全球航行能力，配備了海洋大氣、水體、海底、深海極端環境和遙感信息現場驗證等五大船載探測系統，搭載了無人纜控潛水器、深海拖曳探測系統、電視抓斗等先進的設備，可為深海和大洋研究提供先進的海上移動實驗室和試驗平臺。
9. 武漢P4實驗室
中科院武漢國家生物安全實驗室已經建成，即將投入使用，這將是亞洲首個P4實驗室。P4實驗室是人類迄今為止能建造的生物安全防護等級最高的實驗室，適用于對人體具有高度危險性、通過氣溶膠途徑傳播或傳播途徑不明、目前尚無有效疫苗或治療方法的致病微生物及其毒素的研究。埃博拉病毒便被定義為最高等級的四級生物安全病毒，只有在P4實驗室里才能對其進行研究。
關鍵詞 納米科技;納米地球化學;納米礦物學;納米礦床學
中圖分類號TB383 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708(2010)31-0083-02
1 概述
納米科學技術(nano scale science and technology)作為新興的學科[1],在人類社會進入世紀之交的關鍵轉變年代,在世界范圍興起,發展迅速,前景誘人,國際競爭已經開始。人類對自然世界的認識始于宏觀物體,又逐漸認識到原子,分子等微觀粒子,然而對納米微粒卻缺乏深入的研究[2]。原子是自然界的基本組成單元,原子的不同排列方式使自然界物種豐富多樣化。1959年,著名的物理學家諾貝爾物理學獎得主查德?費曼說:“如果有一天可以按人的意志安排一個原子,將會產生怎樣的奇跡。”納米科技則使人們能夠直接利用原子、分子制備出包含原子的納米微粒,并把它作為基本構成單元,適當排列成一維的量子線,二維的量子面,三維的納米固體。納米材料有一般固體都不具備的優良特性,所以有著廣闊的應用前景。錢學森指出:“納米左右和納米以下的結構將是下一階段科技發展的重點,會是一次技術革命,從而將引起21世紀又一次產業革命。” [3]
1.1 基本概念
納米(Nanometer)又稱毫微米,是一種長度單位。1納米等于10-9m(十億分之一米)。上田良二教授于1984年從測試的角度給納米微粒下了一個定義:用電子顯微鏡(TEM)能看到的微粒稱為納米微粒[4]。納米技術是1974年在東京由日本精密工程學會(JSPE)和國際生產工程研究學會(CIRP)聯合主持的會議上由日本東京科學大學機械工程教授谷口紀男提出的[5]。納米科技(Nanost)是一門在0.1nm~100nm范圍內對物質和生命進行研究應用的科學。這是一種介觀區域(宏觀和微觀之間的連接區域)進行開發研究的新技術。它使人類認識和改造物質世界的手段和能力延伸到分子和原子。納米科技涉及到物理學、數學、化學、生物學、機械學、信息科學、材料科學、微電子學等眾多學科以及計算機技術,電真空技術,掃描隧道顯微鏡及加工技術,等離子體技術和核分析等各種技術領域,是一門綜合性的新興科學技術。
1.2 納米科技的發展歷史
納米科技是20世紀科技領域重要突破它的發展經歷了孕育萌芽階段,探索研究階段和應用開發階段3個時期。
1)孕育萌芽階段。費曼設想在原子和分子水平上操縱和控制物質。1860年,膠體化學誕生之日,對粒徑約(1~100)nm的膠體粒子開始研究,但由于受研究手段限制,發展緩慢;
2)探索研究階段。30年后,1990年7月,第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩召開,同年《納米生物學》和《納米科技》專業刊物相繼問世。這標志著一門嶄新的科學技術-納米科學技術,在經過30年的曲折道路,終于誕生了。費曼的美妙設想成為現實了[6];
(3)應用階段。1993年,開始進入蓬勃的發展時期,20世紀末獲得許多成果,達到預期目標可能還要經歷10~20年的努力。
1.3 納米固體的基本特征
納米固體的重要特征,決定了納米科技具有劃時代意義。這些特性有如下4個方面[6] :
1)表面與界面效應。納米微粒尺寸小,表面積大,所以位于表面的原子比例相對增多。尺寸與表面原子數的關系見表1。當物質粒徑小于10nm,將迅速增加表面原子的比例,當粒徑降到1nm時,原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于表面原子數增多,使得這些原子易與其它原子相結合而穩定,具有很高化學活性,表面吸附能力強,擴散系數增大,塑性和韌性都大大提高;
表1納米微粒尺寸與表面原子數的關系
2)小尺寸效應。當納米微粒的尺寸與光波的波長相當或更小時,周期性的邊界條件將被破壞,電,光,磁,聲,熱力學等特征均會出現小尺寸效應;
3)宏觀量子隧道效應。微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。宏觀量子隧道效應的研究對基礎研究及應用都有重要的意義;
4)量子尺寸效應。量子尺寸效應是指當粒子尺寸下降到最低值時,費米能級附近的電子能級變為離散能級的現象。而當顆粒中所含原子數隨著尺寸減小而降低時,費米能級附近的電子能級將由準連續態分裂為分立能級。當能級間距大于靜磁能,磁能,熱能,靜電能,超導態或光子能量的凝聚能時,就導致納米微粒磁,熱,聲,光,電以及超導電性與宏觀特征顯著不同,稱為“量子尺寸效應”。例如導電的金屬在超細微粒時可以是絕緣的。
表面界面效應,小尺寸效應,宏觀量子隧道效應和量子尺寸效應是納米微粒與納米固體的基本特征,它使納米微粒和納米固體呈現出許多不同的物化性質。
2 納米科學研究的分析手段
具有原子分辨率的掃描隧道顯微鏡(STM),高分辨透射電鏡(HRTEM),和原子力顯微鏡(AFM)等手段[7-9]能直接觀察出納米固體,納米微粒,和納米結構特征。
1)掃描隧道顯微鏡(STM)
掃描隧道顯微鏡(STM)具有原子級的空間分辨率。主要描繪表面三維的原子結構圖。主要用于導電納米礦物原子級的空間分辨率研究 ,如金屬硫化物研究。
2)高分辯透射電鏡(HRTEM)
高分辯透射電鏡(HRTEM)空間分辨率可達0.1nm～0.2nm。主要用于各種礦物納米級的成分,形貌,結構的綜合研究。如金屬硫化物,硅酸鹽礦物,礦物中的出溶物以及膠體礦物研究。
3)原子力顯微鏡(AFM)
以掃描隧道顯微鏡(STM)為基礎發展起來的原子力顯微鏡(AFM)
能探測針尖和樣品之間的相互作用力,達到納米級的空間分辨率。為了獲得絕緣材料原子圖像,又出現了原子力顯微鏡。AFM主要是用于非導電納米礦物原子級的空間分辨率研究。如硅酸鹽礦物,膠體礦物等研究。在納米材料方面主要是觀察納米材料物質等在礦物物質表面的吸附和沉積,以及天然納米微粒形狀。
3 納米科技理論在地學上的應用
納米科技與地學的結合形成了以下3種學科納米地球化學,納米礦床學和納米礦物學。
3.1納米地球化學
納米地球化學就是研究地球中納米微粒分布,分配,集中,分散,遷移規律,以及由納米微粒的分布及組合特征反映斷裂活動,探測石油,天然氣,金屬礦床等。納米物質使元素具有新的地球化學活性和新的成巖成礦模式:傳統觀念認為,溫度越高,化學活性越大,元素的遷移能力越強,反之活性就越小,越不容易遷移。為此,作為化學性質很不活潑的金,在較低溫度下,理應活性很小,溶解度偏低,很難遷移成礦。事實上卻與納米金的地球化學行為相矛盾。但如果從納米科技理論的角度考慮,就不難理解了。納米科技理論認為,當物質的粒度達到納米級時,由于顆粒極其細小,表面積很大,例如SiO2,其粒徑從36nm減少到7nm時,其比表面積由75增加到360m2/g[10]。巨大的表面積使大量的原子處在表面,使元素的化學反應速度和擴散速度增加很多,吸附能力增強,熔點變低,物化性質發生改變。成巖成礦溫度低,因而使元素具有低溫活性。粒度越小,活性越大。這使納米級的物質具有成分相同的可見顆粒所沒有的特性。產生新的地球化學活性和新的成巖成礦模式。對稀有元素,活性性質不活潑的元素,分散元素和在水中溶解度極低的元素,在低溫條件下成巖成礦作用有了不同的解釋思路。
3.2 納米礦床學
相同成分的納米微粒不同的物化性特性已使地質學家對礦床學理論中有關礦質運移,富集過程有了新的認識。傳統理論認為,礦物質的運移以溫差,壓力差或濃度差為前提條件,而對礦物質的運移和富集又限定其必須有一定的礦化劑為載體,而未意識到同種物質如果其粒度不同則其物化性質的差別非常巨大。傳統成礦理論一直認為金礦的形成是由于其離子與一定絡合劑結合,在一定的溫度條件下遷移到一定部位,經過各種化學反應生成自然金而聚集成礦。納米科學技術理論認為:源巖中的原子態金只要達到納米級,其本身首先就由于極大的自擴散系數和吸附性而擴散,遷移合富集成礦。目前為止,地學界一直對砂金為何能在低溫條件下甚至使常溫態下能夠形成“狗頭金”的事實沒有定論,現在看來,很有可能是納米級的金自身擴散,遷移,吸附的結果。這種聚集成礦作用,在內生金屬成礦作用過程中可能也同樣起著不可低估的作用[11]。
3.3 納米礦物學
目前,由于科技的限制,人類對礦物學的認識,往往注重宏觀礦物單體,聚合體的形態及有關特性,注重微觀礦物成分及原子排列的情況,而對納米礦物微粒,納米礦物結構缺乏深入細致的研究。在傳統礦物學研究中,把礦物看成理想的晶體點陣,但在納米礦物學中則著重研究納米礦物微粒和礦物結構特征以及與此有關的巖石學,礦床學,構造地質學,地球化學等地質學科。
所謂的納米礦物就是指晶體粒度細小至納米量級的礦物顆粒。往往是以集合體形式結合一起[12]。彭同紅、萬樸等人運用掃描電鏡發現以下幾種非金屬礦晶體,具有納米尺寸的結構:
1)沸石, 其內通道直徑為13nm~113nm;
2)條紋長石、月光石、日光石,其晶間距為2nm;
3)膨潤土、高嶺土、海泡石,其層間距離為2nm等;
4)鱗片石墨經高溫膨化后形成蠕蟲石墨,形成網狀結構,其孔徑直徑為10 nm~100nm[13]。
目前,已發現的納米礦物資源主要分布在大洋底部及陸地。例如:海洋中的“黑煙囪”和陸地上的納米礦物有氧化物和硅酸鹽等。但受限于開采技術,目前僅其中層狀結構的黏土礦物并已初步進行開發利用。納米物質的巨大的比表面積、特殊的界面效應、臨界尺寸效應及高能量狀態賦其不同于普通物質的特性。例如, 普通金的沸點為2 966℃,而納米相金則在700℃~800℃條件下熔解、氣化[12]。其它納米相金屬也具有此特性。因而納米級礦物開發利用有著廣闊的應用前景。
4 結論
納米科技的研究是國際當前的研究熱點,它使人類在改造自然方面進入了一個新層次,即從微米級層次深入到納米級層次。也使地質學科學家的認識改造自然界進入一個新層次。HRTEM,STM,AFM等測試方法的在納米礦物學中的研究運用,一些新概念、新理論、新方法隨之孕育而生,使21世紀礦物學的研究將上一個新臺階,這將促進地質科學飛速發展。
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關鍵詞：價值工程；產品設計；功能；成本
價值工程（Value Engineering，簡稱VE）又稱為價值分析（Value Analysis，簡稱VA），價值工程是一門新興的管理技術，是降低成本提高經濟效益的有效方法。
價值工程于4O年代起源于美國，勞倫斯·戴羅斯·麥爾斯（Lawrence D.Miles）是價值工程的創始人，他發表的專著《價值分析的方法》，是對產品的功能、費用與價值進行深入的系統研究，提出了功能分析、功能定義、功能評價以及如何區分必要和不必要功能并消除后者的方法，最后形成了以最小成本提供必要功能，獲得較大價值的科學方法。使價值工程很快在世界范圍內產生巨大影響。
一 價值工程與產品設計的關系
價值工程，指的都是通過集體智慧和有組織的活動對產品或服務進行功能分析，使目標以最低的總成本（壽命周期成本），可靠地實現產品或服務的必要功能，從而提高產品或服務的價值。價值工程主要思想是通過對選定研究對象的功能及成本分析，提高對象的價值。這里的價值，指的是費用支出與獲得之間的比例，用數學比例式表達如下：價值=功能/成本。所以，要提高價值有以下幾種途徑：（1）提高功能，降低成本，大幅度提高價值；（2）功能不變，降低成本，提高價值；（3）功能有所提高，成本不變，提高價值；（4）功能略有下降，成本大幅度降低，提高價值；（5）適當提高成本，大幅度提高功能，從而提高價值。
產品設計是企業生存與發展的基礎，是企業經營成功或失敗的關鍵，特別是隨著社會生產力的不斷提高，產品種類極大豐富，產品品牌的競爭日趨激烈，企業開始意識到傳統的產品已經不能滿足人們日益增長的物質文化需求，為適應市場求新求變的要求，提高產品功能與質量，降低產品成本，借以提高產品價值已經成為企業刻不容緩的首要任務。而產品價值的確立，往往是在設計階段決定的。企業應在產品設計過程中就運用價值工程理論，其目的是為提高產品的價值，更好的滿足消費者的需求，從而為企業帶來更多利潤。
二 運用價值工程以增加產品功能來提高產品價值
產品設計是產品形成的關鍵階段，好的產品只有通過好的設計方案才能生產出來。因此，產品設計就成了實現價值目標的一個關節點。根據價值工程原理V=F/C，提高產品價值的兩個影響因素分別是功能（F）和成本（C），那么要想提高價值（V），只有通過增加產品功能和降低產品成本。增加產品功能并不是在現有產品的基礎上簡單地增加附加功能，就像市場上很多手機，它的最初功能只是用來接聽電話、發送信息，而隨著手機品牌和種類的增多，競爭逐漸激烈，各手機制造商為了贏得更多的消費者，給手機增加了許多附加功能。比如照相功能、MP3、MP4、游戲功能、上網功能等，這些功能一度引起消費者的關注，從價值工程理論中，增加產品的功能可以提高產品的價值，為企業帶來利潤。但從長遠來說，產品功能的增加，特別是多余功能的增加，同時也帶來了產品成本的大幅度提高，產品的整體價值其實是降低了。所以增加產品功能雖然是產品創新的手段，但產品功能的增加并不是隨意、無節制的，而是需要設計師具有敏銳地觀察力和超前的意識去發掘，通過研究消費者體驗而得出的，是消費者最需要的，只有這樣的功能增加才能夠在真正意義上提高產品的價值。
三 根據價值工程原理以降低成本來提高產品價值
根據價值工程原理，提高產品價值不僅可以通過增加功能來實現，還可以降低產品生產成本來達到目的。降低成本應用在產品設計中，主要體現在材料的選擇、結構的合理化和標準化。以最小的成本，獲得更大的使用價值，從而提高產品的價值。
現代社會隨著材料科學的迅猛發展，材料的種類不斷增加，性能也得到大大提高，特別是復合材料的出現，它最大的特點就是材料性能的可設計性，這一點為產品的大膽創新提供了有力的技術支持。比如玻璃鋼材料是一種塑料與玻璃纖維的復合材料，它在性能上克服了塑料強度低、易老化和玻璃易碎的缺點，顯示出重量輕、強度高、性能穩定的優點，是一種既有金屬材料的受力強度，又具有玻璃質感的新材料。在汽車設計中選擇玻璃鋼復合材料代替傳統的鋼鐵材料作為汽車的殼體材料，大大降低了汽車的自重，節約能源，同時在外觀造型設計提供了更大的創意空間。復合材料的運用可以使像家具、燈具、自行車等產品具有任意形態，生產工藝非常簡單，使設計師的思維不再受到材料和工藝的限制，產品造型可以更趨于藝術感、隨意感、情趣感，創意空間擴大了也就意味著產品價值提升了。
四 結語
隨著社會物質文化的不斷豐富，新產品的層出不窮，產品設計越來越受到企業的關注，成為企業賴以生存與發展的基礎。研究如何提高產品價值，為進一步提高產品設計的力度提供了思路和方法。從價值工程原理的角度探索產品設計的方法，通過價值工程分析增加產品功能和降低成本兩個方面重要性，促使企業管理人員與設計人員緊密結合，統一思想，為提高產品的價值，為企業贏得更大的利益帶來更多的可能性。
參考文獻
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關鍵詞:工程材料;實踐;多元化
高職教育的教學目標是為社會培養所需要的科技應用型人才，要求學生除掌握一定的理論知識外，更多的是要有較強的實踐能力和解決問題的能力。由于工程材料專業基礎課程內容繁雜，術語概念多，學生普遍感到難學，所以，在本課程的實踐教學中，力求運用多元化互動討論的教學方法，通過實踐讓學生加深對基本理論的理解，并提高學生動手實操能力。另外工程材料實踐教學還可以實施大學生研究訓練計劃，培養大學生創新能力，加強素質教育，也是學生進行工程訓練的主要教學環節。
一、設計實訓項目，拓展教學內容
工程材料課程相對來說，概念定義多、頭緒煩瑣，原理多、規律易掌握，但理論計算相對較少。因此在平時的課堂教學中，要注重教學方法的多樣化，循序漸進地引導并調動學生的積極性。在實踐教學方面，要讓學生積極主動地參與到實踐中，要激發學生的興趣，使他們主動思考問題，要變被動為主動。在保留傳統實訓內容的基礎上，要新增分析齒輪等思路，讓學生通過日常常見的工件，分析它的失效原理，掌握其早期失效的原因，最終達到如何通過實訓來滿足生產實踐的需要，并使學生在訓練過程中享受對實踐指導的作用和樂趣的目的。
二、注重互動互學
在實踐中，將學生進行分組，首先讓學生對自己原創的產品進行分析，并開展相互間的討論。在同學之間對生產過程、生產工藝及相關的后處理進行分析和討論遠優于教師的紙上談兵。其次，作為教師，應在課堂上鼓勵學生學習實踐的積極性，從操作方法的選擇到實踐項目的研發，讓學生切身將學習的理論知識應用到實踐中，鍛煉自己的應用和實踐能力。通過分組，讓同學感受團隊合作精神，在合作中找到自己合適的位置，這樣不僅活躍了實踐課的學習氛圍，還增強了學生參與教學和實踐的能力，通過這種方式的培養，使學生能正確面對眼前的困難，并通過一些溝通技巧，解決現實生活和生產實踐中遇到的難題，培養良好的團隊意識。
三、采用開放式的實踐教學方式
在實驗的內容和指導方法上，對傳統的驗證性實驗進行改革，由驗證性改為綜合性和設計性的實驗。在實驗內容的選擇上，盡量讓內容涵蓋基本原理與基本方法的操作和實驗，同時加入設計和創新研究的內容。實踐的整個過程以學生為主體，學生按照下發的任務書，根據所學的理論知識，查閱資料，設計實驗方案，并通過小組討論，確定實驗方案的可行性。在實驗的過程中，讓學生詳細記錄零件的名稱，失效形式，制定合理的熱處理工藝路線，最終獲得正確的金相圖片。實踐證明，此方法可以提高學生的實踐能力和解決實際問題的能力。
四、讓實踐教學貫穿課程主線
設計相關的問題，讓學生分析出現此類現象的原因，從而引進要講的實踐內容。例如材料的機械性能教學，通過對鐵碳相圖的學習，了解各組織在相圖中的位置，根據碳含量，掌握材料的性能及其分類方法，本課程結束后，立即安排學生進行鉗工實習，讓學生根據學過的理論知識，對材料進行正確的選擇，自己根據所選零件進行獨立的設計和加工，這也是學生對自己所掌握知識的綜合訓練。將實踐教學中相關的典型案例貫穿到整個課程，可以提高學習效果，同時還可以讓學生了解學習的全過程，并將學習內容和實踐進行有機的結合，學生自主學習的積極性得到很大程度的提高，為下一步的實踐資料整理打下基礎。理論聯系實際對于工程材料這門課相當重要，但要真正做好這方面的教學并不容易。只有將課堂的理論教學、實踐教學及工程實訓相結合，從中讓學生認識材料的基本理論及相關的材料加工知識，才能實現“知識—能力—方法”的同步提高。要完成上述的教學目標，首先必須要求教師本人具有豐富的科研與工程實踐能力，其次要讓學生認識理論與實際的有機聯系，從中理解和掌握科學知識，最終培養他們運用理論知識解決實際問題的能力。
五、結束語
實踐教學是材料專業人才培養的重要環節，實踐教學體系是提高實踐教學質量的重要保障［1］。江蘇財經職業技術學院緊緊圍繞高素質技能型人才的培養目標，注重學生“五種能力”的培養，改革和創新材料科學與工程專業的實踐教學體系，促進學生創新與實踐能力的提高。工程材料課程是一門“教師難教，學生厭學”的課程。“教學有法，但無定法”，在教學實踐中，采用靈活多變的方法，激發學生的學習興趣，必能取得令人滿意的教學效果。特別是廣大教師在教學過程中要突破傳統理念的束縛，敢于創新，大膽探索和實踐，及時發現和總結成功的經驗，不斷加快培養具有創新精神、創新能力人才的步伐［2］。
參考文獻:
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