时间：2023-06-12 14:45:04
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇材料科学与工程的定义，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：材料科学与工程；材料科学基础；应用型本科教育；课程改革
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。
三是增加研究报告的考核形式。结合材料科学基础的特点，由教师罗列出热点领域，在班级分成若干小组，每个小组自行选取兴趣领域，形成研究报告，并在课堂上以PPT的形式进行报告。讲述该领域的发展现状及问题，形成PPT并向老师和同学做报告，最后形成综合评分。这一考核方式有助于培养学生的协调组织能力及团队意识。在促进学生自身思考以及激发学习主动性的同时，也能让学生及时了解最新的国际研究动态。
在《材料化学》绪论课的教学过程中，采用启发引导教学方式，以“材料、材料与化学、材料化学”为主线进行教学设计，通过讲解材料发展中的化学，引入材料科学与化学的区别与联系，重点从材料结构、制备、性能和应用四个方面讲授了材料研究中的化学问题，使学生对本课程的内容有了清晰的认识，激发了学生学习本课程的信心和兴趣，并取得了满意的教学效果。
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.
［4］曾兆华，杨建文.材料化学.2版［M］．北京:化学工业出版社，2013.
【关键词】材料化学；改革；探索
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
高校师资队伍是学校发展的根本所在，是学科建设的重中之重。一所高水平大学必须拥有一支高水平的教师队伍。师资是衡量大学水平的最重要的指标和要素。由于材料化学课程是介于材料学和化学之间的一门边缘学科，所涉及面较广。单纯有纯化学背景的教师或纯材料学背景的教师上课，由于知识面的问题，会导致教师教的费劲，学生学得困难。对于材料化学课程教师队伍应该持续充电，完善知识结构。要鼓励材料材料化学课程教师积极对外交流，这样有利于学科交叉和吸取其他高校的成功经验，同时还要做到教学和科研相结合，紧跟材料科学研究的前沿。在教学过程中，教师要对教学内容进行延伸，不仅仅是单纯地讲述课本上的内容，这样就使本来很单调的内容变得比较有趣，活跃了课堂气氛，让学生学到最新和最现代的知识和技术。因此，在材料化学课程教学改革探索与实践中，必须加强高校师资队伍建设。
目前，在全球范围内开展世界大学评价的机构已有几家，并产生了许多具有较大影响的世界大学排名，如《美国新闻与世界报道》的“世界最佳大学(World’sBestUniversities，WBU)”［1］，上海交通大学的“世界大学学术排名(AcademicRankingofWorldUniversities，ARWU)”［2］，《泰晤士报高等教育专刊》的“世界大学排名(WorldUniversityRankings，WUR)”［3］，德国高等教育发展中心的“CHE大学排名”(CHEUniversityRanking，CHEUR)［4］和西班牙人文与社会科学研究中心(CentrodeCienciasHu-manasySociales，CCHS－CSIC)网络计量实验室(CybermetricsLab)的“世界大学网络计量排名(WebometricsRankingsofWorldUniversities，WRWU)”［5］等。2005年，武汉大学中国科学评价研究中心(RCCSE)在各项世界大学排名的基础上，按照中心的既有理念，设计了世界大学排名指标、权重、对象和方法，分析研究了进入ESI排行的世界大学的综合竞争力，首次了“世界一流大学与科研机构学科竞争力评价研究报告”。之后，RCCSE每两年对世界大学和科研机构的科研现状进行综合的研究。经过多年的实践和经验总结，此项排名不断成熟和完善，至2011年已连续4次排名结果［6－9］。另外，考虑到世界大学与学科评价对中国高等教育国际化发展的影响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年起将每年评价一次并出版相应的评价研究报告。同时为了迎合网络时代的新兴需求还创新性地引入了“网络影响力”这一指标，以进一步考察各学校的声望情况、科研成果的开放获取程度，并作为Web环境下科研影响力评价的补充，以达到从科研产出到现实影响再到网络影响的综合实力评价［10］。
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。
五、结语
一门科学的内涵和定义至少有四个属性:
整体和局部性科学是一个复杂的知识体系,好比一块蛋糕。为了便于研究,要把它切成大、中、小块。首先切成自然科学、技术科学和社会科学三大块。在自然科学中,又有许多切法。一种传统的切法是分为物理学、化学、生物学、天文学、地理学等一级学科。近年来又有切成物质科学、生命科学、地球科学、信息科学、材料科学、能源科学、生态环境科学、纳米科学、认知科学、系统科学等的分类方法。化学是从科学整体中分割开来的一个局部,它和整体必然有千丝万缕的联系。这是它的第一个属性。
学科之间的关联和交叉如果把科学整体看成一条大河,那么按照各门科学研究的对象由简单到复杂,可以分为上游、中游和下游。数学、物理学是上游科学,化学是中游科学,生命科学、社会科学等是下游科学。上游科学研究的对象比较简单,但研究的深度很大。下游科学的研究对象比较复杂,除了用本门科学的方法以外,如果借用上游科学的理论和方法,往往可以收到事半功倍之效。所以“移上游科学之花,可以接下游科学之木”。具有上游科学的深厚基础的科学家,如果把上游科学的花,移植到下游科学,往往能取得突破性的成就。例如1994年诺贝尔经济奖授予纳什,他在1950年得数学博士学位,1951-1958年任美国麻省理工学院数学讲师、副教授,后转而研究经济学,把数学中概率论之花,移到经济学中来,提出预测经济发展趋势的博弈论,因而获得诺贝尔经济奖。
发展性化学的内涵随时代前进而改变。在19世纪,恩格斯认为化学是原子的科学(参见《自然辩证法》),因为化学是研究化学变化,即改变原子的组合和排布,而原子本身不变的科学。到了20世纪,人们认为化学是研究分子的科学,因为在这100年中,在《美国化学文摘》上登录的天然和人工合成的分子和化合物的数目已从1900年的55万种,增加到1999年12月31日的2340万种。没有别的科学能像化学那样制造出如此众多的新分子、新物质。现在世纪之交,我们大家深深感受到化学的研究对象和研究内容大大扩充了,研究方法大大深化和延伸了,所以21世纪的化学是研究泛分子的科学。
定义的多维性一门科学的定义,按照从简单到详细的程度可以分为:(1)一维定义或X-定义,X是指研究对象。(2)二维定义或XY-定义。Y是指研究的内容。(3)三维定义或XYZ-定义。Z是指研究方法。(4)四维定义或WXYZ定义,W是指研究的目的。(5)多维定义或全息定义。一门科学的全息定义还要说明它的发展趋势、与其他科学的交叉、世纪难题和突破口等等。这样才能对这门科学有全面的了解。下面以化学为例加以说明。
化学的一维定义
21世纪的化学是研究泛分子的科学。泛分子的名词是仿照泛太平洋会议等提出的。泛分子是泛指21世纪化学的研究对象。它可以分为以下十个层次:(1)原子层次,(2)分子片层次,(3)结构单元层次,(4)分子层次,(5)超分子层次,(6)高分子层次,(7)生物分子和活分子层次,(8)纳米分子和纳米聚集体层次,(9)原子和分子的宏观聚集体层次,(10)复杂分子体系及其组装体的层次。
化学的二维定义化学是研究X对象的Y内容的科学。具体地说,就是:化学是研究原子、分子片、结构单元、分子、高分子、原子分子团簇、原子分子的激发态、过渡态、吸附态、超分子、生物大分子、分子和原子的各种不同维数、不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态,直到分子材料、分子器件和分子机器的合成和反应,制备、剪裁和组装,分离和分析,结构和构象,粒度和形貌,物理和化学性能,生理和生物活性及其输运和调控的作用机制,以及上述各方面的规律,相互关系和应用的自然科学。
化学的三维定义化学是用Z方法研究X对象的Y内容的科学。化学的研究方法和它的研究对象及研究内容一样,也是随时代的前进而发展的。在19世纪,化学主要是实验的科学,它的研究方法主要是实验方法。到了20世纪下半叶,随着量子化学在化学中的应用,化学不再是纯粹的实验科学了,它的研究方法有实验和理论。现在21世纪又将增加第三种方法,即模型和计算机虚拟的方法。化学的四维定义化学是用Z方法研究X对象的Y内容以达到W目的的科学。化学的目的和其他科学技术一样是认识世界和改造世界,但现在应该增加一个“保护世界”。化学和化学工业在保护世界而不是破坏地球这一伟大任务中要发挥特别重要的作用。造成污染的传统化学向绿色化学的转变是必然的趋势。21世纪的化工企业的信条是五个“为了”和五个“关心”:为了社会而关心环保;为了职工而关心安全、健康和福利;为了顾客而关心质量、声誉和商标;为了发展而关心创新;为了股东而关心效益。
化学的多维定义———21世纪化学研究的五大趋势
1、更加重视国家目标,更加重视不同学科之间的交叉和融合在世纪之交,中国和世界各国政府都更加重视国家目标,在加强基础研究的同时,要求化学更多地来改造世界,更多地渗透到与下述十个科学郡的交叉和融合:1数理科学,2生命科学,3材料科学,4能源科学,5地球和生态环境科学,6信息科学,7纳米科学技术,8工程技术科学,9系统科学,10哲学和社会科学。这是化学发展成为研究泛分子的大化学的根本原因。所以培养21世纪的化学家要有宽广的知识面,多学科的基础。
2、理论和实验更加密切结合
1998年,诺贝尔化学奖授予W.Kohn和J.A.Plple。颁奖公告说:“量子化学已经发展成为广大化学家所使用的工具,将化学带入一个新时代,在这个新时代里实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质。化学不再是纯粹的实验科学了。”所以在21世纪,理论和计算方法的应用将大大加强,理论和实验更加密切结合。
3、在研究方法和手段上,更加重视尺度效应
20世纪的化学已重视宏观和微观的结合,21世纪将更加重视介乎两者之间的纳米尺度,并注意到从小的原子、分子组装成大的纳米分子,以至微型分子机器。
4、合成化学的新方法层出不穷合成化学始终是化学的根本任务,21世纪的合成化学将从化合物的经典合成方法扩展到包含组装等在内的广义合成,目的在于得到能实际应用的分子器件和组装体。合成方法的十化:芯片化,组合化,模板化,定向化,设计化,基因工程化,自组装化,手性化,原子经济化,绿色化。化学实验室的微型化和超微型化:节能、节材料、节时间、减少污染。从单个化合物的合成、分离、分析及性能测试的手工操作方法,发展到成千上万个化合物的同时合成,在未分离的条件下,进行性能测试,从而筛选出我们需要的化合物(例如药物)的组合化学方法。
5、分析化学已发展成为分析科学分析化学已吸收了大量物理方法、生物学方法、电子学和信息科学的方法,发展成为分析科学,应用范围也大大拓宽了。分析方法的十化:微型化芯片化、仿生化、在线化、实时化、原位化、在体化、智能化信息化、高灵敏化、高选择性化、单原子化和单分子化。单分子光谱、单分子检测,搬运和调控的技术受到重视。分离和分析方法的连用,合成和分离方法的连用,合成、分离和分析方法的三连用。
[关键词] 服装材料 发展趋势 新型材料
一、服装材料的性能
服装是人们生活中必不可少的东西，在"衣、食、住、行"中，它排在首位，可见其重要性。服装是由款式、色彩和材料三要素组成的，其中材料是最基本的要素。服装材料是指构成服装的一切材料，它可分为服装面料和服装辅料。何谓服装？狭义地说，服装就是单指穿在身上的衣服、裤子、裙子等等；广义地说，服装就是包覆人体各个部位的物质，也包括各种装饰品。这样，我们可以给服装材料下一个定义：用来制作服装的材料。不仅指制作衣服的材料，还包括制作其他配件所用的材料。
一般来说，服装材料主要以下的基本性能：
1.吸湿性能。吸湿性是服装材料必备的基本性能之一。良好的吸湿性能可以使人穿着时感到舒适，及时吸附人体排出的汗液，调节体温。从服装材料的组织结构来看，针织材料比梭织材料的吸湿性能好，其中经编针织为最佳。在实际使用时，外衣材料的吸湿性应比内衣材料的吸湿性差。
2.保温性能。保温性是服装材料必备的基本性能之一。纺织纤维中所含的静止空气越多，保温性能就越强。比如，毛线比棉线更蓬松，保温性就更好。质地疏松的织物比质地紧密的织物保温性强，例如：粗纺呢绒的保温性比精纺呢绒强。此外，天然纤维比化学纤维的保温性好。
3.弹性和强度。弹性是指服装材料受挤压变形后恢复原状的能力。通常，天然纤维的弹性较好，但恢复原状的能力也较弱。合成纤维，尤其是涤纶，其恢复原状的能力很强，制成的服装更为挺括。强度是指使用时的坚牢程度。一般来说，合成纤维的强度要比天然纤维的强度大得多，不易破损。
4.透气性能。透气性能是调节人体舒适感的性能，与人体健康密切相关。透气性能的强弱，取决于材料组织的密度、厚度及其表面形状，选用时，应根据设计意图，慎重挑选。
5.柔软性能。服装材料的柔软性能是指材料的柔和程度，对人的心理和生理都有一定影响。柔软性能与纤维的粗细，质地的软硬直接有关。选用的材料越柔软，制成的服装穿起来也越舒适。
二、对服装材料科学技术的要求
服装材料科学技术的要求不仅要满足服装的服用性能指标即舒适性、耐用性及外观性等三个方面,更要适应人类社会的发展对服装功能的要求,即服装面料对人体具有适应与保护的机能，服装形态的稳定性机能;服装形态的变化机能(同一件服装可以变换样式)，色彩适应机能(随着光的冷暖变化,服装的色彩也相应的变化)。
随着科学技术的发展,尤其是纺织工业的发展,人们对服装材料的要求越来越高,为了最大限度地提高服装材料的服用性能,满足人们对服装的各种需求,服装材料将不断地从低级、单一型走向高级、多样化。
1.面料纤维性能的不断提高
从人们对服装艺术形态需求的角度分析,天然纤维与化学纤维将交替成为人们追求的中心,且根据不同的服装及服装的用途,其纤维用料将会是相对稳定的,合成纤维仍然是需求的主要纤维。要求合成纤维要天然化,天然纤维合成化。
2.面料花样的不断翻新
如高支纱、包芯纱等,最大限度地适应人体机能。
3.织染技术的不断提高
在国际上出现了转移印染、喷液印染、圆网印花等。后期整理方面增加了各种防护功能,
如防水、防燃、防腐等。
三、服装材料对服装设计的影响
从人们学会运用纺织技术织布制衣开始,人类社会就从来没有停止过对纺织技术的研究以及服装面料的创作,一直表现着这种研究与生产变化内容的就是标志历史与现代的人类服装形态。所以服装面料的科学性与服装设计有着直接的对应关系,它是服装艺术形态设计的基本要素,它为服装造型、结构设定提供了主要的可行性依据。例如:性质、结构及色彩不同的服装面料,由于其适用性不同,服装设计师将从视觉形态、人体工程、服装机能等方面考虑
确定服装产品的设计定位及服装形态的结构形式。从这一点上讲,服装材料是服装设计的基础,它为服装设计做好充分的技术准备工作,使服装设计在其物质条件的基础上得以实现。
服装材料在服装设计中的运用
服装设计的三大要素分别是色彩、造型和材料。有好的色彩及造型设计构思,还需通过相应的服装材料,才能使设计构思得到完美体现。若对服装材料的科学技术不了解,选用不慎或漫不经心,就会破坏设计造型的整体效果。因此,如何从科学性和审美性两个方面充分发挥服装材料的作用,正确选择运用服装材料才是服装设计中最为关键的问题。服装设计是通过服装材料的不同造型完成的。不同的材料在造型风格上各具特色,如何选用适当的服装材料,利用材料的质感和塑型性体现服装造型,使服装设计与服装造型完美结合也是服装设计成功与否的重要环节。
不同的服装材料,运用相同的设计表现形式和相同的工艺技术,会出现不同的服装效果。例如:有些服装的色牢度不稳定,出现退色或是变色的现象;有些服装的形态不够稳定,易缩水变形;有些服装面料的物理机械性能不稳定,如面料纤维的耐热、吸湿、可缩性直接决定了服装工艺热处理定型的量化要求;面料的编织密度、松紧、轻重也直接作用于服装工艺技巧及制作方法。那么,不同材质面料的造型特点在服装设计中是如何运用的?我们应从以下几方面来论述:柔软型面料柔软型面料一般悬垂性好,较柔软,造形流畅而贴体,服装轮廓自然舒展,能柔顺地体现衣着者的体形,这类面料包括针织面料和丝绸面料。针织面料的服装可省略一些剪辑线和省道,取长方形造型,使衣、裙、裤自然贴身下垂;丝绸面料的服装多采用松散型和有褶裥效果的造型。厚重型面料 厚重型面料质地厚实挺括,有一定的体积感和毛茸感,能产生浓厚稳定的造型效果。服装造型和轮廓也不宜过于合体贴身或细致精确,以A型和H型造型最为恰当。透明型面料 透明型面料质薄而通透,能不同程度地展露体形,常用线条自然丰满、富于变化的H形和圆台形的设计造型。挺爽型面料 挺爽型面料天然硬挺,造型线条清晰而有体积感,能形成丰满的服装轮廓,给人以庄严稳重的感觉。这类面料包括棉布、麻布、毛料和化纤织物。挺爽型面料可设计出轮廓线鲜明合体的服装,以突出服装造型的精确性。光泽型面料 光泽型面料表面光滑,并能反射出亮光,有熠熠生辉之感,常用来制作晚礼服或舞台演出服,以取得光泽闪耀、华丽夺目的强烈效果。这类面料大多为缎纹结构的织物,在服装总体造型上应以适体、简洁、修长为宜。绒毛型面料 绒毛型面料指表面起绒或有一定长度的细毛面料,这类面料有丝光感,显得柔和温暖。绒毛型面料因材料不同而质感各异,在造型风格上也各有特点,一般以A型和H型的造型为宜。
【关键词】智能混凝土；研究；问题；应用
在科学技术日新月异的今天，材料科学也获得了很大的发展，作为建筑重要材料的混凝土不断向高性能、多功能和智能化方向发展。用它可以建造大型化和复杂化的混凝土结构。因此，研发具有主动、自动地对结构进行自我诊断、自我调节、自我修复、恢复的智能混凝土已成为混凝土的主要发展趋势。
一、智能混凝土的定义和研发过程
1、智能混凝土的定义
智能混凝土是在混凝土原有成分的基础上复合智能型的建筑材料，它使混凝土具有自我感知和记忆能力，能自己适应和自我修复特性的多功能型材料。依据它的这些特性可以有效地感知混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在的危险性破坏，它能根据检测结果自动进行修复，明显地提高混凝土结构的安全性和耐久性。总而言之，智能混凝士是自我感知和记忆、自我适应、自我修复等多种功能的综合体，缺一不可，但是以当今的科技水平制备完善的智能混凝土材料还相当困难。但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土，仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相继出现，为智能混凝土的研究打下了坚实的基础。
2、智能混凝土的研发过程
智能混凝土的基本材料与一般的混凝土没有什么区别，都是水泥和砂子。但是智能混凝土中还含有石英砂和各种加固的材料、纤维。这种石英砂和其他大量混在砂子中的石英砂是不同的，它的纯度很高，高达100%。依据它的特点，伊朗的土木工程师把智能混凝土应用到从修建水坝到铺设污水管的各个领域，并且不断地完善其应用技术。哈马丹布-阿里大学的穆哈穆德・尼力教授在智能混凝土中配入了聚丙烯纤维和石英粉，使其韧性大大提高，抗爆能力比普通混凝土高出数倍。卢合拉・阿里扎德的改进更加完善。萨韦省伊斯兰阿萨德大学阿里・纳扎里教授及其同事发表了多篇论文，研究使用各种氧化金属纳米粒子改变混凝土内部结构的方法。他们使用过氧化铁，氧化铝，氧化锆，氧化钛及氧化铜。材料经过纳米粒子处理后会呈现出极佳的属性。尽管只有几件小样品呈现出了这种属性，但至少证明了这个方法是可行的。使用这样的纳米粒子，有望制造出比拉法基混凝土强度高出四倍的混凝土。2008年，德黑兰大学发表了一份研究报告，研究的是智能混凝土抵御钢弹冲击的能力。一般情况下，这些在地震时都不是问题。研究发现，加有大量长钢质纤维的混凝土性能最佳。随着智能混凝土的研发过程的不断推进，其工能也在不断完善和强化。
二、智能混凝土的研究现状，及其研究中应注意的问题
1、智能混凝土的研究现状
对于具有自诊断、自调节和自修复功能的混凝土只是智能混凝土研究的初步阶段，它们不是具备智能混凝土的全部特征，而是只拥有它的某一个特征，所以说它们是一种智能混凝土的最初形成的简化形式。因此有人把它们叫做机敏混凝土。显然这种功能不完整的混凝土不能代替发挥智能混凝土的作用，当今科研工作者们正努力于将两种以上的功能进行混合组装在一起，这就是我们知道的智能组装混凝土材料的研究。智能组装混凝土材料是将具有自我感应、自我凋节和自我修复组件材料的功能，混凝土基材复合可以做到依据结构的需要进行排列，以此来达到混凝土结构的内部损伤的自我诊断、自我修复以及抗震减振的智能化。
2、智能混凝土研究中应注意的问题
在建筑房地产飞速发展的今天，智能混凝土具有非常广阔的前景，但是作为新型的功能材料，在运用到实际的工程中，我们还有一些问题需要进一步地加强探索和研究：例如碳纤维混凝土电阻率的稳定性、电极布置方式、耐久性等方面的研究；光纤混凝土的光纤传感阵列的最优排布方式研究；自愈合混凝土的修复粘结剂的选择研究，自愈后混凝土耐用和持久性能的完善等。这些问题的解决将对智能混凝土的进一步发展产生深远的影响。为进一步为促进智能混凝土的研究工作我们可以从以下几点着手。
首先，要用针对性地进行开发研究。研究的针对性是指要针对混凝土的性能发生恶化以及结构发生破坏等具体情况，采取不同的智能方法，例如可以针对这些情况，进一步缩小智能化范围，以某一种具体功能为对象，然后研究出相对应的方法。
其次，注重其实际应用中的可行性。浇注混凝土要在工程现场进行，因而应以原有工艺为基础开发相应的较为简单的方法。选用的材料应具有化学稳定性，要有利于安全施工，不挥发任何有刺激的气味以及其它有害物质等，并且还能够能大量使用而且成本较低。
再次，注意研究设计的综合功能性。采用智能化，虽能够提高材料的耐用和持久性，但是也存在一些负面影响。例如因为采用了某种材料虽可以对某种恶化情况进行控制以及进一步改善，但是否会对其它性能会产生，面对正反两方面的问题都在判断和设计时进行综合而全面的考虑和衡量。
三、智能混凝土的应用前景
智能混凝土是科学技术日新月异时展的结果，它的运用对重大土木基础设施应变的实量监测、损伤的无损评估、及时修复以及减轻台风、地震的冲击等诸多方面有很大的意义，对保证建筑物的安全耐用和持久性都具有十分重要的作用。而且随着现在建筑发展的智能化趋势，传统的建筑材料的研究、制造、缺陷预防和修复等都面临着强烈的挑战。智能混凝土材料作为建筑材料领域的高新技术，为传统建材的未来发展注入了新的内容和活力，也提供了全新的机遇。它发展可以使混凝土材料的应用具有更广阔的前景，相信也会带来巨大的社会经济效益。
四、结束语
综上所述，随着科学技术的创新运用到建筑材料领域，随之就产生了智能混凝土材料，智能混凝土材料的出现以及运用将会革新我国土木工程的建设，其意义重大。
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关键词：创新；教学；批判性思维
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）05-0001-02
近几十年来，批判性思维作为一种教学理念、学科和教学方式出现，已成为北美和欧洲教学的主要目标之一[1，2]。如在美国，20世纪70年代，其教育改革运动以批判性为焦点，80年代后，批判性逐渐成为教学改革的核心。批判性思维已成为一门培养学生素质的课程，并贯彻到各门具体学科的教学中去[3]。在现有的研究中对批判性的思维不同的人有不同的定义。一些人认为：批判性思维是一种能力。一些人认为批判性思维是积极地、熟练地解析、应用、分析、综合、评估支配信念和行为的那些信息的过程。无论是能力还是过程，批判性思维均需要我们对判断和论证进行批判性的反思[4，5]。大学生批判性思维的培养，对大学生创新精神的培养，信息处理能力的提高，以及个体未来的发展都有不可估量的作用[6-8]。国内外对于大学生批判性思维的培养，也开展了大量的工作，南敬实[9]分析了批判性思维在学生学习中的重要性，重点探讨了教师在课堂教学组织以及促进学生批判性思维能力的措施。吴彦茹[10]研究了协作学习、研究性学习、在线学习、学术对话等学习方式对学生批判性思维发展的作用，混合式学习对发展大学生批判性思维能力具有@著促进作用。吴亚婕[11]研究了网络环境下大学生批判性思维能力培养教学模式，利用网络进行混合式教学在传统高等院校中对大学生批判性思维能力的培养具有优势，主题的选择、活动内容的安排和活动时间的安排都影响批判性思维的整体培养。总结国内外文献表明，在教学过程中，引导学生进行批判性思考，培养学生的批判性思维能力，具有十分重要的意义。
在教学过程中培养大学生创新思维能力，首先需要营造好的师生交流氛围。有别于传统中小学以知识灌输为主的教学方式，在大学教学过程中，特别是专业课程的教学，其与工业生产密切相关。在教学过程中，教师能够将理论与实际相结合，激发学生的学习兴趣，引导学生积极思考，形成一种互动式教学氛围，而在互动式教学过程中，培养学生的批判性思维将是一种十分有益的尝试。在互动式教学过程中，我们将考虑理论与知识的运用，以及课后学生如何运用批判性思维方式分析问题。
培养学生的批判性思维能力，核心在于教师的课程内容的设计以及教师在课堂上的引导。而在互动式教学过程中，学生积极参与其中，围绕教师提出的问题，开展讨论。因此，如何设计教学内容，营造互动式教学氛围，在这种氛围中，有效引导学生开展批评性思考，是我们青年教师需要学习和提升的地方。以《材料工程基础》为例子，这是一门材料科学与工程专业的核心课程，我们在教学中采用了英文原版教材且主要采用英语教学。如何提高学生的课堂参与积极性以及在参与过程中引导学生进行思考，培养其独立的批判性思维就具有很大的挑战。首先是要求老师有好的教案设计，针对这门课程与实际应用关系紧密的特点，在教案设计过程中，我们提供了很多实际应用的例子。同时在教学形式上，我们采用了多种手段，如提供了很多视频内容。这样能引起学生的兴趣，然后讲解知识要点时，重点讲解其过程。在这中间，我们对其原理及定律的思想进行分析。提出一些对原理及定律存在的一些误解，让同学们分析，提出自己见解。一个同学的观点，引出其他同学的讨论，作为教师在关键时候给予点拨评价。这是在理论教学方面，通过引导学生进行有效的思考，激发其批判性思维能力的培养有效方式之一。
在涉及到应用性实际问题时，我们引导学生基于所学理论，针对具体问题设计出合理的解决问题方法。如在设计某种零件时的选材问题，其需要选择一种金属材料在既满足设计时提出的材料性能要求，同时也必须要考虑其经济性价比。因此，我们将学生分成几组，通过讨论并分工，最后给出各自的方案。每组在课堂上进行陈述，老师针对其设计方案，引导同学从材料特性、加工工艺、经济性等方面对学生进行引导。如在具体的热处理工艺参数环节，提出其热处理温度的设计理由、合理性等方面的问题。如果改变参数，那结果将是怎么样的？改变保温时间，会达到什么样的效果？有没有其他的处理方式降低成本？等等，通过一些看似很普通的问题，让同学学会深入学习知识，提高其思考的深度，达到批判性思维能力的培养。在上述教学过程中，关键是要求老师能够激发学生的兴趣使其参与其中，我们采用了大量的实际生产案例，让同学感受到所学知识与以后工作密切相关。
互动式教学从课堂上延伸到课外，引导学生在课余时间投入精力进行学习、思考。如在每次课程结束后布置作业时，既有理论知识要点分析的题目，又有团队设计类型题目。同学生在课后组成学习小组对所需理论知识自己进行分析思考，做出自己的判断和思考，同时对于设计题目，小组成员之间相互合作，将课堂所学的分析方法用于具体事例分析，逐渐提升批判性思维能力。对于一些特定的问题，在答疑和辅导环节，和学生以平等的方式探讨，引导和鼓励学生的批判性思考问题方式。此外，教师收集一些生产中遇到的问题，将其中与《材料工程基础》相关内容提取出来，和学生一起讨论所涉及到的材料性能、加工工艺等专业知识，思考方案的合理性以及是否可以改善。
批判性思维方式的培养，是提升学生创新能力的基础。教师不仅要关注课堂上的培养，也应该关注学生在课后运用批判性思维学习分析问题。在《如何成为卓越的大学教师》一书中，美国著名教育研究学者肯・贝恩写到，我们的大学教育应该是一种深度学习的教育，通过教育改变学生对传统观念的认识，进而影响其人生。而在这背后，批判性思维的培养十分重要，大学担负着为国家培养人才，教师与学生的互动形成互动式教学，有利于教师和学生的平等交流，在此基础上，教师通过激发学生兴趣，引导学生进行一些逆向思考，逐渐培养其批判性思考的习惯。
在互动教学过程中培养学生的批判性思维能力对于教师特别是新进青年教师的教学能力发展、提高教学质量和学生学习效果具有十分重要的意义。首先，在互动式教学氛围的营造方面，如何引导学生积极参与课堂教学中，就需要青年教师在教学前期做好充分的准备，对于材料科学与工程学科，不仅需要熟知专业知识，还得结合生产实际，增加实际案例，丰富课堂知识表现形式，提高学生的兴趣。对于学生而言，在互动教学过程中，教条式的知识点，变成了与理论密切相结合的实用性知识。学生在充分参与的条件下学习，有助于对知识的理解、掌握，进而提升学生学习的效果。其次，在互动课堂中，教师对问题的设计，是引导学生进行批判性思考的重要环节，这就要求教师需要提高自身对专业知识深入的理解，同时需要不断增加自身知识面。对于学生而言，通过老师的引导，学生在实际中学会了运用所学知识，熟悉了运用知识解决问题的思路和方法，有助于培养学生批判性思维能力，最终提高教学质量。最后，在互动式教学过程中，还有助于青年教师在教学过程中准确表达问题、理清核心问题的能力。对于学生而言，有助于准确有效地表达自己的学术观点，增强自身专业知识，学会学术沟通方法及技巧。互动教学氛围中培养学生的批判性思维能力将有助于提升青年教师的教学能力，提高教W质量以及学生学习效果。
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1. 正负电子对撞机
北京正负电子对撞机（BEPC）是中国第一台大科学装置，也是中国第一台高能加速器，1990年建成运行，后又经过一系列改造，已在高能物理研究方面取得了多项国际领先的成果。到2020年，BEPC的科学目标就基本完成了，科学家设想，未来建成一个50～100千米周长的环形正负电子对撞机CEPC，进一步将CEPC改建成一个超级质子对撞机。
2. 郭守敬巡天望远镜
郭守敬巡天望远镜全称是大天区面积多目标光纤光谱望远镜（LAMOST），它位于中科院国家天文台河北兴隆观测基地。自2012年9月正式巡天以来，已捕获700余万条高质量恒星光谱，超过此前全球所有已知光谱巡天项目获得数据的总和。光谱包含着关于恒星各种特性的信息，能够揭示其运动状态、温度、质量和化学成分。
3. EAST装置
EAST由“实验”“先进”“超导”“托卡马克”4个英文单词的首字母组成，也称“东方超环”，位于中科院合肥等离子体研究所。“托卡马克”是一环形装置，外面缠绕着线圈，通电时内部会产生强大的磁场，来约束核聚变材料产生的高温等离子体，从而实现人类对聚变反应的控制。EAST是世界上第一个建成并正式投入运行的全超导“托卡马克”实验装置，而且是世界上第一个非圆截面全超导“托卡马克”实验装置。
4. 神光II装置
“托卡马克”装置的“磁约束聚变”是实现可控核聚变反应的一条途径，另一条途径则是“惯性约束聚变”，即把强大的激光束聚焦到核聚变材料制成的微型靶丸上，在瞬间产生极高的高温和极大的压力，被高度压缩的稠密等离子体在扩散之前，即完成全部核反应。中科院上海光学精密机械研究所的神光Ⅱ高功率激光实验装置便是这样一个被誉为“在地球上人造一个小太阳的大科学工程”。
5. 种质资源库
中国西南野生生物种质资源库位于云南昆明，主要收集和保存云南及周边地区和青藏高原的种质资源，包括种子库、植物离体种质库、DNA库、微生物库和动物种质库。与世界其他著名的种子库相比，西南种质资源库是唯一建立在“生物多样性热点地区”的种质资源库。
6. 上海光源
上海同步辐射装置（SSRF）简称上海光源，是世界上性能最好的第三代中能同步辐射光源之一。同步辐射是由以接近光速运动的电子在磁场中做曲线运动改变运动方向时所产生的电磁辐射。
7. 子午工程
“东半球空间环境地基综合监测子午链”（简称子午工程）是指沿东经120度附近，北起漠河经北京、武汉南至海南并延伸到南极中山站，以及沿北纬30度附近，东起上海经武汉、成都西至拉萨的15个监测台站所组成的监测网络。通过运用地磁（电）、无线电、光学和探空火箭等多种手段，连续监测空间环境，为天气研究、地震监测等提供帮助。
8. “科学”号考察船
“科学”号是我国最先进的海洋科学综合考察船，它具备全球航行能力，配备了海洋大气、水体、海底、深海极端环境和遥感信息现场验证等五大船载探测系统，搭载了无人缆控潜水器、深海拖曳探测系统、电视抓斗等先进的设备，可为深海和大洋研究提供先进的海上移动实验室和试验平台。
9. 武汉P4实验室
中科院武汉国家生物安全实验室已经建成，即将投入使用，这将是亚洲首个P4实验室。P4实验室是人类迄今为止能建造的生物安全防护等级最高的实验室，适用于对人体具有高度危险性、通过气溶胶途径传播或传播途径不明、目前尚无有效疫苗或治疗方法的致病微生物及其毒素的研究。埃博拉病毒便被定义为最高等级的四级生物安全病毒，只有在P4实验室里才能对其进行研究。
关键词 纳米科技;纳米地球化学;纳米矿物学;纳米矿床学
中图分类号TB383 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)31-0083-02
1 概述
纳米科学技术(nano scale science and technology)作为新兴的学科[1],在人类社会进入世纪之交的关键转变年代,在世界范围兴起,发展迅速,前景诱人,国际竞争已经开始。人类对自然世界的认识始于宏观物体,又逐渐认识到原子,分子等微观粒子,然而对纳米微粒却缺乏深入的研究[2]。原子是自然界的基本组成单元,原子的不同排列方式使自然界物种丰富多样化。1959年,著名的物理学家诺贝尔物理学奖得主查德・费曼说:“如果有一天可以按人的意志安排一个原子,将会产生怎样的奇迹。”纳米科技则使人们能够直接利用原子、分子制备出包含原子的纳米微粒,并把它作为基本构成单元,适当排列成一维的量子线,二维的量子面,三维的纳米固体。纳米材料有一般固体都不具备的优良特性,所以有着广阔的应用前景。钱学森指出:“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点,会是一次技术革命,从而将引起21世纪又一次产业革命。” [3]
1.1 基本概念
纳米(Nanometer)又称毫微米,是一种长度单位。1纳米等于10-9m(十亿分之一米)。上田良二教授于1984年从测试的角度给纳米微粒下了一个定义:用电子显微镜(TEM)能看到的微粒称为纳米微粒[4]。纳米技术是1974年在东京由日本精密工程学会(JSPE)和国际生产工程研究学会(CIRP)联合主持的会议上由日本东京科学大学机械工程教授谷口纪男提出的[5]。纳米科技(Nanost)是一门在0.1nm~100nm范围内对物质和生命进行研究应用的科学。这是一种介观区域(宏观和微观之间的连接区域)进行开发研究的新技术。它使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到分子和原子。纳米科技涉及到物理学、数学、化学、生物学、机械学、信息科学、材料科学、微电子学等众多学科以及计算机技术,电真空技术,扫描隧道显微镜及加工技术,等离子体技术和核分析等各种技术领域,是一门综合性的新兴科学技术。
1.2 纳米科技的发展历史
纳米科技是20世纪科技领域重要突破它的发展经历了孕育萌芽阶段,探索研究阶段和应用开发阶段3个时期。
1)孕育萌芽阶段。费曼设想在原子和分子水平上操纵和控制物质。1860年,胶体化学诞生之日,对粒径约(1~100)nm的胶体粒子开始研究,但由于受研究手段限制,发展缓慢;
2)探索研究阶段。30年后,1990年7月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩召开,同年《纳米生物学》和《纳米科技》专业刊物相继问世。这标志着一门崭新的科学技术-纳米科学技术,在经过30年的曲折道路,终于诞生了。费曼的美妙设想成为现实了[6];
(3)应用阶段。1993年,开始进入蓬勃的发展时期,20世纪末获得许多成果,达到预期目标可能还要经历10~20年的努力。
1.3 纳米固体的基本特征
纳米固体的重要特征,决定了纳米科技具有划时代意义。这些特性有如下4个方面[6] :
1)表面与界面效应。纳米微粒尺寸小,表面积大,所以位于表面的原子比例相对增多。尺寸与表面原子数的关系见表1。当物质粒径小于10nm,将迅速增加表面原子的比例,当粒径降到1nm时,原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于表面原子数增多,使得这些原子易与其它原子相结合而稳定,具有很高化学活性,表面吸附能力强,扩散系数增大,塑性和韧性都大大提高;
表1纳米微粒尺寸与表面原子数的关系
2)小尺寸效应。当纳米微粒的尺寸与光波的波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,电,光,磁,声,热力学等特征均会出现小尺寸效应;
3)宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及应用都有重要的意义;
4)量子尺寸效应。量子尺寸效应是指当粒子尺寸下降到最低值时,费米能级附近的电子能级变为离散能级的现象。而当颗粒中所含原子数随着尺寸减小而降低时,费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级。当能级间距大于静磁能,磁能,热能,静电能,超导态或光子能量的凝聚能时,就导致纳米微粒磁,热,声,光,电以及超导电性与宏观特征显著不同,称为“量子尺寸效应”。例如导电的金属在超细微粒时可以是绝缘的。
表面界面效应,小尺寸效应,宏观量子隧道效应和量子尺寸效应是纳米微粒与纳米固体的基本特征,它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多不同的物化性质。
2 纳米科学研究的分析手段
具有原子分辨率的扫描隧道显微镜(STM),高分辨透射电镜(HRTEM),和原子力显微镜(AFM)等手段[7-9]能直接观察出纳米固体,纳米微粒,和纳米结构特征。
1)扫描隧道显微镜(STM)
扫描隧道显微镜(STM)具有原子级的空间分辨率。主要描绘表面三维的原子结构图。主要用于导电纳米矿物原子级的空间分辨率研究 ,如金属硫化物研究。
2)高分辩透射电镜(HRTEM)
高分辩透射电镜(HRTEM)空间分辨率可达0.1nm～0.2nm。主要用于各种矿物纳米级的成分,形貌,结构的综合研究。如金属硫化物,硅酸盐矿物,矿物中的出溶物以及胶体矿物研究。
3)原子力显微镜(AFM)
以扫描隧道显微镜(STM)为基础发展起来的原子力显微镜(AFM)
能探测针尖和样品之间的相互作用力,达到纳米级的空间分辨率。为了获得绝缘材料原子图像,又出现了原子力显微镜。AFM主要是用于非导电纳米矿物原子级的空间分辨率研究。如硅酸盐矿物,胶体矿物等研究。在纳米材料方面主要是观察纳米材料物质等在矿物物质表面的吸附和沉积,以及天然纳米微粒形状。
3 纳米科技理论在地学上的应用
纳米科技与地学的结合形成了以下3种学科纳米地球化学,纳米矿床学和纳米矿物学。
3.1纳米地球化学
纳米地球化学就是研究地球中纳米微粒分布,分配,集中,分散,迁移规律,以及由纳米微粒的分布及组合特征反映断裂活动,探测石油,天然气,金属矿床等。纳米物质使元素具有新的地球化学活性和新的成岩成矿模式:传统观念认为,温度越高,化学活性越大,元素的迁移能力越强,反之活性就越小,越不容易迁移。为此,作为化学性质很不活泼的金,在较低温度下,理应活性很小,溶解度偏低,很难迁移成矿。事实上却与纳米金的地球化学行为相矛盾。但如果从纳米科技理论的角度考虑,就不难理解了。纳米科技理论认为,当物质的粒度达到纳米级时,由于颗粒极其细小,表面积很大,例如SiO2,其粒径从36nm减少到7nm时,其比表面积由75增加到360m2/g[10]。巨大的表面积使大量的原子处在表面,使元素的化学反应速度和扩散速度增加很多,吸附能力增强,熔点变低,物化性质发生改变。成岩成矿温度低,因而使元素具有低温活性。粒度越小,活性越大。这使纳米级的物质具有成分相同的可见颗粒所没有的特性。产生新的地球化学活性和新的成岩成矿模式。对稀有元素,活性性质不活泼的元素,分散元素和在水中溶解度极低的元素,在低温条件下成岩成矿作用有了不同的解释思路。
3.2 纳米矿床学
相同成分的纳米微粒不同的物化性特性已使地质学家对矿床学理论中有关矿质运移,富集过程有了新的认识。传统理论认为,矿物质的运移以温差,压力差或浓度差为前提条件,而对矿物质的运移和富集又限定其必须有一定的矿化剂为载体,而未意识到同种物质如果其粒度不同则其物化性质的差别非常巨大。传统成矿理论一直认为金矿的形成是由于其离子与一定络合剂结合,在一定的温度条件下迁移到一定部位,经过各种化学反应生成自然金而聚集成矿。纳米科学技术理论认为:源岩中的原子态金只要达到纳米级,其本身首先就由于极大的自扩散系数和吸附性而扩散,迁移合富集成矿。目前为止,地学界一直对砂金为何能在低温条件下甚至使常温态下能够形成“狗头金”的事实没有定论,现在看来,很有可能是纳米级的金自身扩散,迁移,吸附的结果。这种聚集成矿作用,在内生金属成矿作用过程中可能也同样起着不可低估的作用[11]。
3.3 纳米矿物学
目前,由于科技的限制,人类对矿物学的认识,往往注重宏观矿物单体,聚合体的形态及有关特性,注重微观矿物成分及原子排列的情况,而对纳米矿物微粒,纳米矿物结构缺乏深入细致的研究。在传统矿物学研究中,把矿物看成理想的晶体点阵,但在纳米矿物学中则着重研究纳米矿物微粒和矿物结构特征以及与此有关的岩石学,矿床学,构造地质学,地球化学等地质学科。
所谓的纳米矿物就是指晶体粒度细小至纳米量级的矿物颗粒。往往是以集合体形式结合一起[12]。彭同红、万朴等人运用扫描电镜发现以下几种非金属矿晶体,具有纳米尺寸的结构:
1)沸石, 其内通道直径为13nm~113nm;
2)条纹长石、月光石、日光石,其晶间距为2nm;
3)膨润土、高岭土、海泡石,其层间距离为2nm等;
4)鳞片石墨经高温膨化后形成蠕虫石墨,形成网状结构,其孔径直径为10 nm~100nm[13]。
目前,已发现的纳米矿物资源主要分布在大洋底部及陆地。例如:海洋中的“黑烟囱”和陆地上的纳米矿物有氧化物和硅酸盐等。但受限于开采技术,目前仅其中层状结构的黏土矿物并已初步进行开发利用。纳米物质的巨大的比表面积、特殊的界面效应、临界尺寸效应及高能量状态赋其不同于普通物质的特性。例如, 普通金的沸点为2 966℃,而纳米相金则在700℃~800℃条件下熔解、气化[12]。其它纳米相金属也具有此特性。因而纳米级矿物开发利用有着广阔的应用前景。
4 结论
纳米科技的研究是国际当前的研究热点,它使人类在改造自然方面进入了一个新层次,即从微米级层次深入到纳米级层次。也使地质学科学家的认识改造自然界进入一个新层次。HRTEM,STM,AFM等测试方法的在纳米矿物学中的研究运用,一些新概念、新理论、新方法随之孕育而生,使21世纪矿物学的研究将上一个新台阶,这将促进地质科学飞速发展。
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关键词：价值工程；产品设计；功能；成本
价值工程（Value Engineering，简称VE）又称为价值分析（Value Analysis，简称VA），价值工程是一门新兴的管理技术，是降低成本提高经济效益的有效方法。
价值工程于4O年代起源于美国，劳伦斯·戴罗斯·麦尔斯（Lawrence D.Miles）是价值工程的创始人，他发表的专著《价值分析的方法》，是对产品的功能、费用与价值进行深入的系统研究，提出了功能分析、功能定义、功能评价以及如何区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，获得较大价值的科学方法。使价值工程很快在世界范围内产生巨大影响。
一 价值工程与产品设计的关系
价值工程，指的都是通过集体智慧和有组织的活动对产品或服务进行功能分析，使目标以最低的总成本（寿命周期成本），可靠地实现产品或服务的必要功能，从而提高产品或服务的价值。价值工程主要思想是通过对选定研究对象的功能及成本分析，提高对象的价值。这里的价值，指的是费用支出与获得之间的比例，用数学比例式表达如下：价值=功能/成本。所以，要提高价值有以下几种途径：（1）提高功能，降低成本，大幅度提高价值；（2）功能不变，降低成本，提高价值；（3）功能有所提高，成本不变，提高价值；（4）功能略有下降，成本大幅度降低，提高价值；（5）适当提高成本，大幅度提高功能，从而提高价值。
产品设计是企业生存与发展的基础，是企业经营成功或失败的关键，特别是随着社会生产力的不断提高，产品种类极大丰富，产品品牌的竞争日趋激烈，企业开始意识到传统的产品已经不能满足人们日益增长的物质文化需求，为适应市场求新求变的要求，提高产品功能与质量，降低产品成本，借以提高产品价值已经成为企业刻不容缓的首要任务。而产品价值的确立，往往是在设计阶段决定的。企业应在产品设计过程中就运用价值工程理论，其目的是为提高产品的价值，更好的满足消费者的需求，从而为企业带来更多利润。
二 运用价值工程以增加产品功能来提高产品价值
产品设计是产品形成的关键阶段，好的产品只有通过好的设计方案才能生产出来。因此，产品设计就成了实现价值目标的一个关节点。根据价值工程原理V=F/C，提高产品价值的两个影响因素分别是功能（F）和成本（C），那么要想提高价值（V），只有通过增加产品功能和降低产品成本。增加产品功能并不是在现有产品的基础上简单地增加附加功能，就像市场上很多手机，它的最初功能只是用来接听电话、发送信息，而随着手机品牌和种类的增多，竞争逐渐激烈，各手机制造商为了赢得更多的消费者，给手机增加了许多附加功能。比如照相功能、MP3、MP4、游戏功能、上网功能等，这些功能一度引起消费者的关注，从价值工程理论中，增加产品的功能可以提高产品的价值，为企业带来利润。但从长远来说，产品功能的增加，特别是多余功能的增加，同时也带来了产品成本的大幅度提高，产品的整体价值其实是降低了。所以增加产品功能虽然是产品创新的手段，但产品功能的增加并不是随意、无节制的，而是需要设计师具有敏锐地观察力和超前的意识去发掘，通过研究消费者体验而得出的，是消费者最需要的，只有这样的功能增加才能够在真正意义上提高产品的价值。
三 根据价值工程原理以降低成本来提高产品价值
根据价值工程原理，提高产品价值不仅可以通过增加功能来实现，还可以降低产品生产成本来达到目的。降低成本应用在产品设计中，主要体现在材料的选择、结构的合理化和标准化。以最小的成本，获得更大的使用价值，从而提高产品的价值。
现代社会随着材料科学的迅猛发展，材料的种类不断增加，性能也得到大大提高，特别是复合材料的出现，它最大的特点就是材料性能的可设计性，这一点为产品的大胆创新提供了有力的技术支持。比如玻璃钢材料是一种塑料与玻璃纤维的复合材料，它在性能上克服了塑料强度低、易老化和玻璃易碎的缺点，显示出重量轻、强度高、性能稳定的优点，是一种既有金属材料的受力强度，又具有玻璃质感的新材料。在汽车设计中选择玻璃钢复合材料代替传统的钢铁材料作为汽车的壳体材料，大大降低了汽车的自重，节约能源，同时在外观造型设计提供了更大的创意空间。复合材料的运用可以使像家具、灯具、自行车等产品具有任意形态，生产工艺非常简单，使设计师的思维不再受到材料和工艺的限制，产品造型可以更趋于艺术感、随意感、情趣感，创意空间扩大了也就意味着产品价值提升了。
四 结语
随着社会物质文化的不断丰富，新产品的层出不穷，产品设计越来越受到企业的关注，成为企业赖以生存与发展的基础。研究如何提高产品价值，为进一步提高产品设计的力度提供了思路和方法。从价值工程原理的角度探索产品设计的方法，通过价值工程分析增加产品功能和降低成本两个方面重要性，促使企业管理人员与设计人员紧密结合，统一思想，为提高产品的价值，为企业赢得更大的利益带来更多的可能性。
参考文献
[1] 陆连芝，赵仲虎.价值工程原理及应用[M].科学技术文献出版社.1989.
关键词:工程材料;实践;多元化
高职教育的教学目标是为社会培养所需要的科技应用型人才，要求学生除掌握一定的理论知识外，更多的是要有较强的实践能力和解决问题的能力。由于工程材料专业基础课程内容繁杂，术语概念多，学生普遍感到难学，所以，在本课程的实践教学中，力求运用多元化互动讨论的教学方法，通过实践让学生加深对基本理论的理解，并提高学生动手实操能力。另外工程材料实践教学还可以实施大学生研究训练计划，培养大学生创新能力，加强素质教育，也是学生进行工程训练的主要教学环节。
一、设计实训项目，拓展教学内容
工程材料课程相对来说，概念定义多、头绪烦琐，原理多、规律易掌握，但理论计算相对较少。因此在平时的课堂教学中，要注重教学方法的多样化，循序渐进地引导并调动学生的积极性。在实践教学方面，要让学生积极主动地参与到实践中，要激发学生的兴趣，使他们主动思考问题，要变被动为主动。在保留传统实训内容的基础上，要新增分析齿轮等思路，让学生通过日常常见的工件，分析它的失效原理，掌握其早期失效的原因，最终达到如何通过实训来满足生产实践的需要，并使学生在训练过程中享受对实践指导的作用和乐趣的目的。
二、注重互动互学
在实践中，将学生进行分组，首先让学生对自己原创的产品进行分析，并开展相互间的讨论。在同学之间对生产过程、生产工艺及相关的后处理进行分析和讨论远优于教师的纸上谈兵。其次，作为教师，应在课堂上鼓励学生学习实践的积极性，从操作方法的选择到实践项目的研发，让学生切身将学习的理论知识应用到实践中，锻炼自己的应用和实践能力。通过分组，让同学感受团队合作精神，在合作中找到自己合适的位置，这样不仅活跃了实践课的学习氛围，还增强了学生参与教学和实践的能力，通过这种方式的培养，使学生能正确面对眼前的困难，并通过一些沟通技巧，解决现实生活和生产实践中遇到的难题，培养良好的团队意识。
三、采用开放式的实践教学方式
在实验的内容和指导方法上，对传统的验证性实验进行改革，由验证性改为综合性和设计性的实验。在实验内容的选择上，尽量让内容涵盖基本原理与基本方法的操作和实验，同时加入设计和创新研究的内容。实践的整个过程以学生为主体，学生按照下发的任务书，根据所学的理论知识，查阅资料，设计实验方案，并通过小组讨论，确定实验方案的可行性。在实验的过程中，让学生详细记录零件的名称，失效形式，制定合理的热处理工艺路线，最终获得正确的金相图片。实践证明，此方法可以提高学生的实践能力和解决实际问题的能力。
四、让实践教学贯穿课程主线
设计相关的问题，让学生分析出现此类现象的原因，从而引进要讲的实践内容。例如材料的机械性能教学，通过对铁碳相图的学习，了解各组织在相图中的位置，根据碳含量，掌握材料的性能及其分类方法，本课程结束后，立即安排学生进行钳工实习，让学生根据学过的理论知识，对材料进行正确的选择，自己根据所选零件进行独立的设计和加工，这也是学生对自己所掌握知识的综合训练。将实践教学中相关的典型案例贯穿到整个课程，可以提高学习效果，同时还可以让学生了解学习的全过程，并将学习内容和实践进行有机的结合，学生自主学习的积极性得到很大程度的提高，为下一步的实践资料整理打下基础。理论联系实际对于工程材料这门课相当重要，但要真正做好这方面的教学并不容易。只有将课堂的理论教学、实践教学及工程实训相结合，从中让学生认识材料的基本理论及相关的材料加工知识，才能实现“知识—能力—方法”的同步提高。要完成上述的教学目标，首先必须要求教师本人具有丰富的科研与工程实践能力，其次要让学生认识理论与实际的有机联系，从中理解和掌握科学知识，最终培养他们运用理论知识解决实际问题的能力。
五、结束语
实践教学是材料专业人才培养的重要环节，实践教学体系是提高实践教学质量的重要保障［1］。江苏财经职业技术学院紧紧围绕高素质技能型人才的培养目标，注重学生“五种能力”的培养，改革和创新材料科学与工程专业的实践教学体系，促进学生创新与实践能力的提高。工程材料课程是一门“教师难教，学生厌学”的课程。“教学有法，但无定法”，在教学实践中，采用灵活多变的方法，激发学生的学习兴趣，必能取得令人满意的教学效果。特别是广大教师在教学过程中要突破传统理念的束缚，敢于创新，大胆探索和实践，及时发现和总结成功的经验，不断加快培养具有创新精神、创新能力人才的步伐［2］。
参考文献:
［1］孙继兵，丁贺伟，王清周．机械工程材料精品课程建设与教学改革的实践与思考［J］．中国轻工教育，2010，(1):52—54．
