摘要:概述了目前国内高校高分子材料与工程专业高分子化学实验教学存在的共性问题和关键问题。提出了高分子材料与工程专业高分子化学实验课程由基础技能实验,综合设计实验,研究创新实验三个模块组成的新教学体系,并在每个模块中引入一些综合性和应用性的实验教学内容。实践证明所构建的实验教学体系在培养学生的创新意识、应用与实践能力方面起到了较好的效果。
关键词:高分子材料;高分子化学;实验教学
高分子化学实验是高分子化学课程教学的一种最有效的实践教学形式,它可以帮助和促进学生课堂理论知识的学习与消化,建立和巩固高分子化学基本概念和理论,获取高分子化学知识,培养科学素质和操作技能。我国著名化学家戴安邦指出:“只传授化学知识和技术的化学教育是片面的,全面的化学教育要求既传授化学知识和技巧,又训练科学方法与思维,还培养科学精神和品德,学生在化学实验中是学习的主体,在教师指导下进行实验,训练用实验解决化学问题,使各项智力皆得到发展”。这番话指出了开设化学实验课的深刻内涵和重要价值。2004年国家教育部颁布的《普通高等学校本科教学工作水平评估方案》在评估指标的二级指标“实践教学”中,从“实践教学内容与体系,综合性、设计性实验课的比例及效果,实验室开放”三个方面明确了实践教学改革和发展的方向。近几年高校的化学类实验教学改革取得了令人瞩目的成果。高分子材料科学与工程专业是很多高校在近年来新开设的专业,在实验教学与改革方面的成果积累较少,尤其高分子化学实验教学采用陈旧的教学内容和教学方法依然居多。通过调研发现,目前国内高校高分子材料科学与工程专业的高分子化学实验教学依然不同程度地存在一些问题。
一、高分子化学实验教学现状剖析
1.实验教学体系和内容欠争理
多数的实验教学附属于理论教学,没有单独设课和单独考核,实验课时相对较少虽然有些高校高分子化学实验已经独立设课,但仅作为考查课。实验教学内容中传统的、陈旧的实验较多,而体现现代科学技术发展成果的实验很少认知性、验证性实验所占的比理偏高,培养学生创新能力的综合性、设计性、应用性和创新性的实验偏少,而且实验环节偏重于理论,突出高分子材料应用性特点的实验太少,不利于培养学生的工程观念。
2.实验教学方法单一
学生按照实验讲义预习,然后进实验室。实验前教师把实验目的、实验原理、仪器使用方法、测试方法、实验步骤和数据记录表格及数据处理方法等进行详细的集中讲解。学生只需按教师指导的过程按部就班或者依照讲义“照方抓药”,就可以完成一个实验。一部分学生糊里糊涂地来到实验室,只动手不动脑地完成实验,然后又迷迷糊糊地离开实验室。实验的现象和结果没有给他们留下太深的印象,对学生观察能力、分析问题和解决问题的能力以及创新意识的培养都很不够。这种统一模式、统一要求、齐步走的教学方法,一方面造成了学生对教师的过分依赖,另一方面抑制了学生个性思维的发展和创新能力的培养。
3.实验嫩学手段落后
在现代信息技术迅速发展的今天,虽然网络技术、多媒体技术等现代教学技术在理论教学中得到了普遍应用,但虚拟、仿真等实验技术手段未能在实验教学中推广应用。这样对于一些耗费过高、时间过长、毒性过大、危险性过高的实验,只能最低限度地开设,且开设过程中费用大和危险性高,导致学生对此类重要实验缺乏足够的认知和感受的机会。
二、新教学模块的实践性探索与成效
针对目前国内高校高分子材料科学与工程专业高分子化学实验教学中存在的一些问题,借鉴其他化学实验教学改革的优秀成果,提出了基础技能实验、综合设计实验、研究创新型实验的三个高分子化学实验教学模块体系,并在每个模块中结合常熟理工学院教师的科研成果引入_些新的实验教学内容,采用开放式实验教学方法。通过实验教学实践发现新的体系和教学方法在培养学生的创新意识和工程实践能力方面起到了较好的效果。
1.基础技能实验教学模块
基础技能实验模块构建的目的着重建立高分子化学实验与相关基础理论知识之间的有机联系。培养学生的实验安全意识、清洁卫生习惯和严谨的实验态度。训练学生掌握熟练规范的实验操作技能和技巧,为后续的实验教学模块的实施打下良好的基础。
基础技能实验模块的教学内容设计在课时总量的40%～50%为宜,课时数约30学时,开设8～10个实验。教学内容设计涉及到高分子化学反应机理,如自由基、阴离子,阳离子等连锁反应机理,缩聚、基团转移聚合等逐步反应机理,开环聚合反应机理等。在实验实施方法方面涉及到本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合、乳液聚合、熔融缩聚、界面缩聚等。如设计膨胀计发测定苯乙烯本体聚合动力学实验,让学生直观感受到了诱导期概念、聚合过程体积减小的现象以及聚合物溶液的粘性特征等非常重要的高分子化学理论知识。设计过硫酸钾引发甲基丙烯酸甲酯自乳化聚合实验,除让学生明确了乳液聚合的基本原理外,还了解到了聚合物大分子链端基的重要作用。设计己二酰氯和己二胺界面缩聚实验,让学生深入理解了界面缩聚的概念和聚合物的可纺成纤性能等主要高分子知识。通过设计一些自由基、阴离子、阳离子等连锁反应机理的实验,使学生进一步掌握了活性中心的概念,同时在实验过程中认知了这些引发剂的活性、安全使用和贮存事项。
2.综合设计实验教学模块
综合设计实验教学模块旨在培养学生较强的实际动手能力,自主设计和分析解决问题的能力。本实验模块是实验教学的较高层次,注重学生实验的自主设计性和综合性。
教学内容设计在课时总量的20%～25%为宜,课时数约15学时,开设2～3个实验。本教学模块的特点之一是实验内容的综合性,可以将同一门课的几个实验,或者是几门课的实验组合在一起,形成一个大实验。本教学模块的特点之二是实验方案的灵活性和设计性,侧重培养学生的自主实验和学习的意识和良好习惯。例如关于高分子合成实验先确定好采用的聚合机理和聚合方法,在原材料配方组成、引发剂种类及用量、合成温度等工艺条件方面给出一个大致的框架,然后让学生在所给的框架内进行自行设计和实施实验。譬如悬浮法制备聚苯乙烯珠粒实验,水的用量范围为苯乙烯质量的100%～200%、分散剂为磷酸钙或聚乙烯醇两种、引发剂过氧化二苯甲酰用量为苯乙烯质量的0.2%～1.0%、反应温度设定在75℃～85℃范围等。学生通过自行设计的方案实施实验获得了不同的实验结果,通过对不同组之间实验结果的综合分析,找到了影响悬浮法制备聚苯乙烯珠粒的一些因素,激发了学生动手实验的兴趣,发挥了学生自主实验和学习的主观能动性。
3.研究创新实验教学模块
设置研究创新实验教学模块培养学生的科研和创新意识、提高学生的综合素质和应用开发能力,为实现培养高质量的应用型人才的教育目标提供重要的教学内容实体支撑。
本实验模块是实验教学的最高层次,注重学生实验的独立自主陛、综合性、应用性和创新性,教学内容设计在课时总量的20%～25%为宜,课时数约15学时,开设2～3个实验。本实验教学模块的特点之一是实验项目的独立自主性和综合性。也就是说确定好实验项目之后,让学生在实验教师指导下独立自主地进行实验项目方案的调研、设计、实施和结果分析。本实验教学模块的特点之二是实验项目的应用性和创新性,所拟定实验项目必须关联生产实践中的聚合物产品,充分体现实验项目的应用性。实验项目设计主要针对这些高分子产品生产实践中存在的共性问题和关键问题的解决来进行设计。通过研究创新实验的实施,发现学生学习积极性很高,乐此不疲,为培养学生创新意识和展示高分子化学实验的应用性特征提供了最佳学习平台,尤其是开发一些联系生活实际的应用型实验,可使学生亲身感受到高分子化学实验的实用价值,能强烈激发学生的创造动机。此外,研究创新实验往往需要多名学生共同完成,有利于培养学生的团队合作精神。例如,聚氨酯绝缘漆的制备及性能测定实验,每个学生做一个实验配方,每5名学生一组,5名学生的实验结果综合在一起可以得出高分子树脂配方组成与漆膜性能之间的关系曲线,以及固化条件与漆膜性能之间的关系曲线。在实验过程中,5名学生要共同安排实验方案,尽量保持操作的一致性,最后得出的结果要呈规律性变化。如果有一名学生操作有误,这个实验点就会落在规律性以外,影响其他学生对实验现象的观察。因此,实施研究创新实验项目对教师也提出了更高要求。在每次实验前,教师要指导学生拟定方案,并对可能出现的实验现象和各种影响因素进行分析,实验过程中,又有多种意外的实验现象出现,这势必要求师生共同分析和讨论造成这些现象的原因,帮助学生透过现象深刻理解事物的本质。这样做需要教师有相当的知识储备量,并且要求教师也不断进取,充分体现了教学相长的教育理念。
三、结论
基础技能实验、综合设计实验、研究创新实验+教学模块教学的实践证明教学效果显著,特别对提高学生综合实践能力、激发学生理论课学习兴趣、培养学生创新意识和应用开发技能取得了预期效果。基础技能实验模块的教学效果主要体现在实验现象与相关基础理论知识之间的有机联系,高分子化学实验操作技能和技巧的掌握和规范。综合设计实验的教学效果主要体现在学生自主设计和分析解决问题的能力培养。研究创新实验的教学效果主要体现在学生科研和创新意识的建立,以及学生团队意识和应用开发能力的培养。
论文关键词：材料化学;专业定位;课程体系;实践教学;师资培养
论文摘要：文章从我国林业科技发展对材料化学专业人才的需要出发，探讨了在高等林业院校设置材料化学的专业定位，在对材料化学课程的教学体系进行思考的基础上，提出了培养适应林业科技发展需要的材料化学专业人才的培养模式和教学内容。
材料化学是一门材料科学与现代化学相结合的新兴学科，对于自然科学和国民经济的发展至关重要，是21世纪化学发展中的重要新兴学科之一。本专业密切联系国民经济、科学技术迅速发展的实际，研究材料制备、加工、性能和应用等的化学问题。上个世纪90年代初，复旦大学率先开设材料化学本科专业。随后，众多高校相继开设了该专业。由于材料种类很多，而且各个高校开设材料化学专业的背景和学校的优势学科不相同，虽然专业名称相同，但是各学校所制定的培养方案和体现的专业特色各不一样。中南林业科技大学是一所服务于区域经济和现代林业，地处中南地区的高等林业院校。在高等林业院校开设材料化学专业，相对于其它综合性高校的材料化学专业和本校的主流学科一一林学来说，该专业无论是在师资队伍，还是在科研水平与学科建设等方面都存在不小的差距。所以，我校开设的材料化学专业，只有办出自己的特色和优势，才能在材料化学专业领域占有一席之地。
1、专业定位明确，体现办学特色
人才的培养需要找准位置，明确方向。这是适应经济发展的需要，也是办好专业的关键。我校2004年初申报材料化学专业并获得省教育厅批准，2005年正式招生。经过5年的发展，积累了较为丰富的教学实践经验，基本建立了较为完备的材料化学专业办学条件。材料化学是一门多学科相互交叉的新型综合学科，就材料而言，包括金属材料、无机金属材料、高分子材料、功能材料、复合材料等多个领域。随着我国经济建设的全面发展，为了应对经济社会可持续发展的迫切要求，加强林业和生态环境建设至关重要。各种新材料在农业、林业领域的应用日益广泛，如生物质材料、木材阻燃材料、仿生材料和可生物降解材料等的开发都是材料优先发展的方向。但是，目前我国林业领域从事新材料技术开发和应用的专门人才比较匾乏，远远不能满足现代林业高速发展的需要。因此，高等林业院校设置材料化学专业对我国林业现代化具有重要意义。在高等林业院校设置材料化学专业既要考虑材料科学学科本身的体系，又要体现高等林业院校的特色与优势。为此，我们把专业定位在复合材料、生物质材料和高分子材料三大方向，使学生既具有扎实的材料科学基础知识和良好的专业素质，又能适应科学技术飞速发展的要求;培养能在材料开发、生产及应用领域，尤其是利用林产品资源进行新材料研制和开发以及新材料在林业领域的应用方面具有创新精神和实践能力的复合型人才，为我国林业生产现代化及林业产业化的发展提供坚实可靠的人才保障。
2、完善课程体系，优化课程设置
本专业秉承夯实基础，提高能力、拓宽范围、接触前沿的理念，根据国家经济建设对专业型、应用型、复合型和学习型人才的需要，在遵循“重基础、宽口径和强能力”教学改革原则的基础上，在构建材料化学专业课程体系时，主要采取下列原则:加强基础理论，拓宽专业口径，重视实验教学，适当增加选修课比例。因此，该专业的课程体系由公共基础课、专业基础课、专业必选课和专业选修课四个方面组成。其中:公共基础课程与化学工程类其它专业一致;专业基础课开设了材料化学、物质结构基础、材料科学与工程基础、材料物理性能等课程;在专业课程的设置上注意宽口径与突出特色相兼顾，如复合材料方向开设的复合材料学和复合材料工艺与设备课程;高分子材料方向开设的高分子化学、高分子物理和材料结构表征课程;生物质材料方向开设的木质复合材料、竹材及非木质材料等课程。同时，还加强了工艺设计和制造方面的课程，如开设材料加工与成型、材料加工与成型实验、材料合成与制备等课程;增加了阻燃材料及其应用技术、仿生材料、生态环境材料、活性炭制备改性与应用专题等特色课程。总之，在课程体系的总体构建原则下，经过两次培养计划的修订，对课程进行了认真仔细的整合，系统地确定课程门类，进一步明确各门课程的内容及课程间的分工与联系，删除一些内容陈旧或与其它课程内容重复的课程，增加反映最新研究成果方面的课程，如纳米材料，纳米复合材料等，创建一些理论联系实际、有利于培养学生综合运用知识的能力的课程，并加大前沿科技知识的教学比例。
3、改革实践教学体系，强化能力培养
材料化学专业是一门实践性很强的学科，在教学活动中，必须加强实践教学环节。首先，在加强基础化学实验教学的前提下，组建了材料合成与制备、材料结构表征和检测两个专业实验室。同时，利用多种渠道与企业建立联系，在株洲冶炼集团、湘潭钢铁公司和株洲化工集团等单位建立了实习基地。第二，实验教学是培养和提高学生的综合素质、探究与创新能力的重要途径。建立新型的材料化学实验教学体系，将传统的实验教学向开放性的教学模式进行转变，是培养创新意识、创新思维和创新能力的人才的有效途径之一。为此，在实验教学方法上，部分实验课试行开放式教学，实验课教师仅仅讲授实验的基本原理和基本要求，从查阅文献资料开始，到实验方案设计、实验操作规程、实验结果分析等均由学生独立完成，使学生变被动学习为主动学习。第三，按基础型、设计综合型、研究创新型三个层次规划实验，进一步改革实验教学内容。积极推行从验证模仿性实验向设计创新性实验转变，同时减少验证性实验，增设设计性、创新性和综合性实验。第四，鼓励学生参加科研活动，根据个人兴趣和爱好参加教师的科研项目，鼓励学生积极申报大学生研究性学习和创新性实验计划项目。通过具体的研究课题，独立设计、自查资料、自拟实验方法进行探索性、创造性实验。第五，结合专业实验室和实习基地搞好毕业实习和生产实习，鼓励已经签订就业协议的学生到单位联系生产实际选择课题，鼓励教师到实习基地结合实际指导学生的毕业论文。由此在整个实践教学活动中构建了“计划教学一开放实验一科研相结合”的新的实验教学体系。同时，在实践教学环节中，重视学生综合素质的培养，把素质教育贯穿于实践教学的全过程，为全体学生提供了一个全面发展的实践空间，培养与他人合作的团队精神。为学生将来适应现代企业的管理体制，确立优秀的职业道德素养打下坚实的基础。
4、加强师资队伍建设，优化师资队伍结构
建设一支高素质的师资队伍，是专业建设的基本保证，是提高教育质量水平的关键措施。材料化学专业刚成立之初，师资主要来自基础化学教研室。为此，学校加强了材料化学专业的师资队伍建设，有计划地选派老师到中南大学和湖南大学等高校进行培训，同时加大高层次人才的引进力度。经过几年的努力，初步建立了一支适合学科建设和专业发展需要的师资队伍，专业教师中具有博士学位的达到了50%，具有副教授职称以上的占50。专业教师所学专业包含了材料化学、高分子材料、材料科学与工程、材料表征、材料合成与制备等学科，为专业课的开设奠定了良好的基础，师资队伍的结构基本上达到了优化和合理的要求。同时，我们还鼓励年轻教师在职攻读博士学位和出国进修。
总之，高等林业院校建设材料化学专业只要定位准确，培养方案富有特色，一定能够培养出适应我国经济社会发展的高层次人才。
论文关键词：材料化学 人才培养 课程体系
论文摘 要：根据材料化学本科专业人才培养目标和材料化学学科专业特点，通过改革原有的课程体系，优化课程结构，修订完善了材料化学本科专业人才培养方案。新的培养方案更好地体现了材料化学专业的特色，体现了“厚基础、强能力、重实践”的人才培养要求。
材料化学作为化学和材料科学的一个交叉学科，受到了各国政府的重视，许多高校纷纷设立材料化学专业。为适应21世纪社会对材料化学专业人才的需求，经安徽省教育厅批准，我校于2003年增设了材料化学本科专业，并在当年正式招生，目前已经有5届毕业生，学生就业情况良好。材料化学作为材料科学与工程学科的二级学科专业，培养的是应用型理科人才，所以材料化学专业学生不但要加强数学、物理、化学及材料学科等基础理论知识的学习，还必须接受更多的应用性、实践性的知识教育。如何完成这一培养目标，使材料化学专业人才的培养能够满足现代化社会发展对本专业人才的需求，是高校材料化学专业教育工作者必须面对的现实问题。只有进一步转变教育思想和观念，深化教育改革，革新教学体系，优化课程体系中实践性教学环节，才能培养出掌握基本理论知识，动手能力强，富有创造精神的材料化学专业人才，才能办出高水平的材料化学专业，以满足经济建设和社会发展的需求。
1 材料化学专业人才培养方案基本框架
从“厚基础、强能力、重实践”的人才培养总体要求出发，设计培养方案、课程体系，优化教学内容。我校材料化学专业教育内容和知识体系由公共基础课程、通识教育课程、专业课程、专业选修课程和实践性课程五大部分内容构成。
公共基础课程包括：思想教育，体育活动，大学英语和计算机基础等。
通识教育课程包括：人文社会类，自然科学和艺术类等知识体系。
专业课程包括：大类平台专业基础课程和材料化学专业课程。
专业选修课程包括：材料化学专业方向性选修课程。
实践性课程包括：课程设计、毕业实习、毕业论文、社会实践、科技活动等材料化学专业实践训练知识体系。
2 材料化学专业课程体系设计
材料化学作为化学和材料科学的交叉学科，其课程要求学生掌握材料化学的基础知识和基础理论，培养学生具有材料的制备、表征、技术开发和生产的基本能力。在构建材料化学专业课程体系时，我们一直强化教学环节的科学性、系统性和综合性，将所有教育环节分为公共基础课程、通识教育课程、专业课程、专业选修课程和实践性课程五个知识体系。其专业课程体系以无机化学、分析化学、有机化学和物理化学的理论课程和实验课程基础，把材料科学基础、材料化学、材料物理等作为本专业的入门专业课程。在经过这些课程的学习之后，陆续学习高分子化学、高分子物理、材料性能学、材料现代分析技术、机械制图等专业课程，在此基础上通过专业选修课程的学习形成专业特色方向。并通过开设材料科学导论、纳米材料导论等任选课程拓宽学生的知识面。为了淡化专业界限，我校材料化学专业和化学、应用化学专业实施按大类培养，统一设置通识教育和基础教育平台。在2011年修订的材料化学专业人才培养方案中，课程教学计划课内总学时为2633学时，学生毕业应取得总学分为154学分，其中，通识教育和基础教育与我校化学专业和应用化学专业一致；专业教育、实践教学和综合教育的课程体系与化学专业和应用化学专业有区别的开设，更加突显材料化学的特色。
3 构建相对完善的实践教学体系
3.1 构建新的实践教学体系
材料化学作为一门实践性很强的交叉学科，在教学计划中强化实践教学环节，确保实践教学环节的实施。按照本专业人才培养目标的定位，我们优化完善了实践教学体系。将实践教学体系分为三个层次：一是基础实验层次，注重基础技能训练，培养学生对科学现象的观察和分析能力；二是测量实验层次，注重专业技能训练，设置了课程设计、综合性和设计性实验等内容，培养学生的专业实践能力；三是综合实践层次，注重综合素质训练，设置了毕业设计（论文）、社会实践、科技竞赛和创新性实践活动等内容，培养学生对所学知识的综合运用能力。
3.2 更新重组实践教学内容
在2011年修订的人才培养方案中实践教学环节为35学分，占总学分的22.7%。实践教学内容重点强调以能力培养为核心，优化和重组了原四大化学（无机、有机、分析和物理化学）实验教学的内容与结构，将实践教学内容分层次进行教学，确立了基础实验、测量实验和专业实验三层次的实验教学体系，涵盖了验证性实验、综合设计性实验和研究性实验等教学内容。同时，积极推进实践教学内容的更新和方法手段的改革，减少验证性实验，积极创造条件增开综合性、设计性实验、研究性实验，强化毕业论文实践环节的检查和指导；加强校企合作，积极安排生产实习和社会实践活动，进一步加强对学生实验技能、实践能力的培养，培养学生的动手能力和创新能力。
4 结语
材料化学专业的培养方案、课程体系的探索和完善将是在科学发展观的指导下我们今后多年的一大工作任务。要坚持以就业为导向定位人才培养目标，结合社会需求和学科发展实际，研究建立专业人才培养模式，提高材料化学专业毕业生的就业能力；以能力培养为本位构建专业课程体系，提高学生的理论知识水平，课程体系遵循“厚基础、强能力、重实践”的人才培养模式制定教学计划，在四年教学计划的基础上，分析理论教学相关课程，优化教学内容，合理分配理论课程学时数，使课程体系逐渐趋于科学、规范，达到构建合理的专业课程体系、优化学生知识结构和促进专业人才培养的目的。
近年以来，人们对于物质世界研究已经深入到原子、分子等微观领域，纳米技术被研发于上个世纪八十年代末，它指的是人类在纳米单位即0.1至100毫米间对物质特及互相作用进行研究，同时利用它的特性的多学科的技术，目前已经成为主流研究领域。
一、纳米材料概述
（一）纳米材料主要分为：零维纳米材料。即在空间的三维尺度都受到约束，如纳米颗粒、团簇等。一维纳米材料。即在空间中有二维处在纳米的尺度内，包括纳米管、金属、棒和半导体线、纳米带等。二维纳米材料。即在三维空间里有一维处在纳米的尺度内，如超薄膜、超品格等。三维纳米材料。它主要由纳米晶体构成的材料。
在这之中，一维纳米材料具有特殊物理化学性能与可作量子器件的优势而被人们所重视，一维纳米材料之中，电子于两个维度或者两个方向的运动受到约束，只可以在一个方向自动运动，进而为研究在量子的限域之下电子运输、力学、光学等特性均提供了效果极佳的模型系统。
二、纳米带锂化改性
实验的原料：溶胶，纯氧化锂为锂源，分子量42.39。
间接水热法。量取0.2克使用离子交换方法经水热合成的纳米带，放入装30毫升去离子水烧杯中，经超声分散半小时，然后把0.29克纯氧化锂放入已分散好的纳米带中，同时搅拌48小时后，把淡蓝色流变相液体转移到容量50毫升的聚四氟乙烯的内衬不锈钢的反应釜里，反应釜经180摄氏度、24小时的水热后，自然冷却至与室温相当，将所得到的沉淀物分别使用乙醇与去离子水进行数次洗涤，最终在80摄氏度条件下经12小时干燥后得到最终产品。
由相关xrd图谱显示可以得出，锂化并没有对纳米带的晶体结构进行破坏，但是锂离子嵌入已使晶面距稍微扩大，其表现为衍射峰朝角度低处偏移。在锂化前后，纳米带依旧保持着一维纳米的结构，相比之锂化之前，锂化以后纳米带在二次水热的过程中部分断裂，其长度缩短至2至6μm，产生了较多的200至400nm小尺寸纳米片，其表面更为粗糙。
锂化前后的纳米带晶面距均为0.2nm，对纳米带实施选区电子衍射就能清楚看到衍射的斑点，而且锂化前后的纳米带花样一致，也从另一方面说明纳米带结构仍然是单品正交相。
直接水热法。为将实验流程简化，以利用更为简便与直接的方法对纳米带锂化，对间接锂化加以改进。
首先使用双氧水的氧化法制备过氧钼酸溶胶，然后把纯氧化锂直接加入溶胶里，并对其搅拌48小时以后，把溶胶转移容量为50毫升，内衬为聚四氟乙烯制不锈钢反应釜里，后续的工艺和间接锂化方法相同，同样能获得淡蓝色产物。
该产物的xrd图谱峰位一致，表明锂盐的存在对于溶胶产生正交相并没有影响，且与二次水热后得到的锂化纳米带比较，其衍射峰并无明显偏移，说明可能因为层间的锂离子嵌入相较间接锂化的纳米带更少，因此其层间距并没有产生明显变化。
纳米材料与电活性
间接锂化改性。就本文二中所提到锂化改性的纳米带的电化学性能如下：通过得到锂化前后的纳米带初次放电曲线图可知，锂后的纳米带正极材料放电电压的平台仍然是2.75v。引较于纯纳米带的初次放电量301mah/g来说，锂化后纳米带降低至240mah/g，主要是因为在锂化的过程中，锂离子嵌入故占据了一定数量的嵌理位置，使初次放电的电量明显减小，随着循环的持续进行，锂化纳米带便体现出其相当稳定的优势，经15次的循环以后，比容量仍然保持220mah/g，同时容量的保持率达92%。
对纯纳米带循环15次以后180mah/g的比容量进行相对比，容量保持率达60%与3.48的δ数值，可直观发现经锂化后纳米带具备更好的循环稳定性，得益于锂离子嵌入对其层结构起到支撑作用，使得充放电的比容量始终维持于平稳的数值范围之内。
（二）纳米器材。采用静电纺丝的技术制备具备“线中棒”的分级结构钒氧化物超长型纳米线，发现该线作为锂离子的电池正极材料具备较高比容量与优良循环性能。相比于常规的纳米材料，这类新颖的分级结构可有效防止纳米材料因高比表面能而发生自团聚的现象，从而提升电池性能，为排除纳米材料的团聚从而对性能造成影响，设计单根纳米线电化学器材，通过原位的表征，建立该纳米线电输运、结构、电极充放电等状态间的直接联系，发现容量的衰减和电导率降低有着关联。为进一步研究出化学锂化后对纳米材料的本征电活性的影响，把锂化前后的单根纳米带装成纳米器件，并对其电输运性能进行测试。
测试结果表明，锂化之前i-v特性显示纳米带的两端不对称的肖特基势垒，这是半导体氧化钼与金/铂电极间产生的，在大约2v的时候，传输的电流约300pa。锂化之后，i-v的曲线显示欧姆特性，在大约2v的时候，传输的电流约10na，根据测定电阻、有效长与横截面积的计算，纳米带在锂化前后电导率大致分别是10-4与10-2s·cm-1。通过锂化后，电导率相应增加了数量级两个。因为纳米的带沿面生长，所以纳米带的导电性也增加，这意味着八面体层里载流子的浓度增加，表明锂离子被作为填隙的离子而被引入的。
在电化学的循环过程之中，纳米带层间距随锂离子嵌入或脱离而持续扩大或缩小，相比于未锂化的样品，具较宽层距的锂化后纳米带，在其充放电的过程中显示出更小的体积变化。因此锂化能够提高电极在锂离子的嵌入与脱离的过程中结构稳定性，第一次锂化所导入的锂离子始终保留于晶格之中，进而提升导电性，有利于在未来充放电的过程中锂离子嵌入与脱离。
深入研究纳米材料的化学特性，对合理及应用纳米材料有着相关重要的影响，也为我国在各行业、领域推广使用纳米材料打下良好理论基础。
摘要:
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。
作者:李涛 高利敏 单位:南阳师范学院化学与制药工程学院 南阳师范学院校医院
摘要：
《工程材料》是高校土木工程专业的一门重要的专业课，它不仅是一门应用技术，同时又是建筑施工等课程的基础，该课程中涉及到的材料的组成及性能等内容需要学生具备一定的化学知识方能学好，因此在开设该课程前，一般都需要学生具备基础化学知识，结合《工程材料》教学内容，主要总结了小高职基础教育阶段需要前修的化学知识模块。
关键词：
工程材料；高职；化学；教学内容
哈尔滨铁道职业技术学院是一所以高铁、隧道、桥梁、建筑为主打专业的国家骨干高职院校，同时也是中国中铁集团下属唯一一所高职院校。我校每年为国家高速铁路建设、城市轨道交通建设、土木工程检测、道路桥梁建设等方面输送大量的优秀人才。作为一个历史悠久的老牌土木工程类院校，我校在大一第二学期开设了《工程材料》这门课程。由于近些年高考不断改革，高中化学知识删减了很多，又由于高考适龄生源的减少，以及一些二本院校招生门槛的降低，使得我校招生学生的素质降低，此外，作为三年制高职教学的补充，五年制高职的学生没有经过高中系统的学习，化学知识更是为零，学生的化学基础知识不能够满足《工程材料》这门课程的学习，因此，需要在讲授这门课程之前，前修一部分化学基础知识，现结合我校的实际情况，前修基础课程并没有充足的课时，也不能像高中化学教学那样，重视基础，精讲运算，因此我们针对学生后学专业课学习的内容，总结出三个必须掌握的化学知识模块，即金属元素及其化合物、硅酸盐工业基础、有机物及新型高分子材料，便于学生学习掌握，为后续《工程材料》课程的学习打下坚实的理论基础。
1金属元素及其化合物
《工程材料》主要讲述建筑材料的性能和使用条件，现阶段建筑工程中常用的金属材料又可分为黑色金属，例如钢、铁、及其合金等，还有有色金属包括铜、铝及其合金。从事土木工程建设的技术人员必须了解和掌握这些材料有关的知识，土木工程材料是一切土木工程的物质基础，材料决定了建筑的形式和施工方法，因此我们的学生要想学好这部分知识，就必须先要掌握金属元素及其化学物有关的基础化学知识。金属及其化合物知识点较多，由于学时有限，我们只能选取与专业课联系比较紧密的内容重点讲解。例如：铝、铁、铜三种金属及其化合物的性质是重点讲解的内容。铝元素存在的形式主要是铝土矿，铁元素能够以游离态的陨铁和化合态的铁矿石存在；铝粉可以制成银粉（白色涂料）；铁（铬、锰）为黑金属，其余的都为有色金属；金属铝既能和强酸反应，又能和强碱反应；金属化合物与酸和碱的反应；常用的金属冶炼方法及原理，例如，电解法冶炼铝，热还原法冶炼铁，湿法冶炼铜等；其中最主要的还是工业炼钢、炼铁的原理。工业炼铁的主要原料是石灰石、铁矿石、焦炭，在炼铁高炉中发生三个化学反应这样可以得到生铁，生铁可以作为炼钢的原料，把生铁冶炼成钢的过程，就是除去大部分硫、磷等有害杂质，并且适当地降低生铁里的含碳量，调整钢里合金元素含量到规定范围之内。炼钢时常用的氧化剂是空气、氧气或氧化铁，主要化学方程式：大量铁变成氧化亚铁，调整硅、锰的含量，同时降低碳量，除去FeO，因它会使钢具有热脆性。
2硅及硅酸盐工业基础
建筑工程中把能够将散粒状材料（如砂子、石子等）和块状材料（各种砖或者砌块）粘结成为具有一定强度的整体材料，成为胶凝材料。胶凝材料根据化学成分可分为无机胶凝材料和有机胶凝材料，其中无机胶凝材料又可分为气硬性胶凝材料，例如石灰、石膏、水玻璃等，而水硬性胶凝材料主要为各类水泥。作为土木工程专业的学生，在学习这部分知识时要作为重点内容。因此我们在讲述这部分知识点时，首先要求学生要对这几种材料的化学成分、反应方程式有一定的了解，并且知道它们之间的联系。主要讲述的内容包括硅的性质及应用；二氧化硅的性质及用途，硅酸盐工业主要包括玻璃、水泥和陶瓷，这三种产品都是建筑工程中常用的材料，尤其是水泥，因此，学生要掌握这几种产品的制备原料、设备、反应原理、主要成分、特性、种类及用途。以水泥为例，其制备原料为石灰石、粘土和石膏（适量），设备为水泥回转窑，具有水硬性，水中空气中都可以硬化，是不可逆过程。
3有机物及高分子材料
随着国民经济的发展，对材料的需求越来越多，对材料的性能要求也越来越高，新型高分子复合材料越来越受到人们的重视。有机物知识点繁多，需要学生掌握的知识点主要包括：烷、烯、炔烃及笨和笨的同系物基本组成及化学性质；烃的衍生物的重要类别和各类衍生物的重要化学性质，包括卤代烃、醇、醚、酚、醛、酮、羧酸、酯，硝基化合物等等；重要的有机反应及类型，包括：取代反应、加成反应、氧化反应、还原反应、消去反应、水解反应、热裂化反应，聚合反应、中和反应；高分子材料是由可称为单体的原料小分子通过聚合反应而合成的，包括碳链高聚物、杂链高聚物、元素高聚物，四类主要高聚物反应包括：加聚成碳链、缩聚成酯链、缩聚成肽链、酚醛（或酮）缩聚。传统高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、薄膜、胶粘剂和涂料等。其中，塑料、合成纤维和合成橡胶已经成为国民经济建设与人民日常生活所必不可少的重要材料。而新型高分子材料的性能更优越，应用更广泛，既具备了传统高分子材料机械性能，且在一定领域有特殊用途的若干种新型材料，例如有高分子分离膜、仿生的高分子材料、医用的高分子材料、液晶高分子材料、导电塑料等等。两者在化学结构和物质划分上，是基本一致的，只是合成难度上、实际用途上、出现时间上有差异。从事建筑工程的技术人员都必须了解和掌握土木工程材料的有关技术知识。土木工程材料是一切土木工程的物质基础，材料决定了建筑形式和施工方法。因此要学好这部分知识非常重要。知识的积累和学习是一个漫长的过程，不能一蹴而就，要循序渐进，要想学好专业课，就必须要先学好基础课。
作者：张巍 单位：哈尔滨铁道职业技术学院基础教育学院
1案例型教学
1.1案例来源及积累
案例主要来源于媒体报道或经典案例。如生活中常见的“502胶水”、“矿泉水瓶”、“化妆品瓶”、“塑料手套”、“雨靴”、“衣服”、“汽车轮胎”、“尼龙绳”以及“石墨烯智能服饰”等，最近的新闻报道“2014年80岁老太换全髋关节次日下地”，小孩的卡通玩具“光敏印章”，“农用聚乙烯薄膜”、“工业上泡沫塑料的发泡剂”工业生产原料等。日常注意收集积累，并根据案例所产生问题、解决途径进行归类，建立案例库，进一步有助于理解书本知识。
1.2案例选择
案例引入为教学服务，选择适当的案例保证教学活动的顺利进行是前提。适当的案例既能融合学生所学课程的理论基础，又能结合实验室条件以及学生的实际情况。综合以上考虑因素，对于功能高分子材料教学，选用“2014年80岁老太换全髋关节次日下地”作为教学案例，该案例内容包括了功能高分子材料的理解以及如何在生活中应用进行扩展等内容。人们对“关节置换”这个词已不再陌生，但是它的原材料是什么?大家可能还是很陌生。它是指用生物相容性和机械性能良好的金属或复合材料制成的一种类似人体骨关节的假体，通过手术将其植入体内，替代病变的关节，清除疼痛，恢复关节的活动与原有的功能，而这种生物相容的材料就是咱们的高分子材料超分子量聚乙烯。这样进行案例引入，大家对于目前简单应用的高分子材料有了更深入的认识。案例选择应遵循难易适中、可操作性强等特点，照顾成绩下游学生的同时，给上游学生预留挑战空间，激发学生解决问题的强烈愿望。
1.3案例深入和小组讨论
案例引入为实现教学目标而设计的，学生以理解知识问题为目标，围绕知识问题进行思考、讨论，进而理解知识要点。如果这堂功能高分子课程只进行到这里，学生只是知道了一个熟悉的陌生人。我们下面还要对这个高分子材料超分子量聚乙烯进行讨论。大家对聚乙烯比较熟悉，聚乙烯(PE)是五大合成树脂之一，是我国合成树脂中产能最大、进口量最多的品种。以“聚乙烯的应用”为例，在方案设计前指导老师提出以下问题:“在日常生活中那些是聚乙烯的产品?”该问题引起了学生很大的兴趣和关注，为回答以上问题，学生自主进行了查阅。可以了解它可以应用在“保鲜膜、背心式塑料袋、塑料食品袋、奶瓶、提桶、水壶等”。紧接着又提出“聚乙烯的分类?它们的区别是什么?合成方法和用途是什么?”，该问题引导学生进一步扩展知识要点，聚乙烯主要分为线性低密度聚乙烯(LLDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)三大类，而案例里提到的是超高分子量聚乙烯，学生要如何回答这几种聚乙烯材料的区别是什么，可以引入小组讨论的方式，分成四个小组，每个小组负责一种材料，从它的物理性质、特性、合成方法及用途上进行材料整理，在课堂上用PPT讲解，最终由教师进行点评，通过方案设计中的讨论，每个小组经过归纳整理把这种材料的性能基本完成全掌握了，同时也培养学生的动手能力及团队合作精神。事实证明，案例型教学法在激发学生的探索欲和提高学生学习兴趣方面起到了积极的作用，在解决问题的过程中逐步形成分析素养。
1.4案例扩展
将科研项目引入具体的课程教学中去是利用其进行智能型人才培养的新途径，也是将书本知识扩展到实际应用的一种途径。以上案例用到的是超高分子量聚乙烯作为人工关节软骨(关节臼)材料，然而，临床实践显示，人造关节有效工作年限为10～15年。长期使用过程中产生的聚乙烯磨屑会引起骨骼发炎，发生无菌性松动和假体脱落等问题，从而需要更换新的人造关节。再次更换人工关节的手术费用和失败率比首次更换高很多，导致经济损失和对患者身体的伤害。因此必须要增强医用超高分子量聚乙烯的耐磨性能，这样就在该课程的教学过程中引入科研项目，激发学生的学习兴趣，锻炼其查阅文献资料的能力，积极引导其参与到科研活动中去。通过学生资料查阅，采用纳米粒子增强复合材料技术，合成氧化石墨烯基超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料，充分利用新型二维纳米材料石墨烯的高强度、高模量、高硬度和低摩擦系数的突出特点，提高了石墨烯/UHMWPE复合材料摩擦磨损性能。在这里学生又查到一个新的概念—石墨烯，它是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光;而电阻率只约1Ω•m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。石墨烯具有非同寻常的导电性能，超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。与其他电池相比，具有能量转化效率高、无环境污染等优点。“质子传导薄膜”是燃料电池技术的核心部分，汽车中的燃料电池使用氧和氢作为燃料，转变输入的化学能量成为电流。现有的质子薄膜上常存在燃料泄漏，降低了电池有效性，但质子可以较为容易地“穿越”石墨烯等二维材料，而其他物质则很难穿越，那么我们研发石墨烯碳纸特种纸用作质子薄膜，既可以解决燃料渗透的问题，增加电池的有效性，还可以降低燃料电池的成本。而特种纸在日常生活中应用十分广泛，比如棉纸、宣纸、无尘纸、钞票纸、喷墨纸、热敏纸、过滤纸、茶袋纸、铝箔纸、拷贝纸、美术纸、复写纸、无碳复写纸、防霉纸、静电防止纸、导电纸、半导电纸、电池分离纸、电气绝缘纸、耐热纸、汽车用滤纸、空调滤纸、脱臭滤纸、医疗卫生用纸、药包纸、无菌纸、医疗胶布基材、手术衣等等。这样的学习过程最终实现让学生根据自身兴趣自主的寻找课题，参与到科研项目中，积极参与竞赛，培养他们将来在工作学习中“发现问题—方案设计—方案实施—结果讨论—问题扩展”的能力。
2培养学生的创新思维，树立绿色理念
开设课题开放性实验，培养学生独立查阅文献资料及设计开展实验的能力，在实验过程中积极引导、经常讨论总结进一步锻炼学生自主动手能力。增强现有学生实验室的开放性，组织学生参加各类竞赛、培养学生的专业技能和创新意识。同时，促进教师实验室、研究生实验室及校企联合研发中心的开放，带领学生去工厂实习，引导学生直接参与科研实验工作，使学生认识、了解科研，培养学生的创新意识和创新思维。此外，结合我国可持续发展战略及未来材料化学工业以及绿色造纸与特种纸绿色发展方向，在课堂、实验、实践等教学环节坚持融入绿色化学内容，渗透绿色化学思想，在丰富化工实验教学内容的同时培养学生树立绿色化工理念，增强绿色化学意识。
3加强卓越工程师的培养
为促进就业，培养学生的社会技能，增加课堂教学效果，积极组织学生参加材料化学专业和绿色造纸与特种纸的各项职业资格、技能考试，通过考证激发学生的学习兴趣，为学生今后就业和提升工作能力奠定基础。以“强化工程、工艺、设计和新兴特色学科交叉等方面基本理论、知识的培养;强化生产、研发、检测和管理等方面工作的基本工程能力的培养;强化国际化视野、企业家精神、市场头脑和创新思维等基本素质培养”为特色的强化“三基”人才培养方案，建立一个符合我院卓越工程师课程教学体系，培养满足地方产业发展需求的优秀材料化学以及绿色造纸与特种纸专业人才，增加学生就业渠道，提高学生的就业水平。
4结论
在案例型教学法中，学生主动性提高，并通过参与、完成科研项目获得成就感，探索欲得到激发，自信心得到提高;同时，在教师引导、学生逐步解决问题的过程中，学生形成了解决问题的思路，培养了解决问题的素养。此外，通过小组合作学习，学生的团队精神得到培养。此外案例型教学法有着较明显的优势，但同时也需要注意以下问题:需要指导老师投入大量的精力积累案例、指导方案设计、管理教学过程等，工作量大。需要充分调动学生积极性，否则案例型教学法容易流于形式。评价方式重要，不能以简单的实验报告进行评价，应重视学生表现，否则学生不重视参与过程而注重结果。教学改革在方法创新的基础上，应更加关注方法适用性，抓住学生兴趣，提高学生自主学习积极性，提高学生参与度，激发学生创新思维。
作者：张妍 沙力争 赵会芳 陈华 单位：浙江科技学院生物与化学工程学院/轻工学院
1MCLIMS的实现目标
为了实现材料化学实验室高效管理实验室的人员、仪器、药品、无纸化实验记录，提高管理效率，保证科研工作的顺利进行，MCLIMS主要分为三个主体框架：上位机LIMS，嵌入式控制终端及药品存储柜的实体，上位机软件主要用于通过软件来实现基本信息的维护和药品的使用操作，嵌入式控制终端与存储柜构成一个整体，用于响应上位机LIMS的命令，并做出响应决定是否需要开启药品存储柜，药品存储柜用于存储材料化学实验室的药品。本系统的最终实现目标包括以下几个方面。
1.1上位机LIMS软件主要实现如下功能
用户信息管理模块：包括用户登录、用户信息录入、更新、检索、删除及用户权限管理，密码管理等；导师信息管理模块：主要是管理导师的基本信息及科研方面信息等；用户签到管理模块：主要是与指纹录入仪进行通讯、实现用户签到验证，主要包括：用户指纹录入、用户签到、签到查询、用户指纹删除、用户请假等；药品信息管理模块：包括药品信息录入、更新、检索、删除、余量更新、药品存储位置管理等；药品使用管理模块：包括药品检索、打印条形码药品清单、药品余量提醒、过期药品查看等；药品存储柜信息管理模块：主要是管理存储柜数量、位置IP、容量等信息；仪器信息管理模块：包括仪器信息录入、更新、删除、仪器预约、预约邮件提醒、外借管理等；热电参数测试仪数据读取模块：包括添加仪器测试用户、测试样品参数管理及测试数据管理等功能。
1.2嵌入式终端控制软件主要实现功能
（1）用户登录，只有登录成功后才能进行（3）的操作，否则（3）此操作无效，视为不合法用户。（2）终端串口管理，配置终端的串口通讯，用于条形码阅读器信息的读取。（3）终端存储柜柜门控制，用户在得到（1）的权限后直接可以操作柜门的开启与关闭。（4）终端信息显示，串口读取到的条形码信息后系统检索数据，更新显示信息，然后解析检索到的信息来控制存储柜的开启与关闭。
1.3存储柜物理设计
根据需要，本次对药品存储柜的设计采集2X2式的矩阵式设计方案并充分考虑了电路设计，信息读取的物理接口。
2MCLIMS系统架构
拓扑结构反应了应用系统或网络系统中各个结间点的互联表现形式，如文件服务器、工作站等的，常见的拓扑结构有总线型拓扑、星形拓扑、环形拓扑、树形拓扑、以及它们的混合形式。对于本系统，它主要体现在上位机软件、数据库服务器及嵌入式控制终端的连接方式及他们的数据响应关系。考虑到每个实验室的安装配置过程中，上位机软件与嵌入式控制终端的对应关系是1∶n的关系，n大于等于两台设备，本文选择了总线型拓扑，其特点：结构简单灵活，非常便于扩充；共享资源能力强，要实现总线型拓扑结构，只需上位机LIMS与MySQL服务器及嵌入式终端同在一个局域网中，保证MySQL服务器网络可达即可。系统的最终架构如这种架构方便药品存储柜数量的扩充，位置的放置也不受限制。
3MCLIMSR的具体实现
3.1系统软件架构
本系统以C/S模式为开发模式，以C#为上位机LIMS软件的开发语言，VisualStudio2010为开发功具；MySQL作为数据库服务器。嵌入式终端以基于ARM9为核心的S3C2440芯片作为处理器的TQ2440开发板作为嵌入式硬件平台，将嵌入式Linux作为底层系统，QT和C语言作为GUI设计和底层驱动开发语言；以UG为存储柜物理实体的建模工具。
3.2系统硬件架构
本系统涉及与多个硬件的通讯工作，其中包括：中控指纹仪，用于学生签到模块中的指纹录入及学生签到功能；POS打印机，用于实验室学生实验药品清单的打印，清单信息包括用户实验方案、所需药品的位置、用量、实验编号等信息并附带条形码；TQ2440开发板，是嵌入式控制终端的运行平台，用于运行嵌入式控制终端软件；条码扫描器，用于扫描条形码清单上的实验编号信息，并将编号传到嵌入式软件，软件做出相应的响应。
3.3系统功能模块设计
通过结合当前实验室对药品管理系统的需求分析，本系统设计出如下功能模块。
3.4数据库设计
数据库是实验室信息管理系统的基础和核心,它关系着实验室的工作效率和业绩，一个科学、合理的数据库是LIMS成功创建和稳定运行的基础。在材料化学实验室管理系统（MCLIMS）中数据库作为信息的来源及存储工具，也是连接上位机LIMS、嵌入式控制终端的数据共享的桥梁。根据对各模块的处理过程及需求分析，以MySQL作为数据库服务器，将数据库设计包括以下几个方面。①与用户相关的包括用户登录表，用户签到表，用户指纹表，用户请假登记表，用户科研信息表，用户基本信息表，用户导师信息表等。②与仪器信息相关的包括仪器预约信息表，仪器信息表，仪器外借信息表等。③与化学药品相关的有：化学药品信息表，化学药品使用信息表，化学药品剩余量信息表，药品短信验证表等。④与测试仪器相关的数据表有：仪器测试用户表，样品测试参数信息表，样品测试信息表等。
3.5系统的具体使用流程
本系统由上位机LIMS软件、嵌入式控制软件及存储柜实体构成。用户使用时对于非药品使用的模块都可以直接通过上位机LIMS软件完成，包括用户签到、实验室仪器、导师信息管理等。用户要完成实验，要经过几步：打开药品使用模块、检索药品的信息如余量、位置。然后根据实验规划分别添加药品信息；确认药品配方并打印清单，清单信息上会附带药品的位置，用量信息，实现学生实验无纸化记录；将药品清单携带到药品存储柜终端，扫描条形码，嵌入式终端检查条形码的合法性，然后检索并显示信息。同时，相应柜门开启，完成取药，每个条形研只能使用两次。
4结语
本文根据当前材料化学实验室对信息管理特别是药品的管理的功能需求，设计并研发了一套材料化学实验室信息管理系统，该系统主要分为3个功能框架：上位机LIMS、嵌入式控制软件及存储柜实体。然后给出了该系统的实现方案及系统架构，分别设计了系统的功能模块。该系统操作方便、安全性高、功能设计丰富并人性化。总线型拓扑结构也使得存储柜数量易于扩充布置。系统为实验室的管理提供为极大的便利，大大地实现实验室资源信息的共享，不管是导师还是学生，都能从此系统中感应到使用的便利性，提高实验工作的效率，加快高效实验室信息化。
作者：瞿秋亮 杨君友 单位：华中科技大学
材料是人类赖以生存和发展的物质基础，与信息、能源并称为社会文明的三大支柱。人类社会的发展历程，是以材料为主要标志的。从人类以石头为工具的旧石器时代到对石器进行加工进入新石器时代，再到后来的青铜器时代、铁器时代、钢铁时代，人类的发展历程可以说就是材料的发展史。现代社会，材料已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。材料化学工程在这种大背景下应运而生，本学科以化学、化工、物理学为基础，系统学习材料科学与工程的基础理论和实验技能，并将其应用于材料的合成制备、结构表征、性能检测及其应用等方面的新兴学科，是一门交叉性与工程技术密不可分的应用科学。但随着社会进步，旧的研究生教育模式的弊端逐渐显示出来。本文基于材料化学工程的特点，分析了现今研究生教学中存在的问题，并提出了解决办法。
1存在的问题
1．1内容广，概念多
材料化学工程是以化学和化工基础，研究、开发、生产和应用金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领域。研修的主要课程包括物理化学、材料科学基础、材料力学、材料工艺、高分子材料、金属材料、无机非金属材料等。在基础课程中概念多、公式多，如在物理化学中的热熔、积分溶解热、积分稀释热等，有些概念相似如果不仔细区分容易混淆。在诸如高分子材料这类介绍性的课程中名称特别多，如聚丙烯、聚氯乙烯、环氧树脂等，这些材料在我们的生活中经常接触。但通过学习很多学生还是不能识别基本的材料，掌握它们的基本制备工艺和用途。
1．2叙述性的内容多
关于三大材料的学习主要是叙述性的内容多，比较抽象。例如，金属加工中热处理的四把火:退火、正火、淬火、回火，退火又分好几个种类，每种钢材根据用途不同，而选择不同的工艺条件。但是只通过课本的叙述，对于很多材料依旧没有直观的认识。虽然很多同学有参加过金工实习课，但是时间不长，很难做到全面深入的了解，对一些材料的性质、加工方法感到陌生，从而逐渐丧失学习兴趣。另外，在材料的合成中，每合成一种材料，需要通过一系列检测看所得物质是否为目标产物。又或者合成一种新的物质，也可以通过检测分析出其结构性能。材料专业的学生都有一门必修课《材料结构表征及应用》详细介绍了材料表征中各种检测手段。但是很多同学拿到检测结果却不会分析。
1．3课程教学与现实联系不够紧密
研究生与本科生最大的不同就在于，在接受系统知识的同时，必须加强研究意识、创新意识和研究能力的培养［1］。材料化学工程是一门应用型学科，与实际应用密不可分。课程安排之前的金工实习，目的是锻炼学生动手能力，对材料的加工有所了解。此外，还有一些实验操作课，但是很多时候由于时间安排不合理又或者设备少学生多，平均几人一台设备，学生动手机会操作不够，有时候老师只能靠演示的方法让学生观摩，学生完全处于一种被动的学习状态。还有部分同学在实习中怕脏、怕累，不愿动手操作。另外，在课程结束后还有参观见习，对材料的加工制作有个直观的认识，但是很多时候由于人员过多，加上工厂环境复杂，很多同学在见习过程中往往走马观花，只停留在看热闹的表面功夫上。
2解决办法
2．1培养学习兴趣
科学家爱因斯坦说过:“兴趣是最好的老师。”老师首先要做的就是激发学生的最大兴趣并使之保持这种热情。材料化学工程与我们的生活密切相关，老师可以在讲授过程中结合我们实际生活中的用途。比如高分子材料中的聚丙烯腈，常与羊毛混纺制成毛织物等，可以制作毛毯、军用帆布、帐篷等。被称为“人造羊毛”。又如我们生活中常见的木制家具，其实很多都是由木塑复合而成:以木材为主要原料，经过处理使其与各种塑料通过不同的工艺复合而成。既保留了木材良好的加工性能，同时具有塑料的耐水、耐腐蚀、使用寿命长等优良性能，还符合环保的大前提。通过这种理论结合实际，能激起学生学习兴趣，鼓励学生自己查阅资料了解更多信息。
2．2疏通知识结构，掌握各学科之间的联系
在材料化学工程形成前，高分子材料、无机非金属材料、金属材料科学都已自成体系，而且他们之间存在着很多相似之处，可以相互借鉴，促进本学科的发展。如马氏体相变本来是金属学提出来的，广泛地用来作为钢材热处理的理论基础。但在氧化锆陶瓷材料中也发现了马氏体相变现象［2］，并用来作为陶瓷增韧的有效手段。另外，各类材料的研究设备与生产手段也有很多相似之处。虽然不同类型的材料各有专用测试设备与生产装置，但更多的是相同或相近的，如显微镜、电子显微镜、物理性能测试和力学性能测试设备等。在材料生产中，很多加工装置也是通用的。比如生活中很多塑料用品大多是通过注塑成型加工而成，但其实与粉末冶金工艺中的压坯过程相似。随着科学技术的发展，各学科间已无明显界限，甚至不同材料之间能相互代替。不过凡事都有规律可循，只要掌握规律很多问题便迎刃而解。作为材料的规律就是:组织决定性能，性能决定应用［3］。再根据性质选择材料，依据用途确定工艺路线。抓住这一规律，学习时就不会感到毫无头绪。
2．3传统教学与现代教学方式相结合
传统教学大都采用“填鸭式”方式，学生听课主动性、积极性不高。新的教学改革中应采用启发式、互动式和讨论式等新的教学方式。老师在课前布置问题，分小组完成不同的部分，让学生带着问题去学习，查找资料，每组选择代表在课堂进行发言，然后再各组进行讨论。这样不但发挥了学生的主观能动性，活跃课堂气氛，减轻了老师的授课负担，还锻炼了学生自己分析问题、解决问题的能力，达到事半功倍的效果。相比传统教学，计算机汇集了图像、文字、声音等元素，极大的丰富了教学色彩，调动学生学习积极性，具有直观、生动、形象的元素，可以将抽象的理论知识和工艺方法生动的展现在学生眼前，增加课堂趣味性，提高学生的感性认识，有利于知识点的理解和掌握。同时可以结合一些相关视频比如:注塑成型、挤出成型、模压成型以及金属材料的冷加工热加工等。这些视频网络上都可以找到，如HOWITISMADE、TEDSHOW等。通过相关的视频，既可以活跃课堂气氛，也能调动学生学习积极性，甚至激励学生自己在课外继续学习观看。这种多媒体教学与视频教学相结合的方法，既减轻了老师的负担，同时激发学生学习兴趣，调动积极性，促进教学任务顺利完成。
2．4开设软件分析课程
作为材料化学工程研究生，材料检测分析应该成为一种必备的基础技能。但是很多时候拿到检测结果却不会分析。软件分析课程可以很好的解决这个问题。所有的检测结果都有软件可以分析，比如FTIR、XRD、NMR等，借助这些软件，可以快速地分析所得结果。比如JADE，作为一款分析XRD数据的软件，它可以对物相进行定性定量分析。虽然软件分析不一定完全正确，更多的时候还是根据理论基础来判断，但软件分析可以作为一个辅助手段。这样学生既掌握了一门技能，而且大大提高了学习效率。
2．5课堂教学与实践相结合
俗话说“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。作为一门应用型学科，课堂所学的最终都是要能应用到实际生产中去。在涉及如注塑成型、挤出成型等高分子材料成型工艺时，可以穿插一些参观实习课。通过参观实习，直观地了解材料加工制备过程，将自己所学知识配合生产。理论上可行的事情，在实际应用中还需要考虑到原材料、工艺条件的控制、销售渠道、成本控制等。如果有可能，可以尽量选择一些大型的工厂基地，接触现代化的机器设备，体会先进生产力的发展，感受到世界一流水平的实力。为学生丰富见闻开阔视野提供机会，这将对培养学生的自信很有帮助，尤其是对于一些非重点名校的学生。另外，通过与企业或者研究单位联合培养，即“产学研结合”。“产学研结合”一般指企业、学校、研究单位之间的相互合作和优势互补。李元元等认为产学研结合是培养工科硕士的最佳途径，学位论文的选题和相关实践应当与工矿企业的工程实际相结合，密切结合其技术改造、革新、引进等技术难题或科研攻关项目。这将有利于从根本上解决学校教育与社会需求脱节的问题。缩小学校人才培养与社会需求脱节之间的差距，增强学生就业竞争力。
3结语
按照教育部颁布最新的学科体系，材料化学工程是化学工程与技术的方向之一，主要以化学、化工和材料为基础的应用性学科。因而在材料化学工程研究生教学中存在理论多、知识点多、概念多及与实践联系不够紧密等问题。针对上述问题提出了激发研究生学习兴趣，疏通各学科知识结构、掌握它们之间的内在联系，教学中注重传统教学与现代教学方式相结合，开设软件分析等实用性课程，理论教学与实践相结合等解决办法。
作者：陈志彦 杨亿 单位：中南林业科技大学
无机材料物理化学课程现状
目前，无机材料物理化学课程沿用陆佩文[5]编写的硅酸盐物理化学课程体系，在多年教学过程中发现该课程体系存在如下的问题：
1知识点分散
无机材料物理化学课程的内容包含了材料科学基础的晶体学及晶体缺陷的内容，包含了材料加工的基础知识相平衡和相图，同时又涵盖了无机非金属加工过程特有的熔体和玻璃体，陶瓷加工过程的基础粘土水系化学，烧结加工过程的扩散、固相反应、固态相变和烧结等基础知识．课程体系分散复杂，课程的内容繁多，每一章单独成为体系，前后的联系不够明显．
2与实际接触的宏观事物距离较大
无机材料物理化学的教学体系以理论推导为主，涵盖了大量的前期科研工作者进行的理论推导，并且结合实践给出了很多应用．由于工科学生课程体系设置的特点，注重工程实际，注重在实践中解决问题．因此，在学生现有认识事物的体系中，对于宏观上能看到、能摸到的理解和掌握起来比较快，而对于微观的、抽象的体系认识起来难度比较大．
3与实际的生产不能有效结合
现有无机材料物理化学课程作为工科课程来讲，离实际工程应用距离比较远，对学生的吸引力不够，很多学生在课堂上经常问学了这么多公式、这么多图有什么用，而这个问题按照现有的课程体系无法回答．
无机材料物理化学课程体系改革
无机材料物理化学的知识点总体上概括起来可以分成两个主要方面，一是与陶瓷（水泥）生产密切相关的知识，二是与玻璃生产密切相关的知识体系．在此为分类基础上，对课程的知识点和讲授顺序重新进行了调整尝试．
1以陶瓷生产为主线的课程体系设置
在介绍与晶体相关的知识过程中，主要以实际中的陶瓷为例，首先进入晶体的微观世界，引出陶瓷的晶体结构，由晶体结构引出晶体概念、晶体化学知识，在晶体中漫游会发现很多缺陷，进而介绍缺陷的知识．简要介绍陶瓷的生产工艺，从原料加工到成品过程用动画演示，介绍原料过程中讲解粘土-水系的胶体化学，其中包含的胶体性质及一般的熔体性质通过固体的表面和界面部分来了解；利用陶瓷烧结过程中的烧结温度选择，引出相平衡和相图，重点介绍这部分内容，在烧结过程中的微观动画展示后引出扩散-固相反应-烧结．此部分中，重点是晶体的结构及相平衡的知识．
2以玻璃生产为主线的课程体系设置
与玻璃相关的课程知识介绍的过程中，首先展示玻璃，随后简要介绍玻璃的生产过程，该过程由于有无机非金属材料工学进行具体介绍．因此，只需描述即可，其后引出玻璃原料，简要复习晶体结构知识，按照生产流程加热熔融后的现象要有熔体和玻璃体部分来了解，结合玻璃的生产讲解相变过程中涉及到非晶体部分相平衡中的知识．在此部分的讲解中重点介绍非晶态物质的形成机理及过程．通过如上的体系改革使学生能够充分认识课程知识，并且知道整个体系的来龙去脉，使学生由过去的被动接受变为主动有意识的学习，形成良好的学习动力．
课堂教学过程中“四要素”的融会贯通
材料科学与工程的“四要素”始终作为课程讲授的主线，作为基础课程，主要授课的目标还是材料科学这四个要素之间是如何建立起联系的，为什么有这样的联系，影响因素等知识．在结晶学部分每介绍一个新概念，都有意识介绍该概念对无机材料工艺及性能的影响及其应用，如介绍空间群概念后简要介绍空间群分类后对压电性能的影响，丰富学生的知识体系，而且可以更好的融会贯通，理解概念．在熔体部分的性质概念介绍之后，要简要了解熔体的性质对玻璃加工工艺的影响．在讲粘度时，主要介绍粘度与温度和组成等因素的关系，但是到底会有什么样的影响并没有介绍．因此很多学生就是为了学习粘度知识而死记硬背，不知道粘度的具体应用，而在课堂上简要介绍过粘度会影响玻璃的加工温度及玻璃的成型性能时，同时简要介绍怎样影响的，就会使学生知道知识是有用的，学习起来目的性更强，而且方便对一些概念的理解记忆，而不是简单的死记硬背．在相平衡一章中，相图是一个重要的知识点，也是材料科学体系中一个非常重要的工具，学好相图对材料科学下一步学习至关重要．但是在以前的教学过程中按照书本的知识体系从头到尾介绍之后，很多学生都是一片茫然，似乎感觉是学习了几何学又或是物理学，不知道无机材料物理化学中为什么要单独拿出这一章来讲解这个图．经反思教学过程发现，在教学过程中过分重视教学内容的传授而忽略了这个工具实用性的介绍，按照“四要素”理论，相图这个工具应该是工艺制定的重要根据，因此在改革后的讲授过程中，在介绍过相率和简单的三元相图等基本知识后，就具体地举了一个Al2O3-SiO2-CaO三元体系陶瓷烧制的过程，简要介绍了如何利用三元相图进行原料配料计算，如何确定烧成温度，及得到的烧成体的主要成分和构成等知识．使学生先知道三元相图的作用，在材料学“四要素”体系中的位置，然后在具体地讲解三元相图的分析过程，并且在讲解过简单的三元相图后还要举1~2个实际的复杂例子进行实际应用．
教学改革的效果
经过2年多的教学改革试点，学生的课堂听课效果有了很大改观，原来每个自然班约有50%的学生坚持在课堂上听课，很多学生由于跟不上进度而睡觉或者干脆逃课．改革后，无机2009级学生坚持听课的达到了80%以上，学生听课状态明显好转，听课热情很高，而且课间休息时问问题的学生数目明显增加．对齐齐哈尔大学无机材料2008级和2009级学生进行了授课效果评价，90%的学生认为能够掌握课程基本内容，学生的考试及格率由90%提高到96%，平均分由77.6分提高到81.2分，有了较大幅度提高．在总结了无机材料物理化学课程教学过程中存在问题的基础上，通过以材料科学的“四要素”为基本思路，对无机材料物理化学课程中大量的知识点进行了重组，丰富了与实践结合更加紧密的知识内容，探索了一条实用性很强的无机材料物理化学教学改革新途径．（本文作者：王超会、顾晓华、李晓生、杨长龙 单位：齐齐哈尔大学材料科学与工程学院）
摘要:对于土木建筑材料的化学特性要充分进行掌握，才能够更进一步地将土木建筑材料运用到合适的位置，对土木建筑材料的运用，实际上就是对其化学上的变化进行运用，因此，要熟悉常见的建筑材料的化学特性，才可以更加适当地进行运用。
关键词:建筑材料；化学特性；耐久性伴
随着当前中国城市化的脚步越来越快，土木工程的质量也涉及到整个城市发展的方方面面，特别是土木工程所选用的各种土木建筑材料，实际上会影响到整个建筑物的建筑质量。选用合适的土木建筑材料，实际上应该充分考虑到这些建筑物本身的化学性质，还有这些土木建筑材料是不是能够更加耐久，这些实际上都是整个建筑物的质量保障。如果土木建筑物的材料在结构上面并不是非常优秀，或者是建筑材料本身出现的化学特性无法适应所建设地区的具体情况，那么在建筑的过程当中都可能降低其耐久性。所以，在建筑材料的化学特性和耐久性方面，应该充分考虑好这些材料的具体特征，要选用合适的建筑材料，这样才能够更好地推动城市化的发展。
1土木建筑材料的化学特性探究
土木建筑材料实际上是非常广泛的一类物质，比如混凝土或者砂浆等，都是属于土木建筑材料的范畴。而且每一种土木建筑材料的化学性质范围也非常大，不过针对土木建筑过程当中的一些具体状况，实际上选用土木建筑材料的过程中，重点还是关注这些建筑材料的化学稳定性。因为部分土木建筑材料在特定的环境当中会产生一些化学反应或者变化等，这些变化不同于物理形态上的变化，而是一种化学方面的变化，这样的变化是非常广泛，而且影响也非常深刻，所以应该要加以关注。如果一些土木建筑材料的化学变化是能够强化工程的稳定性的，那么就可以加以采用，但是如果一些土木建筑材料的化学变化可能会导致一些负面影响。所以对于土木建筑材料的化学特性要充分进行掌握，才能够更进一步地将土木建筑材料运用到合适的位置，对土木建筑材料的运用实际上就是利用其化学上的变化进行运用，因此，要熟悉常见的建筑材料的化学特性。下面本文将对混凝土和砂浆这两种常见的土木建筑材料的化学特性进行分析。
1．1混凝土的化学特性
混凝土，实际上划分为非常多的品种，不同品种的混凝土实际上化学特性也有一定的差别。比如轻骨料的混凝土，其骨料的孔隙比例也相对比较高，在抗拉的强度上面相对比较地，特别是表面上的密度是比较小的，对于水分的吸收比例也比较大，弹性模量比较低。从物理性质上看，其热膨胀的系数比较小，收缩和徐徐变动比较大，保持室内的温度上也有这比较好的性能。从化学的特性上看，轻骨料的混凝土重点是为了实现建筑物的保温和结构上的保持作用。多孔的混凝土，实际上也是轻骨料的混凝土的一种，其主要是有一些微小的气泡均匀地分布在整个混凝土当中。多孔混凝土一般而言都是采用一些硅类的材料和钙类的材料加工形成的，所以其在化学特性上也表现出上述两种元素的一些基本性质。由多气孔的混凝土形成的建筑材料，一般都是处理在屋子的面板，或者是堆砌的模块里面，在内外的墙板方面也是有一定的应用。这些成品，实际上都是在工业类的建筑，或者是民用类的建筑当中，在保温工程方面有着比较好的作用。另外一类的混凝土主要是抗冻的混凝土材料，这一类的混凝土材料重点是采用引气剂来提升混凝土自身的抗冻特征。有了引气剂，混凝土当中就会相对均匀地分布这些气孔，从而比较稳定和密闭。防渗漏的混凝土，其在防渗漏方面的一些基本化学原理，是因为加入了一些外加剂摻和在一起，这样控制了混凝土内在的一些构成材料，在质量上也相对比较稳定，更加合理地对混凝土进行配合比较，这样一些混凝土里面的毛细管就会被堵塞住，内部的结构也会比较严密，界面也不会产生一些裂缝之类的，在防渗漏的性能方面也就比较理想。高强度混凝土重点是能够在重载方面承受更多的重量，其跨度更大，在一些极端和恶劣的使用环境里面有着一定的应用价值。
1．2砂浆的化学特性
砂浆在土木建筑的建造过程当中应用也是非常广泛，特别是在砌筑或者抹面的过程当中，也都会运用到砂浆。砂浆的保水性能是比较好的，其一般而言都是运用了胶凝材料和细骨料、水等之间进行结合，这样的结合会根据一些具体的比例进行调整，以此帮助砂浆的化学性质更好地适应当前的土木建筑工程需求，在一定的时间下，这样的砂浆就会硬化形成一定的材料。所以砂浆的种类也会根据应用的途径进行划分，一般划分成为装饰、砌筑、抹面三种主要类型，而一些应用在特殊的建筑过程里面的砂浆，称之为特种砂浆。砂浆的强度一般都是一立方体试件作为检测。砂浆由于其化学性质上体现出来的特点，所以在对砂浆进行变形的时候一定要注重均匀，这样砂浆里面所包含的水分才不会容易出现六十的状况，砂浆和基底之间要粘结相对比较好，这样才不容易出现其他条件下的形变。防水砂浆也是当前比较常见的一种特种砂浆，其主要是在砂浆当中融入了一定比例的防水剂，这样有助于水泥砂浆的涂抹的过程当中处理好防水的问题。而普通的砂浆重点是其化学反应并不是非常活跃，所以能够对整个结构主体形成一定的保护作用，提升砂浆涂抹在外层的稳定性。
2建筑材料化学特性及其耐久性的归结分析
对于建筑材料而言，其化学特性和物理特性是相互结合在一起。建筑材料在应用在建筑的过程中，一般其内在的形态会产生一定的变化，特别是材料的内部缝隙或者体积等会膨胀或者收缩，不过其化学上的稳定性一般还是比较好的。在相对比较寒冷的条件下，比如冻结或者融化等气候变化情况都会对建筑材料产生比较明显的破坏作用。而在平均温度比较高的地带，建筑物所采用的各种土木建筑材料则是需要能够耐得住高温的影响。所以，无论是民用的建筑材料，还是公共的建筑物，这些建筑材料实际上都应该具备防火性能。而抵抗化学侵蚀，重点是抵御化学的酸类、碱类以及盐类等物质的侵蚀。土木建筑材料的耐久性，一般在建筑界都是认为在具体的环境里面可以抵抗各种不利因素的影响，可以长时间保持这样的一种形态。当前的建筑材料在形成建筑物之后，就会受到各种物理上或者化学上的负面影响，但是在这些影响的条件下，这些材料还应该保持其原来就具备的性能。如果具体的环境相对比较恶劣，或者建筑的条件比较差，在这些因素的长期影响之下，就容易让这些土木建筑材料丧失原来的性能。所以，维持土木建筑材料坚固耐用的特征，就需要关注到土木建筑材料的化学稳定性，特别是在耐久使用方面，要关注到建筑材料使用功能方面的发展。从本质上总结，土木建筑材料的化学特性对于耐久性的影响，重点还是体现在两个方面。一个方面，土木建筑材料本身的内在构成或者其组成的成分就容易形成一定的变化，其密度和实度等方面都会存在一些不利的因素，在相对固定的界面上，土木建筑材料也会因为各种化学生成物产生一些膨胀，这种热膨胀系数上面的差异，就会产生建筑材料的耐用程度不足。在长期荷载各种重量，或者金属疲劳、电解等化学反应等影响下，都会影响到土木建筑材料的耐用性。而从另外一个方面上看，土木建筑材料，实际上也应该看到建筑材料在外部因素下产生的各种化学影响，比如在一些干湿循环或者溶解的过程当中所出现的化学变化。如果是应用木材等，则是容易在温度或者湿度等条件下产生一些腐蚀的情况。因此，建筑材料的化学特性和其耐久性是紧密联系在一起。
3结束语
在应用土木建筑材料进行建设的过程中，一定要注重对土木建筑材料的化学特性和耐久性等进行分析，并且充分了解土木建筑材料的化学特性以及物质特性等方面的内容，从而更好地提升土木建筑材料的使用寿命。这样能够从经济效益上提升对建筑材料的应用，也可以让建筑材料所运用的资源得到充分的保障，避免这些资源造成了浪费。
作者：纪占斌 单位：西京学院
摘要：有机化学是高分子材料与工程专业一门重要的专业基础课，本文针对高分子材料与工程专业的专业特点及学生情况，分析了有机化学教学中存在的问题，从教学内容、教学手段和考核方式等方面提出了课程的改革措施。
关键词：高分子材料与工程专业；有机化学；教学现状；教学改革
有机化学是化学学科中的一个十分重要的组成部分，它的主要研究对象是有机分子，从有机物结构入手，研究有机化合物的化学性质，在分子水平上探知未知世界的基础学科。在我校，有机化学是面向化工学院、药学院二年级，以及海洋学院一年级学生开设的专业基础课程，是“大类培养”的主干课程。通过有机化学课程的学习，可使化学类学生掌握有机化学领域的基本理论、基本知识和实验操作技能，把握有机化学发展领域的新概念、新动向和新技术，同时为后续专业课的学习打下坚实的基础。
1.教学现状
在工科院校，有机化学的教学课时“缩水”，如我校有机化学虽然是“大类培养”的重要专业基础课，但是其课时数被压缩到64个学时，教师必须在一个学期之内完成教学。而有机化学作为高分子材料与工程专业的基础课，是高分子化学、高聚物合成工艺学、高分子材料学等后续专业课的基础，学生必须在有限的课时数里掌握《有机化学》这门课程，难度大，任务重。另外，由于江苏省高考制度，较大部分的学生高中阶段选修的“物生”，进入大学后化学知识特别是有机化学基础知识非常薄弱，一个教学班级里，学生的化学知识水平参差不齐。通常是刚进入大学的第一学期学习无机化学，对于选“物生”的学生来说，没有化学基础，一开始就挫伤他们学习化学的自信心。学习有机化学时，多数学生对有机化学的学习有畏惧感。如果入校时对专业认知不够，不能看到有机化学学习对高分子材料与工程专业学习的重要性，更是对有机化学失去兴趣。再者，有机化学课程自身的特点，由于有机物数量多，结构多变，机理难掌握。而工科院校的有机化学课时数又被压缩，教师为了教授完大纲的教学内容，不得不采取“满堂灌”教学方法，使得学生缺乏主动获得知识的能力，被动“填鸭式”教学必然导致教学效果不理想。一学期教学结束，发现学生知识掌握不好，除了少部分拔尖的学生，大部分学生对这门重要的专业基础课一知半解，学到的有机知识很少。
2.教学改革
结合有机化学学科规律，针对高分子材料与工程专业特点，对教学内容进行优化、取舍；改进教学手段，选聘高年级本科生、研究生做助理班主任，让他们参与本科生教学，形成多元化的本科生教学队伍；改革考核方式，实现高分子材料与工程专业有针对性的考核方式，教考分离。（1）改革教学内容有机化学的教学关键是引导学生“有机”这一学科，不同于其他几门基础化学课，有机化学基本不涉及计算，不涉及公式，说的是图片的拼接，化学键的断裂与重组，以构建新的有机分子。那么，在教学过程中如何引导学生使用“有机思维”思考问题才是关键。当我们谈到如何面对课时数被压缩这个问题，如果抓住“引导学生进入有机化学这个学科”这个关键问题，就能依据高分子材料与工程专业的培养方案，深入分析研究教学大纲和教学目标，对教学内容进行取舍。在改革教学内容时，还要考虑以下两个方面问题：一是研读多种版本的教材，最新版本的中、英文有机化学教材和专著等，从不同研读、分析深度的教材方面，准确把握“基础有机化学”教学重点、难点，结合高分子材料与工程专业的特点来取舍教学内容。二是关注高分子领域的研究前沿，发展动态，结合传统的知识，推陈出新，把最新的知识信息教授于学生，引导学生了解最新的前沿，激发他们的兴趣，使之感觉到目前所学知识的有用性。（2）改革教学手段我校近年实施了一项“班主任助理”制度，选派高年级本科生、研究生担任本科生班级班主任助理，取得了很好的教学效果。高年级本科生、研究生参与本科生教学，形成多层次、多元化的本科生教学队伍。高年级本科生已经学习了有机化学专业基础课，经历过有机化学的学习和考核，有自己的学习方法和技巧；他们已经进入高分子材料与工程专业课程学习，对哪些知识对专业课学习重要有切身体会；他们与低年级学生同属于一个年龄阶段，有更多的共同话题，沟通交流更容易，帮助学生及早发现自己的优缺点，扬长避短。高分子材料与工程研究方向的研究生，通常具有扎实的专业基础知识，已经接触了专业的前沿研究方向，可以对高分子材料与工程专业低年级学生的学业、思想及心理等方面给予关心和指导。而且本科生可以在研究生的带领下主动做一些创新创业项目，这使得本科生更清楚自己在课堂学习中哪方面有不足，增强本科生对基础知识学习的热情，使他们在有机化学课堂学习中更积极、努力。（3）改革考核方式良好考核方式可以极大地促进学生的学习热情，提高他们学习的积极性。目前，我院不同专业实行统一考试，如环境工程、化学工程、安全工程和高分子材料与工程等专业统一出卷，流水阅卷、统一登分，做到公正、准确。但是，这种“统一”的方法抹杀不同专业对有机化学需求的不同，使得教师和学生忽视基础课对后续专业课的影响，结果是为了考试而学习，不能真正掌握自己专业需求的有机化学知识。为了提高学生的整体素质和学习积极性，我们应实现不同专业单独出卷、单独考核的方式。卷面上可以体现出适合高分子材料与工程专业的题目，结合他们的后续专业课程。哪些知识是有机化学这门课程必须掌握的基础知识，哪些知识是关联高分子材料与工程的专业知识。同时，建立针对性的有机化学试题库，使学生接触更多不同的题型，拓宽知识面。建立适合高分子材料与工程专业的有机化学试题库，有机化学课程理论考试按照一定的难度系数、教学要求、考试范围等，统一从试题库里抽调，实现教考分离。
3.结语
为全面提升高分子材料与工程专业的有机化学教学质量，我们要结合有机化学学科规律，针对高分子材料与工程专业的专业特点，从学生的实际出发，认真分析总结，精选教学内容，创新教学手段，改革考核方式，不断激发学生的学习兴趣，以提高高分子材料与工程专业的人才培养质量。
作者：陶传洲 王慧彦 王建 许瑞波 程青芳 单位：淮海工学院化工学院
摘要：化学化工材料作为材料化学重要的分支之一，不仅关系化学化工领域同时也与材料科学息息相关。从目前的情况来看，化学化工材料已经被广泛应用到社会建设中的各个行业当中。而随着社会经济建设的发展，绿色型化学化工材料的应用也成了当前各个行业发展中重要的议题之一。在本文中，笔者主要针对化学化工材料在建筑以及农业生产这两个行业中的应用进行阐述。
关键词：化学化工材料；应用技术；研究
伴随着当前社会经济建设的不断发展以及科学技术的飞速进步，化学化工材料与人类社会的关系也越来越密切。而自从可持续发展社会这一概念的提出，在应用化学化材料时也有了更加严格的要求。在当前，化学化工材料不仅要能够满足应用过程中的各项参数，同时也应当要减少对环境的破坏，研究并应用绿色型化学化工材料，这样一来才能在发展社会经济建设的同时，保障生态环境的可持续发展，为国民以及未来的子孙后代创造出更加良好的生存环境。在当前，对于绿色型化学化工材料需求最高的就是建筑行业以及农业生产行业。
1化学化工材料在建筑行业中的应用
从当前建筑行业的实际发展状况来看，化学化工材料的应用是十分广泛的，从外部结构到内部装修都需要用到化学化工材料。然而，虽然应用十分广泛，但是在2008年以前绿色型化学化工材料在建筑行业中的应用却一直存在瓶颈。而到了2008年，在建造奥运会场馆之一的水立方时，大量的绿色化学化工材料被应用到建筑的施工当中。譬如说，水立方的主体结构采用的就是以水性聚氨醋为主要成分的有机化合物。该化合物不仅具备较高的粘合度，同时还兼具零挥发的特性，这样一来，既能够减少维护成本，同时也能够起到保护环境的作用。同时，水性聚氨醋的防火性也较好，对于提高场馆的安全性也有着极大的帮助。众所周知，在任何一座建筑的施工当中，建筑的防火性都是最受关注的问题之一。因此，水性聚氨醋的应用对于保障场馆的安全，延长场馆的使用寿命有着极大的帮助。而这也为建筑行业未来的发展当中，绿色型化学化工材料的使用奠定了基础。除了防火性以外，对于建筑来说，隔热性以及保温性也是较为重要的功能。当前，为了提高建筑的隔热性与保温性，施工单位在进行施工的时候倾向于使用聚氨醋硬泡材料，该材料的应用不仅能够有效提高建筑的隔热性和保温性，同时也具备降噪功能。而除了采用聚氨醋硬泡材料来加强建筑的隔热保温性能以外，也可以将乙烯一四氟乙烯的共聚物应用到建筑工程的建设当中，这是因为，乙烯一四氟乙烯的共聚物具备控制室内温度的功效，因此能够更好的调节建筑内部温度，同时还可以起到节能的效果。
2化学化工材料在农业生产中的应用
伴随着当前科学技术的不断发展，各式各样的化学化工材料已经被广泛的应用到农业生产当中。然而，随着绿色以及环保概念的提出，当前的国民也开始注重农副产品的绿色性，农副产品不仅要具备较高的品质和口感，同时也需要具备较高的安全性。在这样的情况下，绿色型化学化工材料的应用不仅能够更好的满足于国民对于农副产品质量以及价格上的要求，同时也能够满足与国民对于绿色、生态的要求。在农业生产过程当中，农药的应用是少不了的。然而，传统农药的应用，虽然能够提高农作物的产量以及品质，但是却忽略了对人体以及环境的伤害。而随着当前人们观念不断地刷新以及科学技术不断的进步，已经有许多人认识到农药对于人体和环境造成的危害。因此，安全绿色农药的研发迫在眉睫。从目前我国化学农药的研发成果来看，腐殖酸类农药对于农作物的生长以及环境的保护有着巨大帮助。这是因为，腐殖酸类农药不仅具备较高的降解性，同时残留物也较少，这样一来就能够减少农药在土壤、农作物上的残留，从而进一步保护生态环境以及国民的身体健康。除此之外，在农业生产过程当中，经常将生物菌剂与化学化工材料进行结合应用。之所以要这样做是因为在当前的农业生产当中，生物菌剂的应用虽然能够改善农田的土壤环境，保护生态环境。但是，在实际的农业生产过程中，由于农业生产中任何一项活动都有可能对农田土壤中的细菌结构造成影响，因此使得生物菌剂无法充分的发挥作用。这样一来，就使得生物菌剂无法发挥真正的效用。而生物菌剂与化学化工材料的结合应用，就能够有效的发挥生物菌剂作用，有效控制农作物生产过程中的病原菌，从而帮助农作物更好的进行生长。
3结语：
综上所述，无论是建筑行业还是农业生产行业，化学化工材料的应用都是必不可少的。然而，随着当前生态环境问题的加重，可持续发展社会概念的提出，在使用化学化工材料进行施工、生产等工作时，必须要注重化学化工材料的绿色性，这样一来才能促进我国社会经济建设的同时，保护我国的生态环境，为国民的生活创建更加优良的空间，实现社会主义现代化社会的建设。
作者：刘现泽 单位：河北正中实验中学2014级
1.低热固态反应的发展过程
所谓固态反应，通常情况下都是表示在高温情形下固态的反应，截止到目前，已经有了大量固体材料。不过通常高温固态反应大多是只是用在热力学非常稳固的化合物上，而且一些属于低热条件下的稳化合物及动力学上稳定的化合物，通常运用高温合成的效果并不是非常理想。因此人们在提升固态反应速度的阶段中，降低了反应的温度，分析和研讨了一系列新的材料合成方法［1］。譬如水热法、微波法等其他相关的方法。不过这种合成方法出现非常大的问题，具体而言，操作较繁杂，成本费用偏高等，因此没有进行推广应用。在20世纪的80年代末，温室固态化学反应被人们发掘和研发出来。经过了多年实验改善，低热固态化学反应合成材料在技术技术已经有了很大进展，这种方法显著的优势就是在固态反应过程中的温度可以在一定程度上降到室温。另外其整体的操作非常简单，同时不使用溶剂、环保节约能源等，这一点比较满足现代绿色发展的需求，因而得以广泛推广。
2.低热固态化学反应的合成材料
2.1原子簇与三阶非线性光学材料
原子簇属于无机化学、结构化学、催化学等多种学科的综合领域，并且具有多样性、催化性、生物活性等多方面的化学特性。低热固态化学反应合成原子簇化合物能消除溶剂化作用，在合成过程中能得到溶液中得不到的化学物质。目前通过此种合成方法已经得到了200多种类型的簇合物，比如一些半开口类型：类立方烷结构的（Et4N）3［MoOS3Br3（u-Br）］2·2H2O，蝶形结构MoOS3Cu2（PPh3）2（Py）2，鸟巢状结构的［MoOS3Cu3（py）5X］（X=Br，I）三阶非线性光学性里面基本上涵盖了光线辐，自散焦聚焦，以及其他相关的内容，等等。运用该类非线性现象可以制作不同类型的器件，譬如混频调制及储存等类型的器件。
2.2纳米材料
纳米材料含有块状大颗粒材料没有的特点，使用固态化学反应法能合出纳米化合物所具有的优点。固态反应物颗粒的大小与产物成核、成长速度有着很大的关系，要是产物的成核速度比生长速度还要快，这样就能得到纳米粒子，反之就是块状物。固态化学反应通常情况下取得的球状纳米粒子，粒子的大小控制在1～100nm之间。在控制之后精确的处理好温度，就能控制纳米粒子的大小。在有模板是情况，能合成不同的现状和不同排列方式的纳米材料［2］。
2.3电学材料
玻璃电极被广泛地用在测量水溶液的pH值上。因为这一类电极比较脆弱，成本还比较高对温度具有不稳定性，体积较大等原因受到使用的限制。所以人们也不断寻求对于pH较敏感的全新材料。MnO2的发现被用于干电池、锂电池、镁锰电池等中作为正极材料，研制出了价格低廉的MnO2。制作MnO2的方法主要有：譬如二价锰的硝酸盐和碳酸盐，电解二价锰的溶液，以及其他类似的手段和措施。但是现在通过使用固态反应合成纳米的MnO2，将使用此方式得到的MnO2粉状物涂抹在电机上，就发现电极对pH值的反应就会变得灵敏并且稳定。
2.4金属有机化合物
金属有机化合物有优越的催化性能，被大量用在了有机合成领域。以前，有关金属有机化合物的研究不够深入，但是固态反应能进行100%的转化，经过转化所得出的反应产物也不同于液态的反应产物。相关的专业人员把金属有机固态进行归纳，目前有机金属反应被分为两类：
（1）不同的反应物进行混合的反应过程；（n5-C5H4Me）Re（co）2Br和NaI合成（n5-C5H4Me）Re（co）2I2等产物。
（2）在反应过程中都属于共结晶过程。（n5-C5H4Me）W（co）3I与（n5-C5H4Bu）W（co）3Br在70℃，固态条件下［FcCHMeNMe3］I（Fc=二茂铁基）、HOC6H4CHO-4、K2CO3反应，制配出了有机金属化合物FcCHMeOC6H4CHO-4，此化合物所得产物率可达到84%。
2.5催化剂和催化反应
芳香族化合物的羟基化反应在化学中占有主导地位。过渡金属配合物使用低热固态化学反应能催化出芳香族化合物的羟基化。比如，酪氨酸酶活性还有木质素的生物合成都离不开Cu（II）催化芳香族化合物的羟基化反应。在催化过程中使用低热固态反应所合成的Cu（II）化合物配合催化剂，在有双氧水的条件下，催化苯酚羟基化H苯胺的低聚。低热固态化学反应及材料合成类别非常多，譬如多酸化合物，电学材料、超导材料、半导体，以及其他相关的内容［3］。
3.结语
固态合成属于一种比较有研究价值的合成方法，人们早就把这种合成方法运用到各种工业生产之中，通过多年的实践逐渐掌握了低热固态化学反应性，由于缺少必要性的系统指导，这种技术没能得到较大改进。低热固态化学反应所拥有的优点，比如：效率高、节能、环保、简单方便等。在材料合成方面有良好的发展前景。
作者：卢博文 单位：河南工业和信息化职业学院
1铁的相图图
与图1不同，铁有三种固态，分别是α-Fe、γ-Fe和δ-Fe，其中γ-Fe为密排面心立方结构，α-Fe和δ-Fe为体心立方结构。并且，图2中有三个三相点，分别为气-液-δ-Fe；气-γ-Fe-δ-Fe和气-γ-Fe-α-Fe。通常情况下，Fe是磁性的α-Fe，组织类型有铁素体、珠光体和贝氏体等；通过成分和工艺控制常温下可得到γ-Fe，如奥氏体不锈钢304、310等。Fe的p-T相图的讲解，增强学生识别单组分相图的能力。课堂上通过工业生产实例，加深了同学们对Fe的认识；并建立了物理化学相图知识与学生专业—金属材料之间的联系。解决学生“材料专业为什么学物理化学？”的困惑。
2两组分液态完全互溶系统的相图
虽然二组分系统的气—液平衡相图依据组分在液态的互溶情况各有其特点，但液态完全互溶系统构成了这部分内容的学习基础[4]。对于这种相图，我们除了让学生掌握相图中各相区的组成、相态和杠杆规则外，还注重让学生学习气相线和液相线的绘制方法和细节信息。其绘制过程如图3所示，先配制不同比例的二组分混合物，再升高温度测试混合物的熔点，通过描点—连线得到相图。从而培养学生设计实验绘制相图读取相图细节信息的全面能力。通过学习绘制相图，可使学生对相图的全部信息有较深刻的认识、理解及较好的运用。为了便于学生掌握此类相图及其应用，在教学中我们通过物相点随温度的变化的实例，讲解其液相与气相及组成在该过程的演变情况。重点分析了第一个气泡点产生的压力、组成及最后一滴混合液消失的压力、组成，以及其逆过程这一难点。并将相图理论与工业精馏装置联系起来，激发学生对该部分内容的学习兴趣。
3具有转变温度的二组分固态部分互溶、液态完全互溶的液固平衡相图
具有转变温度的二组分固态部分互溶、液态完全互溶的液固平衡相图，是学生学习中最难掌握的内容。我们通过讲解物相点的降温过程的物相变化和步冷曲线的绘制，并借助动画展示具体过程，使该部分内容更加形象和生动，便于理解和掌握。同时，提高了学生的学习兴趣和动手能力。
4相图在金属材料中的应用
4.1在金属材料设计中的应用在工业生产和科研实践涉及到的金属材料通常为多组分的平衡系统，所以其相图更为复杂。为了得到材料的拟服役性能，需要对材料进行设计和加工。相图在材料设计中起着至关重要的作用，例如，在设计奥氏体不锈钢时，为了得到单一奥氏体组织，需扩大相图中奥氏体区，使其在冷却过程中不发生γ-Feα-Fe的转变。根据相图，改变系统的组成，增加稳定奥氏体元素，如Ni、C等是最常用的方法。当然，为了系统的平衡，其他元素也需做相应的改变。应用相图时，为了提高设计组织的准确性，需要考虑平衡相图与实际相图的差别。
4.2在金属材料加工中的应用在金属材料的热加工过程中，随着加工温度的不同，其物相也发生相应的变化。可通过控制轧制参数和冷却过程，改变材料的相变温度和组织类型，得到高性能的金属材料。例如，在钢铁生产中，热轧钢板控制轧制与控制冷却(TMCP)工艺，通过加大压下量增加累积位错，为相变过程提供更多的高能量相变形核点，以得到细小晶粒组织，提高钢的强韧性。通过控制冷却速率，可改变相变后的组织形态，在650℃以上发生相变得到珠光体和铁素体组织，在450~600℃区间主要得到贝氏体组织的钢材，在更低温度下发生相变得到马氏体组织，不同的组织赋予材料的不同的性能[5]。4.3在金属热处理中的应用相图不仅在金属材料的设计和加工中具有指导下作用，而且在材料的热处理过程中也具有重要的应用价值。例如，在金属材料的退火、淬火和正火中具有重要作用。淬火过程主要是控制冷却速率，使相变温度发生在较低温度区，得到低温转变组织。正火温度需在γ-Fe相区，需要根据相图和化学成分判断其奥氏体化温度，从而确定正火的加热温度。严格的说，确定热处理的升温速率和降温速率也需要参考相应的相图。通过相图在金属材料领域的应用的介绍，学生对本专业和学习物理化学的重要性均有了清晰的认识，他们的学习积极性也显著提高。
5结语
相图在金属材料领域中起着非常重要的作用，本文将日常生活、作者在钢厂的工作经历、科研实践及相关相图知识链接至课堂，通过提出问题，实例讲解和动画演示等多种形式组织教学，建立金属材料专业与物理化学相图之间的内部联系，便于金属材料专业的学生掌握较广阔、深入的物理化学知识，以期为学生正确理解和应用相图提供指导。
作者：孙红英 李占君 单位：安阳工学院 机械工程学院
1改变课程考核评价体系，注重实验过程考核
在无机化学实验教学考核的过程中，仅凭实验报告成绩和期末考试成绩，不能准确地衡量学生的实际实验能力。为了科学地评估学生的实验能力，需要优化传统的实验课程考核体系，建立全面的无机化学实验综合考核办法。将学生的课程成绩分为实验过程成绩、实验报告成绩、实验理论考试成绩，单项成绩不合格，则总成绩不合格。这种考核方式促使学生认真地对待每个实验环节，有效地提高了学生的综合实验素养。实验过程成绩是教师在指导学生实验过程中，根据学生实际操作情况给出的评价;实验报告成绩主要是根据学生的预习实验报告和实验报告书写、数据处理及分析等来评判;在实验理论考试中，除了常见考题外，还结合材料化学专业特点，增加了实验方案设计等考核内容，突出了综合实验能力和创新能力的考核，促进学生实验能力的全面发展。
2创建适合材料化学专业发展需求的无机化学实验教学模式
进入21世纪以来，材料科学发展愈加迅速，新材料、新技术、新产品不断问世，与此相适应，对材料化学人才培养也提出了新的要求。材料化学专业无机化学实验授课模式必需紧跟时展步伐，及时调整课程结构与内容，引入学科发展的最新成果，介绍学科内容中的多种学术观点及学术背景和发展动态，开阔学生学术视野，提高学生的学习兴趣。教无定法，教要得法。要使课程教学生动活泼，教师必须不断更新教学内容，创新教学方法与手段，增强课程教学的趣味性，促使学生积极参与，在实验中勤于动手、动脑，实现教师教学方式和学生学习方法的转变。
2.1采用多媒体辅助教学和建设实验教学网络平台
多媒体教学是利用多媒体软件对文本、声音、图像、图形、动画等信息进行处理，教师配合多媒体放映进行讲解，将教学内容用特技方法显现出来，能充分创造一个有声有色、图文并茂、生动直观的教学环境，从视觉、听觉等多方面给学生留下深刻印象。无机化学实验教学可以采用多媒体(视频)教学，它不仅教学信息量大，而且可以非常直观地演示实验操作和过程。随着现代科学技术的发展，有些实验可以采用多媒体技术进行辅助教学，如基本操作单元、仪器的使用等。这些实验项目信息量大，操作细节多，仅靠教师在课堂教学有限的时间内进行演示和讲解往往是不够的，而且总有学生没有注意到一些具体操作细节，因此，可以将这些实验演示制成多媒体课件或视频资料，放在课程网络平台上，学生可以不受时间、空间的限制，反复观看，自主地开展预习、复习。这样不仅增强了课堂教学的可视性，而且增加了教师演示的可再现性，延长了学生的学习时间，从而有益于提高学生操作的规范性，使实验教学得到延伸。
2.2将生产生活实例和教师科研项目引入实验教学课堂
不同专业对无机化学实验教学的要求是不一样的。我院材料化学专业的培养目标是培养具备材料化学相关的基本理论知识和基本技能的应用型高级专门人才。因此，学生必须掌握物质的结构与性质、性能的关系，这需要在教学中注意教学内容的层次性。在无机化学实验教学中，我们尽可能选择与专业相关的真实实验课题和实验样品，将生产生活实例引入实验课堂，营造实战氛围，做到知识性、实用性、趣味性的统一。同时，我们还选取了一些与生活息息相关的实验，如锂离子电池正极材料的制备、胶囊壳中铬含量测定等，这样的实验学生感兴趣，实验热情高，有助于学生综合能力的培养。为了进一步提高实验课堂教学质量，我们还在课堂教学中引入教师最新科研课题成果，使实验教学更加贴近科研实际，既丰富了实验教学内容，又增加了实验教学的先进性、新颖性，在加深学生对所学知识的理解和实验技能的熟悉时，还能培养他们的科研兴趣，提高理论联系实际的能力，对科研工作产生感性认识。
2.3实施开放性实验教学
在传统的无机化学实验教学中，学生往往处于被动地位，教师处于主动地位。从实验项目选择、实验方案选择、实验仪器与试剂选择，都由实验老师预先完成。在这种照方抓药的实验教学模式中，学生往往兴趣不高，应付了事。在优化实验教学内容结构的前提下，实行开放式实验教学模式，可以提高学生实验兴趣，强化教学效果。在学生自主的基础上，利用学生课余自由时间开放实验室，对于实验技能较差的同学，让他加强基本操作单元和基本技能的练习。在学生较好地掌握实验基本操作技能后，可以让学生自主选择一些设计型、综合型、应用型实验。在教师的指导下，学生独立设计实验方案，独立完成实验，并认真进行总结，以全面锻炼学生的实验能力和提高综合素质。
3结语
为了适应地方工科院校工程应用型人才培养的要求，无机化学实验教学改革一直在讨论和进行中。我们根据我院材料化学专业人才培养方案，对目前无机化学实验教学内容、教学方法和教学手段及考核方式等方面进行了改革，以全面培养学生的工程应用能力，适应经济社会发展对人才的要求。通过几年来的教学实践与探索，我们已初步建立一套具有可操作性的无机化学实验教学方法与体系，使学生在实际操作能力、实验方案设计、求真务实的实验态度、分析问题和解决问题的能力及创新能力培养等方面得到了良好的锻炼。
作者：李谷才 单位：湖南工程学院化学化工学院
1材料结构表征探讨
(1)结合已有知识将理论简单化，培养学生对科学研究的兴趣。对实验结果所得产物，教师结合学生已有的知识，引导学生联想一般情况下有哪些方法来表征材料的结构，学生根据理论教学部分的知识，提出一些材料表征方法，如X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱、拉曼光谱、热分析等。教师可根据所制备材料的实际情况及实验条件，确定用哪些仪器进行表征。本实验只需要知道产物的成分、尺寸及形貌，因此采用简单的X射线衍射分析及扫描电子显微镜进行表征。教师可采用通俗易懂的语言对其测试原理进行讲解。例如:用X射线衍射判断物质成分的分析方法，若按理论来讲，涉及到光学、晶体学、电子学等较深奥的理论知识，简单的讲每种晶体本身的取向都对应一套标准衍射数据，根据实验测得X射线衍射数据中衍射峰的位置，从X射线衍射标准卡片库中找出相应的物质。如同人的指纹，每个人的指纹都是有区别的，可根据指纹判断不同的人。结合已有知识将理论简单化对测试原理有了一定了解，又减少了他们对研究型化学实验的畏惧感，培养了学生对科学研究的兴趣。
(2)实验与理论结合，培养学生科学研究的兴趣。仪器及测试条件对测试结果影响较大，首先教师介绍在本测试中的测试条件。此部分测试采用较贵重的仪器，操作需要具备一些专业知识，因此在教师测试时可让学生在旁边观察。图1是制备样品的XRD测试结果，学生根据理论知识从图1中观察三强峰的位置，根据三强峰的位置，从物质标准卡片库中找出可以与图中衍射峰位置对应的卡片，经过查找对比，学生发现与Ni(OH)2标准卡片一致(JCPDS:22-752)，且无杂峰出现，可判断所制备的样品为纯的Ni(OH)2。教师启发学生思考能否从理论上计算Ni(OH)2颗粒的大小，学生利用谢乐公式D=0．89λ/(Bcosθ)(λ为X射线波长，B为衍射峰半高宽，θ为衍射角)，结合图中半高宽计算其颗粒的大小，通过计算其晶粒大小为12nm，说明制备的材料为纳米Ni(OH)2。通过X射线衍射分析实验，使理论与实验紧密结合，培养学生对科学研究的兴趣。
(3)实验与观察结合，培养学生科学创造兴趣。合成的Ni(OH)2电极材料的形貌可借助于SEM进行观察。学生观察到的不同放大倍数图片如图2所示。学生发现合成的Ni(OH)2电极材料，由纳米片垂直交错连接形成的球状结构，纳米片厚度约10nm，与通过XRD理论计算的纳米尺寸相吻合。教师提出生成此结构的原因让学生进行讨论，主要从尿素及SDS在反应中的作用进行考虑。很多同学只考虑到尿素在高温下能分解产生氨提供OH－，而SDS起到表面活性剂的作用。教师对尿素与SDS的综合作用形成此结构的原因进行补充解释。首先，在静电力的作用下SDS逐渐被Ni2+替代［8］;由于Lewis的存在作用，配位效应使尿素能够与Ni2+进行配位［9］。反应温度的增加，尿素分子逐渐水解出氨分子，使前驱体晶体均匀成核。随着反应时间的持续，晶体逐渐聚集形成片状，片状晶体自组装形成3D花状结构［10，11］。学生对表面活性剂很感兴趣，提出不同表面活性剂合成出的样品形貌可能有差异，可通过不同表面活性剂合成不同形貌样品。通过SEM实验与观察结合，培养了学生科学创造兴趣。同时也使学生了解了研究型化学实验对结果分析的要求，不但要知道其表面现象，而且更重要的是对其进行理论分析与合理解释，为培养学生的科研能力打下良好的基础。
2电化学性能探讨
(1)培养学生动手能力，增加学生科学研究与创造兴趣。电极制备的好坏将直接影响电化学性能的测试，教师可先作示范，根据制备电极的要求，将Ni(OH)2粉末与乙炔黑、石墨及聚四氟乙烯乳液以一定的比例混合均匀，在对辊机上压成薄片。活性物质薄片在一定的压力下压在泡沫镍集流体上。将压制好的电极片放在真空干燥箱中干燥。同时要对电极制备过程中的注意事项进行说明，比如Ni(OH)2粉末与乙炔黑、石墨及聚四氟乙烯混合时尽量均匀，对辊机上压成薄片时应尽量薄，电极片彻底干燥后再称量等。通过示范讲解，学生都能做出较理想的Ni(OH)2测试电极，提高了学生的动手能力。教师根据电化学性能测试需要，提出电极的循环伏安、充放电及交流阻抗测试均在电化学工作站上进行。根据无机化学中所学的溶液配置，将KOH配成测试所需浓度的KOH溶液。再根据电化学性能测试连接图(图3)进行正确连接。通过提高学生的动手能力，调动了学生的主动性和积极性，激发他们对研究型化学实验的兴趣和热情。
(2)培养学生分析和解决问题的能力，增加学生科学研究与创造兴趣。为提高学生分析和解决问题的能力，在电化学测试中，要求学生测试不同扫描速度的循环伏安、不同电流密度下的恒流充放电及开路下的交流阻抗，并注意观察测试过程中曲线形状、溶液及电极附近出现的现象。在循环伏安测试时，学生观察到曲线形状非矩形，且随着扫描速度的改变发生改变;溶液中在电极附近会有气泡产生，表现为出现明显的峰P1与P2。此时，教师为发挥学生的主观能动性，培养学生的学习主动性，提出让学生从电化学资料上查找有关Ni(OH)2电化学反应的材料，学生查得在此过程中由Ni(OH)2氧化成NiOOH出现的阳极峰P1，阴极峰P2是其逆过程，学生由此可判断Ni(OH)2电极材料的电容主要来自于氧化还原反应的赝电容。还可从循环伏安的积分面积判断随扫描速度的增大比电容在减小。在循环伏安测试中，学生学会如何分析判断氧化还原反应及赝电容，加深了对电化学理论知识的理解，提高了分析和解决问题的能力。同一问题进行验证，培养学生分析和解决问题的能力。为了对循环伏安结果进行验证，进行恒流充放电测试。教师给定学生测试电压范围及不同电流密度，要求根据曲线形状判断所属电容性质，并且根据放电曲线、比电容计算公式计算比电容的大小，根据比电容大小绘出比电容随电流密度变化曲线，观察结果是否与循环伏安测试一致。学生发现不同电流密度放电曲线时间并非与电压成正比，说明主要是赝电容特征;且比电容随电流密度的增大而减小，此结果与循环伏安测试一致。从恒流充放电与循环伏安测试对比中，学生明白了研究型化学实验对同一个问题可从多方面进行验证，培养了学生分析和解决问题的能力，为以后从事科研工作打下良好的基础。通过实验类比，培养学生分析和解决问题的能力。在进行电化学阻抗测试时，教师要求学生设定测试频率范围及振幅。以此条件测试其开路电压，在开路电压下测试电极的电化学阻抗，画出电化学阻抗等效电路图并对阻抗图谱进行理论分析。教师要求学生可通过类比其它体系的电化学阻抗测试图解释此阻抗图谱。学生提出电极的交流阻抗图可分成三部分:高频区、中频区和低频区。高频区与实轴Z'的截距表示电极内阻Rb。高频区第一象限中出现一段较小的圆弧，该圆弧的直径为电化学反应电阻Rct。通过实验类比，增加了学生分析和解决问题的能力，培养了学生科学研究与创造兴趣。学生有意向将此法扩展到其他体系如Co3O4、NiO、MnO2等进行研究型实验，探讨影响电极材料电化学性能的各种因素。
3结语
通过超级电容器电极材料研究型化学实验的教学，使学生能够了解目前超级电容器电极材料方面的科学前沿问题，熟悉如何设计研究型化学实验方案，提高学生分析问题和解决问题的能力。对于研究型化学实验，采用启发式教学，合理设计研究型化学实验及问题，结合已有知识将理论简单化，实验与理论、观察相结合，培养学生的观察能力、思维能力、知识运用能力、分析和解决问题的能力，增加了学生对科学研究与创造的兴趣。有利于将学生培养成为具有创新能力的高素质人才，为以后的工作及研究深造打下良好的基础。
作者：于占军 殷榕灿 单位：阜阳师范学院
本文作者：牟 菲 杨学林 代忠旭 张露露 温兆银 单位：三峡大学 机械与材料学院 三峡大学 化学与生命科学学院 中国科学院 上海硅酸盐研究所
近二十年来,绿色环保锂离子电池为便携式电子产品和通讯工具的发展做出了重要贡献,并作为下一代新型能源的代表,将进一步应用于交通动力系统.作为未来电动汽车(EV)和混合电动汽车(HEV)的动力电源,锂离子电池电极材料特别是正极材料的性能至关重要.自从Padhi等[1]首次报道LiFePO4正极材料以来,LiFePO4因其具有安全、稳定、环境友好、成本低、平台平稳及循环性能好等优良特性,成为下一代锂离子电池正极材料最具潜力的竞争者.LiFePO4的合成方法多种多样,如固相合成法[1-2]、溶胶–凝胶法[3-4]、共沉淀法[5]、水热法[6]、碳热还原法[7-8]、流变相法[9-10]以及仿生法[11-12].但这些方法中大多数都需要通过烧结工艺才能获得结晶良好的LiFePO4正极材料,烧结对LiFePO4材料的纯度、结晶度、颗粒大小有明显的影响.已有研究显示,适当提高烧结温度有利于LiFePO4晶体形成,但温度过高会导致晶粒持续长大并影响LiFePO4化学稳定性,而烧结时间过长则会使材料产生明显的团聚现象[13-15].然而烧结方式对合成材料性能的影响的报道则较少.本工作分别采用静态气氛烧结(SA)、动态气氛烧结(DA)和静态真空烧结(SV)三种方式对LiFePO4/C前驱体进行烧结得到LiFePO4/C复合正极材料,着重探讨了不同烧结方式对材料结构、形貌及电化学性能的影响.
1实验部分
1.1LiFePO4/C复合材料的制备以酒精为介质按化学计量比混合Li2CO3和FePO4,再加入5wt%葡萄糖,行星球磨6h,喷雾干燥得到LiFePO4/C前驱体(PRE).将装有前驱体的氧化铝料舟置于石英管式炉(OTF-1200X,合肥科晶)中,在氮气气氛下预烧(350℃,5h)后,分别在550、600、650、700和750℃烧结10h.随炉冷却后,在玛瑙研钵中研磨、过筛,得到的LiFePO4/C复合材料分别标记为SA550、SA600、SA650、SA700和SA750.真空烧结在自制真空炉(残压<50Pa)中进行,不同温度烧结所得复合材料分别标记为SV600、SV650、SV700和SV750.动态气氛烧结在回转炉(HB-In8•30,咸阳蓝光)中进行(转速2.5r/min),不同温度所得复合材料分别标记为DA400、DA500、DA550、DA600、DA650、DA700和DA750.
1.2复合材料物相及形貌表征用χ’PertPROX射线衍射仪(PANalyticalB.V,荷兰)分析复合材料的物相组成,铜靶,CuKα射线(λ=0.15406nm),扫描范围为10°~80°,加速电压为40kV,管电流为40mA.数据采用Jade5软件分析.复合材料的微观形貌用扫描电子显微镜(JSM-6700F,日本)进行观察.1.3复合材料电极制备及电化学性能测试将复合材料与乙炔黑(DENKA,日本)混合后,加入含有聚偏二氟乙烯(PVdF,KYNAR-HSV900)的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液(0.02g/mL),复合材料、乙炔黑和PVdF的质量比为75:15:10.得到的浆料借助于自动涂膜器(AFA-Ⅱ,上海现代环境)涂布于铝箔上,经红外干燥后冲成φ14mm的电极片并压片(压力6MPa),然后在120℃下真空干燥8h.将复合材料电极转移到充满氩气的手套箱(MIKROUNA,<1×106H2O,<1×106O2)中,然后以金属锂为对电极和参考电极,Celgard2400为隔膜组装成2025型扣式电池,电解液为1mol/L的LiPF6/(EC+DMC)溶液(LB-301,国泰华荣).充放电性能测试在电池测试系统(LANDCT2001A,武汉金诺)上进行,电压范围为2.5~4.2V.采用电化学工作站CHI614C进行CV测试,扫描电压范围为3.0~4.0V,扫描速度为0.1~0.5mV/s.
2结果与讨论
2.1材料物相及形貌分析图1(a)为650℃下采用静态气氛烧结、动态气氛烧结和真空烧结得到各种样品的XRD图谱,从图中可以看出,各样品的衍射峰峰位相同.与LiFePO4标准谱图(PDF81-1173)对照,合成材料衍射峰与LiFePO4标准谱图谱完全吻合,且没有出现杂质峰,表明由该前驱体采用三种不同烧结方式获得的样品均具有橄榄石型纯相结构.衍射峰峰形及强度是材料结晶性的一个指标[16].图1(b)比较了前驱体以及不同LiFePO4/C材料的XRD衍射峰与前驱体同角度衍射峰峰强度差(Δ),从中可以发现,不同烧结方式得到材料结晶度略有差别,真空烧结得到材料的衍射峰强度最大,这是由于在真空条件下发生碳热还原时产生的CO2和CO可以迅速排出,反应平衡正移,有利于LiFePO4颗粒生长[17].图2为在不同温度下采用三种烧结方式制得样品的SEM照片.从图中可以看出静态真空烧结制得材料的粒径在300~500nm之间,而静态气氛与动态气氛烧结制得材料的粒径都在200~300nm之间.晶粒大小差别既与真空条件下碳热反应平衡移动有关,又与颗粒表面包覆碳对晶粒生长的阻碍作用有关.碳热反应过程中碳对三价铁的还原由以下三个反应构成。系统温度低于650℃时发生反应(1),生成CO2,而温度高于650℃时发生反应(2),生成CO[18-19].在真空条件下烧结,产物CO会被迅速排出,在带走热量的同时也消耗了大量的热解炭,使得晶粒表面剩余碳量减少,晶粒生长阻力减小.而在气氛下烧结,CO在反应体系中滞留时间较长.由于CO的还原性大于热解炭,所以会继续发生反应(3),生成CO2,热解炭因还原消耗减少而附着于晶粒表面阻碍晶粒的长大.此外,与真空烧结相比,动态气氛烧结所得材料的颗粒大小和形貌均匀性更好,这是由于烧结时粉体物料随炉管旋转而被反复搅拌,受热更加均匀,并且动态烧结还可以有效阻碍长时间烧结导致的颗粒之间相互粘结与长大[20].采用文献[21]报道的碳含量测定方法,对不同烧结工艺所得材料进行碳含量测试,DA650、SA650和SV650的含碳量分别为2.23%、1.91%和1.77%.SV650材料含碳量最低,说明在真空下碳易以CO的形式被排出而损失.除烧结方式外,烧结温度对材料形貌也有显著影响.对比图2(d)~(g)可以看出.将动态气氛烧结温度由400℃逐渐提高到700℃,材料颗粒团聚现象越来越明显.700℃时已有大量颗粒融合为块状.
2.2复合材料的电化学性能分析图3为不同温度下采用三种烧结方式所得材料在0.5C倍率下的充放电循环性能.动态气氛烧结最佳温度为500℃,静态气氛烧结和真空烧结最佳烧结温度均为650℃,所得材料的首次放电比容量分别为163.4、141.5和143.3mAh/g,经历50次循环后动态气氛烧结材料容量保持率高达99.02%,静态气氛烧结和真空烧结材料容量则出现了缓慢上升的趋势.动态烧结温度低说明烧结过程中进行扰动利于热量传递,得到形貌及性能均匀的粉体物料,静态气氛烧结和真空烧结所得材料的容量上升现象则与材料在循环过程中的活化有关[22-23].锂离子电池能为电子设备提供稳定工作电压是因为其具有理想的电压平台.因此,平台放电比容量占总放电比容量的百分比(即平台率)才能真实反映材料的可利用率.如图4所示,放电起始和终止段曲线的切线与平台延长线相交于A、B两点,将A、B两点间的比容量定义为平台比容量,平台比容量与相应循环满比容量的比值则为平台率[24].据此计算650℃下真空烧结、静态气氛烧结和动态气氛烧结样品在0.5C倍率下放电平台率分别为92.76%、95.66%和95.21%.真空烧结材料平台率较低与所得材料晶粒尺寸增大有关,活性物质颗粒越大,Li+散的距离越长,这与SEM观察结果(图2)一致.图5(a)为650℃下动态气氛烧结材料电极在不同扫描速度下的系列循环伏安曲线.在0.1mV/s扫描速度下于3.59V和3.32V得到一组氧化还原峰,分别代表了Li+的脱出和嵌入反应.随着扫描速度的增大,氧化还原峰强度和峰面积都增大,同时氧化峰和还原峰分别向高电位和低电位移动,这说明电极极化加剧.但是即使在0.5mV/s的高扫描速度下,该材料仍具有非常好的循环可逆性.式中Ip为不同扫描速度下的峰电流,A为电极表面积,C为锂离子浓度,n为转移电荷数,γ为扫描速度.图5(b)即Ip–γ1/2关系图.通过线形拟合得到的斜率与等式(1)结合得到650℃动态气氛烧结样品脱锂和嵌锂过程的锂离子扩散系数Dc和Da分别为1.24×108和7.68×109cm2/s,远大于文献报道值[7,25-26].表1比较了650℃下真空烧结、静态气氛烧结和动态气氛烧结样品的Dc和Da计算结果.动态气氛烧结样品的锂离子扩散系数远大于另外两种烧结方式所得样品的锂离子扩散系数,这与材料烧结过程中因扰动而引入的晶格缺陷有关,缺陷可为锂离子扩散提供额外通道.扩散系数的提高对于LiFePO4正极材料在大功率放电(如HEV等)设备中的应用与发展具有重要意义.
3结论
通过三种不同烧结方式处理LiFePO4/C前驱体,发现烧结方式对材料的结晶度、形貌、最佳合成温度以及电化学性能都有一定影响.同一温度下,采用静态真空烧结得到材料的结晶度最好,而动态气氛烧结所得材料具有更细、更均匀的颗粒,更高的首次库仑效率和更大的锂离子扩散系数.另外,采用动态气氛烧结方式还可以降低材料的合成温度,在500℃下就可以得到性能优异的LiFePO4/C复合材料,0.5C倍率下该材料首次放电比容量达到163.4mAh/g,50次循环后容量保持率高达99.02%.
高等院校能否培养出高素质、创新型的学生,是当前高等教育改革面临的重大课题和挑战。[1]主席在2010年5月26日召开的全国人才工作会议上强调,全党全国要统一思想,真抓实干,全面落实加快建设人才强国各项战略任务,努力培养造就数以亿计的高素质劳动者、数以千万计的专门人才和一大批拔尖创新人才。高等学校作为人才培养的主要机构,对以上人才培养任务有着义不容辞的责任。加强对大学生创新能力的培养,是高等学校素质教育的重要内容。在人才培养的过程中,课程作为传播知识、培养能力的载体,对实现人才培养的目标具有举足轻重的作用。无机材料化学是一门快速发展的交叉性和前沿性学科,有机地融合了化学和材料学两个一级学科的发展优势。该课程不断进行改革与实践,对于培养材料化工领域创新型人才具有重要意义。
一、无机材料化学的学科特色
材料是人类文明的物质基础和先导,是直接推动社会发展的动力。基于材料对社会发展的作用,人们将信息、能源和材料并列为现代文明和生活的三大支柱。在三大支柱中,材料又是能源和信息的基础。新材料既是当代高新技术的重要组成部分,又是发展高新技术的重要支柱和突破口。伴随着信息时代的来临和材料设计、制备及加工的信息化处理,世界各国都将目光转向具有“高、精、细”特征的新材料万面,我国也将新材料作为重点发展的行业之一。鉴于此,国家中长期科学和技术发展纲要(2006年-2020年)将新材料技术列为前沿技术,提出新材料技术将向材料的结构功能复合化、功能材料智能化、材料与器件集成化、制备和使用过程绿色化发展;要突破现代材料设计、评价、表征与先进制备加工技术,在纳米科学研究的基础上发展纳米材料与器件,开发超导材料、智能材料、能源材料等特种功能材料,开发超级结构材料、新一代光电信息材料等新材料。这一切都预示着材料科学正经历着一次重大的变革。因此,加强材料科学领域创新人才的培养是时代的要求。
无机材料化学是材料化学家从材料科学、材料工艺和技术的角度出发,把固体物理、固体化学相关理论和工程方面有关无机材料研究的化学内容集中起来,加以分析、综合和提高而形成的一门独立学科。[2]无机材料化学研究的范围非常广泛,包括材料相关的基本概念和理论、制备原理、结构表征、重要的材料类型及其相关性能等多方面的内容,涉及了固体物理、固体化学、材料科学等学科的相关理论,是一门典型的交叉性学科。进入20世纪90年代以来,材料科学技术的发展异常迅猛,材料科学与生命科学、信息科学、环境科学等共同构成了当代科学技术的前沿。展望21世纪,材料科学技术研究开发的前沿有微电子材料、新型光电子材料、稀土功能材料、先进陶瓷材料、高温超导材料、纳米材料等,[3]这些都属于无机材料化学的研究范畴。因此,无机材料化学又是一门具有前沿性的学科。基于学科背景和课程特点,我们在大连理工大学教改项目的支持下,以提高教学质量、培养学生的创新能力为主线,以建设精品课程为目标,进行了一系列教学改革和研究。
二、教学内容的选取
高等学校教学中教材内容的陈旧是影响创新型人才培养的突出问题,也是高校课程改革的重点。目前,高校教材内容不能适应现代化人才培养的需要,内容的先进性方面不能适应科学技术飞速发展的要求,不能适应知识经济时代创造型人才培养的要求。[4]特别是面对具有前沿性特点的材料化学,教材的内容相比于飞速增长和更新的新材料来说,严重滞后。而要培养创新型人才,掌握最新的科研成果对于激发学生的创新思维非常重要。[5]向学生讲授科学前沿知识可以激发学生们的求知欲,为他们提供一个创新的空间,使学生能够近距离地感受创新的价值和创新带来的激情。因此,挑选合适的教材是非常重要的。我们挑选了北京大学林建华、荆西平编写的《无机材料化学》。该书将无机材料化学中重要的基础问题做了全面的讨论,这本教材最大的特点在于它介绍了无机材料化学领域的最新进展,并附有近期发表在国际主流期刊上的相关文献,整本教材体现着材料科学、化学和物理等学科交叉与渗透的特点。如果学生对教材中的某些前沿内容感兴趣,可以在教材中找到相应的参考文献,在图书馆下载后仔细阅读。
课堂上仅传授知识是远远不够的,教学内容还要有一定的探索性,能让学生有一定的思考空间。教学中,我们发现学生对来自科研一线的事例非常感兴趣。因此在课堂上,我们以自身科研成果丰富教学内容,结合自身科研经历令课堂生动有趣,深化了教学效果。我们经常把自己在科研工作中的体会、最新科研成果转化为教学内容,设计一些开放式的问题与学生探讨,自觉地把创新意识、创新能力的培养融入课堂教学之中。我们还结合相关的教学内容,穿插讲解一些科学方法论的知识,培养学生的科学精神。例如,在讲到固溶体合金的形成规律时,我们向学生讲述了现代物理冶金学重要创始人William Hume Rothery在听力完全丧失、健康状况非常不佳的情况下,凭借坚强的毅力和非凡的生活热情,在异常简陋的工作条件下,开创性地提出了著名的Hume Rothery准则。这位杰出的科学家一生始终以乐观向上的生活态度,坚持不懈地勤奋工作着。学生们纷纷为Hume Rothery的人格魅力而倾倒,希望自己也能投身科学,在某一领域取得杰出成就。我们经常把本学科碰到的难题以及学科前沿的问题向学生进行适当的介绍,激发学生的民族自豪感,培养学生的创新思维和探究精神。例如,在讲到第八章电介质材料时,我们将著名纳米科学家王中林发表在《科学》上的氧化锌“纳米发电机”一文介绍给学生。在讲到第九章超导材料时,我们向学生们介绍了我国在超导材料的研制上一直处于国际领先水平,特别是2008年我国在高温超导研究上取得重大突破,发现了一类新的高温超导材料———铁基超导材料,在全球范围内掀起了超导材料研究的新热潮,并介绍了铁基超导材料的结构和性能。在讲到第十二章发光材料时,我们向学生介绍了大连路明集团开发的“水立方幔态LED”在研发、制造、安装中创造的7项“世界第一”。这些事例大大激发了学生学习相关章节内容的兴趣,同时也培养了学生的民族自豪感和投身科学的信心与决心。实践表明,将科研引入教学过程,有力地促进了学生对知识的掌握和能力的提高,促使学生形成了正确的科学精神和科学态度,大大提高了教学的实际效果。
三、教学方法的改革
教学手段和方法是提高教育质量非常重要的一个方面。传统的教学方法以教师为主导,以传授知识为目的,往往采取灌输式教学方法,在很大程度上忽略了学生的主体地位和创造性,学生被动地接受知识,学习积极性不高,教学效果不理想。要改变过去那种单纯传授专业知识的教学方法,把培养学生的创新能力和创新意识作为教学工作的重点,我们必须对原有教学方法进行改革,采取多样化的教学手段激发学生的学习兴趣。
本课程的特点是知识点多而且分散,学生容易只见树木、不见森林。为此,我们理出了一条课程主线,向学生清晰地展示各章节的作用以及章节之间的联系(如图1)。我们力争做到讲课内容少而精,重点突出,主次分明,出现在不同章节但内容相关的部分放在一起讲解。例如,与Fermi面附近的能态密度相关的性质有金属材料的电子热容和Pauli顺磁性(第四章)、金属材料的电导率(第九章)、超导材料的临界温度(第九章)等,将这些知识点放在一起进行对比和总结,学生对Fermi能级的概念就会有非常清晰和深刻的认识。课程教学的重点在于使学生掌握该学科的思维方式和研究方法,给学生留有思考的足够空间,能从多角度理解基本原理。古人云“授人以鱼不如授人以渔”,这里强调的就是教授学生学习方法的重要性。[6]材料的组成和结构决定了其物理性质,这是材料化学的核心和基础。将钙钛矿材料的结构(第三章)和其铁电性质(第八章)结合起来讲解,学生不仅对该类材料的结构和特殊的物理性质有了深刻的认识,更深化了对结构-性能关系的理解,掌握了该课程的学习方法。
在实践中,我们采取了传统教学与多媒体教学结合、自主学习与协作学习结合,基于问题学习、基于案例学习、研究型学习等多种形式的教学策略,提高了学生学习和思考问题的效率。实践表明,适度使用多媒体教学,将材料实际应用的照片、材料加工制作过程的视频等图片影视资料生动地展示给学生,能为教学过程提供丰富的感性材料,丰富课堂教学内容。鉴于新材料的发展日新月异,每天新概念、新构想、新方法都在不断涌现,我们在课堂上及时地将与课程内容相关的最新文献介绍给学生,课堂教学结束前提出下次课程内容的前沿课题,让学生在课前完成对这一前沿课题的研究报告。这样一方面可以使这些学有余力的学生接触到材料化学领域的最新研究进展,培养他们对教材内容的兴趣并找到自己的科研兴趣,另一方面可以让学生看到自己知识结构的不足,在学习中自觉地去完善自己。与此同时,这也锻炼了他们查阅文献和英文阅读的能力,为将来进行专业科学研究奠定了一定的基础。通过一个学期的尝试,我们感到教学效果非常好,学生经常在下课后围着教师交流,提出各种材料学领域的前沿问题与教师探讨。有几个表现突出的学生已经进入到某些课题组,开展创新实验了。另外,在课堂上,我们结合自己的科研实践,提出开放式的与课程内容相关的问题,让学生思考和回答。我们鼓励学生提出不同的见解,这样就增加了师生互动,活跃了课堂气氛,提高了学生的学习兴趣。我们将本课程教学方法作一总结列于表1中。
四、实验教学方案设计
材料化学与其他化学分支一样仍然是一门实验性很强的学科。[7]在实验教学环节上,我们结合自己的教学和科研设计了一些具有明显创新性且与材料化学教学内容密切相关的实验研究课题。人工晶体是一类重要的功能材料,它能实现光(第十二章光学材料)、电(第八章电介质材料;第九章材料的导电性质;第十章离子导电材料)、磁(第十一章磁性材料)等不同能量形式的交互作用和转换,在现代科学技术中应用十分广泛。同一种晶体往往会产生不同的形态,这些形态将影响晶体的性质。同一种晶体的各种形态是怎样产生的呢?不同形态与生长条件之间有何关系?第二章讲到了无机材料的各种制备方法,采用何种制备方法可以获得预期的形态?这些问题对学生具有强烈的吸引力。为此,我们设计了自主实验“显微镜下观察晶体的结晶形态”,使学生利用显微图像分析系统,实时观测晶体的结晶过程及结晶形态,研究不同的生长条件和实验方法对晶体结晶形态的影响规律,建立对晶体结晶的感性认识。
通过以上对教学内容、教学方法、实验教学等方面的探索与实践,学生的创新能力和创新意识得到了提高。实践表明,将科学研究引入课堂教学,能够激发学生的学习兴趣,深化教学效果。无机材料化学是一门具有广阔发展前景的学科,还需要我们不遗余力地在教学中进行大胆地改革和尝试,以培养更多具有创新能力的材料专门人才。
我校复合材料专业目标是培养具备复合材料基本理论和实践知识,能够在复合材料相关领域独立从事生产、设计、研发的技术人才。物理化学是复合材料专业一门非常重要的专业基础课,它为后续开设的专业课(高分子物理、高分子化学、复合材料原理和复合材料学等)奠定基础。因此学生对物理化学知识的掌握直接影响专业课的学习和理解,从而影响就业后的实践能力。物理化学是运用物理的理论和实验方法研究化学中最基本的规律和理论的科学。它所研究的内容普遍适用于各个化学分之,与材料学、生物学、地质学、天体学、海洋学等领域密切相关。但由于它是一门概念性、理论性、系统性和逻辑性很强的学科,涉及的公式多,应用条件严格,比较抽象,是学生学习过程中普遍感到困难较大的一门课[1]。随着当今科技迅速发展,交叉渗透日益突出,按照素质教育的要求,并考虑课时紧缩的实际情况,我们必须对物理化学的教学内容和方法进行改革[2]。
1教材的选择及教学内容的确定
针对我校复合材料专业的特点,选择的物理化学教材既要体现当前学科发展的概貌,同时又要使学生具备牢固的理论知识,为以后就业奠定一定的基础。考虑以上因素,我们选择了面向21世纪教材,由天津大学物理化学教研室编、高等教育出版社出版的《物理化学》教材(第五版)。同时结合复合材料专业的就业特点,精选了教学内容。该版教材中第一章气体的PVT关系,由于高中阶段已经讲述过,所以可以省略。第八、九章的量子力学和统计热力学都是从物质的微观难度着手讨论的,难度较大,可做简单讲授,若详细探讨可开设选修课单独进行讲授。其它章节的内容选择重点内容,尤其是与本专业相关的内容详细讲解,例如第六章的相图、第十章的界面现象内容等,并结合具体的实例,达到更好的授课效果。
2物理化学课堂教学改革
我校复合材料专业开设的物理化学课程是继无机化学、有机化学之后的理论性化学专业知识,它的知识内容除涉及无机、有机化学知识外,还与大量物理和高等数学知识有关.概念抽象,公式原理多,推导过程繁琐,内容难理解。因此学生普遍感觉物理化学课程更偏重理论,学习起来较难,从而导致对这门课程不抱有很大的热情,学习动力不大[3]。针对以上问题,对物理化学课堂教学进行改革就显得非常必要。具体的改革措施应遵循以下原则:整体设计课堂教学效果;教学方法和教学手段最佳;考核方法合理、科学。
2.1课堂教学效果的整体设计
(1)培养学生的学习兴趣。学习兴趣至关重要,学生若是对某些课程不感兴趣,老师即使讲授的再精彩,学生的学习效果也不会太好。因此培养学生的学习兴趣就显得十分必要了。开课伊始,教师就应该讲好绪论部分,充分讲述物理化学课程的重要性,课程内容的实用性,鼓励学生努力学好物理化学,培养学习兴趣。学生有了兴趣,教师才能较好地进行指导。
(2)提高知识的趣味性。知识的趣味性是主动学习的推动力。把理论性强、抽象而枯燥的内容变得生动有趣,是提高课堂教学效果的有效手段。在教学过程中穿插一些与生活实际密切相关的问题或是适当的趣例,则可以起到画龙点睛的作用,使课堂富于趣味性。例如,在给学生介绍水的相图时介绍了亚稳态这个概念,可以以人的健康状况来类比说明。现代社会人们的生活节奏加快,整天忙于工作,锻炼身体的机会很少,大多数人的身体状况不佳,多属于亚健康状态。亚健康就是一种亚稳态,不稳定,不可能长时间存在,必须向稳定状态转变;人要从事正常的生产、生活需要健康的体魄,因此必须锻炼身体,保持身体处于健康状态,而不是亚健康状态。又如,在讲授界面化学的时候,可以提问学生在春天光滑的墙壁和粗糙的墙壁哪个更容易回潮。然后用弯曲表面上的蒸汽压———开尔文公式解释原因。这种理论与实际应用的结合,可激发学生的学习兴趣,引起学生探求知识的欲望,是物理化学课堂教学获得成功的关键一步。
(3)理论教学与实践教学相结合。物理化学虽然是一门理论学科,但许多定理都是建立在大量的实验基础上,所以物理化学的知识是理论和实验相结合的。为了更好的理解课堂上的理论知识,开设对应的实验课程,这样既能锻炼学生的动手能力,又能加深学生对相关知识的理解程度,而且还能够建立学生对物理化学这门课程的实用性的信心,极大地提高了学生的学习动力。例如,我们讲授化学动力学这一章的一级反应时,讲完理论的同时,开设了“蔗糖水解反应速率常数的测定的实验”,学生普遍反应通过实验对课堂内容有了更深一层次的理解。
2.2优化教学方法和教学手段
(1)加强课前预习与课后复习。物理化学的公式推导过程繁琐,为此非常有必要进行课前预习。课前预习要求学生对将要讲述的内容先浏览一遍,不做具体推算,只要求对重点内容有个初步掌握,等老师讲述时学生的思路能与教师同步,使以后教学活动更易开展。同时知识讲授后还要要求学生经常复习,以免由于公式繁多而混淆或是遗忘,影响后面新知识的学习。在物理化学教学中,作业也是必不可少的教学环节,但作业太多学生疲于应付,太少达不到复习的效果。因此就要求精选习题,做到“少而精”,力求达到事半功倍的效果。同时为了弥补课堂教学时数少而教学内容较多的不足,可根据教学内容的安排,适当选留思考题,然后要求学生课后查资料,以论文格式上交,这样既锻炼了学生的写作能力,又提高了学生的积极性。
(2)改进教学方法和教学手段。在教学方法上,我们改进单一的讲授法,采用启发式、讨论式、互动式教学方法,努力为学生营造一个宽松的学习环境。具体做法是教师精心设计问题,通过提问、回答及组织学生进行讨论,在教师与学生之间形成一种良性互动式的教学模式。在教学手段上,我们采用多媒体教学与板书相结合的形式,使复杂抽象的问题简单化。对于难以讲解或表达的内容,可以运用动画、影片等手段把难以理解的概念形象化,引起学生的兴趣,加深学生的理解。但是多媒体教学也有它的不足之处,多媒体教学讲课速度较快,学生不能及时接受教师讲授的知识,更没有更多的时间做课堂笔记,不利于课后的复习和考试。因此要根据教学内容来确定是否选用多媒体教学。对于那些有图像,需要演示过程的教学内容,例如第六章相图的演示,第十章界面现象的毛细管现象、润湿现象等内容,多媒体教学能够化静为动,把枯涩的问题趣味化,便于学生深入地了解相关知识,能得到很好的教学效果;而对于重要公式的推导方面的教学内容采用板书的形式更合适。只有采用多媒体教学和板书相结合的形式,才能收到最佳的教学效果.
3合理、科学的考核方法
合理、科学的考核方法能够调动学生的学习兴趣和学习动力,提高学生主动学习的能力。签于此,我们结合本校的具体情况和专业特点,摒弃了传统的只以期末考试成绩为标准的考核方式,采用多项合并的方法综合测评。具体测评方法为期末考试成绩占总成绩的70%,体现学生动手能力的实验课程占总成绩的10%,平时成绩占总成绩的20%。平时成绩又分为三部分:出勤率占3分,作业成绩和平时的小测验成绩占12分,参与课堂讨论和随堂回答情况占5分。这样的考核方式明显提高了学生的学习热情,学生能积极参与课堂问题的讨论和回答,改变了物理化学枯燥,沉闷的课堂气氛,大大地提高了教学质量。
4结语
针对我校复合材料专业的具体情况对该专业开设的物理化学课程课堂教学进行了改革,包括教材的选择、课堂效果的整体设计、教学方法和教学手段的改革、课程考核体系的建立等。实践结果证明以上的教学改革方案大大提高了学生的学习兴趣,学生能够积极思考、回答问题,也极大地提高了教学质量。但是教研改革永无止境,我们会继续更深入地进行物理化学教学改革,使之建设成学生更受欢迎的课程。
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