材料化學(xué)課程介紹演講人：日期:目錄CATALOGUE02.核心內(nèi)容模塊04.學(xué)習(xí)目標(biāo)與成果05.考核評(píng)估方式01.03.教學(xué)方法與形式06.學(xué)習(xí)資源支持課程概述課程概述01PART課程教學(xué)目標(biāo)掌握材料化學(xué)基礎(chǔ)理論系統(tǒng)學(xué)習(xí)材料的結(jié)構(gòu)、性能與合成方法，理解化學(xué)鍵、晶體缺陷、相變等核心概念在材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。02040301了解前沿材料發(fā)展動(dòng)態(tài)探討納米材料、生物材料、能源材料等新興領(lǐng)域的研究進(jìn)展，激發(fā)創(chuàng)新思維與科研興趣。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能與分析能力通過(guò)實(shí)踐操作熟悉材料表征技術(shù)（如X射線衍射、電子顯微鏡等），并能獨(dú)立分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，解決實(shí)際問(wèn)題。提升跨學(xué)科應(yīng)用能力結(jié)合物理、工程學(xué)等學(xué)科知識(shí)，掌握材料在環(huán)境、醫(yī)療、電子等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。先修知識(shí)要求需熟悉化學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、配位化學(xué)等知識(shí)，為理解材料合成與性能奠定理論基礎(chǔ)。無(wú)機(jī)化學(xué)與物理化學(xué)基礎(chǔ)具備實(shí)驗(yàn)室安全規(guī)范意識(shí)，熟悉常用儀器（如天平、pH計(jì)）的使用方法。實(shí)驗(yàn)操作基礎(chǔ)了解晶格結(jié)構(gòu)、能帶理論等基本內(nèi)容，有助于分析材料的電學(xué)、光學(xué)特性。固體物理入門概念010302掌握微積分、線性代數(shù)等數(shù)學(xué)工具，用于材料模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)分析。數(shù)學(xué)工具應(yīng)用能力04課程大綱框架材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)模塊涵蓋晶體學(xué)、非晶態(tài)材料、高分子鏈結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，結(jié)合案例解析結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)性。合成與制備技術(shù)模塊講解溶膠-凝膠法、化學(xué)氣相沉積、3D打印等合成方法，對(duì)比不同技術(shù)的適用場(chǎng)景與優(yōu)缺點(diǎn)。材料表征與分析模塊系統(tǒng)介紹光譜學(xué)、顯微技術(shù)、熱分析等表征手段，輔以實(shí)際科研案例解析數(shù)據(jù)解讀方法。專題應(yīng)用研討模塊聚焦智能材料、復(fù)合材料等熱點(diǎn)方向，通過(guò)文獻(xiàn)閱讀與小組討論深化對(duì)學(xué)科前沿的理解。核心內(nèi)容模塊02PART2014材料分類與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)04010203金屬材料的結(jié)構(gòu)特性金屬材料以金屬鍵為主要結(jié)合方式，具有高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性，晶體結(jié)構(gòu)包括面心立方、體心立方和密排六方等，其性能與晶格缺陷、位錯(cuò)等微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。無(wú)機(jī)非金屬材料的多相性陶瓷、玻璃等無(wú)機(jī)非金屬材料以離子鍵或共價(jià)鍵為主，具有高硬度、耐高溫和化學(xué)惰性，其性能受晶相、玻璃相和氣孔率等結(jié)構(gòu)因素影響顯著。高分子材料的鏈狀結(jié)構(gòu)高分子材料由長(zhǎng)鏈分子構(gòu)成，包括熱塑性、熱固性和彈性體等，其力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性與分子量、交聯(lián)度和結(jié)晶度等參數(shù)直接相關(guān)。復(fù)合材料的界面效應(yīng)復(fù)合材料由兩種或以上材料復(fù)合而成，其性能取決于基體與增強(qiáng)相的界面結(jié)合強(qiáng)度、分布均勻性及協(xié)同效應(yīng)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。合成方法與制備技術(shù)通過(guò)前驅(qū)體水解縮聚形成溶膠，再經(jīng)干燥和熱處理獲得納米材料或薄膜，適用于制備高純度、均勻性好的氧化物材料，如二氧化硅氣凝膠。利用氣相反應(yīng)在基底表面沉積薄膜或涂層，可精確控制成分與厚度，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件、金剛石薄膜和石墨烯的工業(yè)化生產(chǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)電位、電流和電解液成分，可制備金屬納米顆粒、導(dǎo)電聚合物或功能化電極材料，適用于能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。通過(guò)高能球磨實(shí)現(xiàn)粉末的固態(tài)反應(yīng)與合金化，適用于制備非晶合金、高熵合金等亞穩(wěn)態(tài)材料，具有工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)勢(shì)。溶膠-凝膠法的可控性化學(xué)氣相沉積（CVD）的高效性電化學(xué)合成的精準(zhǔn)調(diào)控機(jī)械合金化的固態(tài)反應(yīng)性質(zhì)分析與應(yīng)用案例X射線衍射（XRD）的結(jié)構(gòu)解析01通過(guò)布拉格衍射峰確定材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)和物相組成，是材料表征的基礎(chǔ)手段，廣泛應(yīng)用于催化劑、電池材料的研發(fā)。掃描電子顯微鏡（SEM）的形貌觀測(cè)02結(jié)合能譜分析（EDS），可直觀展示材料的表面形貌、元素分布及孔隙結(jié)構(gòu)，為失效分析和工藝優(yōu)化提供依據(jù)。熱重-差示掃描量熱（TG-DSC）聯(lián)用技術(shù)03同步分析材料的熱穩(wěn)定性、相變溫度和反應(yīng)焓變，適用于高分子降解、陶瓷燒結(jié)和合金相變研究。鋰離子電池正極材料的應(yīng)用04以鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等為代表的正極材料，通過(guò)調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)和摻雜改性提升能量密度與循環(huán)壽命，推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。教學(xué)方法與形式03PART課程采用模塊化設(shè)計(jì)，涵蓋材料結(jié)構(gòu)、性能、合成與應(yīng)用等核心內(nèi)容，通過(guò)理論授課幫助學(xué)生構(gòu)建完整的知識(shí)框架。授課與講座安排系統(tǒng)性知識(shí)講解邀請(qǐng)行業(yè)專家開展專題講座，介紹新型功能材料、納米技術(shù)、綠色合成等熱點(diǎn)領(lǐng)域的研究進(jìn)展與應(yīng)用案例。前沿技術(shù)專題結(jié)合材料失效分析、能源材料設(shè)計(jì)等實(shí)際案例，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決復(fù)雜問(wèn)題。案例分析與討論基礎(chǔ)合成實(shí)驗(yàn)包括溶膠-凝膠法、水熱合成等經(jīng)典材料制備技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范操作與數(shù)據(jù)記錄能力。表征技術(shù)實(shí)踐通過(guò)X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）等儀器操作，掌握材料微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)分析方法。安全與規(guī)范培訓(xùn)強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室安全規(guī)程教育，涵蓋化學(xué)品存儲(chǔ)、廢棄物處理及應(yīng)急防護(hù)措施等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)操作與指導(dǎo)研討與互動(dòng)活動(dòng)小組課題研究學(xué)生分組完成從材料選題、方案設(shè)計(jì)到結(jié)果匯報(bào)的全流程項(xiàng)目，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作與科研能力。企業(yè)參訪交流組織參觀材料研發(fā)中心或生產(chǎn)企業(yè)，了解工業(yè)化生產(chǎn)流程與技術(shù)轉(zhuǎn)化實(shí)際需求。學(xué)術(shù)辯論會(huì)圍繞“傳統(tǒng)材料vs新型材料”“可持續(xù)性發(fā)展”等主題展開辯論，提升批判性思維與表達(dá)能力。學(xué)習(xí)目標(biāo)與成果04PART材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系深入理解材料微觀結(jié)構(gòu)（如晶體缺陷、相變機(jī)制）與宏觀性能（力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)特性）的關(guān)聯(lián)性，掌握材料設(shè)計(jì)的基本理論框架?；瘜W(xué)合成原理系統(tǒng)學(xué)習(xí)溶膠-凝膠法、水熱合成、氣相沉積等材料制備技術(shù)的反應(yīng)機(jī)理與動(dòng)力學(xué)控制方法，能夠針對(duì)不同材料體系選擇最優(yōu)合成路徑。表征技術(shù)理論掌握X射線衍射、掃描電鏡、紅外光譜等現(xiàn)代分析技術(shù)的物理原理及數(shù)據(jù)解讀方法，具備根據(jù)材料特性匹配表征方案的能力。計(jì)算模擬基礎(chǔ)了解分子動(dòng)力學(xué)、第一性原理計(jì)算在材料研究中的應(yīng)用場(chǎng)景，能夠運(yùn)用MaterialsStudio等軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單材料建模與性能預(yù)測(cè)。理論知識(shí)掌握要求實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)重點(diǎn)熟練操作管式爐、磁控濺射儀、紫外分光光度計(jì)等設(shè)備，掌握參數(shù)校準(zhǔn)、誤差分析及設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)技能。精密儀器操作數(shù)據(jù)記錄與分析跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)嚴(yán)格執(zhí)行通風(fēng)櫥使用、危險(xiǎn)化學(xué)品處置、高壓設(shè)備操作等實(shí)驗(yàn)室安全規(guī)程，培養(yǎng)事故預(yù)防與應(yīng)急處理能力。建立規(guī)范的實(shí)驗(yàn)記錄體系，運(yùn)用Origin、Jade等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合與圖譜解析，形成科學(xué)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫能力。整合化學(xué)合成、物理測(cè)試、生物相容性評(píng)價(jià)等方法，完成從材料制備到性能測(cè)試的全流程復(fù)合型實(shí)驗(yàn)方案。安全操作規(guī)范綜合能力提升方向文獻(xiàn)調(diào)研能力掌握SciFinder、WebofScience等數(shù)據(jù)庫(kù)的高級(jí)檢索技巧，能夠系統(tǒng)分析領(lǐng)域內(nèi)前沿研究成果并提煉科學(xué)問(wèn)題。01項(xiàng)目協(xié)作管理通過(guò)小組課題實(shí)踐培養(yǎng)任務(wù)分解、進(jìn)度把控、資源協(xié)調(diào)能力，熟悉科研項(xiàng)目的全周期管理流程。學(xué)術(shù)表達(dá)訓(xùn)練定期開展研討會(huì)報(bào)告練習(xí)，提升科技論文寫作、學(xué)術(shù)海報(bào)設(shè)計(jì)及會(huì)議答辯等專業(yè)表達(dá)能力。創(chuàng)新思維培養(yǎng)參與開放性實(shí)驗(yàn)課題，鍛煉從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)規(guī)律、提出假設(shè)并通過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題的能力。020304考核評(píng)估方式05PART考試與測(cè)驗(yàn)形式閉卷筆試采用閉卷形式考核學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論、公式推導(dǎo)及材料性能計(jì)算等知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，試題涵蓋概念辨析、計(jì)算題和綜合分析題等多種類型。階段性小測(cè)通過(guò)隨堂測(cè)驗(yàn)或線上平臺(tái)限時(shí)測(cè)試，檢測(cè)學(xué)生對(duì)近期課程重點(diǎn)內(nèi)容的理解情況，包括材料表征方法、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等專題內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)操作考核在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中評(píng)估學(xué)生使用X射線衍射儀、掃描電鏡等設(shè)備的規(guī)范操作能力，以及數(shù)據(jù)處理與誤差分析的實(shí)踐技能。作業(yè)與報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)專題文獻(xiàn)綜述要求學(xué)生針對(duì)新型功能材料（如鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、MOFs材料等）撰寫深度文獻(xiàn)報(bào)告，需包含研究背景、技術(shù)路線比較和未來(lái)展望，引用文獻(xiàn)不少于15篇。計(jì)算模擬作業(yè)基于MaterialsStudio等軟件完成晶體結(jié)構(gòu)建模或能帶計(jì)算，提交完整的參數(shù)設(shè)置文件、結(jié)果圖表及物性分析說(shuō)明文檔。實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)范實(shí)驗(yàn)報(bào)告需包含樣品制備流程、原始數(shù)據(jù)記錄、誤差來(lái)源討論三個(gè)核心模塊，圖表必須符合ACS格式標(biāo)準(zhǔn)，理論分析部分需引用教材對(duì)應(yīng)章節(jié)。參與度評(píng)分細(xì)則課堂互動(dòng)表現(xiàn)根據(jù)提出有價(jià)值問(wèn)題的頻率、小組討論中的貢獻(xiàn)度進(jìn)行評(píng)分，重點(diǎn)關(guān)注對(duì)材料相變機(jī)理、納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)等復(fù)雜問(wèn)題的探討質(zhì)量。030201學(xué)術(shù)活動(dòng)參與出席院系組織的材料前沿講座每次加分，需提交包含講座核心觀點(diǎn)與個(gè)人思考的總結(jié)筆記（不少于300字）。課題協(xié)作貢獻(xiàn)在團(tuán)隊(duì)科研項(xiàng)目中承擔(dān)材料合成、性能測(cè)試或數(shù)據(jù)可視化等具體任務(wù)，由指導(dǎo)教師根據(jù)任務(wù)完成度和協(xié)作效率評(píng)定等級(jí)。學(xué)習(xí)資源支持06PART教材與參考書目《材料化學(xué)基礎(chǔ)》系統(tǒng)介紹材料化學(xué)的基本概念、原理及研究方法，涵蓋金屬、陶瓷、高分子及復(fù)合材料等各類材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，適合作為入門教材?！恫牧嫌?jì)算與模擬》介紹密度泛函理論、分子動(dòng)力學(xué)等計(jì)算方法在材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，輔助理解材料性能的預(yù)測(cè)與優(yōu)化。《現(xiàn)代材料表征技術(shù)》詳細(xì)講解X射線衍射、電子顯微鏡、光譜分析等材料表征技術(shù)的原理與應(yīng)用，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論支持。《納米材料化學(xué)》聚焦納米材料的合成、性質(zhì)及應(yīng)用，深入探討納米尺度下的化學(xué)行為與調(diào)控方法，適合高階學(xué)習(xí)者參考。在線工具與平臺(tái)MaterialsProject數(shù)據(jù)庫(kù)提供海量材料晶體結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)性質(zhì)及電子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，支持材料篩選與性能預(yù)測(cè)，集成計(jì)算工具便于科研分析。01ChemDraw與VESTA軟件ChemDraw用于繪制分子結(jié)構(gòu)及反應(yīng)路徑，VESTA可可視化晶體結(jié)構(gòu)并分析鍵長(zhǎng)、鍵角等參數(shù)，兩者結(jié)合助力材料模型構(gòu)建。02Coursera與edX課程平臺(tái)包含MIT、斯坦福等高校開設(shè)的材料化學(xué)專題課程，涵蓋能源材料、生物材料等前沿領(lǐng)域，支持自主學(xué)習(xí)與證書獲取。03GitHub開源代碼庫(kù)共享材料模擬腳本（如LAMMPS、ASE）、數(shù)據(jù)處理程序及機(jī)器學(xué)習(xí)模型，促進(jìn)研究方法交流與復(fù)現(xiàn)。04實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源提供薄膜材料可控生長(zhǎng)環(huán)境，通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓