材料類專業導論課教學內容設置新探

于 杰

哈爾濱工業大學(深圳)材料科學與工程學院 廣東深圳 518000

“材料科學與工程導論”(下稱材料導論)是一門非常特殊的課程,在內容與功能等方面與其他課程均有很大不同。材料類各專業其他課程在功能和內容設置方面都很明確具體,沒有可商討變動的余地,如“材料科學基礎”就包括晶體結構、缺陷、擴散、相變與相圖等內容,非常具體明確,其課程功能就是把這些具體知識傳遞給學生。而材料導論課所面臨的情況則比較復雜,第一,材料導論課沒有明確具體的內容,可選內容覆蓋范圍大,界限不明確,具體確定其內容所面臨的抉擇難度大;第二,材料導論的功能與目標具有不確定空間,是傳授思想還是傳授知識,傳授什么思想需要探討,傳授哪些知識需要確定,通過哪些內容傳授思想需要確定;第三,材料導論課是一門年輕的課程,應該包含什么內容、達到什么深度并未塵埃落定。這些問題的存在正是因為材料導論課的歷史還不夠長,教學實踐還不夠多,討論沉淀還不夠充分,因此需要進一步的思考與實踐。筆者從2016年起在哈爾濱工業大學(深圳)開設材料導論課,課程講義全部自己編寫,經過多年的教學實踐有一些心得體會,本文在此做一個總結匯報,以求起到拋磚引玉,促進材料導論課日臻完善的目的。

一、國內外“材料科學與工程導論”課程設置現狀

材料導論是一門年輕的課程,由于調查渠道所限,筆者在此并不能確定各個學校開設這門課的具體起始時間,但大概推測應該是2000年左右,證據之一是就作者所知,國內最早的《材料科學與工程導論》教材是2002年出版的[1],證據之二是一份網絡資料提到北京科技大學于2003年開始開設“材料科學與工程導論”課(https://m.thepaper.cn/baijiahao_21418141)。二十余年來,材料學科教育界的教師專家們進行了大量的探索和實踐,取得了豐碩的成果,逐步建立了目前材料導論課的教材體系,目前能夠公開查到的教材有5種[1-5],了解這些教材的內容有助于理解目前國內材料導論課的現狀及未來的改進方向。

教材[1]主要內容包括材料與人類、工程材料概述、工程材料的基本性能、材料的原子結構和原子間結合鍵、固體材料中原子的排列與缺陷、固體材料熱力學狀態:自由能—相圖—相與組織、固體材料動力學過程:激活與擴散及相關材料行為、工程材料強化與韌化的主要途徑、工程材料的制備。教材[2]主要內容包括工程材料的基本性能、材料的原子結構和原子間結合鍵、金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復合材料、新材料簡介、材料的強化與表面處理、材料的設計與選擇。教材[3]的主要內容包括原子結構和原子間結合鍵、晶體結構、凝固—晶體缺陷和擴散、相圖、鐵—碳化鐵相圖和微結構、高分子材料、陶瓷材料、金屬的機械性質、材料的電性質與超導、材料的磁學性質與磁性材料、材料的光學性質、腐蝕、復合材料。教材[4]的主要內容為晶體結構、高分子材料、金屬材料、陶瓷材料、復合材料、材料的腐蝕和降解。教材[5]的主要內容為材料的成分結構和性能、礦石中提取金屬、高性能金屬材料、高強輕質金屬材料、亞穩態金屬材料、磁性材料、新型無機非金屬材料、高分子材料、碳及能源材料、有機光電材料特性與應用、材料成型與過程控制、3D打印與增材制造、生物醫用材料與修復應用、材料基因工程與高通量計算、極端條件下的材料行為、材料的分析與表征等。綜合比較,這些教材內容設置彼此有共同點,也有很大的差別。教材[1]—[4]彼此更接近一些,這些教材包含的內容在類別上是相似的,都包括基礎理論部分和具體材料介紹,有較大比例的重合內容,如基礎理論部分大都介紹了晶體結構和材料性能,具體材料部分大都介紹了金屬材料、陶瓷材料、高分子材料等。另一方面,這些教材彼此之間內容的差別也很大,如材料熱力學、材料動力學、化學鍵、復合材料、材料加工制備等部分各個教材選取的內容及占比差別較大。教材[5]與教材[1]—[4]差別很大,教材[5]基本不包括基礎理論部分,但在具體材料介紹方面包含內容很多,并有冶金學和材料表征方面的內容。這些教材所呈現的顯著差異也說明這門課的確還沒發展到成熟穩定階段,還沒達成共識,這對材料專業教育是不利的,需要進一步探索、討論,盡快達成共識,形成一門體系完善、內容穩定、功能明確的材料導論教材。

筆者也對國外材料導論課教材做了調研,查閱了3種代表性教材[6]—[8]。教材[6]的主要內容包括物質與能量、原子結構、化學鍵合、分子軌道、無機化合物、聚合物、有機固體、金屬、幾何晶體學、結構缺陷、表面和界面、擴散、化學平衡和反應速率、電化學反應、腐蝕和氧化、相圖、相變、結構和性質變化、彈性行為、永久變形、機械失效、固體導電性、半導體、材料的熱性能、磁性行為、介電材料、光學性質。教材[7]主要內容包括原子結構與鍵合、晶體學基礎、固體結構、高分子結構、晶體缺陷、擴散、金屬的力學性質、位錯和強化機制、失效、相圖、相變、金屬的性質及應用、陶瓷的性質及應用、高分子的性質及應用、復合材料、工程材料的加工工藝、材料的腐蝕和降解、電性能、熱性能、磁性能、光性能、材料科學與工程中的經濟—環境與社會問題。教材[8]的主要內容包括缺陷和擴散、金屬和半導體的電學性質、金屬和合金的力學性能、相圖、陶瓷和復合材料、聚合物、金屬和合金的腐蝕和氧化、磁性、薄膜、促進可持續發展。從內容設置上看,國外材料導論教材與國內差別很大,國外教材普遍內容更多、更深、更全面、更系統、更偏向基礎,其內容類似于國內的“材料科學基礎”,不是一門專業引導課,國內材料導論課的設置應該是一個創新性的探索。由此可見,在材料導論課的設置上,國外并沒有現成經驗可供借鑒,需要我們獨立探索。

二、“材料科學與工程導論”內容設置指導思想探討

如上所述,國內材料導論課教材建設已經取得很大進展,為該課程的教學實踐提供了良好條件。總體來看,這些教材的主要內容都是節選自材料專業其他課程,或者說是其他專業課程的簡要匯編,屬于材料專業的具體知識,因此可以認為目前材料導論課教材都是知識傳授型。顯而易見,對于材料類各專業的學生來說,目前材料導論課內容設置與后續課程是重復的,即使不上材料導論課學生也有機會學習相關內容,這些專業知識后續都會有專門的課程進行更系統深入的講授,從知識傳授的角度看,材料導論課設置的必要性不像其他普通課程那么大。這門課大都是在大一年級開設,從實踐中看,大一學生不具備足夠的基礎學習這些知識,而且這些教材內容涉及面廣,但不系統不深入,對于大一的學生較難掌握,并且這種簡介式的學習方式容易形成“夾生飯”,造成似懂非懂的感覺,影響后續學習。目前的材料導論課教材對于非材料專業的學生比較合適,如機械、電子、半導體、物理、化學等專業,而對于材料類專業的學生來說則存在較大的問題,需要進一步討論探索。

材料導論課內容設置一個基本原則應該是不與后續課程大面積重復,能夠讓學生學到后續課程學不到的內容,凡是后續課程要講的內容盡量不在此課程中出現?；诖艘辉瓌t,對于材料類專業的學生來說,材料導論課不應該是知識傳授型,其功能不是傳授具體的專業知識,因為所有的重要專業知識都有相應的專門課程講授。由此提出了一個問題,那就是材料類專業導論課的功能到底是什么?答案應該是思想引導,通過本課程的學習建立材料的思維方式,以材料的角度看問題,以材料的方法解決問題,并最終建立材料的文化。要達到思想引導的目的在教學過程中就要解決這樣一些問題,如材料科學從何而來?材料科學的知識環境是什么?材料科學知識體系的邏輯結構是什么?材料科學的基本內容是什么?材料科學的發展規律是什么?材料科學的研究方法是什么?材料科學對社會的作用機制是什么?鑒于這些思考,作者認為材料類專業導論課的功能可概括為服務于材料科學與工程專業學生,建立材料的思維方式、思想體系和文化習慣。其設置指導思想是:(1)大視野:以材料的觀點看世界,以世界的角度看材料;(2)系統性:從材料科學整體邏輯結構的視角看待具體知識點;(3)歷史觀:從歷史的角度看材料科學發展的規律;(4)思想性:從紛繁的現象和事件中抽象普遍性的原則;(5)方法論:從因果成敗中學習材料創新的方法;(6)趣味性:以講故事、話古今的方式組織教學內容。

為服務于思想引導的教學目的,材料導論課的內容要從全局視角組織安排,以材料科學發展的整體邏輯結構和歷史脈絡為主線,在各邏輯層級盡量以共性線索為依據安排內容,具體知識講授時要植根于整體知識環境,體現邏輯性和系統性,兩頭相牽于整體知識體系,從何處來,向何處去,基礎理論的講授一頭牽于知識源頭,一頭牽于其在材料科學中的作用,工藝技術和具體材料的講授一頭牽于知識源頭,一頭牽于應用場景。筆者在教學過程中談論課程背景時曾利用圖1和圖2說明本課程的內容設置特色,圖1展示了結構材料力學性能的知識環境與應用背景,具體講解思路如下:結構材料具有廣泛應用,力學性能是其應用指標,其力學性能由晶體結構、晶粒結構、成分組成決定,晶體結構知識的建立首先基于原子的發現,原子的發現基于定比倍比定律、電子的發現和原子核的發現,電子的發現基于陰極射線管的研究,原子核發現的重要條件是放射性的發現;晶體結構的測試方法主要有X射線衍射和電子衍射技術,X射線衍射技術的建立基于X射線的發現、X射線晶體衍射的發現和晶體衍射理論的建立,X射線的發現源于陰極射線管的研究,晶體衍射理論建立的重要基礎是經典光學;電子衍射技術建立的理論基礎是波粒二象性、電子衍射理論和固體理論,電子衍射理論建立的主要基礎是X射線晶體衍射理論和經典光學;晶粒結構的理論基礎是熱力學、動力學、礦物學、結晶學,晶粒結構觀察依賴于光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡,光學顯微鏡建立的主要基礎是經典光學,掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡進行晶粒觀察的重要理論基礎是固體理論,主要是高能粒子與固體的相互作用;成分組成主要測試技術的理論基礎是原子物理和固體理論。圖2展示了半導體硅的應用及其理論基礎,講解思路如下:半導體硅具有廣泛而重要的應用,其應用的實現基于對其半導體性質的認識,其基礎就是固體物理,固體物理建立的基礎是量子力學,量子力學的建立基于黑體輻射、光電效應、原子光譜和波粒二象性的認識,原子光譜的知識發源于氫原子光譜的認識,氫原子光譜的發現源于真空放電管的研究,觀察到氫原子光譜利用的是三棱鏡分光。通過這兩個圖的講解不僅可以傳授具體知識,還可以揭示材料科學知識體系的邏輯結構,對學生建立材料思維十分有益。

圖1 結構材料力學性能的知識基礎與應用

圖2 半導體硅電子器件制備技術的知識基礎與應用

三、思想引導型“材料科學與工程導論”課內容設置與教學實踐

為了實現思想引導的教學目的,作者在具體教學實踐中自編講義,內容組織和教學過程充分體現大視野、系統性、歷史觀、思想性、方法論和趣味性。整體內容分為8章,下面分章具體介紹講義內容,并做簡要分析討論,以體現對思想引導功能的貫徹。

(一)第一章 材料與人類文明

內容包括文明發源的材料線索;文明發展的材料線索;中國疆域演進的材料線索;文明傳承的材料線索;現代文明的材料線索。“文明發源的材料線索” 主要介紹各大文明發源的自然環境,包括蘇美爾文明、古埃及文明、印度河文明、克里特文明和黃河文明,分析各大文明發源地的共性特征,即空曠的平原、松軟的土地,揭示生產工具的低能導致文明的發源只能局限于這些區域?！拔拿靼l展的材料線索” 介紹以使用材料命名的各個文明時代,包括舊石器時代、新石器時代、銅器時代、鐵器時代和現代材料時代,揭示文明發展的水平決定于材料?！爸袊蜓葸M的材料線索”介紹中國疆域的拓展歷史與材料技術的對應關系,揭示材料技術的進步促進了國家的統一、民族的融合和疆域的擴大?！拔拿鱾鞒械牟牧暇€索”介紹各大文明的興衰存亡歷史與所使用文字載體先進性的關系,揭示高性能的文字載體是文明傳承的保障。“現代文明的材料線索”介紹支撐現代文明的主要技術與材料的關系,包括電氣化、汽車、飛機、自來水、電子技術、無線電和電視、農業機械化、計算機、電話、空調制冷、高速公路、航天技術、互聯網、成像技術、家用電器、保健技術、石油化工、激光和光纖,并具體介紹了幾種材料及其制備技術,以形象體現現代文明的材料基礎,包括硅片及硅器件、光纖、鋼材及硫化橡膠輪胎、半導體發光材料與器件、鋰離子電池和太陽能電池,提出揭開絢麗奪目、色彩紛呈的現代文明面紗終見現代文明的中流砥柱——材料。

通過文明的發源發展與材料關系的具體化更好地揭示材料與人類文明的關系,這種具體線索的挖掘與分類具有較大的創新性。

(二)第二章 材料科學與工程學科簡介

內容包括人類材料發展簡史;材料科學與工程學科發展簡史;材料科學與工程學科的內容結構;材料科學與工程學科的社會角色;材料科學與工程專業課程結構。

“人類材料發展簡史”主要采用《金屬雜志》評選的“最偉大的材料事件”(Greatest Materials Moments)[9-10]為素材,該材料共列舉了人類歷史上50項重大材料事件,前20名分別為:元素周期表、熔煉鐵、晶體管、玻璃、光學顯微鏡、水泥、坩堝煉鋼、銅提煉及鑄造、X射線衍射和貝塞麥煉鋼法、《論非均相物質之平衡》、燒制陶瓷、鍛造7米鐵樁、放射性、硫化橡膠、鐵碳相圖、量子力學、青銅器、鉛錫銻合金、原子結構模型。原文是按照重要性排列的,按照重要性講述有利于對科學意義的理解,作者同時又按照年代順序做了講解,有利于領會材料科學的發展規律和內在邏輯?！安牧峡茖W與工程學科發展簡史”簡介了其形成過程及國內代表性大學材料學科的發展情況?！安牧峡茖W與工程學科的內容結構”簡介其組成,主要包括材料結構、材料體系反應的能量基礎、材料性能、材料體系的反應過程、材料制備技術、材料表征技術等,并分別列出上述各部分所包含的基礎理論,如材料結構部分包括原子結合的化學鍵理論、原子排列的晶體學理論、位錯理論、表界面理論等?！安牧峡茖W與工程學科的社會角色”指出材料是整體工業體系的支撐、材料是工業技術進步的牽引機、材料是人類社會結構和活動方式的決定因素,并以高鐵系統所用材料予以說明。“材料科學與工程專業課程結構”介紹材料專業的主要課程及其層級關系。

(三)第三章 材料科學與工程基本原理與概念

首先介紹材料科學的內容組成,包括晶體結構理論(晶體學)、位錯理論(固體物理、材料科學基礎)、表界面理論(表界面結構、表界面物理、表界面化學)、熱力學理論(擴散、相變、相圖、凝固結晶、回復再結晶)、動力學理論(擴散、相變、凝固結晶、回復再結晶)、相變理論(相變熱力學、相變動力學)、化學鍵理論(離子鍵、共價鍵、金屬鍵、分子鍵、氫鍵)、能帶理論(固體物理、量子力學)、形變理論(彈塑性力學、塑性加工基礎)、合金理論,再作為例子簡介晶體學、表界面理論、位錯理論、能帶理論和合金理論?！熬w學”包括晶體學構成、晶體結構、晶體結構的認識歷史,“晶體結構的認識歷史”會穿插介紹晶體衍射的思想來源和衍射理論?！氨斫缑胬碚摗卑ū斫缑嬖拥奈锢砘瘜W特性、界面的類型、表面結構類型,“表面結構類型”包括理想表面、臺階表面、弛豫表面、重構表面?！拔诲e理論”包括刃位錯、螺位錯、位錯理論發展簡史,“位錯理論發展簡史”穿插介紹位錯概念產生的背景、位錯對強度的影響規律、位錯的TEM觀察圖像?！澳軒Ю碚摗卑軒Ю碚摵喗?、能帶理論應用、能帶理論的來源、能帶理論發展歷史。合金理論介紹固溶原子的影響機制和合金特性。

本章內容介紹盡量簡單易懂,不做深入講解,多結合實例介紹每個原理和概念的應用和物理意義。

(四)第四章 納米材料

內容包括納米概念的提出、納米材料產生的科學史背景、納米材料興起的工具基礎、納米材料的科學內涵、納米材料發展簡史、現代納米材料的興起、典型納米材料簡介?！凹{米概念的提出”主要內容為費曼的演講《底部空間巨大》?！凹{米材料產生的科學史背景”包括第一部分人體感知能力所及的重大科技進展歷程實例(觀察和推理)和第二部分工具推動的重大科技進展歷程實例,第一部分包括電的發現、電子的發現、原子結構的發現等,第二部分包括三棱鏡折射(推動光譜學、量子力學產生)、光學顯微鏡(推動微生物學、細胞生物學和金相顯微學產生)、光譜儀(原子分子化學鍵識別、化學分析)等。“納米材料興起的工具基礎”包括掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡,結合發展歷史講述原理,“透射電子顯微鏡”中會講述其產生的理論基礎,包括波粒二象性、晶體電子衍射的發現和電磁透鏡控制電子束理論;“掃描隧道顯微鏡”中會介紹其理論基礎、發展歷史和應用實例,理論基礎主要是隧穿理論?！凹{米材料的科學內涵”簡介量子尺寸效應、體積效應、表面效應、宏觀量子隧道效應和介電限域效應等?！凹{米材料發展簡史”主要內容包括古代納米材料遺存和早期納米材料的研究,“早期納米材料研究”部分會介紹Gleiter關于金屬納米晶的工作,并介紹缺陷和晶界對強度的影響規律?！艾F代納米材料的興起”主要介紹C60、碳納米管和石墨烯的發展歷史?！暗湫图{米材料簡介”主要介紹碳納米管和石墨烯及其應用。

將納米材料作為一個獨立章節首先推出不是因為其重要,而是因為納米材料的發展歷史可以更好地反映材料科學的發展規律。納米材料興起的時間比較晚,20世紀50年代才提出納米材料的概念,20世紀80年底才真正啟動納米材料的研究,而在此之前比納米尺度小得多的電子、原子、分子、化學鍵等均已發展成熟,這主要是因為納米材料的研究依賴于觀察工具,只能隨著觀察工具的發展而發展,體現了材料科學發展的內在規律。

(五)第五章 半導體材料

內容包括半導體材料簡介、半導體基本元器件原理簡介、半導體的發展歷史、主要半導體材料簡介。“半導體材料簡介”包括半導體材料晶體結構、半導體材料電子結構、半導體材料四大特性等。“半導體基本元器件原理簡介”包括肖特基二極管、p-n結、晶體管、場效應管、發光二極管等?！鞍雽w的發展歷史”從1833年英國科學家巴拉迪發現半導體電阻負溫度系數開始,講到2000年諾貝爾物理學獎授予快速晶體管、激光二極管和集成電路的發明,對于重要的半導體知識穿插介紹,如光生伏特效應種類、貝爾實驗室發明晶體管等?！爸饕雽w材料簡介”介紹硅、氮化鎵、碳化硅、氮化鋁、氮化硼、金剛石等。

本章內容安排將半導體發展歷史與半導體材料與器件的特性融為一體介紹,能夠更生動地展示課程內容,有利于學生理解,同時增加趣味性。

(六)第六章 能源材料

內容包括能源材料的功能分類、太陽能電池、燃料電池、鋰離子電池、超級電容器、制氫材料、貯氫材料?！疤柲茈姵亍卑ㄌ柲茈姵鼗驹砼c結構、太陽能電池材料分類、太陽能電池發展歷史、硅基太陽能電池、化合物太陽能電池;“硅基太陽能電池”包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池;“化合物太陽能電池”包括砷化鎵太陽能電池、碲化鎘太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池?！叭剂想姵亍卑ㄈ剂想姵卦砼c結構、燃料電池發展歷史、燃料電池催化劑;“燃料電池催化劑”包括Pt/C催化劑、摻氮碳納米管、摻氮石墨烯。“鋰離子電池”包括鋰離子電池發展歷史、鋰離子電池的工作原理與結構、正極材料、負極材料?！俺夒娙萜鳌卑p電層超級電容器工作原理、贗電容器工作原理、雙電層超級電容器電極材料、贗電容器電極材料等。

本章內容以功能為線索按照發電、儲電、制氫、儲氫順序安排,突出材料,注重原理,注重比較和聯系,歷史講授與具體原理相結合,提高講授的生動性和整體感。

(七)第七章 結構材料

內容包括結構材料的分類與應用、結構材料基礎理論、結構材料特性與發展歷史、高分子材料?！敖Y構材料的分類與應用”包括金屬材料、無機非金屬材料、復合材料簡介及其應用。“結構材料基礎理論”包括晶體結構、相變與相圖、力學性能的結構基礎、結構材料強韌化途徑。“結構材料特性與發展歷史”介紹代表性材料的特性與發展歷史,代表性材料包括鋼鐵、鋁合金、氧化物陶瓷及其復合材料、碳纖維復合材料等,特性包括拉伸強度、彎曲強度、硬度、抗氧化性、化學穩定性等。高分子材料包括分類與應用、基礎理論、特性、發展歷史等。

本章內容講述貫徹整體性和系統性的要求,在結構上不以材料類型為依據安排內容,而是以共性特征為依據安排內容。為了顧及高分子材料的特殊性,在內容安排上將其單列,作為一個獨立系統單獨介紹。

(八)第八章 其他功能材料

內容包括導電材料、導熱材料、發光材料、傳感器材料、電磁屏蔽材料、裝飾涂層材料?！皩щ姴牧稀苯榻B金屬導線、導電填料、導電漿料、導電復合材料?！皩岵牧稀苯榻B金屬、石墨烯、金剛石及其漿料、薄膜、復合材料?！鞍l光材料”主要介紹熒光材料與應用?！皞鞲衅鞑牧稀卑饷?、熱敏、光敏、力敏、離子敏、磁敏材料等,“電磁屏蔽材料”包括飛機、航天、通信、等離子體設備、計算機等領域應用材料?！把b飾涂層材料”主要介紹PVD、CVD和電鍍方法制備的裝飾材料,側重顏色控制,兼顧機械和防腐性能。

本章內容安排在一級結構上以功能為依據,二級結構根據情況以功能、材料形式或應用領域為依據。教學目的是使學生知道有此類應用和此類材料,了解基本知識,開闊視野,啟發思想。

結語

材料類專業導論課是一門年輕的課程,這門課的意義和功能還需要在實踐中進一步探索確立。該課程的意義依賴于其內容設置,合適的內容設置能夠極大地提高該課程教學效果,增強課程的意義,使該課程成為材料專業一門必不可少的課程。該課程的內容應該填補現有教學體系的空白,提供其他課程不能提供的內容,實現其他課程不能實現的功能,避免與其他課程內容的重復是本課程內容設置的重要要求。該課程的功能應該定位為思想引導,通過本課程的學習建立材料的思維方式,以材料的角度看到問題,以材料的方法解決問題,并最終建立材料的文化。為達此目的,該課程內容設置應堅持大視野、系統性、歷史觀、思想性、方法論、趣味性。在具體教材內容設置上注重統一性、系統性和引領性,不以具體材料或具體知識為依據安排內容,尋找能夠將整體知識聯系在一起的線索,貫徹整體性和系統性的要求,以特性、功能或應用等共性或覆蓋面大的特征為線索安排內容,注重發展歷史的講授,歷史講授與具體原理相結合,將專業知識與發展歷史融為一體介紹,注重比較和聯系,以更好地體現思想性。基于上述內容設置,材料類專業導論課將成為一門思想性強、內容豐富、功能獨特的獨立課程,在材料科學與工程專業教育中發揮不可替代的作用。