基于文献调研的《材料科学基础》教学的思考

许子强

(湖北大学材料科学与工程学院，功能材料绿色制备与应用教育部重点实验室，湖北 武汉 430062)

《材料科学基础》作为材料类专业的重要核心基础必修课程，其内容涉及物理化学、大学物理、无机化学等课程，在材料类专业课程体系中起到重要的承前启后的作用。本门课程涉及的内容头绪多，包括原子结构及键合、固体结构、晶体缺陷、扩散、形变、相图等内容，所有内容都是学习的重点，且难度较大，这就导致了学生们学习时普遍反应难度较大，本门课程一直都是材料课程专业中的“拦路虎”。

《材料科学基础》的专业教材出版具有一定的周期，教材中的内容通常会明显滞后于学科前沿知识[1]。同时，材料科学基础不仅是材料类专业学生的基础理论课，也是材料科学研究从业人员的知识库，材料科学的发展与材料的发展是相辅相成的。同时，新材料技术的飞速发展促进了材料科学知识的快速迭代，从而使材料类的高校毕业生参加工作时缺乏一定的新材料科学及新技术的知识储备，最终导致高校的教学与应用实践严重脱节。美国哈佛大学的亨利·罗索夫斯基院长认为：“教学与科研是相辅相成的，没有科研为高校的教学提供新的思想及素材，该高校的教学水平是较难提高的[2]”。而德国的威廉·冯洪堡也提出了“教学与科研相统一”的观点，核心观点在于将前沿科研动态引入教学[3]。因此，课堂中引入的前沿科研动态能够实现科研向优质教学内容的有效转化，可见科研与教学具有非常密切的联系。该文将就《材料科学基础》科学的授课实践，针对前沿科研的最新动态在教学中的一些运用加以总结及思考。

1 前沿科研成果丰富基础教学内容

《材料科学基础》是“材料科学与工程”类专业最重要的专业基础课，其课程内容特点主要体现在内容繁多、关联学科多、原理规律多，概念定义多，微观结构抽象。学生们普遍反映该门课程内容枯燥及学习难度很大，这也对教师的授课提出了巨大的挑战。一方面，专业书籍的出版较早，课本的内容通常滞后于最新的前沿学科知识。

因此，教师可以将最新的材料科学相关的科研成果及动态引入课堂，在基础课程的讲解中穿插各种前沿热点工作。一方面，可以使学生们了解相关领域的发展潜力，提高学生对课程的重视程度；另一方面，可以调动学习的积极性与课堂的趣味性，加深学生对抽象理论知识的理解，最终获得良好的教学成效。

(1)学生对本门课程的认识一般都是从绪论课开始的，第一节课设计的优劣，直接影响学生对后续课程的学习兴趣。因此，可以在绪论课中适当引入前沿科研动态，提高学生学习的积极性。在绪论部分，要让学生知道材料科学基础的核心问题就是研究“成分-结构-性能”这个黄金三角之间的关系[4]。基于此，可以把2019年发表在Science上关于抗冲击的仿生玻璃复合材料的工作引入绪论课中[5]。虽然常规玻璃的透明度、硬度及耐久性较好，但玻璃的脆性、低耐冲击性使其成为了日常生活中最薄弱的环节。该研究借鉴了自然界中贝壳珍珠层的结构，构建了一种具有类似3D“砖-泥”微观结构的玻璃，在保留高透明度、强度和刚度的同时，还具有高韧性，它的抗冲击性得到了大幅度提高。相应的，也可以进一步从传统陶瓷的脆性引出陶瓷材料领域中的先进研究成果—纳米陶瓷，简单介绍纳米陶瓷具有良好韧性的原因，即纳米陶瓷中晶粒较小且具有大量的晶界。通过该实例巩固学生们对于材料科学中“成分-结构-性能”这个黄金三角关系的理解，明白不同的材料具有不同的性能、即使是同种材料也可能具有不同性能，这是由于材料的性能主要由其成分及结构决定的。从而在激发学生学习兴趣的同时，也可以使学生更好的理解材料科学基础的核心问题，认识到前沿科研动态与课本上的基础知识是一脉相承的。

(2)在介绍晶体的塑性变形时，可以把发表在Science上关于合金中的纳米级错配界面层对其性能影响的文章给大家介绍[6]。基于喷气涡轮叶片及其它高温条件中使用的大多数传统合金材料中强度及热稳定性较差，从而导致其在工程领域难以应用的问题。该研究发现在Ni-Co-Fe-Al-Ti的制备过程中，加入少量的硼元素可以制备得到超高强度性能的合金，其原因在于硼元素的引入使合金中形成了大量纳米尺度的错配界面，从而改善了材料的延展性，同时抑制了高温中晶粒的生长。借此，带大家认识到合金的强度除与晶体结构的类型有关之外，还与什么有关？答案是晶界的结构有关。进一步层层递进的将多晶体的塑性变形、单相固溶体合金及多相固溶体合金的塑性变形等知识点进行梳理和归纳。让学生们在了解前沿科研成果的同时巩固已学知识，明白最新的科研动态与教材中的内容是密不可分的。

2 先进材料表征手段加深对结构特征认识

正如前面所说，材料科学基础的核心问题是研究“成分-结构-性能”这个黄金三角之间的关系，材料的结构对材料的性能具有决定性影响，同时材料的微观结构非常抽象，晦涩难懂。通常情况下，材料内部的微观结构的表征必须要依靠现代大型仪器表征技术，如透射电子显微镜和X-射线衍射仪等。

基于此，授课教师可以将科技文献中的材料表征结果在课堂上呈现给学生们，让同学们切实感受到材料的基本结构特征。如在介绍固体的晶体结构时，教师通常采用绘图和球棍模型的方式讲解每种点阵的基本特征，而在透射电子显微镜下，可以对实际样品的结构进行动态观察。因而可以通过表征图片将材料的原子级图像呈现给学生们，加深学生对固体晶体结构的认识及理解。而在介绍晶体结构中的缺陷时，如点缺陷、位错及界面，同样也可以将材料中的各种缺陷的透射电子显微镜图片介绍给同学们，使学生们充分理解晶体结构中各种缺陷的结构特征及它们之间的异同点。在利用表征结果实施教学的过程中，可以针对固体晶体结构的知识点进行发散思维，如实际观察到的透射电子显微镜衍射花样属于哪种晶体点阵类型？观察到的晶体缺陷属于哪种类型？对于获得的实际晶体结构应该如何分析？例如，我们在介绍面心立方结构时，我们可以给出Au或Ag这两种典型的面心立方结构金属的高分辨电子显微镜图片，电子衍射花样以及其X射线衍射图谱，通过对这些结构表征的数据结果让大家深刻的了解到面心立方结构的特征及特点。相应的，我们也可以拿出金属Cd(密排六方结构)的一系列结构表征数据，如高分辨电子显微镜图片，电子衍射花样以及其X射线衍射图谱，通过对金属Cd的表征结果的学习，不仅使同学们深刻了解密排六方结构的特征及特点，同时也可以跟金或银的结构进行对比分析，让大家了解面心立方结构与密排六方结构的异同点。又如在介绍晶体中的点缺陷时，我们可以拿出MoS2的高分辨电镜图谱，首先通过对比分析1T型MoS2和2H型MoS2的高分辨电子显微镜，让大家初步了解MoS2的两种晶体结构的差异，然后进一步观察2H型MoS2的含有缺陷的高分辨透射电子显微镜，详细的了解MoS2晶体结构中典型的空位缺陷与间隙缺陷。这种先进的结合材料结构表征手段的教学方式可以让学生更好的理解和掌握固体结构的相关知识。

3 科研文献阅读、分析锻炼学生能力

最新科研动态的引入，不仅能够激发学习的兴趣，巩固学生的基础理论知识，更重要的是锻炼学生对材料领域内前沿问题的调研、归纳总结和提出问题的能力。对此，在课堂案例分析的同时，可以改进教学方法，引入研究型的教学方法，让课堂充满求知、探索及创新的活力。教师可以给学生们分配一些课后任务，如让各学生们分成若干小组，让各小组按照自己的兴趣，针对某一种先进材料，查阅若干篇最新的文献，让学生再对文献进行阅读、分析及整理的同时，主动积极思考，这些科研工作运用到了哪些本门课程的基础知识，这些研究工作中有哪些新发现，这些新发现对于材料科学的发展有什么重要意义，这些材料的开发中还存在哪些问题？针对这些思考，要求小组同学制作PPT拿到课堂上进行汇报，分享自己的学习心得，汇报完毕后，其他同学可以对内容进行讨论，通过整个过程可以使同学们理解该门课程与前沿科研之间的密切联系，也能使其自主学习的能力得到锻炼。

4 课题型教学培养创造性思维及科学素养

《材料科学基础》作为材料学科一门重要基础课，它与实验具有很强的互补性，特别是对创新性研究实验具有重要的指导性。对此，可以鼓励学有余力且有强烈科研兴趣的学生参加大学生创新基地活动、教师科研以及大学生科技创新项目。在参与过程中，老师可以向学生开放研究型实验平台，在老师的指导下，学生主动设计研究性实验，除一些关键的方法及实验操作外，整个项目都由学生自主完成，最后的学习成果以小论文的形式呈现。例如，纳米TiO2是一种典型的光催化材料，而其具有多种不同的晶型(金红石型，锐钛矿型和板钛矿型)，晶型结构对纳米TiO2的光催化活性具有很大的影响。基于此，可以让学生探究纳米TiO2的晶体结构对其光催化活性的影响规律。基于此，可以让学生先查阅资料，不同晶体结构的纳米TiO2如何制备，并着手进行实验制备纳米TiO2，随后用TEM及X射线衍射分析仪对产物的形貌及晶体结构进行分析，最终测试不同晶体结构纳米TiO2的光催化降解亚甲基蓝的性能，比较三种结构纳米TiO2的光催化活性，并从三种纳米TiO2结构的差异分析其光催化活性不同的原因。同时，纳米酶是指一类具有类似于天然酶催化活性的纳米材料，其中纳米CeO2是一种典型具有类似于超氧化物歧化酶活性的纳米酶，其纳米酶的催化活性与其形貌之间具有很大的联系，基于此，我们可以让学生先查阅大量资料，进而制备不同形貌的纳米CeO2，如立方体型，棒状以及八面体型，制备完毕之后进一步探讨这些纳米二氧化铈的超氧化物歧化酶的活性，进而通过高分辨电镜中主要暴露出的晶面不同解释其超氧化物歧化酶活性不同的原因，通过整个课题的进行使学生们深刻了解材料的性质主要是由其结构所决定的。通过整个课题的实施过程中，能使学生们积极查阅文献，分析实验现象、整理数据、通过数据得出结果，从而培养学生发现问题、分析问题及解决问题的能力，促使创造性思维、科研实践能力及科学素养的养成及提升。需要注意的是，创新性实验的进行过程必须要符合实验室的各项规章制度，参与课题的学生必须要参加实验室仪器使用、实验室安全等方面的培训。

5 结 语

针对《材料科学基础》在材料类专业课程体系中的重要性以及教材内容的明显滞后性，本文结合作者在教学实践过程的经历，提出了将前沿科研动态引入课堂的做法，一方面将前沿科研动态以及科技文献中大型仪器的材料表征结果引入课堂，另一方面鼓励学生积极参与科技文献的阅读分析以及教师的开放性研究课题，从而可以丰富课程教学内容、加深学生对材料结构特征的理解、也可以锻炼学生发现问题、解决问题能力，并促使创造性思维及科学素养的形成，为将来优化课堂教学以及高校本科人才培养提供了一些参考。