材料类专业导论课教学内容设置新探

于 杰

哈尔滨工业大学(深圳)材料科学与工程学院 广东深圳 518000

“材料科学与工程导论”(下称材料导论)是一门非常特殊的课程,在内容与功能等方面与其他课程均有很大不同。材料类各专业其他课程在功能和内容设置方面都很明确具体,没有可商讨变动的余地,如“材料科学基础”就包括晶体结构、缺陷、扩散、相变与相图等内容,非常具体明确,其课程功能就是把这些具体知识传递给学生。而材料导论课所面临的情况则比较复杂,第一,材料导论课没有明确具体的内容,可选内容覆盖范围大,界限不明确,具体确定其内容所面临的抉择难度大;第二,材料导论的功能与目标具有不确定空间,是传授思想还是传授知识,传授什么思想需要探讨,传授哪些知识需要确定,通过哪些内容传授思想需要确定;第三,材料导论课是一门年轻的课程,应该包含什么内容、达到什么深度并未尘埃落定。这些问题的存在正是因为材料导论课的历史还不够长,教学实践还不够多,讨论沉淀还不够充分,因此需要进一步的思考与实践。笔者从2016年起在哈尔滨工业大学(深圳)开设材料导论课,课程讲义全部自己编写,经过多年的教学实践有一些心得体会,本文在此做一个总结汇报,以求起到抛砖引玉,促进材料导论课日臻完善的目的。

一、国内外“材料科学与工程导论”课程设置现状

材料导论是一门年轻的课程,由于调查渠道所限,笔者在此并不能确定各个学校开设这门课的具体起始时间,但大概推测应该是2000年左右,证据之一是就作者所知,国内最早的《材料科学与工程导论》教材是2002年出版的[1],证据之二是一份网络资料提到北京科技大学于2003年开始开设“材料科学与工程导论”课(https://m.thepaper.cn/baijiahao_21418141)。二十余年来,材料学科教育界的教师专家们进行了大量的探索和实践,取得了丰硕的成果,逐步建立了目前材料导论课的教材体系,目前能够公开查到的教材有5种[1-5],了解这些教材的内容有助于理解目前国内材料导论课的现状及未来的改进方向。

教材[1]主要内容包括材料与人类、工程材料概述、工程材料的基本性能、材料的原子结构和原子间结合键、固体材料中原子的排列与缺陷、固体材料热力学状态:自由能—相图—相与组织、固体材料动力学过程:激活与扩散及相关材料行为、工程材料强化与韧化的主要途径、工程材料的制备。教材[2]主要内容包括工程材料的基本性能、材料的原子结构和原子间结合键、金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料、新材料简介、材料的强化与表面处理、材料的设计与选择。教材[3]的主要内容包括原子结构和原子间结合键、晶体结构、凝固—晶体缺陷和扩散、相图、铁—碳化铁相图和微结构、高分子材料、陶瓷材料、金属的机械性质、材料的电性质与超导、材料的磁学性质与磁性材料、材料的光学性质、腐蚀、复合材料。教材[4]的主要内容为晶体结构、高分子材料、金属材料、陶瓷材料、复合材料、材料的腐蚀和降解。教材[5]的主要内容为材料的成分结构和性能、矿石中提取金属、高性能金属材料、高强轻质金属材料、亚稳态金属材料、磁性材料、新型无机非金属材料、高分子材料、碳及能源材料、有机光电材料特性与应用、材料成型与过程控制、3D打印与增材制造、生物医用材料与修复应用、材料基因工程与高通量计算、极端条件下的材料行为、材料的分析与表征等。综合比较,这些教材内容设置彼此有共同点,也有很大的差别。教材[1]—[4]彼此更接近一些,这些教材包含的内容在类别上是相似的,都包括基础理论部分和具体材料介绍,有较大比例的重合内容,如基础理论部分大都介绍了晶体结构和材料性能,具体材料部分大都介绍了金属材料、陶瓷材料、高分子材料等。另一方面,这些教材彼此之间内容的差别也很大,如材料热力学、材料动力学、化学键、复合材料、材料加工制备等部分各个教材选取的内容及占比差别较大。教材[5]与教材[1]—[4]差别很大,教材[5]基本不包括基础理论部分,但在具体材料介绍方面包含内容很多,并有冶金学和材料表征方面的内容。这些教材所呈现的显著差异也说明这门课的确还没发展到成熟稳定阶段,还没达成共识,这对材料专业教育是不利的,需要进一步探索、讨论,尽快达成共识,形成一门体系完善、内容稳定、功能明确的材料导论教材。

笔者也对国外材料导论课教材做了调研,查阅了3种代表性教材[6]—[8]。教材[6]的主要内容包括物质与能量、原子结构、化学键合、分子轨道、无机化合物、聚合物、有机固体、金属、几何晶体学、结构缺陷、表面和界面、扩散、化学平衡和反应速率、电化学反应、腐蚀和氧化、相图、相变、结构和性质变化、弹性行为、永久变形、机械失效、固体导电性、半导体、材料的热性能、磁性行为、介电材料、光学性质。教材[7]主要内容包括原子结构与键合、晶体学基础、固体结构、高分子结构、晶体缺陷、扩散、金属的力学性质、位错和强化机制、失效、相图、相变、金属的性质及应用、陶瓷的性质及应用、高分子的性质及应用、复合材料、工程材料的加工工艺、材料的腐蚀和降解、电性能、热性能、磁性能、光性能、材料科学与工程中的经济—环境与社会问题。教材[8]的主要内容包括缺陷和扩散、金属和半导体的电学性质、金属和合金的力学性能、相图、陶瓷和复合材料、聚合物、金属和合金的腐蚀和氧化、磁性、薄膜、促进可持续发展。从内容设置上看,国外材料导论教材与国内差别很大,国外教材普遍内容更多、更深、更全面、更系统、更偏向基础,其内容类似于国内的“材料科学基础”,不是一门专业引导课,国内材料导论课的设置应该是一个创新性的探索。由此可见,在材料导论课的设置上,国外并没有现成经验可供借鉴,需要我们独立探索。

二、“材料科学与工程导论”内容设置指导思想探讨

如上所述,国内材料导论课教材建设已经取得很大进展,为该课程的教学实践提供了良好条件。总体来看,这些教材的主要内容都是节选自材料专业其他课程,或者说是其他专业课程的简要汇编,属于材料专业的具体知识,因此可以认为目前材料导论课教材都是知识传授型。显而易见,对于材料类各专业的学生来说,目前材料导论课内容设置与后续课程是重复的,即使不上材料导论课学生也有机会学习相关内容,这些专业知识后续都会有专门的课程进行更系统深入的讲授,从知识传授的角度看,材料导论课设置的必要性不像其他普通课程那么大。这门课大都是在大一年级开设,从实践中看,大一学生不具备足够的基础学习这些知识,而且这些教材内容涉及面广,但不系统不深入,对于大一的学生较难掌握,并且这种简介式的学习方式容易形成“夹生饭”,造成似懂非懂的感觉,影响后续学习。目前的材料导论课教材对于非材料专业的学生比较合适,如机械、电子、半导体、物理、化学等专业,而对于材料类专业的学生来说则存在较大的问题,需要进一步讨论探索。

材料导论课内容设置一个基本原则应该是不与后续课程大面积重复,能够让学生学到后续课程学不到的内容,凡是后续课程要讲的内容尽量不在此课程中出现。基于此一原则,对于材料类专业的学生来说,材料导论课不应该是知识传授型,其功能不是传授具体的专业知识,因为所有的重要专业知识都有相应的专门课程讲授。由此提出了一个问题,那就是材料类专业导论课的功能到底是什么?答案应该是思想引导,通过本课程的学习建立材料的思维方式,以材料的角度看问题,以材料的方法解决问题,并最终建立材料的文化。要达到思想引导的目的在教学过程中就要解决这样一些问题,如材料科学从何而来?材料科学的知识环境是什么?材料科学知识体系的逻辑结构是什么?材料科学的基本内容是什么?材料科学的发展规律是什么?材料科学的研究方法是什么?材料科学对社会的作用机制是什么?鉴于这些思考,作者认为材料类专业导论课的功能可概括为服务于材料科学与工程专业学生,建立材料的思维方式、思想体系和文化习惯。其设置指导思想是:(1)大视野:以材料的观点看世界,以世界的角度看材料;(2)系统性:从材料科学整体逻辑结构的视角看待具体知识点;(3)历史观:从历史的角度看材料科学发展的规律;(4)思想性:从纷繁的现象和事件中抽象普遍性的原则;(5)方法论:从因果成败中学习材料创新的方法;(6)趣味性:以讲故事、话古今的方式组织教学内容。

为服务于思想引导的教学目的,材料导论课的内容要从全局视角组织安排,以材料科学发展的整体逻辑结构和历史脉络为主线,在各逻辑层级尽量以共性线索为依据安排内容,具体知识讲授时要植根于整体知识环境,体现逻辑性和系统性,两头相牵于整体知识体系,从何处来,向何处去,基础理论的讲授一头牵于知识源头,一头牵于其在材料科学中的作用,工艺技术和具体材料的讲授一头牵于知识源头,一头牵于应用场景。笔者在教学过程中谈论课程背景时曾利用图1和图2说明本课程的内容设置特色,图1展示了结构材料力学性能的知识环境与应用背景,具体讲解思路如下:结构材料具有广泛应用,力学性能是其应用指标,其力学性能由晶体结构、晶粒结构、成分组成决定,晶体结构知识的建立首先基于原子的发现,原子的发现基于定比倍比定律、电子的发现和原子核的发现,电子的发现基于阴极射线管的研究,原子核发现的重要条件是放射性的发现;晶体结构的测试方法主要有X射线衍射和电子衍射技术,X射线衍射技术的建立基于X射线的发现、X射线晶体衍射的发现和晶体衍射理论的建立,X射线的发现源于阴极射线管的研究,晶体衍射理论建立的重要基础是经典光学;电子衍射技术建立的理论基础是波粒二象性、电子衍射理论和固体理论,电子衍射理论建立的主要基础是X射线晶体衍射理论和经典光学;晶粒结构的理论基础是热力学、动力学、矿物学、结晶学,晶粒结构观察依赖于光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜,光学显微镜建立的主要基础是经典光学,扫描电子显微镜和透射电子显微镜进行晶粒观察的重要理论基础是固体理论,主要是高能粒子与固体的相互作用;成分组成主要测试技术的理论基础是原子物理和固体理论。图2展示了半导体硅的应用及其理论基础,讲解思路如下:半导体硅具有广泛而重要的应用,其应用的实现基于对其半导体性质的认识,其基础就是固体物理,固体物理建立的基础是量子力学,量子力学的建立基于黑体辐射、光电效应、原子光谱和波粒二象性的认识,原子光谱的知识发源于氢原子光谱的认识,氢原子光谱的发现源于真空放电管的研究,观察到氢原子光谱利用的是三棱镜分光。通过这两个图的讲解不仅可以传授具体知识,还可以揭示材料科学知识体系的逻辑结构,对学生建立材料思维十分有益。

图1 结构材料力学性能的知识基础与应用

图2 半导体硅电子器件制备技术的知识基础与应用

三、思想引导型“材料科学与工程导论”课内容设置与教学实践

为了实现思想引导的教学目的,作者在具体教学实践中自编讲义,内容组织和教学过程充分体现大视野、系统性、历史观、思想性、方法论和趣味性。整体内容分为8章,下面分章具体介绍讲义内容,并做简要分析讨论,以体现对思想引导功能的贯彻。

(一)第一章 材料与人类文明

内容包括文明发源的材料线索;文明发展的材料线索;中国疆域演进的材料线索;文明传承的材料线索;现代文明的材料线索。“文明发源的材料线索” 主要介绍各大文明发源的自然环境,包括苏美尔文明、古埃及文明、印度河文明、克里特文明和黄河文明,分析各大文明发源地的共性特征,即空旷的平原、松软的土地,揭示生产工具的低能导致文明的发源只能局限于这些区域。“文明发展的材料线索” 介绍以使用材料命名的各个文明时代,包括旧石器时代、新石器时代、铜器时代、铁器时代和现代材料时代,揭示文明发展的水平决定于材料。“中国疆域演进的材料线索”介绍中国疆域的拓展历史与材料技术的对应关系,揭示材料技术的进步促进了国家的统一、民族的融合和疆域的扩大。“文明传承的材料线索”介绍各大文明的兴衰存亡历史与所使用文字载体先进性的关系,揭示高性能的文字载体是文明传承的保障。“现代文明的材料线索”介绍支撑现代文明的主要技术与材料的关系,包括电气化、汽车、飞机、自来水、电子技术、无线电和电视、农业机械化、计算机、电话、空调制冷、高速公路、航天技术、互联网、成像技术、家用电器、保健技术、石油化工、激光和光纤,并具体介绍了几种材料及其制备技术,以形象体现现代文明的材料基础,包括硅片及硅器件、光纤、钢材及硫化橡胶轮胎、半导体发光材料与器件、锂离子电池和太阳能电池,提出揭开绚丽夺目、色彩纷呈的现代文明面纱终见现代文明的中流砥柱——材料。

通过文明的发源发展与材料关系的具体化更好地揭示材料与人类文明的关系,这种具体线索的挖掘与分类具有较大的创新性。

(二)第二章 材料科学与工程学科简介

内容包括人类材料发展简史;材料科学与工程学科发展简史;材料科学与工程学科的内容结构;材料科学与工程学科的社会角色;材料科学与工程专业课程结构。

“人类材料发展简史”主要采用《金属杂志》评选的“最伟大的材料事件”(Greatest Materials Moments)[9-10]为素材,该材料共列举了人类历史上50项重大材料事件,前20名分别为:元素周期表、熔炼铁、晶体管、玻璃、光学显微镜、水泥、坩埚炼钢、铜提炼及铸造、X射线衍射和贝塞麦炼钢法、《论非均相物质之平衡》、烧制陶瓷、锻造7米铁桩、放射性、硫化橡胶、铁碳相图、量子力学、青铜器、铅锡锑合金、原子结构模型。原文是按照重要性排列的,按照重要性讲述有利于对科学意义的理解,作者同时又按照年代顺序做了讲解,有利于领会材料科学的发展规律和内在逻辑。“材料科学与工程学科发展简史”简介了其形成过程及国内代表性大学材料学科的发展情况。“材料科学与工程学科的内容结构”简介其组成,主要包括材料结构、材料体系反应的能量基础、材料性能、材料体系的反应过程、材料制备技术、材料表征技术等,并分别列出上述各部分所包含的基础理论,如材料结构部分包括原子结合的化学键理论、原子排列的晶体学理论、位错理论、表界面理论等。“材料科学与工程学科的社会角色”指出材料是整体工业体系的支撑、材料是工业技术进步的牵引机、材料是人类社会结构和活动方式的决定因素,并以高铁系统所用材料予以说明。“材料科学与工程专业课程结构”介绍材料专业的主要课程及其层级关系。

(三)第三章 材料科学与工程基本原理与概念

首先介绍材料科学的内容组成,包括晶体结构理论(晶体学)、位错理论(固体物理、材料科学基础)、表界面理论(表界面结构、表界面物理、表界面化学)、热力学理论(扩散、相变、相图、凝固结晶、回复再结晶)、动力学理论(扩散、相变、凝固结晶、回复再结晶)、相变理论(相变热力学、相变动力学)、化学键理论(离子键、共价键、金属键、分子键、氢键)、能带理论(固体物理、量子力学)、形变理论(弹塑性力学、塑性加工基础)、合金理论,再作为例子简介晶体学、表界面理论、位错理论、能带理论和合金理论。“晶体学”包括晶体学构成、晶体结构、晶体结构的认识历史,“晶体结构的认识历史”会穿插介绍晶体衍射的思想来源和衍射理论。“表界面理论”包括表界面原子的物理化学特性、界面的类型、表面结构类型,“表面结构类型”包括理想表面、台阶表面、弛豫表面、重构表面。“位错理论”包括刃位错、螺位错、位错理论发展简史,“位错理论发展简史”穿插介绍位错概念产生的背景、位错对强度的影响规律、位错的TEM观察图像。“能带理论”包括能带理论简介、能带理论应用、能带理论的来源、能带理论发展历史。合金理论介绍固溶原子的影响机制和合金特性。

本章内容介绍尽量简单易懂,不做深入讲解,多结合实例介绍每个原理和概念的应用和物理意义。

(四)第四章 纳米材料

内容包括纳米概念的提出、纳米材料产生的科学史背景、纳米材料兴起的工具基础、纳米材料的科学内涵、纳米材料发展简史、现代纳米材料的兴起、典型纳米材料简介。“纳米概念的提出”主要内容为费曼的演讲《底部空间巨大》。“纳米材料产生的科学史背景”包括第一部分人体感知能力所及的重大科技进展历程实例(观察和推理)和第二部分工具推动的重大科技进展历程实例,第一部分包括电的发现、电子的发现、原子结构的发现等,第二部分包括三棱镜折射(推动光谱学、量子力学产生)、光学显微镜(推动微生物学、细胞生物学和金相显微学产生)、光谱仪(原子分子化学键识别、化学分析)等。“纳米材料兴起的工具基础”包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜和扫描隧道显微镜,结合发展历史讲述原理,“透射电子显微镜”中会讲述其产生的理论基础,包括波粒二象性、晶体电子衍射的发现和电磁透镜控制电子束理论;“扫描隧道显微镜”中会介绍其理论基础、发展历史和应用实例,理论基础主要是隧穿理论。“纳米材料的科学内涵”简介量子尺寸效应、体积效应、表面效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应等。“纳米材料发展简史”主要内容包括古代纳米材料遗存和早期纳米材料的研究,“早期纳米材料研究”部分会介绍Gleiter关于金属纳米晶的工作,并介绍缺陷和晶界对强度的影响规律。“现代纳米材料的兴起”主要介绍C60、碳纳米管和石墨烯的发展历史。“典型纳米材料简介”主要介绍碳纳米管和石墨烯及其应用。

将纳米材料作为一个独立章节首先推出不是因为其重要,而是因为纳米材料的发展历史可以更好地反映材料科学的发展规律。纳米材料兴起的时间比较晚,20世纪50年代才提出纳米材料的概念,20世纪80年底才真正启动纳米材料的研究,而在此之前比纳米尺度小得多的电子、原子、分子、化学键等均已发展成熟,这主要是因为纳米材料的研究依赖于观察工具,只能随着观察工具的发展而发展,体现了材料科学发展的内在规律。

(五)第五章 半导体材料

内容包括半导体材料简介、半导体基本元器件原理简介、半导体的发展历史、主要半导体材料简介。“半导体材料简介”包括半导体材料晶体结构、半导体材料电子结构、半导体材料四大特性等。“半导体基本元器件原理简介”包括肖特基二极管、p-n结、晶体管、场效应管、发光二极管等。“半导体的发展历史”从1833年英国科学家巴拉迪发现半导体电阻负温度系数开始,讲到2000年诺贝尔物理学奖授予快速晶体管、激光二极管和集成电路的发明,对于重要的半导体知识穿插介绍,如光生伏特效应种类、贝尔实验室发明晶体管等。“主要半导体材料简介”介绍硅、氮化镓、碳化硅、氮化铝、氮化硼、金刚石等。

本章内容安排将半导体发展历史与半导体材料与器件的特性融为一体介绍,能够更生动地展示课程内容,有利于学生理解,同时增加趣味性。

(六)第六章 能源材料

内容包括能源材料的功能分类、太阳能电池、燃料电池、锂离子电池、超级电容器、制氢材料、贮氢材料。“太阳能电池”包括太阳能电池基本原理与结构、太阳能电池材料分类、太阳能电池发展历史、硅基太阳能电池、化合物太阳能电池;“硅基太阳能电池”包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池;“化合物太阳能电池”包括砷化镓太阳能电池、碲化镉太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池。“燃料电池”包括燃料电池原理与结构、燃料电池发展历史、燃料电池催化剂;“燃料电池催化剂”包括Pt/C催化剂、掺氮碳纳米管、掺氮石墨烯。“锂离子电池”包括锂离子电池发展历史、锂离子电池的工作原理与结构、正极材料、负极材料。“超级电容器”包括双电层超级电容器工作原理、赝电容器工作原理、双电层超级电容器电极材料、赝电容器电极材料等。

本章内容以功能为线索按照发电、储电、制氢、储氢顺序安排,突出材料,注重原理,注重比较和联系,历史讲授与具体原理相结合,提高讲授的生动性和整体感。

(七)第七章 结构材料

内容包括结构材料的分类与应用、结构材料基础理论、结构材料特性与发展历史、高分子材料。“结构材料的分类与应用”包括金属材料、无机非金属材料、复合材料简介及其应用。“结构材料基础理论”包括晶体结构、相变与相图、力学性能的结构基础、结构材料强韧化途径。“结构材料特性与发展历史”介绍代表性材料的特性与发展历史,代表性材料包括钢铁、铝合金、氧化物陶瓷及其复合材料、碳纤维复合材料等,特性包括拉伸强度、弯曲强度、硬度、抗氧化性、化学稳定性等。高分子材料包括分类与应用、基础理论、特性、发展历史等。

本章内容讲述贯彻整体性和系统性的要求,在结构上不以材料类型为依据安排内容,而是以共性特征为依据安排内容。为了顾及高分子材料的特殊性,在内容安排上将其单列,作为一个独立系统单独介绍。

(八)第八章 其他功能材料

内容包括导电材料、导热材料、发光材料、传感器材料、电磁屏蔽材料、装饰涂层材料。“导电材料”介绍金属导线、导电填料、导电浆料、导电复合材料。“导热材料”介绍金属、石墨烯、金刚石及其浆料、薄膜、复合材料。“发光材料”主要介绍荧光材料与应用。“传感器材料”包括气敏、热敏、光敏、力敏、离子敏、磁敏材料等,“电磁屏蔽材料”包括飞机、航天、通信、等离子体设备、计算机等领域应用材料。“装饰涂层材料”主要介绍PVD、CVD和电镀方法制备的装饰材料,侧重颜色控制,兼顾机械和防腐性能。

本章内容安排在一级结构上以功能为依据,二级结构根据情况以功能、材料形式或应用领域为依据。教学目的是使学生知道有此类应用和此类材料,了解基本知识,开阔视野,启发思想。

结语

材料类专业导论课是一门年轻的课程,这门课的意义和功能还需要在实践中进一步探索确立。该课程的意义依赖于其内容设置,合适的内容设置能够极大地提高该课程教学效果,增强课程的意义,使该课程成为材料专业一门必不可少的课程。该课程的内容应该填补现有教学体系的空白,提供其他课程不能提供的内容,实现其他课程不能实现的功能,避免与其他课程内容的重复是本课程内容设置的重要要求。该课程的功能应该定位为思想引导,通过本课程的学习建立材料的思维方式,以材料的角度看到问题,以材料的方法解决问题,并最终建立材料的文化。为达此目的,该课程内容设置应坚持大视野、系统性、历史观、思想性、方法论、趣味性。在具体教材内容设置上注重统一性、系统性和引领性,不以具体材料或具体知识为依据安排内容,寻找能够将整体知识联系在一起的线索,贯彻整体性和系统性的要求,以特性、功能或应用等共性或覆盖面大的特征为线索安排内容,注重发展历史的讲授,历史讲授与具体原理相结合,将专业知识与发展历史融为一体介绍,注重比较和联系,以更好地体现思想性。基于上述内容设置,材料类专业导论课将成为一门思想性强、内容丰富、功能独特的独立课程,在材料科学与工程专业教育中发挥不可替代的作用。