基于文獻調研的《材料科學基礎》教學的思考

許子強

(湖北大學材料科學與工程學院，功能材料綠色制備與應用教育部重點實驗室，湖北 武漢 430062)

《材料科學基礎》作為材料類專業的重要核心基礎必修課程，其內容涉及物理化學、大學物理、無機化學等課程，在材料類專業課程體系中起到重要的承前啟后的作用。本門課程涉及的內容頭緒多，包括原子結構及鍵合、固體結構、晶體缺陷、擴散、形變、相圖等內容，所有內容都是學習的重點，且難度較大，這就導致了學生們學習時普遍反應難度較大，本門課程一直都是材料課程專業中的“攔路虎”。

《材料科學基礎》的專業教材出版具有一定的周期，教材中的內容通常會明顯滯后于學科前沿知識[1]。同時，材料科學基礎不僅是材料類專業學生的基礎理論課，也是材料科學研究從業人員的知識庫，材料科學的發展與材料的發展是相輔相成的。同時，新材料技術的飛速發展促進了材料科學知識的快速迭代，從而使材料類的高校畢業生參加工作時缺乏一定的新材料科學及新技術的知識儲備，最終導致高校的教學與應用實踐嚴重脫節。美國哈佛大學的亨利·羅索夫斯基院長認為：“教學與科研是相輔相成的，沒有科研為高校的教學提供新的思想及素材，該高校的教學水平是較難提高的[2]”。而德國的威廉·馮洪堡也提出了“教學與科研相統一”的觀點，核心觀點在于將前沿科研動態引入教學[3]。因此，課堂中引入的前沿科研動態能夠實現科研向優質教學內容的有效轉化，可見科研與教學具有非常密切的聯系。該文將就《材料科學基礎》科學的授課實踐，針對前沿科研的最新動態在教學中的一些運用加以總結及思考。

1 前沿科研成果豐富基礎教學內容

《材料科學基礎》是“材料科學與工程”類專業最重要的專業基礎課，其課程內容特點主要體現在內容繁多、關聯學科多、原理規律多，概念定義多，微觀結構抽象。學生們普遍反映該門課程內容枯燥及學習難度很大，這也對教師的授課提出了巨大的挑戰。一方面，專業書籍的出版較早，課本的內容通常滯后于最新的前沿學科知識。

因此，教師可以將最新的材料科學相關的科研成果及動態引入課堂，在基礎課程的講解中穿插各種前沿熱點工作。一方面，可以使學生們了解相關領域的發展潛力，提高學生對課程的重視程度；另一方面，可以調動學習的積極性與課堂的趣味性，加深學生對抽象理論知識的理解，最終獲得良好的教學成效。

(1)學生對本門課程的認識一般都是從緒論課開始的，第一節課設計的優劣，直接影響學生對后續課程的學習興趣。因此，可以在緒論課中適當引入前沿科研動態，提高學生學習的積極性。在緒論部分，要讓學生知道材料科學基礎的核心問題就是研究“成分-結構-性能”這個黃金三角之間的關系[4]。基于此，可以把2019年發表在Science上關于抗沖擊的仿生玻璃復合材料的工作引入緒論課中[5]。雖然常規玻璃的透明度、硬度及耐久性較好，但玻璃的脆性、低耐沖擊性使其成為了日常生活中最薄弱的環節。該研究借鑒了自然界中貝殼珍珠層的結構，構建了一種具有類似3D“磚-泥”微觀結構的玻璃，在保留高透明度、強度和剛度的同時，還具有高韌性，它的抗沖擊性得到了大幅度提高。相應的，也可以進一步從傳統陶瓷的脆性引出陶瓷材料領域中的先進研究成果—納米陶瓷，簡單介紹納米陶瓷具有良好韌性的原因，即納米陶瓷中晶粒較小且具有大量的晶界。通過該實例鞏固學生們對于材料科學中“成分-結構-性能”這個黃金三角關系的理解，明白不同的材料具有不同的性能、即使是同種材料也可能具有不同性能，這是由于材料的性能主要由其成分及結構決定的。從而在激發學生學習興趣的同時，也可以使學生更好的理解材料科學基礎的核心問題，認識到前沿科研動態與課本上的基礎知識是一脈相承的。

(2)在介紹晶體的塑性變形時，可以把發表在Science上關于合金中的納米級錯配界面層對其性能影響的文章給大家介紹[6]。基于噴氣渦輪葉片及其它高溫條件中使用的大多數傳統合金材料中強度及熱穩定性較差，從而導致其在工程領域難以應用的問題。該研究發現在Ni-Co-Fe-Al-Ti的制備過程中，加入少量的硼元素可以制備得到超高強度性能的合金，其原因在于硼元素的引入使合金中形成了大量納米尺度的錯配界面，從而改善了材料的延展性，同時抑制了高溫中晶粒的生長。借此，帶大家認識到合金的強度除與晶體結構的類型有關之外，還與什么有關？答案是晶界的結構有關。進一步層層遞進的將多晶體的塑性變形、單相固溶體合金及多相固溶體合金的塑性變形等知識點進行梳理和歸納。讓學生們在了解前沿科研成果的同時鞏固已學知識，明白最新的科研動態與教材中的內容是密不可分的。

2 先進材料表征手段加深對結構特征認識

正如前面所說，材料科學基礎的核心問題是研究“成分-結構-性能”這個黃金三角之間的關系，材料的結構對材料的性能具有決定性影響，同時材料的微觀結構非常抽象，晦澀難懂。通常情況下，材料內部的微觀結構的表征必須要依靠現代大型儀器表征技術，如透射電子顯微鏡和X-射線衍射儀等。

基于此，授課教師可以將科技文獻中的材料表征結果在課堂上呈現給學生們，讓同學們切實感受到材料的基本結構特征。如在介紹固體的晶體結構時，教師通常采用繪圖和球棍模型的方式講解每種點陣的基本特征，而在透射電子顯微鏡下，可以對實際樣品的結構進行動態觀察。因而可以通過表征圖片將材料的原子級圖像呈現給學生們，加深學生對固體晶體結構的認識及理解。而在介紹晶體結構中的缺陷時，如點缺陷、位錯及界面，同樣也可以將材料中的各種缺陷的透射電子顯微鏡圖片介紹給同學們，使學生們充分理解晶體結構中各種缺陷的結構特征及它們之間的異同點。在利用表征結果實施教學的過程中，可以針對固體晶體結構的知識點進行發散思維，如實際觀察到的透射電子顯微鏡衍射花樣屬于哪種晶體點陣類型？觀察到的晶體缺陷屬于哪種類型？對于獲得的實際晶體結構應該如何分析？例如，我們在介紹面心立方結構時，我們可以給出Au或Ag這兩種典型的面心立方結構金屬的高分辨電子顯微鏡圖片，電子衍射花樣以及其X射線衍射圖譜，通過對這些結構表征的數據結果讓大家深刻的了解到面心立方結構的特征及特點。相應的，我們也可以拿出金屬Cd(密排六方結構)的一系列結構表征數據，如高分辨電子顯微鏡圖片，電子衍射花樣以及其X射線衍射圖譜，通過對金屬Cd的表征結果的學習，不僅使同學們深刻了解密排六方結構的特征及特點，同時也可以跟金或銀的結構進行對比分析，讓大家了解面心立方結構與密排六方結構的異同點。又如在介紹晶體中的點缺陷時，我們可以拿出MoS2的高分辨電鏡圖譜，首先通過對比分析1T型MoS2和2H型MoS2的高分辨電子顯微鏡，讓大家初步了解MoS2的兩種晶體結構的差異，然后進一步觀察2H型MoS2的含有缺陷的高分辨透射電子顯微鏡，詳細的了解MoS2晶體結構中典型的空位缺陷與間隙缺陷。這種先進的結合材料結構表征手段的教學方式可以讓學生更好的理解和掌握固體結構的相關知識。

3 科研文獻閱讀、分析鍛煉學生能力

最新科研動態的引入，不僅能夠激發學習的興趣，鞏固學生的基礎理論知識，更重要的是鍛煉學生對材料領域內前沿問題的調研、歸納總結和提出問題的能力。對此，在課堂案例分析的同時，可以改進教學方法，引入研究型的教學方法，讓課堂充滿求知、探索及創新的活力。教師可以給學生們分配一些課后任務，如讓各學生們分成若干小組，讓各小組按照自己的興趣，針對某一種先進材料，查閱若干篇最新的文獻，讓學生再對文獻進行閱讀、分析及整理的同時，主動積極思考，這些科研工作運用到了哪些本門課程的基礎知識，這些研究工作中有哪些新發現，這些新發現對于材料科學的發展有什么重要意義，這些材料的開發中還存在哪些問題？針對這些思考，要求小組同學制作PPT拿到課堂上進行匯報，分享自己的學習心得，匯報完畢后，其他同學可以對內容進行討論，通過整個過程可以使同學們理解該門課程與前沿科研之間的密切聯系，也能使其自主學習的能力得到鍛煉。

4 課題型教學培養創造性思維及科學素養

《材料科學基礎》作為材料學科一門重要基礎課，它與實驗具有很強的互補性，特別是對創新性研究實驗具有重要的指導性。對此，可以鼓勵學有余力且有強烈科研興趣的學生參加大學生創新基地活動、教師科研以及大學生科技創新項目。在參與過程中，老師可以向學生開放研究型實驗平臺，在老師的指導下，學生主動設計研究性實驗，除一些關鍵的方法及實驗操作外，整個項目都由學生自主完成，最后的學習成果以小論文的形式呈現。例如，納米TiO2是一種典型的光催化材料，而其具有多種不同的晶型(金紅石型，銳鈦礦型和板鈦礦型)，晶型結構對納米TiO2的光催化活性具有很大的影響。基于此，可以讓學生探究納米TiO2的晶體結構對其光催化活性的影響規律。基于此，可以讓學生先查閱資料，不同晶體結構的納米TiO2如何制備，并著手進行實驗制備納米TiO2，隨后用TEM及X射線衍射分析儀對產物的形貌及晶體結構進行分析，最終測試不同晶體結構納米TiO2的光催化降解亞甲基藍的性能，比較三種結構納米TiO2的光催化活性，并從三種納米TiO2結構的差異分析其光催化活性不同的原因。同時，納米酶是指一類具有類似于天然酶催化活性的納米材料，其中納米CeO2是一種典型具有類似于超氧化物歧化酶活性的納米酶，其納米酶的催化活性與其形貌之間具有很大的聯系，基于此，我們可以讓學生先查閱大量資料，進而制備不同形貌的納米CeO2，如立方體型，棒狀以及八面體型，制備完畢之后進一步探討這些納米二氧化鈰的超氧化物歧化酶的活性，進而通過高分辨電鏡中主要暴露出的晶面不同解釋其超氧化物歧化酶活性不同的原因，通過整個課題的進行使學生們深刻了解材料的性質主要是由其結構所決定的。通過整個課題的實施過程中，能使學生們積極查閱文獻，分析實驗現象、整理數據、通過數據得出結果，從而培養學生發現問題、分析問題及解決問題的能力，促使創造性思維、科研實踐能力及科學素養的養成及提升。需要注意的是，創新性實驗的進行過程必須要符合實驗室的各項規章制度，參與課題的學生必須要參加實驗室儀器使用、實驗室安全等方面的培訓。

5 結 語

針對《材料科學基礎》在材料類專業課程體系中的重要性以及教材內容的明顯滯后性，本文結合作者在教學實踐過程的經歷，提出了將前沿科研動態引入課堂的做法，一方面將前沿科研動態以及科技文獻中大型儀器的材料表征結果引入課堂，另一方面鼓勵學生積極參與科技文獻的閱讀分析以及教師的開放性研究課題，從而可以豐富課程教學內容、加深學生對材料結構特征的理解、也可以鍛煉學生發現問題、解決問題能力，并促使創造性思維及科學素養的形成，為將來優化課堂教學以及高校本科人才培養提供了一些參考。