材料科學與工程：工程界的多面手

本文主角：材料科學與工程

講述人：黃利景（西北大學）

適合人群：熱愛求知與探索，對新能源、新材料的研發，長期從事材料學的科學研究工作感興趣的同學

從字面上看，很多人可能不知道材料科學與工程究竟是一個什么樣的專業，只知道屬于理工科。相較于物理學與化學等研究原理和過程的專業，材料科學與工程其實是面向工程需求和研究結果的專業，關注的是應用需求，注重工程價值的應用。

以需求驅動研究

當你真正開始學習材料科學與工程時，才會發現它既陌生又熟悉。何出此言呢？因為盡管在中學里并未設置與其相對應的專業課程，但是在化學和物理課程的學習過程中，經常會接觸一些材料學的基礎知識。因而說這個專業于廣大學生而言其實是熟悉的。那上了大學，該專業在本科期間主要學習哪些內容呢？

作為工科專業的一種，材料科學與工程的學生必定會學習高等數學、線性代數、普通物理等工科基礎課。在本科學習的入門階段，大一大二期間主要聚焦于對專業基礎課的學習，包括物理化學、分析化學、材料生產設備、材料科學與工程概論等。看到這一連串的化學課程，可能有些同學會問：“這到底是材料系還是化學系啊？”其實無論什么材料，影響其性能的因素無外乎其化學結構。因此，這幾門與化學相關的課程可以說是研究材料性能的基礎，是材料學的基石。升入大三后才會深入學習更為專業的知識，包括材料物理性能、材料力學、材料工程基礎電化學、工程材料力學性能、物理冶金原理、現代材料研究技術等。無論你學習的是材料學的哪個方向，這幾門課程都是必不可少的。

材料學是一門綜合性相當強的學科，即使我們的主要研究方向或者工作方向只是某一種材料，對其他材料的性質也應該有所了解。因為材料的工作環境不是單一的，它只有與其他材料共同合作才能更好地發揮功效。比如“神十飛船”的合金外殼和外面附著的吸熱耐高溫涂料，一個是金屬，一個是有機物基非金屬化合物，如何將兩者牢固地結合起來？這一問題就涉及兩種材料各自的結構及性質。一言以蔽之，材料學專業的學生最終需要達到的學習目標，都應該包括以下方面：掌握數學和物理、數學和化學理論，應用工學與計算機，解決實際材料方面的問題。

以維度驅動未來

那材料科學與工程專業適合什么樣的學生報考呢？在我看來，判斷自己是否適合進入材料學這個領域學習，能力維度是基本要素。下面我主要聚焦于對能力維度的認識與培養進行講述。

結合材料科學與工程專業所涉及的課程，不難推斷出首先必須具備的便是物理、化學能力。該專業學生所學的內容，物理大致占六成，化學大致占四成。因此，如果你希望大一進校后能較快適應學習，最好有較好的物理、化學基礎。不過，值得注意的一點是，較好的物理、化學基礎并不等于高中的物理、化學成績好。因為高中物理、化學的內容和學習方法跟大學是很不一樣的。從學科內容來說，高中化學記憶的內容多、計算相對少，而大學化學是一個專業大類，存在很多分支學科，需要很多其他學科的基礎知識，例如數學、物理、生物、計算機等。因此，高中化學學得好，不代表有能力學好大學化學。高中物理與大學物理所用的數學基礎也很不一樣，高中用一次和二次函數分析物理問題，大學普通物理會運用到微積分，這是兩種思維體系，也是從定性分析到定量研究的過渡。還有一點要注意，相比于物理學、化學等理科基礎專業，材料學對于數學能力的要求相對較低，最多會用到高數、微分方程、概率論。因此數學不是非常好的同學，也可以考慮報考材料科學與工程專業。

再者便是實驗能力，但并非所有的材料學專業方向都需要很強的實驗能力。一般來說，功能材料（半導體、超導）方向需要較強的實驗能力，而結構材料（金屬、水泥、陶瓷）方向對實驗能力的要求并不是很高。

最后，進入大學之后的學習大多數依賴于自學能力，材料科學與工程專業也不例外。如果你高中的理化基礎較薄弱，但在做了一定了解以后，仍對這個專業有興趣，也可以繼續報考。只是在這種情況下，你就需要加強自己的自學能力、自律能力。材料學的理化相關課程，難度比純理科專業低，對數學的要求也較低，如果你的自學能力強，可以彌補入學前的差距。

以實踐豐富認知

材料科學與工程專業的實踐調研可謂是豐富多彩、新穎有趣，下面我以我們學校的“課程思政”立項課程《航空航天材料概論》，師生走訪太古飛機工程有限公司為例展開詳細敘述。該課程通過手工實驗、翻轉課堂、團隊討論、實地調研等豐富多彩的形式，讓學生全面、系統地了解航空航天材料方面的理論基礎知識，掌握材料的化學成分、結構、組織和性能之間的依賴關系及其變化規律，學習金屬、陶瓷、高分子等航空航天材料的使用范圍及部分失效分析案例。

大三時，老師帶領我們赴太古飛機工程有限公司進行走訪調研，了解波音737/747、空客330/340等大型商用飛機的維修改裝過程，學習航空材料的使役環境及使役要求。通過企業走訪，幫助我們深刻體悟“精益求精、追求完美、開拓創新”的航空精神與工匠精神。這種新穎的授課方式極大激發了我的學習興趣，不僅讓我對課堂知識有了進一步的深化理解，還有助于我進一步樹立科技報國之志與責任擔當之心。

作為一個充滿挑戰與趣味的專業，材料科學與工程并不是遙不可及的，它與我們的生活息息相關。在這個苦樂參半的學習過程中，我不但收獲了豐富的知識，而且激發了我求知與探索的熱情，我將用一輩子的時間長度，以飽滿的熱情投入材料學的科學研究中。也歡迎學弟學妹們積極報考，與我一同沉浸于材料科學與工程的浩瀚海洋里！