基于文獻調(diào)研的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)的思考

許子強

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

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》作為材料類專業(yè)的重要核心基礎(chǔ)必修課程，其內(nèi)容涉及物理化學(xué)、大學(xué)物理、無機化學(xué)等課程，在材料類專業(yè)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(nèi)容頭緒多，包括原子結(jié)構(gòu)及鍵合、固體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、擴散、形變、相圖等內(nèi)容，所有內(nèi)容都是學(xué)習(xí)的重點，且難度較大，這就導(dǎo)致了學(xué)生們學(xué)習(xí)時普遍反應(yīng)難度較大，本門課程一直都是材料課程專業(yè)中的“攔路虎”。

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的專業(yè)教材出版具有一定的周期，教材中的內(nèi)容通常會明顯滯后于學(xué)科前沿知識[1]。同時，材料科學(xué)基礎(chǔ)不僅是材料類專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)理論課，也是材料科學(xué)研究從業(yè)人員的知識庫，材料科學(xué)的發(fā)展與材料的發(fā)展是相輔相成的。同時，新材料技術(shù)的飛速發(fā)展促進了材料科學(xué)知識的快速迭代，從而使材料類的高校畢業(yè)生參加工作時缺乏一定的新材料科學(xué)及新技術(shù)的知識儲備，最終導(dǎo)致高校的教學(xué)與應(yīng)用實踐嚴重脫節(jié)。美國哈佛大學(xué)的亨利·羅索夫斯基院長認為：“教學(xué)與科研是相輔相成的，沒有科研為高校的教學(xué)提供新的思想及素材，該高校的教學(xué)水平是較難提高的[2]”。而德國的威廉·馮洪堡也提出了“教學(xué)與科研相統(tǒng)一”的觀點，核心觀點在于將前沿科研動態(tài)引入教學(xué)[3]。因此，課堂中引入的前沿科研動態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)科研向優(yōu)質(zhì)教學(xué)內(nèi)容的有效轉(zhuǎn)化，可見科研與教學(xué)具有非常密切的聯(lián)系。該文將就《材料科學(xué)基礎(chǔ)》科學(xué)的授課實踐，針對前沿科研的最新動態(tài)在教學(xué)中的一些運用加以總結(jié)及思考。

1 前沿科研成果豐富基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是“材料科學(xué)與工程”類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其課程內(nèi)容特點主要體現(xiàn)在內(nèi)容繁多、關(guān)聯(lián)學(xué)科多、原理規(guī)律多，概念定義多，微觀結(jié)構(gòu)抽象。學(xué)生們普遍反映該門課程內(nèi)容枯燥及學(xué)習(xí)難度很大，這也對教師的授課提出了巨大的挑戰(zhàn)。一方面，專業(yè)書籍的出版較早，課本的內(nèi)容通常滯后于最新的前沿學(xué)科知識。

因此，教師可以將最新的材料科學(xué)相關(guān)的科研成果及動態(tài)引入課堂，在基礎(chǔ)課程的講解中穿插各種前沿?zé)狳c工作。一方面，可以使學(xué)生們了解相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿?，提高學(xué)生對課程的重視程度；另一方面，可以調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性與課堂的趣味性，加深學(xué)生對抽象理論知識的理解，最終獲得良好的教學(xué)成效。

(1)學(xué)生對本門課程的認識一般都是從緒論課開始的，第一節(jié)課設(shè)計的優(yōu)劣，直接影響學(xué)生對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)興趣。因此，可以在緒論課中適當(dāng)引入前沿科研動態(tài)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。在緒論部分，要讓學(xué)生知道材料科學(xué)基礎(chǔ)的核心問題就是研究“成分-結(jié)構(gòu)-性能”這個黃金三角之間的關(guān)系[4]?；诖?，可以把2019年發(fā)表在Science上關(guān)于抗沖擊的仿生玻璃復(fù)合材料的工作引入緒論課中[5]。雖然常規(guī)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(huán)節(jié)。該研究借鑒了自然界中貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一種具有類似3D“磚-泥”微觀結(jié)構(gòu)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(yīng)的，也可以進一步從傳統(tǒng)陶瓷的脆性引出陶瓷材料領(lǐng)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(xué)生們對于材料科學(xué)中“成分-結(jié)構(gòu)-性能”這個黃金三角關(guān)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(jié)構(gòu)決定的。從而在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，也可以使學(xué)生更好的理解材料科學(xué)基礎(chǔ)的核心問題，認識到前沿科研動態(tài)與課本上的基礎(chǔ)知識是一脈相承的。

(2)在介紹晶體的塑性變形時，可以把發(fā)表在Science上關(guān)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]?；趪姎鉁u輪葉片及其它高溫條件中使用的大多數(shù)傳統(tǒng)合金材料中強度及熱穩(wěn)定性較差，從而導(dǎo)致其在工程領(lǐng)域難以應(yīng)用的問題。該研究發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的類型有關(guān)之外，還與什么有關(guān)？答案是晶界的結(jié)構(gòu)有關(guān)。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(xué)生們在了解前沿科研成果的同時鞏固已學(xué)知識，明白最新的科研動態(tài)與教材中的內(nèi)容是密不可分的。

2 先進材料表征手段加深對結(jié)構(gòu)特征認識

正如前面所說，材料科學(xué)基礎(chǔ)的核心問題是研究“成分-結(jié)構(gòu)-性能”這個黃金三角之間的關(guān)系，材料的結(jié)構(gòu)對材料的性能具有決定性影響，同時材料的微觀結(jié)構(gòu)非常抽象，晦澀難懂。通常情況下，材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)的表征必須要依靠現(xiàn)代大型儀器表征技術(shù)，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(jié)果在課堂上呈現(xiàn)給學(xué)生們，讓同學(xué)們切實感受到材料的基本結(jié)構(gòu)特征。如在介紹固體的晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行動態(tài)觀察。因而可以通過表征圖片將材料的原子級圖像呈現(xiàn)給學(xué)生們，加深學(xué)生對固體晶體結(jié)構(gòu)的認識及理解。而在介紹晶體結(jié)構(gòu)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(xué)們，使學(xué)生們充分理解晶體結(jié)構(gòu)中各種缺陷的結(jié)構(gòu)特征及它們之間的異同點。在利用表征結(jié)果實施教學(xué)的過程中，可以針對固體晶體結(jié)構(gòu)的知識點進行發(fā)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(jié)構(gòu)應(yīng)該如何分析？例如，我們在介紹面心立方結(jié)構(gòu)時，我們可以給出Au或Ag這兩種典型的面心立方結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)表征的數(shù)據(jù)結(jié)果讓大家深刻的了解到面心立方結(jié)構(gòu)的特征及特點。相應(yīng)的，我們也可以拿出金屬Cd(密排六方結(jié)構(gòu))的一系列結(jié)構(gòu)表征數(shù)據(jù)，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(jié)果的學(xué)習(xí)，不僅使同學(xué)們深刻了解密排六方結(jié)構(gòu)的特征及特點，同時也可以跟金或銀的結(jié)構(gòu)進行對比分析，讓大家了解面心立方結(jié)構(gòu)與密排六方結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中典型的空位缺陷與間隙缺陷。這種先進的結(jié)合材料結(jié)構(gòu)表征手段的教學(xué)方式可以讓學(xué)生更好的理解和掌握固體結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識。

3 科研文獻閱讀、分析鍛煉學(xué)生能力

最新科研動態(tài)的引入，不僅能夠激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識，更重要的是鍛煉學(xué)生對材料領(lǐng)域內(nèi)前沿問題的調(diào)研、歸納總結(jié)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(xué)方法，引入研究型的教學(xué)方法，讓課堂充滿求知、探索及創(chuàng)新的活力。教師可以給學(xué)生們分配一些課后任務(wù)，如讓各學(xué)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(xué)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(chǔ)知識，這些研究工作中有哪些新發(fā)現(xiàn)，這些新發(fā)現(xiàn)對于材料科學(xué)的發(fā)展有什么重要意義，這些材料的開發(fā)中還存在哪些問題？針對這些思考，要求小組同學(xué)制作PPT拿到課堂上進行匯報，分享自己的學(xué)習(xí)心得，匯報完畢后，其他同學(xué)可以對內(nèi)容進行討論，通過整個過程可以使同學(xué)們理解該門課程與前沿科研之間的密切聯(lián)系，也能使其自主學(xué)習(xí)的能力得到鍛煉。

4 課題型教學(xué)培養(yǎng)創(chuàng)造性思維及科學(xué)素養(yǎng)

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》作為材料學(xué)科一門重要基礎(chǔ)課，它與實驗具有很強的互補性，特別是對創(chuàng)新性研究實驗具有重要的指導(dǎo)性。對此，可以鼓勵學(xué)有余力且有強烈科研興趣的學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新基地活動、教師科研以及大學(xué)生科技創(chuàng)新項目。在參與過程中，老師可以向?qū)W生開放研究型實驗平臺，在老師的指導(dǎo)下，學(xué)生主動設(shè)計研究性實驗，除一些關(guān)鍵的方法及實驗操作外，整個項目都由學(xué)生自主完成，最后的學(xué)習(xí)成果以小論文的形式呈現(xiàn)。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(jié)構(gòu)對納米TiO2的光催化活性具有很大的影響?；诖耍梢宰寣W(xué)生探究納米TiO2的晶體結(jié)構(gòu)對其光催化活性的影響規(guī)律?；诖?，可以讓學(xué)生先查閱資料，不同晶體結(jié)構(gòu)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(chǎn)物的形貌及晶體結(jié)構(gòu)進行分析，最終測試不同晶體結(jié)構(gòu)納米TiO2的光催化降解亞甲基藍的性能，比較三種結(jié)構(gòu)納米TiO2的光催化活性，并從三種納米TiO2結(jié)構(gòu)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(lián)系，基于此，我們可以讓學(xué)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(xué)生們深刻了解材料的性質(zhì)主要是由其結(jié)構(gòu)所決定的。通過整個課題的實施過程中，能使學(xué)生們積極查閱文獻，分析實驗現(xiàn)象、整理數(shù)據(jù)、通過數(shù)據(jù)得出結(jié)果，從而培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題的能力，促使創(chuàng)造性思維、科研實踐能力及科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成及提升。需要注意的是，創(chuàng)新性實驗的進行過程必須要符合實驗室的各項規(guī)章制度，參與課題的學(xué)生必須要參加實驗室儀器使用、實驗室安全等方面的培訓(xùn)。

5 結(jié) 語

針對《材料科學(xué)基礎(chǔ)》在材料類專業(yè)課程體系中的重要性以及教材內(nèi)容的明顯滯后性，本文結(jié)合作者在教學(xué)實踐過程的經(jīng)歷，提出了將前沿科研動態(tài)引入課堂的做法，一方面將前沿科研動態(tài)以及科技文獻中大型儀器的材料表征結(jié)果引入課堂，另一方面鼓勵學(xué)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(xué)內(nèi)容、加深學(xué)生對材料結(jié)構(gòu)特征的理解、也可以鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題能力，并促使創(chuàng)造性思維及科學(xué)素養(yǎng)的形成，為將來優(yōu)化課堂教學(xué)以及高校本科人才培養(yǎng)提供了一些參考。