材料科學(xué)與工程：工程界的多面手

本文主角：材料科學(xué)與工程

講述人：黃利景（西北大學(xué)）

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

從字面上看，很多人可能不知道材料科學(xué)與工程究竟是一個(gè)什么樣的專業(yè)，只知道屬于理工科。相較于物理學(xué)與化學(xué)等研究原理和過程的專業(yè)，材料科學(xué)與工程其實(shí)是面向工程需求和研究結(jié)果的專業(yè)，關(guān)注的是應(yīng)用需求，注重工程價(jià)值的應(yīng)用。

以需求驅(qū)動(dòng)研究

當(dāng)你真正開始學(xué)習(xí)材料科學(xué)與工程時(shí)，才會(huì)發(fā)現(xiàn)它既陌生又熟悉。何出此言呢？因?yàn)楸M管在中學(xué)里并未設(shè)置與其相對應(yīng)的專業(yè)課程，但是在化學(xué)和物理課程的學(xué)習(xí)過程中，經(jīng)常會(huì)接觸一些材料學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。因而說這個(gè)專業(yè)于廣大學(xué)生而言其實(shí)是熟悉的。那上了大學(xué)，該專業(yè)在本科期間主要學(xué)習(xí)哪些內(nèi)容呢？

作為工科專業(yè)的一種，材料科學(xué)與工程的學(xué)生必定會(huì)學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、普通物理等工科基礎(chǔ)課。在本科學(xué)習(xí)的入門階段，大一大二期間主要聚焦于對專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)，包括物理化學(xué)、分析化學(xué)、材料生產(chǎn)設(shè)備、材料科學(xué)與工程概論等?？吹竭@一連串的化學(xué)課程，可能有些同學(xué)會(huì)問：“這到底是材料系還是化學(xué)系?。俊逼鋵?shí)無論什么材料，影響其性能的因素?zé)o外乎其化學(xué)結(jié)構(gòu)。因此，這幾門與化學(xué)相關(guān)的課程可以說是研究材料性能的基礎(chǔ)，是材料學(xué)的基石。升入大三后才會(huì)深入學(xué)習(xí)更為專業(yè)的知識(shí)，包括材料物理性能、材料力學(xué)、材料工程基礎(chǔ)電化學(xué)、工程材料力學(xué)性能、物理冶金原理、現(xiàn)代材料研究技術(shù)等。無論你學(xué)習(xí)的是材料學(xué)的哪個(gè)方向，這幾門課程都是必不可少的。

材料學(xué)是一門綜合性相當(dāng)強(qiáng)的學(xué)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(zhì)也應(yīng)該有所了解。因?yàn)椴牧系墓ぷ鳝h(huán)境不是單一的，它只有與其他材料共同合作才能更好地發(fā)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(gè)是金屬，一個(gè)是有機(jī)物基非金屬化合物，如何將兩者牢固地結(jié)合起來？這一問題就涉及兩種材料各自的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。一言以蔽之，材料學(xué)專業(yè)的學(xué)生最終需要達(dá)到的學(xué)習(xí)目標(biāo)，都應(yīng)該包括以下方面：掌握數(shù)學(xué)和物理、數(shù)學(xué)和化學(xué)理論，應(yīng)用工學(xué)與計(jì)算機(jī)，解決實(shí)際材料方面的問題。

以維度驅(qū)動(dòng)未來

那材料科學(xué)與工程專業(yè)適合什么樣的學(xué)生報(bào)考呢？在我看來，判斷自己是否適合進(jìn)入材料學(xué)這個(gè)領(lǐng)域?qū)W習(xí)，能力維度是基本要素。下面我主要聚焦于對能力維度的認(rèn)識(shí)與培養(yǎng)進(jìn)行講述。

結(jié)合材料科學(xué)與工程專業(yè)所涉及的課程，不難推斷出首先必須具備的便是物理、化學(xué)能力。該專業(yè)學(xué)生所學(xué)的內(nèi)容，物理大致占六成，化學(xué)大致占四成。因此，如果你希望大一進(jìn)校后能較快適應(yīng)學(xué)習(xí)，最好有較好的物理、化學(xué)基礎(chǔ)。不過，值得注意的一點(diǎn)是，較好的物理、化學(xué)基礎(chǔ)并不等于高中的物理、化學(xué)成績好。因?yàn)楦咧形锢怼⒒瘜W(xué)的內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法跟大學(xué)是很不一樣的。從學(xué)科內(nèi)容來說，高中化學(xué)記憶的內(nèi)容多、計(jì)算相對少，而大學(xué)化學(xué)是一個(gè)專業(yè)大類，存在很多分支學(xué)科，需要很多其他學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，例如數(shù)學(xué)、物理、生物、計(jì)算機(jī)等。因此，高中化學(xué)學(xué)得好，不代表有能力學(xué)好大學(xué)化學(xué)。高中物理與大學(xué)物理所用的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)也很不一樣，高中用一次和二次函數(shù)分析物理問題，大學(xué)普通物理會(huì)運(yùn)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(diǎn)要注意，相比于物理學(xué)、化學(xué)等理科基礎(chǔ)專業(yè)，材料學(xué)對于數(shù)學(xué)能力的要求相對較低，最多會(huì)用到高數(shù)、微分方程、概率論。因此數(shù)學(xué)不是非常好的同學(xué)，也可以考慮報(bào)考材料科學(xué)與工程專業(yè)。

再者便是實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ⒎撬械牟牧蠈W(xué)專業(yè)方向都需要很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。一般來說，功能材料（半導(dǎo)體、超導(dǎo)）方向需要較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，而結(jié)構(gòu)材料（金屬、水泥、陶瓷）方向?qū)?shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ囊蟛⒉皇呛芨摺?/p>

最后，進(jìn)入大學(xué)之后的學(xué)習(xí)大多數(shù)依賴于自學(xué)能力，材料科學(xué)與工程專業(yè)也不例外。如果你高中的理化基礎(chǔ)較薄弱，但在做了一定了解以后，仍對這個(gè)專業(yè)有興趣，也可以繼續(xù)報(bào)考。只是在這種情況下，你就需要加強(qiáng)自己的自學(xué)能力、自律能力。材料學(xué)的理化相關(guān)課程，難度比純理科專業(yè)低，對數(shù)學(xué)的要求也較低，如果你的自學(xué)能力強(qiáng)，可以彌補(bǔ)入學(xué)前的差距。

以實(shí)踐豐富認(rèn)知

材料科學(xué)與工程專業(yè)的實(shí)踐調(diào)研可謂是豐富多彩、新穎有趣，下面我以我們學(xué)校的“課程思政”立項(xiàng)課程《航空航天材料概論》，師生走訪太古飛機(jī)工程有限公司為例展開詳細(xì)敘述。該課程通過手工實(shí)驗(yàn)、翻轉(zhuǎn)課堂、團(tuán)隊(duì)討論、實(shí)地調(diào)研等豐富多彩的形式，讓學(xué)生全面、系統(tǒng)地了解航空航天材料方面的理論基礎(chǔ)知識(shí)，掌握材料的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、組織和性能之間的依賴關(guān)系及其變化規(guī)律，學(xué)習(xí)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(shí)，老師帶領(lǐng)我們赴太古飛機(jī)工程有限公司進(jìn)行走訪調(diào)研，了解波音737/747、空客330/340等大型商用飛機(jī)的維修改裝過程，學(xué)習(xí)航空材料的使役環(huán)境及使役要求。通過企業(yè)走訪，幫助我們深刻體悟“精益求精、追求完美、開拓創(chuàng)新”的航空精神與工匠精神。這種新穎的授課方式極大激發(fā)了我的學(xué)習(xí)興趣，不僅讓我對課堂知識(shí)有了進(jìn)一步的深化理解，還有助于我進(jìn)一步樹立科技報(bào)國之志與責(zé)任擔(dān)當(dāng)之心。

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