材料科学基础精品课程建设.docx

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材料科学基础精品课程建设

材料科学基础精品课程建设

课程发展的主要历史沿革

98年以前，国内高等院校普遍按照二级学科模式办学，材料类专业有无机非金属材料工程、金属材料工程等二级学科专业，其学科基础课为《无机材料物理化学》、《硅酸盐物理化学》、《金属学原理》等。

98年后，根据学科发展规律，国内高等学校相继进行专业结构调整，逐步按照一级学科模式办学，设立材料科学与工程专业，其学科基础课是《材料科学基础》课程。

该课程主要从一级学科层次阐述材料的组成与结构、制备与加工、性质、使用性能等材料科学与工程主要要素之间的相互关系及其制约规律。

随着办学层次不断提高，《材料科学基础》课程在知识体系构造方面也逐步柔和了金属、无机非金属、高分子等材料共同的科学原理及技术基础，既突出不同材料的共性，又兼顾不同材料的个性；在知识介绍方面遵循从理想到实际、从规则到不规则、从静态到动态的原则，在宏观-微观-宏观的循环过程中介绍材料制备-加工-使用-消亡过程中的科学和工程原理，力求体现知识的规律性和相互联系。

武汉理工大学的《材料科学基础》教材建设得到“教育部高等教育百门精品课程教材建设计划立项研究项目”的资助，出版了新编《材料科学基础》教材。

配合课程建设，开设了具有特色的实验、实践教学环节，完成了多媒体课件建设及网上教学资源建设，实现了多媒体教学及网上辅导、答疑。

围绕《材料科学基础》课程教学改革，实施完成了3项省、部级教学改革项目，教学手段、教学方法改革方面积累了丰富的经验。

该课程于2003年被评为湖北省精品课程。

课程性质

《材料科学基础》课程是材料科学与工程、材料物理、材料化学、中-澳国际交流班等本科专业主干课程中的重点课程，其课程性质属于学科基础课。

课程内容体系结构

材料科学基础课程（教材）主要有以下几个模块组成：

材料的组成、结构、性质关系模块

多相系统静态（热力学近平衡状态下）条件下相平衡模块

材料动态条件下的结构形成（高温动力学）模块

材料的环境行为效应模块

其中，材料的组成、结构、性质关系模块及相平衡模块时课程的重点，特别是材料的组成、结构、性质关系模块，空间结构复杂，是理解材料科学与工程主要要素之间相互关系的基础，需要丰富的空间想象能力。

借助立体模型及多媒体手段，可以帮助学生建立微观结构的立体概念，使抽象的结构直观化地再现出来。

其难点是动力学模块，需要扎实的数学物理知识，以建立物理模型，求解动力学方程，并应用动力学方程的解预测控制材料生产的动力学过程。

在目前条件下很难得到定量化的精确结果。

解决此难题的方法可以通过计算机科学和材料科学相结合，利用计算机模拟、数值方法等解决动力学方程解的可靠性。

教学内容组织方式与目的：

在内容组织上突出共性，强调个性，以材料制备及加工过程中的科学原理及共性规律为主，兼顾材料服役中的环境行为效应，强化工程意识。

在知识推介上遵循从理想到实际、从规则到不规则、从静态到动态、从宏观到微观再到宏观的原则，循序渐进地介绍材料的组成、制备、结构、性质与性能的相依性，力求再现认识论的规律性。

在例题、习题选材及组织方面，注重科学的创新性思维方法的培养，强化解决工程问题的能力。

在结构编排方面突出教材编排的新颖性及易读性。

实践性教学的设计思想与效果：

采用精化实验内容、拓展实践能力、科学与工程相结合的指导思想规划教学实践环节，使课程实践活动延伸到课程教学内外的整个教学环节中。

配合理论课程教学，设计淬冷法研究相平衡、差热分析等静态动态研究相平衡及相变的实验，以及ζ-电位测定、固相反应等性能、静态及动力学实验，充分展现材料科学基础各要素间的相互关系。

在此基础上，设立材料合成与加工、材料性能测试两大实验体系，在教学资源利用方面，不仅利用本院系设备，而且共享整个材料学科先进的材料制备与合成设备、材料性能测试设备。

使学生的实践能力得到全面锻炼和提高。

开课专业：

材料科学与工程、材料物理、材料化学、中-澳国际交流等

课程性质：

学科基础课

课程学分：

5

学时：

80（理论64+实验16）

开课学期：

第4、6学期

先修主要课程：

高等数学，工程数学，大学物理，基础化学，物理化学

考试方式：

笔试（80%），教学实践（20%）

授课手段：

多媒体教学、双语教学

采用多媒体等现代化教学手段进行教学，开通了网上答疑系统、网上测试系统、考研辅导系统。

在教学方法上，改变“一言堂”教学模式，大胆实施互动式课堂教学方法改革，使枯燥的专业基础课教学变得活泼生动，改革效果受到学生的一致好评。

武汉理工大学校报，材院通讯，材料学院网站曾于2001年12月作过专栏报道。

对一些容易掌握的内容采取自学和学生课堂讲授相结合的方法。

既培养了学生独立获取知识的能力，又锻炼了学生的知识创新能力和表达交际能力，同时加深了学生们对新知识的理解，也丰富了教师对学生的考核手段。

对一些比较繁杂和较难理解的内容，运用模型或多媒体等教学手段来辅助教学，加深了学生对难点知识的消化与理解。

在考核上，采取考试为主，平时作业、讨论、回答问题等为辅的综合评价手段。

为了更准确地评价学生对知识的掌握情况，构建了相应的试题库，对题目的考核知识点、难易程度等进行相应的标识，使考试的试题做到了难易适中，既能准确反映学生对知识的理解，又能客观地区分学生掌握知识程度。

本课程的主要特色

　　1.《材料科学基础》课程内容涵盖了金属材料、无机非金属材料、高分子材料及复合材料所需的基本知识

和理论，并涵盖新模型、新概念、新技术，与国内外同类课程相比，学科涵盖面更广，在国内外同类课

程中属于学科覆盖面较宽的学科基础课。

　　2.“材料科学基础”既强调材料中的共性规律，又兼顾不同材料的个性，是科学的方法论。

　　3.“材料科学基础”在奠定科学基础的同时十分注重工程能力的培养，将材料制备、材料使用及服役中的

科学与工程问题融于一体，对强化工程能力具有不可取代的作用。

　　4.本课程教材建设得到“教育部百门精品课程教材建设计划立项研究项目”支持，新编教材已由武汉理工

大学出版社正式出版发行。

　　5.本课程拥有较为完善的教学课件和网络资源，可以实施多媒体教学及网络教学。

　　6.本课程实验充分展现了材料科学基础各要素间的相互关系，在此基础上结合全校材料学科先进科研设备，设立了材料合目的。

　　本课程在国内外同类课程中的地位

　　1.该课程自1998年设置以来，先后有国内数十所高等院校来我校调研，在按照材料科学与工程一级学科

模式办学中，已起到很好的示范作用。

　　2.该课程内容体系在材料科学与工程专业中—澳国际班教学计划中实施两年，达到较好的效果，得到国

外同行专家的认可。

　　3.该课程于2003年被评为“湖北省省级精品课程”，《材料科学基础》教材建设获得"教育部高等教育百

门精品课程教材建设计划立项研究项目"资助。

《材料科学基础》教学大纲

课程名称：

材料科学基础/FoundationofMaterialScience

学时/学分：

80/5

先修课程：

高等数学，工程数学，大学物理，基础化学，物理化学

适用专业：

材料科学与工程、材料物理、材料化学、中-澳国际交流班

开课学院、系或教研室：

材料科学与工程学院

一、本课程的性质和任务

该课程是材料科学与工程专业的重要的学科基础课之一，主要介绍材料科学中的共性规律，即材料的组成-形成（工艺）条件-结构-性能-材料用途之间相互关系及制约规律。

内容主要包括：

材料种类，晶体、非晶体结构，缺陷化学，相图，材料的环境行为效应，扩散，相变等基础知识。

二、本课程的教学内容、基本要求及学时分配

 要求学生能够掌握上述五因素之间的相互关系，为按预定性能设计材料奠定基础；熟悉材料生产中的静、动态之间的联系与差异，并能在一定层次上研制开发新材料。

考核方式：

笔试（80%），实践环节（20%）

课程内容及学时分配

第一篇基础知识

第一章材料引言2学时

第一节材料种类

第二节结构-性质-工艺过程之间的关系（重点）

第三节材料的选择

第二章数学序言（难点，选讲）

第一节材料科学中的数学

第二节唯象理论

第三节组合

第四节Stirling近似法

第二篇物质结构与性质

第三章晶体结构14学时

第一节晶体结构基础知识

第二节质点间键合与晶体结构

第三节晶体结构与性质（重点，难点）

第四节硅酸盐晶体结构与性质

第四章晶体结构缺陷10学时

第一节缺陷种类

第二节点缺陷与材料的光电性质（重点）

第三节线缺陷与材料的力学性质（难点）

第四节面缺陷与材料韧性

第五节组成缺陷与固溶体（重点）

第六节非化学计量化合物与半导体

第五章非晶态结构与性质6学时

第一节熔体结构

第二节熔体性质（重点，难点）

第三节玻璃形成

第四节玻璃结构

第六章表面结构与性质5学时

第一节固体表面结构（重点）

第二节单晶表面结构

第三节非单晶表面结构

第四节吸附与粘附

第五节摩擦

第三篇多相相图相平衡

第七章相平衡与相图10学时

第一节相律及相平衡研究方法

第二节单元系统

第三节二元系统

第四节三元系统（重点，难点）

第五节三元交互系统

第六节四元系统

第四篇材料制备中的高温动力学过程与显微结构控制

第八章基本动力学过程-扩散6学时

第一节扩散动力学方程—Fick定律

第二节Fick定律的应用

第三节固体扩散机构与扩散系数

第四节扩散系数与浓度的关系—俣野方法

第五节影响扩散的因素

第九章材料中的相变6学时

第一节相变热力学

第二节成核-生长相变

第三节旋节分解

第四节马氏体相变

第五节有序-无序转变

第六节相变与弥散强化

第十章材料制备中固相反应4学时

第一节固相反应概论

第二节固相反应机理

第三节固相反应动力学

第四节影响固相反应的因素

第十一章材料制备中的烧结与显微结构的控制6学时

第一节烧结概论

第二节烧结机理

第三节固相烧结

第四节再结晶与晶粒长大

第五节液相烧结

第六节特种烧结

第七节影响烧结的因素

第五篇材料在环境中的效应

第十二章腐蚀与磨损2学时

第一节腐蚀

第二节氧化

第三节辐射损伤

第十三章疲劳与断裂2学时

第一节疲劳

第二节断裂起源与评价

三、教材及参考书

教材：

材料科学基础.张联盟黄学辉宋晓岚主编.武汉理工大学出版社.2004

参考书：

1.材料科学基础.潘金生.清华大学出版社.1998年

2.材料科学基础.赵品.哈尔滨工业大学出版社.1999

3.材料科学导论.徐祖耀.上海科学技术出版社.1986

执笔：

黄学辉

审阅：

陈文日期：

2003.5.20

审定：

谢峻林日期：

2003.6.10

第1周，第1次课2学时

绪论

第一章：

晶体结构

第一节：

晶体学基础

一、晶体结构定性描述

二、晶体对称性

第1周，第2次课2学时

三、晶体结构定量描述

第二节晶体中质点的结合力与结合能

一、晶体中质点间的结合力

二、晶体的结合力与结合能

第2周，第3次课2学时

第三节影响晶体结构的因素

一、内在因素对晶体结构的影响

第2周，第4次课2学时

二、外在因素对晶体结构的影响

第四节无机化合物结构与性质论

一、AX型结构

二、AX2型结构

第3周，第5次课2学时

三、A2X3型结构

四、A2X3型和A2X5型结构

第3周，第6次课2学时

五、ABO3型结构

六、ABO4型（白钨矿型）结构及声光效应

七、AB2O4型（尖晶石，spinelle）结构

八、无机化合物结构与鲍林规则（Pauling’srule）

第4周，第7次课2学时

第五节硅酸盐晶体结构与性质

一、硅酸盐晶体的组成表征、结构特点及分类

二、岛状结构

第4周，第8次课2学时

三、组群状结构

四、链状结构

第5周，第9次课2学时

五、层状结构

六、架状结构

第5周，第10次课2学时

第二章：

晶体结构缺陷

第一节：

点缺陷

一、点缺陷类型与符号表征

第6周，第11次课2学时

二、点缺陷浓度表征

三、点缺陷反应表征

第6周，第12次课2学时

第二节：

线缺陷

一、线缺陷的概念及类型

二、线缺陷的运动及反应

第三节：

面缺陷

一、面缺陷类型

二、晶界结构

三、晶界特性

第7周，第13次课2学时

第四节组成缺陷与固溶体

第五节非化学计量化合物与半导体

第7周，第14次课2学时

第三章非晶态结构与性质

第一节熔体结构

第8周，第15次课2学时

第二节熔体性质

第三节玻璃形成

第8周，第16次课2学时

第四节玻璃结构

第9周，第17次课2学时

第四章表面结构与性质

第一节固体表面结构

第9周，第18次课2学时

第二节单晶表面结构

第三节非单晶表面结构

第10周，第19次课2学时

第四节吸附与粘附

第五节摩擦

第10周，第20次课2学时

第五章相平衡与相图

第一节相律及相平衡研究方法

第二节单元系统

第11周，第21次课2学时

第三节二元系统

第11周，第22次课2学时

第四节三元系统

一、基本原理

二、类型1

第12周，第23次课2学时

三、类型2、3

四、类型4、5

第12周，第24次课2学时

五、类型6、7

习题与讨论

第13周，第25次课2学时

第六章基本动力学过程-扩散

第一节扩散动力学方程—Fick定律

第二节Fick定律的应用

第13周，第26次课2学时

第三节固体扩散机构与扩散系数

第四节扩散系数与浓度的关系—俣野方法

第五节影响扩散的因素

第14周，第27次课2学时

第七章：

材料中的相变

第一节：

相变分类

第二节：

相变动力学

第14周，第28次课2学时

第八章材料制备中固相反应

第一节固相反应概论

第二节固相反应机理

第15周，第29次课2学时

第三节固相反应动力学

第四节影响固相反应的因素

第15周，第30次课2学时

第九章：

烧结

第一节：

烧结过程及机理

第二节：

固相烧结

第16周，第31次课2学时

第三节：

再结晶及晶粒长大

第四节：

影响烧结的因素

第16周，第32次课2学时

总复习

习题、大作业内容：

每次课后有2-3道作业题。

由于学生手上不可能有所有参考书，所以每次课后的作业单独给出。

必读：

1.材料科学基础，张联盟、黄学辉、宋晓岚主编，武汉理工大学出版社，2004

参考书：

1.材料科学基础教程，赵品，哈尔宾工业大学出版社，2001

2.材料科学基础，谢希文编，北京航空航天大学出版社，1999

3.材料科学基础，潘金生，清华大学出版社，1998

4.材料科学基础，徐恒钧编，北京工业大学出版社，2001

5.其它参考书在各章节给出。

周次讲课内容学时实验习题作业内容附注

1第一篇：

材料科学基础知识每次课后有2-3道作业题。

由于学生手上不可能有所有参考书，所以每次课后的作业单独给出。

必读与参考书读与参考书

1.材料科学基础

清华大学编

2.材料科学基础

哈工大编

3.材料科学基础

谢希文编

4.材料科学导论

徐祖耀编

5.其它参考书在各章节给出。

绪论2

第一章：

固体材料结构

第一节：

晶体学基础4

一、晶体与非晶体

二、晶体结构定性描述

三、晶体结构定量描述

四、晶体对称性

2五、倒格子

第二节：

材料晶体结构2

一、晶体结构信息

二、晶体结构分论

3金属晶体、氧化物晶体2

硅酸盐晶体2

聚合物结构2

4第三节：

材料的相结构（显微结构）2

一、相的基本概念

组元、相、组织、合金

二、材料的基本晶体相

固溶体、化合物（金属化合物、非金属化合物、离子化合物、硅酸盐材料）

第二章：

晶体结构缺陷

第一节：

点缺陷2

5一、点缺陷类型与符号表征

二、点缺陷浓度表征

三、点缺陷反应表征

第二节：

线缺陷2

一、线缺陷类型

二、线缺陷运动

三、线缺陷的应变能与杂质聚集

第三节：

面缺陷2

一、面缺陷类型

二、晶界结构

6三、晶界特性

第三章：

相图

第一节：

单元相图2

SiO2相图

第二节：

二元相图2

基本类型

第三节：

三元相图2

基本类型

（一）

7基本类型

（二）2

第四章：

固体中原子的扩散

第一节：

扩散现象与扩散定律2

第二节：

扩散方程问题2

8第三节：

扩散机构与扩散系数2

第五章：

材料中的相变

第一节：

相变分类2

第二节：

相变动力学

9第六章：

工程材料性能

第一节：

力学性能2

10第二节：

物理性能2

第二篇：

材料分论

第七章：

金属学及热处理原理

11第一节：

铁碳合金相图2

一、纯铁的同素异构转变

二、Fe-C相图2

三、平衡结晶

12第二节：

铁碳合金热处理2

一、临界温度

二、加热过程

三、冷却过程

第三节：

钢的热处理工艺2

一、钢的退火

二、钢的正火2

三、钢的淬火

四、钢的回火

第四节：

非铁基合金（选讲内容）2

一、铝合金及其热处理

13二、铜合金

三、钛合金

第八章：

无机非金属材料

第一节：

过程陶瓷材料2

一、结构陶瓷

二、功能陶瓷

第二节：

陶瓷的工艺过程

第三节：

陶瓷的脆性与韧化

机动2

总结2

教学方法

　　在教学方法上，改变“一言堂”教学模式，大胆实施互动式课堂教学方法改革，使枯燥的专业基础课教学变得活泼生动，改革效果受到学生的一致好评。

武汉理工大学校报，材院通讯，材料学院网站曾于2001年12月作过专栏报道。

　　教学特点

　　讲课主要是讲重点、讲难点、讲思路、讲方法，具体方法是：

对一些容易掌握的内容采取自学和学生课堂讲授相结合的方法。

既培养了学生独立获取知识的能力，又锻炼了学生的知识创新能力和表达交际能力，同时加深了学生们对新知识的理解，也丰富了教师对学生的考核手段。

对一些比较繁杂和较难理解的内容，运用模型或多媒体等教学手段来辅助教学，加深了学生对难点知识的消化与理解。

对一些与科研、生产、生活密切相关的内容，讲课教师有的将研究过程演示给学生，有的将学生带入科研、生产现场参观，让学生了解这一新领域，感兴趣的学生可以要求到自己感兴趣的课题组作研究训练。

　　全部采用多媒体授课，电子教案、作业习题、实验讲义上网，开展网上讨论、在线考试、网上考研辅导和师生交流，学生还可以通过E-mail与教师讨论和沟通。

　　鼓励学生撰写读书报告和小论文，培养学生的科学研究的意识、习惯和能力。

　　考核方式

　　在考核上，采取考试为主，平时作业、讨论、回答问题等为辅的综合评价手段。

为了更准确地评价学生对知识的掌握情况，命题重视对学生的综合运用知识分析问题、解决问题的能力的测试，考试的试题做到了难易适中，既能准确反映同学们对知识的理解，又能客观地区分学生掌握知识程度。

校内同事举证评价、校外专家评价及有关声誉的说明：

　　《材料科学基础》理论教学采用课堂讨论、教师布置小专题、学生教师角色反串等形式多样、方法灵活的创新型教学方法，既调动了学生参与教学改革的积极性，又锻炼的学生的演讲及表达能力，同时也激发了学生献身材料、热爱专业的崇高思想，收到了一举多得的改革效果。

武汉理工大学校报，材院通讯，材料学院网站曾于2001年12月作过专栏报道。

近三年学生的评价结果：

　　材料科学基础课程教师在课堂教学过程中，上课内容准备充分，讲课重点突出，能吸引学生注意力，调动学生积极性。

教学过程中善于引导，非常注重学生独立获取知识能力的培养，特别注重学生对知识创新能力的开发。

　　材料科学基础任课教师授课方法不拘一格，既注重理论讲授，又经常进行课堂讨论，使学生的表达能力得到良好的锻炼。

　　在实践课教学过程中，特别注重动手能力的培养，使学生实践能力得到大辐度提高。

（1）选用教材

教材1《材料科学基础》，张联盟，黄学辉，宋晓岚主编，武汉理工大学出版社，2003

教材2《材料科学基础》，潘金生.仝健民等编，北京：

清华大学出版社，1998.6

教材3《材料科学基础》，徐恒钧主编，北京：

北京工业大学出版社，2001

（2）参考文献

1.材料科学导论，冯端,师昌绪,刘治国主编，北京：

化学工业出版社，2002.5

2.材料科学与工程基础，顾宜主编，北京：

化学工业出版社，2002

3.材料科学与工程基础，莫之民等主编，上海：

上海交通大学出版社，1997

4.材料科学技术百科全书上册，李成功主编，北京：

中国大百科全书出版社，1995.11

5.材料科学技术百科全书下册，李成功主编，北京：

中国大百科全书出版社，1995.11

6.人类文明的基石：

材料科学技术，谢长生，武汉：

华中理工大学出版社，2000

7.材料科学基础教程，赵品,谢辅洲,孙振国主编，哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社，2002

8.材料科学导论，肖建中编，北京：

中国电力出版社，2001

9.材料科学概论，许并社主编，北京：

北京工业大学出版社，2002

10.材料科学基础，谢希文，过梅丽主编，北京：

北京航空航天大学出版社，1999

11.材料科学基础，吴锵编著，南京：

东南大学出版社，2000

12.材料科学基础，刘智恩主编，西安：

西北工业大学出版社，2000

13.材料科学基础，徐恒钧主编，北京：

北京工业大学出版社，2001

14.材料科学基础，杜丕一,潘颐编著，北京：

中国建材工业出版社，2002

15.材料科学基础，石德珂主编，北京：

机械工业出版社，1999

16.材料科学基础常见题型解析及模拟题，刘智恩主编，西安：

西北工业大学出版社，2001