无机材料科学基础课程教学实施方案.docx

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无机材料科学基础课程教学实施方案

“无机材料科学基础”课程教学实施方案

1. 课程简介

《无机材料科学基础》课程是一门专业基础理论课程，适用于硅酸盐工程与无机非金属材料科学与工程专业。

主要讲授本专业范围内各种物理化学过程的变化和共性规律，目的是使学生了解无机非金属材料的组分、结构和性能之间的相互关系和变化规律，为学生在专业课程的学习和将来走上工作岗位后从事无机非金属材料的研究与制备奠定理论基础。

（1）课程名称：

无机材料科学基础

课程编号：

1313014002

英文名称：

FundamentalsofInorganicMaterialsScience

（2）开课单位：

材料科学与工程学院

（3）课程研究小组成员：

张永明、马晶、石山、郭卓、戴淑平、王慧华、马雷

（4）课程的学时：

72学时

（5）课程学分：

4.5学分

（6）先修课程：

高等数学、无机化学、有机化学、大学物理、结晶矿物岩相学、物理化学

（7）建议课内外学时比例：

1：

2

（8）本方案的撰稿人：

马晶

（9）审核人：

张永明

（10）批准单位：

材料科学与工程学院

2.本课程在实现人才培养中的作用与地位，素质、能力培养基本目标及分解

《无机材料科学基础》课程是无机非金属材料科学与工程专业的主干课程，是在学生具备了必要的无机化学、有机化学、大学物理学、及物理化学等基础知识之后，开设的专业基础理论课程，是承上启下的课程,并为无机非金属材料工艺学、材料测试研究方法等后续的专业课程打下坚实的基础。

学生在学习本课程后能够做到：

（1）了解材料的化学组成－结构－性能之间的相互关系及其规律性；

（2）了解理想晶体和实际晶体的结构，能够应用晶体结构模型分析无机材料的结构与组成和性能的关系；（3）掌握熔体与非晶态固体以及材料表面和界面等与材料性能相关的知识；（4）了解掌握材料的静态热力学平衡（相平衡）过程；（5）了解掌握材料的扩散、相变、固相反应以及烧结等动力学过程。

3.教学大纲

绪论（1学时）

要求了解无机材料的分类，特点，组成、结构、性能、工艺以及其与环境的关系。

第一章晶体结构（12学时）

本章重点为晶体化学基本原理、典型晶体结构和硅酸盐晶体结构，难点为硅酸盐晶体结构。

第一节结晶学基础

本节要求了解各晶系晶体定向法则与结晶符号的表示方法（考核概率0%），理解晶体的基本性质、晶胞与空间点阵的概念与区别（考核概率50%），掌握七大晶系与十四种布拉维格子的划分与特征（考核概率40%）。

1晶体的基本概念与性质；

2晶胞与空间点阵；

3晶体的对称分类——7个晶系和14种布拉维格子；

4晶体定向与结晶学指数——晶面指数与晶向指数。

第二节晶体化学基本原理

本节要求了解晶体中质点间的结合力与结合能（考核概率0%），理解球体最紧密堆积原理和影响离子晶体结构的因素（考核概率40%），掌握同质多晶和类质同晶的概念以及鲍林规则的应用（考核概率100%）

1晶体中质点间的结合力与结合能；

2晶体中质点的堆积——球体最紧密堆积原理；

3影响离子晶体结构的因素——原子半径和离子半径，配位数与配位多面体，离子极化，电负性，结晶化学定律；

4同质多晶与类质同晶；

5鲍林规则。

第三节典型晶体结构类型

本节要求了解β-ZnS（闪锌矿）型、α-ZnS（纤锌矿）型、CdI2型、α-Al2O3（刚玉）型和MgAl2O4（尖晶石）型结构（考核概率0%），理解TiO2（金红石）型、金刚石型和石墨型结构（考核概率10%），掌握CsCl型、NaCl型、CaF2（萤石）型和CaTiO3（钙钛矿）型结构，及正尖晶石和反尖晶石的概念（考核概率100%）

1金刚石结构和石墨结构；

2AX型结构——CsCl型、NaCl型、β-ZnS（闪锌矿）型、α-ZnS（纤锌矿）型；

3AX2型结构——CaF2（萤石）型、TiO2（金红石）型、CdI2型；

4A2X3型结构——α-Al2O3（刚玉）型结构；

5ABO3型结构——CaTiO3（钙钛矿）型结构；

6AB2O4型结构——MgAl2O4（尖晶石）型结构。

第四节硅酸盐晶体结构

本节要求理解各类硅酸盐晶体的结构特点（考核概率20%），掌握硅酸盐晶体的表示方法、结构特点及分类依据（考核概率80%）。

1硅酸盐晶体的表示方法、结构特点及分类；

2岛状结构；

3组群状结构；

4链状结构；

5层状结构；

6架状结构。

第二章晶体结构缺陷（10学时）

本章重点为缺陷反应式的写法、各种缺陷浓度计算、固溶体的影响因素，难点为缺陷反应式的写法、分析。

第一节点缺陷

本节要求了解点缺陷对晶体性能的影响（考核概率0%），掌握点缺陷的类型、缺陷化学反应的表示法和热缺陷浓度的计算（考核概率100%）。

1点缺陷的类型；

2缺陷化学反应表示法；

3热缺陷浓度的计算。

第二节固溶体

本节要求了解固溶体对晶体性质的影响及固溶体的研究方法（考核概率0%），掌握固溶体的分类、形成固溶体的影响因素（考核概率100%）。

1固溶体的分类；

2置换型固溶体；

3间隙型固溶体；

4固溶体对晶体性质的影响；

5固溶体的研究方法。

第三节非化学计量氧化物

本节要求了解四种非化学计量氧化物的形成原因及外界气氛变化对晶体性质的影响（考核概率0%），掌握四种非化学计量氧化物缺陷反应方程式的写法（考核概率50%）

1阴离子缺位型；

2阳离子填隙型；

3阴离子间隙型；

4阳离子空位型。

第四节线缺陷

本节要求掌握位错的分类，刃位错和螺位错的特点与区别（考核概率100%）

1位错的类型；

2刃位错；

3螺位错；

4混合位错。

第五节面缺陷

本节要求了解几种面缺陷的类型（考核概率0%）

1表面；

2晶界；

3相界面。

第三章熔体与玻璃体（5学时）

本章重点为熔体的结构与性质、玻璃的结构，难点为熔体的性质、玻璃的结构假说。

第一节熔体的结构

本节要求理解熔体的聚合物理论（考核概率0%）。

1对熔体的一般认识；

2熔体的聚合物理论——聚合物的形成、影响因素。

第二节熔体的性质

本节要求掌握熔体的组成结构和温度对熔体性质的影响（考核概率80%）。

1粘度；

2表面张力－表面能。

第三节玻璃的通性

本节要求理解玻璃（非晶态）与晶体（晶态）性质的区别（考核概率0%），掌握玻璃的四个通性（考核概率100%）

1各向同性；

2介稳性；

3熔融态向玻璃态转化的可逆与渐变性；

4熔融态向玻璃态转化时物理化学性质随温度变化的连续性。

第四节玻璃的形成

本节要求了解形成玻璃的热力学条件、动力学条件和结晶化学条件（考核概率0%），掌握形成玻璃的物质及方法（考核概率40%）。

1玻璃态物质的形成方法；

2玻璃形成的热力学观点；

3形成玻璃的动力学手段；

4玻璃形成的结晶化学条件。

第五节玻璃的结构

本节要求理解玻璃的两个结构假说（考核概率10%），掌握两个玻璃结构假说的要点（考核概率50%）。

1晶子假说；

2无规则网络假说；

3两大学说的比较与发展。

第六节常见玻璃的类型

本节要求了解两类玻璃的结构性能特点（考核概率0%），掌握表征玻璃结构的四个结构参数（考核概率100%）。

1硅酸盐玻璃；

2硼酸盐玻璃。

第四章表面与界面（6学时）

本章重点为固体的表面力场、粘土的荷电性、离子吸附与交换原理、粘土－水系统的性质，难点为晶体表面能、吸附粘附区别、晶界构形、粘土－水系统的电动性质与胶体性质。

第一节固体的表面及其结构

本节要求了解固体表面特征、固体的表面能（考核概率0%），理解各类晶体的表面结构特征（考核概率10%）掌握固体的表面力场（考核概率80%）。

1固体的表面特征；

2晶体表面结构；

3固体的表面能。

第二节固体的界面及其结构

本节要求了解硅酸盐材料中，多晶体组织中的晶界构形与晶界应力（考核概率0%）。

1晶界与晶界构形；

2晶界应力。

第三节界面行为

本节要求了解各种界面行为，界面上的弯曲表面效应，吸附、润湿与粘附的区别（考核概率0%）。

1弯曲表面效应；

2润湿与粘附；

3吸附与表面改性。

第四节粘土－水系统胶体化学

本节要求了解瘠性料的悬浮与塑化（考核概率0%），理解粘土－水系统的电动性质和胶体性质（考核概率40%），掌握粘土的荷电性、离子吸附与交换原理（考核概率80%）

1粘土的荷电性；

2粘土的离子吸附与交换；

3粘土胶体的电动性质；

4粘土－水系统的胶体性质；

5瘠性料的悬浮与塑化。

第五章相平衡（16学时）

本章重点为二元、三元系统相图和专业相图的分析，难点为专业相图的分析与应用。

第一节硅酸盐系统相平衡特点

本节要求理解热力学平衡态与非平衡态（考核概率0%），掌握凝聚系统的相律（考核概率90%）。

1热力学平衡态与非平衡态；

2相平衡的基本概念；

3硅酸盐系统中的相律。

第二节相平衡的研究方法

本节要求了解相平衡的研究方法（考核概率0%），掌握根据冷却（加热）曲线建立相图的方法（考核概率50%）。

1静态法（即淬冷法）；

2动态法。

第三节单元系统

本节要求了解具有多晶转变的单元系统相图（考核概率0%），理解单元系统专业相图（考核概率10%），掌握SiO2专业相图的应用（考核概率90%）

1水型物质与硫型物质；

2具有同质多晶转变的单元系统相图；

3专业单元系统相图；

第四节二元系统

本节要求理解二元系统专业相图，与生产实际的联系（考核概率20%），掌握杠杆规则、二元系统专业相图的分析（考核概率90%）。

1二元凝聚系统相图的表示方法及杠杆规则；

2二元凝聚系统相图的基本类型；

3专业二元系统相图。

第五节三元系统

本节要求理解三元系统专业相图，与生产实际的联系（考核概率0%），掌握重心规则、切线规则、连线规则、三元无变点的性质、三元系统相图的基本类型和分析方法（考核概率100%）。

1三元凝聚系统相图概述；

2三元凝聚系统相图的基本类型；

3专业三元系统相图。

第六章扩散（6学时）

本章重点为扩散微观机制、扩散的宏观动力学方程及其应用、扩散系数及影响因素，难点为扩散的宏观动力学方程及其应用、扩散的微观机构。

第一节晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程

本节要求了解晶体中扩散的基本特点（考核概率0**%），掌握扩散的宏观动力学方程及应用（考核概率80%）。

1晶体中扩散的基本特点；

2扩散的动力学方程——菲克定律；

3扩散动力学方程应用举例。

第二节扩散过程的推动力、微观机构与扩散系数

本节要求理解多元系统的扩散情况（考核概率0%），掌握扩散的推动力、扩散的微观机构及不同扩散机构时的扩散系数（考核概率100%）。

1扩散的推动力；

2质点迁移（扩散）的微观机构；

3扩散机构与扩散系数的关系；

4多元系统的扩散（扩散的热力学理论）；。

第三节固体材料中的扩散及影响扩散的因素

本节要求了解无机固体中的扩散情况（考核概率0%），掌握扩散与温度、杂质等的关系（考核概率50%）。

1固体中的扩散；

2影响扩散的因素。

第七章固相反应（4学时）

本章重点为固相反应动力学方程、影响固相反应的因素，难点为固相反应动力学方程。

第一节固相反应的分类、特征与机理

本节要求了解固相反应的分类、特征与固相反应的机理（考核概率0%）。

1固相反应的分类；

2固相反应的特征；

3固相反应机理。

第二节固相反应动力学方程

本节要求理解解固相反应动力学方程（考核概率0%），掌握一般动力学关系（考核概率40%）。

1固相反应一般动力学关系；

2化学反应动力学范围；

3扩散动力学范围。

第三节影响固相反应的因素

本节要求掌握影响固相反应的主要因素（考核概率80%）。

1反应物化学组成与结构的影响；

2反应物颗粒尺寸及分布的影响；

3反应温度、压力与气氛的影响；

4矿化剂及其它影响因素。

第八章相变（4学时）

本章重点为成核－生长相变机理、斯宾那多分解，难点为成核－生长相变动力学、斯宾那多分解动力学。

第一节相变的分类

本节要求了解相变定义（考核概率0%），掌握相变的类型（考核概率90%）。

1相变的定义；

2相变的分类。

第二节液－固相变——成核－生长机理

本节要求掌握液－固相变过程（即成核－生长机理）理论（考核概率60%）。

1液－固相变过程热力学；

2液－固相变过程动力学。

第三节液－液相变——斯宾那多分解

本节要求了解玻璃分相的热力学理论和结晶化学观点（考核概率0%），理解液相的不混溶现象（考核概率40%）

1液相的不混溶现象（玻璃的分相）；

2分相的热力学理论；

3分相的结晶化学观点。

第九章烧结（8学时）

本章重点为固相烧结机理、影响烧结的因素，难点为烧结机理。

第一节概述

本节要求了解烧结的定义及分类（考核概率0%），理解烧结的过程（考核概率10%），掌握烧结的推动力、烧结机理和烧结模型（考核概率90%）。

1烧结的定义及分类；

2烧结过程及推动力；

3烧结机理；

4烧结模型。

第二节固态烧结

本节要求掌握固相烧结的传质机理（考核概率80%）。

1蒸发－凝聚传质；

2扩散传质。

第三节液相参与的烧结

本节要求了解液相烧结的传质机理（考核概率0%）

1液相烧结的特点和类型；

2流动传质；

3溶解－沉淀传质。

第四节晶粒生长与二次再结晶

本节要求了解晶界在烧结中的作用（考核概率0%），理解晶粒生长与再结晶的概念（考核概率40%），掌握晶粒生长与烧结致密化的关系，二次再结晶对材料性能的影响（考核概率60%）。

1晶粒生长；

2二次再结晶；

3晶界在烧结中的作用。

第五节影响烧结的因素

本节要求掌握影响烧结的各因素，尤其是外加剂的作用（考核概率90%）

1原始粉料的粒度的影响；

2外加剂的作用；

3烧结温度与保温时间的影响；

4物料活性的影响；

5气氛的影响；

6压力的影响。

各章学时分配：

内容

学时

第一章晶体结构

12

第二章晶体结构缺陷

10

第三章熔体与玻璃体

6

第四章表面与界面

6

第五章相平衡

16

第六章扩散与固相反应

10

第七章相变

4

第八章烧结

8

总学时数

72

4. 本课程的教学进度

2007～2008学年度第一学期：

授课顺序

周次

时数

教学方式

教学内容

课外作业

1

1

4

讲授

绪论

第一章晶体结构：

晶体几何基础

各章代表性习题

2

2

4

讲授

第一章晶体结构：

晶体化学基础

第一章晶体结构：

典型晶体结构

3

3

4

讲授

第一章晶体结构：

硅酸盐晶体结构

第二章晶体结构缺陷：

缺陷类型、点缺陷

4

4

4

讲授

第二章晶体结构缺陷：

缺陷反应方程、缺陷浓度

习题一

5

5

4

讲授

第二章晶体缺陷：

固溶体、非化学计量化合物

6

6

4

讲授

第二章晶体缺陷：

线缺陷、面缺陷

第三章熔体和玻璃体：

熔体结构、熔体的性质

7

7

4

讲授

第三章熔体与玻璃体：

玻璃通性、形成、结构及类型

8

8

4

讲授

第四章固体表面与界面：

固体的表面、界面、晶界、

粘土水系统胶体化学

9

9

4

讲授

第四章固体表面与界面：

粘土水系统胶体化学；习题二

第五章相平衡：

相律、单元系统

10

10

4

讲授

第五章相平衡：

二元系统

11

11

4

讲授

第五章相平衡：

三元系统

12

12

4

讲授

第五章相平衡：

三元系统

13

13

4

讲授

习题三、测试

第六章扩散与固相反应：

扩散特点、动力学方程、

14

14

4

讲授

第六章扩散与固相反应：

扩散推动力、扩散机制、

扩散系数、固体中的扩散、影响因素

15

15

4

讲授

第六章扩散与固相反应：

固相反应类型、机理、

动力学方程、应用、影响因素

16

16

4

讲授

第七章相变

17

17

4

讲授

第八章烧结：

概述、固相烧结、液相烧结

18

18

4

讲授

第十四章烧结：

晶粒生长与二次再结晶、影响因素；

习题四、总复习

5.每次授课要求学生自学的内容

在每次授课后，布置学生进行课外讨论学习内容，使学生对当天所学内容加深理解，做到随学随消化吸收。

6.作业的要求、方式、参考量。

为配合课堂教学，巩固学习内容，一般在每次课后都布置一定的课后作业。

针对课程教学大纲要求，作业题覆盖面广，涵盖每个章节且重点突出。

作业题的难易程度适当，便于学生对对教学大纲要求的基本知识点均能基本掌握。

任课教师每周收取、批改作业，及时修改学生作业的不当之处，在课上给全班学生做总结，讲解难点及容易出错之处，分析学生的作业完成情况。

现采用的自编的标准化作业本作为课后作业与课后练习用。

7.实践训练的原则、要求、方式。

“无机材料科学基础”是无机非金属材料科学与工程专业的一门专业基础理论课程，主要是研究与本专业有关的物理化学变化过程及其规律性。

本门课程理论性较强，一些基本概念与理论比较艰涩、枯燥，不易理解。

为了使学生能够加深对所学理论知识的认识，增设了实践教学，以培养学生的实践能力，为将来走向工作岗位奠定基础。

“无机材料科学基础”实验是针对理论课程的内容特点所设计的，实验内容与基础理论联系紧密，学生可通过实验加深对基础理论知识的认识与理解，同时还可以培养学生的动手能力及独立分析问题、解决问题的能力。

加强了学生理论联系实际的能力，为学生在后续的专业课程、毕业环节以及今后所从事的专业及科学研究工作打下了坚实的基础。

8.教学改革的内容、方法、培养方案

“无机材料科学基础”课程是一门理论性较强的课程，从材料的组成-结构-性能的关系，到材料的热力学、动力学过程，包含了大量抽象的微观结构和枯燥、艰涩的专业基础理论知识，需讲授的内容多，而学时又少，学生掌握起来存在一定的难度。

为了培养学生的学习兴趣、提高教学效果，我们对教学方法和教学手段进行了不断的探索与改革，废除以往注入式的教学方法，探索以培养能力为主线，以启发式为主的教学方法，将课堂教学与实验教学相结合。

（一）课程内容教学改革

1．在课堂教学中采用多媒体幻灯片教学与传统粉笔板书教学相结合的方式。

生动的多媒体课件中加入了大量的动画与图片，吸引了学生注意力，提高了学生的学习兴趣；重要了理论讲解采用粉笔板书形式，可以加深学生对重点理论知识的理解。

2．课程教学与实验相结合。

课程相关实验的开设，加强了学生动手能力，提高实践技能，同时学生通过实验对所学的理论知识进行了验证，加深学生对基础理论的认识与理解。

3．课堂教学与课后自学相结合。

通过对学生布置相应的习题、作业训练及课外自学内容，培养了学生独立分析、归纳问题的能力，深化了所学的知识。

同时将自学内容纳入考试范围，做到“教一、练二、考三”，激发了学生的学习热情。

为此，我们编写了一标准化作业本，涵盖各章节应掌握的基本内容以及一部份扩展训练题，以拓展学生的思维。

4．课堂教学与网络教学相结合。

为充分利用网络技术的方便性，我们建立了课程教学网站，提供与课堂教学相应的授课教案、授课录像、习题训练、考试综合模拟训练等，使学生在课后可以利用网络资源来加深本门课程的学习。

目标：

充分利用现有的教学资源，不断加强师资力量，改进教学方法和手段，提高教学质量，以适应学生考研和日后从事研究工作的需要。

特色：

1）合理的教师队伍、较高的教学水平，可增强本课程的师资力量，提高教学水平

2）程内容不断更新，与当前国内外最新的无机非金属材料研究与发展紧密联系

3）优质、生动的多媒体课件，形象的实物教学，相关习题训练，可提高学生学习兴趣，加深理论的理解

4）与理论课程内容配套的实验训练，可让学生亲自动手验证所学理论知识。

（二）学习方法指导概要

改变以往被动的接受式的学习方法，培养自主学习的能力：

1）将部分内容由学生课上、或课下自学，任课教师可组织学生讨论，最后归纳、强调和总结；

2）将课堂教学与实践教学结合，利用实验，使学生亲自动手验证理论知识，提高学习效果。

（三）素质能力、思维能力培养方案

人文精神的培养与教育是现工科大学生的主要方面，要组织辅导与专任教师开办人文精神讲座，教授文学、历史、美学、科学方法论和创造学提高学生的素质、气质和人文精神，启迪学生的创新思维和欲望，组织各种性趣小组，选择有意义的课题开展工作。

（四）优秀生培养方案

优秀学生除了掌握正常的教学内容及要求外，应侧重复合能力的培养，即动手能力，实践能力，创新能力，使他们成为应用型人才，为走向社会奠定基础。

根据课程的内容，启发一些学有余力的学生进行更深层次的探讨研究，利用丰富的教学资源，扩充所学内容。

（五）学习困难生解困方案

1）加强课堂提问，通过作业，测验考察基础差的学生进步情况；

2）以优秀学生带动学习基础差的学生；

3）加强对学习困难的学生的辅导答疑。

9.  教学改革立项要点

1）教师队伍的建设：

建立稳定的教师队伍结构，加强师资力量，定期进行教学交流，开展教学研讨活动，相互学习，提高教师的专业技术水平。

2）课程内容建设：

在教学中应建立课程主线，突出重点，从基本概念入手，围绕重要知识点，由浅入深的讲解，使学生理解、理顺全书各部分之间的联系。

同时，不断的以新的知识来充实和完善教学内容，以提高学生的学习兴趣，提高教学效果。

3）教材与题库建设：

教材的选取应尽量适于高等学校教学要求。

在内容上深广度适中，应以适用为先，既能反映学科的近代水平，又能适合专业基础课教学，应重点突出，简明扼要，便于学生自学。

同时好的参考教材，可为有能力的学生扩充知识面，加强理论的理解。

为加深学生对理论知识的理解与掌握，适应为课程发展的需要，应建立相应的习题库和习题集，以使学生更好的掌握本门课程，为后续的专业课学习打下良好的理论基础。

4）加强实践环节建设：

本专业的学生是未来的材料研究与制备的工程技术人员，实践能力的培养是相当重要的。

相关实验的开设，不仅可以加强学生动手能力，提高实践技能，而且通过实验，学生可以印证课本所学的理论知识，加深学生对理论知识的理解。

5）教学方法与教学手段的改进：

本课程是一门理论性较强的课程，包含大量抽象的微观结构和枯燥的理论知识，学生学习起来存在相当的难度。

利用多媒体技术和网络技术等现代教育技术手段，通过在课堂教学中引入多媒体教学和开发网上课件，采用新颖多样的教学方式，引导学生，激发学生的学习兴趣与求知欲望，提高学生的学习兴趣和教学效果。

10.考核方法

总成绩两部分组成，期末考试成绩占70％，平时成绩30％，平时成绩考核办法如下：

内容

所占比例

考查形式

学习笔记

5%（5次×1分）

课堂记录/课外学习

随堂测验

5%（5次×1分）

开卷笔试/独立完成

平时作业

10%（5次×2分）

依据完成情况

期中测试

10%

开卷笔试/独立完成

期末考试

70%

闭卷笔试/独立完成

11.课研小组工作方案

本课程小组定期开展教学研讨会，讨论教学大纲，完善、更新教学内容，提高教学水平。

12.辅导答疑安排