材料科學研究范文10篇

20世紀80年代以來，計算機已經成為各個材料領域研究專家的必備工具，并且隨著計算機技術和算法的發展，計算模擬方法也已經成為材料研究新的重要手段．計算模擬技術以物理學、化學等相關的基本理論為基礎，在計算機模擬環境下對宏觀、介觀以及微觀的不同尺度的材料進行多層次的模擬研究，計算材料的力學、熱學、光學、電學和磁學等多方面的物理性質，并進一步探求這些材料的組分、結構和功能之間的本質規律和內在聯系，為實驗制備新材料提供理論支持，變盲目的材料合成為針對材料性能的某類特定需求來主動地、有意識地設計材料的結構．計算模擬在材料科學中的作用已經不僅僅停留在計算機輔助和數據處理上，人們已經認識到計算模擬已經與實驗、理論研究一樣能夠發現新的科學現象、新的科學概念，從而計算模擬已經成為第三條科學發現的途徑．因此，現代材料科學已經不再是單純的實驗科學，計算模擬方法已成為與理論研究和實驗方法同樣重要的研究手段，實驗、理論和計算成為材料研究的3大支柱[4]．而且隨著計算材料科學的進一步發展，計算模擬方法在未來的材料研究中將顯示出越來越大的應用潛力．因此，了解和掌握材料計算和模擬的基本知識已成為現代材料研究工作者必備的技能之一．

材料的計算模擬方法介紹

材料的計算模擬研究是近年來飛速發展的一門新興學科和交叉學科．它綜合凝聚態物理學、理論化學、材料物理學和計算機算法等多個相關學科．它的目的是利用現代高速計算機，模擬材料的各種物理化學性質，深入理解材料從微觀到宏觀多個尺度的各類現象與性能，并對材料的結構和物性進行理論預言，從而達到設計和開發新材料的目的．材料的多尺度計算模擬方法主要有以下幾種:

(1)第一性原理計算方法(First－principlesMethods)基于密度泛函理論的第一性原理計算方法是目前研究微觀電子結構最主要的理論方法．第一性原理計算方法只用到普朗克常數(h)，玻爾茲曼常數(kB)，光速(c)，電子靜態質量(m0)和電子電荷電量(e)這5個基本物理變量和研究體系的基本結構．從量子力學出發，通過數值求解薛定諤方程，計算材料的物理性質．在密度泛函理論，局域密度近似(LDA)和廣義梯度近似(GGA)框架下的計算已廣泛應用于第一性原理的電子結構研究中，并已經取得很大的成功．結合一些能帶結構計算的方法，對于半導體和一些金屬基態性質，如晶格常數，晶體結合能，晶體力學性質都能夠給出與實驗符合得很好的結果，同時能夠比較精確地描述很多體系的電子結構(如能帶結構、電子態密度、電荷密度、差分電荷密度和鍵布局等)、光學性質(介電函數、復折射率、光吸收系數、反射光譜及光電導等)和磁性質，從微觀理論角度分析和揭示材料物理性質的起源，使實驗者主動對材料進行結構和功能的控制，以便按照需求制備新材料．

(2)分子動力學方法(MolecularDynamicsMethods)分子動力學是一種確定性方法，是按照該體系內部的內稟動力學規律來確定位形的轉變，跟蹤系統中每個粒子的個體運動，然后根據統計物理規律，給出微觀量(分子的坐標、速度)與宏觀可觀測量(壓力、溫度、比熱容、彈性模量等)的關系來研究材料性能的一種方法[5]．分子動力學方法首先需要建立系統內一組分子的運動方程，通過求解所有分子的運動方程，來研究該體系與微觀量相關的基本過程．對于這種多體問題的嚴格求解，需要建立并求解體系的薛定諤方程．根據波恩－奧本海默近似，將電子的運動與原子核的運動分開來處理，電子的運動利用量子力學的方法處理，而原子核的運動則使用經典動力學方法處理．此時原子核的運動滿足經典力學規律，用牛頓定律來描述，這對于大多數材料來說是一個很好的近似．只有處理一些較輕的原子和分子的平動、轉動或振動頻率γ滿足hγ＞kBT時，才需要考慮量子效應．

(3)蒙特卡洛方法(MonteCarloMethods)蒙特卡洛方法是在簡單的理論準則基礎上(如簡單的物質與物質或者物質與環境相互作用)，采用反復隨機抽樣的手段，解決復雜系統的問題．該方法采用隨機抽樣的手法，可以模擬對象的概率與統計的問題．通過設計適當的概率模型，該方法還可以解決確定性問題，如定積分等．隨著計算機的迅速發展，蒙特卡洛方法已在材料、固體物理、應用物理、化學等領域得到廣泛的應用[6]．蒙特卡洛方法可以通過隨機抽樣的方法模擬材料構成基本粒子原子和分子的狀態，省去量子力學和分子動力學的復雜計算，可以模擬很大的體系．結合統計物理的方法，蒙特卡洛方法能夠建立基本粒子的狀態與材料宏觀性能的關系，是研究材料性能及其影響因素的本質的重要手段．

1關于”材料”

能源、信息和材料是現代經濟發展的三大支柱，而材料更是基礎。沒有先進的材料就沒有先進的工業、農業和科學技術．重大的技術革新往往起始于材料的革新。如20世紀50年代鎳基超級合金的出現，將材料使用溫度由原來的700℃提高到900X2從而使得超音速飛機問世。而高溫陶瓷的出現則促進了表面溫度高達1000~2的航天飛機的發展。近代新技術(原子能、計算機、集成電路、航天工業等)的發展又促進了新材料的研制。當前可稱為精密陶瓷時代、復合材料時代、塑料時代或合成材料時代等等。材料可以從不同角度分類．根據材料的組成可分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料(聚合物)和復合材料；根據特性和用途可將它分為結構材料和功能材料兩大類。結構材料主要是利用其力學性能，制造需承受一定載荷的設備、零部件、建筑結構等。功能材料主要是利用其特殊物理性能(電學、熱學、磁學、光學性能等)，用于制造各種電子器件、光敏元件、絕緣材料等。根據材料內部原子排列情況分為晶態和非晶態材料；根據材料的熱力學狀態分為穩態和亞穩態材料；根據材料尺寸分為一維(纖維及晶須)、二維(薄膜)和三維(大塊)材料等。

2“材料科學”與“材料科學與工程”

材料科學(MaterialsScience)~科伴隨著生產力發展和科技進步產生與發展。材料的各種性能是其化學成分和組織結構等內部因素在一定外界條件下的行為表現。研究材料主要是為了更有效地使用材料，即了解影響材料性能的各種因素，從而掌握提高其性能的途徑。材料科學是闡明材料的性能和行為與其成分及內部組織結構之間的關系。一般認為，學科間的區別不是絕對的。材料科學是由多種學科分化而產生，而又通過集成走向成熟的。材料科學產生之初，有學者認為：冶金學仍然是一門健全的學科，擁有基本理論、方法和界限，但隨著工程中日益不斷地使用聚合物、陶瓷、玻璃和復合材料，其研究拓展為材料科學(Calvert，1997)。20世紀50年代，材料科學(MaterialsScience)這一新概念，主要源于冶金學，1958至于959年間美國大學教育性質的改變和各種新材料科學研究組織的形成，是材料科學形成的標志。西北大學(NorthWesternUifiversity)是最早將材料科學作為系名的大學(1954年)，并為本科生的研究生開設了相關課程，出版了《材料性能原理(PrinciplesofthePropertiesofMaterials))(1954年)一書，材料科學領域已經發展出多個分支，包括固體物理、冶金學、高分子化學、無機化學、礦物學、玻璃與陶瓷技術。一門學術型學科抽涉及的范圍遠遠大于由大學里院系、學會和專業雜志所構成的群體，它是一所“看不見的學院(hwisiblecollege)”，它們的成員共享某一特定的研究傳統，學者們從中學到了基本的理論框架、操作規范和技術方法。DavidTumbul(1983)~E《對“材料科學”產生和發展的評述》一文中，將材料科學定義為：在超分子水平上表征，認識和控制物質的結構．并建立這一結構與性能(力學、磁、電等)間的關系，即所謂的超分子科學。

MSE(MaterialsScienee&Engineering)的概念最初產生于20世紀50年代，到1960年已經基本穩固建立。在COsMT(1974)的報告中，將MSE定義為：涉及將材料成分、結構和制備與其性能和使用建立關系所形成并應用的知識。1957年美國政府出臺了資助l2個相關實驗室計劃，首批三個材料科學實驗室分別建立在康奈爾大學、賓西法尼亞大學和西北大學。這些實驗室1972年由國家科學基金會(NSF)正式負責。此后各個大學教授的課程，也深受這些材料科學實驗室所從事工作的影響。1958年，為了更好地已經建立的新學科的特征，又在系保后面加上了。與工程，并開始了。材料科學與工程的教育，如牛津大學的材料科學系也簡單地更名為“材料系(DepartmentofMaterials)”。同期還有一批大學，如德克薩斯大學的奧斯分校等沒有設立材料科學系，但已經開始了系間合作，進行了與材料科學相關的研究生教育，通常這種教育也不僅限于在“工程學院”之內。雖然沒有這個系名，但老師的專業知識和研究生的研究工作集中在材料制備、固體化學、高分子工程與科學、X射線晶體學、生物材料、結構材料、材料理論和凝聚態材料及器件等相關領域。1964年麻省理工學院(MIT)也將系名以為“冶金與材料科學系”，1974年正式改名為“材料科學與工程系”。20世紀60年代，材料科學被引入歐洲的大學，如北威爾士大學、蘇賽克大學和伯明翰大學。1956年，中國在西方工作過的科學工作者們制定一份科學技術規劃時，認識當時的中國已經培養了具有金屬材料方面知識的科技人員，但對合金及其熱處理方面的科技人員數量不足，到1980年，已經有l7個院校的金屬物理專業改為材料科學專業。

3“材料科學”研究的實踐與方向

材料科學基礎知識體系龐雜，從晶體內部結構到表面界面，從點陣的規則排布到各種缺陷，從液態凝固到固態轉變，內容五花。此外，晶體的某些微觀形態與人們的宏觀生活經驗距離甚遠，使得這些概念抽象，難以理解。材料科學基礎給學生的普遍感覺是知識面既廣且深，學習難度很大，被學生私下稱作“天書”。如何把“天書”講透，這對教學工作提出了很高的要求：既要講得生動形象，激起學生的興趣，又要將知識講授到位，不能為了降低難度而刪繁就簡。為了提高教學質量，各個學校的材料科學基礎教學都進行了大量改革，如使用動畫對晶體微觀形態進行直觀的表現，增強師生之間的交流，加強實驗和實踐環節，等。這些措施都在一定程度上提升了材料科學基礎的教學效果，使得理解材料科學基礎課程中知識點的難度有所下降。盡管有了這些新的教學手段，材料科學基礎對大部分學生來說依然很難，導致學生學習熱情不高。除此之外，在材料科學基礎的課堂教學和實驗教學中，學生經常存在著一些困惑：習慣于被動地接受知識，卻不知道這些理論知識從何而來，也很少去想孕育這些理論的過程。介紹材料科學發展史中的名人典故，能夠讓學生了解科學理論形成的歷史，熟悉科研的過程，增強學習材料科學基礎課程的興趣，進而激發投身材料科學研究的熱情。

一、提高課堂注意力

在北京科技大學材料學院的課程設置中，材料科學基礎課程的教學由兩部分構成，堂教學和40學時的實驗教學。課堂教學是實驗教學的基礎，要提升材料科學基礎課程的整體教學質量，提高課堂講授效果是重中之重。在課堂教學中，教學質量的決定因素不是教師講授了多少知識，而是學生接受了多少內容。學生接受的信息量有兩個影響因素：一是教師能否將抽象的概念形象化，使學生便于理解，也就是“聽不聽得懂”；二是學生上課注意力是否集中，是否緊跟教師的思路，也就是“在不在聽”。為了闡明抽象的理論，使學生“聽得懂”，各校的教師都做了大量的工作。例如，編寫合適的教材，制作教學視頻、動畫，制作教學實物模型，等等。這些工作能將抽象的概念直觀化、形象化，便于學生理解，收到了很好的成效，提升了教學質量。但是，關于集中學生注意力的教學改革則不多。盡管教學視頻、模型等能夠增強學生上課興趣，提升其注意力，但其本身仍然是對專業知識的介紹，有一定的理解難度，未必每個人都能接受。理想的課堂教學狀況是學生的注意力隨時間呈現水平甚至是上升的趨勢。聽課需要學生持續用腦，經歷了一個興奮點后注意力逐漸下降的現象是無法避免的。維持學生注意力的一個可行方法是縮短相鄰兩個興奮點之間的時問間隔。在課堂講授中穿插名人典故能放松學生緊張的神經，并制造一個新的興奮點。如果說在一節課中學生的注意力是不斷下降的，那么介紹名人典故能使學生的注意力有一個突然的提高，達到一個新的峰值。介紹名人典故能活躍課堂氣氛，明顯的變化是抬頭看黑板的學生人數增加了，一些原本精神溜號學生的注意力都被集中到課堂上。

導致學生上課注意力不集中的另一個原因是畏難情緒。一些學生上課時遇到聽不懂的地方興趣就會減弱，遇到更難懂的知識點甚至會放棄聽課。而介紹材料科學名人典故能起到幫助學生克服畏難情緒的作用。例如，晶體的易磁化方向如今是一個簡單的結論，但日本東北大學為了得到這個結論曾付出了巨大的努力：實驗室連續幾個月燈火通明，研究人員輪班24小時不間斷地實驗才得出了現在的簡單結論。介紹這樣的事例能讓學生感受到科學研究的艱辛，從而正確地面對學習過程中遇到的困難。

二、端正實驗態度

實驗教學是材料科學基礎教學的重要組成部分。通過實驗，學生能更好地理解所學到的理論知識。在目前的材料科學基礎實驗課上，學生往往是被動地完成實驗任務，缺乏自主探索的熱情。有些學生甚至對實驗本身的意義也發生了懷疑，不知道實驗訓練對于今后的科研或工作有什么作用。通過介紹材料科學名人取得成就的科研過程，能使學生明確實驗課的價值和目的，從而端正對待實驗課的態度。在實驗教學中，手繪組織形貌圖是一項基本的實驗技能訓練。很多學生對這項訓練提出了質疑，認為在顯微照相技術十分發達的今天，已經不再需要用手繪的方式來記錄組織形貌。向學生展示阿道夫•馬滕斯(AdolfMartens，1850—1914)的研究筆記就是端正學生實驗態度的一個例子。他畫出的組織形貌圖可以同照片媲美，清楚地反映了組織的每一個細節，甚至還繪上了彩色，每一幅圖都配了詳盡的解釋與說明。以前上實驗課，學生只是把手繪組織形貌圖當成一項任務來做。看到馬滕斯的研究筆記后，學生意識到科學家在照相技術不發達的年代都是用手繪組織形貌的方式來進行研究的。即使在顯微照相技術發達的今天，也不意味著手繪組織形貌就失去了意義，因為手繪的過程能加深對組織形成先后順序的認識。顯微照相與手繪組織形貌之間的差異就如同熱力學與動力學的差異一樣，前者只給出最終態，而后者則更注重組織形成的過程。

摘要:本文針對高校課程改革的迫切需求及該課程在教學中存在的現實問題，嘗試對“計算機在材料科學中的應用”這門課程的教學進行改革，提出“四位一體”教學模式和該模式的具體實施策略。將研究型探究式教學、線上線下體驗教學、前沿知識教學和課程思政教學四個方面在教學實施中進行有機整合，使該課程在教學中實現教、學、做、評的融合，有利于學生厚植理論基礎、啟發創新思維、拓展學科視野、樹立文化自信，助力應用研究型人才培養。

關鍵詞:計算機;材料科學;四位一體;教學模式

隨著計算機模擬技術的快速發展，材料科學研究已經從傳統的試錯法逐步走向多元化、多尺度化研究［1-2］，材料研發模式的變革對人才培養提出了新的挑戰。因此，國內各高等院校認識到“計算機在材料科學中的應用”課程的重要性［3-4］。該課程是材料類專業本科生的一門專業必修課程，其目的是為了培養學生運用計算機進行材料科學研究和解決材料工程領域實際問題的能力，提升學生創新精神和科技探索能力。然而，在教學過程中存在重理論輕實踐、教學模式單一、前沿性不足、思政育人單調等問題。在新工科背景下，迫切需要進行教育教學改革，不斷提升學生利用計算機技術工具分析和解決問題的能力，進而提高課程教學效果。

一、當下“計算機在材料科學中的應用”課程教學存在的問題

“計算機在材料科學中的應用”課程涉及的理論知識面較廣，是融合計算機技術和材料科學學科基礎的跨學科課程。課程對該專業學生的發展具有重要奠基作用，因此這門課程的教學質量日益受到重視。但因各個高校學科設置和師資力量不同，該課程教學主要采用傳統的理論授課的形式進行，通過對這門課程教學過程的調研，發現在教學中還存在以下問題。

(一)教學觀念上重理論輕實踐

摘要：材料科學涉及的內容比較多，屬于一門綜合性比較強的學科，在發展的過程中融入計算機技術在很大程度上提升了材料科學的發展水平。例如，鋼鐵行業的發展和經營及煉鋼過程中溫度和流體運動的監測等，這些精細化的活動都需要計算機技術作為必要的支持。如今，人們對材料提出了更高的需求，這也為計算機在材料科學中的發展奠定了現實基礎。因此，文章結合具體的應用方式及其注意事項進行更為細致的論述，旨在為促進材料科學的發展提供支持。

關鍵詞：計算機；材料科學；具體運用

現階段，計算機在材料科學領域得到了非常廣泛的應用，尤其在材料液態成型、連接成型和塑性成型的過程中，借助計算機技術的先進性可以對材料成型工藝進行升級和優化，運用定量預測的方式代替傳統模式中的動向描述。有關技術人員能夠借助這種方式來提升自身的工作效率，同時防止人工誤差對材料、工藝和環節造成的影響[1]。如今，經驗試錯法已經不適于當今時代的發展趨勢，在計算機的協助之下，工作人員能夠以更加便捷可靠的操作形式進行試驗。將計算機技術運用到材料科學中，有助于形成質量好、實用性強的材料。

1計算機技術在材料科學中的應用

1.1在新材料設計中的應用

在分析材料設計的具體方式和尺寸測量等知識的過程中，應該將人工智能和大數據技術等當下比較火熱的新技術運用到新材料設計工作中，這樣能夠拓展研究人員的思維，讓他們在實際工作中加入更多的創新理念。利用傳統模式進行工作的過程中需要運用復雜的化學理論和物理理論，計算機技術能夠將這些雜亂的試驗資料進行整合，并且衍生出全新的材料研發形式，從而有效提升工作效率，也提高了材料設計的整體質量[2]。

摘要：本篇文章從低碳經濟的概念、核心以及主要內容方面進行了分析，根據低碳經濟的各項需求，介紹了國內外材料科學技術的應用狀況，并分析了材料科學和加工技術在各種材料領域的應用現狀以及未來發展前景，提出了發展低碳技術和低碳經濟的具體對策。

關鍵詞：低碳經濟；低碳技術；材料科學

低碳經濟是指減少溫室氣體排放量的一種經濟發展方式，特別是有效控制二氧化碳這種主要的溫室氣體的對外排放。低碳經濟的主要目標就是實現排放的最小化以及污染的最小化，實質在于提升資源的利用率并創設新型的清潔能源發展結構，實現技術創新、制度創新和觀念更新。同時，發展低碳經濟涉及到生活、生產方式以及價值觀乃至國家利益等多個范疇。世界氣候變化關乎人類的生產和延續，因此各國都圍繞低碳經濟做出了努力，通過科學技術的研發以及生活方式、生產方式的轉變來減少資源消耗、降低污染排放。實現經濟發展和社會發展的雙贏，在這樣的背景下，材料科學技術的發展逐漸引起世界各國的重視。

一、低碳經濟下材料科學技術的發展概述

在當前低碳經濟環境下，很多國家為了適應經濟全球化發展，踴躍發展科學技術。材料科學技術是其中很重要的一個范疇，很多國家將材料科學技術看作國家發展策略當中重要的構成成分，應當得到重點的扶持。在國際范圍內歐美國家較先發展材料科學技術，并且無論在科學理念還是科學研究成果方面都位居前列。其中美國的材料科技戰略的目的在于保持本國在全球范疇內的領先地位，掌握信息技術以及生命科學、環境科學乃至納米技術的發展，實現能源、信息等重要的部門和領域的要求。歐洲國家的新材料科技戰略的目標在于實現航空材料、電信材料等領域在世界范圍內的領先，在歐洲的一些國家大力發展光電材料，納米技術、超導技術等。通過產品的創新以及技術的創新，在新材料制造裝備、加工以及應用等三個方面來實現低碳經濟的發展。在亞洲國家當中，具有代表性的國家比如日本，重視材料科學技術的實用性，同時也注重產品的先進性，追求產品的高端化發展，爭取在頂尖的領域趕超美國等發達國家。日本對于新材料的研究和傳統材料的優化采用的是齊頭并進的策略，重視對現有材料的性能提升以及對舊產品的回收利用等。在新世紀新材料技術發展籌劃當中，重視環保型以及再生型產品的發展，以資源友好特性和環境保護特性為主要的發展標準，通過開發新的材料科學技術以解決資源匱乏和環境污染的問題。國內對于材料科學技術的發展也十分重視，具體體現在各大國家發展計劃當中，為材料領域提供了可觀的篇幅，在材料科學技術領域我國已經有了比較充分的技術體系，并且在材料領域的研發方面有了明顯的進步，在一些新材料領域的研究上取得了明顯的成效。但是我國缺乏自主創新能力，不夠重視帶有自主知識產權的材料以及技術的發展，嚴重妨礙了新材料以及技術的研究和發展。所以，我國依舊需要努力，改善材料技術的發展現狀，實現低碳經濟的發展。

二、低碳經濟對于材料產業的具體要求

摘要：將天津理工大學材料物理專業培養方案與材料類教學質量國家標準進行了對比。結果表明，目前運行的培養方案在培養目標、專業總學分數方面符合國家標準要求，但是現有方案在終身學習能力方面體現不足，對于一些通識性的知識還需要加強對學生的訓練。

關鍵詞：材料物理；材料類；教學質量

國家標準2018年1月31日，教育部《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》（以下簡稱《標準》），這是我國的第一個高等教育教學質量國家標準?！稑藴省酚腥筇攸c，一是既有“規矩”又有“空間”，既對各專業類提出統一要求、保證基本質量，又為各校各專業人才培養特色發展留出足夠的拓展空間，形象地說就是“保底不封頂”；二是既有“底線”又有“目標”，既對各專業類提出基本要求，兜底線、保合格，又對提升質量提出前瞻性要求；三是既有“定性”又有“定量”，既對各專業類標準提出定性要求，又包含必要的量化指標。

一、培養目標

1.材料類教學質量國家標準。材料類專業培養具有堅實的自然科學基礎、材料科學與工程專業基礎和人文社會科學基礎，具有較強的工程意識、工程素質、實踐能力、自我獲取知識的能力、創新素質、創業精神、國際視野、溝通和組織管理能力的高素質專門人才。材料類專業畢業的學生，既可從事材料科學與工程基礎理論研究，新材料、新工藝和新基礎的研發，生產技術開發和過程控制，材料應用等材料科學與工程領域的科技工作，也可承擔相關專業領域的教學、科技管理和經營工作。2.材料物理專業的培養方案。本專業培養具有良好的思想品德，掌握堅實的材料科學和物理學基礎知識及技能，具備材料工程實踐能力的高素質應用型高級人才。畢業生能在新材料、電子信息、半導體、冶金、能源、化工等領域，從事材料科學研究、產品研發、制備加工、測試分析、工藝改進、教學、生產及經營管理等工作。本專業目前設置電子信息材料和納米材料兩個主要方向。對標材料類專業國家標準，天津理工大學材料物理專業培養方案中的培養目標定位在高素質應用人才，這是符合我們目前生源特點的。培養方案對培養學生的服務領域提出了更具體細化的要求。對于培養目標的設定我們目前的培養方案是符合國家質量標準的。

二、參考總學分

摘要:材料科學基礎是材料科學與工程專業和材料成型與控制工程專業的專業基礎課。針對材料科學基礎的特點，結材料科學基礎課程教學實踐經驗，對教學內容、教學方法、考核手段等方面進行了分析和探討。

關鍵詞:材料科學基礎;教學;考核;實踐教學

材料科學基礎課程是材料類專業本科生的一門必備的基礎類課程，主要介紹材料的基礎知識，比如材料的鍵合結構、晶體結構與缺陷、固體中原子及分子的運動、材料的變形、相圖等材料類本科生必須學習的基礎知識。材料科學基礎從本質上認識材料的成分、組織、加工工藝與性能之間的相互關系是材料類本科生學習其他相關專業課程的基礎［1］，也是科學研究的理論基礎和基本知識、技能。該課程突出了材料的本質特征，介紹了材料的微觀領域，且課程涉及的內容較多相對來說難易看到起表象特征，對于剛剛涉及材料基礎的學生來說，內容生澀、抽象、不易理解，教學內容相對枯燥、難懂，是一門教師難教、學生難懂的學科［2］。因此，如何采取合適的教學方法，充分調動學生學習的主動性、積極性，使學生能理解教學內容，而不是死記硬背，加強學生分析問題、解決問題的能力。同時，如何使學生能跟上不斷更新地學科技術，不斷融合地多學科交叉發展，以及復合型材料的不斷涌出［3，4］，這要求我們不斷進行教學改革，必須培養出思想開放、知識面廣、善于思辨的復合型材料人。

一、學生為主的教學課堂提升視頻比重

材料科學基礎課程設計材料原子的鍵合、材料晶胞結構、材料晶體缺陷、材料分子擴散和相圖等基礎知識，存在抽象概念多得特點。目前的教學方式主要是講解各種知識點，很難明了直白的讓學生學習到本質，在一定程度上很好的調動學生的學習積極性，也能很好的讓學生理解，提高了學生的學習效果。但是現有的教學方式中，視頻教學主要集中在一些材料的微觀結構介紹方面，并沒有涉及材料的應用領域，尤其是科學前沿、創新技術、科學巨匠的內容，往往這些內容更能帶動學生的學習興趣和動力。比如我國現行的科學巨匠們的事跡，從這些匠人們的學習經歷、科研足跡中，激發學生的主觀能動性。目前的教學方式古板老套無法提高學生的主動學習探索能力，這種學習能力恰恰是學生必備的基本技能。在教學中可以把生澀的專有名詞轉化為自己的語言來表述，教師在教學中也不能誦讀教程，要講知識點轉化為通俗易懂的語言來表述。此外，每節課程要提出下一節課程的教學內容，先讓學生去學習，然后形成學習筆記，這樣才能讓學生更好地了解自己不足的地方，有方向、有目的地去學習。同時，教學中讓學生參與到教學中，將學生進行分組，將下一節課程的內容分配到學習小組，在開課的前15分鐘，讓學生先來講解，然后分組討論，最后再由授課老師進行解惑，分析不足，進一步加深印象的授課。通過這種教學方式，可以充分鍛煉學生的自主學習、語言組織、PPT制作、視頻學習、甚至是一種材料研究的設計、開發思維，并能訓練學生的自我表達能力、團隊協作、專用知識學習和科研能力。這些能力不僅僅是學生學習知識的能力，更是將來走向社會、適應社會的能力。

二、理論教學和實踐教學結合

一、MaterialsStudio軟件在教學中的應用

(一)簡介材料計算模擬軟件Materialsstudio是美國Accelrys公司為材料科學領域開發的一款科學研究軟件，用于幫助用戶解決當今材料科學中的一些重要問題。MaterialsStudio軟件包集成了Visual-izer、CASTEP、Dmol3、Reflex等二十幾個計算模擬模塊，是一款強有力的計算模擬工具。用戶可以通過Visualizer可視化模塊進行一些簡單的界面操作來建立材料分子的三維結構模型，之后通過軟件包中相應的計算模塊，對材料分子的構型優化、性質預測、X射線衍射分析及量子力學方面進行計算。通過計算得到的結果可以對各種晶體、無定型與高分子材料的性質及相關過程進行深入的分析和研究，其計算的結果精確可靠。CASTEP是CambridgeSequentialTotalEnergyPackage的縮寫，最早由英國劍橋大學的一個凝聚態理論小組開發，是廣泛用于計算周期性體系性質的一個先進量子力學程序。它可用于金屬、半導體、陶瓷等多種材料的相關計算，可研究晶體材料的光學性質（折射率，反射率，吸收及發射光譜等）、缺陷性質（如空位、間隙或取代摻雜）、電子結構（能帶及態密度）、體系的三維電荷密度及波函數等。

（二）教學環節設計1.知識點的設置。在材料科學的專業課中，如晶體物理、固體物理、半導體物理學、硅材料科學與技術等課程中,都會涉及材料的晶體結構，能帶結構，帶隙的分類，X射線衍射、缺陷，摻雜等知識點，也會涉及到材料的反射率、折射率、介電常數等材料的光學或化學性質。在完成這些基礎知識點的講解后，可以利用Mate-rialsStudio軟件進行計算和演示，為這些基礎理論給出直觀形象的解釋，把材料的宏觀性質與微觀機理銜接上，這樣學生對材料科學的知識體系就會有一個整體的認識和了解。2.密度泛函理論及波函數的介紹。密度泛函理論是一種研究多電子體系電子結構的量子力學方法，其本質是以電子密度分布函數為變量代替波函數中的自變量來求解薛定諤方程，使求解復雜體系波函數的本征值成為可能。目前，密度泛函理論已廣泛應用于物理、化學及材料相關領域，特別是用來研究分子和凝聚態的性質。目前密度泛函理論DFT（DensityFunctionalTheory縮寫）被廣泛應用到計算模擬軟件中來求解薛定諤方程，可對材料的結構、性質、光譜、能量、過渡態結構和活化勢壘等方面的進行計算研究。在與分子動力學結合后，在材料設計、合成、模擬計算等方面有明顯進展，成為計算材料科學的重要基礎和核心技術。3.軟件的操作及相關內容的演示。MaterialsStudio程序包中的二十多個計算模塊是通過Visualizer這個可視化核心模塊整合在一起的，用戶可以很方便地應用Visualizer模塊構建有機、無極、聚合物、金屬等材料分子、及周期性的晶體材料、表面、層結構等模型，通過鼠標控制這些分子構型，可從不同角度查看并分析體系結構，容易形成直觀的概念。MaterialsStudio自帶的數據庫中的晶體結構可以用于教學演示，如在硅材料科學與技術和半導體物理等課程的教學過程中，需要用到單晶硅的晶體結構，可以很方便地從MaterialsStudio軟件的Structures/semiconductors數據庫文件夾中導入Si這個晶體數據文件，在課堂上為學生們演示，從（100）、（110）、（111）不同的晶面來進行展示（如圖1），以說明硅單晶的晶體結構。也可以通過Visualizer模塊中的菜單選項Build->Sym-metry->Supercell建立n×n超胞結構，通過調整角度，可以從不同晶向觀察晶體的晶面，通過超胞結構也可以演示各種晶體的密堆積結構。這樣就給學生一個生動、形象、直觀動態的概念，使其易于在頭腦中建立空間模型，理解所學知識點。通過Visualizer模塊對硅單晶的元胞進行演示，我們可以知道每個硅原子至多與另外四個硅原子相連，借此可以說明硅原子的共價鍵取向及硅晶體屬于金剛石型結構，源于硅原子的sp3雜化，形成了四個共價鍵。通過CASTEP模塊對硅單晶的元胞進行計算，可以得出其能帶結構和態密度，通過對計算結果的分析，可以得出硅單晶材料的帶隙特點。在稀土化學的教學過程中，可以通過CCDC英國劍橋晶體數據庫及WebofScience網站來獲取稀土配合物的晶體結構，然后通過MaterialsStudioVisualizer讀出晶體結構，用于課堂演示，有助于學生理解復雜的稀土配合物結構。在固體物理教學過程中，可以利用MaterialsStudio中的Re-flex模塊模擬粉晶體材料的X光、中子以及電子等多種衍射圖譜,可用于驗證實驗結果及演示教學。4.知識點的拓展。對于缺陷、雜質摻雜、空位等對晶體材料的影響，可以通過MaterialsStudio中Visualizer模塊建立相應的模型，然后通過CASTEP計算模塊進行計算。通過對計算結果的分析，說明這些因素對半導體材料性質的影響。MaterialsStudio軟件同樣可以計算材料的折射率、反射率、介電常數等性質。其計算的結果數據和圖表可以與教科書或文獻上的數據圖表進行對比，來說明計算方法的正確性，以此為支點，采用同樣的計算方法，我們可以嘗試設計更多的新型材料并進行計算。通過這些詳實的計算實例我們可以更生動地說明教學中的知識點，學生可以根據自己的興趣愛好，嘗試進行材料分子模型的設計并進行模擬計算。通過計算結果的對比，可以初步探討晶體中缺陷、雜質、空位等因素對材料性質的影響，在此過程中增加了學生的學習自主性和興趣。

二、GaussianView和Gaussian軟件在教學中的應用

（一）簡介Gaussian是一個功能強大的量子化學綜合軟件包。應用它可以計算分子能量和結構、過渡態的能量和結構、化學鍵以及反應能量、分子軌道、熱力學性質、反應路徑等等，功能非常強大。計算可以模擬氣相和溶液中的體系,模擬基態和激發態，進而通過含時密度泛函研究材料分子體系的激發態，算出吸收和發射光譜。Gaussian擴展了化學體系的研究范圍，可以對周期邊界體系進行計算，例如聚合物和晶體。周期性邊界條件的方法(PBC)技術把體系作為重復的單元進行模擬，以確定化合物的結構和整體性質。而GaussianView是一款為Gaussian設計的配套軟件，其主要作用有兩個：1.構建Gaussian的輸入分子模型，2.以圖形顯示Gaussian程序的運算結果。

（二）知識點的設置1.在材料科學有機電致發光材料及稀土化學課程的教學過程中，會涉及到有機或稀土發光材料的吸收及發射機理。通過把Gaussian軟件教學過程，我們可以很好結合這些算例講解三重態，單重態發射過程，給出與發射過程相關的分子最高占據軌道HOMO和最低非占據軌道LUMO的電子密度圖，這樣就可以很形象地解釋發射過程中的電子轉移過程，對低能吸收和發射過程的電子躍遷性質進行判斷。2.軟件的操作及相關內容的演示。(1)通過CCDC晶體數據庫或者WebofScience網站獲得相應的配合物或者稀土配合物晶體的晶體結構（通常為cif文件）。(2)應用Mercury軟件或者MaterialsStudio軟件讀取相應的晶體結構，轉存為GaussianView程序可以讀取的格式（一般選用*.cif、*.pdb、*.mol2格式）,通過Gaussian-View轉存為Gaussian輸入程序（*.gif-Gaussianinputfile)。(3)采用Gaussian程序進行計算。(4)通過GaussianView程序讀入Gaussian03/09計算結果，通常為log文件，或者fchk文件，GaussianView可以很方便地讀取Gaussian的計算結果并且以圖形的形式顯示出來，并可應用它對計算結果進行分析。(5)通過GaussianView對計算結果的進行處理，通過它顯示出發光材料的分子軌道電子云密度分布情況，吸收光譜，發射光譜等情況，結合這些圖形信息，我們可以對有機電致發光材料或者稀土發光材料的發光機理進行教學。3.知識點的拓展。GaussianView是由Gaussian公司開發的一款非常好的分子建模及顯示工具，學生可以通過對它的使用，很方便地進行分子設計并輸入到高斯程序中進行計算。可以安排學生在基礎發光材料分子的基礎上，在分子配體的外圍添加外圍取代基或者改變配體，進行嘗試，進行配合物分子的設計，增強其動手能力，為今后走進實驗室進行有機合成做準備。

材料科學與工程學院作為西部地區材料科學與工程人才的培養基地和科學研究基地，長期以來緊密結合西部，特別是甘肅省區域經濟和地方資源特色，立足有色金屬新材料及其加工成型的新技術、新工藝的開發研究，形成了健全的本科、碩士、博士的多層次材料、冶金學科高級專業人才培養體系。多年來，學院依據國家、地方、區域經濟發展需要，形成了自己獨特的科研特色，培養出了一支具有較強科研實力的研究隊伍，在基礎理論研究，應用開發研究，新產品開發方面做出了一定成績，取得了一系列研究成果，培養出了一批優秀的高級專門人才，為國家尤其是西部地區經濟社會發展做出了一定貢獻。

學院現從事科研工作教師及技術服務人員92人。其中正高級職稱27人，副高級職稱31人。具有博士學位36人，碩士學位41人。入選教育部“新世紀優秀人才計劃”1人，甘肅省特聘科技專家2人，國家級專家及國務院特殊津貼獲得者12人，省部級專家13人。

近年來，在學校黨委、行政的正確領導下，在各職能部門的具體指導下，在兄弟院系的大力支持下，學院全體教師的共同努力，我院科研工作取得了很大成績。

一、學科建設成績斐然

根據學校學科建設與發展總體要求和學院學科建設的實際，學院認真落實學科建設與發展規劃，實現了學院材料與冶金學科發展并舉，并突出學科特色的目標。

2005年，學院成功獲得了材料科學與工程一級學科博士學位授權點，突破了我校無一級學科博士點的歷史，提高了學校與學院的辦學層次。同時，材料科學與工程一級學科碩士授權點也獲得認定。目前學院已擁有材料科學與工程一級學科博士授權點及材料科學與工程一級學科博士后科研流動站，材料科學與工程一級學科碩士授權點、冶金物理化學與有色金屬冶金2個二級學科碩士授權點、材料工程領域工程碩士授權點、材料加工工程高校教師攻讀碩士學位授權點，從而形成了學士、碩士、博士及博士后培養的完備的人才培養體系。