材料科学研究范文10篇

20世纪80年代以来，计算机已经成为各个材料领域研究专家的必备工具，并且随着计算机技术和算法的发展，计算模拟方法也已经成为材料研究新的重要手段．计算模拟技术以物理学、化学等相关的基本理论为基础，在计算机模拟环境下对宏观、介观以及微观的不同尺度的材料进行多层次的模拟研究，计算材料的力学、热学、光学、电学和磁学等多方面的物理性质，并进一步探求这些材料的组分、结构和功能之间的本质规律和内在联系，为实验制备新材料提供理论支持，变盲目的材料合成为针对材料性能的某类特定需求来主动地、有意识地设计材料的结构．计算模拟在材料科学中的作用已经不仅仅停留在计算机辅助和数据处理上，人们已经认识到计算模拟已经与实验、理论研究一样能够发现新的科学现象、新的科学概念，从而计算模拟已经成为第三条科学发现的途径．因此，现代材料科学已经不再是单纯的实验科学，计算模拟方法已成为与理论研究和实验方法同样重要的研究手段，实验、理论和计算成为材料研究的3大支柱[4]．而且随着计算材料科学的进一步发展，计算模拟方法在未来的材料研究中将显示出越来越大的应用潜力．因此，了解和掌握材料计算和模拟的基本知识已成为现代材料研究工作者必备的技能之一．

材料的计算模拟方法介绍

材料的计算模拟研究是近年来飞速发展的一门新兴学科和交叉学科．它综合凝聚态物理学、理论化学、材料物理学和计算机算法等多个相关学科．它的目的是利用现代高速计算机，模拟材料的各种物理化学性质，深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各类现象与性能，并对材料的结构和物性进行理论预言，从而达到设计和开发新材料的目的．材料的多尺度计算模拟方法主要有以下几种:

(1)第一性原理计算方法(First－principlesMethods)基于密度泛函理论的第一性原理计算方法是目前研究微观电子结构最主要的理论方法．第一性原理计算方法只用到普朗克常数(h)，玻尔兹曼常数(kB)，光速(c)，电子静态质量(m0)和电子电荷电量(e)这5个基本物理变量和研究体系的基本结构．从量子力学出发，通过数值求解薛定谔方程，计算材料的物理性质．在密度泛函理论，局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)框架下的计算已广泛应用于第一性原理的电子结构研究中，并已经取得很大的成功．结合一些能带结构计算的方法，对于半导体和一些金属基态性质，如晶格常数，晶体结合能，晶体力学性质都能够给出与实验符合得很好的结果，同时能够比较精确地描述很多体系的电子结构(如能带结构、电子态密度、电荷密度、差分电荷密度和键布局等)、光学性质(介电函数、复折射率、光吸收系数、反射光谱及光电导等)和磁性质，从微观理论角度分析和揭示材料物理性质的起源，使实验者主动对材料进行结构和功能的控制，以便按照需求制备新材料．

(2)分子动力学方法(MolecularDynamicsMethods)分子动力学是一种确定性方法，是按照该体系内部的内禀动力学规律来确定位形的转变，跟踪系统中每个粒子的个体运动，然后根据统计物理规律，给出微观量(分子的坐标、速度)与宏观可观测量(压力、温度、比热容、弹性模量等)的关系来研究材料性能的一种方法[5]．分子动力学方法首先需要建立系统内一组分子的运动方程，通过求解所有分子的运动方程，来研究该体系与微观量相关的基本过程．对于这种多体问题的严格求解，需要建立并求解体系的薛定谔方程．根据波恩－奥本海默近似，将电子的运动与原子核的运动分开来处理，电子的运动利用量子力学的方法处理，而原子核的运动则使用经典动力学方法处理．此时原子核的运动满足经典力学规律，用牛顿定律来描述，这对于大多数材料来说是一个很好的近似．只有处理一些较轻的原子和分子的平动、转动或振动频率γ满足hγ＞kBT时，才需要考虑量子效应．

(3)蒙特卡洛方法(MonteCarloMethods)蒙特卡洛方法是在简单的理论准则基础上(如简单的物质与物质或者物质与环境相互作用)，采用反复随机抽样的手段，解决复杂系统的问题．该方法采用随机抽样的手法，可以模拟对象的概率与统计的问题．通过设计适当的概率模型，该方法还可以解决确定性问题，如定积分等．随着计算机的迅速发展，蒙特卡洛方法已在材料、固体物理、应用物理、化学等领域得到广泛的应用[6]．蒙特卡洛方法可以通过随机抽样的方法模拟材料构成基本粒子原子和分子的状态，省去量子力学和分子动力学的复杂计算，可以模拟很大的体系．结合统计物理的方法，蒙特卡洛方法能够建立基本粒子的状态与材料宏观性能的关系，是研究材料性能及其影响因素的本质的重要手段．

材料科学基础知识体系庞杂，从晶体内部结构到表面界面，从点阵的规则排布到各种缺陷，从液态凝固到固态转变，内容五花。此外，晶体的某些微观形态与人们的宏观生活经验距离甚远，使得这些概念抽象，难以理解。材料科学基础给学生的普遍感觉是知识面既广且深，学习难度很大，被学生私下称作“天书”。如何把“天书”讲透，这对教学工作提出了很高的要求：既要讲得生动形象，激起学生的兴趣，又要将知识讲授到位，不能为了降低难度而删繁就简。为了提高教学质量，各个学校的材料科学基础教学都进行了大量改革，如使用动画对晶体微观形态进行直观的表现，增强师生之间的交流，加强实验和实践环节，等。这些措施都在一定程度上提升了材料科学基础的教学效果，使得理解材料科学基础课程中知识点的难度有所下降。尽管有了这些新的教学手段，材料科学基础对大部分学生来说依然很难，导致学生学习热情不高。除此之外，在材料科学基础的课堂教学和实验教学中，学生经常存在着一些困惑：习惯于被动地接受知识，却不知道这些理论知识从何而来，也很少去想孕育这些理论的过程。介绍材料科学发展史中的名人典故，能够让学生了解科学理论形成的历史，熟悉科研的过程，增强学习材料科学基础课程的兴趣，进而激发投身材料科学研究的热情。

一、提高课堂注意力

在北京科技大学材料学院的课程设置中，材料科学基础课程的教学由两部分构成，堂教学和40学时的实验教学。课堂教学是实验教学的基础，要提升材料科学基础课程的整体教学质量，提高课堂讲授效果是重中之重。在课堂教学中，教学质量的决定因素不是教师讲授了多少知识，而是学生接受了多少内容。学生接受的信息量有两个影响因素：一是教师能否将抽象的概念形象化，使学生便于理解，也就是“听不听得懂”；二是学生上课注意力是否集中，是否紧跟教师的思路，也就是“在不在听”。为了阐明抽象的理论，使学生“听得懂”，各校的教师都做了大量的工作。例如，编写合适的教材，制作教学视频、动画，制作教学实物模型，等等。这些工作能将抽象的概念直观化、形象化，便于学生理解，收到了很好的成效，提升了教学质量。但是，关于集中学生注意力的教学改革则不多。尽管教学视频、模型等能够增强学生上课兴趣，提升其注意力，但其本身仍然是对专业知识的介绍，有一定的理解难度，未必每个人都能接受。理想的课堂教学状况是学生的注意力随时间呈现水平甚至是上升的趋势。听课需要学生持续用脑，经历了一个兴奋点后注意力逐渐下降的现象是无法避免的。维持学生注意力的一个可行方法是缩短相邻两个兴奋点之间的时问间隔。在课堂讲授中穿插名人典故能放松学生紧张的神经，并制造一个新的兴奋点。如果说在一节课中学生的注意力是不断下降的，那么介绍名人典故能使学生的注意力有一个突然的提高，达到一个新的峰值。介绍名人典故能活跃课堂气氛，明显的变化是抬头看黑板的学生人数增加了，一些原本精神溜号学生的注意力都被集中到课堂上。

导致学生上课注意力不集中的另一个原因是畏难情绪。一些学生上课时遇到听不懂的地方兴趣就会减弱，遇到更难懂的知识点甚至会放弃听课。而介绍材料科学名人典故能起到帮助学生克服畏难情绪的作用。例如，晶体的易磁化方向如今是一个简单的结论，但日本东北大学为了得到这个结论曾付出了巨大的努力：实验室连续几个月灯火通明，研究人员轮班24小时不间断地实验才得出了现在的简单结论。介绍这样的事例能让学生感受到科学研究的艰辛，从而正确地面对学习过程中遇到的困难。

二、端正实验态度

实验教学是材料科学基础教学的重要组成部分。通过实验，学生能更好地理解所学到的理论知识。在目前的材料科学基础实验课上，学生往往是被动地完成实验任务，缺乏自主探索的热情。有些学生甚至对实验本身的意义也发生了怀疑，不知道实验训练对于今后的科研或工作有什么作用。通过介绍材料科学名人取得成就的科研过程，能使学生明确实验课的价值和目的，从而端正对待实验课的态度。在实验教学中，手绘组织形貌图是一项基本的实验技能训练。很多学生对这项训练提出了质疑，认为在显微照相技术十分发达的今天，已经不再需要用手绘的方式来记录组织形貌。向学生展示阿道夫•马滕斯(AdolfMartens，1850—1914)的研究笔记就是端正学生实验态度的一个例子。他画出的组织形貌图可以同照片媲美，清楚地反映了组织的每一个细节，甚至还绘上了彩色，每一幅图都配了详尽的解释与说明。以前上实验课，学生只是把手绘组织形貌图当成一项任务来做。看到马滕斯的研究笔记后，学生意识到科学家在照相技术不发达的年代都是用手绘组织形貌的方式来进行研究的。即使在显微照相技术发达的今天，也不意味着手绘组织形貌就失去了意义，因为手绘的过程能加深对组织形成先后顺序的认识。显微照相与手绘组织形貌之间的差异就如同热力学与动力学的差异一样，前者只给出最终态，而后者则更注重组织形成的过程。

1关于”材料”

能源、信息和材料是现代经济发展的三大支柱，而材料更是基础。没有先进的材料就没有先进的工业、农业和科学技术．重大的技术革新往往起始于材料的革新。如20世纪50年代镍基超级合金的出现，将材料使用温度由原来的700℃提高到900X2从而使得超音速飞机问世。而高温陶瓷的出现则促进了表面温度高达1000~2的航天飞机的发展。近代新技术(原子能、计算机、集成电路、航天工业等)的发展又促进了新材料的研制。当前可称为精密陶瓷时代、复合材料时代、塑料时代或合成材料时代等等。材料可以从不同角度分类．根据材料的组成可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料(聚合物)和复合材料；根据特性和用途可将它分为结构材料和功能材料两大类。结构材料主要是利用其力学性能，制造需承受一定载荷的设备、零部件、建筑结构等。功能材料主要是利用其特殊物理性能(电学、热学、磁学、光学性能等)，用于制造各种电子器件、光敏元件、绝缘材料等。根据材料内部原子排列情况分为晶态和非晶态材料；根据材料的热力学状态分为稳态和亚稳态材料；根据材料尺寸分为一维(纤维及晶须)、二维(薄膜)和三维(大块)材料等。

2“材料科学”与“材料科学与工程”

材料科学(MaterialsScience)~科伴随着生产力发展和科技进步产生与发展。材料的各种性能是其化学成分和组织结构等内部因素在一定外界条件下的行为表现。研究材料主要是为了更有效地使用材料，即了解影响材料性能的各种因素，从而掌握提高其性能的途径。材料科学是阐明材料的性能和行为与其成分及内部组织结构之间的关系。一般认为，学科间的区别不是绝对的。材料科学是由多种学科分化而产生，而又通过集成走向成熟的。材料科学产生之初，有学者认为：冶金学仍然是一门健全的学科，拥有基本理论、方法和界限，但随着工程中日益不断地使用聚合物、陶瓷、玻璃和复合材料，其研究拓展为材料科学(Calvert，1997)。20世纪50年代，材料科学(MaterialsScience)这一新概念，主要源于冶金学，1958至于959年间美国大学教育性质的改变和各种新材料科学研究组织的形成，是材料科学形成的标志。西北大学(NorthWesternUifiversity)是最早将材料科学作为系名的大学(1954年)，并为本科生的研究生开设了相关课程，出版了《材料性能原理(PrinciplesofthePropertiesofMaterials))(1954年)一书，材料科学领域已经发展出多个分支，包括固体物理、冶金学、高分子化学、无机化学、矿物学、玻璃与陶瓷技术。一门学术型学科抽涉及的范围远远大于由大学里院系、学会和专业杂志所构成的群体，它是一所“看不见的学院(hwisiblecollege)”，它们的成员共享某一特定的研究传统，学者们从中学到了基本的理论框架、操作规范和技术方法。DavidTumbul(1983)~E《对“材料科学”产生和发展的评述》一文中，将材料科学定义为：在超分子水平上表征，认识和控制物质的结构．并建立这一结构与性能(力学、磁、电等)间的关系，即所谓的超分子科学。

MSE(MaterialsScienee&Engineering)的概念最初产生于20世纪50年代，到1960年已经基本稳固建立。在COsMT(1974)的报告中，将MSE定义为：涉及将材料成分、结构和制备与其性能和使用建立关系所形成并应用的知识。1957年美国政府出台了资助l2个相关实验室计划，首批三个材料科学实验室分别建立在康奈尔大学、宾西法尼亚大学和西北大学。这些实验室1972年由国家科学基金会(NSF)正式负责。此后各个大学教授的课程，也深受这些材料科学实验室所从事工作的影响。1958年，为了更好地已经建立的新学科的特征，又在系保后面加上了。与工程，并开始了。材料科学与工程的教育，如牛津大学的材料科学系也简单地更名为“材料系(DepartmentofMaterials)”。同期还有一批大学，如德克萨斯大学的奥斯分校等没有设立材料科学系，但已经开始了系间合作，进行了与材料科学相关的研究生教育，通常这种教育也不仅限于在“工程学院”之内。虽然没有这个系名，但老师的专业知识和研究生的研究工作集中在材料制备、固体化学、高分子工程与科学、X射线晶体学、生物材料、结构材料、材料理论和凝聚态材料及器件等相关领域。1964年麻省理工学院(MIT)也将系名以为“冶金与材料科学系”，1974年正式改名为“材料科学与工程系”。20世纪60年代，材料科学被引入欧洲的大学，如北威尔士大学、苏赛克大学和伯明翰大学。1956年，中国在西方工作过的科学工作者们制定一份科学技术规划时，认识当时的中国已经培养了具有金属材料方面知识的科技人员，但对合金及其热处理方面的科技人员数量不足，到1980年，已经有l7个院校的金属物理专业改为材料科学专业。

3“材料科学”研究的实践与方向

摘要:本文针对高校课程改革的迫切需求及该课程在教学中存在的现实问题，尝试对“计算机在材料科学中的应用”这门课程的教学进行改革，提出“四位一体”教学模式和该模式的具体实施策略。将研究型探究式教学、线上线下体验教学、前沿知识教学和课程思政教学四个方面在教学实施中进行有机整合，使该课程在教学中实现教、学、做、评的融合，有利于学生厚植理论基础、启发创新思维、拓展学科视野、树立文化自信，助力应用研究型人才培养。

关键词:计算机;材料科学;四位一体;教学模式

随着计算机模拟技术的快速发展，材料科学研究已经从传统的试错法逐步走向多元化、多尺度化研究［1-2］，材料研发模式的变革对人才培养提出了新的挑战。因此，国内各高等院校认识到“计算机在材料科学中的应用”课程的重要性［3-4］。该课程是材料类专业本科生的一门专业必修课程，其目的是为了培养学生运用计算机进行材料科学研究和解决材料工程领域实际问题的能力，提升学生创新精神和科技探索能力。然而，在教学过程中存在重理论轻实践、教学模式单一、前沿性不足、思政育人单调等问题。在新工科背景下，迫切需要进行教育教学改革，不断提升学生利用计算机技术工具分析和解决问题的能力，进而提高课程教学效果。

一、当下“计算机在材料科学中的应用”课程教学存在的问题

“计算机在材料科学中的应用”课程涉及的理论知识面较广，是融合计算机技术和材料科学学科基础的跨学科课程。课程对该专业学生的发展具有重要奠基作用，因此这门课程的教学质量日益受到重视。但因各个高校学科设置和师资力量不同，该课程教学主要采用传统的理论授课的形式进行，通过对这门课程教学过程的调研，发现在教学中还存在以下问题。

(一)教学观念上重理论轻实践

摘要：材料科学涉及的内容比较多，属于一门综合性比较强的学科，在发展的过程中融入计算机技术在很大程度上提升了材料科学的发展水平。例如，钢铁行业的发展和经营及炼钢过程中温度和流体运动的监测等，这些精细化的活动都需要计算机技术作为必要的支持。如今，人们对材料提出了更高的需求，这也为计算机在材料科学中的发展奠定了现实基础。因此，文章结合具体的应用方式及其注意事项进行更为细致的论述，旨在为促进材料科学的发展提供支持。

关键词：计算机；材料科学；具体运用

现阶段，计算机在材料科学领域得到了非常广泛的应用，尤其在材料液态成型、连接成型和塑性成型的过程中，借助计算机技术的先进性可以对材料成型工艺进行升级和优化，运用定量预测的方式代替传统模式中的动向描述。有关技术人员能够借助这种方式来提升自身的工作效率，同时防止人工误差对材料、工艺和环节造成的影响[1]。如今，经验试错法已经不适于当今时代的发展趋势，在计算机的协助之下，工作人员能够以更加便捷可靠的操作形式进行试验。将计算机技术运用到材料科学中，有助于形成质量好、实用性强的材料。

1计算机技术在材料科学中的应用

1.1在新材料设计中的应用

在分析材料设计的具体方式和尺寸测量等知识的过程中，应该将人工智能和大数据技术等当下比较火热的新技术运用到新材料设计工作中，这样能够拓展研究人员的思维，让他们在实际工作中加入更多的创新理念。利用传统模式进行工作的过程中需要运用复杂的化学理论和物理理论，计算机技术能够将这些杂乱的试验资料进行整合，并且衍生出全新的材料研发形式，从而有效提升工作效率，也提高了材料设计的整体质量[2]。

摘要：本篇文章从低碳经济的概念、核心以及主要内容方面进行了分析，根据低碳经济的各项需求，介绍了国内外材料科学技术的应用状况，并分析了材料科学和加工技术在各种材料领域的应用现状以及未来发展前景，提出了发展低碳技术和低碳经济的具体对策。

关键词：低碳经济；低碳技术；材料科学

低碳经济是指减少温室气体排放量的一种经济发展方式，特别是有效控制二氧化碳这种主要的温室气体的对外排放。低碳经济的主要目标就是实现排放的最小化以及污染的最小化，实质在于提升资源的利用率并创设新型的清洁能源发展结构，实现技术创新、制度创新和观念更新。同时，发展低碳经济涉及到生活、生产方式以及价值观乃至国家利益等多个范畴。世界气候变化关乎人类的生产和延续，因此各国都围绕低碳经济做出了努力，通过科学技术的研发以及生活方式、生产方式的转变来减少资源消耗、降低污染排放。实现经济发展和社会发展的双赢，在这样的背景下，材料科学技术的发展逐渐引起世界各国的重视。

一、低碳经济下材料科学技术的发展概述

在当前低碳经济环境下，很多国家为了适应经济全球化发展，踊跃发展科学技术。材料科学技术是其中很重要的一个范畴，很多国家将材料科学技术看作国家发展策略当中重要的构成成分，应当得到重点的扶持。在国际范围内欧美国家较先发展材料科学技术，并且无论在科学理念还是科学研究成果方面都位居前列。其中美国的材料科技战略的目的在于保持本国在全球范畴内的领先地位，掌握信息技术以及生命科学、环境科学乃至纳米技术的发展，实现能源、信息等重要的部门和领域的要求。欧洲国家的新材料科技战略的目标在于实现航空材料、电信材料等领域在世界范围内的领先，在欧洲的一些国家大力发展光电材料，纳米技术、超导技术等。通过产品的创新以及技术的创新，在新材料制造装备、加工以及应用等三个方面来实现低碳经济的发展。在亚洲国家当中，具有代表性的国家比如日本，重视材料科学技术的实用性，同时也注重产品的先进性，追求产品的高端化发展，争取在顶尖的领域赶超美国等发达国家。日本对于新材料的研究和传统材料的优化采用的是齐头并进的策略，重视对现有材料的性能提升以及对旧产品的回收利用等。在新世纪新材料技术发展筹划当中，重视环保型以及再生型产品的发展，以资源友好特性和环境保护特性为主要的发展标准，通过开发新的材料科学技术以解决资源匮乏和环境污染的问题。国内对于材料科学技术的发展也十分重视，具体体现在各大国家发展计划当中，为材料领域提供了可观的篇幅，在材料科学技术领域我国已经有了比较充分的技术体系，并且在材料领域的研发方面有了明显的进步，在一些新材料领域的研究上取得了明显的成效。但是我国缺乏自主创新能力，不够重视带有自主知识产权的材料以及技术的发展，严重妨碍了新材料以及技术的研究和发展。所以，我国依旧需要努力，改善材料技术的发展现状，实现低碳经济的发展。

二、低碳经济对于材料产业的具体要求

摘要：将天津理工大学材料物理专业培养方案与材料类教学质量国家标准进行了对比。结果表明，目前运行的培养方案在培养目标、专业总学分数方面符合国家标准要求，但是现有方案在终身学习能力方面体现不足，对于一些通识性的知识还需要加强对学生的训练。

关键词：材料物理；材料类；教学质量

国家标准2018年1月31日，教育部《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》（以下简称《标准》），这是我国的第一个高等教育教学质量国家标准。《标准》有三大特点，一是既有“规矩”又有“空间”，既对各专业类提出统一要求、保证基本质量，又为各校各专业人才培养特色发展留出足够的拓展空间，形象地说就是“保底不封顶”；二是既有“底线”又有“目标”，既对各专业类提出基本要求，兜底线、保合格，又对提升质量提出前瞻性要求；三是既有“定性”又有“定量”，既对各专业类标准提出定性要求，又包含必要的量化指标。

一、培养目标

1.材料类教学质量国家标准。材料类专业培养具有坚实的自然科学基础、材料科学与工程专业基础和人文社会科学基础，具有较强的工程意识、工程素质、实践能力、自我获取知识的能力、创新素质、创业精神、国际视野、沟通和组织管理能力的高素质专门人才。材料类专业毕业的学生，既可从事材料科学与工程基础理论研究，新材料、新工艺和新基础的研发，生产技术开发和过程控制，材料应用等材料科学与工程领域的科技工作，也可承担相关专业领域的教学、科技管理和经营工作。2.材料物理专业的培养方案。本专业培养具有良好的思想品德，掌握坚实的材料科学和物理学基础知识及技能，具备材料工程实践能力的高素质应用型高级人才。毕业生能在新材料、电子信息、半导体、冶金、能源、化工等领域，从事材料科学研究、产品研发、制备加工、测试分析、工艺改进、教学、生产及经营管理等工作。本专业目前设置电子信息材料和纳米材料两个主要方向。对标材料类专业国家标准，天津理工大学材料物理专业培养方案中的培养目标定位在高素质应用人才，这是符合我们目前生源特点的。培养方案对培养学生的服务领域提出了更具体细化的要求。对于培养目标的设定我们目前的培养方案是符合国家质量标准的。

二、参考总学分

一、MaterialsStudio软件在教学中的应用

(一)简介材料计算模拟软件Materialsstudio是美国Accelrys公司为材料科学领域开发的一款科学研究软件，用于帮助用户解决当今材料科学中的一些重要问题。MaterialsStudio软件包集成了Visual-izer、CASTEP、Dmol3、Reflex等二十几个计算模拟模块，是一款强有力的计算模拟工具。用户可以通过Visualizer可视化模块进行一些简单的界面操作来建立材料分子的三维结构模型，之后通过软件包中相应的计算模块，对材料分子的构型优化、性质预测、X射线衍射分析及量子力学方面进行计算。通过计算得到的结果可以对各种晶体、无定型与高分子材料的性质及相关过程进行深入的分析和研究，其计算的结果精确可靠。CASTEP是CambridgeSequentialTotalEnergyPackage的缩写，最早由英国剑桥大学的一个凝聚态理论小组开发，是广泛用于计算周期性体系性质的一个先进量子力学程序。它可用于金属、半导体、陶瓷等多种材料的相关计算，可研究晶体材料的光学性质（折射率，反射率，吸收及发射光谱等）、缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、电子结构（能带及态密度）、体系的三维电荷密度及波函数等。

（二）教学环节设计1.知识点的设置。在材料科学的专业课中，如晶体物理、固体物理、半导体物理学、硅材料科学与技术等课程中,都会涉及材料的晶体结构，能带结构，带隙的分类，X射线衍射、缺陷，掺杂等知识点，也会涉及到材料的反射率、折射率、介电常数等材料的光学或化学性质。在完成这些基础知识点的讲解后，可以利用Mate-rialsStudio软件进行计算和演示，为这些基础理论给出直观形象的解释，把材料的宏观性质与微观机理衔接上，这样学生对材料科学的知识体系就会有一个整体的认识和了解。2.密度泛函理论及波函数的介绍。密度泛函理论是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法，其本质是以电子密度分布函数为变量代替波函数中的自变量来求解薛定谔方程，使求解复杂体系波函数的本征值成为可能。目前，密度泛函理论已广泛应用于物理、化学及材料相关领域，特别是用来研究分子和凝聚态的性质。目前密度泛函理论DFT（DensityFunctionalTheory缩写）被广泛应用到计算模拟软件中来求解薛定谔方程，可对材料的结构、性质、光谱、能量、过渡态结构和活化势垒等方面的进行计算研究。在与分子动力学结合后，在材料设计、合成、模拟计算等方面有明显进展，成为计算材料科学的重要基础和核心技术。3.软件的操作及相关内容的演示。MaterialsStudio程序包中的二十多个计算模块是通过Visualizer这个可视化核心模块整合在一起的，用户可以很方便地应用Visualizer模块构建有机、无极、聚合物、金属等材料分子、及周期性的晶体材料、表面、层结构等模型，通过鼠标控制这些分子构型，可从不同角度查看并分析体系结构，容易形成直观的概念。MaterialsStudio自带的数据库中的晶体结构可以用于教学演示，如在硅材料科学与技术和半导体物理等课程的教学过程中，需要用到单晶硅的晶体结构，可以很方便地从MaterialsStudio软件的Structures/semiconductors数据库文件夹中导入Si这个晶体数据文件，在课堂上为学生们演示，从（100）、（110）、（111）不同的晶面来进行展示（如图1），以说明硅单晶的晶体结构。也可以通过Visualizer模块中的菜单选项Build->Sym-metry->Supercell建立n×n超胞结构，通过调整角度，可以从不同晶向观察晶体的晶面，通过超胞结构也可以演示各种晶体的密堆积结构。这样就给学生一个生动、形象、直观动态的概念，使其易于在头脑中建立空间模型，理解所学知识点。通过Visualizer模块对硅单晶的元胞进行演示，我们可以知道每个硅原子至多与另外四个硅原子相连，借此可以说明硅原子的共价键取向及硅晶体属于金刚石型结构，源于硅原子的sp3杂化，形成了四个共价键。通过CASTEP模块对硅单晶的元胞进行计算，可以得出其能带结构和态密度，通过对计算结果的分析，可以得出硅单晶材料的带隙特点。在稀土化学的教学过程中，可以通过CCDC英国剑桥晶体数据库及WebofScience网站来获取稀土配合物的晶体结构，然后通过MaterialsStudioVisualizer读出晶体结构，用于课堂演示，有助于学生理解复杂的稀土配合物结构。在固体物理教学过程中，可以利用MaterialsStudio中的Re-flex模块模拟粉晶体材料的X光、中子以及电子等多种衍射图谱,可用于验证实验结果及演示教学。4.知识点的拓展。对于缺陷、杂质掺杂、空位等对晶体材料的影响，可以通过MaterialsStudio中Visualizer模块建立相应的模型，然后通过CASTEP计算模块进行计算。通过对计算结果的分析，说明这些因素对半导体材料性质的影响。MaterialsStudio软件同样可以计算材料的折射率、反射率、介电常数等性质。其计算的结果数据和图表可以与教科书或文献上的数据图表进行对比，来说明计算方法的正确性，以此为支点，采用同样的计算方法，我们可以尝试设计更多的新型材料并进行计算。通过这些详实的计算实例我们可以更生动地说明教学中的知识点，学生可以根据自己的兴趣爱好，尝试进行材料分子模型的设计并进行模拟计算。通过计算结果的对比，可以初步探讨晶体中缺陷、杂质、空位等因素对材料性质的影响，在此过程中增加了学生的学习自主性和兴趣。

二、GaussianView和Gaussian软件在教学中的应用

（一）简介Gaussian是一个功能强大的量子化学综合软件包。应用它可以计算分子能量和结构、过渡态的能量和结构、化学键以及反应能量、分子轨道、热力学性质、反应路径等等，功能非常强大。计算可以模拟气相和溶液中的体系,模拟基态和激发态，进而通过含时密度泛函研究材料分子体系的激发态，算出吸收和发射光谱。Gaussian扩展了化学体系的研究范围，可以对周期边界体系进行计算，例如聚合物和晶体。周期性边界条件的方法(PBC)技术把体系作为重复的单元进行模拟，以确定化合物的结构和整体性质。而GaussianView是一款为Gaussian设计的配套软件，其主要作用有两个：1.构建Gaussian的输入分子模型，2.以图形显示Gaussian程序的运算结果。

（二）知识点的设置1.在材料科学有机电致发光材料及稀土化学课程的教学过程中，会涉及到有机或稀土发光材料的吸收及发射机理。通过把Gaussian软件教学过程，我们可以很好结合这些算例讲解三重态，单重态发射过程，给出与发射过程相关的分子最高占据轨道HOMO和最低非占据轨道LUMO的电子密度图，这样就可以很形象地解释发射过程中的电子转移过程，对低能吸收和发射过程的电子跃迁性质进行判断。2.软件的操作及相关内容的演示。(1)通过CCDC晶体数据库或者WebofScience网站获得相应的配合物或者稀土配合物晶体的晶体结构（通常为cif文件）。(2)应用Mercury软件或者MaterialsStudio软件读取相应的晶体结构，转存为GaussianView程序可以读取的格式（一般选用*.cif、*.pdb、*.mol2格式）,通过Gaussian-View转存为Gaussian输入程序（*.gif-Gaussianinputfile)。(3)采用Gaussian程序进行计算。(4)通过GaussianView程序读入Gaussian03/09计算结果，通常为log文件，或者fchk文件，GaussianView可以很方便地读取Gaussian的计算结果并且以图形的形式显示出来，并可应用它对计算结果进行分析。(5)通过GaussianView对计算结果的进行处理，通过它显示出发光材料的分子轨道电子云密度分布情况，吸收光谱，发射光谱等情况，结合这些图形信息，我们可以对有机电致发光材料或者稀土发光材料的发光机理进行教学。3.知识点的拓展。GaussianView是由Gaussian公司开发的一款非常好的分子建模及显示工具，学生可以通过对它的使用，很方便地进行分子设计并输入到高斯程序中进行计算。可以安排学生在基础发光材料分子的基础上，在分子配体的外围添加外围取代基或者改变配体，进行尝试，进行配合物分子的设计，增强其动手能力，为今后走进实验室进行有机合成做准备。

摘要:材料科学基础是材料科学与工程专业和材料成型与控制工程专业的专业基础课。针对材料科学基础的特点，结材料科学基础课程教学实践经验，对教学内容、教学方法、考核手段等方面进行了分析和探讨。

关键词:材料科学基础;教学;考核;实践教学

材料科学基础课程是材料类专业本科生的一门必备的基础类课程，主要介绍材料的基础知识，比如材料的键合结构、晶体结构与缺陷、固体中原子及分子的运动、材料的变形、相图等材料类本科生必须学习的基础知识。材料科学基础从本质上认识材料的成分、组织、加工工艺与性能之间的相互关系是材料类本科生学习其他相关专业课程的基础［1］，也是科学研究的理论基础和基本知识、技能。该课程突出了材料的本质特征，介绍了材料的微观领域，且课程涉及的内容较多相对来说难易看到起表象特征，对于刚刚涉及材料基础的学生来说，内容生涩、抽象、不易理解，教学内容相对枯燥、难懂，是一门教师难教、学生难懂的学科［2］。因此，如何采取合适的教学方法，充分调动学生学习的主动性、积极性，使学生能理解教学内容，而不是死记硬背，加强学生分析问题、解决问题的能力。同时，如何使学生能跟上不断更新地学科技术，不断融合地多学科交叉发展，以及复合型材料的不断涌出［3，4］，这要求我们不断进行教学改革，必须培养出思想开放、知识面广、善于思辨的复合型材料人。

一、学生为主的教学课堂提升视频比重

材料科学基础课程设计材料原子的键合、材料晶胞结构、材料晶体缺陷、材料分子扩散和相图等基础知识，存在抽象概念多得特点。目前的教学方式主要是讲解各种知识点，很难明了直白的让学生学习到本质，在一定程度上很好的调动学生的学习积极性，也能很好的让学生理解，提高了学生的学习效果。但是现有的教学方式中，视频教学主要集中在一些材料的微观结构介绍方面，并没有涉及材料的应用领域，尤其是科学前沿、创新技术、科学巨匠的内容，往往这些内容更能带动学生的学习兴趣和动力。比如我国现行的科学巨匠们的事迹，从这些匠人们的学习经历、科研足迹中，激发学生的主观能动性。目前的教学方式古板老套无法提高学生的主动学习探索能力，这种学习能力恰恰是学生必备的基本技能。在教学中可以把生涩的专有名词转化为自己的语言来表述，教师在教学中也不能诵读教程，要讲知识点转化为通俗易懂的语言来表述。此外，每节课程要提出下一节课程的教学内容，先让学生去学习，然后形成学习笔记，这样才能让学生更好地了解自己不足的地方，有方向、有目的地去学习。同时，教学中让学生参与到教学中，将学生进行分组，将下一节课程的内容分配到学习小组，在开课的前15分钟，让学生先来讲解，然后分组讨论，最后再由授课老师进行解惑，分析不足，进一步加深印象的授课。通过这种教学方式，可以充分锻炼学生的自主学习、语言组织、PPT制作、视频学习、甚至是一种材料研究的设计、开发思维，并能训练学生的自我表达能力、团队协作、专用知识学习和科研能力。这些能力不仅仅是学生学习知识的能力，更是将来走向社会、适应社会的能力。

二、理论教学和实践教学结合

材料科学与工程学院作为西部地区材料科学与工程人才的培养基地和科学研究基地，长期以来紧密结合西部，特别是甘肃省区域经济和地方资源特色，立足有色金属新材料及其加工成型的新技术、新工艺的开发研究，形成了健全的本科、硕士、博士的多层次材料、冶金学科高级专业人才培养体系。多年来，学院依据国家、地方、区域经济发展需要，形成了自己独特的科研特色，培养出了一支具有较强科研实力的研究队伍，在基础理论研究，应用开发研究，新产品开发方面做出了一定成绩，取得了一系列研究成果，培养出了一批优秀的高级专门人才，为国家尤其是西部地区经济社会发展做出了一定贡献。

学院现从事科研工作教师及技术服务人员92人。其中正高级职称27人，副高级职称31人。具有博士学位36人，硕士学位41人。入选教育部“新世纪优秀人才计划”1人，甘肃省特聘科技专家2人，国家级专家及国务院特殊津贴获得者12人，省部级专家13人。

近年来，在学校党委、行政的正确领导下，在各职能部门的具体指导下，在兄弟院系的大力支持下，学院全体教师的共同努力，我院科研工作取得了很大成绩。

一、学科建设成绩斐然

根据学校学科建设与发展总体要求和学院学科建设的实际，学院认真落实学科建设与发展规划，实现了学院材料与冶金学科发展并举，并突出学科特色的目标。

2005年，学院成功获得了材料科学与工程一级学科博士学位授权点，突破了我校无一级学科博士点的历史，提高了学校与学院的办学层次。同时，材料科学与工程一级学科硕士授权点也获得认定。目前学院已拥有材料科学与工程一级学科博士授权点及材料科学与工程一级学科博士后科研流动站，材料科学与工程一级学科硕士授权点、冶金物理化学与有色金属冶金2个二级学科硕士授权点、材料工程领域工程硕士授权点、材料加工工程高校教师攻读硕士学位授权点，从而形成了学士、硕士、博士及博士后培养的完备的人才培养体系。