導(dǎo)語(yǔ)：材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)與科學(xué)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：大科學(xué)時(shí)代，教學(xué)與科研緊密關(guān)聯(lián)已成為當(dāng)代高等教育教學(xué)改革的核心與共識(shí)。在人才培養(yǎng)的過(guò)程中，教師需要在材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程現(xiàn)有教學(xué)改革的基礎(chǔ)上，將與課程所講知識(shí)相關(guān)的最新高水平科研成果融入課堂教學(xué)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程；科學(xué)研究；教學(xué)與科研融合；創(chuàng)新

1研究背景

2019年9月，教育部發(fā)布《深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》，其中明確指出“科研反哺教學(xué)”，旨在強(qiáng)化科研育人功能，推動(dòng)高校及時(shí)把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以高水平的科學(xué)研究提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。材料科學(xué)作為一門融合了基礎(chǔ)知識(shí)和前沿應(yīng)用的交叉學(xué)科，主要研究材料的結(jié)構(gòu)、制備、性質(zhì)以及使役行為之間的相互關(guān)系和變化規(guī)律。它的出現(xiàn)一方面大大促進(jìn)了材料學(xué)科的研究和發(fā)展，另一方面也擴(kuò)大了高校的教學(xué)領(lǐng)域和內(nèi)容，已成為重要的科技基礎(chǔ)學(xué)科之一，也是最活躍的研究領(lǐng)域之一。因此，在材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)過(guò)程中，將最新的科研成果融入教學(xué)內(nèi)容，選擇具有代表性的高水平科研成果作為具體教學(xué)案例，結(jié)合專業(yè)課程授課內(nèi)容，融入課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，是材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程開展教學(xué)改革的必經(jīng)之路，對(duì)材料類本科人才的培養(yǎng)具有重要意義。教學(xué)案例的引入有助于及時(shí)修訂和充實(shí)課程教學(xué)內(nèi)容，鍛煉學(xué)生利用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)解決學(xué)術(shù)問(wèn)題和工程問(wèn)題的能力；同時(shí)，結(jié)合課程思政，使學(xué)生通過(guò)最新的科研進(jìn)展，了解國(guó)家的重大需求，鼓勵(lì)學(xué)生立志為解決國(guó)家科技前沿問(wèn)題而努力學(xué)習(xí)。為此，本文提出了三個(gè)課堂教學(xué)案例，并分析了教學(xué)與科研融合的開展方式和途徑。

2科研與教學(xué)融合的案例

2.1固溶體合金中溶質(zhì)原子分布的化學(xué)短程序及其對(duì)性能的影響

在材料類專業(yè)的多門基礎(chǔ)課程教學(xué)中，常涉及固溶體合金的相關(guān)內(nèi)容。固溶體合金的典型結(jié)構(gòu)特征是溶質(zhì)原子分布的微觀不均勻性，這會(huì)對(duì)合金的宏觀性能產(chǎn)生影響。事實(shí)上，只用簡(jiǎn)單的二維原子排列示意圖，很難讓學(xué)生深刻理解固溶體合金微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系。這種典型特征又稱為化學(xué)短程序，對(duì)于置換固溶體合金而言，雖然溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑原子的點(diǎn)陣位置，在長(zhǎng)程尺度上屬于隨機(jī)無(wú)序替換，但在幾個(gè)原子間距范圍內(nèi)，溶質(zhì)原子呈現(xiàn)出有序分布特征。1960年，Cowley提出了用短程序參量α來(lái)描述固溶體合金中的化學(xué)短程序[1]，一直被沿用至今，但這個(gè)參數(shù)只能描述溶質(zhì)原子最近鄰分布偏離平均分布的程度，并沒有給出溶質(zhì)原子分布的具體局域構(gòu)型。隨著先進(jìn)表征分析技術(shù)的不斷進(jìn)步，科研工作者可以從實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到化學(xué)短程序，并將化學(xué)短程序特征與宏觀性能密切關(guān)聯(lián)。例如，在最新的科研成果中，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校MinorAM等人利用能量過(guò)濾的透射電子顯微技術(shù)在面心立方結(jié)構(gòu)的CoCrNi三元固溶體合金中觀察到了化學(xué)短程序的存在，即出現(xiàn)了超點(diǎn)陣，如圖1a所示[2]。該成果被發(fā)表在Nature期刊上，其中提出化學(xué)短程序的存在會(huì)影響全位錯(cuò)分解為肖克萊分位錯(cuò)時(shí)的位錯(cuò)間距，進(jìn)而改變了堆垛層錯(cuò)能。RithcieRO等人的模擬計(jì)算[3]也表明借助化學(xué)短程序可調(diào)控堆垛層錯(cuò)能；更重要的是，較低的堆垛層錯(cuò)能更容易產(chǎn)生孿晶。他和GludovatzB等人發(fā)表在Science上的研究成果表明CoCrNi合金在更低溫度下表現(xiàn)出更高強(qiáng)度和大塑性(見圖1b)，這是由于該合金在室溫下表現(xiàn)為常規(guī)的位錯(cuò)平面滑移，而在低溫下表現(xiàn)為納米孿晶誘生高強(qiáng)大塑性[4]。可以看出，這些高水平研究成果中涉及的基本概念，如固溶體合金、化學(xué)短程序、堆垛層錯(cuò)、位錯(cuò)、孿晶、塑性變形等，都是材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程中出現(xiàn)過(guò)的內(nèi)容，因此，教師在講授完所有基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)后，應(yīng)該用典型的科研成果將知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)在一起，讓學(xué)生了解這些基礎(chǔ)知識(shí)的具體應(yīng)用。大連理工大學(xué)王清等人利用代表化學(xué)短程序特征的“團(tuán)簇+連接原子”局域結(jié)構(gòu)模型解析了Al2Ni4Co4Fe3Cr3合金中子衍射獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖1c)，并指出正是由于局域化學(xué)短程序的改變才誘發(fā)了合金晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，即相變[5]。該團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模型由任一原子和其最近鄰殼層原子構(gòu)成的配位多面體及次緊鄰殼層上的幾個(gè)原子構(gòu)成，這樣就將固溶體合金的化學(xué)短程序與晶體結(jié)構(gòu)中的配位多面體和相變的概念關(guān)聯(lián)在了一起。另外，化學(xué)短程序同樣也存在于間隙固溶體合金中，北京科技大學(xué)呂昭平等人發(fā)表在Nature上的研究成果[6]表明因短程序產(chǎn)生的有序間隙復(fù)合物在大幅提升合金強(qiáng)度的同時(shí)也進(jìn)一步改善了合金的塑性，這明顯不同于間隙相，后者在提升強(qiáng)度的同時(shí)會(huì)大幅降低合金的塑性。

2.2強(qiáng)化機(jī)制在研發(fā)高性能先進(jìn)合金材料中的應(yīng)用

材料的強(qiáng)化機(jī)制(固溶強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化、加工硬化、析出強(qiáng)化、相變強(qiáng)化等)也是材料類專業(yè)多門基礎(chǔ)課程中反復(fù)強(qiáng)調(diào)的知識(shí)點(diǎn)，在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)鋼材料中應(yīng)用最為廣泛。教材中各強(qiáng)化機(jī)制的定義簡(jiǎn)單直觀，導(dǎo)致學(xué)生在熟記概念的同時(shí)并不想思考得太深，尤其教師在舉例說(shuō)明時(shí)大都以傳統(tǒng)鋼為例，很難讓學(xué)生提起學(xué)習(xí)和思考的興趣，只是進(jìn)行機(jī)械的記憶。近年來(lái)，隨著科技的快速發(fā)展，我國(guó)在高性能先進(jìn)結(jié)構(gòu)鋼領(lǐng)域的研發(fā)工作不斷取得突破，因此在教學(xué)過(guò)程中教師應(yīng)該重視強(qiáng)化機(jī)制內(nèi)容的講解。2017年，香港城市大學(xué)黃明欣等人發(fā)表在Science上的研究成果[7]表明，可利用變形和配分工藝在廉價(jià)中錳鋼中獲得超高強(qiáng)度(大于2.0GPa)和大塑性(延伸率大于15%)，如圖2所示。利用各強(qiáng)化機(jī)制計(jì)算分析表明該中錳鋼的超高強(qiáng)度主要源自馬氏體基體中的高密度位錯(cuò)，同時(shí)也包括溶質(zhì)濃度、納米粒子、超細(xì)晶和孿晶的晶界，以及堆垛層錯(cuò)等缺陷對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度的同時(shí)，還能獲得如此的大塑性實(shí)屬不易，這主要?dú)w于兩方面原因：第一，由于馬氏體基體中高密度可動(dòng)位錯(cuò)的存在提供了約6.8%的塑性變形，與實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的呂德斯應(yīng)變相吻合，占總塑性變形的一半；第二，增大拉伸應(yīng)變，合金中的粗片狀殘余奧氏體會(huì)發(fā)生連續(xù)的馬氏體相變，從而產(chǎn)生相變誘生的大塑性(TRIP效應(yīng))，同時(shí)會(huì)在細(xì)小的殘余奧氏體內(nèi)部發(fā)生孿晶誘生的大塑性(TWIP效應(yīng))，這兩者之和提供的塑性約為總塑性變形的一半。顯然，這項(xiàng)研究成果全面系統(tǒng)地將合金的強(qiáng)化機(jī)制和塑性變形機(jī)理兩個(gè)方面涉及的基本概念融合在一起，在廉價(jià)中錳鋼中最大限度地實(shí)現(xiàn)了合金的強(qiáng)韌化，值得作為課堂教學(xué)時(shí)的一個(gè)典型案例來(lái)系統(tǒng)講解各知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用。

2.3共格相界對(duì)微觀組織及性能的影響

“相界”是材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程的一項(xiàng)重要內(nèi)容，界面共格關(guān)系在一定程度上決定了析出相粒子的形貌和大小，進(jìn)而影響材料的性能。所謂共格析出相，通常是固溶體的有序超結(jié)構(gòu)相，故兩共格相的原子在相界面上都占據(jù)結(jié)點(diǎn)位置，從而導(dǎo)致大的彈性畸變能；而半共格和非共格析出相的晶體結(jié)構(gòu)都不同于固溶體結(jié)構(gòu)。目前，具有共格析出的微觀組織大多出現(xiàn)在Ni基和Co基高溫合金中，其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和高溫組織穩(wěn)定性得益于球形或方形L12-γ'納米粒子在面心立方FCC-γ基體上共格析出；而在其他體系的結(jié)構(gòu)合金中，很難實(shí)現(xiàn)析出相與基體的共格關(guān)系，大多表現(xiàn)為半共格析出。研究表明，共格析出能夠最大限度地提升材料的性能。例如，現(xiàn)有超高強(qiáng)度的馬氏體時(shí)效鋼的強(qiáng)度通常在1.4GPa～1.7GPa之間，其中析出相粒子與體心立方BCC馬氏體基體多為半共格關(guān)系。北京科技大學(xué)呂昭平等人采用BCC固溶體的有序超結(jié)構(gòu)B2相來(lái)強(qiáng)化馬氏體基體，由于共格納米粒子尺寸比半共格粒子還要細(xì)小且均勻分布，從而使得合金強(qiáng)度超過(guò)了2.0GPa[8]，如圖3所示，由此基于共格納米析出強(qiáng)化研發(fā)出了新一代超高強(qiáng)度鋼。大連理工大學(xué)王清等人在多組元體系中采用團(tuán)簇式成分方法設(shè)計(jì)BCC/B2共格組織，結(jié)合實(shí)驗(yàn)表征和相場(chǎng)模擬(見圖4a)，探索共格析出粒子形貌與合金成分之間的關(guān)系[9]。此外，在Al-Co-Cr-Fe-Ni體系中，方形B2納米粒子在BCC基體上共格析出使得合金在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的組織穩(wěn)定性和力學(xué)性能，而球形BCC納米粒子在B2基體上共格析出會(huì)使得合金展現(xiàn)優(yōu)異的軟磁性能(見圖4b)[10]，實(shí)現(xiàn)了合金的結(jié)構(gòu)－功能一體化設(shè)計(jì)。可以看出，這些最新的研究成果都與材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程密切相關(guān)，教師應(yīng)將其作為具體案例融入相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的講授過(guò)程中，這樣才能激發(fā)學(xué)生對(duì)科研的興趣。

3結(jié)語(yǔ)

材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革歸根到底還是要從以“教”為中心轉(zhuǎn)到以“學(xué)”為中心，在此過(guò)程中，學(xué)生學(xué)“深”要比學(xué)“多”更加重要。因此，教師應(yīng)在現(xiàn)有課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，收集與課程知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的最新高水平科研成果作為具體案例，并將其融入課堂教學(xué)，如固溶體合金中溶質(zhì)原子分布的化學(xué)短程序及其對(duì)性能的影響、強(qiáng)化機(jī)制在研發(fā)高性能先進(jìn)合金材料中的應(yīng)用、共格相界對(duì)微觀組織及性能的影響等。教師要利用具體案例將課程中所講的知識(shí)點(diǎn)串在一起，鍛煉學(xué)生運(yùn)用已掌握的基礎(chǔ)理論知識(shí)解決學(xué)術(shù)問(wèn)題和工程問(wèn)題的能力。這種用高水平的科研成果反哺教學(xué)的模式可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

作者：王清 康慧君 李佳艷 趙杰 單位：大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院