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

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

關(guān)鍵詞：材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程；科學研究；教學與科研融合；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”，旨在強化科研育人功能，推動高校及時把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學內(nèi)容，激發(fā)學生的學習興趣，以高水平的科學研究提高學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。材料科學作為一門融合了基礎(chǔ)知識和前沿應(yīng)用的交叉學科，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)一方面大大促進了材料學科的研究和發(fā)展，另一方面也擴大了高校的教學領(lǐng)域和內(nèi)容，已成為重要的科技基礎(chǔ)學科之一，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)課程教學過程中，將最新的科研成果融入教學內(nèi)容，選擇具有代表性的高水平科研成果作為具體教學案例，結(jié)合專業(yè)課程授課內(nèi)容，融入課堂教學環(huán)節(jié)，是材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程開展教學改革的必經(jīng)之路，對材料類本科人才的培養(yǎng)具有重要意義。教學案例的引入有助于及時修訂和充實課程教學內(nèi)容，鍛煉學生利用所學基礎(chǔ)理論知識解決學術(shù)問題和工程問題的能力；同時，結(jié)合課程思政，使學生通過最新的科研進展，了解國家的重大需求，鼓勵學生立志為解決國家科技前沿問題而努力學習。為此，本文提出了三個課堂教學案例，并分析了教學與科研融合的開展方式和途徑。

2科研與教學融合的案例

2.1固溶體合金中溶質(zhì)原子分布的化學短程序及其對性能的影響

在材料類專業(yè)的多門基礎(chǔ)課程教學中，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，這會對合金的宏觀性能產(chǎn)生影響。事實上，只用簡單的二維原子排列示意圖，很難讓學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短程序，對于置換固溶體合金而言，雖然溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑原子的點陣位置，在長程尺度上屬于隨機無序替換，但在幾個原子間距范圍內(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來描述固溶體合金中的化學短程序[1]，一直被沿用至今，但這個參數(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。隨著先進表征分析技術(shù)的不斷進步，科研工作者可以從實驗中觀測到化學短程序，并將化學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，美國加州大學伯克利分校MinorAM等人利用能量過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短程序的存在，即出現(xiàn)了超點陣，如圖1a所示[2]。該成果被發(fā)表在Nature期刊上，其中提出化學短程序的存在會影響全位錯分解為肖克萊分位錯時的位錯間距，進而改變了堆垛層錯能。RithcieRO等人的模擬計算[3]也表明借助化學短程序可調(diào)控堆垛層錯能；更重要的是，較低的堆垛層錯能更容易產(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)的位錯平面滑移，而在低溫下表現(xiàn)為納米孿晶誘生高強大塑性[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、化學短程序、堆垛層錯、位錯、孿晶、塑性變形等，都是材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程中出現(xiàn)過的內(nèi)容，因此，教師在講授完所有基礎(chǔ)知識點后，應(yīng)該用典型的科研成果將知識點串聯(lián)在一起，讓學生了解這些基礎(chǔ)知識的具體應(yīng)用。大連理工大學王清等人利用代表化學短程序特征的“團簇+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驗結(jié)果(見圖1c)，并指出正是由于局域化學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原子構(gòu)成，這樣就將固溶體合金的化學短程序與晶體結(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，化學短程序同樣也存在于間隙固溶體合金中，北京科技大學呂昭平等人發(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度的同時也進一步改善了合金的塑性，這明顯不同于間隙相，后者在提升強度的同時會大幅降低合金的塑性。

2.2強化機制在研發(fā)高性能先進合金材料中的應(yīng)用

材料的強化機制(固溶強化、晶界強化、加工硬化、析出強化、相變強化等)也是材料類專業(yè)多門基礎(chǔ)課程中反復(fù)強調(diào)的知識點，在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)鋼材料中應(yīng)用最為廣泛。教材中各強化機制的定義簡單直觀，導(dǎo)致學生在熟記概念的同時并不想思考得太深，尤其教師在舉例說明時大都以傳統(tǒng)鋼為例，很難讓學生提起學習和思考的興趣，只是進行機械的記憶。近年來，隨著科技的快速發(fā)展，我國在高性能先進結(jié)構(gòu)鋼領(lǐng)域的研發(fā)工作不斷取得突破，因此在教學過程中教師應(yīng)該重視強化機制內(nèi)容的講解。2017年，香港城市大學黃明欣等人發(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中錳鋼中獲得超高強度(大于2.0GPa)和大塑性(延伸率大于15%)，如圖2所示。利用各強化機制計算分析表明該中錳鋼的超高強度主要源自馬氏體基體中的高密度位錯，同時也包括溶質(zhì)濃度、納米粒子、超細晶和孿晶的晶界，以及堆垛層錯等缺陷對強度的貢獻。在實現(xiàn)超高強度的同時，還能獲得如此的大塑性實屬不易，這主要歸于兩方面原因：第一，由于馬氏體基體中高密度可動位錯的存在提供了約6.8%的塑性變形，與實驗中測得的呂德斯應(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))，同時會在細小的殘余奧氏體內(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，這項研究成果全面系統(tǒng)地將合金的強化機制和塑性變形機理兩個方面涉及的基本概念融合在一起，在廉價中錳鋼中最大限度地實現(xiàn)了合金的強韌化，值得作為課堂教學時的一個典型案例來系統(tǒng)講解各知識點的應(yīng)用。

2.3共格相界對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)有超高強度的馬氏體時效鋼的強度通常在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。北京科技大學呂昭平等人采用BCC固溶體的有序超結(jié)構(gòu)B2相來強化馬氏體基體，由于共格納米粒子尺寸比半共格粒子還要細小且均勻分布，從而使得合金強度超過了2.0GPa[8]，如圖3所示，由此基于共格納米析出強化研發(fā)出了新一代超高強度鋼。大連理工大學王清等人在多組元體系中采用團簇式成分方法設(shè)計BCC/B2共格組織，結(jié)合實驗表征和相場模擬(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)定性和力學性能，而球形BCC納米粒子在B2基體上共格析出會使得合金展現(xiàn)優(yōu)異的軟磁性能(見圖4b)[10]，實現(xiàn)了合金的結(jié)構(gòu)－功能一體化設(shè)計。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)知識點的講授過程中，這樣才能激發(fā)學生對科研的興趣。

3結(jié)語

材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學改革歸根到底還是要從以“教”為中心轉(zhuǎn)到以“學”為中心，在此過程中，學生學“深”要比學“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，收集與課程知識點相關(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，如固溶體合金中溶質(zhì)原子分布的化學短程序及其對性能的影響、強化機制在研發(fā)高性能先進合金材料中的應(yīng)用、共格相界對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點串在一起，鍛煉學生運用已掌握的基礎(chǔ)理論知識解決學術(shù)問題和工程問題的能力。這種用高水平的科研成果反哺教學的模式可以有效激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

作者：王清 康慧君 李佳艷 趙杰 單位：大連理工大學材料科學與工程學院