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课程简介 教师队伍  

■ 课程简介
课程名称: 材料科学基础 一级学科:  08 工学
二级学科: 0802 材料类 教学层次:  本科
负责教师: 余永宁 学校名称:  北京科技大学
院系名称:   申报状态:  已获奖
申报级别: 国家级 申报文件下载:  无下载文件
获奖名称: 获奖年度:  2006
主页地址: http://seam.ustb.edu.cn/kc.do?id=033或http://elearning.ustb.edu.cn 是否交换: 
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课程介绍:

一、学校办学定位、人才培养目标及生源
我校学校类型定位为研究型大学,学科专业定位是以冶金、材料为特色,以工为主,工、理、管、文、经、法等多学科协调发展。培养目标定位是,培养思想品德合格,基础知识扎实,善于自主学习,实践能力强,具有创新精神,适应社会、经济和科学技术发展需要的高素质专门人才,优势学科着力培养高素质研究型人才。材料专业是我校最强和最有特色的专业之一,2005年材料专业招生平均分在全校各专业中最高,全部为第一志愿。生源为全国招生。《材料科学基础》课程又是材料学科专业基础课中基础性最强的课程。该课程的教学内容涉及材料专业后续课程中最具共性的基础知识,尤其是与材料的各种宏观表现相关的不同微观层次(电子、原子、晶粒尺度)上的过程的知识与原理。
二、课程在专业培养目标中的定位及目标
本课程是材料科学与工程学科的基础课程,是该学科工程技术人员基本知识和能力的重要组成部分,也是该学科工程技术人员的整体知识结构、能力结构、素质教育的重要组成部分;又是基础课与专业课之间的桥梁。通过这一课程,培养学生运用基础理论解决实际问题的方法和思路,初步了解该学科的思维方法。本课程的目标是提供材料领域的基本概念,建立基本理论基础,为后续专业知识做准备;培养运用基础理论分析和解决实际问题的能力;也为将来工作过程自学材料领域的专业知识、学习新材料和新工艺打下基础。在教学内容上突出基础性、前沿性和时代性,突出教学与科研结合的成效性。
4-2-2知识模块顺序及对应的学时
到2004年为止,一直使用余永宁教授编写的获奖教材《金属学原理》。共100个学时。自2005年起课程增至118学时,新教材知识模块顺序及学时分配如下:
1.??? 晶体学基础(11学时)
1.1?? 晶体的基本特征
1.2?? 晶体结构和点阵
1.3?? 对称性
1.4?? 晶系和点阵几何
1.5?? 极射赤面投影
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2 固体材料中电子运动状态(18学时)
2.1 电子波动性与孤立原子中的电子态
2.2 金属中电子态的量子自由电子理论
2.3 周期势场中的电子状态
2.4 固体中的电子能带
2.5 固体材料中的典型电子态及其应用?????????????????????????
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3. 晶体结构(8学时)
3.1 晶体结构分类和晶体结构符号
3.2 原子(离子)堆垛和配位
3.3 原子半径和离子半径
3.4单质的晶体结构
3.5 化合物和中间相的晶体结构
3.6 固溶体及中间化合物
3.7 同素异构和多型性
3.8 准晶
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4.非晶态与半晶态(6学时)
4.1 非晶态
4.2 聚合物
4.3? 液晶
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5. 相图(10学时)
5.1 吉布斯相律
5.2 单元系的温度~压力图(p-T图)
5.3 二元系相图
5.4 三元系相图
5.5 相图热力学基础
5.6相图计算
5.7 有关相图和热力学的资料
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6. 晶体中的点缺陷和线缺陷(11学时)
6.1 点缺陷
6.1.1 空位和自间隙原子
6.1.2 离子晶体中的点缺陷
6.1.2.1弗兰克缺陷和肖脱基缺陷
6.1.2.2固溶体中的非禀性点缺陷
6.1.2.3点缺陷的组合
6.2 线缺陷
6.3 在晶态聚合物中的缺陷
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7. 面缺陷和体缺陷(8学时)
7.1晶体表面
7.2平移界面
7.3 晶界
7.4 相界面
7.5 多晶体和多相材料的平衡形貌
7.6? 体缺陷
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8. 材料中原子扩散(9学时)
8.1?? 扩散机制
8.2?? 扩散的唯象理论
8.3?? 扩散的微观理论
8.4 离子晶体中的扩散
8.5?? 高扩散率的通道
8.6在玻璃中的扩散
8.7 聚合物中的扩散
8.8 反应扩散
8.9?? 影响扩散系数的因素
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?9. 材料的形变(8学时)
9.1弹性形变(晶体及弹性体的弹性形变)
9.2单晶体的滑移
9.3 起始塑性形变及流变应力
9.4单晶体的应力应变曲线及加工硬化
9.5形变孪晶
9.6多晶体的塑性变形
9.7形变织构
9.8聚合物的形变
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10. 相变的基本原理(6学时)
10.1 相变分类
10.2 相变的驱动力(热力学)
10.3 相变的形核
10.4 核心的长大
10.5 转变动力学
10.6 亚稳平衡过渡相的形成
10.7 颗粒粗化-Ostwald熟化
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11. 凝固(8学时)
11.1 过冷与再辉
11.2 单相固溶体的凝固
11.3 共晶凝固和包晶凝固
11.4 铸锭的凝固
11.5 熔焊及特殊凝固工艺
11.6玻璃形成与晶化
11.7聚合物的结晶
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12. 固态转变(15学时)
12.1合金的脱溶
12.2共析转变
12.3块形转变
12.4连续型转变
12.5无扩散型相变
12.6 回复和再结晶
12.7烧结过程
4-2-3课程的重点、难点及解决办法
1.课程重点:
掌握材料内部最基本的性质和材料制备过程中材料内部发生的最基本的变化及规律,以及材料所表现出的行为;学到将材料科学基本原理应用于分析材料制备过程并进行优化的方法和思路;掌握将以前数学、物理、物理化学理论应用到本门课的理论方法。
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2.课程难点:
(1)本课程是学生全面接触专业领域的课程,它具有概念多、知识面宽、应用基础理论广的特点,有一定的难度。
(2)本课程涉及的内容非常广泛,有交叉学科的特征,学生常在综合运用以前所学知识上遇到困难。学生不习惯于将以前所学知识及时应用到后续课程,例如,学生常常不愿将数学理论应用到材料科学基础课程中。
(3)学生习惯于学新知识,但不习惯于马上用新知识;而本课程的特点是后面的许多章节要用到以前章节的知识;若不及时消化前面各章节内容,后面的章节也很难学通。因此,本课程学习时要多思考这一章和那一章的区别和联系,这一节与那一节的联系与区别,这一概念和那一概念的联系与区别。
(4)学生习惯了数学、物理中严格的推导,学生常常对本课程常出现的简化过程不习惯或不以为然,认为不够科学;不了解实际过程很复杂,只有经必要的简化,避开次要问题,才能及时地解决主要问题。
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3.解决办法:
(1)通过各种类型的习题及解答加深学生对概念的理解。各章安排适当的练习题。练习题包括四种类型:一种是通过练习题掌握材料科学与工程领域的基本数值概念;一种是通过练习题掌握和理解学习中的基本理论和规律;一种是通过练习题培养学生分析和解决具体问题的能力;最后一种是需要学生经过适当的努力通过作练习题使学生在原有基础上跨越新台阶和扩大知识面。这最后一种练习题是对比较有能力的学生提供的。
(2)通过答疑来评价。本课程开课期间每周都有答疑时间,对学生提出的问题,以及对学生的质疑可考察学生的学习情况。对问题较多,又不提问题的学生,采用质疑的方式。具体为教师当场提问,或提出问题,如对某些概念的理解和区分;对某一章或某一节的总结能力;对一个实际出现的材料问题,分析出现的原因或解除问题的思路。让学生准备后,由学生讲述,教师再补充纠正。
(3)通过对前一届考试中出现的问题以及对各题回答正确率的统计分析加深学生的印象及理解。
(4)在课程网页上安装在线测试系统(都是选择题)加速学生的理解。
(5)在授课时加入一些与相应内容概念相关的国际材料大师的事迹,加上自己或我校相关的科研结果或成果以提高学生的兴趣和印象。
(6)适当组织‘科研小组’活动及使用‘学生自学平台’内软件包对学生测试加强对应用能力的培养。
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4-2-4实践教学的设计思想与效果(不含实践教学内容的课程不填)
??? 通过总学时为40的实验教学工作,巩固所学理论课程的基本概念,学会材料性能分析和显微组织观察与分析的基本手段和基本思路。掌握最基本的实验操作技巧,达到综合培养人才的目的。特别是设立了10学时的综合性实验,考察学生独立用刚学到的实验技能分析未知样品,模拟对企业送来样品的检测并出具分析报告。学会分析三类材料制备过程(凝固、形变、再结晶)内部组织变化的基本思路。
效果举例:
1)许多外校考入我校的研究生因未在本科阶段有相应学时数的实验锻炼,进入科研的时间就要长一些。
2)参加科研小组活动的学生普遍反映收获很大(见课程网页上学生科研报告)。一些被推荐到清华大学的研究生以参加此活动作为自己的优势之一。
3)一些新考入我校的材料专业研究生来补这门课,以更好地为研究打下理论基础。
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4-3教学条件(含教材使用与建设;促进学生主动学习的扩充性资料使用情况;配套实验教材的教学效果;实践性教学环境;网络教学环境)
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1、教材使用与建设
在教材方面,我们具有较大的优势,表现在多少年来一直使用自编的获奖教材。目前使用的教材是2000年出版、由主讲教授余永宁独自编写、且获2002年全国普通高校优秀教材二等奖的《金属学原理》。2004年由冶金工业出版社出版了余永宁编的《金属学原理习题解答》。随课程内容的拓宽,电子理论、非金属材料及非晶体材料也纳入授课内容,因此,教材仍需更新。今年6月底由本课程建设小组多数教师(余永宁、杨平、强文江、陈冷)编写的十五国家重点教材《材料科学基础》将出版作为新教材。其特色是:内容广泛,深度高,内容新,编写格式有明显变化。但实验课指导书还只是校内教材,作为完整的体系,也应进一步修改、正式出版发行。
2、促进学生主动学习的扩充性资料使用情况:
1)制做了《学生自学平台》软件包,内含有7个模块或分页,即‘讲义浏览’、‘相关软件’、‘课堂视频’、‘名人词典’、‘组织照片’、‘前沿文献’、‘相关讲座’。各分页简介如下。
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(1)‘讲义浏览’分页
本分页给出课堂授课所用的电子课件,习题及解答,实验课课件和相关资料;都是以PDF文件格式给出(授课用课件所链接的软件暂不能使用);学生可对课上没有听懂的部分再反复复习;特别要注意讲课时的主线和思路;并可下载习题解答;
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(2)‘相关软件’分页
使用各种软件的目的有三个;一是加深学生对某一章节或某一类概念的了解;如热力学计算的软件可帮助学生复习热力学基本概念,相图的计算;各相相对量的计算;三元相图的空间结构;检索各类相图等;晶体学软件可帮助学生加深对原子空间排列的理解;极射赤面投影,极图,织构,取向关系;晶体学参数及原子占位等概念;这些内容涉及本课程10章中的7章;二是学习专业英语;只有看懂英文介绍,才能较快地学会软件的使用,并为自己服务;三是了解计算机在本课程中的应用;
各软件都有相应介绍,说名可解决哪些问题;并给出简单的操作步骤。只要将鼠表放在相应软件的小图标上,屏幕上便显示操作步骤。
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(3)‘课堂视频’分页
因受硬盘容量的影响,难以将所有录制的课程放在此处,目前暂放置少量的课程摄像,同时放一些国外录制的相关节目。如‘高温金相’可起到一个很好的虚拟实验的作用。
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(4)‘名人词典’分页
本部分提供一些课程中出现的与人名相关的概念的背景资料,可使学生对本门课程历史发展的脉络有所了解,加深对相应概念的理解,提高学习兴趣。
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(5)‘组织照片’分页
材料专业学生应具有的一个基本功就是辨认各种典型组织的能力和对组织的敏感性;虽然在授课中和实验课上学生已接触到不少的组织照片,但对各类典型材料或同一材料在不同工艺下的组织和形成原因仍缺乏扎实的分析能力,有时对不同类型组织的了解很混乱;通过收集典型组织并加以点评,使学生加深对典型组织的认识,这也反过来促进对各种概论的认识。
目前各类组织照片暂按授课各章节分类,即凝固组织、形变组织、再结晶组织、固态相变组织和其它组织;照片放在各子区中,点击便可观看;用鼠标右键打开文件‘属性’,便可看到组织的简单描述。
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(6)‘前沿文献’分页
本分页又细分为两个子分页,一个是Science《科学》和Nature《自然》期刊文献,另一个是Metallurgical and Materials Transactions《冶金与材料会刊》期刊文献。从这些著名刊物上下载的与本课程直接相关的文献,可使学生了解我们三年级刚接触到的专业基础课学习的内容仍常是目前研究的题材,以增强学生的专业兴趣,并初步接触到专业刊物。因文献都是英文的,对多数文章加以介绍,以提高学生的阅读效率。这些文献主要是给一些学有余力的同学提供的,建议对课堂所授内容问题较多的学生不必细读。
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(7)‘相关讲座’分页
因内容会不断更新,本分页只将少量讲座直接一名称链接,且讲座以PDF文件格式给出,效果不够理想(以后会以PPT文件给出);其余讲座放在‘更多讲座’所链接的子区中。
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使用情况:我们用此平台上的资源对学生三方面进行了考核,一是使用软件绘图晶胞、标准极图及倒易点阵的能力;以及热力学计算相图的能力。二是分析各类典型组织的能力;三是专业英语阅读理解能力。对学生的帮助很大。学生作业及测试分析报告挂上课程网页上。但两方面的原因也限制了该平台的广泛应用。一是课堂内容量已很大,学生没有能力再加深对知识的认识和应用;这部分不计入考试成绩,学生不愿再多学。二是不少同学开始准备考研,没有更多的时间利用这些资源。将来改进的方法是,利用这些资源给学生布置作业,并计入总成绩。
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3、配套实验教材的教学效果
根据图像分析及计算机技术的不断发展,课程建设小组于2003年重新编印了实验指导书,加入了图像基础,数码照相,软件定量等新内容。使原来的人工定量金相扩充到使用软件自动定量、使原来的干板照像(显影和定影,印相)扩充到数码照相,大大节省时间。数据也便于制成各类曲线。
实验室有了多媒体放映条件后,在每次实验讨论中都可扩充相关内容,举一反三。还可放映收集来的实验教学片,如国外金相实验室、高温金相术。
将综合实验中的20种未知样品的所有相关数据收集制成数据库,可随时调用给学生参考,避免学生过多走弯路。
4、实践性教学环境
主要有三类。一是实验课环境,除118学时的授课外,有40学时实验课。主要场地为显微镜室(36台),样品制备室(磨光、抛光、浸蚀),计算机房(用于软件定量及数据处理绘制曲线),数码照相室,硬度计室。二是《学生自学平台》安装的计算机房(35台),用于对学生使用软件能力、专业英语阅读能力、组织形貌分析能力的测试。三是科研小组的活动场所,主要是样品制备室、X射线衍射仪室、扫描电镜室等。这类活动2005年刚开始。学生小论文及该活动的总结分析报告见网页教学资源/教研活动一栏。
5、网络教学环境
主要从以下四方面提供网络教学条件。
1)将国家级教学名师及课程负责人余永宁教授的100学时的全部教学录像放在网页上供学习。
2)将全部PPT型课件及PDF形式全部放到网上供学生以自己习惯的速度自学;
3)所有习题解答、其它大量习题、考题。
4)实验课课件(PDF格式);
5)自测考试系统;以选择题的形式给出,自动判分。
6)各章的学习总结;5章的学习指导,内有本章学习脉络、常见的问题、典型题解答、新测式题。
7)其它相关内容,如课程大纲;《学生自学平台》介绍(许多资源因各种原因尚不能挂在网页上。
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4-4教学方法与教学手段(含多种教学方法灵活使用的形式与目的;教育技术应用与教学改革)
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1、最主要的教学过程是用多媒体课件授课;授课时使用的多媒体课件是余永宁独编的。学生课前及课后都可在课程网页上看录像或用PPT课件自学或复习。
2、为使学生了解本课程教学手段及软件技术的发展,适当链接使用国外商用教学软件Matter(Materials Science on CD-ROM),教学及研究型软件CaRine(晶体学),JMatPro(材料的各种性能及动力学),Pandat(热力学)及其它软件(详见网页上的学生自学平台介绍)。
3、为加深学生对各章的深入了解,每章开始时,都从国际材料大师讲坛中选出与本章有关的人物介绍,信息来源之一是每年美国材料学会在世界范围内评出的R.F.MEHL奖的专题报告。一防止学了很多的理论知识但不知与此相关的科学家是谁。每节课的开始简单总结上节课的内容;每章结束后对本章进行总结,以加深印象。
4、课后学生除自学外,还有三种学习途径:一是在网上观看教学视频;二是使用计算机房的学生自学平台(可阅读教学课件及其它各项资料);三是参与课外小科研活动,锻炼将课程知识用于材料科学研究。这类活动一般在第二学期进行。
5、每周有答疑的时间,对无学习主动性有听不懂课上主要内容的学生,教师采用质疑的方式。利用平时课堂点名的时间,以出小问题的方式了解各学生的掌握程度。
6、每章布置一定量的习题。因已出版了习题解答,故不再批改作业。
考试仍是学习成绩的唯一评定方式。因从作业中难以判断学的好坏的差异(可能相互参加)。自学平台测试及小科研活动因师资力量不足尚未用于评定成绩。

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