材料科学研究范文10篇

材料科学研究范文篇1

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。

三、激发对材料科学的兴趣

材料科学从建立至今不过百年时间，与数学、物理等学科中的名人不同，材料科学中的名人生活的年代距现在并不遥远。很多对材料科学做出了卓越贡献的名人仍然健在，甚至与学校的任课教师有着直接或间接的联系。介绍这些名人的典故，能拉近学生与伟大科学家之间的心理距离。对于科学家的亲切感能培育出对他们理论建树的崇敬之情，进而增强对材料科学的兴趣。例如，美籍华人胡郇对于再结晶理论的研究有巨大的贡献。胡郇先生的国立矿冶学院毕业证的签名院长是著名科学家茅以升先生。这使得学生对胡郇先生的陌生感大大减少，并加深了对他的尊敬之情。当对科学家产生亲切感后，他们创立的理论也就不再显得那么枯燥。这就好比把一个二维的图像拉伸成三维的立体，而三维立体总是能给人更深的印象和更亲切的感觉。材料科学基础课程最大的特点是深奥难懂，许多学生认为其抽象晦涩，毫无美感可言。实际上，任何-I''''-J科学都有其独特的美。按照杨振宁的科学美学观，科学活动的过程也是审美的过程。科学家通过对宇宙和谐有序格局的逐步深入理解而不断地进入自然的本质层次，从而实现了自然界固有的结构与人的认识、人类心灵深处的渴望在本质上的吻合，亦即创造、发展和丰富了科学美。介绍材料科学名人与材料研究相关的一些趣闻轶事，能帮助学生发现材料科学中的美，进而激发对于材料科学研究的兴趣。例如，苏联研究马氏体相变的著名科学家库尔久莫夫(G．V．Kurdjumov)生日时，学生送给他一小块金属样品，样品上用马氏体相变的方法显示出他的名字。这一则小故事让学生体会到金属材料不仅是冷冰冰的物质，同样能被赋予人的情感，其本身也能成为一件艺术品。传统教育思想强调专业知识教育，理工科学生的人文素质较为薄弱，忽略了人的全面协调发展I5-63。在课堂上介绍材料科学名人典故能够起到培养学生的人文素质，帮助学生形成正确的人生观和价值观的作用。例如，休姆•罗瑟里(Hume—Rothery，1899—1968)一生命运坎坷，在18岁时丧生听力，并曾被剑桥大学拒绝。但他凭着顽强的毅力和对科研的热情坚持下来，在固溶体及合金相结构理论领域发现了电子化合物，并提出以原子百分比为横坐标的二元相图可更好地显示同类化合物的溶解规律。他的这种对科学的热忱和所取得的成就能使学生体会到，学习材料科学的过程可能是枯燥和艰苦的，需要耐得住寂寞、摒弃浮躁、真正精心钻研才能有所成就。

四、提升教师水平

“教学”是“教”与“学”两个部分的有机结合，除了促进学生的学习外，提升教师的授课水平也是提高课堂教学质量的一个重要途径。教师要通过学科建设、科学研究、参与各种学术报告等，努力拓宽知识面，更新知识结构，始终站在学科的前沿，这样才能自信地面对学生提出的各种问题嘲。而收集相关材料科学名人的生平典故能够很好地拓宽教师的知识面并加深教师的人文底蕴。收集材料的过程也是教师自身学习的过程，不光是了解了理论知识的来龙去脉，也能够学习到前辈大师的精神。要想在课堂教学中恰如其分地插入名人典故，就需要收集大量的相关资料，能够将相关知识、名人及社会背景以及知识应用的场合都联系在一起，融会贯通。这些都对教师提出了很高的要求。每个学生都喜欢讲课生动、富有人格魅力的老师。教师教学水平的提高有助于集中学生的注意力，提升教学效果。老师和学生共同学习，共同进步，这也是老师、学生所共同期望的研究型教学。

五、结语

材料科学研究范文篇2

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。

材料科学研究范文篇3

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．

材料专业引入计算模拟教学的探索

材料计算的目的在于理解和发现新的材料性能及其物理本质．计算已经与实验和形式理论一样成为材料研究的3大支柱之一．为学生将来能够有更高的起点研究材料科学，适应新形势下材料研究方法，培养具有宽广材料科学基础，掌握材料现代研究手段的“宽口径、厚基础、强能力、高素质”的材料科学专业人才．我们在本科教学阶段就应该有计划的引入和加强计算模拟方法的教学．采用的教学形式可以结合实际情况，灵活的应用．近年来我们采取的教学方式主要有以下3种方式:(1)开设计算材料学类课程在2006年物理与电子信息学院材料物理与化学专业培养方案中已经确定《计算机在材料科学中的应用》和《计算物理》课程为专业选修课程，学时分别为36学时和54学时．《计算机在材料科学中的应用》课程偏重实践教学，通过上机操作学习计算软件的基本原理和使用方法．主要教学内容包括:材料学的发展现状及计算机在材料科学与工程中的应用;材料科学研究中的数学模型;材料科学研究中常用的数值分析方法;材料科学研究中主要物理场的数值模拟;材料科学与行为工艺的计算机模拟;材料数据库和新材料、新合金的设计;材料加工过程的计算机控制;计算机在材料检测中的应用;材料研究科学中的数据和图像处理;互联网在材料科学研究中的应用等9部分内容，基本涵盖当今计算机技术在材料科学研究中应用的各个方面．《计算物理》课程则以理论教学为主，偏重物理基本原理的介绍．主要教学内容包括:计算物理学发展的最新状况;蒙特卡洛方法及其若干应用;有限差分方法;分子动力学方法;密度泛函理论;计算机代数;高性能计算和并行算法等8部分内容．计算材料类课程的开设注重理论和实践并重的原则，在讲解基本原理的同时加强学生动手上机实践能力的培养，因此，经过课程的学习，学生已经初步具备利用计算机进行材料模拟的能力．部分选修计算材料类课程的同学在学习中对计算模拟产生了极大的兴趣，在大四时选择材料计算相关课题作为本科毕业论文选题．例如，08届学生的毕业论文《ZnS掺杂Cu光学性质的第一性原理研究》和《布朗运动的蒙特卡洛模拟》，09届学生的毕业论文《ZnO电子结构和光学性质的研究》，11届学生的毕业论文《晶格热容的理论计算》和《简立方晶体结构能量分布的理论模拟》等均为材料计算和模拟相关课题，并且有多人的毕业论文被评为优秀毕业论文．个别优秀的学生读研后继续从事材料的计算模拟相关研究．通过几年的教学实践，计算材料相关课程的开设对于扩大学生的知识面，提高学生的理论分析能力有极大地帮助．(2)在材料相关的理论课程中加入计算模拟方法介绍虽然已经在材料专业开设《计算机在材料科学中的应用》和《计算物理》等材料计算相关的课程，但这两门课均为专业选修课，只有选修相关课程的学生才能得到相应的计算模拟培训，受众面还比较窄．因此，为使更多的学生了解到材料模拟计算的相关理论和知识，在材料专业主干课的教学中也适时地加入相关的计算模拟方法的介绍，从而扩大计算模拟知识的普及面．例如，在《固体物理》课程中，当讲解到能带理论一章时，我们会在本章结束时，加入一次课，着重介绍基于第一性原理的平面波赝势计算方法计算材料的能带结构、电子态密度等以及第一性原理计算的常用软件(CASTEP、VASP等)．一方面，对学生学习的理论知识加以直观化和适度的扩展，另一方面也进一步普及第一性原理计算的相关知识．在《材料科学基础》教学中讲解到相平衡与相图一章时，我们会在本章内容结束后介绍相图计算近年来的发展现状，包括CALPHAD(CalculationofPhaseDiagram)计算方法、热力学与动力学的结合、第一性原理与相图计算方法的结合，并简要介绍今后相图计算可能的发展方向[7]．在晶体缺陷内容的教学中，穿插介绍利用分子动力学计算面心立方金属空位和间隙原子点缺陷的形成能的方法．通过在课程教学中穿插入计算模拟方法的介绍，一方面也加深了学生对所学内容的理解，另一方面开阔了学生的眼界．(3)举办计算模拟相关的学术讲座．自从2009年以来，物理与电子信息学院从事计算模拟研究的教师每学期都结合自身的科研情况举办面向全院学生的学术讲座．例如在2011至2012学年第二学期，我们举办两场学术讲座，分别是《氧化锌晶体及其掺杂的第一性原理研究》以及《可见光响应半导体光催化材料的结构和能带设计》，教师在讲座中介绍自己的科研情况，同时也使学生了解到如何把学到的计算模拟知识应用到科研实践中去，让学生体会到如何利用计算模拟预测材料的物理性质以及指导材料设计的研究方式，提高学生自觉学习计算模拟方法的积极性．

结束语

材料科学研究范文篇4

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

目前大多数高校对于该课程的设置偏重理论方向，缺乏针对专业知识方面的培养，疏忽了实践操作能力的培养，甚至以理论教学替代实践教学等。使学生不易理解理论知识，甚至易感觉到枯燥无味，久而久之，学生就会失去对该门课程的积极性和主动性。

(二)教学内容上重教材知识轻前沿问题

课程知识量大、内容繁杂，且具有前瞻性。随着计算技术的快速发展，越来越多的新材料、新工艺、新方法被研发应用，但授课内容提及前沿学术问题的计算机应用较少，造成教学内容未能有效结合学科前沿的知识发展，导致学生知识结构偏窄、守旧，难以满足新时代解决复杂材料问题的新需求。

(三)教学方式上重讲授灌输轻实践操作

课程整体课时相对有限，导致教师为了满足课程的内容要求出现填鸭式教学，而这种教学方式往往缺少互动，课堂仍以是“教师为中心”。这种教学方式枯燥，学生易产生反感心理，使教学效果达不到预期。学生普遍反应对该课程涉及的一些应用性很强的软件掌握并不理想，缺乏灵活的运用能力。

(四)教学目标上重知识传授轻思政育人

目前该课程侧重关注专业理论学习，大部分教师在课堂讲授中以知识和技能传授为主，没有有意识地对学生进行思政教育，且课程思政内容融入不深，没有新颖性、时代性。学生学习目标局限于掌握专业知识，不明确课程思政的教育意义，缺乏学习积极性和热情。

二、“计算机在材料科学中的应用”课程“四位一体”教学模式构建

桂林理工大学无机非金属材料工程专业开设的“计算机在材料科学中的应用”课程分为理论授课(10学时)与上机实践授课(14学时)两部分，共计24学时。该课程主要介绍计算机用于材料建模及设计、数据处理和图像分析、科技论文绘图等。本文在原有课程体系的基础上，借鉴先进教学理念，提出“四位一体”“计算机在材料科学中的应用”课程教学模式(如下图所示)，从育人目标、教学目标、教学方式、评价标准等方面对该课程教学进行改革，以务实教育为主线，注重过程与方法、知识与技能的考核，以务“虚”教育为两翼，强化学生情感态度与价值观的评价，把务实与务“虚”有机结合起来，培养情智同步发展的应用研究型人才。

三、“四位一体”教学模式在“计算机在材料科学中的应用”课程中的实施策略

(一)厚植理论基础，开展研究型、探究式教学

当前“计算机实验”已成为传统实验的一个重要技术手段，相应的计算机软件已广泛应用于材料科学研究和实践教学［5］。对于电子原子层面的问题，一般采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，如MaterialsStudio(MS)、QuantumEspresso、VASP软件等。课堂中引入MS进行教学，开展无机非金属材料的结构设计和性能预测。1．注重应用，强调实践(1)DFT对学生的物理基础要求较高，理论模型也不易理解。因此，将DFT串联，采用故事教学法进行概述讲解。从薛定谔方程出发，介绍适用于非均匀电子系统的DFT，导出包括多粒子体系中交换和关联效应的单电子自洽方程组(Kohn-Sham方程)，再引入交互关联泛函和赝势，构成单电子近似的现论依据。该部分使学生对DFT的理论基础有了初步了解。(2)结合理论教学内容，介绍MS的基本功能、操作、使用，并通过具体科研实例讲解如何用MS进行建模和计算。同时，通过上机操作完成从模型建立到性能预测，再到处理数据及分析全过程的学习，培养学生运用计算机解决科研和生产实际问题的能力，从而提高教学效果。2．充分体现科教融合教师将科研成果转化为教学内容，以理论引申、教学案例等方式进行教学，丰富更新教学内容。教师通过提出科学问题，引导和鼓励学生利用MS进行科学研究和探索。例如，利用MS建立缺陷模型，对其进行几何结构优化，得到基态能量和晶格参数，进行性能预测，分析缺陷对PbTiO3电子结构、介电性能、光学性质等影响。教师给出科学问题和解决思路，学生独立思考整个过程，进而培养学生的实践操作能力和创新思维，激发学生的求知欲望。

(二)启发创新思维，采用线上线下体验教学

“计算机在材料科学中的应用”涉及的理论知识广、实践性强，非常适合开展线上线下体验式教学，通过将“教”和“学”适当分离，可拓展教学的时间和空间，提高学生的主动性和参与度。开展线上线下体验教学，需将现有的教学内容进行重新组织和设计。一是课前自主学习。教师分解知识点，录制微视频或收集网络资源，并安排学习任务。学生带着学习任务(随堂测验、作业或思考)在线完成各章节的基本理论知识、软件介绍和基本操作等学习，以保证学生线上学习的效率。二是课堂互动讲授。教师精心设计课堂教学活动，有针对性地对各章知识点进行总结串讲。学生在掌握知识基础的前提下，带着疑问进行研讨，有助于其巩固、转化并灵活运用线上知识。三是课后开放探索。教师布置一些相关的开放性课题，学生课后完成开放性课题研究，并观看教师共享的讲解视频，培养学生科学研究能力和创新思维，实现“学、教、做互动”体验式教学。课程考核设置比例为:总成绩100分=平时成绩(线上学习20%+课堂表现20%)+开放性课题成绩(60%)。通过设计多元化课程考核方式，注重过程考核和能力考核，尽量使分数客观反映该课程教学目标的达成情况，提升学生学习的积极性和体验式教学的效果。以“计算机技术用于材料数据和图像处理”一章为例，利用录制微视频形成线上课程，线上课程内容囊括材料数据处理的基本理论、Origin软件的应用、基本功能和使用，要求学生提前完成软件的安装并预习初步学习软件的基本功能，以便开展课堂教学和操作指导。课堂重点介绍曲线拟合和线性插值法，并通过实践上机操作讲授Origin在数据处理中的应用实例，供学生进行有针对性的学习和讨论。课后根据教师的实验数据，要求学生绘制双Y轴的粒径分布图和某薄膜材料的电滞回线图，培养学生数据处理和分析的能力，为后续课程的学习奠定基础，尤其是毕业设计(论文)有关的材料数据的处理与分析。

(三)拓展学科视野，引入前沿知识教学

在课程教学中需将教材内容与前沿知识衔接，丰富教学内容，以适应“计算机在材料科学中的应用”的理论和实践不断发展的需求。教师应注重文献与时政知识的积累，不断补充和更新与该课程有关的前沿知识到教学素材库。如在“绪论”部分，介绍材料基因方法在锂电池材料、钙钛矿型光伏材料、热电材料等一系列材料设计中的应用［6］;在材料设计这一章中介绍第一性原理计算在新材料设计中的应用，展示高通量计算筛选新材料的强大功能，使学生了解材料科学的新兴领域，深化“理论+实验+计算”的材料设计理念，培养学生的科学兴趣，提升学生综合素养。

(四)树立文化自信，融入课程思政教学

结合“计算机在材料科学中的应用”课程性质和特点，发掘该课程中的思政元素，将思政教育融入教学内容。在阐明“计算机在材料科学中的应用”的基本原理和相关实践操作的基础上，通过“感官冲击→道理讲解→心理反应→思政升华”模式，将课程背景和理论知识有机融入社会主义核心价值观，并在实践教学过程中，采用“案例法”“讨论法”等教学手段进行科学精神和创新精神教育，使学生树立坚定的理想信念和丰富的人文修养。以“计算机模拟技术用于材料设计”一章为例。在讲授计算机在材料模拟发展中的作用时，列举由中国国防科学技术大学自主研制的超级计算机，其第二代系统———“天河二号”成为2013年全球最快超级计算机。在讲授计算机模拟技术———主要是第一性原理理论基础的时候，引入香港大学姚望教授对自旋电子学和自旋量子计算做出的重要贡献及其荣获2014年度全球华人物理与天文学会亚洲成就奖。通过视频及图文并茂的形式，将抽象理论具体化，通过感官冲击，使学生领会到科学家敢于探索、潜心钻研的高尚情操，了解我国在计算材料领域所做出的国际贡献，进一步增强科技自信、文化自信和民族自信。在讲MS实例操作时，结合近年来国内科学家在《Nature》《Sci-ence》《科学通报》等国内外期刊发表的文献进行科研实例教学。在布置开放性课题时，要求学生查阅相关性强且质量高的文献进行分组讨论，再结合所学知识独立完成课题。并且把分组讨论和课题所涉及的思政内容作为德育考核，评价学生的情感态度与价值观，使评价机制做到虚实结合。

结语

随着超级计算机、量子计算、新材料等先进技术的快速发展，“计算机在材料科学中的应用”也正发生极大转变。传统的教学内容和方式需要不断改革以满足人工智能时代的发展需求，提出“四位一体”教学模式，从研究型探究式教学、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进行课程教学改革，突出课程的设计性、研究性、探索性，实现教、学、做、评的融合，重点培养学生知识应用能力、实践能力、创新精神和文化自信。同时，为后续课程的学习做打下基础，尤其是毕业设计(论文)提供方法和途径，也为高校应用研究型人才培养提供实践依据。

参考文献:

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材料科学研究范文篇5

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]。

1.2在材料研究中的应用

在进行材料研究的过程中，对于技术工作人员来说，其日常工作过程中一项非常重要的内容就是进行系统模拟试验，为了达到实验的理想效果和目的，需要技术人员掌握计算机的操作知识和专业技能，在进行材料研究的工作中发挥自身的价值。通过计算机模拟出来的结果能够使技术人员获得有效的数据，并且为后续各项工作提供必要的数据基础。计算机模拟需要结合新材料设计的具体工作来展开，如果能够将计算机的模型作为实体体系的主要参照，那么后续模拟试验的进行将会更具有真实性[3]。借助这种方法得出的结果不仅准确有效，还能够将一些繁杂的环节简化，还能够对工作的状态进行实时的观察和分析。在以往的传统模式下，实验室具有一定的局限性，其中有很多难以探索的模型，但是这些模型均可以借助计算机模拟出结果，这种全方位预测的模式是其他技术无法比拟的。

1.3在优化和自动控制材料以及工艺中的应用

目前，科学技术水平的快速发展已经带动很多技术在各个领域中得到了全面的应用，在材料加工领域也是如此。在技术的支撑下，工作人员可以利用可编程控制器来实现材料加工的自动化发展，这种技术能够有效提升产品的整体质量和水准。在材料加工环节也可以借助计算机技术，为相关技术人员提供更多的便利，一些利用传统模式进行加工的复杂环节均可以借助这种技术变得更加简便，技术人员只需要通过简单的操作流程就可以完成材料加工[4]。由此观之，计算机能够有效地提升材料加工的整体效率，同时还能够达到控制材料或创新工艺的效果。例如，材料科学技术人员在展开材料加工工作的过程中，可以在计算机模型中输入相应的数据，在数据输入之后就可以通过计算机的自动化设置和转换得出最终的结果。这种模拟方式比较精确，同时还能够对后续材料制备的各个环节进行全面的监管。尤其是在传统模式下比较常见的材料表面问题处理工作中，计算机技术能够发挥非常重要的作用，在对制造材料过程中的内容进行控制时，确保各项数据在要求的范围内。在此基础上，如果能够进一步将计算机应用到自动控制材料的工作中，能够有效发挥出计算机在材料制作和工艺优化等方面的优良特性。此外，除了能够有效提升材料科学领域发展的实效性，还能够从质量和自动化控制的标准上对其进行全面的提升。

1.4在处理数据和图像中的应用

在对材料科学进行研究的过程中，无论是借助什么方式都必须经过试验的步骤，在不断实验的过程中会产生海量的数据和信息，对此，可以借助计算机强大的存储功能来保存数据。除了录入信息和数据，计算机还可以承担处理图像的任务，关于材料科学的研究很多时候都需要应用到相应的图像，尤其是在研究的过程中，可能会涉及材料特性和凝聚态结构之间的关系，因此需要借助电子显微镜技术和光学显微镜等形式来展现凝聚态结构的二维图像[5]。在呈现出图像之后，计算机将会进一步对后续图像和数据进行处置，在此基础上获得的结果将更加直观可靠。例如，计算机能够直接产生聚合方式的具体分布情况和有关的信息，同时结合自身整合数据的方式展现出信息材料的实际性能，这些结果能够为后续材料的应用和与结构方面有关的研究提供参考。

2计算机技术自身实际应用表现

2.1计算机模拟技术在液态金属成形中的应用

计算机数值模拟技术在液态金属充型期发挥着非常重要的作用，只有在保障各项数值精确可靠的基础上才能够达到液态金属充型期的理想效果。借助计算机技术能够在处理自由表面工作的过程中充分利用体积函数和流量的有关数据，同时还能够计算出与修正流量和传热有关的结果。经过对层流模型和有关工作的实验验证之后，能够准确地模拟出液态金属充型期的双方模型结构[6]。如今又衍生出了很多的算法和模式，例如并行算法、三维有限差分法和三维有限单位法等。在使用这些方法的时候，需要结合具体情况来进行选择，每一种方法都存在着双面性，因此应该尽量发挥算法中的优良特性，选择主要的侧重点，这样不仅能够发挥出理想的效果，还能够保障整体工作的有效性和准确性。

2.2计算机模拟技术在热处理工艺中的应用

计算传热学和热弹性力学对当今计算机模拟技术的发展和应用起到了不可忽视的作用，借助这种技术不仅能够提高计算机模拟研究的速率，还能够借助热处理计算机模拟技术为后续工作的开展奠定基础。在此基础上，如今很多领域都应用了真空加热、控制炉温和感应加热等技术，不仅取得了举世瞩目的成果，还有效推动了我国经济的发展。其中，计算机模拟技术在热处理工艺中应用的频率比较高，运用计算机模拟技术能够实现热处理工艺的优化。例如，利用计算机技术进行钢淬火方面的模拟试验时，为了能够提高计算机的运行速率，同时保障各项数据和模型具备准确性，需要保证实际模拟需求能够和热弹性模型的构建工作相结合，除此之外，应该控制周围的环境，使其保持合理的温度和残余应力，从而实现钢淬火流程的优化和改良。在此基础上，此技术在气体渗碳的过程中也发挥了不小的作用。借助离子渗碳数学模型和计算机模拟技术，可以得到与碳浓度有关的曲线，将得出的结果与具体的情况和特点进行对比，并且找出二者之间相同的部分。在进行真空加热和感应加热的过程中，整个系统中的工艺参数能够及时录入计算机模拟的模型中，通过这种方式能够解决传统模式中存在的人工误差因素，这样不仅能够提升产品的整体水准，还能充分保障数据的真实性。技术人员在接触到计算机技术之前容易造成各种误差，还面临着繁杂的操作流程。利用这种方式不仅能够通过参数的控制来掌握各项工艺，还能够避免上述问题的发生。除了上文列举的几种应用形式，在塑性成型、连接成型和金属热处理工作中也能够有效地借助计算机技术。因此，计算机技术在材料学的应用所产生的效果是显而易见的，在未来的发展过程中具有较高的应用价值。

3结束语

计算机技术的应用，使材料科学在各方面水平都得到了有效的提升，但是仍然有部分工作人员没有认识到计算机技术的重要性，仍然采用传统的模式来进行工作，将自身的经验作为主要的参照标准。在未来的发展过程中，应该摒弃这种思想，提升计算机的利用率，借助计算机技术来解决传统模式中存在的一些问题和弊端，通过正确的使用方法来提高材料科学研究工作的整体效率和质量，相信在计算机技术的支持下，材料科学将会朝着更加科学和健康的方向发展。

参考文献：

[1]万志华.计算机技术用于材料数据和图像处理:评《计算机在材料科学与工程中的应用》[J].材料保,2020,53(11):191.

[2]宗朔通,郭琦.《计算机在材料科学中的应用》课程的探索研究[J].山东化工,2020,49(21):174+176.

[3]郑建秋.计算机模拟技术在材料科学研究中的应用浅析[J].厦门城市职业学院学报,2020,22(2):91-96.

[4]董抒华,张明伟,焦学健,等.《计算机在材料学中的应用》课程说课设计[J].山东化工,2019,48(21):210-211.

[5]陈锟,刘克家,施宇涛,等.“计算机在材料科学中的应用”课程改革与实践[J].广州化工,2019,47(1):125-126.

材料科学研究范文篇6

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

（一）产业结构调整。在低碳经济形势下，新材料产业需要尽快调整产业结构，压缩初始材料加工产能，推动产业链的深入发展，改造产业结构以及区域布局等。（二）技术更新。当前的制造业的发展和升级对低碳材料提出了更高的要求，需要通过技术的更新来实现低碳技术的发展，需要先占据技术主导权，实现产业发展的生命力，促进新材料新技术的更新和发展。（三）调整能源结构，改善生态环境。优化能源结构，降低碳排放，提升一些清洁能源在生产发展当中的应用，以实现经济以及环境的持续性发展。

三、材料技术科学在低碳材料领域当中的应用展望

（一）碳纤维复合材料。碳纤维是现阶段高端复合材料当中使用较为广泛的材料。现阶段工程领域对于结构的轻质化要求给碳纤维复合材料提供了更为广阔的发展环境。主要的应用领域有航空航天、空中运输等，利用碳纤维材料制造的飞行器有很好的实用性，比如助推力强，质量轻、噪音小等，能够起到减少能源消耗的作用。（二）节能建筑材料。在低碳经济中，建筑材料逐渐走向轻质化，绿色化的发展方向。建筑中经常采用透明的绝热材料和外部墙面复合构成透明的隔热墙，减少了由于空气对流产生的热量的损耗，负荷保温玻璃具有多重保温的性能，能够维持室温的稳定，减少能源的消耗，在外界温度变化的时候依旧能够有效的维持室内温度的稳定。另外，对太阳能资源的利用，太阳能可以产生绿色化的能源，可以有效地控制碳排放，实现经济的绿色化发展。（三）新型能源材料。随着人们逐渐对环境和能源问题的重视，清洁能源已经成为了一种比较有竞争力的能源之一，比如汽车能源领域的氢能源，能够实现传统能源难以实现的高效率转化。另外在电气领域，应用新型的储电装置，能够提升电能应用效率，应用前景十分广泛。

低碳经济是当前世界经济发展实现持续化的关键路径，这也是社会经济发展的内在要求。在全球气候变化，环境恶化以及全球能源储备减少的情况下，需要将材料科学技术与低碳经济发展理念紧密融合，开发出新型材料以及先进的低碳能源技术，以实现经济的可持续发展。

参考文献：

[1]张煜州.低碳经济发展的科技创新研究[J].科技风，2018，(04):9-10.

[2]赵红.低碳经济背景下建筑新材料产业的发展与挑战[J].价值工程，2017，(24)：3-4.

材料科学研究范文篇7

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

材料类教学质量国家标准为140—190学分，而天津理工大学材料物理专业为177学分，在国家质量标准要求范围内。

三、人才培养基本要求

1.材料类教学质量国家标准。在思想政治和德育方面，按照教育部统一要求执行。在业务方面，教学质量国家标准提出了以下要求。第一，掌握本专业所需的数学和自然科学知识、工程技术知识以及一定的经济学与管理学知识。第二，系统掌握本专业的基础理论和专业知识，熟悉材料的组成、结构、合成与制备、性质与使役性能之间关系的基本规律。第三，掌握本专业所涉及的各种材料的制备、性能检测与分析的基本知识和技能。第四，了解材料类专业相关学科的发展现状和趋势，具有创新意识，并具备设计材料和支部工艺、提高材料的性能和产品质量、开发研究新材料和新工艺、根据工程运用选择材料等方面的基本能力。第五，了解与本专业相关的职业和行业的重要法律法规及方针政策，具有高度的安全意识、环保意识和可持续发展理念。第六，具有终身学习意识，能够运用现代信息技术获取相关信息和新技术、新知识，持续提高自己的能力。第七，具有一定的组织管理能力、表达能力、独立工作能力、人际沟通能力和团队合作能力。第八，具有初步的外语应用能力，能阅读本专业的外文资料，具有一定的国际视野和跨文化交流、竞争与合作能力。第九，体育方面掌握体育运动一般知识和基本方法，形成良好的体育锻炼和卫生习惯，达到国家规定的大学生体育锻炼合格标准。2.材料物理专业培养计划。本专业在夯实数理知识的基础上，主要学习材料科学与物理学基本理论、材料组成、结构、性能、应用等方面的基本知识。掌握材料设计、合成制备、加工处理、测试分析、材料应用等方面的理论和技能，具备材料科学研究和技术开发能力。毕业生应获得以下几方面的知识和能力。第一，熟悉国家的科教兴国战略及科技发展、知识产权等方面的方针政策，了解材料产业发展的状况。具有良好的学术道德和职业诚信，较强的社会责任感、人文科学素养和创新意识。第二，掌握材料学科及相关的数学、物理、化学等学科的基本知识，掌握材料的组成、组织结构与性能的基本关系与规律。第三，掌握材料物理合成、掺杂改性的基本原理，掌握材料制备的主要方法及相关工程技术原理，掌握材料性能测试及组织结构表征的技术方法，具备从应用目标出发对新材料及现有材料进行成分设计、制备、加工、应用、性能评价的基本能力，同时具备对材料成本、工艺、环保、性能和效益综合评价及材料选用的初步能力。第四，了解材料物理的理论前沿和发展现状，了解本专业在功能材料、电子信息材料、纳米材料、半导体材料、生物材料、能源材料等新兴学科交叉领域的应用前景和行业需求。第五，掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取专业信息的基本方法，具有一定的设计实验和创造实验条件的能力，能够合理归纳、整理、分析实验结果，撰写论文并参与学术交流。从材料物理专业现有培养方案看，与国家标准相一致的是在对材料类专业核心素养的要求上。该培养方案要求学生掌握材料学科及相关的数学、物理、化学等学科的基本知识，掌握材料的组成、组织结构与性能的基本关系与规律。掌握材料物理合成、掺杂改性的基本原理，掌握材料制备的主要方法及相关工程技术原理，掌握材料性能测试及组织结构表征的技术方法，掌握材料性能测试及组织结构表征的技术方法。本专业要求了解材料物理的理论前沿和发展现状，了解本专业在功能材料、电子信息材料、纳米材料、半导体材料、生物材料、能源材料等新兴学科交叉领域的应用前景和行业需求。

四、材料类专业知识体系和核心课程体系

材料科学研究范文篇8

(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，在分子配体的添加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。

三、预期的效果

材料科学研究范文篇9

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

材料科学基础是一门理论基础知识，也是一门紧密联系实际应用的学科。基础知识即重要又苦涩，如何让苦涩的知识生动起来，这就是教学水平。实践教学是整个教学过程中的一个重要环节［5］，教学与实践结合，比如在讲到材料的组织结构内容时，联系目前最先进的制备技术，播放一小段材料加工视频，介绍材料制备过程，缺陷特征，失效形式，让学生能更直观的去了解学习的知识，也能调动学生的学习精气神，同时也能更好地让学生去了解将来的工作，更早的去了解自己的发展方向，专业技能。同时，还可以让学生参与到教师的科研中，比如在教师的材料熔炼时，把教学从教师带到实验室，让学生去了解如何配料、如何熔炼、如何铸造、如何分析材料组织性能，从实践中去理解学到的知识，有助于培养学生的思维能力，通过对实践过程中观察到的实验现象与理论知识的结合，培养学生的思考能力，巩固相关理论知识，然后将实践中遇到的问题，在课堂上采用问答与讲解相结合的形式，培养学生的科研意识，提高学生的学以致用能力。

三、前沿知识引入教学

将材料科学的基本知识与目前的前沿技术、工程实际结合，让基础知识发挥他们的光辉，是教学中调动学生学习的一种手段。比如在学习到细晶强化技术时，可以结合最年轻的院士卢柯的研究，纯铜的超细晶强化技术，即让卢柯院士的事迹激励学生学习，又能更好地了解细晶强化的应用。在讲到材料结构时，联系到港珠澳大桥的建设、北京大兴国际机场的建设，用这些恢宏的建筑去感染学生的学习激情，激励学生学习的动力。

四、多元化考核机制

考核只是手段，并不是目的。如何让考核变得更有效，让考核成为学生学习的动力，值得关注。目前的教育，期末考试，突击学习，今天考完，明天忘记，这就是常态。所以让考核成为学士学习的动力［6］，让知识牢记到学生脑中，才是最好的考核。所以淡化期末考试成绩，突出平时学习能力的考核，才是本质。将学生平时的小组讨论部分有组内成员相互打分和组间打分相结合，将实践教学中学生的观察问题、发现问题、解决问题的主动性列入考核范畴，这样可以更好地调动学生平时的学习积极性，而不是在期末突击。当然这要求教师提前设置好评价标准，根据这些标准公平公正打分，这里可以有10%的学习能力、进步能力等主观评分体系。

五、结语

教学理念、教学方法、教学手段、考核目标的改革，始终要以提高学生的学习能力、学习兴趣、创新能力和科学素养为目标，通过各种手段调动学生的学习积极性，利用质量管理的PDCA循环来培养学生的学习能力和将来适应社会或科研的能力。本文通过对“材料科学基础”课程实施改革的探讨，明显提高了该课程的教学质量，同时为希望能为其他课程的改革提供了借鉴。

参考文献:

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材料科学研究范文篇10

一、有机化学课程内容和特点

有机化学是研究有机化合物的化学，是-N研究有机化合物的来源、制备、结构、性能、应用及其有关理论和方法的科学目，可以使人们从分子水平上探索未知的世界。它既是一门内容丰富，理论性、社会应用性强的课程，又是-f3重视实验、实践性强的课程。其内容主要分为三大部分：第一部分为有机化学基础知识和基本理论，包括有机化合物分子结构基础、立体化学、波谱化学等；第二部分为各类有机化合物的物理性质和化学性质，有机化合物是按其分子中包含的官能团类型分类，官能团对化合物的性质起决定性作用，这一部分是整个有机化学的重点也是难点，要求学生能够运用有机化学基本原理去认识化学反应的规律，掌握各类反应及应用；第三部分为天然有机物化学，包括糖、氨基酸、蛋白质、核酸等内容，也被称为生物有机化学。对于材料科学专业学生来说，需要重点掌握的是第一、二大部分内容，而且，第二大部分中不同类型的有机化合物的重要程度也不同，例如，不饱和烃、芳香烃、醇酚、醛酮等是重中之重。这些重点内容可以归纳为：1个理论(电子理论)、2个效应供轭效应、诱导效应)、2种试剂(亲电试剂、亲核试剂)、3类6大反应(自由基取代、加成反应，亲电取代、加成反应，亲核取代、加成反应)等01。

二、材料学专业有机化学教学改革的必要性

材料科学专业既是本科教学中最为重要的专业之一，同时也是最难学习的专业之一，它要求学生全面地掌握化学、物理、材料学等方面的基础知识。专业课程数量的巨大，使得专业课程的设置课时紧、任务重。对于有机化学这门课程来说，材料科学专业的授课课时由化学专业的大于120学时缩短为小于64学时，实验课时也相应地大大减少，这就容易造成学生对有机化学基础知识掌握肤浅，实验技能相对匮乏，严重影响后续课程的学习。同时，相对于其他专业，材料科学专业有着自身的特点，并不是有机化学中所有的内容都必不可少，即材料科学专业对有机化学教学侧重点需求不同，精选有机化学中针对材料科学专业十分重要的内容，既能完成大纲规定的教学任务，又能保证教学质量。另外，由于招生人数的增加，学生的基础知识水平有下降趋势，并且参差不齐。这些都对材料科学专业教学的正常进行造成严重的影响。所以，材料科学专业有机化学教学改革势在必行。

三、材料学专业有机化学教学改革方法

1．教材的改革。教材是教学内容的载体，优秀的教材是高教学质量的保证。由于有机化学的重要性，各类教材数量繁多，内容丰富，但本校材料科学专业特点鲜明，直接沿用现有的有机化学教材无法在有限的学时内使本专业学生完善地掌握其必需的化学方面基础知识。为此，我们根据本校材料科学专业学科特点，参考现有优秀有机化学教材，精选本专业学生必需之基础知识，秉承遵循思维规律组织教学的原则，编写适合本专业有机化学教学的校内讲义。相对于一般的有机化学教材，我们新编的讲义内容精练，篇幅缩减，既加强了对学生素质的培养，又适应了学时较少的需求。主要以上文所述的有机化学教学主要内容的第一、二大部分为主，新编讲义共分为十一章，第～章：结构与性能概论，重点内容为价键理论、共振论、诱导和共轭效应、反应类型和试剂分类、酸碱理论、溶剂化作用等；第二章：立体化学，重点内容为构造、构象、几何、对映4大异构现象；第三章：结构表征化学，重点内容为红外光谱、核磁共振谱、紫外光谱及质谱。以上内容为有机化学基本理论，是以下各章学习的基础。第四章：脂肪烃及其衍生物，包括饱和烷烃、烯烃、炔烃、卤代烃的物理性质和化学反应；第五章：芳香烃，重点内容为芳烃亲电取代反应；第六章：醇酚，重点内容为醇酚的共性和特性；第七章：醛酮，重点内容为羰基亲核加成反应；第八章：羧酸及其衍生物，包括羧酸、酰氯、酸酐、酯、酰胺的物理和化学性质；第九章：有机含氮化合物，包括硝基化合物、胺、重氮及偶氮化合物、杂环化合物的物理和化学性质。以上内容几乎涵盖全部对本专业后继课程十分重要的有机化合物，知识要点就重避轻侧重点鲜明，为整个讲义的重点内容。第十章：有机合成基础，重点为有机合成路线控制；第十一章：有机化学资源，包括常用软件、期刊检索、网络化学资源等。以上为选学内容。用以开拓学生视野，加深学生学习兴趣。新编有机化学讲义在内容上精练有序，既涵盖了与材料科学专业息息相关的基础理论，也包括了有益于后续课程学习的几大类重要有机化合物。主线清晰，内容展开层次感强，保证了在少学时的基础上使学生能完整的了解重要的知识，强调对学生素质的培养，着重有机化合物的共性与特性，给学生思考的空间，培养学生分析、解决问题的能力。另外，我们充实了新的内容，使学生了解有机合成的手段和最近研究热点，辅以材料科学研究方向专题的建立，扩宽了学生的知识面，增强了学生的兴趣，适应新时代材料科学专业有机化学教学。

2．课堂教学的改革。教材是教学的根本，而课堂教学则是教学实施的天地。通过课堂教学，不仅要使学生掌握新知识，更重要的是教会学生获取新知识的方法。有机化学理论性强，内容比较抽象，为了使学生尽快地掌握有机化学的学习方法，更好地理解有机化学的内涵，极大地提升学习有机化学的兴趣，我们本着“以学生为主体，以教师为主导”的指导思想，借鉴他人的经验，总结自己的教训，采用丰富的教学手段，提高有机化学课堂教学的效率。

(1)教学方式：多媒体教学。“工欲善其事，必先利其器”。有机化学涉及大量的分子结构式、化学反应式，传统的教学方式即使辅以挂图和模型演示，也无法在有限的学时内完成巨大的教学任务。借助多媒体手段，可以将有机化学中比较抽象的问题生动形象地展示给学生，而且可将图、文、声、像并茂，将“讲”课演变为“演示”课，既扩大了单位学时内的授课内容，又可以节省出学生上课时记笔记的时间，大大地提高了教学效率151。我们根据大纲的要求，以PowerPoint为主要制作工具，辅以Flash(制作动画)、ChemOfice(画有机化合物的结构式及反应方程式)、Photoshop(处理图像)、3DMax(制作立体动画)等软件，开发了侑机化学》CAI课件，使课堂的教学面貌焕然一些，课堂氛围轻松愉快，课堂质量极大提高。

(2)教学方法：运用开放式教学，采取列表比较法、系统归纳法等展开课堂教学。在有机化学的课堂教学中，针对学科及学生的特点选择正确的教学方法，对教学目标的实现至关重要。我们以开放式教学作为贯穿整个课堂教学的基础，不仅要求学生听老师的讲解，还要求学生带着问题去思考，指导学生查阅文献去解决问题，培养学生的创新精神和实践能力。介绍与材料科学专业密切相关的前沿课题，让学生提出自己感兴趣的方向，组织专题讨论，丰富学生相关的知识，做到真正的开放、启发式教学。辅以系统归纳、列表比较等合理的教学方法，取得更好的教学效果。

(3)教学方针：采用“启发、引导”的教学方针，更好地体现老师的“主导”作用。虽然在课堂教学上，老师应主要向学生讲授系统的知识，但学生自己独立思考、创新能力的培养亦尤为重要。课堂教学中老师应充分发挥“主导”的作用，使学生从积极地听从老师的讲授，过渡到独立思考，有所创新。对于学生在思考、创新过程中遇到的问题、困难，老师应给予学生帮助。不仅仅是鼓励和支持，更重要的是给予学生解决问题、困难的知识、经验，通过问题的提出和解决，使学生体会到创新的快感，从而产生更大的兴趣和热情。

3．实验教学的改革。有机化学是一门实验性较强的课程。实验教学是有机化学教学的组成部分，也是培养学生实践能力和创新精神的重要环节。但一般的材料科学专业对有机化学实验安排的课时较少，甚至不安排，不利于学生动手能力的培养。为了在有限的学时内达到实验教学最大的效果。我们经过探索，采用如下思路和方法：采用阶段性实验教学，首先安排一些趣味性、实用性强的验证实验，例如，结合日常生活实际，安排阿司匹林、染料合成、茶叶提取咖啡因等。既让学生掌握有机化学实验的基本操作方法和技能，又让学生在实践中体会到自己的学习是有用的，提高学习兴趣，激发主观能动性。在此基础上，根据材料科学专业特色，逐步增加综合性、创新型实验。在这一阶段中主要培养学生综合性能力，让学生提出自己感兴趣的课题，指导学生查阅文献一设计实验方案一拟定合成路线一完成产物合成一分析实验结果一提交实验报告。由学生自己设计合成路线，分析、总结合成过程中的收获和不足，可以培养学生独立思考，综合运用所学理论知识和实验技能的能力。另外，我们还安排一些开放性实验，实验室在特定的时间内向学生开放，使得对有机化学实验感兴趣的学生在业余时间可以到实验室做实验。这样，既弥补了实验课时少、学生意犹未尽的不足，又可开拓学生的视野，使学生提前感受到科研的氛围，对学生实验水平的提高起到较大的促进作用。