中国教育

一、本专业教育的历史、现状及发展方向

1．本专业的主干学科概况及历史沿革

    本专业的主干学科是材料科学与工程学科。

    在人类社会的发展过程中，材料的发展水平始终是时代进步和社会文明的标志，人类文明的发展史，就是一部如何更好地利用材料和创造材料的历史。同时，材料的不断创新和发展，也极大地推动了社会经济的发展。在当代，材料和能源、信息是构成社会文明和国民经济的三大支柱，新材料、信息技术、生物技术并列为新技术革命的重要标志，其中新材料更是科学技术发展的物质基础和技术先导。

    材料科学与工程学科建立于20世纪60年代初期，现已发展成为一门完整的独立学科，它是一门实用的、直接的科学与技术，不同于抽象的衍生的科学。从某种意义上来说，材料科学与工程是以90多种元素为初始原料，从理论研究、应用，到制造成为人类需要的、有价值的新物质的一个科学技术领域。它横跨对微观世界（≤0.1mm）的探索到宏观的制造、性质和应用，是连接材料基础研究和工程应用的桥梁。

    材料教育和人才培养是材料科学研究和生产应用赖以发展进步的基础。材料科学与工程学科的本科专业涵盖金属材料工程、无机非金属材料工程、高分子材料与工程、材料物理、材料化学等二级学科专业，及综合性的材料科学与工程专业。材料科学与工程的定义是：研究有关金属、无机非金属、有机高分子等材料的组成/结构、测试/表征、制备/合成、性能/应用四要素及其关系的科学技术与生产。四要素贯穿于每个单一材料之中，也贯穿于材料教育的整个过程中。对材料基本四要素的认识和理解要有动态的观念，四个要素的说明和控制应放在更高、更深的层次，即从原子尺度来阐述和控制。材料的结构与成分着重于研究包括原子的类型及所观察尺度范围内原子的排列组合；材料的合成与加工则使原子（原子团）、分子可得到特定的排列组合；而由不同原子（原子团）、分子及其排列组合所得到的材料具有所需的使用性能；对材料性能的各种测试技术和微观层次上的表征技术构成了材料科学的重要组成部分。四要素是一个整体，内部有机联系是其核心与活力所在。

    我国的材料教育经历了四个发展阶段，材料科学与工程教育的形成和发展过程正遵循着从宽广到细分又从细分到综合的科学发展普遍规律，也体现了社会需求与材料科学与工程学科专业结构、人才素质之间的相互作用关系。

    新中国成立之前，受当时材料研究和生产水平的限制，我国高等学校材料教育主要是培养矿冶人才。这一时期材料学科教育的突出特点是不划分专业，教学内容包括采矿、选矿、冶金、材料等内容，是一种宽领域培养模式。

    新中国成立初期，由于工程人才极其缺乏，加之受计划经济体制制约和苏联高等教育人才培养模式的影响，专业人才的培养目标主要是为行业培养通晓某一专业技术的工程技术人才，培养毕业后能够立即到国营工业领域担任设计、施工、运行等事业性工作的工科人才。在此后20多年里，我国材料类专业划分很细，材料科学技术人才被分割在硅酸盐工程、水泥、玻璃、陶瓷、无机非金属材料、建筑材料、电子材料及元器件、钢铁冶金、有色冶金、粉末冶金、金属材料及热处理、高分子化工、塑料工程、橡胶工程、化学纤维、高分子材料、复合材料、材料物理、材料化学等20多个专业内培养，在当时计划经济体制下，从招生到分配均由国家统一计划安排，培养的学生多能在对口行业（或工种）工作并能较快适应岗位。

    改革开放以来，随着我国经济建设和科学研究的飞速发展，材料科学与工程学科的迅速发展和不断完善，几大类材料之间呈现出更多的内在联系和共性，各种新材料的大量涌现和广泛应用，各学科之间相互交叉和渗透，及国外先进的教育模式的影响，推动着我国材料科学技术及人才培养进入了新的发展时期。在以单一材料进行高等专业教育的基础上，出现了材料科学与工程专业。20世纪90年代，随着我国经济体制从计划经济向市场经济转轨，从拓宽专业口径出发，教育部将我国高等学校原20多个工科材料类本科专业整合为冶金工程、金属材料工程、无机非金属材料工程和高分子材料与工程等四个二级学科专业，并提出了综合性的材料科学与工程引导性专业，在理科方面则设置了材料物理和材料化学两个专业，进一步推动了我国材料科学与工程教育的改革与发展，为探索与形成有中国特色的材料高等教育培养模式开创了新的局面。1994年我国高等学校中设有材料类专业的学校为144所；2003年增至200余所，招生人数20300人，在校人数达73300人。其中，材料化学专业的招生人数及在校生人数分别为2230、5826，材料物理专业的招生人数及在校生人数分别为1420、4253。

2.主干学科的方法论介绍

    材料科学与工程的任务在于针对实际需要，使宏观微观紧密结合，在原子/分子的层次上将成分/组织的设计与合成加工综合起来，通过合成与加工过程的精确控制，有效地安排与控制原子/分子的特定排列组合，达到控制组织结构，控制形状进而达到所需的使用性能。

    总的来说，今天的材料科学与工程是一个完整的独立的学科，而不是多个学科简单的叠加；它是“材料”，而不仅仅是“金属”、“陶瓷”或“高分子”；它面向材料四要素，尤其是着重于它们之间的关系，而不是某一要素。

    材料科学与工程的研究领域与纯科学研究领域（如物理、化学、生物等）及与某些专业工程研究领域（如化工、机械、土建电子等）都会有重叠，而且应该鼓励与这些学科的合作和交叉研究。与纯科学的区别在于，我们倾向于把视野放在真实材料和与工业的相关性上，而且着重于四要素间的关系，最终归于“使用”上；与化工的区别在于组织-性能关系上的特色及跨越各类材料的广度；与机械工程的区别在于其着眼于材料的内部组织及成分—组织—性能间的关系。

    材料的研究要求材料科学家要对材料从合成到服役的全过程进行综合性的研究。除了化学家和物理学家所关心的问题以外，材料科学家还应该特别重视材料在制备过程中的重现性和材料品质的一致性等非常重要的实际问题。一个材料科学家应该既能和化学家一起深入地进行材料的合成与制备方面的研究，又能和物理学家一起进行材料的结构和性能关系的研究。一个好的材料科学家会被物理学家认为是化学家，被化学家认为是物理学家，被科学家认为是工程师，被工程师认为是科学家。

    因此，材料科学与工程学科综合性人才规格为：既有厚实的数学、物理、化学及材料学科基础知识，又有工程设计、计算机运用能力，有宽广的专业知识面，具有运用所学知识解决实际问题的能力，不断获取和理解新知识的能力，实验动手能力和创新能力。

    材料科学与工程学科的形成与发展有着内在的、深刻的原因。材料研究涉及到多种学科。以往，材料研究是分散在不同的学科中分别进行的，由于各学科本身的限制，以及从事研究的科学家和工程师本身的理论基础、经验和方法的限制，这些研究常常只侧重于某一类材料或材料某一方面的问题，缺少对材料进行多学科、多方面的综合性研究，以致对材料从制备到应用中的许多复杂问题，如材料制备过程中的一致性和重现性，材料在使用中的可靠性等非常重要的问题认识不深，重视不够，长期得不到妥善满意的解决，影响了许多新材料进入实际应用。材料科学与工程学科便是在这一背景下应运而生的。

    正是由于以上的背景，材料科学与工程自形成独立的学科以来，较为侧重于对新材料或先进材料进行多学科的综合性研究。现在，许多国家和地区的材料研究学会在年会上均选择二三十个材料科学发展前沿方面的专题进行交流，每年吸引了大批不同学科的专家聚集在一起，从多方面、多角度地对这些前沿课题发表意见，交换经验，大大促进了这些领域的研究工作。

3.本专业的相关学科及影响本专业教育的因素

    从研究基础及与专业应用领域相关联的角度出发，材料物理的相关学科包括化学、物理、机械、电子电工、计算机科学与技术以及生物和生命科学等学科。

    现代科学技术发展的特点是，一方面学科呈现出多科性，新兴学科不断涌现；另一方面，学科发展又呈现出高度综合的趋势，交叉学科和边缘学科层出不穷。学科交叉的形式可以多种多样，如材料科学与固体物理学、电子学、光学、声学、化学、数学与计算科学等许多基础学科有着不可分割的关系，这些学科的发展，以及现代分析测试技术的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质的了解；同时，冶金学、金属学、陶瓷学、高分子等科学的发展也对材料本身的研究大大加强，从而对材料的制备、结构与性能，以及它们之间的相互关系的研究愈来愈深入，为材料科学与工程的形成打下了坚实的基础。另外，材料科学与工程技术也有不可分割的关系。材料科学是研究材料的组织结构与性能之间的关系，从而发展新材料并合理有效地使用材料。但材料要能商品化，需要经过一定经济合理的工艺流程才能制成，这就是材料工程。反之，工程要发展，也要研制出新的材料才能实现。因此，材料科学与工程专业和工程技术是相辅相成的。

    材料科学与工程学科是由过去形成的一些独立学科如冶金、陶瓷、高分子、复合材料等聚合而成，它和物理、化学等一些学科有着非常密切的关系，在许多情况下几乎难以区分，所以材料学科是多学科性的。20世纪后期，由于材料的应用越来越广泛，并渗透到各行业，许多领域都与材料的制备、性质、应用等密切相关，使得材料成为机械、电子、化工、建筑、能源、生物、冶金、交通运输、信息科技等行业的基础，并与这些相关学科交叉发展。所以，材料学科与其他学科的交叉是一个必然趋势，也是材料学科发展的一个重要特征。

二、本专业培养目标和规格

1.本专业培养目标

    本专业培养具有正确政治思想、良好的道德品质、健康的体魄、健全的心理素质，较系统地掌握材料科学的基本理论与技术，具备材料物理相关的基本知识和基本技能，能在材料科学与工程及其相关领域从事研究、教学、科技开发及相关管理工作的材料物理高级专门人才。

2．本专业人才培养规格

    按研究型规格培养四年制理学学士或工学学士。对于实行弹性学制的学校，学制可以是3至8年。

（1）素质结构要求

    思想道德素质：包括政治素质、思想素质、道德品质、法制意识、诚信意识、团体意识；

    文化素质：包括文化素养、文学艺术修养、现代意识、人际交往意识；

    专业素质：本专业学生主要学习材料科学方面的基本理论、基本知识和基本技能，受到科学思维与科学实验方面的基本训练，具有运用物理学和材料物理的基础理论、基本知识和实验技能进行材料研究和技术开发的基本能力。毕业生应获得以下几方面的知识和能力：

    a.掌握数学、物理、化学等方面的基本理论和基本知识；

    b.掌握材料制备（或合成）、材料加工、材料结构与性能测定及材料应用等方面的基础知识、基本原理和基本实验技能；

    c.了解相近专业的一般原理和知识；

    d.熟悉国家关于材料科学与工程研究、科技开发及相关产业的政策、国内外知识产权等方面的法律法规；

    e.了解材料物理的理论前沿、应用前景和最新发展动态，以及材料科学与工程产业的发展状况；

    f.掌握中外文资料查询、文献检索以及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；具有一定的实验设计，创造实验条件，归纳、整理、分析实验结果，撰写论文，参与学术交流的能力。

（2）能力结构要求

    获取知识的能力：包括自学能力、表达能力、社交能力、计算机及信息技术应用能力；

    应用知识能力：包括综合应用知识解决问题能力、综合实验能力、工程实践能力、工程综合能力；

    创新能力：包括创造性思维能力、创新实验能力、科技开发能力、科技研究能力。

（3）知识结构要求

    工具性知识包括：外语、计算机及信息技术应用等方面的知识；

    人文社会科学知识包括：哲学、思想道德、政治学、法学、心理学等方面的知识；

    自然科学知识包括：数学、物理学、化学等方面的知识；

    工程技术知识包括：工程制图、工程设计基础、电工电子学等方面的知识；

    经济管理知识包括：经济学、管理学等方面的知识；

    专业知识包括：材料的组成与结构、材料的测试与表征、材料的制备与合成、材料的性能与应用的基本理论、基本方法和基本实验技能。

三、本专业教育内容和知识体系

1．本专业人才培养的教育内容及知识结构的总体框架

（1）本专业人才培养的教育内容及知识结构设计的理论依据

    根据高等院校理工科本科专业人才培养模式，专业人才的培养要体现知识、能力、素质协调发展的原则。要设计适当的知识体系为载体来进行能力培养和素质教育，要强化知识结构的设计与建设，使每一个知识模块构成一个适当的训练系统。

（2）本专业人才培养的教育内容及知识结构的总体框架

    按照顶层设计的方法，理工科本科专业教育内容和知识体系由普通教育（通识教育）内容、专业教育内容和综合教育内容三大部分及15个知识体系构成：

    普通教育内容包括：①人文社会科学，②自然科学，③经济管理，④外语，⑤计算机信息技术，⑥体育，⑦实践训练等知识体系；

    专业教育内容包括：①相关学科基础，②本学科专业，③专业实践训练等知识体系；

    综合教育内容包括：①思想教育，②学术与科技活动，③文艺活动，④体育活动，⑤自选活动等知识体系。

2．构建知识体系

    知识体系由知识领域、知识单元和知识点三个层次组成。一个知识领域可以分解成若干个知识单元，一个知识单元又包括若干个知识点。知识单元又分为核心知识单元和选修知识单元。核心知识单元提供的是知识体系的最小集合，是该专业在本科教学中必要的最基本的知识单元；选修知识单元是指不在核心知识单元内的那些知识单元。核心知识单元的选择是最基本的共性的教学规范，选修知识单元的选择体现各校的不同特色。材料科学与工程四大要素的内容分散在以材料为载体的个各知识点中。

（1）专业知识体系一览

    相关学科基础：化学、 物理、电工与电子、力学；

    本学科专业：材料科学、材料工程、材料表征与测试、材料制备与成型加工；

    专业实践训练等知识体系：专业实验、专业实习、课程设计、毕业论文（毕业设计）。

（2）知识体系的知识领域

    化学：无机化学、有机化学、分析化学、物理化学（含结构化学）；

    物理学：力学、热学、电磁学、光学；

    机械：工程图学、机械设计基础；

    电工与电子：电工学、电子学；

    力学：理论力学、材料力学；

    材料科学：材料科学基础、固体物理、材料概论、材料性能学；

    材料工程：三传基础、材料制备与成型加工、材料表征与测试。

（3）本专业各知识领域包含的核心知识单元及应选修的知识单元

Ⅰ.量子与统计物理

1.量子力学的起源——薛定谔波动方程

（1） 量子力学的起源和粒子的波动二象性

（2） 一维薛定谔波动方程

（3） 一维无限深势井和方势井及其半导体超晶格

（4） 线性谐振子和原子振动

（5） 量子隧道效应

2.量子力学的基本概念

（1） 基本量子力学量的算符

（2） 哈密顿算符和测量的关系

（3） 测不准原理

（4） 量子态和力学量的表象

（5） 离散体系中量子力学的矩阵表达

3.三维量子力学运动方程和氢原子结构

（1） 角动量算符和本征函数

（2） 电子自旋及其描述

（3） 氢原子结构

（4） 全同粒子体系和多电子原子结构

4.微扰论和量子跃迁

（1） 定态微扰论

（2） 外加电、磁场下的原子结构

（3） 跃迁概率的微扰论公式

（4） 共振跃迁和选择定律

5.近独立粒子系的最可几分布

（1） 经典力学中运动状态的描述

（2） 量子力学中运动状态的描述

（3） 系统微观状态的描述

（4） 等几率原理

（5） 分布和微观状态

（6） 玻耳兹曼分布、玻色分布和费米分布

（7） 三种分布的关系

6.玻耳兹曼统计

（1） 热力学量的统计表达式

（2） 理想气体的物态方程

（3） 能量均分定理

（4） 理想气体的内能和热容量

（5） 理想气体的熵

（6） 负温度状态、顺磁性固体等

7.玻色和费米统计

（1） 玻色、费米分布的热力学公式

（2） 弱简并玻色气体和费米气体

（3） 光子气体、玻色-爱因斯坦凝聚

（4） 金属中的自由电子气体

（5） 声子气体

（6） 简并理想费米气体简例：热电子发射

8.系综理论

（1） 系综理论的基本概念

（2） 微正则系综及其热力学公式（举例：单原子理想气体）

（3） 正则系综和及其热力学公式（举例：实际气体物态方程、固体的热容量等）

（4） 巨正则系综及其热力学公式（举例：吸附现象）

（5） 三种系综理论的应用比较

Ⅱ.固体物理

1.固体结构

（1） 晶体的键合（离子键、共价键、金属键和范德瓦尔斯键）

（2） 晶格结构测定与衍射

（3） 倒易点阵与布里渊区

（4） 非晶体和准晶体的结构

（5） 软物质：液晶和凝胶的结构

2.晶体振动和固体热性质
（1） 晶格动力学（晶格振动与声子的色散关系、声子能谱的测定）

（2） 固体热性质（固体比热容的爱因斯坦模型、德拜模型）

3.固体电子理论

（1） 自由电子费米气体

（2） 能带理论和能带计算

（3） 金属中的费米面

4.固体的电性质：输运过程

（1） 能带电子的输运过程、导体

（2） 半导体的能带结构

（3） 超导体

5.固体的磁性

（1） 固体磁性的量子机制

（2） 抗磁性与顺磁性

（3） 铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性

（4） 磁畴和铁磁材料

6.固体的介电性质和光学性质

（1） 介电体：电极化过程

（2） 压电体和铁电体

（3） 固体的光学性质

Ⅲ.材料物理

1.材料的电子理论与能带理论

（1） 原子间的结合与电子（离子键、共价键、范德华键、金属键）

（2） 自由电子近似

（3） 近自由电子近似

（4） 布里渊区理论

2.现代电子理论

（5） 电子密度泛函的基本思想

（6） 托马斯－费米理论

（7） 原子的作用力（海尔曼－费曼定理、微扰理论）

（8） 科思－萨姆泛函（局域密度近似、交换－关联空穴）

（9） 理论方法和应用（平面波法和庸势、格林函数法、球形原胞法）

3.材料的传导性和磁性

（10） 导电性（自由电子近似下的导电性、导电性与温度的关系、霍尔效应）

（11） 超导性（超导现象、超导理论、高温超导性）

（12） 热传导与热电效应（热传导、热电效应）

（13） 磁性

（14） 原子的磁性（磁性的产生、洪德规则和晶体场、核的磁性和穆斯堡尔效应）

（15） 原子间的磁相互作用（交换关联作用、磁体的分子场理论、金属的区域磁性）

（16） 宏观磁性和磁性材料（磁化曲线、磁性的各向异性、磁畴、磁化过程和矫顽力、软磁材料、硬磁材料、其他磁性功能材料）