无机非金属材料工程《材料科学基础》课程教学大纲

《材料科学基础》课程教学大纲一、课程基本情况课程代码：1011134223001 课程名称（中/英文）：材料科学基础/FundamentalsofMaterialsScience课程类别：专业必修课学分：4.5总学时：72理论学时：60实验/实践学时：12适用专业：无机非金属材料工程适用对象：本科先修课程：高等数学、大学物理、工程化学、物理化学教学环境：线下或混合式教学开课学院：材料科学与工程学院二、课程简介1.课程任务与目的《材料科学基础》是从无机材料领域内各种材料制品的工艺技术实践中总结出来的共性规律而形成的一门课程，是材料科学的重要基础理论课程，是无机非金属材料工程专业的核心课程。本课程把基础科学理论，特别是物理化学、结晶化学中的基本理论，具体应用到无机材料的制备工艺和性能研究中，用理论来阐明无机材料形成过程的本质，阐述如何应用基础理论在分析解决实际生产问题，为生产、研究和开发新材料提供理论依据。在本课程绪论环节，导入了自改革开放以来中国在建筑材料领域的研究及生产成果，激发学生道路自信，提高学生投入建材行业一线建功立业的热情。在整个课程教学过程中，注重学生专业能力培养与人格养成，注重培养学生分析、解决实际问题能力，树立理论联系实际科学观，激励学生勇迎挑战、勇于创新、勇担责任。2.对接培养的岗位能力通过本课程的学习，使学生掌握无机材料结构特点、了解组成、结构、制备及性能之间的关系；了解无机材料组成、结构、制备及性能之间的关系；掌握分析相图的基本方法和规律；了解无机材料专业相图以及在生产中的应用；掌握无机材料生产制备过程中物理化学变化过程的速度、机理以及影响因素。使学生能用理论来阐明无机材料形成过程的本质，掌握应用理论来解决生产实际问题的方法，为今后从事无机材料生产和新材料研究、开发提供坚实的理论基础。通过本课程实验，使学生加深对理论教学内容的理解，掌握无机材料性能测定的基本原理和基本方法，着重培养学生分析、解决实际问题和独立思考的能力，并使学生科学研究能力得到一定的训练。三、课程教学目标1.课程对毕业要求的支撑[毕业要求指标点1.4]能够利用系统思维的能力，将工程知识用于无机非金属材料领域工程问题解决方案的比较与综合，并体现本专业领域先进的技术。[毕业要求指标点2.3]能认识到解决无机非金属材料领域复杂工程问题有多种方案可选择，会通过文献研究寻求可替代的解决方案。[毕业要求指标点4.1]能够基于自然科学、无机非金属材料科学与工程的原理，通过文献研究或相关方法，调研和分析复杂工程问题的解决方案。[毕业要求指标点4.2]能够根据对象特征，选择研究路线，设计实验方案。2.课程教学目标对应毕业要求指标点，具体内容如下：教学目标1：能够解释晶体结构与缺陷、非晶体结构、相平衡、扩散等相关的基本概念、和主要特征。能够利用系统思维能力，从材料的晶体结构、相平衡、固体表面与界面、相变、扩散、固相反应和烧结等基本理论角度进行分析，将工程知识用于无机非金属材料领域工程问题解决方案的比较与综合。支撑毕业要求指标点1.4。教学目标2：能够掌握晶体结构与缺陷、非晶体结构、固体表面与界面、扩散、相变、固相反应、烧结等基本原理，对材料的组成、结构，物相、性能以及相互关系进行识别表达和分析，认识到解决无机非金属材料领域复杂工程问题有多种方案可选择，会通过文献研究寻求可替代的解决方案，并获得有效结论。支撑毕业要求指标点2.3。教学目标3：能够基于无机非金属材料科学与工程的原理，通过相关方法，调研和分析复杂工程问题的解决方案。支撑毕业要求指标点4.1。教学目标4：能够利用材料科学基础的基本知识及原理，结合无机非金属材料新工艺、新技术的研发现状，根据对象特征，选择研究路线，设计实验方案。支撑毕业要求指标点4.2。四、教学课时安排（一）学时分配主题或知识点教学内容总学时学时完成课程教学目标讲课实验实践主题1无机材料概论22001、2主题2晶体结构1412201、2、3、4主题3晶体结构缺陷66001、2、3、4主题4非晶态结构与性质66001、2、3、4主题5固体表面与界面66001、2、3、4主题6相平衡和相图1711601、2、3、4主题7固体中的扩散55001、2、3、4主题8固相反应84401、2、3、4主题9相变过程44001、2、3、4主题10烧结过程44001、2、3、4合计726012（二）实验教学安排序号实验/实践项目名称实验/实践学时实验/实践类型实验/实践要求每组人数备注1晶体结构原子模型的堆垛与分析2综合性必做22差热分析2综合性必做23热重分析4综合性必做24淬冷法研究相平衡4综合性必做2五、教学内容及教学设计主题1无机材料概论1.教学内容在概论中导入了自改革开放以来我国建筑材料领域的研究及生产成果，激发学生道路自信，提高学生投入建材行业一线建功立业的热情。无机材料的分类，无机材料的特点，无机材料组成、结构、性能、工艺及其与环境的关系，无机材料的选用原则，无机材料的地位与作用，无机材料的研究与发展。2.教学重点无机材料的分类，无机材料组成、结构、性能、工艺及其与环境的关系。3.教学难点无机材料组成、结构、性能、工艺及其与环境的关系。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）课堂讲授与线上自学相结合，在课堂讲授过程中引入中国传统建材在世界领先的地位，增加学生爱国主义情感。主题2晶体结构1.教学内容结晶学基础，晶体化学基本原理，非金属单质晶体结构，无机化合物晶体结构，硅酸盐晶体结构。如通过讲解金刚石、石墨等在现实中的应用，帮助学生树立理论联系实际科学观。2.教学重点结晶学指数，晶体中质点的堆积，氯化钠型结构，闪锌矿型结构，萤石型（反萤石型）结构，钙钛矿型结构，鲍林规则，硅酸盐晶体结构。3.教学难点结晶学指数，晶体中质点的堆积，氯化钠型结构，闪锌矿型结构，萤石型（反萤石型）结构，钙钛矿型结构，鲍林规则，硅酸盐晶体结构。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）课堂讲授与线上自学相结合，采用分组讨论、启发式教学方法，在知识讲授的过程中，用晶体化学基本原理引出法律法规，增强学生的规矩意识。主题3晶体结构缺陷1.教学内容晶体结构缺陷类型，点缺陷，固溶体，非化学计量化合物，刃型位错和螺型位错。通过讲解晶体结构缺陷，让学生学会用一分为二的方法去分析事情，用辩证的观点去看待问题。2.教学重点热缺陷的基本类型，热缺陷形成反应式的写法，热缺陷平衡浓度的计算，固溶体形成反应式及化学式的写法，固溶体研究方法，非化学计量化合物形成反应式的写法，缺陷浓度与氧分压的关系，刃型位错和螺型位错。3.教学难点热缺陷形成反应式的写法，热缺陷平衡浓度的计算，固溶体形成反应式及化学式的写法，固溶体研究方法，非化学计量化合物形成反应式的写法，缺陷浓度与氧分压的关系，刃型位错和螺型位错。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）课堂讲授与线上自学相结合，采用问题讨论式、启发式教学方法，在知识讲授的过程中，由缺陷形成的意义，引出“缺陷产生美，金无足赤，人无完人”，团队协作要包容他人的缺点。主题4非晶态结构与性质1.教学内容熔体结构，熔体性质，玻璃的四个通性，玻璃形成的动力学条件和形成玻璃的结晶化学条件，玻璃结构的主要学说：晶子假说和无规则网络假说，硅酸盐玻璃和硼酸盐玻璃结构与性质，玻璃的结构参数。在课程教学过程中穿插入浮法玻璃成型，介绍浮法玻璃生产工业取得辉煌成就及所走过的艰苦决绝的钻研奋斗历程，引导学生潜心专业知识，专注科研创新。2.教学重点硅酸盐熔体的聚合物理论，黏度的定义，硅酸盐熔体的黏度与温度的一般关系，化学组成对硅酸盐熔体黏度的影响，晶子学说，无规则网络学说，氧硅比对玻璃结构的影响，玻璃结构参数及相应计算，玻璃形成的热力学条件，动力学条件，结晶化学条件，玻璃的转变温度与冷却速率的关系。3.教学难点硅酸盐熔体的聚合物理论，玻璃结构参数及相应计算，玻璃形成的热力学条件，动力学条件，玻璃的转变温度与冷却速率的关系。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）课堂讲授与线上自学相结合，采用问题讨论式、启发式教学方法，在知识讲授的过程中，引出外加剂的重要性，引导学生要能听取不同的声音，包容他人。主题5固体表面与界面1.教学内容固体表面力场与表面能，离子晶体在表面力场作用下，离子的极化与重排过程，弯曲表面效应，湿润与粘附，表面的改性，多晶材料中的晶界分类，多晶体的组织，晶界应力，粘土胶粒带电与水化等一系列由表面效应而引起的胶体化学性质如泥浆的流动性和触变性，泥团的可塑性等。在课程教学过程中通过举例如自行车补胎等，加深学生对粗糙度、吸附膜基础理论了解，培养学生分析、解决实际问题能力，树立理论联系实际科学观。2.教学重点固体表面力场，离子晶体表面双电层的形成，润湿的度量，润湿的类型，表面粗糙度对润湿的影响，弯曲表面效应，粘土的离子吸附与交换，泥浆的流动性和触变性，泥团的可塑性等。3.教学难点离子晶体表面双电层的形成，表面粗糙度对润湿的影响，粘土的离子吸附与交换，泥浆的流动性和触变性，泥团的可塑性等。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）课堂讲授与线上自学相结合，采用问题讨论式、启发式教学方法，由黏土-水系统的触变性知识，阐述红军长征过草地时陷入沼泽的原因，与学生共同缅怀革命烈士。主题6相平衡和相图1.教学内容硅酸盐系统相图的基本特点，单元系统相图，二元系统相图，三元系统相图。在课程教学过程中穿插入玻璃烤窑制度，水泥烧成工艺等，加深学生对基础理论应用于解决实际问题的了解，树立理论联系实际科学观，激发学生对专业学习的兴趣，投身祖国建设的理想。2.教学重点二元、三元系统相图分析。3.教学难点二元、三元系统专业相图分析。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）课堂讲授与线上自学相结合，采用问题讨论式、启发式教学方法，在专业相图讲授的过程中，引导学生合理的选择无机非金属材料生产过程中的配料及热工制度，让学生在材料生产工艺中考虑到社会、安全、法律与环境因素。主题7固体中的扩散1.教学内容扩散现象的宏观规律——菲克第一定律、菲克第二定律，描述扩散物质的浓度分布与距离、时间的关系，扩散微观机制，即扩散过程中原子迁移的方式，扩散系数，影响扩散系数的因素。在课程教学过程中如举例气球放置缩小等，加深学生对扩散基础理论的了解，树立理论联系实际科学观，激发学生对专业学习的兴趣。2.教学重点菲克第一定律、菲克第二定律及其应用；扩散的微观机构，扩散系数。3.教学难点菲克第一定律、菲克第二定律的应用；扩散的微观机构，扩散系数。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）课堂讲授与线上自学相结合，采用启发式、诱导式教学方法，在知识讲授的过程中，用扩散产生的原因，激发学生创新活力。主题8固相反应1.教学内容固相反应的分类与特征，固相反应动力学，影响固相反应得因素。在课程教学过程中通过举例如水泥烧成过程中发生的固相反应，加深学生对基础理论应用于实际问题的了解，激发学生对专业学习的兴趣，投身祖国建设的理想。2.教学重点固相反应特征，固相反应一般动力学关系，化学动力学范围，扩散动力学范围。3.教学难点固相反应一般动力学关系，化学动力学范围，扩散动力学范围。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）课堂讲授与线上自学相结合，采用启发式、诱导式教学方法，在知识讲授的过程中，用固相反应历程，阐述人与人交流的重要性，从而激发学生的交流欲望。主题9相变过程1.教学内容相变的分类，液-固相变过程热力学，液-固相变过程动力学。在课程教学过程中列举生活中的相变过程，开拓学生视野，提升学生对课程学习兴趣。2.教学重点相变的热力学分类方法，相变过程的温度、压力和浓度条件，晶核形成条件，晶核形成过程动力学，晶核生长过程动力学。3.教学难点晶核形成条件，晶核形成过程动力学，晶核生长过程动力学。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）课堂讲授与线上自学相结合，采用启发式、诱导式教学方法，在知识讲授的过程中，用晶核形成的知识来阐述外加剂的重要性，引导学生要能听取不同的声音，包容他人。主题10烧结过程1.教学内容烧结定义，推动力和基本模型，在纯固态和有液相参与的烧结过程中，四种基本的传质产生的原因、条件、特点和动力学方程，烧结过程中晶粒生长，二次再结晶的控制，影响烧结的因素。在课程教学过程中如举例耐火材料、陶瓷等的烧结，加深学生对基础理论的了解，树立理论联系实际科学观，提升学生对课程学习兴趣和严谨认真的科学态度。2.教学重点烧结过程的推动力和各种传质过程特点；各种传质产生的原因、条件和动力学方程。3.教学难点烧结过程各种传质过程特点；各种传质产生的原因、条件和动力学方程。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）课堂讲授与线上自学相结合，采用启发式、诱导式教学方法，在知识讲授的过程中，用高温下烧结过程来引导学生进一步理解千锤百炼、淬火成金的成长历程。六、学生成绩评定1.课程考核方式及比例本课程考核学生获取知识的能力、应用所学知识分析问题和解决问题能力、实践动手能力和创新能力等；考核方式采用作业评测、课堂表现、平时阶段测验等多种形式、多个阶段等全过程的考核，使学生成绩评定更加合理多样，优化课程评价体系，进一步提升本课程教学效果。学生成绩评定表考核方式平时成绩期中考试期末考试出勤作业课堂表现阶段测验答辩项目小论文其他√√√实验成绩比例%10101015552.课程目标考核方式评价权重本课程教学目标与考核方式评价权重如下表所示：课程教学目标与考核方式评价权重表课程教学目标支撑毕业要求指标点考核评价方式权重（%）课堂表现作业阶段测验实验期末考试合计教学目标1指标点1.4444020~2532~37教学目标2指标点2.3244015~2025~30教学目标3指标点4.1222010~1516~21教学目标4指标点4.220015017合计10101015551003.课程成绩评价标准平时成绩评定及考核标准考核环节考核结果及标准评估项目及权重优秀(90~100分)良好(80~90分)中等(70~80分)及格(60~70分)不及格(＜60分)课堂表现（10分）无迟到、早退、旷课现象；积极参加课堂讨论，并有自己独到的见解；能够准确回答所有问题。无迟到、早退现象；较为积极参加课堂讨论，并提出自己的见解；能够正确回答问题。偶有迟到、早退现象；能够主动参加课堂讨论；主要问题回答正确。有迟到、早退、偶尔有旷课现象；参与课堂讨论；基本能够回答相关问题。迟到、早退、旷课较多；不能有效参加课堂讨论；回答不出主要问题。作业（10分）能够独立完成作业，能够灵活运用所学知识和理论解决问题，并获得正确结论，作业完成质量优秀能够独立完成作业，能够运用所学知识和理论解决问题，并获得正确结论，作业完成质量较高。能够独立完成作业，能够运用所学知识和理论解决问题，并获得有效结论，完成质量符合要求。基本能够独立完成作业，部分题目解答不准确，运用所学知识和理论解决问题的能力基本符合要求。不能独立完成作业，作业提交不及时，准确率较低，运用所学知识和理论解决问题的能力不足。阶段测验（10分）完成所有阶段测验，准确率高。完成所有阶段测验，准确率较高。完成所有阶段测验，准确率中等。基本完成阶段测验，准确率较低。基本完成阶段测试，准确率低。课程教学目标评价标准教学目标优（90-100）良（80-89）中（70-79）及格（60-69）不及格（0-59）教学目标1能够解释晶体结构与缺陷、非晶体结构、相平衡、扩散等相关的基本概念、和主要特征。能够利用系统思维的能力，从材料的晶体结构、相平衡、固体表面与界面、相变、扩散、固相反应和烧结等基本理论角度进行分析，将工程知识用于无机非金属材料领域工程问题解决方案的比较与综合。能够准确掌握晶体结构与缺陷、非晶体结构、相平衡、扩散等相关的基本概念、和主要特征。能够利用系统思维的能力，从材料的晶体结构、相平衡、固体表面与界面、相变、扩散、固相反应和烧结等基本理论角度进行分析，将工程知识用于无机非金属材料领域工程问题解决方案的比较与综合。能够掌握晶体结构与缺陷、非晶体结构、相平衡、扩散等相关的基本概念、和主要特征。能够利用系统思维的能力，从材料的晶体结构、相平衡、固体表面与界面、相变、扩散、固相反应和烧结等基本理论角度进行分析，将工程知识用于无机非金属材料领域工程问题解决方案的比较与综合。基本掌握晶体结构与缺陷、非晶体结构、相平衡、扩散等相关的基本概念、和主要特征。能够利用系统思维的能力，从材料的晶体结构、相平衡、固体表面与界面、相变、扩散、固相反应和烧结等基本理论角度进行分析，基本能将工程知识用于无机非金属材料领域工程问题解决方案的比较与综合。不能掌握晶体结构与缺陷、非晶体结构、相平衡、扩散等相关的基本概念、和主要特征。能够利用系统思维的能力，从材料的晶体结构、相平衡、固体表面与界面、相变、扩散、固相反应和烧结等基本理论角度进行分析，不能将工程知识用于无机非金属材料领域工程问题解决方案的比较与综合。教学目标2能够系统掌握晶体结构与缺陷、非晶体结构、固体表面与界面、扩散、相变、固相反应、烧结等基本原理，对材料的组成、结构，物相、性能以及相互关系进行识别表达和分析，认识到解决无机非金属材料领域复杂工程问题有多种方案可选择，会通过文献研究寻求可替代的解决方案，并获得有效结论。能够准确掌握晶体结构与缺陷、非晶体结构、固体表面与界面、扩散、相变、固相反应、烧结等基本原理，对材料的组成、结构，物相、性能以及相互关系进行识别表达和分析，认识到解决无机非金属材料领域复杂工程问题有多种方案可选择，会通过文献研究寻求可替代的解决方案，并获得有效结论。能够掌握晶体结构与缺陷、非晶体结构、固体表面与界面、扩散、相变、固相反应、烧结等基本原理，对材料的组成、结构，物相、性能以及相互关系进行识别表达和分析，认识到解决无机非金属材料领域复杂工程问题有多种方案可选择，会通过文献研究寻求可替代的解决方案，并获得有效结论。基本掌握晶体结构与缺陷、非晶体结构、固体表面与界面、扩散、相变、固相反应、烧结等基本原理，对材料的组成、结构，物相、性能以及相互关系进行识别表达和分析，了解解决无机非金属材料领域复杂工程问题有多种方案可选择。不能掌握晶体结构与缺陷、非晶体结构、固体表面与界面、扩散、相变、固相反应、烧结等基本原理，对材料的组成、结构，物相、性能以及相互关系进行识别表达和分析，不能认识到解决无机非金属材料领域复杂工程问题的方案。教学目标3能够熟练的基于无机非金属材料科学与工程的原理，通过