《材料科学与工程基础》课程教学大纲

《材料科学与工程基础》课程教学大纲一、课程基本情况课程代码：101134223201课程名称（中/英文）：材料科学与工程基础/FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering课程类别：专业核心课程学分：4总学时：64理论学时：56实验/实践学时：8适用专业：材料物理适用对象：本科先修课程：物理化学、晶体学基础、高等数学、大学物理教学环境：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《材料科学与工程基础》课程是材料物理专业的重要专业基础必修课程，考试课。本课程主要通过介绍材料科学中的共性规律，即材料的组成-形成（工艺）条件-结构-性能-材料用途之间相互关系及制约规律，让学生掌握材料的基础理论知识和基本的实验技能，培养学生分析问题和解决问题的基本思维能力，并为后续学习各种材料合成、生产工艺课程打下必需的理论基础。在本课程各章绪论环节，导入了自改革开放以来中国在材料领域的研究及生产成果，激发学生道路自信与爱国热忱，提高学生服务祖国、投入建材一线建功立业的热情。2.对接培养的岗位能力：通过对课程的学习，学生具有扎实的材料学相关理论的基础，对于光伏行业，无机非金属行业的常见产品的生产原理有一定的理解，为学生的求学、就业选择和工作中进行技术创新提供支持。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1.2]能够针对工程领域的系统或过程，选择或建立相应的数学、物理模型，用于进行太阳能光伏和锂离子电池等新能源材料领域复杂工程问题的分析与评价，并利用计算机求解。[毕业要求指标点2.2]能够基于材料物理相关知识和原理，采用文字、图表、模型等方式表达太阳能光伏和锂离子电池等新能源材料领域复杂工程问题。[毕业要求指标点3.1]掌握太阳能光伏和锂离子电池等新能源材料制备、加工及应用系统的设计/开发方法和技术，了解影响设计目标和技术方案的各种因素。[毕业要求指标点4.2]能够基于新材料、新工艺、新技术和新设备的研发现状，针对新能源材料制备复杂工程问题的特定性能需求，利用材料物理的基本原理，选择合理技术路线，设计可行试验方案。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：掌握材料科学的一些基本原理，把这些原理应用在模型建立上，并利用计算机求出合理的解，去解决太阳能光伏和锂离子电池等新能源材料领域复杂工程问题的分析与评价等问题。（支撑毕业要求指标点1.2）教学目标2：使学生掌握晶体学的基本原理，为后续其它课程的学习奠定基础；能够对所学知识加以运用，以文字、图表、模型等方式表达太阳能光伏和锂离子电池等新能源材料领域复杂工程问题。（支撑毕业要求指标点2.2）教学目标3：使学生了材料组成、微观结构、制备方法与材料性能之间的相互关系，掌握新能源材料制备、加工及应用系统的设计/开发方法和技术，了解影响设计目标和技术方案的各种因素。（支撑毕业要求指标点3.1）。教学目标4：培养学生利用所学理论知识解析太阳能光伏和锂离子电池相关行业前沿研究成果的能力，并把结果运用于实际生产，优化已有技术方案，设计更可行的试验方案。（支撑毕业要求指标点4.2）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或知识点1材料引言22001,2主题或知识点2晶体结构44001,2,3,4主题或知识点3晶体结构缺陷88001,2,3,4主题或知识点4非晶态结构与性质44001,2,3,4主题或知识点5表面结构与性质44001,2,3,4主题或知识点6相平衡与相图1212001,2,3,4主题或知识点7基本动力学过程-扩散44001,2,3,4主题或知识点8材料中的相变44001,2,3,4主题或知识点9材料制备中的固态反应44001,2,3,4主题或知识点10烧结66001,2,3,4实验一淬冷法研究相平衡40401,2,3,4实验二热重分析40401,2,3,4合计645680（二）实践教学安排（指含有实验或实践内容的课程）序号实验/实践项目名称实验/实践学时实验/实类型实验/实要求每组人数备注1淬冷法研究相平衡4综合性必做22热重分析4综合性必做2五、教学内容及教学设计主题1材料引言1.教学内容：宏观的向学生介绍一些与课程相关的知识及其应用，材料科学在国民生产中的重要地位与作用。介绍材料科学在国民生产中不可取代的地位及其在现代工业体系中的应用，材料科学的发展历史和和我国对此的贡献，激发学生的民族自豪感和专业学习的兴趣，投身祖国建设的理想。2.教学重点：材料的分类和特点。3.教学难点：功能材料的物理学原理。4.教学方案设计：采用板书结合PPT的教学方法，增加图片与视频内容，强调与学生的互动，调动学生的学习积极性。主题2晶体结构1.教学内容：理解球体密堆积原理、配位数与配位多面体概念，掌握NaCl、CsCl、立方ZnS、CaF、钙钛矿等晶体结构，鲍林规则和硅酸盐结构。介绍材料制备技术，特别是先进材料对国家发展的重大意义，阐明我国在芯片制造领域面临的挑战，激发学生的自发图强，不断拼搏的精神。2.教学重点：球体密堆积原理，典型晶体结构。3.教学难点：晶体结构的计算，鲍林规则的应用和硅酸盐晶体结构的判断。4.教学方案设计：采用板书结合PPT的教学方法，增加图片与视频内容，强调与学生的互动，调动学生的学习积极性。主题3晶体结构缺陷1.教学内容：晶体结构缺陷的概念、类型，缺陷反应方程式，固溶体的概念和分类，非计量化合物的概念的和类型。先进材料的制造水平是衡量一个国家综合实力的重要内容，与国外发达国家相比，我们还有很长的路要走，鼓励学生不断进取，拼搏奋进。2.教学重点：缺陷反应方程式，固溶体的分类与特点。3.教学难点：非化学计量缺陷的缺陷反应方程式，计算确定固溶体的结构类型。4.教学方案设计：采用板书结合PPT的教学方法，增加图片与视频内容，强调与学生的互动，调动学生的学习积极性。主题4非晶态结构与性质1.教学内容：熔体的结构、性质，玻璃的形成、结构、常见玻璃的类型。介绍我国科学家在此方面的贡献，树立学生的民族自信心。2.教学重点：Si—O键的共价模型；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，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。3.教学难点：黏度的影响因素，玻璃结构参数的计算与应用。4.教学方案设计：采用板书结合PPT的教学方法，增加图片与视频内容，强调与学生的互动，调动学生的学习积极性。主题5表面结构与性质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。介绍我国在此领域所取得的成就，鼓励同学们建立自信，继续赶超，为国争光。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，表面粗糙度和吸附膜对润湿的影响，弯曲表面效应。3.教学难点：离子晶体表面双电层的形成，杨氏方程的应用。4.教学方案设计：采用板书结合PPT的教学方法，增加图片与视频内容，强调与学生的互动，调动学生的学习积极性。主题6相平衡与相图1.教学内容：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，相图在工业生产中的作用。介绍我国的水泥生产技术在国际中领先的地位，树立学生的民族自信心。2.教学重点：三元系统相图的分析，专业相图的分析。3.教学难点：三元系统相图上冷却析晶过程的分析，析晶过程中含量的计算。4.教学方案设计：采用板书结合PPT的教学方法，增加图片与视频内容，强调与学生的互动，调动学生的学习积极性。主题7基本动力学过程-扩散1.教学内容：扩散现象的宏观规律——菲克第一、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。介绍我国科学家在此方面的贡献，树立学生的民族自豪感。2.教学重点：扩散的分类，菲克第一定律，菲克第二定律，扩散的微观机制，扩散系数。3.教学难点：菲克第一定律求解稳态扩散问题和用菲克第二定律求解非稳态扩散问题。4.教学方案设计：采用板书结合PPT的教学方法，增加图片与视频内容，强调与学生的互动，调动学生的学习积极性。主题8材料中的相变1.教学内容：相变的分类，相变的热力学分类方法，相变过程的温度、压力和浓度条件，液-固相变过程热力学，液-固相变过程动力学，相变过程的影响因素。设计一些学生参与的环节，培养他们的自学能力、数据处理能力和表达能力，提高学生综合素养，为将来能够更好的回报祖国奠定基础。2.教学重点：相变过程推动力，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：晶核形成与晶核生长过程动力学。4.教学方案设计：采用板书结合PPT的教学方法，增加图片与视频内容，强调与学生的互动，调动学生的学习积极性。主题9材料制备中的固态反应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。介绍我国在此领域取得的成果，树立学生的民族自信心。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。化学动力学范围动力学方程，扩散动力学范围动力学方程。3.教学难点：杨氏方程与金斯特林格方程的假设条件、适用条件和局限性。4.教学方案设计：采用板书结合PPT的教学方法，增加图片与视频内容，强调与学生的互动，调动学生的学习积极性。主题10烧结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。介绍烧结技术在军工生产中的应用，一个国家的军事实力对其国际地位高低的不可代替作用。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、特点和动力学方程。3.教学难点：流动传质、扩散传质、气相传质和溶解沉淀传质的推动力、条件和特点。4.教学方案设计：采用板书结合PPT的教学方法，增加图片与视频内容，强调与学生的互动，调动学生的学习积极性。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；考核方式采用出勤、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PPT及讲解答辩项目小论文实验√√√√√成绩比例%51051015552.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（%）过程性考核实验期末考试合计出勤及课堂表现作业及PPT教学目标1指标点1.2210217~2131~35教学目标2指标点2.224214~1822~26教学目标3指标点3.124817~2131~35教学目标4指标点4.242309合计102015551003.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（80~89分）中等（70~79分）及格（60~69分）不及格（<60分）出勤及课堂表现（10%）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，能够准确回答问题，并有自己独到的见解。偶尔有迟到、早退现象。较为积极参加课堂讨论，能够准确回答问题，并提出自己的见解。有迟到、早退现象。能够主动参加课堂讨论，能够回答问题。有迟到、早退、偶尔有旷课现象。参与课堂讨论，基本能回答相关问题。迟到、早退、旷课较多。不能有效参加课堂讨论，回答不出所有问题。作业（10%）能够独立完成作业，作业完成质量优秀，能够灵活运用所学知识和理论解决问题，并获得正确结论。能够独立完成作业，完成质量较高，能够运用所学知识和理论解决问题，并获得正确结论。能够独立完成作业，完成质量符合要求，能够运用所学知识和理论解决问题，并获得有效结论。基本能够独立完成作业，部分题目解答存在抄袭现象，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，存在明显抄袭现象，不具备运用所学知识和理论解决问题的能力。PPT及讲解（10%）独立完成课程内容相关的PPT，内容详实、制作精良，正确流利的讲解PPT并回答提问，总评成绩为优秀。基本独立完成课程内容相关的PPT，内容正确、制作合格，正确的讲解PPT并回答提问，总评成绩为良好。完成课程内容相关的PPT，内容正确、制作合格，基本正确的讲解PPT并回答提问，总评成绩为中等。在教师帮助下完成课程内容相关的PPT，内容正确、制作合格，基本正确的讲解PPT并回答提问，总评成绩为及格。没有完课程内容相关的PPT的制作和讲解，总评成绩不及格。实验（15分%）实验报告能够独立完成，内容完整，数据合理，数据处理正确，图表规范。能够正确完成实验报告中提出的问题，并对实验中遇到的问题进行深入的讨论，提出自己的见解。实验报告能够独立完成，内容完整，数据合理，数据处理正确，图表基本规范。能够完成实验报告中提出的问题，并对实验中遇到的问题进行讨论，提出意见。实验报告能够完成，内容完整，数据基本合理，能够进行数据处理，图表基本规范。能够基本完成实验报告中提出的问题，对实验中遇到的问题进行讨论。实验报告基本能够独立完成，内容完整，数据图表齐全，基本完成实验报告中提出的问题。实验报告不能独立完成，存在抄袭现象，报告中提出的问题没有或基本没有回答。课程教学目标评价标准优（90-100）良（80-89）中（70-79）及格（60-69）不及格（0-59）教学目标1熟练掌握结晶学、晶体化学等材料学的各种基础理论，并能自如运用基础知识和有关原理对生产工艺、控制参数、产品配方以及性能进行关联和评述。准确掌握结晶学、晶体化学等材料学的各种基础理论，并能运用基础知识和有关原理对生产工艺、控制参数、产品配方以及性能进行关联和评述。掌握结晶学、晶体化学等材料学的各种基础理论，并能运用基础知识和有关原理对生产工艺、控制参数、产品配方以及性能进行关联和评述。基本掌握结晶学、晶体化学等材料学的各种基础理论，并能运用基础知识和有关原理对生产工艺、控制参数、产品配方以及性能进行关联和评述。不能掌握结晶学、晶体化学等材料学的基础理论知识。教学目标2熟练运用材料科学的基础知识对材料制备加工过程中存在的问题进行分析，并提出改进思路。准确运用材料科学的基础知识对材料制备加工过程中存在的问题进行分析，并提出改进思路。能运用材料科学的基础知识对材料制备加工过程中存在的问题进行分析，并提出改进思路。能运用材料科学的基础知识对材料制备加工过程中存在的问题进行分析。不能运用材料科学的基础知识对材料制备加工过程中存在的问题进行分析。教学目标3熟练掌握材料的结构、组成、性能与制备之间的关系，并能合理地设计新配方，选择实验方案，并进行分析与解释。准确掌握材料的结构、组成、性能与制备之间的关系，并能合理地设计新配方，选择实验方案，并进行分析与解释。掌握材料的结构、组成、性能与制备之间的关系，并能合理地设计新配方，选择实验方案，并进行分析与解释。基本掌握材料的结构、组成、性能与制备之间的关系，并能合理地设计新配方，选择实验方案，并进行分析与解释。不能掌握材料的结构、组成、