《材料物理》课程教学大纲

《材料物理》课程教学大纲一、课程基本情况课程代码：101134123202课程名称（中/英文）：材料物理/MaterialsPhysics课程类别：专业核心课程学分：3总学时：48颜色理论学时：48实验/实践学时：0适用专业：材料物理专业适用对象：本科先修课程：材料科学与工程基础，固体物理，大学物理教学环境：多媒体教室开课学院：材料科学与工程学院二、课程简介1.课程任务与目的《材料物理》是材料物理专业的一门专业核心课程，讲述了材料中的主要物理现象及其本质机理和应用。通过本课程的学习，帮助学生了解材料科学的主要研究对象，学习常见材料的基本物理性能，了解材料性能与各层次微观结构之间关系的基本规律，学会材料研究的基本思想和方法。在绪论部分，将材料的发展过程所反映出来的自然规律与辩证唯物主义思想结合，培养学生正确的世界观和方法论，理解科学的发展规律，提高辩证思维能力。在各类功能材料学习环节，适当引入国内外的重要科学进展及伟大工程，让同学感触到科技兴则民族兴，少年强则国家强。提升学生们的民族自豪感，激励学生为中华民族的伟大复兴而继续努力奋斗。2.对接培养的岗位能力能够将材料物理专业知识应用于复杂工程问题的描述和解释，针对材料物理工程领域的复杂问题设计解决方案；具备选择应用材料及材料研发设计、改性和提高的能力，能够在材料、能源、电子、信息等诸多领域从事材料的设计、工艺开发、材料加工应用等工作；培养从事材料相关学科教学的人才。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1.3]能够将工程基础知识、专业知识和数学、物理模型相结合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推演分析。[毕业要求指标点1.4]能够综合运用数学、自然科学、计算、工程基础与材料物理知识，用于太阳能光伏和锂离子电池等新能源材料制备、加工、服役过程中相关复杂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2.2]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12.1]能在最广泛的技术变革背景下，认识到自主和终身学习的必要性。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：要求学生掌握材料物理基础理论知识、各种原理及微观机制、物理性能的测定方法、控制和改善性能的措施，能够将专业知识和数学、物理模型相结合用于进行专业材料领域复杂工程问题的分析。（支撑毕业要求指标点1.3）教学目标2：使学生能够应用材料物理基础知识和基本原理对复杂工程问题进行识别、表达和分析。(支撑毕业要求指标点2.2)教学目标3：培养学生分析解决生产实际问题的能力，进行新材料、新工艺研究开发的初步能力，能够针对具备不同特点的材料物理工程领域的复杂问题设计解决方案，培养其选择应用材料及材料研发设计、改性和提高的能力。(支撑毕业要求指标点1.4)教学目标4：使学生具有理科的基础和工科的发展余地，既有扎实的材料物理基础，又有良好的信息科学技术背景与技能，具有较强的知识更新能力和较广泛的专业适应能力，能够认识自主和终身学习的必要性。(支撑毕业要求指标点12.1)四、课程教学内容、学时分配和具体安排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材料的电子理论66001,2主题或知识点2材料的固态相变88002,3,4主题或知识点3材料的固态扩散66001,3,4主题或知识点4材料的电学性能88002,3,4主题或知识点5材料的磁学性能44002,3,4主题或知识点6材料的热学性能44001,2,3主题或知识点7材料的力学性能66002,3,4主题或知识点8材料的光学性能66002,3合计484800五、教学内容及教学设计主题或知识点1材料的电子理论1.教学内容（1）波函数和薛定格方程：微观粒子的波粒二象性；波函数的基本概念；薛定格方程的意义。列举光的波粒二象性现象实例，如肥皂泡的彩虹颜色深化学生透过现象看本质的科学思维方法。（2）经典统计和量子统计：经典统计、费米统计和玻色统计的基本概念及其区别；经典统计和量子统计的应用范围。从宏观的物理性质和微观的统计平均关系深入理解理解“修身、齐家、治国、平天下”的含义。（3）自由电子假设：经典自由电子理论的基本假设；经典自由电子理论能够解释的现象及其不足之处；量子自由电子理论的基本假设及其能够解释的现象。（4）能带理论：近(准)自由电子近似的基本假设；能带的形成；布里渊区的基本概念及构建；近自由电子近似下的能级、能级分布和状态密度；能带理论对材料导电性的解释。2.教学重点波函数的基本概念和薛定谔方程的意义；经典统计、费米统计和玻色统计的基本概念及其区别；量子自由电子理论的基本假设；近自由电子近似下的能级、能级分布和状态密度；能带理论对材料导电性的解释。3.教学难点布里渊区的构建；近自由电子近似下的能级、能级分布和状态密度；能带理论对材料导电性的解释。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。通过科学家的事迹和小故事培养学生精益、专注的工匠精神和科学探索精神。主题或知识点2材料的固态相变1.教学内容（1）固态相变的概念及分类：相变的基本概念、分类和一般特点。引入相变储能建筑案例深化绿色环保概念，理解“碳中和、碳达峰”目标。（2）多晶型性转变：多晶型性转变的相变驱动力及相变过程。（3）共析转变：共析转变的热力学和动力学；共析转变特点及其相变过程。（4）马氏体转变：马氏体的基本概念和特点；马氏体转变的动力学、热力学及组织形态；马氏体的转变机制；热弹性马氏体与形状记忆效应的原理和应用。通过界面能与共格应变能的矛盾深入理解辩证唯物主义思想，清楚事物具有两面性，既对立又统一。（5）贝氏体转变：贝氏体转变的定义和特点；贝氏体转变的动力学和组织形态；贝氏体转变的机制；珠光体、贝氏体和马氏体的区别及联系。（6）玻璃态转变和非晶态合金：非晶态转变的基本概念和特点；非晶态合金的形成及应用。2.教学重点相变的一般特点；共析转变的相变过程；马氏体的特点、动力学及组织形态；形状记忆效应的原理；贝氏体转变的动力学和组织形态；珠光体、贝氏体和马氏体的区别及联系；非晶态转变的基本概念。3.教学难点马氏体的转变机制；热弹性马氏体与形状记忆效应的原理；贝氏体转变的动力学。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。以吕昭平教授团队创新合金设计，制造超高强度时效马氏体钢为例，加强学生的民族自豪感和创新意识。主题或知识点3材料的固态扩散1.教学内容（1）扩散动力学：扩散第一和第二定律的基本概念及其应用。通过杂质半导体中杂质的影响深化“差之毫厘、谬以千里”的观念，培养精益求精的职业素养。（2）扩散机制：扩散的微观机制，主要包括间隙扩散、置换扩散、晶界扩散和位错扩散。（3）上坡扩散：上坡扩散的基本概念及其驱动力。（4）影响扩散的因素：主要包括温度、固溶体类型、晶体结构、溶质浓度、第三组元和晶体缺陷对扩散的影响。2.教学重点扩散第一和第二定律的应用；间隙扩散和置换扩散的微观机制；影响扩散的因素。3.教学难点根据扩散第二定律计算扩散工艺（渗碳）；间隙扩散的微观机制。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。主题或知识点4材料的电学性能1.教学内容（1）金属导体的导电性：自由电子近似理论解释金属导电性；能带理论解释金属的导电性；金属导电性与温度的关系；电导功能材料，主要包括导电材料、电热材料及电触点材料。列举热得快和电阻炉的火灾事故案例，强调安全意识和责任意识。（2）半导体的导电性：本征半导体和杂质半导体的基本概念、特点及能带结构；霍尔效应的现象及其产生原因。（3）离子晶体的导电性：离子导电的微观机制及导电率推导；离子导电的影响因素；快离子导体的概念及常见的材料种类、特点。（4）超导电性：超导的基本特点，包括零电阻、迈斯纳效应和临界特点；超导理论，包括库柏电子对和BCS理论；超导研究的进展及其应用。介绍我国的磁悬浮列车现状，激发民族自豪感和自信心。（5）热电效应：热电势的概念及产生的原因；塞贝克效应和珀耳帖效应的概念及应用。（6）材料的介电性能：电介质极化的基本概念、机制及特点；介电损耗的定义和损耗机制；介电体击穿的机制。2.教学重点能带理论解释金属的导电性；霍尔效应的现象及其产生原因；离子导电的微观机制及导电率推导；超导的基本特点和超导理论；热电势的概念及产生的原因；电介质极化、损耗和击穿的机制。3.教学难点离子导电的微观机制；超导理论；电介质极化、损耗和击穿的机制。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。通过我国先进的电性材料（主要是超导材料和热电材料）研究强化学生的爱国精神和民族自豪感。以半导体芯片为例激发学生的爱国热情。主题或知识点5材料的磁学性能1.教学内容（1）材料磁性能的表征参量和材料磁化的分类：材料磁性能的表征参量，包括磁化强度、磁感应强度、磁化率等；根据材料的磁化率对材料进行磁化分类。（2）孤立原子的磁矩：电子和原子核的磁矩，包括电子轨道和自旋磁矩及原子核自旋磁矩；原子的磁矩分析和计算。（3）抗磁性和顺磁性：抗磁性和顺磁性产生的原因及条件；抗磁和顺磁磁化率的理论推导。（4）铁磁性：铁磁体磁化的现象（磁化曲线、磁滞回线等）；铁磁体的自发磁化现象及其机理；铁磁体的技术磁化机理和方法。磁畴的有序无序转变导致材料的铁磁性和顺磁性转变映射团结就是力量的观念，强调团队精神及协作的重要性。（5）强磁材料：软磁材料和硬磁材料的特点及其材料种类；磁记录材料的要求及材料种类。2.教学重点材料磁性能的表征参量和材料磁化的分类；电子磁矩，包括电子轨道和自旋磁矩；抗磁性和顺磁性产生的原因；铁磁体磁化的现象（磁化曲线、磁滞回线等）；铁磁体的自发磁化现象和技术磁化机理；软磁材料和硬磁材料的特点；电介质极化、损耗和击穿的机制。3.教学难点离子导电的微观机制；超导理论；电介质极化、损耗和击穿的机制。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。主题或知识点6材料的热学性能1.教学内容（1）材料的热容：杜隆珀替定律的表达及意义；热容的量子理论假设及其结论；实际材料的热容，包括金属、合金、陶瓷和高分子的热容；热分析法的原理及应用。（2）材料的热传导：热传导的宏观现象及其机理；热传导的微观机理及导热率的推导；实际材料的导热，包括金属、合金和陶瓷的导热率。引入热传导案例—太阳能集热器，培养节能思想，深化环保和可持续发展理念。（3）材料的热膨胀：热膨胀的宏观现象及其微观机理；热膨胀系数与其他物理量，如熔点、德拜温度、晶格结构等的关系；实际材料的热膨胀；膨胀分析的原理及其应用；膨胀合金的分类、特点和应用。（4）材料的热稳定性：热应力的基本概念及其产生原因；抗热冲击断裂性能的表征及其意义；实际材料热稳定性的表征。2.教学重点德拜模型的基本假设及意义；材料的热容曲线；热传导和热膨胀的宏观现象及其微观机理；热应力的基本概念及其产生原因。3.教学难点德拜模型的基本假设及意义；热传导和热膨胀的微观机理；实际材料，的热容、导热、热膨胀及热稳定性。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。主题或知识点7材料的力学性能1.教学内容（1）材料的力学性能指标：应力和应变的基本概念及应力-应变曲线；材料的静载力学性能指标，包括屈服强度、抗拉强度、抗弯强度等；硬度的分类及其主要测试方法。讲述周培源的爱国故事和奉献精神，坚定理想信念和爱国情怀。（2）材料的变形：晶体的弹性变形，包括虎克定理和弹性模量意义、滞弹性和内耗；晶体的塑性变形，包括塑性变形的基本概念、阻力及金属强化方法；晶体的蠕变曲线及机理。（3）材料的断裂：材料的理论断裂强度；格里菲斯断裂强度理论的推导过程及意义；裂纹萌生和扩展的过程。（4）材料的断裂韧性：裂纹尖端应力场强度因子K1及断裂韧性K1c的意义；裂纹尖端应力的塑性变形区修正；陶瓷材料的强韧化方法。（5）材料的疲劳：疲劳现象及机理；疲劳极限；疲劳裂纹的形成和扩展。（6）材料的抗冲击性能：冲击韧性试验方法；金属材料的冷脆现象及意义。2.教学重点应力和应变的基本概念及应力-应变曲线；材料的静载力学性能指标；硬度的分类；虎克定理和弹性模量意义；金属强化方法及陶瓷材料的强韧化方法；通过断口判断断裂类型；裂纹萌生和扩展的过程；疲劳现象。3.教学难点格里菲斯断裂强度理论的推导过程及意义；通过断口判断断裂类型；裂纹尖端应力的塑性变形区修正。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。通过国家重器建设中的力学材料强化民族自豪感。主题或知识点8材料的光学性能1.教学内容（1）光与材料的作用：光的物理本质；光与材料作用的一般规律，包括反射、透过、折射、散射等；金属材料对光吸收和反射的现象及机理；非金属材料对光的反应。（2）材料的发光和激光：发光和热辐射的物理本质；激光产生的原理、条件及结构。（3）光学材料：发光材料；固体激光工作物质的原理及材料种类；光导纤维的原理及其材料种类。介绍光刻技术及“卡脖子”技术，引导民族复兴、振兴中华的使命感，培养创新意识。2.教学重点光与材料作用的一般规律；金属和非金属材料对光的反应；发光和热辐射的物理本质；激光产生的原理；光导纤维的原理。3.教学难点金属和非金属材料对光的反应；激光产生的原理。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。采用光学材料的前沿知识强化民族自豪感，培养学生创新、实践的工匠精神和科学精神。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。课程考核中，期末考试采用闭卷笔试形式。本课程总评成绩中，按平时成绩占50％，期末考试50％记入课程的总成绩，具体评定方式见成绩评定表。学生成绩评定表考核方式平时成绩期中考试期末考试作业课堂表现阶段测验答辩项目小论文其他√√√成绩比例%152015502.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期末考试合计教学目标1指标点1.37659-1427-32教学目标2指标点2.275419-2435-40教学目标3指标点1.43518-1117-20教学目标4指标点12.13404-811-16合计202010501003.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）课堂表现（20%）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（15%）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。阶段测验（15%）完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为优秀。完成所有阶段测验，根据参考答案评定分，总评成绩为优良。完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为中等。完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为及格。没有完成阶段测试，根据参考答案评分，总评成绩不及格。课程教学目标评价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）教学目标1掌握材各种原理及微观机制；熟悉物理性能的测定方法、控制和改善性能的措施；掌握材料性能与各层次微观结构之间关系的基本规律。能够将材料物理专业基础知识和专业知识应用于复杂工程问题的描述和解释并撰写相应的报告。掌握材各种原理及微观机制；熟悉物理性能的测定方法、控制和改善性能的措施；了解材料性能与各层次微观结构之间关系的基本规律。能够将材料物理专业基础知识和专业知识应用于复杂工程问题的描述。熟悉材各种原理及微观机制；熟悉物理性能的测定方法、控制和改善性能的措施；了解材料性能与各层次微观结构之间关系的基本规律。了解材料各种原理及微观机制；了解物理性能的测定方法、控制和改善性能的措施；了解材料性能与各层次微观结构之间关系的基本规律。不了解材料各种原理及微观机制；不了解材料性能与各层次微观结构之间关系的基本规律。教学目标2具备分析解决生产实际问题的能力及新材料、新工艺研究开发的能力；能够熟练的针对不同特点的材料物理工程领域的复杂问题设计解决方案；能够选择合适的材料、手段进行研发设计和改性以提高材料性能。初步具备分析解决生产实际问题的能力及新材料、新工艺研究开发的能力；能够针对不同特点的材料物理工程领域的复杂问题设计解决方案；能够选择材料、手段进行研发设计和改性以提高材料性能。初步具备分析解决生产实际问题的能力及新材料、新工艺研究开发的能力；基本能够针对不同特点的材料物理工程领域的复杂问题设计解决方案；能够选择材料、手段进行改性以提高材料性能。能够针对不同特点的材料物理工程领域的复杂问题设计初步解决方案；能够选择材料、手段进行改性以提高材料性能。不能针对不同特点的材料物理工程领域的复杂问题设计解决方案；不能对材料进行改性。教学目标3能够熟