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摘要：大科學時代，教學與科研緊密關聯已成為當代高等教育教學改革的核心與共識。在人才培養的過程中，教師需要在材料類專業基礎課程現有教學改革的基礎上，將與課程所講知識相關的最新高水平科研成果融入課堂教學，以激發學生的學習興趣，提高學生的創新能力和實踐能力。

關鍵詞：材料類專業基礎課程；科學研究；教學與科研融合；創新

1研究背景

2019年9月，教育部發布《深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》，其中明確指出“科研反哺教學”，旨在強化科研育人功能，推動高校及時把最新科研成果轉化為教學內容，激發學生的學習興趣，以高水平的科學研究提高學生的創新能力和實踐能力。材料科學作為一門融合了基礎知識和前沿應用的交叉學科，主要研究材料的結構、制備、性質以及使役行為之間的相互關系和變化規律。它的出現一方面大大促進了材料學科的研究和發展，另一方面也擴大了高校的教學領域和內容，已成為重要的科技基礎學科之一，也是最活躍的研究領域之一。因此，在材料類專業基礎課程教學過程中，將最新的科研成果融入教學內容，選擇具有代表性的高水平科研成果作為具體教學案例，結合專業課程授課內容，融入課堂教學環節，是材料類專業基礎課程開展教學改革的必經之路，對材料類本科人才的培養具有重要意義。教學案例的引入有助于及時修訂和充實課程教學內容，鍛煉學生利用所學基礎理論知識解決學術問題和工程問題的能力；同時，結合課程思政，使學生通過最新的科研進展，了解國家的重大需求，鼓勵學生立志為解決國家科技前沿問題而努力學習。為此，本文提出了三個課堂教學案例，并分析了教學與科研融合的開展方式和途徑。

2科研與教學融合的案例

2.1固溶體合金中溶質原子分布的化學短程序及其對性能的影響

在材料類專業的多門基礎課程教學中，常涉及固溶體合金的相關內容。固溶體合金的典型結構特征是溶質原子分布的微觀不均勻性，這會對合金的宏觀性能產生影響。事實上，只用簡單的二維原子排列示意圖，很難讓學生深刻理解固溶體合金微觀結構與宏觀性能之間的關系。這種典型特征又稱為化學短程序，對于置換固溶體合金而言，雖然溶質原子占據溶劑原子的點陣位置，在長程尺度上屬于隨機無序替換，但在幾個原子間距范圍內，溶質原子呈現出有序分布特征。1960年，Cowley提出了用短程序參量α來描述固溶體合金中的化學短程序[1]，一直被沿用至今，但這個參數只能描述溶質原子最近鄰分布偏離平均分布的程度，并沒有給出溶質原子分布的具體局域構型。隨著先進表征分析技術的不斷進步，科研工作者可以從實驗中觀測到化學短程序，并將化學短程序特征與宏觀性能密切關聯。例如，在最新的科研成果中，美國加州大學伯克利分校MinorAM等人利用能量過濾的透射電子顯微技術在面心立方結構的CoCrNi三元固溶體合金中觀察到了化學短程序的存在，即出現了超點陣，如圖1a所示[2]。該成果被發表在Nature期刊上，其中提出化學短程序的存在會影響全位錯分解為肖克萊分位錯時的位錯間距，進而改變了堆垛層錯能。RithcieRO等人的模擬計算[3]也表明借助化學短程序可調控堆垛層錯能；更重要的是，較低的堆垛層錯能更容易產生孿晶。他和GludovatzB等人發表在Science上的研究成果表明CoCrNi合金在更低溫度下表現出更高強度和大塑性(見圖1b)，這是由于該合金在室溫下表現為常規的位錯平面滑移，而在低溫下表現為納米孿晶誘生高強大塑性[4]。可以看出，這些高水平研究成果中涉及的基本概念，如固溶體合金、化學短程序、堆垛層錯、位錯、孿晶、塑性變形等，都是材料類專業基礎課程中出現過的內容，因此，教師在講授完所有基礎知識點后，應該用典型的科研成果將知識點串聯在一起，讓學生了解這些基礎知識的具體應用。大連理工大學王清等人利用代表化學短程序特征的“團簇+連接原子”局域結構模型解析了Al2Ni4Co4Fe3Cr3合金中子衍射獲得的實驗結果(見圖1c)，并指出正是由于局域化學短程序的改變才誘發了合金晶體結構的轉變，即相變[5]。該團簇結構模型由任一原子和其最近鄰殼層原子構成的配位多面體及次緊鄰殼層上的幾個原子構成，這樣就將固溶體合金的化學短程序與晶體結構中的配位多面體和相變的概念關聯在了一起。另外，化學短程序同樣也存在于間隙固溶體合金中，北京科技大學呂昭平等人發表在Nature上的研究成果[6]表明因短程序產生的有序間隙復合物在大幅提升合金強度的同時也進一步改善了合金的塑性，這明顯不同于間隙相，后者在提升強度的同時會大幅降低合金的塑性。

2.2強化機制在研發高性能先進合金材料中的應用

材料的強化機制(固溶強化、晶界強化、加工硬化、析出強化、相變強化等)也是材料類專業多門基礎課程中反復強調的知識點，在傳統的結構鋼材料中應用最為廣泛。教材中各強化機制的定義簡單直觀，導致學生在熟記概念的同時并不想思考得太深，尤其教師在舉例說明時大都以傳統鋼為例，很難讓學生提起學習和思考的興趣，只是進行機械的記憶。近年來，隨著科技的快速發展，我國在高性能先進結構鋼領域的研發工作不斷取得突破，因此在教學過程中教師應該重視強化機制內容的講解。2017年，香港城市大學黃明欣等人發表在Science上的研究成果[7]表明，可利用變形和配分工藝在廉價中錳鋼中獲得超高強度(大于2.0GPa)和大塑性(延伸率大于15%)，如圖2所示。利用各強化機制計算分析表明該中錳鋼的超高強度主要源自馬氏體基體中的高密度位錯，同時也包括溶質濃度、納米粒子、超細晶和孿晶的晶界，以及堆垛層錯等缺陷對強度的貢獻。在實現超高強度的同時，還能獲得如此的大塑性實屬不易，這主要歸于兩方面原因：第一，由于馬氏體基體中高密度可動位錯的存在提供了約6.8%的塑性變形，與實驗中測得的呂德斯應變相吻合，占總塑性變形的一半；第二，增大拉伸應變，合金中的粗片狀殘余奧氏體會發生連續的馬氏體相變，從而產生相變誘生的大塑性(TRIP效應)，同時會在細小的殘余奧氏體內部發生孿晶誘生的大塑性(TWIP效應)，這兩者之和提供的塑性約為總塑性變形的一半。顯然，這項研究成果全面系統地將合金的強化機制和塑性變形機理兩個方面涉及的基本概念融合在一起，在廉價中錳鋼中最大限度地實現了合金的強韌化，值得作為課堂教學時的一個典型案例來系統講解各知識點的應用。

2.3共格相界對微觀組織及性能的影響

“相界”是材料類專業基礎課程的一項重要內容，界面共格關系在一定程度上決定了析出相粒子的形貌和大小，進而影響材料的性能。所謂共格析出相，通常是固溶體的有序超結構相，故兩共格相的原子在相界面上都占據結點位置，從而導致大的彈性畸變能；而半共格和非共格析出相的晶體結構都不同于固溶體結構。目前，具有共格析出的微觀組織大多出現在Ni基和Co基高溫合金中，其優異的高溫力學性能和高溫組織穩定性得益于球形或方形L12-γ'納米粒子在面心立方FCC-γ基體上共格析出；而在其他體系的結構合金中，很難實現析出相與基體的共格關系，大多表現為半共格析出。研究表明，共格析出能夠最大限度地提升材料的性能。例如，現有超高強度的馬氏體時效鋼的強度通常在1.4GPa～1.7GPa之間，其中析出相粒子與體心立方BCC馬氏體基體多為半共格關系。北京科技大學呂昭平等人采用BCC固溶體的有序超結構B2相來強化馬氏體基體，由于共格納米粒子尺寸比半共格粒子還要細小且均勻分布，從而使得合金強度超過了2.0GPa[8]，如圖3所示，由此基于共格納米析出強化研發出了新一代超高強度鋼。大連理工大學王清等人在多組元體系中采用團簇式成分方法設計BCC/B2共格組織，結合實驗表征和相場模擬(見圖4a)，探索共格析出粒子形貌與合金成分之間的關系[9]。此外，在Al-Co-Cr-Fe-Ni體系中，方形B2納米粒子在BCC基體上共格析出使得合金在高溫下表現出優異的組織穩定性和力學性能，而球形BCC納米粒子在B2基體上共格析出會使得合金展現優異的軟磁性能(見圖4b)[10]，實現了合金的結構－功能一體化設計。可以看出，這些最新的研究成果都與材料類專業基礎課程密切相關，教師應將其作為具體案例融入相關知識點的講授過程中，這樣才能激發學生對科研的興趣。

3結語

材料類專業基礎課程的教學改革歸根到底還是要從以“教”為中心轉到以“學”為中心，在此過程中，學生學“深”要比學“多”更加重要。因此，教師應在現有課程內容的基礎上，收集與課程知識點相關的最新高水平科研成果作為具體案例，并將其融入課堂教學，如固溶體合金中溶質原子分布的化學短程序及其對性能的影響、強化機制在研發高性能先進合金材料中的應用、共格相界對微觀組織及性能的影響等。教師要利用具體案例將課程中所講的知識點串在一起，鍛煉學生運用已掌握的基礎理論知識解決學術問題和工程問題的能力。這種用高水平的科研成果反哺教學的模式可以有效激發學生的學習興趣，提高學生的創新能力和實踐能力。

作者：王清 康慧君 李佳艷 趙杰 單位：大連理工大學材料科學與工程學院