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1、材料科学与工程基础教学大纲 (2)-正文内容开始- PAGE PAGE10 材料科学与工程基础课程教学大纲 一、课程基本信息 英文名称 Fundamentals of Materials Science 课程代码 MSEN1017 课程性质 大类基础课 授课对象 高分子科学与工程专业、材料科学与工程专业、功能材料专业 学 分 2 学 时 36 指定教材 张联盟等主编，材料科学基础，武汉理工大学出版社，2022年，第2版 二、课程目标 （一）总体目标： 材料科学与工程基础是高分子材料与工程专业、材料科学与工程专业及功能材料专业本科生必修的一门大类基础课程。通过本课程的学习使学生了解材料的组成、结
2、构与性能的相互关系以及静态、动态条件下解决材料设计、制备、加工等相关工程的问题，从而为今后从事材料生产和新材料研究、开发提供坚实的理论基础。 （二）课程目标： 通过本课程的教学，使学生具备下列能力： 课程目标 1：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析材料领域的复杂工程问题，以获得有效的结论。 课程目标 2：能够基于科学原理并采用科学方法对材料领域的复杂工程问题进行研究，包括设计实验方案、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。 课程目标 3：能够就材料领域复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表
3、达或回应指令。并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。 （三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系 通过本课程的学习，使学生确立材料的组成与结构、制备与加工、性质和使用性能等材料主要要素之间的相互关系及其制约规律，从而为今后从事材料生产和新材料研究、开发提供坚实的理论基础。 毕业要求 毕业要求指标点 课程目标 达成途径 1. 工程知识 1.2 了解化学、材料科学等基本知识，并能将其用于解决材料领域的复杂工程问题。 课程目标1 在线课程学习、 课堂讲授、作业等 2. 问题分析 2.1能运用数学、自然科学和工程科学基本原理识别和表达材料领域的复杂工程问题。 课程目标1 在线课程学
4、习、 课堂讲授、作业等 2.3能够正确表达一个工程问题解决方案并分析其合理性。 课程目标2 在线课程学习、课堂讲授、作业、课堂讨论等 10. 沟通 10.4具有一定的外语应用能力，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。 课程目标3 在线课程学习、 课堂讨论等 三、教学内容 第一章晶体结构 课时：4周，共8课时 教学内容 第一节结晶学基础 一、空间点阵 二、结晶学指数 第二节晶体中质点的堆积 一、最紧密堆积原理与最紧密堆积方式 二、内在因素对晶体结构的影响 三、外在因素对晶体结构的影响 第三节无机化合物结构 一、鲍林规则 二、AX型结构 三、AX2型结构 四、A2X3型结构 五、ABO3型结构 六、
5、AB2O4型结构 思考题： 1、晶体与非晶体的本质区别是什么？ 2、最紧密堆积结构中的配位多面体只能是四面体和八面体？ 3、球体密堆积方式及配位多面体描述晶体结构的异同？ 4、7大晶系包含的点阵类型为什么不是28种而是14种？ 5、布拉维格子与复式格子？ 6、结点与结构基元？ 7、如何区别晶胞与原胞？ 8、ThO2具有萤石结构，该结构是否满足鲍林规则？ 9、晶面指数为（123）的晶面，ABC是离原点O最近的晶面，OA、OB和OC分别于基矢a1、a2和a3重合，除O点外，OA、OB和OC上是否有格点？若ABC面的指数为（234），情况又如何？ 10、Si和Al的原子量非常接近（分别为28.09、
6、26.98），但SiO2及Al2O3的密度相差很大（分别为2.65g/cm3和3.96 g/cm3），运用晶体结构和鲍林规则解释。 第二章晶体结构缺陷 课时：4周，共8课时 教学内容 第一节晶体结构缺陷的类型 一、按缺陷的几何形态分类 二、按缺陷产生的原因分类 第二节点缺陷 一、点缺陷的符号表征 二、缺陷反应表示法 三、热缺陷浓度的计算 第三节固溶体 一、固溶体的分类 二、置换型固溶体 三、间隙型固溶体 四、形成固溶体后对晶体性质的影响 五、固溶体的研究方法 第四节非化学计量化合物 一、由于负离子缺位，使金属离子过剩 二、由于间隙正离子，使金属离子过剩 三、由于间隙负离子，使负离子过剩 四、由
7、于正离子缺位，使负离子过剩 思考题： 1、促进氧化铝材料的致密化，加入MgO的作用机理？ 2、讨论形成置换型固溶体的条件？ 3、KCl晶体生长时，在KCl溶液中加入适量的CaCl2溶液，发现生长的KCl晶体的质量密度比理论值小，为什么？ 4、金属淬火后为什么变硬？ 5、写出少量MgO掺杂到Al2O3中和少量YF3掺杂到CaF2中的缺陷方程，并判断上述方程的合理性以及写出每一方程对应的固溶式。 6、从形成原因、形成条件、相组成三个方面比较固溶体、热缺陷和非化学计量化合物缺陷的异同。 第三章相平衡与相图 课时：4周，共8课时 教学内容 第一节相平衡及其研究方法 一、相平衡的基本概念 二、相律 第二
8、节单元系统 一、具有多晶转变的单元系统相图 第三节二元系统 一、二元系统相图的表示方法及杠杆规则 二、二元系统相图的基本类型 第四节三元系统 一、三元系统组成的表示法 二、浓度三角形的性质 三、三元系统相图的基本类型 思考题： 1、根据CO2相图回答问题： 解释为什么钢瓶中液态CO2喷出时，在空气中大部分成为气体，一部分成为固体（干冰）而没有液体？ 指出CO2相图和水相图的最大差别在哪里？ 2、根据相图回答问题：（1）说明化合物S的性质；（2）在图中划分分三元系统；（3）用箭头指示出各界线的温度下降方向及性质；（4）指出各无变量点的性质并写出各点的平衡关系。 第四章基本动力学过程扩散 课时：2
9、周，共4课时 教学内容 第一节扩散动力学方程 一、菲克第一定律 二、菲克第二定律 第二节固体扩散机构与扩散系数 一、扩散的微观机制 二、扩散机构和扩散系数的关系 第三节扩散系数与浓度的关系 一、问题引出 二、数学处理 第四节多元系统中的扩散 一、能斯特爱因斯坦公式 二、克肯达尔效应 第五节影响扩散系数的因素 一、外在因素 二、内在因素 思考题： 1、本征扩散和非本征扩散？ 2、试讨论从室温到熔融温度范围内，ZnCl2添加剂10-4 % mol对NaCl单晶中Na、Cl离子扩散能力的影响？（NaCl的肖特基缺陷形成能为2.3 eV） 3、浓度差会引起扩散，扩散是否总是从高浓度向低浓度处进行？为什
10、么？ 4、为什么在离子晶体中，阴离子的扩散系数总是小于阳离子的扩散系数？ 5、试从结构和能量的观点解释为什么D表面>D晶面>D晶内？ 第五章材料中的相变 课时：2周，共4课时 教学内容 第一节相变概述 一、相变分类 二、相变的条件 第二节液相固相的转变成核生长相变 一、晶核生成速率 二、晶体生长速率 三、总的结晶速率 四、影响结晶速率的因素 思考题： 为什么在成核生长机理相变中，要有一点过冷或过热才能发生相变？什么情况下需要过冷？什么情况下需要过热？ 何谓均匀成核？何谓不均匀成核？晶核剂对熔体结晶过程的临界晶核半径有何影响？ 根据晶核半径r与G之间的关系，判断下图中哪条曲线温度最高
11、？并说明理由。 第六章烧结 课时：2周，共4课时 教学内容 第一节烧结概述 一、烧结的基本类型 第二节烧结过程及机理 一、烧结过程 二、烧结推动力 三、烧结机理 第三节固相烧结 一、烧结初期 二、烧结中期 三、烧结末期 第四节再结晶和晶粒长大 一、初次再结晶 二、晶粒长大 三、二次再结晶 第五节液相烧结 一、带有液相烧结的特点 二、颗粒重排 三、溶解沉淀 四、粘性或塑性流动烧结的动力学关系 第六节影响烧结的因素 一、物料活性的影响 二、添加物的影响 三、气氛的影响 四、压力的影响 思考题： 1、烧结的推动力是什么？它可凭借哪些方式推动物质的迁移，各适用于何种烧结机理？ 2、什么是烧结过程？烧结
12、过程分为哪三个阶段？各有何特点？ 3、试就推动力来源、推动力大小和在材料中的重要性来区别初次再结晶、晶粒长大和二次再结晶？ 4、有人试图用延长烧结时间来提高产品致密度，你以为此法是否可行，为什么？ 5、材料的许多性能如强度、光学性能等要求其晶粒尺寸微小且分布均匀，工艺上应如何控制烧结过程以达到此目的？ 6、试分析二次再结晶过程对材料性能的影响？ 四、学时分配 表2：各章节的具体内容和学时分配表 序号 教学内容 授课学时 课程目标 1 晶体结构 8 课程目标1-3 2 晶体结构缺陷 8 课程目标1-3 3 相平衡和相图 8 课程目标1-3 4 基本的动力学过程扩散 4 课程目标1-3 5 材料中
13、的相变 4 课程目标1-3 6 烧结 4 课程目标1-3 合计 36 教学进度 表3：教学进度表 周次 章节名称 内容提要 授课时数 作业及要求 备注 1 第一章第一节 结晶学基础 2 习题P91 2 第一章第二节 晶体中质点的堆积 2 3 第一章第三节 鲍林规则 2 4 晶体结构 2 5 第二章第一节 缺陷类型 2 习题P160 6 第二章第二节 点缺陷 2 7 第二章第三节 固溶体 2 8 第二章第四节 非化学计量化合物缺陷 2 9 第三章第一节 相平衡及其研究方法 2 习题P368 10 第三章第二节 单元系统 2 11 第三章第三节 二元系统 2 12 第三章第四节 三元系统 2 13
14、 第四章第一、二节 扩散动力学 2 习题P413 14 第四章第三、四节 扩散热力学 2 15 第五章 相变 2 习题 P469 16 第六章第一、二、三节 烧结机理、烧结动力学及固相烧结 2 习题P535 17 第六章第四、五、六节 液相烧结、晶体的长大及影响烧结的因素 2 六、教材及参考书目 张联盟等.材料科学基础.武汉理工大学出版社,2022年 张志杰. o 查看该书详细信息 材料物理化学. o 查看该出版社的其它出版物 化学工业出版社, 2022 o 查看该作者的其它著作 浙江大学等编. o 查看该书详细信息 硅酸盐物理化学. o 查看该出版社的其它出版物 中国建筑工业出版社, 198
15、0 o 查看该作者的其它著作 饶东生主编. o 查看该书详细信息 硅酸盐物理化学. o 查看该出版社的其它出版物 冶金工业出版社, 1980 o 查看该作者的其它著作 周亚栋编著. o 查看该书详细信息 无机材料物理化学. o 查看该出版社的其它出版物 武汉工业大学出版社, 1994 o 查看该作者的其它著作 胡志强主编.o 查看该书详细信息 无机材料科学基础教程.o 查看该出版社的其它出版物 化学工业出版社, 2022 o 查看该作者的其它著作 胡庚祥，蔡珣主编. o 查看该书详细信息 材料科学基础. o 查看该出版社的其它出版物 上海交通大学出版社, 2000 o 查看该作者的其它著作 谢
16、希文，过梅丽主编.材料科学基础. o 查看该出版社的其它出版物 北京航空航天大学出版社, 1999 o 查看该作者的其它著作 叶瑞伦等编. o 查看该书详细信息 无机材料物理化学. o 查看该出版社的其它出版物 中国建筑工业出版社, 1986 o 查看该作者的其它著作 贺蕴秋、王德平等编著. o 查看该书详细信息 无机材料物理化学. o 查看该出版社的其它出版物 化学工业出版社, 2022 王国梅. 材料物理. 武汉理工大学出版社, 2022 七、教学方法 1、本课程围绕“材料的组成与结构、制备与加工、性质和使用性能等材料主要要素之间的相互关系及其制约规律”展开材料科学与工程基础课程的教学内容
17、。对课程内容的讲授突出基础，强调重点、难点，对教科书中的内容有所舍取，以学生为本，采用线上/线下相结合的学习模式。 2、线上教学：针对教学过程中学时缩短的问题，在中国大学MOOC平台建立了材料科学与工程基础的在线课程，在线定时发布教学视频、教学资料、章节作业、章节讨论等。教学内容主要由课程的重点、难点提炼而成，并以课程中重要的术语、原理、规则来命名章节，便于学生便捷地学习。 3、线下课堂教学：主要采用慕课堂、课堂面授、课堂讨论等形式完成。 4、结合工程问题，在线下课堂教学过程中，采用课堂分组讨论或课堂竞赛的方式，指导学生通过查阅文献、资料来完成，以提高学生的综合运用知识，分析、交流、并研究和解
18、决复杂工程问题的能力。 八、考核方式及评定方法 本课程为考试课，考核成绩构成为：平时成绩40%+期中考试成绩20%+期末考试成绩40%。 (1) 平时成绩在线上完成：由在线作业、在线测验、在线考试、在线讨论等组成。 (2) 期中、期末考试以闭卷形式在线下课堂进行。 试卷考核要围绕课程目标考察学生工程知识、问题分析、设计开发和研究能力，同时尽量覆盖课程的主要知识点，各个课程目标的考核分值合理分配。 （一）课程考核与课程目标的对应关系 表4：课程考核与课程目标的对应关系表 课程目标 试卷考核分值（分） 试题形式 课程目标 1 20-30 名词解释、问答题等 课程目标 2 40-60 问答题、计算题
19、等 课程目标 3 20-30 名词解释、问答题等 （二）评定方法 1评定方法 课程成绩的计算方法：按平时：期中：期末=4:2:4。 平时成绩衡量依据：平时成绩是在中国大学MOOC慕课平台上完成的，由在线作业、在线测验、在线考试、在线讨论等组成。 期中成绩：线下课堂闭卷考试的试卷成绩。 期末成绩：线下课堂闭卷考试的试卷成绩。 2课程目标的考核占比与达成度分析 表5：课程目标的考核占比与达成度分析表 评定项目 （总分100分） 评定内容 课程目标 平时成绩 40分 线上单元作业（20%） 课程目标1-3 0.4平时成绩+0.3期中成绩+0.3期末成绩/总分。 线上单元测验（35%） 线上考试（30
20、%） 线上讨论（15%） 额外加分（3分，课程贡献分，具体请见评分标准，此分是包含在平时成绩里面的，平时成绩满分仍为40分） 期中考试成绩 20分 闭卷考试（20%） 课程目标1-3 期末考试成绩 40分 闭卷考试（40%） 课程目标1-3 针对课程目标的平时成绩评分标准 考核点 评分标准 90-100 75-89 60-74 0-59 优 良 及格 不及格 线上单元作业（20%） 按时完成作业，且作业正确率90% 按时完成作业，且作业正确率介于75%-90% 按时完成作业，且作业正确率介于60%-75% 没有完成作业，或作业正确率<60% 线上单元测验（35%） 按时完成测验，且测验正
21、确率90% 按时完成测验，且测验正确率介于75%-90% 按时完成测验，且测验正确率介于60%-75% 没有完成测验，或测验正确率<60% 线上考试 （30%） 按时完成考试，且考试正确率90% 按时完成考试，且考试正确率介于75%-90% 按时完成考试，且考试正确率介于60%-75% 没有完成考试，或考试正确率<60% 线上讨论 （15%） 积极参与讨论，且回复的数量15个 积极参与讨论，且回复的数量介于15-13个之间 积极参与讨论，且回复的数量介于13-11个之间 不积极参与讨论，且回复的数量<9个 额外加分 对课程有突出贡献的学员，可以获得3分的加分，包括课程推广，课程讨论，积极帮助改进课程、积极帮助其他同学等。 第25页 共25页第 25 页 共 25 页第 25 页 共 25 页第 25 页 共 25 页第 25 页 共 25 页第 25 页 共 25 页第 25 页 共 25 页第 25 页 共 25 页第 25 页 共 25 页第 25 页 共 25 页第 25 页 共 25 页