浅谈材料科学与工程的学科发展、现状及人才培养

信息技术、生物技术以及材料科学与工程三大技术已经成为全球经济增长的主要驱动力。材料科学与工程使其它两个关键技术得已实现。在以高科技为主要特征的知识经济时代, 世界各国在教育与人才培养、科学研究和产业政策等方面都给予了材料科学重点支持、优先发展的政策。培养大批适应材料产业和技术飞速发展的宽口径材料科学与工程专业人才已成为各国的共识。

1 材料科学与工程(MSE)的学科发展

材料科学 这个名词于1957 年由美国学者首先提出。前苏联人造卫星首先上天, 美国朝野为之震惊, 认为自己落后的主要原因之一是先进材料的研究应用不够, 于是在一些大学相继成立了十余个材料研究中心, 采用先进的科学理论与实验方法对材料进行深入的研究, 取得重要成果。从此, 材料科学这个概念开始为人们所使用。

1 .1 材料科学与工程学科从细分走向综合

材料学科的发展过程遵循了现代科学发展的普遍规律, 也是从细分走向综合。各门材料学科通过相互交叉、渗透、移植, 由细分最终走向具有共同理论和技术基础的全材料科学[ 1] 。

20 世纪40 年代以前, 基础科学和工程之间的联系并不十分紧密。在20 世纪20 年代固体物理和材料工程两学科是分离的, 到40 年代两学科才有交叉。从60 年代初开始出现了材料科学, 到了70 年代, 材料科学和材料工程的学科内涵大部分重叠, 材料科学兼备自然科学和应用科学的属性, 故 材料科学与工程 (MSE)作为一个大学科逐步为科技界和教育界所接受。

美国西北大学M .E .F ine 教授等人首先于上世纪60 年代初提出了材料科学与工程(MSE)这一大学科概念。

20 世纪60 年代以前, 国内外高校均没有明确完整的MSE 教育。此时, 材料科学与技术人才的培养分属冶金、化工或机械等专业。从60 年代初起, 欧美等国家高校中冶金、机械或化工等与材料有关的系或相关的专业及学科开始改设材料科学与工程系 、材料科学系 、材料工学系 。至80 年代中后期, 欧美等国大部分高校已完成此项工作。这种教育符合材料科学技术发展趋势。

至2007 年, 美国有86 所大学设有材料学科, 材料科学与工程是材料学科教育的中心。近年来, 美国与欧洲在材料教育方面的最显著特点就是把材料科学与工程看作是一门学科。在大学不再需要专门的材料主题。这些材料不再是冶金、陶瓷或电子材料学, 而统称为材料, 材料教育涉及的范围包括金属、陶瓷、高分子、半导体以及其他所有类型的材料。

1 .2 我国高等学校(MSE)专业设置逐步与世界接轨

中国的材料科学教育起始于采矿和矿冶等学科, 有上百年的历史。其特点是, 教学内容包括采矿、选矿、冶金、材料等内容, 是一种不划分专业、宽领域培养模式。

解放初期, 我国高等教育承袭了原苏联培养模式与教学体系, 由宽领域培养模式改为窄专业培养模式, 材料科学技术人才被分割在十几个专业培养,分属于冶金、机械、化工等系内。仅金属材料就被细分为冶金物理化学、金属材料热处理、铸造、焊接、压力加工、金属腐蚀与防护、粉末冶金、高温合金、精密合金等专业。建国后至1966 年十年动乱开始为止, 我国材料学科教育水平得到很大的提高, 规模有很大发展。由于吸收了当时处于国际先进水平的原苏联科学技术知识和教学内容, 又由于当时我国是计划经济体制, 高校学生从招生到分配均由国家同一计划安排, 按原苏联模式培养的学生多能在对口行业(或工种)工作, 能较快适应岗位等原因, 专业划分过细且不合理, 学生知识面狭窄、专业门户太强等弊端尚未明显暴露。

正当材料技术迅速发展, 材料科学与工程 一级学科领域形成, 欧、美诸国纷纷进行MSE 教育改革的关键时期, 我国的材料学科发展却受到十年动乱冲击而处于停止状态, 从而拉大了与当代M SE教育的距离。

自1978 年起, 我国逐步实行改革开放政策以来, 在加速发展材料科学技术工作的同时, 随着对欧、美诸国M SE 教育改革的了解, 也开始了M SE教育改革的进程。面对国际材料科学技术的发展,面对高新技术发展对MS E 人才培养需求的变化,面对国外M SE 教育的改革, 我国教育模式与内容的弊端逐渐被人们所清醒认识。

1998 年, 教育部对本科专业目录进行了调整,将材料类专业合并为冶金工程、金属材料工程、无机非金属材料工程、高分子材料与工程、材料物理、材料化学等六个专业, 同时在引导性专业目录中提出材料科学与工程专业, 该专业有宽广的面向所有材料及材料四要素(或五要素)的整体特点。

我国大学的材料科学与工程大体是从两类学校中通过不同的起点而发展。一类是在工科院校中通过冶金与机械, 或金属、非金属、高分子三大类材料以及它们的复合材料所依存的专业而建立的学科,如工科院校的材料科学与工程系等, 这种类型的学科侧重于从具体应用的角度来探求新材料的性能评价与使用。另一类是一些综合性大学在追踪科技前沿的基础上, 由物理学与化学孕育并分化形成材料物理与材料化学新学科, 建立了材料科学系或研究所, 其特点是材料学与物理学、化学等学科交叉结合。这两类不同起点的材料学科在前进中经过自我完善而相互靠近, 理工结合, 并逐渐向基础研究与应用研究相结合的方向发展。

目前, 浙江大学、北京科技大学、复旦大学、清华大学和同济大学等重点院校相继设立材料科学与工程(或相近名称)学院(系), 十几年来参与改革的院校逐渐增多。此期间改革的主要内容大致有:在__原设置专业的基础上扩充内容(如在金属材料与热处理专业教学中补充非金属工程材料的内容, 增加功能材料内容等) ;试办新专业, 如材料科学、材料工程、材料物理(侧重于功能材料)、热加工专业等。总体体现了逐步打破原专业设置界限, 加强专业(二、三级学科)间的渗透与联系及更新教学内容的思路。

截止2003 年7 月, 具有材料科学与工程二级学科的全国普通高校有217 所, 占高校总数的34 %。几乎全国所有设有材料专业的院校均已程度不同地参与了MSE 教育改革, 并且开始出现了力图根本突破原教育模式的新思路新方案。

2 材料学科发展对于人才培养的要求

2 .1 材料科学与材料工程的差异与相互联系

材料科学与工程 是一个不可分割的有机整体。通常科学是研究为什么的问题;而工程是解决怎样做的问题。

材料科学的基础理论为材料工程指明方向, 为更好的选择材料、使用材料、发挥现有材料的潜力、发展新材料提供了理论基础, 可以在 怎样做 的过程中少走弯路、提高质量、增加效益, 并减少对环境的污染。另一方面, 材料是面向实际、为经济建设服务的, 是一门应用科学, 研究与发展材料的目的在于应用, 材料必须通过合理的工艺流程才能制备出具有实用价值的材料来, 通过批量生产才能成为工程材料。材料工程为材料科学提供了丰富的研究课题, 材料工程和技术为材料科学的发展提供了物质基础。显然, 它们之间的区别主要在于着眼点的不同或者说是各自强调的中心不同, 并没有一条明确的分界线。材料科学与工程学科领域与基础十分宽广。以材料制备与加工 、组织结构与成分 、性能及应用表现 等4 要素及其关系构成的材料学科共同基础知识作为重要教学内容, 是当代MSE 教育的一个主要共同点。

材料科学与工程学科以数学、力学及物理、化学等自然科学为基础, 以工程学科为服务和支撑对象, 是一个理工综合、多学科交叉的新兴学科, 其研究领域涉及自然科学、应用科学和工程学, 恰如一座桥梁将许多基础科学的研究结论与工程应用连接起来。

2 .2 材料科学家和材料工程师培养目标的差异钱学森的老师冯 卡门有句名言:科学家研究已有的世界, 工程师创造未来世界。科学教育和工程教育有一定的联系, 但也有一定的区别。材料科学的动力来自兴趣, 要研究各种自然规律, 研究材料的现象, 探寻内部存在的规律, 采用的主要方法是分析, 所以在科学研究中, 物质总是越分越小。材料科学从事研究发现, 材料科学的成果主要表现为科学论文。材料工程进行创造发明。材料工程采用的主要方法则是综合, 分析材料生产和应用过程中的工程问题, 提出解决问题的措施, 通过综合材料知识、机械知识、电学知识和生物学等知识, 从事工艺设计、进行产品开发。材料工程的成果是有经济价值的产品。

材料科学家 和材料工程师工作的重心不同, 对他们的培养目标也不同。材料科学家需要集中精力研究单一的科学问题, 选择合适的材料和实验方案, 尽可能简单明了的揭示所研究现象的关键,需要等待所有的事实清楚后才下结论。所以材料科学家需要深度的专业理论和知识基础、需要耐心、细致的试验和具有逻辑的推理能力。材料科学家需要一些实际知识, 但这只是为了使科学家的研究不要脱离实际而已。

材料工程师则不然, 材料工程师需要理论基础以分析和解决实际问题, 因而需要依据科学和经验,掌握大量的专业信息, 做出综合的判断, 选择最佳的方案和途径, 工程师需要广阔的知识, 迅速的反应和综合判断能力。

形象地说, 材料工程师侧重于守法(规范), 而材料科学家则侧重于讲理(道理)。工程方案必须有经济判断, 而科学研究成果本身不一定有经济评价。

3 我国高校材料学科人才培养的职能与分层

现代高等教育要履行的三项基本职能是人才培养、科学研究和社会服务。按高等教育的三项基本职能上的差异, 高校可分为三种类型:研究型、教学研究型和教学型[ 3] 。

现阶段我国大学体系的数量和结构, 从底层逐渐上升到顶层, 依次为1683 所普通高校(主要为教学型大学), 99 所211 工程确立的重点高校(主要为教学研究型大学), 34 所985 工程建设的大学(主要为研究型大学)和2 所世界一流大学。研究型大学位于整个大学体系的金字塔顶端。在217 所设置了材料科学与工程专业的高校中, 有世界一流的大学(清华大学), 但主要是研究型、教学研究型和教学应用型大学。不同类型的大学在人才培养定位上有着显著的区别。

1 .研究型大学主要是985所确定的高校, 以基础理念原创性研究和创新技术研究和为主, 侧重培养理论研究型人才, 或称科学家人才, 也培养少量应用研究型人才;

2 .教学研究型大学主要是211 工程所确定的高校, 以开展技术应用研究和技术创新研究为主, 侧重培养应用研究型人才, 或谓工程型人才, 也培养少量的研究型人才。在我国由行业部委管理的以及原来由行业部委管理后划归地方管理的行业特色鲜明的高校基本属于这一类型。

3 .教学型大学以技术的应用研究为主, 也是培养工程型人才为主, 但侧重培养生产、服务和管理的各类技术应用型人才。隶属地方的普通高校基本属于这一类型(与高等职业学院以技术和技能的应用为主, 侧重培养在第一线从事生产、服务和管理的各类技能型人才有所区别)。

现代大学的层次化和多样化, 是由社会需求的多层次性和多样性所决定的。

4 我国材料学科人才培养应遵循的基本方针与途径

在过去的30 多年, 尤其是近10 年中, 材料科学的发展异常迅猛, 新材料、新工艺层出不穷, 成为高技术的主要组成部分, 为材料学科得以发展提供了强大的动力。又由于我国经济的快速发展, 特别是全球制造中心正在向中国迁移, 为材料的应用创造了巨大的市场空间.为材料学科的发展提供了难得的机遇。但是, 我国材料学科的发展也面临着比较严峻的挑战。一方面, 伴随着新材料产业的迅猛发展, 我国缺乏具有创新性、自主知识产权的关键技术, 新材料产业的发展基本上 受制于人 。要想彻底改变这种状况, 必须培养自己的创新型人才, 培养新材料、新技术的领军人物。另一方面, 随着高校扩招后每年毕业的学生数量迅猛增加(近5 年来每年递增20 %), 尖锐的毕业生供需矛盾随之而来, 材料学科毕业生面临着越来越激励的就业机会竞争, 如何使材料学科毕业的学生能比其它学科的学生有更好的更丰富的就业机会, 更好地适应社会, 更好的发展, 这种问题显得尤为迫切。

4 .1 培养创新性和适应性人才是材料学科教育的基本方针

材料学科经过几代人的努力, 由细分走向综合,最终形成了由多学科组成的交叉的大材料学科, 培养基础雄厚、视野开阔、创新能力强的复合型人才是必然的方向;打破以产品和行业设置专业的壁垒, 拓宽专业面, 以材料科学与工程一级大学科来设置专业是必然趋势。而研究生教育则可在此基础上, 向具体的新产品、新技术及各院校已形成的特色研究方向上过渡并深入。

根据材料科学与工程学科的基本内涵, 以及市场(社会)对材料及材料人才需求的实际, 可将材料科学与工程专业分成材料科学、材料工程和材料应用与营销3 个专业方向。这是对材料科学与工程学科的认识从局部、独立, 片面到全面、综合、相互联系的一种升华, 符合人们的认识和教育规律。研究型大学与教学型大学在培养人才的侧重点方面也应该有所差异, 研究型大学应着重于培养材料科学家 , 也就是研究型大学应在培养开拓型创新人才方面多下功夫, 教学型大学则应着重于培养材料工程师 , 将培养行业型技术人才作为重点方向。

4 .2 通识教育应成为材料专业人才培养的基本途径

关于通识教育, 斯坦福大学校长亨利希曾有一段精彩的论述:如果让他为斯坦福写广告牌, 他将一边写理解DNA , 学习计算机原理, 探索相对论, 请进斯坦福 , 另一边他将写学习法语和中文,读索罗, 探索艺术, 请进斯坦福 。通识教育对于材料学科特别重要。

材料科学专业的人才培养面临着内外双重性变革, 即内部知识重组与外部领域的交叉融合。一方面, 材料科学的许多规律要借助于理科知识如物理(尤其是固体物理)和化学(尤其是物理化学);另一方面材料科学与其它科学如生命科学、信息科学及环境科学等的交叉渗透越来越紧密, 以电子、生物、航天和能源为应用对象的材料代表着新材料发展的方向, 材料科学也从过去的单一性

对于细部的每一个构件, 还应该做一些优化设计, 计算结构不超筋, 并不表示构件初始设置的截面和形状合理, 设计人员还应进行构件优化设计, 使构件在保证受力要求的的条件下截面的大小和形状合理,并节省材料。但需要注意的是, 在进行截面优化设计时, 应以保证整体结构合理性为前提, 因为构件截面的大小直接影响到结构的刚度, 从而对整体结构的周期、位移、地震力等产生影响, 不可盲目减小构件截面尺寸, 而使结构整体安全性降低。比如底部地震力往往很大, 而到了上部越来越小, 所以竖向构件应该逐层缩小断面, 配筋也仅为构造配筋, 这样的结构设计较为经济。

5 注重细节满足抗震构造

在施工图设计阶段, 还必须满足规范规定的抗震措施要求。《混凝土规范》、《高规》和《抗震规范》对结构的构造提出了非常详尽的规定, 这些措施是很多震害调查和抗震设计经验的总结, 也是保证结构安全的最后一道防线。一般来说对于计算结果,程序已经给出了符合规范的结果, 但是在实际设计阶段, 设计人员仍要根据具体情况进行分析, 比如说, 在进行框架梁设计时, 对于跨度不同的相邻两跨, 设计根据刚度分配, 跨度较小的梁高取值也较小, 上部支座左右两处配筋面积不尽相同, 而有时设计人员习惯此两跨上部支座采用相同的纵筋, 这是往往造成小跨梁超筋, 即使不超筋, 纵筋配筋率也超过了2 %, 按规范要求, 箍筋的最小直径应该提高一级, 这个在计算结果里是显示不出来的, 设计人员需要自己核对。再如, 对于办公楼学校等建筑物设置三排柱网时, 走道处设置的一级次梁, 对该处框架形成一个集中力, 此处剪力应与支座处相同, 支座处箍筋为加密区, 可以满足抗剪要求, 走道处次梁位置有可能已经不再为加密区, 这种情况计算结果也显示不出来, 所以应该手核箍筋。还有一些为了加强的特殊部位而采取的构造措施, 比如, 框架结构顶部抽柱, 该段柱箍筋全长加密并按提高一级抗震等级进行计算和构造。剪力墙结构设置角窗提高墙两侧墙体的抗震等级, 角窗两边加设暗柱, 加厚楼板并增设暗梁等方法。

总之, 在设计中应根据结构受力的特点, 充分了解其破坏的各种机理, 选用合理的结构形式, 正确掌握概念设计, 其结构才能有可靠的安全保证。