材料科学与工程专业开设《磁性材料》课程的探索和思考

摘要：材料科学与工程学科是随着现代科技的发展而兴起的一门新兴学科，并受到人们的普遍重视和关注，由于与材料科学相关的各个专业方向的许多主干课程大都涉及到磁学知识，因此，我们非常有必要在材料科学与工程学科中把磁学知识做为一门单独学科进行讲授，以加深学生对材料科学的理解，也为学生今后对该学科的研究奠定基础。

关键词：材料学科；磁性材料；探索

人们通常把材料、信息和能源并列为现代科学技术的三大支柱，并认为他们是现代社会赖以生存和发展的基本条件之一。在这三大支柱中，材料科学显得尤为重要，可以说材料科学是现代科学技术发展的重要支撑，这主要体现在材料是人类社会进步的里程碑，而先进材料是高新技术发展和社会现代化的基础和先导，也因为信息和能源技术的发展都与材料科学的进步和发展密切相关。材料一直是人类赖以生存和发展的物质基础，但材料科学的提出却是20世纪60年代初的事情，也是科学技术发展的必然结果。随着人们对材料的制备、微观结构与宏观性能之间关系等研究的逐步深入，各种材料体系，如金属材料、高分子材料、陶瓷材料等都已相继建立起来。对不同材料的研究可以相互借鉴，也使得不同材料之间的相互替代和补充成为可能，由此也出现了复合材料的概念并得到了广泛应用。随着人们对材料研究的深入，逐渐形成了材料科学与工程这门学科。这门学科除了研究材料的组成、结构与性质的关系等基础研究之外，还研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题。现在一般认为，材料科学与工程主要包括组成与结构、合成与制备、性质及使用效能等四个方面，它是关于材料成份、结构、工艺与它们的性能和用途之间的有关知识的开发和应用的科学。由此可以看出，材料科学与工程科学有多学科交叉、与实际应用密切相关等特点，并且也是一门正在发展中的科学。作为一级学科，材料科学与工程学科下设有材料物理与化学、材料学、材料加工工程三个二级学科。按照我国的专业规划，材料科学与工程学科以材料学、化学、物理学为基础，系统学习材料科学与工程专业的基础理论和实验技能，并将其应用于材料的合成、制备、结构、性能、应用等方面。更进一步讲，材料科学与工程专业培养具备包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料等材料领域的科学与工程方面较宽的基础知识，能在各种材料的制备、加工成型、材料结构与性能等领域从事科学研究与教学、技术开发、工艺和设备设计、技术改造及经营管理等方面工作的科学研究与工程技术人才。金属材料领域涉及的金属磁性材料和无机非金属材料领域涉及的陶瓷基铁氧体材料都已经得到了非常广泛的应用。高分子领域的有机磁体，目前正在成为国际上研究的热点，也是软物理研究的一个重要领域。由此可以看出，材料科学与工程领域涉及的各个方面，都可以看到磁性材料的影子。材料一般分成结构材料和功能材料两大类，磁性材料作为具有特定物理功能的材料，在功能材料中占有很大的比重。当前功能材料的研究和开发的热点集中在光电子信息材料、功能陶瓷材料、能源材料、生物医用材料、超导材料、功能高分子材料、先进复合材料、智能材料以及生态环境材料等领域，这几类材料几乎都与磁性材料有直接或间接的关系，各类材料的磁学性质无疑也是当今研究的热点问题。

随着社会的发展，特别是信息功能材料的发展和应用的日益广泛，作为功能材料基础的磁性材料得到了日益广泛的应用。与此相适应的，在材料科学与工程学科的教学体系中，特别是在一些主干课程中都出现了与磁性材料相关的内容也就成为历史的必然。因为磁性材料从材料微观结构上涉及到晶态材料、非晶态材料、纳米晶材料，也涉及到金属材料、陶瓷材料等无机材料，所以在《材料物理导论》中把“材料的传导性和磁性”作为一个章节，《新材料概论》中与磁性有关的有“磁性材料”和“超导材料”两个章节，《金属功能材料》涉及到磁性的章节更多，有“磁性材料”、“金属薄膜材料”、“非晶态金属材料”、“信息材料”、“超导材料”及“智能金属材料”等章节，在涉及到材料物理性能及测试的教材中，都会不可避免地涉及到磁学知识。在国外的教材中，情况也是如此，如《工程材料科学与设计》一书。在无机材料、陶瓷材料等课程中，也都会涉及到磁性材料，在材料物理性能的讲授中，也必然会涉及到电性及磁性的内容。考虑到磁学知识的广泛性及分散性，我校在教学实践中发现，有必要充分利用学校在这方面的优势，把磁学的相关知识单独作为一门学科进行讲授，这样既有利于学生对磁学知识有一个系统的理解，也可以适应社会发展的需要。磁性材料作为一种非常重要的基础功能材料，在社会中已经得到了广泛的应用，作为材料科学与工程专业的学生，非常有必要对磁学及磁性材料的知识有一个专门的了解，这样做会使学生受益终生。因为一方面有利于扩大他们的知识面和视野，也非常有利于他们就业；另一方面有的学生进入研究生阶段后，如果具备一些磁学相关知识，也非常有利于他们的学习和研究工作，《金属材料结构与性能》属于材料科学与工程学科领域的基础教材和国内外材料专业硕士的必修教材，也把“材料的磁性能”作为一个章节进行讲授。

作为重要的现代信息功能材料的磁性材料，其发展具有悠久的历史，在这方面已经有许多专门的文献资料进行了介绍，在此不再赘述。人类很早就开始了磁学的研究，但直到量子力学创立后，才对磁性的起源有了一个较为清晰的认识，也就是说，磁性本质上起源于物质的量子性质。这就说明要研究与磁性相关的现象，就必须具有《量子力学》的学习背景；要研究大量微观粒子聚集体的磁学性质，就必然要用到《热力学统计物理》的知识；要研究固体的磁学性质，也必然要对《固体物理》有深入的了解。所以，在学习《磁学》课程之前，必须要以这三门课程的学习为先导，而在材料科学与工程专业中作为专业基础课，都会专门开设这三门课程，这也就为磁学课程的开设创造了有利条件。我校的探索实践表明，在讲授中应以《磁性材料》课程为主线来进行讲授，并且适当增加一些必要的磁学知识和磁测量知识，以利于学生的理解，也有利于学生对其他相关课程的学习。我校几年来的实践教学都收到了良好的效果。人们对纳米结构体系与新的量子效应器件的研究已经取得了许多新的进展，有许多成果已经产业化，并由此带动了传统产业的技术升级和技术进步，从而掀起了纳米科技热潮。纳米结构由于具有纳米微粒的特性，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等特点，又存在由纳米结构组合引起的新的效应，如量子耦合效应和协同效应等，这些都属于量子力学现象，现代纳米科技研究也多是以这些效应为出发点来进行的，这些内容也是材料科学与工程学科各门主干课程的重点内容。磁学主要研究物质的磁性及其起源，也就是研究与电子的自旋相关的性质及理论。磁学从创立之初就一直在从事与量子效应有关的知识研究。从量子力学创立至今，磁学从理论上对这些问题的探索已经有将近一个世纪的时间，积累了丰富的知识，对磁学相关知识的学习，必然会大大促进学生对材料科学与工程学科的学习和理解。

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