材料科学与工程:工程界的多面手

化学圈李先生 2024-03-08 14:56:54

黄利景

本文主角:材料科学与工程

讲述人:黄利景(西北大学)

适合人群:热爱求知与探索,对新能源、新材料的研发,长期从事材料学的科学研究工作感兴趣的同学

从字面上看,很多人可能不知道材料科学与工程究竟是一个什么样的专业,只知道属于理工科。相较于物理学与化学等研究原理和过程的专业,材料科学与工程其实是面向工程需求和研究结果的专业,关注的是应用需求,注重工程价值的应用。

以需求驱动研究

当你真正开始学习材料科学与工程时,才会发现它既陌生又熟悉。何出此言呢?因为尽管在中学里并未设置与其相对应的专业课程,但是在化学和物理课程的学习过程中,经常会接触一些材料学的基础知识。因而说这个专业于广大学生而言其实是熟悉的。那上了大学,该专业在本科期间主要学习哪些内容呢?

作为工科专业的一种,材料科学与工程的学生必定会学习高等数学、线性代数、普通物理等工科基础课。在本科学习的入门阶段,大一大二期间主要聚焦于对专业基础课的学习,包括物理化学、分析化学、材料生产设备、材料科学与工程概论等。看到这一连串的化学课程,可能有些同学会问:“这到底是材料系还是化学系啊?”其实无论什么材料,影响其性能的因素无外乎其化学结构。因此,这几门与化学相关的课程可以说是研究材料性能的基础,是材料学的基石。升入大三后才会深入学习更为专业的知识,包括材料物理性能、材料力学、材料工程基础电化学、工程材料力学性能、物理冶金原理、现代材料研究技术等。无论你学习的是材料学的哪个方向,这几门课程都是必不可少的。

材料学是一门综合性相当强的学科,即使我们的主要研究方向或者工作方向只是某一种材料,对其他材料的性质也应该有所了解。因为材料的工作环境不是单一的,它只有与其他材料共同合作才能更好地发挥功效。比如“神十飞船”的合金外壳和外面附着的吸热耐高温涂料,一个是金属,一个是有机物基非金属化合物,如何将两者牢固地结合起来?这一问题就涉及两种材料各自的结构及性质。一言以蔽之,材料学专业的学生最终需要达到的学习目标,都应该包括以下方面:掌握数学和物理、数学和化学理论,应用工学与计算机,解决实际材料方面的问题。

以维度驱动未来

那材料科学与工程专业适合什么样的学生报考呢?在我看来,判断自己是否适合进入材料学这个领域学习,能力维度是基本要素。下面我主要聚焦于对能力维度的认识与培养进行讲述。

结合材料科学与工程专业所涉及的课程,不难推断出首先必须具备的便是物理、化学能力。该专业学生所学的内容,物理大致占六成,化学大致占四成。因此,如果你希望大一进校后能较快适应学习,最好有较好的物理、化学基础。不过,值得注意的一点是,较好的物理、化学基础并不等于高中的物理、化学成绩好。因为高中物理、化学的内容和学习方法跟大学是很不一样的。从学科内容来说,高中化学记忆的内容多、计算相对少,而大学化学是一个专业大类,存在很多分支学科,需要很多其他学科的基础知识,例如数学、物理、生物、计算机等。因此,高中化学学得好,不代表有能力学好大学化学。高中物理与大学物理所用的数学基础也很不一样,高中用一次和二次函数分析物理问题,大学普通物理会运用到微积分,这是两种思维体系,也是从定性分析到定量研究的过渡。还有一点要注意,相比于物理学、化学等理科基础专业,材料学对于数学能力的要求相对较低,最多会用到高数、微分方程、概率论。因此数学不是非常好的同学,也可以考虑报考材料科学与工程专业。

再者便是实验能力,但并非所有的材料学专业方向都需要很强的实验能力。一般来说,功能材料(半导体、超导)方向需要较强的实验能力,而结构材料(金属、水泥、陶瓷)方向对实验能力的要求并不是很高。

最后,进入大学之后的学习大多数依赖于自学能力,材料科学与工程专业也不例外。如果你高中的理化基础较薄弱,但在做了一定了解以后,仍对这个专业有兴趣,也可以继续报考。只是在这种情况下,你就需要加强自己的自学能力、自律能力。材料学的理化相关课程,难度比纯理科专业低,对数学的要求也较低,如果你的自学能力强,可以弥补入学前的差距。

以实践丰富认知

材料科学与工程专业的实践调研可谓是丰富多彩、新颖有趣,下面我以我们学校的“课程思政”立项课程《航空航天材料概论》,师生走访太古飞机工程有限公司为例展开详细叙述。该课程通过手工实验、翻转课堂、团队讨论、实地调研等丰富多彩的形式,让学生全面、系统地了解航空航天材料方面的理论基础知识,掌握材料的化学成分、结构、组织和性能之间的依赖关系及其变化规律,学习金属、陶瓷、高分子等航空航天材料的使用范围及部分失效分析案例。

大三时,老师带领我们赴太古飞机工程有限公司进行走访调研,了解波音737/747、空客330/340等大型商用飞机的维修改装过程,学习航空材料的使役环境及使役要求。通过企业走访,帮助我们深刻体悟“精益求精、追求完美、开拓创新”的航空精神与工匠精神。这种新颖的授课方式极大激发了我的学习兴趣,不仅让我对课堂知识有了进一步的深化理解,还有助于我进一步树立科技报国之志与责任担当之心。

作为一个充满挑战与趣味的专业,材料科学与工程并不是遥不可及的,它与我们的生活息息相关。在这个苦乐参半的学习过程中,我不但收获了丰富的知识,而且激发了我求知与探索的热情,我将用一辈子的时间长度,以饱满的热情投入材料学的科学研究中。也欢迎学弟学妹们积极报考,与我一同沉浸于材料科学与工程的浩瀚海洋里!

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化学圈李先生

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