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科研和实验笔记

怎样进入自己课题的研究

我之前弄过一个很长的,讲我查文献的方法。那是我刚进入博士研究生课题的时候,要进行课题背景的总结(相当于写review)的工作量而做的,而且也只适合当时的我的水平。最近一段时间带研究生做课题,从“前辈”的视角看,有了一些新的感受,希望总结一下。

从看“别人做啥”转变为思考“我做啥”

举个我完全外行的例子,就好像不踢球光看球的人,跟自己踢球的人,对足球的认识会很不一样。文献是只要你能进图书馆,获得全文权限,无论谁都能下载阅读的。不做光看,做个“业界观察员”,也许也可以研究得很精深,但是这样的人下结论做判断的时候是胆怯的,因为他唯一的依赖就是他从别处得来的信息,不经过一翻比较分析考证,不敢得出结论;或者说,他每下一个结论都会引经据典,说不好听就是让前人帮他分担责任。把“研究进展”了解再清楚,提不出自己的研究课题和目标,就无法进入正式的研究轨道。我发现,我看到的研究生,不能说不用功,文献都很认真地学习,但他们没有办法从一个学习的角色转换到做研究的角色上来,没有办法从“别人做什么”转换成“我做什么”。这不是说他们想到的题目不够前沿、重复性强这种问题——要只是这种问题,起码说明他们已经懂得去想“我做什么”了,只是由于基础理论或者知识面的限制想不出好的来而已。

具体地说,研究生们在阅读文献的时候经常面临着这种情况:他们查阅文献,一篇又一篇的paper,都从作者的角度介绍了业界的一个小问题,使得这篇论文的工作似乎很有必要;而同时随着这篇论文的发表,这个小问题也基本解决了,文末哪怕有点展望,那也是很虚的。这样的论文往往还算是比较优秀的论文,研究生优先选择阅读它们也应该,但是看得越多,越会觉得没啥可做。因为,哪怕你看再多的paper,不会有一篇paper的写法是,提出了一个问题然后它啥也不做留给来做实验解决的;现实肯定只能是论文帮你提一个问题,论文又帮你找到了答案。如果你除了依赖论文之外无法自己独立地提出科学问题,就无法独立地进行科研了。关键问题是如何从“别人做啥”的思维转换到“我做啥”,用稍微学术一点的语言讲就是,如何提出新的科学问题。

学习认知的规律:先建立粗略的整体图像再细化

所谓“有规律”,意思就是不是啥都能一蹴而就。首先,对抽象概念的理解,除了当场对这个概念的语言叙述进行逻辑上的主动理解之外,还需要一个长时间的,潜移默化的消化过程。这是学习的时间上的规律。第二,抽象的概念也需要通过它与其他概念的关系来一起理解,所以必须力图了解整个故事,而不是各个单独的概念。有时候,你一直不理解的A,会在你毫不知情地了解了B、C和D之后突然恍然大悟,这就是因为ABCD是一个完整的故事。第三,我们认识概念的时候,不能满足于字面上的规定,要长期努力地从所有提法和用法中自己提炼出定义来(又不能空想)。尤其是对于paper上出现的一些概念,paper上的临时定义往往带有很强的权宜性质,本来并非要提供一个过硬的定义语言;一些前沿的概念也不可能在哪个教科书上找到一条过硬的定义,不自己提炼不行,但脱离paper空想,搞“顾名思义”更不行。

例如所谓非各态历经转变(nonergodic transition),所谓动力学束缚(dynamic arrest)。nonergodic transition,是一种transition吗?transition是什么?专指相变(phase transition)呢?还是随便用一下这个词而已?若说是相变,又没有看到文章说在nonergodic transition附件有什么发散量呀。就算说是否平衡态的相变这个问题恰好是非晶转变的未解之迷,但用词总得先有定义啊?使用nonergodic和transition这种在物理语境里似有所指的词进行组合,既好像有一点规定性,又不知道规定啥,令人困惑!

如果我在这里介绍nonergodic transition,可以把上述的问题讲清楚。但这类用词在很普遍,光从文献上看好像用得很随便。确实,很多时候,物理学家在写paper的时候会在introduction部分大胆地建立一些故事框架,然后抽取一些已报道的实验和理论结果充实这个框架的基础,以便给本论文的工作留一个非填不可的小坑。这种故事框架的建立,说低了就是编故事;说高了,也是这些个作者的学术思想的体现。在做这件事的时候,作者的用词往往很“写意”,潇洒泼墨,力图在廖廖几笔之内渲染出作者想要传达的物理图像。我们既要利用论文的introduction去理顺研究历史(学术观点史),又要防止落入到这种“写意”手法的“陷阱”中去。如果你事先知道了大部分二、三流物理学家们的这种习惯(二、三流物理学家是非常优秀的意思。一流是指爱因斯坦),剩下的事情就是跳出字面上的词义,只去接受作者想要传达的物理图象。先保证物理图像在“写意”的层面上没有大错,再通过长期的反复接触,慢慢自己“工笔”“白描”出来。如果一开始就死抓字眼,只会发现不同论文都在互刮巴掌,看不出整个研究方向合作进步的那个主流。相反,如果我们在脑中建立了一个物理图像,而且是与业界主要研究者脑中当前的物理图像比较相近的话,我们才会跟所有其他同行同时看到这个图像的空白之处和自相矛盾之处,自然而然就会想要选择一处作为自己的工作。剩下的问题就只是够不够前沿,难度是否适中之类的了。

尽快进行实验

这就是看球与踢球关系问题。对于刚进入实验室的研究生来说,完全没有亲自实验的经验,是无法以一个转换了的角色去阅读文献的。文献是看不完的,哪怕你只专注于一个小问题的文献总结,无限地做下去无非变成做科学史课题,没有什么止境可言。而一段期间的正式实验经历对阅读文献的影响很大。

可以说,实验代替了大部分你对“我做啥”这个问题的思考。当你不管三七二十一地进入实验,你必然是选用了实验室有的或者轻易买得起的材料、以及实验室具备的硬件设施进行你的实验。你已经把不适合在此实验室做的idea都排除了。你搞捣鼓的东西,先别管是不是重复,首先是你实验室能做的东西了。这比坐在宿舍里拍脑袋(或苦思冥想,一个意思)然后跑去向导师报告新idea的情况要成熟好多倍,需要的却往往是少得多的思考——动手就是。其次,你根据自己做实验的成败来做的决定,也是最明智的。不管全世界人做不做得出来,你因为一时半会儿做不出来决定不做了,这是最值得庆幸的;大家都不希望看到的是你花了成倍的时间去拼那一个你实在做不出来的结果,耽误了毕业。不同人的动手能力和动手运气都不一样,要想趁早模清自己的“命”,选一条“生辰八字”配匹的实验体系/模型/方案之路,靠的也是早做实验,而不是坐着冥想。

实验得多了,你就会在感性认识上十分熟悉一个实验体系(或任何相应的具体研究对象)的“脾性”,对于同样研究这一体系的论文,你都已不再是从字面上理解,而是进行“案件重演”,脑中就好像你在做文章中描述的这个实验。这时,你阅读paper时的批判性就会很强。实验经验越丰富,这种批判性就会越强。就好像你已经很熟悉一个朋友,对于其他人对这个朋友的评价,你都可以进行鉴别。你会发现大多数paper,它的数据能说明的只是一个非常小的point,但却用大量的篇幅用于解释这个point的学术意义。如果你没有做实验的经历,你也许看再多这样的paper也不敢忽略这么大量的篇幅;哪怕忽潇洒地略了,也未必就因此看得到那个小point。而如果你很熟悉这个体系的各种实验,那你读别人的paper就真的跟电影电视上播的那样进行一个回到当时的案件重演,你能够很容易地发现一些不合理的问题或者线索,最终把一篇本来按照作者的框架和思路整理的论文抽丝剥茧成一个平实的学生实验记录,然后重新地逐条评估作者想要强调的每条结论的证据充分性。一篇论文的工作到底什么份量,你再也不用听从论文作者自己的吹嘘。你不再因为那个论文的作者觉得有趣而也觉得有趣,而是把所有别人论文的可参考性纳入到你本人的知识背景和学术兴趣中来。现在你也可以做那些论文作者做的事情了:基于别人的实验和理论建立你的故事。

补习基础理论

长期而言,从你看过的大量paper形成的物理图象,因为十分前沿,所以过于残缺。对于那些提出这些物理图象的人来说,他们早就有着一个十分丰满的大图像基础,这个前沿只是这个大图像的边边角角。而对于小研究生,它已经很用功看paper了,也做到以上的这些了,充其量脑子里也只有一个残缺的边角。这就好像我们要做一个拼图puzzle,大牛们的情况是拥用大部分的碎片,而且他们已经把大部分图贴好了,是骡子是马早知道了,就差个嘴巴鼻子眼的碎片。所以人家做研究非常心中有数,今天他加个鼻子,明天他加个尾(yi)巴,不管怎样总是前沿的带领者。而你的情况是手中只有几片,硬凑起来也只能看到半个嘴巴一边鼻子眼,别人说做骡你就做个马鼻子,别人说做马你就做个驴嘴巴,跟风还不讨好。你要做的,首先是搜集尽可能多的碎片,然后再拼起来。意思是说,你要补习教科书上的基础理论知识,把前沿问题跟已有共识的联系打通,至少知道大牛是因为看出了啥动物所以才给它加对角儿。

从前沿到教科书的联系资料包括综述性的文章,综述性的书(专著)和研究生教材。

例如,关于非晶转变的语言体系,主要是来自液体理论。这就是一个比较专门的知识。看本科考研层次《物理化学》的统计力学部分就太远了,看平衡态/非平衡态统计物理,也有点太泛。因此统计物理只需要翻一翻,熟悉一些表达方法,液体理论可以多看几眼。从液体理论到一篇最新的paper,又可能隔着几个长review。这些review值得认真地看。因为review是这些二、三流物理学家难得不做那种在PRL上的“泼墨写意”,愿意静下心来好好说话、说人话的文章。所有这些补习,都需要尽可能快速、大致和权宜,只需要帮助自己理解大家都在说啥,不需要像应付考试似的看。

要记笔记

很多人觉得记笔记就是为了日后查阅。事实上,不管什么内容,拿起笔写字,是自己跟自己对话的过程。例如写日记,就是自己跟自己聊天。在学习的时候记笔记,也是一种自言自语的书面版。这都是一种协助自己认知的过程,在当下就产生效果。阅读文献的时候,哪怕你不像我在以前那个“阅读文献方法”中介绍的那样做成严密可查的笔记,哪怕是在草稿纸上记完扔掉,也都比纯粹眼巴巴愣看好得多。记笔记能抒发你对一个问题不解时的郁闷,例如我在前文就nonergodic transition这个概念“质问”了好几句,这搁当时我就是原话写在笔记里,不仅问号还加感叹号。如果你不记笔记,你看到一个不懂的词,郁闷一会儿就过去了;但是把你的疑问记下来,你就变得非常具体,问出四五个问题来。这种思考也是有正面作用的。

请教专家

这一点很简单。有时,懂的人一句话解决你几个月不理解的概念。如果课题组有个大师兄、大博士后;即那种似乎没有他没看过的paper的那种存在,就一定不要只问他流变仪报错怎么办这种问题。有几种情况:一是你想试试自己有多牛,期望文献中遇到的问题完全可以通过再查文献解决。说白了,如果一个本来想自己搞清楚的概念“提前”被师兄三两句话说明白了,就会感到很不爽。但这将会是一个非常弯的弯路。我们读博士都有毕业年限。因此,一些长期的潜移默化的培养,应该在完成博士课题计划的同时进行,甚至在今后的科研道路上继续延伸,但不能放入博士课题计划之内!师兄水平也是有限的,师兄三两句话能说明白的概念说明本身就不难理解,更不值得一个这么牛的你浪费这么多时间在上面。咱们做科研要站在巨人的肩膀上,没有巨人矮子的肩膀也比没有好,真想练脑子,找那个连师兄都不理解的来练不是更体现个人价值吗?这是第一种情况。第二种情况是,不懂的太多,天书,根本无从问起,于是拉倒了。这种情况也是可以提出来的啊,可能是文献的选择上有问题。提出来之后师兄可以根据你的基础背景选一些你看得懂的文献。

我感觉是否中国的学生,在长期应试教育下形成了一种友情观,自己人不整自己人,公开问学术问题怕对方难堪;为什么我说中国学生呢因为我在德国短短的一周感受是完全相反的——也正是受益于人家这种习惯,我才有机会显示我真实的水平,不然按照中国人的节奏头一周认识还停留在客客气气当中呢。讨论学术的时候非常正式,但中午吃饭照样嘻嘻哈哈,应该提倡这种风气。

关于提问我想多说几句,先谈谈我的一点个人经历。我成长在一个比较幸运的家庭,从我这一代来看,我是比较早接触计算机的。我最初接触计算机就特别的规矩——学编程。因为那是我爸找的技术兵给我当家教,从开机开始教的,技术兵教完开机,只能教我编程了。当时我5年级,理解y=y+x还是比较吃力。家教没有持续很久,但我对编程已经产生了浓厚的兴趣。要继续玩,必须得有人问啊!从那时开始,我就形成了一个打电话问人的德性。我拎起电话就打给原本不太熟的长辈,有些时期真的是天天晚上打。现在回想起来,真觉得我这熊孩子真烦!所幸这些长辈朋友们都倾囊相授。我从最简单的BASIC编程,到Windows 3.1的使用,到DIY装机,到Visual Basic的编程……直到我高中毕业,我全都靠问。DIY装机的问题,我还不知多少次搬着机箱到人家家里给人家看,然后再搬回来。这些人也确实是高人,我还记得早在Google没出来的年代,有个大哥哥已经告诉我“你遇到问题可以搜索嘛”,那是BBS内部的搜索功能,很多次他也是当场搜索解决问题的。

上了大学,我阅读教科书的能力增加了,由于知识体系的丰富,那种冷不防的问题也少了,于是很少再问人了。直到我博士导师招我的时候问我为什么要考他。我当时也不知道,答的可能都是场面话。现在回想起来,读他的博士当时就是为了有个人能给我抓着问。因为我在硕士最后的时间里,做了一点用高分子的公式拟合数据得到一些参数的动作,发现我特别喜欢这套动作。以当时的理解,我认为我需要搞高分子物理。但是翻开Polymer Physics字样的教材,我碰到很多问题没人可问。当时我还是只懂查书,通过网络学习的能力不强。我想,报考一个高分子物理的专家,我就可以一手指着书一手抓着他尽情地问了,就好像当年我学编程的时候一样。后来我就是这么做的,我挺吃惊的是这种熊孩儿的行为居然读博了照搬,也很庆幸我导师不仅不烦这一点,还有问必答。很多时候,一些通过充份查找文献也能够解决的问题,我直接问我导师一下,他直接给出答案,省去我大量的时间,特别是当这种问题无非就是个yes or no+简述理由,我导师往往信手拈来,想必也是业界一般都会清楚的,何必我再重头考证一遍呢?一定的考证是锻炼,可以自己有意识地尝试一下,但都考证就是浪费时间。现在我留在课题组里了,我想信我也能回答相当一部分问题了。

总之,从查阅他人的文献到进入自己的研究,并不是一个全方位同时“呯”一下完成的转变。正因为不是这样的,所以很多研究生找不到完成这个转变的时间点,往往一直就不转变。这就好像是MCT预测的玻璃化转变一样是个dynamic transition!

特性粘数

今时今日,还有多少研究生使用乌式粘度计测量特性粘数?而且能够测好来?

觉得自己理论差,数学差,没sense。于是每每跟人说我是做实验的,我是experimental physicist(假如我想吹嘘说我是一个phycist的话)。而实际上,有效数字乘除,误差运算等大学物理实验课第一节课内容,我现在都次次要Google。我连NaCl的分子量都要次次Google。以前说学生都不懂手算了,因为有计算器了。现在Google连计算器都打败了。因为我在键盘上输入n,a,c,l,回车,一共5个键,我在计算器上,按Power On,3,5,.,5,+,2,3,=,一共要9个键,而且还只精确到小数点后1位。再说了,我忘记Cl和Na的原子量了!

所以今时今日,学生就不会自己聚东西 ,能买就买。标签上分子量是几就是几,发文章的时候一率写used as received without further purification,连GPC都不想跑,谁会想去做特性粘数?而且直接不知道这回事,对着乌氏粘度计问“这是什么东西?”

测特性粘数不一定是为了知道分子量。如果要知道分子量,现在有很多好的方法,例如SEC-MALLS、MALDI/ToF等。不过特性粘数本身的信息还有其他价值。它本身的意义就是分子尺寸,单位质量的分子在溶液中的体积。事实上,高分子稀溶液的相当程度是把高分子当软胶体来想的。从胶体流变学的图象来想,光知道个体积分数,就能决定流变学了(等温实验无相互作用力的话),知道体积的话分子是多少意义不大了。换句话说特性粘数反映的是这种聚合物,它一点点质量在一定温度和溶剂中能被撑多开。可想而之这除了跟分子量有关外还会跟温度和溶剂的良劣有关。聚电解质的话更复杂。所以它真不是一个用来测分子量的好方法。回归到它本身给的信息,才不会忽视它的意义。

问题是,特性粘数是重要,但是不是一定得用乌氏粘度计来测呢?我的观点,粘度计、流变仪,都可以测粘度,这是流变学测量的问题,无非是多大程度接近均匀层流和保证no slip的问题,以及仪器测量上下限的问题。对于大多数高分子溶液,其溶剂都是粘度比水小的。因此溶剂粘度在旋转粘度计上测量就已经够呛了,不难理解为何会选用一种毛细管粘度计。乌氏粘度计无非就是一个毛细管粘度计而已,它“乌”无非“乌”在其管子设计上。假如说你的溶剂粘度够高,那完全可以拿到旋转流变仪上做。例如超高分子量聚乙烯要在135 degC溶在十氢萘里测粘度,那在旋转流变仪上做就方便多了,不然还得做一缸油浴,不仅气味重还很容易烫到手。

不过,使用乌氏粘度计还是繁琐,要测准来必须不能偷懒,而且也是个手艺活,不熟练的话,时间花很长。

我使用乌氏粘度计测量特性粘数的手艺还是不错的。最近要投一篇论文,本来就是本科学生的一些不完整的结果,故事上拯救了一下,想投SCI,结果还没被拒,于是审稿人意见当然会导致我必须把该补的数据补全。首先就是当初本科生用的样品来历不明,审稿人纠着不放,要我提供很多对样品基本性质的检测,其中就是要测特性粘数(哪怕不知道分子量)。我基本上就是一把就做成了,结果还挺好。

我嘴边总想冒出诸如“连特性粘数都测不好就别说你是做高分子的”之类的话。但是这里面还有时代的问题。“粘度”这个量越来越不足以反映我们今天想要知道的微观信息了。流变仪这种宏观方法,虽然在过去的几十年里大家建立了很好的理论去服务它,但当我们能直接在显微镜下看到聚合物的reptation和tube relaxation的时候(!),我们似乎已经达到结果,不再去管它造成何种粘度。毕竟,我们的兴趣更多地还是reptation而不是damping function!在以前,如果一个同行很懂reptation,却不懂流变学,我们会认为他很可能是个搞理论的,搞模拟的。但现在,实验上我们也不需要流变学来看reptation了。不过,如果你想知道稀溶液的分子尺寸,还是最好看特性粘数。再者,对于真正的胶体,测特性粘数还能看出粒子的形状信息。

Intrinsic viscosity of a gelatin sample

Intrinsic viscosity of a gelatin sample

关于“材料科学基础”这门课

“材料科学基础”是比较标准的课了,即好像普通物理、有机化学这样的课,内容已经标准化了,课本也很多,体例大致一样。这说明这门课有存在的广泛合理性。我最近在备这门课,觉得有些困惑和见解,在这里梳理一下。

材料科学基础这门课应该包含的内容是比较统一的。例如,我使用的Callister编的教材Materials Science and Engineering: An Introduction的目录:

  1. Introduction
  2. Atomic Structure and Interatomic Bonding
  3. The Structure of Crystalline Solids
  4. Imperfections in Solids
  5. Diffusion
  6. Mechanical Properties of Metals
  7. Dislocation and Strengthening Mechanisms
  8. Failure
  9. Phase Diagrams
  10. Phase Transformations in Metals: Development of Microstructure and Alteration of Mechanical Proerties
  11. Applications and Processing of Metal Alloys
  12. Structures and Properties of Ceramics
  13. Applidations and Processing of Ceramics
  14. Polymer Structures
  15. Characteristics, Applications and Processing of Polymers
  16. Composites
  17. Corrosion and Degradation of Materials
  18. Electrical Properties
  19. Thermal Properties
  20. Magnetic Properties
  21. Optical Properties
  22. Materials Selection and Design Considerations
  23. Economic, Environmental, and Societal Issues in Materials Science and Engineering

我认为这门课的一个总体的原则是这样的:以强调“结构-性能关系”为宗旨。更全面地说应该是“加工、结构、性质(property)、性能(performance)”四个因素的关系。关于表征结构的知识(原子结构、结体结构,织态结构)和解释机理的知识(塑性形变的机理、导电的机理等),应该不超出足以解释性能和加工技术的需要。所以,你在材料性能和加工方法部分讲多细,决定了你在结构和机理部分讲多细。如果你后面根本讲不到这么细,用不到这么深的结构和机理知识,那前面也就不需要讲这么深了。总之最后的目标不是为了介绍一大堆结构,或者介绍一大堆性能。而是通过结构和性能的介绍,体现“结构-性能”这一关系。特定的性能必然源自于特定的结构。你但逢介绍了一种结构,就必然为后面介绍一种性能埋下伏笔。不介绍不导致任何性能的纯结构。这是我的理解。否则既然已经有化学、物理学,还有什么必要另设一门“材料科学”呢?那些对纯结构、纯性质的研究兴趣,对“工程”又有何直接意义?

按照这一理解对这门课的内容有如下看法。

我可以把第3~11章划分成金属部分。因为3、4章中很多例子都是金属。就算不算3、4章,金属部分也占了7章了!这是我最纳闷的地方。不止这本书,我还找了好几本外国教材,都发现金属是大头,而且编书的作者本身就是搞金属的。为什么就没有搞高分子的人去写一本材料科学基础的课本呢?

这个问题引起了我的兴趣。我曾经讲过,“什么是科学”的问题,应该转化成另一个问题“科学是怎么发展到今天这个样子的”,也就是只有用科学发展史才能回答“科学是什么”,因为这不是由某本书,某个人定义出来的,而是发展的结果。所以“材料科学与工程”是什么,也相当于问:今天意义上的材料科学与工程是怎么发展过来的?为此我查了很多资料。

很多课都喜欢介绍材料学的发展跟人类技术文明史的重合,从石器时代人类不直接从天然取材使用(而是经过哪怕最简单的加工)开始讲起。从这个意义上讲材料学(去掉“科”字,仅表示一种古老的学问)有一个从古老的学问转变为现代科学的过程。现代材料科学的发展跟现代物理、现代化学的发展密切相关,更确切的说是化学与凝聚态物理的发展。几乎整个化学都有用,但只有凝聚物物理有用。物理和化学进入现代科学的时间都很早,但是凝聚态物理学科出现和形成就很晚,早期的物理都是什么伽利略啊牛顿啊那些,一直到麦克斯韦方程组都过了好多年了。所以材料科学与工程的发展最先是现代化学的引入。现代原子的概念最初是从化学的角度提出的(J. Dalton),是为定量描述化学反应服务的。这使得化学成分分析的方法可以用于当时的一些材料学研究,例如18世纪人们认识到留意到炼钢时的炭不仅用于烧火,还进入了钢材,影响产品的性能。这是从现代科学意义上认识“结构-性能”关系的早期例子,靠的是现代化学。第一次工业革命时代主要是钢铁时代,化学家的价值最先被认识并被请到各大治炼工厂去。

相比之下,直到20世纪初,人们才搞清楚原子的电子结构,以及原子之间是怎么成键的。同时也是到20世纪,结晶学的研究才开始跟材料的性能联系起来。这两方面基础,才发展了固体物理学。在实验手段方面,也许性能方面的测试可以简单一些,力学性能测试和声光电磁热性能的测试,都拜早期物理学发展所赐,在二十世纪之前都可以做到。但是用原子、分子光谱研究元素组成,用X射线、电子显微镜研究结构这些手段,都必须要在二十世纪之后。这些手段直接使得金属材料和无机非金属材料的研究水平从经验提升到了还原论的层次。主观上认识到有必要组成材料科学与工程这个独立的学科,是两次世界大战和冷战的功劳。所以很多现代材料科学的成果当初都是为了军用的。

与这样的历史相比,高分子实在太年轻,它是十九世纪末才出现的材料,而金属和陶瓷都是远古时代就用的了。对高分子的理论研究是在1920年起,到七、八十年代才算足以构成了一门学科,而且很多问题至今没办法像晶体的固体物理学那样搞得这么清楚。从上述的历史发展来看,金属材料确实是认识最深最早的材料,是材料中的王者。材料科学的研究套路其实只是金属材料的研究套路。即两条线:第一条线是晶体结构,,晶体缺陷的形成,织态结构,塑性形变与缺陷的关系、失效与缺陷的关系;第二条线是相图、织态结构的形成和相转变、力学性能与加工的关系。然后,大家发现,把这样的套路放在无机非晶属材料上也是大致合适的。于是大家就很兴奋,觉得材料科学是一门超越了具体化学元素组成,用“结构与性能关系原则统治万物的学科,但一定程度上,它只是一个固体材料的应用学科,哪怕加入一点生物医用材料以显得赶上时代,讲来讲去也都是骨材料。有了高分子学科,大家也想把它纳入到这种研究套路上去,但其实很多方面是格格不入的。

当人类进入21世纪,先不谈高分子(已经沦为水桶、脸盆!),至少你不能说“液晶”不是材料,OLED不是材料。不要说对于90后一代,就算对于我这一代,手上拿着iphone,kindle,马上要戴上Google Glass了。过来上材料科学基础课,讲了一大半的晶体啊、相图啊,到最后就是联系到什么呢?大炼铁!低碳钢!case hardening!拿铁棍拉一下!这叫学生怎么想?学了材料学,就是去炼铁炼钢烧玻璃吗?不是说金属就不学了,固体就不学了(压电材料也很时髦);结构-性能关系原理确实也没有落后过时。但从对三大材料的侧重上来看,目前的材料科学基础课的内容编排已经赶不上时代!

当然可以讨论这门课是给什么系、什么专业的学生开。我觉得以现在常见的体例,这门适合用来给机械工程、土木工程、建筑专业的学生做材料方面的科普课用。至于材料学专业,不管名字怎么叫,到最后肯定是具体的金属(冶金)、陶瓷或者高分子材料的专业。我们学校还有光电材料、电子材料这样的专业。假如这种材料主要是结晶材料,那么学生肯定会有比较详细的结晶学课程;假如是有机材料,那学生一定会上有机化学和有机合成的课。此外,物理化学也会单独上。加工工程、声光电磁热性能的内容很可能也是独立开课的。所以没必要还在材料科学基础课上学一些半吊子的结晶学和链构象。但是我了解到的是,“材料科学基础”是很多高校材料学专业的必修基础课,放得很早。我们学校大一就上,学生甚至还没完成高等数学,更不要说物理和化学了。所以变成了材料课中关于原子结构和晶体结构的内容就相当于提前给学生上普通化学和晶体学的课;力学性能、声光电磁热的部分,就相当于提前给学生上物理课;扩散、相图和相转变就相当于提前给学生上物理化学课。这使得材料科学基础这门课在讲述上承担了太多的额外负担。目前的所谓“材料科学基础”,实际上只是“晶体材料科学基础”。结晶结构、缺陷、晶界移动、相图这些内容讲得这么细,对金属材料的认识当然可以达到一个比较完善的程度,但高分子只有两章内容,可以说学完了仍然莫衷一是。学完了“材料科学基础”之后,学生要么对所谓“材料学”总体不感兴趣(其实只是对金属不感兴趣),要么就是很想去成为一个金属学家,高分子材料的魅力根本没体现出来。也许很多高校的“材料学”专业其实是冶金和和水泥专业,他们喜欢给学生上一门“材料科学基础”,供学生在具体学习晶体学,固体物理学之前了解一个全貌。如果是这个意义的话,材料科学基础在金属部分的内容确实能够服务得非常好。但我们是一个以高分子为老牌强项的材料学院,我们如果也想上基础课,应该自己编一本高分子科学家视角的材料科学基础,介绍给高分子材料的全貌,上来不是讲晶体学,而是证明链构象,等等。

也有人说,一个全面的“材料学家”,应该是全面了解三大材料的优缺点,能在实际产品设计上做到合理选材的材料学人才,而不能只懂高分子。那也完全可以把金属材料、陶瓷材料的内容放在大三大四作为选修课,给已经学过足够的物理化学知识、并且在材料学方面有了高分子材料的知识的学生讲授。这样,也许只需先补习一些晶体学,就可以有更充分的课时讲材料的性能。比给啥基础都没有的高中毕业生讲要强多了。说大了去,很多学生学完四年本科都对自己的专业没有什么总体认识,就是因为课程设置上各自为政,欠考虑。

我们的材料科学基础还是双语教学,形式上是用英语教材,英语PPT。还有一门“材料科技英语”,事实上也是材料科学基础课和重复,初衷是希望给学生加强一点英语。因此这门课同时也要帮助学生熟适材料学专业英语的环境。但我们都不是英语系毕业的,本身就不专,也许我们自己都犯很多语法错误。很多学生平时就有学英语。除了学校要求的大学英语之外,他们为了飞跃重洋很可能考托考雅思考GRE等等,因此英语比老师牛的人可能都不少。但另一方面,也有一些同学英语比较差(或者说提高总是不快,比较抗拒英语。高考考得上985高校的要说差也差不到哪儿去)。有些同学反映说,他们手头上的那本国外教材,上面好多单词不懂。叫他们捧着这本教材阅读自学是比较困难的。就算你不无限照顾英语差的同学,假想最低标准是四、六级英语水平,这个水平也无法应付大量只有材料科学才使用的新词。总得来说,专业英语无非也是英语,有什么需要另开一门课的必要呢?换一个比较好回答的问题就是,从事科学研究所需要的英语能力,有哪些是学生靠平时英语学习没办法获得的呢?

首先,确实专业英语也是英语,不是法语。所以一些提高英语水平的一般方法是相通的。但是我们国家的大学本科生面对的现实就不是正常地提高英语水平,而是考四六级托福雅思GRE,他们学习英语的具体形式就是捧着一本考试教材和词汇表。功利的学习心态使得他们除了考试教材上的英语之外,平时不再任何综合的提高。但是,他们考这些英语考试,一些能力要求也确实算高的。最大的一个特点就是闭卷考,不能查字典,更不能用电脑上网,所以造成他们长期以来学英语的重头戏就是背单词。不管阅读理解和写作的思维训练达到什么高度,词一不认识啥都没戏。但是,在实际阅读和撰写英语科技文献的时候,不可能有谁不准你查字典不准你上网,恰恰相反最重要的是智慧地利用现代科技把词汇这件事化为小菜一碟,重点放在内容的理解上。因此,阅读的时候辞典不离手应该是一种常态。学生翻开外文课本,感觉好多词不认识,就觉得完了,这是一个误区。以前我们有文曲星,现在手机应用有很多辞典软件,看书的时候带上个笔记本电脑,wifi一上网,连上个有道词典互动百科。当然了,一开始专业词汇量实在太低也许经常要这么做,但完全允许你有这样一个过程。带个笔记本跟我当年去图书馆自习都要抱着一部朗文相比,重量差不多,但功能无法同日而语!很多学生还是带ipad去自习的。

所以,我决定这门课的考试是开卷。手机和电脑自然是不允许的,但允许你带你觉得有用的字典。你就算带十部字典我也允许,反正120分钟给我做完。不能让学生觉得专业英语就是背专业词汇,做名词解释,这样学生的内心从此就跟专业88了。

其次,除去词汇的压力,学生的英语就不成问题了吗?由于现在国内的很多英语考试是以选择题为主,有一条神tip:不懂选就选B。很多学生是靠长期在英语课上的被动接触形成的语感来蒙这些选择题的,从来没有上升到理性认识(语法),阅读理解时遇到长难句就有困难(好在阅读是选择题,选B),作文反正背一些模板,倒是能糊弄过去。很多学生说,上了大学英语就废了,归因于自己不再像高考之前那样努力学习英语。其实真正的原因是长期这样的应试教育完全没有给学生打下独立提高与发展的基础,一脱离应试教育的环境学生才发现其实自己不懂英语。而在专业文献中,由于表达对逻辑性要求比较高,长难句是经常出现的,各种从句的应用很广泛,对一些小词(例如and和or,either和neither)也要求很抠。所以,要想从以往应试的英语学习转化为独立的、面向专业的英语学习,就必须加强语法!以往语法方面比较空白的学生就要去找一本语法课本从第一章冠词开始读起。

专业英语的提高,不能只靠一门课,而是靠把自己沉浸到一个专业的海洋中来提高。你首先要习惯长期面临大量的专业词汇、大量的长难句,然后在此基础上要习惯长时间地进行抽象逻辑思维。采用英语教材来学习专业知识就特别有利于培养抽象逻辑思维,英语教材不管是语言天然特点还是著者的普遍水平都特别有利于逻辑思维的培养。我觉得,语言上的特点也许有利于引人关注局部的、微观的逻辑细节;而一本书的写作水平怎样,会影响到一个人分析问题的能力。教科书的写作,归根结底就是对一个问题的分析过程。学生看教科书就是有样学样。一本教科书写得好,就是对一个问题分析得好,学生学这本书就较好地学到了分析问题的能力;相反,如果用一本烂书,学生也许背重点考试还是知道一些常识,但分析问题的能力就没有受到什么薰陶,独立考虑问题易进入各种误区。我觉得在这方面中文教材普遍有待提高。这也是我想提醒学生在阅读英语教材时留意的一点。