“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：
- Introduction
- Atomic Structure and Interatomic Bonding
- The Structure of Crystalline Solids
- Imperfections in Solids
- Diffusion
- Mechanical Properties of Metals
- Dislocation and Strengthening Mechanisms
- Failure
- Phase Diagrams
- Phase Transformations in Metals: Development of Microstructure and Alteration of Mechanical Proerties
- Applications and Processing of Metal Alloys
- Structures and Properties of Ceramics
- Applidations and Processing of Ceramics
- Polymer Structures
- Characteristics, Applications and Processing of Polymers
- Composites
- Corrosion and Degradation of Materials
- Electrical Properties
- Thermal Properties
- Magnetic Properties
- Optical Properties
- Materials Selection and Design Considerations
- 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。
