材料科学与工程专业发展战略研究

表 1 美国麻省理工学院(MIT)材料学科专业演变 时间/年 1851—1879 1879—1884 1884—1888 1889—1890 1890—1927 系科名称 地质与采矿工程 采矿工程 采矿工程(地质、采矿、冶金) 采矿与冶金 采矿工程与冶金 时间/年 1927—1937 1937—1966 1966—1975 1975—现在 系科名称 采矿与冶金 冶金 冶金与材料科学 材料科学与工程
面对国内外高新技术发展对材料类人才培养需求的变化，我国材料类专业教育模式与内容的弊端逐渐 被人们所认识。20 世纪 70 年代末至 20 世纪 90 年代初，我国材料类专业教育开始学习欧美培养模式。自 1978 年起，随着对欧美诸国材料科学与工程教育改革的了解，我国材料类专业在加速发展材料科学技术研 究的同时，也开始了材料类专业教育的改革。其代表性成果是，1998 年教育部对材料类本科专业目录进行 了调整，将原来划分过细的 10 多个材料类小专业合并成了现在的冶金工程、金属材料工程、无机非金属
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是以全国高等学校的很多材料类专业进行院系调整合并为先导的，如大连工学院电机系、哈尔滨工业大学 采矿系、冶金系和山东大学采矿系均并入东北工学院（东北大学前身），唐山铁道学院矿冶系等调整到北 京钢铁学院（北京科技大学前身），武汉大学、中山大学、北京工业学院、广西大学、湖南大学和南昌大 学等 6 所院校的矿冶类专业经合并重组形成了我国有色冶金类特色学校——中南矿冶学院（中南大学前 身），这三所高校是新中国成立后为发展国民经济组建的以材料类人才培养为主要目的的专门化学校。与 此同时，为适应冶金工业的发展，我国还相继建立了一批新兴的、专门为钢铁冶金企业培养建设人才的院 校，如鞍山钢铁学院（辽宁科技大学的前身）、包头钢铁学院（内蒙古科技大学的前身）、武汉钢铁学院 （武汉科技大学的前身）等。机械类院校则纷纷设立了金属材料及热处理、铸造、锻压、焊接等专业，化 学化工类学校也纷纷设立了水泥、陶瓷、玻璃以及高分子等专业。 在这一阶段，我国材料类专业人才培养被分割在十几个专业内进行，分属于冶金、机械、化工等系。 仅金属材料就被细分为冶金物理化学、金属材料及热处理、铸造、锻造、轧制、焊接、高温合金等专业。 这种培养模式下培养的学生的最大特点是，能在对口行业工作中较快地适应岗位，他们曾为我国经济发展 做出过巨大的贡献。但是，这种教育模式存在着学科专业划分过细、学生知识面狭窄等缺点，已难以适应 我国改革开放后国民经济快速增长和材料类学科自身快速发展的需求。 3.现状及发展趋势 20 世纪 60 年代以前，国内外高校均没有独立的材料科学与工程院系。此时，材料科学与工程人才的 培养分别在冶金、化工或机械等院系进行。从 20 世纪 60 年代初起，欧美国家高校已意识到这种培养模式 的不足，开始进行材料学科的改造，纷纷将原设臵在冶金、机械和化工等院系中的与材料有关的专业改设 为“材料科学与工程系”、“材料科学系”和“材料工学系”。至 20 世纪 80 年代中后期，欧美国家大部 分高校已完成此项工作。这种教育改革符合当时材料科学技术发展的趋势。表 1 列出了美国麻省理工学院 (MIT)材料学科专业由“地质与采矿工程”演变到“材料科学与工程”的情况，这种演变反映了当时社会 的需求与学科的发展趋势，非常具有代表性。
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还设臵了材 料科学与工程一级专业，该专业具有面向“所有材料”及材料四要素(或五要素)的宽专业特点。 目前，我国大部分理工科高校都设有材料类学科。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制备、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发 展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，北京 科技大学、复旦大学、清华大学和同济大学、中南大学、四川大学、东北大学、武汉理工大学等重点院校 相继设立了材料科学与工程学院(系)，参与改革的院校逐渐增多。改革的主要内容大致有：在原设臵专业 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和功能材料内容等)；试办新专 业，如材料工程、材料物理(侧重于功能材料)、材料加工等；逐步打破原专业设臵界限，加强专业(二、 三级学科)间的渗透与联系；更新教学内容等。截止 2009 年 7 月，我国具有材料类二级学科的普通高校已 有 415 所，绝大多数“211 工程”大学都设臵了材料类专业。 材料科学与工程学科有着丰富的内涵，不仅包括金属、无机非金属和高分子等传统的结构材料，而且 包含了具有众多特殊性能和用途的功能材料。20 世纪 60 年代以来，材料科学与工程技术的迅猛发展，推 进了高技术产品的智能化与微型化，从而极大地影响着人类的现代生活、社会结构与文化价值。反过来， 社会的发展与需求， 又极大地推动着材料学科的发展。 整体看来， 材料学科正朝着大材料的方向和与信息、 能源、生物医学、交通、航空航天、建筑等学科交叉融合的方向发展。 三、社会需求和材料科学与工程学科专业人才培养规格之间的相互关系 培养人才的根本目的是服务社会，确定人才培养目标的根本原则是满足社会需求。但是，确定人才培 养目标又必须结合各高校自己的实际，因校制宜，这样才能充分利用本地区和本单位的资源与人才优势， 制定出具有自身特点、切实可行的人才培养目标。只有这样才能使培养出的人才既能满足于当前的社会需 要，又能满足科学技术长远发展的需要，也只有这样才能促进高等教育持续健康地发展。 1.不同时期材料科学与工程人才培养规格的演变 工业的迅猛发展需要与之相适应的科学技术人才，17 世纪中叶英国成立了皇家学会，之后又在大学 设立工程学科，大大促进了科技人才的培养。随着钢铁工业的发展，在 19 世纪中叶，美国 Michigan technological Univ. ( 后归 Michigan 大学 ) 、 Columbia 大学、 Carnigie-Mellon 大学，以及英国 Sheffield 大学、 Birmingham 大学、 Emperical mining 学院等相继设臵了矿冶系，分别侧重于炼钢、 铸铁、冶炼工艺等方面的教学。 20 世纪中叶之前，英美等西方国家材料学科教育主要在冶金系开展，以金属材料为主。1945 年晶体 管的发明使半导体材料研究异军突起，非金属材料得到快速发展。为了适应新材料发展的需要， 1955— 1956 年， Birmingham 大学教授 Raynor 把该校原来的理论冶金系（物理冶金）与工业冶金系（化学冶 金及冶金加工）合并，组建并更名为冶金与材料系；同时， Cambridge 大学教授 Cottrell 把该校冶金
材料科学与工程专业发展战略研究
教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会 一、引言 材料科学与工程学科是一门主要涉及物理学、化学、计算科学、工程学和材料学的综合性交叉学科， 它涵盖了金属材料工程、冶金工程、无机非金属材料工程、高分子材料工程、材料物理和材料化学等二级 学科专业，它是研究材料的组成与结构、合成与制备、性质及使用性能、测试与表征等四个基本要素及其 相互关系与制约规律的一门科学。对材料科学与工程中基本要素的认识和理解应具有动态的观念，基本要 素的相互关系与制约规律应在不同的结构层次、不同的设计和应用阶段进行阐述和控制。材料的组成与结 构着重于研究原子的类型及所观察尺度范围内原子的相互作用及排列组合规律；材料的合成与制备则是利 用原子间相互作用的规律，创造一定的外部条件，使原子（原子团）分子按特定的排列组合形成所需性质 与使用性能的材料的过程；对材料性能的测试和对其结构表征的计算，并最终实现按照预定性能设计材料 和制备材料，构成了材料科学与工程的主要研究内容。 在人类社会的发展过程中，材料的发展水平始终是时代进步和社会文明的标志。人类和材料的关系不 仅广泛密切，而且非常重要。事实上，人类文明的发展史，就是一部如何更好地利用材料和创造材料的历 史。25 000 年前人类开始学会使用各种用途的锋利石片， 10 000 年前人类第一次有意识地创造了自然 界没有的新材料——陶器，这一创造新材料的举动标志着人类社会步入了文明时代。继陶器时代之后，由 于人们生活方式的变化和战争等方面的原因，人们发明了青铜冶炼技术。后来，罗马人发明了水泥，腓尼 基人发明了玻璃，这些传统材料至今仍然被现代社会大量使用。当然，这些材料本身总是日新月异地变化 着，在高新技术的推动和社会经济发展的要求下，其性能不断提高，从而使其满足了社会需求。 近代的两次工业革命都与材料的发展密切相关。第一次工业革命是由于钢铁材料的大规模发展，人们 制造了纺织机和蒸汽机，为社会创造了巨大的财富。社会经济的发展，又使钢铁工业迅速增长。钢铁材料 的大量使用，对其性能提出了更高的要求，从而带动了金属材料学科（即金相学）的迅速发展。第二次工 业革命是以能源（石油）的开发和应用为突破口的，使汽车、飞机及其他工业得到了快速发展。新材料的 开发和应用，如高性能合金钢和高性能铝合金等，是这次工业革命的基础。制造工业，尤其是汽车工业的 发展，使合金钢的优异性能完美地展现出来；航空工业的发展，促进了铝合金、钛合金、镍基高温合金以 及耐高温结构陶瓷的研究与开发。 随着石油、天然气的广泛应用，高分子材料得到了迅速发展，从而带动了高分子学科的建立和发展。 在材料科学与工程学科领域中，高分子材料学科与金属材料学科、无机非金属材料学科并列成为材料学科 的重要分支。第一座合成高分子（酚醛树脂）的工厂是 1907 年问世的，经过 20 多年的发展，于 20 世 纪 30 年代形成了高分子材料学科，此后高分子材料工业迅速发展，聚氯乙烯、尼龙、聚乙烯、聚丙稀、 聚酯、聚甲醛等聚合物及改性品种层出不穷。如今，高分子材料已经渗透到人类社会生活的方方面面。进 入 21 世纪以后，新时期国民经济可持续发展对高分子材料提出了更高的要求，如高分子材料合成的新方 法、高分子催化体系、绿色高分子合成化学、生物活性高分子材料的制备和功能化等，这些都促进了高分 子学科的快速发展。
当今社会正处于信息时代。 这场始于 20 世纪中叶的信息革命， 是人类科学技术史上的一次重大飞跃， 它对人类社会产生的深远影响，甚至超过了 19 世纪的工业革命。信息时代的快速发展和信息产业的巨大 增长，给材料学科带来了史无前例的推动和促进作用。大规模集成电路的发展，使单晶硅材料及其制备加 工技术迅速发展；在微电子和光电子学领域，化合物半导体材料迅速崛起，并发挥出越来越重要的作用。 近年来，在以 Si 、 GaAs 为代表的第一、二代半导体材料迅速发展的同时，以 SiC 、 GaN 为代表的宽 禁带半导体材料也蓬勃兴起，成为第三代半导体材料。在信息社会中，信息记录和存储是极其重要的，从 壁画、 竹简到纸张和印刷术的发明， 再到信息时代能够记录大量信息的磁存储介质材料和光存储介质材料， 信息记录材料的每一次变革不但促进了人类信息记录技术的进步，而且促进了人类社会的发展。 由此可见，材料科学与工程学科是伴随着社会发展对材料研究的需要而形成和发展的。作为人类赖以 生存和发展的物质基础，尽管材料的使用几乎和人类社会的形成一样古老，但材料科学与工程学科作为一 个独立的学科，只有约 50 年短暂的历史。但是，在仅仅 50 年的发展过程中，材料科学与工程学科已经 充分显示了其在现代科学技术发展和人类社会进步中所处的重要地位。随着我国由传统计划经济向社会主 义市场经济转型和加入 WTO 后面临的更激烈的国际竞争，使社会对材料科学与工程人才在素质、能力和 知识综合结构方面的要求有了进一步提高。在传统经济模式下，材料研究与材料生产相脱节。一方面，具 有材料工程领域人才优势的材料生产企业的自主研发能力不强，产品的技术含量不高，市场竞争力不强； 另一方面，具有材料科学人才优势的科研院所、大专院校的科研成果却难以产业化。目前，我国企业正在 进行大规模重组，产业结构、产品结构、工艺技术和装备水平正在发生重大变革与调整，企业发展越来越 依靠于自主创新能力，越来越需要国际竞争能力。面对这种形势，市场经济条件下的材料生产企业对人才 的素质、能力和知识的要求也越来越高，既要有较深的理论基础，能进行深入研究与创新；又要具有丰富 的工程知识，能将科研成果迅速转化为生产力，实现科研成果的产业化。这对承担着材料类人才培养任务 的高校提出了严峻的挑战。 二、材料科学与工程专业的历史沿革、现状及发展趋势 我国高等材料类专业教育起始于部分高校的采矿系、矿冶系等，已有上百年历史，其形成和发展大体 可分为以下几个阶段。 1.启蒙阶段 我国近代大学材料教育源于清末甲午战争后诞生的北洋西学学堂，其在工科中设臵了采矿系，教学内 容已包含材料学知识。之后，山海关内外路矿学堂（1905—1908 年，西南交通大学的前身）、唐山路矿学 堂（1908—1912 年）、东北大学（1923 年）、武汉大学(1913 年)、国立贵州大学(1941 年)等院校相继设 臵了矿冶系，其教学内容也涵盖了材料学。1946 年，国立清华大学从西南联合大学回北京复校后，在工学 院中又增设了化学工程系，把材料学教育拓宽到了非金属材料领域。在这一时期，我国的材料教育主要目 的是培养矿冶人才，其突出特点是不划分专业，教学内容包括采矿、选矿、冶金、材料等全部内容，是一 种宽领域综合式的人才培养模式。 2.苏联模式阶段 1949—1966 年间，依照苏联模式，我国建立和发展了较完整的材料学高等教育体系。这一体系的建立