一、课程教学目标
知识传授目标：掌握原子结构与键合、固体结构、晶体缺陷、材料的形变和再结晶、单组元相图及纯晶体的凝固、二元系相图和合金的凝固等知识。
能力培养目标：掌握金属的晶体结构特征、冷变形金属退火过程中的组织与性能的变化关系，纯晶体凝固时均匀形核和非均匀形核、结晶动力学、二元相图分析，培养学生能够针对资源循环利用过程中遇到的具体对象建立数学模型并求解的能力。
能力培养目标：掌握原子间的键合方式，晶体学基础，晶体缺陷，材料的形变和再结晶，单元系相图知识，培养学生能够将材料科学基础的基本原理和基础知识用于推演、分析资源循环科学与工程专业复杂工程问题的能力。
能力培养目标：掌握晶体结构，晶体缺陷，固体中原子的扩散，表面及界面的特性，晶体的塑性变形，二元系相图的特点，培养学生能够将材料科学基础的基本原理和基础知识用来解决无机非金属材料专业复杂问题，并对解决方案进行比较和综合。
二、思政育人目标
强化学生课程思政教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。弘扬科学家的爱国情怀和科研精神，为学生提供立德树人的知识。
三、课程思政典型教学案例设计
案例一：增强爱国主义意识，坚定文化自信
教学内容：绪论
案例意义：
1. 通过对中国材料辉煌的历史和现代先进材料的应用，使学生树立起民族自豪感和文化自信。
2. 让同学们树立坚定的理想信念，好好学习，树立远大目标。做一个诚实、守信、爱国、敬业的材料人。
教学过程：
材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导。在历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称其为石器时代、青铜器时代和铁器时代。材料是当代社会文明和国民经济的三大支柱之一，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导；材料是全球新技术革命的四大标志之一（新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术）。在2022年北京冬奥会上，中国自主研发的新材料用在冬奥会火炬的制备，石墨烯材料用于礼仪服装、加热保温设备、空气净化装置，冰上鲨鱼皮用于滑冰运动，碳纤维材料用于滑雪板等等。
思政引入：
在材料的发展史中，材料体现出人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导，引导学生去理解中国文明与材料之间的关系，博物馆陈列的古物情况说明中国优秀的历史文化。现在我国科技的高速发展，与先进材料的应用离不开，引入名人放弃国外优异的发展空间回到祖国加入到国家建设中，从而增强学生的爱国主义意识。并让学生纵观我们周围的变化，高铁的快速发展，地铁的普及化，我国航天飞机的成功发射，等等，让学生认识到材料的发展及其应用是人类社会文明和进步的重要里程碑，从而激发学生学习“材料科学基础”的兴趣与使命感，增强学生的专业自信，要努力学习本领，为我国的科技进步贡献我们的专业力量。
案例二：原子与“不忘初心，牢记使命”
教学内容：原子结构
案例意义：
1. 我们要牢记初心，不忘使命。紧紧围绕共产党的指导思想，努力学习，积极工作，建设强大的祖国。
2. 培养学生能够用联系和全面发展的观点认识世界、把握世界的能力。
教学内容：
电子在原子核外空间高速旋转运动，形成电子云。电子具有波粒二象性。电子没有固定的轨道，但可根据能量的高低判断在某一个区域出现的几率。能量低，离核近区域运动；能量高，离核远区域运动。在量子力学中，用薛定谔方程描述微观粒子的运动，原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示。1. 主量子数n：决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层。它的取值为1、2、3…n 越大，电子离原子核的距离越远，电子的能量越高。2. 轨道角动量量子数li:给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层），与电子运动的角动量有关。3. 磁量子数mi：给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。每个li下的磁量子数的总数为2li+1，磁量子数决定电子云的空间取向。4. 自旋角动量量子数si：反映电子不同的自旋方向。它的取值为+1/2和-1/2，反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向。
思政引入：
电子围绕原子核高速运转，原子核就像中国共产党，电子就像中国各族人民，各族人民紧紧围绕中国共产党这一核心，努力工作，共同把中国建设成富强、民主、文明、和谐的美丽的社会主义现代化强国。电子的排布具有不同的轨道，要满足相应的规则，这启示我们自由与法治相关的社会主义核心价值观，我们的自由不能违反法律法规，是建立在不能影响他人自由的基础上。在四个量子数确定原子中一个电子的空间位置和能量时，既要强调化学特有的专门知识，也要强调化学与数学及其他学科的相互渗透，培养大学生从总体上认识、把握世界的能力，引导他们用联系和全面的观点学习材料有关的基础知识，为后续专业课程的学习打下良好的基础。
案例三：元素周期表与结构决定性能
教学内容：元素周期表
案例意义：
1. 培养学生科学精神和工匠精神，这些都是中华民族精神的重要组成部分，强调锲而不舍的执着与坚持，继承与创新。
2. 培养学生具备不断探索、不畏艰难的探索未知世界的能力，树立正确的价值观。
教学过程：
元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反映了那个元素的原子结构和一定的性质。元素周期表共有七个横行，每一横行为一个周期，共有七个周期。元素在周期表中所属周期数等于该元素基态原子的电子层数，也等于元素基态原子的最外电子层的主量子数。元素周期表中各周期所包含元素的数目，等于相应能级组中的原子轨道所能容纳的电子总数。在同一周期，各元素的原子核外电子层数虽然相同，但从左到右，核电荷数依次增多，原子半径逐渐减小，电离能趋于增大，失电子能力逐渐减弱，得电子能力逐渐增强，金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强；在同一主族，从上到下电子层数增多，原子半径增大，电离能一般趋于减小，失电子能力逐渐增强，得电子能力逐渐减弱。元素的金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。元素的化合价跟原子的电子结构，特别是与其最外层电子的数目（价电子数）密切相关，而价电子数可根据它在周期表中的位置加以确定。
思政引入：
讲授原子周期表时，会带着学生去认识不同的周期，不同主族元素的特点，在材料中可能发挥的作用，每个元素所处的位置不同其性能也不同，比如第一主族时碱金属元素，都具有很强的金属性，而第八主族是惰性气体，很难与其他物质发生反应，可以做保护气体，Ga、Ge、Sb等通常做半导体材料，稀土元素可以少量掺杂到其他固溶体中，改变材料的光、电、磁性能等。通过元素周期表得到周期性的规律预言未知发现的元素，强调科学家们锲而不舍的执着与坚持，正是认识到元素周期表具有的性质，掌握了化学变化中的规律，提取或合成出对人类有用的产品，造福人类。每一位大学生也要具备这种科研精神。
案例四：合金相与树立科研强国意识
教学内容：合金相
案例意义：
1. 通过学习合金的知识，培养学生要通过理论与实践相结合，具有科研强国的意识，为国家新材料的研发提供力量，提高祖国强大的科研能力。
2. 通过介绍前沿知识，展示我国自主科研成果，培养学生思维辩证能力。
教学内容：
合金：是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。合金相的分类：固溶体和中间相（依据合金组成元素及其原子相互作用的不同）。固溶体：是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型；中间相：如果组成合金相的异类原子有固定的比例，所形成的固相的晶态结构与所组元均不同，且这种相的成分多数处在A在B中溶解限度和B在A中的溶解限度之间，即落在相图的中间部位。固溶体性质——产生固溶强化：溶质原子的溶入使固溶体的强度和硬度升高。间隙固溶体的强化效果高于置换固溶体。
思政引入：
大家常见的铝合金可以在飞机上使用，并且质量很轻。镁合金在应用上属于低密度高强度的产品，镁合金材料的研究中国在国际上处于领先地位，全球第一本镁合金杂志《Journal of Magnesium and Alloys》由重庆大学创办，潘复生院士担任主编。从传统材料的迎头赶上到新材料的创新研发领先全球，从中理解坚定“四个自信”和弘扬爱国主义民族精神和改革创新时代精神的重要性。丁文江院士的引入激发学生努力奋斗，具备创新精神和工匠精神，辩证思维能力。
案例五：晶体缺陷与缺陷美
教学内容：点缺陷
案例意义：
1. 要学会辩证的看待事物的两面性，存在就是必然，学会利用缺陷，造就生活的美。
2. 培养学生具有辩证唯物主义-量变导致质变，说明晶体缺陷多了对晶体材料性能的不利。
教学过程：
点缺陷：在三维空间的各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，故称零维缺陷。包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子。离开平衡位置的原子有三个去处：1. 迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为肖特基缺陷；2. 挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位或间隙原子，称为弗仑克尔缺陷；3. 跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位。点缺陷会通过聚集，造成点缺陷的浓度升高形成塌陷。造成性能变化：①物理性能（如电阻增大，体积膨胀，密度减小）；②力学性能（屈服强度提高）。
思政引入：
事实告诉我们，残缺有时也是一种美。生活中断臂的维纳斯的美更是深入人心。人人都在追求完美，可现实中世事故难全，同学们，我们常说当上帝为你关上一扇门，必定为你打开一扇窗，每个人都不是完美的，不管你长的丑还是美，抑或天生就身体缺陷，请正视自己的不完美，做勇敢的自己，有一天或许你会发现正是你认为的缺陷却成了你事业的助力。点缺陷过多发生迁移时会形成大量空位的累积，产生塌陷，造成材料的性能发生变化，从而引出量变到质变的辩证唯物主义思想。
案例六：晶体缺陷与奉献精神
教学内容：晶体缺陷
案例意义：
1. 做任何事情都不可能一帆风顺，不管将来自己的成长路沙个有多少坎坷，但是只要认准了，就要努力做下去，终将会有别样的收获。
2. 培养学生运用马克思主义哲学辩证唯物主义观点看待事物与分析问题，提升辩证的理性思维能力，增强思想政治素养与人生自信。
教学过程：
位错是晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。刃型位错和螺型位错的特点及性质，位错的滑移是在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿伯氏矢量方向在滑移面上不断地作少量的位移（小于一个原子间距）而逐步实现的，结果导致永久形变。位错的攀移指在热缺陷或外力作用下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少。刃位错除了滑移外，还可进行攀移运动。攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。螺位错没有多余半原子面，故无攀移运动。
思政引入：
通过讲解我国晶体结构缺陷的先驱冯瑞院士在金属和氧化物晶体中缺陷的组态和起源上的研究对非线性光学晶体微结构化的贡献，讲述他为祖国科研事业跻身世界前沿而坚持创新、勇攀高峰的钻研精神，和面对问题迎难而上的勇气与精神，引发学生深入理解工程技术人员爱岗敬业和奉献精神，激发学生对课程、学科和科学研究的热爱，逐步养成严谨、认真的科研态度和大国重器的担当精神。通过晶体缺陷可提升反应活性位点，从而提升材料电催化的效率。如空位的构建、异类原子的掺杂等，均对材料的催化性能有影响。引入缺陷对于材料性能有可能提升，也有可能阻碍，强调事物发展的条件性与发生作用的相对性，用辩证唯物主义思维思考问题，有助于引导学生从内容与形式、本质与现象、现实与可能等范畴认识事物。
案例七：塑性变形与敢于向权威挑战
教学内容：塑性变形对材料性能的影响
案例意义：
1. 鼓励学生不因循守旧，要敢于向权威挑战，培养学生的创新精神。
2. 培养学生用创新的科学思维去看待传统的材料研究，激发学生的专业自豪感、学科归属感与人生价值认同感。
教学过程：
加工硬化：金属材料经冷加工变形后，强度（硬度）显著提高，而塑性则很快下降，即产生了加工硬化现象；其他性能的变化：物理性能和化学性能也发生一定的变化。如金属的电阻率增高，金属的电阻温度系数下降，磁导率下降，热导率也有所降低，铁磁材料的磁滞损耗及矫顽力增大。金属中的扩散过程加速，金属的化学活性增大，腐蚀速度加快。金属材料经塑性变形后的残余应力是不可避免的，它将对工件的变形、开裂和应力腐蚀产生影响和危害，故必须及时采取消除措施（如去应力退火处理）。有时残余应力的存在也是有利的，如承受交变载荷的零件，若用表面滚压和喷丸处理，使零件表面产生压应力的应变层，借以达到强化表面的目的，可使其疲劳寿命成倍提高。
思政引入：
中国科学院金属研究所卢柯院士课题组将晶粒为纳米尺度的铜放在室温下反复冷轧，塑性变形达到5100%，而不出现硬化现象。这是对传统变形机制的一个挑战。经过深入探索，他们发现致使纳米铜超塑延展的主要机制是大量的晶界滑移而并非点阵位错运动等，进一步深化了人们对材料变形过程本质机制的理解。这项研究成果发表2000年2月25日出版的《Science》上，被国际权威科学家认为是本领域的一次突破，并被评为2000年中国十大科技新闻。
案例八：线缺陷与材料的塑性变形
教学内容：线缺陷与材料的塑性变形
案例意义：
1. 有缺陷不可怕，重要的是学会利用缺陷。
2. 用辩证唯物主义思维来看待线缺陷，事物存在两面性，如何发挥其有用的一面。
教学内容：
随着变形度的增加，原来的等轴晶粒将逐渐沿其变形方向伸长。当变形量很大时，晶粒变得模糊不清，晶粒已难以分辨而呈现出一片如纤维状的条纹，称为纤维组织。纤维的分布方向即是材料流变伸展的方向。晶体的塑性变形是借助位错在应力作用下运动和不断增殖。随着变形度的增大，晶体中的位错密度迅速提高，经严重冷变形后，位错密度可从原先退火态的106~107cm-2增至1011~1012cm-2。
思政引入：
通过缺陷的讲解，告诉大家存在就是必然，事物都有两面性，没有绝对的好与坏，大家要学会辩证地看待问题，生活中不可能一帆风顺，当你发现你没有鞋穿时，回头看你会发现有的人还没有脚呢。任何时候不抱怨不放弃，作为新一代的大学生，更要把灾难当教材，与祖国共成长，这次疫情的到来，使很多人和地区遭受了灾难，但从这次疫情我国的快速应对高效解决，以及疫苗的普及，使中国在国际上的地位得到了认可，我们要时刻以作为中国人而骄傲。
案例九：反应扩散与量变和质变
教学内容：反应扩散
案例意义：
1. 从而激发学生树立一以贯之、久久为功的学习态度，培养学生善于思考问题，敢于创新的态度。
2. 用哲学思想理解量变到质变的转化，培养学生只有学习到了更多的知识才能在一定程度是思维发生一定的转变。
教学过程：
当某种元素通过扩散，自金属表面向内部渗透时，若该扩散元素的含量超过基体金属的溶解度，则随着扩散的进行会在金属表层形成中间相（也可能是另一种固溶体），这种通过扩散形成新相的现象称为反应扩散或相变扩散。纯铁在520ºC氮化时可由Fe-N相图分析形成新相，W（N）变化，形成新相不同。α相：N在α-Fe中的间隙固溶体WN<0.11%；γˊ相：以Fe4N为基的固溶体，WN=5.7～6.1%；ε相：ε-FexN，x=2～3，WN=7.8～11.0%。反应扩散特点：在相界面处产生成分突变，突变的浓度正好对应于相图相的极限溶解度。
思政引入：
反应扩散的本质就是扩散元素在基体材料的浓度变化引起的，对应于该相在一定温度下的极限溶解度。这就是量变导致了质变，材料的相发生了根本的变化。相界面上浓度的突变现象，体现了“量变到质变”的哲学思想。站在哲学的高度，引导学生增强自我管理能力，激励学生增强自信心。
案例十：位错密度与理论自信
教学内容：位错的生成
案例意义：
1. 理论基础的知识非常重要，但很枯燥无味，如何通过学习理论基础知识，使用这些知识来解决问题。
2. 培养学生对理论知识的掌握、理解、运用的能力，增强学生的理论自信，培养学生爱国主义和工匠精神教育。
教学过程：
（1）晶体生长过程中产生位错。其主要来源有：①由于熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先后凝固部分成分不同，从而点阵常数也有差异，可能形成位错作为过渡；②由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，致使生长着的晶体偏转或弯曲引起相邻晶块之间有位相差，它们之间就会形成位错；③晶体生长过程中由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以及冷却时体积变化的热应力等原因会使晶体表面产生台阶或受力变形而形成位错。（2）由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位，空位的聚集能形成位错。（3）晶体内部的某些界面（如第二相质点、孪晶、晶界等）和微裂纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中现象，当此应力高至足以使该局部区域发生滑移时，就在该区域产生位错。
思政引入：
金属材料的强度会随着位错密度单调增长，同时延展性随位错数目的增多而减弱的现象依然存在。但是通过改进合金组分和加工策略可以避免两种性质对立的局面。因此，如何在温和的加工过程中利用价格低廉的材料实现高位错密度下的高延展性是工业应用中亟待解决的问题。香港大学的黄明欣博士与北京科技大学的罗海文教授（共同通讯作者）发展了一种变形分区策略来解决上述问题。通过引入大量的可移动位错，研究人员成功地证明了提高位错密度能够同时提高材料强度和延展性。该工作以“High dislocation density-induced large ductility in deformed and partitioned steels”为题于2017年8月24日在线发表在Science上。从而培养学生的理论自信，通过使用基础理论知识来改变材料的性能。理解克服学习和工作中各种不如意对个人成长和成功的意义。
案例十一：晶界与对立统一规律
教学内容：晶界的特性
案例意义：
1. 找到晶体特性的主要矛盾和次要矛盾。从晶体学中我们看到，缺陷是广泛存在的，我们要客观认识到晶界存在的客观事实。如何利用晶界的特性进行材料使用性能之间的相互转化。
2. 培养学生能够通过唯物辩证法三大规律之一“对立统一”，认识到客观存在都是矛盾的统一体，事物内容矛盾是事物发展变化的源泉和动力。
教学过程：
（1）晶界处点阵畸变大，存在着晶界能。晶粒的长大和晶界的平直化都能减小晶界面积，从而降低晶界的总能量。（2）晶界处原子排列不规则，因此在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒愈细，材料的强度愈高，这就是细晶强化。（3）晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。（4）在固态相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动能力较大，所以新相易于在晶界处优先形核。原始晶粒越细，晶界越多，则新相形核率也相应越高。（5）晶界富集杂质原子，熔点较低，加热过程中容易引起晶界熔化和氧化，导致“过烧"现象产生。（6）与晶内相比，晶界的腐蚀速度一般较快。
思政引入：
讲解完晶界的各种特性，总结其原因：就是因为晶界上的能量较高，晶界上原子活性大，容易运动，而整体系统的能量是从高能量向低能量发展。晶界的特性体现了矛盾的同一性，晶体的完整性与缺陷相互依存；也体现了矛盾的斗争性，晶界的过渡发展导致材料的断裂。晶界的特性也体现了矛盾的普遍性，晶体中大部分存在晶界；也体现了矛盾的特殊性，单晶体内部没有晶界。晶界的特征也体现了矛盾的不平衡性，主要矛盾是晶界这个面缺陷，次要矛盾是产生的各种特性。
四、课程思政实施成效及学生反馈
课程组老师经过反复研讨，充分挖掘思政元素，努力使其润物无声地融入地课堂教学中，通过潜移默化的教学，在讲授知识的同时，培养学生树立正确的价值观、人生观和世界观。
通过问卷调查，通过《材料科学基础》授课内容的改革与“课程思政”元素的融入，学生表示本课程结合实际，能反映本学科的知识体系与发展，在掌握专业基础知识的同时，良好引导了学生在科研报国、创新精神、大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，同时也树立了学生正确的三观，极大地激发了学生在课外学习的兴趣。
