案例选登 |《材料科学与基础》三元相图章节课程思政案例

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课程简介

《材料科学基础》是材料类本科生的专业基础课，而三元相图是《材料科学基础》课程中的重要章节。三元相图即三元合金系统的相图。工业上所使用的金属材料，如各种合金钢和有色合金，大多由两种以上的组元构成，这些材料的组织，性能和相应的加工，处理工艺等通常不同于二元合金，因为在二元合金中加入第三组元后，会改变原合金组元间的溶解度，甚至会出现新的相变，产生新的组成相。因此掌握三元相图原理对于材料类学生构建材料科学基础知识体系尤为重要。

该章节课程通过介绍三元相图的基础知识，进而引出我们中南大学杰出校友、教授、中国科学院院士、国际知名相图研究专家金展鹏同志的事迹，增强学生们对相图学习和材料研究的热爱和自信心。

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课程教学目标

教学目标：

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引导学生通过学习了解金展鹏同志的事迹，了解相图特别是三元相图研究历程，从而深刻地掌握三元相图的基本知识。

课程思政目标：

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在学习三元相图知识的同时，引导学生体会老一辈科学工作者在新中国建立初期艰苦奋斗、不屈不挠、永不放弃的科学精神，加深对社会主义制度优越性的认识，引导学生严谨、认真的科研态度和大国重器的担当精神。

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课程教学实施方案

课堂导入

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通过播放自制的金展鹏同志的采访视频，把学生带入新中国相图研究的进展中，让学生有民族的自豪感。

教师讲解

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讲授三元相图的基础知识，介绍三元相图的特殊表述方法——等温截面，介绍等温截面中成分三角的表示方法。在成分三角构建三元等温截面的时候，老师列举金展鹏院士的事迹：

金展鹏首创了在一个试样上研究三元相图整个等温截面的“三元扩散偶－电子探针微区成分分析法”。国际上后来把它称为金氏相图测定法。该方法就是先把不同的金属粘合在一起，进行长时间的退火，使金属或合金相互扩散，在扩散组织之间达到局部平衡，然后用电子探针微区成分分析测定淬火后扩散偶试样中相界两侧的成分，就可得到一系列二元结线，依次连接的端点，从而得到整个相图。与常规相图测定方法相比，扩散偶方法具有工作少、热处理周期短等优点，其效率是常规方法的几十倍，并可用于研究任何固相等温截面。在实测高熔点金属相图时更为优越；如当时西德的一名教授与他同时研究W-Fe-Ni相图，该教授构筑一个截面用了52个试样，而金展鹏只用了1个试样。这也是国际相图界有名的“1:52”。

这一研究工作得到包括美国劳伦斯•利弗莫尔国家实验室（LLNL）、橡树岭国家实验室（ORNL）、加州大学、俄国科学院、莫斯科大学、英国皇家学会等国际同行的广泛采用。从而告诉同学们：相图测定的复杂性，以及我们在国际相图界的地位，从而提高学生的民族自豪感。

延伸阅读

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金展鹏同志的个人经历（课外阅读材料）：金展鹏，一位轮椅上的院士。虽然疾病摧垮了他健康的身体，仅留给他智慧的大脑，但这位因四肢瘫痪而卧床的老人却从未停止他攀登科学高峰，培养人才的“脚步”。瘫痪在床22年，他依然能将自己的科学探索之路演绎得如此精彩。

1938年11月金展鹏出生于广西荔浦县一个临街的白铁匠铺，在金展鹏6岁这一年，一家人的宁静祥和被彻底打破，1944年，随着日本人的入侵，金展鹏一家开始过上了四处逃亡的生活。在这段逃亡的日子里，一个信念开始在幼年的金展鹏心里扎下了根：祖国不强大就要被人欺负。抗日战争胜利后，金展鹏也到了上学的年龄，可是父亲的铺面没有了，靠着借来的钱和米，金展鹏读完了小学，进入中学。1955年，金展鹏从老家广西荔浦到桂林考大学，由于家境每况愈下，加上又多了个弟弟，家里已经拿不出钱给金展鹏坐车。高考结束后，凌晨5点，天还没亮，金展鹏一个人背起行囊悄悄离家了，他花了整整两天时间，一步一步走完整整104公里的路，如期进入考场。

这一年他考取了中南矿冶学院（中南大学前身之一）金相热处理专业。金展鹏除了认真学习材料科学的基础知识和基本理论外，还对材料科学中的相图理论产生了浓厚的兴趣。相图被称为材料科学的“地图”，对于指导材料设计起着重要作用。当时正处在“向科学进军”、“超英赶美”的年代。于是金展鹏立志要攀登材料科学中相图理论的高峰。1960年大学毕业后，他又继续读研究生，师从马恒儒教授，马教授曾经在黑板上画出了各种相图拓扑结构的演变情况，给金展鹏留下了深刻的印象。

二十年后，金展鹏和他的学生鲁晓刚编了一个相图教学软件，为包括NIST美国国家标准技术研究所在内的有关大学和研究单位的博士、博士后教学资料。在教学岗位上，金展鹏依然没有停止对相图的钻研。正由于相图对材料科学有着重要的指导作用，人们对相图的研究其实早在20世纪初就已经开始。但实际上，相图测定工作很困难，计算过程也极其繁琐，有人统计要构建三元系等温截面的一个角就需要8人年的工作量，这显然不能满足材料发展的需要。

1978年，经黄培云推荐，金展鹏到瑞典皇家工学院作访问学者，如果说，留校任教是金展鹏梦想的起点，那么，瑞典就是金展鹏梦想腾飞的地方。在这里，金展鹏遇上了他人生中的又一位好导师——著名的材料学家、瑞典皇家科学院院士马兹.希拉特(Mats Hillert)教授。希拉特严谨的研究作风，和蔼的音容笑貌给金展鹏留下了终身的影响。在瑞典的日子里，金展鹏就像一部发条拧得紧紧的机器，不停的运转。实验室人多，到周末才会有些空闲。而这个时候就是金展鹏发条拧得最紧的时候。他也因此常常忘了时间。每个月学院都会发电影票，但是他从未去过，他知道同事们看电影的时候就是实验室人最少的时候。

在瑞典的两年时间里，金展鹏在相图实验测量方面取得了突破性进展。德国一位科学家曾用52个试样测量出一个等温截面，金展鹏只用了一个式样测定出一个三元相图整个等温截面。这就是他首创的“三元扩散偶——电子探针微区成分法”，后被国际上称为“金氏相图测定法”，已被国外广泛采用。在去瑞典的第二年，金展鹏收到妻子生病的消息。妻子的颈部长了一个瘤，怀疑是恶性的，需要手术。女儿给金展鹏写信，希望这个时候父亲能陪在母亲的身边。但这个时候是金展鹏研究“扩散偶”最关键的时刻，他也深深明白，在瑞典仅剩的这些时间对他来说是多么的宝贵。他给同事刘锦文写了一封信，希望她帮忙照顾妻子。随后又投入到了工作中。

1981年，金展鹏回国前夕，导师马兹·希拉特对他说：“我知道你心里装着自己祖国，我希望你能用你学到的东西实现自己理想，为祖国做出卓越的贡献。

金展鹏回到北京机场时，从飞机上下来，他搬下来整整8大箱学术资料。许多年后的今天，仍然有人记得，金展鹏搬着8大箱资料挥汗如雨的场面。虽然这样的场景不可能再现，但那个鲜活的身影将永远留在人们心中。

回国后，金展鹏先后承担了一系列国家自然科学基金、国家超导攻关、以及国家“863”计划等重大项目。金展鹏有关相图测定及计算的研究1991年获国家自然科学三等奖（排名第一），动力学通道研究获国家教委科技进步二等奖（独立完成），粉末冶金基础理论研究获中国有色金属工业总公司科技进步三等奖。

1998年2月24日，已经在材料研究领域取得一系列标志性成果的金展鹏，应邀去作一个学术报告，刚走出家门，便觉得步履沉重。学生们赶紧将他送去医院，结果是严重的脊髓病导致他全身瘫痪，整个身体只有脖子能够动弹。饭要人喂，衣要人穿，看书要人翻页，大小便更不能自理！这样的状况，对一般人来说，活一天都难受，活一个月就不简单了，活一年，更非易事！

但金展鹏却在病魔如此肆虐横行的20年里，一刻都没有停止过教学，一刻都没有放弃对科学的探索和追求。他不仅以自己的科研成果被选为中科院院士，还高质量地培养了40多位博士、硕士研究生。

理性升华

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金展鹏同志的个人经历也是一部生动的新中国三元相图及材料科学的发展的纪录片，通过学习之后，结合三元相图的基础知识，同学们对三元相图的基本知识会有更深刻的印象。2015年底，当党中央、国务院做出建设世界一流大学和一流学科的重大战略决策后，金展鹏同志马上提出要从中华民族在历史的洪流中屹立不倒的高度来定位一流大学的目标和内涵。2018年1月9日，他的新作《坚定文化自信，创建一流材料制造学科群和新型产业链》在“中国科学院：学部通讯”期刊上发表。这个主题已经不局限于他的专业，而是关乎科学发展规律、关乎人才培养规律、关乎民族复兴的崇高伟业。他希望中国科学家在世界能发出自己的声音，构成自己的话语体系。

金院士的事迹深刻的向学生们传递了——活到老学到老的科研精神。他关心国家大事，认真学习贯彻中央精神，积极给党和国家建言献策、提供咨询报告。近十年来通过对材料制造与产业化发展规律的研究，阐明了中国材料制造发展路线的孕育过程、核心内容、中国特色、时代特征和科学基础；系统的提出了我国材料全面赶超的策略。他认为对材料组织演化理论的规律的理解和科学前瞻不仅是我们在材料制造科学技术的全面赶超的起点，而且是既能完成攻关任务又能赢得战略主动的理论根据；提出了创建一流学科和产业链与完成攻关任务的协调措施和操作建议。

2016年9月，他的一篇题为《论新材料与制造科学体系在高科技和产业化中的作用》的报告在“中国科学：技术科学”期刊上发表。2016年10月，国家科学思想库核心媒体期刊“中国科学院院刊”的战略与决策研究专栏发表了他的文章《走中国道路创建材料制造科学体系》，引起了科学家的共鸣。2018年8月又新发表了题为《论材料制造科学与产业链协调发展的中国道路——材料制造中国道路的基本特征》（学部通讯: 院士论坛，2018,8:32-39）的报告。一位美国同行来信说：“我花了很多时间反复阅读了您的文章，还要再读。您病卧床上，将近二十年不出国门，还对科学大势保持着如此清晰的洞察……我十分赞赏您的论证方法。”

教师在此基础上向学生介绍三元相图测定和分析的具体步骤及方法。结合以上金展鹏的事迹，对于学理解和掌握三元相图的基本知识应该可以提供足够的印象和思路。

加深印象

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课堂组织学生自由发言，发表个人对三元相图的理解以及对中国相图研究、材料科学研究的个人看法和期望。

通过学习身边的伟大的科学家故事，引发学生深入思考，激发学生对课程、学科、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，促进知识目标和课程思政目标共同达成。

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文字: 材料院 章立钢

编辑: 谢雨晨

审核: 金一粟