供稿|楊平

內(nèi) 容 導(dǎo) 讀

金屬學(xué)課程(現(xiàn)在一般稱為材料科學(xué)基礎(chǔ))中的知識點基本都源于國外材料、冶金、物理、化學(xué)等學(xué)科的科學(xué)家，我國科學(xué)家創(chuàng)建的成果較少。馮端先生上世紀(jì)50～60年代開展了金屬物理方面的研究，在位錯與晶界結(jié)構(gòu)的研究上做出了富有特色的成果。這些結(jié)果展示在他編著的國內(nèi)第一部《金屬物理》教學(xué)參考書中，該書對筆者早年金屬學(xué)原理課程學(xué)習(xí)產(chǎn)生過影響；馮端先生一生中出版的其它書籍對我們教師的教學(xué)過程也有很大的幫助。本文基于他在金屬物理方面的貢獻討論了對我們課程教學(xué)多方面的影響，其中也展現(xiàn)了我們課程前輩在教材編寫中的辛勤與貢獻，希望這些總結(jié)也對學(xué)生專業(yè)成長有所幫助。

馮端先生是我國固體物理學(xué)家，他們兄妹4人被稱為中科院第一名門[1]，其4個家庭中有3人是中科院院士。其中不是中科院院士的大哥馮煥是美國著名的通用電器(GE)公司的高級工程師，我們材料科學(xué)基礎(chǔ)(以下簡稱材科基)課程中的經(jīng)典人物H.Hollomon、D. Turnbull、J. Cahn，J. Fisher，I.Langmuir都來自通用電器。我校金屬物理專業(yè)創(chuàng)始人柯俊先生一家也有3名院士。馮端先生早期在金屬物理方面的科研與教研活動對我們課程教學(xué)產(chǎn)生影響，特別是他于1964年出版的我國第一部《金屬物理》專著(上、下冊)[2-3]，對我們產(chǎn)生深刻影響。

在我校，從1952年建校起就開設(shè)的《金屬學(xué)原理》課程現(xiàn)在是材科基課程，我校材料專業(yè)從2000年后為適應(yīng)時代發(fā)展，即兼顧各種材料的通性，將原來的金屬學(xué)原理教材及課程改名為材料科學(xué)基礎(chǔ), 加入更多的無機非金屬材料、高分子材料直至液晶材料的結(jié)構(gòu)、組織、制備及性質(zhì)方面的原理內(nèi)容，但教材及課程的主體還是金屬材料。

筆者講授材科基課程20多年了，一方面從早期的學(xué)生時代和后來的教師生涯都受到不少經(jīng)典專著、經(jīng)典教材及教學(xué)參考書的影響，馮端先生的《金屬物理》也是其中之一。我校自建校以來，金相與金屬物理專業(yè)，包括課程教學(xué)及研究，都是我校的特色之一。特別是以柯俊先生為代表的金屬物理方向的對外交往，基礎(chǔ)研究及教研在我校校史中都留下濃墨重彩的一筆。另一方面，在比較系統(tǒng)地查找了材科基課程中的知識點所涉及的經(jīng)典人物、經(jīng)典文獻后，感覺到絕大多數(shù)都是國外的專家，能在課程中直接體現(xiàn)的國內(nèi)材料大師的工作內(nèi)容很少，馮端先生早期金屬物理方面的研究及金屬物理一書給我們教學(xué)的一些指導(dǎo)值得分析討論。

本文首先簡介馮端先生的研究領(lǐng)域及人生境界，從宏觀層面討論他給我們樹立的榜樣，然后討論其所著的金屬物理經(jīng)典著作及對位錯的研究給我們的啟迪，特別是其將位錯理論研究成果融入教學(xué)、教材的案例；此外還分析了馮端等老一輩科學(xué)家研制并獲獎的國內(nèi)第一臺浮區(qū)區(qū)熔儀對課程教學(xué)的意義。本文的目的是從材科基教材與課程上尋找我國金屬物理大師的身影和對我們課程教學(xué)的推動作用，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)熱情及動力，更好地為國家建設(shè)做出貢獻，早日實現(xiàn)強國之夢。本文也分析了我們課程前輩潛心教學(xué)、鉆研教學(xué)的榜樣力量。中1982年國家獎的成果名稱為“晶體缺陷的研究”，他是我國晶體缺陷研究的先驅(qū)者之一。在國際上領(lǐng)先開拓微結(jié)構(gòu)調(diào)制的非線性光學(xué)晶體新領(lǐng)域。由于其杰出貢獻，經(jīng)國際小行星中心和國際小行星命名委員會批準(zhǔn)，中國科學(xué)院紫金山天文臺將國際編號為187709的小行星命名為“馮端星”。1997年其《凝聚態(tài)物理學(xué)高層次人才培養(yǎng)與研究實踐》獲國家教學(xué)成果獎一等獎，2003年其《材料科學(xué)導(dǎo)論—融貫的論述》獲國家教學(xué)成果獎二等獎。簡言之，物理學(xué)專業(yè)畢業(yè)的馮端先生的科研領(lǐng)域從早期的金屬物理學(xué)，過渡到固體物理學(xué)(即拓寬到無機非金屬材料)，再過渡到凝聚態(tài)物理學(xué)(包含了液晶等軟物質(zhì))。從其系列專著、編著中可清晰看出這個軌跡。據(jù)他回憶，南京大學(xué)1953年就設(shè)立了金屬物理教研室，1958年他擔(dān)任金屬物理教研室主任；1974年他將金屬物理教研室改名為晶體物理教研室，從而大大拓寬了物理學(xué)的研究載體。

馮端先生生平簡介、研究領(lǐng)域的拓展及其人生境界[1,4]

馮端先生(1923—2020)(見圖1)1946年畢業(yè)于中央大學(xué)(后更名為南京大學(xué))，獲學(xué)士學(xué)位并留校任教。他曾任固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室主任兼學(xué)術(shù)委員會主任，“863”項目“納米材料科學(xué)”首席科學(xué)家，中國物理學(xué)會理事長，并兼任國家自然科學(xué)基金委員會委員、《物理學(xué)進展》主編、《固體物理學(xué)大辭典》主編、《凝聚態(tài)物理學(xué)叢書》副主編等職。1980年當(dāng)選為中國科學(xué)院學(xué)部委員(院士)。20世紀(jì)50年代，馮端開始進行金屬物理學(xué)的研究，在應(yīng)用上，他針對國家國防工業(yè)的需求，選擇中國產(chǎn)量豐富而尖端技術(shù)極為需求的體心立方難熔金屬鉬、鎢、鈮等為突破口，開始晶體缺陷研究，研制成中國第一臺電子束浮區(qū)區(qū)熔儀，1964年獲國家計委、國家經(jīng)委和國家科委頒發(fā)的工業(yè)新產(chǎn)品二等獎，成功地制備出了鉬、鎢等單晶體。在理論上，創(chuàng)立了系統(tǒng)的浸蝕坑法顯示、定量化高熔點金屬的位錯結(jié)構(gòu)、組態(tài)的技術(shù)；在《物理學(xué)報》、《中國科學(xué)》等刊物上發(fā)表相關(guān)論文10余篇。1982年、2003年和2004年先后獲國家自然科學(xué)獎二等獎。其

圖1 馮端先生[1]

他與愛人相濡以沫的感情十分感人，他為愛人寫了60多年的情詩，留下其美好人生回憶并傳為佳話。如果想進入那美好的境界，可閱讀光明日報上的相關(guān)文章[4]。

馮端先生早期對位錯的研究及我國第一臺浮區(qū)區(qū)域熔煉儀的建造

馮端先生在60年代初期對體心立方金屬Mo、W單晶中的位錯類型[5]、位錯組態(tài)[5-6]、位錯密度及與小角度晶界的關(guān)系[7]開展了系統(tǒng)的研究。其中，他用浸蝕坑法確定了柏氏矢量為＜100＞的位錯類型(通常是＜111＞/2)[5]，文章題目見圖2(a)。用浸蝕坑法確定了小角度傾轉(zhuǎn)型晶界位錯結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系，見圖2(b)。其用浸蝕坑法研究位錯組態(tài)的文章發(fā)表在1963年《物理學(xué)報》上[6]，見圖3。

圖2 馮端先生在物理學(xué)報上發(fā)表小角度晶界與位錯模擬的標(biāo)題(a)及關(guān)系圖和相關(guān)數(shù)據(jù)(b)[5]

圖3 馮端先生的另一篇浸蝕坑法研究位錯的文章首頁(a)及不同組態(tài)的位錯圖像(b)[6]；

我們課上講了位錯的實驗觀察法，除了透射電鏡下薄膜中直接觀察法外，還介紹了Amelingckx的透明晶體NaCl的綴蝕法及浸蝕坑法。馮端先生將浸蝕坑法用的達到“爐火純青”的地步，解決了那么多理論問題，是個很好的教學(xué)案例。他將浸蝕坑法與他扎實的理論基礎(chǔ)結(jié)合，將描述小角度晶界上位錯密度、亞晶間取向差、界面法線的Frank公式、Amelingcks匯聚于一點的各傾轉(zhuǎn)亞晶界間取向差角之和為零的公式以及描述位錯能量的Read-Shockley公式加以論述，結(jié)合浸蝕坑法有效揭示并加以驗證。為我們講好這部分課程提供的幫助。馮端先生及時跟蹤、引用了1957年通用電氣公司的Holomon組織的國際晶體缺陷會議的論文集信息，F(xiàn)rank、Holomon和Amelingckx的照片在筆者論文[8]給出過。

硅鋼片的位錯浸蝕坑法確定晶粒取向曾是我們專業(yè)金屬學(xué)實驗課程的一項內(nèi)容，編在北京鋼鐵學(xué)院金相教研室校內(nèi)實驗指導(dǎo)書中，作為可選實驗內(nèi)容，這本講義直到現(xiàn)在仍在材科專業(yè)《材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗講義》中，可見老一輩教研室老師為更好訓(xùn)練學(xué)生的動手能力，精心準(zhǔn)備實驗內(nèi)容。但由于種種原因，后期并沒有實際上過此實驗課。筆者從事取向硅鋼研究中對這種簡易實用的方法很有體會，早期這項技術(shù)非常方便，也在很多早期文獻中講過使用過。但隨著電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)在上世紀(jì)90年代的應(yīng)用，實現(xiàn)了精準(zhǔn)、快速的定量化過程，浸蝕坑法就顯得過時了。

馮端團隊的國內(nèi)第一臺浮區(qū)區(qū)熔儀設(shè)備的研制工作主要是由與馮端院士一起工作的閔乃本院士完成[9]，該設(shè)備的研制成功，解決了國家在國防領(lǐng)域制造、使用高熔點體心金屬單晶的重要需求，因此在1964年獲得了國家計委、國家經(jīng)委、國家科委工業(yè)新產(chǎn)品二等獎。這是典型的應(yīng)用型研究，上一節(jié)位的錯理論就是在這些設(shè)備制作的單晶Mo材料的研究成果，具有理論和應(yīng)用的雙重意義，也是我們講授凝固一章區(qū)域熔煉技術(shù)時的一個展示我國科學(xué)家成果的案例。我們在講授區(qū)域熔煉基本含義及其與定向凝固方法的差異外，僅講授其區(qū)域提純的作用，只提到美國Bell實驗室的Pfann于1951年發(fā)明區(qū)域熔煉方法用于半導(dǎo)體材料的提純，未強調(diào)其制備單晶體的作用；制備單晶的方法一般提及利用仔晶定向生長的Bridgeman方法和臨界形變加再結(jié)晶退火的方法，還應(yīng)補充說明其制備單晶的功能，包括如何解決制備出的單晶內(nèi)含亞晶界及大量位錯等不希望出現(xiàn)的晶體缺陷的問題。綜上是理論、應(yīng)用、教學(xué)有機結(jié)合的我國科學(xué)家工作的案例。另外，葛庭燧先生也用區(qū)域熔煉法制備的單晶進行內(nèi)耗研究。將不同制作單晶的方法、國外、國內(nèi)的名人應(yīng)用組合起來講解是個提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的不錯的案例。

馮端先生的金屬物理一書對我們課程學(xué)習(xí)的影響

馮端先生將這些位錯研究成果及時編入其在國內(nèi)出版的第一部金屬物理專著，該書上下冊封面見圖4。這套書籍既是教學(xué)參考書，也是專業(yè)技術(shù)人員的參考書。如其在該書序言中提到的，該書是在他多年講授金屬物理課程所用的書籍基礎(chǔ)上編輯出版的。馮端先生的金屬物理上冊是1964年出版，其序言是1962年的。可見從實驗數(shù)據(jù)的獲得，到文章發(fā)表和數(shù)據(jù)編入《金屬物理》一書幾乎是同一時間。圖5給出《金屬物理》上冊[2]中引用該位錯成果的頁面。表明他能將科研成果及時引入自己的教學(xué)中去，并進入教學(xué)參考書，走入課堂，即任課教師教學(xué)與科研高度結(jié)合。

圖5 《金屬物理》上冊晶界一章中該成果的引入[2]，與圖2(b)相同。

我們課程的前輩，首屆國家級教學(xué)名師余永寧教授編寫出版的《金屬學(xué)原理》教材[10]，經(jīng)過至少十多年的反復(fù)補充、修改，2000年正式出版，他將這組數(shù)據(jù)“轉(zhuǎn)變”為界面一章考查學(xué)生綜合能力的一個習(xí)題，見圖6。因我們教材中并沒有講Amelingckx提出的匯聚一點的各傾轉(zhuǎn)晶界夾角守恒公式(Σθi=0，θ是傾轉(zhuǎn)晶界兩側(cè)晶粒間的夾角)，但該公式基本不需超過2～3步的推導(dǎo)就可證明。筆者不禁在贊嘆馮端先生親自完成的金屬物理基礎(chǔ)研究的論文數(shù)據(jù)及時編入教學(xué)參考書和進入南大的課堂教學(xué)之時，也敬佩我們課程前輩余老師當(dāng)初編寫教材時能采納這組數(shù)據(jù)，同時將該公式與馮端先生的實驗數(shù)據(jù)結(jié)合，并經(jīng)過進一步調(diào)整，編成一道綜合習(xí)題，這在教材編寫上很富有創(chuàng)新性和特色。因為這里不僅體現(xiàn)了小角度傾轉(zhuǎn)型晶界的結(jié)構(gòu)模型是位錯，亞晶間取向差角度與位錯密度有定量關(guān)系；位錯可以通過簡易的浸蝕坑技術(shù)方便地浸蝕出來，從而提供了定量的可行性；同時拓展了單個小角度晶界取向差角精確測量時難度大，但巧妙地利用三叉點晶界處3個小角度晶界取向差θi之和是0的特性，分別測出的三個亞晶界的取向差角值，其和應(yīng)相互自洽，為0，從而驗證Σθi=0的關(guān)系，真是一個有創(chuàng)意的教學(xué)案例。這個案例是我們課程前輩潛心教學(xué)、編寫教材及創(chuàng)造“習(xí)題”的真實寫照。

圖6 余永寧編著《金屬學(xué)原理》界面一章習(xí)題[10]，引用馮端先生的數(shù)據(jù)及Amelingckx公式，見圖5式(6.16)。

馮端先生的《金屬物理》一書是我們學(xué)生時期學(xué)習(xí)金屬學(xué)常參考的書籍。77級作為文革后第一批高考入校的學(xué)生，都非常珍惜學(xué)習(xí)的機會，對專業(yè)基礎(chǔ)課《金屬學(xué)原理》非常重視，除了教材之外(當(dāng)時沒有出版的正式教材，而鋼院金屬學(xué)教材常常處在不斷更新內(nèi)容的狀態(tài)，難度大已是教材及授課的傳統(tǒng)了)，大家總是設(shè)法到圖書館借閱各種相關(guān)的參考書籍，那時沒有計算機檢索設(shè)備，只能在圖書館借書臺外面書卡架中小抽屜內(nèi)的書卡片中去尋找，常常找到了合適的書名，填了索書條，又被告知書早被借走了。因校內(nèi)借不著此書，筆者就利用在北大經(jīng)濟學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)的姐姐幫助借閱這套書，心中很是高興，北大的物理系有金屬物理教研室，柯俊先生曾在那里兼磁學(xué)與金屬物理教研室副主任，并講授金屬物理課程[11]?？傮w感覺是，這套書的內(nèi)容編排與我們教材顯然不一致，難度也高于我們的課程，有不少抽象的公式。學(xué)生時代看這些參考書，很少看書的前言，序言，只看目錄，找到不明白的概念在書中所處的位置，讀讀看看是否幫助理解了這些概念?，F(xiàn)在看，這套書是基于馮端先生給南京大學(xué)物理系金屬物理課的講義而改寫的，希望既可作為高校金屬物理課程的教學(xué)參考書，也供專業(yè)研究工作者參考。同時該書前言中還提到，假定讀者在閱讀本書之前，已掌握金屬學(xué)及X射線晶體學(xué)的基礎(chǔ)知識，對我們來說，這樣自然內(nèi)容偏深，不可能全看懂；因為我們正在學(xué)的就是金屬學(xué)，而X射線晶體學(xué)是在材料分析方法課內(nèi)的，稍晚于金屬學(xué)課程。但畢竟有些對概念，現(xiàn)象的描述與我們教材描述的風(fēng)格不同，對更好理解知識點，拓展思路很有幫助。圖4(a)為這套書的封面，圖4(b)是近期作者借閱的這套書的扉頁，感覺上面包含了更多的“滄?！?，有鋼院印章，出版年限，借閱者編號。上冊是1964年出版的，下冊是1975年出版的，但下冊在1965年已成稿，因文革而耽誤。

圖4 馮端先生編著的國內(nèi)第一套《金屬物理》叢書封面(a)和扉頁(b)[2-3]

馮端先生的科研及教學(xué)對我們授課教師的啟示

作為教師，對馮端先生授課及著書方面印象很深，他幾乎講授了南大物理系所有的理論課和實驗課，廣泛閱讀很多國內(nèi)外經(jīng)典文獻，因此積累了豐富的知識，為進一步拓展新的研究領(lǐng)域打下基礎(chǔ)?！督饘傥锢怼芬粫瞧?2歲開始編寫的書，被稱為我國金屬物理方面的“圣經(jīng)”。他在閱讀國外名著時都進行了自己的評判，特色是什么，不足在哪里。例如，他在上世紀(jì)50年代末對英國伯明翰大學(xué)Cottrell教授于1949年出版的經(jīng)典之作《理論結(jié)構(gòu)冶金學(xué)》和德國哥廷根大學(xué)Masing教授1950年出版的經(jīng)典教科書《通用金屬學(xué)教材》的一段評語[12]，見圖7。他說Cottrell教授的這本書是金屬物理的開山之作，觀點新穎，富獨創(chuàng)性；問題是起點低，遷就冶金系學(xué)生，內(nèi)容偏簡略。而Masing教授的那本書脫胎于傳統(tǒng)金屬學(xué)，是優(yōu)秀的教科書，它得益于Lücke的參與和修訂，使之觀點現(xiàn)代化了，但因是德文，流傳不廣。當(dāng)時國內(nèi)流行的是譯自俄文的《金屬學(xué)的物理基礎(chǔ)》，觀點陳舊，章節(jié)出自多人之手，連貫性不足。這些都發(fā)生在我們課程及學(xué)校專業(yè)歷史教學(xué)演變之中。雖然筆者一直沒有讀過Lücke教授編寫的教材，這個評價也是對他對教材編寫的一個貢獻，我們專業(yè)課教師就應(yīng)該一直保持教學(xué)與科研的緊密結(jié)合，讓教材具有時代性。

圖7 馮端在上世紀(jì)50年代末在金屬物理教材編寫上對國外經(jīng)典文獻的看法[12]

隨后他在1980年又組織編寫了四卷本的《金屬物理學(xué)》，實際上上升到了固體物理學(xué)。到了2005年，他又組織編寫了《材料科學(xué)導(dǎo)論—融會貫通的論述》一書，再次實現(xiàn)拓展，將金屬、無機非金屬、聚合物納入一個體系。這本教學(xué)參考書獲得2005年國家教學(xué)成果二等獎。比如從金屬物理轉(zhuǎn)向晶體物理，再向凝聚態(tài)物理(包含液晶類軟物質(zhì))，達到“高瞻遠(yuǎn)矚”的境界。這本書也成為筆者編寫教材的參考書之一。此外，他還出版了很多科普讀物。因此，作為教師，既能寫的深入，系統(tǒng)，又能深入淺出，通俗易懂，這些應(yīng)作為我們努力的方向。

最后應(yīng)該提及的是我國擁有一大批金屬物理大師，柯先生于1956年建立了我國第一個金屬物理專業(yè)[11]，馮端先生所在的南京大學(xué)物理系金屬物理教研室(專門化)在1953年成立[13]；類似地，武漢大學(xué)物理系金屬物理專門化在1954年得到高教部批準(zhǔn)，由周如松教授負(fù)責(zé)，1956年第一屆金屬物理專門化學(xué)生畢業(yè)[14]。葛庭燧先生1951年就在清華大學(xué)開設(shè)了金屬物理課程[15]，是新中國最早的金屬物理課。圖8是柯先生與馮端先生于1996年一同獲得中國材料研究學(xué)會的成就獎的照片[16]，以表彰柯俊先生與馮端先生在材料研究中做出重要貢獻，給他們頒獎的是材料大師師昌緒先生。

圖8 1996年11月，師昌緒先生(左)為柯俊、馮瑞頒發(fā)中國材料研究學(xué)會成就獎[16]。

結(jié)束語

1)被稱為中科院第一名門的馮家雖然是貧困之家，卻走出三位院士，為我們樹立了學(xué)術(shù)典范。其中馮端先生作為我國材料大師的學(xué)術(shù)成就、人生境界、教書育人給我們樹立了具體形象的榜樣。

2)馮端先生出版的我國第一部《金屬物理》上、下冊對筆者學(xué)生時代的學(xué)習(xí)及教師生涯產(chǎn)生了特殊影響。其博覽群書、分析點評的歷史記錄也給我們教師上了堂相關(guān)的歷史課程，引導(dǎo)著我們不斷回味、重現(xiàn)當(dāng)年他們與國外大師的交往。

3)馮端先生早期對位錯的基礎(chǔ)研究給我們留下深刻印象；他確定了體心金屬高溫形變時存在特殊的柏氏矢量為＜100＞的位錯類型；用簡單實用的浸蝕坑法確定了三叉小角度晶界三個角度之和為零的守恒關(guān)系；同時展示了位錯網(wǎng)絡(luò)成為教學(xué)的典型案例。特別是其相關(guān)數(shù)據(jù)成為我們教材中的一個綜合能力訓(xùn)練的習(xí)題，顯示了我們課程老一代教師潛心鉆研教學(xué)的教書育人典型案例。

4)馮端先生早期獲得國家級科技成果獎的浮區(qū)熔煉法(區(qū)域熔煉)技術(shù)，其提純與制作單晶的雙重功能也可作為一個典型案例幫助學(xué)生加深概念理解和科技報國觀念的樹立。