一、本專業教育的歷史、現狀及發展方向
1．本專業的主幹學科概況及歷史沿革
本專業的主幹學科是材料科學與工程學科。
在人類社會的發展過程中，材料的發展水平始終是時代進步和社會文明的標誌，人類文明的發展史，就是一部如何更好地利用材料和創造材料的歷史。同時，材料的不斷創新和發展，也極大地推動了社會經濟的發展。在當代，材料和能源、信息是構成社會文明和國民經濟的三大支柱，新材料、信息技術、生物技術並列為新技術革命的重要標誌，其中新材料更是科學技術發展的物質基礎和技術先導。
材料科學與工程學科建立於20世紀60年代初期，現已發展成為一門完整的獨立學科，它是一門實用的、直接的科學與技術，不同於抽象的衍生的科學。從某種意義上來說，材料科學與工程是以90多種元素為初始原料，從理論研究、應用，到製造成為人類需要的、有價值的新物質的一個科學技術領域。它橫跨對微觀世界（≤0.1mm）的探索到宏觀的製造、性質和應用，是連接材料基礎研究和工程應用的橋梁。
材料教育和人才培養是材料科學研究和生產應用賴以發展進步的基礎。材料科學與工程學科的本科專業涵蓋金屬材料工程、無機非金屬材料工程、高分子材料與工程、材料物理、材料化學等二級學科專業，及綜合性的材料科學與工程專業。材料科學與工程的定義是：研究有關金屬、無機非金屬、有機高分子等材料的組成/結構、測試/表徵、製備/合成、性能/應用四要素及其關係的科學技術與生產。四要素貫穿於每個單一材料之中，也貫穿於材料教育的整個過程中。對材料基本四要素的認識和理解要有動態的觀念，四個要素的說明和控制應放在更高、更深的層次，即從原子尺度來闡述和控制。材料的結構與成分著重於研究包括原子的類型及所觀察尺度範圍內原子的排列組合；材料的合成與加工則使原子（原子團）、分子可得到特定的排列組合；而由不同原子（原子團）、分子及其排列組合所得到的材料具有所需的使用性能；對材料性能的各種測試技術和微觀層次上的表徵技術構成了材料科學的重要組成部分。四要素是一個整體，內部有機聯繫是其核心與活力所在。
我國的材料教育經歷了四個發展階段，材料科學與工程教育的形成和發展過程正遵循著從寬廣到細分又從細分到綜合的科學發展普遍規律，也體現了社會需求與材料科學與工程學科專業結構、人才素質之間的相互作用關係。
新中國成立之前，受當時材料研究和生產水平的限制，我國高等學校材料教育主要是培養礦冶人才。這一時期材料學科教育的突出特點是不劃分專業，教學內容包括採礦、選礦、冶金、材料等內容，是一種寬領域培養模式。
新中國成立初期，由於工程人才極其缺乏，加之受計劃經濟體制制約和蘇聯高等教育人才培養模式的影響，專業人才的培養目標主要是為行業培養通曉某一專業技術的工程技術人才，培養畢業後能夠立即到國營工業領域擔任設計、施工、運行等事業性工作的工科人才。在此後20多年裡，我國材料類專業劃分很細，材料科學技術人才被分割在矽酸鹽工程、水泥、玻璃、陶瓷、無機非金屬材料、建築材料、電子材料及元器件、鋼鐵冶金、有色冶金、粉末冶金、金屬材料及熱處理、高分子化工、塑料工程、橡膠工程、化學纖維、高分子材料、複合材料、材料物理、材料化學等20多個專業內培養，在當時計劃經濟體制下，從招生到分配均由國家統一計劃安排，培養的學生多能在對口行業（或工種）工作並能較快適應崗位。
改革開放以來，隨著我國經濟建設和科學研究的飛速發展，材料科學與工程學科的迅速發展和不斷完善，幾大類材料之間呈現出更多的內在聯繫和共性，各種新材料的大量湧現和廣泛應用，各學科之間相互交叉和滲透，及國外先進的教育模式的影響，推動著我國材料科學技術及人才培養進入了新的發展時期。在以單一材料進行高等專業教育的基礎上，出現了材料科學與工程專業。20世紀90年代，隨著我國經濟體制從計劃經濟向市場經濟轉軌，從拓寬專業口徑出發，教育部將我國高等學校原20多個工科材料類本科專業整合為冶金工程、金屬材料工程、無機非金屬材料工程和高分子材料與工程等四個二級學科專業，並提出了綜合性的材料科學與工程引導性專業，在理科方面則設置了材料物理和材料化學兩個專業，進一步推動了我國材料科學與工程教育的改革與發展，為探索與形成有中國特色的材料高等教育培養模式開創了新的局面。1994年我國高等學校中設有材料類專業的學校為144所；2003年增至200餘所，招生人數20300人，在校人數達73300人。其中，材料化學專業的招生人數及在校生人數分別為2230、5826，材料物理專業的招生人數及在校生人數分別為1420、4253。
2.主幹學科的方法論介紹
材料科學與工程的任務在於針對實際需要，使宏觀微觀緊密結合，在原子/分子的層次上將成分/組織的設計與合成加工綜合起來，通過合成與加工過程的精確控制，有效地安排與控制原子/分子的特定排列組合，達到控制組織結構，控制形狀進而達到所需的使用性能。
總的來說，今天的材料科學與工程是一個完整的獨立的學科，而不是多個學科簡單的疊加；它是「材料」，而不僅僅是「金屬」、「陶瓷」或「高分子」；它面向材料四要素，尤其是著重於它們之間的關係，而不是某一要素。
材料科學與工程的研究領域與純科學研究領域（如物理、化學、生物等）及與某些專業工程研究領域（如化工、機械、土建電子等）都會有重疊，而且應該鼓勵與這些學科的合作和交叉研究。與純科學的區別在於，我們傾向於把視野放在真實材料和與工業的相關性上，而且著重於四要素間的關係，最終歸於「使用」上；與化工的區別在於組織-性能關係上的特色及跨越各類材料的廣度；與機械工程的區別在於其著眼於材料的內部組織及成分—組織—性能間的關係。
材料的研究要求材料科學家要對材料從合成到服役的全過程進行綜合性的研究。除了化學家和物理學家所關心的問題以外，材料科學家還應該特別重視材料在製備過程中的重現性和材料品質的一致性等非常重要的實際問題。一個材料科學家應該既能和化學家一起深入地進行材料的合成與製備方面的研究，又能和物理學家一起進行材料的結構和性能關係的研究。一個好的材料科學家會被物理學家認為是化學家，被化學家認為是物理學家，被科學家認為是工程師，被工程師認為是科學家。
因此，材料科學與工程學科綜合性人才規格為：既有厚實的數學、物理、化學及材料學科基礎知識，又有工程設計、計算機運用能力，有寬廣的專業知識面，具有運用所學知識解決實際問題的能力，不斷獲取和理解新知識的能力，實驗動手能力和創新能力。
材料科學與工程學科的形成與發展有著內在的、深刻的原因。材料研究涉及到多種學科。以往，材料研究是分散在不同的學科中分別進行的，由於各學科本身的限制，以及從事研究的科學家和工程師本身的理論基礎、經驗和方法的限制，這些研究常常只側重於某一類材料或材料某一方面的問題，缺少對材料進行多學科、多方面的綜合性研究，以致對材料從製備到應用中的許多複雜問題，如材料製備過程中的一致性和重現性，材料在使用中的可靠性等非常重要的問題認識不深，重視不夠，長期得不到妥善滿意的解決，影響了許多新材料進入實際應用。材料科學與工程學科便是在這一背景下應運而生的。
正是由於以上的背景，材料科學與工程自形成獨立的學科以來，較為側重於對新材料或先進材料進行多學科的綜合性研究。現在，許多國家和地區的材料研究學會在年會上均選擇二三十個材料科學發展前沿方面的專題進行交流，每年吸引了大批不同學科的專家聚集在一起，從多方面、多角度地對這些前沿課題發表意見，交換經驗，大大促進了這些領域的研究工作。
3.本專業的相關學科及影響本專業教育的因素
從研究基礎及與專業應用領域相關聯的角度出發，材料物理的相關學科包括化學、物理、機械、電子電工、計算機科學與技術以及生物和生命科學等學科。
現代科學技術發展的特點是，一方面學科呈現出多科性，新興學科不斷湧現；另一方面，學科發展又呈現出高度綜合的趨勢，交叉學科和邊緣學科層出不窮。學科交叉的形式可以多種多樣，如材料科學與固體物理學、電子學、光學、聲學、化學、數學與計算科學等許多基礎學科有著不可分割的關係，這些學科的發展，以及現代分析測試技術的發展，對物質結構和物性的深入研究，推動了對材料本質的了解；同時，冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子等科學的發展也對材料本身的研究大大加強，從而對材料的製備、結構與性能，以及它們之間的相互關係的研究愈來愈深入，為材料科學與工程的形成打下了堅實的基礎。另外，材料科學與工程技術也有不可分割的關係。材料科學是研究材料的組織結構與性能之間的關係，從而發展新材料併合理有效地使用材料。但材料要能商品化，需要經過一定經濟合理的工藝流程才能製成，這就是材料工程。反之，工程要發展，也要研製出新的材料才能實現。因此，材料科學與工程專業和工程技術是相輔相成的。
材料科學與工程學科是由過去形成的一些獨立學科如冶金、陶瓷、高分子、複合材料等聚合而成，它和物理、化學等一些學科有著非常密切的關係，在許多情況下幾乎難以區分，所以材料學科是多學科性的。20世紀後期，由於材料的應用越來越廣泛，並滲透到各行業，許多領域都與材料的製備、性質、應用等密切相關，使得材料成為機械、電子、化工、建築、能源、生物、冶金、交通運輸、信息科技等行業的基礎，並與這些相關學科交叉發展。所以，材料學科與其他學科的交叉是一個必然趨勢，也是材料學科發展的一個重要特徵。
二、本專業培養目標和規格
1.本專業培養目標
本專業培養具有正確政治思想、良好的道德品質、健康的體魄、健全的心理素質，較系統地掌握材料科學的基本理論與技術，具備材料物理相關的基本知識和基本技能，能在材料科學與工程及其相關領域從事研究、教學、科技開發及相關管理工作的材料物理高級專門人才。
2．本專業人才培養規格
按研究型規格培養四年制理學學士或工學學士。對於實行彈性學制的學校，學制可以是3至8年。
（1）素質結構要求
思想道德素質：包括政治素質、思想素質、道德品質、法制意識、誠信意識、團體意識；
文化素質：包括文化素養、文學藝術修養、現代意識、人際交往意識；
專業素質：本專業學生主要學習材料科學方面的基本理論、基本知識和基本技能，受到科學思維與科學實驗方面的基本訓練，具有運用物理學和材料物理的基礎理論、基本知識和實驗技能進行材料研究和技術開發的基本能力。畢業生應獲得以下幾方面的知識和能力：
a.掌握數學、物理、化學等方面的基本理論和基本知識；
b.掌握材料製備（或合成）、材料加工、材料結構與性能測定及材料應用等方面的基礎知識、基本原理和基本實驗技能；
c.了解相近專業的一般原理和知識；
d.熟悉國家關於材料科學與工程研究、科技開發及相關產業的政策、國內外智慧財產權等方面的法律法規；
e.了解材料物理的理論前沿、應用前景和最新發展動態，以及材料科學與工程產業的發展狀況；
f.掌握中外文資料查詢、文獻檢索以及運用現代信息技術獲取相關信息的基本方法；具有一定的實驗設計，創造實驗條件，歸納、整理、分析實驗結果，撰寫論文，參與學術交流的能力。
（2）能力結構要求
獲取知識的能力：包括自學能力、表達能力、社交能力、計算機及信息技術應用能力；
應用知識能力：包括綜合應用知識解決問題能力、綜合實驗能力、工程實踐能力、工程綜合能力；
創新能力：包括創造性思維能力、創新實驗能力、科技開發能力、科技研究能力。
（3）知識結構要求
工具性知識包括：外語、計算機及信息技術應用等方面的知識；
人文社會科學知識包括：哲學、思想道德、政治學、法學、心理學等方面的知識；
自然科學知識包括：數學、物理學、化學等方面的知識；
工程技術知識包括：工程製圖、工程設計基礎、電工電子學等方面的知識；
經濟管理知識包括：經濟學、管理學等方面的知識；
專業知識包括：材料的組成與結構、材料的測試與表徵、材料的製備與合成、材料的性能與應用的基本理論、基本方法和基本實驗技能。
三、本專業教育內容和知識體系
1．本專業人才培養的教育內容及知識結構的總體框架
（1）本專業人才培養的教育內容及知識結構設計的理論依據
根據高等院校理工科本科專業人才培養模式，專業人才的培養要體現知識、能力、素質協調發展的原則。要設計適當的知識體系為載體來進行能力培養和素質教育，要強化知識結構的設計與建設，使每一個知識模塊構成一個適當的訓練系統。
（2）本專業人才培養的教育內容及知識結構的總體框架
按照頂層設計的方法，理工科本科專業教育內容和知識體系由普通教育（通識教育）內容、專業教育內容和綜合教育內容三大部分及15個知識體系構成：
普通教育內容包括：①人文社會科學，②自然科學，③經濟管理，④外語，⑤計算機信息技術，⑥體育，⑦實踐訓練等知識體系；
專業教育內容包括：①相關學科基礎，②本學科專業，③專業實踐訓練等知識體系；
綜合教育內容包括：①思想教育，②學術與科技活動，③文藝活動，④體育活動，⑤自選活動等知識體系。
2．構建知識體系
知識體系由知識領域、知識單元和知識點三個層次組成。一個知識領域可以分解成若干個知識單元，一個知識單元又包括若干個知識點。知識單元又分為核心知識單元和選修知識單元。核心知識單元提供的是知識體系的最小集合，是該專業在本科教學中必要的最基本的知識單元；選修知識單元是指不在核心知識單元內的那些知識單元。核心知識單元的選擇是最基本的共性的教學規範，選修知識單元的選擇體現各校的不同特色。材料科學與工程四大要素的內容分散在以材料為載體的個各知識點中。
（1）專業知識體系一覽
相關學科基礎：化學、 物理、電工與電子、力學；
本學科專業：材料科學、材料工程、材料表徵與測試、材料製備與成型加工；
專業實踐訓練等知識體系：專業實驗、專業實習、課程設計、畢業論文（畢業設計）。
（2）知識體系的知識領域
化學：無機化學、有機化學、分析化學、物理化學（含結構化學）；
物理學：力學、熱學、電磁學、光學；
機械：工程圖學、機械設計基礎；
電工與電子：電工學、電子學；
力學：理論力學、材料力學；
材料科學：材料科學基礎、固體物理、材料概論、材料性能學；
材料工程：三傳基礎、材料製備與成型加工、材料表徵與測試。
（3）本專業各知識領域包含的核心知識單元及應選修的知識單元
Ⅰ.量子與統計物理
1.量子力學的起源——薛丁格波動方程
（1） 量子力學的起源和粒子的波動二象性
（2） 一維薛丁格波動方程
（3） 一維無限深勢井和方勢井及其半導體超晶格
（4） 線性諧振子和原子振動
（5） 量子隧道效應
2.量子力學的基本概念
（1） 基本量子力學量的算符
（2） 哈密頓算符和測量的關係
（3） 測不準原理
（4） 量子態和力學量的表象
（5） 離散體系中量子力學的矩陣表達
3.三維量子力學運動方程和氫原子結構
（1） 角動量算符和本徵函數
（2） 電子自旋及其描述
（3） 氫原子結構
（4） 全同粒子體系和多電子原子結構
4.微擾論和量子躍遷
（1） 定態微擾論
（2） 外加電、磁場下的原子結構
（3） 躍遷概率的微擾論公式
（4） 共振躍遷和選擇定律
5.近獨立粒子系的最可幾分布
（1） 經典力學中運動狀態的描述
（2） 量子力學中運動狀態的描述
（3） 系統微觀狀態的描述
（4） 等機率原理
（5） 分布和微觀狀態
（6） 玻耳茲曼分布、玻色分布和費米分布
（7） 三種分布的關係
6.玻耳茲曼統計
（1） 熱力學量的統計表達式
（2） 理想氣體的物態方程
（3） 能量均分定理
（4） 理想氣體的內能和熱容量
（5） 理想氣體的熵
（6） 負溫度狀態、順磁性固體等
7.玻色和費米統計
（1） 玻色、費米分布的熱力學公式
（2） 弱簡併玻色氣體和費米氣體
（3） 光子氣體、玻色-愛因斯坦凝聚
（4） 金屬中的自由電子氣體
（5） 聲子氣體
（6） 簡併理想費米氣體簡例：熱電子發射
8.系綜理論
（1） 系綜理論的基本概念
（2） 微正則系綜及其熱力學公式（舉例：單原子理想氣體）
（3） 正則系綜和及其熱力學公式（舉例：實際氣體物態方程、固體的熱容量等）
（4） 巨正則系綜及其熱力學公式（舉例：吸附現象）
（5） 三種系綜理論的應用比較
Ⅱ.固體物理
1.固體結構
（1） 晶體的鍵合（離子鍵、共價鍵、金屬鍵和範德瓦爾斯鍵）
（2） 晶格結構測定與衍射
（3） 倒易點陣與布裡淵區
（4） 非晶體和準晶體的結構
（5） 軟物質：液晶和凝膠的結構
2.晶體振動和固體熱性質
（1） 晶格動力學（晶格振動與聲子的色散關係、聲子能譜的測定）
（2） 固體熱性質（固體比熱容的愛因斯坦模型、德拜模型）
3.固體電子理論
（1） 自由電子費米氣體
（2） 能帶理論和能帶計算
（3） 金屬中的費米面
4.固體的電性質：輸運過程
（1） 能帶電子的輸運過程、導體
（2） 半導體的能帶結構
（3） 超導體
5.固體的磁性
（1） 固體磁性的量子機制
（2） 抗磁性與順磁性
（3） 鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性
（4） 磁疇和鐵磁材料
6.固體的介電性質和光學性質
（1） 介電體：電極化過程
（2） 壓電體和鐵電體
（3） 固體的光學性質
Ⅲ.材料物理
1.材料的電子理論與能帶理論
（1） 原子間的結合與電子（離子鍵、共價鍵、範德華鍵、金屬鍵）
（2） 自由電子近似
（3） 近自由電子近似
（4） 布裡淵區理論
2.現代電子理論
（5） 電子密度泛函的基本思想
（6） 託馬斯－費米理論
（7） 原子的作用力（海爾曼－費曼定理、微擾理論）
（8） 科思－薩姆泛函（局域密度近似、交換－關聯空穴）
（9） 理論方法和應用（平面波法和庸勢、格林函數法、球形原胞法）
3.材料的傳導性和磁性
（10） 導電性（自由電子近似下的導電性、導電性與溫度的關係、霍爾效應）
（11） 超導性（超導現象、超導理論、高溫超導性）
（12） 熱傳導與熱電效應（熱傳導、熱電效應）
（13） 磁性
（14） 原子的磁性（磁性的產生、洪德規則和晶體場、核的磁性和穆斯堡爾效應）
（15） 原子間的磁相互作用（交換關聯作用、磁體的分子場理論、金屬的區域磁性）
（16） 宏觀磁性和磁性材料（磁化曲線、磁性的各向異性、磁疇、磁化過程和矯頑力、軟磁材料、硬磁材料、其他磁性功能材料）