冯端先生早期金属物理方面的研究对我们课程教学的影响
供稿|杨平
内 容 导 读
金属学课程(现在一般称为材料科学基础)中的知识点基本都源于国外材料、冶金、物理、化学等学科的科学家，我国科学家创建的成果较少。冯端先生上世纪50～60年代开展了金属物理方面的研究，在位错与晶界结构的研究上做出了富有特色的成果。这些结果展示在他编著的国内第一部《金属物理》教学参考书中，该书对笔者早年金属学原理课程学习产生过影响；
冯端先生一生中出版的其它书籍对我们教师的教学过程也有很大的帮助。本文基于他在金属物理方面的贡献讨论了对我们课程教学多方面的影响，其中也展现了我们课程前辈在教材编写中的辛勤与贡献，希望这些总结也对学生专业成长有所帮助。
冯端先生是我国固体物理学家，他们兄妹4人被称为中科院第一名门[1]，其4个家庭中有3人是中科院院士。其中不是中科院院士的大哥冯焕是美国著名的通用电器(GE)公司的高级工程师，我们材料科学基础(以下简称材科基)课程中的经典人物H.Hollomon、D. Turnbull、J. Cahn，J. Fisher，I.Langmuir都来自通用电器。我校金属物理专业创始人柯俊先生一家也有3名院士。冯端先生早期在金属物理方面的科研与教研活动对我们课程教学产生影响，特别是他于1964年出版的我国第一部《金属物理》专著(上、下册)[2-3]，对我们产生深刻影响。
在我校，从1952年建校起就开设的《金属学原理》课程现在是材科基课程，我校材料专业从2000年后为适应时代发展，即兼顾各种材料的通性，将原来的金属学原理教材及课程改名为材料科学基础, 加入更多的无机非金属材料、高分子材料直至液晶材料的结构、组织、制备及性质方面的原理内容，但教材及课程的主体还是金属材料。
笔者讲授材科基课程20多年了，一方面从早期的学生时代和后来的教师生涯都受到不少经典专著、经典教材及教学参考书的影响，冯端先生的《金属物理》也是其中之一。我校自建校以来，金相与金属物理专业，包括课程教学及研究，都是我校的特色之一。特别是以柯俊先生为代表的金属物理方向的对外交往，基础研究及教研在我校校史中都留下浓墨重彩的一笔。另一方面，在比较系统地查找了材科基课程中的知识点所涉及的经典人物、经典文献后，感觉到绝大多数都是国外的专家，能在课程中直接体现的国内材料大师的工作内容很少，冯端先生早期金属物理方面的研究及金属物理一书给我们教学的一些指导值得分析讨论。
本文首先简介冯端先生的研究领域及人生境界，从宏观层面讨论他给我们树立的榜样，然后讨论其所著的金属物理经典著作及对位错的研究给我们的启迪，特别是其将位错理论研究成果融入教学、教材的案例；
此外还分析了冯端等老一辈科学家研制并获奖的国内第一台浮区区熔仪对课程教学的意义。本文的目的是从材科基教材与课程上寻找我国金属物理大师的身影和对我们课程教学的推动作用，激发学生的专业热情及动力，更好地为国家建设做出贡献，早日实现强国之梦。本文也分析了我们课程前辈潜心教学、钻研教学的榜样力量。中1982年国家奖的成果名称为“晶体缺陷的研究”，他是我国晶体缺陷研究的先驱者之一。在国际上领先开拓微结构调制的非线性光学晶体新领域。由于其杰出贡献，经国际小行星中心和国际小行星命名委员会批准，中国科学院紫金山天文台将国际编号为187709的小行星命名为“冯端星”。1997年其《凝聚态物理学高层次人才培养与研究实践》获国家教学成果奖一等奖，2003年其《材料科学导论—融贯的论述》获国家教学成果奖二等奖。简言之，物理学专业毕业的冯端先生的科研领域从早期的金属物理学，过渡到固体物理学(即拓宽到无机非金属材料)，再过渡到凝聚态物理学(包含了液晶等软物质)。从其系列专著、编著中可清晰看出这个轨迹。据他回忆，南京大学1953年就设立了金属物理教研室，1958年他担任金属物理教研室主任；
1974年他将金属物理教研室改名为晶体物理教研室，从而大大拓宽了物理学的研究载体。
冯端先生生平简介、研究领域的拓展及其人生境界[1,4]
冯端先生(1923—2020)(见图1)1946年毕业于中央大学(后更名为南京大学)，获学士学位并留校任教。他曾任固体微结构物理国家重点实验室主任兼学术委员会主任，“863”项目“纳米材料科学”首席科学家，中国物理学会理事长，并兼任国家自然科学基金委员会委员、《物理学进展》主编、《固体物理学大辞典》主编、《凝聚态物理学丛书》副主编等职。1980年当选为中国科学院学部委员(院士)。20世纪50年代，冯端开始进行金属物理学的研究，在应用上，他针对国家国防工业的需求，选择中国产量丰富而尖端技术极为需求的体心立方难熔金属钼、钨、铌等为突破口，开始晶体缺陷研究，研制成中国第一台电子束浮区区熔仪，1964年获国家计委、国家经委和国家科委颁发的工业新产品二等奖，成功地制备出了钼、钨等单晶体。在理论上，创立了系统的浸蚀坑法显示、定量化高熔点金属的位错结构、组态的技术；
在《物理学报》、《中国科学》等刊物上发表相关论文10余篇。1982年、2003年和2004年先后获国家自然科学奖二等奖。其
图1 冯端先生[1]
他与爱人相濡以沫的感情十分感人，他为爱人写了60多年的情诗，留下其美好人生回忆并传为佳话。如果想进入那美好的境界，可阅读光明日报上的相关文章[4]。
冯端先生早期对位错的研究及我国第一台浮区区域熔炼仪的建造
冯端先生在60年代初期对体心立方金属Mo、W单晶中的位错类型[5]、位错组态[5-6]、位错密度及与小角度晶界的关系[7]开展了系统的研究。其中，他用浸蚀坑法确定了柏氏矢量为＜100＞的位错类型(通常是＜111＞/2)[5]，文章题目见图2(a)。用浸蚀坑法确定了小角度倾转型晶界位错结构的定量关系，见图2(b)。其用浸蚀坑法研究位错组态的文章发表在1963年《物理学报》上[6]，见图3。
图2 冯端先生在物理学报上发表小角度晶界与位错模拟的标题(a)及关系图和相关数据(b)[5]
图3 冯端先生的另一篇浸蚀坑法研究位错的文章首页(a)及不同组态的位错图像(b)[6]；
我们课上讲了位错的实验观察法，除了透射电镜下薄膜中直接观察法外，还介绍了Amelingckx的透明晶体NaCl的缀蚀法及浸蚀坑法。冯端先生将浸蚀坑法用的达到“炉火纯青”的地步，解决了那么多理论问题，是个很好的教学案例。他将浸蚀坑法与他扎实的理论基础结合，将描述小角度晶界上位错密度、亚晶间取向差、界面法线的Frank公式、Amelingcks汇聚于一点的各倾转亚晶界间取向差角之和为零的公式以及描述位错能量的Read-Shockley公式加以论述，结合浸蚀坑法有效揭示并加以验证。为我们讲好这部分课程提供的帮助。冯端先生及时跟踪、引用了1957年通用电气公司的Holomon组织的国际晶体缺陷会议的论文集信息，Frank、Holomon和Amelingckx的照片在笔者论文[8]给出过。
硅钢片的位错浸蚀坑法确定晶粒取向曾是我们专业金属学实验课程的一项内容，编在北京钢铁学院金相教研室校内实验指导书中，作为可选实验内容，这本讲义直到现在仍在材科专业《材料科学基础实验讲义》中，可见老一辈教研室老师为更好训练学生的动手能力，精心准备实验内容。但由于种种原因，后期并没有实际上过此实验课。笔者从事取向硅钢研究中对这种简易实用的方法很有体会，早期这项技术非常方便，也在很多早期文献中讲过使用过。但随着电子背散射衍射(EBSD)技术在上世纪90年代的应用，实现了精准、快速的定量化过程，浸蚀坑法就显得过时了。
冯端团队的国内第一台浮区区熔仪设备的研制工作主要是由与冯端院士一起工作的闵乃本院士完成[9]，该设备的研制成功，解决了国家在国防领域制造、使用高熔点体心金属单晶的重要需求，因此在1964年获得了国家计委、国家经委、国家科委工业新产品二等奖。这是典型的应用型研究，上一节位的错理论就是在这些设备制作的单晶Mo材料的研究成果，具有理论和应用的双重意义，也是我们讲授凝固一章区域熔炼技术时的一个展示我国科学家成果的案例。我们在讲授区域熔炼基本含义及其与定向凝固方法的差异外，仅讲授其区域提纯的作用，只提到美国Bell实验室的Pfann于1951年发明区域熔炼方法用于半导体材料的提纯，未强调其制备单晶体的作用；
制备单晶的方法一般提及利用仔晶定向生长的Bridgeman方法和临界形变加再结晶退火的方法，还应补充说明其制备单晶的功能，包括如何解决制备出的单晶内含亚晶界及大量位错等不希望出现的晶体缺陷的问题。综上是理论、应用、教学有机结合的我国科学家工作的案例。另外，葛庭燧先生也用区域熔炼法制备的单晶进行内耗研究。将不同制作单晶的方法、国外、国内的名人应用组合起来讲解是个提高学生学习效率的不错的案例。
冯端先生的金属物理一书对我们课程学习的影响
冯端先生将这些位错研究成果及时编入其在国内出版的第一部金属物理专著，该书上下册封面见图4。这套书籍既是教学参考书，也是专业技术人员的参考书。如其在该书序言中提到的，该书是在他多年讲授金属物理课程所用的书籍基础上编辑出版的。冯端先生的金属物理上册是1964年出版，其序言是1962年的。可见从实验数据的获得，到文章发表和数据编入《金属物理》一书几乎是同一时间。图5给出《金属物理》上册[2]中引用该位错成果的页面。表明他能将科研成果及时引入自己的教学中去，并进入教学参考书，走入课堂，即任课教师教学与科研高度结合。
图5 《金属物理》上册晶界一章中该成果的引入[2]，与图2(b)相同。
我们课程的前辈，首届国家级教学名师余永宁教授编写出版的《金属学原理》教材[10]，经过至少十多年的反复补充、修改，2000年正式出版，他将这组数据“转变”为界面一章考查学生综合能力的一个习题，见图6。因我们教材中并没有讲Amelingckx提出的汇聚一点的各倾转晶界夹角守恒公式(Σθi=0，θ是倾转晶界两侧晶粒间的夹角)，但该公式基本不需超过2～3步的推导就可证明。笔者不禁在赞叹冯端先生亲自完成的金属物理基础研究的论文数据及时编入教学参考书和进入南大的课堂教学之时，也敬佩我们课程前辈余老师当初编写教材时能采纳这组数据，同时将该公式与冯端先生的实验数据结合，并经过进一步调整，编成一道综合习题，这在教材编写上很富有创新性和特色。因为这里不仅体现了小角度倾转型晶界的结构模型是位错，亚晶间取向差角度与位错密度有定量关系；
位错可以通过简易的浸蚀坑技术方便地浸蚀出来，从而提供了定量的可行性；
同时拓展了单个小角度晶界取向差角精确测量时难度大，但巧妙地利用三叉点晶界处3个小角度晶界取向差θi之和是0的特性，分别测出的三个亚晶界的取向差角值，其和应相互自洽，为0，从而验证Σθi=0的关系，真是一个有创意的教学案例。这个案例是我们课程前辈潜心教学、编写教材及创造“习题”的真实写照。
图6 余永宁编著《金属学原理》界面一章习题[10]，引用冯端先生的数据及Amelingckx公式，见图5式(6.16)。
冯端先生的《金属物理》一书是我们学生时期学习金属学常参考的书籍。77级作为文革后第一批高考入校的学生，都非常珍惜学习的机会，对专业基础课《金属学原理》非常重视，除了教材之外(当时没有出版的正式教材，而钢院金属学教材常常处在不断更新内容的状态，难度大已是教材及授课的传统了)，大家总是设法到图书馆借阅各种相关的参考书籍，那时没有计算机检索设备，只能在图书馆借书台外面书卡架中小抽屉内的书卡片中去寻找，常常找到了合适的书名，填了索书条，又被告知书早被借走了。因校内借不着此书，笔者就利用在北大经济学专业学习的姐姐帮助借阅这套书，心中很是高兴，北大的物理系有金属物理教研室，柯俊先生曾在那里兼磁学与金属物理教研室副主任，并讲授金属物理课程[11]。总体感觉是，这套书的内容编排与我们教材显然不一致，难度也高于我们的课程，有不少抽象的公式。学生时代看这些参考书，很少看书的前言，序言，只看目录，找到不明白的概念在书中所处的位置，读读看看是否帮助理解了这些概念。现在看，这套书是基于冯端先生给南京大学物理系金属物理课的讲义而改写的，希望既可作为高校金属物理课程的教学参考书，也供专业研究工作者参考。同时该书前言中还提到，假定读者在阅读本书之前，已掌握金属学及X射线晶体学的基础知识，对我们来说，这样自然内容偏深，不可能全看懂；
因为我们正在学的就是金属学，而X射线晶体学是在材料分析方法课内的，稍晚于金属学课程。但毕竟有些对概念，现象的描述与我们教材描述的风格不同，对更好理解知识点，拓展思路很有帮助。图4(a)为这套书的封面，图4(b)是近期作者借阅的这套书的扉页，感觉上面包含了更多的“沧桑”，有钢院印章，出版年限，借阅者编号。上册是1964年出版的，下册是1975年出版的，但下册在1965年已成稿，因文革而耽误。
图4 冯端先生编著的国内第一套《金属物理》丛书封面(a)和扉页(b)[2-3]
冯端先生的科研及教学对我们授课教师的启示
作为教师，对冯端先生授课及著书方面印象很深，他几乎讲授了南大物理系所有的理论课和实验课，广泛阅读很多国内外经典文献，因此积累了丰富的知识，为进一步拓展新的研究领域打下基础。《金属物理》一书是其42岁开始编写的书，被称为我国金属物理方面的“圣经”。他在阅读国外名著时都进行了自己的评判，特色是什么，不足在哪里。例如，他在上世纪50年代末对英国伯明翰大学Cottrell教授于1949年出版的经典之作《理论结构冶金学》和德国哥廷根大学Masing教授1950年出版的经典教科书《通用金属学教材》的一段评语[12]，见图7。他说Cottrell教授的这本书是金属物理的开山之作，观点新颖，富独创性；
问题是起点低，迁就冶金系学生，内容偏简略。而Masing教授的那本书脱胎于传统金属学，是优秀的教科书，它得益于Lücke的参与和修订，使之观点现代化了，但因是德文，流传不广。当时国内流行的是译自俄文的《金属学的物理基础》，观点陈旧，章节出自多人之手，连贯性不足。这些都发生在我们课程及学校专业历史教学演变之中。虽然笔者一直没有读过Lücke教授编写的教材，这个评价也是对他对教材编写的一个贡献，我们专业课教师就应该一直保持教学与科研的紧密结合，让教材具有时代性。
图7 冯端在上世纪50年代末在金属物理教材编写上对国外经典文献的看法[12]
随后他在1980年又组织编写了四卷本的《金属物理学》，实际上上升到了固体物理学。到了2005年，他又组织编写了《材料科学导论—融会贯通的论述》一书，再次实现拓展，将金属、无机非金属、聚合物纳入一个体系。这本教学参考书获得2005年国家教学成果二等奖。比如从金属物理转向晶体物理，再向凝聚态物理(包含液晶类软物质)，达到“高瞻远瞩”的境界。这本书也成为笔者编写教材的参考书之一。此外，他还出版了很多科普读物。因此，作为教师，既能写的深入，系统，又能深入浅出，通俗易懂，这些应作为我们努力的方向。
最后应该提及的是我国拥有一大批金属物理大师，柯先生于1956年建立了我国第一个金属物理专业[11]，冯端先生所在的南京大学物理系金属物理教研室(专门化)在1953年成立[13]；
类似地，武汉大学物理系金属物理专门化在1954年得到高教部批准，由周如松教授负责，1956年第一届金属物理专门化学生毕业[14]。葛庭燧先生1951年就在清华大学开设了金属物理课程[15]，是新中国最早的金属物理课。图8是柯先生与冯端先生于1996年一同获得中国材料研究学会的成就奖的照片[16]，以表彰柯俊先生与冯端先生在材料研究中做出重要贡献，给他们颁奖的是材料大师师昌绪先生。
图8 1996年11月，师昌绪先生(左)为柯俊、冯瑞颁发中国材料研究学会成就奖[16]。
结束语
1)被称为中科院第一名门的冯家虽然是贫困之家，却走出三位院士，为我们树立了学术典范。其中冯端先生作为我国材料大师的学术成就、人生境界、教书育人给我们树立了具体形象的榜样。
2)冯端先生出版的我国第一部《金属物理》上、下册对笔者学生时代的学习及教师生涯产生了特殊影响。其博览群书、分析点评的历史记录也给我们教师上了堂相关的历史课程，引导着我们不断回味、重现当年他们与国外大师的交往。
3)冯端先生早期对位错的基础研究给我们留下深刻印象；
他确定了体心金属高温形变时存在特殊的柏氏矢量为＜100＞的位错类型；
用简单实用的浸蚀坑法确定了三叉小角度晶界三个角度之和为零的守恒关系；
同时展示了位错网络成为教学的典型案例。特别是其相关数据成为我们教材中的一个综合能力训练的习题，显示了我们课程老一代教师潜心钻研教学的教书育人典型案例。
4)冯端先生早期获得国家级科技成果奖的浮区熔炼法(区域熔炼)技术，其提纯与制作单晶的双重功能也可作为一个典型案例帮助学生加深概念理解和科技报国观念的树立。
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