磁性材料——研究生课程

2023年1月第4期Jan. 2023No.4教育教学论坛EDUCATION AND TEACHING FORUM“磁性物理与磁性材料”课程多模式教学设计与探索左淑兰1，张 虎2，吴煜烨1，蒋成保1（1.北京航空航天大学 材料科学与工程学院，北京 100191；2.北京科技大学 材料科学与工程学院，北京 100083）［摘 要］ 基于“强化基础、科教融通”的教学理念，提出针对性小班教学，将“知识点教学+翻转课堂+课堂研讨解决问题”等多模式融合的教学手段应用于“磁性物理与磁性材料”课程的教学实践。

重视基础拓展的同时，紧跟科技前沿，激发学生研究兴趣，使其积极主动学习。

着眼于授课学生的科学研究兴趣和方向，开展针对性教学内容，引导学生将专业理论知识与科研实践相结合，激发学生对未来科研工作的兴趣与热情，助力培养基础知识扎实、自主学习能力强和创新意识高的新时代人才。

［关键词］ 磁性物理；磁性材料；多模式融合教学；重视基础拓展；紧跟科技前沿［基金项目］ 2020年度北京航空航天大学校级教改项目“英文专业课程的多元模块化教学与实践探索”（20200101）；2020年度北京科技大学本科教育教学改革项目“基于‘本科生导师制+SRTP+专业课教学’交叉融合的人才培养模式探索与实践”（JG2020M06）［作者简介］ 左淑兰（1991—），女，甘肃文县人，博士，北京航空航天大学材料科学与工程学院助理教授，主要从事磁性金属功能材料研究；张 虎（1982—），男，河南荥阳人，博士，北京科技大学材料科学与工程学院教授，主要从事新型磁相变材料研究；吴煜烨（1989—），男，安徽铜陵人，博士，北京航空航天大学材料科学与工程学院助理教授，主要从事磁性金属功能材料研究。

［中图分类号］ G642.421 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）04-0124-05 ［收稿日期］ 2022-08-02近年来，我国高等教育的人才培养质量不断提升，对高等院校的教育教学提出了更高更明确的要求和目标。

《磁性材料》课程教学大纲课程代码：080142015课程英文名称：Magnetic Material课程总学时：16 讲课：16 实验：0 上机：0适用专业：化学工程与工艺大纲编写（修订）时间：2017.6一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标磁性材料是化学工程与工艺专业的专业选修课。

通过本课程的学习，可了解磁性材料原理，高磁导率材料、高矫顽力材料、磁性材料的各种效应，磁记录材料等内容。

该课程为专题实验及毕业设计等教学环节奠定基础。

（二）知识、能力及技能方面的基本要求初步了解磁性材料原理，了解高磁导率材料、高矫顽力材料、磁性材料的各种效应，磁记录材料等内容。

（三）实施说明课堂教学中注重介绍各类磁性材料的特点和应用。

使用多媒体教学手段。

（四）对先修课的要求该课程在完成教学计划规定的公共基础、专业基础课课和部分专业主干课教学之后开设。

（五）对习题课、实验环节的要求习题/课后作业不占用教学时数。

本课程无实验学时。

（六）课程考核方式1.考核方式：考查。

2.考试方法：小论文写作或考试。

3.课程总成绩：期末考试成绩或结课论文约占40-60%、平时考核（包括作业、提问/小测验、出勤等）成绩约占40-60%。

也可根据实际情况适当调整各项成绩的比例。

（七）主要参考书目:《磁性材料》.田民波. 清华大学出版社,2001《磁性物理学和磁性材料(英文)》. 布朔. 世界图书出版公司北京公司, 2013《铁氧体磁性材料》.周志刚. 科学出版社,1981二、中文摘要《磁性材料》是化学工程与工艺专业的专业选修课。

通过本课程的学习，可了解磁性材料原理，高磁导率材料、高矫顽力材料、磁性材料的各种效应，磁记录材料等内容。

三、课程学时总体分配表四、大纲内容第01章磁性材料基本原理总学时4学时讲课4学时实验0学时上机0学时1.1磁性材料基本原理1（讲课2学时）具体内容：磁学现象物质的磁性1.2磁性材料基本原理2（讲课2学时）具体内容：铁磁性材料概述磁性及磁性材料研究开发的进展重点：磁学现象、物质的磁性习题：有关磁性材料基本原理的练习第02章高磁导率材料总学时4学时讲课4学时实验0学时上机0学时2.1高磁导率材料1（讲课2学时）具体内容：纯金属的软磁性与晶体组织结构的关系软磁性的原子模型通过合金化可以改良的磁学特性非晶态磁性材料磁性薄膜2.2高磁导率材料1（讲课2学时）具体内容：软磁铁氧体重点：软磁铁氧体习题：有关软磁铁氧体的练习第03章高矫顽力材料总学时4学时讲课4学时实验0学时上机0学时3.1高矫顽力材料1（讲课2学时）具体内容：永磁体的强度如何提高永磁体的强度合金系永磁体3.2高矫顽力材料2（讲课2学时）具体内容：铁氧体永磁体重点：铁氧体永磁体习题：有关铁氧体永磁体的练习第04章磁性材料的各种效应总学时2学时讲课2学时实验0学时上机0学时具体内容：磁光效应电流磁气效应磁各向异性磁致伸缩效应第05章磁记录材料总学时2学时讲课2学时实验0学时上机0学时具体内容：磁记录概述磁信号的记录磁头及材料磁记录介质及材料。

中班儿童科学教案：探究磁性材料的特性探究磁性材料的特性一、教材分析本教案通过磁性材料的实验，旨在让中班儿童对磁性材料的特性有一个初步认识，激发儿童对科学探究的兴趣和好奇心，同时培养儿童的观察力、思维力等。

根据中班儿童的特点，我们应采用生动形象的方式进行讲解，积极引导儿童思考和互动。

二、教学目标1.了解磁性材料的特性。

2.培养儿童观察力和思维力。

3.激发儿童对科学探究的兴趣。

三、教学过程（一）导入环节教师用生动形象的图片或实物引入，引导儿童探究磁性材料的特性：“大家看看这是什么？”（出示磁铁）。

“有没有人见过这个东西？”“这是磁铁，普通的铁是没有吸力的，而磁铁却可以吸住它，是不是很神奇呢？”随后，教师可以引导儿童自己去尝试，让他们过程中有所发现，同时也有趣味性和探究性。

（二）实验环节1.实验一：不同材料的吸附实验教师将磁铁放在桌子上，供儿童自由选择各种不同的材料，如铜、铁、木块、纸张、铝箔等，让他们一个一个来试着去吸住磁铁，看看能否吸上去。

并引导儿童思考：为什么铜、铁块等可以吸跑磁铁？而木块、纸张、铝箔等则不行？2.实验二：查找隐藏材料将一些材料放在盒子里，如纸张、石头、木棍、铁、铝箔、硬币等，其中有一个隐藏了一个磁铁。

教师让儿童动手摸索，找出隐藏的磁铁，了解磁铁的特殊性。

3.实验三：磁铁与磁铁之间总是相互吸引教师让儿童拿两个磁铁在空中自由移动，让他们观察磁铁之间的相对位置和磁极的特殊特性。

同时，让儿童感知磁力的强度与磁极朝向的重要性。

（三）总结环节教师引导儿童思考：从今天的实验中，我们了解了什么？（指出磁铁特性、不同材料的吸附实验、隐藏磁铁的查找、磁铁与磁铁之间总是相互吸引）为什么会这样？（讲解原理）我们为什么要学习这个呢？如何运用这些知识呢？四、教学反思通过这节磁性材料实验，中班儿童不仅掌握了磁性材料的特性，而且积极参与实验，感受到了科学探究的乐趣，培养了儿童的观察力、思维力和动手能力。

而且，通过探究实验，儿童逐渐认识到探索知识、理解世界的重要性，进一步激发了他们学习科学的兴趣和好奇心。

《磁性材料与器件》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：磁性材料与器件英文名称：Magnetic Materials and devices二、课程代码及性质专业选修课程三、学时与学分总学时：32学分：2四、先修课程《大学物理》、《材料科学基础》、《固体物理》、《量子力学》五、授课对象本课程面向功能材料专业学生开设六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程是功能材料专业的选修课之一，其教学目的包括：1、掌握了用于解决功能材料领域复杂问题的磁学基础知识。

并能够应用相关基本原理，识别、表达、结合文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。

2、掌握磁性功能材料的合成与制备技术的原理及特点，能够采用科学方法，具备合理设计制备功能材料的复杂实验、开展科学研究的能力。

3、了解磁性材料的技术前沿和发展趋势，正确认识该技术领域在社会经济发展中所起的作用。

了解磁性材料与器件问题的特征，掌握解决复杂工程问题的设计方法。

4、掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。

能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。

七、教学重点与难点：课程重点：（1）本课程首先重点介绍磁性的起源，并针对铁磁性材料，介绍其技术磁化手段。

（2）在了解磁性及技术磁化相关物理理论知识的基础上，重点学习不同磁性材料（包括软磁材料，永磁材料，磁记录材料及其他功能磁性材料等）的制备方法，性能调控（饱和磁化，剩余磁化及矫顽力等）及相关应用。

（3）重点学习的章节内容包括：第2章“物质的磁性”（6学时）第3章“技术磁化”（6学时）、第4章“软磁材料”（3学时）、第5章“永磁材料”（3学时）。

第5章“磁记录材料”（4学时）课程难点：（1）通过本课程的学习，充分理解顺磁性，抗磁性，铁磁性，亚铁磁性，反铁磁性的差异。

系统掌握铁磁性产生的相关基本理论。

（2）充分理解磁畴的形成过程及磁畴对材料磁性性能的影响，系统掌握对磁畴的调控各种方法的主要特点、影响因素和适用范围。

《磁性材料与器件》教学大纲磁性材料与器件是一门介绍磁性材料的基本原理、性质和应用的课程。

本教学大纲旨在培养学生对磁性材料与器件的了解和应用能力。

以下是该课程的教学大纲。

课程名称：磁性材料与器件课程学分：3学分课程类型：专业必修课前置课程：材料学基础、电磁学基础教学目标：1.了解磁性材料的基本概念、分类和性质；2.掌握磁性材料的物理特性测量方法；3.理解磁性材料的磁学特性，包括磁滞回线、磁导率等；4.熟悉常见的磁性材料应用及其制备工艺；5.能够设计和优化磁性材料器件；6.培养学生的科学研究和创新能力。

教学内容：第一周：引言与磁性材料概述-课程介绍-磁性材料的定义和基本概念-磁性材料的分类和特性第二周：磁性材料的物理特性测量-磁场的测量方法-磁化曲线的测量与分析-磁导率的测量与计算第三周：磁性材料的磁学特性-磁感应强度和磁通量密度的关系-磁化强度和磁化率的定义和计算-磁滞回线与磁滞损耗第四周：常见磁性材料的特性与应用-软磁材料的特性与应用-硬磁材料的特性与应用-磁存储材料的特性与应用第五周：磁性材料器件的制备工艺-磁性材料的制备方法-薄膜磁性材料的制备工艺-磁性材料的微结构与性能关系第六周：磁性材料的器件设计与优化-磁性材料在传感器和电机中的应用-磁性材料器件的设计原理和优化方法-磁性材料器件的性能测试和评估第七周：磁性材料的前沿研究与发展趋势-新型磁性材料的合成方法与性能-磁性现象与自旋电子学的关系-磁性材料在能源和信息存储中的应用课程组织形式：1.讲授课：通过PPT讲解课程的基本概念、理论和应用。

2.实验课：安排一定数量的实验课程，让学生亲自进行磁性材料的性能测试和器件制备。

3.讨论课：组织学生进行小组讨论，深入探讨学习材料中的问题和案例。

4.课程作业：布置课后作业，提高学生对磁性材料的理解和应用能力。

教材及参考书目：主教材：1.《磁性材料学》芮琳2.《现代磁性材料与磁性器件》杨荇辉参考书目：1.《磁性材料与磁性现象》张继德2.《磁学基础》钟守武3.《材料科学基础》周建民评价与考核方式：1.平时成绩（30%）：包括课堂参与、作业完成情况、实验成绩等。

磁性材料Magnetic Materials一、课程基本情况课程类别：专业任选课课程学分：2学分课程总学时：32学时，其中讲课：32学时，实验（含上机）：0学时，课外0学时课程性质：选修开课学期：第7学期先修课程：材料结构与物性、材料科学基础适用专业：材料物理、材料学教材：严密，《磁学基础与磁性材料》，浙江大学出版社，2006年。

开课单位：物理与光电工程学院材料物理系二、课程性质、教学目标和任务本课程是我系本科学生一门必修专业主干课。

主要从电子结构及晶体结构两个层次探讨磁学基础理论和磁性材料的制备、性能和检测。

第一部分阐述磁学和材料磁性的基础理论和主要概念，包括原子磁矩和各种磁性、磁性材料中的基本现象、磁畴结构、技术磁化和动态磁化理论等。

第二部分阐述主要门类的磁性材料，包括软磁材料、永磁材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁致伸缩材料和磁性液体等，既有已广泛应用的材料，也有已成为科学研究的热点、有望在将来获得重要应用的磁性材料。

通过对本课的学习，使学生获得大纲所规定的基本概念，基本理论，基本知识，培养学生解决实际材料问题的能力以及怎样从事磁性材料研制、生产和应用等方法。

三、教学内容和要求第1章磁学基础知识（4学时）1.1静磁现象（2学时）（1）了解静磁现象定义；（2）理解磁矩、磁化强度M、磁场强度H和磁感应强度B、磁化率和磁导率、退磁场、静磁能的基本概念；（3）掌握静磁现象的原理；重点：对静磁现象有基本的认识。

难点：理解静磁现象的原理。

1.2材料的磁化（1学时）（1）了解磁性材料对外磁场的响应特性；（2）理解磁化曲线和磁滞回线的定义；（3）掌握磁化曲线和磁滞回线的影响因素；重点：了解磁化曲线和磁滞回线的定义；1.3磁性和磁性材料的分类（1学时）（1）了解物质磁性和各种磁性材料的分类；（2）理解常见磁性材料的磁性能；（3）掌握磁性材料的应用领域和特点；重点：理解常见磁性材料的磁性能。

第2章物质的磁性（4学时）2.1原子磁矩（1学时）（1）了解原子磁矩的来源；（2）理解原子核外电子的排布规律；（3）掌握电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子磁矩的原理；重点：理解原子核外电子的排布规律。

磁学研究生的必备知识仪器设备需掌握以下各类设备中的一种或多种，方便样品制备和测量。

样品制备设备1.磁控溅射仪；2.脉冲激光沉积（PLD）；3.分子束外延（MBE）；4.化学方法制备。

根据所需样品的制备条件选择适当的制备仪器。

样品测量设备（一）磁性测量设备：1.振动样品磁强计（VSM）；2.交流梯度磁强计（AGM）；3.超导量子干涉仪（SQUID）；4.磁圆二色性谱仪（MCD）；5.磁光克尔效应谱仪（MOKE）。

根据样品的磁信号强弱、所需要的外加磁场来选择合适的磁性测量设备。

（二）输运测量设备：1.知新楼C座102自主搭建的输运测量设备；2.SQUID根据对磁场和温度的要求选择合适的输运测量设备（三）微结构、表面形貌测量设备：1.X-射线衍射仪（XRD）；2.原子力显微镜（AFM）；3.透射电镜（TEM）；4.扫描电镜（SEM）。

XRD是常规的微结构测量设备，应该掌握其原理及操作。

（四）光学测量设备：1.光致发光谱（PL谱）。

用途：带隙检测，杂质等级和缺陷检测，复合机制以及材料品质鉴定。

2.X射线光电子能谱（XPS）。

用途：测定材料中元素构成，实验式，以及其中所含元素化学态和电子态的定量能谱技术。

必备的基础知识磁学的基本知识参考书目：《铁磁学》（戴道生等著）：1.磁学单位制及其换算；2.原子的磁性起源、磁矩大小；3.物质抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性、自旋玻璃和混磁性、超顺磁性的物理图像及其磁化曲线特征；4.自发磁化的唯象理论和交换作用理论。

5.铁磁性材料中的基本现象：磁晶各向异性、磁致伸缩、退磁场等。

6.了解不同的磁滞回线（正常的，颠倒的，不对称的，有台阶等）可能代表的不同磁性相或不同磁性相之间的相互作用。

例如，当存在反铁磁钉扎将会出现不对称（左右平移）的磁滞回线。

7.要注意场冷和零场冷测量过程，不做任何操作降到低温，之后用小于测量场的磁场来定中心。

先测量零场冷M-T曲线，之后测量场冷M-T曲线。