既然都要“炒菜”——燒爐子、長(zhǎng)晶體、調(diào)配比，材料科學(xué)與凝聚態(tài)物理究竟有什么不一樣？這個(gè)反復(fù)被追問的老問題，折射出兩門學(xué)科研究對(duì)象的重疊與定位模糊的尷尬。

本文從美國(guó)頂尖高校材料系的核心課程切入，通過“晶體結(jié)構(gòu)-缺陷”與“熱力學(xué)-動(dòng)力學(xué)”這兩組對(duì)偶，揭示材料科學(xué)獨(dú)立的底層邏輯。文章指出，相比于凝聚態(tài)物理傾向于在簡(jiǎn)化模型中追求普適，材料科學(xué)的靈魂在于直面并調(diào)控“缺陷”。這種視“不完美”為工程機(jī)遇的獨(dú)特視角，不僅構(gòu)成了兩者的分水嶺，也為重構(gòu)材料人才培養(yǎng)體系提供了啟示。

撰文 | 傅楚亮（寧波東方理工大學(xué)）

“核心課程”可以說是一門學(xué)科的“名片”。比如數(shù)學(xué)有各類分析（傅里葉、復(fù)、實(shí)、泛函）；物理系的學(xué)生則需要學(xué)四大力學(xué)。這些基礎(chǔ)學(xué)科經(jīng)過幾代理論或?qū)嶒?yàn)學(xué)家的打磨，已經(jīng)變得非常優(yōu)雅且自洽。相比之下，應(yīng)用類或工程類學(xué)科往往難以形成同樣完備的體系：它們被夾在了基礎(chǔ)科學(xué)與現(xiàn)實(shí)工程之間。拿材料科學(xué)來說，它和凝聚態(tài)物理學(xué)的研究對(duì)象高度重疊，常被視作體系龐雜、不那么“純粹”的“應(yīng)用物理學(xué)”。但作為一門獨(dú)立學(xué)科，它與凝聚態(tài)物理的區(qū)別究竟在哪里？

這種定位模糊的尷尬也反映在了培養(yǎng)體系上。我們究竟應(yīng)該教什么？學(xué)生是該扎根基礎(chǔ)理論，還是盡早投身于具體工程實(shí)踐？若過度偏向基本原理，則易與物理學(xué)、化學(xué)的培養(yǎng)路徑趨同；若過分側(cè)重具體技能，又恐窄化成單純的技術(shù)訓(xùn)練。面對(duì)這種困境，究竟該如何構(gòu)建一個(gè)真正有價(jià)值的培養(yǎng)體系？

美國(guó)經(jīng)驗(yàn)觀察

為了探尋答案，我們不妨將目光投向材料科學(xué)發(fā)展較為領(lǐng)先的美國(guó)。在美國(guó)，材料科學(xué)起步其實(shí)很晚，其興起和定義很大程度上受到了資助機(jī)制的影響。材料科學(xué)作為獨(dú)立學(xué)科的標(biāo)志性事件可能是1960年代，美國(guó)高級(jí)研究計(jì)劃署（Advanced Research Projects Agency，ARPA）資助建立了一批 “材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”，把各路研究整合在同一旗號(hào)下[1]。如今美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation，NSF）的材料研究部（Division of Materials Research，DMR）整合統(tǒng)籌了一大批五花八門的科研項(xiàng)目，無論是生物材料、陶瓷、凝聚態(tài)、電子和光子材料，還是金屬和納米結(jié)構(gòu)，聚合物，以及固態(tài)化學(xué)，均被納入其中。

這似乎給人一種印象：材料科學(xué)是資助機(jī)制催化整合的“大雜燴”，其本身的體系支離破碎，學(xué)科跨度極大，也導(dǎo)致各個(gè)大學(xué)材料系的側(cè)重點(diǎn)各異其趣。比如我們很容易注意到，傳統(tǒng)材料系保留著濃厚的冶金傳統(tǒng)，而新建的材料系則更多聚焦生物、功能或量子材料等新方向。這意味著不同學(xué)校往往需要制定風(fēng)格迥異的課程體系，學(xué)生掌握的知識(shí)也因此“南腔北調(diào)”。

那么，能否努力建立一個(gè)統(tǒng)一的概念框架，用以容納所有這些小方向？能否將材料科學(xué)以某種底層的邏輯框架組織起來？

筆者曾聽一位冶金方面的前輩調(diào)侃說，新興的納米科學(xué)是在“炒冷飯”，因?yàn)橐苯饘W(xué)家們很早就在用一些同樣處于納米尺度下的結(jié)構(gòu)（比如G.P.區(qū)）去調(diào)控材料力學(xué)性質(zhì)。筆者認(rèn)為，納米科學(xué)的關(guān)注點(diǎn)更多是量子限域和尺寸效應(yīng)——雖然風(fēng)格類似（推進(jìn)到極限去探索），但目標(biāo)和內(nèi)容卻又有所不同。不過這種橫跨不同材料科學(xué)領(lǐng)域思考共性的考量給了筆者很大的啟發(fā)。

或許是為了解決分裂，人們逐漸提出了“結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-加工-性能”的四面體模型來描述材料科學(xué)，后來又加入了“表征”這一角。這一框架以其系統(tǒng)性與整體性的思路梳理了材料科學(xué)的基本任務(wù)，試圖從一個(gè)統(tǒng)一的觀念出發(fā)來看不同材料的材料科學(xué)。至今材料和冶金領(lǐng)域的頂刊Acta Materialia仍然以這一正四面體作為封面和標(biāo)志。遺憾的是，筆者認(rèn)為這一學(xué)科框架過于一般化，難以對(duì)實(shí)際的教學(xué)體系構(gòu)建提供具體指導(dǎo)。

有沒有一個(gè)底層的體系，既能以統(tǒng)一的范式整合所有材料分支，又可以為人才培養(yǎng)提供切實(shí)可行的方案？材料科學(xué)能否擺脫“應(yīng)用物理”的影子，像基礎(chǔ)數(shù)學(xué)、物理學(xué)那樣演化出擁有獨(dú)立底層邏輯的學(xué)科框架？

我們可以先借鑒美國(guó)一部分優(yōu)秀大學(xué)的博士基礎(chǔ)課程作為參考。

在U.S.News 2025的美國(guó)材料科學(xué)的排名中，排在頭三位的大學(xué)分別是MIT，西北大學(xué)和斯坦福大學(xué)。在這三所大學(xué)的材料科學(xué)項(xiàng)目的博士核心課程中，斯坦福的安排（熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、缺陷/無序、結(jié)構(gòu)對(duì)稱性、量子）充分體現(xiàn)了“材料 = 結(jié)構(gòu)對(duì)稱性 + 缺陷/無序 + 熱力學(xué)+動(dòng)力學(xué)演化”這個(gè)范式；西北大學(xué)的 PhD 核心課程則包括熱力學(xué)、相變、晶體/非晶、缺陷、固體物理、力學(xué)性質(zhì)，體系很扎實(shí)； MIT的課程體系除了常見的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)，另外兩門必修課程則分別是與結(jié)構(gòu)材料更相關(guān)的材料力學(xué)和與功能材料更相關(guān)的電光磁學(xué)。

除此之外筆者還調(diào)研了其他一些美國(guó)知名大學(xué)材料科學(xué)博士項(xiàng)目的基礎(chǔ)核心課程（即必修）安排。盡管各校課程名稱各異，但其核心內(nèi)容可歸納為以下幾大板塊（見下表）：

可以注意到，在幾乎所有頂尖的美國(guó)材料系，研究生階段的核心課程主要圍繞四根支柱展開：晶體（電子）結(jié)構(gòu)、缺陷、材料熱力學(xué)和材料動(dòng)力學(xué)。若深入其哲學(xué)內(nèi)核，結(jié)構(gòu)與缺陷構(gòu)成了“對(duì)稱 vs 對(duì)稱破缺”的一組對(duì)偶，而熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)則區(qū)分了平衡態(tài)與非平衡的演化——如果你喜歡數(shù)學(xué)家 Atiyah 的說法[2]，可以理解為“幾何 vs 代數(shù)”。雖然后一組對(duì)偶更加基礎(chǔ)，但材料科學(xué)真正的工程靈魂卻在前者。材料科學(xué)關(guān)注的核心問題，是各種缺陷在不同晶體對(duì)稱性下如何影響材料的性質(zhì)與性能;而熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)，尤其是它們的可觀測(cè)量的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法，則是解析相應(yīng)時(shí)空尺度下材料行為的基本研究工具。除此之外頂級(jí)學(xué)校還會(huì)加入量子力學(xué)、固體物理、材料力學(xué)，以及表征、合成或計(jì)算方向的選修課。

材料科學(xué)與（凝聚態(tài)）物理學(xué)的對(duì)比

有趣的是，在筆者指出的這兩組對(duì)偶構(gòu)成的四大核心課程中，除了“缺陷”之外，其他三門或多或少都能在更為基礎(chǔ)的物理學(xué)科中學(xué)到：熱力學(xué)很難超出物理系統(tǒng)計(jì)力學(xué)的內(nèi)容，材料動(dòng)力學(xué)可以理解為某種輸運(yùn)理論，晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)的課程則不會(huì)超出固體物理導(dǎo)論的范疇。唯有“缺陷”是材料科學(xué)真正的獨(dú)有領(lǐng)域。物理學(xué)家向來熱愛從簡(jiǎn)化模型（如“真空球形雞”）出發(fā)，只有在安德森局域化、量子霍爾效應(yīng)這類“沒法繞過去”的問題上，才不得不正面迎擊缺陷與無序。而材料科學(xué)，從冶金領(lǐng)域的各類強(qiáng)化機(jī)制開始，就天生在和缺陷、雜質(zhì)、復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)打交道了。一些對(duì)于材料科學(xué)研究的批判，比如“隨便換個(gè)體系換個(gè)摻雜就能發(fā)一篇”，其實(shí)只是在對(duì)缺陷的理解還很粗糙的情況下，一些學(xué)者不得不采取的現(xiàn)實(shí)做法。

當(dāng)然，說物理系只研究完美系統(tǒng)其實(shí)也有失公允。就像著名物理學(xué)家 Michael Berry 曾說過：

“關(guān)于量子力學(xué)，一種老派的觀點(diǎn)認(rèn)為它研究的是波。另一種不那么老派的、從數(shù)學(xué)中汲取有趣物理內(nèi)涵的方法，則主張研究奇點(diǎn)?！?strong>[3]

又或者正如Steven Weinberg所言，“到混亂中去（Go for the Messes）”。尤其是近年來筆者注意到了一些拓?fù)淙毕菹嚓P(guān)的量子多體理論，這些理論使用了很深邃的數(shù)學(xué)工具，筆者不敢妄談理解。但其與材料科學(xué)核心關(guān)注點(diǎn)的差異，還是來自于視角和使命不同：物理學(xué)似乎傾向于把缺陷或者反?？醋鳌皩?duì)完美的破壞”，進(jìn)而在美學(xué)的驅(qū)動(dòng)下發(fā)展出更新穎、更優(yōu)雅的普適理論，去簡(jiǎn)練地容納和表示出那些奇異性；而材料科學(xué)則將缺陷或者反常當(dāng)作可供工程化的“可調(diào)控的現(xiàn)實(shí)”。你能識(shí)別出多少類“缺陷”，就決定了你能想象出多少類材料科學(xué)，多少種可以制備、調(diào)節(jié)、優(yōu)化材料的空間。就連表征方法也透露出分野：材料人常追的是電子顯微鏡下的實(shí)空間成像下的微結(jié)構(gòu)和缺陷，凝聚態(tài)物理人則更關(guān)心動(dòng)量和能量空間里的色散關(guān)系，常使用的是非彈性散射。有趣的是，散射譜學(xué)的另外一個(gè)分類方式，是將表征方法區(qū)分為是否含時(shí)，這就又與材料科學(xué)的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的對(duì)偶“對(duì)應(yīng)”了。

比起凝聚態(tài)物理學(xué)，材料科學(xué)更需要?jiǎng)?wù)實(shí)地處理那些打破完美對(duì)稱性的局部異質(zhì)性、缺陷、復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)。雖然我們已經(jīng)熟悉不少從第一性原理出發(fā)的底層理論，但要做到“按圖設(shè)計(jì)材料”仍很困難，這恰恰是因?yàn)椴牧舷到y(tǒng)本身是高度復(fù)雜的多尺度系統(tǒng)：其混亂的缺陷廣泛分布于各個(gè)空間尺度上，而缺陷和微結(jié)構(gòu)的演化過程又跟各個(gè)時(shí)間尺度互相耦合。沒有量化的缺陷描述，再完美的晶格理論也只是背景板，而不是可用于工程的腳手架。

當(dāng)然，缺陷與晶格基本結(jié)構(gòu)之間、缺陷與缺陷之間的相互作用也可以產(chǎn)生新的“普適性”。這就留出了一個(gè)“交叉研究”區(qū)間。物理學(xué)和材料科學(xué)在價(jià)值上沒有高下之分，只是關(guān)注點(diǎn)不同：一個(gè)看抽象普遍性，一個(gè)看具體復(fù)雜性，兩者出發(fā)點(diǎn)不同，路徑偶有交匯。這種分野或許也存在于純數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)之間。從追求的道路來看，物理學(xué)作為基礎(chǔ)學(xué)科，力求以最簡(jiǎn)潔的方式塑造或表示出新的一般性的認(rèn)知，強(qiáng)調(diào)相應(yīng)的智力挑戰(zhàn)和美學(xué)[4]；而材料科學(xué)則更強(qiáng)調(diào)工程實(shí)現(xiàn)能力，力求理性地厘清和掌控現(xiàn)實(shí)中材料的復(fù)雜性，并將新的認(rèn)知應(yīng)用到真實(shí)的工業(yè)實(shí)踐中去?？偠灾蹜B(tài)物理追求的是簡(jiǎn)潔而普適的基本原理，而材料科學(xué)的世界是要直面現(xiàn)實(shí)的“具體”和“復(fù)雜”的。

這種差異本可以成為材料科學(xué)擺脫物理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，構(gòu)建自身底層邏輯的發(fā)展契機(jī)，但往往被粗糙的課程設(shè)計(jì)打回原形。盡管筆者缺乏對(duì)國(guó)內(nèi)材料科學(xué)教學(xué)體系的經(jīng)歷和了解，但至少在美國(guó)，缺陷相關(guān)的課程仍然鮮被納入最核心的教學(xué)體系。如果課程只是晶體結(jié)構(gòu)、材料力學(xué)、電磁學(xué)、量子力學(xué)、表征、相變、熱力學(xué)等各類子學(xué)科的松散拼湊，學(xué)生自然會(huì)產(chǎn)生困惑：這些內(nèi)容物理系不是教得更深嗎？力學(xué)部分是不是機(jī)械系更“正宗”？課程的割裂也讓學(xué)生難以形成統(tǒng)一而連貫的認(rèn)知框架。這說明不少材料科學(xué)院系的課程設(shè)置，很大程度上仍受限于歷史慣性和各個(gè)系的方向選擇，而缺乏內(nèi)在的系統(tǒng)邏輯。

一個(gè)更好的教學(xué)體系？

回顧材料科學(xué)目前的培養(yǎng)體系，我們的課程還有很大改進(jìn)空間。其中一個(gè)突出問題是，上文提到的“雙重對(duì)偶”實(shí)際上可能未被貫徹。例如，通過調(diào)研美國(guó)各類學(xué)校的博士課程體系，我們注意到一些院校并沒有把“缺陷”相關(guān)課程列為核心；還有些學(xué)校將“力學(xué)性質(zhì)”和“電子/光學(xué)/磁性性質(zhì)”完全分開教學(xué)，未能通過“缺陷”建立兩者的“紐帶”。這源于材料科學(xué)自身的歷史斷層：傳統(tǒng)材料科學(xué)強(qiáng)調(diào)冶金與力學(xué)性能，新興方向更關(guān)注新穎的功能材料。結(jié)果就是，即便設(shè)置了缺陷相關(guān)的課程，教學(xué)內(nèi)容也往往繼承冶金傳統(tǒng)，被局限在材料力學(xué)范疇，而不把缺陷看作統(tǒng)一調(diào)控結(jié)構(gòu)材料與功能材料的核心。這主要是由于受制于領(lǐng)域之間的壁壘，橫跨結(jié)構(gòu)材料與功能材料的研究者非常稀少；此外，我們的教研評(píng)價(jià)體系也似乎更鼓勵(lì)深耕特定領(lǐng)域形成利基（niche）。有些學(xué)校雖然意識(shí)到學(xué)生需要盡可能同時(shí)理解結(jié)構(gòu)材料與功能材料兩大方向，但苦于沒有清晰的體系，最后只能寄希望于讓學(xué)生自我摸索。

要解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)一門整合性的“缺陷課程”可能是一種解決方案。這門課可以在提供一定基礎(chǔ)知識(shí)的前提下，以廣泛的案例分析的形式，同時(shí)討論各類缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)、功能等多種不同材料的性質(zhì)、性能的影響，實(shí)現(xiàn)“晶體結(jié)構(gòu)-缺陷調(diào)控”這一對(duì)偶軸的完整性。這樣設(shè)計(jì)，既能服務(wù)主攻冶金與結(jié)構(gòu)材料的學(xué)生，也能服務(wù)研究半導(dǎo)體與功能材料的學(xué)生。也許會(huì)有人擔(dān)心，這樣的課程對(duì)聚合物或生物材料方向的學(xué)生是否不適配。但這恰恰提示我們，應(yīng)當(dāng)思考“缺陷調(diào)控–晶體結(jié)構(gòu)”這一對(duì)偶能否遷移到聚合物或生物材料中。

對(duì)偶軸另一端“晶體和電子結(jié)構(gòu)”相關(guān)的課程，則應(yīng)強(qiáng)調(diào)建立對(duì)完美的晶格、倒空間、能帶理論、對(duì)稱性、以及相關(guān)的表征的基本認(rèn)知。不必要求工程領(lǐng)域課程達(dá)到像物理系固體物理那樣的深度——但或可更強(qiáng)調(diào)與缺陷調(diào)控作對(duì)比，以及著重討論相應(yīng)的動(dòng)量空間和實(shí)空間中的表征方法，從而以一種一般性的教學(xué)為學(xué)生打下基礎(chǔ)。

而在“熱力學(xué)-動(dòng)力學(xué)”這對(duì)軸上，材料系普遍已有較強(qiáng)共識(shí)——這也許應(yīng)歸功于計(jì)算熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)相關(guān)社區(qū)的不懈努力。雖然統(tǒng)計(jì)力學(xué)往往在理論高度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于材料系的材料熱力學(xué)，但是材料熱力學(xué)應(yīng)當(dāng)更關(guān)注考慮了復(fù)雜組分、局部異質(zhì)性、缺陷和多場(chǎng)耦合的熱力學(xué)穩(wěn)定性。而動(dòng)力學(xué)方面，則應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)探索對(duì)應(yīng)的避免或者制造相應(yīng)缺陷的材料動(dòng)力學(xué)。從這點(diǎn)來看，一旦考慮到缺陷，這對(duì)對(duì)偶在教研中的探索可能仍稍顯不足。

以德國(guó)馬普可持續(xù)材料所為核心，近年來相關(guān)研究社區(qū)開展了缺陷相圖的研究。但平心而論，這方面的探索可能仍處于早期階段?；蛟S正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，2025年美國(guó)國(guó)防部的多PI交叉學(xué)科項(xiàng)目（MURI）也選擇了缺陷相動(dòng)力學(xué)作為其資助主題之一，試圖推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。此外，受限于筆者的了解，傳統(tǒng)的以相圖計(jì)算為代表的計(jì)算熱力學(xué)、計(jì)算動(dòng)力學(xué)和相關(guān)理論計(jì)算研究似乎更集中于結(jié)構(gòu)材料和冶金領(lǐng)域。未來如果要進(jìn)一步深化拓展相應(yīng)的教學(xué)體系，或可嘗試將類似方法也引入到功能材料的研究中，在結(jié)構(gòu)材料與功能材料之間打破壁壘，以實(shí)現(xiàn)跨子領(lǐng)域的一體化理解。

總而言之，這一教學(xué)框架或許比傳統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-加工-性能”四面體模型更具實(shí)踐意義，但也對(duì)本科和博士早期訓(xùn)練提出了更高要求。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)體系，學(xué)生必須在數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)（含AI）方面都打好一定基礎(chǔ)，而各個(gè)院系也需因地制宜調(diào)整核心課程的側(cè)重點(diǎn)。透過這樣一個(gè)整體性的教學(xué)框架，潛在目標(biāo)是提供寬口徑的基礎(chǔ)教育和知識(shí)體系，讓學(xué)生在掌握基礎(chǔ)的同時(shí)有能力通過清晰的學(xué)科框架快速進(jìn)入各個(gè)研究前沿。另一方面，則是讓學(xué)生有機(jī)會(huì)比較不同研究子領(lǐng)域或者工程實(shí)踐中處理實(shí)際復(fù)雜性的共通之處，從而快速積累起在具體問題上實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)和信心。畢竟無論是本科還是碩博階段，教育的重點(diǎn)不就在于幫助學(xué)生積累解決困難的經(jīng)驗(yàn)，并確立更為寶貴的信心嗎？正如愛因斯坦所說：

“我反對(duì)這樣一種觀念，即學(xué)校必須直接教授那些在日后生活中會(huì)直接用到的專業(yè)知識(shí)和技能。生活的要求是如此五花八門，以至于在學(xué)校里進(jìn)行這種專門的訓(xùn)練是不可能做到的……比起專業(yè)知識(shí)的獲取，獨(dú)立思考和判斷力的綜合培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)始終放在首位?！?/p>

信息化時(shí)代的思考

隨著 ChatGPT、DeepSeek 等大模型重塑知識(shí)的獲取方式，筆者在最后想談?wù)勑畔⒒瘯r(shí)代對(duì)材料科學(xué)本身的影響和相應(yīng)的人才培養(yǎng)的一些思考。

首先，“AI for Science”正在重塑材料科學(xué)的這四個(gè)方向：生成模型正在加速新晶體、新分子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)；缺陷工程正借助機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)高度復(fù)雜的缺陷體系的學(xué)習(xí)和擬合能力；熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的模擬也越來越依賴數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)。在實(shí)驗(yàn)端，機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)于材料表征的自動(dòng)解譜，合成、測(cè)試的AI輔助自動(dòng)化也將對(duì)新材料的開發(fā)大有助益。

這其中的關(guān)鍵在于，深度學(xué)習(xí)能夠更好地克服“維度災(zāi)難”，換句話說是能夠從數(shù)據(jù)出發(fā)，更高效地應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的復(fù)雜性。而材料科學(xué)作為一個(gè)理論和實(shí)驗(yàn)裂隙很深的復(fù)雜性學(xué)科，復(fù)雜性往往正是由不同對(duì)稱性的晶體結(jié)構(gòu)與各種各樣的缺陷在各個(gè)時(shí)空尺度下相互雜糅產(chǎn)生的。從這一點(diǎn)上來看，當(dāng)我們把處理材料科學(xué)中的各種復(fù)雜關(guān)聯(lián)映射成一個(gè)應(yīng)用數(shù)學(xué)的數(shù)據(jù)挖掘問題時(shí)，深度學(xué)習(xí)很自然地成為了最有效的工具之一。

值得一提的是，實(shí)驗(yàn)端對(duì)材料的解析與觀測(cè)能力的提升主要得益于材料表征、光譜學(xué)的發(fā)展，特別是近年來“大裝置”的不斷升級(jí)。而當(dāng)我們從數(shù)據(jù)或者計(jì)算的視角切入，將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)計(jì)算科學(xué)的問題之后，近年來計(jì)算能力的進(jìn)步，也恰恰主要得益于“大算力”的提升。兩者分別代表了實(shí)驗(yàn)端與計(jì)算端觀測(cè)能力的飛躍，它們未來的深度耦合很可能孕育下一輪的機(jī)遇。

信息化時(shí)代也對(duì)科學(xué)研究和人才培養(yǎng)提出了新的挑戰(zhàn)，突出表現(xiàn)在以下兩個(gè)特征：

1.信息的交互與世界的發(fā)展正以前所未有的速度進(jìn)行。一方面，如果不積極對(duì)外交流而把自身限制在某一個(gè)特定的領(lǐng)域，就會(huì)錯(cuò)過很多機(jī)會(huì)，失去轉(zhuǎn)型的空間。另一方面，如果在底層原理方面得到某些突破，這樣的傳播速度將會(huì)使其迅速擴(kuò)散到其他領(lǐng)域。這就需要我們以更開放的心態(tài)面對(duì)不同學(xué)科以增強(qiáng)適應(yīng)能力。深度學(xué)習(xí)就是一個(gè)近年來快速擴(kuò)散并成功應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域的典型案例。在上個(gè)世紀(jì)的物質(zhì)科學(xué)方面，則是量子力學(xué)。但在那個(gè)年代的信息交互工具主要是印刷術(shù)，而如今已經(jīng)是現(xiàn)代化的信息網(wǎng)絡(luò)了。因此，深度學(xué)習(xí)在各個(gè)學(xué)科的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)勝當(dāng)年的量子力學(xué)，而這一點(diǎn)我們正在親眼見證。

2.從基礎(chǔ)學(xué)科到應(yīng)用學(xué)科的鏈條上，細(xì)碎的機(jī)會(huì)是很多的。在經(jīng)歷過上個(gè)世紀(jì)的基礎(chǔ)科學(xué)的黃金時(shí)代之后，很多基本原理層面的問題已經(jīng)得到解決，但打開的是一個(gè)更精彩的大門：有很多細(xì)碎但不可忽視的問題廣泛散布于各個(gè)小領(lǐng)域。這些問題本身雖然被基本原理約束，但具體場(chǎng)景卻千變?nèi)f化，有無數(shù)差異化的需求和機(jī)會(huì)顯露出來——其中也可能蘊(yùn)藏著發(fā)現(xiàn)新的基本原理的大機(jī)會(huì)。

這兩個(gè)特征提示我們需要在新的時(shí)代更注重培養(yǎng)下一代學(xué)生的基本功、對(duì)前沿新工具快速學(xué)習(xí)的適應(yīng)力、對(duì)基本原理的遷移延拓能力和捕捉問題（尤其是細(xì)分領(lǐng)域問題）的洞察力。而這需要我們不斷深耕“教研融合”，致力于將這門橫跨基礎(chǔ)科學(xué)與工程應(yīng)用的學(xué)科，以更具內(nèi)在聯(lián)系和普適性的面貌呈現(xiàn)給學(xué)生。最后，我也想說明：扎實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)固然重要，但同樣重要的是認(rèn)識(shí)到，即便是同一套理論基礎(chǔ)，在不同學(xué)科里也有不同的落地方式。如果學(xué)習(xí)沒有方向，就很容易忘掉；若問題本身沒有結(jié)構(gòu)，我們的思維也只會(huì)停留在表層。本文借材料科學(xué)一隅做了初步思考，希望能拋磚引玉。

2025.12修訂于浙江寧波

致謝與說明

1.本文最初以知乎問答等形式流傳于互聯(lián)網(wǎng)，后重新梳理打磨，遂成此文。由于筆者資歷和經(jīng)驗(yàn)尚淺，雖然努力嘗試但仍深感難以充分駕馭如此宏大的教學(xué)問題。如有不足、錯(cuò)誤或冗余表述、得罪之處，還請(qǐng)讀者多多包涵。

2.筆者感謝寧波東方理工大學(xué)助理教授汪碩的閱讀，以及他的大力支持和鼓勵(lì)。本文的成文受益于在弗吉尼亞大學(xué)的經(jīng)歷，博士后導(dǎo)師的指導(dǎo)，以及與程謀陽、Phum Siriviboon、Michael Landry、汪汪研究院內(nèi)同學(xué)的有益討論。

3.筆者本人受益于一定程度（但仍很有限的）的數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)的訓(xùn)練。此文也受到了林家翹先生的工作和鄂維南老師的《應(yīng)用數(shù)學(xué)新時(shí)代的曙光》的影響和啟發(fā)，嘗試跳入具體學(xué)科中梳理基礎(chǔ)科學(xué)與工程應(yīng)用的關(guān)系。

4. 筆者感謝《返樸》編輯部對(duì)本文文本的修改建議和修訂。

注釋

[1] 這一說法采取了英文維基materials science詞條對(duì)相關(guān)歷史的說明，以及杜倫大學(xué)（Durham University）歷史學(xué)家Joseph Martin的文獻(xiàn) "What’s in a name change? solid state physics, condensed matter physics, and materials science." Physics in Perspective 17.1 (2015): 3-32.中的相關(guān)記述。這篇文章以物理學(xué)的視角回顧了相關(guān)學(xué)科的命名演變和創(chuàng)生歷史中的曲折故事，可作為感興趣的讀者拓展閱讀的材料。

[2] M. Atiyah, Mathematics in the 20th century, Bulletin of the London Mathematical Society 34, 1 (2002).

[3] M. Berry, Wave geometry: a plurality of singularities, Quantum Coherence , 92 (1991).

[4] 關(guān)于物理學(xué)的美學(xué)的界定、討論以及物理學(xué)家對(duì)其的重視，最精彩的論述或許是楊振寧先生的雜文和對(duì)應(yīng)的演講，《美與物理學(xué)》。

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