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探科学真理 写师者传奇
发表时间 2017-10-24 13:36 来源 本站原创

  导语:相场方法是一种基于体系自由能计算的动力学方法,起源于朗道的相变理论,在20世纪中期曾被用于固体中扩散,Spinodal分解等过程的计算。80年代初,Khachaturyan发展了微弹性理论,使相场方法可用于涉及弹性变形的实际体系中。近年来,人们开始逐渐认识到相场方法在材料性质模拟方面的优势。它可以模拟相变过程,对模拟非均匀体系中畴或微观组织的形成和演化过程以及材料在非均匀体系中的物理性质十分有效,使相场方法在材料计算模拟方面正越来越受到重视,有望发展成可用于材料和器件辅助设计的计算机模拟手段。在此方面,北京科技大学物理系的马星桥教授已经进行研究十数载,他长期坚守在物理学科教第一线,在相场方法、多尺度计算方法及磁学实验研究等方面取得了一系列重要成果。

  一路进取一路求索

  到今年,马星桥教授已在物理学的天地里奋斗了整整三十五年。作为恢复高考后的第一批大学生,他1982年自北京科技大学物理系毕业后留校任教,除了利用三年多时间到香港攻读博士学位和少数出国访问,一直工作在教学第一线,他默默耕耘,每年平均教授近200学时的课程,他担任了13年主管教学的副系主任和5年系主任,将人生中最美好的年华全部奉献给了科教事业。

  马星桥从1983年到1986年到中科院物理所磁学室攻读与北科大联合培养的硕士学位,师从磁学专家詹文山教授,从事非晶态Fe-Y-B合金物性的研究,除了提高了科研能力,也开阔了眼界。1992年,马星桥担任主管教学的付系主任后,除了处理繁忙的日常教学管理工作之外,还参加了物理系的无损专业建设,此专业后来发展成为物理电子学硕士点。2003年以来,他投身于一系列的教学改革项目之中:物理学一级学科博士点建设,国家工科物理教学基地的建设和验收;教育部本科教学评估;《大学物理》优质课程建设;黄昆英才班建设等等,均取得了良好的效果。通过课程建设带动教学改革和师资队伍建设,是他采取的改善教学环境的具体举措。 《大学物理》是全校影响面最大的课程之一,他和系内几名中年教师一起,带领一批青年教师,对课程体系,教学内容,演示实验等方面进行了系统的建设,并组织教师开出了《大学物理方法》、《科学技术史》、《天体物理》、《物理演示实验》等选修课程,并亲自设计和建设了演示实验室。 以他为负责人的《大学物理》2006年获批北京市精品课程。在物理系中形成了热爱教学,重视教学的风气并锻炼了青年管理人才。近年来,一批青年教师已成长起来并在各类竞赛中获奖,物理系获得北京市青年教师教学基本功大赛一等奖两项、全国青年教师物理教学竞赛京津赛区第一名、全国第四名的好成绩。北科大学生在北京及周边地区大学物理竞赛中获奖人数历年稳定在一百多名。马星桥长期主持物理系的教学改着革和专业建设,关心学生的成长,鼓励开放办学,使物理系学生的学习风气有明显的改观。

  马星桥任系主任后,对系里的学科方向进行了调整,增加了光学、能源物理、纳米物理方向;他作为大会秘书长,与海外合作者一道,具体组织了“2012多尺度材料计算国际研讨会”并主持开幕式。一批多尺度材料计算方面的院士、高水平海外学者和国内专家在会上做了邀请报告,还由英伟达公司的技术负责人进行了GPU计算的讲解和培训。会议推动了多尺度计算领域的国际交流;2013年,北京科技大学物理系参与到中科院半导体所的“黄昆班”计划中,与半导体所联合培养高水平人才,毕业后送半导体所攻读研究生。他聘请了一位富有丰富经验的老教师做班主任,并亲自制定了学生管理计划和教学计划,亲自参与前两个班的管理。半导体所派出了十几名高水平研究人员来给学生讲《半导体前沿讲座》课程。两个班学习风气、学习成绩明显高于同讲台上课的普通班级。两班分获北京市优秀集体和校优秀集体奖。特别是,首届毕业生除三名学生参加了工作外,其余100%考上研究生,第二届毕业生全班100%考上研究生。“黄昆班”还带动了普通班的学习气氛,班级面貌有明显改变;与其它院系合作,物理系还参与、建设了“北京市弱磁检测及应用工程中心”,并顺利通过专家验收。

  马星桥致力于建设良好、和谐的学术氛围,在这种环境下,物理系仅40名左右的教师完成了每年全校3000多工科本科生,近100名理科学生50多名研究生的各种物理课程的教学任务,每年发表几十篇高水平科研论文,取得了全国物理学科排名32位的成绩。为今后物理系的进一步建设和发展铺好了基础。2014年教师节,学校授予物理系“先进集体”和“师德先进集体称号”。

  马星桥曾获得北京市优秀青年骨干教师奖、宝钢教育奖-优秀教师奖、北京市教学名师奖、北京市教育先锋-教书育人先进个人奖、享受政府特殊津贴并曾担任北京市精品课程《大学物理》的负责人和教育部《凝聚态物理专题》双语示范课的负责人,曾与美国宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授合作获得国家自然科学基金杰出青年海外合作基金。他还在国际杂志上发表了90几篇科研论文。

  马星桥长期从事一线教学,在基层教学管理上花费了大量的时间和精力。但他说,有几次他见到过刚刚毕业几年的学生,与刚进入大学的学生相比,他们成熟了,充满了青春活力,并明显感到受过高等教育,而这,则来自教师集体的贡献。他认为,教书育人,是他一生中做过的最实在的事,所花费的时间和精力都是值得的。

  乘风破浪探索前沿

  马星桥在科研方面主要从事相场计算方法、材料的多尺度高效计算方法及磁学实验研究。相场方法的优势在于它的研究范围在介观尺度,在与微观尺度和宏观尺度构成多尺度计算模型时,居于中心的地位,因此,可作为构建多尺度模型的核心。相场方法的另几项优势是可以实现多场计算,可以研究相变过程且不用追踪边界。

  马星桥曾用相场方法研究过多种体系:锆合金是一种核反应堆结构材料,在使用的辐照环境中会有缺陷和氢化物析出,产生滞后断裂,影响使用寿命。他曾建立外应力场影响下锆中氢化物的析出形貌演化的相场模型。目前他还在对空位、孔洞等辐照缺陷演化进行研究,并对相场计算方法进行改进,例如如何提高精度,如何利用并行计算及GPU计算实现大规模高效算法,如何与其它方法配合,实现高效计算等。

  受以前的研究经历的影响,马星桥目前把研究重点放在磁学体系的相场模拟研究上。他曾研究了同时具有铁磁性和铁弹性的多铁形状记忆合金NiMnGa在外磁场及应力场作用下的赝弹性。此后,他研究了磁场驱动的哈斯勒合金NiCoMnIn的相变过程,该合金可以利用磁场驱动相变,有可能利用其相变潜热实现磁制冷。对这种包含晶体结构从奥氏体到马氏体,同时磁结构从铁磁性到反铁磁性的复杂体系,他们分别建立了热力学模型,相场模型及多尺度计算模型,均与实验符合较好,论文已在Acta Materialia, JAP等杂志发表。 该项目得到国家自然科学基金资助。中国是个富含稀土的国家,当前,他参与研究重大项目,研究稀土合金PrGa,目前发现这种合金具有较高的磁熵变,是一种潜在的磁制冷材料,但离应用水平还有相当距离。他现在正与中科院物理所、南京大学等单位合作进行研究,他希望通过配合现有实验结果,建立相场及多尺度计算模型,对改进实验有所帮助。

  马星桥的另一个研究领域是自旋电子学体系的微磁学及相场方法模拟。随着对巨磁电阻(GMR)现象研究的加深,1996年,Slonczewski和Berger通过理论研究表明了自旋极化电流通过纳米尺度的铁磁薄膜或金属磁性多层膜中时,极化电流与多层膜中的磁矩散射会带来由极化电子到铁磁薄膜磁矩的自旋角动量转移,存在自旋转移力矩(STT),他们预言了该作用可产生两种效应,利用自旋极化电流可以控制磁矩翻转和进动。其后数载时间内,这一理论先后在磁纳米线、自旋阀纳米柱、纳米点接触以及磁隧道结等结构中得到了广泛的实验验证。利用前一效应可以制作磁随机存储器(MRAM),利用后一效应,可以制作纳米振荡器。2006年,马星桥开始研究STT效应,开发了可计算STT效应的微磁学计算程序,并对STT效应的规律进行大量计算机模拟。 如今,他们开发的计算方法及程序已可以对磁场、电场、应力场及极化电流对磁矩的动力学过程及磁畴演化进行模拟,可以模拟多铁性材料和自旋电子学材料。可用于研究STT及其他物理方式驱动的磁存储器和纳米振荡器等自旋电子器件的规律和机理,进行器件原理研究。他们曾对应力条件下的STT效应及自旋存储器的设计原理及提高纳米振荡器的功率等课题进行研究。特别是,最近他们提出了一种针对自旋纳米振荡器相位的调制方法,使不仅可以通过控制电流和外场调制振荡频率,而且可以调制相位。这为设计新型的自旋纳米器件提供了可能性。该结果已发表在《应用物理快报》(APL)上。

  桃李不言下自成蹊

  与科学事业结缘将近四十载,马星桥教授对待教学工作既保持了严谨的学风,又富于灵活变化。上课前,他一丝不苟的编写教学提纲,仔细推敲教学方案,积极探索教学方法;课堂上,他运用先进的教学手段和新颖的教学方法,讲解既能丝丝入扣,又可以诱发学生的兴趣、创造力和理解力。

  谈到教育改革时,马星桥教授指出,从统计上讲,人才创新能力最强、最出成果的时期是在30-40岁的年龄段,因此教育应该是一个持续的、长期的过程。教育分为初等教育和高等教育,若想达到创新的高峰,本应在高等教育阶段发力。但要想进入高等教育阶段,就必须首先通过高考。文革后刚刚恢复高考时,录取率仅有4%, 此后虽不断提高,但在相当长的一段时间大学都是稀缺资源,形成了千军万马过独木桥的局面。后来经过建设及扩招,解决了高等教育数量的问题,招生数量现在已经达到了适龄人群的50%左右,但优质高校仍是稀缺资源,是考生争夺的对象。一个孩子在成长过程中,花费了很大的精力去拼高考。这就使得教育很大一部分内容是围着高考转,压制了德智体的均衡发展,也造成了教育提前化及补习班盛行的现象,并造成部分学生上大学之后想歇口气,继续学习的动力不足。

  马星桥教授表示,在教改中相当长的一个历史时期内,高考是不宜废除的,因这涉及社会公平,而考试形式最有效最公平的方式就是笔试。中学的教学内容是教改要关注的重点。关于高等教育,当前大家普遍关心的问题之一是如何培养创新人才,已经有不少很好的改革案例及做法,但最关键的一条是教师要参加科研。科研不但加深教师对知识的理解,而且要求教师不断地追踪前沿或实际问题,寻求解决方案,使其不断保持创新能力。教师身上的这种能力会潜移默化地传到学生身上。科研做得好的老师,往往可以很快将学生引导到科技前沿,所以现在很多大学强调教授必须上讲台,这是非常必要的。教师还要注重修养,这也会影响学生。对于大多数普通院校,如何在当前国家新实施的双一流战略指引下,提高学科建设水平,将是新形势下高等教育改革值得重视的一个问题。实际上,只有在存在更多优质的高等学校的情况下,才能培养出更多的高质量创新人才,为国家科技和工业发展提供强大的支持。同时还有另一层深刻的意义——当有更多的优质高等教育资源后,将大大地降低中学生高考的压力,使得中小学生的培养在德智体各方面能够全面、平衡的展开,使各种教学改革措施的效果充分释放出来。这实际上就是习近平总书记和李克强总理所倡导的供给侧结构性改革的思想。

  谈到未来,马星桥教授充满信心。他表示,目前全国都在为实现中华民族伟大复兴而奋斗,作为教育工作者,生在一个建设强大国家,特别是教育强国的时代,既是幸福的,也是前进的动力。所以更要在以习近平总书记为核心的党中央的领导下,做好本职工作,投身到教育改革的大潮中,为教育的发展作出贡献,向党的十九大召开献礼。