材料物理課程教學方法的思考與探究

摘 要：材料物理是一門涉及現今科學研究的各個基本知識，同時又關聯最前沿的問題的學科；考慮到知識信息量的豐富性，學生想要通過一個學期的學習來把握每個問題具有一定的難度。根據這門課的特點，結合傳統教學中存在的一系列問題，分析討論了研究性、課題式教學、模擬仿真教學在材料物理課程試點改革的可行性等問題。

關鍵詞：材料物理 課題式教學 模擬仿真

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）06（a）-0074-02

Discussions Assessments on the Teaching Methods of Material Physics

Yan Bo，Ma Hongfeng

（College of Science， Zhejiang University of Technology， Hangzhou Zhejiang，China 310023）

Abstract：Material Physics which has a great storehouse of information is a subject in relation to the basic knowledge and the advances in modern science.In respect of these difficulties，there can be a problem for students to learn it well in just one semester. Considering with the embarrassment that exist in traditional teaching method，we discuss the feasibility of introducing Topic-Type teaching method as well as numerical simulation into the class.

Key Words：Material Physics；Topic-Type Teaching Method；Simulation

培養高質量的創新人才是我國高等教育教育改革發展的歷史任務，形成有利于培養創新人才的教學環境和教學方法是高等教育現在的基本出發點。材料（人類生產生活中用于制造物品、器件、構件、機器或其他產品的那些物質）以其寬泛的定義而出現在生活的各個領域，而材料物理，是用物理、化學方法研究材料特性及應用的一門學科。這就造成了材料物理課程具有基礎理論強，概念較多，信息量大的特點；而傳統教學中的“滿堂灌”方式存在著很多詬病，迫使我們重新思考材料物理課程的定位與完善。

建設創新型國家、提高綜合國力是我國發展戰略的核心與關鍵。實現這一目標的重點是培養大量的創新人才，這是當代中國高等教育最重要的歷史使命。然而，傳統的教學方法存在的問題總體上不利于創新人才的培養，因此，改革教學方法成為當前和今后一段時期高等教育的重要任務。

1 結合研究背景進行課堂教學

材料物理這類課程最大的特點是知識量極其豐富，各個方向發展又具有很深的專業背景，往往會牽涉晶體學、固體物理、半導體基礎、光學等理論，有時還會涉及跨學科的內容，同時課題比較前沿，即便從事材料研究多年的科研人員也未必能夠全部把握。人類對于信息的攝取具有選擇性，經常會忽略自認為無用的信息，有時恰好這部分知識來發揮著重要的作用，作為學習者事先是很少會去了解背景知識的。這樣，教師在授課的時候，可以先把知識點的研究歷史人物及背景意義進行說明，讓學生有個大局觀，加深對于知識點的了解，增加學習的興趣。上課過程，教師可以從簡單的例子出發，結合教師自己的研究以及全球最新的研究進展，有針對性的啟發引導，集中學生聽課的注意力。

2 引入課題式教學方法

所謂課題式教學方法是指在學生學好一定基礎課的前提下，利用學校的科研條件，在導師的指導下對學生進行創新能力和科研能力的培養[1]。

研究性學習重在學習的過程、學習方法的獲得和思維水平的提高。這一目標的達成重在體驗。因為知識的獲取過程在于：學生從老師的敘述中有選擇性地學習知識，它存在著體驗不夠的缺陷；學生作為研究者親自體驗知識獲取的過程。一門課程不但要反映知識本身的性質，而且還要反映求知者本質和知識的獲得過程。[2]

教師可以事先布置若干課題，闡明這些研究的意義，然后由3～5個學生自由組對，讓學生自主進行合作性地學習，完成對該課題的研究背景，國內外現狀，技術瓶頸，以及可能的突破整個過程的調研。然后讓學生來講這些課題，這樣會極大地調動學生學習的主動性，提高課堂效率。課題的選擇可以按照力、熱、光、電、磁學五大類應用選取：“新材料在智能外墻上的可行性、航天航空復合材料的選取、溫差電效應與材料的發展、太陽能等新能源材料、有機光電顯示材料的發展、制氫、儲氫對材料的要求、生物材料、存儲器件與材料的發展”等幾個目前新近研究專題，還可以根據研究發展進行適當調整。

除了以上選題以外，還可以添加幾個科普性質的選題以增加學生對于科學研究的了解，如“歷年諾貝爾物理學獎與材料物理”或者“分析xxx雜志文章引用率很高的物理背景原因”等等。

3 模擬仿真軟件的應用

除了普通教學中采用的PPT等多媒體形式給出已有的實驗數據、器件模型等，還可以借助計算機數值模擬軟件，讓學生更加直觀地了解給定物理場下材料的變化情況，并且增加對于材料物理過程的理解。由于材料物理課程面向高年級本科生而開設，考慮到高年級學生已學習過數值分析的基本知識，適當介紹各類工程數值模擬軟件，有利于學生以后科學研究或是工程應用的開展。在實際研究中經常會遇到一些稍復雜的問題，而且很難推導出解析解，如一些非線性偏微分方程的求解，這就需要借助于特定的數值分析軟件來模擬實現[3]。常見的數學編程類軟件如MATLAB，多物理場模擬軟件如COMSOL、ANSYS以及時域有限差分軟件如FDTD，材料能帶計算軟件如Material Studio等等。教師可以根據學校教學資源、經費狀況選擇適當的仿真軟件。必要時，可以嘗試編寫相應的軟件程序來實現模擬。

很多時候，材料的模擬涉及多個物理場的過程，而且軟件的模擬遠沒有想象的那么簡單，模擬仿真的過程實際上是物理思維的過程。學生通過模擬軟件的使用，能更進一步了解方程求解的原理，背后的物理意義。高年級學生通過電動力學的學習，對于方程的由來與應用已經有了初步的了解，但就一般來說，傳統教學中所涉及的電動力學問題仍然屬于滿足一定對稱性的特殊情況，大多數實際的情況要復雜得多，這個時候求解析解并不是最方便的；數值方法求解的物理過程，如電磁過程這類的模擬需要求解偏微分方程，根據偏微分方程的性質，需要設定滿足一定條件的邊界條件，這樣方程的解才會唯一。如何根據想要求解的問題而設置邊界條件和初始條件是困擾很多學生的主要難點，同時引導學生如何簡化問題的過程，又是培養物理思維的重要手段。

完成這樣的一次模擬，學生需要查閱大量的文獻，能夠讓他們充分了解各類科學數據庫資源的使用方法，同時養成做筆記的好習慣，這些對于培養科學研究的優秀人才能啟到一定的作用。

參考文獻

[1]孫英，蔣耀庭.開展“課題式”研究，培養低年級本科生創新能力[J].高等工程教育研究，2007（4）：136-139.

[2]趙曉霞.大學本科研究性學習的特征[J].現代大學教育，2006（5）：105-108.

[3]薛定宇，陳陽泉.高等應用數學問題的MATLAB求解[M].清華大學出版社，2004.

[4]韓延明，欒兆云.我們現代大學文化的價值取向[J].高等教育研究，2010（4）.