材料物理實驗課教學內容的改革與實踐

楊迪武

（湖南工業大學 理學院，湖南 株洲 412008）

一、引言

伴隨高校學科專業分類的細化，許多偏重于應用的學科，如機械、計算機等等，由于其合乎時代發展的學科設計、新穎實用的課程內容而受到大量青年學生的歡迎。但對一些偏重于基礎研究的學科，如化學、數學、材料物理等，卻因其學科內容更新速度慢、抽象性強、理論與實際應用較難結合等缺點，受到越來越多的學生排斥。解決此問題行之有效的方法是設計時效性強、內容豐富的實驗課程，確保實驗課發揮其將理論學習和應用實際緊密聯系的紐帶作用[1]。學生通過自己動手研究深奧的理論公式，不但鍛煉動手能力、加強學習效果，還能提高學習專業理論的興趣。湖南工業大學理學院于2005年招收應用物理專業材料物理專業方向學生，對材料物理專業來說，其實驗課程內容的設計尤為重要。通過學習本課程，要求學生熟悉材料分析的常用設備及測試方法，掌握重要材料物理性質的分析、測試手段及構成，增強學生自行設計和創新、分析問題及解決問題的能力，緊密聯系理論與實踐，為以后進一步的科學研究打下堅實基礎[2]。

二、材料物理實驗教學內容改革模式與思路

改革后的材料物理實驗課，應該既是一門為材料專業理論服務的實驗基礎課，還應是有利于學生將來做生產、開發工作或科學研究的技術基礎課。目的在于在材料物理的基礎理論和科技前沿領域的應用中架設橋梁，讓學生明確科學研究的全過程，培養學生較好的實驗素養及科學思維方法[3]。為了突出材料物理實驗課的地位及作用，改革教學內容時，應提高教學課時利用率，在繼續加強學生基本實驗測量技術訓練的基礎上，還應注重以下幾個方面因素：

1.緊密聯系學生所學理論課程。所有實驗的開設都應該建立在學生知曉相關理論知識的基礎上，如果開設學生沒有學過理論知識的實驗課，不但做不到加深理論知識的效果，而且學生操作實驗時茫無目的，無法解釋實驗現象，對實驗失去興趣。因此在設計具體實驗內容時，必須要先與學生溝通已學習的理論知識，做到心中有數、有的放矢。

2.內容豐富。設計實驗課內容時應首先設計制備材料的基本方法實驗，還應包含半導體、絕緣體、金屬幾種基本材料類型的性能分析實驗，并包括對材料成分和材料結構進行分析的光譜學及電鏡等重要測試手段。一個實驗可以包含以上幾種情形，例如，開設“X射線衍射儀的應用”這一實驗時，不但要求學生學習大型儀器的使用方法，而且要求學生測試幾種不同類型的材料進行比較，使學生掌握不同材料的基本性能。

3.時效性強。當今的材料科學日新月異，各種新材料不斷涌現，物質極大豐富，比如性能優異的復合材料、用處廣泛的納米材料等等[4]。學生學習知識就應該要學會解釋身邊的具體事物，否則，知識就變成了“死”的，沒有學習價值。既然新材料能夠引起人們的廣泛關注，那么對于像處在牙塔內的求知若渴的學生更具有較強的吸引力。因此，要激發學生的學習興趣，應該在設計實驗內容時引入新材料研究的有關內容。例如，設計“納米材料光致發光性能測試”的實驗，學生了解到納米材料在受到量子限域及小尺寸效應之后，能帶結構會發生徹底改變，學生從實驗中學習了基本能帶理論，并且可以用來解釋身邊的新事物，極大地提高了學習興趣。

4.適中的難易程度。材料物理實驗課是一門協助相關理論課程學習的輔助課，不能夠貪多貪難試圖讓學生掌握所有的材料物理知識。整體內容豐富了，每個實驗應該要做到易于開展、目的明確，所以，實驗課的難易程度要謹慎把握。不能夠偏難，使實驗難以進行，嚴重打擊學生的學習積極性，當然也不能過易，使學生感覺不具備挑戰性，失去自我創新的創造性思維。

三、材料物理實驗教學內容改革措施與實踐

傳統實驗教學著重于驗證性實驗，忽略“以學生為本”，不注重因材施教，過度突出統一性卻忽視不同學生的個性化發展，從根本上制約了學生的主觀能動性及創新能力的培養。湖南工業大學理學院材料物理實驗室教師為適應國家對創新型人才的需求，轉變傳統實驗教育理念，本著“注重培養學生科學思維、實踐精神、探索和創新能力”的原則，踐行“兩個要求，三個層次”的獨立實驗教學體系，兩個要求即選做和必做實驗，三個層次即材料科學基礎實驗（驗證性實驗，旨在加強對理論知識的認知和理解）、材料分析測試實驗（訓練性實驗，旨在提高學生的專業基本操作能力）、綜合設計型實驗（旨在培養高素質應用能力和科研創新能力），對材料物理實驗教學內容進行改革與實踐。

1.材料科學基礎實驗。基礎實驗是要求學生掌握材料物理專業的實驗基本技能所開設的，學生必須要自己動手操作且分析實驗結果。包括制備金相試樣、典型組織金相分析、測量鐵磁材料磁滯回線、電子顯微鏡分析、金屬及非金屬材料的拉伸、彎曲及壓縮實驗等等，組成一個完整的材料科學基礎實驗系統。

2.材料分析測試實驗。此實驗目的是為了使學生知曉材料科學前沿中新型材料的合成及測試方法，對不同種類材料進行表征及性能測試，由此拓寬學生知識面，啟發學生的科學思維，為將來更高層次的研究工作做準備。雖然材料制備手段和測試方法有多種形式，在課堂的有限時間內，無法讓學生掌握全部材料的制備工藝與測試手段，但是，材料的絕大多數制備和測試方法是互通的。基于此，我們具有針對性地設計了下面的實驗：電化學工作站的使用、四探針法測薄膜電阻率、材料熱重/差熱分析、橢圓偏振光譜儀測薄膜厚度及折射率、材料的紫外光譜測試、材料磁學性能的綜合測試等等。

3.綜合設計型實驗。綜合設計型實驗完全不同于傳統實驗教學，是具有命題式及設計性質的綜合實驗，目的是培養學生的動手操作能力及創新能力，增強學生找到問題、研究問題及解決問題的能力[5]。原則上應以學生掌握的專業知識為主，但不能完全局限在學生原有的知識層面上，要給學生一定的發展空間，沒學習的知識通過指導學生自己查閱文獻資料獲得，督促學生掌握新知識點，全面發展學生的知識體系，綜合提高學生素質，這其實就是一個學生自主創造性學習的階段。因此，此實驗選題不注重簡單或繁雜，而強調學生的發展創新。在綜合設計型實驗過程中，強調學生的主體地位，學生不再是單純地進行驗證實驗，而是要根據自己業已掌握的材料制備、加工、結構及性能測試等方面的基本原理和基礎知識的基礎上，根據實驗教學要求，自主設計實驗方案[6]，按照既定目標選擇實驗條件，并能正確表征材料性能，還要求學生根據實驗現象及結果，自主判斷最佳工藝條件及配方，探索材料制備方法-材料結構╞材料性能的相互關系，極大地培養學生的創新能力，并根據學生要求，綜合設計型實驗分為選做和必做兩組，必做實驗包括溶膠凝膠法制備納米材料、化學旋涂法制備薄膜材料、介電陶瓷的固相合成等。選做實驗開設了一維納米材料的制備、磁控濺射法制備薄膜材料、功能材料的制備等，可供學生按照自己的興趣選做。

在新世紀科學技術飛速發展的態勢下，高校專業實驗課程的重要性日益凸顯。我們經過認真的實驗教學研究，提出一個切實合理學院材料物理專業方向實際的實踐教學內容改革方案。從分析傳統實驗教學內容不足出發，分析材料物理實驗課內容改革模式、思路及措施，注重因材施教及學生創新思維的培養。經過幾年的教學實踐，結果證實教學內容的改革行之有效，學生喜愛動手、會動手，對科研活動愈加感興趣，許多學生在學校舉行的創新競賽中取得了良好成績，近幾年理學院就業率達到95%以上。材料物理課程教學內容的改革將是注重學生提高綜合素質、綜合創新和實際能力培養的一種嶄新的實驗教學模式。

[1]王慧琴，吳慶豐，梁曉軍，黃偉軍.以應用為導向的大學物理實驗改革的探討[J].實驗技術與管理，2012，29（9）：148-150.

[2]鄭文清.研究性學習模式對大學籃球選項課的影響[J].體育科學研究，2009，13（1）：91-93.

[3]于衛，尤玉軍，儲誠明，張正華.綜合性大學卓越工程師培養實踐教學模式研究[J].揚州大學學報（高教研究版），2012，16（1）：91-96.

[4]吳榮.材料物理專業實踐創新能力培養模式的研究[J].實驗室研究與探索，2012，（12）：113-116.

[5]周昕，陳星輝.應用物理學專業《材料物理實驗》教學改革探討[J].中國校外教育，2013，（3）：118-118.

[6]張楓.材料物理專業綜合實驗的教學改革與實踐[J].中國水運，2007，07（08）：238-239.