材料類專業(yè)“材料物理化學”課程教學的探索

陶洪 趙洪陽 付萍

[摘 要] “材料物理化學”是材料類專業(yè)較新的一門學科基礎課，針對“材料物理化學”的教學內(nèi)容和教學體系的構建，結(jié)合自身的授課經(jīng)驗，從課程教材、課程內(nèi)容和教學實踐三個方面對材料類專業(yè)“材料物理化學”課程教學展開了一系列探索和實踐。

[關鍵詞] 材料物理化學;教學內(nèi)容;教學實踐

一、引言

在全國教育大會上，習近平總書記提出“推進產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新，積極投身實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，著重培養(yǎng)創(chuàng)新型、復合型、應用型人才”。黨的十八大以來，習近平總書記有關高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)的一系列重要講話揭示了高校教育和高科技人才的培養(yǎng)對民族偉大復興的重要性。在新時代環(huán)境下，一流創(chuàng)新人才及高科技人才的培養(yǎng)是高校教育的基本要求。材料類專業(yè)是培養(yǎng)創(chuàng)新型、復合型、應用型人才的重要方向，而專業(yè)基礎知識的教授是專業(yè)科技人才培養(yǎng)的第一步。大學生在大學期間會接觸很多課程，包括學科基礎課、專業(yè)主干課以及專業(yè)方向課等。課程及其教學內(nèi)容的安排對學生的培養(yǎng)與發(fā)展至關重要。“材料物理化學”課程是材料物理專業(yè)課程改革后新添入的一門學科基礎課程。在這之前，“物理化學”課程是材料類專業(yè)學生必學的一門學科基礎課。

二、課程教材的選擇

課程教材的選擇對教學內(nèi)容的安排起到至關重要的作用。材料學科是一門歷史并不悠長的新型學科，而材料物理化學課程更是顯得尤為年輕。我們首先選擇了化學工業(yè)出版社出版的“材料物理化學”教材。這本教材的特點是以材料的結(jié)構以及材料結(jié)構的形成為主線，從物理化學的角度講解材料科學與工程的基礎理論問題。課程內(nèi)容包括：材料的結(jié)構（晶體結(jié)構、晶體結(jié)構缺陷、熔體和玻璃體、顯微結(jié)構）;熱力學在凝聚態(tài)體系的應用;固體表面與界面;相平衡與相變;擴散與固相反應;燒結(jié)。針對材料物理專業(yè)，在教學內(nèi)容安排過程中，我們發(fā)現(xiàn)了如下問題：第一，“材料的結(jié)構”和“相平衡與相變”這兩部分內(nèi)容與“材料科學基礎”的課程內(nèi)容出現(xiàn)了重復，而這兩部分內(nèi)容是這本教材的主體部分;第二，熱力學應用這一塊的知識的論述是建立在扎實的熱力學基礎之上的，而學生在大學物理基礎課上學習的熱力學知識有限，這無疑加大了本專業(yè)學生學習這一部分內(nèi)容的難度;第三，其他章節(jié)內(nèi)容安排較少，局限了本專業(yè)相關課程內(nèi)容的選擇。每本教材都有自己的特色，所選教材固然好，但無法適應本專業(yè)學生的專業(yè)知識需求。

第二個我們選擇的教材是國防工業(yè)出版社出版的普通高等教育材料科學與工程“十二五”規(guī)劃教材“材料物理化學”。這本教材調(diào)整研究對象，從學習對象和過程兩個角度突出“材料”二字。在材料研究領域，大部分研究對象都是凝聚態(tài)（固體和液體），而關于氣體的研究比較少見，這是“材料物理化學”區(qū)別于“物理化學”的一個重要特征。“材料物理化學”的核心基礎知識仍然是在經(jīng)典“物理化學”課程內(nèi)容的范疇，因此，在課程內(nèi)容改革過程中，“物理化學”課程的經(jīng)典核心內(nèi)容是不能放棄的。

三、課程內(nèi)容的選擇

我們系統(tǒng)地對比研究了所選的“材料物理化學”教材和高等教育出版社出版的“物理化學簡明教程”教材內(nèi)容。主體內(nèi)容上，它們都包含熱力學、化學平衡及化學動力學、相圖、表面現(xiàn)象以及電化學等方面的知識點。它們的區(qū)別則主要體現(xiàn)在以下幾點：第一，“材料物理化學”教材額外引入物質(zhì)狀態(tài)的介紹，提出凝聚態(tài)以及“2+2”的概念，以便材料類的學生在課程伊始就把握住課程學習的對象;第二，化學平衡及化學動力學等純化學化工知識適當簡化;第三，相圖的知識以凝聚態(tài)為重點學習對象;第四，在表面現(xiàn)象這一部分內(nèi)容中，著重強調(diào)界面的概念和應用;第五，鑒于材料學科的交叉性，引入了材料學科研究過程中經(jīng)常涉及的膠體化學內(nèi)容。通過上述對比，我們發(fā)現(xiàn)“材料物理化學”課程的基本性質(zhì)依舊是基礎理論，只是在課程知識體系構建上需要牢牢把握“材料”的特點。

課程改革后，“材料物理化學”課程采用32個課時的課堂教學，這遠遠低于“物理化學”課程的教學課時。課時的精簡也對課程內(nèi)容的安排提出了更高的要求。首先，在熱力學部分，我們以理想氣體為切入點，將相關概念過渡到凝聚態(tài)，簡化公式推導與計算、注重概念的講解，這樣可極大地避免因煩瑣計算推導導致的時間浪費問題;其次，我們簡化了化學平衡及化學動力學部分的內(nèi)容，只著重介紹材料研究中會應用到的相關概念。

四、課程教學實踐

教學內(nèi)容和教學方案則需要在教學實踐過程中不斷完善。

（一）更新教學內(nèi)容

在第一年講授“材料物理化學”的過程中，我發(fā)現(xiàn)了許多問題。其中，最關鍵的兩個問題是學生的基礎薄弱以及教學課時的受限，而如何兼顧“材料”的專業(yè)知識和“物理化學”的基礎知識也是課程教學過程中面臨的一個難點。在第一年的課堂上，熱力學部分花費的時間較多，直接導致后續(xù)課程講解不深入，很多需要深入分析講解的內(nèi)容只是浮于表面，教學效果也不甚如意。因此，第二年課程開始之前，我對教學內(nèi)容進行了系統(tǒng)的調(diào)整，精簡熱力學部分的基礎知識，強化與材料相關的專業(yè)知識。首先，以“物質(zhì)的狀態(tài)和表征”為課程的切入點，引入材料結(jié)構的基本知識，為后續(xù)課程打基礎;其次，系統(tǒng)講授“材料物理化學”的核心知識點，包括不同物質(zhì)狀態(tài)下的熱力學分析、與材料制備研究過程相關的化學理論基礎知識（化學平衡與化學反應動力學）;然后，深入從物理化學的角度講解與材料相關的表面/界面理論知識;最后，系統(tǒng)講授對材料研究至關重要的電化學相關內(nèi)容。在授課過程中，也盡量做到知識點的覆蓋和各章節(jié)內(nèi)容的銜接。

（二）改進教學方法

如果把課程教學比作構筑建筑，教學內(nèi)容可以看作是框架，而教學方法和手段就是一門課程的主體。信息化時代，傳統(tǒng)的教學方法已經(jīng)不能激發(fā)學生的學習興趣，如果不進行積極的引導，很可能導致學生因不解和困難而失去學習興趣。剛?cè)肼毜臅r候，我接受了大量與教學有關的培訓，培訓老師都在強調(diào)改變教學觀念的重要性。在教師和學生的關系上，我們應當建立“以教師為主導，學生為主體”的新觀念。在新的教學觀念的指導下，我針對“材料物理化學”課程進行了一些教學方法的改革。

1.為了培養(yǎng)高素質(zhì)復合型創(chuàng)新人才，在更新教學內(nèi)容和課程體系之余，更重要的是要重視學生創(chuàng)新思維方法和自主學習能力的培養(yǎng)[1]，這也是課時精簡的最終目的。因此，針對部分難度較低的課程內(nèi)容，我們將翻轉(zhuǎn)課堂應用到“材料物理化學”的教學中，要求學生提前完成知識的學習，把課堂教學從講授變成互動，提高學生的自主學習能力，從而達到提高學生學習積極性和加強學生理論知識體系構建的目的。

2.從教學過程中學生反饋的信息可以發(fā)現(xiàn)，課堂的教學氛圍對學生的學習效果影響很大，師生互動是組成課堂教學的必要因素。教學過程中要更突出啟發(fā)式的教學思想，從面面俱到的傳授轉(zhuǎn)變?yōu)辄c到為止的引導，充分調(diào)動學生的主觀能動性和學習積極性[2，3]。每堂課開始，我都會引導學生進行復習，在復習的過程中加強與學生的互動，幫助我更好地了解學生對知識點的掌握情況，也能幫助同學們更快地進入課堂。

3.“材料物理化學”課程內(nèi)容較多、課時較少，這就對學生的課后學習質(zhì)量提出了要求。因此，我利用微助教幫助學生在課下進行復習、預習以及知識梳理。微助教相當于我們的第二課堂，我將課程PPT和課程重難點羅列在上面，方便學生隨時隨地進行學習;構建討論組，以便他們在學習過程中遇到問題可以及時提出;針對每章節(jié)內(nèi)容，我都會在微助教上面編輯一些練習題來幫助學生鞏固已經(jīng)學到的知識。

五、結(jié)語

要想上好一門專業(yè)課，教師扎實的知識水平、與時俱進的教學方法，不斷完善的教學內(nèi)容和合理的教學方案設計這三者缺一不可。通過“材料物理化學”這一新課程的建設，我從中受益匪淺，新課程建設依舊任重道遠。

參考文獻

[1]黃治同.面向“新工科”復合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教學模式綜合改革與實踐[J].教育教學論壇，2019（16）：224-225.

[2]趙彬.材料力學全英文教學的一體化建設模式探索[J].教育教學論壇，2019（30）：131-133.

[3]邱小雷，姚霞，曹強.高等教育國際化背景下全英文課程建設探索[J].高校實驗室工作研究，2017（4）：128-131.