“材料物理”課程教學(xué)研究與實踐

朱圣清 楊菁菁 周仕龍

[摘 要] “材料物理”課程是高校面向功能材料專業(yè)開設(shè)的學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課程，除理論教學(xué)外，同時開設(shè)配套實驗課程。理論與實驗教學(xué)相結(jié)合，旨在培養(yǎng)學(xué)生功能材料設(shè)計能力、獨立獲取知識的能力、科學(xué)觀察和思維的能力以及分析問題和解決問題的能力。針對當(dāng)前“材料物理”及配套課內(nèi)實驗課程教學(xué)過程存在的問題，對學(xué)生學(xué)習(xí)過程、第二課堂的開設(shè)、工程實例的補(bǔ)充、課內(nèi)實驗的改革以及考核方式等方面做了深入的探討。通過課程教學(xué)改革的實施，可有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，提升材料相關(guān)專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)，最終為培養(yǎng)解決復(fù)雜工程技術(shù)問題的高素質(zhì)復(fù)合型人才打下良好的基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 材料物理;教學(xué)實踐;人才培養(yǎng)

[基金項目] 2019年度江蘇理工學(xué)院教改項目“凝聚態(tài)材料相關(guān)物理實驗課程體系構(gòu)建研究與實踐”（11610511931）

[作者簡介] 朱圣清（1985—），男，安徽安慶人，博士，江蘇理工學(xué)院材料工程學(xué)院講師（通信作者），主要從事貴金屬納米材料的制備與應(yīng)用研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）36-0017-04? ? [收稿日期] 2021-05-25

一、引言

材料是人類進(jìn)化史的里程碑，現(xiàn)代文明的重要支柱，發(fā)展高新技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，同時也是21世紀(jì)科技創(chuàng)新重點研究領(lǐng)域之一。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展和對功能材料需求的日益增長，功能材料的工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，新型功能復(fù)合材料不斷涌現(xiàn)。教育領(lǐng)域，在人才的培養(yǎng)方面高等院校對材料科學(xué)的教育、教學(xué)提出了更高的要求，在此背景下，各大高校紛紛開設(shè)了“材料物理”課程。從材料四要素的角度來看，“材料物理”課程重點解決了材料物理性能與材料成分之間的關(guān)系，為上層器件的設(shè)計與性能優(yōu)化提供理論依據(jù)與基礎(chǔ)。為滿足人才培養(yǎng)以及材料類專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革的需要，并與國內(nèi)外材料科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展接軌，2012年江蘇理工學(xué)院開設(shè)了功能材料專業(yè)，并把“材料物理”作為學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課程納入功能材料專業(yè)培養(yǎng)方案中來。材料物理主要研究材料的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)的物理特性對材料性能的影響。課程的開設(shè)旨在培養(yǎng)學(xué)生功能材料設(shè)計能力、獨立獲取知識的能力、科學(xué)觀察和思維的能力以及分析問題和解決問題的能力。通過多年的教學(xué)，我們認(rèn)為不僅局限于授課過程中如何使學(xué)生掌握材料結(jié)構(gòu)、性能等理論知識，還應(yīng)該根據(jù)不同專業(yè)學(xué)生的專業(yè)背景，增加新時代不同功能材料應(yīng)用的案例，使學(xué)生能夠?qū)⒗碚摻Y(jié)合實際，從直接的感官上，認(rèn)識到材料科學(xué)與我們?nèi)粘Ｉ蠲考锲纺硞€器件之間的聯(lián)系，從根本上感受到材料科學(xué)的魅力，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)材料科學(xué)的興趣，培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實、興趣為引導(dǎo)的具有工程技術(shù)能力的高端技術(shù)人才[1]。

二、“材料物理”課程建設(shè)的問題與建議

我校材料工程學(xué)院功能材料專業(yè)2012年開始創(chuàng)辦，經(jīng)過近9年的摸索與實踐，主要培養(yǎng)以功能材料為主的工程技術(shù)應(yīng)用型人才。實踐教學(xué)管理還在不斷改進(jìn)和探索發(fā)展中，可塑性很強(qiáng)，有較大的提升空間。專業(yè)在課程設(shè)置和培養(yǎng)模式等方面能夠適應(yīng)市場和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，能夠適時創(chuàng)建適應(yīng)新時代需求的人才培養(yǎng)模式和方案，使新專業(yè)煥發(fā)出生機(jī)和活力。然而通過長期的教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)在人才培養(yǎng)過程中仍然存在一些問題。

（一）學(xué)生相關(guān)物理基礎(chǔ)知識參差不齊

“材料物理”是一門交叉性學(xué)科，包括晶體學(xué)、材料力學(xué)、物理化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)及材料性能在內(nèi)的多個學(xué)科分支。在本校前期開設(shè)的課程有“物理化學(xué)”“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”等。選課的生源來自全國的四面八方，包括本文為偏遠(yuǎn)的西藏和新疆，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的整體知識結(jié)構(gòu)參差不齊，少數(shù)學(xué)生物理基礎(chǔ)非常薄弱，還停留在高中物理階段，比如無法區(qū)別自由能與能量的區(qū)別、無法用微積分的思想處理變量物理問題等。導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)過程只能死記硬背相關(guān)的重要結(jié)論，不能充分地理解一條物理原理背后的內(nèi)涵，更無法準(zhǔn)確掌握物理原理與材料性能之間的關(guān)系，學(xué)習(xí)主動性比較差，部分學(xué)生達(dá)不到理想的培養(yǎng)目標(biāo)。前期課程中，特別是數(shù)學(xué)和物理的學(xué)習(xí)，對“材料物理”的學(xué)習(xí)顯得至關(guān)重要。基于此情形，在“材料物理”每一章節(jié)開課前，需要充分研究課程涉及的相關(guān)物理知識，并結(jié)合實際物理模型逐一與學(xué)生討論，達(dá)到先回顧、再認(rèn)知、后應(yīng)用的學(xué)習(xí)效果。例如在講授“材料物理”中“材料的力學(xué)”章節(jié)時，可以先給學(xué)生梳理力學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)，比如動力學(xué)與靜力學(xué)之間的關(guān)系，何時使用動力學(xué)？為什么研究材料動力問題要用靜力學(xué)來處理？宏觀上采用牛頓力學(xué)，而微觀上只能用量子力學(xué)才能解決問題？通過知識結(jié)構(gòu)的梳理并重點標(biāo)記與“材料物理”課程的相關(guān)知識，讓學(xué)生做到有備學(xué)習(xí)，心中有數(shù)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)“材料物理”的興趣。

（二）教學(xué)課時的壓縮與培養(yǎng)目標(biāo)的矛盾

當(dāng)前高校四年制本科的總學(xué)分一般要求在140到200之間，作為應(yīng)用型高校，較多的課時分配至實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，這導(dǎo)致部分理論課程總教學(xué)時數(shù)的下降。以江蘇理工學(xué)院“材料物理”課程為例，在2020年之前，理論課時為56學(xué)時，分散到材料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能、光學(xué)性能，平均每章節(jié)11.2學(xué)時。自2021年后改為48個教學(xué)學(xué)時，平均為9.6學(xué)時。一方面由于材料物理是交叉性學(xué)科[2]，不僅要講授本課程教學(xué)計劃中的直接知識，還要在相關(guān)物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)背景知識、工程實際中的延伸案例上占用大量的教學(xué)時間，以保證整體知識結(jié)構(gòu)的完整性與趣味性。另一方面，課時的壓縮勢必在課堂教學(xué)過程中要過濾掉部分章節(jié)，要么直接刪減教學(xué)內(nèi)容，要么只顧及書面上的知識，而沒有足夠的時間來深耕教學(xué)講透相關(guān)材料物理的原理，以致學(xué)生囫圇吞棗，對知識的理解浮于表面。顯然這是一個很大的矛盾，也與學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)相左。實際上，這一矛盾對于高校課程的設(shè)置是普遍存在的，根本性的原因在于科技日新月異的不斷積累知識與本科學(xué)習(xí)固定年限的矛盾。為了解決這一矛盾，第二課堂是個較優(yōu)的選擇。例如在材料物理教學(xué)過程中，我們選取了“泛雅數(shù)字化課堂”平臺，作為課堂教學(xué)的有力補(bǔ)充，在實際操作過程中，我們把每一章節(jié)知識分解成一個個特定的知識單元，每一知識單元都具有基礎(chǔ)知識的預(yù)習(xí)，視頻的講解以及工程的實際應(yīng)用案例，這些知識構(gòu)成一個個學(xué)習(xí)單元并植入到數(shù)字化課堂，讓學(xué)生自行學(xué)習(xí)研究討論，并在平臺提交相關(guān)的學(xué)習(xí)反饋。通過這一方式，很好地解決這一問題，并取得了良好的效果。