“無機材料物理性能”課程教學改革初探

摘要：通過分析“無機材料物理性能”課程教學的現(xiàn)狀，論述了課程教學中存在的主要問題，闡明了進行課程教學改革的必要性，指出應(yīng)從教學內(nèi)容補充、教學方法改進、教學手段靈活、教學科研結(jié)合、實踐教學開設(shè)等方面進行一系列的改革，并探討了教學改革實踐的效果。

關(guān)鍵詞：無機材料物理性能；教學改革；本科教學

作者簡介：劉琨（1979-），男，湖南長沙人，中南大學資源加工與生物工程學院，講師；金勝明（1970-），男，湖南邵陽人，中南大學資源加工與生物工程學院，副教授。（湖南長沙410083）

中圖分類號：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）13-0088-02

“無機材料物理性能”是中南大學面向無機非金屬材料專業(yè)本科生開設(shè)的一門專業(yè)選修課，所使用的教材主要為1992年清華大學出版社出版的，由關(guān)振鐸、張中太和焦金生編著的《無機材料物理性能》。該教材對無機非金屬材料的主要物理性能，如力學、熱學、光學、電學、介電、磁學等進行了系統(tǒng)的闡述，涉及知識面多，內(nèi)容有廣度，理論有深度。[1]通過該課程的學習，學生可以了解各性能的相關(guān)原理和微觀機制，掌握性能測試方法及性能控制和改善措施，明確材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系以及各性能之間的相互制約與變化規(guī)律，為學生在將來的科研和實際生產(chǎn)活動中正確選擇和靈活運用相關(guān)理論及工藝奠定基礎(chǔ)。“無機材料物理性能”在無機非金屬材料學科中的地位十分重要，而如今無機材料的發(fā)展更是日新月異，因此目前針對該課程教學進行與時俱進的教學改革，勢在必行。

一、“無機材料物理性能”課程教學現(xiàn)狀

“無機材料物理性能”課程主要向?qū)W生介紹與無機材料的多種重要性能相關(guān)的基本原理和主要方法。[1]該課程教學中存在的主要問題有三點。

1.涉及范圍較窄

該課程的主要教學內(nèi)容為無機材料的各種物理性能，包括力學、熱學、光學、電學、介電和磁學等，研究對象多為玻璃、陶瓷、耐火材料等傳統(tǒng)無機非金屬材料。近20年來，無機材料領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化，涉及研究內(nèi)容日益寬廣，所取得的成績碩果累累。除了傳統(tǒng)的玻璃、陶瓷、耐火材料等無機非金屬材料以外，以新型碳材料、半導(dǎo)體材料、光學材料、電子材料、磁性能材料等為代表的新型無機功能材料不斷出現(xiàn)，極大地拓展了無機材料的研究領(lǐng)域和范疇。以新型碳材料為例，20世紀90年代初期，碳納米管問世，隨后富勒烯、石墨烯相繼出現(xiàn)，并由于其重要性和關(guān)注度而相繼榮獲諾貝爾獎。這些新型功能材料具有重要的物理性能，但在“無機材料物理性能”課程中未能涉及。在教學中將各種經(jīng)典理論與新材料性能相結(jié)合，讓學生在學習基礎(chǔ)理論的同時了解學科發(fā)展前沿，將極大地提高學生學習興趣。

2.教學方法與手段單一

該課程側(cè)重于理論，教材中定義、定律、機理、公式、圖表眾多。對于學生而言，一方面內(nèi)容枯燥無味，無法引起足夠的注意力；另一方面內(nèi)容過于抽象，沒有直觀的認識，難以理解。這樣就會導(dǎo)致學生學習缺乏興趣和動力。盡管目前采用多媒體教學，但很多時候仍是將大版的文字、公式、圖片展示在學生面前，學生只能死記硬背和憑空想象，不能有效提高他們對知識的理解和掌握。

3.缺少實踐環(huán)節(jié)

由于教材編排及課程設(shè)定限制，本課程在教學中忽視甚至舍棄了實驗教學環(huán)節(jié)。“無機材料物理性能”課程側(cè)重從理論上解釋、闡述無機材料的各種物理性能及其本質(zhì)，學生在學習完相關(guān)知識之后，僅靠單純的記憶和理解難以深入掌握各種物理性能的現(xiàn)象及本質(zhì)。這勢必造成學生對部分知識理解不透徹，對課程作用認識不足，學習積極性降低，嚴重影響了教學效果。

二、教學改革措施探討

針對該課程教學的不足，結(jié)合學生的學習基礎(chǔ)和學校條件，借鑒兄弟院校相關(guān)課程的教學經(jīng)驗，筆者進行了一系列的教學改革和實踐探索。

1.更新和完善教學內(nèi)容

針對無機非金屬材料專業(yè)的特點，補充難度適當、重點突出、熱點關(guān)注的內(nèi)容，在教學中引入當今無機材料領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)、新方法、新理論，介紹無機材料領(lǐng)域的最新成果、發(fā)展趨勢，充實和完善原有的教學內(nèi)容。

在補充內(nèi)容的選取上，將新材料、新理論與傳統(tǒng)材料、傳統(tǒng)理論緊密結(jié)合；在補充內(nèi)容的編排上，以經(jīng)典理論、傳統(tǒng)現(xiàn)象的闡述為主，以新理論、新現(xiàn)象的介紹為輔，互相兼顧；重點采用經(jīng)典的理論和原理對新材料的性能進行表述和理解。該課程目前的教學主要立足于傳統(tǒng)與經(jīng)典的物理性能、現(xiàn)象及本質(zhì)理論，在此基礎(chǔ)之上，對新材料、新現(xiàn)象、新理論通過選取代表性實例，進行簡要介紹。比如在光學部分，針對熱點關(guān)注的納米材料，進行了相應(yīng)的光學性能補充，介紹了納米粒子的表面等離子體共振理論，探討了納米顆粒對光的吸收與散射作用，并說明了離散偶極近似理論在光學性能模擬中的應(yīng)用，讓學生從介觀層面上初步了解光與物質(zhì)的相互作用知識。在熱學部分，學生了解了氣凝膠等新型隔熱材料；在電學部分，補充了碳納米管、石墨烯等新型材料的載流子傳輸特性等等。通過合理的內(nèi)容選取和編排，向?qū)W生傳授無機非金屬材料領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)和新進展，拓寬他們的知識面，培養(yǎng)他們的學習興趣，增強他們分析問題和解決問題的能力。

2.改進教學方法

針對該課程的特點，教師不斷嘗試最有效的教學方法。興趣是最好的老師，只有提升了學生的學習興趣，增強了學生自主學習的動力，該課程才能取得較好的教學效果。創(chuàng)設(shè)教學情景，可有效地激發(fā)學生學習興趣，達到事半功倍的效果。Michael H. Goldhaber于1997年提出了“注意力經(jīng)濟”一詞，也就是現(xiàn)在常說的“眼球經(jīng)濟”，其意味著通過吸引公眾注意力可以獲取經(jīng)濟收益。課程教學也一樣符合“眼球經(jīng)濟”模式，通過吸引學生的注意力，引起學生的興趣，就可以獲得較好的教學效果。通常，教材的每部分內(nèi)容都是從名詞、定義、定律等開始，伴隨著大量的公式和圖表，對學生而言內(nèi)容比較枯燥，興趣索然。改變常規(guī)，讓學生在每部分內(nèi)容的教學開始時暢所欲言，思考和發(fā)現(xiàn)日常生活中他們所接觸各類事物的相關(guān)物理性能，見過什么事物，這些事物是做什么用的，有什么相關(guān)物理性能；并通過提問進一步引導(dǎo)，讓學生思考和討論這些事物的工作原理是什么，背后的物理本質(zhì)是什么。學生通過這些思考和討論，會發(fā)現(xiàn)材料的物理性能與他們的日常生活息息相關(guān)，并將他們的注意力或“眼球”集中到了課堂教學之上，對課程內(nèi)容產(chǎn)生了濃厚的學習興趣。這樣的方式，可以激發(fā)學生求知欲，使其充分認識到學習該課程的重要性。

同時，啟發(fā)式教學也是提高教學效果的手段，即在學生學習的關(guān)鍵環(huán)節(jié)或遇到問題時不直接告訴他們答案，而是予以點撥和誘導(dǎo)，這樣有利于發(fā)揮學生學習的主觀能動性，提高其分析思維能力。[2]比如，在介紹完一個定義或一個理論之后，開始介紹該定義或理論所對應(yīng)的現(xiàn)象時，提出諸如“在某現(xiàn)象的背后，存在什么規(guī)律性的原理，應(yīng)用該原理可以闡明身邊的什么現(xiàn)象”等問題，繼而引出重要的定律、定理和理論解釋。例如，在介紹完介質(zhì)對光的散射之后，向?qū)W生提出問題，為什么天空在晴朗的時候呈現(xiàn)出的是藍色，為什么灰霾天氣能見度不高，且霾多呈黃色或橙灰色？從而引出質(zhì)點尺寸對光散射系數(shù)的影響。再讓學生思考身邊存在哪些與介質(zhì)質(zhì)點尺寸相關(guān)的散射現(xiàn)象，繼而引出散射規(guī)律，讓學生深入了解與介質(zhì)尺寸相關(guān)的Fresnel、Mie、Rayleigh等三個散射定律。通過層層設(shè)問，不斷引導(dǎo)，將知識傳授給學生。采用這樣的方式，有利于加強學生理解和記憶基本概念、基本原理，同時，可使學生學會舉一反三，靈活運用所學知識。

3.靈活運用現(xiàn)代教育技術(shù)

“無機材料物理性能”涉及的物理現(xiàn)象、基本原理和基礎(chǔ)理論比較多，也較為抽象，對學生的思維能力、推理能力和想象能力要求較高，增加了教學難度。采用多媒體教學可以真實或模擬地呈現(xiàn)情景，靈活運用生動的動畫演示，是突破教學難點的有效手段，可顯著提高教學效果。[3]例如，在介紹無機材料中晶相的塑性形變時，可給學生展示晶格滑移和位錯運動的動畫，讓學生直觀地看到剪應(yīng)力如何引起材料的塑性形變，便于學生認識和理解；在介紹鐵電性時，通過動畫演示鈦酸鋇晶體中鈦、氧離子的位移情況，揭示鈦酸鋇晶體結(jié)構(gòu)在不同溫度下的演變過程，讓學生理解鈦酸鋇自發(fā)極化的微觀機理等等。動畫演示的方法，可多次反復(fù)演示，更生動、更直觀、更形象地將教學中的難點和重點表達出來，提高教學效率和教學質(zhì)量。[4]這要求教師對相關(guān)的模擬、繪圖、3D、動畫等軟件具有較好的掌握能力。

4.教學與科研相結(jié)合

教學與科研是不可分割的，彼此相輔相成、相互依賴。“無機材料物理性能”的任課教師均承擔了科研項目，將教師的科研與教學有機地相結(jié)合，勢必相得益彰。一方面，科研工作的開展有助于教師了解科技發(fā)展的前沿，確保知識結(jié)構(gòu)的更新和教材內(nèi)容的補充；[5]另一方面，教學工作的開展可以將科研活動中的感性認識上升到理性認識層面，有利于增強理論基礎(chǔ)，拓寬研究思路。教師從科研中所獲得的豐富知識，可以開闊教學思路，豐富教學知識，提升學生對前沿科學的興趣，進而引導(dǎo)學生更好地進行課程的學習。在教學過程中，嘗試將自己的科研成果和相關(guān)領(lǐng)域的科技前沿引入到教學內(nèi)容中，向?qū)W生介紹新材料、新性能、新機理、新理論，引導(dǎo)學生運用所學知識去認識、思考、理解，引起學生巨大興趣，取得了積極的教學效果。

5.增強實踐教學環(huán)節(jié)

“無機材料物理性能”課程的理論性很強，盡管教材中輔以大量的圖表、數(shù)據(jù)對現(xiàn)象和理論進行闡述說明，但仍然不利于學生對知識的理解和接受。之前由于受各種條件限制，該課程并無實踐環(huán)節(jié)，在一定程度上影響了教學效果。因此，增設(shè)相關(guān)性能實驗課程，對于學生更深入地了解物理性能的現(xiàn)象和機理是十分必要的。

當前學科建設(shè)比較完備，實驗條件比較完善，滿足了開設(shè)物理性能實驗的要求。將物理性能實驗與測試分析課程實驗相結(jié)合，可以讓學生了解基本的物理性能現(xiàn)象、儀器工作原理及相關(guān)基礎(chǔ)理論，加強學生對知識點的理解和應(yīng)用。比如在力學部分，可以借助萬能試驗機開展強度、模量、斷裂等實驗，幫助學生理解Griffith微裂紋理論；在熱學部分，使用熱膨脹儀、導(dǎo)熱儀開展實驗，有助于學習材料熱膨脹、導(dǎo)熱機理；在光學部分，采用紫外-可見分光光度計，增強學生對光的散射、吸收等的認識。教師指導(dǎo)學生制備樣品、操作儀器，對測試結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理、作圖、公式擬合，將實驗數(shù)據(jù)與理論公式進行對比，探討數(shù)據(jù)背后的機理。由于各個環(huán)節(jié)學生都親身體驗并積極動腦分析，鍛煉了他們的動手能力，培養(yǎng)了他們分析問題和解決問題的能力；[6]同時，通過動手學生可以論證教材上的理論公式，將枯燥的公式轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦拥膶嶒灁?shù)據(jù)，也極大地提高了他們的學習興趣。

三、結(jié)束語

針對“無機材料物理性能”課程存在的涉及范圍較窄、教學方法與手段單一、缺少實踐環(huán)節(jié)等方面的不足，任課教師應(yīng)對癥下藥，從更新完善教學內(nèi)容、改進教學方法、靈活運用現(xiàn)代教育技術(shù)、教學與科研相結(jié)合、增強實踐教學環(huán)節(jié)等多方面著手，以吸引學生注意力、提升學習興趣為出發(fā)點，以提高教學質(zhì)量、培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才為目的，不斷努力，不斷探索，不斷總結(jié)經(jīng)驗，更好地促進本學科的建設(shè)和發(fā)展。

參考文獻：

[1]關(guān)振鐸，張中太，焦金生.無機材料物理性能[M].北京:清華大學出版社，1992.

[2]鄧永和.工科大學物理啟發(fā)式教學與學生自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].湖南工程學院學報(社會科學版)，2009，(4):98-100.

[3]王誠，唐治中，姜亮.提高多媒體教學質(zhì)量的途徑[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2007，(12):105-106.

[4]鄒憲芝，尹榮.利用多媒體技術(shù)提高基礎(chǔ)化學的教學質(zhì)量[J].長春理工大學學報(高教版)，2009，(4):56-57.

[5]郝書辰.教學研究型大學如何實現(xiàn)教學與科研良性互動[J].中國高等教育，2010，(2):42-44.

[6]江民紅，陳國華，唐艷平，等.材料物理性能實驗的教學現(xiàn)狀分析與教改思路[J].桂林電子科技大學學報，2008，(2):143-145.

（責任編輯：宋秀麗）