基于實驗與理論單獨設課的教學改革探討

傅宇東+董國君+李茹民+朱小碩

摘要：在高等教育回歸工程背景下，工科專業課程體系和課程教學面臨著變革要求，工科高校材料類專業基礎課程“材料物理學”同樣需要適應工程人才培養目標。“材料物理學”課程教學改革主要包括兩個方面：一是課程內容梳理，二是實踐環節設立。本文探討了工科材料類專業基礎課“材料物理學”課程相關環節，提出了具體的理論和實踐教學內容。并從課程教學內容、教案講義制訂以及實驗教學等方面給出具體改革措施和實踐方法。

關鍵詞：工科高校材料類專業；材料物理學；課程內容；課程教學改革

一、引言

“材料物理學”是工科高校材料類專業的一門重要專業基礎課。從內容上看，是“凝聚態物理”相關理論與材料性能相結合的課程，主要講述材料的性能原理以及組成、結構、性能之間的相互關系和變化規律，介紹材料的力學性能、熱學、光學、電導、介電、磁學等性能及其檢測和應用的專業基礎課。如何培養學生既具備扎實的材料物理學基礎知識，又能熟練掌握物理性能的研究方法和實驗技能，是“材料物理學”課程改革的重點，也是本文研究的目標。

二、“材料物理學”課程教學改革是高等教育回歸工程的需要

隨著經濟全球化和國際形勢日益復雜化，科技創新對于世界各國的重要性也愈發突顯。許多國家面臨著產業轉型與升級的機遇和挑戰。因此，改革本科教育模式、提高本科工程教育教學質量、培養高素質的創新人才已經成為當今教育的迫切課題。我國是制造業大國，并且是全球第二大經濟體，目前處在經濟及技術發展的瓶頸期，正著力于產業轉型與升級，尋找國家民族復興關鍵階段的正確發展道路。在此背景下，中國需要培養具有國際視野、國際競爭力、創新能力、能夠終生自主學習的工程人才。而實際情況是，中國的本科工程教育存在著諸多問題，例如培養目標空泛（偏離工程師的培養）、課程體系學科痕跡明顯、課程內容與培養目標不符、實踐教學與理論教學脫節、實踐訓練缺乏、師資隊伍結構不合理等。所以本科工程教育教學改革迫在眉睫。

工科高等學校中的材料類專業面臨同樣的問題。材料類專業中的重要基礎課程之一“材料物理性能”或者“材料物理學”也存在著課程內容不合理、實踐教學缺乏等問題。有些大學“材料物理性能”僅側重金屬材料物理性能；有些大學僅側重材料物理性能指標及分析。國內高校“材料物理學”類課程的現狀可以概括如下：1.將兩門課程的內容放在一門課程中，課程名稱或者稱為“材料物理性能”，或稱為“材料物理學”，或稱為“材料物理性能學”。2.兩門課都開設，課程內容不同，前后次序不同，往往會存在內容交叉、前后次序混亂的問題。3.課程實驗，有的在課內設置（一般也在6學時以下），有的未設置。

課程內容關系不清晰、實驗環節薄弱和缺失，顯然對學生在“材料物理”方面能力培養是不利的，進而對面向工程復合型人才培養也是不利的。課程體系中的每門課程對人才培養總目標都是有貢獻的，因此“材料物理學”類課程內容的厘清以及實驗教學的加強，對實現“面向工程復合型人才培養”總目標有重要作用。

三、課程理論及實踐教學內容改革與建設

（一）課程改革目標和方式

課程教學改革目標就是使“改革的課程”成為課程體系的有效環節，合理的課程體系則是實現培養目標的關鍵保障，最終使培養的人才適應科技及社會經濟發展，即便是在工程教育專業認證背景下，工科材料類專業仍然是以面向工程的“卓越工程師培養”作為人才培養目標。在此前提下，本文以哈爾濱工程大學材料科學與工程專業基礎課“材料物理學”課程改革作為案例，研究核心工作就是進行教學內容的梳理和界定，建立新的“材料物理學”課程內容體系，將課內實驗與課程剝離，加強實驗教學，設立“材料物理綜合實驗”實踐課程。

（二）課程理論授課內容

在課程內容理論體系上，強調凝聚態物理基礎理論的鋪墊、共性規律的講授、能力的培養，重視新型功能材料的應用。要求學生深入理解微觀結構與宏觀物理性能間相互聯系，能夠應用基本原理闡述材料物理性能本質規律。

基于上述目標，針對目前許多高校“材料物理學”課程教學中存在的問題進行了分析研究。例如：如何使學生深刻理解物性的基本概念？是從物理性能出發，還是從固體物理和量子理論出發更適合學生理解？哪些教學內容對于解決復雜工程問題具有作用？實驗教學應該設立什么內容，多少學時合適？等等。

通過對相關問題的反復探討、比較、分析和教學實踐，將“材料物理學”課程內容界定為三大類：1.理論物理基礎：通過量子力學基礎、統計物理學、固體電子能帶理論、固體聲子理論講授，使學生理解微觀粒子運動規律性，固體微觀結構變化規律性，為深入理解材料性能機制奠定基礎。2.物理性能機制：以材料的電導、介電、光、熱學、磁性能為重點，從基礎理論、性能現象、影響因素，全面介紹材科物理性能及其微觀機制。3.功能材料應用舉例。

同時將上述內容界定貫穿在課程教學講義和教案的編寫過程當中。課程講義和教案強調：在凝聚態物理基本理論作為基礎的前提下，深入揭示各種性能現象的機制和機理。同時，針對不同材料（金屬、無機非金屬、高分子、復合材料）體系的物理性能特點，有目的地對相關特殊性能特征加以補充。并結合材料的最新發展方向，理論聯系實際地將半導體材料、絕隔熱材料、介電材料、磁性材料、光功能材料、信息存儲材料、智能材料等材料的性能機理和新材料體系作為學科前沿進展進行介紹，進而提高學習興趣并拓寬專業視野。

（三）課程實驗教學

目前國內各高校“材料物理學”課程實踐內容大體可以分為兩種情況：一種情況，根本不設置實驗；另一種情況是，設置課內試驗（屬于實驗教學條件比較好的情況），但由于總學時的限制，課內實驗學時較少，內容簡單且缺乏按理論體系進行的整體設計，實踐教學目標無法實現。哈爾濱工程大學屬于后者，實驗內容僅是演示，教學效果不好，且啟發性較差。

本次課程改革將“材料物理學”課內實驗剝離，與此同時剝離“固體物理”“材料設計學”“材料物理性能”“功能材料”等課程的課內實驗，整合在一起，單獨設立“材料物理綜合實驗”課程（32學時）。與“材料物理學”理論授課內容既有相互聯系，又有一定獨立性。“材料物理綜合實驗”課程內容主要包括功能材料設計（特定、選擇兩種）、功能材料制備、功能材料組織性能表征、材料性能物理機制分析等實驗內容，實驗材料分為規定設計和自選設計兩大類（第二類與創新實踐結合，需要選擇導師，進行創新科研立項，實驗課程給予成績和設備支持）。新型綜合實驗課拓寬了實驗教學的內容，加強了實驗的設計性和自主性，注重創新能力培養。endprint

深化實驗教學改革，除了整合、調整實驗課程教學內容使其更具綜合性和創新性之外，還要認真研究實驗教學技術及具體實施保障條件，使自制實驗設備在授課中發揮作用，增加特色演示實驗和學生可動手操作實驗。通過使用設備演示和親自動手研究相關材料物理性能，充分調動學生的創新思維和對固態材料體系相關物理性能微觀機制的理解。

總之，“材料物理綜合實驗” 課程通過以材料設計為起點，以材料制備為基礎，以獲得材料特殊功能為目標，以物理性能基礎理論分析為主線，突出材料結構與物理性能關系，強調材料工程應用和材料實驗操作。培育學生的創新思維和綜合能力。與“材料物理學”課程協同配合實現共同課程目標，并為實現培養“卓越工程師”目標提供支撐。

四、結論

更新人才培養的模式，改革課程教學內容和方法，全面推進素質教育，培養為“面向工程”的材料科學與工程專業高素質復合型人才，是專業課程改革的根本和長久目標。通過本文涉及的課程改革，可以得到以下結論：

1.材料類專業基礎課“材料物理學”面向工程的改革是高等工科教育回歸工程的必然要求。

2.“材料物理學”課程改革關鍵內容，就是課程目標的確立和課程內容及結構體系的調整。

3.“材料物理學”課程內容及結構的調整要包括課程內容的梳理及實驗教學單獨設課改革。在課程內容方面，基礎理論、內容邏輯等與適應企業和工程要求并重。在實驗教學方面，實現理論和實驗課程分離，實驗課程內容完整、課程目標明確、課程體系結構清晰。

通過理論課程和實驗課程分離，使學生在理論授課和實踐訓練上分別得到基礎理論水平的提升和實踐能力的強化，改革后的“材料物理學”可以作為材料科學與工程學科所有本科專業的基礎課程。它涉及材料科學與材料工程兩大部分，并可以初步將兩者有機地聯系起來，讓學生運用所學的知識，去分析解決研究和工程實際工作中遇到的問題。

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