材料物理研究生的教學思考與策略

李全++朱永福

摘 要：材料科學是研究材料的微觀結構、物理/化學性質、制備、測試、表征和應用的一門學科，是推動工業的發展和高新科學技術產業的源動力。材料物理作為材料科學領域的一門重要的基礎課程，對于材料領域人才的培養起著重要的作用。本文針對材料物理研究生教學涉及的教學內容、授課方式、科研活動和考核機制等問題做了思考，并建議更多利用現代教育資源和教學模式，以提高研究生的學習興趣和學習能力。

關鍵詞：材料物理 教學改革 教學模式

隨著科學技術的發展，工業對材料性能提出的更高要求，材料的生產和研發對人才的需求變得越來越大。材料物理是材料學科領域的一門重要的基礎課程，是材料學科研究生學習的一本必修課。這門課程也在很大程度上影響著學生是否能夠進一步掌握和理解材料學科其它專業課。由于材料物理課程教學內容知識量巨大，而學時又相對有限，那么如何讓研究生在有限的教學活動中更好掌握知識、如何讓研究生在枯燥和乏味的學習中變得積極主動、如何提高研究生對材料科學的科研興趣就尤為重要。改革現有的材料物理的教學模式以適應時代的發展和滿足培養高素質創新性人才的要求是材料物理研究生教學需要細致思考的問題。本文針對材料物理研究生教學從教學內容、教學方式、科研活動和考核方式及內容等方面進行了思考和討論。

超級計算機技術在材料科學領域中也扮演著越來越重要的角色，它促進了計算材料學、計算物理和計算化學等新興學科的產生和快速發展。目前，利用計算模擬方法研究物理、化學和材料等交叉科學的熱門問題，已經處于與實驗和理論研究齊頭并進、共同促進科學技術發展的第三支重要的力量。材料內部微觀結構是這些計算學科研究的前提和基礎。通過改變材料內部原子排列方式或化學成分，測試和計算材料性能的演化，進而逆向設計材料是近年來理論計算研究主流方向之一。理論計算研究需要基于材料微觀結構來開展，結合快速發展的計算機技術和物理/化學基本理論，科研人員可以有效理解材料的宏觀物理和化學性質，并可以實現材料的逆向設計。比如，吉林大學的學生可以引入結構預測算法的相關方法和軟件學習。結構搜索方法是由國外科學家率先發展的，國內研究起步相對較晚，但發展迅速，已在國際領域占據重要的一席之地。馬琰銘教授課題組基于結構對稱性的分類檢索，結合粒子群多目標全局優化算法，提出并發展的CALYPSO結構搜索方法可以有效設計和預測材料的微觀結構，還能依據材料功能特性的需求進行逆向材料設計。在同類方法和軟件中，目前該方法發表的文章數已經在國際上排名第二，是該領域國際主流結構搜索和設計軟件。建議在材料物理的教學課程中，開設一些關于計算材料科學方法和軟件的課程，將科研和教學活動相結合，引導學生將其應用到自己的研究領域，更好的理解材料物理的科學本質和提高學習和科研的興趣。具體的科學方法和軟件可以結合自己學校和學科的優勢。

除了科研和教學活動相結合的學習方式外，還要拓展相關的實驗研究。材料物理屬于理工科類專業課程，培養的研究生的就業單位主要是企業研發和科研院所，學生的動手實踐的能力非常重要。建議在開設該學科的教學活動中，適當增加實驗操作的教學和示范。比如，吉林大學材料物理專業可以開設關于X射線衍射分析、透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡的教學、演示和動手實驗。如應用X射線衍射分析技術的實踐教學，讓學生觀測每種結晶材料，都有特定的晶格對稱性和原子占位，用產生二次熒光X射線，探索晶體的晶面反射遵循布拉格定律，通過測定衍射峰位和強度進行化合物的定性和定量分析，引入壓力等調控手段，探索測定譜線峰位和強度的演變規律和發生結構相變的可能。便于研究生更直觀地了解材料內部微觀結構、理解結構和性能的關聯，將材料內部結構和相應物理/化學性質以可視化的方式呈現，并且可以培養鍛煉學生的動手操作能力以及激發學生的學習興趣。

信息時代，知識和科技更新的周期短、速率快。這就要求學生要及時掌握材料物理領域最新科研成果和前沿動態。新材料的研發對于能源、軍事、環境等方面的應用非常重要，是體現一個國家工業水平的重要標志。加大力度邀請國內外材料科學領域的專家和學者講解相關專題講座，以參與講座和積極提問等方式量化學生聽報告的數量和質量，加入平時成績的考核，便于學生積極探索新型功能材料的提出背景、設計、制備、表征和應用等。鼓勵多聽一些外國專家的講座，勇于用英文和專家進行學術交流，提高英語口語和聽力能力。目前的理工類大學生具備基本的英語閱讀能力、系統的基礎專業知識和邏輯思維，具有較好的雙語學習的基礎。最新的理工類學術資源正逐步趨于國際化，國際上的學術交流以英文為主，要求教師和學生必須具備較高的英語水平。為了能更好提高學生專業英語的能力，雙語教學或純英文教學要盡可能的使用原版教材或基于最新的材料物理學術論文等。純英文教學在執行中還是存在諸多問題，對于教師和學生來說都是挑戰，就雙語教學開展成功之后帶來的優點來說，還是值得去進一步嘗試和推廣。師生之間的交流和互動，如針對材料物理學科某個專題設置一些討論的環節，及時了解學生對知識的掌握情況并提高。對于疑難點和重點需花更多課時和專題設計進行講解；還可組織學生可以在課堂上進行小組討論，選代表提出自己的觀點，最后教師做總結。課堂上，教師鼓勵學生積極發言，引導學生多表達自己的觀點，這可以鍛煉學生語言組織和表達能力以適應日后傳道授業的需要，還可以有效培養學生的獨立思考能力。通過鼓勵學生發言，調動學生學習的積極性，在課堂上制造出輕松活躍的氛圍。在課后，教師要更多組織通過單獨討論了解學生的學習和生活情況。通過及時溝通、交流，本著“弟子不必不如師，師不必賢于弟子，聞道有先后，術業有專攻”的共同進步的原則，引導學生“吾愛吾師，吾更愛真理”的平等學術交流的原則，摒棄教師和學生之間的障礙，做到師生都有收獲。

設計若干與課程相關、學生感興趣的材料物理學術專題，引導學生自主學習。“授之以魚不如授之以漁”，通過有限的教學時間和教學內容，積極引導學生自主學習的新型教學方式，學生可以自己支配時間來鍛煉自己的閱讀、研究、觀察和實踐等能力并且可以提高其學習興趣。教師在教學過程中多給學生布置一些比較有實踐意義的題目，讓學生自己查閱資料，親自動手實踐去解決。學生如果有比較好的實踐方案，可以在課堂上進行專題討論，培養學生自主學習、獨立思考和解決問題的能力。同時，學生通過自主學習可以很好的參與到材料物理課程的教學當中，使得原本枯燥抽象的教學內容變得具體和有趣，從而能夠較好的激發學生對材料物理課程的學習興趣。所以，教師應該在教學過程當中根據實際情況用一些課時讓學生來自主學習。材料物理課程考核方式可以有多種形式，不能只是局限于試卷的方式，最好能與解決實際問題相關。學生可以將所學知識靈活運用，如果發現某些知識欠缺或是遺忘，可以及時學習，查缺補漏。這能充分發揮學生的主觀能動性和動手能力，培養學生的創新意識。考試內容要結合實際，教師根據方案的創新性、實用性和原創性等方面進行成績的判定。這種方式不僅有助于學生對知識的深刻理解，更有助于將自己所學的理論知識運用于實踐中進行檢驗，激發和培養學生的創新意識與自主解決實際問題的能力。學生不再只是單純的記憶一些書本的知識，從而做到學以致用。任課老師可以根據自己的教學內容，舉辦一些與材料物理專業相關且有意義的知識競賽、辯論賽和科技小發明等活動。通過舉辦課外科研和教學活動，不僅可以豐富同學們的理論知識，而且可以鼓勵大家多學習、多涉獵不同領域的知識。知識競賽和辯論賽可以很好的幫助學生更加深刻理解所學的理論知識以及提高學生的表達能力和知識的搜集能力。通過科技小發明活動，學生的動手能力可以得到相應的培養和鍛煉，并且有利于將抽象的理論知識與實際相結合，從而激發學生對材料物理的學習興趣。

功能各異的材料為制造業和電子行業的發展提供著源動力和技術革命契機。材料領域的發展需要高素質科研人才為其提供新鮮的血液，而受過系統和專業培養的材料科學領域的大學生更是被寄予厚望。材料科學領域的基礎課程如何設置和改革是一個需要長期思考和摸索的過程。教師通過在教學內容上的研學結合、加強學生自主式學習方式、積極引入課外科研活動和多方位考核方式等方面進行教學模式的改革，使材料物理課程更具有時代性、實踐性和專業性，將新時代的研究生培養成為理論基礎過硬、動手能力超群和具有國際科學視野的高素質人才。

參考文獻

[1]李志林，材料物理[M].北京：化學工業出版社，2009.

[2].劉書景，高校計算機實驗室管理與維護分析[J].新教育時代，2016（21），44.

作者簡介

李全（1980.06-），男，漢族，吉林省四平市梨樹縣，博士，教授，研究方向：新型超硬材料設計、高壓物理。

朱永福（1970.07-），男，漢族，江蘇省泰州市，博士，教授，研究方向：納米材料熱力學。endprint