材料物理學課程的教學改革

邵姣婧

摘要：材料物理學旨在培養能掌握材料科學基本理論、相關基本技能、可從事相關技術開發的創新性專門人才，是一門從物理學角度出發研究材料的結構、性質和性能的一門邊緣學科。在課程教授過程中，理論知識的傳遞和實踐操作的訓練同等重要，為了培養能面向世界的現代化專業人才，材料物理學課程的教學改革需要注重學生綜合能力的培養和考察，同時需要不斷與時俱進地更新教學內容。

關鍵詞：材料物理學；教學改革；改革措施；綜合能力考核；師生互動

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）03-0116-04

一、教學目標的改革

（一）知識目標

材料物理學是材料物理專業的一門專業選修課，其主要任務是讓學生通過課程學習理解和掌握有關晶體學、缺陷物理、導電物理、材料力學性能、磁性物理、介電物理、高分子物理等有關材料物理性質和性能的基本知識，并掌握一些常用的有關材料物理學的表征方法，為今后的實際工作打下堅實的基礎。在教學過程中，教師除了對基礎理論知識進行講解之外，還要根據各章節的具體內容設計和安排一定學時數的實踐操作演示和具體案例分析，從而加深學生對基礎理論知識的認識，從實踐中體會所學知識的重要性和應用價值，實現教、學、用三者一體化。

（二）能力目標

材料物理學的理論性和實踐性均較強，教師在教授過程中，不僅要保證學生掌握材料的組織結構及其各種物理性能的理論知識，使學生學會利用物理學知識闡明材料學的種種規律，還應培養學生運用已學習的理論知識解決實際問題。在本課程的講授過程中，教師要安排一定的學時讓學生接觸材料物理課程中的一些相關實驗，培養學生的實踐能力，讓學生對理論知識有直接的接觸和感觀上的刺激，這樣更容易激發學生的求知欲和自主思考能力，為學生今后進行材料科學理論研究與材料開發應用打下全面的基礎。通過本課程的學習，使學生對材料物理的基礎知識和理論有一個系統的、深入的了解，擴展學生的知識面。

（三）素質目標

在材料物理學傳統考核過程中，對學生基礎專業知識的掌握程度的考核較為偏重，通過教學改革，教師應同時注重對學生的平時表現、實踐能力以及主動思考和解決問題的能力的培養，因此在教學過程中需要引入多種考核措施對學生的綜合能力進行評定。例如：在課堂教學過程中安排適當時間讓學生上講臺對布置的課外作業進行展示，給學生表現自己的機會，培養和提高學生的自信心，同時在一定程度上可增加師生之間、學生與學生之間的交流機會。

二、教學改革理念及思路

在教學過程中如何提高學生對本課程的興趣是最需要討論的問題，只有培養學生對課程的學習熱情才能充分調動學生的學習主動性，從而將本課程的教學目標真正貫徹實施。

（一）建立完善的成績評分體制，全面考核學生的綜合能力

本課程以往的考核通常是采取期末考試一錘定音的模式，學生的最終成績也就是期末考試的卷面分數，然而這樣的考核方式的偶然因素較大，不能完全正確地評定學生對本課程的掌握程度以及學生對課程內容的吸收，因此在成績評定時很有必要引入對學生平時表現的考核，提高平時成績在最終成績中所占比例。分數是學生非常看重的也是最直接的刺激因素，因此對學生平時表現的考核也應采用具體量化的分數。為了鼓勵學生積極參與課堂討論、活躍課堂氣氛、培養學生的主動學習興趣，在教學過程中進一步增加師生互動環節，在互動過程中常對學生進行口頭表揚，有利于增強學生的自信心，對課堂表現（比如提問環節）優良的學生給予平時成績加分的鼓勵，以激勵學生主動參與師生互動，從而在一定程度上鼓勵更多的學生重視課堂表現，提升課堂學習氣氛。

（二）增加多媒體電子課件中的視頻和動畫教學部分

材料物理的知識內容較廣，涵蓋金屬、聚合物、納米材料、無機非金屬等材料的光學、電學、力學、熱學等物理學知識，所需掌握的知識點較多，對于一些抽象問題難以用語言講解，因此在教學過程中容易使學生產生困倦，而生動的視頻動畫比生硬的文字語言更能吸引學生的注意力和興趣，更能形象地將理論知識傳播給學生，將抽象的理論知識具體化、形象化，將理論知識上升到新的感性高度，從而使學生更輕松地掌握、接受、消化和運用知識。

（三）增加實驗演示教學環節

實踐是理論的基礎，任何理論都離不開實踐的支撐。材料物理學知識比較抽象，因此容易使學生感到枯燥，通過在課堂教學過程中適時引入相關的實際例子和實驗演示操作，將抽象理論知識形象化、具體化，可使學生更加明白所學知識的實際應用價值，從視覺感官上直接感受所學的理論知識，有利于培養學生的學習興趣。

（四）建立雙語教學模式

本課程為專業選修課，所面對的學生是材料物理專業的大三本科生，對該年級的本科生來說，不僅需要掌握一定的專業知識，而且需要對專業課程的英文表達有一定的掌握，從而提高學生的綜合能力，并為學生日后進入全球科技領域進行國際交流做準備。在課程講授過程中，根據實際講學情況采用中英文板書、制作中英文課件。在英文講授的時候，根據學生的理解程度，對英文講授進行相應的中文翻譯，以達到既讓學生學會專業知識的英文表達，又使學生掌握所學專業課程的具體內容；另外，根據課堂講授的內容，定期給學生布置查閱相關英文文獻的任務、進行中英文課堂習題測試，從多方面使學生接觸和掌握材料物理學的英文表達。

（五）在教學過程中增加小測試的頻次

僅僅依靠課堂講授、課堂提問以及課外作業的布置，并不能使學生對自己掌握的知識程度有充分的認識，而將某一章節或某幾章節的知識點采用課堂閉卷小測試的方式，并用具體量化的分數評卷，可以直接使學生認識到自己對相關知識的掌握程度。除閉卷小測試之外，課堂開卷小測試可以鼓勵學生之間的相互交流和探討，采用這樣的方式可在一定程度上緩解傳統教學模式所帶來的嚴肅課堂氛圍，讓學生感受到課堂的輕松而不是緊張，最重要的是可以培養學生的思考能力和合作意識，調動學生的主動性以及活躍課堂氣氛。

（六）建立翻轉課堂

基于講課內容給學生布置課外資料查閱任務，讓學生根據所查閱資料制作10-15分鐘的講課課件，任課老師根據課程的授課計劃，安排時間讓學生將自己制作的課件在課堂上向全班同學進行展示和講解，對參與翻轉課堂的學生給予平時成績加分的獎勵；在學生進行完翻轉課堂之后，任課老師對其所制作的課件內容進行評價。引入這種教學模式，教師不再占用課堂時間來講授與課堂知識相關的課外知識，而是需要學生在課后通過各種方式和渠道進行自主學習，既可鍛煉學生查閱文獻資料的能力，又可讓學生享受將自己所查閱的知識傳播給其他同學所帶來的喜悅。

（七）提供課外答疑時間

任課教師每周安排固定的課外時間與學生溝通，便于及時與學生進行交流，當學生遇到問題時，可以有機會在課外輕松的氛圍下和任課教師進行探討。通過這樣的過程，不僅可以了解學生對本課程的掌握情況，根據學生對課堂內容的掌握情況實時修訂教學方案，還可與學生建立起朋友似的關系，更有利于課堂教學的實施。

（八）實時更新教學內容

當前，科學知識和技術發展迅速，材料物理學盡管包含許多經典的永恒不變的理論，也同時伴有新的理論知識的產生，因此任課教師應根據科技發展情況及時增加一些先進知識和新興技術，不斷擴充學生的知識面和視野。

（九）實行網絡教學

如今網絡系統日益發達，其普及率和覆蓋率極高，高校學生也熱衷于網絡教學，學生可以根據自己的時間和需求隨時下載網絡課件自學或進行自我考核，借助發達的網絡平臺進行資源共享，這樣可以建立起師生之間的有效交流，讓學生能更深刻地記憶本課程內容。

三、教學改革的具體實踐方案

材料物理學課程主要分為以下九個章節，依次為概述、材料結構理論、缺陷物理、材料力學性能、導電物理、電介質物理、磁性物理、高分子物理、低維材料，每一章節各具特色，又相互關聯，在教學改革過程中，根據每一章節的講學內容及特點，制定如下的具體實施方案。

第一章節 概述

在本章節課程內容講解之前，給學生明確本課程的考核方式以及平時成績的打分標準（如圖1所示），由于本課程改革為雙語課程，因此在幻燈片中的平時成績標準表以英語形式給出，任課老師同時進行中文翻譯。

本章節的主要改革內容是對材料物理的定義、研究內容、研究手段，以及材料的結構-性質-加工三者之間的關系（SPP關系）進行中英文授課；幻燈片中以英語表達的內容，采用中文翻譯，若幻燈片中以中文表達的內容，任課老師則采用英語翻譯。改革的主要目標是使學生掌握材料物理以及其所包含的學科方向的英語表達，以及能夠對簡單的英文題目進行正確的翻譯和理解；在具體實施過程中，除了在幻燈片上用生動的圖片表達，還利用板書形式對某些具體的內容進行仔細講解，在講解過程中任課老師根據實際情況采用中英文混講，同時利用具體的例子使學生對上課內容有深刻印象，例如，上課時給出一些英文題目作為課堂小測試，不僅可以使學生掌握專業英文單詞，又可使學生對課程內容有更深刻的記憶。

第二章節 材料結構理論

本章節的主要內容為原子的結構、原子的排布、晶體學基礎、X射線衍射、布拉格方程，以及幾種常見表征測試技術，主要改革內容為增加原子的電子結構速記法、原子的電負性等課程內容，以更好地使學生掌握原子的結合方式和晶體結構。鑒于本章節的主要內容比較抽象，在教學過程中我們自制生動的圖片對原子的電子結構和結合方式進行具體化（如圖2所示），采用教師在科研工作中的實物圖片給學生講解液晶部分內容，選用簡短的英文視頻講解本章節的部分課程內容，并在英文視頻播放之后進行中文翻譯，以使學生了解專業內容的中英文表達，從而達到雙語教學的目的。

第三章節 缺陷物理

本章節的主要內容為晶體的缺陷、缺陷對固體物理性能的影響。在改革過程中，針對晶體缺陷濃度公式的推導，主要利用板書的方式給學生進行講解，同時使用幻燈片進行配合。在板書推導過程中對一些推導細節進行著重強調，使學生更好地掌握公式的推導過程。為了加強學生對該部分內容的掌握，教師給出類似的推導題讓學生在課堂期間進行推導，鼓勵學生主動到講臺上進行推導演示，并對主動上臺進行公式推導的學生給予平時成績加分鼓勵。在講解缺陷對固體物理性能的影響這部分內容的時候，給學生布置課堂小測試，題型中設置1-2道英文題，這樣可以使學生不僅掌握一些專業詞匯的英文表達，也同時使學生對這部分講學內容有更深入的理解和記憶。另外，在本章節講解金屬缺陷時，將由任課老師帶領學生進行金相實驗并觀察金屬的位錯。

第四章節 材料力學性能

本章節的主要講課內容為材料力學性能的實驗方法、影響材料力學性能的因素、材料強化手段及其特點，主要改革內容為力學測試方法部分的教學方式。具體實施方式是基于課堂理論講解之后，給學生提供親自接觸這些材料力學性能測試手段的機會，使理論和實踐有機結合。例如：教師可安排學生參觀相關的力學測試實驗，讓學生親眼觀察，甚至親自動手參與。另外，在本章節教學過程中進行小測試讓學生對所講內容得到立刻的強化復習，這不僅有利于學生深入地掌握課堂知識，也有利于使學生在課堂上的角色從被動的“聽眾”轉變為主動的“執行者”，可在一定程度上活躍課堂氣氛，提高學生的學習積極性。

第五章節 導電物理

本章節的主要內容為材料導電的三個重要理論（經典自由電子論、量子自由電子論、能帶理論）、材料的導電性能、金屬的電導、半導體物理（半導體物理與p-n結、半導體物理效應、能帶理論在半導體中的應用）、超導物理。本章節的內容偏向于理論化，為了讓學生更好地掌握和理解本章節的內容，主要改革措施是利用具體例子、實物、動畫視頻對理論知識進行補充，加強學生對本部分內容的記憶和理解。另外，鑒于本章節理論性較強，為了讓學生輕松掌握課程內容，在授課過程中主要采用中文授課，部分幻燈片中的專業名詞才用英文表示并伴有中文翻譯，因此本章節的英文授課內容會較前面章節有所減小。

第六章節 電介質物理

本章節的主要內容為電介質的概念、特點、分類、四大基本常數，靜電場和變動電場中的電介質行為，以及固體電介質的電導與擊穿。本章節所涉及的物理參數較多、公式較多，需要學生能自己推導的公式也不少，改革目標是使學生理清各個物理變量之間的關系，以及各個錯綜復雜的公式之間的聯系，而不是簡單、機械地記憶公式，因此，在具體教學過程中，需要首先對公式中涉及的基本參數的物理意義講解清楚，而不是一味地給學生演示公式的推導。為了把一些基本物理參數講解明白，我們采取的具體措施是從最簡單的物理現象入手，先引入一些簡單易懂的物理變量，再通過物理定義、定理等把簡單物理變量延伸得到本章節中涉及到的復雜物理變量，使學生從根本上去理解和記憶復雜變量的物理意義，最后再以板書和幻燈片結合的教學模式將涉及到復雜物理變量的公式進行推導，這樣才能讓學生不僅知其然，而且知其所以然。例如，在講解電介質的電極化強度時，我們首先從高中物理就涉及到的平行板電容器（如圖3所示）入手，從簡單的物理量電壓U、電場強度E開始，通過物理定義引出本章節的物理變量——電極化強度P。

第七章節 磁性物理

本章節的主要內容為磁性的概念、來源，以及磁矩計算和鐵磁性的分子場理論。本章節的教學方法改革形式主要為采用翻轉課堂教學模式，采用這樣的模式可以激發學生的主動學習能力，章節內容講授結束之后，給學生布置1-2個課外作業，由學生在課外進行相關資料查詢、收集和整理，并制作10-15分鐘的幻燈片課件，任課老師根據課程進度安排時間讓學生對其自己制作的課件內容進行課堂演講，使學生在課堂上從被動角色轉變成主動角色，使學生更加主動學習，參與度更強。

第八章節 高分子物理

本章節的主要講解內容為高分子的定義、結構、性質、高分子分子量、聚合物的性質。本章節的內容與人類的生活有著很直接和緊密的聯系，因此在授課過程中我們主要采取的教學模式是增加與課堂內容相關的實驗演示和建立翻轉課堂。例如：本章節內容涉及到高分子纖維的制備，在該部分的授課過程中，教師可采用理論和實驗結合的方式，為學生講解和演示高分子纖維的靜電紡絲制備。另外，在學生對靜電紡絲有一定的直觀認識和理論理解之后，引入另一種重要的高分子纖維制備方法——濕法紡絲，讓學生在課外查閱相關濕法紡絲的資料，并與靜電紡絲做比較，使學生在對比中加強記憶，并通過翻轉課堂提高學生的積極性和參與度。

第九章節 低維材料

本章節的主要講解內容為低維材料的定義、二維納米材料的制備方法、結構，以及低微納米材料的尺寸效應。主要改革內容為二維納米材料的制備方法和結構，改革目標是使學生通過實驗對該部分教學內容親身體會和認識。例如：由任課老師結合自身的科研方向為學生講解石墨烯等二維納米材料的制備和組裝，以及為學生提供有關二維納米材料等低維材料的真實樣品，為學生提供許多豐富的科研實例，使學生對本章節內容有更直接的接觸。

四、結語

總之，材料物理學的教學改革勢在必行。在材料物理學的教學過程中，任課老師需同時注重培養學生的實踐能力和提高學生的專業基礎知識，全方面考核學生的綜合能力。任課教師應總結教學經驗，從教學目標、教學內容、教學方法、教學手段、實驗教學及考試方法等方面不斷探索新的更好的教學改革措施，在分析自身的優勢和不足的同時，善于吸取其他同行老師的教學經驗，不斷改進和深化教學改革力度，激發學生的求知欲和自信心，培養高素質綜合性人才。