低維材料物理與技術基礎課程的教學思考

摘? 要：低維材料物理與技術基礎課程是針對工科院校材料化學專業本科生開設的一門專業基礎必修課，其理論要求學生必須掌握并能實際應用。本文通過對教材內容分析、教學方法和手段的思考、學生創新能力培養等方面的探討，提出了一些改進和設想。

關鍵詞：材料物理;教學改革;創新能力

一、引言

材料是人類社會發展的基礎，材料科學涉及的范圍非常廣泛，隨時科技水平的不斷提升，材料的發展日漸迅猛，電力和電子工業的發展，推動了材料的研究開發和生產應用。了解材料的內容結構與組成，對理解材料的性能評價及用途具有較深的意義。低維材料物理與技術課程是材料化學專業學生的一門專業基礎課，也是專業入門課，本課程主要闡述材料科學中物理方面的有關內容，較詳細地論述材料的物理性能及其微觀機理，其理論性較強，知識面廣泛，理論知識較為抽象，涉及多種數學公式推導，需要學生具有較扎實的數學及物理基礎，學生學習起來比較困難，其教學效果如何對學生能否打下一個良好的專業基礎起著至關重要的作用。本課程通過理論知識講授并結合課后習題解答，使學生對所學原理進一步理解和掌握，授課過程從教學內容的選擇、教學方法的創新等方面對課程建設談幾點思考。

二、全面分析教材、理論聯系實際、調動學生學習主動性

《低維材料物理與技術基礎》課程主要講授材料物理性能（材料的力學、材料的熱學、材料的電學、材料的光學、材料的磁學、材料的聲學及材料的功能轉換）。第一章材料的力學是本教材的重要的基礎性內容，主要闡述與材料多種力學性能有關的物理定義及用數學表達式來理解材料的微觀機理，尤其是掌握材料的蠕變與應力松馳的特點，模擬Maxwell模型和Voigt模型，并能解決實際力學問題。對于材料化學專業的學生，關于量子力學部分的內容其數學和物理知識儲備相對薄弱，可作為次要內容介紹。第二章材料的熱學，主要闡述材料多種熱學性能有關的物理定義和數學表達式以及其微觀機理，重要內容包括一維單原子及雙原子的晶格熱振動、熱容量的兩種不同理論，并能根據微觀振動所產生的點陣動能的分析，而算出固體的宏觀熱容量。理解材料的熱膨脹、熱傳導微觀機理。第三章材料的電學是本書的最重要內容，主要闡述與材料多種電學性能有關的物理定義和數學表達式及其微觀機理。包括金屬的自由電子論、金屬的電導率，會利用能帶理論判斷導體、半導體及介電體的區別。對于只含有一種雜質的半導體，會判斷在不同的溫度條件下的電離情況，并以此分析其雜質濃度及費米能級大小。第四章材料的磁學可在前三章基礎上進行比照閱讀，主要闡述與材料多種磁學性能有關的物理定義和數學表達式及其微觀機理。第五章材料的光學主要闡述材料的多種光學性能有關的物理定義和數學表達式及其微觀機理，包括：光的折射與反射、光的吸收、光的色散與散射、材料的透光性和顏色，發光及其材料、激光及其材料，光學纖維材料以及光纖通信材料有關專題。本課程選用科學出版社的熊兆賢編著的《材料物理導論》第三版作為主要教材，化學工業出版社的李志林主編的材料物理為輔助教學。

教學過程中采用理論授課與課后習題實例相結合的方式講解，例如，講授麥克斯韋模型時，先講授材料的蠕變與應力松馳特點，推導麥克斯韋模型的結論，并求解松馳時間值，這樣既在課堂上消化理解了理論原理，又將理論在實際中得到了較好的應用。在傳授基礎理論知識的前提下，適當充實一些現代物理學中的材料科學知識，如利用光學理論制造高純度并且有低損耗的纖維，并使光纖具有精確的折射率分布形狀，以便在一定工作波長區域獲得低散射效果。使學生在材料物理學習中深刻夠感受到現代材料與物理科學的濃厚氛圍。課堂上還要使用科學的教育教學方法，在進行重要的定理和公式講授和推導時，適當地穿插一些科學實驗方法和現象發現的過程，及著名科學家在科學研究中奮斗的故事，這樣能使學生感知科學研究的成果，同時與學生產生共鳴，激發學學習興趣。

三、培養學生創新力

在教學過程中，除了講授課本上知識，更要注重學生創新能力及動手能力的培養，提升學生的科研業務水平，培養他們認識事物與探索知識的能力，正確處理好“學與究”的關系，尤其是本課程涉及到較多數學與物理的理論知識與數學公式的推導，如何引導學生的興趣，激發他們的積極性是教學過程中需要思考的問題。多鼓勵學生在課堂學習之余，參與校內外組織的各類項目，突破單一的封閉思維方式，建立起多種知識體系，提高創新力，也可將教師自身的科研成果帶入到課堂與學生討論分享，樹立他們的信心，盡可能多的熟悉工程設計及思維的開發，為進一步的科學研究打下堅實的基礎。

四、教學方法的改革

教師教學實際是與學生互動的過程，教學方法是該過程和諧統一的重要手段。《低維材料物理與技術基礎》課程內容多、抽象性強、知識點較為零碎、理論性較強。為提高教學效果，教師需對教學方法和手段深入思考。傳統的教學手段是一支粉筆一塊黑板向學生講授知識點，該教學手段在數百年來的教學過程中起到了不可替代的作用，但完全依賴該方法的局限性大、較為枯燥、不易保存、復習不便，較難吸引學生的注意力，學生的學習處于被動地接受地位，故教學方法改革要樹立“以教師為主導，以學生為主體”的觀念，強調學生是學習的主題，不能單一依賴教師填鴨式的教學方式，應實現從“以教學為主”向教學互動、以學生為主的理念的轉變。《低維材料物理與技術基礎》課程的特點是內容多、理論性強，知識面廣泛，理論知識較為抽象，涉及多種數學公式推導，需要學生具有較扎實的數學及物理基礎，學生學習起來比較困難，教師在教學過程中應使用多媒體授課與板書相結合。教師在教學過程中充分運用現代多媒體教學手段，可以將原本抽象、枯燥的物理知識和概念形象化，使學生易于理解和掌握，同時還增加了教學信息量，減少了授課學時。有些微觀結構看不見、摸不到，教師感到難教、學生感到難學的知識，借助多媒體輔助手段是切實可行的教學方法和手段。所以使用多媒體教學加上適量的板書，可增強學生對知識點推導的理解，加強學生的理解和記憶。

五、結語

教師教學實際是與學生互動的過程，教學方法是該過程和諧統一的重要手段。傳統的教學手段的局限性大、較為枯燥，較難吸引學生的注意力，學生的學習處于被動地接受地位。不利于激發學生的興趣和創新能力的培養。《低維材料物理與技術基礎》課程通過理論知識講授并結合課后習題解答，使學生對所學原理進一步理解和掌握，授課過程從教學內容的選擇、教學方法的創新等方面對課程建設的幾點思考，并獲得了一些經驗，激發了學生的學習興趣，增強了學生的專業素質。但是我們深知，當前我國材料學科教育改革的任務還十分艱巨，不斷加強實踐與探索，推動課程教學向更好的方向發展，培養“寬基礎、多方向、重實踐”的高素質復合型人才，是我們努力的目標。

六、所用教材及參考書

（一）課程所用教材

熊兆賢.材料物理導論[M].科學出版社，2012.

（二）主要參考書目

田蒔.材料物理性能[M].北京航空航天大學出版社，2001.

李志林.材料物理[M].化學工業出版社，2008.

參考文獻

[1]田蒔.材料物理性能[M].北京航空航天大學出版社，2001.

[2]劉艷改，黃朝暉，鄧雁希等.“材料物理”課程建設與改革體會[J].中國地質教育，2006（1）：92-94.

[3]鄔文斌.研究生教育質量評估體系探析[J].技術人才市場，2003（6）：41-43.

[4]唐一科.高校人才培養模式的改革與實踐創新[J].中國高教研究，2003（1）：39-41.

作者簡介

王秋凡（1988—），女，湖北襄陽人，中南民族大學化學與材料科學學院，講師，主要研究方向為新能源納米材料與器件。