“材料物理”課程教學研究與實踐

朱圣清 楊菁菁 周仕龍

[摘 要] “材料物理”課程是高校面向功能材料專業開設的學科專業基礎課程，除理論教學外，同時開設配套實驗課程。理論與實驗教學相結合，旨在培養學生功能材料設計能力、獨立獲取知識的能力、科學觀察和思維的能力以及分析問題和解決問題的能力。針對當前“材料物理”及配套課內實驗課程教學過程存在的問題，對學生學習過程、第二課堂的開設、工程實例的補充、課內實驗的改革以及考核方式等方面做了深入的探討。通過課程教學改革的實施，可有效提高學生學習能力、應用能力和創新能力，提升材料相關專業學生的綜合素質，最終為培養解決復雜工程技術問題的高素質復合型人才打下良好的基礎。

[關鍵詞] 材料物理;教學實踐;人才培養

[基金項目] 2019年度江蘇理工學院教改項目“凝聚態材料相關物理實驗課程體系構建研究與實踐”（11610511931）

[作者簡介] 朱圣清（1985—），男，安徽安慶人，博士，江蘇理工學院材料工程學院講師（通信作者），主要從事貴金屬納米材料的制備與應用研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）36-0017-04? ? [收稿日期] 2021-05-25

一、引言

材料是人類進化史的里程碑，現代文明的重要支柱，發展高新技術的基礎和先導，同時也是21世紀科技創新重點研究領域之一。隨著我國經濟社會的高速發展和對功能材料需求的日益增長，功能材料的工業生產規模不斷擴大，新型功能復合材料不斷涌現。教育領域，在人才的培養方面高等院校對材料科學的教育、教學提出了更高的要求，在此背景下，各大高校紛紛開設了“材料物理”課程。從材料四要素的角度來看，“材料物理”課程重點解決了材料物理性能與材料成分之間的關系，為上層器件的設計與性能優化提供理論依據與基礎。為滿足人才培養以及材料類專業的教學內容和課程體系改革的需要，并與國內外材料科學與工程學科發展接軌，2012年江蘇理工學院開設了功能材料專業，并把“材料物理”作為學科專業基礎課程納入功能材料專業培養方案中來。材料物理主要研究材料的力學、熱學、電學、磁學、光學的物理特性對材料性能的影響。課程的開設旨在培養學生功能材料設計能力、獨立獲取知識的能力、科學觀察和思維的能力以及分析問題和解決問題的能力。通過多年的教學，我們認為不僅局限于授課過程中如何使學生掌握材料結構、性能等理論知識，還應該根據不同專業學生的專業背景，增加新時代不同功能材料應用的案例，使學生能夠將理論結合實際，從直接的感官上，認識到材料科學與我們日常生活每件物品某個器件之間的聯系，從根本上感受到材料科學的魅力，從而激發學生學習材料科學的興趣，培養基礎扎實、興趣為引導的具有工程技術能力的高端技術人才[1]。

二、“材料物理”課程建設的問題與建議

我校材料工程學院功能材料專業2012年開始創辦，經過近9年的摸索與實踐，主要培養以功能材料為主的工程技術應用型人才。實踐教學管理還在不斷改進和探索發展中，可塑性很強，有較大的提升空間。專業在課程設置和培養模式等方面能夠適應市場和區域經濟發展的需求，能夠適時創建適應新時代需求的人才培養模式和方案，使新專業煥發出生機和活力。然而通過長期的教學實踐，發現在人才培養過程中仍然存在一些問題。

（一）學生相關物理基礎知識參差不齊

“材料物理”是一門交叉性學科，包括晶體學、材料力學、物理化學、材料科學基礎及材料性能在內的多個學科分支。在本校前期開設的課程有“物理化學”“材料科學與工程基礎”“高等數學”“大學物理”等。選課的生源來自全國的四面八方，包括本文為偏遠的西藏和新疆，通過調研發現，學生的整體知識結構參差不齊，少數學生物理基礎非常薄弱，還停留在高中物理階段，比如無法區別自由能與能量的區別、無法用微積分的思想處理變量物理問題等。導致學生學習過程只能死記硬背相關的重要結論，不能充分地理解一條物理原理背后的內涵，更無法準確掌握物理原理與材料性能之間的關系，學習主動性比較差，部分學生達不到理想的培養目標。前期課程中，特別是數學和物理的學習，對“材料物理”的學習顯得至關重要。基于此情形，在“材料物理”每一章節開課前，需要充分研究課程涉及的相關物理知識，并結合實際物理模型逐一與學生討論，達到先回顧、再認知、后應用的學習效果。例如在講授“材料物理”中“材料的力學”章節時，可以先給學生梳理力學的發展脈絡，比如動力學與靜力學之間的關系，何時使用動力學？為什么研究材料動力問題要用靜力學來處理？宏觀上采用牛頓力學，而微觀上只能用量子力學才能解決問題？通過知識結構的梳理并重點標記與“材料物理”課程的相關知識，讓學生做到有備學習，心中有數，提高學生學習“材料物理”的興趣。

（二）教學課時的壓縮與培養目標的矛盾

當前高校四年制本科的總學分一般要求在140到200之間，作為應用型高校，較多的課時分配至實踐教學環節，這導致部分理論課程總教學時數的下降。以江蘇理工學院“材料物理”課程為例，在2020年之前，理論課時為56學時，分散到材料的力學性能、熱學性能、電學性能、磁學性能、光學性能，平均每章節11.2學時。自2021年后改為48個教學學時，平均為9.6學時。一方面由于材料物理是交叉性學科[2]，不僅要講授本課程教學計劃中的直接知識，還要在相關物理、數學、化學背景知識、工程實際中的延伸案例上占用大量的教學時間，以保證整體知識結構的完整性與趣味性。另一方面，課時的壓縮勢必在課堂教學過程中要過濾掉部分章節，要么直接刪減教學內容，要么只顧及書面上的知識，而沒有足夠的時間來深耕教學講透相關材料物理的原理，以致學生囫圇吞棗，對知識的理解浮于表面。顯然這是一個很大的矛盾，也與學生培養目標相左。實際上，這一矛盾對于高校課程的設置是普遍存在的，根本性的原因在于科技日新月異的不斷積累知識與本科學習固定年限的矛盾。為了解決這一矛盾，第二課堂是個較優的選擇。例如在材料物理教學過程中，我們選取了“泛雅數字化課堂”平臺，作為課堂教學的有力補充，在實際操作過程中，我們把每一章節知識分解成一個個特定的知識單元，每一知識單元都具有基礎知識的預習，視頻的講解以及工程的實際應用案例，這些知識構成一個個學習單元并植入到數字化課堂，讓學生自行學習研究討論，并在平臺提交相關的學習反饋。通過這一方式，很好地解決這一問題，并取得了良好的效果。