貴州民族大學材料類專業大學物理課程的教學改革思路

羅光燦 李慶宏 王騰飛

（貴州民族大學，貴州 貴陽 550025）

貴州民族大學將大學物理列為材料類專業的專業必修課。大學物理是材料類專業學生必修的基礎課程，該課程注重培養學生對力、熱、聲、光、電等基礎物理知識的掌握，并為材料類學生進一步學習材料相關專業知識打下基礎[1]。正因為該課程為大一學生學習的基礎課程，且與后續材料相關課程的內容息息相關，因而學好該課程變得尤為重要。然而通過這幾年的學生成績發現，目前的教學效果并不理想，期末掛科的同學比較多，并且學生們的總成績也偏低，平均分低于八十。因此本文針對本校材料類學生在學習大學物理課程中存在的問題，從教學內容、教學方法和地域特色三個角度出發，為提高材料類專業大學物理課程的教學質量提出幾點改革的思路。

目前貴州民族大學材料類專業的大學物理課程主要存在學生主動學的動力差、興趣低，以及教師在教學時缺少結合材料方面的知識和應用于材料方面的實用性問題。物理知識本身比較抽象，難以和實際相結合，造成有的學生學習大學物理后感覺非常枯燥，覺得與材料的專業課聯系不大，實際用途很低，導致很難提起興趣主動去學，上課開小差的情況比比皆是，還有老師在自己講學生在自己學，沒有互動性，課后只是抄襲答案，不會深入思考等現象發生，最終學生走馬觀花學不到知識，只為匆匆應付期末考試。

究其原因，我們發現材料類專業的大學物理教學主要圍繞本校機電學院的教學模式開展，但這種模式不太適合材料類專業的教學和學生對材料相關知識的學習要求。材料學與物理學有著緊密的聯系，特別近些年來，在制備新材料時，有的要從微納尺度進行分析，從原子、分子等角度管控材料，而基于這些方法都要建立在物理學知識的基礎上，在這種情況下物理和材料之間的界限無法嚴格劃分，兩者反而是緊密相連相輔相成的。但我們在目前材料類專業的教學中發現，只是過多注重于基礎物理知識的講解，而忽略了材料方面的普及。因此主要存在以下幾點問題。

一是材料學科發展的速度極快，許多新知識層出不窮，特別是目前新材料的制備速度已成指數上升的趨勢，比如最新的二維材料，MXenes（過渡金屬碳氮化合物）、TMDs（過渡金屬硫族化合物），這些材料體系由于具備優異的電磁學、光學和力學性能而備受矚目，但這些材料的制備都是在原子級別，且基于這些材料的應用也需要物理知識去分析。然而目前所用的大學物理課程依然是沿用多年前的改版課本作為全校基礎物理知識的教材，材料類專業的大學物理課程分為上下兩冊，共兩個學期完成，每學期為64學時，主要以學生獲得基礎物理知識為要求，然而較少把材料的知識結合到其中，關于現代材料各方面科技發展的簡介更是少之又少，造成學生缺乏足夠的興趣去探索和應用物理知識。

二是課程的教學內容與材料類專業沒有深入結合，該課程主要是非本學院教師上課，只偏重于基礎物理知識的講授，與材料類專業的知識結合度較低，缺乏物理知識在實際材料發展中的應用，難以激發材料類學生的學習動力。而材料學院的教師在本專業領域涉及較多的材料課程，特別是材料物理與化學專業的教師在本碩博階段都有學習過材料與物理結合的課程，比如物理化學、材料力學、材料科學基礎等等，因而在結合物理與材料方面具有較為豐富的經驗。

三是大學物理授課主要以教師講述為主，而較少以當前某一熱點材料以及最新研究進展來講解，而這些最新的熱點往往能激發學生的興趣。比如最新的“黑洞”照片、星際旅行的電影。但如果只是枯燥的講解這些基礎知識，學生很難將抽象的物理知識用于實際生活中，導致學生無法學以致用，缺乏深入研究的興趣。并且師生互動較少，只是照本宣科的講授，學生只是在被動的學習，導致最后所學知識用于后期材料類學習的實用性較差。

貴州民族大學材料類專業的大學物理課程采用趙近芳、王登龍編寫的《大學物理A類》課本為教材，內容從第一章至第十七章可大致分為：力學，熱力學，電學，磁學和光學等板塊。按照該教材的學習要求，學生主要偏向于獲取物理知識為主，而將其與材料學領域的結合應用則較少，對材料類專業學生后面課程的提升幫助也較小。雖然經過之前各大高校的教學改革，材料類專業在探索適合本專業大學物理教學模式上都取得了一定成績，解決了一些教學改革的難題[2]，但是仍然還存在一些問題，本文以貴州民族大學材料科學與工程學院材料類專業的上課情況為基礎，以提高大學物理課程的教學質量為目標和培養學生利用物理知識探究和解決材料領域問題的能力為著力點，并在材料類專業培養方案的基礎上結合大學物理的教學要求，重點注重物理知識與材料知識的聯系，開展對材料類專業大學物理課程改革思路的探討，最終為提升學生對物理知識的興趣，加強大學物理對材料類專業的針對性以及實用性，使物理與材料結合得更緊密。

一、教學內容的改變

針對材料學院的學生，大學物理課程的任課老師可嘗試由材料學院的教師擔任。本學院教師通過了解學生的培養方案與后期的材料課程知識，通過與大學物理基礎課程相結合，在上課中積極引導本專業學生利用物理知識結合和分析材料的相關內容，讓學生了解物理與材料的緊密結合之處，以此提升學習大學物理的動力。本學院2021級材料類專業作為第一批大類招生，對學生學習知識要求部分如下：

（1）掌握材料類專業所需的基礎科學知識；

（2）掌握材料類專業的基礎課程，包括無機化學、工程制圖等基礎理論；

（3）材料類專業學生應了解學科的發展現狀和趨勢，具有初步的創新、分析和動手能力，會根據應用選擇材料等方面的能力。

因此可看出，學生必須結合要求（1）和（2），才能為滿足要求（3）打下基礎，因此大學物理結合材料類知識是教學中首要加入的內容。本學院的教師基于本碩博階段學過的材料物理、物理化學、半導體物理等課程，在上課時講解到力學板塊時，可與材料力學的內容結合，引導學生將力學知識應用到分析材料性能中，并引出表征材料的某些概念，讓學生明白力學不僅僅是一門基礎內容，還可以延伸到材料中，進而到生活中各個方面；在介紹到電學和光學知識時，可將最新的半導體進展做個介紹，讓學生了解，半導體物理是一個什么樣的學科，對社會的發展以及時代的進步能有哪些聯系，特別是集成電路這部分內容，進一步激發學生學好物理學的動力。在物理學，特別是凝聚態物理與材料的交叉領域，重大的科學研究成果層出不窮，比如最近的魔角石墨烯，通過兩層石墨烯之間旋轉1.1°，就能賦予石墨烯超導能力，從而引發奇特的超導效應，這一現象掀起了許多學者對該材料的研究熱潮。

一方面物理學的新成就可以推動材料科學的發展，另一方面材料中的難題又需要物理學去解決，在這個交叉領域，物理與材料的交融甚密，以至于諾貝爾物理學獎頻頻頒發給在該領域做出重要貢獻的科學家[3]。對于界面科學，這個物理和材料交叉的領域，特別是在光電效應中，光生載流子要穿過異質結界面，而體材料的界面如果存在，比如懸掛鍵、點缺陷等容易造成載流子復合的因素，那么器件的性能就會衰退，在界面上許多交錯作用都會發生，塊體材料性質也會影響材料熱力學性能，因此對材料界面的研究已成為物理學和材料學重點關注的一個對象。

二、教學方式的改變

目前，各大高校主要以多媒體與板書相結合的模式開展教學，多媒體上具有的三維動畫、視頻可讓學生更容易接受抽象的物理知識，并加深學生對物理模型及其概念的理解。作者覺得在此基礎上還可進行一些微小的改變，比如加大利用多媒體平臺，選取當前關于材料方面的某一研究熱點，讓同學們分組討論，應用所學物理知識解釋該現象，并通過布置課后作業，引出某一實驗現象或者某種實驗難題，讓同學們去調研，尋找資料和參考文獻來解釋該現象以及解決該問題的方法，并在課堂上做出報告或者講解，加深對物理知識用于材料方面的印象。也可以引出物理知識與材料方面的典故，了解科學家們怎么從材料中找到隱藏后面的物理知識。通過循序漸進的方式，讓同學們掌握利用物理知識分析實驗現象和用物理知識去分析實際生活中例子的能力，然后還可適當增加平時成績中在總成績的比例，讓同學們認識主動去尋找物理與材料的聯系所獲得的成績比期末死記硬背的閉卷考試更有分量，以此調動學生運用物理知識去分析材料類專業知識的積極性[4]。

除此之外，開展大學物理相關實驗也是必須的一個環節，不僅可以讓物理知識具體化，使得學生可以直觀的接觸，還能培養學生動手能力。通過具體形象的物理實驗，調動學生的各方面感官，更好的了解物理原理與實際材料性質的聯系，也可購買一些測試材料性能的設備，首先讓學生了解設備的表征原理以及參數特征，比如熱壓機、紫外可見分光光度計、電導率儀等設備，讓學生先制備樣品，再了解怎么測試材料性能，怎么得到這些參數，基于什么樣的物理原理，最終明白物理和材料是緊密相連的，對于不方便演示的實驗，也可以適當購買一些仿真軟件來進行演示，通過簡易的編程處理，特別是基于第一性原理計算材料的能帶結構、摻雜特性等等，使學生了解物理在材料的制備和摻雜上大有可為，教師也可以設計一些復雜的虛擬物理模型，拓寬學生的認知，激發學生探索新材料的動力。同樣的，為提高材料學院教師的上課水平，還可以定期舉行與其他學院大學物理課程的教學研討活動，大家一起交流，共同促進大學物理課程教學質量的提高[5]。

三、因地制宜的教學特色

貴州，一個山多地少、沒有平原的省份。在以前，天然的地理條件限制了貴州的經濟發展，但在2015年12月31日貴州實現縣縣通高速公路后，給經濟的發展帶來了巨大的機遇，而在建設這些公路中，需要建造的橋梁和隧道非常多，而設計到橋梁問題我們就可以將物理的力學知識應用到其中，并且還可以和材料力學結合起來，因此在講到力學知識板塊時，可以把貴州比較出名的大橋，比如北盤江大橋、鴨池河大橋背后的一些故事結合材料內容講解給學生聽，吸引他們的注意力。近年來，貴州省積極響應國家在新能源產業的戰略布局和政策導向，大力推進風電領域、新能源汽車領域、儲能材料與器件領域以及光電材料領域產業集群的建設，目前大唐新能源、中水顧問、銀河、中廣核、粵電、華能及中電等國家大中型企業在貴州有風電投資項目，還有吉利、奇瑞萬達、添鈺動力科技、力帆時駿振興、興國新能源等整車制造企業和零部件供應商，形成了一定的新能源汽車產業，而目前省內這方面的人才較為稀缺，所以在上課時可以適當培養學生在這一領域的興趣，結合大學物理中的熱學、力學、電學和光學，讓學生們感受到本省產業發展方向，為他們以后投身貴州建設打下基礎。

同時，貴州有很多特色的建筑，這些建筑都是木質結構卻千百年來屹立不倒，其中的奧秘就是采用榫卯結構，這種結構不但結實可靠，并且不費一釘一鉚，如何運用物理學知識去解釋這些建筑就變得非常有趣，并把這種原理應用于材料類的實驗中，可以激發同學們的創新能力。因此，結合貴州當地特色，將物理知識與材料學結合起來，不僅可以提升材料類專業學生對振興家鄉經濟的熱情，還能學以致用，應用于解決實際問題。

綜上所述，將物理學應用于材料的研究，可以促進后者的發展，同樣材料也可以反補物理的進步，兩者是牢牢結合在一起的。大學物理教學內容要及時更新，特別對材料類專業的學生來說，不僅僅是教好基礎的物理知識，更要培養學生能夠將物理知識應用到與本身相關材料知識上的能力，為以后的學習打下基礎。最后教師在教學中特別要注重基礎物理知識與材料方面的聯系，通過適當改變教學內容、教學方法，再因地制宜的結合當地特色，讓學生在學習中加深兩者的聯系和相互應用，使兩者相輔相成共同進步。