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簡說材料物理與性能學課程內(nèi)容模塊化構建與教學實踐論文
教學質(zhì)量是高校賴以生存和發(fā)展的重要保證, 而加強課程教學改革是提高教學質(zhì)量的重要途徑[1]。近年來, 以電子、生物、航天和能源等為應用對象的材料科學已經(jīng)從過去的單一性金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料轉向以功能材料、復合材料、納米材料等高性能、多功能為主的發(fā)展趨勢, 對材料科學人才也提出了新的、更高的要求[2]。1997 年國務院學位辦頒發(fā)了新專業(yè)目錄, 材料類的專業(yè)設置不再按傳統(tǒng)分為金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料,而是橫向融合金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料的基礎理論于一體, 縱向充分強調(diào)理科與工科的結合。為滿足社會對材料專業(yè)的需求，并與國內(nèi)外“材料科學與工程”學科發(fā)展接軌, 北方民族大學制定了材料類專業(yè)的長期規(guī)劃并制定了2008 本科專業(yè)培養(yǎng)方案。材料物理與性能學課程作為2008 培養(yǎng)方案中材料科學與工程本科生的專業(yè)基礎課, 其教改方案已列入2009 年寧夏高等教育教學改革項目。
本文從教學內(nèi)容改革、師資隊伍建設、教學方式方法、實驗教學和考核模式等幾個方面對材料物理與性能學課程建設思路進行闡述。
1 教學內(nèi)容改革
1.1 教學內(nèi)容改革的必要性
《材料物理》是材料科學與工程、高分子材料與工程和材料成型與控制工程專業(yè)的專業(yè)基礎課，其主要內(nèi)容是利用物理學的一些基本概念、基本原理、基本定律來說明物質(zhì)的微觀結構、組織形貌、原子電子運動狀況以及它們與材料性能之間的內(nèi)在響應。對于材料專業(yè)的學生來講，化學方面的基礎知識學習得較多，包括有機化學、無機化學、分析化學和物理化學等，但物理方面的基礎知識卻較少涉及，只有普通物理課程，而物理本身所包含的基礎知識比化學更多，例如光、電、磁、熱、力、輻射等。因此，給材料專業(yè)的學生補充更多的物理知識，尤其是材料物理方面的知識非常必要。而當前材料物理教材的諸多版本多偏重理論指導，要求學生對物理分支的知識掌握太多，這不能完全適應現(xiàn)行本科生教育的需求，對研究生來說相對更適合一些。個別相對合適的材料物理教材因為有些內(nèi)容太深無法講透， 而有些內(nèi)容又太淺，對本科生來說，作為參考書使用較為適合，這是一個方面。另一方面，大多材料專業(yè)都開設了材料物理性能課程，此課程包含的材料物理的基本概念又都比較缺乏。編寫這本《材料物理與性能學》教材的目的就是一方面給材料專業(yè)本科生增加一些有關材料物理的基礎知識，另一方面將材料物理性能方面的內(nèi)容合并到一起，減少學生的課程數(shù)目[3]。在教材的編寫過程中，注意突出了以下幾方面的特色。
(1)以實際應用實例講解材料物理學的一些基本概念和物理效應，例如：位錯的運動形式分為滑移和攀移，滑移的運動形式是像蚯蚓一樣以局部帶動全部進行運動;為什么鋼鐵進行淬火后會變硬? 是因為加熱加速了原子的運動，突然冷卻使原子來不及運動到正常格點位置就停止了，使得原子排列紊亂，阻止了位錯的滑移，所以會變硬。以這樣的方式來介紹材料物理學的一些基本概念和物理效應，使學生便于理解、掌握和記憶。
(2)以實驗的手段講解各種材料的性能。如：通過拉伸實驗，講解金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料的力學性能的異同等;通過對不同材料進行電阻測量， 講解如何利用電阻繪制材料的溶解度曲線，將此曲線應用到實際研究中。采用這樣的方式設計實驗，達到真正鍛煉學生動手能力和創(chuàng)新能力的目的。
(3)加入現(xiàn)代新材料的內(nèi)容，介紹其應用與發(fā)展。例如：復合材料、納米材料、能源材料、生物材料等。
1.2 教材知識體系改革
根據(jù)材料相關行業(yè)發(fā)展需求進行教學知識體系的改革。目前材料科學發(fā)展的趨勢是新型功能材料(特別是電子、光電子材料)、新能源材料、環(huán)境友好材料、生物活性材料的研究與開發(fā)，本課程針對材料發(fā)展的總體趨勢和行業(yè)需求， 結合我校2008 本科生培養(yǎng)方案的指導思想，在設置材料的熱學性能、力學性能和電學性能的基礎上，設置了材料的介電性能、缺陷物理與性能、鐵電物理與性能、磁性物理與性能、非晶態(tài)物理、高分子物理、薄膜物理。在內(nèi)容的編寫上，略去了大量的公式推導，注重基本概念、基本原理的講解，同時，結合生產(chǎn)、生活和材料前沿科學研究中的實例對材料物理與性能進行闡釋。
在每章的開始，教材以實際案例開篇來提高學生對本章內(nèi)容的學習興趣，如從材料的導熱性角度解釋“9.11 事件”對紐約世貿(mào)中心造成毀滅性破壞的原因;從材料的導電性能與硅材料的薄膜化對太陽能發(fā)電在解決能源危機方面的重要地位與應用現(xiàn)狀等導入案例。在每章的結尾，設置了拓展性內(nèi)容，主要將章節(jié)內(nèi)容相關的前沿科學發(fā)展現(xiàn)狀、需要解決的關鍵科學問題呈現(xiàn)給學生，為學生在學完章節(jié)基本內(nèi)容后進行深層次的思考和進一步利用所學內(nèi)容閱讀學科領域前沿知識提供了引導，如教材引入納米材料(如碳納米管)的熱學、力學性能來拓展學生對納米材料獨特性質(zhì)的認識;以超導材料的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀、和應用(如磁懸浮列車)來引導學生對材料的導電性進行探求。
2 師資隊伍建設
高等院校的師資水平, 往往決定著學校的教學水平、科研水平和管理水平。抓好學校的師資隊伍建設, 是使學校的教學、科研達到高質(zhì)量、高水平的關鍵因素之一, 也是培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才的基礎， 幾年來, 《材料物理與性能學》課程非常重視教師隊伍的建設，課程組是由4 名具有博士學位并長期從事科研工作的中青年博士組成， 其中，課程組負責人是北方民族大學材料科學與工程學院院長、碩生導師耿桂宏教授，具有較強科研能力和豐富教學、管理經(jīng)驗的知名教師，也是本教材的主編。在課堂教學中, 我們能把握與課程相關學科領域的最新發(fā)展動態(tài), 將科研實踐融入教學中, 使課程講解深入淺出,激發(fā)了學生的求知欲和學習興趣, 并在潛移默化中培養(yǎng)了學生的學習能力和把握科研學術前沿的能力,獲得了非常好的教學效果。課程組成員在申報各級科研項目的同時，結合課程特點及民族院校教學特點積極申報和參與教學改革項目。在教與學的互動中融入科學研究和教學研究的成果，教師的教學水平得到了提高。
3 教學方式方法改革
教學過程是通過教師與學生之間的互動配合完成的，教學方法在教學活動中的作用至關重要，在《材料物理與性能學》的教學過程中，注重學生能力的培養(yǎng)，摒棄傳統(tǒng)“填鴨式”灌輸?shù)慕虒W方法，而采用“啟發(fā)—引導—互動”式的教學方法，以此來實現(xiàn)傳授知識、培養(yǎng)學習能力和創(chuàng)新能力的目的。在教學方法的改革中，采取了以下具體的教學方式：
(1)采用板書與多媒體結合的方式進行知識講解
對較為抽象的概念、模型，采用動畫演示幫助學生理解，如對于位錯的兩種基本類型—螺型位錯和刃型位錯以及它們的運動方式—攀移和滑移，很難用易于理解的語言表達清楚，而采用動畫演示的方式，學生很容易理解并在腦海中留下深刻的印象; 如三極管的放大作用，采用動畫演示即可讓學生在較短時間內(nèi)對其放大機理和對發(fā)射極、基極、集電極材料的不同要求了然于胸。
(2)學生講授，集中討論的方式
針對有些能引起學生興趣的內(nèi)容，采取學生講授、課堂討論的方式實現(xiàn)對知識的接受與消化吸收。比如關于鐵電物理的內(nèi)容，通過講解基本理論，讓學生通過查閱文獻資料來挖掘鐵電物理的知識在我們生活中的應用，而學生通過文獻資料，利用磁性物理知識講解了以“卡的世界”為題的關于存儲卡的相關原理和技術前沿、利用材料的壓電效應講解了打火機的原理，這不僅加深了對知識的理解，還極大地調(diào)動起學生對鐵電物理知識的興趣。
(3)開放式作業(yè)題目
對于有些基本觀點，隨著科學的不斷發(fā)展，可能遇到一些無法解釋的現(xiàn)象，對此，鼓勵學生通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)此類問題。例如，將塊體材料的一些基本理論應用于納米材料去解釋其性能顯然是不正確的，不同點有哪些? 為什么不同? 針對這些問題，讓學生自己去解決，然后在作業(yè)中寫出自己的觀點。這樣做的好處是，既啟發(fā)了學生的主動性和創(chuàng)新思維，又防止了抄襲作業(yè)的現(xiàn)象發(fā)生。
(4)注重培養(yǎng)學生的科學思維
由于《材料物理與性能學》是集理論與應用于一體的課程，從對理論的學習和理解的基礎上拓展到材料的應用，所以培養(yǎng)學生在材料研究和應用領域從“單一應用驅動”到“應用與理論驅動“的材料科學發(fā)展模式，即“應用需求—探索新材料—理論闡釋—發(fā)現(xiàn)新材料—應用拓展”的科學思維是至關重要的。比如，在超導材料的BCS 理論講解中，我們首先給學生呈現(xiàn)出這樣的問題：正常的材料具有電阻是由于電子或離子載流子在運動過程中受阻所致，那么，超導理論就是要解決載流子在運動過程中為何避免受阻的問題， 然后循序漸進地引入BCS 理論的核心內(nèi)容，即動量之和為零的“庫珀對”的存在，既然庫珀能從理論上推演出“電子-電子對”的動量之和為零，就可以斷定其在運行過程中未發(fā)生有效碰撞。同時，引導學生思考的另外一個問題是“為什么能發(fā)現(xiàn)庫珀對? ”，我們從“同位素效應”的發(fā)現(xiàn)開始，正是由于同位素效應表明了電子在運動過程中與原子核有關，由此啟發(fā)才能驅動“庫珀對”的發(fā)現(xiàn)。在課堂教學中， 我們始終把培養(yǎng)學生的科學思維作為重要的環(huán)節(jié)，讓學生將來在本專業(yè)的研究和應用工作中能夠采用科學合理的方式解決所遇到的問題。
4 實驗教學模塊建設
在實驗教學的設計環(huán)節(jié)，我們按照課堂教學的內(nèi)容設置，設計了材料熱性能、材料力學性能、材料電性能、材料磁性能等幾個開放式實驗模塊。為調(diào)動學生的積極性，提高學生的動手實踐能力，在材料物理性能與應用課程模塊內(nèi)，進行新的實驗體系的構建，對原有課程的相關實驗進行整合，減少驗證性實驗，利用實驗室資源，適度開設綜合性、設計性實驗，在實驗內(nèi)容上充分體現(xiàn)材料性能與應用之間的聯(lián)系，使實驗項目能充分發(fā)揮培養(yǎng)學生動手操作和實踐能力培養(yǎng)方面的作用。比如，在材料熱性能和力學性能的試驗模塊中可以選擇硬度測定、材料熱容的測定、材料熱導率的測定、材料導電性能的測定、陶瓷熱穩(wěn)定性測定等實驗，也可以根據(jù)興趣愛好設計綜合型實驗。
針對我校2008 本科生培養(yǎng)方案加強實踐教學的指導思想， 即本科生必須在四年內(nèi)必須修完5 個學術類實踐教學學分，因此，課程體系建設在滿足基本教學基礎實驗內(nèi)容的基礎上，還為學生提供創(chuàng)新性實驗平臺。
我校于2012 年獲批“新能源材料與器件”本科專業(yè)，《材料物理與性能學》作為專業(yè)基礎課也被列為該專業(yè)的培養(yǎng)方案中，為此，我們這在籌建基于新能源材料的專業(yè)實驗模塊，如燃料電池、鋰離子電池、太陽能電池實驗模塊，加強學生的實踐與創(chuàng)新能力。
5 教改效果與展望
《材料物理與性能學》課程已作為“21 世紀全國高等院校材料類創(chuàng)新性應用人才培養(yǎng)規(guī)劃教材” 由北京大學出版社于2010 年1 月出版�！恫牧衔锢砼c性能學》課程是材料科學與工程、高分子材料與工程和材料成型與控制工程專業(yè)的專業(yè)基礎課，授課學時為理論48 學時，實驗16 學時。該教材已被東北大學、鄭州輕工業(yè)學院、北方民族大學，以及江蘇、湖北、浙江和山東等省的高等院校選用，受益學生5000 多人，反映良好。
通過教學內(nèi)容和教學方法的改革后，學生對材料專業(yè)產(chǎn)生了極大的興趣，出勤率和聽課率大大提高，學生對本課程的課堂聽課率創(chuàng)歷年新高接近100%， 根據(jù)校教務系統(tǒng)所提供的學生對教師的教學評價結果表明，課堂滿意度在98%以上，同時通過對材料物理與性能學課程的學習，我院學生申報創(chuàng)新性實驗和挑戰(zhàn)杯的數(shù)量明顯增加，與往年相比，增加的項目主要來自與本課程相關的內(nèi)容。
在北方民族大學材料科學與工程學院舉辦的學生教學模擬大賽中，凡是上過《材料物理與性能學》課程的同學均把此課程的內(nèi)容作為參賽講課內(nèi)容并大部分獲獎，并且連續(xù)幾屆一等獎的獲得者均為以此課程為參賽內(nèi)容的參賽者，說明該課程的教學內(nèi)容改革和教學方式方法改革已初見成效。
雖然，通過教改，我們在教學中取到了良好的初步成果，但對本課程的雙語教學、精品課程建設的工作以及課程考核體系、質(zhì)量監(jiān)控等方面的創(chuàng)新還是今后對本課程改革的主要方面。
今后，我們通過總結《材料物理與性能學》的教學實踐，搞清存在的問題，進一步明確課程定位，形成以貫徹向“寬基礎、寬口徑、重實踐”的培養(yǎng)模式上轉變的新課程體系。通過充實和豐富教學內(nèi)容，完善和增加案例教學，制作和搜集影像資料，研究和制作優(yōu)質(zhì)課件，完善相關實踐環(huán)節(jié)，使該課程教學做到目標明確、基礎扎實、內(nèi)容豐富和方法多樣
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