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簡(jiǎn)說(shuō)材料物理與性能學(xué)課程內(nèi)容模塊化構(gòu)建與教學(xué)實(shí)踐論文
教學(xué)質(zhì)量是高校賴(lài)以生存和發(fā)展的重要保證, 而加強(qiáng)課程教學(xué)改革是提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑[1]。近年來(lái), 以電子、生物、航天和能源等為應(yīng)用對(duì)象的材料科學(xué)已經(jīng)從過(guò)去的單一性金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和高分子材料轉(zhuǎn)向以功能材料、復(fù)合材料、納米材料等高性能、多功能為主的發(fā)展趨勢(shì), 對(duì)材料科學(xué)人才也提出了新的、更高的要求[2]。1997 年國(guó)務(wù)院學(xué)位辦頒發(fā)了新專(zhuān)業(yè)目錄, 材料類(lèi)的專(zhuān)業(yè)設(shè)置不再按傳統(tǒng)分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和高分子材料,而是橫向融合金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和高分子材料的基礎(chǔ)理論于一體, 縱向充分強(qiáng)調(diào)理科與工科的結(jié)合。為滿足社會(huì)對(duì)材料專(zhuān)業(yè)的需求，并與國(guó)內(nèi)外“材料科學(xué)與工程”學(xué)科發(fā)展接軌, 北方民族大學(xué)制定了材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)的長(zhǎng)期規(guī)劃并制定了2008 本科專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案。材料物理與性能學(xué)課程作為2008 培養(yǎng)方案中材料科學(xué)與工程本科生的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課, 其教改方案已列入2009 年寧夏高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目。
本文從教學(xué)內(nèi)容改革、師資隊(duì)伍建設(shè)、教學(xué)方式方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核模式等幾個(gè)方面對(duì)材料物理與性能學(xué)課程建設(shè)思路進(jìn)行闡述。
1 教學(xué)內(nèi)容改革
1.1 教學(xué)內(nèi)容改革的必要性
《材料物理》是材料科學(xué)與工程、高分子材料與工程和材料成型與控制工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其主要內(nèi)容是利用物理學(xué)的一些基本概念、基本原理、基本定律來(lái)說(shuō)明物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、組織形貌、原子電子運(yùn)動(dòng)狀況以及它們與材料性能之間的內(nèi)在響應(yīng)。對(duì)于材料專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)講，化學(xué)方面的基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)得較多，包括有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)和物理化學(xué)等，但物理方面的基礎(chǔ)知識(shí)卻較少涉及，只有普通物理課程，而物理本身所包含的基礎(chǔ)知識(shí)比化學(xué)更多，例如光、電、磁、熱、力、輻射等。因此，給材料專(zhuān)業(yè)的學(xué)生補(bǔ)充更多的物理知識(shí)，尤其是材料物理方面的知識(shí)非常必要。而當(dāng)前材料物理教材的諸多版本多偏重理論指導(dǎo)，要求學(xué)生對(duì)物理分支的知識(shí)掌握太多，這不能完全適應(yīng)現(xiàn)行本科生教育的需求，對(duì)研究生來(lái)說(shuō)相對(duì)更適合一些。個(gè)別相對(duì)合適的材料物理教材因?yàn)橛行﹥?nèi)容太深無(wú)法講透， 而有些內(nèi)容又太淺，對(duì)本科生來(lái)說(shuō)，作為參考書(shū)使用較為適合，這是一個(gè)方面。另一方面，大多材料專(zhuān)業(yè)都開(kāi)設(shè)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(xiě)這本《材料物理與性能學(xué)》教材的目的就是一方面給材料專(zhuān)業(yè)本科生增加一些有關(guān)材料物理的基礎(chǔ)知識(shí)，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(xué)生的課程數(shù)目[3]。在教材的編寫(xiě)過(guò)程中，注意突出了以下幾方面的特色。
(1)以實(shí)際應(yīng)用實(shí)例講解材料物理學(xué)的一些基本概念和物理效應(yīng)，例如：位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)形式分為滑移和攀移，滑移的運(yùn)動(dòng)形式是像蚯蚓一樣以局部帶動(dòng)全部進(jìn)行運(yùn)動(dòng);為什么鋼鐵進(jìn)行淬火后會(huì)變硬? 是因?yàn)榧訜峒铀倭嗽拥倪\(yùn)動(dòng)，突然冷卻使原子來(lái)不及運(yùn)動(dòng)到正常格點(diǎn)位置就停止了，使得原子排列紊亂，阻止了位錯(cuò)的滑移，所以會(huì)變硬。以這樣的方式來(lái)介紹材料物理學(xué)的一些基本概念和物理效應(yīng)，使學(xué)生便于理解、掌握和記憶。
(2)以實(shí)驗(yàn)的手段講解各種材料的性能。如：通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)，講解金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料的力學(xué)性能的異同等;通過(guò)對(duì)不同材料進(jìn)行電阻測(cè)量， 講解如何利用電阻繪制材料的溶解度曲線，將此曲線應(yīng)用到實(shí)際研究中。采用這樣的方式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到真正鍛煉學(xué)生動(dòng)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(yīng)用與發(fā)展。例如：復(fù)合材料、納米材料、能源材料、生物材料等。
1.2 教材知識(shí)體系改革
根據(jù)材料相關(guān)行業(yè)發(fā)展需求進(jìn)行教學(xué)知識(shí)體系的改革。目前材料科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)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(kāi)發(fā)，本課程針對(duì)材料發(fā)展的總體趨勢(shì)和行業(yè)需求， 結(jié)合我校2008 本科生培養(yǎng)方案的指導(dǎo)思想，在設(shè)置材料的熱學(xué)性能、力學(xué)性能和電學(xué)性能的基礎(chǔ)上，設(shè)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(xiě)上，略去了大量的公式推導(dǎo)，注重基本概念、基本原理的講解，同時(shí)，結(jié)合生產(chǎn)、生活和材料前沿科學(xué)研究中的實(shí)例對(duì)材料物理與性能進(jìn)行闡釋。
在每章的開(kāi)始，教材以實(shí)際案例開(kāi)篇來(lái)提高學(xué)生對(duì)本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)興趣，如從材料的導(dǎo)熱性角度解釋“9.11 事件”對(duì)紐約世貿(mào)中心造成毀滅性破壞的原因;從材料的導(dǎo)電性能與硅材料的薄膜化對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電在解決能源危機(jī)方面的重要地位與應(yīng)用現(xiàn)狀等導(dǎo)入案例。在每章的結(jié)尾，設(shè)置了拓展性?xún)?nèi)容，主要將章節(jié)內(nèi)容相關(guān)的前沿科學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀、需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題呈現(xiàn)給學(xué)生，為學(xué)生在學(xué)完章節(jié)基本內(nèi)容后進(jìn)行深層次的思考和進(jìn)一步利用所學(xué)內(nèi)容閱讀學(xué)科領(lǐng)域前沿知識(shí)提供了引導(dǎo)，如教材引入納米材料(如碳納米管)的熱學(xué)、力學(xué)性能來(lái)拓展學(xué)生對(duì)納米材料獨(dú)特性質(zhì)的認(rèn)識(shí);以超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀、和應(yīng)用(如磁懸浮列車(chē))來(lái)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)材料的導(dǎo)電性進(jìn)行探求。
2 師資隊(duì)伍建設(shè)
高等院校的師資水平, 往往決定著學(xué)校的教學(xué)水平、科研水平和管理水平。抓好學(xué)校的師資隊(duì)伍建設(shè), 是使學(xué)校的教學(xué)、科研達(dá)到高質(zhì)量、高水平的關(guān)鍵因素之一, 也是培養(yǎng)高素質(zhì)專(zhuān)業(yè)人才的基礎(chǔ)， 幾年來(lái), 《材料物理與性能學(xué)》課程非常重視教師隊(duì)伍的建設(shè)，課程組是由4 名具有博士學(xué)位并長(zhǎng)期從事科研工作的中青年博士組成， 其中，課程組負(fù)責(zé)人是北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)、碩生導(dǎo)師耿桂宏教授，具有較強(qiáng)科研能力和豐富教學(xué)、管理經(jīng)驗(yàn)的知名教師，也是本教材的主編。在課堂教學(xué)中, 我們能把握與課程相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的最新發(fā)展動(dòng)態(tài), 將科研實(shí)踐融入教學(xué)中, 使課程講解深入淺出,激發(fā)了學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)興趣, 并在潛移默化中培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和把握科研學(xué)術(shù)前沿的能力,獲得了非常好的教學(xué)效果。課程組成員在申報(bào)各級(jí)科研項(xiàng)目的同時(shí)，結(jié)合課程特點(diǎn)及民族院校教學(xué)特點(diǎn)積極申報(bào)和參與教學(xué)改革項(xiàng)目。在教與學(xué)的互動(dòng)中融入科學(xué)研究和教學(xué)研究的成果，教師的教學(xué)水平得到了提高。
3 教學(xué)方式方法改革
教學(xué)過(guò)程是通過(guò)教師與學(xué)生之間的互動(dòng)配合完成的，教學(xué)方法在教學(xué)活動(dòng)中的作用至關(guān)重要，在《材料物理與性能學(xué)》的教學(xué)過(guò)程中，注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，摒棄傳統(tǒng)“填鴨式”灌輸?shù)慕虒W(xué)方法，而采用“啟發(fā)—引導(dǎo)—互動(dòng)”式的教學(xué)方法，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)傳授知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的目的。在教學(xué)方法的改革中，采取了以下具體的教學(xué)方式：
(1)采用板書(shū)與多媒體結(jié)合的方式進(jìn)行知識(shí)講解
對(duì)較為抽象的概念、模型，采用動(dòng)畫(huà)演示幫助學(xué)生理解，如對(duì)于位錯(cuò)的兩種基本類(lèi)型—螺型位錯(cuò)和刃型位錯(cuò)以及它們的運(yùn)動(dòng)方式—攀移和滑移，很難用易于理解的語(yǔ)言表達(dá)清楚，而采用動(dòng)畫(huà)演示的方式，學(xué)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(dòng)畫(huà)演示即可讓學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)其放大機(jī)理和對(duì)發(fā)射極、基極、集電極材料的不同要求了然于胸。
(2)學(xué)生講授，集中討論的方式
針對(duì)有些能引起學(xué)生興趣的內(nèi)容，采取學(xué)生講授、課堂討論的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的接受與消化吸收。比如關(guān)于鐵電物理的內(nèi)容，通過(guò)講解基本理論，讓學(xué)生通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料來(lái)挖掘鐵電物理的知識(shí)在我們生活中的應(yīng)用，而學(xué)生通過(guò)文獻(xiàn)資料，利用磁性物理知識(shí)講解了以“卡的世界”為題的關(guān)于存儲(chǔ)卡的相關(guān)原理和技術(shù)前沿、利用材料的壓電效應(yīng)講解了打火機(jī)的原理，這不僅加深了對(duì)知識(shí)的理解，還極大地調(diào)動(dòng)起學(xué)生對(duì)鐵電物理知識(shí)的興趣。
(3)開(kāi)放式作業(yè)題目
對(duì)于有些基本觀點(diǎn)，隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，可能遇到一些無(wú)法解釋的現(xiàn)象，對(duì)此，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題。例如，將塊體材料的一些基本理論應(yīng)用于納米材料去解釋其性能顯然是不正確的，不同點(diǎn)有哪些? 為什么不同? 針對(duì)這些問(wèn)題，讓學(xué)生自己去解決，然后在作業(yè)中寫(xiě)出自己的觀點(diǎn)。這樣做的好處是，既啟發(fā)了學(xué)生的主動(dòng)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(xué)生的科學(xué)思維
由于《材料物理與性能學(xué)》是集理論與應(yīng)用于一體的課程，從對(duì)理論的學(xué)習(xí)和理解的基礎(chǔ)上拓展到材料的應(yīng)用，所以培養(yǎng)學(xué)生在材料研究和應(yīng)用領(lǐng)域從“單一應(yīng)用驅(qū)動(dòng)”到“應(yīng)用與理論驅(qū)動(dòng)“的材料科學(xué)發(fā)展模式，即“應(yīng)用需求—探索新材料—理論闡釋—發(fā)現(xiàn)新材料—應(yīng)用拓展”的科學(xué)思維是至關(guān)重要的。比如，在超導(dǎo)材料的BCS 理論講解中，我們首先給學(xué)生呈現(xiàn)出這樣的問(wèn)題：正常的材料具有電阻是由于電子或離子載流子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受阻所致，那么，超導(dǎo)理論就是要解決載流子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中為何避免受阻的問(wèn)題， 然后循序漸進(jìn)地引入BCS 理論的核心內(nèi)容，即動(dòng)量之和為零的“庫(kù)珀對(duì)”的存在，既然庫(kù)珀能從理論上推演出“電子-電子對(duì)”的動(dòng)量之和為零，就可以斷定其在運(yùn)行過(guò)程中未發(fā)生有效碰撞。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考的另外一個(gè)問(wèn)題是“為什么能發(fā)現(xiàn)庫(kù)珀對(duì)? ”，我們從“同位素效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)開(kāi)始，正是由于同位素效應(yīng)表明了電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與原子核有關(guān)，由此啟發(fā)才能驅(qū)動(dòng)“庫(kù)珀對(duì)”的發(fā)現(xiàn)。在課堂教學(xué)中， 我們始終把培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維作為重要的環(huán)節(jié)，讓學(xué)生將來(lái)在本專(zhuān)業(yè)的研究和應(yīng)用工作中能夠采用科學(xué)合理的方式解決所遇到的問(wèn)題。
4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊建設(shè)
在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，我們按照課堂教學(xué)的內(nèi)容設(shè)置，設(shè)計(jì)了材料熱性能、材料力學(xué)性能、材料電性能、材料磁性能等幾個(gè)開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)?zāi)K。為調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，在材料物理性能與應(yīng)用課程模塊內(nèi)，進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)體系的構(gòu)建，對(duì)原有課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合，減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)室資源，適度開(kāi)設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上充分體現(xiàn)材料性能與應(yīng)用之間的聯(lián)系，使實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能充分發(fā)揮培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作和實(shí)踐能力培養(yǎng)方面的作用。比如，在材料熱性能和力學(xué)性能的試驗(yàn)?zāi)K中可以選擇硬度測(cè)定、材料熱容的測(cè)定、材料熱導(dǎo)率的測(cè)定、材料導(dǎo)電性能的測(cè)定、陶瓷熱穩(wěn)定性測(cè)定等實(shí)驗(yàn)，也可以根據(jù)興趣愛(ài)好設(shè)計(jì)綜合型實(shí)驗(yàn)。
針對(duì)我校2008 本科生培養(yǎng)方案加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的指導(dǎo)思想， 即本科生必須在四年內(nèi)必須修完5 個(gè)學(xué)術(shù)類(lèi)實(shí)踐教學(xué)學(xué)分，因此，課程體系建設(shè)在滿足基本教學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，還為學(xué)生提供創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
我校于2012 年獲批“新能源材料與器件”本科專(zhuān)業(yè)，《材料物理與性能學(xué)》作為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課也被列為該專(zhuān)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(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，如燃料電池、鋰離子電池、太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)?zāi)K，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。
5 教改效果與展望
《材料物理與性能學(xué)》課程已作為“21 世紀(jì)全國(guó)高等院校材料類(lèi)創(chuàng)新性應(yīng)用人才培養(yǎng)規(guī)劃教材” 由北京大學(xué)出版社于2010 年1 月出版�！恫牧衔锢砼c性能學(xué)》課程是材料科學(xué)與工程、高分子材料與工程和材料成型與控制工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，授課學(xué)時(shí)為理論48 學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)16 學(xué)時(shí)。該教材已被東北大學(xué)、鄭州輕工業(yè)學(xué)院、北方民族大學(xué)，以及江蘇、湖北、浙江和山東等省的高等院校選用，受益學(xué)生5000 多人，反映良好。
通過(guò)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革后，學(xué)生對(duì)材料專(zhuān)業(yè)產(chǎn)生了極大的興趣，出勤率和聽(tīng)課率大大提高，學(xué)生對(duì)本課程的課堂聽(tīng)課率創(chuàng)歷年新高接近100%， 根據(jù)校教務(wù)系統(tǒng)所提供的學(xué)生對(duì)教師的教學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，課堂滿意度在98%以上，同時(shí)通過(guò)對(duì)材料物理與性能學(xué)課程的學(xué)習(xí)，我院學(xué)生申報(bào)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和挑戰(zhàn)杯的數(shù)量明顯增加，與往年相比，增加的項(xiàng)目主要來(lái)自與本課程相關(guān)的內(nèi)容。
在北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院舉辦的學(xué)生教學(xué)模擬大賽中，凡是上過(guò)《材料物理與性能學(xué)》課程的同學(xué)均把此課程的內(nèi)容作為參賽講課內(nèi)容并大部分獲獎(jiǎng)，并且連續(xù)幾屆一等獎(jiǎng)的獲得者均為以此課程為參賽內(nèi)容的參賽者，說(shuō)明該課程的教學(xué)內(nèi)容改革和教學(xué)方式方法改革已初見(jiàn)成效。
雖然，通過(guò)教改，我們?cè)诮虒W(xué)中取到了良好的初步成果，但對(duì)本課程的雙語(yǔ)教學(xué)、精品課程建設(shè)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(duì)本課程改革的主要方面。
今后，我們通過(guò)總結(jié)《材料物理與性能學(xué)》的教學(xué)實(shí)踐，搞清存在的問(wèn)題，進(jìn)一步明確課程定位，形成以貫徹向“寬基礎(chǔ)、寬口徑、重實(shí)踐”的培養(yǎng)模式上轉(zhuǎn)變的新課程體系。通過(guò)充實(shí)和豐富教學(xué)內(nèi)容，完善和增加案例教學(xué)，制作和搜集影像資料，研究和制作優(yōu)質(zhì)課件，完善相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)，使該課程教學(xué)做到目標(biāo)明確、基礎(chǔ)扎實(shí)、內(nèi)容豐富和方法多樣
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