《无机材料物理性能》课程教学方法探索

（中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙，410083）

《无机材料物理性能》课程是材料科学与工程专业本科生的专业基础课程，主要涉及无机非金属材料的力学、热学、光学、电导、介电与压电、磁学等性能、应用及其发展。课程教学的目的是让学生了解掌握各种重要性能的基本原理及微观机制、性能与材料的组成结构的关系，进一步了解各性能之间的相互制约与变化规律。通过掌握各种性能的原理与微观机制，达到对材料优劣的判断、正确地选择适用材料，为控制与改善材料性能、探索新材料新工艺打下良好的理论基础[1,2]。按照本课程的性质与特点，学习过程中要求学生具有较好的综合基础理论知识，如涉及到高等数学、大学物理、无机化学、物理化学、晶体学基础、量子力学、固体物理、热力学与统计物理、半导体物理等课程的相关基础与理论。一方面，材料科学与工程专业的培养方案中往往未能完全开设相关的基础理论课程。在教学过程中容易使学生感到基础理论不足、知识衔接不到位，导致学生难于理解相关物理性能的基本原理与微观机制。另一方面，《无机材料物理性能》是一门专业基础课程，主要介绍的是各种重要性能的基本原理及微观机制。如果只是单纯地讲述书本知识，介绍相关的定义、定律、机理、公式等，内容抽象、枯燥，难以吸引学生的注意力，难于让学生理解掌握，这样容易导致学生缺乏学习兴趣和动力[3]。因此，《无机材料物理性能》或《材料物理性能》的教学教法是高等学校同仁们关心的课题[3-7]。为了提高学生的学习主动性，加深学生对基本原理与微观机制的理解，达到易教易学的效果，笔者在教学过程中尝试了一种虚拟科研课题与学生调研开题相结合的半开放式教学方法。

一、教学方法探索的基本思想

一般认为，《无机材料物理性能》课程理论与逻辑性强、概念抽象，教学难度大，内容相对枯燥。这应该是由课程性质决定的。因为它主要从材料的组成与微观结构角度阐述无机非金属材料物理特性的基本原理与微观机制。因而，仅采用传统的“黑板+粉笔”的教学手段、或对课本知识进行“照本宣科”的填鸭式教学，必将让学生觉得课程枯燥无味，产生畏惧甚至厌学的心理[7]。多媒体教学具有直观新颖、形象多样、信息量大等特点，对提高教学效果有一定的帮助，但如果依然完全只讲授参考教材中的内容，其效果也难有本质的改变。其实，这些教学方式是以授课教师讲述课程内容的单向教学过程，往往忽略了学生才应该是教学的真正主体，因而难以调动学生的主动性和积极性。

大学生（或者说是年轻人）都具有强烈的求知欲和对新事物的好奇心。笔者认为，如何鼓励学生的求知欲、满足学生的好奇心、调动学生的主动性和积极性应该是专业基础课教学方法改革的关键内容之一。但是，学生在修学《无机材料物理性能》课程时，往往之前较少接触无机非金属材料类的专业课，学生对无机非金属材料本身并无深刻认识，这必将导致学生在学习过程中无法借用“材料”实体发挥想象和逻辑思维。

根据《无机材料物理性能》课程的内容、性质和课程目的，我们可以看到：本课程主要介绍无机非金属材料重要物理性能的基本原理与微观机制，性能与材料的组成、结构的关系，各性能之间的关联与变化规律；目的是通过掌握各种性能参数的有关原理与规律，为正确选择和使用材料，改善材料性能，设计开发优质新材料、新工艺打下理论基础。常规的课程教学中更多的是介绍物理性能的概念、原理、理论，而对本课程教学的“目的”的具体内容少有涉及。据此，笔者在课程教学中探索了一种“逆向”思维的半开放式教学方法，即先明确课程“目的”，再进行相关概念、原理、理论的学习，安排部分课堂时间由学生上讲台讲解，并鼓励台上、台下学生与教师即时交流。基本操作思路是：在各章节的课程学习之前，交给学生一个“科研课题”，要求学生结合本章节的有关概念、原理和理论，查阅文献资料，开展科研调研，从选择/设计材料、改善材料性能和材料制备工艺等方面着手完成相应的开题报告，然后由部分学生以“开题报告”（纸质报告和PPT）形式在课堂上向同学与老师汇报，同学与老师之间相互提问。结果表明，学生对“科研课题”表现出极大兴趣，课外查阅了大量的文献资料，既有了对材料的认识，也加深了对相关概念、原理、理论的理解。许多学生做出了非常出色的“开题报告”。在学生讲演过程中，同学们踊跃发问，课堂气氛活跃。这种教学模式改变了填鸭式教学中学生被动学习的方式，使学生成了真正的学习主体，有效地调动了学生学习的主动性与积极性。

二、教学方法案例分析

这里以“无机材料的热传导”章节为例，分析说明本文提出的“科研课题与调研开题相结合”的教学方法。在该章节的教学之前，给学生布置以下自主学习内容：“若需一种满足以下要求的绝热材料：热导率尽可能低(如小于0.1 W/(m·K))、密度小于1 g/cm3、工作温度大于1200 ℃；查阅资料、结合本课程涉及的基本原理和理论，提出你的选材及材料设计思路与方案。”然后由学生组队查阅资料，完成开题报告和相应的PPT演讲稿；再安排一次课堂时间抽签选取几组学生上讲台汇报他们的开题报告，并鼓励学生之间提问与交流。

在热传导原理与理论方面，学生可以获悉热传递是通过热传导、对流和热辐射三种方式来实现的，并了解各种热传递方式的传热主体、传热基本过程及其与外界（如温度）的大致关系。其中，在温度不太高、不考虑液体和气体传热的条件下，固体热传导成为主要的传热方式，所以必然引导学生考虑到固体材料传热的微观机理，即声子的热传导机理，从而加强了学生对晶格热振动、声子概念的理解。根据理想气体的导热公式，可以给出声子的热导率λ公式：

式中，C是声子的热容，v为声子的速度，l为声子的平均自由度。在高温时，C接近常数，在低温时，C随温度的3次方（T3）变化；声速v为一常数。因此，本虚拟课题中可以主要考虑影响声子的自由程l的因素。如此一来，就可以引导学生在材料设计时考虑到声子散射机制（如缺陷散射和界面散射）。比如，晶界散射与晶粒的直径d成反比（平均自由程l与d成正比），自然地就考虑到了晶粒尺寸的因素。在更高温度段时，也需要考虑到光子热传导的有关理论。

同时，为了实现“工作温度大于1200 ℃”和“热导率尽可能低(如小于0.1 W/(m·K))”的目的，学生在选择材料时自然而然地就会查阅不同材料的热导率数据，从而对不同材料（如金属材料类、无机非金属材料类及气体类）的热导率范围有一个比较清楚的了解。为了实现所设计材料的密度小于 1 g/cm3，学生在查阅资料过程中必然要了解各种材料的密度数值。事实上，几乎不能直接找到同时满足工作温度、密度和热导率的常规材料。值得庆幸的是，学生不约而同地想到了气凝胶材料来尝试本虚拟研究课题。

虽然该虚拟研究课题在实际研究活动中也有一定的难度，但这里并未打算深究所设计材料的具体制备，而主要是由此加强对本章节课程中涉及的原理与微观机制的了解与掌握。本课程的教学目的是让学生通过查阅资料了解绝热（隔热）材料及其实际应用领域，培养学生在选择与设计材料时需要考虑的相关基本原理和理论，并提出初步的研究方案。这样，能使学生从应用的角度了解材料，使学生在本章节的学习过程中带着问题去寻找可能的基本原理与理论，并在开题报告的准备过程中理解与掌握相关的基本原理与理论。通过虚拟研究课题的分析，既满足了学生的求知欲和对新事物的好奇心，又调动了学生的学习主动性与积极性。

在该教学方法的设计过程中，我们也曾担心学生遇到这种具有较大难度的虚拟科研课题时会消极放弃。但实践结果表明，学生具有非常强烈的好奇心和求知欲，学生们在规定的两星期内查阅了大量的文献资料，绝大部分学生能够出色地完成开题报告，很好地理解本章节的相关知识。在课堂上，学生积极争取上讲台演讲，同学提问、讨论积极，课堂气氛非常活跃。

三、结语

《无机材料物理性能》课程是材料科学与工程专业本科生的专业基础课程，课程理论性与逻辑性强，概念抽象，教学难度大，内容相对枯燥。探索改进教学方法、满足青年学生的求知欲和对新事物的好奇心、调动学生的学习主动性与积极性是教育工作者一直关注的课题。不断完善教学内容、教学手段和教学模式，充分发挥学生的学习主体功能，能达到事半功倍的效果。

[1]宁青菊，谈国强，史永胜.无机材料物理性能[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]关振铎，张中太，焦金生.无机材料物理性能[M].北京：清华大学出版社，2006.

[3]刘琨，金胜明.《无机材料物理性能》课程教学改革初探[J].中国电力教育，2012(13)：88-89.

[4]叶松，姚爱华，贺蕴秋，等.《无机材料物理性能》教学与创新实践能力培养[J].教育教学论坛，2013(11)：37-39.

[5]李享成，邓承继.《材料物理性能》课程的教学改革探讨[J].中国冶金教育，2010(5)：36-37.

[6]马向东.《材料物理性能》课程建设与教学改革研究[J].科技创新导报，2011(19)：193.

[7]徐海燕.《材料物理性能》课程教学方法探析[J].科技创新导报，2009(16)：165.