基于实验与理论单独设课的教学改革探讨

傅宇东+董国君+李茹民+朱小硕

摘要：在高等教育回归工程背景下，工科专业课程体系和课程教学面临着变革要求，工科高校材料类专业基础课程“材料物理学”同样需要适应工程人才培养目标。“材料物理学”课程教学改革主要包括两个方面：一是课程内容梳理，二是实践环节设立。本文探讨了工科材料类专业基础课“材料物理学”课程相关环节，提出了具体的理论和实践教学内容。并从课程教学内容、教案讲义制订以及实验教学等方面给出具体改革措施和实践方法。

关键词：工科高校材料类专业；材料物理学；课程内容；课程教学改革

一、引言

“材料物理学”是工科高校材料类专业的一门重要专业基础课。从内容上看，是“凝聚态物理”相关理论与材料性能相结合的课程，主要讲述材料的性能原理以及组成、结构、性能之间的相互关系和变化规律，介绍材料的力学性能、热学、光学、电导、介电、磁学等性能及其检测和应用的专业基础课。如何培养学生既具备扎实的材料物理学基础知识，又能熟练掌握物理性能的研究方法和实验技能，是“材料物理学”课程改革的重点，也是本文研究的目标。

二、“材料物理学”课程教学改革是高等教育回归工程的需要

随着经济全球化和国际形势日益复杂化，科技创新对于世界各國的重要性也愈发突显。许多国家面临着产业转型与升级的机遇和挑战。因此，改革本科教育模式、提高本科工程教育教学质量、培养高素质的创新人才已经成为当今教育的迫切课题。我国是制造业大国，并且是全球第二大经济体，目前处在经济及技术发展的瓶颈期，正着力于产业转型与升级，寻找国家民族复兴关键阶段的正确发展道路。在此背景下，中国需要培养具有国际视野、国际竞争力、创新能力、能够终生自主学习的工程人才。而实际情况是，中国的本科工程教育存在着诸多问题，例如培养目标空泛（偏离工程师的培养）、课程体系学科痕迹明显、课程内容与培养目标不符、实践教学与理论教学脱节、实践训练缺乏、师资队伍结构不合理等。所以本科工程教育教学改革迫在眉睫。

工科高等学校中的材料类专业面临同样的问题。材料类专业中的重要基础课程之一“材料物理性能”或者“材料物理学”也存在着课程内容不合理、实践教学缺乏等问题。有些大学“材料物理性能”仅侧重金属材料物理性能；有些大学仅侧重材料物理性能指标及分析。国内高校“材料物理学”类课程的现状可以概括如下：1.将两门课程的内容放在一门课程中，课程名称或者称为“材料物理性能”，或称为“材料物理学”，或称为“材料物理性能学”。2.两门课都开设，课程内容不同，前后次序不同，往往会存在内容交叉、前后次序混乱的问题。3.课程实验，有的在课内设置（一般也在6学时以下），有的未设置。

课程内容关系不清晰、实验环节薄弱和缺失，显然对学生在“材料物理”方面能力培养是不利的，进而对面向工程复合型人才培养也是不利的。课程体系中的每门课程对人才培养总目标都是有贡献的，因此“材料物理学”类课程内容的厘清以及实验教学的加强，对实现“面向工程复合型人才培养”总目标有重要作用。

三、课程理论及实践教学内容改革与建设

（一）课程改革目标和方式

课程教学改革目标就是使“改革的课程”成为课程体系的有效环节，合理的课程体系则是实现培养目标的关键保障，最终使培养的人才适应科技及社会经济发展，即便是在工程教育专业认证背景下，工科材料类专业仍然是以面向工程的“卓越工程师培养”作为人才培养目标。在此前提下，本文以哈尔滨工程大学材料科学与工程专业基础课“材料物理学”课程改革作为案例，研究核心工作就是进行教学内容的梳理和界定，建立新的“材料物理学”课程内容体系，将课内实验与课程剥离，加强实验教学，设立“材料物理综合实验”实践课程。

（二）课程理论授课内容

在课程内容理论体系上，强调凝聚态物理基础理论的铺垫、共性规律的讲授、能力的培养，重视新型功能材料的应用。要求学生深入理解微观结构与宏观物理性能间相互联系，能够应用基本原理阐述材料物理性能本质规律。

基于上述目标，针对目前许多高校“材料物理学”课程教学中存在的问题进行了分析研究。例如：如何使学生深刻理解物性的基本概念？是从物理性能出发，还是从固体物理和量子理论出发更适合学生理解？哪些教学内容对于解决复杂工程问题具有作用？实验教学应该设立什么内容，多少学时合适？等等。

通过对相关问题的反复探讨、比较、分析和教学实践，将“材料物理学”课程内容界定为三大类：1.理论物理基础：通过量子力学基础、统计物理学、固体电子能带理论、固体声子理论讲授，使学生理解微观粒子运动规律性，固体微观结构变化规律性，为深入理解材料性能机制奠定基础。2.物理性能机制：以材料的电导、介电、光、热学、磁性能为重点，从基础理论、性能现象、影响因素，全面介绍材科物理性能及其微观机制。3.功能材料应用举例。

同时将上述内容界定贯穿在课程教学讲义和教案的编写过程当中。课程讲义和教案强调：在凝聚态物理基本理论作为基础的前提下，深入揭示各种性能现象的机制和机理。同时，针对不同材料（金属、无机非金属、高分子、复合材料）体系的物理性能特点，有目的地对相关特殊性能特征加以补充。并结合材料的最新发展方向，理论联系实际地将半导体材料、绝隔热材料、介电材料、磁性材料、光功能材料、信息存储材料、智能材料等材料的性能机理和新材料体系作为学科前沿进展进行介绍，进而提高学习兴趣并拓宽专业视野。

（三）课程实验教学

目前国内各高校“材料物理学”课程实践内容大体可以分为两种情况：一种情况，根本不设置实验；另一种情况是，设置课内试验（属于实验教学条件比较好的情况），但由于总学时的限制，课内实验学时较少，内容简单且缺乏按理论体系进行的整体设计，实践教学目标无法实现。哈尔滨工程大学属于后者，实验内容仅是演示，教学效果不好，且启发性较差。

本次课程改革将“材料物理学”课内实验剥离，与此同时剥离“固体物理”“材料设计学”“材料物理性能”“功能材料”等课程的课内实验，整合在一起，单独设立“材料物理综合实验”课程（32学时）。与“材料物理学”理论授课内容既有相互联系，又有一定独立性。“材料物理综合实验”课程内容主要包括功能材料设计（特定、选择两种）、功能材料制备、功能材料组织性能表征、材料性能物理机制分析等实验内容，实验材料分为规定设计和自选设计两大类（第二类与创新实践结合，需要选择导师，进行创新科研立项，实验课程给予成绩和设备支持）。新型综合实验课拓宽了实验教学的内容，加强了实验的设计性和自主性，注重创新能力培养。endprint

深化实验教学改革，除了整合、调整实验课程教学内容使其更具综合性和创新性之外，还要认真研究实验教学技术及具体实施保障条件，使自制实验设备在授课中发挥作用，增加特色演示实验和学生可动手操作实验。通过使用设备演示和亲自动手研究相关材料物理性能，充分调动学生的创新思维和对固态材料体系相关物理性能微观机制的理解。

总之，“材料物理综合实验” 课程通过以材料设计为起点，以材料制备为基础，以获得材料特殊功能为目标，以物理性能基础理论分析为主线，突出材料結构与物理性能关系，强调材料工程应用和材料实验操作。培育学生的创新思维和综合能力。与“材料物理学”课程协同配合实现共同课程目标，并为实现培养“卓越工程师”目标提供支撑。

四、结论

更新人才培养的模式，改革课程教学内容和方法，全面推进素质教育，培养为“面向工程”的材料科学与工程专业高素质复合型人才，是专业课程改革的根本和长久目标。通过本文涉及的课程改革，可以得到以下结论：

1.材料类专业基础课“材料物理学”面向工程的改革是高等工科教育回归工程的必然要求。

2.“材料物理学”课程改革关键内容，就是课程目标的确立和课程内容及结构体系的调整。

3.“材料物理学”课程内容及结构的调整要包括课程内容的梳理及实验教学单独设课改革。在课程内容方面，基础理论、内容逻辑等与适应企业和工程要求并重。在实验教学方面，实现理论和实验课程分离，实验课程内容完整、课程目标明确、课程体系结构清晰。

通过理论课程和实验课程分离，使学生在理论授课和实践训练上分别得到基础理论水平的提升和实践能力的强化，改革后的“材料物理学”可以作为材料科学与工程学科所有本科专业的基础课程。它涉及材料科学与材料工程两大部分，并可以初步将两者有机地联系起来，让学生运用所学的知识，去分析解决研究和工程实际工作中遇到的问题。

参考文献：

[1]材料科学与工程教学指导委员会.高等学校材料物理专业规范（讨论稿）[R].高等学校理工科教学指导委员会通讯， 2006（7）：7-25.

[2]朱高峰.论高等工程教育发展的方向[J].高等工程教育研究， 2003（3）：1-4.

[3]郑冀，梁辉，许鑫华，等.材料科学与工程专业平台课程材料物理性能本科生教学改革的探讨[J].高等工程教育研究（增刊）， 2005：36-38.

[4]宋佩维 .加强实践教学改革 培养卓越工程师[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2011（6）：4-8.

[5]林健.论高校学科建设基于工程教育认证的“卓越工程师教育培养计划”质量评价探析[J].高等工程教育研究，2014（5）：33-44.endprint