材料物理研究生的教学思考与策略

李全++朱永福

摘 要：材料科学是研究材料的微观结构、物理/化学性质、制备、测试、表征和应用的一门学科，是推动工业的发展和高新科学技术产业的源动力。材料物理作为材料科学领域的一门重要的基础课程，对于材料领域人才的培养起着重要的作用。本文针对材料物理研究生教学涉及的教学内容、授课方式、科研活动和考核机制等问题做了思考，并建议更多利用现代教育资源和教学模式，以提高研究生的学习兴趣和学习能力。

关键词：材料物理 教学改革 教学模式

随着科学技术的发展，工业对材料性能提出的更高要求，材料的生产和研发对人才的需求变得越来越大。材料物理是材料学科领域的一门重要的基础课程，是材料学科研究生学习的一本必修课。这门课程也在很大程度上影响着学生是否能够进一步掌握和理解材料学科其它专业课。由于材料物理课程教学内容知识量巨大，而学时又相对有限，那么如何让研究生在有限的教学活动中更好掌握知识、如何让研究生在枯燥和乏味的学习中变得积极主动、如何提高研究生对材料科学的科研兴趣就尤为重要。改革现有的材料物理的教学模式以适应时代的发展和满足培养高素质创新性人才的要求是材料物理研究生教学需要细致思考的问题。本文针对材料物理研究生教学从教学内容、教学方式、科研活动和考核方式及内容等方面进行了思考和讨论。

超级计算机技术在材料科学领域中也扮演着越来越重要的角色，它促进了计算材料学、计算物理和计算化学等新兴学科的产生和快速发展。目前，利用计算模拟方法研究物理、化学和材料等交叉科学的热门问题，已经处于与实验和理论研究齐头并进、共同促进科学技术发展的第三支重要的力量。材料内部微观结构是这些计算学科研究的前提和基础。通过改变材料内部原子排列方式或化学成分，测试和计算材料性能的演化，进而逆向设计材料是近年来理论计算研究主流方向之一。理论计算研究需要基于材料微观结构来开展，结合快速发展的计算机技术和物理/化学基本理论，科研人员可以有效理解材料的宏观物理和化学性质，并可以实现材料的逆向设计。比如，吉林大学的学生可以引入结构预测算法的相关方法和软件学习。结构搜索方法是由国外科学家率先发展的，国内研究起步相对较晚，但发展迅速，已在国际领域占据重要的一席之地。马琰铭教授课题组基于结构对称性的分类检索，结合粒子群多目标全局优化算法，提出并发展的CALYPSO结构搜索方法可以有效设计和预测材料的微观结构，还能依据材料功能特性的需求进行逆向材料设计。在同类方法和软件中，目前该方法发表的文章数已经在国际上排名第二，是该领域国际主流结构搜索和设计软件。建议在材料物理的教学课程中，开设一些关于计算材料科学方法和软件的课程，将科研和教学活动相结合，引导学生将其应用到自己的研究领域，更好的理解材料物理的科学本质和提高学习和科研的兴趣。具体的科学方法和软件可以结合自己学校和学科的优势。

除了科研和教学活动相结合的学习方式外，还要拓展相关的实验研究。材料物理属于理工科类专业课程，培养的研究生的就业单位主要是企业研发和科研院所，学生的动手实践的能力非常重要。建议在开设该学科的教学活动中，适当增加实验操作的教学和示范。比如，吉林大学材料物理专业可以开设关于X射线衍射分析、透射电子显微镜和扫描电子显微镜的教学、演示和动手实验。如应用X射线衍射分析技术的实践教学，让学生观测每种结晶材料，都有特定的晶格对称性和原子占位，用产生二次荧光X射线，探索晶体的晶面反射遵循布拉格定律，通过测定衍射峰位和强度进行化合物的定性和定量分析，引入压力等调控手段，探索测定谱线峰位和强度的演变规律和发生结构相变的可能。便于研究生更直观地了解材料内部微观结构、理解结构和性能的关联，将材料内部结构和相应物理/化学性质以可视化的方式呈现，并且可以培养锻炼学生的动手操作能力以及激发学生的学习兴趣。

信息时代，知识和科技更新的周期短、速率快。这就要求学生要及时掌握材料物理领域最新科研成果和前沿动态。新材料的研发对于能源、军事、环境等方面的应用非常重要，是体现一个国家工业水平的重要标志。加大力度邀请国内外材料科学领域的专家和学者讲解相关专题讲座，以参与讲座和积极提问等方式量化学生听报告的数量和质量，加入平时成绩的考核，便于学生积极探索新型功能材料的提出背景、设计、制备、表征和应用等。鼓励多听一些外国专家的讲座，勇于用英文和专家进行学术交流，提高英语口语和听力能力。目前的理工类大学生具备基本的英语阅读能力、系统的基础专业知识和逻辑思维，具有较好的双语学习的基础。最新的理工类学术资源正逐步趋于国际化，国际上的学术交流以英文为主，要求教师和学生必须具备较高的英语水平。为了能更好提高学生专业英语的能力，双语教学或纯英文教学要尽可能的使用原版教材或基于最新的材料物理学术论文等。纯英文教学在执行中还是存在诸多问题，对于教师和学生来说都是挑战，就双语教学开展成功之后带来的优点来说，还是值得去进一步尝试和推广。师生之间的交流和互动，如针对材料物理学科某个专题设置一些讨论的环节，及时了解学生对知识的掌握情况并提高。对于疑难点和重点需花更多课时和专题设计进行讲解；还可组织学生可以在课堂上进行小组讨论，选代表提出自己的观点，最后教师做总结。课堂上，教师鼓励学生积极发言，引导学生多表达自己的观点，這可以锻炼学生语言组织和表达能力以适应日后传道授业的需要，还可以有效培养学生的独立思考能力。通过鼓励学生发言，调动学生学习的积极性，在课堂上制造出轻松活跃的氛围。在课后，教师要更多组织通过单独讨论了解学生的学习和生活情况。通过及时沟通、交流，本着“弟子不必不如师，师不必贤于弟子，闻道有先后，术业有专攻”的共同进步的原则，引导学生“吾爱吾师，吾更爱真理”的平等学术交流的原则，摒弃教师和学生之间的障碍，做到师生都有收获。

设计若干与课程相关、学生感兴趣的材料物理学术专题，引导学生自主学习。“授之以鱼不如授之以渔”，通过有限的教学时间和教学内容，积极引导学生自主学习的新型教学方式，学生可以自己支配时间来锻炼自己的阅读、研究、观察和实践等能力并且可以提高其学习兴趣。教师在教学过程中多给学生布置一些比较有实践意义的题目，让学生自己查阅资料，亲自动手实践去解决。学生如果有比较好的实践方案，可以在课堂上进行专题讨论，培养学生自主学习、独立思考和解决问题的能力。同时，学生通过自主学习可以很好的参与到材料物理课程的教学当中，使得原本枯燥抽象的教学内容变得具体和有趣，从而能够较好的激发学生对材料物理课程的学习兴趣。所以，教师应该在教学过程当中根据实际情况用一些课时让学生来自主学习。材料物理课程考核方式可以有多种形式，不能只是局限于试卷的方式，最好能与解决实际问题相关。学生可以将所学知识灵活运用，如果发现某些知识欠缺或是遗忘，可以及时学习，查缺补漏。这能充分发挥学生的主观能动性和动手能力，培养学生的创新意识。考试内容要结合实际，教师根据方案的创新性、实用性和原创性等方面进行成绩的判定。这种方式不仅有助于学生对知识的深刻理解，更有助于将自己所学的理论知识运用于实践中进行检验，激发和培养学生的创新意识与自主解决实际问题的能力。学生不再只是单纯的记忆一些书本的知识，从而做到学以致用。任课老师可以根据自己的教学内容，举办一些与材料物理专业相关且有意义的知识竞赛、辩论赛和科技小发明等活动。通过举办课外科研和教学活动，不仅可以丰富同学们的理论知识，而且可以鼓励大家多学习、多涉猎不同领域的知识。知识竞赛和辩论赛可以很好的帮助学生更加深刻理解所学的理论知识以及提高学生的表达能力和知识的搜集能力。通过科技小发明活动，学生的动手能力可以得到相应的培养和锻炼，并且有利于将抽象的理论知识与实际相结合，从而激发学生对材料物理的学习兴趣。

功能各异的材料为制造业和电子行业的发展提供着源动力和技术革命契机。材料领域的发展需要高素质科研人才为其提供新鲜的血液，而受过系统和专业培养的材料科学领域的大学生更是被寄予厚望。材料科学领域的基础课程如何设置和改革是一个需要长期思考和摸索的过程。教师通过在教学内容上的研学结合、加强学生自主式学习方式、积极引入课外科研活动和多方位考核方式等方面进行教学模式的改革，使材料物理课程更具有时代性、实践性和专业性，将新时代的研究生培养成为理论基础过硬、动手能力超群和具有国际科学视野的高素质人才。

参考文献

[1]李志林，材料物理[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2].刘书景，高校计算机实验室管理与维护分析[J].新教育时代，2016（21），44.

作者简介

李全（1980.06-），男，汉族，吉林省四平市梨树县，博士，教授，研究方向：新型超硬材料设计、高压物理。

朱永福（1970.07-），男，汉族，江苏省泰州市，博士，教授，研究方向：纳米材料热力学。endprint