材料物理学课程的教学改革

邵姣婧

摘要：材料物理学旨在培养能掌握材料科学基本理论、相关基本技能、可从事相关技术开发的创新性专门人才，是一门从物理学角度出发研究材料的结构、性质和性能的一门边缘学科。在课程教授过程中，理论知识的传递和实践操作的训练同等重要，为了培养能面向世界的现代化专业人才，材料物理学课程的教学改革需要注重学生综合能力的培养和考察，同时需要不断与时俱进地更新教学内容。

关键词：材料物理学；教学改革；改革措施；综合能力考核；师生互动

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）03-0116-04

一、教学目标的改革

（一）知识目标

材料物理学是材料物理专业的一门专业选修课，其主要任务是让学生通过课程学习理解和掌握有关晶体学、缺陷物理、导电物理、材料力学性能、磁性物理、介电物理、高分子物理等有关材料物理性质和性能的基本知识，并掌握一些常用的有关材料物理学的表征方法，为今后的实际工作打下坚实的基础。在教学过程中，教师除了对基础理论知识进行讲解之外，还要根据各章节的具体内容设计和安排一定学时数的实践操作演示和具体案例分析，从而加深学生对基础理论知识的认识，从实践中体会所学知识的重要性和应用价值，实现教、学、用三者一体化。

（二）能力目标

材料物理学的理论性和实践性均较强，教师在教授过程中，不仅要保证学生掌握材料的组织结构及其各种物理性能的理论知识，使学生学会利用物理学知识阐明材料学的种种规律，还应培养学生运用已学习的理论知识解决实际问题。在本课程的讲授过程中，教师要安排一定的学时让学生接触材料物理课程中的一些相关实验，培养学生的实践能力，让学生对理论知识有直接的接触和感观上的刺激，这样更容易激发学生的求知欲和自主思考能力，为学生今后进行材料科学理论研究与材料开发应用打下全面的基础。通过本课程的学习，使学生对材料物理的基础知识和理论有一个系统的、深入的了解，扩展学生的知识面。

（三）素质目标

在材料物理学传统考核过程中，对学生基础专业知识的掌握程度的考核较为偏重，通过教学改革，教师应同时注重对学生的平时表现、实践能力以及主动思考和解决问题的能力的培养，因此在教学过程中需要引入多种考核措施对学生的综合能力进行评定。例如：在课堂教学过程中安排适当时间让学生上讲台对布置的课外作业进行展示，给学生表现自己的机会，培养和提高学生的自信心，同时在一定程度上可增加师生之间、学生与学生之间的交流机会。

二、教学改革理念及思路

在教学过程中如何提高学生对本课程的兴趣是最需要讨论的问题，只有培养学生对课程的学习热情才能充分调动学生的学习主动性，从而将本课程的教学目标真正贯彻实施。

（一）建立完善的成绩评分体制，全面考核学生的综合能力

本课程以往的考核通常是采取期末考试一锤定音的模式，学生的最终成绩也就是期末考试的卷面分数，然而这样的考核方式的偶然因素较大，不能完全正确地评定学生对本课程的掌握程度以及学生对课程内容的吸收，因此在成绩评定时很有必要引入对学生平时表现的考核，提高平时成绩在最终成绩中所占比例。分数是学生非常看重的也是最直接的刺激因素，因此对学生平时表现的考核也应采用具体量化的分数。为了鼓励学生积极参与课堂讨论、活跃课堂气氛、培养学生的主动学习兴趣，在教学过程中进一步增加师生互动环节，在互动过程中常对学生进行口头表扬，有利于增强学生的自信心，对课堂表现（比如提问环节）优良的学生给予平时成绩加分的鼓励，以激励学生主动参与师生互动，从而在一定程度上鼓励更多的学生重视课堂表现，提升课堂学习气氛。

（二）增加多媒体电子课件中的视频和动画教学部分

材料物理的知识内容较广，涵盖金属、聚合物、纳米材料、无机非金属等材料的光学、电学、力学、热学等物理学知识，所需掌握的知识点较多，对于一些抽象问题难以用语言讲解，因此在教学过程中容易使学生产生困倦，而生动的视频动画比生硬的文字语言更能吸引学生的注意力和兴趣，更能形象地将理论知识传播给学生，将抽象的理论知识具体化、形象化，将理论知识上升到新的感性高度，从而使学生更轻松地掌握、接受、消化和運用知识。

（三）增加实验演示教学环节

实践是理论的基础，任何理论都离不开实践的支撑。材料物理学知识比较抽象，因此容易使学生感到枯燥，通过在课堂教学过程中适时引入相关的实际例子和实验演示操作，将抽象理论知识形象化、具体化，可使学生更加明白所学知识的实际应用价值，从视觉感官上直接感受所学的理论知识，有利于培养学生的学习兴趣。

（四）建立双语教学模式

本课程为专业选修课，所面对的学生是材料物理专业的大三本科生，对该年级的本科生来说，不仅需要掌握一定的专业知识，而且需要对专业课程的英文表达有一定的掌握，从而提高学生的综合能力，并为学生日后进入全球科技领域进行国际交流做准备。在课程讲授过程中，根据实际讲学情况采用中英文板书、制作中英文课件。在英文讲授的时候，根据学生的理解程度，对英文讲授进行相应的中文翻译，以达到既让学生学会专业知识的英文表达，又使学生掌握所学专业课程的具体内容；另外，根据课堂讲授的内容，定期给学生布置查阅相关英文文献的任务、进行中英文课堂习题测试，从多方面使学生接触和掌握材料物理学的英文表达。

（五）在教学过程中增加小测试的频次

仅仅依靠课堂讲授、课堂提问以及课外作业的布置，并不能使学生对自己掌握的知识程度有充分的认识，而将某一章节或某几章节的知识点采用课堂闭卷小测试的方式，并用具体量化的分数评卷，可以直接使学生认识到自己对相关知识的掌握程度。除闭卷小测试之外，课堂开卷小测试可以鼓励学生之间的相互交流和探讨，采用这样的方式可在一定程度上缓解传统教学模式所带来的严肃课堂氛围，让学生感受到课堂的轻松而不是紧张，最重要的是可以培养学生的思考能力和合作意识，调动学生的主动性以及活跃课堂气氛。

（六）建立翻转课堂

基于讲课内容给学生布置课外资料查阅任务，让学生根据所查阅资料制作10-15分钟的讲课课件，任课老师根据课程的授课计划，安排时间让学生将自己制作的课件在课堂上向全班同学进行展示和讲解，对参与翻转课堂的学生给予平时成绩加分的奖励；在学生进行完翻转课堂之后，任课老师对其所制作的课件内容進行评价。引入这种教学模式，教师不再占用课堂时间来讲授与课堂知识相关的课外知识，而是需要学生在课后通过各种方式和渠道进行自主学习，既可锻炼学生查阅文献资料的能力，又可让学生享受将自己所查阅的知识传播给其他同学所带来的喜悦。

（七）提供课外答疑时间

任课教师每周安排固定的课外时间与学生沟通，便于及时与学生进行交流，当学生遇到问题时，可以有机会在课外轻松的氛围下和任课教师进行探讨。通过这样的过程，不仅可以了解学生对本课程的掌握情况，根据学生对课堂内容的掌握情况实时修订教学方案，还可与学生建立起朋友似的关系，更有利于课堂教学的实施。

（八）实时更新教学内容

当前，科学知识和技术发展迅速，材料物理学尽管包含许多经典的永恒不变的理论，也同时伴有新的理论知识的产生，因此任课教师应根据科技发展情况及时增加一些先进知识和新兴技术，不断扩充学生的知识面和视野。

（九）实行网络教学

如今网络系统日益发达，其普及率和覆盖率极高，高校学生也热衷于网络教学，学生可以根据自己的时间和需求随时下载网络课件自学或进行自我考核，借助发达的网络平台进行资源共享，这样可以建立起师生之间的有效交流，让学生能更深刻地记忆本课程内容。

三、教学改革的具体实践方案

材料物理学课程主要分为以下九个章节，依次为概述、材料结构理论、缺陷物理、材料力学性能、导电物理、电介质物理、磁性物理、高分子物理、低维材料，每一章节各具特色，又相互关联，在教学改革过程中，根据每一章节的讲学内容及特点，制定如下的具体实施方案。

第一章节 概述

在本章节课程内容讲解之前，给学生明确本课程的考核方式以及平时成绩的打分标准（如图1所示），由于本课程改革为双语课程，因此在幻灯片中的平时成绩标准表以英语形式给出，任课老师同时进行中文翻译。

本章节的主要改革内容是对材料物理的定义、研究内容、研究手段，以及材料的结构-性质-加工三者之间的关系（SPP关系）进行中英文授课；幻灯片中以英语表达的内容，采用中文翻译，若幻灯片中以中文表达的内容，任课老师则采用英语翻译。改革的主要目标是使学生掌握材料物理以及其所包含的学科方向的英语表达，以及能够对简单的英文题目进行正确的翻译和理解；在具体实施过程中，除了在幻灯片上用生动的图片表达，还利用板书形式对某些具体的内容进行仔细讲解，在讲解过程中任课老师根据实际情况采用中英文混讲，同时利用具体的例子使学生对上课内容有深刻印象，例如，上课时给出一些英文题目作为课堂小测试，不仅可以使学生掌握专业英文单词，又可使学生对课程内容有更深刻的记忆。

第二章节 材料结构理论

本章节的主要内容为原子的结构、原子的排布、晶体学基础、X射线衍射、布拉格方程，以及几种常见表征测试技术，主要改革内容为增加原子的电子结构速记法、原子的电负性等课程内容，以更好地使学生掌握原子的结合方式和晶体结构。鉴于本章节的主要内容比较抽象，在教学过程中我们自制生动的图片对原子的电子结构和结合方式进行具体化（如图2所示），采用教师在科研工作中的实物图片给学生讲解液晶部分内容，选用简短的英文视频讲解本章节的部分课程内容，并在英文视频播放之后进行中文翻译，以使学生了解专业内容的中英文表达，从而达到双语教学的目的。

第三章节 缺陷物理

本章节的主要内容为晶体的缺陷、缺陷对固体物理性能的影响。在改革过程中，针对晶体缺陷浓度公式的推导，主要利用板书的方式给学生进行讲解，同时使用幻灯片进行配合。在板书推导过程中对一些推导细节进行着重强调，使学生更好地掌握公式的推导过程。为了加强学生对该部分内容的掌握，教师给出类似的推导题让学生在课堂期间进行推导，鼓励学生主动到讲台上进行推导演示，并对主动上台进行公式推导的学生给予平时成绩加分鼓励。在讲解缺陷对固体物理性能的影响这部分内容的时候，给学生布置课堂小测试，题型中设置1-2道英文题，这样可以使学生不仅掌握一些专业词汇的英文表达，也同时使学生对这部分讲学内容有更深入的理解和记忆。另外，在本章节讲解金属缺陷时，将由任课老师带领学生进行金相实验并观察金属的位错。

第四章节 材料力学性能

本章节的主要讲课内容为材料力学性能的实验方法、影响材料力学性能的因素、材料强化手段及其特点，主要改革内容为力学测试方法部分的教学方式。具体实施方式是基于课堂理论讲解之后，给学生提供亲自接触这些材料力学性能测试手段的机会，使理论和实践有机结合。例如：教师可安排学生参观相关的力学测试实验，让学生亲眼观察，甚至亲自动手参与。另外，在本章节教学过程中进行小测试让学生对所讲内容得到立刻的强化复习，这不仅有利于学生深入地掌握课堂知识，也有利于使学生在课堂上的角色从被动的“听众”转变为主动的“执行者”，可在一定程度上活跃课堂气氛，提高学生的学习积极性。

第五章节 导电物理

本章节的主要内容为材料导电的三个重要理论（经典自由电子论、量子自由电子论、能带理论）、材料的导电性能、金属的电导、半导体物理（半导体物理与p-n结、半导体物理效应、能带理论在半导体中的应用）、超导物理。本章节的内容偏向于理论化，为了让学生更好地掌握和理解本章节的内容，主要改革措施是利用具体例子、实物、动画视频对理论知识进行补充，加强学生对本部分内容的记忆和理解。另外，鉴于本章节理论性较强，为了让学生轻松掌握课程内容，在授课过程中主要采用中文授课，部分幻灯片中的专业名词才用英文表示并伴有中文翻译，因此本章节的英文授课内容会较前面章节有所减小。

第六章节 电介质物理

本章节的主要内容为电介质的概念、特点、分类、四大基本常数，静电场和变动电场中的电介质行为，以及固体电介质的电导与击穿。本章节所涉及的物理参数较多、公式較多，需要学生能自己推导的公式也不少，改革目标是使学生理清各个物理变量之间的关系，以及各个错综复杂的公式之间的联系，而不是简单、机械地记忆公式，因此，在具体教学过程中，需要首先对公式中涉及的基本参数的物理意义讲解清楚，而不是一味地给学生演示公式的推导。为了把一些基本物理参数讲解明白，我们采取的具体措施是从最简单的物理现象入手，先引入一些简单易懂的物理变量，再通过物理定义、定理等把简单物理变量延伸得到本章节中涉及到的复杂物理变量，使学生从根本上去理解和记忆复杂变量的物理意义，最后再以板书和幻灯片结合的教学模式将涉及到复杂物理变量的公式进行推导，这样才能让学生不仅知其然，而且知其所以然。例如，在讲解电介质的电极化强度时，我们首先从高中物理就涉及到的平行板电容器（如图3所示）入手，从简单的物理量电压U、电场强度E开始，通过物理定义引出本章节的物理变量——电极化强度P。

第七章节 磁性物理

本章节的主要内容为磁性的概念、来源，以及磁矩计算和铁磁性的分子场理论。本章节的教学方法改革形式主要为采用翻转课堂教学模式，采用这样的模式可以激发学生的主动学习能力，章节内容讲授结束之后，给学生布置1-2个课外作业，由学生在课外进行相关资料查询、收集和整理，并制作10-15分钟的幻灯片课件，任课老师根据课程进度安排时间让学生对其自己制作的课件内容进行课堂演讲，使学生在课堂上从被动角色转变成主动角色，使学生更加主动学习，参与度更强。

第八章节 高分子物理

本章节的主要讲解内容为高分子的定义、结构、性质、高分子分子量、聚合物的性质。本章节的内容与人类的生活有着很直接和紧密的联系，因此在授课过程中我们主要采取的教学模式是增加与课堂内容相关的实验演示和建立翻转课堂。例如：本章节内容涉及到高分子纤维的制备，在该部分的授课过程中，教师可采用理论和实验结合的方式，为学生讲解和演示高分子纤维的静电纺丝制备。另外，在学生对静电纺丝有一定的直观认识和理论理解之后，引入另一种重要的高分子纤维制备方法——湿法纺丝，让学生在课外查阅相关湿法纺丝的资料，并与静电纺丝做比较，使学生在对比中加强记忆，并通过翻转课堂提高学生的积极性和参与度。

第九章节 低维材料

本章节的主要讲解内容为低维材料的定义、二维纳米材料的制备方法、结构，以及低微纳米材料的尺寸效应。主要改革内容为二维纳米材料的制备方法和结构，改革目标是使学生通过实验对该部分教学内容亲身体会和认识。例如：由任课老师结合自身的科研方向为学生讲解石墨烯等二维纳米材料的制备和组装，以及为学生提供有关二维纳米材料等低维材料的真实样品，为学生提供许多丰富的科研实例，使学生对本章节内容有更直接的接触。

四、结语

总之，材料物理学的教学改革势在必行。在材料物理学的教学过程中，任课老师需同时注重培养学生的实践能力和提高学生的专业基础知识，全方面考核学生的综合能力。任课教师应总结教学经验，从教学目标、教学内容、教学方法、教学手段、实验教学及考试方法等方面不断探索新的更好的教学改革措施，在分析自身的优势和不足的同时，善于吸取其他同行老师的教学经验，不断改进和深化教学改革力度，激发学生的求知欲和自信心，培养高素质综合性人才。