“材料物理”课程教学研究与实践

朱圣清 杨菁菁 周仕龙

[摘 要] “材料物理”课程是高校面向功能材料专业开设的学科专业基础课程，除理论教学外，同时开设配套实验课程。理论与实验教学相結合，旨在培养学生功能材料设计能力、独立获取知识的能力、科学观察和思维的能力以及分析问题和解决问题的能力。针对当前“材料物理”及配套课内实验课程教学过程存在的问题，对学生学习过程、第二课堂的开设、工程实例的补充、课内实验的改革以及考核方式等方面做了深入的探讨。通过课程教学改革的实施，可有效提高学生学习能力、应用能力和创新能力，提升材料相关专业学生的综合素质，最终为培养解决复杂工程技术问题的高素质复合型人才打下良好的基础。

[关键词] 材料物理;教学实践;人才培养

[基金项目] 2019年度江苏理工学院教改项目“凝聚态材料相关物理实验课程体系构建研究与实践”（11610511931）

[作者简介] 朱圣清（1985—），男，安徽安庆人，博士，江苏理工学院材料工程学院讲师（通信作者），主要从事贵金属纳米材料的制备与应用研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）36-0017-04    [收稿日期] 2021-05-25

一、引言

材料是人类进化史的里程碑，现代文明的重要支柱，发展高新技术的基础和先导，同时也是21世纪科技创新重点研究领域之一。随着我国经济社会的高速发展和对功能材料需求的日益增长，功能材料的工业生产规模不断扩大，新型功能复合材料不断涌现。教育领域，在人才的培养方面高等院校对材料科学的教育、教学提出了更高的要求，在此背景下，各大高校纷纷开设了“材料物理”课程。从材料四要素的角度来看，“材料物理”课程重点解决了材料物理性能与材料成分之间的关系，为上层器件的设计与性能优化提供理论依据与基础。为满足人才培养以及材料类专业的教学内容和课程体系改革的需要，并与国内外材料科学与工程学科发展接轨，2012年江苏理工学院开设了功能材料专业，并把“材料物理”作为学科专业基础课程纳入功能材料专业培养方案中来。材料物理主要研究材料的力学、热学、电学、磁学、光学的物理特性对材料性能的影响。课程的开设旨在培养学生功能材料设计能力、独立获取知识的能力、科学观察和思维的能力以及分析问题和解决问题的能力。通过多年的教学，我们认为不仅局限于授课过程中如何使学生掌握材料结构、性能等理论知识，还应该根据不同专业学生的专业背景，增加新时代不同功能材料应用的案例，使学生能够将理论结合实际，从直接的感官上，认识到材料科学与我们日常生活每件物品某个器件之间的联系，从根本上感受到材料科学的魅力，从而激发学生学习材料科学的兴趣，培养基础扎实、兴趣为引导的具有工程技术能力的高端技术人才[1]。

二、“材料物理”课程建设的问题与建议

我校材料工程学院功能材料专业2012年开始创办，经过近9年的摸索与实践，主要培养以功能材料为主的工程技术应用型人才。实践教学管理还在不断改进和探索发展中，可塑性很强，有较大的提升空间。专业在课程设置和培养模式等方面能够适应市场和区域经济发展的需求，能够适时创建适应新时代需求的人才培养模式和方案，使新专业焕发出生机和活力。然而通过长期的教学实践，发现在人才培养过程中仍然存在一些问题。

（一）学生相关物理基础知识参差不齐

“材料物理”是一门交叉性学科，包括晶体学、材料力学、物理化学、材料科学基础及材料性能在内的多个学科分支。在本校前期开设的课程有“物理化学”“材料科学与工程基础”“高等数学”“大学物理”等。选课的生源来自全国的四面八方，包括本文为偏远的西藏和新疆，通过调研发现，学生的整体知识结构参差不齐，少数学生物理基础非常薄弱，还停留在高中物理阶段，比如无法区别自由能与能量的区别、无法用微积分的思想处理变量物理问题等。导致学生学习过程只能死记硬背相关的重要结论，不能充分地理解一条物理原理背后的内涵，更无法准确掌握物理原理与材料性能之间的关系，学习主动性比较差，部分学生达不到理想的培养目标。前期课程中，特别是数学和物理的学习，对“材料物理”的学习显得至关重要。基于此情形，在“材料物理”每一章节开课前，需要充分研究课程涉及的相关物理知识，并结合实际物理模型逐一与学生讨论，达到先回顾、再认知、后应用的学习效果。例如在讲授“材料物理”中“材料的力学”章节时，可以先给学生梳理力学的发展脉络，比如动力学与静力学之间的关系，何时使用动力学？为什么研究材料动力问题要用静力学来处理？宏观上采用牛顿力学，而微观上只能用量子力学才能解决问题？通过知识结构的梳理并重点标记与“材料物理”课程的相关知识，让学生做到有备学习，心中有数，提高学生学习“材料物理”的兴趣。

（二）教学课时的压缩与培养目标的矛盾

当前高校四年制本科的总学分一般要求在140到200之间，作为应用型高校，较多的课时分配至实践教学环节，这导致部分理论课程总教学时数的下降。以江苏理工学院“材料物理”课程为例，在2020年之前，理论课时为56学时，分散到材料的力学性能、热学性能、电学性能、磁学性能、光学性能，平均每章节11.2学时。自2021年后改为48个教学学时，平均为9.6学时。一方面由于材料物理是交叉性学科[2]，不仅要讲授本课程教学计划中的直接知识，还要在相关物理、数学、化学背景知识、工程实际中的延伸案例上占用大量的教学时间，以保证整体知识结构的完整性与趣味性。另一方面，课时的压缩势必在课堂教学过程中要过滤掉部分章节，要么直接删减教学内容，要么只顾及书面上的知识，而没有足够的时间来深耕教学讲透相关材料物理的原理，以致学生囫囵吞枣，对知识的理解浮于表面。显然这是一个很大的矛盾，也与学生培养目标相左。实际上，这一矛盾对于高校课程的设置是普遍存在的，根本性的原因在于科技日新月异的不断积累知识与本科学习固定年限的矛盾。为了解决这一矛盾，第二课堂是个较优的选择。例如在材料物理教学过程中，我们选取了“泛雅数字化课堂”平台，作为课堂教学的有力补充，在实际操作过程中，我们把每一章节知识分解成一个个特定的知识单元，每一知识单元都具有基础知识的预习，视频的讲解以及工程的实际应用案例，这些知识构成一个个学习单元并植入到数字化课堂，让学生自行学习研究讨论，并在平台提交相关的学习反馈。通过这一方式，很好地解决这一问题，并取得了良好的效果。