材料物理课程教学内容与教学方法研究

2015-03-19刘亚冰

长春教育学院学报 2015年1期

刘亚冰

材料物理课程教学内容与教学方法研究

刘亚冰

材料物理是一门兼备理论性与实践性的课程，是学生将来从事科研和工作不可或缺的专业基础课。结合建筑类院校材料物理课程的特点，提出教学内容应该特色化、信息技术化和一体化的原则；教师应根据专业特点和学生实际需要，充分利用多媒体教学手段，采用案例式教学方法；教学中激发学生的学习动力，训练学生的专业素质，为走向社会储备专业知识和创新能力。

材料物理；课程建设；教学方法

材料物理是一门理论性和实践性兼备的课程，是材料科学与工程学院材料化学专业的一门重要专业基础课。［1］该课程主要讲授材料的力学、热学、光学、电学、磁学等物理性能的重要原理及微观机制，材料的成分、组织结构与性能的关系，性能的测试手段及控制和改善性能的方法。［2］其理论性表现为：运用已学过的材料科学基础知识分析研究晶体内部粒子的结构和运动对材料物理性能的影响；运用物理学和数学知识建立相应的物理模型、推导公式并进行验证和修正。其实践性表现为：该课程与新材料的研制及开发紧密相连，需要灵活运用材料学理论知识解决科研中遇到的各种实际问题，更要把握学科发展的新成果和新动态，并在科学探索中形成自己独特的见解。可见，材料物理综合了材料学、数学、物理学以及结晶学等多方面的内容，理论知识抽象，内容晦涩难懂，且对学生基础知识要求较高，加之课时有限、教学内容较多，种种原因使学生容易因厌倦而失去学习兴趣。因此，为了担负起培养能适应材料科学领域高速发展需求的、具有新知识结构的创新型高素质人才的重任，材料物理课程体系和教学内容的改革势在必行。

一、教学内容的重构

21世纪以来，人们通常把能源、材料和信息并列为现代科学技术的三大支柱。材料涉及的范围也越来越广泛，从单一的结构材料到各异的功能材料，单晶、多晶等常规材料到新型的纳米材料，特种智能材料、机械材料不断涌现，对材料专业人才的能力要求越来越高。［3］原有的专业教学体系不够完善、已经远远不能适应“厚基础、宽口径、理工融合”的创新性人才的培养的时代要求。加之材料物理课程在材料科学与工程学科中的重要地位和在培养跨世纪的、能参与国际竞争的高级材料技术人才方面的强大作用，重构该课程体系已成为必然发展的趋势。

1.教学内容特色化。吉林建筑大学的材料科学与工程专业是在原有的土木工程材料和建筑工程材料的基础上发展起来的，具有无机非金属材料、高分子材料和材料化学3个专业方向，开设了无机非金属材料科学基础、材料物理、材料化学、建筑材料、土木工程材料、材料科学工程基础、建筑装饰材料等专业课。无论从专业方向还是开设的课程，我校的材料科学与工程专业设置都偏重于建筑材料方向，同时紧随时代发展，也涉及一些金属材料和高分子材料方向。在教材建设上充分体现建筑特色，结合吉林省“十二五”的发展策略和我校的“建筑特色和优势”，探索出以材料的物理性能与结构的关系为主线，把材料的力学（14学时）和热学性能（8学时）作为主要教学点，将课程与具有建筑特色的土木工程结构材料、绿色节能环保材料相衔接，并结合教师的前沿领域的科研工作，开展6-8学时的先进材料在建筑领域的应用和进展等专题的学习和讨论，约占总教学时数的1/8-1/6，这样既体现出建筑特色，又引入建筑材料前沿；既激发学生专业认同感，又收到了良好的教学效果。

2.教学内容信息技术化。充分利用高度发展的信息技术化资源、信息技术方法和手段开展教学活动。建立内容丰富、便于学习、可以充分进行师生互动的网络课堂，给学生提供一个开放式的教学环境是未来发展着力主攻的方向。网络课程通过课程介绍、教学大纲、师资队伍、电子教案、教学录像、实践教学、自测习题、参考书目、网上答疑等栏目，与学生始终保持无时间和空间阻碍的互动式教学，极大地方便了学生的课后学习。

教学内容信息技术化的另一个方向是教师充分利用互联网上材料科学资源，查询材料科学领域的最新科技动态，将其融入相关的日常教学内容中，让学生了解书本上没有知识，达到既开阔了学生的视野，又良好地完成教学任务的效果。作为材料物理实践教学内容，教师引导学生利用互联网上的材料学资源，分析、研究、归类、整理并撰写出与材料物理课程相关的课程论文，极大提高了学生自我获取信息、综合运用信息及更新知识的能力。信息技术化在教学中的应用不仅给晦涩的理论学习注入了新鲜活力，还激活了学生的学习目的性，极大地提高了学习兴趣。

3.教学内容一体化。培养德、智、体全面发展的、具备材料科学与工程的基本理论及基本技能，在材料结构研究与分析、材料制备与复合、材料成形及性能和功能检测与分析等领域，从事研究、技术开发、工艺和设备设计等方面的高级工程技术创新人才是吉林建筑大学材料化学专业的培养目标。课程体系的改革必须以此为依据。为此，我们提出材料物理课程体系教学内容一体化的原则。所谓教学内容一体化，就是基础理论知识教学、综合专业素质培养和实践能力提高在教学中三位合一。这就要求我们制定教学计划要按整体性原则设计课程体系，用以学生为中心的进行整体性教育的新体系替代以学科为中心的进行知识分割的教育模式。与之相适应的，教育观念和教育模式的设定也要紧密结合实际情况，当学生直面建筑工程实际问题，能够具备解决困难的初步经验。

二、教学方法的探索

教学是一门艺术。对于在有限的教学时间内如何提高课堂教学效果、激发学生学习的积极性和主动性、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和实验技能并培养学生的创新能力，总结了如下教学经验。

1.充分利用多媒体教学手段。材料物理课程的讲授过程中，需要使用大量公式、图表和材料科学领域的最新科技动态等信息，经多媒体的动态演示会更加生动、形象，这种教学效果是传统的授课方式无法给予的。多媒体教学作为高科技的手段，在有限的单位教学时间内，即丰富教学内容，又增加了教学容量。［4］在讲授材料电学性能时，借助多媒体的教学手段，让学生观看p型半导体和n型半导体材料不同导电机制的视频动画，使学生有更多的感性认识，为后来的理性认识打下基础。

2.采用案例式教学方法。20世纪二十年代起源于美国哈佛大学商学院案例教学法，经近百年的推广、成熟，逐渐得到其它专业领域的重视。通过引入真实发生的案例，阐明材料在不同应用领域中应用时应该具备的物理性能，并讨论这些物理性能的影响因素以及克服的办法，加深了学生对课程内容的理解。例如，在讲授“材料的断裂与强度”时，通过二战时美国238艘全焊接的“自由轮”下水后完全破坏，有的甚至断成两截；1950年ESSO公司的原油罐因脆性断裂而倒塌；同年美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在试验发射场发生爆炸等，引导学生探讨这些断裂现象是脆性断裂，是突然发生的损害，断裂前没有明显的征兆，因此常常引起灾难性的事故。通过事故碎片-钢板的检测结论来告诉学生断裂多半是发生在焊接缺陷处。在引导学生分析问题的基础上，提出改进问题的办法：断裂力学理论。通过把枯燥的理论融入案例的分析中，就能够吸引学生通过案例对相关物理性能产生兴趣，教师启发引导学生积极讨论、总结，得出正确的结论。在接受知识的同时，还增强了对本专业的认知度。

3.激发学生的学习动力。现代教育心理学已经证明：学习动力是由动力因素即非智力因素构成的。著名的教育学家托尔斯泰也曾经说过：“成功的教育所需要的不是强制，而是激发学生的积极性。”兴趣是影响学生学习积极性的重要因素。当学生对这门学科感兴趣时，就会产生强大的学习动力，激发起他们的学习积极性和主动性，在学习过程中引导学生的提高学习兴趣，既是完成教育过程的手段，更是教育的重要目标。