密切联系科研发展前沿，讲好《材料物理》课程

高　红，张俊英

(北京航空航天大学，北京　100191)



密切联系科研发展前沿，讲好《材料物理》课程

高红，张俊英

(北京航空航天大学，北京100191)

材料物理是一门与科研前沿紧密联系的课程，在讲授物理基本原理的同时，教师要充分掌握科学研究动态，让学生深刻领悟所学基础理论的重要性，并善于启发学习的兴趣，从而提高学习的积极性。

材料物理；学科前沿；交叉学科；工程化

材料物理是我校物理科学与核能工程学院面向物理学专业高年级本科生开设的一门专业课程，是培养理工类学生交叉学科知识一个重要的教学环节。其目的是使学生加深对本学科专业理论知识的理解，初步了解体现物理理论的材料学基础，培养学生的交叉学科科研兴趣，形成理论学习与实际应用相结合的良性循环。该学科是介于物理学与材料学之间的一门交叉学科，课程内容包括缺陷物理、材料强化、导电物理、电介质物理、铁电物理、磁性物理、发光材料物理、低维材料物理等[1]。每一章内容都涉及热点研究领域，实践证明，如果在教学中只进行基本理论的传授，而不与目前的研究趋势紧密结合，就会让学生在被动的知识接受过程中逐渐失去学习的兴趣。因此在教学过程中，教师不仅要注重利用本学科的交叉学科特色，通过生动灵活的方法激发学生的学习兴趣，还应该重视掌握国内外材料、物理及相关领域的最新科研进展，用最新科技成果为学生展现基础物理理论的强大生命力，并让学生了解物理理论在工程领域的应用，再结合启发式引导，从而激发学生学习课堂理论知识的自主性，由被动学习变为主动学习，提高学生思维与分析、理论与实践的综合能力，调动学生的主观能动性和积极性。

1　掌握最新的国内外科研发展动态，不断更新教学内容

《材料物理》教学内容虽然基本理论保持固定，但是每一章所涉及的具体内容却随着新的科研进展不断被更新和充实，体现物理性质或者以物理理论为载体的材料体系和元器件发展更为迅速，其应用进展也是日新月异。所以在进行课堂讲授之前，教师应注重相关领域文献资料的调研和整理，掌握最新的科研发展趋势，给学生呈现最新的科技动态。例如，在讲到电介质物理中的压电效应时，一般从以下几个方面向学生介绍发展动态：(1)材料体系发展。从最早的石英到钛酸盐以至各种宽禁带半导体如ZnO的发展历程，这些材料所呈现的基本性质以及它们之间的异同；(2)性能进展情况。让大家熟悉近几年来随着材料体系的发展，其压电性能的进展情况，与压电性能相关的其他物理、化学性能的研究现状；(3)最新理论和应用进展。压电材料应用非常广泛，在日常生活以及科学研究领域的先进仪器、仪表甚至航空航天领域都获得了较广泛的实际应用。通过与现实生活相联系，不仅可以让学生深刻地理解压电理论，而且更形象地了解了压电理论的实际应用价值，达到理论与实际应用相互渗透。近几年来利用压电效应制造的纳米发电机的问世，以及压电电子学、压电光子学和压电光电子学的创立，为压电物理学注入了新的活力[2,3]。让学生了解纳米发电机的原理以及研究进展，就可以让他们对压电物理具有更深入而鲜活的理解。

又如:给学生讲低维物理时，以碳材料为例，阐述材料从块体向一维、二维、零维转化时所呈现的奇异物理性质变化，让学生结合课堂知识，讨论产生这些变化的原因，从而能更形象地理解低维物理。石墨烯这种特殊低维材料呈现了丰富而奇异的新物理、化学性质[4,5]，让学生在课下查阅相关资料并进行课堂讨论，可以让他们巩固课堂知识，并领悟低维物理的魅力。给学生讲述这些最新的科学前沿，让他们充分认识到科学是逐渐发展的，科研过程始终存在着创新，而创新是离不开基础的，因此，激发他们学习物理基础知识的热情。

2　理论结合实践，培养物理专业学生的工程化理念

由于物理理论与材料、器件及系统息息相关，所以如果能在教学中注意讲述物理理论在相关领域中的应用，尤其是一些工程应用，那么学生就能得到感性认识，从而体悟物理理论的重要性。可以在课件制作中注意收集一些录像、图片、实物等资料，生动形象地展示物理原理的重要应用。例如，在讲压电效应时，从压电效应原理、压电陶瓷制作、压电陶瓷应用等方面收集动画、录像、原理和结构示意图及实物，系统地向学生进行全方位的展示。

如果条件允许，可以组织学生到相关的实验室、高科技企业进行参观，让学生身临其境，切身感受材料或者器件甚至是系统的制造和检测过程，感知基本物理原理在科技上的实际应用以及获得的巨大经济效益，从而激发学生学习物理理论的热情。除此之外，还可以为学生提供实验场地和原材料，让他们在课下利用所学的课堂知识，制作体现物理原理的材料、元器件甚至是演示仪器，让他们在动手过程中深刻领会物理理论。比如，可以为学生提供一些压电陶瓷片和辅助材料，让同学们去组装一些简易元件，亲身体验压电效应所导致的力、热、声、电效应及其应用。在亲自动手过程中，学生不但是对于物理理论的应用价值有了更深刻的认识，而且体会到要实现物理理论的应用就要发展好材料、元器件和系统，而这需要各个学科通力合作，从而认识到交叉学科研究的重要性，以及物理学在促进其他学科发展中所起得根本作用。

3　善于启发，引导学生学习理论的热情

物理学作为一门基础学科，与其它学科密不可分，是材料、元件、仪表、仪器、系统的某些功能实现的基本依据。物理专业的学生在学习过程中经常抱有所学无用的想法，一个主要的原因是他们还未充分了解所学理论所延伸的应用。在教学过程中，如果能提出一些与所讲内容相关的当前亟待解决的应用问题，或者物理理论已经应用但是他们还不了解的情况，让他们带着问题去听课，并且亲自动手去查阅文献资料和进行科学调研，让他们自己找到答案，那么他们就会亲自体会物理理论的重要性，从而激发学习兴趣。

例如，在讲缺陷物理的时候，很多人觉得点缺陷很抽象，认为是想象出来的物理模型，因此意识不到其重要性。我们可以提出这样一个问题：请了解荧光灯的照明原理，并指出点缺陷在决定荧光粉发光性能中的作用，并思考如果没有点缺陷，荧光粉是否能够高效发光？这样带着问题去听课，并通过查阅文献弄清楚点缺陷在决定发光性能中的作用，学生就深入领会了点缺陷的分类、来源、基本性质和重要应用，从而比单纯被动地接受课堂知识效果好得多。如果再给学生将此问题与导电物理进行联系，则会起到更好的效果。一个典型的问题是，如果不在本征Si片中有目的地引入点缺点，能否形成高效光伏效应？进而还可以启发学生进一步思考：要想形成高效光电转换，需要将本征Si片进行什么处理从而形成分别形成p型和n型导电？学生在弄清楚点缺陷对改变材料微观结构的同时，也可以深入了解其对材料性能的改变。对于Si片中点缺陷问题的解答，则可以对半导体导电物理阐释起到重要作用，从而在学生学习导电物理时就能够很好地理解半导体的导电机理，掌握光电效应、注入式发光等内在机制。

综上，对于物理专业的学生来讲，由于其主要的课程都是一些基础理论课程，在学习过程容易让学生产生枯燥的感觉，材料物理由于与材料、电子、仪器等学科的紧密联系，从而与实际应用联系更密切。因此与其它一些课程相比，其科学发展不但体现在物理理论上，还体现在材料、器件、设备、系统等各个方面，充分了解相关领域的研究现状，使学生的物理理论功底更加深厚的同时，让学生深刻感受其活力和魅力，激发他们学习的兴趣，其良好的教学效果将是不言而喻的，是深受广大学生欢迎的。

[1] 王国梅，万发荣.材料物理[J].武汉理工大学出版社，2004(8)：77-79.

[2]ZhongLinWang,JinhuiSong,SCIENCE,312(2006)242-246.

[3]王中林.物理[J]39(8)(2010)556-557.

[4]K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva,A.A.Firsov,Science36(5696) (2004) 666-669.

[5]K.S.Novoselov,V.I.Fal’ko,L.Colombo,P.R.Gellert,M.G.Schwab,K.Kim,Nature,490(2012)192-200.

Lecture the “Materials Physics” Course by CloselyContactingFrontierofResearchDevelopment

GAO Hong，ZHANG Jun-ying

(Beihang University,Beijing 100191)

MaterialsPhysicsisacutting-edgecurriculumthatcloselylinkswithresearchfrontier.Duringteachingthebasicprinciplesofphysics,teachersshouldfullygraspthetrendsinscientificresearch.Bythisway,studentscouldprofoundlyunderstandtheimportanceofthebasictheorywhattheyhavelearned,inspiringtheirinterestinlearning,therebyenhancingthemotivationtolearn.

materialphysics；academicfrontiers；interdisciplinary；engineering

2016-04-05

基础研究培育计划(YWF-15-WLXY-020)；北京航空航天大学本科生精品课程项目(项目名称：材料物理课程教学改革)；北京航空航天大学研究生精品课程项目(项目名称：现代物理测量原理与技术)

1007-2934(2016)04-0120-03

G642

ADOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.036