材料专业大学物理教学内容的改革与实践

杜鹃 王长征 滕谋勇 魏燕燕 胡成超

摘 要：大学物理课程是材料专业的基础课，它的教学改革具有重要的意义。文章从改革课件、增加与材料专业相关内容、教学方法改革等方面做了初步的探讨和尝试，从而增强学生兴趣，增大了课程的内容含量。

关键词：大学物理；基础课；教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）11-0132-03

Abstract： College physics course is a basic course of material major， and its teaching reform is of great significance. This article has made preliminary exploration and attempt from reforming courseware， increasing contents related to materials， reforming in teaching methods， etc. This reform enhances the students' interest and increases the contents of the course.

Keywords： college physics； Basic course； Teaching reform

物理学是材料学发展的基础，材料的发展离不开物理，材料科学中遇到的难题不断吸引物理学家去解答，新材料、新工艺和各种微观结构性能的研究又涉及到物理学的各个领域，材料学最新的研究方向更是从偏重化学实验转向偏重物理分析。大学物理是材料类学生的一门重要的基础课程，也是大一新生走进大学校园最先接触到的课程之一，这门课程旨在培养学生对物理原理的理解，为学生进一步学习材料专业的相关理论知识打下良好的基础。与此同时，大学物理还能培养物理特色的思维方式，对学生处理其他问题也具有指导作用：即透过现象看本质、抓主要矛盾、做合理假设、建数学模型，从而真正做到举重若轻、事半功倍。

大学物理是世界范围内理工科高等院校普遍开设的基础课程。美国哈佛大学[1]的物理教学模式主要包括，第一，案例教学；第二，互动讨论法教学；第三，教研结合教学；第四，教师独立教学。麻省理工学院提出了以研究为主的大学物理教学模式[2]，在教学过程中，教师只是起到指导作用，学生是教学活动的主体，从而更好的培养和造就科技人才。北卡罗来纳州立大学采用以学生为中心的教学法[3]，学生们在小组里互相合作，进行活动，而教师负责通过讨论，对学生进行指导。伊利诺伊大学香槟分校的大学物理教学中，整个教学过程都是以学生为主体[4]，强调学生的参与，教师在授课过程中，大量提问，学生积极踊跃参与讨论。德国克劳斯塔尔工业大学也注重教学和科研的统一[5]。这种教学与科研密切结合的体制，对提高大学物理教学质量大有裨益。这些世界一流名校的经验对于国内的普通高校未必适用，我们只需加以借鉴，并不一定要完全照搬。目前国内尤其是地方院校，大学物理的教学情况是：学时少，现代化教育手段运用不足。更严峻的是，扩招给地方院校带来巨大的压力，师资力量无法满足需要，而生源质量又大幅下降，因此对大学物理教学的影响压力很大。

我们在聊城大学材料科学与工程学院多年的大学物理的教学过程中发现，很多学生认为大学物理内容过于深奥抽象，难以学以致用。还有一部分学生觉得大学物理的内容与自己的专业课程联系不大，没有多少实际用途，以致于学习大学物理的兴趣不佳，主动性差，甚至有厌学情绪。上课不认真，玩手机，学习其他课程甚至逃课，课后抄袭作业甚至不写作业，考试时作弊等现象比比皆是。很多学生不为学会知识，只为应付考试及格。

目前材料专业的大学物理教学基本上是沿袭物理专业的教学模式进行的，这样的模式不适用于材料专业建设和学生主动性培养的要求，主要表现在：

1. 材料学的发展日新月异，然而我们所用的大学物理教材内容依然是沿用多年前的教材体系，教材里只有极少的现代科技发展的简介，对学生缺乏足够的吸引力。

2. 大学物理教学内容对学生的专业、学科没有区分，与专业结合不够紧密，教师只注重物理知识的讲授，忽视物理学与材料专业之间的紧密联系及物理知识在实际中的应用，因此无法激发学生的学习热诚。

3. 大学物理课堂内容多以教师讲述为主，课堂上演示性、设计性实验较少，以致于很多抽象的原理学生理解不了，同时，课堂和课后师生间互动较少，教学质量大大降低。

当前，各学校各专业都在积极的探索适合本专业学生的大学物理教学模式，以解决当前阻碍大学物理教学改革的瓶颈。本文根据聊城大学材料学院的实际情况，以提高材料专业大学物理课程教学质量、培养学生科研精神、增强学生分析问题解决问题的能力为出发点，依据大学物理教学的目标与要求，结合材料专业特色，注重物理知识与材料知识的联系，体现物理知识是材料专业研究工具的特点，开展对材料专业大学物理教学模式改革的探讨，最终调动学生的学习热诚，使学生懂得学习物理的重要性并能用物理知识解决专业问题，使物理知识与材料专业知识相辅相成、互相促进。本文的改革方案如图1所示：

一、积极探索，改革教学软件

利用专业软件工具包制作一套适合材料专业学生的大学物理电子教程。大学物理课堂上，加入材料、物理、生物、计算机、天文学的前沿科技，弥补传统教材体系落后于时代、應用性不强的缺点。让学生能够了解到社会的发展和科技前沿的最新动态，将学生代入一个生动、形象、具体的环境，活跃课堂气氛，开阔学生视野，增加学生的求知欲望。

二、将物理学史贯穿融入到物理课的教学中去

讲课过程中，融入与课本相关的物理方面的名人轶事和物理学史。通过讲述科学家的趣事和成长成才经历，让学生体会到大学物理的方法论是如何演绎的，让学生感悟物理学家是如何考虑科学问题，如何解决问题的，了解物理学大师科学创造的思路，使学生从中获得启发、感悟和熏陶。让学生自己体会做学问的三个境界：昨夜西风凋碧树，独上高楼，望断天涯路；衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴；众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处。掌握了这三个境界，学生便很自然的掌握了科学的逻辑思维方法。

三、结合专业特色，改革教学内容

针对材料专业特色对大学物理各部分的内容有所取舍，一是要保证基本的大学物理教学内容，二是预留一定的学时，根据学生专业的紧密程度作出调整。例如：力学部分，对材料专业的同学，应花更多的时间讲述利用原始概念通过微积分计算物理量的方法，而对各种守恒规律计算的练习可适量减少，并补充《流体力学》、《工程力学》、《工程材料力学性能》、《材料力学》的相关知识点。热学部分对材料类学生作用很大，因此，这一部分应多花时间。光学部分，增加讲述与《材料研究与测试方法》相关联的内容，着重介绍光谱分析与应用，并对最新的材料检验手段及其基本原理稍做介绍。另外，这部分内容中教材内没有涉及波速的问题，而材料力学牵涉到波速的问题，电磁学部分，要简要介绍对应的实验方法、仪器、结论，简要介绍电路分析方法，将其应用到以后的材料学研究中，讲电容的时候可以增加与功能陶瓷材料性能参数及其表征相关的内容，并讲授色环法识别电阻和电感电容在电子器件中的应用等相关知识，以有助于将来学生工作和科研的需要，这部分内容整体上与材料学关系不太密切，可以略讲。量子力学是现代物理学的基础，要深入了解材料的基本结构，光唯象地知道晶体结构、大致了解统计力学上的朗道相变、“大致”“可能”地定性说明原因，在如今的材料学研究中是远远不够的！就现在的发展趋势而言，材料学已经离以前”炒菜式“的研究方式越来越远了，很多时候都要先进行理论或半定量的粗略计算对性能进行预测，然后再进行制备。很多材料在纳米尺度上量子效应是不能忽视的，因此在计算和预测的过程中需要用到量子力学的内容。而电子材料相关的理论全要用到量子力学，比如能带理论，PN结等都需要用量子力学来解释和分析。固体物理中，近自由电子近似、紧束缚近似等这些模型都需要量子力学的内容来支撑。因此，增加量子力学部分的内容。

四、重视实验教学，拓展演示实验和虚拟仿真实验的教学范围

杨振宁曾在《物理通报》中题词：”物理学是以实验为本的科学“。开展实验探索教学不仅能为学生提供丰富的感性认识，为思维加工提供大量素材，而且能为学生能力培养，创造良好的条件。大学物理演示实验具有形象化，具体化，学生兴趣高的特点，演示实验生动立体，能调动学生的各种感官，让学生更好的了解物理原理与实际生活现象的联系。根据课程需要，购买适用于进行演示实验的教具，例如标准音叉，磁悬浮列车，锥体上滚，手触式蓄电池，茹科夫斯基椅等，让学生明白，物理其实就存在于我们生活中的点点滴滴。由于受到场地、器材等各方面的影响，对于不方便进行道具演示的实验，可以用教学软件进行仿真实验向学生们进行演示，以克服实验室器件、品种、规格和数量不足以及仪器损坏的困难，节约大量昂贵的实验仪器费用。购买合适的仿真实验教学软件，例如LabVIEW图形化编程软件可进行信号分析处理的电路实验，VR编程软件可实现核磁共振系列实验，MATLAB编程软件可实现倒立摆原理的实验等，同时，教师要掌握仿真技术与现代化教学手段，优化教学过程，设计好虚拟仿真形式的物理实验。

五、师生合力，共同打造互动讨论式教学模式

打破传统教学模式中教师讲授的单一方式，通过提炼出一些专题内容，由学生通过自主学习、交流合作和讨论的方式进行自行学习。挖掘学生的自学能力和自学意识。课前给学生提出问题，提高学生自学能力。课堂上通过多媒体、网站等进行演示，以现代教育思想和现代材料科技的成就为主线，向材料类学生介绍现代物理学的整体知识结构，内容从单一基础物理实验到红外应用、超导、液晶显示、低温技术等现代技术领域，并以此为题目给学生布置小论文，充分调动学生探索物理知识的积极性。课堂教学采用“案例教学法”即根据学生的实际情况和教学内容的要求，运用典型案例，进行深入讨论和分析，还可以采用“问题向导式教学”法即以通过精心设计提出问题，引导学生自主分析问题，以理清学生解决问题的思路，使学生的思维处于激活的状态。课后的习题布置要贴近工程实际，典型有趣，能充分体现物理思想、物理方法，便于培养提高学生的探究能力，引发创新冲动。课后还可以开发和设计研究课，激励和引导有需要的学生自由组队进行课外研究，最后由学生代表在课堂上进行讲授，开展学生的自评和互评，整个过程学生自主学习起主导作用。

六、教师定期开展教学研究活动，提高教学水平

规范管理，大学物理的四位任课老师定期和不定期的开展教学研究的活动，一般每周一次。讨论教学内容、教学方法、学生情况等，在交流、讨论、争论中提高教学水平。

七、结束语

综上所述，物理学研究的进展促进了材料科学的发展，同时材料科学中的问题也向物理学家提出意义深远的挑战，材料和物理是紧密结合的，大学物理课程要与科技的快速发展同步，一成不变的教学思想已经不适应当今社会对于培养人才的要求，材料专业的大学物理的教学改革势在必行。通过对大学物理课程的一系列改革，不仅可以让学生积极主动的学习大学物理，紧密的联系学生的专业知识，紧跟科技前沿，更重要的是培养学生的科学素养和科技创新能力。因此，教师在教学中要注重物理知识与材料知识的联系，实现物理教学与材料专业教学的衔接。学生在学习过程中应加深对大学物理与专业课之间关系的认识，使材料知识与物理知识相辅相成、互相促进。

参考文献：

[1]张立彬，郑先明，李广平.哈佛大学物理教育状况研究[J].大学物理，2011，30（1）：56-61.

[2]张立斌，梁启锐，李广平.麻省理工学院物理教育状况研究[J]. 大学物理，201l，30（2）：34-39.

[3]罗伯特·比克纳.北卡罗来纳州立大学的大学物理教学[C].第三届大学物理课程报告论坛论文集，2007.

[4]蘇亚凤，徐忠锋.从美国伊利诺伊大学香槟分校的大学物理课程教学特点浅谈我国大学物理教学改革[J].大学物理，201l，30（10）：48-51.

[5]吴颖.考察德国大学物理教学的启示[J].沈阳航空工业学院学报，2004，21.

[6]于一，叶柳.浅议大学物理教学现状与课程改革方向[J].高教学刊，2016（02）：57-58.

[7]段丽凤.多层面分层次大学物理教学改革分析[J].高教学刊，2016（20）：139-140.