材料学专业大学物理及实验课程教学体系的建设

王严东

(吉林化工学院 材料科学与工程学院,吉林 吉林 132022)

近年来，国内高校材料学专业教学课程体系改革一直得到很快地发展，所以材料学专业体系也在与时俱进，及时更新[1]。由于专业课程设置的变化，必然会对相应的基础课程内容提出新的不同的要求。因此具有独到特色的材料科学与工程专业课程建设成为一般本科院校专业建设的重要内容。大学物理及实验课程是工科专业的基础课，其对后继专业课程的学习起这承上启下的作用。而目前大学物理课程一般为80-96学时，不可能对力、热、光、电磁、近代物理各个部分面面俱到，必须按照后继课程要求有所取舍。

1 材料专业人才培养模式

2012年教育部对国家本科专业目录进行了调整，工科类专业下属材料类(0804)，下设“材料科学与工程”、材料物理、材料化学、金属材料工程、无机非金属材料工程、冶金工程、高分子材料与工程、复合材料与工程八个本科专业[2,3]。而材料科学与工程在学科目录中是一级学科，因此该专业的具体专业方向设置既可以偏理论研究也可以偏向工程实际，需要办学高校自行按照个性化要求设置。

1.1 专业人才培养模式

材料科学与工程专业素质教育体系主要通过系统的专业理论课程学习、专业实验教学和实习、实践课程来实现。课堂教学是专业教育的主体，非重点普通本科院校的专业课程教学要由以传授基本理论知识为主要特征的教学型教学向以生产实践和培养认知能力为主要特征的应用型教学转变。应用型教学能够提高学生专业实践素质、获得基本理论联系实际的思想方法，培养学生持续性学习能力。而专业实验教学是通过基本实验技能训练,培养学生的动手能力和应用实践能力,主要包括专业实验课程、课程设计和综合实验。实践性教学是培养学生工程意识、创新能力和动手能力的重要途径,这对应用型本科教育尤为重要,主要通过各类实习、综合实验、课程设计和毕业论文及社会实践等进行工程师的基本技能训练。

1.2 应用型材料专业人才培养课程体系

应用型工程教育的任务就是要在工程理念指导下,培养具备较宽的专业基础，较强的工程设计能力、工艺设备开发、维护能力的工程技术人才。应用型材料专业的建设要立足于工程实践、培养材料类工程技术人员，有别于研究型和教学研究型大学[4,5]。

我校材料科学与工程专业方向设置为三个方向，分别是无机非金属、金属表面处理和复合材料，这样导致材料学专业课程在一个主干的基础上分为三个选修方向。具体主要课程为：固体物理、物理化学、材料物理、材料化学、材料科学基础、材料热力学、金属学与热处理、材料力学、材料分析方法、薄膜、陶瓷材料、材料成形、无机固体化学等相应课程。

2 材料科学与工程专业物理课程教学体系的设置

2.1 大学物理课程教学体系构建的基本思想

材料科学涉及面广、学科交叉性和综合性强，材料学和物理学的关系极其密切,其基本理论和实验分析过程严重依赖物理理论和实验方法，同时兼备应用研究和基础研究的工程属性。我校材料学专业课程主要涉及物理课程中的内容及学时如表1所示。

表1 大学物理课程各部分学时设置

(1)热力学-气体动理论部分

这部分内容是材料学专业的核心内容，一般大学物理课程仅讲授至热学第二定律，大概给出概念基本就可以了，但对于材料学专业实际上是不够的。因为后继物理化学、材料热力学、材料科学基础等课程都需要大量的热力学基础知识，大学物理课程应该加强这部分内容，自由能和熵的物理意义及熵计算都需要进一步加强，这部分设置为24学时。

(2)力学及刚体部分

材料学专业的理论力学、材料力学、工程材料学等课程涉及大量的力学计算，但大学物理力学部分一般是重点讲授内容，这部分内容为18学时。

其他各部分学时和工科大学物理课程内容基本接近。

2.2 物理实验课程体系的具体设置

针对大学物理实验课程体系，从基本实验技能训练、实验验证型、综合设计型实验和开放创新型四个层次调整实验项目及内容[6-8]。

学生进入大一下学期开始进行大学物理课程学习同时开始进行物理实验操作，主要以基本的物理实验为主，锻炼学生对于基本仪器设备的使用，了解实验室的基本规则，学习数据处理及误差理论。

基础型物理实验主要是培养物理理论基础，加深学生对理论教学知识的理解，验证理论教学知识的相关定律、定理和基本概念，具有一定的实验操作技能，该层次主要通过设置“天平使用”、“气轨上守恒定律的验证”、“分光仪使用”等基本实验题目实现。

综合设计型物理实验主要是提高综合分析及解决问题的能力，重点是深化和拓展理论教学内容,引导学生自行设计具体实验方案、选择相应实验设备和实验材料独立完成实验。该层次主要通过设置“电表改装”“RC电路特性”“发光二极管参数测量研究”等实验题目实现。

开放创新型物理实验培养学生的创新意识和能力，该层次主要依托学校针对不同本科生的“科研立项”、参加“挑战杯”竞赛和参与教师科研项目等活动，让学有余力的学生参与物理相关的创新实验项目和科研项目，按照材料科学与工程专业的个别人才培养定位在“创新工程师”的要求，大二时期选拔物理基础相对优秀的学生直接参与物理领域的高层次科研项目，在材料现代测试技术、计算物理技术、半导体物理等方面培养部分优秀学生的动手能力，教师带领学生发表高水平科研论文，做到人才培养与科研成果双丰收。

2.3 多样化的专业方向实验教学方法

设计与创新多个材料特色物理综合实验

(1)《X射线衍射》与样品鉴定：引入食盐、纯铁等常见材料的晶格结构及晶格常数的测定，可以鼓励学生自带样品，如贝壳粉、食盐等日常见到的材料，培养学生学习兴趣。

(2)《陶瓷材料的介电常数的测定》：利用电容测试材料介电常数，初步培养学生样品制作。

(3)《铁电体电滞回线的测定》：寻找适合实验的高密度、高抛光度、高介电、高铁电的陶瓷和薄膜，与磁滞回线比较。

(4)《珍珠粉的鉴定》：珍珠粉和贝壳粉化学成分相同、晶型不同，利用XRD可以对真伪珍珠粉进行鉴定，可以学生自带样品拓展到某类宝石鉴定。

需要改变传统“讲解+实际操作+实验报告”的实验教学方法,采用课堂讲授、多媒体演示、实际实验操作、分小组讨论相结合的实验教学方法。打破传统的物理实验教学方式，充分利用现代多媒体、网络辅助教学，使教师逐渐脱离传统的物理实验教学模式。针对不同的物理实验项目实行研讨式教学、启发式教学等方法，努力提高材料专业学生参与实验的主动性，发挥学生的主体意识和创新能力。

在原有考核方式基础上进行大胆改革，采取平时课上成绩、大学物理实验报告和期末一篇研究报告相结合的办法。每学年对材料学专业学生布置和物理相关材料学前沿内容，让学生独立调研、检索完成一篇调研报告。鼓励学生在实验中有所创新，对于有创见的学生、成绩从优。

3 结束语

材料学专业物理课程体系经过几年来的摸索和实践，在我院取得了相对较好的教学效果，大大缩短了物理课堂教学与教师科研、生产实际的距离，巩固和提高了学生基本技能，加深了学生对后继专业理论知识的掌握和理解。同时也锻炼材料学生理论联系实际、学以致用的能力，提高了材料学专业学生对本专业的认识和兴趣。材料科学与工程专业物理课程建设是一项系统工程,涉及理论、实验教学的各个方面，因此还需要在教学理念、实验教学模式和教学体系等方面进一步深化改革，建立有利于培养材料类学生实践能力和创新能力的物理课程教学体系,全面提高教学水平。