简说材料物理与性能学课程内容模块化构建与教学实践论文
教学质量是高校赖以生存和发展的重要保证, 而加强课程教学改革是提高教学质量的重要途径[1]。近年来, 以电子、生物、航天和能源等为应用对象的材料科学已经从过去的单一性金属材料、无机非金属材料和高分子材料转向以功能材料、复合材料、纳米材料等高性能、多功能为主的发展趋势, 对材料科学人才也提出了新的、更高的要求[2]。1997 年国务院学位办颁发了新专业目录, 材料类的专业设置不再按传统分为金属材料、无机非金属材料和高分子材料,而是横向融合金属材料、无机非金属材料和高分子材料的基础理论于一体, 纵向充分强调理科与工科的结合。为满足社会对材料专业的需求，并与国内外“材料科学与工程”学科发展接轨, 北方民族大学制定了材料类专业的长期规划并制定了2008 本科专业培养方案。材料物理与性能学课程作为2008 培养方案中材料科学与工程本科生的专业基础课, 其教改方案已列入2009 年宁夏高等教育教学改革项目。
本文从教学内容改革、师资队伍建设、教学方式方法、实验教学和考核模式等几个方面对材料物理与性能学课程建设思路进行阐述。
1 教学内容改革
1.1 教学内容改革的必要性
《材料物理》是材料科学与工程、高分子材料与工程和材料成型与控制工程专业的专业基础课，其主要内容是利用物理学的一些基本概念、基本原理、基本定律来说明物质的微观结构、组织形貌、原子电子运动状况以及它们与材料性能之间的内在响应。对于材料专业的学生来讲，化学方面的基础知识学习得较多，包括有机化学、无机化学、分析化学和物理化学等，但物理方面的基础知识却较少涉及，只有普通物理课程，而物理本身所包含的基础知识比化学更多，例如光、电、磁、热、力、辐射等。因此，给材料专业的学生补充更多的物理知识，尤其是材料物理方面的知识非常必要。而当前材料物理教材的诸多版本多偏重理论指导，要求学生对物理分支的知识掌握太多，这不能完全适应现行本科生教育的需求，对研究生来说相对更适合一些。个别相对合适的材料物理教材因为有些内容太深无法讲透， 而有些内容又太浅，对本科生来说，作为参考书使用较为适合，这是一个方面。另一方面，大多材料专业都开设了材料物理性能课程，此课程包含的材料物理的基本概念又都比较缺乏。编写这本《材料物理与性能学》教材的目的就是一方面给材料专业本科生增加一些有关材料物理的基础知识，另一方面将材料物理性能方面的内容合并到一起，减少学生的课程数目[3]。在教材的编写过程中，注意突出了以下几方面的特色。
(1)以实际应用实例讲解材料物理学的一些基本概念和物理效应，例如：位错的运动形式分为滑移和攀移，滑移的运动形式是像蚯蚓一样以局部带动全部进行运动;为什么钢铁进行淬火后会变硬? 是因为加热加速了原子的运动，突然冷却使原子来不及运动到正常格点位置就停止了，使得原子排列紊乱，阻止了位错的滑移，所以会变硬。以这样的方式来介绍材料物理学的一些基本概念和物理效应，使学生便于理解、掌握和记忆。
(2)以实验的手段讲解各种材料的性能。如：通过拉伸实验，讲解金属材料、无机非金属材料、高分子材料的力学性能的异同等;通过对不同材料进行电阻测量， 讲解如何利用电阻绘制材料的溶解度曲线，将此曲线应用到实际研究中。采用这样的方式设计实验，达到真正锻炼学生动手能力和创新能力的目的。
(3)加入现代新材料的内容，介绍其应用与发展。例如：复合材料、纳米材料、能源材料、生物材料等。
1.2 教材知识体系改革
根据材料相关行业发展需求进行教学知识体系的改革。目前材料科学发展的趋势是新型功能材料(特别是电子、光电子材料)、新能源材料、环境友好材料、生物活性材料的研究与开发，本课程针对材料发展的总体趋势和行业需求， 结合我校2008 本科生培养方案的指导思想，在设置材料的热学性能、力学性能和电学性能的基础上，设置了材料的介电性能、缺陷物理与性能、铁电物理与性能、磁性物理与性能、非晶态物理、高分子物理、薄膜物理。在内容的编写上，略去了大量的公式推导，注重基本概念、基本原理的讲解，同时，结合生产、生活和材料前沿科学研究中的实例对材料物理与性能进行阐释。
在每章的开始，教材以实际案例开篇来提高学生对本章内容的学习兴趣，如从材料的导热性角度解释“9.11 事件”对纽约世贸中心造成毁灭性破坏的原因;从材料的导电性能与硅材料的薄膜化对太阳能发电在解决能源危机方面的重要地位与应用现状等导入案例。在每章的结尾，设置了拓展性内容，主要将章节内容相关的前沿科学发展现状、需要解决的关键科学问题呈现给学生，为学生在学完章节基本内容后进行深层次的思考和进一步利用所学内容阅读学科领域前沿知识提供了引导，如教材引入纳米材料(如碳纳米管)的热学、力学性能来拓展学生对纳米材料独特性质的认识;以超导材料的发展历史、研究现状、和应用(如磁悬浮列车)来引导学生对材料的导电性进行探求。
2 师资队伍建设
高等院校的师资水平, 往往决定着学校的教学水平、科研水平和管理水平。抓好学校的师资队伍建设, 是使学校的教学、科研达到高质量、高水平的关键因素之一, 也是培养高素质专业人才的基础， 几年来, 《材料物理与性能学》课程非常重视教师队伍的建设，课程组是由4 名具有博士学位并长期从事科研工作的中青年博士组成， 其中，课程组负责人是北方民族大学材料科学与工程学院院长、硕生导师耿桂宏教授，具有较强科研能力和丰富教学、管理经验的知名教师，也是本教材的主编。在课堂教学中, 我们能把握与课程相关学科领域的最新发展动态, 将科研实践融入教学中, 使课程讲解深入浅出,激发了学生的求知欲和学习兴趣, 并在潜移默化中培养了学生的学习能力和把握科研学术前沿的能力,获得了非常好的教学效果。课程组成员在申报各级科研项目的同时，结合课程特点及民族院校教学特点积极申报和参与教学改革项目。在教与学的互动中融入科学研究和教学研究的成果，教师的教学水平得到了提高。
3 教学方式方法改革
教学过程是通过教师与学生之间的互动配合完成的，教学方法在教学活动中的作用至关重要，在《材料物理与性能学》的教学过程中，注重学生能力的培养，摒弃传统“填鸭式”灌输的教学方法，而采用“启发—引导—互动”式的教学方法，以此来实现传授知识、培养学习能力和创新能力的目的。在教学方法的改革中，采取了以下具体的教学方式：
(1)采用板书与多媒体结合的方式进行知识讲解
对较为抽象的概念、模型，采用动画演示帮助学生理解，如对于位错的两种基本类型—螺型位错和刃型位错以及它们的运动方式—攀移和滑移，很难用易于理解的语言表达清楚，而采用动画演示的方式，学生很容易理解并在脑海中留下深刻的印象; 如三极管的放大作用，采用动画演示即可让学生在较短时间内对其放大机理和对发射极、基极、集电极材料的不同要求了然于胸。
(2)学生讲授，集中讨论的方式
针对有些能引起学生兴趣的内容，采取学生讲授、课堂讨论的方式实现对知识的接受与消化吸收。比如关于铁电物理的内容，通过讲解基本理论，让学生通过查阅文献资料来挖掘铁电物理的知识在我们生活中的应用，而学生通过文献资料，利用磁性物理知识讲解了以“卡的世界”为题的关于存储卡的相关原理和技术前沿、利用材料的'压电效应讲解了打火机的原理，这不仅加深了对知识的理解，还极大地调动起学生对铁电物理知识的兴趣。
(3)开放式作业题目
对于有些基本观点，随着科学的不断发展，可能遇到一些无法解释的现象，对此，鼓励学生通过查阅文献发现此类问题。例如，将块体材料的一些基本理论应用于纳米材料去解释其性能显然是不正确的，不同点有哪些? 为什么不同? 针对这些问题，让学生自己去解决，然后在作业中写出自己的观点。这样做的好处是，既启发了学生的主动性和创新思维，又防止了抄袭作业的现象发生。
(4)注重培养学生的科学思维
由于《材料物理与性能学》是集理论与应用于一体的课程，从对理论的学习和理解的基础上拓展到材料的应用，所以培养学生在材料研究和应用领域从“单一应用驱动”到“应用与理论驱动“的材料科学发展模式，即“应用需求—探索新材料—理论阐释—发现新材料—应用拓展”的科学思维是至关重要的。比如，在超导材料的BCS 理论讲解中，我们首先给学生呈现出这样的问题：正常的材料具有电阻是由于电子或离子载流子在运动过程中受阻所致，那么，超导理论就是要解决载流子在运动过程中为何避免受阻的问题， 然后循序渐进地引入BCS 理论的核心内容，即动量之和为零的“库珀对”的存在，既然库珀能从理论上推演出“电子-电子对”的动量之和为零，就可以断定其在运行过程中未发生有效碰撞。同时，引导学生思考的另外一个问题是“为什么能发现库珀对? ”，我们从“同位素效应”的发现开始，正是由于同位素效应表明了电子在运动过程中与原子核有关，由此启发才能驱动“库珀对”的发现。在课堂教学中， 我们始终把培养学生的科学思维作为重要的环节，让学生将来在本专业的研究和应用工作中能够采用科学合理的方式解决所遇到的问题。
4 实验教学模块建设
在实验教学的设计环节，我们按照课堂教学的内容设置，设计了材料热性能、材料力学性能、材料电性能、材料磁性能等几个开放式实验模块。为调动学生的积极性，提高学生的动手实践能力，在材料物理性能与应用课程模块内，进行新的实验体系的构建，对原有课程的相关实验进行整合，减少验证性实验，利用实验室资源，适度开设综合性、设计性实验，在实验内容上充分体现材料性能与应用之间的联系，使实验项目能充分发挥培养学生动手操作和实践能力培养方面的作用。比如，在材料热性能和力学性能的试验模块中可以选择硬度测定、材料热容的测定、材料热导率的测定、材料导电性能的测定、陶瓷热稳定性测定等实验，也可以根据兴趣爱好设计综合型实验。
针对我校2008 本科生培养方案加强实践教学的指导思想， 即本科生必须在四年内必须修完5 个学术类实践教学学分，因此，课程体系建设在满足基本教学基础实验内容的基础上，还为学生提供创新性实验平台。
我校于2012 年获批“新能源材料与器件”本科专业，《材料物理与性能学》作为专业基础课也被列为该专业的培养方案中，为此，我们这在筹建基于新能源材料的专业实验模块，如燃料电池、锂离子电池、太阳能电池实验模块，加强学生的实践与创新能力。
5 教改效果与展望
《材料物理与性能学》课程已作为“21 世纪全国高等院校材料类创新性应用人才培养规划教材” 由北京大学出版社于2010 年1 月出版。《材料物理与性能学》课程是材料科学与工程、高分子材料与工程和材料成型与控制工程专业的专业基础课，授课学时为理论48 学时，实验16 学时。该教材已被东北大学、郑州轻工业学院、北方民族大学，以及江苏、湖北、浙江和山东等省的高等院校选用，受益学生5000 多人，反映良好。
通过教学内容和教学方法的改革后，学生对材料专业产生了极大的兴趣，出勤率和听课率大大提高，学生对本课程的课堂听课率创历年新高接近100%， 根据校教务系统所提供的学生对教师的教学评价结果表明，课堂满意度在98%以上，同时通过对材料物理与性能学课程的学习，我院学生申报创新性实验和挑战杯的数量明显增加，与往年相比，增加的项目主要来自与本课程相关的内容。
在北方民族大学材料科学与工程学院举办的学生教学模拟大赛中，凡是上过《材料物理与性能学》课程的同学均把此课程的内容作为参赛讲课内容并大部分获奖，并且连续几届一等奖的获得者均为以此课程为参赛内容的参赛者，说明该课程的教学内容改革和教学方式方法改革已初见成效。
虽然，通过教改，我们在教学中取到了良好的初步成果，但对本课程的双语教学、精品课程建设的工作以及课程考核体系、质量监控等方面的创新还是今后对本课程改革的主要方面。
今后，我们通过总结《材料物理与性能学》的教学实践，搞清存在的问题，进一步明确课程定位，形成以贯彻向“宽基础、宽口径、重实践”的培养模式上转变的新课程体系。通过充实和丰富教学内容，完善和增加案例教学，制作和搜集影像资料，研究和制作优质课件，完善相关实践环节，使该课程教学做到目标明确、基础扎实、内容丰富和方法多样
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