簡說材料物理與性能學(xué)課程內(nèi)容模塊化構(gòu)建與教學(xué)實踐論文
教學(xué)質(zhì)量是高校賴以生存和發(fā)展的重要保證, 而加強(qiáng)課程教學(xué)改革是提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑[1]。近年來, 以電子、生物、航天和能源等為應(yīng)用對象的材料科學(xué)已經(jīng)從過去的單一性金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料轉(zhuǎn)向以功能材料、復(fù)合材料、納米材料等高性能、多功能為主的發(fā)展趨勢, 對材料科學(xué)人才也提出了新的、更高的要求[2]。1997 年國務(wù)院學(xué)位辦頒發(fā)了新專業(yè)目錄, 材料類的專業(yè)設(shè)置不再按傳統(tǒng)分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料,而是橫向融合金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料的基礎(chǔ)理論于一體, 縱向充分強(qiáng)調(diào)理科與工科的結(jié)合。為滿足社會對材料專業(yè)的需求，并與國內(nèi)外“材料科學(xué)與工程”學(xué)科發(fā)展接軌, 北方民族大學(xué)制定了材料類專業(yè)的長期規(guī)劃并制定了2008 本科專業(yè)培養(yǎng)方案。材料物理與性能學(xué)課程作為2008 培養(yǎng)方案中材料科學(xué)與工程本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課, 其教改方案已列入2009 年寧夏高等教育教學(xué)改革項目。
本文從教學(xué)內(nèi)容改革、師資隊伍建設(shè)、教學(xué)方式方法、實驗教學(xué)和考核模式等幾個方面對材料物理與性能學(xué)課程建設(shè)思路進(jìn)行闡述。
1 教學(xué)內(nèi)容改革
1.1 教學(xué)內(nèi)容改革的必要性
《材料物理》是材料科學(xué)與工程、高分子材料與工程和材料成型與控制工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，其主要內(nèi)容是利用物理學(xué)的一些基本概念、基本原理、基本定律來說明物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、組織形貌、原子電子運(yùn)動狀況以及它們與材料性能之間的內(nèi)在響應(yīng)。對于材料專業(yè)的學(xué)生來講，化學(xué)方面的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)得較多，包括有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)和物理化學(xué)等，但物理方面的基礎(chǔ)知識卻較少涉及，只有普通物理課程，而物理本身所包含的基礎(chǔ)知識比化學(xué)更多，例如光、電、磁、熱、力、輻射等。因此，給材料專業(yè)的學(xué)生補(bǔ)充更多的物理知識，尤其是材料物理方面的知識非常必要。而當(dāng)前材料物理教材的諸多版本多偏重理論指導(dǎo)，要求學(xué)生對物理分支的知識掌握太多，這不能完全適應(yīng)現(xiàn)行本科生教育的需求，對研究生來說相對更適合一些。個別相對合適的材料物理教材因為有些內(nèi)容太深無法講透， 而有些內(nèi)容又太淺，對本科生來說，作為參考書使用較為適合，這是一個方面。另一方面，大多材料專業(yè)都開設(shè)了材料物理性能課程，此課程包含的材料物理的基本概念又都比較缺乏。編寫這本《材料物理與性能學(xué)》教材的目的就是一方面給材料專業(yè)本科生增加一些有關(guān)材料物理的基礎(chǔ)知識，另一方面將材料物理性能方面的內(nèi)容合并到一起，減少學(xué)生的課程數(shù)目[3]。在教材的編寫過程中，注意突出了以下幾方面的特色。
(1)以實際應(yīng)用實例講解材料物理學(xué)的一些基本概念和物理效應(yīng)，例如：位錯的運(yùn)動形式分為滑移和攀移，滑移的運(yùn)動形式是像蚯蚓一樣以局部帶動全部進(jìn)行運(yùn)動;為什么鋼鐵進(jìn)行淬火后會變硬? 是因為加熱加速了原子的運(yùn)動，突然冷卻使原子來不及運(yùn)動到正常格點位置就停止了，使得原子排列紊亂，阻止了位錯的滑移，所以會變硬。以這樣的方式來介紹材料物理學(xué)的一些基本概念和物理效應(yīng)，使學(xué)生便于理解、掌握和記憶。
(2)以實驗的手段講解各種材料的性能。如：通過拉伸實驗，講解金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料的力學(xué)性能的異同等;通過對不同材料進(jìn)行電阻測量， 講解如何利用電阻繪制材料的溶解度曲線，將此曲線應(yīng)用到實際研究中。采用這樣的方式設(shè)計實驗，達(dá)到真正鍛煉學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的目的。
(3)加入現(xiàn)代新材料的內(nèi)容，介紹其應(yīng)用與發(fā)展。例如：復(fù)合材料、納米材料、能源材料、生物材料等。
1.2 教材知識體系改革
根據(jù)材料相關(guān)行業(yè)發(fā)展需求進(jìn)行教學(xué)知識體系的改革。目前材料科學(xué)發(fā)展的趨勢是新型功能材料(特別是電子、光電子材料)、新能源材料、環(huán)境友好材料、生物活性材料的研究與開發(fā)，本課程針對材料發(fā)展的總體趨勢和行業(yè)需求， 結(jié)合我校2008 本科生培養(yǎng)方案的指導(dǎo)思想，在設(shè)置材料的熱學(xué)性能、力學(xué)性能和電學(xué)性能的基礎(chǔ)上，設(shè)置了材料的介電性能、缺陷物理與性能、鐵電物理與性能、磁性物理與性能、非晶態(tài)物理、高分子物理、薄膜物理。在內(nèi)容的編寫上，略去了大量的公式推導(dǎo)，注重基本概念、基本原理的講解，同時，結(jié)合生產(chǎn)、生活和材料前沿科學(xué)研究中的實例對材料物理與性能進(jìn)行闡釋。
在每章的開始，教材以實際案例開篇來提高學(xué)生對本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)興趣，如從材料的導(dǎo)熱性角度解釋“9.11 事件”對紐約世貿(mào)中心造成毀滅性破壞的原因;從材料的導(dǎo)電性能與硅材料的薄膜化對太陽能發(fā)電在解決能源危機(jī)方面的重要地位與應(yīng)用現(xiàn)狀等導(dǎo)入案例。在每章的結(jié)尾，設(shè)置了拓展性內(nèi)容，主要將章節(jié)內(nèi)容相關(guān)的前沿科學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀、需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題呈現(xiàn)給學(xué)生，為學(xué)生在學(xué)完章節(jié)基本內(nèi)容后進(jìn)行深層次的思考和進(jìn)一步利用所學(xué)內(nèi)容閱讀學(xué)科領(lǐng)域前沿知識提供了引導(dǎo)，如教材引入納米材料(如碳納米管)的熱學(xué)、力學(xué)性能來拓展學(xué)生對納米材料獨特性質(zhì)的認(rèn)識;以超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀、和應(yīng)用(如磁懸浮列車)來引導(dǎo)學(xué)生對材料的導(dǎo)電性進(jìn)行探求。
2 師資隊伍建設(shè)
高等院校的師資水平, 往往決定著學(xué)校的教學(xué)水平、科研水平和管理水平。抓好學(xué)校的師資隊伍建設(shè), 是使學(xué)校的教學(xué)、科研達(dá)到高質(zhì)量、高水平的關(guān)鍵因素之一, 也是培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才的基礎(chǔ)， 幾年來, 《材料物理與性能學(xué)》課程非常重視教師隊伍的建設(shè)，課程組是由4 名具有博士學(xué)位并長期從事科研工作的中青年博士組成， 其中，課程組負(fù)責(zé)人是北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長、碩生導(dǎo)師耿桂宏教授，具有較強(qiáng)科研能力和豐富教學(xué)、管理經(jīng)驗的知名教師，也是本教材的主編。在課堂教學(xué)中, 我們能把握與課程相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的最新發(fā)展動態(tài), 將科研實踐融入教學(xué)中, 使課程講解深入淺出,激發(fā)了學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)興趣, 并在潛移默化中培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和把握科研學(xué)術(shù)前沿的能力,獲得了非常好的教學(xué)效果。課程組成員在申報各級科研項目的同時，結(jié)合課程特點及民族院校教學(xué)特點積極申報和參與教學(xué)改革項目。在教與學(xué)的互動中融入科學(xué)研究和教學(xué)研究的成果，教師的教學(xué)水平得到了提高。
3 教學(xué)方式方法改革
教學(xué)過程是通過教師與學(xué)生之間的互動配合完成的，教學(xué)方法在教學(xué)活動中的作用至關(guān)重要，在《材料物理與性能學(xué)》的教學(xué)過程中，注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，摒棄傳統(tǒng)“填鴨式”灌輸?shù)慕虒W(xué)方法，而采用“啟發(fā)—引導(dǎo)—互動”式的教學(xué)方法，以此來實現(xiàn)傳授知識、培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的目的。在教學(xué)方法的改革中，采取了以下具體的教學(xué)方式：
(1)采用板書與多媒體結(jié)合的方式進(jìn)行知識講解
對較為抽象的概念、模型，采用動畫演示幫助學(xué)生理解，如對于位錯的兩種基本類型—螺型位錯和刃型位錯以及它們的運(yùn)動方式—攀移和滑移，很難用易于理解的語言表達(dá)清楚，而采用動畫演示的方式，學(xué)生很容易理解并在腦海中留下深刻的印象; 如三極管的放大作用，采用動畫演示即可讓學(xué)生在較短時間內(nèi)對其放大機(jī)理和對發(fā)射極、基極、集電極材料的不同要求了然于胸。
(2)學(xué)生講授，集中討論的方式
針對有些能引起學(xué)生興趣的內(nèi)容，采取學(xué)生講授、課堂討論的方式實現(xiàn)對知識的接受與消化吸收。比如關(guān)于鐵電物理的內(nèi)容，通過講解基本理論，讓學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)資料來挖掘鐵電物理的知識在我們生活中的應(yīng)用，而學(xué)生通過文獻(xiàn)資料，利用磁性物理知識講解了以“卡的世界”為題的關(guān)于存儲卡的相關(guān)原理和技術(shù)前沿、利用材料的'壓電效應(yīng)講解了打火機(jī)的原理，這不僅加深了對知識的理解，還極大地調(diào)動起學(xué)生對鐵電物理知識的興趣。
(3)開放式作業(yè)題目
對于有些基本觀點，隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，可能遇到一些無法解釋的現(xiàn)象，對此，鼓勵學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)此類問題。例如，將塊體材料的一些基本理論應(yīng)用于納米材料去解釋其性能顯然是不正確的，不同點有哪些? 為什么不同? 針對這些問題，讓學(xué)生自己去解決，然后在作業(yè)中寫出自己的觀點。這樣做的好處是，既啟發(fā)了學(xué)生的主動性和創(chuàng)新思維，又防止了抄襲作業(yè)的現(xiàn)象發(fā)生。
(4)注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維
由于《材料物理與性能學(xué)》是集理論與應(yīng)用于一體的課程，從對理論的學(xué)習(xí)和理解的基礎(chǔ)上拓展到材料的應(yīng)用，所以培養(yǎng)學(xué)生在材料研究和應(yīng)用領(lǐng)域從“單一應(yīng)用驅(qū)動”到“應(yīng)用與理論驅(qū)動“的材料科學(xué)發(fā)展模式，即“應(yīng)用需求—探索新材料—理論闡釋—發(fā)現(xiàn)新材料—應(yīng)用拓展”的科學(xué)思維是至關(guān)重要的。比如，在超導(dǎo)材料的BCS 理論講解中，我們首先給學(xué)生呈現(xiàn)出這樣的問題：正常的材料具有電阻是由于電子或離子載流子在運(yùn)動過程中受阻所致，那么，超導(dǎo)理論就是要解決載流子在運(yùn)動過程中為何避免受阻的問題， 然后循序漸進(jìn)地引入BCS 理論的核心內(nèi)容，即動量之和為零的“庫珀對”的存在，既然庫珀能從理論上推演出“電子-電子對”的動量之和為零，就可以斷定其在運(yùn)行過程中未發(fā)生有效碰撞。同時，引導(dǎo)學(xué)生思考的另外一個問題是“為什么能發(fā)現(xiàn)庫珀對? ”，我們從“同位素效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)開始，正是由于同位素效應(yīng)表明了電子在運(yùn)動過程中與原子核有關(guān)，由此啟發(fā)才能驅(qū)動“庫珀對”的發(fā)現(xiàn)。在課堂教學(xué)中， 我們始終把培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維作為重要的環(huán)節(jié)，讓學(xué)生將來在本專業(yè)的研究和應(yīng)用工作中能夠采用科學(xué)合理的方式解決所遇到的問題。
4 實驗教學(xué)模塊建設(shè)
在實驗教學(xué)的設(shè)計環(huán)節(jié)，我們按照課堂教學(xué)的內(nèi)容設(shè)置，設(shè)計了材料熱性能、材料力學(xué)性能、材料電性能、材料磁性能等幾個開放式實驗?zāi)K。為調(diào)動學(xué)生的積極性，提高學(xué)生的動手實踐能力，在材料物理性能與應(yīng)用課程模塊內(nèi)，進(jìn)行新的實驗體系的構(gòu)建，對原有課程的相關(guān)實驗進(jìn)行整合，減少驗證性實驗，利用實驗室資源，適度開設(shè)綜合性、設(shè)計性實驗，在實驗內(nèi)容上充分體現(xiàn)材料性能與應(yīng)用之間的聯(lián)系，使實驗項目能充分發(fā)揮培養(yǎng)學(xué)生動手操作和實踐能力培養(yǎng)方面的作用。比如，在材料熱性能和力學(xué)性能的試驗?zāi)K中可以選擇硬度測定、材料熱容的測定、材料熱導(dǎo)率的測定、材料導(dǎo)電性能的測定、陶瓷熱穩(wěn)定性測定等實驗，也可以根據(jù)興趣愛好設(shè)計綜合型實驗。
針對我校2008 本科生培養(yǎng)方案加強(qiáng)實踐教學(xué)的指導(dǎo)思想， 即本科生必須在四年內(nèi)必須修完5 個學(xué)術(shù)類實踐教學(xué)學(xué)分，因此，課程體系建設(shè)在滿足基本教學(xué)基礎(chǔ)實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，還為學(xué)生提供創(chuàng)新性實驗平臺。
我校于2012 年獲批“新能源材料與器件”本科專業(yè)，《材料物理與性能學(xué)》作為專業(yè)基礎(chǔ)課也被列為該專業(yè)的培養(yǎng)方案中，為此，我們這在籌建基于新能源材料的專業(yè)實驗?zāi)K，如燃料電池、鋰離子電池、太陽能電池實驗?zāi)K，加強(qiáng)學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。
5 教改效果與展望
《材料物理與性能學(xué)》課程已作為“21 世紀(jì)全國高等院校材料類創(chuàng)新性應(yīng)用人才培養(yǎng)規(guī)劃教材” 由北京大學(xué)出版社于2010 年1 月出版�！恫牧衔锢砼c性能學(xué)》課程是材料科學(xué)與工程、高分子材料與工程和材料成型與控制工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，授課學(xué)時為理論48 學(xué)時，實驗16 學(xué)時。該教材已被東北大學(xué)、鄭州輕工業(yè)學(xué)院、北方民族大學(xué)，以及江蘇、湖北、浙江和山東等省的高等院校選用，受益學(xué)生5000 多人，反映良好。
通過教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革后，學(xué)生對材料專業(yè)產(chǎn)生了極大的興趣，出勤率和聽課率大大提高，學(xué)生對本課程的課堂聽課率創(chuàng)歷年新高接近100%， 根據(jù)校教務(wù)系統(tǒng)所提供的學(xué)生對教師的教學(xué)評價結(jié)果表明，課堂滿意度在98%以上，同時通過對材料物理與性能學(xué)課程的學(xué)習(xí)，我院學(xué)生申報創(chuàng)新性實驗和挑戰(zhàn)杯的數(shù)量明顯增加，與往年相比，增加的項目主要來自與本課程相關(guān)的內(nèi)容。
在北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院舉辦的學(xué)生教學(xué)模擬大賽中，凡是上過《材料物理與性能學(xué)》課程的同學(xué)均把此課程的內(nèi)容作為參賽講課內(nèi)容并大部分獲獎，并且連續(xù)幾屆一等獎的獲得者均為以此課程為參賽內(nèi)容的參賽者，說明該課程的教學(xué)內(nèi)容改革和教學(xué)方式方法改革已初見成效。
雖然，通過教改，我們在教學(xué)中取到了良好的初步成果，但對本課程的雙語教學(xué)、精品課程建設(shè)的工作以及課程考核體系、質(zhì)量監(jiān)控等方面的創(chuàng)新還是今后對本課程改革的主要方面。
今后，我們通過總結(jié)《材料物理與性能學(xué)》的教學(xué)實踐，搞清存在的問題，進(jìn)一步明確課程定位，形成以貫徹向“寬基礎(chǔ)、寬口徑、重實踐”的培養(yǎng)模式上轉(zhuǎn)變的新課程體系。通過充實和豐富教學(xué)內(nèi)容，完善和增加案例教學(xué)，制作和搜集影像資料，研究和制作優(yōu)質(zhì)課件，完善相關(guān)實踐環(huán)節(jié)，使該課程教學(xué)做到目標(biāo)明確、基礎(chǔ)扎實、內(nèi)容豐富和方法多樣
【簡說材料物理與性能學(xué)課程內(nèi)容模塊化構(gòu)建與教學(xué)實踐論文】相關(guān)文章：
1.淺談“材料力學(xué)性能”教學(xué)內(nèi)容與過程評價的改革與實踐論文
2.生物工程專業(yè)實踐教學(xué)體系構(gòu)建與實踐論文
3.淺談初中物理教學(xué)中物理模型的構(gòu)建與應(yīng)用
5.簡談高職應(yīng)用寫作教學(xué)改革與實踐論文