“无机材料物理性能”课程教学改革初探

来源:用户上传      作者: 刘琨 金胜明

　　摘要：通过分析“无机材料物理性能”课程教学的现状，论述了课程教学中存在的主要问题，阐明了进行课程教学改革的必要性，指出应从教学内容补充、教学方法改进、教学手段灵活、教学科研结合、实践教学开设等方面进行一系列的改革，并探讨了教学改革实践的效果。
　　关键词：无机材料物理性能；教学改革；本科教学
　　作者简介：刘琨（1979-），男，湖南长沙人，中南大学资源加工与生物工程学院，讲师；金胜明（1970-），男，湖南邵阳人，中南大学资源加工与生物工程学院，副教授。（湖南长沙410083）
　　中图分类号：G642.0     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）13-0088-02
　　“无机材料物理性能”是中南大学面向无机非金属材料专业本科生开设的一门专业选修课，所使用的教材主要为1992年清华大学出版社出版的，由关振铎、张中太和焦金生编著的《无机材料物理性能》。该教材对无机非金属材料的主要物理性能，如力学、热学、光学、电学、介电、磁学等进行了系统的阐述，涉及知识面多，内容有广度，理论有深度。[1]通过该课程的学习，学生可以了解各性能的相关原理和微观机制，掌握性能测试方法及性能控制和改善措施，明确材料结构与性能的关系以及各性能之间的相互制约与变化规律，为学生在将来的科研和实际生产活动中正确选择和灵活运用相关理论及工艺奠定基础。“无机材料物理性能”在无机非金属材料学科中的地位十分重要，而如今无机材料的发展更是日新月异，因此目前针对该课程教学进行与时俱进的教学改革，势在必行。
　　一、“无机材料物理性能”课程教学现状
　　“无机材料物理性能”课程主要向学生介绍与无机材料的多种重要性能相关的基本原理和主要方法。[1]该课程教学中存在的主要问题有三点。
　　1.涉及范围较窄
　　该课程的主要教学内容为无机材料的各种物理性能，包括力学、热学、光学、电学、介电和磁学等，研究对象多为玻璃、陶瓷、耐火材料等传统无机非金属材料。近20年来，无机材料领域发生了翻天覆地的变化，涉及研究内容日益宽广，所取得的成绩硕果累累。除了传统的玻璃、陶瓷、耐火材料等无机非金属材料以外，以新型碳材料、半导体材料、光学材料、电子材料、磁性能材料等为代表的新型无机功能材料不断出现，极大地拓展了无机材料的研究领域和范畴。以新型碳材料为例，20世纪90年代初期，碳纳米管问世，随后富勒烯、石墨烯相继出现，并由于其重要性和关注度而相继荣获诺贝尔奖。这些新型功能材料具有重要的物理性能，但在“无机材料物理性能”课程中未能涉及。在教学中将各种经典理论与新材料性能相结合，让学生在学习基础理论的同时了解学科发展前沿，将极大地提高学生学习兴趣。
　　2.教学方法与手段单一
　　该课程侧重于理论，教材中定义、定律、机理、公式、图表众多。对于学生而言，一方面内容枯燥无味，无法引起足够的注意力；另一方面内容过于抽象，没有直观的认识，难以理解。这样就会导致学生学习缺乏兴趣和动力。尽管目前采用多媒体教学，但很多时候仍是将大版的文字、公式、图片展示在学生面前，学生只能死记硬背和凭空想象，不能有效提高他们对知识的理解和掌握。
　　3.缺少实践环节
　　由于教材编排及课程设定限制，本课程在教学中忽视甚至舍弃了实验教学环节。“无机材料物理性能”课程侧重从理论上解释、阐述无机材料的各种物理性能及其本质，学生在学习完相关知识之后，仅靠单纯的记忆和理解难以深入掌握各种物理性能的现象及本质。这势必造成学生对部分知识理解不透彻，对课程作用认识不足，学习积极性降低，严重影响了教学效果。
　　二、教学改革措施探讨
　　针对该课程教学的不足，结合学生的学习基础和学校条件，借鉴兄弟院校相关课程的教学经验，笔者进行了一系列的教学改革和实践探索。
　　1.更新和完善教学内容
　　针对无机非金属材料专业的特点，补充难度适当、重点突出、热点关注的内容，在教学中引入当今无机材料领域的新发现、新方法、新理论，介绍无机材料领域的最新成果、发展趋势，充实和完善原有的教学内容。
　　在补充内容的选取上，将新材料、新理论与传统材料、传统理论紧密结合；在补充内容的编排上，以经典理论、传统现象的阐述为主，以新理论、新现象的介绍为辅，互相兼顾；重点采用经典的理论和原理对新材料的性能进行表述和理解。该课程目前的教学主要立足于传统与经典的物理性能、现象及本质理论，在此基础之上，对新材料、新现象、新理论通过选取代表性实例，进行简要介绍。比如在光学部分，针对热点关注的纳米材料，进行了相应的光学性能补充，介绍了纳米粒子的表面等离子体共振理论，探讨了纳米颗粒对光的吸收与散射作用，并说明了离散偶极近似理论在光学性能模拟中的应用，让学生从介观层面上初步了解光与物质的相互作用知识。在热学部分，学生了解了气凝胶等新型隔热材料；在电学部分，补充了碳纳米管、石墨烯等新型材料的载流子传输特性等等。通过合理的内容选取和编排，向学生传授无机非金属材料领域的新发现和新进展，拓宽他们的知识面，培养他们的学习兴趣，增强他们分析问题和解决问题的能力。
　　2.改进教学方法
　　针对该课程的特点，教师不断尝试最有效的教学方法。兴趣是最好的老师，只有提升了学生的学习兴趣，增强了学生自主学习的动力，该课程才能取得较好的教学效果。创设教学情景，可有效地激发学生学习兴趣，达到事半功倍的效果。Michael H. Goldhaber于1997年提出了“注意力经济”一词，也就是现在常说的“眼球经济”，其意味着通过吸引公众注意力可以获取经济收益。课程教学也一样符合“眼球经济”模式，通过吸引学生的注意力，引起学生的兴趣，就可以获得较好的教学效果。通常，教材的每部分内容都是从名词、定义、定律等开始，伴随着大量的公式和图表，对学生而言内容比较枯燥，兴趣索然。改变常规，让学生在每部分内容的教学开始时畅所欲言，思考和发现日常生活中他们所接触各类事物的相关物理性能，见过什么事物，这些事物是做什么用的，有什么相关物理性能；并通过提问进一步引导，让学生思考和讨论这些事物的工作原理是什么，背后的物理本质是什么。学生通过这些思考和讨论，会发现材料的物理性能与他们的日常生活息息相关，并将他们的注意力或“眼球”集中到了课堂教学之上，对课程内容产生了浓厚的学习兴趣。这样的方式，可以激发学生求知欲，使其充分认识到学习该课程的重要性。
　　同时，启发式教学也是提高教学效果的手段，即在学生学习的关键环节或遇到问题时不直接告诉他们答案，而是予以点拨和诱导，这样有利于发挥学生学习的主观能动性，提高其分析思维能力。[2]比如，在介绍完一个定义或一个理论之后，开始介绍该定义或理论所对应的现象时，提出诸如“在某现象的背后，存在什么规律性的原理，应用该原理可以阐明身边的什么现象”等问题，继而引出重要的定律、定理和理论解释。例如，在介绍完介质对光的散射之后，向学生提出问题，为什么天空在晴朗的时候呈现出的是蓝色，为什么灰霾天气能见度不高，且霾多呈黄色或橙灰色？从而引出质点尺寸对光散射系数的影响。再让学生思考身边存在哪些与介质质点尺寸相关的散射现象，继而引出散射规律，让学生深入了解与介质尺寸相关的Fresnel、Mie、Rayleigh等三个散射定律。通过层层设问，不断引导，将知识传授给学生。采用这样的方式，有利于加强学生理解和记忆基本概念、基本原理，同时，可使学生学会举一反三，灵活运用所学知识。

　　3.灵活运用现代教育技术
　　“无机材料物理性能”涉及的物理现象、基本原理和基础理论比较多，也较为抽象，对学生的思维能力、推理能力和想象能力要求较高，增加了教学难度。采用多媒体教学可以真实或模拟地呈现情景，灵活运用生动的动画演示，是突破教学难点的有效手段，可显著提高教学效果。[3]例如，在介绍无机材料中晶相的塑性形变时，可给学生展示晶格滑移和位错运动的动画，让学生直观地看到剪应力如何引起材料的塑性形变，便于学生认识和理解；在介绍铁电性时，通过动画演示钛酸钡晶体中钛、氧离子的位移情况，揭示钛酸钡晶体结构在不同温度下的演变过程，让学生理解钛酸钡自发极化的微观机理等等。动画演示的方法，可多次反复演示，更生动、更直观、更形象地将教学中的难点和重点表达出来，提高教学效率和教学质量。[4]这要求教师对相关的模拟、绘图、3D、动画等软件具有较好的掌握能力。
　　4.教学与科研相结合
　　教学与科研是不可分割的，彼此相辅相成、相互依赖。“无机材料物理性能”的任课教师均承担了科研项目，将教师的科研与教学有机地相结合，势必相得益彰。一方面，科研工作的开展有助于教师了解科技发展的前沿，确保知识结构的更新和教材内容的补充；[5]另一方面，教学工作的开展可以将科研活动中的感性认识上升到理性认识层面，有利于增强理论基础，拓宽研究思路。教师从科研中所获得的丰富知识，可以开阔教学思路，丰富教学知识，提升学生对前沿科学的兴趣，进而引导学生更好地进行课程的学习。在教学过程中，尝试将自己的科研成果和相关领域的科技前沿引入到教学内容中，向学生介绍新材料、新性能、新机理、新理论，引导学生运用所学知识去认识、思考、理解，引起学生巨大兴趣，取得了积极的教学效果。
　　5.增强实践教学环节
　　“无机材料物理性能”课程的理论性很强，尽管教材中辅以大量的图表、数据对现象和理论进行阐述说明，但仍然不利于学生对知识的理解和接受。之前由于受各种条件限制，该课程并无实践环节，在一定程度上影响了教学效果。因此，增设相关性能实验课程，对于学生更深入地了解物理性能的现象和机理是十分必要的。
　　当前学科建设比较完备，实验条件比较完善，满足了开设物理性能实验的要求。将物理性能实验与测试分析课程实验相结合，可以让学生了解基本的物理性能现象、仪器工作原理及相关基础理论，加强学生对知识点的理解和应用。比如在力学部分，可以借助万能试验机开展强度、模量、断裂等实验，帮助学生理解Griffith微裂纹理论；在热学部分，使用热膨胀仪、导热仪开展实验，有助于学习材料热膨胀、导热机理；在光学部分，采用紫外-可见分光光度计，增强学生对光的散射、吸收等的认识。教师指导学生制备样品、操作仪器，对测试结果进行数据处理、作图、公式拟合，将实验数据与理论公式进行对比，探讨数据背后的机理。由于各个环节学生都亲身体验并积极动脑分析，锻炼了他们的动手能力，培养了他们分析问题和解决问题的能力；[6]同时，通过动手学生可以论证教材上的理论公式，将枯燥的公式转变为生动的实验数据，也极大地提高了他们的学习兴趣。
　　三、结束语
　　针对“无机材料物理性能”课程存在的涉及范围较窄、教学方法与手段单一、缺少实践环节等方面的不足，任课教师应对症下药，从更新完善教学内容、改进教学方法、灵活运用现代教育技术、教学与科研相结合、增强实践教学环节等多方面着手，以吸引学生注意力、提升学习兴趣为出发点，以提高教学质量、培养高素质创新人才为目的，不断努力，不断探索，不断总结经验，更好地促进本学科的建设和发展。
　　
　　参考文献：
　　[1]关振铎,张中太,焦金生.无机材料物理性能[M].北京:清华大学出版社,1992.
　　[2]邓永和.工科大学物理启发式教学与学生自主创新能力培养[J].湖南工程学院学报(社会科学版),2009,(4):98-100.
　　[3]王诚,唐治中,姜亮.提高多媒体教学质量的途径[J].中国现代教育装备,2007,(12):105-106.
　　[4]邹宪芝,尹荣.利用多媒体技术提高基础化学的教学质量[J].长春理工大学学报(高教版),2009,(4):56-57.
　　[5]郝书辰.教学研究型大学如何实现教学与科研良性互动[J].中国高等教育,2010,(2):42-44.
　　[6]江民红,陈国华,唐艳平,等.材料物理性能实验的教学现状分析与教改思路[J].桂林电子科技大学学报,2008,(2):143-145.
　　（责任编辑：宋秀丽）

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