基于實驗與理論單獨設(shè)課的教學(xué)改革探討

傅宇東+董國君+李茹民+朱小碩

摘要：在高等教育回歸工程背景下，工科專業(yè)課程體系和課程教學(xué)面臨著變革要求，工科高校材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程“材料物理學(xué)”同樣需要適應(yīng)工程人才培養(yǎng)目標(biāo)。“材料物理學(xué)”課程教學(xué)改革主要包括兩個方面：一是課程內(nèi)容梳理，二是實踐環(huán)節(jié)設(shè)立。本文探討了工科材料類專業(yè)基礎(chǔ)課“材料物理學(xué)”課程相關(guān)環(huán)節(jié)，提出了具體的理論和實踐教學(xué)內(nèi)容。并從課程教學(xué)內(nèi)容、教案講義制訂以及實驗教學(xué)等方面給出具體改革措施和實踐方法。

關(guān)鍵詞：工科高校材料類專業(yè)；材料物理學(xué)；課程內(nèi)容；課程教學(xué)改革

一、引言

“材料物理學(xué)”是工科高校材料類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。從內(nèi)容上看，是“凝聚態(tài)物理”相關(guān)理論與材料性能相結(jié)合的課程，主要講述材料的性能原理以及組成、結(jié)構(gòu)、性能之間的相互關(guān)系和變化規(guī)律，介紹材料的力學(xué)性能、熱學(xué)、光學(xué)、電導(dǎo)、介電、磁學(xué)等性能及其檢測和應(yīng)用的專業(yè)基礎(chǔ)課。如何培養(yǎng)學(xué)生既具備扎實的材料物理學(xué)基礎(chǔ)知識，又能熟練掌握物理性能的研究方法和實驗技能，是“材料物理學(xué)”課程改革的重點，也是本文研究的目標(biāo)。

二、“材料物理學(xué)”課程教學(xué)改革是高等教育回歸工程的需要

隨著經(jīng)濟全球化和國際形勢日益復(fù)雜化，科技創(chuàng)新對于世界各國的重要性也愈發(fā)突顯。許多國家面臨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與升級的機遇和挑戰(zhàn)。因此，改革本科教育模式、提高本科工程教育教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新人才已經(jīng)成為當(dāng)今教育的迫切課題。我國是制造業(yè)大國，并且是全球第二大經(jīng)濟體，目前處在經(jīng)濟及技術(shù)發(fā)展的瓶頸期，正著力于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與升級，尋找國家民族復(fù)興關(guān)鍵階段的正確發(fā)展道路。在此背景下，中國需要培養(yǎng)具有國際視野、國際競爭力、創(chuàng)新能力、能夠終生自主學(xué)習(xí)的工程人才。而實際情況是，中國的本科工程教育存在著諸多問題，例如培養(yǎng)目標(biāo)空泛（偏離工程師的培養(yǎng)）、課程體系學(xué)科痕跡明顯、課程內(nèi)容與培養(yǎng)目標(biāo)不符、實踐教學(xué)與理論教學(xué)脫節(jié)、實踐訓(xùn)練缺乏、師資隊伍結(jié)構(gòu)不合理等。所以本科工程教育教學(xué)改革迫在眉睫。

工科高等學(xué)校中的材料類專業(yè)面臨同樣的問題。材料類專業(yè)中的重要基礎(chǔ)課程之一“材料物理性能”或者“材料物理學(xué)”也存在著課程內(nèi)容不合理、實踐教學(xué)缺乏等問題。有些大學(xué)“材料物理性能”僅側(cè)重金屬材料物理性能；有些大學(xué)僅側(cè)重材料物理性能指標(biāo)及分析。國內(nèi)高?！安牧衔锢韺W(xué)”類課程的現(xiàn)狀可以概括如下：1.將兩門課程的內(nèi)容放在一門課程中，課程名稱或者稱為“材料物理性能”，或稱為“材料物理學(xué)”，或稱為“材料物理性能學(xué)”。2.兩門課都開設(shè)，課程內(nèi)容不同，前后次序不同，往往會存在內(nèi)容交叉、前后次序混亂的問題。3.課程實驗，有的在課內(nèi)設(shè)置（一般也在6學(xué)時以下），有的未設(shè)置。

課程內(nèi)容關(guān)系不清晰、實驗環(huán)節(jié)薄弱和缺失，顯然對學(xué)生在“材料物理”方面能力培養(yǎng)是不利的，進而對面向工程復(fù)合型人才培養(yǎng)也是不利的。課程體系中的每門課程對人才培養(yǎng)總目標(biāo)都是有貢獻的，因此“材料物理學(xué)”類課程內(nèi)容的厘清以及實驗教學(xué)的加強，對實現(xiàn)“面向工程復(fù)合型人才培養(yǎng)”總目標(biāo)有重要作用。

三、課程理論及實踐教學(xué)內(nèi)容改革與建設(shè)

（一）課程改革目標(biāo)和方式

課程教學(xué)改革目標(biāo)就是使“改革的課程”成為課程體系的有效環(huán)節(jié)，合理的課程體系則是實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵保障，最終使培養(yǎng)的人才適應(yīng)科技及社會經(jīng)濟發(fā)展，即便是在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，工科材料類專業(yè)仍然是以面向工程的“卓越工程師培養(yǎng)”作為人才培養(yǎng)目標(biāo)。在此前提下，本文以哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)基礎(chǔ)課“材料物理學(xué)”課程改革作為案例，研究核心工作就是進行教學(xué)內(nèi)容的梳理和界定，建立新的“材料物理學(xué)”課程內(nèi)容體系，將課內(nèi)實驗與課程剝離，加強實驗教學(xué)，設(shè)立“材料物理綜合實驗”實踐課程。

（二）課程理論授課內(nèi)容

在課程內(nèi)容理論體系上，強調(diào)凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)理論的鋪墊、共性規(guī)律的講授、能力的培養(yǎng)，重視新型功能材料的應(yīng)用。要求學(xué)生深入理解微觀結(jié)構(gòu)與宏觀物理性能間相互聯(lián)系，能夠應(yīng)用基本原理闡述材料物理性能本質(zhì)規(guī)律。

基于上述目標(biāo)，針對目前許多高?！安牧衔锢韺W(xué)”課程教學(xué)中存在的問題進行了分析研究。例如：如何使學(xué)生深刻理解物性的基本概念？是從物理性能出發(fā)，還是從固體物理和量子理論出發(fā)更適合學(xué)生理解？哪些教學(xué)內(nèi)容對于解決復(fù)雜工程問題具有作用？實驗教學(xué)應(yīng)該設(shè)立什么內(nèi)容，多少學(xué)時合適？等等。

通過對相關(guān)問題的反復(fù)探討、比較、分析和教學(xué)實踐，將“材料物理學(xué)”課程內(nèi)容界定為三大類：1.理論物理基礎(chǔ)：通過量子力學(xué)基礎(chǔ)、統(tǒng)計物理學(xué)、固體電子能帶理論、固體聲子理論講授，使學(xué)生理解微觀粒子運動規(guī)律性，固體微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律性，為深入理解材料性能機制奠定基礎(chǔ)。2.物理性能機制：以材料的電導(dǎo)、介電、光、熱學(xué)、磁性能為重點，從基礎(chǔ)理論、性能現(xiàn)象、影響因素，全面介紹材科物理性能及其微觀機制。3.功能材料應(yīng)用舉例。

同時將上述內(nèi)容界定貫穿在課程教學(xué)講義和教案的編寫過程當(dāng)中。課程講義和教案強調(diào)：在凝聚態(tài)物理基本理論作為基礎(chǔ)的前提下，深入揭示各種性能現(xiàn)象的機制和機理。同時，針對不同材料（金屬、無機非金屬、高分子、復(fù)合材料）體系的物理性能特點，有目的地對相關(guān)特殊性能特征加以補充。并結(jié)合材料的最新發(fā)展方向，理論聯(lián)系實際地將半導(dǎo)體材料、絕隔熱材料、介電材料、磁性材料、光功能材料、信息存儲材料、智能材料等材料的性能機理和新材料體系作為學(xué)科前沿進展進行介紹，進而提高學(xué)習(xí)興趣并拓寬專業(yè)視野。

（三）課程實驗教學(xué)

目前國內(nèi)各高?！安牧衔锢韺W(xué)”課程實踐內(nèi)容大體可以分為兩種情況：一種情況，根本不設(shè)置實驗；另一種情況是，設(shè)置課內(nèi)試驗（屬于實驗教學(xué)條件比較好的情況），但由于總學(xué)時的限制，課內(nèi)實驗學(xué)時較少，內(nèi)容簡單且缺乏按理論體系進行的整體設(shè)計，實踐教學(xué)目標(biāo)無法實現(xiàn)。哈爾濱工程大學(xué)屬于后者，實驗內(nèi)容僅是演示，教學(xué)效果不好，且啟發(fā)性較差。

本次課程改革將“材料物理學(xué)”課內(nèi)實驗剝離，與此同時剝離“固體物理”“材料設(shè)計學(xué)”“材料物理性能”“功能材料”等課程的課內(nèi)實驗，整合在一起，單獨設(shè)立“材料物理綜合實驗”課程（32學(xué)時）。與“材料物理學(xué)”理論授課內(nèi)容既有相互聯(lián)系，又有一定獨立性。“材料物理綜合實驗”課程內(nèi)容主要包括功能材料設(shè)計（特定、選擇兩種）、功能材料制備、功能材料組織性能表征、材料性能物理機制分析等實驗內(nèi)容，實驗材料分為規(guī)定設(shè)計和自選設(shè)計兩大類（第二類與創(chuàng)新實踐結(jié)合，需要選擇導(dǎo)師，進行創(chuàng)新科研立項，實驗課程給予成績和設(shè)備支持）。新型綜合實驗課拓寬了實驗教學(xué)的內(nèi)容，加強了實驗的設(shè)計性和自主性，注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)。endprint

深化實驗教學(xué)改革，除了整合、調(diào)整實驗課程教學(xué)內(nèi)容使其更具綜合性和創(chuàng)新性之外，還要認(rèn)真研究實驗教學(xué)技術(shù)及具體實施保障條件，使自制實驗設(shè)備在授課中發(fā)揮作用，增加特色演示實驗和學(xué)生可動手操作實驗。通過使用設(shè)備演示和親自動手研究相關(guān)材料物理性能，充分調(diào)動學(xué)生的創(chuàng)新思維和對固態(tài)材料體系相關(guān)物理性能微觀機制的理解。

總之，“材料物理綜合實驗” 課程通過以材料設(shè)計為起點，以材料制備為基礎(chǔ)，以獲得材料特殊功能為目標(biāo)，以物理性能基礎(chǔ)理論分析為主線，突出材料結(jié)構(gòu)與物理性能關(guān)系，強調(diào)材料工程應(yīng)用和材料實驗操作。培育學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合能力。與“材料物理學(xué)”課程協(xié)同配合實現(xiàn)共同課程目標(biāo)，并為實現(xiàn)培養(yǎng)“卓越工程師”目標(biāo)提供支撐。

四、結(jié)論

更新人才培養(yǎng)的模式，改革課程教學(xué)內(nèi)容和方法，全面推進素質(zhì)教育，培養(yǎng)為“面向工程”的材料科學(xué)與工程專業(yè)高素質(zhì)復(fù)合型人才，是專業(yè)課程改革的根本和長久目標(biāo)。通過本文涉及的課程改革，可以得到以下結(jié)論：

1.材料類專業(yè)基礎(chǔ)課“材料物理學(xué)”面向工程的改革是高等工科教育回歸工程的必然要求。

2.“材料物理學(xué)”課程改革關(guān)鍵內(nèi)容，就是課程目標(biāo)的確立和課程內(nèi)容及結(jié)構(gòu)體系的調(diào)整。

3.“材料物理學(xué)”課程內(nèi)容及結(jié)構(gòu)的調(diào)整要包括課程內(nèi)容的梳理及實驗教學(xué)單獨設(shè)課改革。在課程內(nèi)容方面，基礎(chǔ)理論、內(nèi)容邏輯等與適應(yīng)企業(yè)和工程要求并重。在實驗教學(xué)方面，實現(xiàn)理論和實驗課程分離，實驗課程內(nèi)容完整、課程目標(biāo)明確、課程體系結(jié)構(gòu)清晰。

通過理論課程和實驗課程分離，使學(xué)生在理論授課和實踐訓(xùn)練上分別得到基礎(chǔ)理論水平的提升和實踐能力的強化，改革后的“材料物理學(xué)”可以作為材料科學(xué)與工程學(xué)科所有本科專業(yè)的基礎(chǔ)課程。它涉及材料科學(xué)與材料工程兩大部分，并可以初步將兩者有機地聯(lián)系起來，讓學(xué)生運用所學(xué)的知識，去分析解決研究和工程實際工作中遇到的問題。

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