材料物理研究生的教學(xué)思考與策略

李全++朱永福

摘 要：材料科學(xué)是研究材料的微觀結(jié)構(gòu)、物理/化學(xué)性質(zhì)、制備、測(cè)試、表征和應(yīng)用的一門學(xué)科，是推動(dòng)工業(yè)的發(fā)展和高新科學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的源動(dòng)力。材料物理作為材料科學(xué)領(lǐng)域的一門重要的基礎(chǔ)課程，對(duì)于材料領(lǐng)域人才的培養(yǎng)起著重要的作用。本文針對(duì)材料物理研究生教學(xué)涉及的教學(xué)內(nèi)容、授課方式、科研活動(dòng)和考核機(jī)制等問題做了思考，并建議更多利用現(xiàn)代教育資源和教學(xué)模式，以提高研究生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)能力。

關(guān)鍵詞：材料物理 教學(xué)改革 教學(xué)模式

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)對(duì)材料性能提出的更高要求，材料的生產(chǎn)和研發(fā)對(duì)人才的需求變得越來越大。材料物理是材料學(xué)科領(lǐng)域的一門重要的基礎(chǔ)課程，是材料學(xué)科研究生學(xué)習(xí)的一本必修課。這門課程也在很大程度上影響著學(xué)生是否能夠進(jìn)一步掌握和理解材料學(xué)科其它專業(yè)課。由于材料物理課程教學(xué)內(nèi)容知識(shí)量巨大，而學(xué)時(shí)又相對(duì)有限，那么如何讓研究生在有限的教學(xué)活動(dòng)中更好掌握知識(shí)、如何讓研究生在枯燥和乏味的學(xué)習(xí)中變得積極主動(dòng)、如何提高研究生對(duì)材料科學(xué)的科研興趣就尤為重要。改革現(xiàn)有的材料物理的教學(xué)模式以適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和滿足培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新性人才的要求是材料物理研究生教學(xué)需要細(xì)致思考的問題。本文針對(duì)材料物理研究生教學(xué)從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、科研活動(dòng)和考核方式及內(nèi)容等方面進(jìn)行了思考和討論。

超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)在材料科學(xué)領(lǐng)域中也扮演著越來越重要的角色，它促進(jìn)了計(jì)算材料學(xué)、計(jì)算物理和計(jì)算化學(xué)等新興學(xué)科的產(chǎn)生和快速發(fā)展。目前，利用計(jì)算模擬方法研究物理、化學(xué)和材料等交叉科學(xué)的熱門問題，已經(jīng)處于與實(shí)驗(yàn)和理論研究齊頭并進(jìn)、共同促進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的第三支重要的力量。材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)是這些計(jì)算學(xué)科研究的前提和基礎(chǔ)。通過改變材料內(nèi)部原子排列方式或化學(xué)成分，測(cè)試和計(jì)算材料性能的演化，進(jìn)而逆向設(shè)計(jì)材料是近年來理論計(jì)算研究主流方向之一。理論計(jì)算研究需要基于材料微觀結(jié)構(gòu)來開展，結(jié)合快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)和物理/化學(xué)基本理論，科研人員可以有效理解材料的宏觀物理和化學(xué)性質(zhì)，并可以實(shí)現(xiàn)材料的逆向設(shè)計(jì)。比如，吉林大學(xué)的學(xué)生可以引入結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)算法的相關(guān)方法和軟件學(xué)習(xí)。結(jié)構(gòu)搜索方法是由國外科學(xué)家率先發(fā)展的，國內(nèi)研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速，已在國際領(lǐng)域占據(jù)重要的一席之地。馬琰銘教授課題組基于結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的分類檢索，結(jié)合粒子群多目標(biāo)全局優(yōu)化算法，提出并發(fā)展的CALYPSO結(jié)構(gòu)搜索方法可以有效設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)材料的微觀結(jié)構(gòu)，還能依據(jù)材料功能特性的需求進(jìn)行逆向材料設(shè)計(jì)。在同類方法和軟件中，目前該方法發(fā)表的文章數(shù)已經(jīng)在國際上排名第二，是該領(lǐng)域國際主流結(jié)構(gòu)搜索和設(shè)計(jì)軟件。建議在材料物理的教學(xué)課程中，開設(shè)一些關(guān)于計(jì)算材料科學(xué)方法和軟件的課程，將科研和教學(xué)活動(dòng)相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生將其應(yīng)用到自己的研究領(lǐng)域，更好的理解材料物理的科學(xué)本質(zhì)和提高學(xué)習(xí)和科研的興趣。具體的科學(xué)方法和軟件可以結(jié)合自己學(xué)校和學(xué)科的優(yōu)勢(shì)。

除了科研和教學(xué)活動(dòng)相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式外，還要拓展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。材料物理屬于理工科類專業(yè)課程，培養(yǎng)的研究生的就業(yè)單位主要是企業(yè)研發(fā)和科研院所，學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐的能力非常重要。建議在開設(shè)該學(xué)科的教學(xué)活動(dòng)中，適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)操作的教學(xué)和示范。比如，吉林大學(xué)材料物理專業(yè)可以開設(shè)關(guān)于X射線衍射分析、透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡的教學(xué)、演示和動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。如應(yīng)用X射線衍射分析技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生觀測(cè)每種結(jié)晶材料，都有特定的晶格對(duì)稱性和原子占位，用產(chǎn)生二次熒光X射線，探索晶體的晶面反射遵循布拉格定律，通過測(cè)定衍射峰位和強(qiáng)度進(jìn)行化合物的定性和定量分析，引入壓力等調(diào)控手段，探索測(cè)定譜線峰位和強(qiáng)度的演變規(guī)律和發(fā)生結(jié)構(gòu)相變的可能。便于研究生更直觀地了解材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、理解結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)聯(lián)，將材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相應(yīng)物理/化學(xué)性質(zhì)以可視化的方式呈現(xiàn)，并且可以培養(yǎng)鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力以及激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

信息時(shí)代，知識(shí)和科技更新的周期短、速率快。這就要求學(xué)生要及時(shí)掌握材料物理領(lǐng)域最新科研成果和前沿動(dòng)態(tài)。新材料的研發(fā)對(duì)于能源、軍事、環(huán)境等方面的應(yīng)用非常重要，是體現(xiàn)一個(gè)國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志。加大力度邀請(qǐng)國內(nèi)外材料科學(xué)領(lǐng)域的專家和學(xué)者講解相關(guān)專題講座，以參與講座和積極提問等方式量化學(xué)生聽報(bào)告的數(shù)量和質(zhì)量，加入平時(shí)成績(jī)的考核，便于學(xué)生積極探索新型功能材料的提出背景、設(shè)計(jì)、制備、表征和應(yīng)用等。鼓勵(lì)多聽一些外國專家的講座，勇于用英文和專家進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，提高英語口語和聽力能力。目前的理工類大學(xué)生具備基本的英語閱讀能力、系統(tǒng)的基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)和邏輯思維，具有較好的雙語學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。最新的理工類學(xué)術(shù)資源正逐步趨于國際化，國際上的學(xué)術(shù)交流以英文為主，要求教師和學(xué)生必須具備較高的英語水平。為了能更好提高學(xué)生專業(yè)英語的能力，雙語教學(xué)或純英文教學(xué)要盡可能的使用原版教材或基于最新的材料物理學(xué)術(shù)論文等。純英文教學(xué)在執(zhí)行中還是存在諸多問題，對(duì)于教師和學(xué)生來說都是挑戰(zhàn)，就雙語教學(xué)開展成功之后帶來的優(yōu)點(diǎn)來說，還是值得去進(jìn)一步嘗試和推廣。師生之間的交流和互動(dòng)，如針對(duì)材料物理學(xué)科某個(gè)專題設(shè)置一些討論的環(huán)節(jié)，及時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況并提高。對(duì)于疑難點(diǎn)和重點(diǎn)需花更多課時(shí)和專題設(shè)計(jì)進(jìn)行講解；還可組織學(xué)生可以在課堂上進(jìn)行小組討論，選代表提出自己的觀點(diǎn)，最后教師做總結(jié)。課堂上，教師鼓勵(lì)學(xué)生積極發(fā)言，引導(dǎo)學(xué)生多表達(dá)自己的觀點(diǎn)，這可以鍛煉學(xué)生語言組織和表達(dá)能力以適應(yīng)日后傳道授業(yè)的需要，還可以有效培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力。通過鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)言，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，在課堂上制造出輕松活躍的氛圍。在課后，教師要更多組織通過單獨(dú)討論了解學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活情況。通過及時(shí)溝通、交流，本著“弟子不必不如師，師不必賢于弟子，聞道有先后，術(shù)業(yè)有專攻”的共同進(jìn)步的原則，引導(dǎo)學(xué)生“吾愛吾師，吾更愛真理”的平等學(xué)術(shù)交流的原則，摒棄教師和學(xué)生之間的障礙，做到師生都有收獲。

設(shè)計(jì)若干與課程相關(guān)、學(xué)生感興趣的材料物理學(xué)術(shù)專題，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)?！笆谥贼~不如授之以漁”，通過有限的教學(xué)時(shí)間和教學(xué)內(nèi)容，積極引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的新型教學(xué)方式，學(xué)生可以自己支配時(shí)間來鍛煉自己的閱讀、研究、觀察和實(shí)踐等能力并且可以提高其學(xué)習(xí)興趣。教師在教學(xué)過程中多給學(xué)生布置一些比較有實(shí)踐意義的題目，讓學(xué)生自己查閱資料，親自動(dòng)手實(shí)踐去解決。學(xué)生如果有比較好的實(shí)踐方案，可以在課堂上進(jìn)行專題討論，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考和解決問題的能力。同時(shí)，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)可以很好的參與到材料物理課程的教學(xué)當(dāng)中，使得原本枯燥抽象的教學(xué)內(nèi)容變得具體和有趣，從而能夠較好的激發(fā)學(xué)生對(duì)材料物理課程的學(xué)習(xí)興趣。所以，教師應(yīng)該在教學(xué)過程當(dāng)中根據(jù)實(shí)際情況用一些課時(shí)讓學(xué)生來自主學(xué)習(xí)。材料物理課程考核方式可以有多種形式，不能只是局限于試卷的方式，最好能與解決實(shí)際問題相關(guān)。學(xué)生可以將所學(xué)知識(shí)靈活運(yùn)用，如果發(fā)現(xiàn)某些知識(shí)欠缺或是遺忘，可以及時(shí)學(xué)習(xí)，查缺補(bǔ)漏。這能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)?？荚噧?nèi)容要結(jié)合實(shí)際，教師根據(jù)方案的創(chuàng)新性、實(shí)用性和原創(chuàng)性等方面進(jìn)行成績(jī)的判定。這種方式不僅有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的深刻理解，更有助于將自己所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與自主解決實(shí)際問題的能力。學(xué)生不再只是單純的記憶一些書本的知識(shí)，從而做到學(xué)以致用。任課老師可以根據(jù)自己的教學(xué)內(nèi)容，舉辦一些與材料物理專業(yè)相關(guān)且有意義的知識(shí)競(jìng)賽、辯論賽和科技小發(fā)明等活動(dòng)。通過舉辦課外科研和教學(xué)活動(dòng)，不僅可以豐富同學(xué)們的理論知識(shí)，而且可以鼓勵(lì)大家多學(xué)習(xí)、多涉獵不同領(lǐng)域的知識(shí)。知識(shí)競(jìng)賽和辯論賽可以很好的幫助學(xué)生更加深刻理解所學(xué)的理論知識(shí)以及提高學(xué)生的表達(dá)能力和知識(shí)的搜集能力。通過科技小發(fā)明活動(dòng)，學(xué)生的動(dòng)手能力可以得到相應(yīng)的培養(yǎng)和鍛煉，并且有利于將抽象的理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)材料物理的學(xué)習(xí)興趣。

功能各異的材料為制造業(yè)和電子行業(yè)的發(fā)展提供著源動(dòng)力和技術(shù)革命契機(jī)。材料領(lǐng)域的發(fā)展需要高素質(zhì)科研人才為其提供新鮮的血液，而受過系統(tǒng)和專業(yè)培養(yǎng)的材料科學(xué)領(lǐng)域的大學(xué)生更是被寄予厚望。材料科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)課程如何設(shè)置和改革是一個(gè)需要長(zhǎng)期思考和摸索的過程。教師通過在教學(xué)內(nèi)容上的研學(xué)結(jié)合、加強(qiáng)學(xué)生自主式學(xué)習(xí)方式、積極引入課外科研活動(dòng)和多方位考核方式等方面進(jìn)行教學(xué)模式的改革，使材料物理課程更具有時(shí)代性、實(shí)踐性和專業(yè)性，將新時(shí)代的研究生培養(yǎng)成為理論基礎(chǔ)過硬、動(dòng)手能力超群和具有國際科學(xué)視野的高素質(zhì)人才。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

李全（1980.06-），男，漢族，吉林省四平市梨樹縣，博士，教授，研究方向：新型超硬材料設(shè)計(jì)、高壓物理。

朱永福（1970.07-），男，漢族，江蘇省泰州市，博士，教授，研究方向：納米材料熱力學(xué)。endprint