现代科学技术的日新月异和高速发展, 是知识经济的重要特征。自然科学的相互渗透、交叉、融合的趋势更加明显。新的科学前沿理论与陈旧的基础课教学内容和体系的矛盾日益突出, 必须对原有的专业格局及知识体系进行重组, 在此基础上建立全新的特色化综合性材料科学与工程专业, 以适应21 世纪知识经济的发展对材料科学类专业人才的需求。我院在教育部高等教育教学改革项目 材料科学与工程类人才培养方案的综合改革与实践 项目的推动下, 通过几年的探索与实践, 提出 宽基础、多方向、重实践 的培养人才模式, 构筑了专业平台课程体系, 材料物理性能 就是其中的一门重要基础课程。作为院平台课程和学校重点课程建设项目, 材料物理性能是物理理论基础与材料性能相结合的课程为主, 如何培养学生既具备扎实的材料物理学基础知识, 又能熟练掌握物理性能的研究和实验技能, 是 材料物理性能 本科生教学改革的重点。
一、教学改革的动因
长期以来, 我们的本科教育一直是沿袭按三级学科专业招生, 分专业培养的模式。 材料物理性能 这门课程, 也是由三个专业:金属材料、无机非金属、高分子材料, 各自制定教学大纲, 选择适合自己的教科书, 分专业讲授这门课程。例如:金属方向的 材料物理性能 主要侧重金属的导电、导热和磁学性能, 而对材料的光学、介电等性能没有涉及, 这样必然割裂了材料物理性能的整体内容。尤其是近年来, 以电子、生物、航天和能源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, 对材料科学人才提出了更高的要求。因此材料科学与工程专业的教育与教学面临着巨大的挑战, 这需要对原有按三级学科专业的培养计划、课程体系进行全面的改革, 并进行系统化修订。 材料物理性能 作为一门基础课程, 需涵盖材料的各个领域和全部的物理性能。因此, 从教材的内容的选择, 编排顺序, 授课方式, 应用实验等方面上都将做较大的改革。
目前, 国内 材料物理性能 的本科生教学, 多为针对某一专业的物理性能, 如:北航的 材料物理性能 侧重陶瓷材料的物理性能, 哈工大的 材料物理性能 则侧重金属材料物理性能;而作为整体材料学科的物理性能则很少、甚至没有学校涉及。从材料发展的趋势来看, 高新技术领域, 信息和能源技术的发展, 都离不开各种功能材料和复合材料, 它们都是多学科的融合, 不仅涉及金属和陶瓷材料, 而且高分子也是必不可少的组成部分。因此仅仅掌握一种材料的物理性能, 是远远不能适合和满足材料科学发展的需要。因此, 材料物理性能 的教学改革势在必行。
二、教材的编写与探索
在 宽基础、多方向、重实践 的培养人才模式下, 为了配合学校的优秀课程和院平台课程建设,我院成立了 材料物理性能 课程项目组, 项目组成员有多年从事 材料物理性能 教学的老教师,他们有着丰富的教学经验;也有博士毕业的年轻教师, 他们有新的知识结构和不拘一格的活跃学术思想。项目组从接受课程改革和教材编写的任务开始, 聘请老专家和专业教师对大纲进行了多次讨论和反复修订, 提出了新大纲的雏形, 在征求教师和学生的意见的基础上, 制定出适合材料科学与工程本科生基础课程教学的 材料物理性能教学大纲。
在制定出新的教学大纲基础上, 着手编写了新的《材料物理性能》教材。项目组老师针对目前一些教科书中存在的问题进行了分析研究。例如:如何理解物性的基本概念? 是从物理性能基本性质出发? 还是从固体的量子特征和固体量子理论的本质出发? 通过对各种物理性能的反复探讨和比较, 寻找到物理性能的最本质共同点, 发现作为材料物理性能的基础, 必须在量子特征和固体能量理论的基础上探讨物理性能, 才能使整体知识融会贯通, 而不是割裂的就某个性能讲述某个性能。因此, 我们对教材内容进行了重新设计和整合, 力求体现大材料的物性规律的全貌。同时, 针对不同材料(金属、无机非金属、高分子)的性能特点, 有针对性地对其特殊的物理性能特征加以补充;并结合材料的最新发展方向, 理论联系实际地将电导功能材料, 介电、压电材料, 超导材料, 红外、光纤材料和信息存储材料等性能逐一的向学生介绍, 以提高学生的学习兴趣以及实际应用的能力。
三、教学改革的目标和对策
教学改革的目标要适应当前和今后科技发展及社会经济发展, 适应 宽基础、多方向、重实践培养人才的目标。破除片面追求材料体系完整性的观点, 强调材料的共性规律;强调培养学生总体思想和创造性思维的能力。我们针对教学大纲、教材编写、教材教法和实验教学进行整体改革, 打破原有的三大材料的教学体系, 进行教学内容的重组, 建立新的材料物理性能教学体系。课程内容设置应考虑当前材料正向着复合型、精密型和功能型发展, 材料的应用领域也越来越广泛的特点。扩宽知识领域, 使学生不仅掌握金属材料的物理性能, 而且对无机非金属和高分子材料的物理性能也能驾轻就熟。因此, 在教学内容上要有助于学生将来从事各种材料的研究和工作能力,为学生毕业后的工作和实际应用打下扎实的理论基础, 并培养学生创造性思维和解决问题的能力,以满足社会对材料类人才的要求。课程内容体系为:
1.材料物理基础:通过讲授量子力学基础和固体能量结构, 使学生理解微观原子、电子等的特性, 即粒子性和波动性, 掌握微观粒子运动规律,电子的能带结构。为其后深入讲解材料物理性能打下很好的基础。
2.材料物理性能:以材料的电学、介电、光学、热学、磁学、弹性和阻尼性能为重点, 从基础理论、性能表述、影响因素、性能测定方法和功能材料应用举例等方面, 全面介绍材料的各种物理性能。
3.为了配合新教材的教学使用, 我们还制作了多媒体课件, 通过购买或上网下载国内外最新的材料物理性能书籍和图片, 尽可能多的向学生重点介绍功能材料的发展史、应用领域, 以及一些国外最新的物理性能测试方法和手段, 提高教与学的互动性。
4.同时, 拓宽了实验教学的内容, 除了对原有的导电和热膨胀实验内容加以扩充外, 还新开设了介电常数、介电损耗、差热分析和磁性测量等实验。
通过以物理性能为主线, 以物理基础、性能评价和功能材料应用为重点, 突出材料物理性能的共性规律, 注重各种材料物理性能的共性和特性得关系。加强知识的综合与应用相结合, 培育学生的创新思维和综合能力, 实现培养宽基础、高素质的人才需要。
四、教学方法与教学手段改革
为了培养适应未来社会发展要求的, 具有创新精神的高素质人才, 结合 材料物理性能 的教学的特点, 我们主要从以下几方面进行了教学方法改革:1.在教材体系上, 破除针对金属材料、无机非金属材料和高分子材料片面追求理论完整、内容单一的弊端, 强调共性规律, 强调能力培养, 重视功能材料的应用。在教学内容上突出微观结构与宏观物理性能的相互联系, 力求体现材料物理性能本质规律。
2.在教学实践中, 如何提高学生的学习热情和主动性, 使学生和教师实现互动, 是完成课堂教学的关键所在。我们配合新编教材的使用, 制作了与教材配套的多媒体课件, 并尽可能多的向学生介绍一些国内外最新的物理性能的应用和测试方法手段, 以大量的图片和丰富的内容使学生系统了解物理性能和材料发展的关系, 使学生牢固掌握所学知识。
3.建立教与学的互动系统, 针对学生的具体学习情况, 通过作业、问答、讨论等形式, 制定出最佳的教学方法和授课方式。教学小组定期讨论交流, 任课教师严格教学环节, 对学生平时作业、考试成绩实行监控和统计, 了解学生的学习难点和问题所在, 及时反馈给教学小组。研究在材料物理性能的教学和教法中存在的问题, 改进的教学方法和手段, 进一步提高本科生的教学质量和水平。
4.加强实验教学改革的力度, 除了拓宽实验教学的内容外, 还增加一些演示性实验, 使学生了解大型仪器在物理性能应用和测试方面的知识,并结合本科生的毕业设计和综合实验中应用到的材料物理性能的专业内容, 有针对性地进行专业性的强化指导, 使基础知识和专业知识相结合, 让知识融会贯通。
随着教学改革的深入, 材料物理性能将建设成为适应整个材料科学与工程专业的基础课程。它涉及材料科学与材料工程两大部分, 如何将两者有机的联系起来, 让学生运用所学的知识, 去分析解决实际研究和工程中遇到的问题, 是我们教学改革的责任和目标。材料科学作为科技进步的三大支柱产业之一, 当前我国材料教育改革的任务还十分艰巨, 也使我们面临前所未有的挑战;更新人才培养的模式, 改革教学内容和方法, 全面推进素质教育, 培养 宽基础、多方向、重实践 的高素质复合型人才, 是我们任重而道远的目标。
