試分析《無機材料物理性能》課程教學方法論文

《無機材料物理性能》課程是材料科學與工程專業本科生的專業基礎課程，主要涉及無機非金屬材料的力學、熱學、光學、電導、介電與壓電、磁學等性能、應用及其發展。課程教學的目的是讓學生了解掌握各種重要性能的基本原理及微觀機制、性能與材料的組成結構的關係，進一步瞭解各性能之間的相互制約與變化規律。通過掌握各種性能的原理與微觀機制，達到對材料優劣的判斷、正確地選擇適用材料，為控制與改善材料性能、探索新材料新工藝打下良好的理論基礎。按照本課程的性質與特點，學習過程中要求學生具有較好的綜合基礎理論知識，如涉及到高等數學、大學物理、無機化學、物理化學、晶體學基礎、量子力學、固體物理、熱力學與統計物理、半導體物理等課程的相關基礎與理論。一方面，材料科學與工程專業的培養方案中往往未能完全開設相關的基礎理論課程。在教學過程中容易使學生感到基礎理論不足、知識銜接不到位，導致學生難於理解相關物理性能的基本原理與微觀機制。另一方面，《無機材料物理性能》是一門專業基礎課程，主要介紹的是各種重要性能的基本原理及微觀機制。如果只是單純地講述書本知識，介紹相關的定義、定律、機理、公式等，內容抽象、枯燥，難以吸引學生的注意力，難於讓學生理解掌握，這樣容易導致學生缺乏學習興趣和動力。因此，《無機材料物理性能》或《材料物理性能》的教學教法是高等學校同仁們關心的課題。為了提高學生的學習主動性，加深學生對基本原理與微觀機制的理解，達到易教易學的效果，筆者在教學過程中嘗試了一種虛擬科研課題與學生調研開題相結合的半開放式教學方法。

　　一、教學方法探索的基本思想

一般認為，《無機材料物理性能》課程理論與邏輯性強、概念抽象，教學難度大，內容相對枯燥。這應該是由課程性質決定的。因為它主要從材料的組成與微觀結構角度闡述無機非金屬材料物理特性的基本原理與微觀機制。因而，僅採用傳統的“黑板+粉筆”的教學手段、或對課本知識進行“照本宣科”的填鴨式教學，必將讓學生覺得課程枯燥無味，產生畏懼甚至厭學的心理。多媒體教學具有直觀新穎、形象多樣、信息量大等特點，對提高教學效果有一定的幫助，但如果依然完全只講授參考教材中的內容，其效果也難有本質的改變。其實，這些教學方式是以授課教師講述課程內容的單向教學過程，往往忽略了學生才應該是教學的真正主體，因而難以調動學生的主動性和積極性。

大學生(或者説是年輕人)都具有強烈的求知慾和對新事物的好奇心。筆者認為，如何鼓勵學生的求知慾、滿足學生的好奇心、調動學生的主動性和積極性應該是專業基礎課教學方法改革的關鍵內容之一。但是，學生在修學《無機材料物理性能》課程時，往往之前較少接觸無機非金屬材料類的專業課，學生對無機非金屬材料本身並無深刻認識，這必將導致學生在學習過程中無法借用“材料”實體發揮想象和邏輯思維。

根據《無機材料物理性能》課程的內容、性質和課程目的，我們可以看到：本課程主要介紹無機非金屬材料重要物理性能的基本原理與微觀機制，性能與材料的組成、結構的關係，各性能之間的關聯與變化規律;目的是通過掌握各種性能參數的有關原理與規律，為正確選擇和使用材料，改善材料性能，設計開發優質新材料、新工藝打下理論基礎。常規的課程教學中更多的是介紹物理性能的概念、原理、理論，而對本課程教學的“目的”的具體內容少有涉及。據此，筆者在課程教學中探索了一種“逆向”思維的半開放式教學方法，即先明確課程“目的”，再進行相關概念、原理、理論的學習，安排部分課堂時間由學生上講台講解，並鼓勵台上、台下學生與教師即時交流。基本操作思路是：在各章節的課程學習之前，交給學生一個“科研課題”，要求學生結合本章節的有關概念、原理和理論，查閲文獻資料，開展科研調研，從選擇/設計材料、改善材料性能和材料製備工藝等方面着手完成相應的開題報告，然後由部分學生以“開題報告”(紙質報告和PPT)形式在課堂上向同學與老師彙報，同學與老師之間相互提問。結果表明，學生對“科研課題”表現出極大興趣，課外查閲了大量的文獻資料，

既有了對材料的認識，也加深了對相關概念、原理、理論的理解。許多學生做出了非常出色的“開題報告”。在學生講演過程中，同學們踴躍發問，課堂氣氛活躍。這種教學模式改變了填鴨式教學中學生被動學習的方式，使學生成了真正的學習主體，有效地調動了學生學習的主動性與積極性。

　　二、教學方法案例分析

這裏以“無機材料的熱傳導”章節為例，分析説明本文提出的“科研課題與調研開題相結合”的教學方法。在該章節的教學之前，給學生布置以下自主學習內容：“若需一種滿足以下要求的絕熱材料：熱導率儘可能低(如小於0.1 W/(m·K))、密度小於1 g/cm3、工作温度大於1200 ℃;查閲資料、結合本課程涉及的基本原理和理論，提出你的選材及材料設計思路與方案。”然後由學生組隊查閲資料，完成開題報告和相應的PPT演講稿;再安排一次課堂時間抽籤選取幾組學生上講台彙報他們的開題報告，並鼓勵學生之間提問與交流。

在熱傳導原理與理論方面，學生可以獲悉熱傳遞是通過熱傳導、對流和熱輻射三種方式來實現的，並瞭解各種熱傳遞方式的傳熱主體、傳熱基本過程及其與外界(如温度)的大致關係。其中，在温度不太高、不考慮液體和氣體傳熱的條件下，固體熱傳導成為主要的傳熱方式，所以必然引導學生考慮到固體材料傳熱的微觀機理，即聲子的熱傳導機理，從而加強了學生對晶格熱振動、聲子概念的'理解。根據理想氣體的導熱公式，可以給出聲子的熱導率λ公式：如此一來，就可以引導學生在材料設計時考慮到聲子散射機制(如缺陷散射和界面散射)。比如，晶界散射與晶粒的直徑d 成反比(平均自由程l與d 成正比)，自然地就考慮到了晶粒尺寸的因素。在更高温度段時，也需要考慮到光子熱傳導的有關理論。

同時，為了實現“工作温度大於1200 ℃”和“熱導率儘可能低(如小於0.1 W/(m·K))”的目的，學生在選擇材料時自然而然地就會查閲不同材料的熱導率數據，從而對不同材料(如金屬材料類、無機非金屬材料類及氣體類)的熱導率範圍有一個比較清楚的瞭解。為了實現所設計材料的密度小於1g/cm3，學生在查閲資料過程中必然要了解各種材料的密度數值。事實上，幾乎不能直接找到同時滿足工作温度、密度和熱導率的常規材料。值得慶幸的是，學生不約而同地想到了氣凝膠材料來嘗試本虛擬研究課題。

雖然該虛擬研究課題在實際研究活動中也有一定的難度，但這裏並未打算深究所設計材料的具體制備，而主要是由此加強對本章節課程中涉及的原理與微觀機制的瞭解與掌握。本課程的教學目的是讓學生通過查閲資料瞭解絕熱(隔熱)材料及其實際應用領域，培養學生在選擇與設計材料時需要考慮的相關基本原理和理論，並提出初步的研究方案。這樣，能使學生從應用的角度瞭解材料，使學生在本章節的學習過程中帶着問題去尋找可能的基本原理與理論，並在開題報告的準備過程中理解與掌握相關的基本原理與理論。通過虛擬研究課題的分析，既滿足了學生的求知慾和對新事物的好奇心，又調動了學生的學習主動性與積極性。

在該教學方法的設計過程中，我們也曾擔心學生遇到這種具有較大難度的虛擬科研課題時會消極放棄。但實踐結果表明，學生具有非常強烈的好奇心和求知慾，學生們在規定的兩星期內查閲了大量的文獻資料，絕大部分學生能夠出色地完成開題報告，很好地理解本章節的相關知識。在課堂上，學生積極爭取上講台演講，同學提問、討論積極，課堂氣氛非常活躍。

　　三、結語

《無機材料物理性能》課程是材料科學與工程專業本科生的專業基礎課程，課程理論性與邏輯性強，概念抽象，教學難度大，內容相對枯燥。探索改進教學方法、滿足青年學生的求知慾和對新事物的好奇心、調動學生的學習主動性與積極性是教育工作者一直關注的課題。不斷完善教學內容、教學手段和教學模式，充分發揮學生的學習主體功能，能達到事半功倍的效果。