淺談材料科學(xué)與工程專業(yè)平臺(tái)課程材料物理性能本科生教學(xué)改革論文
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的日新月異和高速發(fā)展, 是知識(shí)經(jīng)濟(jì)的重要特征。自然科學(xué)的相互滲透、交叉、融合的趨勢(shì)更加明顯。新的科學(xué)前沿理論與陳舊的基礎(chǔ)課教學(xué)內(nèi)容和體系的矛盾日益突出, 必須對(duì)原有的專業(yè)格局及知識(shí)體系進(jìn)行重組, 在此基礎(chǔ)上建立全新的特色化綜合性材料科學(xué)與工程專業(yè), 以適應(yīng)21 世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)材料科學(xué)類專業(yè)人才的需求。我院在教育部高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“ 材料科學(xué)與工程類人才培養(yǎng)方案的綜合改革與實(shí)踐” 項(xiàng)目的推動(dòng)下, 通過幾年的探索與實(shí)踐, 提出“ 寬基礎(chǔ)、多方向、重實(shí)踐” 的培養(yǎng)人才模式, 構(gòu)筑了專業(yè)平臺(tái)課程體系,“ 材料物理性能” 就是其中的一門重要基礎(chǔ)課程。作為院平臺(tái)課程和學(xué)校重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目, 材料物理性能是物理理論基礎(chǔ)與材料性能相結(jié)合的課程為主, 如何培養(yǎng)學(xué)生既具備扎實(shí)的材料物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí), 又能熟練掌握物理性能的研究和實(shí)驗(yàn)技能, 是“ 材料物理性能” 本科生教學(xué)改革的重點(diǎn)。
一、教學(xué)改革的動(dòng)因
長(zhǎng)期以來, 我們的本科教育一直是沿襲按三級(jí)學(xué)科專業(yè)招生, 分專業(yè)培養(yǎng)的模式�！� 材料物理性能” 這門課程, 也是由三個(gè)專業(yè):金屬材料、無機(jī)非金屬、高分子材料, 各自制定教學(xué)大綱, 選擇適合自己的教科書, 分專業(yè)講授這門課程。例如:金屬方向的“ 材料物理性能” 主要側(cè)重金屬的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和磁學(xué)性能, 而對(duì)材料的光學(xué)、介電等性能沒有涉及, 這樣必然割裂了材料物理性能的整體內(nèi)容。尤其是近年來, 以電子、生物、航天和能源為應(yīng)用對(duì)象的材料科學(xué)已經(jīng)從過去的單一性金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料轉(zhuǎn)向以功能材料、復(fù)合材料、納米材料等高性能、多功能為主的發(fā)展趨勢(shì), 對(duì)材料科學(xué)人才提出了更高的要求。因此材料科學(xué)與工程專業(yè)的教育與教學(xué)面臨著巨大的挑戰(zhàn), 這需要對(duì)原有按三級(jí)學(xué)科專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃、課程體系進(jìn)行全面的改革, 并進(jìn)行系統(tǒng)化修訂。“ 材料物理性能” 作為一門基礎(chǔ)課程, 需涵蓋材料的各個(gè)領(lǐng)域和全部的物理性能。因此, 從教材的內(nèi)容的選擇, 編排順序, 授課方式, 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)等方面上都將做較大的改革。
目前, 國(guó)內(nèi)“ 材料物理性能” 的本科生教學(xué), 多為針對(duì)某一專業(yè)的物理性能, 如:北航的“ 材料物理性能” 側(cè)重陶瓷材料的物理性能, 哈工大的“ 材料物理性能” 則側(cè)重金屬材料物理性能;而作為整體材料學(xué)科的物理性能則很少、甚至沒有學(xué)校涉及。從材料發(fā)展的趨勢(shì)來看, 高新技術(shù)領(lǐng)域, 信息和能源技術(shù)的發(fā)展, 都離不開各種功能材料和復(fù)合材料, 它們都是多學(xué)科的融合, 不僅涉及金屬和陶瓷材料, 而且高分子也是必不可少的組成部分。因此僅僅掌握一種材料的物理性能, 是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適合和滿足材料科學(xué)發(fā)展的需要。因此,“ 材料物理性能” 的教學(xué)改革勢(shì)在必行。
二、教材的編寫與探索
在“ 寬基礎(chǔ)、多方向、重實(shí)踐” 的培養(yǎng)人才模式下, 為了配合學(xué)校的優(yōu)秀課程和院平臺(tái)課程建設(shè),我院成立了“ 材料物理性能” 課程項(xiàng)目組, 項(xiàng)目組成員有多年從事“ 材料物理性能” 教學(xué)的老教師,他們有著豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn);也有博士畢業(yè)的年輕教師, 他們有新的知識(shí)結(jié)構(gòu)和不拘一格的活躍學(xué)術(shù)思想。項(xiàng)目組從接受課程改革和教材編寫的任務(wù)開始, 聘請(qǐng)老專家和專業(yè)教師對(duì)大綱進(jìn)行了多次討論和反復(fù)修訂, 提出了新大綱的雛形, 在征求教師和學(xué)生的意見的基礎(chǔ)上, 制定出適合材料科學(xué)與工程本科生基礎(chǔ)課程教學(xué)的“ 材料物理性能”教學(xué)大綱。
在制定出新的教學(xué)大綱基礎(chǔ)上, 著手編寫了新的《材料物理性能》教材。項(xiàng)目組老師針對(duì)目前一些教科書中存在的問題進(jìn)行了分析研究。例如:如何理解物性的基本概念? 是從物理性能基本性質(zhì)出發(fā)? 還是從固體的量子特征和固體量子理論的本質(zhì)出發(fā)? 通過對(duì)各種物理性能的反復(fù)探討和比較, 尋找到物理性能的最本質(zhì)共同點(diǎn), 發(fā)現(xiàn)作為材料物理性能的基礎(chǔ), 必須在量子特征和固體能量理論的基礎(chǔ)上探討物理性能, 才能使整體知識(shí)融會(huì)貫通, 而不是割裂的就某個(gè)性能講述某個(gè)性能。因此, 我們對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和整合, 力求體現(xiàn)大材料的物性規(guī)律的全貌。同時(shí), 針對(duì)不同材料(金屬、無機(jī)非金屬、高分子)的性能特點(diǎn), 有針對(duì)性地對(duì)其特殊的物理性能特征加以補(bǔ)充;并結(jié)合材料的最新發(fā)展方向, 理論聯(lián)系實(shí)際地將電導(dǎo)功能材料, 介電、壓電材料, 超導(dǎo)材料, 紅外、光纖材料和信息存儲(chǔ)材料等性能逐一的向?qū)W生介紹, 以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及實(shí)際應(yīng)用的能力。
三、教學(xué)改革的目標(biāo)和對(duì)策
教學(xué)改革的目標(biāo)要適應(yīng)當(dāng)前和今后科技發(fā)展及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展, 適應(yīng)“ 寬基礎(chǔ)、多方向、重實(shí)踐”培養(yǎng)人才的目標(biāo)。破除片面追求材料體系完整性的觀點(diǎn), 強(qiáng)調(diào)材料的共性規(guī)律;強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生總體思想和創(chuàng)造性思維的能力。我們針對(duì)教學(xué)大綱、教材編寫、教材教法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行整體改革, 打破原有的三大材料的教學(xué)體系, 進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的重組, 建立新的材料物理性能教學(xué)體系。課程內(nèi)容設(shè)置應(yīng)考慮當(dāng)前材料正向著復(fù)合型、精密型和功能型發(fā)展, 材料的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛的特點(diǎn)。擴(kuò)寬知識(shí)領(lǐng)域, 使學(xué)生不僅掌握金屬材料的物理性能, 而且對(duì)無機(jī)非金屬和高分子材料的物理性能也能駕輕就熟。因此, 在教學(xué)內(nèi)容上要有助于學(xué)生將來從事各種材料的研究和工作能力,為學(xué)生畢業(yè)后的工作和實(shí)際應(yīng)用打下扎實(shí)的理論基礎(chǔ), 并培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和解決問題的能力,以滿足社會(huì)對(duì)材料類人才的要求。課程內(nèi)容體系為:
1.材料物理基礎(chǔ):通過講授量子力學(xué)基礎(chǔ)和固體能量結(jié)構(gòu), 使學(xué)生理解微觀原子、電子等的特性, 即粒子性和波動(dòng)性, 掌握微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律,電子的能帶結(jié)構(gòu)。為其后深入講解材料物理性能打下很好的基礎(chǔ)。
2.材料物理性能:以材料的電學(xué)、介電、光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、彈性和阻尼性能為重點(diǎn), 從基礎(chǔ)理論、性能表述、影響因素、性能測(cè)定方法和功能材料應(yīng)用舉例等方面, 全面介紹材料的各種物理性能。
3.為了配合新教材的教學(xué)使用, 我們還制作了多媒體課件, 通過購買或上網(wǎng)下載國(guó)內(nèi)外最新的材料物理性能書籍和圖片, 盡可能多的向?qū)W生重點(diǎn)介紹功能材料的發(fā)展史、應(yīng)用領(lǐng)域, 以及一些國(guó)外最新的物理性能測(cè)試方法和手段, 提高教與學(xué)的互動(dòng)性。
4.同時(shí), 拓寬了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容, 除了對(duì)原有的導(dǎo)電和熱膨脹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容加以擴(kuò)充外, 還新開設(shè)了介電常數(shù)、介電損耗、差熱分析和磁性測(cè)量等實(shí)驗(yàn)。
通過以物理性能為主線, 以物理基礎(chǔ)、性能評(píng)價(jià)和功能材料應(yīng)用為重點(diǎn), 突出材料物理性能的共性規(guī)律, 注重各種材料物理性能的共性和特性得關(guān)系。加強(qiáng)知識(shí)的綜合與應(yīng)用相結(jié)合, 培育學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合能力, 實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)寬基礎(chǔ)、高素質(zhì)的人才需要。
四、教學(xué)方法與教學(xué)手段改革
為了培養(yǎng)適應(yīng)未來社會(huì)發(fā)展要求的, 具有創(chuàng)新精神的高素質(zhì)人才, 結(jié)合“ 材料物理性能” 的教學(xué)的特點(diǎn), 我們主要從以下幾方面進(jìn)行了教學(xué)方法改革:1.在教材體系上, 破除針對(duì)金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料片面追求理論完整、內(nèi)容單一的'弊端, 強(qiáng)調(diào)共性規(guī)律, 強(qiáng)調(diào)能力培養(yǎng), 重視功能材料的應(yīng)用。在教學(xué)內(nèi)容上突出微觀結(jié)構(gòu)與宏觀物理性能的相互聯(lián)系, 力求體現(xiàn)材料物理性能本質(zhì)規(guī)律。
2.在教學(xué)實(shí)踐中, 如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主動(dòng)性, 使學(xué)生和教師實(shí)現(xiàn)互動(dòng), 是完成課堂教學(xué)的關(guān)鍵所在。我們配合新編教材的使用, 制作了與教材配套的多媒體課件, 并盡可能多的向?qū)W生介紹一些國(guó)內(nèi)外最新的物理性能的應(yīng)用和測(cè)試方法手段, 以大量的圖片和豐富的內(nèi)容使學(xué)生系統(tǒng)了解物理性能和材料發(fā)展的關(guān)系, 使學(xué)生牢固掌握所學(xué)知識(shí)。
3.建立教與學(xué)的互動(dòng)系統(tǒng), 針對(duì)學(xué)生的具體學(xué)習(xí)情況, 通過作業(yè)、問答、討論等形式, 制定出最佳的教學(xué)方法和授課方式。教學(xué)小組定期討論交流, 任課教師嚴(yán)格教學(xué)環(huán)節(jié), 對(duì)學(xué)生平時(shí)作業(yè)、考試成績(jī)實(shí)行監(jiān)控和統(tǒng)計(jì), 了解學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)和問題所在, 及時(shí)反饋給教學(xué)小組。研究在材料物理性能的教學(xué)和教法中存在的問題, 改進(jìn)的教學(xué)方法和手段, 進(jìn)一步提高本科生的教學(xué)質(zhì)量和水平。
4.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的力度, 除了拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容外, 還增加一些演示性實(shí)驗(yàn), 使學(xué)生了解大型儀器在物理性能應(yīng)用和測(cè)試方面的知識(shí),并結(jié)合本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用到的材料物理性能的專業(yè)內(nèi)容, 有針對(duì)性地進(jìn)行專業(yè)性的強(qiáng)化指導(dǎo), 使基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)相結(jié)合, 讓知識(shí)融會(huì)貫通。
隨著教學(xué)改革的深入, 材料物理性能將建設(shè)成為適應(yīng)整個(gè)材料科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程。它涉及材料科學(xué)與材料工程兩大部分, 如何將兩者有機(jī)的聯(lián)系起來, 讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí), 去分析解決實(shí)際研究和工程中遇到的問題, 是我們教學(xué)改革的責(zé)任和目標(biāo)。材料科學(xué)作為科技進(jìn)步的三大支柱產(chǎn)業(yè)之一, 當(dāng)前我國(guó)材料教育改革的任務(wù)還十分艱巨, 也使我們面臨前所未有的挑戰(zhàn);更新人才培養(yǎng)的模式, 改革教學(xué)內(nèi)容和方法, 全面推進(jìn)素質(zhì)教育, 培養(yǎng)“ 寬基礎(chǔ)、多方向、重實(shí)踐” 的高素質(zhì)復(fù)合型人才, 是我們?nèi)沃囟肋h(yuǎn)的目標(biāo)。
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