《無(wú)機(jī)材料物理性能》課程教學(xué)方法探索

（中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083）

《無(wú)機(jī)材料物理性能》課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要涉及無(wú)機(jī)非金屬材料的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電導(dǎo)、介電與壓電、磁學(xué)等性能、應(yīng)用及其發(fā)展。課程教學(xué)的目的是讓學(xué)生了解掌握各種重要性能的基本原理及微觀機(jī)制、性能與材料的組成結(jié)構(gòu)的關(guān)系，進(jìn)一步了解各性能之間的相互制約與變化規(guī)律。通過(guò)掌握各種性能的原理與微觀機(jī)制，達(dá)到對(duì)材料優(yōu)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(chǔ)[1,2]。按照本課程的性質(zhì)與特點(diǎn)，學(xué)習(xí)過(guò)程中要求學(xué)生具有較好的綜合基礎(chǔ)理論知識(shí)，如涉及到高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、無(wú)機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、晶體學(xué)基礎(chǔ)、量子力學(xué)、固體物理、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、半導(dǎo)體物理等課程的相關(guān)基礎(chǔ)與理論。一方面，材料科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中往往未能完全開(kāi)設(shè)相關(guān)的基礎(chǔ)理論課程。在教學(xué)過(guò)程中容易使學(xué)生感到基礎(chǔ)理論不足、知識(shí)銜接不到位，導(dǎo)致學(xué)生難于理解相關(guān)物理性能的基本原理與微觀機(jī)制。另一方面，《無(wú)機(jī)材料物理性能》是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要介紹的是各種重要性能的基本原理及微觀機(jī)制。如果只是單純地講述書(shū)本知識(shí)，介紹相關(guān)的定義、定律、機(jī)理、公式等，內(nèi)容抽象、枯燥，難以吸引學(xué)生的注意力，難于讓學(xué)生理解掌握，這樣容易導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力[3]。因此，《無(wú)機(jī)材料物理性能》或《材料物理性能》的教學(xué)教法是高等學(xué)校同仁們關(guān)心的課題[3-7]。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，加深學(xué)生對(duì)基本原理與微觀機(jī)制的理解，達(dá)到易教易學(xué)的效果，筆者在教學(xué)過(guò)程中嘗試了一種虛擬科研課題與學(xué)生調(diào)研開(kāi)題相結(jié)合的半開(kāi)放式教學(xué)方法。

一、教學(xué)方法探索的基本思想

一般認(rèn)為，《無(wú)機(jī)材料物理性能》課程理論與邏輯性強(qiáng)、概念抽象，教學(xué)難度大，內(nèi)容相對(duì)枯燥。這應(yīng)該是由課程性質(zhì)決定的。因?yàn)樗饕獜牟牧系慕M成與微觀結(jié)構(gòu)角度闡述無(wú)機(jī)非金屬材料物理特性的基本原理與微觀機(jī)制。因而，僅采用傳統(tǒng)的“黑板+粉筆”的教學(xué)手段、或?qū)φn本知識(shí)進(jìn)行“照本宣科”的填鴨式教學(xué)，必將讓學(xué)生覺(jué)得課程枯燥無(wú)味，產(chǎn)生畏懼甚至厭學(xué)的心理[7]。多媒體教學(xué)具有直觀新穎、形象多樣、信息量大等特點(diǎn)，對(duì)提高教學(xué)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(nèi)容，其效果也難有本質(zhì)的改變。其實(shí)，這些教學(xué)方式是以授課教師講述課程內(nèi)容的單向教學(xué)過(guò)程，往往忽略了學(xué)生才應(yīng)該是教學(xué)的真正主體，因而難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性。

大學(xué)生（或者說(shuō)是年輕人）都具有強(qiáng)烈的求知欲和對(duì)新事物的好奇心。筆者認(rèn)為，如何鼓勵(lì)學(xué)生的求知欲、滿足學(xué)生的好奇心、調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性應(yīng)該是專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)方法改革的關(guān)鍵內(nèi)容之一。但是，學(xué)生在修學(xué)《無(wú)機(jī)材料物理性能》課程時(shí)，往往之前較少接觸無(wú)機(jī)非金屬材料類的專業(yè)課，學(xué)生對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料本身并無(wú)深刻認(rèn)識(shí)，這必將導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中無(wú)法借用“材料”實(shí)體發(fā)揮想象和邏輯思維。

根據(jù)《無(wú)機(jī)材料物理性能》課程的內(nèi)容、性質(zhì)和課程目的，我們可以看到：本課程主要介紹無(wú)機(jī)非金屬材料重要物理性能的基本原理與微觀機(jī)制，性能與材料的組成、結(jié)構(gòu)的關(guān)系，各性能之間的關(guān)聯(lián)與變化規(guī)律；目的是通過(guò)掌握各種性能參數(shù)的有關(guān)原理與規(guī)律，為正確選擇和使用材料，改善材料性能，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)新材料、新工藝打下理論基礎(chǔ)。常規(guī)的課程教學(xué)中更多的是介紹物理性能的概念、原理、理論，而對(duì)本課程教學(xué)的“目的”的具體內(nèi)容少有涉及。據(jù)此，筆者在課程教學(xué)中探索了一種“逆向”思維的半開(kāi)放式教學(xué)方法，即先明確課程“目的”，再進(jìn)行相關(guān)概念、原理、理論的學(xué)習(xí)，安排部分課堂時(shí)間由學(xué)生上講臺(tái)講解，并鼓勵(lì)臺(tái)上、臺(tái)下學(xué)生與教師即時(shí)交流。基本操作思路是：在各章節(jié)的課程學(xué)習(xí)之前，交給學(xué)生一個(gè)“科研課題”，要求學(xué)生結(jié)合本章節(jié)的有關(guān)概念、原理和理論，查閱文獻(xiàn)資料，開(kāi)展科研調(diào)研，從選擇/設(shè)計(jì)材料、改善材料性能和材料制備工藝等方面著手完成相應(yīng)的開(kāi)題報(bào)告，然后由部分學(xué)生以“開(kāi)題報(bào)告”（紙質(zhì)報(bào)告和PPT）形式在課堂上向同學(xué)與老師匯報(bào)，同學(xué)與老師之間相互提問(wèn)。結(jié)果表明，學(xué)生對(duì)“科研課題”表現(xiàn)出極大興趣，課外查閱了大量的文獻(xiàn)資料，既有了對(duì)材料的認(rèn)識(shí)，也加深了對(duì)相關(guān)概念、原理、理論的理解。許多學(xué)生做出了非常出色的“開(kāi)題報(bào)告”。在學(xué)生講演過(guò)程中，同學(xué)們踴躍發(fā)問(wèn)，課堂氣氛活躍。這種教學(xué)模式改變了填鴨式教學(xué)中學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的方式，使學(xué)生成了真正的學(xué)習(xí)主體，有效地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性。

二、教學(xué)方法案例分析

這里以“無(wú)機(jī)材料的熱傳導(dǎo)”章節(jié)為例，分析說(shuō)明本文提出的“科研課題與調(diào)研開(kāi)題相結(jié)合”的教學(xué)方法。在該章節(jié)的教學(xué)之前，給學(xué)生布置以下自主學(xué)習(xí)內(nèi)容：“若需一種滿足以下要求的絕熱材料：熱導(dǎo)率盡可能低(如小于0.1 W/(m·K))、密度小于1 g/cm3、工作溫度大于1200 ℃；查閱資料、結(jié)合本課程涉及的基本原理和理論，提出你的選材及材料設(shè)計(jì)思路與方案?！比缓笥蓪W(xué)生組隊(duì)查閱資料，完成開(kāi)題報(bào)告和相應(yīng)的PPT演講稿；再安排一次課堂時(shí)間抽簽選取幾組學(xué)生上講臺(tái)匯報(bào)他們的開(kāi)題報(bào)告，并鼓勵(lì)學(xué)生之間提問(wèn)與交流。

在熱傳導(dǎo)原理與理論方面，學(xué)生可以獲悉熱傳遞是通過(guò)熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射三種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并了解各種熱傳遞方式的傳熱主體、傳熱基本過(guò)程及其與外界（如溫度）的大致關(guān)系。其中，在溫度不太高、不考慮液體和氣體傳熱的條件下，固體熱傳導(dǎo)成為主要的傳熱方式，所以必然引導(dǎo)學(xué)生考慮到固體材料傳熱的微觀機(jī)理，即聲子的熱傳導(dǎo)機(jī)理，從而加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)晶格熱振動(dòng)、聲子概念的理解。根據(jù)理想氣體的導(dǎo)熱公式，可以給出聲子的熱導(dǎo)率λ公式：

式中，C是聲子的熱容，v為聲子的速度，l為聲子的平均自由度。在高溫時(shí)，C接近常數(shù)，在低溫時(shí)，C隨溫度的3次方（T3）變化；聲速v為一常數(shù)。因此，本虛擬課題中可以主要考慮影響聲子的自由程l的因素。如此一來(lái)，就可以引導(dǎo)學(xué)生在材料設(shè)計(jì)時(shí)考慮到聲子散射機(jī)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。在更高溫度段時(shí)，也需要考慮到光子熱傳導(dǎo)的有關(guān)理論。

同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)“工作溫度大于1200 ℃”和“熱導(dǎo)率盡可能低(如小于0.1 W/(m·K))”的目的，學(xué)生在選擇材料時(shí)自然而然地就會(huì)查閱不同材料的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，從而對(duì)不同材料（如金屬材料類、無(wú)機(jī)非金屬材料類及氣體類）的熱導(dǎo)率范圍有一個(gè)比較清楚的了解。為了實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)材料的密度小于 1 g/cm3，學(xué)生在查閱資料過(guò)程中必然要了解各種材料的密度數(shù)值。事實(shí)上，幾乎不能直接找到同時(shí)滿足工作溫度、密度和熱導(dǎo)率的常規(guī)材料。值得慶幸的是，學(xué)生不約而同地想到了氣凝膠材料來(lái)嘗試本虛擬研究課題。

雖然該虛擬研究課題在實(shí)際研究活動(dòng)中也有一定的難度，但這里并未打算深究所設(shè)計(jì)材料的具體制備，而主要是由此加強(qiáng)對(duì)本章節(jié)課程中涉及的原理與微觀機(jī)制的了解與掌握。本課程的教學(xué)目的是讓學(xué)生通過(guò)查閱資料了解絕熱（隔熱）材料及其實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生在選擇與設(shè)計(jì)材料時(shí)需要考慮的相關(guān)基本原理和理論，并提出初步的研究方案。這樣，能使學(xué)生從應(yīng)用的角度了解材料，使學(xué)生在本章節(jié)的學(xué)習(xí)過(guò)程中帶著問(wèn)題去尋找可能的基本原理與理論，并在開(kāi)題報(bào)告的準(zhǔn)備過(guò)程中理解與掌握相關(guān)的基本原理與理論。通過(guò)虛擬研究課題的分析，既滿足了學(xué)生的求知欲和對(duì)新事物的好奇心，又調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與積極性。

在該教學(xué)方法的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們也曾擔(dān)心學(xué)生遇到這種具有較大難度的虛擬科研課題時(shí)會(huì)消極放棄。但實(shí)踐結(jié)果表明，學(xué)生具有非常強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，學(xué)生們?cè)谝?guī)定的兩星期內(nèi)查閱了大量的文獻(xiàn)資料，絕大部分學(xué)生能夠出色地完成開(kāi)題報(bào)告，很好地理解本章節(jié)的相關(guān)知識(shí)。在課堂上，學(xué)生積極爭(zhēng)取上講臺(tái)演講，同學(xué)提問(wèn)、討論積極，課堂氣氛非?；钴S。

三、結(jié)語(yǔ)

《無(wú)機(jī)材料物理性能》課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，課程理論性與邏輯性強(qiáng)，概念抽象，教學(xué)難度大，內(nèi)容相對(duì)枯燥。探索改進(jìn)教學(xué)方法、滿足青年學(xué)生的求知欲和對(duì)新事物的好奇心、調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與積極性是教育工作者一直關(guān)注的課題。不斷完善教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)模式，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主體功能，能達(dá)到事半功倍的效果。

[1]寧青菊，談國(guó)強(qiáng)，史永勝.無(wú)機(jī)材料物理性能[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2]關(guān)振鐸，張中太，焦金生.無(wú)機(jī)材料物理性能[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

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