密切聯(lián)系科研發(fā)展前沿，講好《材料物理》課程

高　紅，張俊英

(北京航空航天大學(xué)，北京　100191)

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密切聯(lián)系科研發(fā)展前沿，講好《材料物理》課程

高紅，張俊英

(北京航空航天大學(xué)，北京100191)

材料物理是一門與科研前沿緊密聯(lián)系的課程，在講授物理基本原理的同時，教師要充分掌握科學(xué)研究動態(tài)，讓學(xué)生深刻領(lǐng)悟所學(xué)基礎(chǔ)理論的重要性，并善于啟發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，從而提高學(xué)習(xí)的積極性。

材料物理；學(xué)科前沿；交叉學(xué)科；工程化

材料物理是我校物理科學(xué)與核能工程學(xué)院面向物理學(xué)專業(yè)高年級本科生開設(shè)的一門專業(yè)課程，是培養(yǎng)理工類學(xué)生交叉學(xué)科知識一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。其目的是使學(xué)生加深對本學(xué)科專業(yè)理論知識的理解，初步了解體現(xiàn)物理理論的材料學(xué)基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的交叉學(xué)科科研興趣，形成理論學(xué)習(xí)與實際應(yīng)用相結(jié)合的良性循環(huán)。該學(xué)科是介于物理學(xué)與材料學(xué)之間的一門交叉學(xué)科，課程內(nèi)容包括缺陷物理、材料強化、導(dǎo)電物理、電介質(zhì)物理、鐵電物理、磁性物理、發(fā)光材料物理、低維材料物理等[1]。每一章內(nèi)容都涉及熱點研究領(lǐng)域，實踐證明，如果在教學(xué)中只進(jìn)行基本理論的傳授，而不與目前的研究趨勢緊密結(jié)合，就會讓學(xué)生在被動的知識接受過程中逐漸失去學(xué)習(xí)的興趣。因此在教學(xué)過程中，教師不僅要注重利用本學(xué)科的交叉學(xué)科特色，通過生動靈活的方法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還應(yīng)該重視掌握國內(nèi)外材料、物理及相關(guān)領(lǐng)域的最新科研進(jìn)展，用最新科技成果為學(xué)生展現(xiàn)基礎(chǔ)物理理論的強大生命力，并讓學(xué)生了解物理理論在工程領(lǐng)域的應(yīng)用，再結(jié)合啟發(fā)式引導(dǎo)，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課堂理論知識的自主性，由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，提高學(xué)生思維與分析、理論與實踐的綜合能力，調(diào)動學(xué)生的主觀能動性和積極性。

1　掌握最新的國內(nèi)外科研發(fā)展動態(tài)，不斷更新教學(xué)內(nèi)容

《材料物理》教學(xué)內(nèi)容雖然基本理論保持固定，但是每一章所涉及的具體內(nèi)容卻隨著新的科研進(jìn)展不斷被更新和充實，體現(xiàn)物理性質(zhì)或者以物理理論為載體的材料體系和元器件發(fā)展更為迅速，其應(yīng)用進(jìn)展也是日新月異。所以在進(jìn)行課堂講授之前，教師應(yīng)注重相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)資料的調(diào)研和整理，掌握最新的科研發(fā)展趨勢，給學(xué)生呈現(xiàn)最新的科技動態(tài)。例如，在講到電介質(zhì)物理中的壓電效應(yīng)時，一般從以下幾個方面向?qū)W生介紹發(fā)展動態(tài)：(1)材料體系發(fā)展。從最早的石英到鈦酸鹽以至各種寬禁帶半導(dǎo)體如ZnO的發(fā)展歷程，這些材料所呈現(xiàn)的基本性質(zhì)以及它們之間的異同；(2)性能進(jìn)展情況。讓大家熟悉近幾年來隨著材料體系的發(fā)展，其壓電性能的進(jìn)展情況，與壓電性能相關(guān)的其他物理、化學(xué)性能的研究現(xiàn)狀；(3)最新理論和應(yīng)用進(jìn)展。壓電材料應(yīng)用非常廣泛，在日常生活以及科學(xué)研究領(lǐng)域的先進(jìn)儀器、儀表甚至航空航天領(lǐng)域都獲得了較廣泛的實際應(yīng)用。通過與現(xiàn)實生活相聯(lián)系，不僅可以讓學(xué)生深刻地理解壓電理論，而且更形象地了解了壓電理論的實際應(yīng)用價值，達(dá)到理論與實際應(yīng)用相互滲透。近幾年來利用壓電效應(yīng)制造的納米發(fā)電機的問世，以及壓電電子學(xué)、壓電光子學(xué)和壓電光電子學(xué)的創(chuàng)立，為壓電物理學(xué)注入了新的活力[2,3]。讓學(xué)生了解納米發(fā)電機的原理以及研究進(jìn)展，就可以讓他們對壓電物理具有更深入而鮮活的理解。

又如:給學(xué)生講低維物理時，以碳材料為例，闡述材料從塊體向一維、二維、零維轉(zhuǎn)化時所呈現(xiàn)的奇異物理性質(zhì)變化，讓學(xué)生結(jié)合課堂知識，討論產(chǎn)生這些變化的原因，從而能更形象地理解低維物理。石墨烯這種特殊低維材料呈現(xiàn)了豐富而奇異的新物理、化學(xué)性質(zhì)[4,5]，讓學(xué)生在課下查閱相關(guān)資料并進(jìn)行課堂討論，可以讓他們鞏固課堂知識，并領(lǐng)悟低維物理的魅力。給學(xué)生講述這些最新的科學(xué)前沿，讓他們充分認(rèn)識到科學(xué)是逐漸發(fā)展的，科研過程始終存在著創(chuàng)新，而創(chuàng)新是離不開基礎(chǔ)的，因此，激發(fā)他們學(xué)習(xí)物理基礎(chǔ)知識的熱情。

2　理論結(jié)合實踐，培養(yǎng)物理專業(yè)學(xué)生的工程化理念

由于物理理論與材料、器件及系統(tǒng)息息相關(guān)，所以如果能在教學(xué)中注意講述物理理論在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用，尤其是一些工程應(yīng)用，那么學(xué)生就能得到感性認(rèn)識，從而體悟物理理論的重要性?？梢栽谡n件制作中注意收集一些錄像、圖片、實物等資料，生動形象地展示物理原理的重要應(yīng)用。例如，在講壓電效應(yīng)時，從壓電效應(yīng)原理、壓電陶瓷制作、壓電陶瓷應(yīng)用等方面收集動畫、錄像、原理和結(jié)構(gòu)示意圖及實物，系統(tǒng)地向?qū)W生進(jìn)行全方位的展示。

如果條件允許，可以組織學(xué)生到相關(guān)的實驗室、高科技企業(yè)進(jìn)行參觀，讓學(xué)生身臨其境，切身感受材料或者器件甚至是系統(tǒng)的制造和檢測過程，感知基本物理原理在科技上的實際應(yīng)用以及獲得的巨大經(jīng)濟(jì)效益，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理理論的熱情。除此之外，還可以為學(xué)生提供實驗場地和原材料，讓他們在課下利用所學(xué)的課堂知識，制作體現(xiàn)物理原理的材料、元器件甚至是演示儀器，讓他們在動手過程中深刻領(lǐng)會物理理論。比如，可以為學(xué)生提供一些壓電陶瓷片和輔助材料，讓同學(xué)們?nèi)ソM裝一些簡易元件，親身體驗壓電效應(yīng)所導(dǎo)致的力、熱、聲、電效應(yīng)及其應(yīng)用。在親自動手過程中，學(xué)生不但是對于物理理論的應(yīng)用價值有了更深刻的認(rèn)識，而且體會到要實現(xiàn)物理理論的應(yīng)用就要發(fā)展好材料、元器件和系統(tǒng)，而這需要各個學(xué)科通力合作，從而認(rèn)識到交叉學(xué)科研究的重要性，以及物理學(xué)在促進(jìn)其他學(xué)科發(fā)展中所起得根本作用。

3　善于啟發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)理論的熱情

物理學(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，與其它學(xué)科密不可分，是材料、元件、儀表、儀器、系統(tǒng)的某些功能實現(xiàn)的基本依據(jù)。物理專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中經(jīng)常抱有所學(xué)無用的想法，一個主要的原因是他們還未充分了解所學(xué)理論所延伸的應(yīng)用。在教學(xué)過程中，如果能提出一些與所講內(nèi)容相關(guān)的當(dāng)前亟待解決的應(yīng)用問題，或者物理理論已經(jīng)應(yīng)用但是他們還不了解的情況，讓他們帶著問題去聽課，并且親自動手去查閱文獻(xiàn)資料和進(jìn)行科學(xué)調(diào)研，讓他們自己找到答案，那么他們就會親自體會物理理論的重要性，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

例如，在講缺陷物理的時候，很多人覺得點缺陷很抽象，認(rèn)為是想象出來的物理模型，因此意識不到其重要性。我們可以提出這樣一個問題：請了解熒光燈的照明原理，并指出點缺陷在決定熒光粉發(fā)光性能中的作用，并思考如果沒有點缺陷，熒光粉是否能夠高效發(fā)光？這樣帶著問題去聽課，并通過查閱文獻(xiàn)弄清楚點缺陷在決定發(fā)光性能中的作用，學(xué)生就深入領(lǐng)會了點缺陷的分類、來源、基本性質(zhì)和重要應(yīng)用，從而比單純被動地接受課堂知識效果好得多。如果再給學(xué)生將此問題與導(dǎo)電物理進(jìn)行聯(lián)系，則會起到更好的效果。一個典型的問題是，如果不在本征Si片中有目的地引入點缺點，能否形成高效光伏效應(yīng)？進(jìn)而還可以啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考：要想形成高效光電轉(zhuǎn)換，需要將本征Si片進(jìn)行什么處理從而形成分別形成p型和n型導(dǎo)電？學(xué)生在弄清楚點缺陷對改變材料微觀結(jié)構(gòu)的同時，也可以深入了解其對材料性能的改變。對于Si片中點缺陷問題的解答，則可以對半導(dǎo)體導(dǎo)電物理闡釋起到重要作用，從而在學(xué)生學(xué)習(xí)導(dǎo)電物理時就能夠很好地理解半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理，掌握光電效應(yīng)、注入式發(fā)光等內(nèi)在機制。

綜上，對于物理專業(yè)的學(xué)生來講，由于其主要的課程都是一些基礎(chǔ)理論課程，在學(xué)習(xí)過程容易讓學(xué)生產(chǎn)生枯燥的感覺，材料物理由于與材料、電子、儀器等學(xué)科的緊密聯(lián)系，從而與實際應(yīng)用聯(lián)系更密切。因此與其它一些課程相比，其科學(xué)發(fā)展不但體現(xiàn)在物理理論上，還體現(xiàn)在材料、器件、設(shè)備、系統(tǒng)等各個方面，充分了解相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，使學(xué)生的物理理論功底更加深厚的同時，讓學(xué)生深刻感受其活力和魅力，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的興趣，其良好的教學(xué)效果將是不言而喻的，是深受廣大學(xué)生歡迎的。

[1] 王國梅，萬發(fā)榮.材料物理[J].武漢理工大學(xué)出版社，2004(8)：77-79.

[2]ZhongLinWang,JinhuiSong,SCIENCE,312(2006)242-246.

[3]王中林.物理[J]39(8)(2010)556-557.

[4]K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva,A.A.Firsov,Science36(5696) (2004) 666-669.

[5]K.S.Novoselov,V.I.Fal’ko,L.Colombo,P.R.Gellert,M.G.Schwab,K.Kim,Nature,490(2012)192-200.

Lecture the “Materials Physics” Course by CloselyContactingFrontierofResearchDevelopment

GAO Hong，ZHANG Jun-ying

(Beihang University,Beijing 100191)

MaterialsPhysicsisacutting-edgecurriculumthatcloselylinkswithresearchfrontier.Duringteachingthebasicprinciplesofphysics,teachersshouldfullygraspthetrendsinscientificresearch.Bythisway,studentscouldprofoundlyunderstandtheimportanceofthebasictheorywhattheyhavelearned,inspiringtheirinterestinlearning,therebyenhancingthemotivationtolearn.

materialphysics；academicfrontiers；interdisciplinary；engineering

2016-04-05

基礎(chǔ)研究培育計劃(YWF-15-WLXY-020)；北京航空航天大學(xué)本科生精品課程項目(項目名稱：材料物理課程教學(xué)改革)；北京航空航天大學(xué)研究生精品課程項目(項目名稱：現(xiàn)代物理測量原理與技術(shù))

1007-2934(2016)04-0120-03

G642

ADOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.036