《材料物理性能》教學(xué)新理念

許天旱　王黨會　姚婷珍

摘要：材料物理性能是以物理理論基礎(chǔ)與材料性能相結(jié)合為主的一門課程，目的是培養(yǎng)學(xué)生既具備扎實的材料物理學(xué)基礎(chǔ)知識，又能熟練掌握物理性能的研究和實驗技能。本文提出的縱橫聯(lián)系，融會貫通教學(xué)新理念，基于材料學(xué)、物理學(xué)以及結(jié)晶學(xué)等方面的內(nèi)容，采用層層推進(jìn)及Venn流程圖的方式，將材料的力、熱、光、電、磁等知識相互聯(lián)系起來，旨在真正的培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性及創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：材料物理性能；教學(xué)新理念；主動性；創(chuàng)新性

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）15-0145-02

《材料物理性能》是材料物理專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，屬于學(xué)校重點課程建設(shè)項目，為校級精品課程，《材料物理性能》是以物理理論基礎(chǔ)與材料性能相結(jié)合為主的一門課程，目的是培養(yǎng)學(xué)生既具備扎實的材料物理學(xué)基礎(chǔ)知識，又能熟練掌握物理性能的研究和實驗技能。該課程是一門理論性和實踐性都很強的課程，綜合了材料學(xué)、物理學(xué)以及結(jié)晶學(xué)等方面的內(nèi)容，旨在利用物理學(xué)理論闡述材料的性能及規(guī)律。用材料的成分、微觀結(jié)構(gòu)、組織形態(tài)等相互關(guān)系的基礎(chǔ)理論，深刻理解材料的各種性能控制因素，并在材料研究中建立相應(yīng)的物理模型[1]。

一、《材料物理性能》課程的特點

該課程的最大特點是內(nèi)容多，涉及面廣，不但包括熱、光、電、磁、聲，通常也包括力學(xué)和功能與轉(zhuǎn)換。將這兩部分包括進(jìn)來是更合理的，因為力學(xué)性能本身就是材料的重要物理性能之一，只不過因為涉及范圍太廣，應(yīng)用也很廣，發(fā)展也比較成熟，因此通常獨立出來，單獨設(shè)課，至于功能與轉(zhuǎn)換則充分體現(xiàn)了熱、光、電、磁等的相互聯(lián)系，體現(xiàn)了當(dāng)代學(xué)科的交叉發(fā)展特性。如果通過采取一定的方法和措施將學(xué)生學(xué)到的知識融會貫通，也有助于提高學(xué)生將來從事各種材料研究和工作能力，為學(xué)生畢業(yè)后的工作和實踐打下扎實的理論基礎(chǔ)，并有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和解決問題的能力，以滿足社會對材料類人才的要求。關(guān)于《材料物理性能》的教改文章較多，但基本都限于講述該課程的重要性，強調(diào)授課以學(xué)生為中心，強調(diào)實驗的重要性等[2-5]，也有一些老師提出了一些獨特的教學(xué)方法，如用中文講課，用英語做總結(jié)[6]，前提是學(xué)生必須足夠良好的英語水平。但都很少涉及到該門課程的本質(zhì)，很少真正地提出“培養(yǎng)學(xué)生將該門課程融會貫通”的理念。在國內(nèi)，文獻(xiàn)[7]采用“基于Venn流程圖式的課堂教學(xué)模式”探討了大學(xué)課堂授課方式的理念，提出的橫向聯(lián)系，融會貫通教學(xué)理念，旨在真正地培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性及創(chuàng)新性。

二、知識融會貫通的重要性

筆者認(rèn)為，學(xué)科交叉發(fā)展，融會貫通才是材料物理學(xué)教學(xué)的真諦，客觀世界事物都具有多面性，不像課堂上教授的知識，可以獨立來學(xué)習(xí)。以焊接手機的焊錫為例，眾所周知，焊錫的導(dǎo)電性能是最基本的性能，將不同器件焊在一起的目的就是讓它們相互導(dǎo)通，實現(xiàn)信息輸送。除了良好的導(dǎo)電性能，足夠的力學(xué)性能也是焊錫必須的；另外，導(dǎo)熱性能也是必須考慮的因素，如果沒有良好的導(dǎo)熱性能，則焊點溫度容易升高，減少使用壽命。因此在研發(fā)和生產(chǎn)焊錫材料時，電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能都必須同時考慮，缺一不可。在油田建設(shè)中，同樣也不僅僅考慮力學(xué)問題。如利用套管來固井，通常采用水泥等材料將套管分段與井壁連接，通常套管強度越高，則會導(dǎo)致問題越多。因為材料的強度越高，延伸率越小，硬化指數(shù)越小，在相同的溫度變化范圍內(nèi)更容易發(fā)生縮頸被拉斷。因此選擇固井材料時，必須考慮到溫度的變化。由以上兩例即可知，專業(yè)基礎(chǔ)課《材料物理性能》教學(xué)中，不能再像高中物理和大學(xué)物理教學(xué)那樣，熱、光、電、磁、聲等獨立教學(xué)，必須相互聯(lián)系起來，融會貫通，才能真正培養(yǎng)出具有主動性和創(chuàng)新性的人才。

三、不同物理性能之間的相互聯(lián)系

事實上，材料的各種性能，本身就不是相互獨立的。不同的物理性能只不過是同一材料在不同激勵下做出的不同反應(yīng)而已。例如，施加了拉力，材料則呈現(xiàn)出力學(xué)性能，通電后則呈現(xiàn)出電學(xué)性能，施加光激勵，則呈現(xiàn)出光學(xué)性能。許多科學(xué)家已經(jīng)建立了不同性能之間的定量關(guān)系，如魏德曼-弗蘭茲定律，建立了熱學(xué)和電學(xué)之間的關(guān)系：L=■（1）式中：L為常數(shù)，2.443×10-8W·'Ω/K2；λ為熱導(dǎo)率，W·m-1/K；σ為電導(dǎo)率，'Ω-1·m-1；T為溫度，K。盡管隨著科技的高速發(fā)展，材料越來越復(fù)雜，對于個別材料也許例外，但對于絕大多數(shù)材料來說，都是滿足以上關(guān)系式的。另外一些人則建立了力學(xué)和熱學(xué)之間的關(guān)系如下式所示：E=KT■■/V■ （2） 式中：E為彈性模量；Tm為熔點（K）；V為比容；k，a，b為常數(shù)，一般a約為1，b約為2。有人甚至將光學(xué)性能也與電學(xué)和熱學(xué)聯(lián)系起來如下式所示：

n=■ （3） 式中：n為介質(zhì)的折射率；εr為相對介電常數(shù)；μr為相對磁導(dǎo)率?？梢?，材料各種性能關(guān)系很緊密，甚至存在定量關(guān)系，因此，在研究材料的過程中，改善材料的一種性能，必須考慮到是否影響到其他性能，是否其他性能超出了應(yīng)用的最低要求。同時，也只有掌握各種性能之間的關(guān)系，才有可能將各種性能聯(lián)系起來，才可能將知識融會貫通。

四、性能聯(lián)系的物理本質(zhì)

材料的物理性能存在聯(lián)系，源于材料的微觀結(jié)構(gòu)。材料的微觀結(jié)構(gòu)決定了宏觀物理性能之間存在著必然聯(lián)系，通過對其微觀結(jié)構(gòu)的理解，也更容易理解材料物理性能之間聯(lián)系的本質(zhì)規(guī)律。物質(zhì)是由原子和分子構(gòu)成的，分子和原子的種類及結(jié)構(gòu)不但決定不同材料的性能，還決定了不同性能之間的關(guān)系。如物質(zhì)原子間的距離通常能夠決定材料的力學(xué)性能高低，通常材料的原子間距越大，材料的彈性模量越小，理論斷裂強度也越小如下式所示：E=■，σ■=■ （4）式中：k、m是常數(shù)（m>1）；E為彈性模量；a為原子間距；σth為理論斷裂強度；γ為表面能。材料的原子間距除了受本身屬性決定，還要受到溫度的影響。因為溫度使得原子運動加劇，會導(dǎo)致原子間距增加。原子間距的增加，通常會導(dǎo)致力學(xué)性能參數(shù)彈性模量下降，同時也導(dǎo)致材料發(fā)生膨脹，涉及到熱學(xué)問題。當(dāng)然，更大原子間距，也會影響到的電學(xué)性能，如電阻增加，同時，光學(xué)性能也受到影響。當(dāng)然，材料的性能除了受到本身的原子種類和結(jié)構(gòu)的影響，還受到缺陷和雜質(zhì)等的影響，因此，在研究材料的性能過程中，不但必須具有豐富的理論知識，還要求具有豐富的實踐經(jīng)驗。

五、基于Venn流程圖式的課堂教學(xué)模式在《材料物理性能》教學(xué)中應(yīng)用

基于Venn流程圖式的課堂教學(xué)模式是一種有效加強縱橫聯(lián)系，融會貫通的教學(xué)方法，該教學(xué)改革團隊的老師采用基于Venn流程圖式的課堂教學(xué)模式，取得了良好的教學(xué)效果[7]，采用Venn流程圖式的授課方式，針對目前大學(xué)教育的現(xiàn)狀，讓授課教師對知識體系和知識結(jié)構(gòu)具有更高程度的凝練和總結(jié)，以一種更富邏輯性的方式將知識內(nèi)容展現(xiàn)出來。眾所周知，在當(dāng)前高等教育模式之下，大學(xué)教師的授課科目數(shù)量較少，一至兩門課往往講授很多年。在這種教學(xué)相長的授課方式下，教師對學(xué)科、專業(yè)和教材等方面的知識體系非常熟稔，對與課程相關(guān)的基礎(chǔ)知識、知識體系和授課內(nèi)容的講授把握較好。在這種背景之下，加強對知識體系和知識結(jié)構(gòu)的縱橫聯(lián)系和融會貫通，就變得非常有必要。《材料物理性能》是一門對數(shù)理及應(yīng)用知識綜合要求較高的課程，在授課過程中，教師往往涉及較多的知識體系和內(nèi)容，涉及熱、光、電、磁等。可借鑒的一種方法是，授課教師采用Venn流程圖為主線，穿針引線，以一種富有邏輯關(guān)系的方式，將授課中的重點與難點關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)知識體系的縱橫聯(lián)系和融會貫通，增強學(xué)生對知識的理解和掌握能力同時，這種授課方式還可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓師生間的互動變得輕松有趣，利于知識的發(fā)散性拓展。

六、結(jié)束語

學(xué)生只有將所學(xué)到知識融會貫通，才可能具有自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，才能將他們培養(yǎng)成為具有理論聯(lián)系實際，具有分析問題和解決問題能力的當(dāng)代大學(xué)生，才有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和獨立思考能力，從根本上提高課程課堂的教學(xué)效果。需要說明的是，筆者能夠在教學(xué)中實現(xiàn)該理念，且取得了良好的教學(xué)效果，可能與學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程之前，已經(jīng)學(xué)習(xí)了《量子力學(xué)》和《固體物理》兩門課程。對于沒有預(yù)先學(xué)習(xí)過該兩本課程的學(xué)校，必須為該課程設(shè)置更多的課時，否則縱橫聯(lián)系，融會貫通這一教學(xué)新理念教學(xué)效果會大打折扣。

參考文獻(xiàn)：

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[7]王黨會，許天旱，宋海洋，王磊，姚婷珍.基于Venn流程圖式的課堂教學(xué)模式研究[J].人力資源管理，2015，（8）：98-98.