材料專業(yè)大學物理教學內容的改革與實踐

杜鵑 王長征 滕謀勇 魏燕燕 胡成超

摘 要：大學物理課程是材料專業(yè)的基礎課，它的教學改革具有重要的意義。文章從改革課件、增加與材料專業(yè)相關內容、教學方法改革等方面做了初步的探討和嘗試，從而增強學生興趣，增大了課程的內容含量。

關鍵詞：大學物理；基礎課；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）11-0132-03

Abstract： College physics course is a basic course of material major， and its teaching reform is of great significance. This article has made preliminary exploration and attempt from reforming courseware， increasing contents related to materials， reforming in teaching methods， etc. This reform enhances the students' interest and increases the contents of the course.

Keywords： college physics； Basic course； Teaching reform

物理學是材料學發(fā)展的基礎，材料的發(fā)展離不開物理，材料科學中遇到的難題不斷吸引物理學家去解答，新材料、新工藝和各種微觀結構性能的研究又涉及到物理學的各個領域，材料學最新的研究方向更是從偏重化學實驗轉向偏重物理分析。大學物理是材料類學生的一門重要的基礎課程，也是大一新生走進大學校園最先接觸到的課程之一，這門課程旨在培養(yǎng)學生對物理原理的理解，為學生進一步學習材料專業(yè)的相關理論知識打下良好的基礎。與此同時，大學物理還能培養(yǎng)物理特色的思維方式，對學生處理其他問題也具有指導作用：即透過現(xiàn)象看本質、抓主要矛盾、做合理假設、建數(shù)學模型，從而真正做到舉重若輕、事半功倍。

大學物理是世界范圍內理工科高等院校普遍開設的基礎課程。美國哈佛大學[1]的物理教學模式主要包括，第一，案例教學；第二，互動討論法教學；第三，教研結合教學；第四，教師獨立教學。麻省理工學院提出了以研究為主的大學物理教學模式[2]，在教學過程中，教師只是起到指導作用，學生是教學活動的主體，從而更好的培養(yǎng)和造就科技人才。北卡羅來納州立大學采用以學生為中心的教學法[3]，學生們在小組里互相合作，進行活動，而教師負責通過討論，對學生進行指導。伊利諾伊大學香檳分校的大學物理教學中，整個教學過程都是以學生為主體[4]，強調學生的參與，教師在授課過程中，大量提問，學生積極踴躍參與討論。德國克勞斯塔爾工業(yè)大學也注重教學和科研的統(tǒng)一[5]。這種教學與科研密切結合的體制，對提高大學物理教學質量大有裨益。這些世界一流名校的經驗對于國內的普通高校未必適用，我們只需加以借鑒，并不一定要完全照搬。目前國內尤其是地方院校，大學物理的教學情況是：學時少，現(xiàn)代化教育手段運用不足。更嚴峻的是，擴招給地方院校帶來巨大的壓力，師資力量無法滿足需要，而生源質量又大幅下降，因此對大學物理教學的影響壓力很大。

我們在聊城大學材料科學與工程學院多年的大學物理的教學過程中發(fā)現(xiàn)，很多學生認為大學物理內容過于深奧抽象，難以學以致用。還有一部分學生覺得大學物理的內容與自己的專業(yè)課程聯(lián)系不大，沒有多少實際用途，以致于學習大學物理的興趣不佳，主動性差，甚至有厭學情緒。上課不認真，玩手機，學習其他課程甚至逃課，課后抄襲作業(yè)甚至不寫作業(yè)，考試時作弊等現(xiàn)象比比皆是。很多學生不為學會知識，只為應付考試及格。

目前材料專業(yè)的大學物理教學基本上是沿襲物理專業(yè)的教學模式進行的，這樣的模式不適用于材料專業(yè)建設和學生主動性培養(yǎng)的要求，主要表現(xiàn)在：

1. 材料學的發(fā)展日新月異，然而我們所用的大學物理教材內容依然是沿用多年前的教材體系，教材里只有極少的現(xiàn)代科技發(fā)展的簡介，對學生缺乏足夠的吸引力。

2. 大學物理教學內容對學生的專業(yè)、學科沒有區(qū)分，與專業(yè)結合不夠緊密，教師只注重物理知識的講授，忽視物理學與材料專業(yè)之間的緊密聯(lián)系及物理知識在實際中的應用，因此無法激發(fā)學生的學習熱誠。

3. 大學物理課堂內容多以教師講述為主，課堂上演示性、設計性實驗較少，以致于很多抽象的原理學生理解不了，同時，課堂和課后師生間互動較少，教學質量大大降低。

當前，各學校各專業(yè)都在積極的探索適合本專業(yè)學生的大學物理教學模式，以解決當前阻礙大學物理教學改革的瓶頸。本文根據聊城大學材料學院的實際情況，以提高材料專業(yè)大學物理課程教學質量、培養(yǎng)學生科研精神、增強學生分析問題解決問題的能力為出發(fā)點，依據大學物理教學的目標與要求，結合材料專業(yè)特色，注重物理知識與材料知識的聯(lián)系，體現(xiàn)物理知識是材料專業(yè)研究工具的特點，開展對材料專業(yè)大學物理教學模式改革的探討，最終調動學生的學習熱誠，使學生懂得學習物理的重要性并能用物理知識解決專業(yè)問題，使物理知識與材料專業(yè)知識相輔相成、互相促進。本文的改革方案如圖1所示：

一、積極探索，改革教學軟件

利用專業(yè)軟件工具包制作一套適合材料專業(yè)學生的大學物理電子教程。大學物理課堂上，加入材料、物理、生物、計算機、天文學的前沿科技，彌補傳統(tǒng)教材體系落后于時代、應用性不強的缺點。讓學生能夠了解到社會的發(fā)展和科技前沿的最新動態(tài)，將學生代入一個生動、形象、具體的環(huán)境，活躍課堂氣氛，開闊學生視野，增加學生的求知欲望。

二、將物理學史貫穿融入到物理課的教學中去

講課過程中，融入與課本相關的物理方面的名人軼事和物理學史。通過講述科學家的趣事和成長成才經歷，讓學生體會到大學物理的方法論是如何演繹的，讓學生感悟物理學家是如何考慮科學問題，如何解決問題的，了解物理學大師科學創(chuàng)造的思路，使學生從中獲得啟發(fā)、感悟和熏陶。讓學生自己體會做學問的三個境界：昨夜西風凋碧樹，獨上高樓，望斷天涯路；衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴；眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處。掌握了這三個境界，學生便很自然的掌握了科學的邏輯思維方法。

三、結合專業(yè)特色，改革教學內容

針對材料專業(yè)特色對大學物理各部分的內容有所取舍，一是要保證基本的大學物理教學內容，二是預留一定的學時，根據學生專業(yè)的緊密程度作出調整。例如：力學部分，對材料專業(yè)的同學，應花更多的時間講述利用原始概念通過微積分計算物理量的方法，而對各種守恒規(guī)律計算的練習可適量減少，并補充《流體力學》、《工程力學》、《工程材料力學性能》、《材料力學》的相關知識點。熱學部分對材料類學生作用很大，因此，這一部分應多花時間。光學部分，增加講述與《材料研究與測試方法》相關聯(lián)的內容，著重介紹光譜分析與應用，并對最新的材料檢驗手段及其基本原理稍做介紹。另外，這部分內容中教材內沒有涉及波速的問題，而材料力學牽涉到波速的問題，電磁學部分，要簡要介紹對應的實驗方法、儀器、結論，簡要介紹電路分析方法，將其應用到以后的材料學研究中，講電容的時候可以增加與功能陶瓷材料性能參數(shù)及其表征相關的內容，并講授色環(huán)法識別電阻和電感電容在電子器件中的應用等相關知識，以有助于將來學生工作和科研的需要，這部分內容整體上與材料學關系不太密切，可以略講。量子力學是現(xiàn)代物理學的基礎，要深入了解材料的基本結構，光唯象地知道晶體結構、大致了解統(tǒng)計力學上的朗道相變、“大致”“可能”地定性說明原因，在如今的材料學研究中是遠遠不夠的！就現(xiàn)在的發(fā)展趨勢而言，材料學已經離以前”炒菜式“的研究方式越來越遠了，很多時候都要先進行理論或半定量的粗略計算對性能進行預測，然后再進行制備。很多材料在納米尺度上量子效應是不能忽視的，因此在計算和預測的過程中需要用到量子力學的內容。而電子材料相關的理論全要用到量子力學，比如能帶理論，PN結等都需要用量子力學來解釋和分析。固體物理中，近自由電子近似、緊束縛近似等這些模型都需要量子力學的內容來支撐。因此，增加量子力學部分的內容。

四、重視實驗教學，拓展演示實驗和虛擬仿真實驗的教學范圍

楊振寧曾在《物理通報》中題詞：”物理學是以實驗為本的科學“。開展實驗探索教學不僅能為學生提供豐富的感性認識，為思維加工提供大量素材，而且能為學生能力培養(yǎng)，創(chuàng)造良好的條件。大學物理演示實驗具有形象化，具體化，學生興趣高的特點，演示實驗生動立體，能調動學生的各種感官，讓學生更好的了解物理原理與實際生活現(xiàn)象的聯(lián)系。根據課程需要，購買適用于進行演示實驗的教具，例如標準音叉，磁懸浮列車，錐體上滾，手觸式蓄電池，茹科夫斯基椅等，讓學生明白，物理其實就存在于我們生活中的點點滴滴。由于受到場地、器材等各方面的影響，對于不方便進行道具演示的實驗，可以用教學軟件進行仿真實驗向學生們進行演示，以克服實驗室器件、品種、規(guī)格和數(shù)量不足以及儀器損壞的困難，節(jié)約大量昂貴的實驗儀器費用。購買合適的仿真實驗教學軟件，例如LabVIEW圖形化編程軟件可進行信號分析處理的電路實驗，VR編程軟件可實現(xiàn)核磁共振系列實驗，MATLAB編程軟件可實現(xiàn)倒立擺原理的實驗等，同時，教師要掌握仿真技術與現(xiàn)代化教學手段，優(yōu)化教學過程，設計好虛擬仿真形式的物理實驗。

五、師生合力，共同打造互動討論式教學模式

打破傳統(tǒng)教學模式中教師講授的單一方式，通過提煉出一些專題內容，由學生通過自主學習、交流合作和討論的方式進行自行學習。挖掘學生的自學能力和自學意識。課前給學生提出問題，提高學生自學能力。課堂上通過多媒體、網站等進行演示，以現(xiàn)代教育思想和現(xiàn)代材料科技的成就為主線，向材料類學生介紹現(xiàn)代物理學的整體知識結構，內容從單一基礎物理實驗到紅外應用、超導、液晶顯示、低溫技術等現(xiàn)代技術領域，并以此為題目給學生布置小論文，充分調動學生探索物理知識的積極性。課堂教學采用“案例教學法”即根據學生的實際情況和教學內容的要求，運用典型案例，進行深入討論和分析，還可以采用“問題向導式教學”法即以通過精心設計提出問題，引導學生自主分析問題，以理清學生解決問題的思路，使學生的思維處于激活的狀態(tài)。課后的習題布置要貼近工程實際，典型有趣，能充分體現(xiàn)物理思想、物理方法，便于培養(yǎng)提高學生的探究能力，引發(fā)創(chuàng)新沖動。課后還可以開發(fā)和設計研究課，激勵和引導有需要的學生自由組隊進行課外研究，最后由學生代表在課堂上進行講授，開展學生的自評和互評，整個過程學生自主學習起主導作用。

六、教師定期開展教學研究活動，提高教學水平

規(guī)范管理，大學物理的四位任課老師定期和不定期的開展教學研究的活動，一般每周一次。討論教學內容、教學方法、學生情況等，在交流、討論、爭論中提高教學水平。

七、結束語

綜上所述，物理學研究的進展促進了材料科學的發(fā)展，同時材料科學中的問題也向物理學家提出意義深遠的挑戰(zhàn)，材料和物理是緊密結合的，大學物理課程要與科技的快速發(fā)展同步，一成不變的教學思想已經不適應當今社會對于培養(yǎng)人才的要求，材料專業(yè)的大學物理的教學改革勢在必行。通過對大學物理課程的一系列改革，不僅可以讓學生積極主動的學習大學物理，緊密的聯(lián)系學生的專業(yè)知識，緊跟科技前沿，更重要的是培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和科技創(chuàng)新能力。因此，教師在教學中要注重物理知識與材料知識的聯(lián)系，實現(xiàn)物理教學與材料專業(yè)教學的銜接。學生在學習過程中應加深對大學物理與專業(yè)課之間關系的認識，使材料知識與物理知識相輔相成、互相促進。

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