材料類專業(yè)“材料物理化學(xué)”課程教學(xué)的探索

陶洪 趙洪陽 付萍

[摘 要] “材料物理化學(xué)”是材料類專業(yè)較新的一門學(xué)科基礎(chǔ)課，針對“材料物理化學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)體系的構(gòu)建，結(jié)合自身的授課經(jīng)驗(yàn)，從課程教材、課程內(nèi)容和教學(xué)實(shí)踐三個(gè)方面對材料類專業(yè)“材料物理化學(xué)”課程教學(xué)展開了一系列探索和實(shí)踐。

[關(guān)鍵詞] 材料物理化學(xué);教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)實(shí)踐

一、引言

在全國教育大會(huì)上，習(xí)近平總書記提出“推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，積極投身實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，著重培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才”。黨的十八大以來，習(xí)近平總書記有關(guān)高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)的一系列重要講話揭示了高校教育和高科技人才的培養(yǎng)對民族偉大復(fù)興的重要性。在新時(shí)代環(huán)境下，一流創(chuàng)新人才及高科技人才的培養(yǎng)是高校教育的基本要求。材料類專業(yè)是培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才的重要方向，而專業(yè)基礎(chǔ)知識的教授是專業(yè)科技人才培養(yǎng)的第一步。大學(xué)生在大學(xué)期間會(huì)接觸很多課程，包括學(xué)科基礎(chǔ)課、專業(yè)主干課以及專業(yè)方向課等。課程及其教學(xué)內(nèi)容的安排對學(xué)生的培養(yǎng)與發(fā)展至關(guān)重要?！安牧衔锢砘瘜W(xué)”課程是材料物理專業(yè)課程改革后新添入的一門學(xué)科基礎(chǔ)課程。在這之前，“物理化學(xué)”課程是材料類專業(yè)學(xué)生必學(xué)的一門學(xué)科基礎(chǔ)課。

二、課程教材的選擇

課程教材的選擇對教學(xué)內(nèi)容的安排起到至關(guān)重要的作用。材料學(xué)科是一門歷史并不悠長的新型學(xué)科，而材料物理化學(xué)課程更是顯得尤為年輕。我們首先選擇了化學(xué)工業(yè)出版社出版的“材料物理化學(xué)”教材。這本教材的特點(diǎn)是以材料的結(jié)構(gòu)以及材料結(jié)構(gòu)的形成為主線，從物理化學(xué)的角度講解材料科學(xué)與工程的基礎(chǔ)理論問題。課程內(nèi)容包括：材料的結(jié)構(gòu)（晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)缺陷、熔體和玻璃體、顯微結(jié)構(gòu)）;熱力學(xué)在凝聚態(tài)體系的應(yīng)用;固體表面與界面;相平衡與相變;擴(kuò)散與固相反應(yīng);燒結(jié)。針對材料物理專業(yè)，在教學(xué)內(nèi)容安排過程中，我們發(fā)現(xiàn)了如下問題：第一，“材料的結(jié)構(gòu)”和“相平衡與相變”這兩部分內(nèi)容與“材料科學(xué)基礎(chǔ)”的課程內(nèi)容出現(xiàn)了重復(fù)，而這兩部分內(nèi)容是這本教材的主體部分;第二，熱力學(xué)應(yīng)用這一塊的知識的論述是建立在扎實(shí)的熱力學(xué)基礎(chǔ)之上的，而學(xué)生在大學(xué)物理基礎(chǔ)課上學(xué)習(xí)的熱力學(xué)知識有限，這無疑加大了本專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)這一部分內(nèi)容的難度;第三，其他章節(jié)內(nèi)容安排較少，局限了本專業(yè)相關(guān)課程內(nèi)容的選擇。每本教材都有自己的特色，所選教材固然好，但無法適應(yīng)本專業(yè)學(xué)生的專業(yè)知識需求。

第二個(gè)我們選擇的教材是國防工業(yè)出版社出版的普通高等教育材料科學(xué)與工程“十二五”規(guī)劃教材“材料物理化學(xué)”。這本教材調(diào)整研究對象，從學(xué)習(xí)對象和過程兩個(gè)角度突出“材料”二字。在材料研究領(lǐng)域，大部分研究對象都是凝聚態(tài)（固體和液體），而關(guān)于氣體的研究比較少見，這是“材料物理化學(xué)”區(qū)別于“物理化學(xué)”的一個(gè)重要特征?！安牧衔锢砘瘜W(xué)”的核心基礎(chǔ)知識仍然是在經(jīng)典“物理化學(xué)”課程內(nèi)容的范疇，因此，在課程內(nèi)容改革過程中，“物理化學(xué)”課程的經(jīng)典核心內(nèi)容是不能放棄的。

三、課程內(nèi)容的選擇

我們系統(tǒng)地對比研究了所選的“材料物理化學(xué)”教材和高等教育出版社出版的“物理化學(xué)簡明教程”教材內(nèi)容。主體內(nèi)容上，它們都包含熱力學(xué)、化學(xué)平衡及化學(xué)動(dòng)力學(xué)、相圖、表面現(xiàn)象以及電化學(xué)等方面的知識點(diǎn)。它們的區(qū)別則主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：第一，“材料物理化學(xué)”教材額外引入物質(zhì)狀態(tài)的介紹，提出凝聚態(tài)以及“2+2”的概念，以便材料類的學(xué)生在課程伊始就把握住課程學(xué)習(xí)的對象;第二，化學(xué)平衡及化學(xué)動(dòng)力學(xué)等純化學(xué)化工知識適當(dāng)簡化;第三，相圖的知識以凝聚態(tài)為重點(diǎn)學(xué)習(xí)對象;第四，在表面現(xiàn)象這一部分內(nèi)容中，著重強(qiáng)調(diào)界面的概念和應(yīng)用;第五，鑒于材料學(xué)科的交叉性，引入了材料學(xué)科研究過程中經(jīng)常涉及的膠體化學(xué)內(nèi)容。通過上述對比，我們發(fā)現(xiàn)“材料物理化學(xué)”課程的基本性質(zhì)依舊是基礎(chǔ)理論，只是在課程知識體系構(gòu)建上需要牢牢把握“材料”的特點(diǎn)。

課程改革后，“材料物理化學(xué)”課程采用32個(gè)課時(shí)的課堂教學(xué)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于“物理化學(xué)”課程的教學(xué)課時(shí)。課時(shí)的精簡也對課程內(nèi)容的安排提出了更高的要求。首先，在熱力學(xué)部分，我們以理想氣體為切入點(diǎn)，將相關(guān)概念過渡到凝聚態(tài)，簡化公式推導(dǎo)與計(jì)算、注重概念的講解，這樣可極大地避免因煩瑣計(jì)算推導(dǎo)導(dǎo)致的時(shí)間浪費(fèi)問題;其次，我們簡化了化學(xué)平衡及化學(xué)動(dòng)力學(xué)部分的內(nèi)容，只著重介紹材料研究中會(huì)應(yīng)用到的相關(guān)概念。

四、課程教學(xué)實(shí)踐

教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方案則需要在教學(xué)實(shí)踐過程中不斷完善。

（一）更新教學(xué)內(nèi)容

在第一年講授“材料物理化學(xué)”的過程中，我發(fā)現(xiàn)了許多問題。其中，最關(guān)鍵的兩個(gè)問題是學(xué)生的基礎(chǔ)薄弱以及教學(xué)課時(shí)的受限，而如何兼顧“材料”的專業(yè)知識和“物理化學(xué)”的基礎(chǔ)知識也是課程教學(xué)過程中面臨的一個(gè)難點(diǎn)。在第一年的課堂上，熱力學(xué)部分花費(fèi)的時(shí)間較多，直接導(dǎo)致后續(xù)課程講解不深入，很多需要深入分析講解的內(nèi)容只是浮于表面，教學(xué)效果也不甚如意。因此，第二年課程開始之前，我對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)整，精簡熱力學(xué)部分的基礎(chǔ)知識，強(qiáng)化與材料相關(guān)的專業(yè)知識。首先，以“物質(zhì)的狀態(tài)和表征”為課程的切入點(diǎn)，引入材料結(jié)構(gòu)的基本知識，為后續(xù)課程打基礎(chǔ);其次，系統(tǒng)講授“材料物理化學(xué)”的核心知識點(diǎn)，包括不同物質(zhì)狀態(tài)下的熱力學(xué)分析、與材料制備研究過程相關(guān)的化學(xué)理論基礎(chǔ)知識（化學(xué)平衡與化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)）;然后，深入從物理化學(xué)的角度講解與材料相關(guān)的表面/界面理論知識;最后，系統(tǒng)講授對材料研究至關(guān)重要的電化學(xué)相關(guān)內(nèi)容。在授課過程中，也盡量做到知識點(diǎn)的覆蓋和各章節(jié)內(nèi)容的銜接。

（二）改進(jìn)教學(xué)方法

如果把課程教學(xué)比作構(gòu)筑建筑，教學(xué)內(nèi)容可以看作是框架，而教學(xué)方法和手段就是一門課程的主體。信息化時(shí)代，傳統(tǒng)的教學(xué)方法已經(jīng)不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，如果不進(jìn)行積極的引導(dǎo)，很可能導(dǎo)致學(xué)生因不解和困難而失去學(xué)習(xí)興趣。剛?cè)肼毜臅r(shí)候，我接受了大量與教學(xué)有關(guān)的培訓(xùn)，培訓(xùn)老師都在強(qiáng)調(diào)改變教學(xué)觀念的重要性。在教師和學(xué)生的關(guān)系上，我們應(yīng)當(dāng)建立“以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的新觀念。在新的教學(xué)觀念的指導(dǎo)下，我針對“材料物理化學(xué)”課程進(jìn)行了一些教學(xué)方法的改革。

1.為了培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型創(chuàng)新人才，在更新教學(xué)內(nèi)容和課程體系之余，更重要的是要重視學(xué)生創(chuàng)新思維方法和自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)[1]，這也是課時(shí)精簡的最終目的。因此，針對部分難度較低的課程內(nèi)容，我們將翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用到“材料物理化學(xué)”的教學(xué)中，要求學(xué)生提前完成知識的學(xué)習(xí)，把課堂教學(xué)從講授變成互動(dòng)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，從而達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和加強(qiáng)學(xué)生理論知識體系構(gòu)建的目的。

2.從教學(xué)過程中學(xué)生反饋的信息可以發(fā)現(xiàn)，課堂的教學(xué)氛圍對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果影響很大，師生互動(dòng)是組成課堂教學(xué)的必要因素。教學(xué)過程中要更突出啟發(fā)式的教學(xué)思想，從面面俱到的傳授轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)到為止的引導(dǎo)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和學(xué)習(xí)積極性[2，3]。每堂課開始，我都會(huì)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行復(fù)習(xí)，在復(fù)習(xí)的過程中加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)，幫助我更好地了解學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況，也能幫助同學(xué)們更快地進(jìn)入課堂。

3.“材料物理化學(xué)”課程內(nèi)容較多、課時(shí)較少，這就對學(xué)生的課后學(xué)習(xí)質(zhì)量提出了要求。因此，我利用微助教幫助學(xué)生在課下進(jìn)行復(fù)習(xí)、預(yù)習(xí)以及知識梳理。微助教相當(dāng)于我們的第二課堂，我將課程PPT和課程重難點(diǎn)羅列在上面，方便學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí);構(gòu)建討論組，以便他們在學(xué)習(xí)過程中遇到問題可以及時(shí)提出;針對每章節(jié)內(nèi)容，我都會(huì)在微助教上面編輯一些練習(xí)題來幫助學(xué)生鞏固已經(jīng)學(xué)到的知識。

五、結(jié)語

要想上好一門專業(yè)課，教師扎實(shí)的知識水平、與時(shí)俱進(jìn)的教學(xué)方法，不斷完善的教學(xué)內(nèi)容和合理的教學(xué)方案設(shè)計(jì)這三者缺一不可。通過“材料物理化學(xué)”這一新課程的建設(shè)，我從中受益匪淺，新課程建設(shè)依舊任重道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃治同.面向“新工科”復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教學(xué)模式綜合改革與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2019（16）：224-225.

[2]趙彬.材料力學(xué)全英文教學(xué)的一體化建設(shè)模式探索[J].教育教學(xué)論壇，2019（30）：131-133.

[3]邱小雷，姚霞，曹強(qiáng).高等教育國際化背景下全英文課程建設(shè)探索[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2017（4）：128-131.