“材料物理基礎(chǔ)”課程問題導(dǎo)向式教學(xué)模式實(shí)踐初探

王英敏，羌建兵，李春艷

（大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

固體物理是研究固體的結(jié)構(gòu)、組成粒子（原子、離子、電子）之間相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律和物理性質(zhì)的學(xué)科，是材料大類工科學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)理論課程。以往，傳統(tǒng)的固體物理課程是建立在學(xué)生正確把握和理解《量子力學(xué)》《統(tǒng)計(jì)物理》《熱力學(xué)》等教材中基本概念和原理之上的。由于材料學(xué)科的特點(diǎn)以及學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的不同，材料類工科本科生缺乏這些理論基礎(chǔ)，加之目前課程學(xué)時(shí)限制，學(xué)生在理論課程的學(xué)習(xí)過程中因無法快速吸收消化相關(guān)理論知識(shí)，會(huì)對(duì)理論學(xué)習(xí)產(chǎn)生排斥心理，課堂沉悶被動(dòng)，容易滋生厭學(xué)情緒。針對(duì)這一現(xiàn)象，為滿足功能材料與金屬材料專業(yè)本科生教學(xué)培養(yǎng)需求，從2019年起，大連理工大學(xué)材料學(xué)院將理論色彩濃厚的“固體物理基礎(chǔ)”課程調(diào)整為面向材料大類學(xué)生培養(yǎng)的“材料物理基礎(chǔ)”，旨在為材料大類工科學(xué)生提供一門理論深度適當(dāng)、滿足當(dāng)前新材料發(fā)展需要，且便于學(xué)以致用的工科型固體物理課程?！安牧衔锢砘A(chǔ)”是介紹固體材料中所蘊(yùn)含的基本物理學(xué)規(guī)律的課程，是面對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)本科生的基礎(chǔ)必修課，也是理工科學(xué)生學(xué)習(xí)材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料物理性能、材料分析測(cè)試方法、材料力學(xué)性能等專業(yè)基礎(chǔ)課的先導(dǎo)性課程。材料物理基礎(chǔ)課程將深入討論材料科學(xué)基本概念、科學(xué)現(xiàn)象背后的物理機(jī)制，為學(xué)生后續(xù)相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為此，我們亟須在傳統(tǒng)滯后的教學(xué)內(nèi)容和方法上大膽改革，使學(xué)生理論學(xué)習(xí)由抽象到形象化,通過靈活的教學(xué)方式以及科學(xué)的考核評(píng)價(jià)體系，幫助學(xué)生鞏固專業(yè)知識(shí)，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，提高教學(xué)效果，以更好地達(dá)成課程教學(xué)目標(biāo)。

1 課程特點(diǎn)與教學(xué)問題

“材料物理基礎(chǔ)”是針對(duì)材料學(xué)本科生開設(shè)的一門重要的理論課程，教學(xué)設(shè)計(jì)涵蓋固體結(jié)構(gòu)、合金的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)和相變、固體的鍵合和自由電子模型、有限溫度下固體中的電子、點(diǎn)陣振動(dòng)、周期勢(shì)場(chǎng)中的導(dǎo)電電子、典型元素的電子結(jié)構(gòu)、合金的電子結(jié)構(gòu)以及固體中電導(dǎo)和超導(dǎo)、半導(dǎo)體、磁性和光學(xué)性質(zhì)等內(nèi)容。其特點(diǎn)是綜合了量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、熱力學(xué)等眾多基礎(chǔ)課的知識(shí)點(diǎn)。目前，傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)不能適應(yīng)科技發(fā)展的需要，只講材料物理的傳統(tǒng)內(nèi)容已經(jīng)不能滿足精英人才培養(yǎng)的需要，應(yīng)著眼于材料學(xué)發(fā)展新動(dòng)態(tài)、研究熱點(diǎn)和重大問題，有意識(shí)地以學(xué)科的發(fā)展深入課程建設(shè)，有選擇地將材料學(xué)前沿應(yīng)用成果以及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)引入課堂，與基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)“接軌”，完美實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，激發(fā)學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)學(xué)科理論實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新的勇氣，提高學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)自我學(xué)習(xí)的積極性。材料物理知識(shí)點(diǎn)眾多，概念多、模型多、原理和定律多，有限32學(xué)時(shí)的教學(xué)無法充分闡述解釋課程的難點(diǎn)重點(diǎn)問題。在教學(xué)中應(yīng)貫徹“教為主導(dǎo)，學(xué)為主體”的原則組織課堂教學(xué)，做到有的放矢，抓住課程主線，詳略得當(dāng)，深入淺出，讓學(xué)生學(xué)會(huì)用物理學(xué)的方法思考和處理科學(xué)問題。

2 “問題導(dǎo)向”式教學(xué)法的優(yōu)勢(shì)與可行性

20世紀(jì)60年代美國(guó)神經(jīng)病學(xué)教授Barrows在加拿大McMaster大學(xué)率先提出“問題導(dǎo)向”式教學(xué)模式。90年代初引入我國(guó)，廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、材料學(xué)、管理學(xué)等領(lǐng)域。該模式以學(xué)生為主體，以問題為主線，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究問題的能動(dòng)性，是一種圍繞學(xué)生展開的教育方式。該模式完全打破了傳統(tǒng)授課模式框架，改變了傳統(tǒng)課堂師生的教學(xué)關(guān)系，變“要學(xué)生學(xué)”為“學(xué)生要學(xué)”。其倡導(dǎo)合作學(xué)習(xí)，通過設(shè)置一系列與課程有關(guān)的現(xiàn)實(shí)情景，以解答問題為任務(wù)驅(qū)動(dòng)，借助具體的學(xué)習(xí)案例，通過自主學(xué)習(xí)和小組合作方式，積極查閱文獻(xiàn)書籍，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、善于分析、表述觀點(diǎn)等專業(yè)素質(zhì)，從中激發(fā)學(xué)生分析、思考、歸納總結(jié)等基本科研能力，并為解決實(shí)際問題奠定理論基礎(chǔ)，正如艾德勒-范多倫所指出的：“老師可能用盡了方法來教，學(xué)生卻必須自己能學(xué)習(xí)才行”。事實(shí)上，教學(xué)過程是一種典型的指導(dǎo)型學(xué)習(xí)，其本質(zhì)上為“輔助型的自我發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”。就像醫(yī)生治病，病人必須在醫(yī)生幫助下自己自行恢復(fù)。問題導(dǎo)向式教學(xué)所采取的措施有利于培養(yǎng)和挖掘?qū)W生的“自發(fā)學(xué)習(xí)”潛能，這十分切合“材料物理基礎(chǔ)”的“學(xué)以致用”工科課程特色，有利于課程教學(xué)效果的提升和培養(yǎng)要求的達(dá)成。

3 學(xué)案資源庫的構(gòu)建和整合

學(xué)案資源庫的建立是“材料物理基礎(chǔ)”課程實(shí)施問題導(dǎo)向教學(xué)法的重要前提與基礎(chǔ)。學(xué)案（這里特指問題導(dǎo)向式教學(xué)法所涉及的學(xué)習(xí)案例）應(yīng)與實(shí)際需求關(guān)系密切，具有真實(shí)而又典型的、含有科學(xué)問題的現(xiàn)實(shí)事例。首先，學(xué)案最重要的是典型問題的設(shè)計(jì)，問題的設(shè)計(jì)是教學(xué)法成功的關(guān)鍵。好的案例必須突出一個(gè)明確的典型問題，并針對(duì)典型問題提出解決辦法與方案。根據(jù)特定的課堂教學(xué)目的與要求，有針對(duì)性地精心設(shè)計(jì)、編寫學(xué)習(xí)案例，案例所涉及的知識(shí)點(diǎn)模塊要緊緊圍繞利于問題解決的基本概念、原理和方法；其次，案例所提出的典型問題應(yīng)具有啟發(fā)性和擴(kuò)展性。使學(xué)生能舉一反三，觸類旁通，學(xué)而后知其所用。再者，學(xué)案必須生動(dòng)、有趣，這樣才能引發(fā)學(xué)習(xí)趣味，使學(xué)生深入其中，體會(huì)到分析、討論的樂趣，寓學(xué)于樂；基于以上考慮，結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們依據(jù)“材料物理基礎(chǔ)”課程特點(diǎn)和講課內(nèi)容，主要以固體中的原子、電子與輸運(yùn)，以及固體（合金）的平衡態(tài)性質(zhì)為主題；結(jié)合材料學(xué)院自身科研特色和學(xué)生科技創(chuàng)新與畢業(yè)設(shè)計(jì)需求，進(jìn)行教學(xué)案例的收集、編排與優(yōu)化；將真實(shí)典型的科研問題導(dǎo)入到學(xué)案中，其中典型問題涉及常見工程材料的晶體結(jié)構(gòu)解析，如Cu導(dǎo)體、硅半導(dǎo)體以及氧化物陶瓷等典型材料，解析其靜態(tài)結(jié)構(gòu)原子排布的對(duì)稱性特征，闡述相關(guān)材料完美結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)描述方法；新型特殊有序態(tài)材料與性能的關(guān)聯(lián)問題，如超導(dǎo)、低維材料、液態(tài)金屬、非晶和準(zhǔn)晶、納米材料以及錒系為代表的窄帶合金等，闡述材料的特殊有序態(tài)與其性能間的關(guān)聯(lián)；合金元素電子結(jié)構(gòu)特征問題，以Cu、Fe、Si等元素為例，分析不同類型的電子結(jié)構(gòu)特征，應(yīng)用到典型合金的電子結(jié)構(gòu)與磁性材料的電子結(jié)構(gòu)檢測(cè)與性能解析中；典型材料加工問題，如合金表面改性、硅基材料加工技術(shù)對(duì)材料微觀缺陷的影響，解析缺陷對(duì)原子擴(kuò)散的影響，引導(dǎo)出原子擴(kuò)散的非平衡統(tǒng)計(jì)（輸運(yùn)）理論，以及相關(guān)位錯(cuò)與界面理論；對(duì)科學(xué)前沿問題的提煉，如量子相變結(jié)合結(jié)構(gòu)相變理論進(jìn)行分析，重點(diǎn)體現(xiàn)材料物理基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展前沿。

以晶體結(jié)構(gòu)解析問題而言，晶體是固體材料體系的基石。相應(yīng)的，晶體物理理所當(dāng)然成為材料物理基礎(chǔ)知識(shí)框架的支撐。晶體物理的核心是基于對(duì)稱性群論的晶體學(xué)。這里以“晶體的靜態(tài)結(jié)構(gòu)”為例說明典型科學(xué)問題的凝練，學(xué)案的構(gòu)建模式、內(nèi)容與實(shí)施程序。

圖1（p124）給出了學(xué)案構(gòu)建模式框圖，其中包含了典型問題、知識(shí)點(diǎn)模塊、應(yīng)用與拓展等內(nèi)容；各項(xiàng)內(nèi)容緊緊圍繞典型問題開展。相應(yīng)的，原先離散的“知識(shí)點(diǎn)模塊”通過某特定問題關(guān)聯(lián)起來，這樣就避免了“寬基礎(chǔ)、大口徑”課程中常有的知識(shí)點(diǎn)“碎片化”問題。典型問題的提煉是構(gòu)建學(xué)案建設(shè)的重要單元。鑒于此，我們一方面將“模塊化”思想引入課程教材內(nèi)容的編排中，并緊扣大綱將教學(xué)知識(shí)條理化、模塊化；另一方面，根據(jù)學(xué)案建設(shè)的需要，搜集、篩選案例和背景資料，構(gòu)建、充實(shí)“知識(shí)點(diǎn)模塊”資料數(shù)據(jù)庫，供編制學(xué)案時(shí)選擇使用。

圖1 “晶體的靜態(tài)結(jié)構(gòu)”學(xué)案模式示例

事實(shí)上，“材料物理基礎(chǔ)”課程的問題導(dǎo)入式教學(xué)模式與學(xué)案資料庫建設(shè)不僅有利于課堂教學(xué)工作，給教師和學(xué)生提供了生動(dòng)、活潑的教學(xué)新途徑。同時(shí)，它還可以依托互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代傳播手段全天候、廣范圍地開放共享，以充分發(fā)揮其效用；此外，通過在線平臺(tái)和窗口，可及時(shí)跟蹤案例使用情況，收集、匯總用戶意見和信息，并結(jié)合實(shí)時(shí)互動(dòng)與答疑等模式，優(yōu)化和提升數(shù)據(jù)庫使用效果。

4 結(jié)語

總之，在材料類專業(yè)材料物理基礎(chǔ)課程教學(xué)過程中，要充分認(rèn)識(shí)到材料類專業(yè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因材施教。“材料物理基礎(chǔ)”課程建設(shè)的學(xué)案資料庫僅是改善與優(yōu)化了學(xué)習(xí)氛圍、形式和條件，它本身并不能直接賦予學(xué)生“主動(dòng)學(xué)習(xí)”能力。而問題導(dǎo)向式教學(xué)法是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性的良好途徑。學(xué)生在問題驅(qū)動(dòng)下深入課程學(xué)習(xí)，逐步學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用基本概念、原理以及科學(xué)機(jī)制，多角度剖析、解決問題，實(shí)現(xiàn)了有意義學(xué)習(xí)的目的。兩者的結(jié)合將訓(xùn)練學(xué)生良好的物理思維方式，挖掘?qū)W生自主分析問題和解決問題的潛能，有利于材料學(xué)創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。