＊张煜 聂登攀 杨敏 周兰

（1.贵州大学化学与化工学院 贵州 550025 2.贵州民族大学化学工程学院 贵州 550025）

引言

在经济全球化愈演愈烈的当下，高素质、高层次的创新型人才是提升综合国力竞争的利器，具有决定性的作用。因此，人才的培养，尤其是具有较强行业背景知识、工程实践能力、胜任行业发展需要的技能型和应用型人才培养是关键，而相应培养模式的改革就势在必行。

“无机材料物理性能”是一门利用量子力学、物理学、固体物理等原理来讲述无机非金属材料物质规律、物理性能参数的学科。通过学习本课程，使学生理解材料微观结构与生产中各个工艺环节之间的关联性，理解无机材料内在物理本质与宏观物理性能之间的关联，且能从微观机理出发，探索改善材料宏观性能的新方法、新途径[1]。但是，目前“无机材料物理性能”课程的教学模式以课堂教授为主，欠缺实践教学环节，所谓的理论联系实际，仅限于简单举例介绍的层次上。为了锻炼无机非金属材料专业学生的科研创新能力，真正掌握所学课程学习内容，更重要的是能学以致用，这就要求学生具有较强的专业基础知识，即能从基本理论出发，分析无机材料宏观性能及微观组成、结构之间的关联，为开发新型无机材料提供必备的科学基础知识，进而能更好地指导无机非金属材料行业的科研及生产，真正意义地解决无机材料生产中科学问题[2]。本文通过提炼多年来对该课程的教学心得，对“无机材料物理性能”课程的教学改革方法提出自己的一些看法。

1.“无机材料物理性能”课程改革的必要性

“无机材料物理性能”主要内容是无机非金属材料的各种物理性能，不牵涉到化学性能。所研究的性能包括无机材料的变形与力学性能、脆性断裂与强度以及热学、光学、电学、介电、压电和磁学性能。通过本课程的学习，要求学生能够掌握并理解无机材料各类物理性能相对应本征参数的物理意义以及这些参数在实际问题中所处的地位，弄懂性能参数的来源，即物质组成、结构、构造与材料宏观性能之间的内在联系，掌握无机材料物理性能变化规律以及各性能之间的相互制约关系，重点是让学生理解并掌握各种重要物理性能的原理及微观机制、性能测试方法以及控制和改善性能的措施[3]。

但是，目前“无机材料物理性能”课程的教学中存在一些问题。首先本课程教学理论性比较强，教学内容多并且抽象，但课时严重不足，没有开设实验课，学生缺乏实践训练，教师则要在较短的教学时间内将全部内容教授给学生，学生对所学知识理解片面、肤浅。关于无机非金属材料的特性和本质，学生掌握不牢固、理解不透彻，也就不可能学以致用，很难利用所学知识解决无机非金属材料领域的专业问题。其次，课程教学内容更新较慢，不断涌现的新材料、新工艺、新技术、新理念没有及时纳入教学内容，也没有把当今无机材料科学领域发展的前沿视角及前沿知识带入课堂，不能有效利用所学的基础理论解释新问题、新现象，使得理论知识和实际应用严重脱节。另外，课程教学主要是以教师教授为主，学生则以理解记忆为主，只注重知识的传授以及识记的教学理念缺乏培养高层次人才的意识。陈旧的教学内容、教学理念以及不合理的教学规划的现状导致学生掌握了基本的基础知识，但不能把基础知识以及基础知识的灵活应用成功转化成能力，转化成为离校工作后的科技研发生产力，因此，本课程的教育仍处于应试教育的范畴，与当今社会的人才需求脱节，教学改革迫在眉睫。

2.精简教学内容，优化课程教学

“无机材料物理性能”课程的核心是教学内容，合理、凝练、饱满的教学内容对激发学生的学习兴趣、帮助学生掌握相关基础知识和理解课程的知识体系是至关重要的，但本课程教学内容重点、难点较多，在较短的课程学习时间内完成全部的教学内容，教学效果必然较差。因此为突出教学重点，教学内容必须精简。将从以下几个方面进行调整：

（1）提炼教学内容，重点讲授精品内容。“无机材料物理性能”课程教学内容的取舍，难点和重点的调整必须要有依据，首先应该满足无机非金属材料工程专业“重基础、多方向、强应用”的基本教学原则，力求符合材料学科的特点和要求；本课程教学内容改革必须本着专业的培养目标，注重对学生“无机材料理论与材料应用相结合”的能力培养，这就要求学生既要具备扎实的材料科学理论基础，还能将整体知识融汇贯通[4]。本课程的教学重点主要分为结构材料和功能材料两个板块，在保证课程体系完整的情况下，教学内容设置中以结构材料、功能材料的性能讲解为主线，各种材料加工工艺以及材料性能检测为副线，特别需要关注的是材料性能研究，通过各种现代仪器检测手段，分析无机材料物相组成及结构，确认材料性能与材料组成、结构、制备工艺条件的关联性[5]。

本课程第1个教学重点是无机材料力学性能介绍，设计10个学时，主要从材料的受力变形、断裂强度以及裂纹扩展几个方面讲述无机材料的力学性能，分析了为什么常温下大多数无机材料不能产生塑性形变，揭示了无机材料中微裂纹的存在是材料实际强度低于其理论断裂强度的缘由，强度反映的仅仅是材料内部裂纹扩展的宏观结果，只有针对性地对材料进行有效组成与结构设计，才能制备出高强度的材料[6]。

本课程第2个教学重点是无机功能材料的介绍，重点关注无机材料的光学性能、热学性能、电学性能以及磁学性能。讲解的重点是关于光、热、电、磁等性能所涉及的基本理论、基本物理量，对材料各种物理性能对应本征参数的物理意义以及这些性能参数的来源是教授的难点[7]，这些物理性能的微观本质之间既有共性，又有个性，应注意引导学生对知识点的深入理解及灵活应用。例如：影响材料热学性能、光学性能、电导及介电性能、磁学性能等的主要微粒子是电子，电子的分布和运动状态、电子对能级相互作用等问题的分析阐述是理解材料宏观性能的关键。当然，电子是对材料热学性能影响的主要微粒子，但是还有声子、光子、微粒子的参与作用。因此，分析了解各种微观粒子的运动特性，运动规律等因素对材料性能的影响，并通过现代先进的仪器分析手段知晓材料内部相组织和分布、结构缺陷等微结构信息，进而分析材料物相组成和结构对材料性能影响的规律，使学生对材料宏观性能中的“共性和个性”都有一个清楚的认识。这部分总计32学时，各性能平均介绍6学时左右。

（2）理论知识与科研相结合，加强实践教学环节。理论教学为主仍然是大学教育的根本，对实践教学的重视和投入相对较少是“无机材料物理性能”的课程教育中存在的问题，因此要求在教学过程中应该有这样的认知，教师在为学生进行知识传授的同时，更要注重学生实践认知能力和创造性能力的培养，教师在教学内容设置时要加强实践教学环节所占的比重[8]，因为实践教学，尤其是综合性的实践教学具直观性、创新性的特点，通过实践教学的培养，能一定程度提升学生的实际动手操作能力和创造能力，同时还可以锻炼学生的团队协作精神、敬业精神和吃苦耐劳的精神。

实践教学的开展方式有很多，比如教师的随堂演示实验，演示实验可以利用多媒体制作的3D课件来演示，也可以通过实验器材来演示，但要兼顾学生动手与演示示教相结合；另外，也可根据学生各自不同的兴趣爱好，鼓励部分学生参与研究生的相关实验课题，让学生利用课余时间协助研究生进行实验，参与到科研中去，实现以科研促教学的目的。

在教学内容的设置上还有一个主要方面就是适当引入当今无机材料领域的新发现、新方法、新理论，补充热点关注的新材料，且要求筛选难度适当、重点突出的内容，介绍无机材料领域的发展方向、发展趋势以及无机材料领域的最新研究成果，充实和完善原有的教学内容。例如在结构材料方面引入当下的研究热点--增韧陶瓷；在电子材料方面引入超导体材料和电子陶瓷材料；在光学方面引入热点关注的纳米材料，让学生知晓并理解纳米粒子的表面等离子体共振理论、离散偶极近似理论等基础知识，从微观层面了解光与物质的相互作用，进而探讨纳米颗粒对光的散射与吸收作用，并深入分析离散偶极近似理论在光学性能模拟中的应用；在电学部分，补充了石墨烯、碳纳米管等新型材料，让学生理解载流子传输原理以及传输特性与材料缺陷之间的关联性等等；在热学部分补充讲解超级绝热材料--气凝胶、纳米绝热材料、纳米微孔绝热材料等新型隔热材料。通过教学内容的筛选，合理的编排，向无机非金属材料专业的学生呈现材料领域的新发现、新进展，这样既培养了学生的学习兴趣，又拓宽学生的知识面，更重要的是让学生能够做到理论联系实际，增强了其分析问题和解决问题的能力。

3.丰富课程教学手段和方式，提升教学效果

“无机材料物理性能”课程传统的教学通常为“填鸭式、满堂灌”的教育模式，这将导致学生因授课过程乏味和枯燥而逐渐失去学习兴趣，影响本课程课堂教学的效率和效果。因此，本课程教学模式的改革势在必行。

(1)课程教学内容讲授方式的改进

①以应用性能为切入口，诱发学生学习适用性

总所周知，材料应用领域不同，对其性能特征要求就不一样，讲师可以通过应用举例引入教学内容。例如想要实现无机材料的超塑性，就需要控制材料的晶粒尺寸，一些晶粒尺寸非常小的无机材料在较高的温度下受到一个缓慢增大的荷载作用时，其永久形变会发生较大幅度的提高，远大于常规变形极限；也可以通过相变实现超塑性，这是指由于材料发生结构相变（相变过程中存在有由于体积变化而引起的较大的内应力，同时材料具有较高的相变温度）而导致永久的各相异性尺寸变化。又如对于同一种物质，怎样降低其热导率，从材料物理性能的微观本质出发，可将材料制备成多晶体材料，因为多晶体材料中因晶粒尺寸小、晶界多、晶界处杂质也多、缺陷多等物质组成结构特性，导热离子声子运动过程更易受到散射，导致声子平均自由程比同组成单晶体要小得多，因此其热导率小。图1就是几种不同晶型无机材料热导率随温度变化的关系图，由图1可见单晶体与多晶体的热导率随温度变化的规律，低温时单晶的热导率与多晶平均热导率基本一致，但随着温度升高，单晶材料与多晶材料热导率的差异迅速变大。这一方面是因为在单晶材料中，温度升高后光子传导所做贡献不能忽略，而多晶材料中高温光子导热效应则不明显，另一方面是因为多晶材料中的晶界、杂质、缺陷等结构特点在较高温度下对声子导热则有更大的阻碍作用所致。图2是金属、半导体和电解质的吸收率与波长的关系，由图2可见不同材质对光的吸收有着不同的规律，所以不同材料在环境中呈现出不同的颜色。与此类似，教师在教学中首先以现实生活中需要什么样性能的材料为引子，把材料应用和性能相结合，阐述材料制备条件与材料性能特征之间的关系，让学生了解在材料制备过程中如何诱导材料实现其物理性能，并且通过有效的表征手段分析材料性能特征与制备方法、制备工艺条件之间的相关性，最重要的是知道这个性能在实际中的应用。这种教学方法能有效避免僵化学生思路，力争做到百花齐放，百家争鸣，这对培养无机非金属材料领域的创新型人才是极为重要的。

图1 几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系

图2 金属、半导体和电介质的吸收率随波长的变化

②从机理出发，引发学生探索未知的学习能动性

教师讲授到一个材料展现出的性能，学生最感兴趣的就是为什么会有这种性能以及怎样实现这种性能，当教师成功诱导学生探知未知知识的学习兴趣后，枯燥的机理分析就变得乐趣无穷了，在这基础上引导学生以机理为起点进行无机材料的设计、制备等就变得比较容易了。例如怎样预测玻璃制品的使用寿命？教师就应该从无机材料裂纹的缓慢发展进行讲解，首先，可以通过一些实验现象告知学生材料制备过程中、使用过程中不可避免会导致材料表面及内部存在许多缺陷，例如刚拉制出来的玻璃试样强度为6GPa，在空气中放置几小时后就下降为0.4GPa，强度下降的原因是玻璃制备过程中结构缺陷的存在以及在空气中灰尘等微粒与表面接触而形成一些裂纹，裂纹的存在是材料强度下降的根本原因。其次，从应力腐蚀裂纹扩展理论进行分析得出，一般情况下，水与玻璃之间不会发生化学反应，但外加应力作用使得原本惰性的低浓度反应物--水得以与玻璃在裂纹尖端处发生反应，这就是所谓的外力诱发的化学反应导致的裂纹缓慢发展过程，裂纹从初始尺寸经亚临界扩展发育到临界尺寸最终导致制品断裂所需的时间就是制品的断裂寿命。教学的重点是如何引导学生从材料组成以及显微结构等角度关注怎样实现高强度、长寿命材料的制备，从而引发学生探索未知的兴趣，进而培养其自我创新的能力。

在讲授光学波导知识时，教师可以从同学们常见的光学折射知识入口，引导学生大胆设想，如果不发生光折射会是什么情况，进而从剖析折射原理出发，逐步引出全反射的设计参数和波导全反射等基础理论，再引出如何在光敏材料中诱导缺陷实现光敏性能，最后阐述材料缺陷与制备工艺的关系，层层递进的理论讲解变得生动有趣。这种彻底改变教师照本宣科，学生死搬教条的现状，能促使学生及时精准地找到问题的源头，有理有据地击中问题要害。这种培养学生追本溯源的学习习惯，能使学生的学习取得事半功倍的效果。若不从源头上理解材料性能与组成、结构之间的关联性，本课程的学习就只能是形而上学，邯郸学步。

(2)丰富课程教学方式和手段

课程教学内容讲授方式的改变能在一定程度上提高学生对本门课程的学习兴趣，但纯理论的讲授终究比较枯燥和乏味，学生被动学习、参与度较低，本课程课堂教学的效果和效率大幅降低的主要原因还是源于学生对本课程的学习失去兴趣。随着基础教育课程改革的不断深入，基础课程教学效果的大幅提升得益于不断呈现的新的教学手段。因此，拟采用多样化教学手段进行“无机材料物理性能”课程的教学工作将会是一种常态，这也将会是调动学生学习积极性和激发学生学习兴趣的一个有效手段。

首先，为让课堂丰富多彩起来，教师单纯的课堂讲解教学方式必须调整，辅助计算机多媒体授课模式，灵活运用案例式和讨论式教学的方法，活跃课堂气氛，引导学生积极参与到教学活动中来。教师可精选几个案例，例如：压电陶瓷，教师先将案例中涉及到的研究及应用中的科学问题进行归纳，在讲解的时候，从基本原理到组成结构优化，再到性能提升等方面对案例进行逐层剖析，由浅入深，层层递进，大大拓展了学生的知识面。当然对于课本中的某些内容，比如裂纹的缓慢发展、固体材料热传导机理、材料的电导效应等，由于内容较为抽象复杂，学生不易理解，教师也很难用语言表达出来，课堂教学效果将会大大降低。这时可借助于三维模型的辅助，三维动画模式等将抽象、复杂的书本知识通过影像和图片资料形象地表达出来，让学生易于理解和掌握；同时通过组织学生进行课堂讨论，让学生直接参与课堂教学，教学方式的改进突出了教学中的重点、难点，加大课堂容量，最重要的是能很大程度吸引学生的注意力。但是需要提醒的是，通过多媒体辅助教学所引进课件的教学内容应该和教材具有密切的相关性，且要求教学内容难度适中、层次清晰、易于理解。

其次，本课程中较为重要且比较难以理解的内容可拆分成多个知识点，每个知识点可制作成一个微课视频，教师可借助网络教学平台上传微课视频。通过网络教学平台，学生可进行课前的预习以及课后的复习、巩固，即学生根据自身的学习情况自行增加学习的时间与空间维度。另外，教师也可在网络教学平台上上传课后习题，学生可自行安排完成，教师也便于及时了解学生的学习情况，对教学效果的提升也将会起到很大的作用。

4.优化课程考核方式

课程教学内容的调整、教学方式以及教学手段的革新，对应考核方式势必进行改革，传统教学模式最终的成绩评定往往通过期末考试成绩来判定，但是，一张考卷既不能准确体现本课程的教学效果，也不能很全面地评价学生的学习情况，部分学生平时不认真，考前死记硬背也有可能通过考核，因此，课程考核方式必须优化，要求其能全面反映学生的团队协作能力、独立思维能力以及创新能力[9]。

本课程的最终考核评定中期末考试所占比例应该缩小，不要超过50%，其余50%均按照平时表现进行积分，平时表现中主要参考以下几点：（1）平时书面作业完成情况，每个章节的习题和作业是否在规定的时间内完成，完成质量如何？考察学生对理论知识点的掌握情况；（2）实践教学完成情况，了解每个学生的动手能力，关注学生对所学知识的理解能力，关注学生能否做到学以致用，学而为用；（3）课堂讨论的参与情况，通过引入案例分析、当前材料发展热点、新材料、新工艺等方面的讨论发言；考察学生对所学知识理解的程度、深度及广度，考察学生分析问题、解决问题的能力差异。即考核方式摒弃死记硬背或者教条式的计算模式，而遵循了“学生为中心，结果为导向”新教学新理念。考核是检验学习效果的手段，而不是目的，通过考核，教师一方面了解学生对本课程知识的掌握程度、理解程度以及灵活运用的程度；另一方面也是教师对本课程进行教学改革的依据。本课程学习的最终目的注重与时俱进，让学生真正把所学的知识运用科研和经济发展中去，从而改变毕业即失业，或者毕业即改行的局面，也避免浪费学校和国家对学生辛苦培养四年的努力。当然形式上要灵活多样，原则上也公平公正。

5.结语

本文针对“无机材料物理性能”课程教学内容、教学理念陈旧、教学规划不合理的现状进行剖析，从教学内容、教学模式以及教学效果等几个方面提出了教学改革意见。首先是精简、优化教学内容，突出教学重点、难点；其次采用现代化多元教学手段，激发学生学习兴趣，帮助学生更好地理解、掌握和应用理论基础知识；最后提出课程考核方式的改革对于提升教学效果具有重要意义。但是，提高本课程教学质量不是一朝一夕能完成的，更不是简单几个人就能完成的，需要学校的大力支持，更需要任课教师和学生的共同努力。