許天旱　王黨會(huì)　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(mén)課程，目的是培養(yǎng)學(xué)生既具備扎實(shí)的材料物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，又能熟練掌握物理性能的研究和實(shí)驗(yàn)技能。本文提出的縱橫聯(lián)系，融會(huì)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(shí)相互聯(lián)系起來(lái)，旨在真正的培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性及創(chuàng)新性。

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

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

《材料物理性能》是材料物理專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要基礎(chǔ)課程，屬于學(xué)校重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目，為校級(jí)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(mén)課程，目的是培養(yǎng)學(xué)生既具備扎實(shí)的材料物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，又能熟練掌握物理性能的研究和實(shí)驗(yàn)技能。該課程是一門(mén)理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)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(diǎn)

該課程的最大特點(diǎn)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(lái)是更合理的，因?yàn)榱W(xué)性能本身就是材料的重要物理性能之一，只不過(guò)因?yàn)樯婕胺秶珡V，應(yīng)用也很廣，發(fā)展也比較成熟，因此通常獨(dú)立出來(lái)，單獨(dú)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(guò)采取一定的方法和措施將學(xué)生學(xué)到的知識(shí)融會(huì)貫通，也有助于提高學(xué)生將來(lái)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(shí)踐打下扎實(shí)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(wèn)題的能力，以滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)材料類(lèi)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(qiáng)調(diào)授課以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的重要性等[2-5]，也有一些老師提出了一些獨(dú)特的教學(xué)方法，如用中文講課，用英語(yǔ)做總結(jié)[6]，前提是學(xué)生必須足夠良好的英語(yǔ)水平。但都很少涉及到該門(mén)課程的本質(zhì)，很少真正地提出“培養(yǎng)學(xué)生將該門(mén)課程融會(huì)貫通”的理念。在國(guó)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(huì)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(dòng)性及創(chuàng)新性。

二、知識(shí)融會(huì)貫通的重要性

筆者認(rèn)為，學(xué)科交叉發(fā)展，融會(huì)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(shí)，可以獨(dú)立來(lái)學(xué)習(xí)。以焊接手機(jī)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(shí)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(méi)有良好的導(dǎo)熱性能，則焊點(diǎn)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(shí)，電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能都必須同時(shí)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(wèn)題。如利用套管來(lái)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(qiáng)度越高，則會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題越多。因?yàn)椴牧系膹?qiáng)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(shí)，必須考慮到溫度的變化。由以上兩例即可知，專(zhuān)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(dú)立教學(xué)，必須相互聯(lián)系起來(lái)，融會(huì)貫通，才能真正培養(yǎng)出具有主動(dòng)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(shí)上，材料的各種性能，本身就不是相互獨(dú)立的。不同的物理性能只不過(guò)是同一材料在不同激勵(lì)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(lì)，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(lái)越復(fù)雜，對(duì)于個(gè)別材料也許例外，但對(duì)于絕大多數(shù)材料來(lái)說(shuō)，都是滿(mǎn)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(diǎn)（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(lái)如下式所示：

n=■ （3） 式中：n為介質(zhì)的折射率；εr為相對(duì)介電常數(shù)；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率?？梢?jiàn)，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(guò)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(shí)，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(lái)，才可能將知識(shí)融會(huì)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(guò)對(duì)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(lèi)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(qiáng)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(qiáng)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?yàn)闇囟仁沟迷舆\(yùn)動(dòng)加劇，會(huì)導(dǎo)致原子間距增加。原子間距的增加，通常會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能參數(shù)彈性模量下降，同時(shí)也導(dǎo)致材料發(fā)生膨脹，涉及到熱學(xué)問(wèn)題。當(dāng)然，更大原子間距，也會(huì)影響到的電學(xué)性能，如電阻增加，同時(shí)，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(lèi)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(guò)程中，不但必須具有豐富的理論知識(shí)，還要求具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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(qiáng)縱橫聯(lián)系，融會(huì)貫通的教學(xué)方法，該教學(xué)改革團(tuán)隊(duì)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(duì)目前大學(xué)教育的現(xiàn)狀，讓授課教師對(duì)知識(shí)體系和知識(shí)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(shí)內(nèi)容展現(xiàn)出來(lái)。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(mén)課往往講授很多年。在這種教學(xué)相長(zhǎng)的授課方式下，教師對(duì)學(xué)科、專(zhuān)業(yè)和教材等方面的知識(shí)體系非常熟稔，對(duì)與課程相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)、知識(shí)體系和授課內(nèi)容的講授把握較好。在這種背景之下，加強(qiáng)對(duì)知識(shí)體系和知識(shí)結(jié)構(gòu)的縱橫聯(lián)系和融會(huì)貫通，就變得非常有必要?！恫牧衔锢硇阅堋肥且婚T(mén)對(duì)數(shù)理及應(yīng)用知識(shí)綜合要求較高的課程，在授課過(guò)程中，教師往往涉及較多的知識(shí)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(diǎn)與難點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)體系的縱橫聯(lián)系和融會(huì)貫通，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握能力同時(shí)，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(dòng)變得輕松有趣，利于知識(shí)的發(fā)散性拓展。

六、結(jié)束語(yǔ)

學(xué)生只有將所學(xué)到知識(shí)融會(huì)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(shí)際，具有分析問(wèn)題和解決問(wèn)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(shí)。從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和獨(dú)立思考能力，從根本上提高課程課堂的教學(xué)效果。需要說(shuō)明的是，筆者能夠在教學(xué)中實(shí)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(mén)課程之前，已經(jīng)學(xué)習(xí)了《量子力學(xué)》和《固體物理》兩門(mén)課程。對(duì)于沒(méi)有預(yù)先學(xué)習(xí)過(guò)該兩本課程的學(xué)校，必須為該課程設(shè)置更多的課時(shí)，否則縱橫聯(lián)系，融會(huì)貫通這一教學(xué)新理念教學(xué)效果會(huì)大打折扣。

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