摘"要：“材料物理”是材料類專業(yè)學生的專業(yè)課，是研究材料的各種宏觀物理性質(zhì)及其微觀物理機制的一門理論性很強的課程，“材料物理”授課中發(fā)現(xiàn)，由于課程內(nèi)容抽象、知識點繁雜、理論性強，工科學生普遍感到學習困難。本文在江蘇大學研究生精品課程項目的支持下，從教學內(nèi)容、教學理念、教學手段和教學方法等方面探索了一系列教學改革措施。

關鍵詞：教學內(nèi)容；教學理念；教學手段；教學方法

中圖分類號：G40034""文獻標識碼：A

“材料物理”是材料類專業(yè)學生的專業(yè)必修課，是介于物理學和材料學的交叉學科，用物理思維研究材料特性的一門理論課程。由于理論性太強，加上材料類學生物理基礎相對薄弱，傳統(tǒng)的課程教學很難引起學生興趣，教學效果常常不佳。因此，對該課程進行教學改革很有必要。在江蘇大學研究生精品課程教改項目的支持下，課程教學團隊教師結合上課實踐經(jīng)驗，分別從教學內(nèi)容、教學理念和教學方法上進行了一系列改革。

1"教學內(nèi)容改革

作為研究生核心專業(yè)課程，“材料物理”課程首先從教學內(nèi)容上區(qū)別于本科生“材料物理性能”課程?！安牧衔锢硇阅堋闭n程的側重點在材料物理性能及其影響因素，培養(yǎng)學生調(diào)控材料物理性能的能力；而研究生“材料物理”課程應該更加注重理論的深度和學生物理思維的培養(yǎng)，所以我們把教材內(nèi)容的重點放在材料宏觀物理特性及其背后的微觀物理機制上。“材料化學”課程側重點在材料研究中涉及的化學理論、原理，研究生應該更加側重從材料設計、制備、結構、性能到材料應用的一體化思維模式。從精品課程建設立項開始，我們就不斷對教材和教學內(nèi)容進行反復修改。首先按照精品課程建設要求，材料物理部分采用了外文教材The"companion"of"Material"Physics［1］，但在授課過程中發(fā)現(xiàn)，這本書知識點過于精簡，知識點間跳躍大，沒有量子力學和固體物理基礎的學生較難理解。通過對國外教材的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前尚無其他合適的材料物理類外文教材，因此，2019年授課教師廣泛參考國外原版教材，如Wiley出版社出版的Introduction.To.Solid.State.Physics，［2］（Kittel，.Charles著）、劍橋大學出版社出版的Principles"of"thenbsp;theory"of"solids（J.M.Ziman"F.R.S著）、愛思唯爾出版社出版的Solid"state"physics［3］（Giuseppe"Grosso著）、Mechanics"of"Materials［4］（Ferdinand"P.Beer著）和劍橋大學出版社出版的Magnetic"Materials［5］（Nicola"Spaldin著），自己組織了一本全英文的材料物理的教學講義資料?？紤]到材料類研究生理論基礎薄弱，在自編教材中加入了量子力學基礎和固體物理基礎兩章內(nèi)容，為后面四章全面介紹材料物理性能及其微觀機制打下了理論基礎。后四章分別介紹了材料的熱學性能、力學性能、介電性能和磁學性能。熱學性能部分，介紹晶格振動、熱容及其微觀物理機制、熱膨脹及其微觀物理機制、熱傳導及其微觀物理機制；力學部分，介紹材料在應力作用下的應變相應及其相應的物理過程和表征參量、黏彈性、靜態(tài)動態(tài)力學松弛等內(nèi)容；介電性能部分，介紹了材料的介電宏觀介電性能參數(shù)和微觀極化性能參數(shù)、反映宏觀介電參數(shù)和微觀極化參數(shù)間關系的克羅修斯摸索提方程、介電松弛極化及其介電響應方程Dedye方程、離子位移極化及其介電響應方程、電子位移極化及其介電響應方程、介電損耗來源及其影響因素；磁學部分，介紹材料磁性的來源，磁學性能表征參數(shù)，磁學材料的分類、五種磁性的微觀物理機制。總的來說，自編的教材講義，兼顧了材料物理中必要的固體物理基礎的深度，又兼顧了材料物理性能介紹的廣度。

2"教學理念改革

2.1"夯實物理基礎，揭開材料物理性能下的物理機制

對歷屆學生進行調(diào)查問卷發(fā)現(xiàn)，學生物理基本知識薄弱。本科生課程“材料物理性能”更注重介紹材料不同的物理性能及其表征參數(shù)和性能測試方法，是理論與應用相結合的課程。本科生理論知識薄弱，對材料物理性能的理解往往浮于表面。事實上，深入了解材料物理性能，需要具備量子力學、固體物理、原子物理等學科的基本知識。我們開設的研究生課程中材料物理部分，針對學生這一方面的薄弱問題，增設量子力學基礎與固體物理基礎部分。量子力學部分，介紹了無限深勢阱、庫倫勢場、諧振子勢場三種經(jīng)典勢場下薛定諤方程的解及其物理意義。無限深勢阱下薛定諤方程的解有助于學生理解納米材料的量子尺寸效應；庫倫勢場下的薛定諤方程的解有助于學生理解電子的四個量子數(shù)、單原子電子能級特點和磁學特性；諧振子模型有利于學生理解晶格振動和晶格的熱容。固體物理部分，重點介紹自由電子氣模型、索末菲模型以及近自由電子近似模型，通過對自由電子氣模型的介紹，學生可深入理解金屬的直流電導特性、電子平均自由程的概念、霍爾效應和磁阻、維德曼弗蘭茲經(jīng)驗定律；通過對索末菲模型的介紹，學生可深入理解電子熱容及其相關影響因素；通過對近自由電子近似模型的介紹，學生可深入理解能帶理論、能量色散關系與能級的對應關系、半導體導體絕緣體導電性的差異?？傊n程更注重理論深度。

除了在課程上加入量子力學和固體物理基礎外，后續(xù)章節(jié)部分也在持續(xù)強調(diào)材料物理特性后的物理機制。比如，電介質(zhì)損耗部分，借助電磁學基本物理量關系，將介電常數(shù)虛部與材料松弛極化過程聯(lián)系起來，給出電介質(zhì)介電常數(shù)虛部的物理意義；從能量損耗的角度，分析損耗角正切的來源及其影響因素。磁學部分，更加注重不同磁性材料對外磁場響應的微觀物理過程，深入分析不同磁性的起源。

2.2"注重構建課程內(nèi)容知識網(wǎng)絡，幫助學生將所學知識融會貫通

本課程在授課時，注重介紹章節(jié)之間的聯(lián)系，幫助學生構建知識框架。比如，以熱學為例，一般的材料物理性能書籍上，也介紹了晶格振動、熱容理論、熱膨脹理論、熱傳導理論，但是很少介紹這些章節(jié)之前的關聯(lián)。而我們在介紹的時候，先講晶格振動，提出聲學支格波、光學支格波及其特點，引入了格波和聲子的概念。接著介紹熱容時，強調(diào)熱容理論的發(fā)展就是一個將格波和聲子概念引入并不斷改進的過程。晶格振動是由原子間相互作用引起的，諧振相互作用造成材料的熱容特性，而晶格中原子間的非諧相互作用則引起了造成材料熱膨脹。也就是說，熱容和熱膨脹都是跟晶格振動有關的。熱傳導的機制中，電子熱傳導、聲子熱傳導以及光子熱傳導里也貫穿了聲子的作用及在熱傳導中的應用。通過這樣的介紹，學生將知識點串聯(lián)起來，構建知識框架。

2.3"尋找章節(jié)知識點間的相似性

采用盡量統(tǒng)一的分析方法進行不同知識點章節(jié)的分析“材料物理”課程，涉及了材料的多種物理性質(zhì)，比如力學性能、介電性能、磁學性能等，反映的都是材料在外場作用下產(chǎn)生的響應過程，涉及了一系列的響應參數(shù)。比如，力學性能章節(jié)，外場是外力，材料響應是應變；介電性能章節(jié)，外場是電場，材料響應是介電常數(shù)；磁學性能章節(jié)，外場是磁場，材料響應是磁導率。除此以外，還有更深層次的相似性，比如，在交變外力作用下，材料產(chǎn)生交變應變，黏彈性材料則存在交變應變響應落后于交變應力的滯后；交變電場作用下，材料會出現(xiàn)交變的極化強度，介電材料存在交變的極化強度響應落后于交變電場的滯后；交變磁場作用下，材料產(chǎn)生交變的磁化強度，磁性材料存在交變的磁化強度響應落后于交變磁場的滯后。更進一步，材料性能相對于外場的響應滯后又會帶來損耗，比如，力學性能中產(chǎn)生力損耗，介電性能中產(chǎn)生介電損耗，磁學性能中產(chǎn)生磁滯損耗。通過這么一對比，不同章節(jié)間繁雜的知識點之間就產(chǎn)生了奇妙的連接，學生的腦海里就構建了四通八達的知識網(wǎng)絡。另外，我們在授課中還發(fā)現(xiàn)，盡管不同章節(jié)的知識點有相似性，但是通用教材上不同章節(jié)對于相似知識點的導入方法存在較大差異，人為地給學生接受新的知識點造成了干擾，破壞了知識網(wǎng)絡的構建。比如說，在力學章節(jié)，教材上是通過分析應力—應變圖上的滯后圈的面積來引出力損耗的概念的，而到了在介電材料章節(jié)，一般教材上采用將處于交變電場下的介電材料建模為等效電路的方法來研究，通過分析等效電流中的熱損耗來給出介電損耗的定義。上文已經(jīng)提到，力損耗和介電損耗都是在外場（交變力或交變電場）作用下滯后響應（交變應變或交變極化強度）過程中產(chǎn)生的能量損耗。因此我們思考，是否也能將力損耗知識點的導入方法借鑒到介電損耗的導入中，于是我們將物理量變形，將交變電場下介電材料的響應由極化強度拓展到電位移矢量，畫出一個交變周期內(nèi)交變電場—交變電位移矢量的曲線圖，也能得到一個滯后圈，采用積分法計算滯后圈的面積，可以得到跟等效電流方法同樣的結果，由此也能引入介電損耗知識點及其表達式。由于沿用了跟前述力學章節(jié)類似的導入方法，學生學習的連貫性得到了加強，知識網(wǎng)絡構建得更加牢固了。

2.4"基本理論的課堂傳授與科研前沿的課下研學相結合

材料科學的發(fā)展日新月異，通過復合、摻雜、尺寸調(diào)控等手段，材料也出現(xiàn)一些新奇的物理性能。一些新型材料相繼涌現(xiàn)，如巨介電常數(shù)材料、負熱膨脹材料、鐵磁性金屬的反常膨脹，電學各向異性材料、巨磁阻材料、異常黏彈性材料等。這些材料體現(xiàn)了材料物理領域的新興科學前沿，本課程將采用課后大作業(yè)的形式，引導學生關注科學前沿，深入理解材料中涉及的物理機制。

比如，在學習過晶格振動和熱學性能一章節(jié)后，學生們了解了聲子的概念、聲子的能量和聲子的動量，但大家還只是僅僅限于了解到聲子是晶格的代表，但是聲子為什么很重要，聲子還有哪些用，作為材料類的學生來說，他們了解得還是比較少的。所以，我以“聲子是什么？請列舉一個與聲子有關的物理過程”為主題，讓全班同學進行分組研討，請他們圍繞我的這個問題進行調(diào)研和回答。由于是分組調(diào)研，組內(nèi)積極討論，而組與組之間在完成作業(yè)前不做任何討論和交流。因此，在歷經(jīng)三天的調(diào)研后，大家呈交上來的作業(yè)涵蓋了聲子應用的方方面面，非常精彩。他們有的寫長聲學聲子與光子的相互作用導致的布里淵散射效應，有的寫光學支聲子與光子相互作用導致的拉曼散射效應，有的則寫通過聲子隧穿效應實現(xiàn)兩個相距納米級別物體之間的熱對流，還有的寫基于熱傳導中的聲子熱傳導機制。在完成這個問題的過程中，有學生遇到不能理解的環(huán)節(jié)，還主動請教。這樣的分組研討實踐證明，通過這樣一個基于問題導向的教學，同學們學會了自主思考，主動查閱資料，并且學會了提出問題、解決問題。而且，在這個過程中，他們把課堂上學習的聲子的概念，聲子的分類用到了解決問題當中，鞏固了課堂知識。此外，他們還通過分析與聲子有關的物理過程，深入理解了以前在分析測試方法中學過的拉曼光譜，對拉曼光譜的測量原理的理解又加深了一步。更重要的是，他們還接觸到了最前沿的材料物理知識，比如聲子隧穿。所以在這個基于問題導向的教學案例實施過程中，同學們深刻地體會到了由課本向文獻的延伸與拓展，是研究生自我學習能力的又一次提高。

2.5"授課內(nèi)容和課后研學主題兼顧專業(yè)差異

在講授材料物理性能時，結合不同材料類型的特點，分別介紹不同材料在同一物理性質(zhì)方面的差異，從微觀方面介紹這些差異的來源。另外，在布置課后自主研學內(nèi)容時，也鼓勵學生盡量結合自己的專業(yè)來思考問題。比如，在介電性能一章節(jié)，要求學生通過查閱資料，列舉一種巨介電常數(shù)材料，討論其巨介電常數(shù)的起源。高分子專業(yè)的同學，列舉的是碳納米管填充的聚合物基介電復合材料或改性聚苯胺—石墨烯/丙烯酸酯彈性體復合材料；無機材料的同學，列舉的是CCTO陶瓷材料；復合材料專業(yè)的同學列舉的是聚偏氟乙烯基復合材料。大家都結合自己的專業(yè)知識，對該材料表現(xiàn)出的巨介電常數(shù)特性做出了認真的解析。

3"教學方法和教學手段改革

本課程從以下方面著力提高學生自主學習的意識：

（1）課堂上引入本學科領域的最新科技成果，采用研討式方法激發(fā)學生自主性學習、激發(fā)學生學習熱情、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

（2）通過布置大作業(yè)的形式彌補課時不足的問題，增強過程考核，通過分組討論培養(yǎng)學生團隊協(xié)作能力和課外查閱資料、歸納整理的能力。

（3）加強過程考核，讓學生課后忙起來，布置的作業(yè)均沒有標準答案，必須通過查閱文獻資料才能完成，并按研討小組提交作業(yè)，根據(jù)完成情況對照評分標準給分。

結語

“材料物理”課程教學的改革，從內(nèi)容上注重將固體物理、量子力學基礎與材料物理性能的介紹結合起來，教學理念上更加注重物理基礎的夯實、知識網(wǎng)絡的構建及傳統(tǒng)理論與科研前沿的結合，教學手段上更加注重激發(fā)學生的自主性學習、激發(fā)學生的發(fā)散性思維、加強學生的過程考核。通過這些改革措施，學生的學習積極性得到了提高，學生學習的深度和廣度也得到了拓展。

參考文獻：

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［4］Beer"F.P.，Johnston"E.R.，DeWolf"J.T，Mechanics"of"materials，McGraw"Hill，2015.

［5］Spaldin"N.A.，Magnetic"materials，Cambridge"University"Press，2003.

基金項目：教研項目：構建材料科學工程類環(huán)境課程實踐教學鏈探索與研究，江蘇大學高等教育教改研究課題（2019JGYB044），江蘇大學，2019（參與）；科研項目：基于瞬時表面狀態(tài)調(diào)控技術和結構化照明超快成像技術的LIPSS實驗與理論研究（11974147），國家自然科學基金面上項目（2020/01—2023/12主持）

作者簡介：宋娟（1981—"），女，漢族，湖北人，博士，副教授，研究方向：激光與物質(zhì)相互作用研究。