材料物理实验课教学内容的改革与实践

摘要：根据材料科学飞速发展现状，围绕培养富有创新意识和能力的高素质人才培养理念，提出了材料物理实验教学内容改革模式与思路，分析材料物理实验教学内容改革的具体措施。实践证明，通过改革，大学生创新能力、实践能力和综合素质得到明显提高。

关键词：材料物理实验；教学内容；改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）14-0041-03

一、引言

伴随高校学科专业分类的细化，许多偏重于应用的学科，如机械、计算机等等，由于其合乎时展的学科设计、新颖实用的课程内容而受到大量青年学生的欢迎。但对一些偏重于基础研究的学科，如化学、数学、材料物理等，却因其学科内容更新速度慢、抽象性强、理论与实际应用较难结合等缺点，受到越来越多的学生排斥。解决此问题行之有效的方法是设计时效性强、内容丰富的实验课程，确保实验课发挥其将理论学习和应用实际紧密联系的纽带作用[1]。学生通过自己动手研究深奥的理论公式，不但锻炼动手能力、加强学习效果，还能提高学习专业理论的兴趣。湖南工业大学理学院于2005年招收应用物理专业材料物理专业方向学生，对材料物理专业来说，其实验课程内容的设计尤为重要。通过学习本课程，要求学生熟悉材料分析的常用设备及测试方法，掌握重要材料物理性质的分析、测试手段及构成，增强学生自行设计和创新、分析问题及解决问题的能力，紧密联系理论与实践，为以后进一步的科学研究打下坚实基础[2]。

二、材料物理实验教学内容改革模式与思路

改革后的材料物理实验课，应该既是一门为材料专业理论服务的实验基础课，还应是有利于学生将来做生产、开发工作或科学研究的技术基础课。目的在于在材料物理的基础理论和科技前沿领域的应用中架设桥梁，让学生明确科学研究的全过程，培养学生较好的实验素养及科学思维方法[3]。为了突出材料物理实验课的地位及作用，改革教学内容时，应提高教学课时利用率，在继续加强学生基本实验测量技术训练的基础上，还应注重以下几个方面因素：

1.紧密联系学生所学理论课程。所有实验的开设都应该建立在学生知晓相关理论知识的基础上，如果开设学生没有学过理论知识的实验课，不但做不到加深理论知识的效果，而且学生操作实验时茫无目的，无法解释实验现象，对实验失去兴趣。因此在设计具体实验内容时，必须要先与学生沟通已学习的理论知识，做到心中有数、有的放矢。

2.内容丰富。设计实验课内容时应首先设计制备材料的基本方法实验，还应包含半导体、绝缘体、金属几种基本材料类型的性能分析实验，并包括对材料成分和材料结构进行分析的光谱学及电镜等重要测试手段。一个实验可以包含以上几种情形，例如，开设“X射线衍射仪的应用”这一实验时，不但要求学生学型仪器的使用方法，而且要求学生测试几种不同类型的材料进行比较，使学生掌握不同材料的基本性能。

3.时效性强。当今的材料科学日新月异，各种新材料不断涌现，物质极大丰富，比如性能优异的复合材料、用处广泛的纳米材料等等[4]。学生学习知识就应该要学会解释身边的具体事物，否则，知识就变成了“死”的，没有学习价值。既然新材料能够引起人们的广泛关注，那么对于像处在牙塔内的求知若渴的学生更具有较强的吸引力。因此，要激发学生的学习兴趣，应该在设计实验内容时引入新材料研究的有关内容。例如，设计“纳米材料光致发光性能测试”的实验，学生了解到纳米材料在受到量子限域及小尺寸效应之后，能带结构会发生彻底改变，学生从实验中学习了基本能带理论，并且可以用来解释身边的新事物，极大地提高了学习兴趣。

4.适中的难易程度。材料物理实验课是一门协助相关理论课程学习的辅助课，不能够贪多贪难试图让学生掌握所有的材料物理知识。整体内容丰富了，每个实验应该要做到易于开展、目的明确，所以，实验课的难易程度要谨慎把握。不能够偏难，使实验难以进行，严重打击学生的学习积极性，当然也不能过易，使学生感觉不具备挑战性，失去自我创新的创造性思维。

三、材料物理实验教学内容改革措施与实践

传统实验教学着重于验证性实验，忽略“以学生为本”，不注重因材施教，过度突出统一性却忽视不同学生的个性化发展，从根本上制约了学生的主观能动性及创新能力的培养。湖南工业大学理学院材料物理实验室教师为适应国家对创新型人才的需求，转变传统实验教育理念，本着“注重培养学生科学思维、实践精神、探索和创新能力”的原则，践行“两个要求，三个层次”的独立实验教学体系，两个要求即选做和必做实验，三个层次即材料科学基础实验（验证性实验，旨在加强对理论知识的认知和理解）、材料分析测试实验（训练性实验，旨在提高学生的专业基本操作能力）、综合设计型实验（旨在培养高素质应用能力和科研创新能力），对材料物理实验教学内容进行改革与实践。

1.材料科学基础实验。基础实验是要求学生掌握材料物理专业的实验基本技能所开设的，学生必须要自己动手操作且分析实验结果。包括制备金相试样、典型组织金相分析、测量铁磁材料磁滞回线、电子显微镜分析、金属及非金属材料的拉伸、弯曲及压缩实验等等，组成一个完整的材料科学基础实验系统。

2.材料分析测试实验。此实验目的是为了使学生知晓材料科学前沿中新型材料的合成及测试方法，对不同种类材料进行表征及性能测试，由此拓宽学生知识面，启发学生的科学思维，为将来更高层次的研究工作做准备。虽然材料制备手段和测试方法有多种形式，在课堂的有限时间内，无法让学生掌握全部材料的制备工艺与测试手段，但是，材料的绝大多数制备和测试方法是互通的。基于此，我们具有针对性地设计了下面的实验：电化学工作站的使用、四探针法测薄膜电阻率、材料热重/差热分析、椭圆偏振光谱仪测薄膜厚度及折射率、材料的紫外光谱测试、材料磁学性能的综合测试等等。

3.综合设计型实验。综合设计型实验完全不同于传统实验教学，是具有命题式及设计性质的综合实验，目的是培养学生的动手操作能力及创新能力，增强学生找到问题、研究问题及解决问题的能力[5]。原则上应以学生掌握的专业知识为主，但不能完全局限在学生原有的知识层面上，要给学生一定的发展空间，没学习的知识通过指导学生自己查阅文献资料获得，督促学生掌握新知识点，全面发展学生的知识体系，综合提高学生素质，这其实就是一个学生自主创造性学习的阶段。因此，此实验选题不注重简单或繁杂，而强调学生的发展创新。在综合设计型实验过程中，强调学生的主体地位，学生不再是单纯地进行验证实验，而是要根据自己业已掌握的材料制备、加工、结构及性能测试等方面的基本原理和基础知识的基础上，根据实验教学要求，自主设计实验方案[6]，按照既定目标选择实验条件，并能正确表征材料性能，还要求学生根据实验现象及结果，自主判断最佳工艺条件及配方，探索材料制备方法-材料结构材料性能的相互关系，极大地培养学生的创新能力，并根据学生要求，综合设计型实验分为选做和必做两组，必做实验包括溶胶凝胶法制备纳米材料、化学旋涂法制备薄膜材料、介电陶瓷的固相合成等。选做实验开设了一维纳米材料的制备、磁控溅射法制备薄膜材料、功能材料的制备等，可供学生按照自己的兴趣选做。

在新世纪科学技术飞速发展的态势下，高校专业实验课程的重要性日益凸显。我们经过认真的实验教学研究，提出一个切实合理学院材料物理专业方向实际的实践教学内容改革方案。从分析传统实验教学内容不足出发，分析材料物理实验课内容改革模式、思路及措施，注重因材施教及学生创新思维的培养。经过几年的教学实践，结果证实教学内容的改革行之有效，学生喜爱动手、会动手，对科研活动愈加感兴趣，许多学生在学校举行的创新竞赛中取得了良好成绩，近几年理学院就业率达到95%以上。材料物理课程教学内容的改革将是注重学生提高综合素质、综合创新和实际能力培养的一种崭新的实验教学模式。

参考文献

[1]王慧琴，吴庆丰，梁晓军，黄伟军.以应用为导向的大学物理实验改革的探讨[J].实验技术与管理，2012，29（9）：148-150.

[2]郑文清.研究性学习模式对大学篮球选项课的影响[J].体育科学研究，2009，13（1）：91-93.

[3]于卫，尤玉军，储诚明，张正华.综合性大学卓越工程师培养实践教学模式研究[J].扬州大学学报（高教研究版），2012，16（1）：91-96.

[4]吴荣.材料物理专业实践创新能力培养模式的研究[J].实验室研究与探索，2012，（12）：113-116.

[5]周昕，陈星辉.应用物理学专业《材料物理实验》教学改革探讨[J].中国校外教育，2013，（3）：118-118.

[6]张枫.材料物理专业综合实验的教学改革与实践[J].中国水运，2007，07（08）：238-239.

基金项目：湖南工业大学教育教学改革研究项目（2012C09）。

作者简介：杨迪武（1975-），男，湖南株洲人，湖南工业大学副教授，博士，主要从事多元光声层析成像研究。