材料物理专业范例

摘要：物理化学作为材料类专业的专业基础课，在人才培养中具有非常重要的地位与作用。本文立足应用型本科人才培养、材料类专业人才培养和工科学生人才培养的要求，结合教学实践，对物理化学的教学改革进行了初步探索，以期达到提高学生学习兴趣、改善教学效果的目的。

关键词：材料类专业；物理化学；教学改革

一、引言

物理化学又称理论化学，是化学学科的一个重要分支，是从研究化学现象和物理现象之间的相互联系入手来探求化学运动中具有普遍性的基本规律的一门学科，是物理学与化学最早相互渗透的一门交叉边缘学科，是化学及化工、材料、生物等学科的理论基础，被称为“化学的灵魂”[1，2]。物理化学作为材料类专业的一门专业基础核心课、必修课，与无机化学、有机化学、分析化学等课程共同构成了主要专业基础知识平台，居于承上（公共理论层次）启下（专业理论层次）的重要枢纽地位，对于学生科学素养的培养和动手能力、创造能力的提高起着至关重要的作用。物理化学的学习要求学生具备扎实的物理和数学理论功底，也要求学生具有较强的理论联系实际的能力。物理化学的这种跨学科性对学生提出了更高的要求，也加深了学生的学习难度。但是，材料类专业的学生化学基础较差，再加上物理化学这门课程逻辑性强，公式繁多，比较抽象，学生学习起来比较困难，难免产生畏难情绪，导致恶性循环。因此，如何提高物理化学的教学质量，成为每个物理化学教师必须思考的问题。本文根据专业特点，结合自己的教学实践，对材料类专业物理化学的教学改革及教学思路进行了如下思索和探讨。

二、深入浅出，把握主线，科学方法贯穿于教学中

鉴于物理化学逻辑性、系统性强，章节之间联系紧密的特点，教师注重课程整体性和系统性的把握，有助于学生从整体上理解课程的基本脉络和内在联系。因此，我们每次在讲述新内容之前都会将上次课程的主要内容进行一个简单回顾。如我们在讲“热力学第二定律”之前，就可以先回顾一下“热力学第一定律”的相关知识，阐述其能解决哪些问题，不能解决哪些问题，自然而然地就过渡到“热力学第二定律”。这样做除了可以起到对所学知识的复习、巩固外，还有助于学生找到各章节之间的联系，抓住各章节的重点、难点和关键点。在传授学生学习知识的同时，也注意科学研究方法，如科学抽象法、理想模型法、本质揭示法、极限外推法、数值相关法、归纳演绎法等的渗透。例如，理想模型法是自然科学中重要的研究方法，也是物理化学理论的一个重要内容。理想模型法简化了实际过程，揭示了运动规律，透过现象抓住事物的本质。物理化学中的理想气体、理想溶液、可逆过程都是理想模型法的应用。教师从课堂教学的角度选择一些方法进行讨论，加深学生的认识。学习物理化学的基本知识，更须注重认识物理化学科学思维的研究方法，这几个要点互相渗透，相辅相成。有了正确的研究与学习方法，才能更好地掌握理论的基本内容与知识，并指导实践。学习中只有坚持理论与实践相结合，才能更深刻地理解与运用理论，并在解决实际问题中掌握理论和方法，培养创新能力。

三、改革教学内容，采用课堂讨论式、互动式教学方法

摘要：大学物理课程是材料专业的基础课，它的教学改革具有重要的意义。文章从改革课件、增加与材料专业相关内容、教学方法改革等方面做了初步的探讨和尝试，从而增强学生兴趣，增大了课程的内容含量。

关键词：大学物理；基础课；教学改革

物理学是材料学发展的基础，材料的发展离不开物理，材料科学中遇到的难题不断吸引物理学家去解答，新材料、新工艺和各种微观结构性能的研究又涉及到物理学的各个领域，材料学最新的研究方向更是从偏重化学实验转向偏重物理分析。大学物理是材料类学生的一门重要的基础课程，也是大一新生走进大学校园最先接触到的课程之一，这门课程旨在培养学生对物理原理的理解，为学生进一步学习材料专业的相关理论知识打下良好的基础。与此同时，大学物理还能培养物理特色的思维方式，对学生处理其他问题也具有指导作用：即透过现象看本质、抓主要矛盾、做合理假设、建数学模型，从而真正做到举重若轻、事半功倍。大学物理是世界范围内理工科高等院校普遍开设的基础课程。美国哈佛大学[1]的物理教学模式主要包括，第一，案例教学；第二，互动讨论法教学；第三，教研结合教学；第四，教师独立教学。麻省理工学院提出了以研究为主的大学物理教学模式[2]，在教学过程中，教师只是起到指导作用，学生是教学活动的主体，从而更好的培养和造就科技人才。北卡罗来纳州立大学采用以学生为中心的教学法[3]，学生们在小组里互相合作，进行活动，而教师负责通过讨论，对学生进行指导。伊利诺伊大学香槟分校的大学物理教学中，整个教学过程都是以学生为主体[4]，强调学生的参与，教师在授课过程中，大量提问，学生积极踊跃参与讨论。德国克劳斯塔尔工业大学也注重教学和科研的统一[5]。这种教学与科研密切结合的体制，对提高大学物理教学质量大有裨益。这些世界一流名校的经验对于国内的普通高校未必适用，我们只需加以借鉴，并不一定要完全照搬。目前国内尤其是地方院校，大学物理的教学情况是：学时少，现代化教育手段运用不足。更严峻的是，扩招给地方院校带来巨大的压力，师资力量无法满足需要，而生源质量又大幅下降，因此对大学物理教学的影响压力很大。我们在聊城大学材料科学与工程学院多年的大学物理的教学过程中发现，很多学生认为大学物理内容过于深奥抽象，难以学以致用。还有一部分学生觉得大学物理的内容与自己的专业课程联系不大，没有多少实际用途，以致于学学物理的兴趣不佳，主动性差，甚至有厌学情绪。上课不认真，玩手机，学习其他课程甚至逃课，课后抄袭作业甚至不写作业，考试时作弊等现象比比皆是。很多学生不为学会知识，只为应付考试及格。目前材料专业的大学物理教学基本上是沿袭物理专业的教学模式进行的，这样的模式不适用于材料专业建设和学生主动性培养的要求，主要表现在：1.材料学的发展日新月异，然而我们所用的大学物理教材内容依然是沿用多年前的教材体系，教材里只有极少的现代科技发展的简介，对学生缺乏足够的吸引力。2.大学物理教学内容对学生的专业、学科没有区分，与专业结合不够紧密，教师只注重物理知识的讲授，忽视物理学与材料专业之间的紧密联系及物理知识在实际中的应用，因此无法激发学生的学习热诚。3.大学物理课堂内容多以教师讲述为主，课堂上演示性、设计性实验较少，以致于很多抽象的原理学生理解不了，同时，课堂和课后师生间互动较少，教学质量大大降低。当前，各学校各专业都在积极的探索适合本专业学生的大学物理教学模式，以解决当前阻碍大学物理教学改革的瓶颈。本文根据聊城大学材料学院的实际情况，以提高材料专业大学物理课程教学质量、培养学生科研精神、增强学生分析问题解决问题的能力为出发点，依据大学物理教学的目标与要求，结合材料专业特色，注重物理知识与材料知识的联系，体现物理知识是材料专业研究工具的特点，开展对材料专业大学物理教学模式改革的探讨，最终调动学生的学习热诚，使学生懂得学习物理的重要性并能用物理知识解决专业问题，使物理知识与材料专业知识相辅相成、互相促进。本文的改革方案如图1所示：

一、积极探索，改革教学软件

利用专业软件工具包制作一套适合材料专业学生的大学物理电子教程。大学物理课堂上，加入材料、物理、生物、计算机、天文学的前沿科技，弥补传统教材体系落后于时代、应用性不强的缺点。让学生能够了解到社会的发展和科技前沿的最新动态，将学生代入一个生动、形象、具体的环境，活跃课堂气氛，开阔学生视野，增加学生的求知欲望。

二、将物理学史贯穿融入到物理课的教学中去

讲课过程中，融入与课本相关的物理方面的名人轶事和物理学史。通过讲述科学家的趣事和成长成才经历，让学生体会到大学物理的方法论是如何演绎的，让学生感悟物理学家是如何考虑科学问题，如何解决问题的，了解物理学大师科学创造的思路，使学生从中获得启发、感悟和熏陶。让学生自己体会做学问的三个境界：昨夜西风凋碧树，独上高楼，望断天涯路；衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴；众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处。掌握了这三个境界，学生便很自然的掌握了科学的逻辑思维方法。

1、课程改革

1.1教学内容的调整

根据材料专业特点，本着理论够用的教学原则，结合材料学科的发展趋势，尝试将专业必需的物理知识进行优选重组、整合，作为金属材料工程专业和材料物理专业的学生必须学习掌握的共同内容，目的是使材料专业的学生掌握较扎实的物理基础理论知识及基本分析应用能力．

1）力学篇

力学是经典物理学的基础，也是材料学专业许多重要课程的基础，例如材料力学、材料成型与控制、金属力学性能等等．在讲述力学知识的时候，特别强调物理概念的产生、严格定义和使用范围．此外，重视一些重要的思想，例如矢量叠加原理、取微元再积分的思想等等，帮助同学们通过建立合适的物理模型和一些重要的数学思想来解决实际问题．而狭义相对论与材料学关系不大且难以理解，可略去不讲．

2）热学篇

材料的许多物理性质都与热有关，例如热膨胀、热传导、热稳定性、热电等等．研究热现象，热力学和统计物理是两条重要的途径．目前所使用的教材中，热学知识不够丰富，因此在给材料类专业的同学上课时，需要补充额外的知识．在介绍统计物理时，帮助学生理解概率统计在材料科学研究领域的作用．在介绍热力学第一定律时补充焓的概念，在介绍热力学第二定律时补充熵的概念，因为熵与焓都是材料学中常用的表征材料特性的物理量．

摘要：物理化学课程具有理论性强、抽象概念多等特点，教学方法通常难以取得良好的教学效果，针对建筑院校材料类的专业特色，提出调整教学内容，突出教学重点，教学过程中通过举例（生活中、自然界中等）来培养学生的学习兴趣，理论教学内容与实验结合起来，将物理化学原理与工程或生产实际联系在一起，这样不仅能让学生更好地掌握物理化学课程的基本理论，还可以增强学生对本专业的学习兴趣，为将来在建筑材料领域工作打下必要的基础。

关键词：材料专业；物理化学；教学改革

21世纪以来，随着科学技术的高速发展，人才培养方向也是向着应用型及创新型发展。物理化学是化学学科的一个重要分支，是材料类专业本科生的一门主干课。本课程目的是让学生系统地掌握物理化学的基本知识和基本原理，加深对自然现象本质及规律的认识，这些知识和原理不仅是化学学科的理论基础，也是材料科学的发展基础。物理化学是连接基础学科和专业学科的重要桥梁，在学习的过程中能锻炼学生的逻辑思维能力，并能有效激发其创新思维，为今后的后续专业课程学习、毕业论文、科研工作等打下必要的理论基础，因此物理化学课程的重要性是不容置疑的。物理化学课程理论性强、逻辑性强、抽象概念较多、公式繁多，采用常规的教学方法难以取得良好的教学效果，所以在创新型人才培养模式下，如何提高物理化学课程的教学质量一直是讨论的热点问题之一[1-2]。除了适当使用多媒体课件、调动学生的学习兴趣、理论与实践相结合等通常教学方法及教学手段[3]之外，刘新露等[4]的“活化”（即生活化、灵活化、快活化）教学法，能够显著激发学生的学习兴趣，培养学生的思维能力、解决问题的能力和创新能力。黄华良等[5]的“实例＋问题”式教学法，是通过实例引发学生思考问题、分析问题、实际联系理论，对实例中的原理及问题进行深层次的理论分析，也是一种提高物理化学课堂教学效率行之有效的方法。文瑾等[6]提出了，结合专业需求改革物理化学的教学内容。朱晓东[7]提出结合生活实例来培养学生学习物理化学的兴趣等等。以上这些物理化学的教学方法及手段虽然各有特色，但对于建筑院校材料类学生来讲，还不能全部照搬过来直接使用，需要结合自身的专业特点及学时要求，适当调整教学内容，突出教学重点。由于物理化学是一门概念性、理论性、系统性和逻辑性都比较强的学科，涉及的公式较多，应用条件比较抽象、复杂，本文提出在教学过程中通过举例（生活中、自然界中等）来培养学生的学习兴趣，并将理论教学内容与实验内容结合起来，将物理化学原理与工程或生产实际联系在一起。即结合工程实际，真正做到理论教学与工程（生产）实际相结合，不但彰显建筑院校的特色，还能充分挖掘学生的学习兴趣。

1结合人才培养特色确定教学内容

根据建筑院校材料类专业人才培养方案，突出建筑类院校特色的材料专业课程体系，以培养创新人才为目标，首先选定适合工科院校、且使用较为广泛的天津大学物理化学教研室编的《物理化学》（上下册）做教材，根据培养方案中学时要求确定教学内容，并突出学科专业特色。天津大学物理化学教研室编的第五、六版《物理化学》教材，目前国内80%的工科院校都选用，适用范围广。考虑到建筑院校材料类专业的特点（主要是培养应用型创新人才），教材中理论性极强的量子力学基础、统计热力学初步两章内容不讲，同时加强界面现象及胶体化学这两部分内容的学习，增加界面化学中表面活性剂的作用原理及应用，并将相平衡、界面化学与胶体化学作为重点章节（这些章节内容与材料类部分专业课联系更密切）。为了解决学时少、课程内容多的矛盾，适当增加自学内容。例如电化学中电解质溶液性质、热力学中平衡常数的计算等，相关内容在无机化学、分析化学中学过一部分，都可以做自学内容处理。这样处理后既能突出专业特色，又能保证授课内容的覆盖率不低于90%，以满足部分学生将来报考“985”及中科院系统研究生的需要。

2采取举例式教学培养学生的学习兴趣

物理化学这门课程中，热力学占据了重要地位，热力学理论抽象、生涩难懂，在讲授热力学的过程中，采用举例式教学极易激发学生的学习兴趣，促进学生对知识的理解与掌握。例如讲到热力学第一定律的应用，可以举一个生活中的例子让学生参与讨论：在一个门窗紧闭、保温良好的房间里，放有一个电冰箱，若将电冰箱门打开，不断给冰箱供给电能，室内的温度将如何变化？保温良好、门窗紧闭的房间实际上是一个封闭的绝热系统，从而Q=0，若将电冰箱门打开，不断给冰箱供给电能，因而环境对系统做了非体积功-电功（此时体积功为零），W>0，由热力学第一定律数学表达式，ΔU=Q+W，得知ΔU>0，所以室内温度不但不会降低，反而会升高。再如系统的“状态”与“状态函数”是热力学中非常重要的两个概念，但初学者往往很难理解。可以简单的讲，“状态”就是系统的样子，“状态函数”就是描述系统状态的一些物理量。比如描述一位美女的长相，苗条的身材、白皙的皮肤、大大的眼睛、高挺的鼻梁等，根据这些描述自然得到结论，即这个美女的样子很漂亮。漂亮美女就是“状态”，上面关于美女漂亮样子的具体描述相当于“状态函数”，于是“状态”与“状态函数”的关系就不难理解了。

摘要：

本文介绍了材料类专业大学物理教学现状，分析了目前教学中的不足，提出了大学物理除了培养学生基本自然科学素养外，还应为专业课程奠定物理基础，并针对性提出了优化大学物理课程内容和教学方法的建议，旨在提高材料类专业大学物理的教学质量。

关键词：

大学物理；材料类专业；教学改革

1引言

物理学研究的是物质的基本结构、基本运动形式、相互作用及相互转化，它的基本理论是各个自然学科工程技术的基础，广泛的应用于生产、生活实际。大学物理课程则是以物理学的基本原理和基础应用为内容的高等学校理工科各专业学生一门重要的必修基础课，该课程是养成学生科学素养的重要组成部分，对培养学生树立科学的世界观，增强学生分析问题、解决问题的能力，以及探索精神和创新意识的培养等方面具有重要作用。同时，各理工类专业领域中都会涉及到物理学的基本原理、基本结论和基本方法，因而大学物理课程能为学生在后续的专业课程学习以及将来工作中解决生产技术问题，进行技术改造和技术创新奠定重要的基础，是合格的理工科毕业生、科技工作者和工程技术人员所必备的知识。对于不同专业，所需的物理知识侧重点是不同的，如电子类专业侧重于电磁学，化工类专业侧重于热学，机械类专业侧重于力学等。要充分发挥大学物理课程的作用，就应当根据各专业特点，合理安排大学物理内容，在教学过程中结合学生专业的需求有重点、有选择地进行物理教学。我们以材料类专业为基础，探讨分专业大学物理教学的教学模式。

2大学物理教学现状

摘要：“材料物理性能”课程是材料、化工类专业的专业基础课程之一，重点讲解材料物理性能的基本知识、理论和应用，为后续专业课程的学习和工程创新能力的培养奠定理论基础。基于国家一流本科专业建设和工程教育认证的背景，对“材料物理性能”课程的教学目标、教学内容、教学模式和考核评价等方面进行了改革探索，为高校“材料物理性能”课程教学范式的革新提供参考。

关键词：材料物理性能；教学改革；实践

“材料物理性能”是目前各高校材料与化工、材料科学与工程等工科专业普遍开设的专业必修课程。针对其涉及知识面较广，概念抽象有深度等特点，且该课程在培养方案中起到承上启下的作用[1]，如何优化教学内容，改变传统的教学模式和考核评价机制，对学生专业培养目标的达成具有重要的意义。近几年，河南工业大学材料科学与工程学院对该课程的教学目标、内容、模式和评价方式进行了全面的改革，学生学习积极性和教学效果显著提升，课程达成度良好，对于推动国家一流本科专业建设提供了支撑作用。

1教学目标与内容

1.1教学目标

近几年，学院在明确材料科学与工程专业培养目标的前提下，制定了本科生12项毕业要求[2]。“材料物理性能”课程主要支撑毕业要求中的“工程知识应用能力”“研究与分析能力”和“终身学习能力”三个方面，要求能够具有自主学习和终身学习的意识，掌握材料科学与工程基础和专业知识，分析材料组成、结构与性质关系，并将基本理论和方法运用于解决材料科学与工程专业的复杂工程问题。本课程的教学目标：①能正确掌握材料热学、电学、磁学和光学性能相关的基本概念、微观机理、性能参量和影响因素，为解决材料科学与工程专业领域的复杂工程问题提供理论知识支撑；②能根据材料的组成、结构等信息分析并预判材料的物理性能变化，并且通过结合材料专业其他课程的学习，能对材料专业复杂工程问题的关键环节进行识别和判断；③培养自学、分析的综合能力，能够追踪学术前沿，关注材料物理性能领域的新动态、新知识，开展自主且持续性学习。

1.2教学内容的改革

摘要：

为了能够培养高水平应用型工程拔尖人才，材料物理性能的教学必须符合工程教育的需要，对材料物理性能的教学改革是十分必要而迫切的。只有通过创新教学理念和教学内容，才能促进学科的工程教育发展，进而促进学生在工程技术领域的长足发展与进步。

关键词：

材料物理性能；工程教育；改革

一工程教育理念

近几年来，“工程教育”理念是国内外高等教育中的一个重要理念。这一理念强调高等院校在开展理论教学的基础上，积极重视对学生工程实践能力的培养，从而使学生具备熟练的工程实践经验。目前，国内外诸多高等院校已争先恐后的投身到工程教育专业认证。这项认证常被看作为应用型本科院校高等教育质量保证的基础活动。[1]我国从2007年开始了工程教育专业认证的试点工作。到2009年，我国工程教育专业认证已经开始进入普及推广阶段，这也为我国高等工程教育提供了一个新的发展良机。仅仅过了一年，我国就制订了鼓励高校进行工程教育的“卓越工程师”计划。该计划要求高等院校在2010年~2020年十年间培养出大规模的高质量的专业拔尖工程技术人才，从而为国家的现代化建设和“大众创业万众创新”增添活力。而这项计划的实施当然也离不开教育理念的创新和课程教育的改革。

二材料物理性能课程的现状分析与思考

摘要:本论文以黑龙江科技大学金属材料工程专业的教学改革为例探讨了应用型本科专业在工程教育专业认证背景下《材料物理化学》教学改革的研究。提出了以支撑毕业要求达成为目的确定《材料物理化学》的课程目标，围绕课程目标设计教学内容、引入思维导图等教学方法、采用多样化教学方式以及优化及考核方式以促进课程目标的达成，并坚持持续改进等方法从而实现培养应用型人才的培养目标。

关键词:材料物理化学;工程教育认证;教学改革

物理化学不仅为化学专业学生必修的专业基础课程，也被我校材料类专业设置为学科大类基础课程。作为金属材料工程专业专业知识结构中重要的一环，它综合了普通化学、高等数学、普通物理等课程的基础知识，是学生学习后续专业课程的基础。相应的概念、理论和分析方法十分有助于理解材料科学的应用领域和应用前景，无论是对学生今后在材料领域从事专业的工作，还是继续考研深造都有十分重要的基础性价值［1］。对于人才培养定位为应用型的本科院校，金属材料工程专业的人才培养模式主要是培养应用型金属材料工程师的工程类教育，培养目标是使学生在今后的职业中从事新材料的工艺设计、设备研制、技术创新、科学研究、生产及经营管理等工作。因此，如何紧密围绕培养应用型人才的培养目标及毕业要求确定《材料物理化学》的课程目标，围绕课程目标设计教学内容、教学方法以及考核方式和内容，成为材料类物理化学课程教改迫切解决的问题。

1以成果为导向，构建应用型课程内容体系

围绕专业培养目标确定《材料物理化学》对毕业要求支撑的观测点，根据观测点要求明确课程的教学内容。专业的毕业要求中要求通过《材料物理化学》课程的学习使学生具备工程知识和分析问题的能力，依据毕业要求观测点的能力要求设定课程目标为:(1)能够系统掌握热力学和动力学的基本原理和知识，对复杂金属材料工程问题中材料相变及化学反应过程进行表述，建立数学模型计算、求解;(2)能够应用热力学和动力学基本理论通过分析、计算，识别和判断材料相变方向、化学反应方向、限度与速率等复杂金属材料工程问题的关键环节。教师围绕课程目标确定各知识单元的知识点，设定学生学习后能够获得的能力要求，教学内容需突出应用的特色，注重把理论知识与金属材料工程实际工程问题有机结合起来。教学内容中，重点介绍《材料物理化学》应用于金属材料领域的知识，对化学公式的具体推导过程和定量计算等内容不必进行过深过细讲解。既要注重基础知识的传授，又要结合材料科学技术发展，掌握公式及理论推导过程中的各种条件、结论以及相关的物理意义、适用范围。注重理论与科学研究、生活实际及工程问题的结合，构建先进的课程内容体系，从而培养材料专业的学生利用《材料物理化学》基础知识分析、解决问题的能力。

2引入思维导图教学方法，帮助学生梳理知识结构

《材料物理化学》课程具有理论性强、概念多、公式多、内容抽象以及多学科交叉等特点，学生理解及记忆难度较大，经常混淆相似公式的应用条件，在正确应用公式解决工程问题上往往存在较大困难。在每个知识单元教学结束后，教师引导学生利用软件或自行独立绘制思维导图，利用简短的描述，形象的图画将易于混淆的知识点构建成知识网络，对知识体系进行逻辑梳理，可以有效的激发学生的发散思维，从而实现思维走向深入和扩散，为学生分析、解决具体问题打下坚实的基础［2］。例如，在热力学第一定律的知识单元教学结束后，教师引导学生在掌握基本的概念与术语的基础之上，从热力学第一定律的数学表达式作为一级分支，分别从功的计算以及热的计算进行展开，将封闭体系的体积功计算、定压热、定容热的计算作为二级分支，定容变温和定压变温过程热的计算，相变焓、化学反应进度和化学反应的标准摩尔焓计算等热力学第一定律在变化中应用作为三级分支，从而将热力学第一定律的理论构建完整的知识网络。在教学过程中引入思维导图的教学方法可以锻炼学生对知识的归纳总结能力、逻辑思维能力和创新思维能力。