《材料物理性能》教学新理念

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摘要：材料物理性能是以物理理论基础与材料性能相结合为主的一门课程，目的是培养学生既具备扎实的材料物理学基础知识，又能熟练掌握物理性能的研究和实验技能。本文提出的纵横联系，融会贯通教学新理念，基于材料学、物理学以及结晶学等方面的内容，采用层层推进及Venn流程图的方式，将材料的力、热、光、电、磁等知识相互联系起来，旨在真正的培养学生学习的主动性及创新性。

关键词：材料物理性能；教学新理念；主动性；创新性

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）15-0145-02

《材料物理性能》是材料物理专业的一门重要基础课程，属于学校重点课程建设项目，为校级精品课程，《材料物理性能》是以物理理论基础与材料性能相结合为主的一门课程，目的是培养学生既具备扎实的材料物理学基础知识，又能熟练掌握物理性能的研究和实验技能。该课程是一门理论性和实践性都很强的课程，综合了材料学、物理学以及结晶学等方面的内容，旨在利用物理学理论阐述材料的性能及规律。用材料的成分、微观结构、组织形态等相互关系的基础理论，深刻理解材料的各种性能控制因素，并在材料研究中建立相应的物理模型[1]。

一、《材料物理性能》课程的特点

该课程的最大特点是内容多，涉及面广，不但包括热、光、电、磁、声，通常也包括力学和功能与转换。将这两部分包括进来是更合理的，因为力学性能本身就是材料的重要物理性能之一，只不过因为涉及范围太广，应用也很广，发展也比较成熟，因此通常独立出来，单独设课，至于功能与转换则充分体现了热、光、电、磁等的相互联系，体现了当代学科的交叉发展特性。如果通过采取一定的方法和措施将学生学到的知识融会贯通，也有助于提高学生将来从事各种材料研究和工作能力，为学生毕业后的工作和实践打下扎实的理论基础，并有助于培养学生创造性思维和解决问题的能力，以满足社会对材料类人才的要求。关于《材料物理性能》的教改文章较多，但基本都限于讲述该课程的重要性，强调授课以学生为中心，强调实验的重要性等[2-5]，也有一些老师提出了一些独特的教学方法，如用中文讲课，用英语做总结[6]，前提是学生必须足够良好的英语水平。但都很少涉及到该门课程的本质，很少真正地提出“培养学生将该门课程融会贯通”的理念。在国内，文献[7]采用“基于Venn流程图式的课堂教学模式”探讨了大学课堂授课方式的理念，提出的横向联系，融会贯通教学理念，旨在真正地培养学生学习的主动性及创新性。

二、知识融会贯通的重要性

笔者认为，学科交叉发展，融会贯通才是材料物理学教学的真谛，客观世界事物都具有多面性，不像课堂上教授的知识，可以独立来学习。以焊接手机的焊锡为例，众所周知，焊锡的导电性能是最基本的性能，将不同器件焊在一起的目的就是让它们相互导通，实现信息输送。除了良好的导电性能，足够的力学性能也是焊锡必须的；另外，导热性能也是必须考虑的因素，如果没有良好的导热性能，则焊点温度容易升高，减少使用寿命。因此在研发和生产焊锡材料时，电学、热学和力学性能都必须同时考虑，缺一不可。在油田建设中，同样也不仅仅考虑力学问题。如利用套管来固井，通常采用水泥等材料将套管分段与井壁连接，通常套管强度越高，则会导致问题越多。因为材料的强度越高，延伸率越小，硬化指数越小，在相同的温度变化范围内更容易发生缩颈被拉断。因此选择固井材料时，必须考虑到温度的变化。由以上两例即可知，专业基础课《材料物理性能》教学中，不能再像高中物理和大学物理教学那样，热、光、电、磁、声等独立教学，必须相互联系起来，融会贯通，才能真正培养出具有主动性和创新性的人才。

三、不同物理性能之间的相互联系

事实上，材料的各种性能，本身就不是相互独立的。不同的物理性能只不过是同一材料在不同激励下做出的不同反应而已。例如，施加了拉力，材料则呈现出力学性能，通电后则呈现出电学性能，施加光激励，则呈现出光学性能。许多科学家已经建立了不同性能之间的定量关系，如魏德曼-弗兰兹定律，建立了热学和电学之间的关系：L=■（1）式中：L为常数，2.443×10-8W・'Ω/K2；λ为热导率，W・m-1/K；σ为电导率，'Ω-1・m-1；T为温度，K。尽管随着科技的高速发展，材料越来越复杂，对于个别材料也许例外，但对于绝大多数材料来说，都是满足以上关系式的。另外一些人则建立了力学和热学之间的关系如下式所示：E=KT■■/V■ （2） 式中：E为弹性模量；Tm为熔点（K）；V为比容；k，a，b为常数，一般a约为1，b约为2。有人甚至将光学性能也与电学和热学联系起来如下式所示：

n=■ （3） 式中：n为介质的折射率；εr为相对介电常数；μr为相对磁导率。可见，材料各种性能关系很紧密，甚至存在定量关系，因此，在研究材料的过程中，改善材料的一种性能，必须考虑到是否影响到其他性能，是否其他性能超出了应用的最低要求。同时，也只有掌握各种性能之间的关系，才有可能将各种性能联系起来，才可能将知识融会贯通。

四、性能联系的物理本质

材料的物理性能存在联系，源于材料的微观结构。材料的微观结构决定了宏观物理性能之间存在着必然联系，通过对其微观结构的理解，也更容易理解材料物理性能之间联系的本质规律。物质是由原子和分子构成的，分子和原子的种类及结构不但决定不同材料的性能，还决定了不同性能之间的关系。如物质原子间的距离通常能够决定材料的力学性能高低，通常材料的原子间距越大，材料的弹性模量越小，理论断裂强度也越小如下式所示：E=■，σ■=■ （4）式中：k、m是常数（m>1）；E为弹性模量；a为原子间距；σth为理论断裂强度；γ为表面能。材料的原子间距除了受本身属性决定，还要受到温度的影响。因为温度使得原子运动加剧，会导致原子间距增加。原子间距的增加，通常会导致力学性能参数弹性模量下降，同时也导致材料发生膨胀，涉及到热学问题。当然，更大原子间距，也会影响到的电学性能，如电阻增加，同时，光学性能也受到影响。当然，材料的性能除了受到本身的原子种类和结构的影响，还受到缺陷和杂质等的影响，因此，在研究材料的性能过程中，不但必须具有丰富的理论知识，还要求具有丰富的实践经验。

五、基于Venn流程图式的课堂教学模式在《材料物理性能》教学中应用

基于Venn流程图式的课堂教学模式是一种有效加强纵横联系，融会贯通的教学方法，该教学改革团队的老师采用基于Venn流程图式的课堂教学模式，取得了良好的教学效果[7]，采用Venn流程图式的授课方式，针对目前大学教育的现状，让授课教师对知识体系和知识结构具有更高程度的凝练和总结，以一种更富逻辑性的方式将知识内容展现出来。众所周知，在当前高等教育模式之下，大学教师的授课科目数量较少，一至两门课往往讲授很多年。在这种教学相长的授课方式下，教师对学科、专业和教材等方面的知识体系非常熟稔，对与课程相关的基础知识、知识体系和授课内容的讲授把握较好。在这种背景之下，加强对知识体系和知识结构的纵横联系和融会贯通，就变得非常有必要。《材料物理性能》是一门对数理及应用知识综合要求较高的课程，在授课过程中，教师往往涉及较多的知识体系和内容，涉及热、光、电、磁等。可借鉴的一种方法是，授课教师采用Venn流程图为主线，穿针引线，以一种富有逻辑关系的方式，将授课中的重点与难点关联起来，实现知识体系的纵横联系和融会贯通，增强学生对知识的理解和掌握能力同时，这种授课方式还可以进一步激发学生的学习兴趣，让师生间的互动变得轻松有趣，利于知识的发散性拓展。

六、结束语

学生只有将所学到知识融会贯通，才可能具有自主学习能力和创新能力，才能将他们培养成为具有理论联系实际，具有分析问题和解决问题能力的当代大学生，才有利于培养学生的创新思维，培养学生的创新意识。从而激发学生的创新意识和独立思考能力，从根本上提高课程课堂的教学效果。需要说明的是，笔者能够在教学中实现该理念，且取得了良好的教学效果，可能与学生在学习该门课程之前，已经学习了《量子力学》和《固体物理》两门课程。对于没有预先学习过该两本课程的学校，必须为该课程设置更多的课时，否则纵横联系，融会贯通这一教学新理念教学效果会大打折扣。

参考文献：

[1]徐爱菊，张雁红.材料物理性能课程教学改革建议[J].内蒙古石油化工，2012，（23）：117-118.

[2]李享成，邓承继.“材料物理性能”课程的教学改革探讨[J].中国冶金教育，2010，（5）：36-37.

[3]亮，吕有明，曹培江.《材料物理性能》课程建设探索与实践[J].广东化工，2011，38（3）：196-197.

[4]马向东.《材料物理性能》课程建设与教学改革研究[J].科技创新导报，2011，（19）：193.

[5]宋波，郭宁，何洪，等.“材料物理性能”课程教学改革探索[J].西南师范大学学报，2015，40（1）：144-146.

[6]李桂杰，李敏.《材料物理性能》课程教学改革的探讨[J].教育教学论坛，2015，（33），264-265.

[7]王党会，许天旱，宋海洋，王磊，姚婷珍.基于Venn流程图式的课堂教学模式研究[J].人力资源管理，2015，（8）：98-98.