材料科学与工程专业基础课材料物理教学改革研究

摘  要：材料物理是面向南京工业大学材料科学与工程专业学生开设的一门专业基础课。为顺应新时代国家人才需求，助力学生理解、掌握专业知识和技能，使其拥有解决复杂工程问题的能力，引导学生坚持正确的政治导向和价值取向，教学团队在课程内容设计与资源建设、教学内容与组织实施上进行一系列改革，不仅强调对基础理论知识的把握，致力培养学生解决复杂工程问题的能力，同时还注重思想政治元素的融入，取得较好的教学改革成效。该文对课程教学改革举措进行分析，以作参考。

关键词：材料物理；教学改革；课程思政；立德树人；复杂工程问题

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）24-0152-04

Abstract： "Materials Physics" is a fundamental course offered to students majoring in Materials Science and Engineering at Nanjing University of Technology. In response to the demands of the new era for national talents and to help students understand and master professional knowledge and skills， enabling them to possess the ability to solve complex engineering problems and guiding students to adhere to the correct political orientation and values， the teaching team has carried out a series of reforms in the design of course content， resource development， teaching organization， and implementation. These reforms not only emphasize grasping fundamental theoretical knowledge but also aim to cultivate students' ability to solve complex engineering problems， while also paying attention to the integration of ideological and political elements， achieving significant effectiveness in teaching reform. This article analyzes the measures of curriculum teaching reform for reference purposes.

Keywords： Material Physics; teaching reform; curriculum ideology and politics; fostering virtue through education; complex engineering problems

材料科学与工程专业是南京工业大学的国家级特色专业之一，而始创于2006年的材料物理课程则是该专业的核心专业课程之一。材料物理是介于物理学与材料学之间的一门交叉学科，它从物理学的一些基本概念、基本原理、基本定律出发，主要研究材料的组成、结构与性能之间的相互影响和作用机制。材料物理课程讲述的主要内容包括材料的晶体结构、热学、电学、介电、磁学、光学性能及其应用，并介绍各种重要性能的原理及微观机制。基于该课程的学习，学生将具备扎实的材料科学理论基础，能够适应材料科学领域中的新材料开发和研究工作，并具备解决材料科研和生产技术问题的能力，从而为未来的职业发展奠定坚实的基础。该课程理论知识较丰富、难度较大，尽管学时由原先的84学时压缩到64学时，但所覆盖内容并没有删减。这要求学生必须具备扎实的数学物理基础，特别要深刻掌握诸如高等数学、固体物理、量子力学等先期课程的知识。此外，大学是学生在理想信念、思想道德、人格等方面逐步形成、走向成熟的转折点，是塑造正确“三观”的重要时期。高校是教育培养青年人才的重要园地，也是用社会主义核心价值体系武装青年的重要思想阵地[1]。育才造士，为国之本。思想政治工作关系培养什么样的人、如何培养人以及为谁培养人这个根本问题，事关党和人民事业后继有人这个根本大计[2]。因此，培养具有家国情怀、有创新能力的专业人才是高校教师的重要责任。因此，在材料物理教学过程中，需要改进教学设计与教学方法，借助现代信息技术讲授专业理论，不仅要助力学生理解、掌握专业知识和技能，拥有解决复杂工程问题的能力，还要引导学生坚持正确的政治导向和价值取向，把社会主义核心价值观融入课堂教学全过程。基于此，教学团队对课程进行了系统的改革并分析如下。

一  课程目标

材料物理课程具有如下课程目标：①掌握材料物理基础知识：学生将全面了解材料物理领域的基础知识，包括热学、电学、介电、磁学和光学性能的基本原理。基于扎实的理论基础，能够深入分析和理解不同材料的物理性能。②理解材料工艺-结构-性能三者间的关系：学会分析材料的工艺、结构与性能之间的相互关系，能够从材料的化学组成和晶体结构出发，解释产生不同性能的机制，为提高材料性能提供合理的组成/结构设计思路。③熟练运用知识解决复杂工程问题：基于对工艺-结构-性能三者间关系的深刻把握，提出改进材料性能的具体方法和技术途径，工艺上实现所设计的组成与结构，使材料达到相应的性能，从而具备解决复杂工程问题的能力。

二  改革举措与效果

（一）  内容设计与资源建设

本课程内容设计涵盖了材料科学与工程领域的关键知识和理论。课程内容主要包括晶体结构、热学性质、电学性质、介电性质、磁学性质和光学性质。这些内容涵盖了材料科学的核心概念，帮助学生理解不同材料的性能特点及材料组成/结构与性能之间的相互关系[3-4]。课程还介绍了如何通过改变材料的组成和结构调控其性能，包括电学、磁学和光学性能的调控方法。这有助于学生理解材料设计和改进的原理。课程使用了多媒体教学资源，包括视频动画和PPT课件，用于讲解复杂的物理概念和现象，使学生更容易理解和记忆课程内容。如采用动画的形式演示二维正格子与倒格子的关系。为了提高学生的实验能力和理解力，课程采用了实验仿真软件 Comsol、Ansys和SCAPS等，模拟和分析不同材料在不同条件下的性能。如用Comsol模拟材料器件的输出性能，通过几何模型绘制、设置材料、材料属性定义（电阻率、热导率、赛贝克系数）、联接关系定义、网格划分、分析设置建立、载荷和约束施加，最后求解得到输出。通过调节几何参数与材料性能，研究不同几何参数及p-n匹配对热电传感性能的影响。除了课上虚拟实验外，还提供了线下实践机会，鼓励学生参与科研项目，对学生开放科研实验室，如开放使用霍尔测试系统进行半导体材料的电导率与霍尔系数的测试，并测算到载流子浓度与迁移率。因此，课程内容和资源建设以多样化的方式支持学生的学习，包括视觉化的教学资源、实验仿真软件和实验实践。这些资源不仅帮助学生理解材料物理的理论基础，还促进其实际应用能力的培养，有助于提高学生在材料科学与工程领域的综合素质。

（二）  组织实施

组织实施上进行多样化课堂教学，包括传统讲授、小组讨论、案例分析和课后实践等，这有助于激发学生的兴趣，提高学习的互动性。课程强调互动性教学，结合小组讨论，鼓励学生提出问题、发表观点，并与教师和同学进行深入的讨论，从而增强其学习体验。例如，热学教学中进行分组讨论与测评，提出几个问题：什么是杜隆-伯替定律？有什么局限性？爱因斯坦模型有什么局限性？德拜温度的物理意义？模型有什么局限性？对实际工程问题有什么指导意义？三个模型之间有什么关系？同时代背景下，我国相关科学发展情况如何？旨在从传统的“坐中学”转向了互动的“做中学”模式，加深巩固同学们对本堂课知识的理解，同时激发学生的主体性和参与度，结合国际形势背景，培养社会责任感。此外多维度的评价方式也更全面地考察了学生的能力。教学过程中，渗透唯物辩证法，引导学生用唯物辩证的思维理解相关的物理机制、理论原理和性能影响的变化规律，有助于激发学生学习知识的主动性和积极性，提高学生分析和解决问题的能力。例如，热容理论、电子理论等都是从经典理论向量子理论不断演化的，印证了辩证唯物法的发展观；在分析热、电输运特性的影响因素时，需要抓住主要矛盾；物理量泰勒展开后，高次项小量可以忽略不计，这体现了辩证唯物法的矛盾观。为了使学生更好地将所学知识应用于实际工程中，课程引入了一系列工程应用案例，包括光纤通信、热障涂层燃气轮机、热电核电池等。学生通过分析这些案例，了解材料物理在工程中的应用，将理论知识与实际应用相结合，更好地理解材料物理的重要性[5]。课程的评价方式包括平时作业、随堂测试和期末考试。平时作业包括课后习题、小组讨论或课堂参与等。课程会安排定期的随堂测试，包括简答题或计算题等，以测试学生对当堂课程内容的掌握程度，有助于提升课堂效率。期末考试占总成绩的较大比例。期末考试采用闭卷考试，涵盖整个课程的内容，包括理论知识和应用能力的考察。考试题型包括填空题、简答题和计算题。用以综合考察学生的课程理解能力、应用能力和解决问题的能力。平时作业和随堂测试可以帮助学生及时巩固和提高课程知识，期末考试则用于全面评估学生的综合水平。同时，考试的难度和题型设计旨在提高学业挑战度，鼓励学生深入学习和思考。

（三）  课程评价及改革成效

学生对课程的评价普遍积极，他们认为课程内容具有挑战性，但教学方法多样，有助于提高其理解和应用能力。许多学生表示通过课程学到了实际应用的知识，对材料物理有了更深入的认识；通过成绩对比分析，可以看到学生的平均成绩有所提高，2021—2022学年均分为80分，2022—2023学年均分为83分，且优秀率从13%提升到36%。这表明课程的改革有助于提高学生的学业水平。课程改革不仅强调知识传授，还注重培养学生解决问题的能力、团队协作能力和创新思维，结合基础理论推导与仿真演示学习，学生能够更自信地应对复杂的工程问题，并在实际研究和生产中运用所学的知识。一些学生在课程后表现出对材料科学领域的浓厚兴趣，开始积极与老师交流，参与学术研究项目。95%的学生选择的大学生创新创业课题均围绕材料的光、热、电、磁性能开展。如2019级李军同学申报获批了国家级大学生创新训练项目——基于MXene的有机插层柔性薄膜制备与热电性能研究，廖智勇同学申报获批了校级大学生创新训练项目——碲化铋基柔性热电材料及其体温发电应用，通过将半导体理论知识应用到实践中，进一步加深对理论的理解，李军、廖智勇同学毕业后分别升学至东南大学、西北工业大学读研。这反映出课程改革成功地激发了学生的学术兴趣和研究潜力，助力了学生的成长成才。

（四）  改革创新

本课程充分融入了思想政治教育元素，通过教学内容、教学方法等多方面的设计，培养学生的家国情怀、社会责任感，引导他们形成正确的人生观和价值观。如在材料物理基础中晶体结构讲解中，列举中国科学院上海硅酸盐研究所为欧洲核子研究中心正负电子对撞机提供闪烁晶体BGO的故事。诺贝尔奖获得者丁肇中教授评价所提供的BGO具有对低能量光子和电子的优越能量分辨率，质量优于日本或欧洲的晶体[6]。正是在严东生院士等老一辈硅酸盐专家的长期坚持和不懈努力下，使得上海硅酸盐研究所成为了无机闪烁晶体生长领域的领军者，奠定了我国在无机闪烁晶体领域的国际地位。在热学性能部分热容理论的讲解中，列举1818年发现杜隆·伯替定律；1820年实验证实杜隆·伯替定律；1860年麦克斯韦、玻尔兹曼建立的气体分子运动论可以解释杜隆·伯替定律；1887年玻尔兹曼提出了统计熵S=kBlnΩ 标志热力学进化到了统计物理；1900年普朗克把光的能量量子化，引入了量子物理的标志——普朗克常数；1907年爱因斯坦针对固体中的热运动，基于能量量子化，建立了爱因斯坦声子模型；1911年德拜赋予固体中的声子一个类似光子的线性色散关系，并据此修正了爱因斯坦模型，能非常好地解释不同种类固体的热性质，由此解决了固体比热容在绝对零度附近趋于零的问题。通过呈现热学理论的发展历程，梳理其递进关系，旨在使学生了解热学理论的演变，融入辩证唯物发展观。再通过一张1927年相关顶尖科学家的合影，包括爱因斯坦、普朗克、薛定谔和德拜等科学家，强调科学技术是第一生产力，20世纪欧美科技的领先是其综合竞争力强盛的基础，激发学生奋起直追的爱国热情。在电学性能部分半导体的讲解中，结合主讲教师所从事的热电半导体研究及放射性同位素核电池相关科研项目，介绍美国是目前世界上使用核电池进行深空探测最多的国家，其在空间同位素电源的研究和应用方面处于国际领先水平。已经成功发射并使用核电池的探测任务包括行星际飞行、月球登陆、太阳轨道探测和火星探测等。我国仍处在跟跑阶段，而高性能热电半导体材料与器件的研发是关键。在讲解半导体NMOS器件时，介绍漏极与源极之间的距离被称为制程，例如中芯国际为14纳米，台积电为5纳米。芯片行业包括设计、制造、封装和测试四个主要阶段。我国已经在封装和测试方面取得了领先地位，在芯片设计领域迅速发展，但在芯片制造方面面临“瓶颈”[7]。在外部环境的倒闭和内部技术进步的共同作用下，国产芯片加速了试错、转型和提升过程，从“不可用”逐渐转变为“基本可用”，再到“可用”。实践证明，关键核心技术是买不来或讨不来的。只有牢牢掌握关键核心技术，才能从根本上保障国家的经济、国防和其他安全[8]。对于当前相关局势的描述能够激发学生们的爱国情怀和学习热情。