固體物理學(xué)教學(xué)的一些探索

摘 要：固體物理學(xué)既是當(dāng)今物理學(xué)領(lǐng)域中最重要的學(xué)科之一，也是許多新學(xué)科的基礎(chǔ).該文從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段等幾個(gè)方面進(jìn)行了探索和實(shí)踐，總結(jié)出了“抓主線(xiàn)，選內(nèi)容，重前沿，講方法”的改革措施，期望對(duì)人才培養(yǎng)和學(xué)科建設(shè)起到一定的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：固體物理學(xué) 教學(xué)改革 教學(xué)實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G462文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）05（b）-0143-02

固體物理學(xué)是研究固體的結(jié)構(gòu)及其組成粒子之間相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及闡明其性能與用途的學(xué)科[1]。從學(xué)科結(jié)構(gòu)和內(nèi)容上看，該課程內(nèi)容基于普通物理學(xué)、高等數(shù)學(xué)、線(xiàn)性代數(shù)、量子力學(xué)、熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理等課程，主要講述晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)合、晶格振動(dòng)和能帶理論等方面知識(shí)。它既是當(dāng)今物理學(xué)領(lǐng)域中最重要的學(xué)科之一，也是許多新學(xué)科的基礎(chǔ)。由該學(xué)科發(fā)展起來(lái)的基本概念、基本理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，已向其他相鄰學(xué)科領(lǐng)域滲透，并促進(jìn)其他學(xué)科的發(fā)展[2]。如：金屬物理、半導(dǎo)體物理、磁學(xué)、低溫物理、電介質(zhì)物理、表面物理、非晶態(tài)物理、材料科學(xué)等。幾十年來(lái)，以固體物理的理論為基礎(chǔ)，在半導(dǎo)體、磁學(xué)、激光、超導(dǎo)、納米材料等現(xiàn)代技術(shù)研究方面取得了重要突破。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，固體物理課程的教學(xué)在新的歷史條件下已面臨前所未有的挑戰(zhàn)，碰到了許多難以回避的新問(wèn)題、新情況。傳統(tǒng)的固體物理教學(xué)內(nèi)容對(duì)固體物理前沿的新成果、新概念介紹得不夠，且傳統(tǒng)的教學(xué)方法單一，不利于學(xué)生解決問(wèn)題的能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了適應(yīng)精英教育、構(gòu)建研究型大學(xué)人才培養(yǎng)的需要，固體物理學(xué)的教學(xué)改革十分必要。因此，筆者結(jié)合自己在學(xué)習(xí)和講授固體物理學(xué)過(guò)程中的感想，針對(duì)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面作出如下探索。

1 培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，學(xué)生既要學(xué)習(xí)原有的經(jīng)典知識(shí)，又要接受更多的課程和社會(huì)信息，如何在有限的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)這兩者的有效結(jié)合，是當(dāng)今各個(gè)階段的教育都面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。面對(duì)知識(shí)更新速度的加快，我們的教育目標(biāo)也應(yīng)該有所調(diào)整，即努力實(shí)現(xiàn)由“授之以魚(yú)”向“授之以漁”的轉(zhuǎn)變[3]。尤其是對(duì)于大學(xué)生，他們已經(jīng)接受了十多年傳統(tǒng)的學(xué)校教育，有了較多的知識(shí)積累，大學(xué)階段的教育一方面是教給他們以知識(shí)，更重要的是培養(yǎng)他們自主學(xué)習(xí)的能力，使他們掌握研究性學(xué)習(xí)的方法，以便走向社會(huì)后具備自我學(xué)習(xí)、獲取新知識(shí)和開(kāi)展新工作的能力。明確了這樣的培養(yǎng)目標(biāo)之后，在教學(xué)過(guò)程中，就應(yīng)該有針對(duì)性的創(chuàng)造各種條件，讓學(xué)生自主參與到學(xué)習(xí)過(guò)程中來(lái)。例如，在講授布洛赫波的時(shí)候，先向?qū)W生強(qiáng)調(diào)晶體中電子波函數(shù)是按晶格周期調(diào)幅的平面波，接著啟發(fā)學(xué)生考慮自由電子波函數(shù)的形式（量子力學(xué)已經(jīng)講述過(guò)），經(jīng)過(guò)引導(dǎo)，學(xué)生回想起自由電子的波函數(shù)是平面波的形式，之后再分析晶體中電子是受到晶格勢(shì)場(chǎng)的周期性調(diào)制，所以需在平面波的波函數(shù)前面加上一個(gè)調(diào)幅因子，最終形成了布洛赫波函數(shù)。經(jīng)過(guò)這樣一個(gè)過(guò)程，學(xué)生可以自主的回顧以前所學(xué)的知識(shí)，并將其和新內(nèi)容相聯(lián)系，有助于新舊知識(shí)的融合和貫通。與此同時(shí)，也可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)他們學(xué)習(xí)和運(yùn)用知識(shí)的能力。

2 教學(xué)內(nèi)容的精選

固體物理內(nèi)容十分豐富，體系龐大，各部分有各自的特點(diǎn)。其中復(fù)雜抽象的概念體系、晶體結(jié)構(gòu)的描述、嚴(yán)密的理論推導(dǎo)等要求任課教師具有較好的數(shù)學(xué)和物理學(xué)修養(yǎng)，要熟悉固體物理學(xué)發(fā)展歷史和前沿研究的新動(dòng)態(tài)、新概念，且能夠?qū)ξ锢韴D像進(jìn)行透徹的講解；要求學(xué)生具有扎實(shí)的微積分、線(xiàn)性代數(shù)、群論等數(shù)學(xué)知識(shí)和量子力學(xué)、原子物理學(xué)、理論力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)等物理知識(shí)。同時(shí)，固體物理學(xué)知識(shí)比較零散、概念多、模型多、原理和定律多，這對(duì)教師和學(xué)生都是一種挑戰(zhàn)。面對(duì)如此龐大的知識(shí)體系和豐富的內(nèi)容，在講授過(guò)程中如何組織授課思路和精選教學(xué)內(nèi)容，是教師要解決的一個(gè)問(wèn)題。首先，理清固體物理的主線(xiàn)是非常重要的，即明確固體物理是研究固體的結(jié)構(gòu)及其組成粒子之間相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律及闡明其性能與用途的學(xué)科，是從微觀的角度來(lái)揭示固體的宏觀物理現(xiàn)象.在此基礎(chǔ)上，認(rèn)真分析教材，同時(shí)參考其他經(jīng)典教材，精選教學(xué)內(nèi)容，重在物理概念和模型，至于公式的推導(dǎo)和方程的求解等環(huán)節(jié)可適當(dāng)簡(jiǎn)化，留給學(xué)生課后自行解決。按照這樣的思路進(jìn)行下來(lái)，即使在有限的課時(shí)內(nèi)，學(xué)生對(duì)物理概念、物理圖像的認(rèn)識(shí)也會(huì)比較清晰，有利于對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握.

3 重視章節(jié)之間的內(nèi)在聯(lián)系

固體物理學(xué)雖然涉及內(nèi)容較多，但是認(rèn)真分析后，不難發(fā)現(xiàn)各章節(jié)之間銜接緊密。以胡安的《固體物理學(xué)》為例，本科階段的教學(xué)內(nèi)容主要是前四章：第一章主要講晶體的周期性結(jié)構(gòu)，那么這些結(jié)構(gòu)形成的內(nèi)在機(jī)理是什么，就要考慮粒子間的相互作用，這樣就引出了第二章關(guān)于晶體結(jié)合的問(wèn)題；同時(shí)，由晶體的結(jié)合類(lèi)型和結(jié)合能，表明在不同的條件下，原子間會(huì)出現(xiàn)某種形式的引力和電子云的斥力，這些相反的作用力決定著平衡時(shí)原子間距，再考慮到絕熱近似，實(shí)際晶格則在平衡位置附近振動(dòng)，由此可引出第三章關(guān)于晶格動(dòng)力學(xué)和晶體熱學(xué)性質(zhì)的內(nèi)容；晶格動(dòng)力學(xué)主要是針對(duì)原子的水平上的內(nèi)容，而晶體中還包括電子，那么電子的狀態(tài)是怎樣的呢？這就引出了第四章能帶論.由此可見(jiàn)，在教學(xué)中，抓住知識(shí)體系的主線(xiàn)，突出概念和模型，便于學(xué)生識(shí)記、理解、掌握知識(shí)體系。

4 注入學(xué)科前沿知識(shí)

固體物理學(xué)是一門(mén)發(fā)展十分迅速的基礎(chǔ)科學(xué)，與當(dāng)今最活躍的凝聚態(tài)物理和新材料科學(xué)緊密相連，也在其他多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域得以應(yīng)用，因此面對(duì)不斷涌現(xiàn)的新的現(xiàn)象和新的科研成果，固體物理學(xué)的前沿動(dòng)態(tài)在教學(xué)中應(yīng)該有所反映[4]，這將有助于提高學(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)的積極性和明確努力方向，同時(shí)也使課堂教學(xué)增添活力.例如，在講授晶體的共價(jià)鍵結(jié)合時(shí)，筆者就聯(lián)系自己的科研實(shí)際，介紹了碳納米管和石墨中碳原子的成鍵形式的差異，說(shuō)明了二者在物理性質(zhì)上的區(qū)別和聯(lián)系，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步介紹了低維碳納米材料近年來(lái)的研究進(jìn)展。再如講授能帶理論的時(shí)候，筆者向?qū)W生介紹了石墨烯的能帶特征，說(shuō)明了在低能極限下，石墨烯呈現(xiàn)出線(xiàn)性的能量色散關(guān)系，使得傳導(dǎo)電子可以看作是無(wú)質(zhì)量的Dirac費(fèi)米子，這種類(lèi)似于光子的特性，使其可用于相對(duì)論量子力學(xué)的研究，同時(shí)表明其獨(dú)特的載流子特性和優(yōu)異的電學(xué)特性，這些都是近幾年凝聚態(tài)物理的研究熱點(diǎn)。所以，把科學(xué)前沿知識(shí)引入課堂，不僅可以讓學(xué)生強(qiáng)烈地感受到科學(xué)發(fā)展的脈搏和動(dòng)力，極大的拓展了學(xué)生的視野，還可以激發(fā)起學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)學(xué)科理論實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新的勇氣和欲望。這與“著重于啟迪學(xué)生思維，發(fā)展學(xué)生智能，開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性，努力拓寬學(xué)生的知識(shí)面，為探索未知世界鋪路架橋”的世界一流大學(xué)培養(yǎng)人才模式是相呼應(yīng)的。

5 教學(xué)手段的優(yōu)化組合

固體物理課程中包括大量的立體圖像和復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，還涉及晶格振動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)學(xué)生的空間想象能力要求較高。傳統(tǒng)的“粉筆+黑板”的課堂教學(xué)手段就有一定的弊端， 因此可以將現(xiàn)代化的教學(xué)手段融入進(jìn)來(lái)[5]。例如，使用多媒體課件演示晶體結(jié)構(gòu)、倒格子、能帶、晶格振動(dòng)等模型，再結(jié)合自制教具，實(shí)現(xiàn)圖片、動(dòng)畫(huà)和實(shí)體模型相結(jié)合，使學(xué)生建立形象的空間模型概念，更直觀的理解教學(xué)內(nèi)容。所以，多媒體教學(xué)技術(shù)以其趣味性、形象性，可以增強(qiáng)教學(xué)的感染力，為固體物理教學(xué)注入了新的活力，從根本上改變了固體物理傳統(tǒng)的教與學(xué)的方式，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)造力。但是，多媒體課件不完全適合固體物理學(xué)教學(xué)，應(yīng)根據(jù)具體內(nèi)容和教學(xué)反饋進(jìn)行取舍。例如，在講授倒點(diǎn)陣、布洛赫定理、聲子態(tài)密度等理論性較強(qiáng)的內(nèi)容時(shí)，要配合節(jié)奏相對(duì)緩慢的板書(shū)，使學(xué)生理解知識(shí)要點(diǎn)，學(xué)會(huì)推理，從而有效的學(xué)習(xí)。

6 結(jié)語(yǔ)

上述教學(xué)改革方案是筆者在自己學(xué)習(xí)和講授固體物理學(xué)的過(guò)程中總結(jié)出來(lái)的，可以概括為“抓主線(xiàn)，選內(nèi)容，重前沿，講方法”，目前在教學(xué)活動(dòng)中也一直在實(shí)踐，獲得了較好的教學(xué)效果。但是，固體物理教學(xué)改革是一個(gè)龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)工程，課程改革的進(jìn)行涉及到諸多方面，需要廣大教育工作者不斷研究和探索，進(jìn)行多次“實(shí)踐—反思—總結(jié)”，方可真正跟上當(dāng)今科學(xué)技術(shù)日新月異發(fā)展的要求，培養(yǎng)出新世紀(jì)合格的高素質(zhì)和創(chuàng)新型人才。

參考文獻(xiàn)

[1]胡安，章維益.固體物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]梅顯秀.固體物理教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].大學(xué)物理，2010（29）.

[3]華中，宋春玲，劉研.固體物理教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（4）.

[4]李艷紅，李鵬，郭思辰.固體物理學(xué)課程教學(xué)探究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（27）.

[5]張建華.理論力學(xué)課程教學(xué)改革初探[J].江蘇教育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2012（4）.