“固體物理與化學(xué)”課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

冷森林 姜菁菁 石維 黃偉

【摘要】固體物理和固體化學(xué)是材料類專業(yè)的兩門核心課程，這兩門課程基本都以理論教學(xué)為主，其教學(xué)內(nèi)容存在著重疊部分，但也有互補(bǔ)內(nèi)容。為培養(yǎng)應(yīng)用型的材料類本科人才，通過內(nèi)容優(yōu)化整合，增加實(shí)踐環(huán)節(jié)，創(chuàng)新性地將固體物理和固體化學(xué)合并成一門課程，并且改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式。

【關(guān)鍵詞】固體物理與化學(xué) ?教學(xué) ?改革與實(shí)踐 ?應(yīng)用型

【基金項(xiàng)目】2013年銅仁學(xué)院教改項(xiàng)目“《固體物理》課程的教學(xué)改革思考與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號：JG201346）。

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）08-0126-02

固體物理是研究固體的微觀結(jié)構(gòu)、各種微觀粒子運(yùn)動形態(tài)和規(guī)律以及它們相互關(guān)系的學(xué)科。它是材料類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，涉及力、熱、聲、電、磁和光學(xué)等各方面的內(nèi)容。固體物理理論在很多研究領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，它是微電子、光電子、半導(dǎo)體等各項(xiàng)技術(shù)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)。固體化學(xué)著重研究物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)、合成方法、晶體生長、化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，特別是固體中的缺陷及其對宏觀物理化學(xué)性質(zhì)的影響。固體物理和固體化學(xué)知識在前沿科學(xué)中的應(yīng)用越來越多，相關(guān)材料類專業(yè)也都開設(shè)了這兩門課程。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，材料科學(xué)的研究正不斷開拓新的研究領(lǐng)域。作為材料類學(xué)生的專業(yè)必修課，固體物理和固體化學(xué)兩門課程原有的知識體系均存在著不同程度的局限性。具體來講，傳統(tǒng)固體物理是一門理論性很強(qiáng)的課程，它用量子理論研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，用以解釋宏觀物理性能，以理論教學(xué)為重點(diǎn)，實(shí)踐教學(xué)占的比重不多，與前沿科學(xué)的結(jié)合也不夠，不符合材料專業(yè)對應(yīng)用型和實(shí)踐性的需求;固體化學(xué)課程內(nèi)容包含材料制備工藝和分析手段等實(shí)踐內(nèi)容，但對固體的研究方法、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系等方面的探索還需要依靠固體物理理論的指導(dǎo)。針對具體的研究對象，往往需要綜合固體物理和固體化學(xué)的知識才能解決問題。這種解決實(shí)際問題的需求使得在材料專業(yè)設(shè)置固體物理與化學(xué)課程很有必要。

目前，在國內(nèi)大學(xué)的材料類專業(yè)，固體物理和固體化學(xué)一般作為兩門獨(dú)立的課程設(shè)置，兩門課的教學(xué)內(nèi)容既有重疊部分，也有互補(bǔ)需要?？梢院喜⒐腆w物理和固體化學(xué)兩門課程，刪去重復(fù)知識點(diǎn)，縮短學(xué)時(shí);提取、凝練知識點(diǎn)互補(bǔ)部分，利用“固體物理”理論更好地指導(dǎo)“固體化學(xué)”實(shí)踐，達(dá)到“1+1>2”的效果。

根據(jù)銅仁學(xué)院的辦學(xué)定位和教學(xué)實(shí)際：適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，按照“突出應(yīng)用、培育特色、提高質(zhì)量”的原則，培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型人才，注重社會服務(wù)的教學(xué)服務(wù)型大學(xué)。固體物理和固體化學(xué)作為材料專業(yè)的核心課程，其教學(xué)水平對學(xué)生的后續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。銅仁學(xué)院為新升本科院校，固體物理和固體化學(xué)這兩門課程的開設(shè)時(shí)間不久，而且目前我們的教學(xué)還是偏重理論，實(shí)踐性不強(qiáng)。因此，為了改變我校材料物理專業(yè)固體物理和固體化學(xué)教學(xué)過程中的問題，培養(yǎng)和造就高素質(zhì)的應(yīng)用型本科人才，創(chuàng)新性地設(shè)置固體物理與化學(xué)課程。

一、改革教學(xué)內(nèi)容

材料學(xué)科是一門應(yīng)用型學(xué)科，材料研究的目的就是為了開發(fā)設(shè)計(jì)新材料及其功能應(yīng)用。根據(jù)材料學(xué)科的特點(diǎn)和我校材料物理專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，優(yōu)化設(shè)置教學(xué)內(nèi)容。

（一）將固體物理和固體化學(xué)課程的內(nèi)容有機(jī)融合

固體物理和固體化學(xué)兩門課的教學(xué)內(nèi)容既有重疊部分，也有互補(bǔ)部分。內(nèi)容的重疊表現(xiàn)在晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)合和晶體缺陷為兩門課程共有部分，但側(cè)重點(diǎn)不同;互補(bǔ)表現(xiàn)為某一研究問題的解決需要綜合兩門課程的知識點(diǎn)，并且固體化學(xué)中關(guān)于晶體衍射、固相反應(yīng)等內(nèi)容恰好是固體物理中倒易點(diǎn)陣、擴(kuò)散等理論知識的實(shí)際應(yīng)用。新開設(shè)的固體物理與化學(xué)將固體化學(xué)的知識有機(jī)融入固體物理，兩門課程的內(nèi)容“求同存異”。具體來說，將固體化學(xué)關(guān)于點(diǎn)缺陷的反應(yīng)式納入固體物理晶體缺陷章節(jié);將振動光譜、波譜技術(shù)與晶格振動聯(lián)系起來;將晶體的熱學(xué)性質(zhì)與熱重分析、差熱分析聯(lián)系起來;將金屬鍵與能帶理論相結(jié)合;固相反應(yīng)與擴(kuò)散理論相結(jié)合等等。刪掉固體化學(xué)中的相圖內(nèi)容，此部分在材料科學(xué)基礎(chǔ)課程中講授。合并后的固體物理與化學(xué)學(xué)時(shí)為72學(xué)時(shí)，少于原先兩門課程的總學(xué)時(shí)。

（二）重視知識體系構(gòu)建，縮減理論學(xué)時(shí)

固體物理是以熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理、理論物理、量子力學(xué)等課程為基礎(chǔ)的課程。固體物理的學(xué)習(xí)需要這些基礎(chǔ)理論作保證，但材料類專業(yè)的學(xué)生在這方面基礎(chǔ)相對較薄弱。特別是固體物理中有很多新概念，通常需要建立復(fù)雜的物理模型和理論計(jì)算得到。復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程和物理假設(shè)使很多學(xué)生感到困惑，在學(xué)習(xí)過程中也感到十分困難，造成部分學(xué)生失去興趣。因此不能一味追求推導(dǎo)過程，更多的是突出概念的本質(zhì)和含義，重點(diǎn)講述物理假設(shè)和物理過程。物理模型的建立應(yīng)簡單易于理解，把復(fù)雜問題簡單化，讓學(xué)生學(xué)會用最簡單的方式去解決復(fù)雜的問題。比如倒格子概念抽象，是固體物理的一個(gè)知識難點(diǎn)。在講授倒格子時(shí)，盡量簡化其推導(dǎo)過程，類比普通物理平面波中波矢的概念，將倒格矢與波矢類比，建立抽象的概念與已有的物理圖像之間的聯(lián)系，講清楚為什么引入倒格子以及引入倒格子后對于我們解決問題的好處，讓學(xué)生直觀理解其背后的物理意義，幫助學(xué)生在倒空間中思考問題。

（三）融入前沿科學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

很多新技術(shù)、新材料的發(fā)明離不開固體物理和固體化學(xué)知識，在教學(xué)過程中要適當(dāng)加入前沿科學(xué)和當(dāng)今世界的研究熱點(diǎn)，使學(xué)生認(rèn)識到課程內(nèi)容的重要性和實(shí)用性，例如，在講解固體分類的時(shí)候，就要介紹準(zhǔn)晶體;在講晶體結(jié)構(gòu)的時(shí)候，可以介紹石墨烯、碳納米管。材料由于晶體結(jié)構(gòu)的不同，其物理化學(xué)性質(zhì)相差很大，在講金剛石結(jié)構(gòu)的時(shí)候，要提到另一種具有相同結(jié)構(gòu)的硅材料。還有超晶格與晶體結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體與能帶理論的聯(lián)系;材料的磁性與原子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系;巨磁電阻效應(yīng)等現(xiàn)象。使學(xué)生了解固體物理理論在前沿科學(xué)中的應(yīng)用，擴(kuò)展學(xué)生的知識范圍，提高學(xué)習(xí)興趣。

（四）注重實(shí)踐教學(xué)，提高學(xué)生實(shí)踐能力

材料學(xué)是實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，需要在教學(xué)中加入實(shí)踐內(nèi)容，在每章最后專門設(shè)置一個(gè)小節(jié)內(nèi)容作為本章應(yīng)用舉例，可以更好地幫助學(xué)生理解課本上的理論，更重要的是把理論知識應(yīng)用到實(shí)踐中，理論與實(shí)踐結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問題的能力。例如，在講解X射線衍射的時(shí)候，可以用某物質(zhì)的XRD圖譜作為例子，簡單教學(xué)生使用Jade分析XRD圖譜如何確定衍射峰的晶面指數(shù)，如何根據(jù)衍射峰來計(jì)算晶面間距，結(jié)合材料的晶體結(jié)構(gòu)，從而確定材料的晶格常數(shù)，這樣就把晶體結(jié)構(gòu)這一章的知識全部串聯(lián)起來。在講晶體對稱性的時(shí)候，可以列舉相關(guān)材料，例如晶體的鐵電性與對稱中心的關(guān)系。

（五）增加科普知識，引入情感教學(xué)

在教學(xué)內(nèi)容中增加科普知識，有助于增強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)同感，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。在講授某個(gè)學(xué)科知識點(diǎn)的時(shí)候，增加其發(fā)展的歷史故事，有助于學(xué)生更好地理解這門學(xué)科和這個(gè)理論?？茖W(xué)家是科學(xué)發(fā)展的主體，也是某一學(xué)科知識的締造者。介紹相關(guān)科學(xué)家對某知識點(diǎn)的貢獻(xiàn)和科學(xué)家的生平故事，可以有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。能帶理論是固體物理中的一個(gè)重要理論，通過對固體電導(dǎo)理論發(fā)展史的講授，使學(xué)生更好地理解這個(gè)理論和實(shí)際應(yīng)用。

二、改革教學(xué)方法

（一）多媒體教學(xué)和模型教學(xué)，建設(shè)網(wǎng)絡(luò)課程資源

傳統(tǒng)的理論教學(xué)以板書為主，其優(yōu)點(diǎn)是有利于學(xué)生理解理論推導(dǎo)過程。但不足在于耗費(fèi)時(shí)間、且有些圖形動畫板書不夠形象。而應(yīng)用多媒體教學(xué)具有形象生動、有聲有色、節(jié)約時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，可以利用Material Studio等計(jì)算機(jī)軟件制作晶體模型，增加一些動態(tài)元素，突出趣味性、形象性，把抽象的物理模型用文本、視頻、動畫等多種方式展示出來，增強(qiáng)課堂教學(xué)的直觀感染力。在課堂增加一些實(shí)物模型，比如講晶體的結(jié)構(gòu)，可提供一些球棍模型，讓學(xué)生自己動手組裝，使學(xué)生能直觀感受晶體的結(jié)構(gòu)，對理解晶體的對稱性有很大的幫助。還可以制作一些CAI課件。在學(xué)院網(wǎng)站建立固體物理與化學(xué)課程板塊，將課件、模型、視頻等資料作為網(wǎng)絡(luò)課堂，為學(xué)生提供課下學(xué)習(xí)資源。

（二）采用教學(xué)互動模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

現(xiàn)代教學(xué)不是一個(gè)老師教、學(xué)生學(xué)的單一過程，更不是“填鴨式”的灌輸過程，而是以學(xué)生為主體、老師為主導(dǎo)，相互參與的過程。教師要鼓勵學(xué)生發(fā)現(xiàn)和探索問題。學(xué)習(xí)每個(gè)章節(jié)，都要探討三個(gè)問題：這章的知識體系是什么，本質(zhì)是什么，在課程中的作用和地位是什么。通過這樣啟發(fā)式的問題，引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生思考、討論，能力的提高在于發(fā)現(xiàn)問題和尋找答案的過程，鼓勵學(xué)生提出自己觀點(diǎn)和見解，不怕出錯(cuò)，反復(fù)思考，對某一問題深究到底，營造積極活潑的課堂學(xué)習(xí)氣氛。

（三）創(chuàng)新作業(yè)形式，提高學(xué)生知識應(yīng)用能力

在現(xiàn)有教學(xué)方式中，課后作業(yè)以習(xí)題形式為主，不利于發(fā)揮學(xué)生積極主動性，有礙學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題能力的培養(yǎng)。因此需要改變傳統(tǒng)作業(yè)形式，將作業(yè)以論文的形式呈現(xiàn)。地方本科院校的學(xué)生基礎(chǔ)相對薄弱，需要采取循序漸進(jìn)的方式進(jìn)行指導(dǎo)，使他們盡快適應(yīng)新的學(xué)習(xí)方式。在前期，由教師選擇涵蓋課程知識點(diǎn)的中文期刊論文，學(xué)生自學(xué)并整理期刊論文內(nèi)容，制作做成PPT課件，并在課堂上講解自己制作的課件;到后期，教師給出一些材料科學(xué)中與課程相關(guān)的研究熱點(diǎn)問題，不再具體指定論文，引導(dǎo)學(xué)生圍繞主題發(fā)現(xiàn)問題，檢索信息，解決問題，并且撰寫小論文。這樣不僅提高了學(xué)生的自學(xué)和解決問題的能力，還開闊了學(xué)生的眼界，使他們對理論在實(shí)踐中的應(yīng)用有更深刻的體會。

三、改革考核方式

考核是檢驗(yàn)學(xué)生課程學(xué)習(xí)情況的重要途徑，學(xué)術(shù)型學(xué)生的培養(yǎng)，主要以閉卷考試為主，但應(yīng)用型學(xué)生的培養(yǎng)，應(yīng)該以過程考核為主。引入實(shí)例討論環(huán)節(jié)并將其計(jì)入平時(shí)成績，加強(qiáng)學(xué)生在此過程中的參與程度，在教學(xué)過程中將學(xué)生分成不同的課題組，分配不同的課題給他們。因此，我們采取改變平時(shí)成績計(jì)算方法和在期末考試中設(shè)置開放性試題的辦法，平時(shí)成績設(shè)置起始分?jǐn)?shù)，有積極表現(xiàn)的加分，比如課堂主動提出問題和回答問題、平時(shí)小論文寫作、課堂做專題論文PPT報(bào)告都可以加分，沒按要求完成任務(wù)的則扣分。在期末考試中設(shè)置開放性試題考察學(xué)生對于學(xué)科知識體系的理解，開放性試題不設(shè)標(biāo)準(zhǔn)答案。通過考核方式的改變，引導(dǎo)學(xué)生改變不良的學(xué)習(xí)習(xí)慣，培養(yǎng)積極主動的學(xué)習(xí)方式。

四、結(jié)語

根據(jù)培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)目標(biāo)，需要增加實(shí)踐性應(yīng)用性的課程，較少理論性課程和學(xué)時(shí)，在這樣的背景下，通過內(nèi)容優(yōu)化整合，將固體物理和固體化學(xué)合并成一門課程，即縮減了總學(xué)時(shí)，又不減少知識點(diǎn)，同時(shí)還加大了實(shí)踐技能的教學(xué)，達(dá)到了人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

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作者簡介：

冷森林（1981-），男，漢族，江西宜春人，博士，副教授，主要從事固體物理、固體化學(xué)的教學(xué)工作。