材料學科的固體物理課程教學與探討

胡美華 畢寧 宿太超

摘要：本文從材料學科的固體物理課程在學生培養(yǎng)的重要性和目前的教學現(xiàn)狀為出發(fā)點，結(jié)合筆者的教學實踐，對材料學科的固體物理教學的內(nèi)容、方法、手段等進行了一些探索，改進傳統(tǒng)教學方法，引入相關(guān)學科的技術(shù)和手段，為推動材料學科固體物理課程教學質(zhì)量的提高和教育目標的實現(xiàn)提供新的思路。

關(guān)鍵詞：固體物理;課程教學;教學方法;教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）43-0158-02

固體物理，作為高等學校本科課程計劃中一門重要的基礎理論課程。它是以固體的組成結(jié)構(gòu)以及組成粒子（原子、離子、電子等）之間相互作用與運動規(guī)律為主要研究對象，闡明其各自相關(guān)的性能與用途[1]，是材料相關(guān)學科的理論基礎，同時也在當代科學研究中起著重要的基礎理論作用。材料學科專業(yè)的學生掌握一定的固體物理知識及其研究方法，有助于開闊科學視野，為今后的發(fā)展奠定知識基礎。因此，國內(nèi)綜合性大學、師范院校以及許多工科院校的理工科專業(yè)均普遍開設了這門課程。以此認識為出發(fā)點，筆者圍繞材料學科各專業(yè)固體物理教學的特點，結(jié)合固體物理課堂教學的經(jīng)驗和體會，對其教學內(nèi)容、教學方法和手段等方面提出了一些改革措施與探索，以期待為推動高等學校固體物理課程教學的改革、提高教學質(zhì)量發(fā)揮積極的促進作用。

一、材料學科固體物理教學現(xiàn)狀

高等學校材料學科相關(guān)專業(yè)要求培養(yǎng)學生具有扎實的基礎理論知識和系統(tǒng)的專業(yè)知識，能夠了解材料相關(guān)學科最新的發(fā)展趨勢，具有從事科學研究工作和專業(yè)技術(shù)工作的基本能力。因此，在材料學科的培養(yǎng)計劃中，要求學生應當學習基本的基礎知識和基本技能。固體物理課程就是其中一門重要的課程，它要求學生初步具備高等數(shù)學、普通物理、熱力學與統(tǒng)計物理學和量子力學等相關(guān)的基礎知識作為固體物理課程學習的前提，其主要目的是研究固體物質(zhì)（主要以晶態(tài)物質(zhì)為主）的基本物理性質(zhì)、構(gòu)成物質(zhì)的各種粒子的運動形式及其相互關(guān)系[2]。作為工科材料學科的固體物理課程，其教學方式、教學內(nèi)容與高等師范院校有明顯的差別。固體物理與材料學科的其他課程既有聯(lián)系又有區(qū)別。一方面，工科學生雖然經(jīng)過部分專業(yè)課程的學習，具有大學物理和材料科學基礎等方面的知識，但是固體物理課程開設的前提要求學生具備有扎實的高等數(shù)學、統(tǒng)計物理、量子力學、以及分析力學和群論的基礎知識，這些基礎是工科學生沒有學到也不具備的。另一方面，工科材料學科在固體物理教學的學時方面安排的較少，一般為32學時或40學時，因此，不可能在有限課堂上系統(tǒng)補習該方面的內(nèi)容，學生也更沒有更多的時間和精力去自學，更何況統(tǒng)計物理、量子力學等本身就有相當?shù)碾y度[3]。綜合以上各方面的原因與現(xiàn)狀，工科材料學專業(yè)的本科學生的固體物理課，容易導致學生因基礎知識的不具備而跟不上固體物理的理論推導過程，造成教師很難順利將課程的主要內(nèi)容進行完整而系統(tǒng)的講授，學生也聽不懂，產(chǎn)生厭學情緒。因此，在選擇教學內(nèi)容、教學方式和制定教學計劃等方面時，必須考慮學生對本課程的接受能力。

二、固體物理教學內(nèi)容與教學方法的改革措施

針對上述工科材料學科專業(yè)學生的基礎知識儲備情況和現(xiàn)狀，以及考慮到固體物理課程的特點，筆者結(jié)合近幾年工科材料學科固體物理課程教學的經(jīng)驗和體會，對固體物理課程的教學進行探索，提出以下關(guān)于本課程的改革措施。

（一）結(jié)合學生基礎，選用與本學科相適應的教材

選擇一本好的教材，是學生學好一門課程的基礎。對于固體物理來說，不乏經(jīng)典的教材，如黃昆先生的教材[1]。但是，固體物理教材基本上是為物理專業(yè)的本科生和研究生而編寫的，現(xiàn)有的教材鮮有專門為工科材料等學科編寫的教材，對只有學習過普通物理和材料科學基礎等的工科本科生來說，本課程難度非常大。因此，對于工科材料學科的固體物理課程，在選擇教材時，盡量選擇能系統(tǒng)地包含固體物理的經(jīng)典內(nèi)容，同時要求容易理解和知識程度較淺的。選擇好一本教材時，還要對教材內(nèi)容進行篩選，選擇適合本專業(yè)章節(jié)，同時也要兼顧固體物理的系統(tǒng)性。

（二）制定符合本專業(yè)的教學大綱，合理選取教學內(nèi)容

固體物理內(nèi)容龐大，針對工科材料專業(yè)的特點，在制定教學大綱和選取教學內(nèi)容方面，保證固體物理教材系統(tǒng)性的基礎上增強與工科材料學科的聯(lián)系，在有限的學時內(nèi)將固體物理實用而且精髓的部分講授給學生，就必須精選教學內(nèi)容。學習固體物理最重要的是清楚基本概念，物理原理和物理模型。針對材料學科學生固體物理基礎知識薄弱的特點，盡量避免過于煩瑣的公式推導，如必須公式推導，要針對本專業(yè)學生所具備的基礎，講清公式的來龍去脈，細化推導過程，讓學生真正理解并掌握相關(guān)知識。

此外，還有考慮材料專業(yè)其他學科的內(nèi)容與固體物理相關(guān)章節(jié)的聯(lián)系性。像晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷等雖屬于固體物理的內(nèi)容，但該部分內(nèi)容已在材料科學基礎等專業(yè)課程中涉及到，沒有必須再去重復講述。對于一些涉及量子力學的基礎知識的章節(jié)，如能帶理論部分，是必須要講清楚，學時重點掌握的內(nèi)容，但是，仍要在有限的學時中抽出時間補習這方面的基礎知識。

（三）傳統(tǒng)板書與現(xiàn)代多媒體結(jié)合，選擇最佳教學方式

多媒體技術(shù)是指使用計算機技術(shù)，對文字、數(shù)據(jù)、圖形、圖像、動畫、聲音等多種媒體信息進行綜合處理和管理，使用戶可以通過多種感官與計算機進行實時信息交互的技術(shù)，可以有效的地利用到課程教學當中。同傳統(tǒng)教學方式相比，多媒體教學方式具有直觀性、圖文聲像并茂、動態(tài)性等特點，能幫助學生多角度地理解掌握基本概念和方法，調(diào)動學生的注意力、學習興趣、學習積極性等，有助于突破教學難點。現(xiàn)代多媒體技術(shù)的運用，使得課堂教學手段多樣化、現(xiàn)代化。例如，使用Diamond或Flash軟件，對晶體結(jié)構(gòu)進行三維動畫模擬，立體展示晶體的結(jié)構(gòu)特點。

然而，并不意味使用多媒體進行教學這是萬能的，多媒體教學在某些方面也存在著局限性，它并非適合固體物理的所有章節(jié)和內(nèi)容，而是有一定的范圍的，每一部分內(nèi)容對多媒體教學的要求是不同的。如，固體物理的晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)等部分，使用多媒體可以直觀、形象演示其內(nèi)容，學生也容易理解和掌握，但對于理論較強的部分，如倒格空間、晶格振動、能帶理論等，需要黑板板書與多媒體課件相結(jié)合，板書推導為主，多媒體演示為輔。因此，傳統(tǒng)的“板書的固體物理教學方式并不過時，而先進的現(xiàn)代化多媒體教學亦非萬能，它們是優(yōu)勢互補的，只有當我們把這兩種教學方式巧妙的捏合在一起的時候，課堂教學效果才能達到最佳狀態(tài)。這對于別的課程教學也具有借鑒意義。

（四）教學過程引入學科前沿知識

固體物理學雖是一門基礎理論很強的課程，同時也是一門應用性很強的課程，它與當今最活躍的凝聚態(tài)物理以及新型材料科學緊密聯(lián)系在一起。固體物理其內(nèi)容豐富、體系龐大、理論性較強，同時，在教學和學習中，還要求學生能夠理論聯(lián)系實際，對所學知識進行理論方面的解釋。但是，該方面也是最容易出現(xiàn)理論知識與實際應用相脫節(jié)的狀況。針對這一方面的問題，在傳統(tǒng)的固體物理教學中，將固體物理中相關(guān)的知識與本專業(yè)的其他課程相互聯(lián)系，也非常重要。

這就要在講授傳統(tǒng)固體物理教學內(nèi)容的基礎之上，適當?shù)匕雅c本學科知識相關(guān)的前沿動態(tài)和研究熱點引入課堂教學，鞏固已學過的知識。本學科相關(guān)前沿知識的引入，一面強化了固體物理的基礎知識，拓寬了學生的專業(yè)基礎知識結(jié)構(gòu)，開闊了科學研究的視野;另一方面也可以因材施教，滿足不同知識程度的學生學習的需要。

（五）重視課后作業(yè)

固體物理是一門專業(yè)性很強的基礎理論課程，絕大部分學生尚不能在課堂上理解并掌握所學知識，這就需要課后作業(yè)。課后作業(yè)是對課堂教學內(nèi)容加深理解和掌握的有效手段之一。課后作業(yè)同時也是課程教學的一個重要組成環(huán)節(jié)，是學生對所學新知識進行鞏固發(fā)展的有效途徑，也是課堂教學的一個延續(xù)。如果學生能認真對待課后作業(yè)，就會很好地鞏固、理解、運用所學知識;如果課后作業(yè)沒有充分發(fā)揮作用，則會直接影響到教學效果。對于材料專業(yè)的本科生來說，固體物理是一門基礎理論與實際應用相結(jié)合的課程。在布置課后作業(yè)時，一方面要考慮到教材的習題中相對應的題目作為學生的課后作業(yè);另一方面，為了加深課程中公式的推導的理解，可以將部分的公式推導安排在作業(yè)中，加深對課堂教學的理解。此外，針對某一些研究熱點，通過撰寫小論文，讓學生從固體物理的角度發(fā)表自己的看法，增強學生的自主學習的興趣，可以提高學生的自學能力、研究能力和創(chuàng)新能力。

三、結(jié)語

本文主要從固體物理課程的課堂內(nèi)容選擇、教學方式、教學形式以及課后作業(yè)等方面進行了探索。材料學科的固體物理課程有其自己的特點，應做到精選教學內(nèi)容，重點突出，有的放矢。只要我們不斷改進教學手段和教學方法，鼓勵學生主觀能動性的發(fā)揮，就能大大提高固體物理的教學手段和教學質(zhì)量。

參考文獻：

[1]黃昆，韓汝琦，固體物理學[M].北京：高等教育出版社，1997.

[2]李根全，仲志國，以提高學生綜合素質(zhì)為目標的《固體物理》的教學實踐與探索[J].南陽師范學院學報，2010，（9）：84-86.

[3]華中，宋春玲，劉研，固體物理教學改革的探索與實踐[J].吉林師范大學學報（自然科學版），2004，（4）：26-28.