結(jié)合專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)開(kāi)展固體物理教學(xué)改革

張臘梅　蘇玉玲

摘 要 本文針對(duì)固體物理教學(xué)的現(xiàn)狀和問(wèn)題，充分結(jié)合材料物理和電子科學(xué)與技術(shù)兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，在固體物理課程改革方面進(jìn)行了一些實(shí)踐和探索。通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化精選，增加前沿知識(shí)和物理學(xué)史，強(qiáng)調(diào)固體物理學(xué)“范式”，在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)多種教學(xué)手段的結(jié)合，并鼓勵(lì)學(xué)生參與教師的科研課題，強(qiáng)調(diào)互動(dòng)式和研究性學(xué)習(xí)等方法，達(dá)到有效提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞 固體物理 材料物理 電子科學(xué)與技術(shù) 教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.12.060

Combining with the Professional Characteristics to Carry

out the Teaching Reform of Solid State Physics

ZHANG Lamei， SU Yuling

（School of Physics and Electronic Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou， He'nan 450002）

Abstract In this paper， in view of the present situation and problems of the solid state physics teaching， and fully combined with major characteristics of material physics and electronic science and technology， some practice and exploration have been carried out in solid state physics curriculum reform. Through the optimized selection of teaching content， increasing the frontiers of knowledge and history of physics， emphasizing the "paradigm" of solid state physics， combining a variety of teaching methods in the teaching process， encouraging students to participate in the teachers research projects， and emphasizing interactive and research study， and so on. By means of the above measures， teaching quality can be improved.

Key words Solid state physics； Material physics； Electronic science and technology； Teaching reform

0 引言

固體物理學(xué)，顧名思義，是研究固體結(jié)構(gòu)及其組成粒子之間的相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律、闡明其性能與用途的學(xué)科。它為人們按指定性能研制新材料、新器件提供了科學(xué)途徑和理論指導(dǎo)，在理論物理和應(yīng)用物理之間起著紐帶作用。上世紀(jì)五十年代末，固體物理學(xué)被采納成為我國(guó)物理專(zhuān)業(yè)的一門(mén)基礎(chǔ)課。①當(dāng)時(shí)，三位國(guó)內(nèi)固體物理學(xué)前輩，即黃昆先生、謝希德先生和程開(kāi)甲先生率先在北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和南京大學(xué)的物理專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)此課，這是物理專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置上最為顯著的一項(xiàng)改革。隨著時(shí)代的發(fā)展，目前，固體物理不僅是物理學(xué)專(zhuān)業(yè)而且是電子學(xué)、材料學(xué)、光電子、微電子等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)必修基礎(chǔ)課。就我校而言，材料物理和電子科學(xué)與技術(shù)兩個(gè)本科專(zhuān)業(yè)均開(kāi)設(shè)了固體物理課程。材料物理和電子科技均屬于應(yīng)用型學(xué)科，材料物理專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)的目的是為了使學(xué)生掌握材料的設(shè)計(jì)、合成、加工和分析等方面的理論、基本實(shí)驗(yàn)方法和技能等，使學(xué)生具有材料設(shè)計(jì)、分析和應(yīng)用的科學(xué)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)的基本能力。電子科技專(zhuān)業(yè)則要求學(xué)生通過(guò)掌握光電子器件、物理電子器件、電路與系統(tǒng)、信息技術(shù)等方面的理論知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)方法，使學(xué)生初步具有研究開(kāi)發(fā)新的電子產(chǎn)品和技術(shù)的能力。因此，這兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的固體物理課程應(yīng)該充分結(jié)合專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，與其他專(zhuān)業(yè)有所差別。筆者通過(guò)分析我校現(xiàn)有固體物理教學(xué)存在的主要問(wèn)題，結(jié)合這兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)模式和專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，在教學(xué)內(nèi)容、 教學(xué)方法等方面進(jìn)行了一些實(shí)踐和探索，以期改善教學(xué)效果，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

1 固體物理教學(xué)現(xiàn)狀分析

在我校材料物理和電子科技專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)前固體物理課程教學(xué)中存在的一些現(xiàn)狀及問(wèn)題。首先，材料物理和電子科技專(zhuān)業(yè)學(xué)生相對(duì)物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生而言，與物理相關(guān)的課程課時(shí)較少，物理理論基礎(chǔ)比較薄弱，而固體物理中要用到大量的量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理知識(shí)，且數(shù)學(xué)處理比較復(fù)雜，大多數(shù)概念和理論都建立在復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程之上，理論性較強(qiáng)，因此學(xué)生普遍感到學(xué)習(xí)起來(lái)比較困難。加之學(xué)生往往不知道所學(xué)知識(shí)在實(shí)際問(wèn)題中如何應(yīng)用，缺乏學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，這些都嚴(yán)重影響了固體物理課的教學(xué)效果。其次，隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，各種高新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，固體物理學(xué)科發(fā)展日新月異，光子晶體、新型半導(dǎo)體、超材料、超導(dǎo)、非晶態(tài)等新領(lǐng)域的研究取得了重大進(jìn)展，新概念層出不窮，對(duì)固體物理教學(xué)提出了更高的要求。②如何與時(shí)俱進(jìn)，根據(jù)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)處理好新舊知識(shí)之間的關(guān)系，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，成為固體物理教學(xué)面臨的主要問(wèn)題。

2 固體物理教學(xué)改革措施

針對(duì)固體物理課程教學(xué)的現(xiàn)狀，我們?cè)谶@兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的固體物理教學(xué)過(guò)程中，充分考慮專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，通過(guò)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的一些改革研究和實(shí)踐，以期將培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)貫穿整個(gè)課程的培養(yǎng)教學(xué)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，優(yōu)化認(rèn)知結(jié)構(gòu)，改善教學(xué)效果。endprint

2.1 教學(xué)內(nèi)容的改革

（1）精選教學(xué)內(nèi)容。對(duì)于材料物理和電子科技這樣的非物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，考慮到他們物理知識(shí)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，因此，這授課過(guò)程中，應(yīng)該輕物理推導(dǎo)過(guò)程，重物理模型和物理意義的講解，避免學(xué)生陷入繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程當(dāng)中，幫助學(xué)生抓住主線，掌握固體物理中處理問(wèn)題的方法。此外，根據(jù)學(xué)生專(zhuān)業(yè)的不同，在講授基礎(chǔ)知識(shí)時(shí)，需要注意與其他專(zhuān)業(yè)課程之間的聯(lián)系，一方面避免與已學(xué)課程內(nèi)容的重復(fù)，一方面為以后的相關(guān)課程打下一定的基礎(chǔ)。比如，對(duì)于材料物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，在材料科學(xué)基礎(chǔ)等課程中已經(jīng)對(duì)晶體的結(jié)合和晶體的缺陷這部分內(nèi)容有所講述，因此，在固體物理課中可以對(duì)這部分內(nèi)容略講。對(duì)于電子科技專(zhuān)業(yè)，除了固體物理以外，還開(kāi)設(shè)了半導(dǎo)體物理等課程，因此，在半導(dǎo)體一章中，我們只是簡(jiǎn)單介紹了半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和電子分布特點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)于一些重要、抽象、難以理解的概念，比如倒格子和布里淵區(qū)等，學(xué)生通常感到理解起來(lái)比較困難，然而這些內(nèi)容又往往在不同章節(jié)中多次出現(xiàn)，對(duì)于這類(lèi)內(nèi)容，應(yīng)從多角度、多方面，配合習(xí)題，精講精煉，幫助學(xué)生理解其物理意義和應(yīng)用方法。

（2）將學(xué)科前沿和熱點(diǎn)引入教學(xué)。固體物理是當(dāng)前物理學(xué)科中發(fā)展最快的分支，該學(xué)科新成果和新概念不斷涌現(xiàn)，而固體物理學(xué)的經(jīng)典教材大多成書(shū)較早，這些新的前沿內(nèi)容教材中沒(méi)有出現(xiàn)。因此，需要針對(duì)材料物理和電子科技不同的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，適時(shí)地將與專(zhuān)業(yè)有關(guān)的最新進(jìn)展和重要應(yīng)用成果引入課堂教學(xué)中，做到基礎(chǔ)知識(shí)與前沿知識(shí)相互融合，達(dá)到優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的目的。例如在講解晶體結(jié)構(gòu)一章時(shí)，可以將一些新型的材料介紹給學(xué)生，比如拓?fù)浣^緣體、光子晶體、石墨烯等內(nèi)容。在講解能帶理論時(shí)，可以向?qū)W生介紹近年的諾貝爾獎(jiǎng)藍(lán)色發(fā)光二極管，讓學(xué)生明白我們所學(xué)的知識(shí)并不老舊，而是與現(xiàn)代科技緊密聯(lián)系的。這樣可以開(kāi)拓學(xué)生的視野，提高學(xué)生對(duì)該門(mén)課程學(xué)習(xí)的積極性。

（3）增加科學(xué)史的介紹。在教學(xué)中增加相關(guān)科學(xué)史的介紹，看似無(wú)關(guān)緊要，實(shí)則效果斐然。因?yàn)槊恳粋€(gè)學(xué)科、每一種理論，都不可能在一朝一夕間建立，都有其漫長(zhǎng)的發(fā)展演變過(guò)程，而每一個(gè)新理論的提出，都有其歷史動(dòng)因。因此，在講授某一理論時(shí)，通過(guò)對(duì)歷史背景和發(fā)展過(guò)程的介紹，可以幫助學(xué)生加深對(duì)所學(xué)理論的理解，明確該理論所要解決的物理問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維方法。比如在講解固體熱容的內(nèi)容時(shí)，先回顧基于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論的熱容理論，在該理論中，熱容是與溫度和材料性質(zhì)無(wú)關(guān)的常數(shù)，為了解決這一問(wèn)題，愛(ài)因斯坦提出了基于量子理論的熱容理論，然而在愛(ài)因斯坦理論中，假設(shè)各諧振子的振動(dòng)頻率都是一樣的，這種假設(shè)過(guò)于簡(jiǎn)單，因此德拜在愛(ài)因斯坦模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了德拜模型，給出一個(gè)簡(jiǎn)單的諧振子頻率的分布規(guī)律，更好地揭示了熱容隨溫度的變化規(guī)律。通過(guò)這樣的講解，學(xué)生對(duì)熱容理論的理解也就更加深刻了。

（4）注意各章節(jié)之間的聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)固體物理學(xué)的“范式”。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生往往不清楚各章節(jié)之間的聯(lián)系，普遍反映固體物理學(xué)的知識(shí)比較比較零散，概念多、模型多、定律多、原理多，各個(gè)章節(jié)的知識(shí)好像是一個(gè)個(gè)孤立的個(gè)體，缺乏一條將各方面的知識(shí)聯(lián)系起來(lái)的主線。這主要是由于在現(xiàn)在的教學(xué)中，對(duì)固體物理學(xué)的“范式” 講述和強(qiáng)調(diào)不夠有關(guān)。根據(jù)科學(xué)史家?guī)於鞯挠^點(diǎn)，“范式”是一門(mén)學(xué)科成為科學(xué)的必要條件， 范式的形成是一個(gè)學(xué)科建立的標(biāo)志。布里淵最早指出，固體物理學(xué)的范式應(yīng)采用“周期結(jié)構(gòu)中波的傳播”來(lái)統(tǒng)一描述。③固體物理是以周期性的晶體為研究對(duì)象的，固體內(nèi)各種粒子的運(yùn)動(dòng)，都可看作波在周期結(jié)構(gòu)中的傳播，而這種波的共同特點(diǎn)，就是當(dāng)波矢位于布里淵區(qū)邊界時(shí)不能傳播，我們可以在此基礎(chǔ)上統(tǒng)一理解晶體的衍射理論、晶格振動(dòng)及能帶理論等固體物理的主干內(nèi)容。范式是一門(mén)學(xué)科的“綱”，學(xué)科的知識(shí)體系可據(jù)此建立和有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)。④

2.2 教學(xué)方法改革

（1）采用“黑板 + 多媒體”相結(jié)合的方式授課。多媒體作為先進(jìn)的教學(xué)手段，既可提高教學(xué)效果，又可以豐富教學(xué)內(nèi)容。但是不能搞“一刀切”，應(yīng)該根據(jù)章節(jié)進(jìn)行選擇。⑤比如我們?cè)趯?duì)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解時(shí)，借助多媒體手段可以更加形象直觀地將各種類(lèi)型的晶體結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來(lái)，還可以隨意翻轉(zhuǎn)，讓學(xué)生從不同的角度和側(cè)面進(jìn)行觀察，幫助學(xué)生建立空間圖像，提高認(rèn)知效率。然而對(duì)于一些數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜的章節(jié)，例如晶格振動(dòng)等，如果單純使用多媒體，學(xué)生通常會(huì)感到跟不上老師的思路，容易產(chǎn)生疲憊感。這時(shí)候如果使用板書(shū)，減慢速度，邊推導(dǎo)邊講解，增強(qiáng)師生互動(dòng)，則教學(xué)效果更好。

（2）利用先進(jìn)計(jì)算軟件。固體物理這門(mén)課程中的許多概念和理論都建立在繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)之上，學(xué)生往往覺(jué)得有理無(wú)物，不易理解。如果在教學(xué)中能夠形象生動(dòng)直觀地解釋這些物理概念和理論，并聯(lián)系它們的實(shí)際應(yīng)用，就可以幫助學(xué)生更好地理解所學(xué)知識(shí)，提高認(rèn)知效率。Materials Studio 軟件能夠進(jìn)行不同晶體結(jié)構(gòu)的模型構(gòu)建，能帶及態(tài)密度的計(jì)算及圖形化，介電常數(shù)的計(jì)算，紅外、拉曼光譜計(jì)算，費(fèi)米面計(jì)算及可視化等等，不僅功能強(qiáng)大，而且操作簡(jiǎn)單、界面友好，因此，適宜于本科生的日常教學(xué)實(shí)踐。⑥對(duì)于不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，均可以利用該軟件將課本上的很多結(jié)論通過(guò)自己計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，加深理解。例如，對(duì)于材料物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，可以讓他們利用計(jì)算軟件給出一些常見(jiàn)晶體材料的晶體結(jié)構(gòu)，還可以給出晶體的光譜特性和介電性能等。對(duì)于電子科技專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，可以利用軟件模擬常見(jiàn)的直接帶隙和間接帶隙的半導(dǎo)體，并通過(guò)摻雜、加壓等手段調(diào)控其能帶結(jié)構(gòu)，使學(xué)生更直觀地了解晶體結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系?？傊腆w物理學(xué)中的很多概念和理論都能通過(guò) Materials Studio 軟件進(jìn)行演示及計(jì)算，給出形象化的解釋。該軟件的使用不但可以幫助學(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，還可以使學(xué)生了解現(xiàn)代理論物理方面的研究方法，提升學(xué)生的科研素養(yǎng)。

（3）理論聯(lián)系實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生參與教師的科研課題。在固體物理的教學(xué)中，為了讓學(xué)生更深刻地理解所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，應(yīng)該安排學(xué)生進(jìn)行固體物理相關(guān)實(shí)驗(yàn)或直接參與教師的科研課題。對(duì)于材料物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，可以安排他們進(jìn)行材料制備、X射線衍射分析、Raman光譜測(cè)量等實(shí)驗(yàn)，還可以讓他們參與碳納米管的性能研究、晶體缺陷對(duì)電磁性能的影響等教師的科研課題，讓學(xué)生從材料的制備到結(jié)構(gòu)、性能表征等方面受到較為綜合的訓(xùn)練。對(duì)于電子科技專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，除了讓他們了解常見(jiàn)晶體結(jié)構(gòu)的表征手段以外，還可以進(jìn)行半導(dǎo)體特性測(cè)定、太陽(yáng)能電池特性測(cè)試、探測(cè)器響應(yīng)特性測(cè)試等實(shí)驗(yàn)，幫助他們了解不同半導(dǎo)體材料性能的差別，以及這些差別與其微觀晶體結(jié)構(gòu)的聯(lián)系。除此此外，也可以參與教師的科研課題，比如太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)及性能研究、石墨烯超級(jí)電容器的研究等。通過(guò)參與實(shí)驗(yàn)和教師科研活動(dòng)，可以提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提升其綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。endprint

（4）加強(qiáng)互動(dòng)式教學(xué)模式，鼓勵(lì)研究性學(xué)習(xí)。學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，在教學(xué)活動(dòng)中，應(yīng)該使學(xué)生充分參與到教學(xué)活動(dòng)中來(lái)，加強(qiáng)教師和學(xué)生之間的互動(dòng)。具體實(shí)施過(guò)程中，可以采取啟發(fā)、討論式教學(xué)，通過(guò)教師對(duì)教學(xué)過(guò)程的精心設(shè)計(jì)，巧妙設(shè)置問(wèn)題，組織專(zhuān)題討論等形式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。例如，在討論課前提前布置一些討論題目，“聲子的本質(zhì)”，“光子和電子的異同”，“倒格子和波矢空間在固體物理學(xué)中的作用”等，由于學(xué)生提前進(jìn)行了準(zhǔn)備，討論氛圍熱烈，甚至發(fā)生了爭(zhēng)論，常言道“理不辯不明”，經(jīng)過(guò)討論原本難懂的概念就變得清楚明了了。除了課堂上的互動(dòng)，課余時(shí)間利用網(wǎng)絡(luò)等其他手段的互動(dòng)方式也非常重要。學(xué)生可以通過(guò)固體物理精品課程網(wǎng)站的討論區(qū)和E-Learning網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間，就課堂上沒(méi)有弄明白的問(wèn)題和老師、同學(xué)進(jìn)行討論，通過(guò)這種形式極大地拓展了學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間。研究性學(xué)習(xí)也是近年來(lái)提出的一種有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和科學(xué)素養(yǎng)的學(xué)習(xí)手段。我們的具體實(shí)施方法為讓學(xué)生撰寫(xiě)小論文，小論文的題目可以圍繞一些前沿研究熱點(diǎn)，還可以選擇自己感興趣的領(lǐng)域，就某一具體問(wèn)題，在深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，寫(xiě)出它的應(yīng)用及自己的一些觀點(diǎn)?？傊覀兣⒒?dòng)式、啟發(fā)式、討論式和研究性學(xué)習(xí)等教學(xué)模式有效的貫穿、融合于整個(gè)固體物理的教學(xué)當(dāng)中，在這樣多樣化的實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中， 營(yíng)造寬松、積極的教學(xué)氛圍。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我校固體物理課程教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，本文根據(jù)筆者多年授課經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合學(xué)生的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上進(jìn)行了一些改革，主要包括精選教學(xué)內(nèi)容，將一些前沿?zé)狳c(diǎn)知識(shí)和物理學(xué)史加入教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中，并加強(qiáng)固體物理學(xué)“范式”的講授。在教學(xué)過(guò)程中結(jié)合多種教學(xué)方式，理論聯(lián)系實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)互動(dòng)式和研究性學(xué)習(xí)等，通過(guò)這些措施使得教學(xué)效果得到明顯改善。然而固體物理教學(xué)改革是一項(xiàng)復(fù)雜龐大的工程，隨著時(shí)代的發(fā)展也會(huì)出現(xiàn)新的課題，仍需我們做出更多的研究和探索。

基金項(xiàng)目：本文系河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（No.15A140043）、鄭州輕工業(yè)學(xué)院青年教師教學(xué)改革與研究項(xiàng)目、鄭州輕工業(yè)學(xué)院校博士基金的研究成果

注釋

① 黃昆，韓汝琦.固體物理學(xué).北京：高等教育出版社，1997.

② 鐘佑潔，楊尊先.電子學(xué)科的固體物理教學(xué)改革初探.物理通報(bào)，2013（8）：17.

③ 馮端，金國(guó)鈞.凝聚態(tài)物理新論.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1992.

④ 鄭文琛.固體物理教學(xué)現(xiàn)代化的一些實(shí)踐與思考.大學(xué)物理，1998.17（10）：34.

⑤ 蘇興華.材料學(xué)科專(zhuān)業(yè)的固體物理課程教學(xué)改革探析.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（21）：187.

⑥ 吳玉輝，吳盼，李永濤. Materials Studio軟件在固體物理教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用.學(xué)園，2013（33）：54.endprint