研究性學(xué)習(xí)在固體物理教學(xué)中的應(yīng)用

毛飛+++張振華+++李小華+++鄭波

【摘要】固體物理是當(dāng)今凝聚態(tài)物理學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域里最重要的學(xué)科之一，具有非常高的理論性和實(shí)用性，而且近年來(lái)其發(fā)展更新速度也是非常迅速。由于固體物理學(xué)其概念抽象、物理理論深?yuàn)W、對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)比較難以掌握。本文從教學(xué)方法入手，探討如何結(jié)合當(dāng)前固體物理學(xué)發(fā)展的新形勢(shì)，把研究性學(xué)習(xí)方法引入到固體物理的教學(xué)中來(lái)。

【關(guān)鍵詞】固體物理 研究性學(xué)習(xí) 教學(xué)方法

【基金項(xiàng)目】南華大學(xué)博士啟動(dòng)項(xiàng)目（2014XQD06）。

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）01-0193-02

研究性學(xué)習(xí)是一種新型的學(xué)習(xí)方式，它是以學(xué)生的自主探索性為基礎(chǔ)，用類似科學(xué)研究的方式，通過(guò)親身實(shí)踐獲取直接經(jīng)驗(yàn)，提倡綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。研究性學(xué)習(xí)不同于傳統(tǒng)的課堂講授，而是知識(shí)講授的擴(kuò)展與升華。固體物理作為一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，其內(nèi)容十分豐富，而且它涉及龐大的抽象概念體系和嚴(yán)密的理論推導(dǎo)，所以要教好固體物理，不僅要求任課教師具有良好的數(shù)學(xué)和物理學(xué)修養(yǎng)，而且還要保持對(duì)固體物理學(xué)前沿動(dòng)態(tài)的了解。因此，固體物理學(xué)也通常被認(rèn)為是老師難教，學(xué)生難學(xué)的一門(mén)課程。本教學(xué)團(tuán)隊(duì)在固體物理的教學(xué)過(guò)程中開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)，目的是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。本文結(jié)合筆者研究和講授固體物理學(xué)的感想，探討如何把研究性學(xué)習(xí)方法引入到固體物理的教學(xué)中來(lái)。

一、扎實(shí)的基本知識(shí)是研究性學(xué)習(xí)的根本

根據(jù)筆者多年學(xué)習(xí)研究固體物理學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，要對(duì)固體物理進(jìn)行透徹的講解，涉及到微積分、線性代數(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)，這對(duì)教師和學(xué)生都提出了非常高的要求。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)碰到學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)不扎實(shí)，導(dǎo)致無(wú)法理解新知識(shí)的情況。例如在講解周期性場(chǎng)中電子運(yùn)動(dòng)的近自由電子近似時(shí)，就涉及到量子力學(xué)中關(guān)于在有限勢(shì)阱下的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述以及微擾理論的運(yùn)用，這部分內(nèi)容在普通的量子力學(xué)教科書(shū)中都有詳細(xì)的說(shuō)明。因此，為了更好地掌握固體物理這門(mén)課程，筆者建議學(xué)生在碰到相關(guān)問(wèn)題時(shí)把量子力學(xué)和原子物理等課程進(jìn)行認(rèn)真的學(xué)習(xí)，這樣才能學(xué)好固體物理，學(xué)生結(jié)合新的物理問(wèn)題可以增進(jìn)對(duì)以前學(xué)過(guò)知識(shí)的認(rèn)識(shí)。

二、通過(guò)類比法研究問(wèn)題

為了使學(xué)生更好地理解固體物理學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)，可以通過(guò)類比的教學(xué)方法聯(lián)系多個(gè)不同的概念，而目標(biāo)概念與已知概念在某個(gè)性質(zhì)上具有相同的特征。例如在講解半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，它的主要特征是能帶分成導(dǎo)帶和價(jià)帶兩支，中間夾有一段禁帶，而電子是不可能存在于禁帶中的。固體中電子能級(jí)的這個(gè)性質(zhì)可以與已經(jīng)學(xué)過(guò)的原子能級(jí)和分子能級(jí)進(jìn)行對(duì)比，原子和分子中的電子能級(jí)具有不連續(xù)、分立的特征，這是學(xué)生們已經(jīng)掌握的內(nèi)容，比較好理解，固體能帶中的禁帶就類似于原子能級(jí)或者分子能級(jí)之間的間隔，同樣也是不允許有電子存在的。這樣通過(guò)類比的教學(xué)方法，就能夠使學(xué)生對(duì)物理圖像的統(tǒng)一性有更高一層的認(rèn)識(shí)。

三、重點(diǎn)突破固體物理學(xué)中的難點(diǎn)問(wèn)題

研究性學(xué)習(xí)的教學(xué)模式不同于講授式，也不同于自學(xué)式，它的主要過(guò)程是：發(fā)現(xiàn)問(wèn)題-研究探索-獲得結(jié)論。為了發(fā)展學(xué)生在學(xué)習(xí)中進(jìn)行研究的能力，需要重視學(xué)生學(xué)習(xí)自主性的培養(yǎng)，要尊重學(xué)生的自主探索，鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新精神。根據(jù)筆者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，有時(shí)候?yàn)榱伺宄腆w物理的某個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，需要查閱很多相關(guān)文獻(xiàn)和資料，因此，對(duì)某個(gè)問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)分析和突破是進(jìn)行具有自主特征的研究性學(xué)習(xí)的基本方法。在這個(gè)過(guò)程中提出問(wèn)題很重要，所提出的問(wèn)題應(yīng)該是學(xué)生之前沒(méi)有遇到過(guò)的，問(wèn)題的性質(zhì)應(yīng)該是開(kāi)放的，對(duì)這種問(wèn)題的解釋?xiě)?yīng)該是多元的，這樣才具有研究討論的空間。讓學(xué)生自由地討論和研究問(wèn)題是激發(fā)他們學(xué)習(xí)熱情、獲得學(xué)習(xí)成就以及掌握科學(xué)研究方法的重要途徑。

四、在處理實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)

研究性學(xué)習(xí)重視學(xué)生知識(shí)運(yùn)用能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。固體物理學(xué)是一門(mén)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的學(xué)科，因而處理實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐活動(dòng)直接影響教學(xué)效果，關(guān)系到學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了增強(qiáng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，筆者結(jié)合具體情況提出一系列小課題來(lái)實(shí)施教學(xué)。通過(guò)這個(gè)過(guò)程的訓(xùn)練，鍛煉了學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，促進(jìn)了學(xué)生間的交流與協(xié)作，提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

通過(guò)對(duì)以上研究性學(xué)習(xí)方法的實(shí)施和改進(jìn)， 較好地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)固體物理的主動(dòng)性。相比于傳統(tǒng)的教學(xué)方法，在研究性學(xué)習(xí)中教師和學(xué)生的角色發(fā)生了相應(yīng)的變化，使學(xué)生掌握知識(shí)的同時(shí)， 培養(yǎng)了學(xué)生良好的物理思維模式和分析解決問(wèn)題的能力， 增強(qiáng)了專業(yè)素質(zhì)， 提高了創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳明在，戴鵬，于欣欣，李廣，孫兆奇.研究性學(xué)習(xí)在固體物理教學(xué)中的探索與實(shí)踐[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013，（5）：194.

[2]黃昆原著，韓汝琦改編.固體物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1988.

作者簡(jiǎn)介：

毛飛，男，湖南岳陽(yáng)人，博士，講師，主要研究方向?yàn)槟蹜B(tài)物理。endprint