物理學(xué)本科專業(yè)課程中緒論課教學(xué)的思考和設(shè)計(jì)

衛(wèi)來(lái) 周恒為

通常而言，在大學(xué)本科教學(xué)過(guò)程中，每一門(mén)課程都會(huì)以緒論課的講授開(kāi)始。這是因?yàn)榫w論課一般會(huì)介紹該課程的主要內(nèi)容，及其在整個(gè)學(xué)科中的地位等，從而讓學(xué)生對(duì)這門(mén)課程有一個(gè)整體性的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而幫助學(xué)生在接下來(lái)的學(xué)習(xí)中能更好地掌握相關(guān)知識(shí)、建立信心、激發(fā)興趣[1-3]。

對(duì)于物理學(xué)本科專業(yè)來(lái)說(shuō)，其專業(yè)課程尤其是核心專業(yè)課程通常是關(guān)于一個(gè)領(lǐng)域的一整套理論體系的綜合，而這其中又包含了許多較為復(fù)雜的理論，學(xué)習(xí)的難度非常高。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，往往只知道一個(gè)個(gè)單獨(dú)的理論，而無(wú)法將這些理論放到整個(gè)課程中去進(jìn)行理解，缺乏一種系統(tǒng)化、整體化的認(rèn)識(shí)，非常容易陷入一種“不識(shí)廬山真面目”的窘境。那么，緒論課的教學(xué)就顯得尤為重要，因?yàn)槿绻w論課的教學(xué)效果好，就能夠使得學(xué)生對(duì)該課程形成較為清晰的整體化認(rèn)識(shí)，在接下來(lái)的學(xué)習(xí)中，只需將所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)“對(duì)號(hào)入座”即可。這樣既可以幫助學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識(shí)，同時(shí)也能使學(xué)生建立學(xué)習(xí)信心、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。本文將以物理學(xué)本科專業(yè)中理論性較強(qiáng)的一門(mén)課——《固體物理學(xué)》為例，介紹該課程緒論課教學(xué)的思考和設(shè)計(jì)，為本專業(yè)教師的教學(xué)工作提供一定的參考和借鑒。

一、找準(zhǔn)目標(biāo)，認(rèn)清“山頭”——從研究對(duì)象談起

物理學(xué)本科專業(yè)課程往往理論性較強(qiáng)，理解較為困難，這就導(dǎo)致許多學(xué)生在花了許多精力去理解和掌握某些具體的理論之后，卻又顧此失彼，不知道這些理論到底有什么意義，能夠解決什么問(wèn)題。因此，在課程伊始就應(yīng)幫助學(xué)生找準(zhǔn)目標(biāo)，讓他們認(rèn)清該課程研究的對(duì)象和要解決的問(wèn)題是什么。以《固體物理學(xué)》為例，可以首先以設(shè)問(wèn)的方式提出以下3個(gè)問(wèn)題：1.什么是物理學(xué)？2.什么是固體？3.什么是固體物理學(xué)？這三個(gè)問(wèn)題循序漸進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)回答問(wèn)題的方式了解本課程的研究對(duì)象，從而加深其印象。

針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，我們要牢牢抓住物理學(xué)研究的是物質(zhì)的三個(gè)基本要素：結(jié)構(gòu)、相互作用、運(yùn)動(dòng)規(guī)律。并由此展開(kāi)進(jìn)行具體介紹，如物理學(xué)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究所包含的時(shí)間、空間尺度；四大基本相互作用以及由此所衍生的各種作用；典型的運(yùn)動(dòng)及其規(guī)律等。

針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題，可以分類列舉一些實(shí)物，包括固體、液體、氣體和等離子體等等。然后從存在狀態(tài)上找出它們的區(qū)別，進(jìn)而說(shuō)明是組成這些物質(zhì)的粒子排列結(jié)構(gòu)的不同而導(dǎo)致它們狀態(tài)上的差別。最后說(shuō)明固體的結(jié)構(gòu)特征，即在固體中，各種粒子（包括原子、分子或離子等）緊密地結(jié)合在一起，粒子無(wú)法自由移動(dòng)，只能在平衡位置附近作微小振動(dòng)。

回答了前面兩個(gè)問(wèn)題，第三個(gè)問(wèn)題就順理成章了，可以請(qǐng)學(xué)生自己來(lái)進(jìn)行概括，即固體物理學(xué)是研究固體的結(jié)構(gòu)及其組成粒子（原子、離子、分子、電子等）之間相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以闡明其性能和用途的學(xué)科。需要注意的是，這里我們?nèi)匀灰獜?qiáng)調(diào)三個(gè)基本要素，即固體的結(jié)構(gòu)、其組成粒子的相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

二、建立知識(shí)框架，制定“登山路線”——從研究對(duì)象到課程安排

基于前面的討論，我們首先圍繞固體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行展開(kāi)?？紤]到該課程針對(duì)本科學(xué)生，依據(jù)教學(xué)大綱，關(guān)于固體的結(jié)構(gòu)本課程僅針對(duì)單晶體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論。因此，要說(shuō)明根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，固體的分類情況，并可以適當(dāng)配合相應(yīng)的圖片或模型進(jìn)行演示，以激發(fā)學(xué)生的興趣。隨后說(shuō)明本課程的第一部分即討論單晶體的結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的問(wèn)題，包括晶體的幾種基本結(jié)構(gòu)、對(duì)稱性特征、描述方法（點(diǎn)陣、格矢、晶列、晶面、倒格子等）以及測(cè)量方法（X射線衍射）等。

第二個(gè)方面即固體的組成粒子的相互作用，其根本起源仍然是電磁相互作用，即各原子最外層電子間，或它們與帶電離子間的相互作用。這些相互作用又可以分為金屬鍵、共價(jià)鍵、離子鍵、范德瓦爾斯鍵和氫鍵等，而這些作用又會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)合能的變化。上述相關(guān)內(nèi)容會(huì)在課程的第二部分“晶體的結(jié)合”中討論。

課程的第三個(gè)部分即要討論這些組成粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，它決定著固體的力、熱、電、磁和光等宏觀物理性質(zhì)，主要包括晶格的運(yùn)動(dòng)和電子的運(yùn)動(dòng)。晶格的運(yùn)動(dòng)方面主要討論晶格的熱振動(dòng)及晶體的熱力學(xué)性質(zhì)，這部分內(nèi)容將以幾種晶體結(jié)構(gòu)模型為例，將晶格振動(dòng)用波來(lái)描述，討論其色散關(guān)系和由此所決定的熱力學(xué)性質(zhì)。而電子的運(yùn)動(dòng)方面主要討論電子的能帶理論，以及該理論對(duì)絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的描述。此外，還會(huì)介紹金屬中自由電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其性質(zhì)。上述這些內(nèi)容都將在本課程中分章節(jié)進(jìn)行討論。

為了讓學(xué)生更直觀地了解這三個(gè)要素對(duì)固體性質(zhì)影響，可以列舉以下幾個(gè)典型的示例進(jìn)行說(shuō)明。首先，以石墨和金剛石為例，它們雖然是由同種粒子組成，但由于其結(jié)構(gòu)和相互作用方式不同，從而導(dǎo)致其宏觀物理性質(zhì)有較大差異（硬度、導(dǎo)電性等）。然后，以金剛石和單晶硅為例，盡管它們的結(jié)構(gòu)和相互作用方式都相同，但其運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同（禁帶寬度不同，導(dǎo)致電子從滿帶躍遷至空帶從而形成導(dǎo)帶的難易程度不同），也會(huì)導(dǎo)致其性質(zhì)的不同（導(dǎo)電性）。綜上所述，固體的宏觀物理性質(zhì)是由上述三個(gè)基本要素共同決定的。

三、回顧豐碩成果，欣賞“絕頂風(fēng)光”——固體物理學(xué)地位及相關(guān)應(yīng)用研究簡(jiǎn)介

了解本課程在整個(gè)學(xué)科中的重要地位，以及大師們的相關(guān)工作，不僅能開(kāi)拓學(xué)生的視野，同時(shí)也能極大地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣?；诖?，可以在緒論課的最后一個(gè)部分介紹固體物理學(xué)在整個(gè)物理學(xué)科中的地位以及相關(guān)的應(yīng)用和研究工作，尤其是獲諾貝爾獎(jiǎng)的工作進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

關(guān)于固體物理學(xué)的地位，由于在自然界的礦物中，晶態(tài)物質(zhì)占到98%以上，因此固體物理學(xué)的研究范圍非常的廣泛，包括：金屬、半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性物質(zhì)、發(fā)光材料等的各種性質(zhì)；發(fā)展新材料新器件，及制備材料和器件的新工藝和新理論；承擔(dān)著許多重要的理論課題，如超導(dǎo)理論、多體理論、非晶態(tài)理論、表面理論、催化的微觀理論、斷裂微觀理論、強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用理論等等。

此外，以固體物理學(xué)為基礎(chǔ)，還發(fā)展出了許多分支學(xué)科，比如金屬物理學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)、超導(dǎo)物理學(xué)、電介質(zhì)物理學(xué)、鐵磁性物理學(xué)等等。并且固體物理學(xué)在該某些領(lǐng)域的應(yīng)用，也使得這些領(lǐng)域得以蓬勃發(fā)展，如：大批新型合金的制備（耐高溫高壓、耐輻射材料）促使了航空、航天和原子能工業(yè)的發(fā)展；半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)（晶體管、集成電路的基本組成）促使電子計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的發(fā)展，從而造就了今天的信息時(shí)代。因此可以說(shuō)，固體物理學(xué)不論是在理論還是在應(yīng)用方面都有著舉足輕重的地位。

通常而言，諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)工作都是該領(lǐng)域具有里程碑意義的工作，下面將其中與固體物理學(xué)相關(guān)的獲獎(jiǎng)工作進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹如下：

1.1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，羅伯特·柯?tīng)?、哈羅德·克羅托爵士和理查德·斯莫利因發(fā)現(xiàn)富勒烯而獲獎(jiǎng)（固體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)）。

2.1997年諾貝爾物理獎(jiǎng)，朱棣文、克洛德·科昂-唐努德日和威廉·菲利普斯因發(fā)展了用激光冷卻和捕獲原子的方法而獲獎(jiǎng)（使原子以一種新的方式作用而結(jié)合的方法）。

3.1998年諾貝爾物理獎(jiǎng)，羅伯特·勞夫林、施特默和崔琦因發(fā)現(xiàn)了電子在強(qiáng)磁場(chǎng)中的分?jǐn)?shù)量子化的霍爾效應(yīng)而獲獎(jiǎng)（粒子新的運(yùn)動(dòng)規(guī)律所致的奇異性質(zhì)）。

4.2000年諾貝爾物理獎(jiǎng)，若雷斯·阿爾費(fèi)羅夫和赫伯特·克勒默因發(fā)展了用于高速電子學(xué)和光電子學(xué)的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)而獲獎(jiǎng)，以及杰克·基爾比因在發(fā)明集成電路中所做的貢獻(xiàn)而獲獎(jiǎng)（固體中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律所致的奇異性質(zhì)及其應(yīng)用）。

5.2003年諾貝爾物理獎(jiǎng)，阿列克謝·阿布里科索夫、維塔利·金茲堡和安東尼·萊格特因?qū)Τ瑢?dǎo)體和超流體理論做出的先驅(qū)性貢獻(xiàn)而獲獎(jiǎng)（電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律所致的奇異性質(zhì)）。

6.2007年諾貝爾物理獎(jiǎng)，艾爾伯·費(fèi)爾和彼得·格林貝格因發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而獲獎(jiǎng)（電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律所致的奇異性質(zhì)）。

7.2009年諾貝爾物理獎(jiǎng)，高錕和威拉德·博伊爾因在光學(xué)通信領(lǐng)域光在纖維中傳輸方面的突破性成就而獲獎(jiǎng)，以及喬治·史密斯因發(fā)明半導(dǎo)體成像器件電荷耦合器件CCD而獲獎(jiǎng)（電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律所致的奇異性質(zhì)及應(yīng)用）。

8.2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)，安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)而獲獎(jiǎng)（固體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)）。

9.2014年諾貝爾物理獎(jiǎng)，赤崎勇、天野浩和中村修二因高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管而獲獎(jiǎng)（固體結(jié)構(gòu)及其電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律）。

因?yàn)檎n程時(shí)間的關(guān)系，上述內(nèi)容僅選擇了近20年的獲獎(jiǎng)工作進(jìn)行介紹。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，可以給學(xué)生一種“絕頂風(fēng)光無(wú)限好”的感覺(jué)，從而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情和進(jìn)取心。

總的來(lái)說(shuō)，盡管物理學(xué)本科專業(yè)課程理論性較強(qiáng)，學(xué)習(xí)難度較大，但在緒論課講授過(guò)程中，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，必將能夠幫助學(xué)生將知識(shí)形成體系，并激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，讓學(xué)生體會(huì)物理學(xué)之美[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝延明.發(fā)揮緒論課的作用提高“大學(xué)物理”教學(xué)質(zhì)量[J].中國(guó)輕工教育，2011，（1）：95-96.

[2]母小云，etal.應(yīng)用型本科院校大學(xué)物理緒論課教學(xué)探討[J].青年與社會(huì)·中外教育研究，2010（3）：60-61.

[3]殷勇.大學(xué)物理緒論課教學(xué)的重要性及其設(shè)計(jì)方案[J].學(xué)理論，2010（32）：345-346.

[4]張晉魯，etal.物理學(xué)中的美育和人文文化[J].伊犁師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009（1）：17-19.

（作者單位：伊犁師范學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）