《固體物理導(dǎo)論》教與學(xué)反思

韓成良 周敏 莊林林 胡進(jìn)

摘要：《固體物理導(dǎo)論》是我校無(wú)機(jī)非專業(yè)本科開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。我校無(wú)機(jī)非本科專業(yè)的定位是培養(yǎng)功能材料與技術(shù)方面的應(yīng)用型人才，因此該專業(yè)的學(xué)生必須具有一定的固體物理方面的知識(shí)。本文總結(jié)了筆者十多年來(lái)在固體物理課程教學(xué)中的一些教學(xué)感受和體會(huì)，結(jié)合許多學(xué)生的學(xué)習(xí)心得，指出目前《固體物理導(dǎo)論》課在我校無(wú)機(jī)非專業(yè)本科生中教與學(xué)兩方面所存在的一些問(wèn)題及相應(yīng)的改進(jìn)措施，旨在為進(jìn)一步改善教學(xué)和提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量提供指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞：固體物理；教學(xué)問(wèn)題；獨(dú)立學(xué)習(xí)；教學(xué)反思

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）19-0208-02

一、引言

固體物理中的相關(guān)理論已在磁學(xué)半導(dǎo)體、超導(dǎo)和激光等現(xiàn)代科學(xué)研究領(lǐng)域獲得了重大進(jìn)展，相關(guān)研究成果已經(jīng)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際生產(chǎn)力，并帶動(dòng)了相關(guān)信息科學(xué)技術(shù)群的高速發(fā)展。在20世紀(jì)50年代末，“固體物理”被采納為我國(guó)物理專業(yè)的一門(mén)基礎(chǔ)課。固體物理通過(guò)研究和學(xué)習(xí)固體的結(jié)構(gòu)及組成固體的粒子之間相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)闡明其性能和用途，涉及內(nèi)容包括固體中的原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)合規(guī)律、固體電子運(yùn)動(dòng)方程及能帶結(jié)構(gòu)、金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制、半導(dǎo)體的基本原理和超導(dǎo)性的基本規(guī)律等，因此，“固體物理”已成為物理學(xué)科和材料學(xué)科的專業(yè)主干課之一。

本文從合肥學(xué)院化工與材料工程系目前的固體物理本科教學(xué)實(shí)際情況出發(fā)，針對(duì)我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的特殊需求，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行調(diào)查，優(yōu)化整合課堂教學(xué)內(nèi)容，并結(jié)合現(xiàn)代多媒體技術(shù)對(duì)教學(xué)內(nèi)容、考評(píng)方式和方法提出合理改革措施，旨在為進(jìn)一步改善教學(xué)和提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量提供指導(dǎo)和借鑒。

二、學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)體會(huì)

首先，學(xué)生普遍反映固體物理這門(mén)課程的難度比較大，即使在課堂上認(rèn)真聽(tīng)課和做筆記，仍然有多數(shù)學(xué)生反映還存在對(duì)許多概念模糊不清和不能理解的現(xiàn)狀，無(wú)法對(duì)本課有一個(gè)更系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和理解。

其次，多數(shù)學(xué)生認(rèn)為固體物理這門(mén)課與材料科學(xué)基礎(chǔ)、無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)和無(wú)機(jī)材料物理性能等前修課有一些相似之處，這在一定程度上既為一些學(xué)生學(xué)習(xí)《固體物理導(dǎo)論》帶來(lái)了便利，又帶來(lái)了干擾。學(xué)生認(rèn)為，很多知識(shí)點(diǎn)已經(jīng)學(xué)過(guò)，在學(xué)習(xí)固體物理時(shí)遇到，再次學(xué)習(xí)時(shí)又有了更深一層次的認(rèn)識(shí)，掌握的更牢固；而有些概念曾經(jīng)遇到過(guò)，或現(xiàn)在開(kāi)始學(xué)，總覺(jué)得有些專業(yè)術(shù)語(yǔ)就是艱澀難懂，故而產(chǎn)生畏懼的心態(tài)。

最后，固體物理學(xué)習(xí)通常是在看不見(jiàn)、摸不著的動(dòng)量空間（或波矢空間）中來(lái)理解一些問(wèn)題，在真實(shí)的空間里反而不好理解，這一點(diǎn)對(duì)于許多學(xué)生來(lái)說(shuō)，難度確實(shí)有點(diǎn)大。

三、教學(xué)內(nèi)容、方法及考評(píng)改革

（一）精選內(nèi)容原則

固體物理是研究固體的微觀結(jié)構(gòu)以及這種微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運(yùn)動(dòng)同固體的宏觀性質(zhì)的關(guān)系的科學(xué)。該課程理論性強(qiáng)，內(nèi)容龐大，其內(nèi)容主要包括晶體結(jié)構(gòu)、晶格振動(dòng)和晶體的熱學(xué)性質(zhì)、固體電導(dǎo)理論、固體介電性質(zhì)、固體的磁性以及固體的光學(xué)性質(zhì)等。對(duì)我校無(wú)機(jī)非專業(yè)本科教學(xué)而言，由于課時(shí)相對(duì)有限（40學(xué)時(shí)），必須堅(jiān)持有所教和有所不教之原則，而對(duì)學(xué)生的要求也必須堅(jiān)持有所學(xué)和有所不學(xué)之原則。依據(jù)我們的人才培養(yǎng)方案要求，無(wú)機(jī)非專業(yè)本科人才培養(yǎng)側(cè)重于功能材料及其應(yīng)用等方面，所以，在講授固體物理這門(mén)課程時(shí)，由于受到學(xué)時(shí)和實(shí)際培養(yǎng)目標(biāo)要求的限制，我們精選了兩個(gè)方面的內(nèi)容來(lái)進(jìn)行講授，即以晶格振動(dòng)和能帶理論為重點(diǎn)講述內(nèi)容。而傳統(tǒng)固體物理課程內(nèi)容主要包括晶體的結(jié)構(gòu)、晶格動(dòng)力學(xué)和能帶理論、固體光學(xué)和電磁學(xué)等，要完全講授完這些內(nèi)容不符合我校專業(yè)人才培養(yǎng)的實(shí)際要求。此外，固體物理這門(mén)課程里有些內(nèi)容已經(jīng)在其他課程里學(xué)過(guò)，因此，我們必須遵循有所講授和所有不講授的原則，對(duì)該課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精選和優(yōu)化處理，即重點(diǎn)將固體中的聲子和電子的運(yùn)動(dòng)和行為對(duì)固體宏觀性能的影響機(jī)制講授清楚，讓學(xué)生能從微觀角度去理解固體一些宏觀性質(zhì)的緣由和根因。目前，我們把這兩部分內(nèi)容作為兩個(gè)模塊來(lái)進(jìn)行講授，同時(shí)，再結(jié)合一些實(shí)際固體的宏觀性質(zhì)和現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行討論和分析，做到微觀和宏觀相結(jié)合以及理論和實(shí)際相結(jié)合，為無(wú)機(jī)非專業(yè)功能材料及應(yīng)用方向人才培養(yǎng)奠定一定的物理基礎(chǔ)。

（二）講授方式和考評(píng)原則

傳統(tǒng)的固體物理教學(xué)內(nèi)容充滿了艱澀難懂的專業(yè)術(shù)語(yǔ)、眼花繚亂的空間圖形變換、復(fù)雜煩瑣的數(shù)學(xué)演算，對(duì)固體物理前沿的新動(dòng)態(tài)、新成果、新概念介紹的力度不夠，教學(xué)方法單一，造成教師難教、學(xué)生畏學(xué)的教學(xué)局面，學(xué)生以應(yīng)付考試、掙取學(xué)分的態(tài)度去學(xué)《固體物理學(xué)》課程。因此，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，課堂效益甚微。為了改變這一現(xiàn)狀，我們以應(yīng)用為導(dǎo)向，即先提出一些實(shí)際的應(yīng)用案例，讓學(xué)生去思考和討論這些固體之所以有這些應(yīng)用，其原理和機(jī)制是什么，以案例教學(xué)方式為主，讓學(xué)生主動(dòng)去參與和思考。例如，講授晶格振動(dòng)這一模塊內(nèi)容時(shí)，我們先提出，有些固體是熱的良導(dǎo)體，而有些則不能，兩者區(qū)別在哪里？又如，一些固體為何受熱后體積會(huì)發(fā)生變化？讓學(xué)生針對(duì)這些問(wèn)題去查閱相關(guān)資料，然后提出一些可能的答案，并在課堂上進(jìn)行討論，將學(xué)生變成主動(dòng)參與者，而不是先灌輸他們這樣或那樣一些的結(jié)果或緣由。實(shí)際教學(xué)表明，這種讓學(xué)生帶著疑問(wèn)去尋找答案的教學(xué)方式得到的最終教學(xué)效果是很有效的，它培養(yǎng)了學(xué)生的獨(dú)立分析問(wèn)題和主動(dòng)學(xué)習(xí)能力，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了學(xué)生的溝通和表達(dá)能力。在這門(mén)課的考核和評(píng)價(jià)方面，我們采用了過(guò)程考核和課程考試一體化考評(píng)方式，即過(guò)程考核和課程考試各占50%。過(guò)程考核主要包括：課堂討論、課外作業(yè)、課程總結(jié)和讀書(shū)筆記等方面，這一項(xiàng)占該課程最終成績(jī)的50%。課程考試既為本課程最后的考試，成績(jī)占50%。這樣就可以把學(xué)生從單純的考試中解脫出來(lái)，讓學(xué)生有更多的時(shí)間去從事課外自主學(xué)習(xí)。

四、教學(xué)手段多樣化

（一）采用現(xiàn)代化多媒體教學(xué)

采用多媒體授課方式具有直觀性、新穎性和高效性，可提高學(xué)生的課堂興趣，但“固體物理”課程理論性很強(qiáng)，如果課堂教學(xué)完全依賴多媒體課件會(huì)導(dǎo)致學(xué)生忽略課程內(nèi)容學(xué)習(xí)，而把注意力轉(zhuǎn)移到課件本身上去。多媒體課件可節(jié)省課堂板書(shū)時(shí)間，增加課堂內(nèi)容的信息量，但同時(shí)導(dǎo)致課堂進(jìn)度緊湊，學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)過(guò)程中思維緊張，沒(méi)有充分的時(shí)間對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行深入的理解和吸收。因此，通過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，筆者在教學(xué)過(guò)程中采用了課堂“板書(shū)教學(xué)+多媒體教學(xué)”相結(jié)合的教學(xué)模式。如在講解晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，筆者通過(guò)板書(shū)提示類(lèi)型，但具體結(jié)構(gòu)通過(guò)多媒體課件展示；對(duì)于晶體熱容的模型、能帶理論等內(nèi)容，通過(guò)多媒體課件給出主要推導(dǎo)步驟，但具體推導(dǎo)過(guò)程利用板書(shū)進(jìn)行，從而增加學(xué)生的理解時(shí)間。

適當(dāng)引入現(xiàn)代研究手段教學(xué)，使固體物理教學(xué)與時(shí)俱迸。教學(xué)中引入MS和CRYSTA等程序，使學(xué)生能理解現(xiàn)代理論物理的一些研究手段，并通過(guò)這些程序演示晶體結(jié)構(gòu)、晶體的熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算、晶體能帶的計(jì)算等內(nèi)容，使學(xué)生更為系統(tǒng)地掌握固體物理的研究方法。讓學(xué)生自己通過(guò)軟件為晶體建立空間結(jié)構(gòu)，通過(guò)三維圖形清晰地展示晶體空間結(jié)構(gòu)，這樣使抽象的物理圖像變得具體而生動(dòng)，從而很好地解決晶體空間結(jié)構(gòu)教學(xué)“呆板”的問(wèn)題。總之，合理地利用現(xiàn)代教學(xué)手段，可大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明顯提高教學(xué)效果，同時(shí)使得教與學(xué)都充滿樂(lè)趣。

（二）增加科學(xué)史，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

科學(xué)史經(jīng)常被作為普及科學(xué)知識(shí)的一個(gè)重要的手段。事實(shí)證明，歷史故事可以提高理科學(xué)習(xí)的趣味性，對(duì)某一學(xué)科、某一理論發(fā)展過(guò)程和歷史背景的追述，有助于學(xué)生更好地理解這門(mén)學(xué)科和這個(gè)理論。在固體物理學(xué)中，每一個(gè)發(fā)現(xiàn)或者理論的提出都有其獨(dú)特的歷史背景和動(dòng)因。正是基于這個(gè)事實(shí)，在講解理論之前，可以先講述整個(gè)的歷史背景和發(fā)展過(guò)程，這樣做既可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣又可以讓學(xué)生更好地了解整個(gè)理論的意義及要解決的問(wèn)題。

（三）教與學(xué)互動(dòng)，安排學(xué)生上講臺(tái)

大家都明白在教學(xué)過(guò)程中，教師的主要作用在于引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生積極、獨(dú)立的思考。在大學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)注重鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮積極性，讓他們主動(dòng)地學(xué)習(xí)。在固體物理的教學(xué)過(guò)程中，可以設(shè)計(jì)一些相關(guān)的研究性課題或針對(duì)每節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容提出一二個(gè)小重點(diǎn)，讓學(xué)生通過(guò)查閱相關(guān)資料并做成PPT課件，然后在課堂上講解。這樣不但鍛煉了學(xué)生的自學(xué)能力和獨(dú)立思考的能力，還提高了課堂教學(xué)的質(zhì)量。同時(shí)，通過(guò)這種讓學(xué)生上講臺(tái)的教學(xué)方式，還能夠鍛煉學(xué)生的膽量，尤其對(duì)于不敢當(dāng)眾講話的學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常好的鍛煉機(jī)會(huì)。

五、結(jié)束語(yǔ)

固體物理課程對(duì)材料專業(yè)本科生來(lái)說(shuō)的確是一門(mén)比較難學(xué)的課程，然而，只要堅(jiān)持有所學(xué)和有所不學(xué)，在本科階段初步掌握其核心內(nèi)容（能帶理論）也不是不可能的。教會(huì)學(xué)生從微觀領(lǐng)域去尋找固體的一些宏觀現(xiàn)象，即讓學(xué)生懂得固體應(yīng)用的基礎(chǔ)是基于固體的不同電子結(jié)構(gòu)，也就是固體的能帶理論基礎(chǔ)。通過(guò)多年教學(xué)實(shí)踐和研究，在我校的《固體物理導(dǎo)論》課程教學(xué)內(nèi)容中實(shí)現(xiàn)了“2個(gè)知識(shí)模塊+2個(gè)考評(píng)制度”的教學(xué)模式，對(duì)“固體物理”的教學(xué)方法和手段的改革及新的學(xué)習(xí)模式進(jìn)行了一些有意義的探索和實(shí)踐，并取得了良好的效果。

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