化學(xué)背景專業(yè)的固體物理教學(xué)

江瑞斌

摘要：本文對固體物理學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識構(gòu)成、課程結(jié)構(gòu)和化學(xué)背景專業(yè)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了針對化學(xué)背景專業(yè)學(xué)生的固體物理教學(xué)方法，有利于提高化學(xué)背景專業(yè)學(xué)生的固體物理教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：化學(xué)專業(yè)；固體物理；基礎(chǔ)知識；學(xué)科交叉

固體物理學(xué)是研究固體物質(zhì)的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、構(gòu)成物質(zhì)的各種粒子的運(yùn)動形態(tài)及其相互關(guān)系的學(xué)科。它是微電子技術(shù)、光電子學(xué)技術(shù)和材料科學(xué)等技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)。固體物理學(xué)以熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)和量子力學(xué)為基礎(chǔ)，以前固體物理學(xué)為物理學(xué)相關(guān)專業(yè)的必修課，學(xué)生都具備相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)知識，整個教學(xué)過程難度不大。然而，隨著學(xué)科的發(fā)展，學(xué)科之間的交叉越來越普遍，部分化學(xué)背景專業(yè)的學(xué)生在進(jìn)一步的深造和科學(xué)研究中也需要固體物理知識，但是這部分學(xué)生不具備熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)和量子力學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)知識。如何教好化學(xué)背景專業(yè)學(xué)生的固體物理就成為一個值得探討的話題。

一、固體物理學(xué)的基礎(chǔ)知識和課程結(jié)構(gòu)

固體物理課程一般會包含晶體結(jié)構(gòu)、固體結(jié)合、晶格振動與晶體的熱學(xué)性質(zhì)、能帶理論和金屬電子論等部分內(nèi)容。部分教材還會包含半導(dǎo)體電子論、固體的磁性超導(dǎo)等內(nèi)容。在這些內(nèi)容中，晶格振動與晶體的熱學(xué)性質(zhì)都是以熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)為基礎(chǔ)，能帶理論和金屬電子論是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)。因此要學(xué)好固體物理必須具有很好的熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)和量子力學(xué)基礎(chǔ)知識作為支撐，這些知識物理學(xué)背景專業(yè)的學(xué)生都具備，但是化學(xué)背景專業(yè)的學(xué)生不具備。另外，固體物理要求學(xué)生具有很好的數(shù)學(xué)推導(dǎo)能力。然而，化學(xué)背景專業(yè)學(xué)生的數(shù)學(xué)推導(dǎo)能力較弱，這些專業(yè)基礎(chǔ)知識的欠缺大大增加了對這部分學(xué)生的固體物理教授難度。

二、化學(xué)背景專業(yè)的固體物理教學(xué)

隨著學(xué)科的發(fā)展，學(xué)科之間的交叉越來越普遍，許多化學(xué)背景專業(yè)的學(xué)生在將來的工作和深造過程中均會需要固體物理知識。例如，化學(xué)背景專業(yè)的學(xué)生從事半導(dǎo)體光催化研究，就需要學(xué)生具有半導(dǎo)體的價帶、導(dǎo)帶和光吸收等能帶理論知識，同時還需要學(xué)生具有半導(dǎo)體和電解液形成異質(zhì)結(jié)的知識，這些知識均是固體物理學(xué)的知識。另外，化學(xué)背景專業(yè)的學(xué)生從事有機(jī)發(fā)光器件和有機(jī)太陽能電池研究，這些研究同樣要求學(xué)生具有能帶理論、異質(zhì)結(jié)以及載流子在半導(dǎo)體中的激發(fā)和傳輸?shù)确矫娴闹R。因此，隨著交叉學(xué)科的發(fā)展，在化學(xué)專業(yè)開設(shè)固體物理課程也變得越來越必要。

化學(xué)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課基本上由無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)和分析化學(xué)四大化學(xué)課程構(gòu)成，數(shù)學(xué)和物理一般只開設(shè)高等數(shù)學(xué)和普通物理。因此，化學(xué)背景專業(yè)學(xué)生的數(shù)學(xué)和物理知識比較薄弱。而且，普通物理中很少涉及熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)和量子力學(xué)的知識，這就給化學(xué)背景專業(yè)學(xué)生的固體物理教學(xué)提出了挑戰(zhàn)——又需要學(xué)，但是又沒有基礎(chǔ)知識。

要教好化學(xué)背景專業(yè)學(xué)生的固體物理，首先，學(xué)時上要有充分保證。大部分物理背景專業(yè)的固體物理學(xué)時在48個或者54個，有些學(xué)校更多，但是化學(xué)背景專業(yè)的固體物理學(xué)時不能少于64個。一方面是因?yàn)榛瘜W(xué)背景專業(yè)的學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱，而固體物理里邊有大量的公式推導(dǎo)?；瘜W(xué)背景專業(yè)的學(xué)生心理上對公式推導(dǎo)有排斥，因此接受固體物理知識的速度自然較慢。另一方是因?yàn)槌藗鹘y(tǒng)固體物理教學(xué)中所需要教授的知識，在對化學(xué)背景專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行固體物理教學(xué)時還需要在真正固體物理知識教授開始之前，教授熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)和量子力學(xué)的知識，這些知識的教授也需要一定的學(xué)時。

其次，要教好化學(xué)背景專業(yè)學(xué)生的固體物理知識，需要對固體物理教學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。目前國內(nèi)外的固體物理教材都是針對具有較強(qiáng)物理背景的學(xué)生編寫的，沒有一本可以直接用來作為化學(xué)背景專業(yè)學(xué)生的固體物理教材?；瘜W(xué)背景專業(yè)的固體物理教學(xué)除了需要講解熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)和量子力學(xué)等基礎(chǔ)知識外，還需要講解聚合物中的能帶理論。而傳統(tǒng)固體物理中的生子理論等內(nèi)容則可以縮減。

最后，要教好化學(xué)背景專業(yè)學(xué)生的固體物理，需要在教學(xué)方法上有一定的創(chuàng)新。傳統(tǒng)固體物理的教學(xué)大部分以理論推導(dǎo)為主，這是因?yàn)楹芏辔锢韺I(yè)的學(xué)生將來會從事理論物理研究，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的理論推導(dǎo)能力。然而，化學(xué)專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)固體物理主要是為了將來的應(yīng)用，因此在教學(xué)過程中應(yīng)該適當(dāng)減少理論推導(dǎo)，強(qiáng)化每個原理的物理意義及其在實(shí)際應(yīng)用中的意義。

綜上所述，隨著學(xué)科的發(fā)展，學(xué)科之間的交叉越來越普遍。學(xué)科的交叉迫使化學(xué)背景專業(yè)的學(xué)生需要學(xué)習(xí)固體物理。針對化學(xué)背景專業(yè)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，只有通過加大教學(xué)課時和對現(xiàn)有固體物理教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行改革和創(chuàng)新，才能夠教好化學(xué)背景專業(yè)學(xué)生的固體物理，為化學(xué)背景專業(yè)學(xué)生將來的深造和就業(yè)打好基礎(chǔ)，提高學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]張國光，李琴.固體物理課程教學(xué)探索[J].江西化工，2014（2）：25-26.

[2]李根全，宋金璠，張萍，周大偉，楊興強(qiáng).優(yōu)化教學(xué)模式構(gòu)建高效課——以固體物理學(xué)課堂教案為例[J].南陽師范學(xué)院學(xué)報，2013，12（9）：55-59.

[3]郝淑娟，徐權(quán)，董云峰，劉永皓，馮瑞姝.固體物理教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2015（17）：129-130.endprint