材料專業(yè)固體物理基礎(chǔ)教學(xué)改革探索

馬德龍 王建榮 張瑞麗

摘 要：固體物理學(xué)是以量子力學(xué)、晶體學(xué)、電磁學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，研究固體粒子之間相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律，闡明固體微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間關(guān)系的基礎(chǔ)學(xué)科。本文從材料學(xué)科固體物理的重要地位及目前的教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合作者固體物理課程實(shí)際的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)提高材料專業(yè)固體物理課程的教學(xué)成效提出若干思考。

關(guān)鍵詞：固體物理;教學(xué)方法

1 《固體物理》課程教學(xué)現(xiàn)狀

“固體物理學(xué)”是一門涉及金屬物理、半導(dǎo)體物理、磁學(xué)物理等學(xué)科的基礎(chǔ)課程。以研究固體粒子之間相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律，闡明固體微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間關(guān)系為主要內(nèi)容[1]。固體物理知識(shí)能夠?yàn)椴牧系脑O(shè)計(jì)和制造提供科學(xué)的理論依據(jù)，是目前材料專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)課程。然而，對(duì)于物理基礎(chǔ)薄弱的材料專業(yè)學(xué)生來說，這門課程理論多，內(nèi)容較龐雜，在學(xué)習(xí)的過程中容易出現(xiàn)理論脈絡(luò)不清晰的問題，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣下降。該課程也一直因?yàn)殡y學(xué)、難教而成為材料專業(yè)課程設(shè)置的痛點(diǎn)。作者所教的固體物理課程課時(shí)量?jī)H為32學(xué)時(shí)，在有限課時(shí)量下很難把固體物理課程講深講透講系統(tǒng)，只能對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行取舍，保留基礎(chǔ)的部分。上述問題由來已久，但至今仍然沒有很好地解決，亟需固體物理教學(xué)一線的教研人員總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提供切實(shí)可行的解決方案。本文從固體物理課程實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，對(duì)如何擺脫當(dāng)前固體物理教學(xué)窘境，提高材料專業(yè)固體物理課程的教學(xué)成效提出若干改革思路[2]。

2 《固體物理》教學(xué)改革

2.1 凝練教學(xué)內(nèi)容，突出重點(diǎn)和難點(diǎn)

由于課時(shí)量有限，教學(xué)過程中只能講課程中重點(diǎn)部分。教師首先要讀通、讀懂教材，清楚教材編排的邏輯順序，劃分出教材中的重點(diǎn)章節(jié)，并多安排一些課時(shí)。在備課過程中，任課教師要仔細(xì)研究每節(jié)課涉及的知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生掌握重要知識(shí)點(diǎn)，并通過練習(xí)加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和應(yīng)用。對(duì)于固體物理課程而言，知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用最好的范例是習(xí)題計(jì)算。對(duì)于課本上的例題，教師應(yīng)該重點(diǎn)講，并密切注意與學(xué)生互動(dòng)，不要只沉浸在自己的講述中。在講述過程中，如果學(xué)生能跟上講課思路，如果發(fā)現(xiàn)學(xué)生都沉默或者低頭看書，這時(shí)候教師應(yīng)該停下來與學(xué)生們交流，了解學(xué)生們困惑的知識(shí)點(diǎn)。一個(gè)好的課堂，一定是師生之間充滿互動(dòng)的課堂。在知識(shí)點(diǎn)講述的過程中，一定要多以日常常見的事物舉例，這樣學(xué)生方便理解和加深記憶，亦不會(huì)覺得固體物理晦澀難懂。以固體物理中離子晶體結(jié)合能的推導(dǎo)為例，日常經(jīng)驗(yàn)告訴我們，當(dāng)要把一個(gè)完整的晶體分開時(shí)，會(huì)感到物體的吸引力，你要擠壓一個(gè)物體時(shí)，會(huì)感到物體的排斥力。說明組成固體的原子之間存在相互引力和斥力，由此可以進(jìn)一步提出固體結(jié)合能的通式。要讓他們?cè)谖锢砟Ｐ椭畜w會(huì)固體物理學(xué)習(xí)的樂趣。要讓他們覺得固體物理不僅僅是一門理論課，還可以加深我們對(duì)日?，F(xiàn)象的理解和認(rèn)識(shí)。

2.2 增加教課內(nèi)容趣味性

作者在教學(xué)工作中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍對(duì)跟課程相關(guān)的歷史趣事和故事感興趣，利用好這一點(diǎn)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。例如，在晶格振動(dòng)及熱力學(xué)學(xué)習(xí)過程中，我們一般先要提到Born和Oppenheimer提出固體物理的理論體系[3]。其主要思想是：按照絕熱近似可分為固體的原子理論和固體的電子理論。原子論是把固體看成是原子組成的體系（晶體、非晶體和準(zhǔn)晶體），從原子間相互作用出發(fā)解釋固體的物理性質(zhì)。電子論是將按照定核近似處理問題，假設(shè)原子核不動(dòng)，核外電子高速運(yùn)動(dòng)。這樣直接講述學(xué)生的聽課熱情不高，課后容易遺忘。在這個(gè)過程中可以引入與課程相關(guān)的歷史故事。比如Oppenheimer是如何跟Born學(xué)習(xí)，怎么提出的固體理論模型。還可以講述Oppenheimer學(xué)成回國后成為美國原子彈計(jì)劃項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，以及如何完成原子彈計(jì)劃。再比如，講到黃昆方程時(shí)，可以聊一聊黃昆先生當(dāng)年的求學(xué)經(jīng)歷，以及如何與波恩相識(shí)，并合著《Dynamical Theory of Crystal Lattices》。以上歷史故事引入教學(xué)課堂后，可以極大地提高同學(xué)們的聽課積極性，他們會(huì)從中學(xué)習(xí)到做人做事的道理，這也是我們教育工作的目標(biāo)之一。

2.3 科研與教學(xué)相互促進(jìn)的教學(xué)方式

科研與教學(xué)密不可分，結(jié)合前沿科學(xué)研究，建立前沿科學(xué)與固體物理學(xué)中基本知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，可以加深學(xué)生對(duì)基本理論的理解。在具體的教學(xué)實(shí)踐中，教師可以結(jié)合自己的研究方向，講解固體物理在自己研究方向的應(yīng)用。作者主要研究方向是鋰離子電池電極材料。在教學(xué)過程中，我會(huì)講述固體物理是如何幫助材料科學(xué)工作者設(shè)計(jì)材料，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如，固體物理可以用于計(jì)算模擬研究，從理論上分析設(shè)計(jì)制備的電極材料的各項(xiàng)物理化學(xué)性能，為電極材料的設(shè)計(jì)合成提供理論指導(dǎo)。通過以上講述，有助于啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，激發(fā)對(duì)新事物的探索精神，開闊學(xué)生的視野。

2.4 板書和多媒體相結(jié)合的教學(xué)方式

在教學(xué)過程中，板書與多媒體教學(xué)要結(jié)合使用，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，根據(jù)課程內(nèi)容調(diào)整具體教學(xué)方法。對(duì)原子論部分的教學(xué)，多媒體是一個(gè)有益的輔助。例如，用多媒體的動(dòng)畫模式去解釋原子空間排列方式，使學(xué)生更直觀地觀察所研究的對(duì)象，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)各種晶體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，提高課堂學(xué)習(xí)效率。而對(duì)于電子論的部分，涉及大量公式推導(dǎo)，采用多媒體容易使學(xué)生注意力不集中。另一方面，過多使用多媒體在一定程度上會(huì)造成學(xué)生不愿意記錄課堂講義，這不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。因此教師采用板書形式，督促學(xué)生記課堂講義，讓學(xué)生在記錄過程中跟上老師的思路，有充分的時(shí)間理解具體的假設(shè)和推導(dǎo)過程，方便學(xué)生課后梳理、復(fù)習(xí)和記憶學(xué)習(xí)要點(diǎn)。

2.5 增加針對(duì)性的考核方式

課后作業(yè)是教學(xué)考核的重要組成部分，是鞏固所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)思維品質(zhì)的重要途徑。然而，在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生交的課程作業(yè)存在大量抄襲現(xiàn)象。針對(duì)這種情況，一方面可以減少課后作業(yè)的布置量，提高題型的質(zhì)量，讓學(xué)生精做。另一方面可以采用布置調(diào)研性課題，或者學(xué)術(shù)報(bào)告的方式提升學(xué)生課后的實(shí)際參與度。組織同學(xué)分組討論，指導(dǎo)學(xué)生發(fā)表有創(chuàng)新性的結(jié)果，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)術(shù)自信心和創(chuàng)新能力。

長期以來，單一的閉卷考核方式容易讓學(xué)生們對(duì)于課上知識(shí)點(diǎn)養(yǎng)成死記硬背的習(xí)慣，而且很難將知識(shí)活學(xué)活用。因此，需要靈活運(yùn)用考核方式。例如，學(xué)期末的考試可以由閉卷考試調(diào)整為開卷考試。開卷考試，與閉卷考試相比，它更具有開放性、綜合性、探究性等特點(diǎn)。開卷考試出題相對(duì)靈活，可以考察學(xué)生對(duì)概念的理解程度，考察學(xué)生綜合分析并解決問題的能力。開卷考試這種形式將會(huì)促使學(xué)生在學(xué)習(xí)課程過程中更注重對(duì)概念的理解以及對(duì)物理思想的學(xué)習(xí)，形成良好的物理思維。

3 結(jié)束語

綜上所述，通過固體物理學(xué)習(xí)，讓學(xué)生深入理解固體物理中的基本概念、物理圖像、解決問題的思路和方法，培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)，具有創(chuàng)新能力的專業(yè)人才，是固體物理教學(xué)的最終目標(biāo)。實(shí)際教學(xué)過程中，需要根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)及材料專業(yè)人才培養(yǎng)的需求因材施教，根據(jù)需要調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，采用適當(dāng)?shù)目己朔椒??！豆腆w物理》課程改革與創(chuàng)新仍需要廣大的教育工作者進(jìn)一步探索與實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)

[1]梅顯秀.固體物理教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].大學(xué)物理，2010，29（7）：43-45.

[2]黃昆.固體物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1988.

[3]閻守勝.固體物理基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003.

作者簡(jiǎn)介

馬德龍（1986-），男，漢族，遼寧省綏中縣人，博士，講師，研究方向：電化學(xué)儲(chǔ)能材料。