結(jié)合“新工科”創(chuàng)新理念的固體物理教學(xué)改革探索

尹廣超 孫美玲

摘要：基于固體物理課程的自身特點(diǎn)及當(dāng)前教學(xué)過程中存在的主要問題，結(jié)合“新工科”創(chuàng)新理念，對(duì)固體物理課程的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)實(shí)踐等方面進(jìn)行初步的教學(xué)改革探索與實(shí)踐，以強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新與科研素質(zhì)培養(yǎng)，構(gòu)筑與時(shí)俱進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容體系與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)以教師講授為主向?qū)W生自主學(xué)習(xí)為主的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，提升學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識(shí)，從而促進(jìn)高科學(xué)素養(yǎng)的創(chuàng)新科研型人才培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：固體物理；新工科；教學(xué)改革探索

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）14-0173-02

《固體物理》是高校物理、光電、電子、材料等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)必修基礎(chǔ)課之一，主要研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其組成粒子（原子、離子、電子等）之間相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律、進(jìn)而闡明其宏觀性能與用途，是物理理論知識(shí)與物質(zhì)實(shí)踐應(yīng)用的重要紐帶[1，2]。該課程在為學(xué)生系統(tǒng)地打好必要的物理基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀，增強(qiáng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí)等方面，具有其他課程不能替代的重要作用。因此，優(yōu)質(zhì)高效的固體物理課程教學(xué)能有效提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生分析問題與解決問題的能力，促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新與科研素養(yǎng)的培養(yǎng)。本文基于固體物理課程的自身特點(diǎn)及當(dāng)前教學(xué)過程中存在的主要問題，結(jié)合當(dāng)前“新工科”的創(chuàng)新理念，對(duì)固體物理課程進(jìn)行初步的教學(xué)改革探索與實(shí)踐，以實(shí)現(xiàn)具有高科學(xué)素養(yǎng)的創(chuàng)新科研型拔尖人才的培養(yǎng)。

一、固體物理的教學(xué)現(xiàn)狀

目前，固體物理課程作為一門經(jīng)典課程，已經(jīng)形成了固有的知識(shí)體系和教學(xué)模式，但在教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)實(shí)踐等方面仍存在一定問題，主要體現(xiàn)如下：

1.教學(xué)理念陳舊。傳統(tǒng)的固體物理教學(xué)，主要以課堂講解、傳授知識(shí)為主，教師把知識(shí)分解為章、節(jié)塞給學(xué)生，學(xué)生只是被動(dòng)的接受，通過循環(huán)往復(fù)的“教、練、考”來鞏固知識(shí)。這種單一的教學(xué)模式不利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和拔尖人才脫穎而出，缺乏個(gè)性與創(chuàng)見。究其原因，在于沒有及時(shí)轉(zhuǎn)變教學(xué)理念：在當(dāng)前的固體物理課程教學(xué)中，個(gè)別老師，忽視了固體物理教學(xué)的真正目的。固體物理課程教學(xué)的真正目的不僅是傳授學(xué)生相關(guān)理論知識(shí)，為后續(xù)的專業(yè)課程提供服務(wù)，更重要的是使學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)的思想方法，開拓學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和培養(yǎng)正確的科學(xué)態(tài)度。

2.教學(xué)內(nèi)容偏理論且陳舊。目前固體物理教學(xué)使用的教材和參考書，如由黃昆原著、韓汝琦改編的《固體物理學(xué)》等物理學(xué)背景的經(jīng)典教材，在教學(xué)內(nèi)容上過于偏重理論，需要一系列相應(yīng)物理學(xué)課程背景知識(shí)與基礎(chǔ)（如高等數(shù)學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理等），這大大增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，明顯降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，甚至使很多學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒。此外，經(jīng)典教材缺少前沿知識(shí)的更新，對(duì)固體物理前言的新動(dòng)態(tài)、新成果、新概念接觸較少，這樣不但容易導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣，更會(huì)使得學(xué)生所學(xué)知識(shí)與科學(xué)前沿?zé)o法緊密結(jié)合，限制了學(xué)生的創(chuàng)新性培養(yǎng)。

3.教學(xué)手段陳舊。目前固體物理教學(xué)仍然是傳統(tǒng)的教學(xué)模式，教師在教學(xué)中采用“填鴨式”教學(xué)模式將知識(shí)點(diǎn)傳授給學(xué)生，學(xué)生始終處于被動(dòng)學(xué)習(xí)階段。嚴(yán)重忽視了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主導(dǎo)地位，忽略了對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力以及學(xué)習(xí)方法的培養(yǎng)。長(zhǎng)此以往，導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，失去對(duì)固體物理學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性。

4.缺乏理論與實(shí)踐的聯(lián)系。隨著科技的發(fā)展，固體物理領(lǐng)域的新思想、新概念不斷涌現(xiàn)，早已滲透到包括材料、化學(xué)和光電子科學(xué)在內(nèi)的多個(gè)相鄰學(xué)科之中，并且指導(dǎo)著相關(guān)學(xué)科的工科實(shí)踐。然而，目前的固體物理定位仍然以傳統(tǒng)內(nèi)容為主，一些經(jīng)典教材雖然增添了一些新內(nèi)容，但是在具體的教學(xué)實(shí)踐中，近二十年來并沒有大的改動(dòng)。這種“重理論、輕實(shí)踐，多經(jīng)典、少創(chuàng)新”的教學(xué)模式，雖然在一定程度上強(qiáng)化了學(xué)生的理論能力，但是很難引導(dǎo)學(xué)生去主動(dòng)思考，將課程理論和實(shí)踐相結(jié)合，不利于創(chuàng)新科研型人才的培養(yǎng)。

二、固體物理的教學(xué)改革內(nèi)容

1.轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，強(qiáng)化創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)。轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的“教、練、考”教學(xué)理念，在教學(xué)過程中加強(qiáng)對(duì)知識(shí)理論的模型化構(gòu)筑與科學(xué)理念分析，以提升學(xué)生對(duì)實(shí)際問題的邏輯處理和分析能力。同時(shí)，以“提煉科學(xué)方法、闡述科學(xué)觀念、揭示人文啟示”三條途徑，在固體物理的教學(xué)中向?qū)W生展示基本的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)分析手段，繼而對(duì)學(xué)生進(jìn)行基本科學(xué)素質(zhì)與人文素養(yǎng)的培養(yǎng)，使學(xué)生在今后的科技創(chuàng)新之路乃至立身處世方面有較大收益。

2.優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)筑與時(shí)俱進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容體系和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。在經(jīng)典基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，用學(xué)生可理解的方式引入與課程相關(guān)的科學(xué)技術(shù)前沿的研究成果，以及與課程相關(guān)的交叉學(xué)科或課程的重要知識(shí)和結(jié)論，特別是結(jié)合課程知識(shí)討論一些科研熱點(diǎn)問題和與日常生活相關(guān)的科學(xué)技術(shù)問題，如在講述晶體結(jié)構(gòu)的過程時(shí)，以碳的同素異形體為例，由“石墨”、“金剛石”到“富勒烯”，再引申至“碳納米管”、“納米技術(shù)”等。通過具體的實(shí)例講解，讓課程中枯燥的內(nèi)容生動(dòng)化、具體化，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生了解目前材料學(xué)科前沿的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，從而激發(fā)起學(xué)生更多的學(xué)習(xí)熱情與科學(xué)興趣。此外，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建與時(shí)俱進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)共享平臺(tái)，探索實(shí)現(xiàn)基本教學(xué)內(nèi)容、測(cè)試評(píng)價(jià)方式、前沿科學(xué)信息共享等教學(xué)資源的網(wǎng)絡(luò)化，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)與討論，提升對(duì)學(xué)生前沿創(chuàng)新理念的培養(yǎng)。

3.優(yōu)化教學(xué)與考核模式，實(shí)現(xiàn)以教師講授為主向?qū)W生自主學(xué)習(xí)為主的轉(zhuǎn)變。在教學(xué)模式方面，由傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)模式向“啟發(fā)式、案例式、探討式等”多元化教學(xué)模式轉(zhuǎn)變。“啟發(fā)式”教學(xué)，教師引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中主動(dòng)提出問題、思考問題，主動(dòng)去發(fā)現(xiàn)、去探索，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維與探索精神；“案例式”教學(xué)，向?qū)W生展示最新的科研成果和科研方法?！疤接懯健苯虒W(xué)，依據(jù)課程內(nèi)容，設(shè)計(jì)研究主題，利用經(jīng)典的理論知識(shí)去解釋具體的實(shí)際問題。在教學(xué)過程中，采用多元化教學(xué)方法將教學(xué)內(nèi)容和科研熱點(diǎn)聯(lián)系起來，取得良好的課堂教學(xué)效果并開拓學(xué)生的科研視野。此外，針對(duì)傳統(tǒng)考核模式難以考核學(xué)生對(duì)知識(shí)的靈活應(yīng)用能力、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)等問題，將靈活的知識(shí)應(yīng)用問答與團(tuán)隊(duì)協(xié)作的前沿科學(xué)探討（PPT或論文）引入到考核模式中，提升學(xué)生的知識(shí)靈活應(yīng)用、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與創(chuàng)新能力。

4.加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。首先，將科研中的具體范例引入到理論教學(xué)中，如在晶體結(jié)構(gòu)中，將有關(guān)類金剛石薄膜方面的知識(shí)引入，通過其與金剛石、石墨結(jié)構(gòu)和性能的對(duì)比，讓學(xué)生理解固體結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，同時(shí)拓展學(xué)生的知識(shí)領(lǐng)域。其次，增添教學(xué)過程中的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，嘗試?yán)脤W(xué)院及學(xué)校的科研教學(xué)硬件資源，針對(duì)課程的重點(diǎn)章節(jié)，設(shè)計(jì)演示和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并將其穿插在理論教學(xué)之中，如利用X射線衍射儀分析單晶硅和多晶硅的晶體結(jié)構(gòu)，目的在于讓學(xué)生了解和熟悉科研領(lǐng)域常用的XRD測(cè)試技術(shù)與原理，通過實(shí)驗(yàn)和理論的結(jié)合，探索合理有效的研究性教學(xué)方法，為學(xué)生的后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)和實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。此外，鼓勵(lì)學(xué)生參加各類科研報(bào)告、學(xué)術(shù)論壇和科技競(jìng)賽，并結(jié)合教師的具體科研方向?qū)W(xué)生帶入實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)而培養(yǎng)起創(chuàng)新、協(xié)作和實(shí)踐能力。

三、結(jié)語(yǔ)

借助固體物理的課程綜合改革研究，我們對(duì)固體物理課程的教學(xué)進(jìn)行了全面的探索與改進(jìn)，緊密結(jié)合“新工科”背景下的人才需求，更新了教學(xué)理念，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式，加強(qiáng)了實(shí)踐教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了該課程教學(xué)的與時(shí)俱進(jìn)。通過對(duì)該課程的綜合改革，有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新與科研能力，進(jìn)而促進(jìn)了創(chuàng)新科研型拔尖人才的培養(yǎng)，初步達(dá)到了固體物理在綜合改革的建設(shè)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝淑娟，徐權(quán)，董云峰，等.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.

[2]毛飛，張振華，李小華，鄭波.固體物理教學(xué)方法改革的探討[J].時(shí)代教育，2016，（2）：24.