面向準(zhǔn)研究生的固體物理課程教學(xué)改革探討

梁清

摘要：固體物理課程是凝聚態(tài)物理研究的基礎(chǔ)。選修固體物理課程的學(xué)生往往是一些準(zhǔn)備考研，將來從事凝聚態(tài)物理等相關(guān)學(xué)科的科學(xué)研究工作的學(xué)生。針對這一特殊的學(xué)生群體，在固體物理的教學(xué)過程中，教師應(yīng)對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式方法等方面進(jìn)行適當(dāng)?shù)母母铮蚤_闊這些準(zhǔn)研究生的視野，培養(yǎng)他們的科研興趣，提高他們的科研能力。本文將結(jié)合作者近幾年的教學(xué)實(shí)踐，提出一些關(guān)于面向準(zhǔn)研究生的固體物理課程的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法的改革建議。

關(guān)鍵詞：固體物理；凝聚態(tài)物理；教學(xué)研究

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）15-0143-02

一、引言

固體物理是一門關(guān)于晶體的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的本科生課程，是凝聚態(tài)物理、材料物理等相關(guān)學(xué)科的理論基礎(chǔ)[1，2]。當(dāng)前凝聚態(tài)物理研究的很多熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問題都是固體物理教學(xué)內(nèi)容的直接延伸和深化[3]。同時(shí)，固體物理學(xué)的很多概念也隨著凝聚態(tài)物理的研究而不斷發(fā)展和更新。作為有志于從事凝聚態(tài)物理等相關(guān)研究的準(zhǔn)研究生來講，他們希望能通過固體物理課程了解一些凝聚態(tài)等相關(guān)學(xué)科的研究現(xiàn)狀和熱點(diǎn)，同時(shí)掌握一些從事科研工作的基本能力。然而，由于課時(shí)的限制，當(dāng)前固體物理的教學(xué)難滿足學(xué)生的這些需求。因此，在為這些學(xué)生授課時(shí)，教師應(yīng)該對固體物理課程的內(nèi)容和教學(xué)方法做一些改革。

二、固體物理教學(xué)內(nèi)容的取舍與擴(kuò)展

基于當(dāng)前傳統(tǒng)固體物理學(xué)教學(xué)與準(zhǔn)研究生需求之間的矛盾，教師在教學(xué)的過程中必須對教學(xué)內(nèi)容加以取舍。固體物理教學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)該側(cè)重于講解固體物理學(xué)中的一些基本概念以及一些物理模型的物理圖像。至于習(xí)題，可以選擇少量具有代表性的題目精練精講，而不應(yīng)該采用題海戰(zhàn)術(shù)，大量做題。另外，鑒于這些有志于從事科研工作的學(xué)生的自學(xué)能力普遍較強(qiáng)，對于一些相似的內(nèi)容，教師可以選擇一些基礎(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行講解，而讓學(xué)生通過慕課或自學(xué)一些相似的內(nèi)容。比如，對于晶體結(jié)合的問題，教師可以講解共價(jià)鍵結(jié)合的情況，而讓學(xué)生自學(xué)離子鍵結(jié)合的內(nèi)容。這樣就可以節(jié)省出一定的課堂教學(xué)時(shí)間來擴(kuò)展固體物理教學(xué)內(nèi)容，將固體物理和凝聚態(tài)物理研究的最新進(jìn)展和最前沿的研究領(lǐng)域擴(kuò)充進(jìn)教學(xué)內(nèi)容中。我將結(jié)合個(gè)人的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，給出幾個(gè)在固體物理教學(xué)過程可以加以擴(kuò)展的例子。

1.霍爾效應(yīng)，量子霍爾效應(yīng)及拓?fù)浣^緣體?；魻栃?yīng)是固體物理的重要內(nèi)容之一。但是，大部分的固體物理教材都只介紹經(jīng)典霍爾效應(yīng)，較少涉及量子霍爾效應(yīng)這一目前凝聚態(tài)物理研究的熱門領(lǐng)域。在固體物理教學(xué)過程中，教師可以將相關(guān)的內(nèi)容擴(kuò)展到整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，自旋量子霍爾效應(yīng)，反常量子霍爾效應(yīng)的最新研究進(jìn)展[4]。進(jìn)一步介紹一下2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)關(guān)于拓?fù)淞孔討B(tài)的研究，甚至外爾費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)等例子以及清華大學(xué)、中科院物理所等相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域開展的一系列具有世界影響力的研究工作[5]。

2.維度對固體材料性質(zhì)的影響——低維材料的一些特殊性質(zhì)。在學(xué)習(xí)電子態(tài)密度的時(shí)候，計(jì)算表明，不同維度的材料態(tài)密度跟能量之間的關(guān)系是不一樣的。這說明材料的維度對于材料的性質(zhì)有著重要的影響。其中，低維材料有很多不同于三維塊材料的獨(dú)特的物理性質(zhì)，形成了目前比較熱門的低維凝聚態(tài)研究領(lǐng)域。從這個(gè)問題出發(fā)，教師可以簡單介紹一下前面提到的低維材料里的量子霍爾效應(yīng)以及拓?fù)浣^緣體薄膜的一些特性，近幾年非常熱門的石墨烯材料的一些獨(dú)特性質(zhì)，低維材料里面的超導(dǎo)現(xiàn)象等[6]。

3.超導(dǎo)、高溫超導(dǎo)及鐵基超導(dǎo)的研究。超導(dǎo)電性一直都是凝聚態(tài)物理研究的重點(diǎn)和焦點(diǎn)之一。特別是鐵基等新型超導(dǎo)材料和新的超導(dǎo)機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，使得超導(dǎo)研究領(lǐng)域變得異?；钴S。在講解具體的超導(dǎo)現(xiàn)象和理論之前，教師可以簡單回顧從超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)，到高溫超導(dǎo)，再到鐵基超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)等超導(dǎo)研究的歷史。其中可以適當(dāng)強(qiáng)調(diào)一下我國物理學(xué)家在高溫超導(dǎo)、新型鐵基超導(dǎo)等研究中所做的一系列具有重要國際影響的工作[7]。進(jìn)一步可以介紹一些近幾年發(fā)展起來的超高壓室溫超導(dǎo)體的研究進(jìn)展和方法[8]。

三、固體物理教學(xué)方法的改革與創(chuàng)新

如前所述，有志于從事科研工作的準(zhǔn)研究生們不僅希望通過固體物理課程學(xué)習(xí)固體物理的基本概念和模型，而且希望掌握一些凝聚態(tài)物理研究的基本能力。因此，在教學(xué)的過程中，教師應(yīng)該結(jié)合這些學(xué)生的特點(diǎn)，采用一些新的教學(xué)方法。

首先，通過小組學(xué)習(xí)的方式培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的能力。教師可以將學(xué)生分成若干個(gè)學(xué)習(xí)小組，在固體物理的教學(xué)過程中，針對某一個(gè)問題，提供一些相關(guān)的文獻(xiàn)，指定某一小組在規(guī)定的時(shí)間（比如兩周）內(nèi)認(rèn)真閱讀這些文獻(xiàn)，弄清楚文獻(xiàn)里的科學(xué)問題并按照學(xué)術(shù)論文的形式寫出閱讀報(bào)告。在這個(gè)過程中，他們需要自己去查閱一些其他的最新文獻(xiàn)。最后派出一人將小組學(xué)習(xí)的收獲和體會(huì)在課堂上以學(xué)術(shù)報(bào)告的形式進(jìn)行口頭報(bào)告。這種方法，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的能力，而且還能鍛煉他們閱讀和查閱文獻(xiàn)的能力、論文撰寫能力以及做學(xué)術(shù)報(bào)告的能力，可謂一舉多得。

另外，教師還應(yīng)該充分利用當(dāng)前豐富的網(wǎng)絡(luò)資源和多媒體手段，對相關(guān)固體物理概念和模型加以更加生動(dòng)形象地講解。鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)生利用Matlab、VASP等科研軟件求解一些簡單的固體物理問題，從而加深學(xué)生對相關(guān)知識(shí)的理解并提升他們從事相關(guān)問題科學(xué)研究的興趣。

四、結(jié)束語

隨著凝聚態(tài)物理、材料物理等相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展，固體物理學(xué)的知識(shí)也在快速地增長和更新。作為知識(shí)的傳播者，教師應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，緊跟凝聚態(tài)物理等相關(guān)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，針對不同的學(xué)生采用不同的教學(xué)方法、講授不同的教學(xué)內(nèi)容.，只有這樣，學(xué)生才能通過固體物理課程的學(xué)習(xí)收獲更多自己需要的知識(shí)和能力，提高他們從事科研工作的興趣。

參考文獻(xiàn)：

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[7]Chen X H， Wu T， Wu G， et al. Superconductivity at 43？K in SmFeAsO1-xFx [J]. Nature， 2008， 453（7196）： 761-762.

[8]Gorkov L P， Kresin V Z. Colloquium： high pressure and road to room temperature superconductivity [J]. Rev Mod Phys， 2018， 90（1）： 011001.