淺析固體物理學(xué)課程教學(xué)中研究性教學(xué)的實(shí)施

周本胡 曾愛(ài)華 劉桂香

摘要：固體物理學(xué)十分緊密地結(jié)合了基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用，傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在著諸多問(wèn)題，制約了教學(xué)質(zhì)量的提升。針對(duì)這種情況，就需要積極實(shí)施研究性教學(xué)，以便解決傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問(wèn)題，將創(chuàng)新型人才大力培養(yǎng)起來(lái)。文章通過(guò)多個(gè)案例分析了固體物理學(xué)課程教學(xué)中研究性教學(xué)的實(shí)施策略，希望能夠提供一些有價(jià)值的參考意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：固體物理學(xué)；研究性教學(xué)；實(shí)施策略

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）29-0212-02

固體物理學(xué)主要是對(duì)固體物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、宏觀物理性質(zhì)以及兩者之間相互關(guān)系進(jìn)行研究的科學(xué)，其緊密聯(lián)系著普通物理學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科。固體物理學(xué)具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，通過(guò)固體物理學(xué)的學(xué)習(xí)，可以幫助學(xué)生扎實(shí)掌握前面學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)，增強(qiáng)知識(shí)的系統(tǒng)性。傳統(tǒng)固體物理教學(xué)模式逐漸暴露出諸多的問(wèn)題，無(wú)法培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。針對(duì)這種情況，就需要積極創(chuàng)新和改革，大力實(shí)施研究性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力和創(chuàng)新精神。

一、研究性教學(xué)模式概述及六個(gè)階段

具體來(lái)講，研究性學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)要從實(shí)踐開(kāi)始，而不是由理論開(kāi)始。而研究性教學(xué)指的是給予學(xué)生研究性學(xué)習(xí)幫助和指導(dǎo)的教學(xué)。相較于傳統(tǒng)教學(xué)模式，研究性教學(xué)具有一系列優(yōu)勢(shì)，如其對(duì)主動(dòng)學(xué)習(xí)十分重視，可以有效培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力、創(chuàng)新能力；其從實(shí)踐出發(fā)，可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際問(wèn)題解決能力等。一般來(lái)講，在研究性教學(xué)模式實(shí)施過(guò)程中，需要從以下幾方面著手。

1.確定目標(biāo)。結(jié)合單元內(nèi)容，教師對(duì)教學(xué)目標(biāo)合理確定，包括理論知識(shí)的學(xué)習(xí)、能力的提升、實(shí)踐技能的提高等。

2.形成問(wèn)題。通過(guò)合理設(shè)計(jì)問(wèn)題，可以將同學(xué)們的好奇心、求知欲激發(fā)出來(lái)，培養(yǎng)其主動(dòng)思考的能力及主動(dòng)學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣。在研究性學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)比較缺乏時(shí)，可以由教師提出問(wèn)題；當(dāng)研究性學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)積累起來(lái)之后，由同學(xué)自主設(shè)計(jì)問(wèn)題。

3.假定答案。任何一個(gè)學(xué)生，都積累了一定的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，面對(duì)問(wèn)題時(shí)，會(huì)結(jié)合腦海中積累的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行假設(shè)。在這個(gè)過(guò)程中，教師要給予科學(xué)的引導(dǎo)，幫助同學(xué)們得出假設(shè)答案。

4.求證。確定了假設(shè)答案后，需要利用理論、實(shí)驗(yàn)等方面的知識(shí)加以證明，學(xué)生要積極將新知識(shí)、新理論和新方法運(yùn)用過(guò)來(lái)。

5.得出結(jié)果。通過(guò)不斷的探究實(shí)踐，得出答案，對(duì)比預(yù)先的假設(shè)答案。

6.應(yīng)用與深化。通過(guò)研究性學(xué)習(xí)，學(xué)生獲得了抽象的理論知識(shí)，并在實(shí)際問(wèn)題中加以應(yīng)用，這樣就可以更加全面和深刻地理解知識(shí)。且在應(yīng)用實(shí)踐中，還會(huì)有新的問(wèn)題產(chǎn)生，進(jìn)而有新的一輪研究性學(xué)習(xí)產(chǎn)生。

二、以固體物理中的“能隙由來(lái)”分析研究性教學(xué)模式的設(shè)計(jì)思路

研究發(fā)現(xiàn)，固體物理學(xué)課程具有較多的公式、插圖，難度較大，要求學(xué)生們有較豐富的數(shù)學(xué)知識(shí)和較高的物理水平，將研究性教學(xué)模式合理應(yīng)用于課程中，可以幫助學(xué)生對(duì)科學(xué)的思想方法、研究問(wèn)題方法有效掌握，將其探索精神、創(chuàng)新精神激發(fā)出來(lái)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

固體能帶論的基礎(chǔ)是晶體結(jié)構(gòu)的平移對(duì)稱性，主要是就離子實(shí)勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子的影響進(jìn)行研究。結(jié)合量子力學(xué)研究金屬電導(dǎo)理論，出現(xiàn)了能帶理論，其可以對(duì)許多晶體的物理特性進(jìn)行闡明，是固體電子理論的基礎(chǔ)。在本門(mén)學(xué)科中，概念、定義較多，傳統(tǒng)教學(xué)模式下的課堂十分枯燥。雖然本部分內(nèi)容直觀性較強(qiáng)，但是公式推導(dǎo)、邏輯推理較多。那么，就需要將研究性教學(xué)模式適時(shí)地運(yùn)用于教學(xué)當(dāng)中，恰當(dāng)處理圖形的直觀含義與嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理。如簡(jiǎn)并微擾計(jì)算和能隙由來(lái)問(wèn)題，需要借助于大量概念和結(jié)論來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)證明，難度較大，需要積極創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的情境，提升教學(xué)效果。

首先，提出非簡(jiǎn)并微擾問(wèn)題，幫助學(xué)生對(duì)能帶問(wèn)題有初步的體會(huì)和認(rèn)識(shí)，然后將新課“能隙”引入，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，可以將學(xué)生的好奇心及學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)激發(fā)出來(lái)，促進(jìn)研究性學(xué)習(xí)的開(kāi)展。其次，結(jié)合近自由電子能級(jí)公式，對(duì)在遠(yuǎn)離布里淵區(qū)邊界和邊界附近的能級(jí)特點(diǎn)進(jìn)行分析，幫助同學(xué)們對(duì)非簡(jiǎn)并微擾和簡(jiǎn)并微擾的計(jì)算結(jié)果差異進(jìn)行體會(huì)；將簡(jiǎn)并微擾計(jì)算過(guò)程完成之后，鼓勵(lì)同學(xué)們自主分析和討論存在的區(qū)別，進(jìn)而解釋能隙的由來(lái)。最后，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際問(wèn)題解決能力。在微擾論的基礎(chǔ)上，對(duì)能帶和布里淵區(qū)的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，促使學(xué)生將學(xué)習(xí)到的知識(shí)利用起來(lái)，問(wèn)題解決能力得到培養(yǎng)。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，可以讓同學(xué)們找到微擾論的有趣之處和有用之處，進(jìn)而將其求知欲望激發(fā)出來(lái)。

三、固體物理學(xué)課程教學(xué)中研究性教學(xué)的實(shí)施策略

1.創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容。在研究性教學(xué)模式實(shí)施中，并不是要對(duì)課本上固有的基本知識(shí)和基本概念進(jìn)行移除，也不是對(duì)課程內(nèi)容和知識(shí)量單純地增加，而是要有機(jī)融合前沿知識(shí)和基礎(chǔ)知識(shí)。在教學(xué)實(shí)踐中，結(jié)合教學(xué)大綱要求和教學(xué)內(nèi)容，將相關(guān)的前沿科學(xué)、技術(shù)等引入過(guò)來(lái)，以便更好地結(jié)合理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用，創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容。這就對(duì)教師提出了較高要求，需要對(duì)各種文獻(xiàn)廣泛閱讀，對(duì)學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)積極關(guān)注，進(jìn)而將前沿知識(shí)高效地傳授給學(xué)生。如在對(duì)晶格結(jié)構(gòu)測(cè)定方面的教學(xué)中，除了X射線衍射方法之外，還可以將其他的實(shí)驗(yàn)方法介紹給學(xué)生，包括借助掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等。在對(duì)三維晶體的格波概念進(jìn)行講述時(shí)，可以順帶介紹光子晶體方面的知識(shí)。在對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性進(jìn)行介紹時(shí)，可以將LED照明方面的最新知識(shí)介紹給學(xué)生。在課外延伸內(nèi)容的講解中，要有足夠的針對(duì)性和系統(tǒng)性，不能夠零散穿插或者面面俱到。

2.綜合運(yùn)用多樣化的教學(xué)手段。研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)教學(xué)模式下，課堂氣氛比較呆板，制約了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這就需要積極運(yùn)用多樣化的手段，形象生動(dòng)地展現(xiàn)抽象的物理模型及相互作用，將學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣激發(fā)出來(lái)。其中，多媒體教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)具有較大的優(yōu)勢(shì)。如在晶體的結(jié)構(gòu)教學(xué)過(guò)程中，其抽象性較強(qiáng)，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的空間想象能力。針對(duì)這種情況，就可以運(yùn)用Materials Studio等現(xiàn)代化軟件工具，直觀地向?qū)W生們呈現(xiàn)，促使其對(duì)原胞、布里淵區(qū)等固體物理學(xué)的基本概念清楚掌握。這些軟件的晶體結(jié)構(gòu)例子較多，直觀地演示給學(xué)生，可以起到事半功倍的效果。如在能帶理論講述過(guò)程中，可以借助于Materials Studio軟件，對(duì)硅的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)金屬、半導(dǎo)體、絕緣體等能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣充分激發(fā)出來(lái)。

3.靈活采用教學(xué)方式。首先，積極開(kāi)展討論式教學(xué)。在課堂教學(xué)實(shí)踐中，要營(yíng)造良好輕松的課堂氣氛，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)表意見(jiàn)，提出見(jiàn)解。如本節(jié)課快要結(jié)束時(shí)，鼓勵(lì)同學(xué)們自己總結(jié)章節(jié)知識(shí)，或者結(jié)合前沿?zé)狳c(diǎn)，對(duì)課后習(xí)題進(jìn)行布置，課后學(xué)生們自主查閱資料，然后下次課堂開(kāi)始之前講解習(xí)題。其次，深入開(kāi)展研究式教學(xué)。在教學(xué)過(guò)程中，依據(jù)固體物理學(xué)的特點(diǎn)，可以對(duì)研究性課題進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中，要將問(wèn)題的前沿性、交叉線充分凸現(xiàn)出來(lái)，如新型半導(dǎo)體光電器件等。學(xué)生自主查閱資料，或者分組合作，向教師提交報(bào)告，這樣既可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，又可以增加師生之間的溝通和交流。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，固體物理學(xué)科具有較大的學(xué)習(xí)難度，需要積極創(chuàng)新教學(xué)方式，綜合運(yùn)用多樣化的教學(xué)手段，提升教學(xué)成效。同時(shí)，固體物理緊密聯(lián)系著科學(xué)前沿，要將研究性教學(xué)實(shí)施下去，充分激發(fā)學(xué)生的求知欲望，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

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