基于應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的固體物理教學(xué)改革探究

竇允辰

摘要：固體物理學(xué)是材料類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，是教授學(xué)生理解本專業(yè)物理性質(zhì)的根基?？墒窍啾容^于其他本科專業(yè)而言，光電材料專業(yè)的固體物理教學(xué)由于課時(shí)少、內(nèi)容多而且難度大等原因，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及對固體物理課程的滿意度并不高。雖然近些年來，國內(nèi)的工科類院校也陸陸續(xù)續(xù)地推行了高等教育改革工作，但是實(shí)際效果并不明顯。固體物理課程作為高等理工科院校的重要理論基礎(chǔ)課程，也是培養(yǎng)光電、物理類本科應(yīng)用型人才的理論與實(shí)際相聯(lián)系的實(shí)踐性課程。為了能夠有效地解決這個(gè)問題并滿足學(xué)生的需求，文中以培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才作為核心對當(dāng)前工科院校的固體物理教學(xué)改革提出一些有效的建議，以供相關(guān)從業(yè)人員進(jìn)行參考、借鑒。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科人才；固體物理教學(xué)；改革策略

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）35-0097-02

隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升和現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的加快，社會(huì)對應(yīng)用型本科人才的需求量也呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。為了滿足現(xiàn)階段國家現(xiàn)代化、工業(yè)化建設(shè)的需求，國內(nèi)各大工科院校必須要培養(yǎng)具有扎實(shí)學(xué)科基礎(chǔ)與過硬實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才，但是當(dāng)前國內(nèi)各大工科院校對固體物理學(xué)專業(yè)的重視程度有待提高，學(xué)生也經(jīng)常抱怨固體物理課時(shí)短而且課程復(fù)雜，為了使工科院校培養(yǎng)出更多合格的應(yīng)用型人才，就必須對現(xiàn)有的固體物理教學(xué)模式進(jìn)行改革。

一、固體物理課程概述

1.什么是固體物理學(xué)。作為物理學(xué)的分支，固體物理學(xué)成形于20世紀(jì)30年代末期，是一門理論性強(qiáng)、交叉性明顯的科目。固體物理學(xué)包括力學(xué)、聲學(xué)、材料學(xué)、電磁學(xué)等科目，而且運(yùn)用范圍極廣。此外，固體物理不僅是對固體物質(zhì)進(jìn)行微觀了解、對宏觀物理性質(zhì)和構(gòu)成物質(zhì)的不同粒子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行觀察，并對固體的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行分析與研究的學(xué)科，而且還是微電子、光電子等高新科技以及材料科學(xué)的基礎(chǔ)，對科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。

2.固體物理學(xué)的運(yùn)用。作為凝聚態(tài)物理中的重要分支，固體物理以量子力學(xué)、晶體學(xué)、材料學(xué)以及冶金等學(xué)科為基礎(chǔ)對各種剛性物質(zhì)以及液體的性質(zhì)的內(nèi)在規(guī)律與構(gòu)成進(jìn)行研究，同時(shí)也是現(xiàn)代物理學(xué)中最為重要的基礎(chǔ)學(xué)科。固體物理通過固體材料的內(nèi)部原子尺度的微觀特性決定物質(zhì)整體的宏觀性質(zhì)，并探索內(nèi)部原子之間的關(guān)系，所以固體物理也是材料科學(xué)的重要理論基礎(chǔ)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域（常見的有電子工作界最具代表性的晶體管技術(shù)以及半導(dǎo)體技術(shù)等）。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前固體物理學(xué)對化學(xué)、物理以及催化學(xué)科、生命科學(xué)等領(lǐng)域的影響越來越大，并且逐步形成全新的交叉領(lǐng)域。

二、培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才的固體物理教學(xué)改革策略

1.教材的選擇。自建校以來，我校的材料科學(xué)與工程專業(yè)本科生主要從事光電材料以及各類金屬材料處理的學(xué)習(xí)與研究，而固體物理課程作為必需理論基礎(chǔ)課程課時(shí)不多，因此必須要在有限的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生掌握并了解固體物理學(xué)的概念以及基礎(chǔ)理論與技術(shù)，提高學(xué)生的物理思維能力，為培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（1）首先在材料的選擇方面，由于固體物理著作以及教材無論是在數(shù)量或者是在內(nèi)容上選擇性很多，因此必須選擇其中最具代表性的教材（黃昆原著韓汝琦改編的《固體物理學(xué)》，還有C.基泰爾著，項(xiàng)金鐘譯的《固體物理導(dǎo)論》等）作為參考。然后再按照學(xué)生本課階段的基礎(chǔ)水平以及專業(yè)的特點(diǎn)，對其中某一些教學(xué)內(nèi)容的比例分配以及教學(xué)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，以確保學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)的過程中把握重點(diǎn)。由于本科階段的學(xué)生在微積分、數(shù)理方程以及傅里葉變化方面都具有一定的基礎(chǔ)，因此，教師在講解物理概念和模型建立等知識時(shí)可以讓學(xué)生自行推導(dǎo)。比如在講解NaCl離子晶體的馬德隆常數(shù)以及一維晶體振動(dòng)模式的色散關(guān)系時(shí)，必須讓學(xué)生利用數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方式求解。（2）在能帶理論的學(xué)習(xí)過程中，教師應(yīng)當(dāng)把重心放在各種模型以及結(jié)論上，對數(shù)學(xué)推導(dǎo)不作任何要求。雖然學(xué)時(shí)不多，但通過對物理學(xué)史的講解能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使處于本科階段的學(xué)生對固體物理產(chǎn)生了解與探索的欲望，從而深入課程了解與思考固體物理的內(nèi)在規(guī)律，并將這些規(guī)律運(yùn)用到自己所學(xué)的專業(yè)以及研究領(lǐng)域中。比如在講解上個(gè)世紀(jì)初期的量子力學(xué)發(fā)展史時(shí)，教師可以對該部分內(nèi)容進(jìn)行簡要講解之后讓學(xué)生進(jìn)行自學(xué)，并讓學(xué)生結(jié)合不同的學(xué)科與專業(yè)總結(jié)出一些共性的內(nèi)容，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中就會(huì)明白每個(gè)學(xué)科的發(fā)展都是一個(gè)揚(yáng)棄的過程，都是具有局限性的，是無法解釋所有問題的，學(xué)生們在學(xué)習(xí)過程中自己尋找相關(guān)資料并獨(dú)立思考，不僅培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，還培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力。

2.教學(xué)手段的運(yùn)用。（1）多媒體課件的合理運(yùn)用。在研究材料的結(jié)構(gòu)與性能的時(shí)候，有一部分教學(xué)內(nèi)容或者教學(xué)現(xiàn)象無法在正常條件下展示，導(dǎo)致學(xué)生無法全面地理解與認(rèn)識，比如講解“面心立方結(jié)構(gòu)就是立方密堆結(jié)構(gòu)”、刃位錯(cuò)以及螺位錯(cuò)的特點(diǎn)等。但是利用課堂中的多媒體課件就能有效地打破時(shí)間與空間的限制。通過三維動(dòng)畫將圖形進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)，可以使晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一覽無余。再比如一維雙元子晶格的振動(dòng)情況無法用演示實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行展示，而利用3D動(dòng)畫制作的課件，可以按照學(xué)生的意愿對波矢進(jìn)行調(diào)整，就可以順利地把晶格振動(dòng)的情況和色散關(guān)系曲線完整地在課堂上展示。再比如晶體中的費(fèi)米面和禁帶都是固體物理學(xué)中抽象而又概念化的內(nèi)容，為了使其直觀，就必須制作不同的課件將不同固體費(fèi)米面（線）的形狀與禁帶區(qū)間表現(xiàn)出來。使用多媒體課件不但能夠有效節(jié)約課堂時(shí)間進(jìn)行師生交流，還能夠?qū)⒁恍┏橄蟮膬?nèi)容變得具體，有利于學(xué)生的理解與學(xué)習(xí)，對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣具有重要的作用。（2）理論知識和實(shí)踐相結(jié)合。為了培養(yǎng)更多的應(yīng)用型本科人才，在進(jìn)行固體物理教學(xué)的過程中，學(xué)生應(yīng)當(dāng)在學(xué)習(xí)理論的同時(shí)，重視實(shí)驗(yàn)與生活實(shí)際的聯(lián)系，這樣才能將學(xué)到的知識靈活運(yùn)用并體現(xiàn)其價(jià)值，這樣不但提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對于鞏固理論知識以及培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力也具有重要作用。比如在講解固體物理中的晶體X射線衍射這一部分內(nèi)容的時(shí)候，教師在物理實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了晶體材料的X射線衍射實(shí)驗(yàn)。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以親自動(dòng)手對物相進(jìn)行標(biāo)定，并對多晶硅粉能測量晶粒取向以及晶粒的大小。對于單晶硅而言，可以把實(shí)驗(yàn)測得的X射線衍射譜與原子散射因子所得出的結(jié)果進(jìn)行比對，使學(xué)生明白晶體X射線測材料結(jié)構(gòu)所使用的是布拉格公式。再比如講解晶體結(jié)合中的石墨時(shí)，可以把石墨晶體（混合晶體）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和學(xué)生在掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)中所觀察的原子排列進(jìn)行聯(lián)系，并以此對掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)的原理進(jìn)行解釋。學(xué)生們通過實(shí)驗(yàn)操作，不但能在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，而且對培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力也具有極為重要的作用。

三、結(jié)語

綜上所述，為了培養(yǎng)更多合格的應(yīng)用型本科人才，高校的固體物理課程并非只是傳授物理概念以及物理知識，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力才是重要的核心。通過對傳統(tǒng)固體物理教學(xué)課程的改革并結(jié)合應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)理念，從教材的選擇方面著手，通過理論知識和實(shí)踐相結(jié)合以及多媒體課件的合理運(yùn)用等方式，全面提高學(xué)生的知理思維能力，只有這樣才能為國家建設(shè)培養(yǎng)更多合格的人才。

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