固體物理課程教學(xué)改革探討與實(shí)踐

張加永

摘要：固體物理應(yīng)用非常廣泛，是物理學(xué)和材料科學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的一門非常重要的必備基礎(chǔ)課程。文章根據(jù)固體物理課程的特點(diǎn)，結(jié)合作者近些年講授課程的心得體會(huì)及自身的科學(xué)研究，探討如何將與固體物理相關(guān)的科學(xué)研究引入教學(xué)過程中，實(shí)踐將枯燥的理論與具體的科研案例相結(jié)合的教學(xué)改革，以期提升固體物理的教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：固體物理;教學(xué)改革;科學(xué)研究;科研案例

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）43-0096-03

固體物理是物理學(xué)專業(yè)的一門重要的必修課程，同時(shí)也是從事凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的研究人員所必須掌握的基礎(chǔ)理論課程。固體物理主要研究內(nèi)容包括晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)合、晶格振動(dòng)、能帶理論、晶體中電子的運(yùn)動(dòng)，金屬電子論、半導(dǎo)體電子論、晶體的磁性，等等[1，2]。固體物理涉及的領(lǐng)域非常廣泛，例如金屬物理、半導(dǎo)體物理、晶體物理、磁學(xué)、電介質(zhì)物理、液晶物理、超導(dǎo)體物理、強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理、表面物理、納米物理、介觀物理，等等。固體物理是高年級本科生才開設(shè)的課程，此課程具有非常強(qiáng)的理論性，學(xué)習(xí)該課程需要具備普通物理、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)等課程的知識。固體物理所涉及的知識面非常廣泛，學(xué)生學(xué)習(xí)此門課程的過程中會(huì)比較吃力，如何在有限的課程教學(xué)時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生高效地掌握固體物理的基礎(chǔ)知識，深刻理解相關(guān)重點(diǎn)內(nèi)容，并具備實(shí)際應(yīng)用的能力，是固體物理教學(xué)過程中所必須要思考的問題。

一、將科研中常用的晶體建模軟件引入晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)

固體物理是研究晶體的結(jié)構(gòu)及晶體的組成粒子（原子、離子、電子等）之間相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律以闡明晶體的性質(zhì)的學(xué)科。晶體結(jié)構(gòu)在固體物理教學(xué)中起著非常重要的作用，晶體的結(jié)構(gòu)是整個(gè)固體物理課程的基礎(chǔ)，大多數(shù)經(jīng)典固體物理學(xué)教材都是將晶體結(jié)構(gòu)作為第一章的教學(xué)內(nèi)容。晶體結(jié)構(gòu)部分教學(xué)效果的好壞，將直接關(guān)系到固體物理課程教學(xué)的整體成效。筆者結(jié)合自身的科學(xué)研究，將科研過程中常用的晶體建模軟件引入晶體結(jié)構(gòu)的教學(xué)過程中，教學(xué)效果得到明顯提升。教材以簡單立方晶格為例引入晶格結(jié)構(gòu)的概念，并指出自然界中沒有與之對應(yīng)的具體材料。然后引入體心立方晶格，這種晶格結(jié)構(gòu)有具體的材料與之對應(yīng)，例如堿金屬（Li，Na，K，Rb，Cs）、Fe等。緊接著，教材中又給出了密排晶格結(jié)構(gòu)，這類晶格結(jié)構(gòu)有兩種，一種是六角密排晶格，另一種是面心立方晶格。教材中針對這幾種晶格結(jié)構(gòu)分別給出了圖例，但是筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生看到這些靜態(tài)的晶格結(jié)構(gòu)圖后，并沒有真正地理解什么是晶格結(jié)構(gòu)以及不同晶格結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別和聯(lián)系。通過這些靜態(tài)的圖像來對晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面深入地理解需要具備較強(qiáng)的空間想象能力。由于筆者從事的是計(jì)算凝聚態(tài)物理方向的科學(xué)研究工作，因此科研過程中經(jīng)常會(huì)用到晶體結(jié)構(gòu)，基于此，筆者將自身科研過程中用到的可以形象展示晶體結(jié)構(gòu)的晶體建模軟件引入到課堂教學(xué)中，讓學(xué)生能夠直觀地看到具體材料的晶格結(jié)構(gòu)，并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行動(dòng)態(tài)操作，所用到的建模軟件為VESTA和Materials Studio。對于體心立方晶格結(jié)構(gòu)，筆者以Fe為例，將Fe的晶胞結(jié)構(gòu)文件導(dǎo)入VESTA軟件中，然后就可以顯示Fe的三維原子晶格結(jié)構(gòu)模型，通過鼠標(biāo)可以對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行操作，例如轉(zhuǎn)動(dòng)、變換視角、選擇原子等，這樣可以非常生動(dòng)地展示出體心立方晶格的原子晶格結(jié)構(gòu)。通過觀察學(xué)生的反映，可以看出學(xué)生對此軟件非常感興趣，并且能夠快速地理解這種晶格結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，教學(xué)效果提升明顯。同時(shí)，通過對晶格進(jìn)行擴(kuò)胞，形象地展示出大量的原子，通過視覺沖擊讓學(xué)生真切地感受到晶格具有周期性這一重要特征。對于面心立方晶格結(jié)構(gòu)，以Au為例進(jìn)行生動(dòng)的三維展示，并通過與Fe結(jié)構(gòu)的對比，說明面心立方和體心立方這兩種晶格結(jié)構(gòu)的區(qū)別。對于六角密排晶格，以Mg為例，用VESTA軟件展示其ABA型的三維晶格結(jié)構(gòu)特征。另外，教學(xué)生晶體建模軟件的使用方法，讓他們通過對典型晶格結(jié)構(gòu)材料的具體操作，加深理解。在上述教學(xué)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)給學(xué)生展示更加復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)材料，例如金剛石、石墨、NaCl、CsCl、ZnS、鈣鈦礦等晶體結(jié)構(gòu)的三維原子模型。對于晶格的周期性的教學(xué)，利用建模軟件VESTA對體心立方、面心立方等簡單晶格的原胞進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，然后展示金剛石結(jié)構(gòu)類型的復(fù)式晶格，通過三維晶格結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)態(tài)演示，即能生動(dòng)地顯示原胞和基矢，又能說明簡單晶格和復(fù)式晶格的區(qū)別。

晶面是晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)中的一個(gè)非常重要的內(nèi)容，教材上展示的靜態(tài)的晶面圖達(dá)不到良好的教學(xué)效果，這時(shí)晶體建模軟件將發(fā)揮更大的作用。通過軟件Materials Studio可以動(dòng)態(tài)地為學(xué)生演示出不同晶面的三維原子結(jié)構(gòu)模型，并且在教學(xué)演示過程中保持與學(xué)生的互動(dòng)，讓學(xué)生先想象特定晶體的某個(gè)晶面的原子排布情況，然后再用建模軟件進(jìn)行操作演示。在晶體結(jié)構(gòu)部分，倒格子是一個(gè)非常重要的概念，它在晶格振動(dòng)和能帶理論教學(xué)部分起著重要的作用。然而，倒格子比較抽象，學(xué)生普遍很難理解，如何讓學(xué)生理解倒格子對后續(xù)教學(xué)非常關(guān)鍵。筆者同樣將建模軟件引入到此部分教學(xué)過程中，利用Materials Studio軟件可以將特定的正格子空間轉(zhuǎn)換成倒格子空間，通過三維的演示及正格子和倒格子的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化過程，將教材上抽象的內(nèi)容變換成便于理解的動(dòng)態(tài)可視化過程。晶體的宏觀對稱性是晶格的一個(gè)非常重要的性質(zhì)，筆者教學(xué)過程中，結(jié)合建模軟件VESTA，動(dòng)態(tài)地將教材上的對稱操作演示給學(xué)生，極大幫助學(xué)生對對稱性的理解。

二、將科研熱點(diǎn)材料引入晶體結(jié)合的教學(xué)

學(xué)生學(xué)習(xí)過晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)容后，很自然地會(huì)思考晶體中的原子之間為什么會(huì)結(jié)合在一起的問題，這就涉及了晶體的結(jié)合部分所要講解的內(nèi)容。晶體的結(jié)合在科研中具有重要的應(yīng)用，如果將此部分的教學(xué)內(nèi)容與其在科研中的具體應(yīng)用結(jié)合起來進(jìn)行講解，則可加深學(xué)生對此部分內(nèi)容的理解，提升教學(xué)效果。教材上詳細(xì)地講解了如何計(jì)算晶體材料的晶格常數(shù)，給出了詳細(xì)的計(jì)算推導(dǎo)過程。晶格常數(shù)的確定對于晶體來說是十分重要的，對晶體的物理性質(zhì)具有非常大的影響。筆者為學(xué)生講解完有關(guān)晶格常數(shù)的求解方法及過程后，結(jié)合自身的科研實(shí)踐，選取相關(guān)科研文獻(xiàn)，通過科研實(shí)例為學(xué)生講解書上的教學(xué)內(nèi)容是如何被應(yīng)用到實(shí)際的科學(xué)研究過程中的。晶體處于不同的晶格常數(shù)下，體系的能量是不同的。筆者教學(xué)過程中以Zhang等人的科研文獻(xiàn)[3]為例進(jìn)行講解，此文獻(xiàn)中研究了二維單層CrI3晶體結(jié)構(gòu)的相關(guān)性質(zhì)，其中的圖1（b）給出了單層CrI3晶體的原胞的能量隨著晶格常數(shù)變化的曲線關(guān)系，結(jié)合教材所述的相關(guān)理論知識，引導(dǎo)學(xué)生通過科研文獻(xiàn)中的曲線圖找出CrI3晶體的晶格常數(shù)，即此曲線上的能量最低點(diǎn)就是其晶格常數(shù)。另外，再展示更多的類似的包含晶格常數(shù)計(jì)算的科研文獻(xiàn)，加深學(xué)生的印象，達(dá)到學(xué)以致用的目的。通過科研內(nèi)容的引入，可以讓學(xué)生迅速地吸收并掌握教材上原本枯燥的理論知識。對于共價(jià)結(jié)合的教學(xué)，筆者首先將原子軌道的概念和圖像講解清楚，主要是s、p、d軌道的空間分布情況及特征。然后通過教材內(nèi)容講解分析氫分子的共價(jià)結(jié)合特點(diǎn)，同時(shí)筆者將教材知識進(jìn)行擴(kuò)展，結(jié)合具體的科研文獻(xiàn)給學(xué)生講解此部分知識是如何在具體的科研過程中應(yīng)用的。