淺談普通本科院校固體物理教學方法

李會東 吉馭嬪 王時建

摘要：該文淺談固體物理教學過程中借助YouTube和網(wǎng)易公開課等優(yōu)質(zhì)視頻、動畫教育資源，改革以傳統(tǒng)理論推導為主的教學模式，針對教學基礎內(nèi)容，組織生動、形象、簡潔的視頻教學，并結(jié)合固體物理學科發(fā)展的最前沿進展，采取講座式、賞析式和開放式的教學模式替代傳統(tǒng)的理論推導教學模式。該教學方法將會在一定程度上提高普通本科院校物理專業(yè)學生學習固體物理課程的興趣，克服傳統(tǒng)教學方法枯燥乏味的缺點。

關鍵詞：固體物理;教學改革

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）21-0269-02

一、課程改革的探討現(xiàn)狀

本科生固體物理課程在普通本科院校已經(jīng)壓縮至40學時，眾所周知，該學科具有公式繁多、內(nèi)容綜合性強等特點?，F(xiàn)代教學過程中，固體物理課程需要包含晶體的結(jié)構(gòu)、晶體的結(jié)合規(guī)律、晶格振動與晶體的熱學性質(zhì)、固體電子運動方程及其能帶結(jié)構(gòu)、金屬電子論等諸多方面的教學內(nèi)容[1]。傳統(tǒng)教學過程中，固體物理課程偏重復雜的理論推導，教學內(nèi)容抽象，學生對教學內(nèi)容掌握難度較大。由于受學時限制，教師在教學過程中往往不能大量介紹固體物理前沿發(fā)展動態(tài)、固體物理領域的最新科技成果和固體物理理論的最新發(fā)展現(xiàn)狀。鑒于自身物理專業(yè)素養(yǎng)或基于就業(yè)后很可能不會從事物理領域相關研究的心理，物理專業(yè)的學生有可能會對傳統(tǒng)教學過程中的以理論推導為主的教學模式產(chǎn)生較大抵觸情緒，這不利于學生對知識的掌握和自身物理思維創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。[2-4]

二、課程改革思路

固體物理這門理論課程內(nèi)容抽象、理論性強、內(nèi)容跨度大，普通本科院校學生掌握的難度較大。應國家教育改革的要求，當前固體物理課程的教學課時被進一步壓縮，這進一步增加了該門課程的教學難度。針對以上情況，本文提出了以下兩點固體物理課程教學改革思路：

（一）明確學生的畢業(yè)需求，凝練固體物理課程的物理精髓，著重強化固體物理知識的應用背景

對于大多數(shù)普通本科物理系的學生而言，其畢業(yè)之后都不會從事非常高深的物理理論公式的推導研究，很多學生畢業(yè)后會從事一些與固體物理知識相關的具體應用方面的工作，這時教師可以根據(jù)大多數(shù)學生的就業(yè)領域，選取適當?shù)呐c固體物理相關的教學內(nèi)容，向?qū)W生充分展示固體物理與當今社會的生產(chǎn)、生活活動的具體關系。授課過程中，教師只需展示一些固體物理理論的結(jié)論性公式，并重點說明其應用，使學生能夠在未來工作中受到該課程思想方法的指導和啟迪。對于那些對固體物理基礎理論比較感興趣或準備考取固體物理相關方面研究生的學生，我們可以再單獨開設一門固體物理的選修課程，專門詳細講解基本原理和公式的推導。對于這些未來不會深度從事物理科學研究的授課對象，授課教師的主要任務是讓學生了解固體物理在日常生產(chǎn)、生活和實踐中的應用，讓學生掌握固體物理這門課程的思想精髓，使學生能夠?qū)⒐腆w物理研究的思想方法融會貫通，使他們在未來工作中能夠受到該課程思想方法的指導和啟迪，在具體的生產(chǎn)和生活中能夠應用固體物理的研究思想方法指導自己的具體工作。比如，在學習固體物理課程的過程中，我們在處理晶格中粒子的運動過程中，可以基于處于晶格位置上的離子實的質(zhì)量和自由運動的價電子的質(zhì)量差別，將運動分解為離子實的慢運動和自由電子的快運動，進而可以分別得到晶格振動與晶體熱力學性質(zhì)，以及金屬晶體良好的導電特性與價電子運動的關系。在研究特定過程中固體物質(zhì)的性質(zhì)與規(guī)律時，應抓住問題的主要矛盾，構(gòu)建簡明而直觀的物理模型，將抽象物理模型和作用原理盡量形象地展現(xiàn)出來。這種深耕于固體物理研究中的思想方法可以深刻指導實際生產(chǎn)和生活中學生所從事的工作，使他們能夠準確地把握問題的本質(zhì)，抓住事物的關鍵，進而在很大程度上提高從業(yè)者的工作效率。

（二）引入科技前沿視頻，將課程基礎知識與當前固體材料在生產(chǎn)和生活中的應用相結(jié)合

當前互聯(lián)網(wǎng)技術、編程技術、視頻技術和動畫技術的高速發(fā)展，為課堂教學提供了靈活多樣的呈現(xiàn)方式。動畫和視頻的引入，不僅為教育者提供了創(chuàng)新的教學方法，還可以極大地激發(fā)學生的學習興趣，比如學習晶體的比熱、熱膨脹和熱導等熱學性質(zhì)，直接晶體的光學性質(zhì)和超導特性。晶格動力學是固體物理學中最基礎、最重要的部分。在固體物理課程中，學生對于晶格振動形成的格波和固體中比較抽象的電子能帶理論難以掌握。對于晶體中的格波，我們可以借助現(xiàn)代晶體建模軟件Material Studio，直觀地向?qū)W生展示晶體的三維結(jié)構(gòu)，并利用Youtube里的一些關于晶體振動的科技動畫或視頻，形象地向?qū)W生展示固體中原子實振動在晶體里傳播的過程;對于固體中電子的能帶理論，我們可以借助影響資料從原子的不同能級結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用視頻向?qū)W生展示原子在晶格里的周期性排列，以及電子在周期性勢場中的運動，這樣逐步地從原子過渡到具有周期性結(jié)構(gòu)的晶體，進而引出固體中的能帶結(jié)構(gòu)。

在固體物理課程授課過程中，教師可以事先把本章最基本的知識點簡明扼要地呈現(xiàn)給學生，避免煩瑣、抽象的數(shù)學公式推導，然后準備一份與當前所講內(nèi)容相關的科技前沿講座，或者在課前布置作業(yè)要求學生利用網(wǎng)絡資源收集與本章內(nèi)容相關的視頻資料，在課堂上一起分享。教師在講授固體物理相關理論時，可以將當前固體物理領域的熱點內(nèi)容，比如超導科技進展相關的視頻影像資料展現(xiàn)給學生。從這些視頻資料里，學生很容易將本堂課所學的基礎知識與其在當前生產(chǎn)和生活中的具體應用相結(jié)合。這樣既能激發(fā)學生的學習興趣，又可以提高教師的教學效率。在講述金屬中電子運動理論的過程中，我們可以將目前科技前沿比較活躍的量子霍爾效應的相關視頻在課堂上呈現(xiàn)給學生，使學生在學習金屬中電子運動規(guī)律的過程中，還能夠快速了解本堂課所學知識在當前科技前沿的發(fā)展狀況和具體的現(xiàn)實應用，這就避免了學習固體物理理論知識的乏味性。

視頻和講座形式授課看似簡單，但需要教師提前閱讀大量最新的科技文獻，收集和分析大量的科技影響資料，并能夠清楚地梳理文獻和視頻中心主旨，準確把握影響資料的敘述脈絡，在視頻播放的整個過程中，能夠準確、細致地向?qū)W生闡明視頻資料的主要內(nèi)容，引導學生在當前一些科技前沿問題上思考，進而提高學生的學習興趣和學習自信心。在每輪授課過程中，教師可以在充分掌握了固體物理基礎知識之后，對當前的教學講義不斷進行修正，對課程的教學方式和教學內(nèi)容不斷調(diào)整，以逐漸形成一套與時俱進、文字和影像相結(jié)合的固體物理講義。這樣不斷積累就會形成一個固體物理教學內(nèi)容體系，而授課內(nèi)容又不局限于當前所使用的教材，所以教師在教學活動中要始終保持不斷地創(chuàng)新，避免教學內(nèi)容的枯燥、乏味。

三、結(jié)語

當前科技日新月異，因此課堂教學內(nèi)容已不能局限于教材。在現(xiàn)代教學體系中，視頻、影像資料的應用可以提高學生的學習興趣，克服純理科教學的枯燥乏味、效率低下等缺點，并能夠極大地提高教師的教學效率。Youtube、網(wǎng)易公開課、百度視頻等包含大量的教學視頻資源，教師可以充分利用這些資源，豐富課堂教學方式和教學內(nèi)容。教師還應將教材與當前熱門的固體物理科技文獻和科技專題影像相結(jié)合，不斷進行調(diào)整和融合，以形成一套文、圖、聲和影有機結(jié)合的現(xiàn)代化教學講義。

參考文獻：

[1]黃昆.固體物理學[M].北京：高等教育出版社，1988.

[2]賀慶麗，楊濤，董慶彥.物理基地班固體物理課程的教學改革實踐[J].高等理科教育，2003，（2）：88-90.

[3]梅顯秀.固體物理教學改革的探索與實踐[J].大學物理，2010，29（7）：43-45.

[4]郝淑娟，徐權(quán)，董云峰，劉永皓，馮瑞姝.固體物理教學改革的探索與實踐[J].教育教學論壇，2015，（17）：129-130.

Abstract： This article briefly discusses the teaching process of Solid Physics with the help of high-quality video and animation education resources such as YouTube and NetEase open classes， reforming the teaching model based on traditional theoretical derivation， and organizing vivid， and concise video teaching for the basic content of teaching. Based on the most advanced development of Solid Physics， the teaching model of lecture， appreciation and open teaching model is adopted instead of traditional teaching model. This teaching method， to a certain extent， will improve the interest of physics majors in common undergraduate colleges in studying Solid Physics course， and overcome the shortcomings of traditional teaching methods.

Key words： Solid Physics; teaching reform