基于過程考核的新能源材料與器件專業(yè)固體物理學(xué)教學(xué)改革及實(shí)踐

秦 偉

（長沙理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

0 引言

為適應(yīng)我們新能源材料，新能源器件等國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，滿足日益增長的新能源開發(fā)與利用，從2010年開始，國家設(shè)置了新能源材料與器件專業(yè)，該專業(yè)也是教育部2010年首批增設(shè)的國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)專業(yè)，是工學(xué)門類材料類中最年輕的專業(yè)之一[1]。長沙理工大學(xué)大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)2018年開始首批學(xué)生招生，目前已經(jīng)順利通過教育部組織的專業(yè)驗(yàn)收。

固體物理學(xué)作為長沙理工大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)課程，主要研究固體的結(jié)構(gòu)及組成粒子之間的相互作用與運(yùn)動規(guī)律以及宏觀性質(zhì)之間的聯(lián)系，基本內(nèi)容涵蓋晶體結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)合，晶格振動理論以及能帶理論等，也是凝聚態(tài)物理、微電子、光電子、半導(dǎo)體以及材料學(xué)等諸多學(xué)科的基礎(chǔ)。這些內(nèi)容對學(xué)生數(shù)理基礎(chǔ)有著較高的要求，同時(shí)涉及很多相關(guān)抽象概念，學(xué)生在之前并沒有接觸。并且相比物理學(xué)等專業(yè)學(xué)生，新能源材料與器件專業(yè)學(xué)生在固體物理學(xué)學(xué)習(xí)方面面臨了許多新的特殊挑戰(zhàn)。

1 新能源材料與器件專業(yè)學(xué)生《固體物理學(xué)》學(xué)習(xí)面臨的特殊挑戰(zhàn)

自2018年新能源材料與器件專業(yè)開始招生來，固體物理學(xué)已經(jīng)對兩個(gè)年級開設(shè)。基于學(xué)生課堂反饋，對學(xué)生成績分析以及我們在教學(xué)中的觀察，新能源材料與器件專業(yè)固體物理學(xué)教學(xué)主要存在以下幾種特殊挑戰(zhàn)。

首先，數(shù)理基礎(chǔ)知識的缺失。目前在全國大部分高校中，固體物理學(xué)作為一門物理學(xué)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程開設(shè)，一般開設(shè)之前先修高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等數(shù)學(xué)課程以及量子力學(xué)、理論力學(xué)、電動力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理以及數(shù)學(xué)物理方法等物理課程。該課程需要綜合運(yùn)用高等數(shù)學(xué)、數(shù)理方法和四大力學(xué)的知識，來處理非常復(fù)雜的多體問題。與以前所學(xué)課程不同，由于研究對象的復(fù)雜性，固體物理學(xué)在處理各種問題時(shí)基本上都需要合理近似，引入模型和假設(shè)，討論結(jié)果的可靠性和適用條件。由于涉及知識的綜合利用，這在物理學(xué)專業(yè)而言都是一門難度極大課程。而對材料學(xué)相關(guān)專業(yè)，尤其長沙理工大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)，并沒有全部開設(shè)這類先修課程，前期僅僅開設(shè)高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)以及大學(xué)物理課程。這些知識遠(yuǎn)不足以支撐起固體物理課程學(xué)習(xí)需求，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時(shí)面臨了很大困難。根據(jù)之前學(xué)生反饋，即便提前預(yù)習(xí)，由于前序知識的缺失，甚至面臨教材看不懂困境。并且該課程僅僅只有48學(xué)時(shí)，如何在短時(shí)間內(nèi)解決前序知識的缺失問題，是材料類固體物理學(xué)專業(yè)教學(xué)面臨的一個(gè)重要困難。

其次，后續(xù)課程銜接不到位。在長沙理工大學(xué)新能源材料與器件的教學(xué)計(jì)劃中，固體物理學(xué)結(jié)束后，會繼續(xù)開設(shè)半導(dǎo)體物理，材料物理性能以及光電材料導(dǎo)論等課程。這些課程都需要部分固體物理知識作為基礎(chǔ)。這些大部分都以固體物理學(xué)中的能帶理論等作為前序知識，如果學(xué)生對能帶理論掌握不扎實(shí)，會嚴(yán)重影響學(xué)生對半導(dǎo)體物理學(xué)相關(guān)知識的學(xué)習(xí)。因而，如何更好將固體物理學(xué)知識與前后續(xù)課程進(jìn)行良好的銜接，在避免知識點(diǎn)重復(fù)的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生更好地掌握相關(guān)理論，也是進(jìn)行該課程教學(xué)的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

最后，與專業(yè)知識及前沿進(jìn)展結(jié)合不密切。固體物理學(xué)具有成熟的體系，基本理論構(gòu)架早在20世紀(jì)50、60年代即以成熟。然而，新能源材料與器件相關(guān)領(lǐng)域的知識在最近十多年得到了快速發(fā)展，卻并沒有在教材中得以體現(xiàn)。例如，實(shí)驗(yàn)方面，石墨烯材料的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了在儲能材料與器件中的研究熱潮，并在最近幾年拓展至與石墨烯類似的新型二維材料體系，例如MXene等；鈣鈦礦材料體系的研究，在太陽能電池以及量子點(diǎn)領(lǐng)域不斷取得突破進(jìn)展。理論方面，在能帶理論之后，發(fā)展了第一性原理計(jì)算方法等，特別最近二十多年來，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的增強(qiáng)，已經(jīng)成了材料研究領(lǐng)域中獨(dú)立于理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的一種重要研究方法；納米材料具有許多完全不同與常規(guī)體相材料的性質(zhì)，例如尺寸效應(yīng)等，這些都可以借助固體物理中的相關(guān)知識進(jìn)行解釋。如何將這些最新的研究進(jìn)展與課程中相關(guān)知識進(jìn)行合理結(jié)合，引發(fā)學(xué)生對前沿知識的興趣，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)知識能力，也是十分重要的挑戰(zhàn)。

2 國內(nèi)教學(xué)改革研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)高校中很多設(shè)有新能源材料與器件專業(yè)，不少老師也在固體物理學(xué)課程教學(xué)中發(fā)現(xiàn)了類似問題，并進(jìn)行了部分改革嘗試，以取得較好教學(xué)效果。

早在2014年，常州大學(xué)的張帥等人就從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及考核方式等方面進(jìn)行了初步探索[2]。例如，通過將課程內(nèi)容分為固體物理基礎(chǔ)部分和固體物理專業(yè)部分，舍棄了固體物理專業(yè)部分知識，這樣可以節(jié)省教學(xué)課時(shí)；在教學(xué)方法方面，采取了規(guī)避嚴(yán)格數(shù)學(xué)物理定量分析方法，使用定性分析手段，使學(xué)生理解對相關(guān)知識有個(gè)概念；在考核方面，舍棄常規(guī)閉卷考試方法，允許學(xué)生帶部分資料進(jìn)行半閉卷考核。固然，這種方式可以降低學(xué)生課程學(xué)習(xí)難度，然而，完全規(guī)避嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)物理也會帶來很多新的問題，就是學(xué)生很難從最基礎(chǔ)部分出發(fā)，分析問題，進(jìn)而將相關(guān)知識拓展至新的體系，而允許學(xué)生帶資料進(jìn)行考試的方法，在專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)中，由于種種原因，很難進(jìn)行完全推廣。

渤海大學(xué)新能源學(xué)院的陳東明等[3]針對固體物理學(xué)課程中學(xué)生普遍存在的學(xué)習(xí)狀態(tài)低迷，開小差等狀況，將“教學(xué)方法—教學(xué)內(nèi)容—培養(yǎng)目標(biāo)”三者貫穿于課堂中，以轉(zhuǎn)動課堂教學(xué)模式提高教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生學(xué)習(xí)效率，形成“轉(zhuǎn)動課堂—固體物理—研究型人才培養(yǎng)”鏈?zhǔn)浇虒W(xué)，提高了教學(xué)以及學(xué)生學(xué)習(xí)效率。然而，這也需要對相關(guān)課程知識的合理選取以及足夠的課時(shí)基礎(chǔ)上。

西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的俞健等[4]老師針對固體物理學(xué)課程難度大以及學(xué)生學(xué)習(xí)投入性不強(qiáng)、參與度不高的問題，通過優(yōu)化和整合課程教學(xué)內(nèi)容以及豐富課程教學(xué)拓寬學(xué)生視野等手段，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。以學(xué)習(xí)小組為單位，設(shè)置探索性研究課題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和解決實(shí)際工程問題的能力，獲得了良好反饋。

此外，針對材料學(xué)專業(yè)固體物理作為專業(yè)基礎(chǔ)必修課，存在的概念艱深、理論知識體系復(fù)雜，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中很容易出現(xiàn)畏難情緒等問題。華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的孫金煜老師提出了建設(shè)“有溫度”的固體物理課程[5]。通過對固體物理學(xué)中課程德育思政挖掘以及科學(xué)史與學(xué)科知識相融合等方式，讓學(xué)生樹立科學(xué)沒有捷徑，“厚積而薄發(fā)”。學(xué)習(xí)就是“厚積”的過程，只有努力學(xué)習(xí)，才能不斷積累的信念，從而減輕學(xué)生的畏難情緒。

3 基于過程考核的固體物理學(xué)教學(xué)改革探索

為了提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，我們開展了以下幾個(gè)方面的教學(xué)改革工作。在教學(xué)過程中，我們著重強(qiáng)調(diào)通過優(yōu)化課程內(nèi)容設(shè)計(jì)以及加強(qiáng)過程考核來提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

3.1 課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

（1）數(shù)理知識補(bǔ)充。正如前面分析，由于學(xué)生普遍缺乏前序數(shù)理知識，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)過程面臨諸多問題，甚至存在教材看不懂現(xiàn)象。但受到學(xué)時(shí)限制，完全補(bǔ)充相關(guān)前序數(shù)理知識很難實(shí)現(xiàn)。因而我們針對性給學(xué)生補(bǔ)充量子力學(xué)初步知識，主要內(nèi)容包括量子力學(xué)力學(xué)背景，波粒二象性，波函數(shù)，薛定諤方程及簡單應(yīng)用（一維無限深方勢阱），算符等，讓學(xué)生了解量子力學(xué)處理問題的基本思路。其他涉及的相關(guān)知識，如量子力學(xué)中微擾理論，數(shù)學(xué)中的傅里葉變換，微分方程求解，方程有解條件等，則隨教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行基于學(xué)生掌握情況進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充。

（2）重復(fù)知識處理。例如在固體物理課程開設(shè)之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了材料科學(xué)基礎(chǔ)，對晶體結(jié)構(gòu)有了一定的了解。而晶體結(jié)構(gòu)是固體物理較為基礎(chǔ)的一部分，為了避免知識的重復(fù)，我們不再進(jìn)行詳細(xì)講解，而是采用知識回顧的形式，檢查學(xué)生對相應(yīng)知識的掌握情況。同時(shí)，在這一章中，我們著重強(qiáng)調(diào)倒易空間的概念引入，并介紹其在XRD以及選區(qū)電子衍射等中的重要應(yīng)用，加深學(xué)生對知識的理解。再比如，晶體的結(jié)合方式之前學(xué)生也學(xué)習(xí)過，因而我們在講授時(shí)，針對學(xué)生的知識掌握情況，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)晶體結(jié)合背后的物理基礎(chǔ)。此外，為了更好地與后續(xù)課程知識進(jìn)行銜接，我們會在相關(guān)知識點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，例如能帶理論為半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)，我們在相關(guān)章節(jié)適當(dāng)引入其在半導(dǎo)體物理中的應(yīng)用，從而為后續(xù)的課程學(xué)習(xí)奠定適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)。

（3）前沿知識引入。針對學(xué)生普遍反映的問題，相關(guān)理論不知道應(yīng)用場景何在等問題。我們在合適的背景下適時(shí)引入一些前沿科研進(jìn)展和熱點(diǎn)專題。例如，在介紹晶體和非晶區(qū)別時(shí)，我們結(jié)合最新的進(jìn)展，介紹關(guān)于非晶結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)確定方法；在介紹晶體結(jié)合方式的氫鍵時(shí)，我們適當(dāng)介紹水的“反常物性”以及關(guān)于其結(jié)構(gòu)的研究爭議，并且可以引入最新北京大學(xué)江穎教授關(guān)于水的量子效應(yīng)的重要研究進(jìn)展；在講授能帶理論時(shí)，介紹完能帶理論的基本知識，我們可以介紹目前在能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)材料，例如石墨烯以及MXene的能帶結(jié)構(gòu)以及與其性能之間的關(guān)系。這樣既講授知識的具體運(yùn)用，又接觸了熱點(diǎn)，拓寬了學(xué)生視野，是課程內(nèi)容的很好的補(bǔ)充，進(jìn)而提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

（4）物理學(xué)史介紹。針對學(xué)生反應(yīng)的公式推導(dǎo)過多，不知道來源等問題，適當(dāng)?shù)囊胍恍┫嚓P(guān)歷史背景介紹。例如在講解聲子概念時(shí)，介紹聲子概念提出的歷史背景，為什么會有聲子概念以及固體物理中其他類似電子/聲子/激子等；在講解布洛赫定理時(shí)，結(jié)合布洛赫本人回顧文章，介紹布洛赫提出該定理時(shí)的歷史背景。通過這種方式能更好地加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解。

3.2 過程考核模塊設(shè)計(jì)

在教學(xué)過程中，我們將考核由期末考試80%的傳統(tǒng)方式改革為期末考試和過程考核各占50%。在過程考核中，我們設(shè)計(jì)了以下五個(gè)模塊，從多個(gè)維度評估學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。

（1）網(wǎng)絡(luò)課程平臺討論。為了調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，我們充分利用了學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。在該項(xiàng)考核中，針對教師課堂講授知識，教師在交流討論區(qū)提出一些問題，學(xué)生通過課后查詢資料或者自己思考，在評論區(qū)討論交流；或者學(xué)生針對課堂內(nèi)知識疑惑予以提問，其他同學(xué)和老師予以討論交流解答。基于學(xué)生的參與情況以及表現(xiàn)進(jìn)行評分，作為過程考核中的一部分。

（2）作業(yè)完成情況。對于物理類課程，十分有必要在確保概念正確的基礎(chǔ)上加強(qiáng)計(jì)算訓(xùn)練。因而通過課后作業(yè)考察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果是十分重要的。我們基于課堂知識講授情況，在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺發(fā)布一定課后習(xí)題，并限定一定時(shí)間內(nèi)在平臺提交，根據(jù)學(xué)生的完成情況進(jìn)行評分。

（3）文獻(xiàn)翻譯。為了加強(qiáng)學(xué)生對相關(guān)知識歷史背景或者前沿進(jìn)展的了解，在課堂教學(xué)平臺，教師會提供一些與課程相關(guān)的論文資料供學(xué)生閱讀。例如，在介紹非晶結(jié)構(gòu)時(shí)，給學(xué)生提供2021年發(fā)表在Nature上的Determining the three-dimensional atomic structure of an amorphous solid作為參考學(xué)習(xí)；在講解聲子概念時(shí)，提供關(guān)于聲子等準(zhǔn)粒子概念歷史來源的梳理文獻(xiàn)（Who Named the-ON's?Am.J.Phys.38,1380(1970)）。除教師提供的文獻(xiàn)外，學(xué)生也可以選擇自己查找相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行翻譯。根據(jù)學(xué)生論文翻譯情況，例如專業(yè)術(shù)語準(zhǔn)確性，語句連貫性，表達(dá)規(guī)范性等方面進(jìn)行綜合評價(jià)。

（4）課程報(bào)告。撰寫課程學(xué)校報(bào)告時(shí)檢驗(yàn)學(xué)生對知識掌握程度的有效手段。我們在課程開始前，提供幾個(gè)相關(guān)主題，學(xué)生基于自己興趣等選擇具體主題，結(jié)合課堂學(xué)習(xí)情況以及自己查詢資料，撰寫一份3000字左右課程報(bào)告。

（5）PPT匯報(bào)。進(jìn)行課程匯報(bào)是檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)狀況的另一種方式。此時(shí)，我們將學(xué)生分為5個(gè)小組，每小組5-6人，讓學(xué)生合作，對相關(guān)知識點(diǎn)的理論研究或者實(shí)驗(yàn)進(jìn)展進(jìn)行調(diào)研，制作PPT進(jìn)行匯報(bào)，其余學(xué)生進(jìn)行討論交流，每小組時(shí)間限定10分鐘以內(nèi)。通過考察PPT制作，講解以及回答提問情況進(jìn)行評價(jià)。

通過上述方式進(jìn)行教學(xué)改革，取得了較為理想的效果，學(xué)生的整體學(xué)習(xí)情況得到了明顯改善，不及格率由上一年的27%降低至6%。平均成績也取得了明顯提升。

4 小結(jié)

本文中，我們以長沙理工大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)為例，系統(tǒng)分析該專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)固體物理學(xué)時(shí)所面臨的特殊挑戰(zhàn)，并介紹了我們針對這些問題從課程內(nèi)容設(shè)計(jì)和過程考核兩個(gè)方面進(jìn)行的教學(xué)改革情況。通過我們兩方面改革，教學(xué)效果取得了較為理想的效果。