材料專業(yè)本科教學(xué)模式改革探索

＊馬鴻斌

（青海大學(xué)機械工程學(xué)院 青海 810016）

《固體物理學(xué)》課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)、微電子、光電子、新能源器件等專業(yè)的必修課程[1]。固體物理同時是材料物理、凝聚態(tài)物理、半導(dǎo)體、化學(xué)等多學(xué)科的基礎(chǔ)課程[2]，其課程內(nèi)容主要講述了微觀粒子運動、化學(xué)鍵的形成與晶體結(jié)合、固體原子結(jié)構(gòu)、晶格振動、晶體缺陷、非晶態(tài)固體、固體的電子態(tài)與能帶理論、半導(dǎo)體性質(zhì)、超導(dǎo)電性，介電晶體和磁性等[3]。它與其他課程，如固體化學(xué)、量子力學(xué)、理論力學(xué)、熱力學(xué)統(tǒng)計等學(xué)科有密切的關(guān)聯(lián)，需要大量的高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)、線性代數(shù)以及數(shù)學(xué)物理方法等的知識。因此，在本課程教學(xué)中需要學(xué)生具備較高的數(shù)學(xué)、物理與化學(xué)的綜合能力與知識?！豆腆w物理學(xué)》課程的教學(xué)對凝聚態(tài)物理、半導(dǎo)體、光電子、超導(dǎo)體、激光技術(shù)、材料物理化學(xué)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要的推動性作用[4]，尤其是固體化學(xué)中缺陷對其宏觀物理化學(xué)性質(zhì)的影響研究具有十分重要的意義。所以《固體物理學(xué)》課程教學(xué)的改革對學(xué)生掌握并充分利用該門學(xué)科具有重要的意義，本文針對《固體物理學(xué)》課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置，教學(xué)方法以及考核形式進行改革探索。

1.教學(xué)現(xiàn)狀

該課程教學(xué)目的是通過課程學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握研究固體物理的基本方法和理論，不僅為學(xué)習(xí)后續(xù)的一些專業(yè)主干課程，如《光電功能材料制備與應(yīng)用》《材料物理化學(xué)》等奠定必要的基礎(chǔ)，而且為學(xué)生以后從事材料物理化學(xué)、新材料、功能材料及固體電子器件的研制和開發(fā)、材料性能檢測等工作打下堅實的基礎(chǔ)。《固體物理學(xué)》不管是作為物理學(xué)分支科學(xué)的理論價值，還是在各領(lǐng)域的應(yīng)用價值都無不顯現(xiàn)出該課程的重要地位。隨著凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展以及先進材料科學(xué)的突飛猛進，固體物理課程的教學(xué)在新的歷史條件下面臨前所未有的挑戰(zhàn)，碰到了許多難以回避的新問題和新情況。另外，固體物理與固體化學(xué)在教學(xué)內(nèi)容存在著重疊部分，但也有互補內(nèi)容。為培養(yǎng)應(yīng)用型的材料類本科人才，通過內(nèi)容優(yōu)化整合，將固體物理與化學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新性結(jié)合。目前，傳統(tǒng)的固體物理的教學(xué)內(nèi)容對該學(xué)科前沿的新成果和新概念介紹得不夠，且傳統(tǒng)的教學(xué)方法單一，不利于學(xué)生解決問題能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。目前大部分高校課程中所設(shè)置的《固體物理學(xué)》課程存在普遍的現(xiàn)狀，多表現(xiàn)為課程內(nèi)容過于理論化，理論推導(dǎo)等講解內(nèi)容過于枯燥，同時很多理論知識較為陳舊，與目前學(xué)生其他專業(yè)課聯(lián)系較少，容易導(dǎo)致學(xué)生在課堂上的注意力下降，難以廣泛地引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

將上述這些問題總結(jié)為三個方面：

（1）教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上存在問題，大多數(shù)內(nèi)容理論性強，需要運用到大量的高等數(shù)學(xué)知識，對于高數(shù)差的學(xué)生具有較大的挑戰(zhàn)，同時涉及到大量的晶體學(xué)公式推導(dǎo)，增加了學(xué)習(xí)難度，尤其是三維幾何結(jié)構(gòu)和公式理論推導(dǎo)部分難以理解。同時固體物理的知識內(nèi)容繁多、抽象，物理模型復(fù)雜，因此學(xué)生掌握難度高。

（2）大部分內(nèi)容講授主要采用傳統(tǒng)的填鴨式的方法向?qū)W生講授知識，這對學(xué)生學(xué)習(xí)潛能的激發(fā)、思維能力的提升和培養(yǎng)極為不利。在教學(xué)中存在知識內(nèi)容抽象繁雜的問題，講授內(nèi)容很難激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)方式上過于枯燥，存在大量的公式推導(dǎo)，需要大量的板書，在教學(xué)過程中過度的板書教學(xué)，不夠生動有趣，難以勾起學(xué)生的興趣。

（3）現(xiàn)有考核方式主要以是試卷考試為主，結(jié)合考勤、課后作業(yè)等給予考核評價?？己诵问竭^于單一，考核主要通過期中考試和期末考試兩個部分完成，以試卷的方式進行考核，對學(xué)生所學(xué)本門課程難以進行一個較為全面的測試。由于課程內(nèi)容繁雜知識點分散的特點，試卷內(nèi)容無法實現(xiàn)所有重點內(nèi)容學(xué)習(xí)情況考核，對學(xué)生的具體學(xué)習(xí)內(nèi)容具體掌握情況無法做到及時了解。缺乏其它開放性內(nèi)容考核，缺乏對學(xué)生的綜合應(yīng)用能力的考核。缺乏課程的討論，學(xué)生無法做到知識點的靈活應(yīng)用，無法實現(xiàn)對自己今后的工作生產(chǎn)實踐提供指導(dǎo)。

2.教學(xué)內(nèi)容

“課程內(nèi)容專業(yè)化”指的是在《固體物理學(xué)》課程內(nèi)容設(shè)置的過程中，與本學(xué)科學(xué)生的專業(yè)方向緊密結(jié)合。如本校材料科學(xué)與工程專業(yè)設(shè)置了《固體物理學(xué)》課程，在針對該專業(yè)的《固體物理學(xué)》課程的教學(xué)過程中，應(yīng)該更多的傾向于固體材料、晶體結(jié)合能、晶格點陣、化學(xué)鍵等方面，進而調(diào)動學(xué)生對于固體物理化學(xué)學(xué)習(xí)和材料科學(xué)與工程專業(yè)內(nèi)容學(xué)習(xí)的積極性。同時將近幾年我國科學(xué)家在固體物理化學(xué)及凝聚態(tài)物理領(lǐng)域做出的一批具有重大影響力的成果引入到課程教學(xué)中。例如菲列茲·倫敦獎獲得者薛其坤院士領(lǐng)銜的實驗團隊在實驗上首次觀測到量子反?；魻栃?yīng)；中國科學(xué)院物理研究所方忠研究員等率領(lǐng)的科研團隊，在實驗上首次證實了Weyl費米子的存在；北京理工大學(xué)歐育湘等合成出“新一代含能材料”炸藥之王CL-20，歷盡三十余年將這座世界炸藥的“最高峰”徹底征服；涉及超導(dǎo)研究時，突出超導(dǎo)材料應(yīng)用的廣闊前景，同時介紹趙忠賢院士在超導(dǎo)方面的貢獻。這些理論從預(yù)言到實驗觀測的全過程中國科學(xué)家發(fā)揮了重要的作用。新的知識、先進的技術(shù)和先進的設(shè)備是國家強大的根本，這要求學(xué)生提早樹立遠大目標(biāo)，即成為國家棟梁之才，因此需要先學(xué)好固體物的基本理論，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)固體物理的興趣。通過給學(xué)生們介紹這些由中國科學(xué)家在物理、化學(xué)等領(lǐng)域等方面做出的最新成果，可以激發(fā)學(xué)生對固體物理的興趣，建立固體物理學(xué)科的民族自信，激勵他們克服學(xué)習(xí)中遇到的困難。

為進一步引起學(xué)生興趣，應(yīng)將課程內(nèi)的基礎(chǔ)理論引導(dǎo)到應(yīng)用實踐上，并且可以與科研動態(tài)緊密結(jié)合。例如：在金屬材料導(dǎo)熱以及熱膨脹性能等方面的研究，可以將《固體物理學(xué)》課程內(nèi)容中的晶格點陣、晶格膨脹、晶格振動等概念引入，聯(lián)系到聲子傳熱和電子傳熱的機制，對材料導(dǎo)熱進行理論分析與解釋。在分析材料的物理化學(xué)性質(zhì)時與固體物理化學(xué)中的晶格畸變、化學(xué)鍵、結(jié)合能等相結(jié)合來進行理論實驗分析。同時將專業(yè)相關(guān)課程中比如材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料分析方法、材料物理化學(xué)等課程的內(nèi)容進行有機的統(tǒng)籌兼顧，將專業(yè)知識進行整合，讓所有的相關(guān)內(nèi)容有機地聯(lián)系在一起。將能帶理論中金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體等的相關(guān)理論分析與材料物理化學(xué)中相關(guān)概念研究內(nèi)容相結(jié)合，從而使學(xué)生更好的理解價電子的排布，從而判斷材料的導(dǎo)電性。固體物理課程相關(guān)的研究一方面有助于學(xué)生對主要知識點的理解，另一方面有利于學(xué)生將書本知識擴展到專業(yè)學(xué)習(xí)相關(guān)的科學(xué)研究上，真正的做到學(xué)以致用。

其次，在教學(xué)內(nèi)容上需要注重知識點的內(nèi)在邏輯性，邏輯性可以分為平行聯(lián)系和遞進聯(lián)系兩部分，按照思維邏輯性進行講解，這樣更加通俗易懂。其中平行聯(lián)系屬于并列關(guān)系，橫向發(fā)展，是知識點的擴展，遞進聯(lián)系屬于縱向發(fā)展，是知識點的深入挖掘。通過這樣平行聯(lián)系和遞進聯(lián)系的方法把知識進行橫向和縱向的延伸，將前后知識點進行有效地串聯(lián)，可以幫助學(xué)生高效地理解所學(xué)內(nèi)容。

根據(jù)不同學(xué)生的理解能力和學(xué)習(xí)能力調(diào)整《固體物理學(xué)》課程培養(yǎng)方案，建立學(xué)習(xí)梯度的模式[5]。例如：將不同班級劃分成不同難易模塊，創(chuàng)新拔高班按照中等困難程度培養(yǎng)，部分內(nèi)容添加困難模式培養(yǎng)，普通班級按照低等難度培養(yǎng)，部分內(nèi)容添加中等難度教學(xué)。還可以將不同班級能力不一的同學(xué)換分成不同模塊，分配不同的課后任務(wù)等。

總體來說，將課程內(nèi)容簡單化，注重基礎(chǔ)理論與原理方法的理解和應(yīng)用，通過分級梯度是教學(xué)模式對課程內(nèi)容進行調(diào)整，使得課程教學(xué)能做到因人而異，使得學(xué)生能真正地理解所學(xué)，并能將所學(xué)應(yīng)用在實踐中。

3.教學(xué)手段

“教學(xué)手段現(xiàn)代化”使之充分的利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，包括教學(xué)設(shè)備和設(shè)施，以及教學(xué)軟件等。對于教學(xué)設(shè)施方面，充分利用多媒體教育資源以及線上教育資源，可以在多功能教室對《固體物理學(xué)》課程進行講解，一方面學(xué)生可以參與其中，利用設(shè)施進行討論學(xué)習(xí)等，另一方面可以進行課程錄制，方便學(xué)生在課余時間進行課程回顧。同時可利用線上網(wǎng)絡(luò)資源以及教育平臺資源[6]，例如MOOC平臺、智慧樹平臺、騰訊課堂和網(wǎng)易公開課等，將國家精品課程講授視頻引入到教學(xué)中以便于學(xué)生對《固體物理學(xué)》課程進行更加詳細的學(xué)習(xí)和理解。

對于教學(xué)軟件方面充分利用色彩動畫制作軟件，結(jié)構(gòu)模擬軟件，進行模擬仿真。本科生的固體物理課程主要是研究晶體材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀物理化學(xué)性能，微觀結(jié)構(gòu)比較抽象難以理解，為了使學(xué)生能較好地理解相關(guān)概念，通過制作多媒體課件，將各種微觀晶體結(jié)構(gòu)直觀形象地展示給學(xué)生，如簡單立方結(jié)構(gòu)、面心立方、體心立方結(jié)構(gòu)和密排立方等。對于能帶和費米面是固體物理學(xué)中非常重要的概念，可以通過計算能帶的VASP軟件，將計算得到的材料晶體的能帶結(jié)構(gòu)和聲子譜，將抽象難懂的概念，以圖示形式展現(xiàn)給學(xué)生，從而幫助學(xué)生理解相關(guān)圖示。例如晶格點陣等空間結(jié)構(gòu)，這種三維結(jié)構(gòu)很難想象，可以利用實體模型以及動畫加以展示，或是使用一些模擬仿真軟件繪制圖形等，還可以進行一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和計算，引起學(xué)生的興趣。將材料的物理性能與化學(xué)性質(zhì)等有機結(jié)合，通過本課程學(xué)習(xí)實現(xiàn)固體物理化學(xué)等專業(yè)課程的重疊知識點的統(tǒng)一理解。并且在難以理解的公式推導(dǎo)等理論方面，不能單純利用幻燈片播放，更應(yīng)該采取幻燈片與板書結(jié)合，板書一步步推導(dǎo)，來鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，并將目前與課程內(nèi)容相關(guān)的前沿科技論文引入到課堂中，通過將具體的知識點的靈活應(yīng)用引入到課堂教學(xué)，讓學(xué)生了解并掌握知識點如何在實際中應(yīng)用。

同時為將理論應(yīng)用于實踐，應(yīng)該在課程設(shè)置過程中增加《固體物理學(xué)》課程實踐的課時。將固體物理的理論知識和生活實踐相結(jié)合，例如講授熱缺陷對晶體物理化學(xué)性質(zhì)的影響時，將相關(guān)的理論與切割刀具的刃相結(jié)合，刀具刃的部分硬度較大，這是由于在刀具的熱處理過程中首先使其內(nèi)部一些原子離開平衡位置，再將刀具的邊沿急劇降溫使離開平衡位置的原子沒有時間回到平衡位置，從而形成含點缺陷的刀刃，導(dǎo)致刀刃較硬；TEM的多晶衍射環(huán)進行物相標(biāo)定的過程中，涉及倒易點陣的知識，讓學(xué)生充分的理解將理論內(nèi)容應(yīng)用于專業(yè)方向；將熱膨脹測試與導(dǎo)熱，金屬腐蝕等測試相關(guān)的科研實踐引入到課程教學(xué)里，讓學(xué)生自己分析并處理相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，一方面加深對知識點的理解，另一方面掌握將理論應(yīng)用到實際中的方法。將固體物理的基本理論與科研項目相結(jié)合，來加深對固體物理知識的理解，同時培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

總體來說，在《固體物理學(xué)》課程教學(xué)手段方面，要充分利用大量優(yōu)秀網(wǎng)絡(luò)視頻資源，采用線上與線下教學(xué)相結(jié)合的方式，加強學(xué)生的課程內(nèi)容的理解，并且在課堂上應(yīng)用圖片、動畫、流程圖、思維導(dǎo)圖進行講解，更加生動有趣吸引學(xué)生的注意力和興趣。

4.考核方式

“考核方式多樣化”指的是在《固體物理學(xué)》課程考核過程中，應(yīng)增加平時成績占比，包括：考勤成績、課堂討論成績、小組調(diào)研成績、課堂小測成績、個人講述成績、思考題解答情況、期中考試成績、實驗課程成績、學(xué)術(shù)活動參與等，一方面可以充分調(diào)動學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)的積極性，另一方面增加考核形式，避免單一地依靠期末考試這一項決定課程成績?？己说淖罱K目的是希望學(xué)生掌握所學(xué)知識并能夠熟練地應(yīng)用所學(xué)。通過SPOC課堂連接線下教學(xué)的課前課后每一個環(huán)節(jié)，覆蓋所有學(xué)生的每一次學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)信息采集，SPOC課堂在后臺記錄學(xué)生學(xué)習(xí)的時長、學(xué)習(xí)進度，這些數(shù)據(jù)，不僅反映了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對知識的掌握程度，還記錄了學(xué)生的學(xué)習(xí)軌跡，教師既可以從中提取信息，及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，進而進行教學(xué)調(diào)整。在線下課堂上教師進行課堂重點內(nèi)容講授，注意采取啟發(fā)式、討論式等教學(xué)方法。并充分利用線上SPOC課堂學(xué)習(xí)的相關(guān)優(yōu)質(zhì)的統(tǒng)計分析工具，將其利用在《固體物理導(dǎo)論》教學(xué)學(xué)習(xí)的過程性考核中。督促學(xué)生完成線上視頻學(xué)習(xí)，及時評價作業(yè)及單元測試成績分析，制定合適的視頻學(xué)習(xí)、作業(yè)、單元測試以及課堂討論的相關(guān)成績比例，完成線上學(xué)習(xí)考核。通過線下的課堂討論以及期中、期末考試從而完成整個教學(xué)過程性考核。同時可以在教學(xué)過程中引入調(diào)查問卷以及章節(jié)內(nèi)容教學(xué)評價，從而實現(xiàn)對線上線下教學(xué)的評價工作，這樣有助于及時有效地反饋學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，優(yōu)化改善我們的教學(xué)過程，最終實現(xiàn)提升教學(xué)質(zhì)量和突出學(xué)生為教學(xué)主體從而提升學(xué)生創(chuàng)新思維能力的目的。

為加強學(xué)生對于基礎(chǔ)概念，基本原理等理解，可以將基礎(chǔ)知識測試放在課堂小測中，例如：每章節(jié)講解結(jié)束后，選取5-10個開放式問題來進行課堂分組討論與測試。同時可以采用半開卷半閉卷的形式，例如：期中考試采用開卷，期末考試采用閉卷的形式。為防止學(xué)生死記硬背，加強學(xué)生對知識的理解，應(yīng)該在考試試卷上加入一定比例的開放性、探究性題目，或者在試卷上加入探索性選作題目等。通過多種形式的考核方式，提升學(xué)生的教學(xué)參與度，同時通過有趣地開放性話題，引起學(xué)生對科研中相關(guān)的具體問題進行思考，從而實現(xiàn)理論聯(lián)系實際的目的。

5.結(jié)語

《固體物理學(xué)》課程教學(xué)對于物理學(xué)、化工學(xué)和材料科學(xué)與工程專業(yè)等學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和實踐應(yīng)用具有重要的意義。將《固體物理學(xué)》課程“課程內(nèi)容專業(yè)化”“教學(xué)手段現(xiàn)代化”“考核形式多樣化”能過推動學(xué)生對《固體物理學(xué)》課程學(xué)習(xí)的積極性并激發(fā)學(xué)生的興趣。