科研反哺教學(xué)的固體物理學(xué)課程教學(xué)改革與實踐

陳明星 歐陽方平

關(guān)鍵詞 凝聚態(tài)物理;固體物理;科研反哺教學(xué)

2018年10月，教育部發(fā)布《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育，全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》文件，要求本科教育堅持學(xué)生中心，全面發(fā)展的原則，既注重“教得好”，更注重“學(xué)得好”，激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣和潛能，激勵學(xué)生愛國、勵志、求真、力行，增強學(xué)生的社會責任感、創(chuàng)新精神和實踐能力。因此，教師應(yīng)圍繞激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣和潛能進行教學(xué)改革，以“兩性一度”（高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度）為標準進行課程建設(shè)，培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才，服務(wù)國家的“雙一流”建設(shè)。

凝聚態(tài)物理是隨固體物理學(xué)不斷發(fā)展而形成的物理學(xué)分支，也是當前物理學(xué)領(lǐng)域最為龐大的分支。因此，固體物理學(xué)是從事凝聚態(tài)物理科學(xué)研究的基礎(chǔ)，是物理學(xué)專業(yè)本科核心課程。由于固體物理概念抽象，學(xué)科綜合度較高，學(xué)生在學(xué)習該課程的過程中普感困難，容易出現(xiàn)畏學(xué)心理。

近年來，凝聚態(tài)物理學(xué)發(fā)展迅速，誕生了二維材料、鐵基超導(dǎo)體、拓撲絕緣體以及雙層轉(zhuǎn)角體系等一系列新研究方向[1-7]。及時將凝聚態(tài)物理前沿科研進展融入固體物理課程教學(xué)，不僅使學(xué)生了解學(xué)科前沿研究動態(tài)，增長知識見識，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習興趣，又能增強學(xué)生運用所學(xué)知識解決問題的能力，即實踐能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。目前，已經(jīng)有一些關(guān)于如何將凝聚態(tài)物理前沿研究進展轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源的研究。其中，二維材料石墨烯已經(jīng)被同行廣泛用于固體物理課程教學(xué)[8-12]。近幾年，筆者也結(jié)合自身研究經(jīng)歷積極將前沿研究進展融入到固體物理學(xué)課程教學(xué)，學(xué)生普遍表現(xiàn)出濃厚的興趣，教學(xué)效果和反響較好?，F(xiàn)將若干嘗試總結(jié)如下。

1 晶體結(jié)構(gòu)

1.1 科研軟件作為教學(xué)工具

晶體結(jié)構(gòu)是固體物理教學(xué)的重要內(nèi)容。了解晶體結(jié)構(gòu)是進一步研究晶體電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的前提。因此固體物理教學(xué)大綱要求學(xué)生掌握描述晶體結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)方法。由于晶體結(jié)構(gòu)較為抽象，不少學(xué)生在理解格點、晶面以及晶體點群等概念時存在困難。引入晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件作為教學(xué)工具，有利于學(xué)生理解和掌握與晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)的概念。VESTA 是一款免費的晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件，其操作簡單，安裝方便，已被凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的科研人員廣泛用于其科研之中。筆者在晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)的課程教學(xué)中借助VESTA 演示晶體結(jié)構(gòu)，并教授學(xué)生使用該軟件研究晶體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，取得了良好的效果。圖1給出了用VESTA 顯示的BaTiO₃鈣鈦礦結(jié)構(gòu)圖。

除了晶體結(jié)構(gòu)可視化之外，VESTA 還可以用來模擬X射線衍射實驗（XRD），幫助學(xué)生理解消光現(xiàn)象[13]。圖2給出了VESTA 模擬的硅（金剛石結(jié)構(gòu)）XRD的結(jié)果。從中可以看出消光規(guī)律：即，只有當h，k，l全為偶數(shù)且h+k+l=4n或h，k，l全為奇數(shù)時，（hkl）晶面的衍射強度不為零，與理論結(jié)果一致，也與https：//physicsopenlab.org/提供的實驗結(jié)果一致（http：//physicsopenlab.org/2018/01/28/silicon-germanium-crystal-structure/）。此外，可以引進科學(xué)軟件Xcrysden輔助布里淵區(qū)的教學(xué)，演示晶體的第一布里淵區(qū)及高對稱點。

1.2 石墨烯及其雙層轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)

石墨烯的發(fā)現(xiàn)掀起了二維材料的研究熱潮。由于其結(jié)構(gòu)簡單，能帶結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)特殊，且能夠很好地與固體物理相關(guān)知識點融合，已經(jīng)被同行廣泛用于固體物理課程教學(xué)[8-12]。石墨烯具有六角蜂窩狀結(jié)構(gòu)，為復(fù)式格子。學(xué)習石墨的結(jié)構(gòu)性質(zhì)有助于學(xué)生理解格點與原子的區(qū)別、倒格矢的計算以及第一布里淵區(qū)的作圖等。圖3給出了單層石墨烯的結(jié)構(gòu)圖。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了筆者結(jié)合自身經(jīng)歷將若干科學(xué)研究進展轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，融入固體物理學(xué)課程教學(xué)的嘗試。比如，在晶體結(jié)構(gòu)的教學(xué)中引入可視化軟件和當前的研究熱點轉(zhuǎn)角石墨烯。在能帶理論的教學(xué)中將緊束縛近似方法應(yīng)用于石墨烯的能帶計算，探討K點附近特殊線性能帶的能態(tài)密度特征。此外，還挖掘了易于本科生掌握的Rashba效應(yīng)和熱電效應(yīng)，有效促進了學(xué)生對晶體中的自旋軌道耦合效應(yīng)和半經(jīng)典Boltzmann輸運方程的理解。