普通本科院校材料專業(yè)固體物理教學(xué)改革的探索＊

陳 沖，王長(zhǎng)征，耿婉瑩，杜 鵑，李 偉

（聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 聊城 252059）

0 引言

材料作為社會(huì)發(fā)展的三大基石之一，高性能材料的研發(fā)一直是其不懈的追求，而這不僅需要實(shí)驗(yàn)的支持，更離不開理論的指導(dǎo)。固體物理是依據(jù)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和組成固體的基本粒子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及規(guī)律來(lái)揭示固體材料的宏觀物理性質(zhì)的一門課程，因此被認(rèn)為是高性能材料研發(fā)制備的理論指導(dǎo)性課程[1]。固體物理涉及材料的力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)等性能的機(jī)理研究，因此，在材料專業(yè)中起到承前啟后的作用，既是對(duì)本專業(yè)知識(shí)的進(jìn)一步提高和深化，也是連接本科生教育和研究生教育的橋梁，是材料類專業(yè)一門十分重要的專業(yè)教育課程。而另一方面，由于固體物理是從原子、電子等微觀角度揭示固體宏觀物理性質(zhì)，因此，量子力學(xué)是本課程知識(shí)體系的基本支撐，除此之外，還需要高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、材料科學(xué)基礎(chǔ)、熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理、理論力學(xué)等基礎(chǔ)課程知識(shí)。這使得固體物理課程具有知識(shí)面廣泛，理論綜合性較強(qiáng)，且大量運(yùn)用數(shù)學(xué)工具處理問題的特點(diǎn)。然而，對(duì)于材料類專業(yè)本科生，量子力學(xué)、理論力學(xué)以及統(tǒng)計(jì)力學(xué)等課程并未開設(shè)，而且，普通院校本科生的基礎(chǔ)相對(duì)薄弱、自主學(xué)習(xí)意識(shí)淡薄。這些不僅限制了學(xué)生對(duì)該課程的深入系統(tǒng)地掌握，影響了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的積極性；也使得教師講授該課程的進(jìn)度受到很大的影響。因此，近年來(lái)對(duì)于固體物理的改革探索也有較多的研究報(bào)道[2-4]。本文根據(jù)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的實(shí)際情況，結(jié)合材料類專業(yè)特色，對(duì)固體物理的教學(xué)就以下四個(gè)方面進(jìn)行探索性的實(shí)踐與改革。

1 結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，改革教學(xué)內(nèi)容

固體物理是一門綜合性課程，研究的內(nèi)容包括晶格結(jié)構(gòu)、晶體的結(jié)合，晶格振動(dòng)，晶體缺陷，固體電子論、固體的磁性、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體等多個(gè)重要專題。但是對(duì)于材料類本科生而言，量子力學(xué)、分析力學(xué)等課程并未開設(shè)，需要補(bǔ)充相關(guān)內(nèi)容，且基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，還需要控制授課速度，再加上課時(shí)量的限制，對(duì)于固體物理的課程內(nèi)容需要根據(jù)材料類專業(yè)的具體情況進(jìn)行取舍，以保證學(xué)生們保質(zhì)保量完成本科階段固體物理的學(xué)習(xí)。

首先，關(guān)于章節(jié)內(nèi)容的取舍，晶格結(jié)構(gòu)和晶體的結(jié)合在材料科學(xué)與基礎(chǔ)、大學(xué)化學(xué)以及物理化學(xué)中均有涉及，但是這兩章內(nèi)容為后續(xù)章節(jié)的基礎(chǔ)，所以仍然需要學(xué)習(xí)，但是不應(yīng)該花費(fèi)過多的時(shí)間。晶格結(jié)構(gòu)著重在講解和推導(dǎo)倒格子相關(guān)內(nèi)容，晶體的結(jié)合則重點(diǎn)學(xué)習(xí)模型建立，利用數(shù)學(xué)的方法分析晶體的結(jié)合及其特點(diǎn)等內(nèi)容。對(duì)于晶格缺陷部分的內(nèi)容在材料科學(xué)與基礎(chǔ)課程中學(xué)習(xí)得較詳細(xì)，且本部分的課程內(nèi)容與后續(xù)章節(jié)的聯(lián)系較少，可以作為自學(xué)內(nèi)容。晶格振動(dòng)和能帶理論部分是固體物理非常重要且基礎(chǔ)的內(nèi)容，是后續(xù)材料性能分析的理論基礎(chǔ)，但是這兩部?jī)?nèi)容均是以量子力學(xué)為理論基礎(chǔ)，因此應(yīng)該在課程內(nèi)容之前先補(bǔ)充量子力學(xué)、分析力學(xué)等相關(guān)知識(shí)。其中，量子力學(xué)的公式復(fù)雜，應(yīng)用到多體問題求解更是很難得出解析結(jié)果，因此補(bǔ)充量子力學(xué)的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)該著重講清楚波函數(shù)的含義，哈密頓量以及算符等基礎(chǔ)知識(shí)，使同學(xué)們理解量子力學(xué)與牛頓力學(xué)體系的區(qū)別。關(guān)于本科生階段的課程截止能帶理論是較為合適的學(xué)習(xí)量，如果繼續(xù)學(xué)習(xí)可能會(huì)給學(xué)生帶來(lái)一定的壓力，貪多反而會(huì)掌握不牢固。

其次，固體物理課程本身是一門還在不斷發(fā)展壯大的學(xué)科，不斷有新的知識(shí)、新的概念和問題補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，而教材不會(huì)及時(shí)更新，因此還需要教師在授課過程中實(shí)時(shí)引入前沿知識(shí)。介紹發(fā)展前沿知識(shí)可根據(jù)課程知識(shí)，將最新的發(fā)展成果和文獻(xiàn)引入，且應(yīng)本著言簡(jiǎn)意賅，定性描述的原則，以起到既能讓學(xué)生們開闊眼界、提高興趣的基礎(chǔ)上，又可以讓學(xué)生們認(rèn)識(shí)新舊內(nèi)容之間的聯(lián)系、區(qū)別和發(fā)展，進(jìn)一步鞏固和理解課本知識(shí)。

2 創(chuàng)新教學(xué)方式，調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力

固體物理課程所包含的知識(shí)面較為廣泛，且理論性和專業(yè)性較強(qiáng)，抽象難懂，大量運(yùn)用比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，增加了學(xué)生們的學(xué)習(xí)強(qiáng)度和難度，因此通過改革教學(xué)方式，調(diào)動(dòng)學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性對(duì)于固體物理的學(xué)習(xí)異常重要。由于固體物理內(nèi)容體系龐大，各章節(jié)知識(shí)都有各自的特點(diǎn)，應(yīng)將各章重要知識(shí)點(diǎn)分解成專題進(jìn)行講授，尤其應(yīng)將“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的現(xiàn)代化信息技術(shù)融合到教育教學(xué)中，然后采用翻轉(zhuǎn)課堂的分組討論法學(xué)習(xí)，會(huì)是較適合固體物理的授課的方法[5]。

固體物理的基礎(chǔ)知識(shí)框架是進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)知識(shí)掌握不牢固對(duì)于固體物理中理論模型的應(yīng)用與調(diào)研都將很難進(jìn)行，因此基礎(chǔ)知識(shí)掌握是學(xué)生們學(xué)習(xí)的重中之重。在基礎(chǔ)知識(shí)講解過程中，涉及的圖形和公式較復(fù)雜，因此，根據(jù)各章特點(diǎn)，靈活使用現(xiàn)代化信息技術(shù)不僅節(jié)約時(shí)間，也有利于知識(shí)圖形的理解，達(dá)到事半功倍的效果。例如第一章中關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)容需要較強(qiáng)空間想象能力，而現(xiàn)在的視頻資源豐富，作圖軟件也很多，選擇一款合適的作圖軟件，以方便給學(xué)生從各個(gè)角度展示晶體的結(jié)構(gòu)，充分認(rèn)識(shí)了晶體的結(jié)構(gòu)，后續(xù)X 射線衍射、晶體結(jié)合等也能更高效地學(xué)習(xí)。同理，對(duì)于抽象的一維晶格振動(dòng)以及能帶結(jié)構(gòu)，同樣可以借助于動(dòng)圖、視頻等展示不同的波矢對(duì)應(yīng)的振動(dòng)情況，不同介質(zhì)的能帶特點(diǎn)，幫助學(xué)生們理解。

固體物理教學(xué)中還存在的嚴(yán)重問題就是“有理無(wú)物”，這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)中感到非常抽象，增加了課程的難度。因此在基礎(chǔ)內(nèi)容講解后，可以將各章以研究專題的形式引入，且專題的引入要與實(shí)際實(shí)物相聯(lián)系，體現(xiàn)學(xué)科前沿性和時(shí)代性，還需要學(xué)生下功夫去查閱資料，去鉆研，才能完成的任務(wù)。實(shí)現(xiàn)既要解決有理無(wú)物的問題，還要使得學(xué)生獲得綜合運(yùn)用前期積累以及本章基礎(chǔ)知識(shí)解決復(fù)雜問題的能力。比如，晶體結(jié)構(gòu)可以由X 射線衍射展開，晶體結(jié)合可以由不同結(jié)合類型晶體的性能展開，晶格振動(dòng)可以由晶體熱學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)等展開，能帶理論則可以由導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體的特點(diǎn)展開討論等。為保證各章專題的順利進(jìn)行，可以采用分組討論的問題引導(dǎo)式任務(wù)驅(qū)動(dòng)方法，且以專題問題為導(dǎo)向的分組討論也是目前常用的一種翻轉(zhuǎn)課堂方法?？梢砸龑?dǎo)學(xué)生充分利用現(xiàn)代電子資源的巨大優(yōu)勢(shì)，通過超星數(shù)字圖書館、cnki 中國(guó)學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)等搜索與固體物理課程相關(guān)的前沿進(jìn)展，鍛煉學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力。鼓勵(lì)學(xué)生利用已學(xué)知識(shí)結(jié)合查閱的資料來(lái)完成專題的討論和講解，鍛煉同學(xué)們的合作能力、溝通能力、解決復(fù)雜問題的能力、口頭表達(dá)能力以及書面表達(dá)能力等。同時(shí)，也要重視學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和個(gè)性發(fā)展，鼓勵(lì)學(xué)生突破傳統(tǒng)，敢于提出獨(dú)到見解。為了防止討論組內(nèi)出現(xiàn)濫竽充數(shù)的情況，每次討論完后，對(duì)于組內(nèi)同學(xué)們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及貢獻(xiàn)進(jìn)行線上打分，以及留言，并及時(shí)處理組內(nèi)出現(xiàn)的問題，不斷優(yōu)化改進(jìn)翻轉(zhuǎn)課堂的學(xué)習(xí)方法。

3 融入課程思政元素，培育高品德人才

大學(xué)不僅是學(xué)生們學(xué)習(xí)積累科學(xué)文化知識(shí)、完善提升自我能力的重要時(shí)期，更是建立世界觀、人生觀、價(jià)值觀的重要時(shí)期；而且隨著信息化時(shí)代的不斷發(fā)展，當(dāng)代的大學(xué)生們面臨著諸多的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。樹立正確的三觀，成為能夠服務(wù)于社會(huì)發(fā)展，為社會(huì)主義建設(shè)添磚加瓦的棟梁之才，思想政治教育工作尤其重要。習(xí)總書記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上將思想政治理論教育比喻為鹽，鹽是我們不可或缺的，但我們不能光吃鹽，而要把它融入到各種食物里消化吸收[6]。同理，思想政治教育不能只靠思政課完成，而應(yīng)該融入到每門課程中，潛移默化，潤(rùn)物無(wú)聲地幫助學(xué)生們樹立正確的三觀，因此思政教育工作是我們每位教師的責(zé)任與義務(wù)。教師作為實(shí)施教書育人的主體，是課堂教學(xué)的第一責(zé)任人，要將思政內(nèi)容融入到專業(yè)課程中，首先需要教師自身具有良好的文化修養(yǎng)與思想道德水平，而在教師不斷深入挖掘?qū)I(yè)知識(shí)蘊(yùn)含的德育元素過程中，一定能夠不斷提高自身的思政水平，形成正向的反饋機(jī)制。

固體物理是一門綜合性課程，內(nèi)容綜合廣泛，更需要在課程中加入思政內(nèi)容。深入挖掘?qū)I(yè)知識(shí)蘊(yùn)含的德育元素，采用“鹽溶于湯”的模式，從不同角度幫助學(xué)生形成正確的三觀，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的辯證辯證思維、創(chuàng)新習(xí)慣和大工程觀，以思想引領(lǐng)促進(jìn)大學(xué)生全面發(fā)展。另一方面，固體物理的發(fā)展從側(cè)面上反映了近代物理的發(fā)展歷程，近代歷史中我們國(guó)家經(jīng)歷了諸多磨難，科學(xué)研究也受到很大的限制，但是在此過程中，中國(guó)學(xué)者們刻苦努力、自強(qiáng)不息的精神是鼓勵(lì)學(xué)生積極向上、奮發(fā)圖強(qiáng)的優(yōu)秀榜樣。在挖掘思政實(shí)例的過程中也要不局限于科學(xué)研究，在各行各業(yè)為祖國(guó)富強(qiáng)而鞠躬盡瘁的人物事跡都是我們學(xué)習(xí)的榜樣。

在授課過程中，多采用聲頻、視頻的途徑來(lái)穿插引入勵(lì)志人物事跡，簡(jiǎn)短的幾分鐘時(shí)間既可以將思政潛移默化地引入，又活躍了課堂氣氛，開闊學(xué)生視野；鼓舞學(xué)生以古代的賢者和當(dāng)今的名人為榜樣，學(xué)習(xí)他們的不懈奮斗，銳意進(jìn)取的精神，并將這些信念根植于學(xué)生們的學(xué)習(xí)以及未來(lái)的工作生活中。

4 創(chuàng)新思維、科學(xué)思想方法

為適應(yīng)當(dāng)前科技進(jìn)步、社會(huì)發(fā)展、日益激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的需求，現(xiàn)代大學(xué)教育的中心是要培養(yǎng)學(xué)生們的綜合素質(zhì)：要具有扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，具有創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力，同時(shí)還要具有實(shí)踐的能力，具有能夠解決一定的實(shí)際復(fù)雜工程問題的能力。而固體物理是一門理論與實(shí)際相結(jié)合的專業(yè)綜合課程，不僅拓寬學(xué)生們的理論知識(shí)，面向科技發(fā)展的最前沿；還將知識(shí)與實(shí)物相連接，培養(yǎng)學(xué)生們的創(chuàng)新精神，提高解決實(shí)際工程問題的能力。在教學(xué)中，要注重固體物理課程的基礎(chǔ)性與前沿性、探索性相結(jié)合，尤其要強(qiáng)調(diào)科學(xué)方法的運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生初步的科研意識(shí)和科研能力，為實(shí)際問題的分析解決打下良好的基礎(chǔ)。

固體由大量的原子、分子組成，是多粒子體系，相互作用非常復(fù)雜，而利用量子力學(xué)理論解決多體問題更是難上加難。固體物理為量子力學(xué)的應(yīng)用提供了途徑，即近似方法。近似法是指在處理問題的過程中，抓住問題的關(guān)鍵矛盾與本質(zhì)，忽略次要矛盾和要素，建立合理的模型分析實(shí)際的問題。我們處理實(shí)際問題的過程中，近似法方法是很實(shí)用且有效的，實(shí)際生活生產(chǎn)中遇到的問題復(fù)雜多變，在分析問題的過程中，我們應(yīng)該抓住事物的主要矛盾，忽略次要矛盾，這樣才能快速解決復(fù)雜工程問題。而要使用近似方法，抓住事物的主要矛盾，除了要有良好的知識(shí)儲(chǔ)備，對(duì)事物的深入認(rèn)識(shí)外，還要有大膽創(chuàng)新，勇于探索的精神。在固體物理課程中有很多的近似的方法的應(yīng)用實(shí)例：比如，在晶體熱容問題的解決過程中，影響晶體熱容的因素有很多，且利用牛頓力學(xué)體系建立的模型，不管如何豐富其影響因素都改變不了理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差異，這時(shí)就需要我們改變思路，創(chuàng)新思維，利用量子力學(xué)的理論方法來(lái)解決問題。在使用量子力學(xué)的過程中，同樣可以看出來(lái)，只要抓住了問題的本質(zhì)，就算是簡(jiǎn)單的愛因斯坦模型的熱容理論，也能夠與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好吻合，不僅能夠給出合理的解釋也簡(jiǎn)潔地指出了問題的本質(zhì)。在固體物理課程的學(xué)習(xí)過程中，要多強(qiáng)調(diào)近似方法的應(yīng)用，創(chuàng)新思維的重要性，為今后解決實(shí)際的工程問題奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于普通高校材料類專業(yè)本科階段固體物理教學(xué)中，重點(diǎn)在于引起同學(xué)們的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生們意識(shí)到固體物理學(xué)對(duì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要性，尤其要將固體物理與材料相連接，體現(xiàn)固體物理在材料專業(yè)研究工具的特點(diǎn)。通過教學(xué)方法循序漸進(jìn)地改進(jìn)，教學(xué)內(nèi)容與材料知識(shí)的充分鏈接，課程思政的深入挖掘，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和專業(yè)能力，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。