“固體物理”課程教學(xué)內(nèi)容和方法的改革與實踐

摘要：針對“固體物理”課程的特點和不同專業(yè)對固體物理的要求，通過多年的課程教學(xué)實踐及研究，在“固體物理”課程教學(xué)內(nèi)容中建立了“一個平臺+三個知識模塊”的教學(xué)模式。針對不同專業(yè)的需求特點，對“固體物理”課程教學(xué)內(nèi)容、課堂教學(xué)方法與手段及立體化教學(xué)模式等進行了一些有意義的探索和實踐。

關(guān)鍵詞：固體物理；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)改革；教學(xué)方法；雙語教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0072-02

自20世紀(jì)50年代以來，以固體物理的能帶理論為基礎(chǔ)，固體物理學(xué)得到了飛速發(fā)展?？茖W(xué)家在磁學(xué)半導(dǎo)體、超導(dǎo)、激光等現(xiàn)代科學(xué)研究領(lǐng)域獲得了重大進展，相關(guān)研究成果已經(jīng)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H生產(chǎn)力，并帶動了相關(guān)信息科學(xué)技術(shù)群的高速發(fā)展。在20世紀(jì)50年代末，“固體物理”被采納為我國物理專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，是在物理專業(yè)課程設(shè)置上最為顯著的一項改革。[1]

固體物理學(xué)通過研究固體的結(jié)構(gòu)，及組成固體的粒子之間相互作用與運動規(guī)律來闡明其性能和用途。固體物理學(xué)涉及的內(nèi)容包括固體中的原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)合規(guī)律、固體電子運動方程及能帶結(jié)構(gòu)、金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電機制、半導(dǎo)體的基本原理、超導(dǎo)性的基本規(guī)律等，因此，“固體物理”已成為物理學(xué)科和材料學(xué)科的專業(yè)主干課之一。中國石油大學(xué)（華東）為教育部直屬的行業(yè)特色鮮明的工科重點大學(xué)，目前“固體物理”課程已在材料物理、材料科學(xué)與工程、光信息科學(xué)與技術(shù)三個專業(yè)開設(shè)，并擬在應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)開設(shè)。

本文從中國石油大學(xué)（華東）（以下簡稱“我校”）目前的固體物理本科教學(xué)實際情況出發(fā)，針對不同專業(yè)對固體物理知識需求的不同，對課堂教學(xué)內(nèi)容進行優(yōu)化整合，并結(jié)合現(xiàn)代多媒體技術(shù)對教學(xué)手段和方法提出合理改革措施并在授課過程中進行了實踐。

一、教學(xué)內(nèi)容的改革與實踐—— “一個平臺，三個知識模塊”教學(xué)模式的建立

“固體物理”課程內(nèi)容豐富，體系龐大，涉及到“普通物理”“理論力學(xué)”“量子力學(xué)”“熱力學(xué)統(tǒng)計物理”等多門課程，而目前國內(nèi)各個高校“固體物理”課程的授課學(xué)時受到了總學(xué)時的限制。因此如何在有限的學(xué)時內(nèi)把固體物理的精髓講授給學(xué)生，需要針對學(xué)生的不同專業(yè)特點和對固體物理的要求來精選授課內(nèi)容。

我校有三個專業(yè)開設(shè)“固體物理”課程，分別為材料物理專業(yè)（64學(xué)時專業(yè)必修課）、材料科學(xué)與工程專業(yè)（32學(xué)時專業(yè)限選課）、光信息科學(xué)與技術(shù)（32學(xué)時專業(yè)限選課）。由于各個專業(yè)的特點及對固體物理的要求不同，因此在授課過程中授課內(nèi)容必定有所差異。

我校材料物理專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)后一部分在企事業(yè)單位從事材料分析與檢測或材料制備工作，一部分繼續(xù)讀研深造。學(xué)生在大學(xué)前兩年的學(xué)習(xí)中已系統(tǒng)學(xué)過“普通物理”“量子力學(xué)”“熱力學(xué)統(tǒng)計物理”等課程，物理背景明顯，物理知識扎實，并且在以后的學(xué)習(xí)和工作中對固體物理要求較高。根據(jù)這一實際情況，筆者選用山東大學(xué)出版的物理基地班教材，在對材料物理專業(yè)講授時主要包含以下六部分內(nèi)容：一是晶體的結(jié)構(gòu)，在這部分中主要講授固體物理的基本概念，如晶體的共性、堆積模型、布拉菲點陣等內(nèi)容；二是晶體的結(jié)合類型，主要從晶體結(jié)合的物理本質(zhì)出發(fā)闡述導(dǎo)致不同結(jié)合類型的原因；三是晶格振動與晶體熱學(xué)性質(zhì)，在該部分中主要有簡單到復(fù)雜的講解一維晶格振動、三位晶格振動及晶格振動的熱容理論；四是晶體的缺陷，主要講晶體缺陷的基本量類型、性質(zhì)及缺陷的擴散和缺陷的統(tǒng)計；五是晶體中的電子能帶理論，主要講布洛赫波、一維晶格中近自由電子的近似、能帶理論等，并由此講解導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體形成的本質(zhì)和差異；六是自由電子論和電子的輸運性質(zhì)，主要講電子氣的費米統(tǒng)計，利用費米統(tǒng)計理論和能帶理論對金屬的電導(dǎo)、熱導(dǎo)等電子輸運特性進行系統(tǒng)分析。該六部分內(nèi)容基本包含了晶體物理學(xué)的主要內(nèi)容，就后期學(xué)生深造所需的表面物理、非晶態(tài)物理等很少涉及。該內(nèi)容已在材料物理專業(yè)2004～2008級5屆學(xué)生中講授過，學(xué)生反映良好。

針對材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)“固體物理”課程，其為32學(xué)時專業(yè)限選課。考慮到該專業(yè)學(xué)生沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過“理論物理”“熱力學(xué)統(tǒng)計物理”“量子力學(xué)”等課程，物理背景相對較弱，但在先修課程中已學(xué)過“材料科學(xué)基礎(chǔ)”“材料工程基礎(chǔ)”“材料力學(xué)性能”等課程，因此筆者在講授“固體物理”課程時從學(xué)生實際知識背景和學(xué)時要求出發(fā)，弱化課程涉及到的具體理論推導(dǎo)，強化模型思想對部分推導(dǎo)直接得到結(jié)論。從學(xué)生本身知識背景考慮，在課程教授時主要講解以下三部分內(nèi)容：一是晶體的結(jié)合類型，該部分內(nèi)容與材料物理專業(yè)一致；二是晶格振動與晶體熱學(xué)性質(zhì)，在該部分中筆者弱化理論推導(dǎo)，而是通過近似的思想給出熱容的愛因斯坦模型和德拜模型；三是晶體中的電子能帶理論，講解內(nèi)容與材料物理專業(yè)一致，但在授課過程中涉及到量子力學(xué)的內(nèi)容直接給出結(jié)論而略掉具體推導(dǎo)過程。與材料物理專業(yè)相比，材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的授課內(nèi)容和授課學(xué)時均有所減少。比如對于晶體結(jié)構(gòu)和晶體的缺陷等內(nèi)容直接略掉，這是由于學(xué)生在先修課程材料科學(xué)基礎(chǔ)中已經(jīng)講解過，這樣就避免了不同學(xué)院在授課過程中的內(nèi)容交叉。對于想繼續(xù)考研深造的學(xué)生，筆者一般建議跟隨材料物理專業(yè)學(xué)生上64學(xué)時課程。該部分內(nèi)容在2002～2008級7屆學(xué)生中講授過，學(xué)生反應(yīng)較好。

光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)隸屬中國石油大學(xué)（華東）理學(xué)院，該專業(yè)學(xué)生的物理知識較材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生教深，其專業(yè)就業(yè)領(lǐng)域為光電子產(chǎn)品與技術(shù)領(lǐng)域。光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開設(shè)32學(xué)時“固體物理”專業(yè)限選課。與材料科學(xué)與工程專業(yè)相比，開設(shè)課程學(xué)時雖然相同，但學(xué)生的專業(yè)知識背景和對固體物理的要求并不相同。該課程主要教授以下內(nèi)容：一是晶體的結(jié)構(gòu)，該部分內(nèi)容與材料物理專業(yè)一致；二是晶體的結(jié)合，主要講晶體結(jié)合的物理本質(zhì)，并因此而導(dǎo)致的不同晶體結(jié)合類型，應(yīng)力和應(yīng)變的內(nèi)容因涉及到矩陣推導(dǎo)而去掉；三是晶格振動與晶體熱學(xué)性質(zhì)，該部分內(nèi)容與材料專業(yè)大概一致，但弱化具體推導(dǎo)，比如晶格振動的長波近似等內(nèi)容，直接給出結(jié)論；四是晶體的缺陷，主要講晶體缺陷的基本量類型、性質(zhì)，而缺陷的擴散和缺陷的統(tǒng)計只做定性分析。與材料物理專業(yè)相比，受到客觀原因限制，光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的授課深度有所降低，授課內(nèi)容和授課學(xué)時均有所減少。該部分內(nèi)容已在光信息科學(xué)與技術(shù)2006～2011級6屆學(xué)生中講授過，學(xué)生反應(yīng)良好。

通過對課程內(nèi)容的認真分析，并針對我校三個不同專業(yè)的課程特點及對固體物理的需求，筆者在多年實踐的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了“固體物理”教學(xué)“一個平臺，三個知識模塊”的教學(xué)模式，為其他相似課程的建設(shè)提供了一定的借鑒意義。

二、教學(xué)方法和手段的改革與實踐

“固體物理”課在授課過程中涉及到較多的理論推導(dǎo)，一般采用傳統(tǒng)的板書授課形式。板書授課可以保證學(xué)生與教師思維的同步，加深學(xué)生對知識點的理解。但板書在課堂教學(xué)過程中會占用相當(dāng)?shù)恼n堂時間，降低課堂學(xué)習(xí)效率和信息量，且長時間板書會導(dǎo)致學(xué)生課堂注意力下降，主動參與學(xué)習(xí)的積極性降低。從課程特點來看，某些教學(xué)內(nèi)容單靠板書學(xué)生理解難度較大，比如晶體周期性結(jié)構(gòu)、密堆積模型的六角密排和立方密排、倒格矢、倒格空間等。傳統(tǒng)的課堂板書教學(xué)方式在“固體物理”教學(xué)時遇到了極大的困難。鑒于此，傳統(tǒng)的板書教學(xué)方法需要改革。

自20世紀(jì)90年代以來，隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，多媒體技術(shù)已成為“固體物理”教學(xué)現(xiàn)代化教學(xué)手段的重要組成部分。在“固體物理”教學(xué)過程中晶格振動、固體、能帶理論、電子輸運等內(nèi)容，要用到量子理論、理論力學(xué)、熱力學(xué)統(tǒng)計物理等知識，且要用到高度抽象的波矢空間，該部分知識點一直是教師上課的重點和學(xué)生學(xué)習(xí)的難點。借助計算機技術(shù)可以把圖片、文本、聲音、視頻等諸多要素集成在一起來改變教學(xué)信息的包裝形式，直觀地用動態(tài)的畫面解釋晶體的微觀及宏觀結(jié)構(gòu)和有關(guān)的物理規(guī)律，從而提高教學(xué)內(nèi)容的表現(xiàn)力和增強教學(xué)過程中的直觀感染力。而且可以方便現(xiàn)在常用“固體物理”教學(xué)模式設(shè)計，提高現(xiàn)有教學(xué)模式的教學(xué)效率和質(zhì)量，以達到優(yōu)化固體物理教學(xué)的目的。[2]如在講到晶體的密堆積模型時，學(xué)生對六角密排和立方密排感到難以理解，筆者利用3DS MAX動畫制作軟件及MS、CASTEP等計算軟件的繪圖功能制作了晶體結(jié)構(gòu)的三維圖像及視頻，從而充分向?qū)W生展示其堆積方式及堆積過程，學(xué)生反映良好，收到了較好的教學(xué)效果。

多媒體技術(shù)授課方式同傳統(tǒng)的板書教學(xué)相比有其自身的先進性，如教師提前制作多媒體課件可節(jié)省大量的板書時間，可提高課堂效率、增加課堂教學(xué)內(nèi)容的信息量；多媒體課件的直觀性、新穎性特點，可提高學(xué)生的課堂興趣。但“固體物理”課程理論性很強，如果課堂教學(xué)完全依賴多媒體課件會導(dǎo)致學(xué)生忽略課程內(nèi)容學(xué)習(xí)，而把注意力轉(zhuǎn)移到課件本身上去；多媒體課件可節(jié)省課堂板書時間，增加課堂內(nèi)容的信息量，但同時導(dǎo)致課堂進度緊湊，學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)過程中思維緊張，沒有充分的時間對知識點深入理解和吸收。因此，通過多年的教學(xué)實踐，在教學(xué)過程中筆者采用了課堂“板書教學(xué)+多媒體教學(xué)”相結(jié)合的教學(xué)模式。如在講解晶體結(jié)構(gòu)時，筆者通過板書提示類型，但具體結(jié)構(gòu)通過多媒體課件展示；對于晶體熱容的模型、能帶理論等內(nèi)容，通過多媒體課件給出主要推導(dǎo)步驟，但具體推導(dǎo)過程利用板書進行，從而增加學(xué)生的理解時間等。在多年的教學(xué)實踐中，筆者對課堂板書教學(xué)+多媒體課件教學(xué)的比例進行了探討，但得出的結(jié)論是：由于專業(yè)的不同和面對學(xué)生的不同，其比例關(guān)系不能一概而論，教師仍為課堂教學(xué)的主導(dǎo)，應(yīng)根據(jù)課堂教學(xué)的實際情況來調(diào)整其比例關(guān)系，充分發(fā)揮板書和多媒體課件的優(yōu)勢，達到最佳教學(xué)效果。

三、網(wǎng)絡(luò)資源及“課堂教學(xué)+網(wǎng)絡(luò)自學(xué)”立體化教學(xué)模式的研究與實踐

在多年的“固體物理”教學(xué)實踐過程中，由于專業(yè)課的性質(zhì)，課堂教學(xué)具有難以重復(fù)性，因此學(xué)生課堂聽課的效果很大程度上決定了學(xué)生掌握知識的程度。借助中國石油大學(xué)（華東）“固體物理”校級精品課培育項目的進行，筆者嘗試進行網(wǎng)站建設(shè)，制定了“固體物理”教學(xué)資料的上網(wǎng)計劃。目前“固體物理”課程已具備教材、教學(xué)大綱、教案、講稿、試題庫等教學(xué)輔助資料。網(wǎng)站一旦運行，即可形成“課堂教學(xué)+網(wǎng)上自學(xué)”的立體化教學(xué)模式，從而擺脫學(xué)生僅依賴課堂學(xué)習(xí)的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式。

四、結(jié)束語

隨著21世紀(jì)固體物理學(xué)科的發(fā)展及現(xiàn)代化技術(shù)的進步，對高等教育提出了巨大挑戰(zhàn)，“固體物理”教學(xué)的改革勢在必行。通過多年教學(xué)實踐和研究，在我校的“固體物理”課程教學(xué)內(nèi)容中實現(xiàn)了“一個平臺+三個知識模塊”的教學(xué)模式，對“固體物理”的教學(xué)方法和手段的改革及新的學(xué)習(xí)模式進行了一些有意義的探索和實踐，并取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]黃昆，韓汝琦.固體物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1997.

[2]陳志遠，熊鋼，易偉松.多媒體技術(shù)應(yīng)用于固體物理教學(xué)的探討[J].咸寧師專學(xué)報，2002，22（6）：53-55.

[3]梅顯秀.固體物理教學(xué)改革的探索與實踐[J].大學(xué)物理，2010，

29（7）：43-45.

（責(zé)任編輯：孫晴）