“固體物理與化學”課程的教學改革與實踐

冷森林 姜菁菁 石維 黃偉

【摘要】固體物理和固體化學是材料類專業的兩門核心課程，這兩門課程基本都以理論教學為主，其教學內容存在著重疊部分，但也有互補內容。為培養應用型的材料類本科人才，通過內容優化整合，增加實踐環節，創新性地將固體物理和固體化學合并成一門課程，并且改革教學內容、教學方法和考核方式。

【關鍵詞】固體物理與化學 ?教學 ?改革與實踐 ?應用型

【基金項目】2013年銅仁學院教改項目“《固體物理》課程的教學改革思考與實踐”（項目編號：JG201346）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）08-0126-02

固體物理是研究固體的微觀結構、各種微觀粒子運動形態和規律以及它們相互關系的學科。它是材料類專業的重要基礎課程，涉及力、熱、聲、電、磁和光學等各方面的內容。固體物理理論在很多研究領域都有廣泛應用，它是微電子、光電子、半導體等各項技術和材料科學的基礎。固體化學著重研究物質的化學反應、合成方法、晶體生長、化學組成和結構，特別是固體中的缺陷及其對宏觀物理化學性質的影響。固體物理和固體化學知識在前沿科學中的應用越來越多，相關材料類專業也都開設了這兩門課程。

隨著科學技術的不斷進步，材料科學的研究正不斷開拓新的研究領域。作為材料類學生的專業必修課，固體物理和固體化學兩門課程原有的知識體系均存在著不同程度的局限性。具體來講，傳統固體物理是一門理論性很強的課程，它用量子理論研究物質的微觀結構，用以解釋宏觀物理性能，以理論教學為重點，實踐教學占的比重不多，與前沿科學的結合也不夠，不符合材料專業對應用型和實踐性的需求;固體化學課程內容包含材料制備工藝和分析手段等實踐內容，但對固體的研究方法、結構與性能關系等方面的探索還需要依靠固體物理理論的指導。針對具體的研究對象，往往需要綜合固體物理和固體化學的知識才能解決問題。這種解決實際問題的需求使得在材料專業設置固體物理與化學課程很有必要。

目前，在國內大學的材料類專業，固體物理和固體化學一般作為兩門獨立的課程設置，兩門課的教學內容既有重疊部分，也有互補需要。可以合并固體物理和固體化學兩門課程，刪去重復知識點，縮短學時;提取、凝練知識點互補部分，利用“固體物理”理論更好地指導“固體化學”實踐，達到“1+1>2”的效果。

根據銅仁學院的辦學定位和教學實際：適應區域經濟社會發展需要，按照“突出應用、培育特色、提高質量”的原則，培養高素質的應用型人才，注重社會服務的教學服務型大學。固體物理和固體化學作為材料專業的核心課程，其教學水平對學生的后續發展至關重要。銅仁學院為新升本科院校，固體物理和固體化學這兩門課程的開設時間不久，而且目前我們的教學還是偏重理論，實踐性不強。因此，為了改變我校材料物理專業固體物理和固體化學教學過程中的問題，培養和造就高素質的應用型本科人才，創新性地設置固體物理與化學課程。

一、改革教學內容

材料學科是一門應用型學科，材料研究的目的就是為了開發設計新材料及其功能應用。根據材料學科的特點和我校材料物理專業的人才培養目標，優化設置教學內容。

（一）將固體物理和固體化學課程的內容有機融合

固體物理和固體化學兩門課的教學內容既有重疊部分，也有互補部分。內容的重疊表現在晶體結構、晶體結合和晶體缺陷為兩門課程共有部分，但側重點不同;互補表現為某一研究問題的解決需要綜合兩門課程的知識點，并且固體化學中關于晶體衍射、固相反應等內容恰好是固體物理中倒易點陣、擴散等理論知識的實際應用。新開設的固體物理與化學將固體化學的知識有機融入固體物理，兩門課程的內容“求同存異”。具體來說，將固體化學關于點缺陷的反應式納入固體物理晶體缺陷章節;將振動光譜、波譜技術與晶格振動聯系起來;將晶體的熱學性質與熱重分析、差熱分析聯系起來;將金屬鍵與能帶理論相結合;固相反應與擴散理論相結合等等。刪掉固體化學中的相圖內容，此部分在材料科學基礎課程中講授。合并后的固體物理與化學學時為72學時，少于原先兩門課程的總學時。

（二）重視知識體系構建，縮減理論學時

固體物理是以熱力學統計物理、理論物理、量子力學等課程為基礎的課程。固體物理的學習需要這些基礎理論作保證，但材料類專業的學生在這方面基礎相對較薄弱。特別是固體物理中有很多新概念，通常需要建立復雜的物理模型和理論計算得到。復雜的數學推導過程和物理假設使很多學生感到困惑，在學習過程中也感到十分困難，造成部分學生失去興趣。因此不能一味追求推導過程，更多的是突出概念的本質和含義，重點講述物理假設和物理過程。物理模型的建立應簡單易于理解，把復雜問題簡單化，讓學生學會用最簡單的方式去解決復雜的問題。比如倒格子概念抽象，是固體物理的一個知識難點。在講授倒格子時，盡量簡化其推導過程，類比普通物理平面波中波矢的概念，將倒格矢與波矢類比，建立抽象的概念與已有的物理圖像之間的聯系，講清楚為什么引入倒格子以及引入倒格子后對于我們解決問題的好處，讓學生直觀理解其背后的物理意義，幫助學生在倒空間中思考問題。

（三）融入前沿科學，提高學生學習興趣

很多新技術、新材料的發明離不開固體物理和固體化學知識，在教學過程中要適當加入前沿科學和當今世界的研究熱點，使學生認識到課程內容的重要性和實用性，例如，在講解固體分類的時候，就要介紹準晶體;在講晶體結構的時候，可以介紹石墨烯、碳納米管。材料由于晶體結構的不同，其物理化學性質相差很大，在講金剛石結構的時候，要提到另一種具有相同結構的硅材料。還有超晶格與晶體結構、半導體與能帶理論的聯系;材料的磁性與原子結構之間的關系;巨磁電阻效應等現象。使學生了解固體物理理論在前沿科學中的應用，擴展學生的知識范圍，提高學習興趣。

（四）注重實踐教學，提高學生實踐能力

材料學是實踐性很強的專業，需要在教學中加入實踐內容，在每章最后專門設置一個小節內容作為本章應用舉例，可以更好地幫助學生理解課本上的理論，更重要的是把理論知識應用到實踐中，理論與實踐結合，培養學生獨立思考問題的能力。例如，在講解X射線衍射的時候，可以用某物質的XRD圖譜作為例子，簡單教學生使用Jade分析XRD圖譜如何確定衍射峰的晶面指數，如何根據衍射峰來計算晶面間距，結合材料的晶體結構，從而確定材料的晶格常數，這樣就把晶體結構這一章的知識全部串聯起來。在講晶體對稱性的時候，可以列舉相關材料，例如晶體的鐵電性與對稱中心的關系。

（五）增加科普知識，引入情感教學

在教學內容中增加科普知識，有助于增強學生的認同感，提高學生的科學素質。在講授某個學科知識點的時候，增加其發展的歷史故事，有助于學生更好地理解這門學科和這個理論。科學家是科學發展的主體，也是某一學科知識的締造者。介紹相關科學家對某知識點的貢獻和科學家的生平故事，可以有效提高學生學習的興趣。能帶理論是固體物理中的一個重要理論，通過對固體電導理論發展史的講授，使學生更好地理解這個理論和實際應用。

二、改革教學方法

（一）多媒體教學和模型教學，建設網絡課程資源

傳統的理論教學以板書為主，其優點是有利于學生理解理論推導過程。但不足在于耗費時間、且有些圖形動畫板書不夠形象。而應用多媒體教學具有形象生動、有聲有色、節約時間等優點，可以利用Material Studio等計算機軟件制作晶體模型，增加一些動態元素，突出趣味性、形象性，把抽象的物理模型用文本、視頻、動畫等多種方式展示出來，增強課堂教學的直觀感染力。在課堂增加一些實物模型，比如講晶體的結構，可提供一些球棍模型，讓學生自己動手組裝，使學生能直觀感受晶體的結構，對理解晶體的對稱性有很大的幫助。還可以制作一些CAI課件。在學院網站建立固體物理與化學課程板塊，將課件、模型、視頻等資料作為網絡課堂，為學生提供課下學習資源。

（二）采用教學互動模式，激發學生學習興趣

現代教學不是一個老師教、學生學的單一過程，更不是“填鴨式”的灌輸過程，而是以學生為主體、老師為主導，相互參與的過程。教師要鼓勵學生發現和探索問題。學習每個章節，都要探討三個問題：這章的知識體系是什么，本質是什么，在課程中的作用和地位是什么。通過這樣啟發式的問題，引導和鼓勵學生思考、討論，能力的提高在于發現問題和尋找答案的過程，鼓勵學生提出自己觀點和見解，不怕出錯，反復思考，對某一問題深究到底，營造積極活潑的課堂學習氣氛。

（三）創新作業形式，提高學生知識應用能力

在現有教學方式中，課后作業以習題形式為主，不利于發揮學生積極主動性，有礙學生發現問題和解決問題能力的培養。因此需要改變傳統作業形式，將作業以論文的形式呈現。地方本科院校的學生基礎相對薄弱，需要采取循序漸進的方式進行指導，使他們盡快適應新的學習方式。在前期，由教師選擇涵蓋課程知識點的中文期刊論文，學生自學并整理期刊論文內容，制作做成PPT課件，并在課堂上講解自己制作的課件;到后期，教師給出一些材料科學中與課程相關的研究熱點問題，不再具體指定論文，引導學生圍繞主題發現問題，檢索信息，解決問題，并且撰寫小論文。這樣不僅提高了學生的自學和解決問題的能力，還開闊了學生的眼界，使他們對理論在實踐中的應用有更深刻的體會。

三、改革考核方式

考核是檢驗學生課程學習情況的重要途徑，學術型學生的培養，主要以閉卷考試為主，但應用型學生的培養，應該以過程考核為主。引入實例討論環節并將其計入平時成績，加強學生在此過程中的參與程度，在教學過程中將學生分成不同的課題組，分配不同的課題給他們。因此，我們采取改變平時成績計算方法和在期末考試中設置開放性試題的辦法，平時成績設置起始分數，有積極表現的加分，比如課堂主動提出問題和回答問題、平時小論文寫作、課堂做專題論文PPT報告都可以加分，沒按要求完成任務的則扣分。在期末考試中設置開放性試題考察學生對于學科知識體系的理解，開放性試題不設標準答案。通過考核方式的改變，引導學生改變不良的學習習慣，培養積極主動的學習方式。

四、結語

根據培養高素質應用型本科人才的培養目標，需要增加實踐性應用性的課程，較少理論性課程和學時，在這樣的背景下，通過內容優化整合，將固體物理和固體化學合并成一門課程，即縮減了總學時，又不減少知識點，同時還加大了實踐技能的教學，達到了人才培養的目標。

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作者簡介：

冷森林（1981-），男，漢族，江西宜春人，博士，副教授，主要從事固體物理、固體化學的教學工作。