固體物理教學改革的探索與實踐

郝淑娟　徐權　董云峰　劉永皓　馮瑞姝

摘要：針對物理學專業固體物理課程的內容特點和教學實際，通過總結教學經驗，充分利用學校現有教學資源，積極對課堂教學進行大力的實踐和改革并取得了較好的成效，為物理學專業課程的課堂教學改革進行了有益的探索和實踐。

關鍵詞：固體物理；課堂教學；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）17-0129-02

固體物理是研究固體的結構及其組成粒子（原子、離子、電子等）之間相互作用與運動規律以闡明其性能與用途的學科。固體物理與凝聚態物理和新材料科學緊密相連，是現代科學技術的重要物理基礎，是當今物理學領域中最重要的學科之一，因此它是物理學專業高年級的一門重要基礎理論與應用的課程。該課程對固體的結構和性質的研究是從原子、電子和分子的角度進行的。它與金屬物理、普通物理、材料科學、熱力學與統計物理，尤其是量子力學等相關學科聯系非常緊密。對于固體電子論、固體的磁性、晶格振動和晶體的熱學性質、超導體、半導體等專題要著重研究。所以說，在物理學專業起到承前啟后作用的專業課程是固體物理。如何較好地講授該門課程，取得良好的教學效果，是一個值得深入研究的問題。就當前固體物理在教學實踐中出現的問題，我們從其教學手段、教學內容和教學方法等三個方面進行探索性的實踐與改革。

一、教學中存在的問題

1.教學內容方面的問題。首先固體物理課程所包含的知識面較為廣泛，理論性和專業性較強，抽象難懂，大量運用比較復雜的數學處理方法，增加了學習強度，使學生的學習變得較為困難。其次，固體物理的較高要求，使得學生的空間想象能力變得更加豐富，尤其是在學習晶體結構這部分內容的時候，空間想象是必不可少的，這更進一步地增加了學習難度。再者，由于諸多方面的原因導致固體物理教學學時緊張，固體物理課程被不可避免的壓縮刪減。這樣就使得教師在基本的講授時間之外，選擇用很少的課余時間進行專題講解，這樣非常不利于拓展學生的視野和知識層面。另外，在社會不斷進步、科技發展迅猛的時代，激光、半導體、超導等一系列現代科學技術的研究均取得了很大的突破，固體物理學科發展也發生著日新月異的變化，層出不窮的高新技術，不斷涌現出來的新概念，而現有的經典教材卻少有前沿知識的更新，對固體物理前沿的新動態、新成果、新概念介紹得不夠，這樣就很容易導致學生缺乏學習的動力和興趣，同時也給我們的固體物理教學帶來了嚴峻的挑戰。

2.教學手段方面的問題。傳統的固體物理教學手段基本采用“黑板+粉筆”的傳統模式，教師依然使用傳統教具和較為抽象的語言來傳授知識，沒有具體的形象描述。而固體物理課程內容相對豐富，對于稍微復雜的三維晶體結構、倒易空間及其能帶結構和特點等難以描述清楚，致使學生難以理解一維到三維的擴展，對該門課程沒有形象深刻的認識，感覺很空洞，對固體物理的基本定理、公式、概念等沒有較多的體會，這就讓固體物理變得非常難學，學生越學越受挫，從而對固體物理失去學習的興趣，最終導致學生對固體物理產生厭學情緒。

3.教學方法方面的問題。固體物理教學的傳統形式比較單一，“填鴨式”教學模式讓教師成為主體，教師唱獨角戲。這種教學模式強調理論知識全面，公式推導嚴謹、精練，只能使學生被動地接受前人已經積累的知識，單純靠機械記憶，從而降低了學生的理解程度。這種教學模式也沒有對學生進行很好的引導，讓學生積極主動地去思考和研究，去發現問題和提出問題，甚至解決問題，限制了學生的創造性。教學方法的單一也使學生缺少了對本門課程的整體認識，不知道各章節間的聯系，腦中只有零散的知識點，學習效果大打折扣，覺得固體物理課程原理多、模型多、定律和概念多，這就更容易使學生對固體物理學習失去興趣。在教學過程中大量講授物理模型的推導過程，比如黃昆的《固體物理》中能帶理論等章節含有大量涉及量子力學的理論推導，這使學生接受起來比較困難，學生對理論性相對較強的內容可能不太感興趣，而對實用或未來就業價值更高的知識比較感興趣。

二、課程教學改革和實踐

針對我校的實際情況和固體物理課程教學中存在的諸多問題，我們相應改革了課堂教學方法、教學手段和教學內容，以期推動固體物理課程的建設。

1.優化教學內容。針對本校本專業學生的特點以及課程的學時安排，對固體物理課程內容進行優化和整合。第一章晶體結構，主要講述晶格、周期對稱性、幾種基本的晶體結構和倒格子；第二章固體的結合，主要介紹晶體結合力的物理本質，并介紹基于不同結合力的幾種基本晶體類型；第三章晶格振動和晶體的熱學性質，重點講述愛因斯坦模型、德拜模型以及一維單原子鏈和一維雙原子鏈，其他內容讓學生自學；第四章能帶理論，主要講述布洛赫定理，近自由電子近似，緊束縛近似，固體能帶，能帶結構計算，介紹費米面和態密度定義及其物理實質；第五章晶體中電子在電場和磁場中的運動，講述特定電場、磁場下電子的運動規律；第六章缺陷，簡要講述缺陷產生機制，介紹點缺陷，其他內容安排學生自學。

另一方面，在教學內容中適當添加一些與本學科相關的現代技術和物理前沿，開闊學生眼界、提高學習興趣和積極性。

2.教學手段多樣化。以前課堂教學是單一的黑板教學，而固體物理對學生的空間想象能力要求高，因此，為提高課堂教學質量和講課效率，引入具有生動、形象、直觀、靈活、信息量大等突出優點的現代多媒體教學。根據教學內容在網絡上選擇合適的動畫和圖片，設計和建立一套完善的多媒體課件教學系統。比如，在講晶體結構的時候，可以加入氯化鈉、金剛石等晶體的三維結構圖，讓學生360度觀看晶體結構；在講布里淵區的時候，利用ppt動畫效果，使學生深刻理解布里淵區的畫法。但是，在實際教學過程中也暴露出僅用多媒體教學的不足之處。據學生反映，多媒體畫面具有瞬息多變、一晃而過、翻頁太快使學生來不及思考、概念印象模糊、記憶膚淺等弊端，因此必須恰當使用多媒體課件。筆者的體會是，使用多媒體但決不能依賴多媒體，而是將使用多媒體課件與傳統講課方法有機結合，實現優勢互補，獲得最佳授課效果。這就要求多媒體課件不能是書本的拷貝，更不能對著多媒體課件照本宣科，而是要求課件制作必須精良，使用要恰到好處。endprint

將一些國內外優秀的記錄片引入到固體物理的教學中。如，在課程的開始階段介紹該教材的編著者——黃昆先生。我們可以以記錄片的形式介紹黃昆先生的生平，讓學生在了解編著者的同時，對這本教材也有更進一步的了解，這就很容易地調動起學生對本門課程的學習興趣。又如，在講解超導時，教師可以運用《絕對零度》這一紀錄片，讓學生對超導體的特殊性質和超導的研究歷史有更加形象的認識。

3.教學方法靈活化。結合本校本專業學生的特點，靈活的運用教學方法，選擇學生易于理解的方法進行講授，盡量避免大量的數學推導過程。對于物理概念、物理原理和物理模型的描述是固體物理教學中具體問題闡述的著重點，同時，教師對于較為詳細的固體器件技術問題和較為繁瑣的教學推導都要盡量減少。在講解推導過程較為復雜但結論卻很重要的內容時，教師一般會直接給出結果，這是大多數學生都愿意接受的，相對于那些少數需要更深入學習研究的學生，我們就可以采取將具體的推導過程用別的課件給出的形式，盡量讓學生自主學習探究，碰到問題再與老師進行探討。

在教學中貫徹“教為主導，學為主體”的原則。采用啟發式教學，讓學生在教學過程中通過積極思考對問題進行發現和提問，促使學生對知識的學習由被動變為主動。在各章節的教學中也采用同樣的方法，使學生對教學內容進行深入思考，并且經常聯系前面學過的知識，找出知識點間的關系，使學生對教學內容有宏觀的認識，避免知識學的零散雜亂。

三、結語

當今社會，科學技術的不斷進步與發展，使得固體物理教學也面臨著越來越多的改革和挑戰，固體物理的教學諸方面也要進行相應的調整和轉變。針對物理學專業固體物理課程特點，結合本學校本專業學生特點，開展該課程課堂教學內容、教學手段和教學方法的改革與實踐，有效地調動了學生的學習興趣，變被動學習為主動學習，使學生學出了自信和成效，讓老師和學生共同分享到課堂教學改革的樂趣和收獲，為物理學專業課程的課堂教學改革進行了有益的探索。

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