研究性學習在固體物理教學中的應用

毛飛+++張振華+++李小華+++鄭波

【摘要】固體物理是當今凝聚態物理學和材料科學領域里最重要的學科之一，具有非常高的理論性和實用性，而且近年來其發展更新速度也是非常迅速。由于固體物理學其概念抽象、物理理論深奧、對于學生來說比較難以掌握。本文從教學方法入手，探討如何結合當前固體物理學發展的新形勢，把研究性學習方法引入到固體物理的教學中來。

【關鍵詞】固體物理 研究性學習 教學方法

【基金項目】南華大學博士啟動項目（2014XQD06）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）01-0193-02

研究性學習是一種新型的學習方式，它是以學生的自主探索性為基礎，用類似科學研究的方式，通過親身實踐獲取直接經驗，提倡綜合運用所學知識解決實際問題。研究性學習不同于傳統的課堂講授，而是知識講授的擴展與升華。固體物理作為一門基礎學科，其內容十分豐富，而且它涉及龐大的抽象概念體系和嚴密的理論推導，所以要教好固體物理，不僅要求任課教師具有良好的數學和物理學修養，而且還要保持對固體物理學前沿動態的了解。因此，固體物理學也通常被認為是老師難教，學生難學的一門課程。本教學團隊在固體物理的教學過程中開展研究性學習，目的是培養學生自主學習能力，增強學生的創新意識和實踐能力。本文結合筆者研究和講授固體物理學的感想，探討如何把研究性學習方法引入到固體物理的教學中來。

一、扎實的基本知識是研究性學習的根本

根據筆者多年學習研究固體物理學的經驗，要對固體物理進行透徹的講解，涉及到微積分、線性代數、群論等數學知識和量子力學、原子物理學、理論力學和統計物理學等物理知識，這對教師和學生都提出了非常高的要求。在實際的教學過程中，經常會碰到學生的基礎知識不扎實，導致無法理解新知識的情況。例如在講解周期性場中電子運動的近自由電子近似時，就涉及到量子力學中關于在有限勢阱下的電子運動狀態的描述以及微擾理論的運用，這部分內容在普通的量子力學教科書中都有詳細的說明。因此，為了更好地掌握固體物理這門課程，筆者建議學生在碰到相關問題時把量子力學和原子物理等課程進行認真的學習，這樣才能學好固體物理，學生結合新的物理問題可以增進對以前學過知識的認識。

二、通過類比法研究問題

為了使學生更好地理解固體物理學中的知識點，可以通過類比的教學方法聯系多個不同的概念，而目標概念與已知概念在某個性質上具有相同的特征。例如在講解半導體的能帶結構時，它的主要特征是能帶分成導帶和價帶兩支，中間夾有一段禁帶，而電子是不可能存在于禁帶中的。固體中電子能級的這個性質可以與已經學過的原子能級和分子能級進行對比，原子和分子中的電子能級具有不連續、分立的特征，這是學生們已經掌握的內容，比較好理解，固體能帶中的禁帶就類似于原子能級或者分子能級之間的間隔，同樣也是不允許有電子存在的。這樣通過類比的教學方法，就能夠使學生對物理圖像的統一性有更高一層的認識。

三、重點突破固體物理學中的難點問題

研究性學習的教學模式不同于講授式，也不同于自學式，它的主要過程是：發現問題-研究探索-獲得結論。為了發展學生在學習中進行研究的能力，需要重視學生學習自主性的培養，要尊重學生的自主探索，鼓勵學生的創新精神。根據筆者的教學經驗，有時候為了弄清楚固體物理的某個難點問題，需要查閱很多相關文獻和資料，因此，對某個問題進行重點分析和突破是進行具有自主特征的研究性學習的基本方法。在這個過程中提出問題很重要，所提出的問題應該是學生之前沒有遇到過的，問題的性質應該是開放的，對這種問題的解釋應該是多元的，這樣才具有研究討論的空間。讓學生自由地討論和研究問題是激發他們學習熱情、獲得學習成就以及掌握科學研究方法的重要途徑。

四、在處理實際問題的過程中進行研究性學習

研究性學習重視學生知識運用能力和實踐能力的培養。固體物理學是一門理論與實驗相結合的學科，因而處理實際問題的實踐活動直接影響教學效果，關系到學生實踐能力和創新能力的培養。為了增強學生分析和解決實際問題的能力，筆者結合具體情況提出一系列小課題來實施教學。通過這個過程的訓練，鍛煉了學生利用所學知識解決實際問題的能力，促進了學生間的交流與協作，提升了學生的綜合素質。

通過對以上研究性學習方法的實施和改進， 較好地激發了學生學習固體物理的主動性。相比于傳統的教學方法，在研究性學習中教師和學生的角色發生了相應的變化，使學生掌握知識的同時， 培養了學生良好的物理思維模式和分析解決問題的能力， 增強了專業素質， 提高了創新能力。

參考文獻：

[1]吳明在，戴鵬，于欣欣，李廣，孫兆奇.研究性學習在固體物理教學中的探索與實踐[J].科技創新導報，2013，（5）：194.

[2]黃昆原著，韓汝琦改編.固體物理學[M].北京：高等教育出版社，1988.

作者簡介：

毛飛，男，湖南岳陽人，博士，講師，主要研究方向為凝聚態物理。endprint