適應材料物理和電子科學與技術專業需求的固體物理學課程教學改革和實踐

李子炯　蘇玉玲　王永強　龔高尚

摘 要 固體物理學是材料物理和電子科學與技術專業的重要課程，根據這兩個專業的需求特點，在教學內容、教學方法和能力培養與提高等方面對固體物理學課程進行了改革和實踐研究。

關鍵詞 固體物理學 教學改革 教學方法

中圖分類號：G424文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.01.031

Solid State Physics Teaching Reform and Practice Adapt to Materials

Physics and Electronic Science and Technology Needs

LI Zijiong， SU Yuling， WANG Yongqiang， GONG Gaoshang

（School of Physics & Electronic Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou， He'nan 450002）

Abstract Solid State Physics is physics and electronic material science and technology important professional courses， according to the needs of both professional features in the teaching content， teaching methods and capacity-building and improving other aspects of solid state physics curriculum reform and practice.

Key words solid state physics; teaching reform; teaching methods

0 引言

隨著人才需求的不斷變化和學科的發展，不同專業的課程體系和人才培養模式應與時俱進地作相應的調整和優化，不斷完善和發展以適應專業特點和新形勢下需求的培養目標。①②固體物理學課程主要研究固體（晶體）的微觀結構特征、相互作用及其運動規律，并闡述其用途的學科。固體物理學課程是物理、材料、化學和電子等專業的基礎課程。③但受傳統教學內容、教學手段和有限課時等的影響，不少學生缺少對該課程在專業培養中的重要作用的認識，學習重視程度不夠，缺乏學習積極性。因此，有必要根據不同專業方向特點，在教學內容、教學方法和考核體系等方面對固體物理學課程進行教學改革。

材料物理和電子科學技術是鄭州輕工業學院物理與電子工程學院的兩個專業，我們在這兩個專業開設了固體物理學課程，分別制定了課程標準和課程教學目標。針對固體物理教學課程自身的特點，結合材料物理和電子科學與技術專業學生的培養模式和需要，根據多年對固體物理學在兩個專業的教學實踐，提出了關于固體物理課程教學根據專業不同需求的優化與調整方案，并在教學中進行了實踐，取得了一定的效果。

1 根據專業特點，進行教學內容的調整和優化

固體物理學是一門綜合性很強的課程，除了需要量子力學和統計物理、大學物理等方面的基礎知識外，在傳統的內容上也是增加了很多現代科技前沿的內容。由于不同專業學生的背景和培養目標的差異，在授課內容方面首先要進行一定的調整和優化。

材料物理專業是我校較早開設的傳統專業，其目的是培養較系統地掌握材料科學的基本理論與方法，具備材料物理相關的基本技能和基本知識，能在材料科學與工程及與其相關的領域從事教學、研究、教學科技開發教學及相關管理工作的材料物理高級專門人才。由于學生的材料和物理背景較好，考慮到該專業與固體物理學聯系較緊密的特點，需要對傳統固體物理學課程教學內容進行強化和延伸。

如在講解晶體結構一章時，在讓學生深刻理解晶體結構平移性和對稱性特點的基礎上，我們適當增加了材料結構分析方面的內容，除了晶體結構詳細講解外，對非晶體、準晶等也要做一定的介紹，并結合科研工作中常見的晶體缺陷問題，對相關材料進行分析，增加了如何利用X射線衍射分析晶體結構，并安排學生動手制備一些新材料，學習應用掃描電子顯微鏡、投射電子顯微鏡、XRD等工具對所制備材料的微觀結構進行表征分析，從而加深學生對所學知識的理解，提高解決實際問題的能力，獲得了對固體物理課程學習的主動性和針對性。

在講述晶體結合一章，增加了氫鍵結合形成不同晶體的特點及規律，將共價性結合和金屬結合的特點和規律采用第一性原理進行計算，并將結果進行課堂視頻展示;在講述金屬、半導體電子結構章節中，有意識地增加了態密度、摻雜、能帶調控等概念，在此基礎上，適當分析一下半導體材料的電子結構對其電學和光學性質的影響，有意識地加強材料物理專業學生的分析和解決問題的能力。結合當前材料科學研究的新材料如石墨烯、二硫化鉬等納米材料、金屬氧化物量子點等，進行了結構和潛在應用的分析，對拓寬學生的知識結構、開闊視野和提高學習興趣起到了積極作用。

在講解能帶理論一章時，注重問題提出和解決的思路方法，將復雜的材料問題運用合理的物理近似處理方法，使材料物理專業能夠把所學的物理知識和材料有機結合起來，并能夠運用所學知識解決實際問題，通過實踐，收到較好效果。

針對電子科學與技術專業主要培養學生從事與光電子器件應用與光電工程技術等工作，需要實際與理論相結合，并且能夠把理論知識能夠運用在生產與工作當中的要求，在講述固體物理傳統內容時，抓住物理過程的主要方面，構造簡化的模型，進行有效的數學處理。教學過程緊扣物理模型和思想，適當降低知識難度，而且還要適當減少傳統固體物理內容與電子科學和技術專業關聯不大的問題。將與電子科學技術專業密切相關的能帶理論、晶體缺陷、半導體電子倫和金屬電子論等章節作為重點講授的內容，同時也盡量保持知識的連慣性和系統性。

科技發展日新月異，不斷出現的新技術和新發現為固體物理學課程內容的延伸不斷開拓出新的研究領域。在教學實踐中，我們將傳統的固體物理學教學內容與日新月異的物理前沿內容間的關聯有機結合起來，例如，與能帶理論有關的LED、與晶體結構有關的C60、太陽能光伏電池的研究進展和應用、以及固體激光器等與光電技術相關的前言知識穿插在教學當中，強化學生的基礎知識學習，提高學生的學習興趣、明確學生的專業方向，拓寬學生的視野。

2 根據專業特色調整和優化教學方法

針對材料物理和電子科學與技術專業的不同特點，除了進行固體物理教學內容的優化調整外，在教學方法也要進行改革，以適應這兩個專業的培養目標需要。

首先改變傳統教師課堂一言堂的教學方法，將課堂主體交給學生，增加師生互動環節。課堂上老師把要講授的內容以提出問題的形式展出，鼓勵學生解答這些問題，充分發揮了學生的積極主動性。對于學生普遍不好理解和難懂的問題，教師再進行細致講解，這樣做到重點突出，有的放矢，充分實現教師和學生的課題互動，極大地提高了學生的積極性。同時加強習題課環節，任課教師事先將要講的習題給學生，并安排學生分組討論。課堂上，學生積極主動上臺講解習題的不同解答方法，并可對不同解答提出質議，這樣既增強了學生理解和解決問題的能力，又極大提高了課堂效率。對不同專業學生，除了教學內容的側重點不同以外，在教學方式方法上也體現出差別。如對材料物理專業學生，教學時要注重課堂教學內容的邏輯關系，強化對概念和規律的理解、記憶，對于與專業相關的理論，要求學生能夠理論推導。而對電子科學與技術專業學生，提出“聯想式教學法”，例如，從大學物理中的光和機械波傳播的干涉和衍射現象引入倒格矢的概念，把抽象難懂的倒格子與光的波動性聯系起來，從而聯想到對微觀粒子波動性的空間描述;從大學物理中聲波和電磁場的耦合激化現象引領學生學習聲學波和光學波的異同點;從光伏太陽能電池的原理入手聯想到能帶理論等等，從而加深對固體物理圖像及物理本質認識，而不是僅僅停留在對概念和規律的推導和理解上。

其次是將生動直觀的物理演示模型引入課堂教學實踐中，提高課堂效率。我們將固體物理學課程中的相關難懂知識點，做成一系列教學模型，通過課堂演示，加深對學生對固體物理知識的理解和掌握。如講解不同晶體結構時，我們分別演示了Si、Cu和NaCl等的不同晶體結構的原子排列模型;講解晶體的對稱性時，我們分別演示立方體、圓柱體、錐體等的模型，引導學生分析不同模型的對稱特點，同時采用3D MAX 動畫制作軟件，將不同晶體結構制作成三維圖像及視頻，既形象又生動，充分調動學生的學習積極性。對于固體物理的能帶理論一章，推導復雜，學生理解有一定的困難，針對理論推導不作重點要求的電子科學與技術專業學生，我們重點通過講解模型建立和合理簡化處理問題的物理思想，通過引入不同能帶結構的半導體材料在LED、太陽能電池的應用，講解晶體能帶的特點和調控方法，加深了學生對這部分的重視和理解。

最后是重視課后反饋，增強學生的知識運用能力的提高。對學有余力的學生，我們結合院系的科研條件，安排一部分學生到實驗室，協助老師做些科研工作，結合課堂所學知識進行應用指導。我們將MS、CASTEP等計算軟件對電子科學與技術專業學生進行了培訓使用指導，使學生能夠利用計算軟件建立基本模型，并進行能帶、光電性質的計算， 進一步加深了學生對該相關知識的理解和應用能力的提高。利用課下時間，我們還引導學生運用不同數據庫查閱相關外文文獻，教會學生如何快速閱讀文獻，找到自己想要知道的信息，促進學生了解前沿課題研究的概況，對培養學生的創新和解決問題的能力起到了積極作用。

3 根據專業特色調整和優化考核體系

針對固體物理學課程在材料物理和電子科學與技術專業教學內容和教學方式的不同，對這兩個專業的學生制定出相應的考核體系。平時成績的計算上，除了傳統的考勤、作業分以外還設置課堂獎勵分，主要是對于課堂上任課教師提出的問題和安排的課題能夠認真、積極準備，完成或回答較好的，可給予一定的分數獎勵，以鼓勵學生積極參與課程學習，充分發揮學生的創造性和主動性。

對于電子科學與技術專業的學生，主要采用平時成績與期末考查相結合的評價形式，平時成績和期末考查各占50%。平時成績主要包含學生的考勤、作業、課堂回答問題、課下參加課題研究的情況，各部分所占比例也進行了細分，這有助于客觀公正地評價學生對固體物理學課程學習的積極性和主動性。期末考查一般采用小論文的形式，小論文的題目涉及到本課程相關的前沿內容和本課程基礎知識的應用，引導學生主動探索分析學科前沿動態和應用領域，提高學生的綜合分析問題和解決問題的能力，有利于學生充分發表自己的見解，展現自己的能力，發揮自己的水平。

總之，隨著科技發展的日新月異，傳統固體物理學課程的教學已經不能很好地適應材料物理和電子科學與技術專業等不同專業學生的需要，在教學內容、教學方法和考核體系針對不同專業進行優化和調整，對培養不同專業的創新型人才具有非常重要的作用。

注釋

① 付殿玲，郭文躍，趙聯明.“固體物理”課程教學內容和方法的改革與實踐[J].中國電力教育，2014.21：72-73.

② 郭云東.固體物理教學改革的實踐與思考[J].內江師范學院學報，2009.24（12）：93-95.

③ 黃昆，韓汝琦.固體物理學[M].北京：高等教育出版社，1997.