《固體物理導論》教與學反思

韓成良 周敏 莊林林 胡進

摘要：《固體物理導論》是我校無機非專業本科開設的一門重要的專業基礎課。我校無機非本科專業的定位是培養功能材料與技術方面的應用型人才，因此該專業的學生必須具有一定的固體物理方面的知識。本文總結了筆者十多年來在固體物理課程教學中的一些教學感受和體會，結合許多學生的學習心得，指出目前《固體物理導論》課在我校無機非專業本科生中教與學兩方面所存在的一些問題及相應的改進措施，旨在為進一步改善教學和提高應用型人才培養質量提供指導和借鑒。

關鍵詞：固體物理；教學問題；獨立學習；教學反思

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）19-0208-02

一、引言

固體物理中的相關理論已在磁學半導體、超導和激光等現代科學研究領域獲得了重大進展，相關研究成果已經迅速轉變為實際生產力，并帶動了相關信息科學技術群的高速發展。在20世紀50年代末，“固體物理”被采納為我國物理專業的一門基礎課。固體物理通過研究和學習固體的結構及組成固體的粒子之間相互作用與運動規律來闡明其性能和用途，涉及內容包括固體中的原子結構、晶體結合規律、固體電子運動方程及能帶結構、金屬導體的導電機制、半導體的基本原理和超導性的基本規律等，因此，“固體物理”已成為物理學科和材料學科的專業主干課之一。

本文從合肥學院化工與材料工程系目前的固體物理本科教學實際情況出發，針對我校應用型人才培養的特殊需求，對學生的學習情況進行調查，優化整合課堂教學內容，并結合現代多媒體技術對教學內容、考評方式和方法提出合理改革措施，旨在為進一步改善教學和提高應用型人才培養質量提供指導和借鑒。

二、學生對該課程的學習體會

首先，學生普遍反映固體物理這門課程的難度比較大，即使在課堂上認真聽課和做筆記，仍然有多數學生反映還存在對許多概念模糊不清和不能理解的現狀，無法對本課有一個更系統的認識和理解。

其次，多數學生認為固體物理這門課與材料科學基礎、無機材料科學基礎和無機材料物理性能等前修課有一些相似之處，這在一定程度上既為一些學生學習《固體物理導論》帶來了便利，又帶來了干擾。學生認為，很多知識點已經學過，在學習固體物理時遇到，再次學習時又有了更深一層次的認識，掌握的更牢固；而有些概念曾經遇到過，或現在開始學，總覺得有些專業術語就是艱澀難懂，故而產生畏懼的心態。

最后，固體物理學習通常是在看不見、摸不著的動量空間（或波矢空間）中來理解一些問題，在真實的空間里反而不好理解，這一點對于許多學生來說，難度確實有點大。

三、教學內容、方法及考評改革

（一）精選內容原則

固體物理是研究固體的微觀結構以及這種微觀結構和內部運動同固體的宏觀性質的關系的科學。該課程理論性強，內容龐大，其內容主要包括晶體結構、晶格振動和晶體的熱學性質、固體電導理論、固體介電性質、固體的磁性以及固體的光學性質等。對我校無機非專業本科教學而言，由于課時相對有限（40學時），必須堅持有所教和有所不教之原則，而對學生的要求也必須堅持有所學和有所不學之原則。依據我們的人才培養方案要求，無機非專業本科人才培養側重于功能材料及其應用等方面，所以，在講授固體物理這門課程時，由于受到學時和實際培養目標要求的限制，我們精選了兩個方面的內容來進行講授，即以晶格振動和能帶理論為重點講述內容。而傳統固體物理課程內容主要包括晶體的結構、晶格動力學和能帶理論、固體光學和電磁學等，要完全講授完這些內容不符合我校專業人才培養的實際要求。此外，固體物理這門課程里有些內容已經在其他課程里學過，因此，我們必須遵循有所講授和所有不講授的原則，對該課程教學內容進行精選和優化處理，即重點將固體中的聲子和電子的運動和行為對固體宏觀性能的影響機制講授清楚，讓學生能從微觀角度去理解固體一些宏觀性質的緣由和根因。目前，我們把這兩部分內容作為兩個模塊來進行講授，同時，再結合一些實際固體的宏觀性質和現象來進行討論和分析，做到微觀和宏觀相結合以及理論和實際相結合，為無機非專業功能材料及應用方向人才培養奠定一定的物理基礎。

（二）講授方式和考評原則

傳統的固體物理教學內容充滿了艱澀難懂的專業術語、眼花繚亂的空間圖形變換、復雜煩瑣的數學演算，對固體物理前沿的新動態、新成果、新概念介紹的力度不夠，教學方法單一，造成教師難教、學生畏學的教學局面，學生以應付考試、掙取學分的態度去學《固體物理學》課程。因此，學生學習興趣不高，課堂效益甚微。為了改變這一現狀，我們以應用為導向，即先提出一些實際的應用案例，讓學生去思考和討論這些固體之所以有這些應用，其原理和機制是什么，以案例教學方式為主，讓學生主動去參與和思考。例如，講授晶格振動這一模塊內容時，我們先提出，有些固體是熱的良導體，而有些則不能，兩者區別在哪里？又如，一些固體為何受熱后體積會發生變化？讓學生針對這些問題去查閱相關資料，然后提出一些可能的答案，并在課堂上進行討論，將學生變成主動參與者，而不是先灌輸他們這樣或那樣一些的結果或緣由。實際教學表明，這種讓學生帶著疑問去尋找答案的教學方式得到的最終教學效果是很有效的，它培養了學生的獨立分析問題和主動學習能力，同時也培養了學生的學習興趣，鍛煉了學生的溝通和表達能力。在這門課的考核和評價方面，我們采用了過程考核和課程考試一體化考評方式，即過程考核和課程考試各占50%。過程考核主要包括：課堂討論、課外作業、課程總結和讀書筆記等方面，這一項占該課程最終成績的50%。課程考試既為本課程最后的考試，成績占50%。這樣就可以把學生從單純的考試中解脫出來，讓學生有更多的時間去從事課外自主學習。

四、教學手段多樣化

（一）采用現代化多媒體教學

采用多媒體授課方式具有直觀性、新穎性和高效性，可提高學生的課堂興趣，但“固體物理”課程理論性很強，如果課堂教學完全依賴多媒體課件會導致學生忽略課程內容學習，而把注意力轉移到課件本身上去。多媒體課件可節省課堂板書時間，增加課堂內容的信息量，但同時導致課堂進度緊湊，學生在課堂學習過程中思維緊張，沒有充分的時間對知識點進行深入的理解和吸收。因此，通過多年的教學實踐，筆者在教學過程中采用了課堂“板書教學+多媒體教學”相結合的教學模式。如在講解晶體結構時，筆者通過板書提示類型，但具體結構通過多媒體課件展示；對于晶體熱容的模型、能帶理論等內容，通過多媒體課件給出主要推導步驟，但具體推導過程利用板書進行，從而增加學生的理解時間。

適當引入現代研究手段教學，使固體物理教學與時俱迸。教學中引入MS和CRYSTA等程序，使學生能理解現代理論物理的一些研究手段，并通過這些程序演示晶體結構、晶體的熱力學性質計算、晶體能帶的計算等內容，使學生更為系統地掌握固體物理的研究方法。讓學生自己通過軟件為晶體建立空間結構，通過三維圖形清晰地展示晶體空間結構，這樣使抽象的物理圖像變得具體而生動，從而很好地解決晶體空間結構教學“呆板”的問題。總之，合理地利用現代教學手段，可大大激發學生的學習興趣，明顯提高教學效果，同時使得教與學都充滿樂趣。

（二）增加科學史，提高學生學習興趣

科學史經常被作為普及科學知識的一個重要的手段。事實證明，歷史故事可以提高理科學習的趣味性，對某一學科、某一理論發展過程和歷史背景的追述，有助于學生更好地理解這門學科和這個理論。在固體物理學中，每一個發現或者理論的提出都有其獨特的歷史背景和動因。正是基于這個事實，在講解理論之前，可以先講述整個的歷史背景和發展過程，這樣做既可以提高學生學習的興趣又可以讓學生更好地了解整個理論的意義及要解決的問題。

（三）教與學互動，安排學生上講臺

大家都明白在教學過程中，教師的主要作用在于引導和啟發學生積極、獨立的思考。在大學的教學過程中，教師應注重鼓勵學生發揮積極性，讓他們主動地學習。在固體物理的教學過程中，可以設計一些相關的研究性課題或針對每節課的教學內容提出一二個小重點，讓學生通過查閱相關資料并做成PPT課件，然后在課堂上講解。這樣不但鍛煉了學生的自學能力和獨立思考的能力，還提高了課堂教學的質量。同時，通過這種讓學生上講臺的教學方式，還能夠鍛煉學生的膽量，尤其對于不敢當眾講話的學生來說是一個非常好的鍛煉機會。

五、結束語

固體物理課程對材料專業本科生來說的確是一門比較難學的課程，然而，只要堅持有所學和有所不學，在本科階段初步掌握其核心內容（能帶理論）也不是不可能的。教會學生從微觀領域去尋找固體的一些宏觀現象，即讓學生懂得固體應用的基礎是基于固體的不同電子結構，也就是固體的能帶理論基礎。通過多年教學實踐和研究，在我校的《固體物理導論》課程教學內容中實現了“2個知識模塊+2個考評制度”的教學模式，對“固體物理”的教學方法和手段的改革及新的學習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。

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