丁漢芹
[摘 要]固體物理是物理學專業和材料專業的一門必修課程,應用非常廣泛。筆者從分塊教學內容,重視章節聯系;優化傳統模式,巧用信息技術;培養科學思維,注重啟發引導;立足書本知識,滲透前沿科學等方面介紹了固體物理教學的一些心得體會,探討如何讓學生更好地掌握這門課程。
[關鍵詞]體物理;教學;心得體會
[中圖分類號] G64 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437(2016)12-0129-02
固體物理是物理學專業和材料專業的一門必修課程,主要研究固體的微觀結構、物理性質和固體中的粒子運動,涉及力、熱、電、光、磁和聲等領域。當今所取得重大進展的納米材料、超導、半導體等現代技術都以固體理論為基礎。固體是包含眾多粒子的復雜的多體體系,種類繁多,內容異常豐富。因為知識面廣,用到的理論多,在學習過程中,學生普遍反映這門課程較難掌握,和剛學完的理論脈絡清晰的四大力學比較起來,常常理不清頭緒,總感覺亂成一團。大部分學生都有一個習慣,他們在學過理論物理課程之后,喜歡欣賞從基本定理、定律出發進行數學推導演繹的過程,實際上這不是固體物理的主要部分。對學生來說,清晰的物理圖像和想象力對學好固體物理課程是至關重要的。這就要求老師不要讓學生沉陷于繁瑣冗長的推導計算之中,而要選擇絕大多數學生易于接受的方法進行講解,盡可能地把物理圖像和基本概念講述透徹清楚,一些高難度的數學推導過程可以讓學生在課后完成。讓學生對物理概念、原理和物理模型的掌握、理解和運用是固體物理課程教學中的側重點。在進行推導過程復雜但是結論又非常重要的內容教學時,教師可以直接給出結果,這種做法是多數學生都能接納的。對于那些極少數需要更深層次學習的學生,我們可以將具體的數學物理推導過程放在課下,盡量讓這些學有余力的學生自主探究,遇到不能解決的問題再與老師進行探索與討論。另外,教師對于較為詳細的固體器件所涉及的技術問題也要盡量減少描述。筆者從平時的教學中總結了一些心得體會,希望有助于學生吸收新知識和新內容,不至于迷失和困惑。
一、分塊教學內容,重視章節聯系
任何一門教材都有它的系統性,同時又包括很多的知識板塊,通過不同的章節闡述。固體物理教材也不例外,其中很多知識點相對獨立。鑒于這種特點,教師在教學過程中可以把教學內容分塊,以模塊的形式來講授。以黃昆《固體物理》教材為例來說明。在本科階段主要講前七章,整體模塊大致包括:晶體結構和結合、晶格振動、能帶理論、電子論。其中,每個大的模塊又可以分為若干個子模塊。如電子論部分還可分為四個子模塊:金屬電子論、絕緣體電子論、半導體電子論以及電子在外場(電場、磁場)中的運動。這樣既有利于教師對教學內容的取舍,又有利于學生對各知識點的掌握。
盡管各個知識板塊涉及不同的內容,但它們之間又有著一定的聯系。還是以黃昆《固體物理》為例。周期性“晶體結構”形成的內在因素與粒子間的相互作用有關,這樣就引出“晶體結合”的問題。構成晶體的原子之間既吸引又排斥,這些相反性質的作用力決定晶格在各自的平衡位置附近振動,由此引出“晶格振動”內容。晶體中還包括電子,它們的狀態由“能帶理論”描述。導體、半導體和絕緣體能帶結構的不同,引出“電子論”部分。在平時教學中,以模塊為主線,能讓學生容易把握知識體系;將不同章節內容串聯好,能讓學生容易貫通不同內容與知識點。另外布置一些討論題讓學生們課下準備,也可以加強前后知識聯系。例如,在一次討論課前,筆者布置了“聲子和光子的比較” 一題。由于準備充分,學生們進行了熱烈的討論,把心中容易混淆的概念搞清楚了。通過在不同知識領域中找聯系,在相近的概念中找區別,有力擴大和增強了不同知識點間的縱橫聯系。
二、優化傳統模式,巧用信息技術
晶格和電子是固體物理研究的主旋律,從晶格振動到電子能帶論,既要用到深奧的量子力學,又要運用到抽象的倒格矢空間。如果僅僅憑著一塊黑板教學,很難傳授更多知識和取得良好效果。隨著當今信息技術的快速發展,多媒體授課已成為不可缺少的一種教學手段。計算機可以靈活地把物理過程和物理圖像進行逼真的模擬,將難懂的物理過程栩栩如生的展現給學生,將抽象內容變為直觀形象的物理圖像。國內多數固體物理教材,如黃昆的《固體物理》一開始就討論晶體的周期性結構,這需要學生具有良好的空間想象能力和立體感。多媒體教學的運用,有助于學生對固體微觀結構的理解。通過視頻可以直觀展現晶體結構、原胞形狀、倒格子、能帶結構、晶格振動等,使學生能進行想象空間模型的構造,更直觀的理解教學內容。同傳統教學相比較,多媒體教學能夠增加課堂教學容量,既省時又省力,同時有助于學生對固體物理的學習產生濃厚的興趣,培養學生養成良好的學習品質,從而有利于學生對知識的理解和掌握。
多媒體教學也有不足之處。因為多媒體畫面容易一晃而過,學生來不及思考,造成記憶模糊。在概念的講解和公式的推導等方面,學生還是比較喜歡板書,因此必須恰當使用多媒體課件。筆者的體會是,使用多媒體但不依賴多媒體,將課件與板書有機結合,進行優勢互補。同時要求課件內容必須精粹,不能是書本的復制,更不能對著多媒體照本宣科。與多媒體教學相比,當教師邊板書邊講解時,學生容易跟上老師上課的節奏,有充分的時間來理解知識點,梳理要點和做好筆記,師生間可以有較多的互動。因此,多媒體教學還需適當地與傳統板書相結合才能達到較好的教學效果。
三、培養科學思維,注重啟發引導
大學生在上大學前已經接受了十幾年傳統的初等教育,積累了一定的知識和獨立思考的能力。大學階段不僅要向學生傳授知識,更重要的是培養大學生獨立思考和自主學習的能力。固體物理學不僅是一門重要的知識性學科, 而且其中許多研究方法具有普遍的指導和借鑒意義。因此在教學中,筆者特別重視啟發和引導學生,讓他們通過解決實際問題,養成科學的思維習慣。如講授“金屬電子論”時,由于金屬中電子的運動是復雜的,要想求解電子的精確狀態是非常困難的,實際也是沒必要的。筆者分三個步驟去講解:首先設想電子與晶格以及電子與電子之間沒有任何作用(等效為自由電子);再考慮邊界條件(等效為量子力學中的有限深勢阱問題);最后考慮晶體結構具有周期性(晶體內部電子也存在同樣的勢函數)。這樣通過循序漸進的啟發,學生很容易理解晶體的電子比熱、熱發射和導電機制。這種師生互動的課堂氣氛極大激發了學生的學習熱情和求知欲望。
在教學過程中,要有目的性的創造情境,讓學生不由自主的參與問題討論。例如,講授“布洛赫定理”這一節,布洛赫波是一個非常重要的概念,但學生往往不明白它的表達式的由來和物理意義。在講授時,先讓學生回憶量子力學中自由電子波函數的形式,之后再說明晶體中電子不是自由的,而是受到周期性晶格勢場的調制。在學生知道自由電子的波函數是平面波的基礎上,再啟發引導:晶體中電子波函數要受到晶格勢的調制,所以在平面波的波函數相因子前需要添加一個調幅因子。經過這樣一個“導演”過程,學生就清楚了布洛赫波函數為什么由兩部分構成的原因。通過聯系前后新舊知識,培養了學生思考問題的方式和運用知識的能力。
四、立足書本知識,滲透前沿科學
隨著科學技術的迅速發展,教師不僅要向學生傳授書本知識,而且還要傳遞更多的信息。因此面對不斷涌現的新的現象和新的科研成果,固體物理學的前沿動態在教學中應該有所反映,這將有助于學生明確自己的努力方向,同時也開闊了學生的視野。以黃昆的《固體物理》教材為例,筆者在講授“元素和化合物晶體結合的規律性”時,就聯系自己的科研項目和研究領域,通過介紹石墨和碳納米管中碳原子的成鍵狀態的不同,闡明造成二種材料物理性質的差異。在此基礎上,進一步介紹低維碳納米材料近年來的國內外研究進展和應用。講授“能帶理論”時,筆者介紹石墨烯的獨特能帶結構,說明維度不同的體系可以形成截然不同的能譜。再如,拓撲絕緣體就是從能帶意義上定義的一種新型物質。在低能極限下,石墨烯呈現出線性的能量色散關系,使得傳導電子可以看作是無質量的Dirac費米子,這種類似于光子的特性,使其可用于相對論量子力學的研究,同時表明其獨特的載流子特性和優異的電學特性,這些都是近幾年凝聚態物理的研究熱點。講授“電導和霍爾效應”時,在學生掌握經典霍爾效應的基礎上,再介紹量子霍爾效應和自旋量子霍爾效應。這樣,把科學前沿知識引入課堂,不僅可以讓學生強烈地感受到科學發展的脈搏和動力,極大的拓展了學生的視野,還可以激發起學生運用基礎學科理論實現科技創新的勇氣和欲望。
總之,本文從教學內容、教學手段、教學目標等方面介紹了固體物理教學的一些心得體會,探討了如何讓學生更好地掌握這門課程的方法。我們的課程教學改革有效地調動了學生的學習興趣,使他們變被動學習為快樂主動學習,學出信心和收獲,使教師教學得心應手,讓師生共同分享到固體物理課程教學的樂趣和成效。
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[責任編輯:鐘 嵐]