固體物理教學的幾點心得體會

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。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：鐘 嵐]