化學背景專業的固體物理教學

江瑞斌

摘要：本文對固體物理學的專業基礎知識構成、課程結構和化學背景專業學生的知識結構進行了詳細分析，提出了針對化學背景專業學生的固體物理教學方法，有利于提高化學背景專業學生的固體物理教學質量。

關鍵詞：化學專業；固體物理；基礎知識；學科交叉

固體物理學是研究固體物質的物理性質、微觀結構、構成物質的各種粒子的運動形態及其相互關系的學科。它是微電子技術、光電子學技術和材料科學等技術學科的基礎。固體物理學以熱力學統計力學和量子力學為基礎，以前固體物理學為物理學相關專業的必修課，學生都具備相關專業的基礎知識，整個教學過程難度不大。然而，隨著學科的發展，學科之間的交叉越來越普遍，部分化學背景專業的學生在進一步的深造和科學研究中也需要固體物理知識，但是這部分學生不具備熱力學統計力學和量子力學等專業基礎知識。如何教好化學背景專業學生的固體物理就成為一個值得探討的話題。

一、固體物理學的基礎知識和課程結構

固體物理課程一般會包含晶體結構、固體結合、晶格振動與晶體的熱學性質、能帶理論和金屬電子論等部分內容。部分教材還會包含半導體電子論、固體的磁性超導等內容。在這些內容中，晶格振動與晶體的熱學性質都是以熱力學統計力學為基礎，能帶理論和金屬電子論是以量子力學為基礎。因此要學好固體物理必須具有很好的熱力學統計力學和量子力學基礎知識作為支撐，這些知識物理學背景專業的學生都具備，但是化學背景專業的學生不具備。另外，固體物理要求學生具有很好的數學推導能力。然而，化學背景專業學生的數學推導能力較弱，這些專業基礎知識的欠缺大大增加了對這部分學生的固體物理教授難度。

二、化學背景專業的固體物理教學

隨著學科的發展，學科之間的交叉越來越普遍，許多化學背景專業的學生在將來的工作和深造過程中均會需要固體物理知識。例如，化學背景專業的學生從事半導體光催化研究，就需要學生具有半導體的價帶、導帶和光吸收等能帶理論知識，同時還需要學生具有半導體和電解液形成異質結的知識，這些知識均是固體物理學的知識。另外，化學背景專業的學生從事有機發光器件和有機太陽能電池研究，這些研究同樣要求學生具有能帶理論、異質結以及載流子在半導體中的激發和傳輸等方面的知識。因此，隨著交叉學科的發展，在化學專業開設固體物理課程也變得越來越必要。

化學專業學生的專業基礎課基本上由無機化學、有機化學、物理化學和分析化學四大化學課程構成，數學和物理一般只開設高等數學和普通物理。因此，化學背景專業學生的數學和物理知識比較薄弱。而且，普通物理中很少涉及熱力學統計力學和量子力學的知識，這就給化學背景專業學生的固體物理教學提出了挑戰——又需要學，但是又沒有基礎知識。

要教好化學背景專業學生的固體物理，首先，學時上要有充分保證。大部分物理背景專業的固體物理學時在48個或者54個，有些學校更多，但是化學背景專業的固體物理學時不能少于64個。一方面是因為化學背景專業的學生的數學基礎薄弱，而固體物理里邊有大量的公式推導。化學背景專業的學生心理上對公式推導有排斥，因此接受固體物理知識的速度自然較慢。另一方是因為除了傳統固體物理教學中所需要教授的知識，在對化學背景專業的學生進行固體物理教學時還需要在真正固體物理知識教授開始之前，教授熱力學統計力學和量子力學的知識，這些知識的教授也需要一定的學時。

其次，要教好化學背景專業學生的固體物理知識，需要對固體物理教學的內容進行調整。目前國內外的固體物理教材都是針對具有較強物理背景的學生編寫的，沒有一本可以直接用來作為化學背景專業學生的固體物理教材。化學背景專業的固體物理教學除了需要講解熱力學統計力學和量子力學等基礎知識外，還需要講解聚合物中的能帶理論。而傳統固體物理中的生子理論等內容則可以縮減。

最后，要教好化學背景專業學生的固體物理，需要在教學方法上有一定的創新。傳統固體物理的教學大部分以理論推導為主，這是因為很多物理專業的學生將來會從事理論物理研究，要求學生具有較強的理論推導能力。然而，化學專業的學生學習固體物理主要是為了將來的應用，因此在教學過程中應該適當減少理論推導，強化每個原理的物理意義及其在實際應用中的意義。

綜上所述，隨著學科的發展，學科之間的交叉越來越普遍。學科的交叉迫使化學背景專業的學生需要學習固體物理。針對化學背景專業學生的知識結構，只有通過加大教學課時和對現有固體物理教學的教學內容和方法進行改革和創新，才能夠教好化學背景專業學生的固體物理，為化學背景專業學生將來的深造和就業打好基礎，提高學生的培養質量。

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