《固體物理》課程前沿驅(qū)動式教學(xué)改革研究

張建華+王玉梅+艾桃桃+袁新強(qiáng)

摘 要：材料類研究生《固體物理》固體物理課程面臨內(nèi)容過難、學(xué)生缺乏前置課程學(xué)習(xí)等現(xiàn)實(shí)困難，課題住對課程內(nèi)容進(jìn)行了大幅度的調(diào)整，突出物理概念，弱化公式推導(dǎo)，以前沿專題為抓手，大力推進(jìn)優(yōu)秀材料軟件，如Materials Studio等在教學(xué)中的使用，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：固體物理 前沿 教學(xué)方法 教學(xué)改革

固體物理學(xué)與當(dāng)今最活躍的新材料科學(xué)緊密相連，是材料類研究生的一門重要基礎(chǔ)理論與應(yīng)用的課程。我校材料類研究生多年教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有教材內(nèi)容缺乏前沿知識，學(xué)生基礎(chǔ)相對薄弱，這兩個(gè)問題尤為突出，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果，探索出一條適合校情的教學(xué)之路勢在必行。[1]

一、固體物理課程教學(xué)的現(xiàn)實(shí)困境和問題

1.教材內(nèi)容缺乏前沿知識

我們選用的主要教材為黃昆先生在上世紀(jì)80年代編著的教材，而這本教材至今仍沒有更新過。教材內(nèi)容缺乏前沿知識，且內(nèi)容過難，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣嚴(yán)重缺乏，教學(xué)效果非常差，學(xué)生基本聽不懂。[2]

2.課程內(nèi)容繁雜，不適用于本專業(yè)碩士研究生的培養(yǎng)

固體物理學(xué)是主要研究固體的結(jié)構(gòu)，是材料學(xué)科的基礎(chǔ)，同時(shí)也在當(dāng)代高新技術(shù)的發(fā)展中起著關(guān)鍵的作用。主要研究固體力學(xué)、晶體、非晶體、薄膜和固體結(jié)構(gòu)分析技術(shù)等，并發(fā)展、建立的一些分支學(xué)科，如半導(dǎo)體物理、磁學(xué)等等，它們對現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，以及一系列重大技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)部門的建立起了決定性的作用，并將繼續(xù)產(chǎn)生重大的影響。同時(shí)人們正在開展對一些新型晶體材料（都具有重要應(yīng)用背景）從制備、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)到開拓應(yīng)用的系統(tǒng)研究工作。[3]

這些內(nèi)容都很重要，但龐大的內(nèi)容導(dǎo)致教材內(nèi)容艱深，國內(nèi)外經(jīng)典著作就有幾十本，但大多數(shù)著作是針對物理專業(yè)編寫的，這些書非常系統(tǒng)，幾乎囊括了固體物理的絕大多數(shù)內(nèi)容，從晶體到團(tuán)簇，從晶格振動到電子結(jié)構(gòu)，從無限晶體到限域晶體等等。但對于材料專業(yè)來說，課時(shí)非常有限，相對的數(shù)學(xué)和物理知識欠缺，要在有限的時(shí)間內(nèi)將固體物理實(shí)用而且精髓掌握，非常的困難。多數(shù)課本中能帶理論等章節(jié)含有大量涉及量子力學(xué)的理論推導(dǎo)，還有多數(shù)教材從理論出發(fā)推導(dǎo)出倒格矢的概念等[2]，對于工科學(xué)生來說，非常難于掌握。

3.本專業(yè)研究生知識結(jié)構(gòu)的欠缺，導(dǎo)致教學(xué)過程艱辛無比，但效果奇差

我們對本校材料學(xué)院在校研究生做了調(diào)查，3個(gè)年級，共14人，收回有效調(diào)查結(jié)果10份。這10人中，只有一人學(xué)習(xí)過數(shù)學(xué)物理方程和統(tǒng)計(jì)物理課程，而量子力學(xué)、原子物理、電動力學(xué)等重要課程都沒有學(xué)過。線性代數(shù)由于是考研必考內(nèi)容，都學(xué)過，但對于其中的重要概念和原理，掌握程度都比較低，只會做題，并不理解其背后的物理意義及其在固體物理中的應(yīng)用。

這些前置課程的缺失，嚴(yán)重影響了《固體物理》課程的學(xué)習(xí)，在具體教學(xué)中，花費(fèi)大量的時(shí)間，補(bǔ)充基本知識和概念，而學(xué)生的理解非常晦澀，無論從概念還是模型方面，都難以達(dá)到本課程的要求。

二、教學(xué)內(nèi)容的精簡與調(diào)整

固體物理學(xué)衍生出了半導(dǎo)體物理、化學(xué)物理、表面物理、材料科學(xué)等眾多子學(xué)科和交叉學(xué)科，推動了像半導(dǎo)體、激光、超導(dǎo)、納米材料等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，是奠定第三次科技革命的基礎(chǔ)學(xué)科之一，產(chǎn)生了眾多諾貝爾物理學(xué)獎、化學(xué)獎成果。由于其重要性，目前在絕大部分高校中，除了將固體物理課程列為物理學(xué)專業(yè)的必修課程外，還將其作為材料專業(yè)、微電子專業(yè)和電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的必修課程，并且將其作為其他工科專業(yè)重要的自然科學(xué)選修課程。

而我校材料專業(yè)的碩士研究生，其本科專業(yè)較泛，學(xué)習(xí)固體物理需要的數(shù)學(xué)和物理知識都缺乏，課程宏大的目標(biāo)與學(xué)生基礎(chǔ)的薄弱形成了尖銳的矛盾。這就要求我們從實(shí)際出發(fā)，抓住主要矛盾，大力精簡課程內(nèi)容，保留最活躍的思想精華，面對前沿，既讓學(xué)生形成正確清晰的物理模型，又保持對前沿的強(qiáng)烈興趣，為后續(xù)研究培養(yǎng)強(qiáng)大的動力。[4]

傳統(tǒng)的固體物理課程原本只對物理學(xué)專業(yè)開設(shè)，要學(xué)好學(xué)透該課程，需要深厚的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、需要大量的物理學(xué)知識基礎(chǔ)，比如電動力學(xué)、數(shù)理方法、量子力學(xué)等課程基礎(chǔ)。因此，對非物理專業(yè)的學(xué)生來說，大量的艱澀的專業(yè)術(shù)語，繁雜的物理公式、繁瑣的數(shù)學(xué)演算以及抽象的空間變換都是巨大的挑戰(zhàn)，這也造就了任課教師普遍反映難教、學(xué)生公認(rèn)難學(xué)和畏學(xué)。如何克服這門課程的弱勢地位，讓非物理學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)更有效果，教學(xué)內(nèi)容的講解深度和側(cè)重點(diǎn)的把握、教學(xué)方法的改進(jìn)和先進(jìn)教學(xué)手段的引入則顯得尤為重要。

我校材料學(xué)科碩士研究生培養(yǎng)以材料加工工程研究為主，本專業(yè)學(xué)生絕大多數(shù)不具備充足的量子力學(xué)、電動力學(xué)等課程的基礎(chǔ)知識，在遇到一些概念、公式、推導(dǎo)等詳細(xì)講解問題時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)膶Ρ仨毜那爸谜n程進(jìn)行簡單介紹，如量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、電動力學(xué)、數(shù)理物理方程、線性代數(shù)等課程，以利于教學(xué)效果的提供，并降低大部分學(xué)生的畏學(xué)情緒。在教學(xué)中注重增加定性和半定量教學(xué)內(nèi)容的授課比重，使學(xué)生重點(diǎn)掌握物理概念、物理模型和物理原理，重在掌握物理學(xué)的分析方法，減少復(fù)雜煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。針對學(xué)生物理基礎(chǔ)薄弱的特點(diǎn)，在基礎(chǔ)知識點(diǎn)的理論推導(dǎo)過程中，盡量避免使用較深的理論物理知識。[5]

結(jié)合實(shí)際情況，我們主要給學(xué)生講授以下三部分內(nèi)容：①晶體中的結(jié)合力，主要講晶體結(jié)合力的物理本質(zhì)，并由此引出不同的結(jié)合力將導(dǎo)致形成不同類型的晶體；②晶格振動和晶體的熱學(xué)性質(zhì)，這里從晶體的比熱問題為主線，講述愛因斯坦模型、德拜模型、以及一維單原子鏈和一維雙原子鏈，同時(shí)講授金屬的熱學(xué)方法在實(shí)驗(yàn)中的具體應(yīng)用；③自由電子模型和能帶理論，這里主要講述近自由電子近似，布魯赫波，以及固體的能帶，講清楚正是由于能帶的差異，材料才被劃分為半導(dǎo)體、金屬和絕緣體，同時(shí)引入金屬的導(dǎo)電性能。

三、前沿專題滲透與研究式學(xué)習(xí)

1.簡化內(nèi)容，滲透前沿

“固體物理學(xué)”與當(dāng)今最活躍的凝聚態(tài)物理和新材料科學(xué)緊密相連，因此，有選擇地將這些領(lǐng)域的最新重要進(jìn)展和應(yīng)用成果引入課堂，將有助于提高學(xué)生對該門課程學(xué)習(xí)的積極性和明確努力方向[1]。在教學(xué)中，我們結(jié)合課程內(nèi)容，適時(shí)引入超晶格材料、石墨烯、氮化硼、高溫超導(dǎo)體、光子晶體、量子計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代技術(shù)和物理前沿問題，擴(kuò)展學(xué)生視野，提高學(xué)習(xí)興趣。endprint

我們選擇石墨烯作為重點(diǎn)內(nèi)容，基本貫穿整個(gè)課程，（1）它與固體物理眾多基礎(chǔ)知識點(diǎn)聯(lián)系緊密，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中更加具體化；（2）在教學(xué)過程中結(jié)合一個(gè)研究問題，在學(xué)習(xí)過程中層層推進(jìn)，既深刻理解了固體物理的基本知識點(diǎn).又同時(shí)逐步了解了前科學(xué)科的研究內(nèi)容、方法；（3）激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，讓學(xué)生感知學(xué)科發(fā)展的動力。認(rèn)識科學(xué)的研究來源于基礎(chǔ)知識的積累、學(xué)習(xí)。[

]同時(shí)，結(jié)合我校和本地石墨烯礦儲量資源優(yōu)勢，重點(diǎn)突出了我校和地方共建的石墨烯研究所，并請相關(guān)老師做專題講座，這樣，同學(xué)們又很強(qiáng)的親切感，在學(xué)習(xí)中，充分調(diào)動積極性，形成研究小組，教學(xué)效果良好。

2.利用先進(jìn)計(jì)算軟件，增強(qiáng)互動與學(xué)生課外探索

固體物理這門課程中的許多概念和理論都建立在繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)之上，缺乏充足物理背景知識的同學(xué)很難理解和學(xué)習(xí)。我們充分利用Materials Studio，Hyperchem等軟件，形象生動直觀地解釋物理概念和理論，幫助學(xué)生更好地理解所學(xué)知識，提高認(rèn)知效率。如Materials Studio軟件能夠進(jìn)行不同晶體結(jié)構(gòu)的模型構(gòu)建，能帶及態(tài)密度的計(jì)算及圖形化，介電常數(shù)的計(jì)算，紅外、拉曼光譜計(jì)算，費(fèi)米面計(jì)算及可視化等等，不僅功能強(qiáng)大，而且操作簡單、界面友好，因此，適宜于日常教學(xué)實(shí)踐。根據(jù)學(xué)生的不同知識背景，分別研究一些常見晶體材料的晶體結(jié)構(gòu)，分析晶體的光譜特性和介電性能，模擬常見的直接帶隙和間接帶隙的半導(dǎo)體，并通過摻雜、加壓等手段調(diào)控其能帶結(jié)構(gòu)，使學(xué)生更直觀地了解晶體結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。例如，在學(xué)習(xí)晶格對稱性這部分內(nèi)容時(shí)，學(xué)生可用Materials Studio的Visualizer模塊搭建出七大晶系的14種布拉伐格子，在搭建過程中理解每一種布拉伐格子單位基矢的特征和所屬點(diǎn)群；學(xué)生很難掌握不同晶體表面的結(jié)構(gòu)這部分內(nèi)容，可結(jié)合Visualizer模塊的layer builder功能，引導(dǎo)學(xué)生對晶體進(jìn)行切面，觀察切面得到不同表面的幾何結(jié)構(gòu)，這樣能進(jìn)一步加深學(xué)生對這些內(nèi)容的理解。

結(jié)語

通過以上教學(xué)改革方案的實(shí)施，已經(jīng)取得了一些良好的效果。學(xué)生聽課的積極性不斷提高，畏難情緒基本消失，保證了本課程學(xué)習(xí)任務(wù)的順利完成，同時(shí)，也為后續(xù)課程的研究，打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]高英俊， 結(jié)合學(xué)科前沿教好固體物理學(xué). 廣西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2000（S2）： 第87頁.

[2]夏愛林， 固體物理課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐. 安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版）， 2012（04）： 第93-94頁.

[3]黃昆.固體物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1988

[4]物理學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究組， 21世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展展望. 世界科技研究與發(fā)展， 2000（06）： 第7-11頁.

[5]楊翠紅，程國生， 淺談用一個(gè)學(xué)科前沿課題貫穿《固體物體》教學(xué). 課程教育研究， 2012（21）： 第181頁.endprint