基于問題教學法在固體物理課程教學中的應用

王芳+郭紀源+張云芳+戴俊

摘要：以固體物理專業課程中半導體知識的教學為主線，提出了基于問題的教學法在課堂中的實踐，深入研究PBL教學法在物理專業課程中的設置，提高學生感知和解決問題的技能。這種以問題為主線的課堂教學模式與傳統的講授式教學模式相比較，可以更好地體現學生的主體性，發揮學生的主觀能動性，充分調動學生的學習興趣。同時，發揮教師的科研工作在教學中的應用，實現教師的科研和教學的統一性。

關鍵詞：固體物理；PBL；半導體；本科教學；課堂互動

自PBL教學法在二十世紀六十年代被加拿大McMaster大學運用于課堂教學后，許多世界著名大學都開始將以問題為中心的教學法（PBL）應用于大學課堂。PBL教學法被認為是一種有效的學習策略，其可以推動學生自主學習和提高思辨能力、解決問題能力和團隊合作能力。在高等教育中，學生的學習包括學生參與，思辨能力，自主學習，團隊合作，解決問題，跨學科學習等綜合能力的培養。以問題為中心的教學模式（PBL）立足于解決以上這些問題，學生在參與問題討論的同時，可以在合作團隊中討論參與學習，多角度思考問題，從而獲得解決問題的能力。起初，PBL 教學法主要運用于醫學院的實踐教學和學習，但是，現在PBL 教學法已經被廣泛應用在世界上各個國家和多個領域。近年來，我國的高等院校也在嘗試運用這種教學模式，包括醫學、生物、電子工程等多個學科領域，且獲得了很好的教學效果。

物理是一個以物理概念和物理規律為基礎的學科，物理學知識具有一定的抽象性和邏輯推理性，缺乏直觀性。基于其學科特點——信息量大，專業課時量少，傳統教學通常采用講授式，這種灌輸式的教學通常忽略了學生的主體性、學習興趣和學習基礎，教學效果一般。如何發揮學生在學習中的主體性，關鍵在于教學方式的運用。因此，我們提出在物理專業的教學中，將PBL教學法植入固體物理教學中，采用分組的模式，以小組為單位，以問題為主線，收集問題信息，提出假設，分組討論，選擇關鍵信息，最終驗證假設。教學中以需要解決的問題為驅動，引導學生以解決問題為主的教學模式。

固體物理是應用物理學專業學生的必修專業課程。在固體物理教學中，關于半導體能帶、本征和非本征半導體、P-N結等知識點的學習，理論性相對較強，對于理論基礎較為薄弱的學生學習難度較大。鑒于信息量大、課時量少等問題，我們在固體物理課程半導體章節中植入PBL教學法，以發光二極管（LED）器件的研究為主線，引導學生利用課余時間收集、分析和整理相關信息，在學習半導體基礎知識的同時，閱讀文獻，了解LED的研究進展和應用前景。

（一） PBL模式的構建

固體物理是一個前沿的、綜合性的、不斷發展的基礎學科。它是普通物理的綜合，是研究材料物理的基礎，本課程的學習主要包括晶體結構、固體結合；晶格振動；能帶理論；半導體能帶、摻雜、導電性與器件應用以及磁性、超導電性、光子晶體。LED涉及電子學，光學，現代物理學等多個領域，因此我們以LED為主線，研究PBL教學法在固體物理課程教學中的應用。

把PBL教學方式引入固體物理半導體章節的教學，提出以半導體物理問題的PBL教學方法，以LED為研究對象，學生以小組為單位，進行實驗研究的同時，學習半導體物理基本知識。發光二極管（LED）可以作為一個黑匣子，引發學生研究的興趣，引導學生學習經典物理課程以外的知識，以構筑現代物理知識框架。

（二） PBL教學方法

LED最早是在1991年被引入物理課程教學。[John W.Jewett， “Get the LED out，”Phys.Teach.29， 530-534（Nov.1991）.]

將LED引入課程的三個不同的層次，如下所示。

1. 將LED作為黑匣子器件，幫助學生將相關實驗現象相聯系。（現象為主）

2. 幫助學生了解物理學知識中與LED實驗現象相關的方面，了解LED的工作原理。（概念、原理為主）

3. 在2 的基礎上進一步了解實驗現象背后的物理機制，熟悉LED的科學背景和科學前沿。（深入分析和探討）

LED涉及物理知識框架

1. 能量

實驗物理問題

Ⅰ將白熾燈連接到電池，觀察其發光；再將LED燈連接到電池和電阻，觀察其發光。宏觀上描述兩種燈泡的發光，比較兩種情況下的能量轉化。

Ⅱ將LED與電池和電阻相連接，觀察其發光。將LED單獨與電壓表相連。用白光照射LED，觀察電壓表讀數。微觀上解釋實驗中的能量轉化。

Ⅲ將LED（紅色、綠色、藍色）單獨與電壓表相連，用不同顏色的光照射LED，觀察電壓表的讀數變化。當用特定波長的光照射時，LED可以產生較高的電壓，這種電壓可以激發另一個LED燈泡。描述觀察到的物理現象。

為什么在光照LED時會產生電壓，光照時，光強和光的顏色如何選擇？

2. 半導體和P—N結

實驗物理問題

Ⅰ將白熾燈泡與電池電源相連，將之浸泡在液氮中，觀察其亮度的變化；將紅色或綠色LED與電阻相連，然后連接至電源兩端，之后浸泡液氮中，觀察其亮度的變化。歸納出該實驗所反映的LED的電學性質。

Ⅱ將黃色和紅色LED分別連接至電源兩端，浸泡在液氮中，結果發現紅色LED變為橙色，黃色LED變為綠色。利用固體的能帶理論，研究LED的顏色變化的機理。

（三） PBL教學效果

在實驗討論中掌握一定的半導體知識：

1. LED的應用和性質

2. 半導體的帶隙

3. P-N結和N-P結的性質，以及它們與LED的關系

4. 帶隙與LED發射光波長的關系

5. 直接帶隙和間接帶隙的特性

6. Kronig-Penney 模型

問題：

1. 預測一下在低溫下LED的顏色將如何變化？

2. 利用Kronig-Penney 模型，研究LED帶隙的變化是否僅與晶格相關？

（四） 結束語

傳統的教學著重于研究半導體物理的知識框架和結構，這種以問題為中心的教學模式更加卓有成效地讓學生主動研究科學現象背后所隱藏的物理問題，以問題為出發點，最終又以問題為學習的目標，這種探索式的學習方式更有利于培養學生的創造能力、自我發現和解決問題的能力。

參考文獻：

[1] 牛淑冬，孟慶芳，王月飛.PBL教學法在生理學教學中的應用[J].齊齊哈爾醫學院學報2003，24，5.

[2] 李金環，王笑軍，王慶勇.PBL教學模式在光學教學中的實踐探索[J].物理實驗 2015，35，8.endprint