多軟件協同輔助固體物理學教學改革與實踐

李泓霖

摘 要：現如今，材料科學的飛速發展對固體物理課程教學提出了新的要求，其教學模式及手段必須適宜學科體系快速變革和培養目標日益變化的新要求。在創新型人才培養目標的指導下，我們應以能力提升和素質養成為主旨，構建清晰的教學目標。在教授固體物理主要知識點外，在教學過程中還應注入當下科技發展的新觀點，著重強調本學科特有的科學思維方法。基于此首先介紹了固體物理學科教學的現狀及內容，隨后分析了教學模式和教學方法并提出了教學改革理念，結合Materials Studio、Vasp、CrystalMaker實例展示了新教學模式下提高固體物理課程教學質量的新思路。實踐表明，這對激發學生興趣，培養開拓精神，提高疑難知識點自學能力等方面效果顯著。

關鍵詞：固體物理；創新教學；實踐；軟件

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）07-0122-03

Abstract： Nowadays， the rapid development of materials science has put forward new requirements for solid physics teaching. Its teaching modes and means must be suitable for the rapid change of disciplinary system and the training of new requirements of ever-changing goals. Under the guidance of the goal of cultivating talents， we should aim at improving our ability and cultivating students' qualities， and establish a clear teaching goal. In addition to teaching the main knowledge of solid state physics， we should also inject new ideas on the current development of science and technology into the teaching process， emphasizing the scientific thinking unique to this discipline. This paper first introduces the present situation and content of the teaching of solid state physics， and then analyzes the teaching mode and teaching methods and puts forward the idea of teaching reform. With the examples of Materials Studio， Vasp and CrystalMaker， it shows the new teaching mode of solid physics to improve teaching quality Ideas. Practice shows that this has a significant effect on stimulating students' interest， cultivating pioneering spirit and improving self-learning ability of difficult knowledge points.

Keywords： solid physics； innovative teaching；practice；software

隨著近些年納米材料技術在世界范圍內蓬勃發展，新材料、新體系、新結構日益涌現，這些都對固體物理課程教學提出了改革創新的新要求，在滿足自身發展和學生培養的前提下謀求新突破。固體物理學是材料物理學等應用型學科門類的基礎，它是以固體物質的微觀結構、本征屬性、各粒子運動形態及其關聯為研究主體的。已有半個多世紀的發展歷程，同時也是一門前沿學科，是當今應用物理最重要的學科之一，據統計已有超過十次的諾貝爾物理學獎，授予了固體物理學方面做出的突破[1]。在固體物理學基礎上進一步延拓發展出了磁性物理、金屬物理、半導體物理、超導物理等多個分支，奠定了當代物理發展的基石。因此，不論是從物理學科本身理論價值出發，還是從應用物理技術分支考慮，固體物理學課程都時刻凸顯著該課程重要的地位[2]。

培養人才是高校發展最根本的任務目標和必由之路，其中課程教學是人才培養最關鍵的環節，而課堂效果直接影響著整體教學質量。高校教師應積極認真地實踐課程教學改革，努力提高教學質量。學院開設固體物理專業課程以來，曾多次對兄弟院校進行了調研學習。總結出固體物理教學過程中普遍存在的不足：課程以晶體結構為主線，對學科前沿知識穿插不足，如石墨烯（Graphene）、硅烯（Silicene）、六方氮化硼（h-BN）、過渡金屬二維硫化物（TMDs）等時下研究熱點材料體系，內容滯后于當下科研發展；教學方式單一，課堂上主要是對知識點及內容本身的講述，忽視了對學生物理抽象思維的鍛煉。學生掌握到的是刻板的書本知識，因而不能夠建立豐富扎實的知識框架體系。固體物理學是聯系理論科研與前沿應用之間最重要的紐帶之一，因而課堂內對知識傳授的具體形式直接關系到教學效果，影響著學生實踐創新能力的養成[3，4]。傳統教學中對板書、多媒體的利用方式或多或少地忽視了這一環節。因而，在固體物理教學中，以何種形式把疑難知識傳授與思維能力提升相結合，改善輕理論的傳統模式，進行啟發式、探索式、主動式、創新式知識應用，緊密聯系實際應用并著重進行思維訓練和創新素質的綜合培養無疑成為了我們關心的重點。

一、《固體物理學》課程教學現狀

固體物理學體系豐富，各知識點相對獨立又相互聯系緊密。囊括了普物、熱統、四大力學和晶體結構等多門類知識，全面深入地反映了當前應用物理主要的研究領域。它是電子技術、新能源技術、催化化學、電池技術等前沿學科的基礎，緊密聯系著基礎理論和應用學科。固體物理學研究思路和手段前沿多變，與之對應的傳統固體物理教學模式略顯滯后，難以滿足科技的發展和培養目標的要求。這種學科特點為培養和提高學生的綜合素質提供了很好的切入點，而同時也增加了教學的難度。在要求學生掌握基本學習方法上，學生對上述基本知識點理解不到位，導致對相關理論推導無所適從，使得部分學生產生畏難情緒，降低了固體物理課程教學的總體質量[5]。因此，針對固體物理學課程本身的特點，深入分析不足之處，我們從教學內容及方式等方面進行了全新的探索和嘗試，力求找尋出能使學科發展并提高學生綜合素質的方法。

我校的《固體物理學》在高年級開設，以課堂講授為主要形式，內容體系以長程有序晶體為切入進行各個知識點的學習探討，包括晶體結構、晶格動力學及電子能帶等，教學方式還是以傳統的多媒體如PPT、視頻、動畫為主，造成教師和學生都深感不易的局面，因此，這些都或多或少地使得學生學習興致不高，課堂效率低下[6，7]。因此，《固體物理學》課程教學形式改革與實踐勢在必行。

二、專業軟件協同教學改革

（一）傳統多媒體技術弊端分析

近些年來，多媒體技術（PPT、視頻、音頻、動畫等）的應用固然給高校教學帶來了極大的方便。不論是文史哲類專業，還是對理工科而言，在教學過程中，都可利用圖片、動畫、影像資料等把抽象平面的概念形象化、直觀化、生動化，以此高效豐富多樣地呈現給學生，加深理解。然而，對于固體物理學而言，傳統的多媒體技術則體現出了相當的局限性。這表現在，固體物理學最突出特點是模型構建的過程、邏輯推倒的前后因果關系。對每一幅圖片而言，其可容納的有效信息十分有限，在實際操作中，難免頻繁前后切換，每一次切換都是對教學過程邏輯的打斷，因此難以形成成體系、成系統、成銜接的知識點概念。此外，在應用多媒體進行推導演示過程中，對相關知識點和概念的傳遞是單向的、無回饋的，這十分不利于抽象邏輯思維能力的培養。因此，多媒體技術在固體物理學的教學過程中，應適當與專業晶體學軟件結合，以實現優勢互補。接下來我們將著重說明專業軟件的用處。

（二）X射線衍射計算-Materials Studio

晶體結構是固體物理課程中最重要概念之一，通過X射線衍射（X-ray diffraction）實驗，可以對相關晶體結構進行精確標定。一般對晶體結構的介紹，只是簡單地基于XRD的原理，這類知識專業性強，學生對其應用知之甚少。而實際一臺X射線衍射儀的購置費用需上百萬元人民幣，其操作使用也是必須要進行專門的培訓才能接觸到該設備。這些因素都使得學生很難理解XRD的本質內涵。在此，我們利用專業軟件Materials Studio的XRD計算功能，可以非常直觀簡捷地得到相關晶體的XRD數據。如圖1所示，我們對常見的半導體材料ZnO進行了XRD計算，這非常直觀明了地給出了XRD數據。需要指出的是，這種方法和傳統多媒體相較而言，其對數據的加工處理是實時的，也就是說，一旦我們對ZnO晶體作出細微的改變，其XRD數據也會有相應的變化。這種實時處理模式不僅加深了學生對晶體結構的認識，也更易使學生領悟到先進分析方法對材料研究的緊要性，使原本抽象的概念理論變得簡單易得，直接從屏幕上就可以學習到XRD圖譜和晶體結構之間的緊密聯系，進而使學生有一種參與感，能夠對固體物理學習產生濃厚的興趣。

（三）材料能帶計算-Vasp

圖2 MoS2及其能帶結構

晶體結構的能帶是固體物理重要的知識點之一，對其準確合理的分析也是必須掌握的技能。可計算能帶的軟件有很多，雖然這些軟件和相應的方法對學生知識結構及理解掌握有較高要求，但只要循序漸進、由表及里地學習體會，必定會使學生對該重要概念的理解更加深刻。結合專業軟件Vasp（The Vienna Ab initio simulation package）中能帶計算部分便可完成此任務。Vasp運用原子數目和種類來計算預測材料的晶格參數、能帶結構、態密度、電荷分布、光電性質等。例如，如圖2所示，其為MoS2及其相應的能帶結構，是一種重要的窄帶隙半導體，有十分豐富的機械及物化性質，近年來人們對其已做了大量的研究工作。在這一部分，學生不必掌握該軟件的使用方法，但需要給他們講述每一步參數的設置，優化方法的選定。計算得出的相關能帶結構數據要求學生自己查閱書籍資料進行解釋，說明為什么會計算出這種結果，從而在最大程度上激起學生的好奇心，調動他們的積極性，使學生主動地去學習掌握知識，進一步加深對能帶的理解。通過這種方式，我們將會使課堂變被動為主動，大大提升授課質量，提高學習效率，達成教學目標。

（四）倒易空間展示-CrystalMaker

圖3 石墨烯及其晶體衍射

衍射圖樣是固體物理課程中十分抽象的一個知識點。為了講清楚衍射圖樣這個概念，使學生有更為清晰的物理景象，單純地依賴PPT等單向信息傳遞式的多媒體技術，是無法簡潔明快地傳遞出教師所需要表達的含義。過去對相關公式概念的推導，難以將實際晶體結構與衍射圖樣之間建立起直接的物理聯系。因而，此時十分有必要在這一部分采用更為形象直觀的教學方法。我們利用CrystalMaker軟件的Diffraction插件則可以直接給出晶體結構的衍射圖樣。如圖3所示為石墨烯及其衍射圖樣，通過對這類衍射圖樣的分析闡述，可最大程度上幫助學生理解掌握晶體衍射的機理和內涵。更重要的一點是，使用CrystalMaker主窗口的旋轉功能旋轉晶體時，能夠使衍射圖樣進行同步旋轉，反之也成立。這種教學方式非常生動有效地給出晶體結構與衍射圖樣之間的關系，更為重要的是，這種教學方式是雙向互動的，打通了對知識的實時輸出、傳遞、接受以及理解這一系列流程。與傳統單向傳遞式的多媒體比較，教師不用頻繁地翻頁、回顧、穿插打斷課堂進程，便可按照教師的意愿來對一個知識點全方位地講述和剖析。

三、結束語

固體物理是一門緊貼前沿科學、緊跟時代發展的課程，這對教師在教學過程中采用何種教授方式提出了新的要求，只有合理交叉利用各種多媒體和軟件，才能易于被學生接受，收到事半功倍的效果。針對固體物理教學的內容特點等方面進行有目的的改進和提高是很有必要的，應注重教學的雙向性、實時性、互動性，與學生進行積極的交流，教學形式不拘一格，不僅僅是依靠傳統的多媒體，也要積極將相關專業軟件的應用納入到課堂之中。這些目的都歸結為培養高素質創新型人才。此外，如何進一步科學合理地探索固體物理教學的新模式，仍需廣大教育工作者結合自己的實際經驗，不斷進行開拓性的研究和探索，以此才能取得固體物理教學的豐碩成果。

參考文獻：

[1]黃昆，韓汝琦.固體物理學[M].北京：高等教育出版社，1988.

[2]王矜奉.固體物理教程[M].濟南：山東大學出版社，2014.

[3]鐘佑潔，楊尊先.電子學科的固體物理教學改革初探[J].物理通報，2013（8）.

[4]郭云東.固體物理教學改革的實踐與思考[J].內江師范學院學報，2009（24）.

[5]孟影，邵繼紅，華揚.固體物理教學改革的探索[J].合肥師范學院學報，2010（28）.

[6]馬志軍，章天金，張柏順.面心立方晶格第一布里淵區的三維動畫模擬[J].湖北大學學報：自然科學版，2006，28（4）：382-384.

[7]章天金，馬志軍，江娟.密排晶格結構的計算機輔助教學[J].長春師范學院學報：自然科學版，2006，25（6）：33-34.