《固體物理學》教學過程中的幾點改進

摘?要：《固體物理學》作為光電信息科學與工程專業的一門重要專業必修課，是一門有著極為廣泛應用的學科。然而不少學生對本課程的重要性缺乏認識，重視程度不夠。在本文中，作者總結幾年來的教學經驗，從教學內容和教學方法等方面為光電信息科學與工程專業的教學改革進行有益探索。

關鍵詞：固體物理學;教學改革;光電信息科學與工程專業

一、緒論

現代固體物理理論形成于20世紀前40年代，是凝聚態物理學中最大的分支。固體物理學是研究固體（晶體）的物理性質、微觀結構、固體（晶體）中各種粒子運動形態和規律及它們相互關系的學科。本科大二階段開設的固體物理學是一門綜合性很強的課程，其中牽涉到了大學物理、熱力學與統計物理和量子力學等課程基礎知識及許多現代科技前沿的內容。然而，量子力學和熱力學與統計物理課程的開設也被安排在了同一個學期。這就帶來了一個問題：學生在學習固體物理學課程時會遇到尚未學習的部分量子力學和統計物理知識。因此，采用傳統的教學模式必然會導致課程教學中出現學生理解知識困難、教師合理地安排教學進度較困難、學生的學習興趣及主動性較差等一些弊端。作者從2015年開始在揚州大學物理科學與技術學院給光電信息科學與工程專業的大二本科生講授《固體物理學》課程。根據該專業的學生培養模式以及幾年來自己對固體物理學課程的教學實踐，作者提出了一些關于該課程教學的優化與調整方案，并且在教學中進行了嘗試并取得了一定的效果。

二、課程教學的建議

（一）課程內容上的選擇

（1）在教材的選擇上，本課程選用了高等教育出版社出版的《固體物理學》教材。該書是在我國固體物理學和半導體物理學奠基人黃昆院士原著《固體物理學》基礎上由北京大學物理系韓汝琦教授改編而成，是國內固體物理領域經典教材之一。該書有如下幾個優點：理論體系嚴謹，物理圖像清晰;教材內容豐富，既包括了晶體結構、晶格振動、能帶理論和金屬電子論等基礎知識點，還包括了很多固體物理學領域的新進展，增加了超導物理、固體元激發等新興領域的基本概念。同時，該教材還有相關配套的輔導書，從學習目標、內容概述和習題解答等方面進行介紹，方便了學生對課程知識點的把握、課前預習和課后復習。

（2）在教材內容方面，本教材針對理論物理專業的本科生。而且固體物理學融合了量子力學，熱力學與統計物理和大學物理等多學科的知識，涉及的知識面廣，在有限的學時里不可能面面俱到地討論固體物理學所涉及的所有知識點。按照光電信息科學與工程專業大綱要求，固體物理學這門課程總共64學時。因此，實際教學中作者結合光電信息科學與工程專業的特色，有選擇地把教學內容分塊的形式來講授。本課程的具體教學安排如下表：

例如在第一章節晶體結構時，重點讓學生理解并掌握晶體的一些概念，例如晶向、晶面、原胞、基元、布拉伐格子、倒格子等等。此外，通過制作模型和動畫的形式讓學生理解和掌握晶體的平移性和宏觀對稱性。此外，作者還介紹了非晶體、準晶以及石墨烯等新興材料來拓寬學生的知識結構、開闊視野和提高學生的學習興趣。在講授第二章晶體結合時，介紹晶體結合能與結合力以及四種晶體結合的類型，包括離子性結合、共價結合和金屬性結合等。此外，作者增加了氫鍵結合形成不同晶體的特點和規律，利用第一性原理計算共價性結合和金屬結合的特點和規律，并進行課堂展示。對于晶格振動章節，牽涉到了簡諧振動、一維單原子鏈和雙原子鏈等知識點，但是學生還沒有學習量子力學和量子統計理論中的相關章節。因此在教授這些內容之前，抽出一節課的時間把量子力學簡諧振動理論、薛定諤方程求解以及熱統理論中量子統計物理等相關知識點進行詳細講解，然后順勢過渡到講解固體物理學中晶格振動部分，這樣有利于學生理解掌握這一章節的內容。在講解能帶理論和固體的元激發章節時，通過板書詳細推導布洛赫定理和講解其中的物理模型含義，力爭讓所有學生掌握這個重要知識點。隨后介紹了近自由電子近似和緊束縛近似，以及能態密度和費米面等概念。對于晶體中電子在電場和磁場中的運動，介紹了準經典運動和導體、絕緣體、半導體的能帶論解釋。而在教授金屬、半導體電子結構章節中，抓住主要方面，構造簡化的模型，進行有效的數學處理，緊扣物理模型和思想，適當降低難度，并且有意識地增加了態密度、摻雜、能帶調控等概念。這整個教學過程中，作者注重問題提出和解決的思路方法使學生能夠把以前所學的物理知識聯系起來。考慮到光電信息科學與工程專業教學大綱要求和學時所限，作者舍棄了固體磁性、光吸收和相圖等相關章節，留給有興趣的學生自己課后學習。

（二）教學方法

針對光電信息科學與工程專業的特點，除了優化和調整該課程的教學內容，在教學方法作者也做了一些改革來適應本專業的培養目標。

（1）啟發式教學。作者改變傳統上的一言堂的教學方法，讓學生帶著問題去學習。讓學生在每次上課之前提前進行預習，隨后老師在課堂上以問題的形式提出要講授的主要內容，鼓勵學生互相討論，并讓學生嘗試解答學生提出的問題，充分發揮了學生的積極主動性，實現教學理念由“知識講解型”向“問題導向型”的轉變，促使學生對課程內容進行思考探究。在課程的具體教學過程中，老師先在總體上介紹課程中每一章節的連貫性，將其與新學知識進行逐一對比，希望能做到知識點的融會貫通，以此來幫助學生消化和理解新知識。但是，對于一些不好理解的知識點，作者會進行細致的講解，做到有的放矢，盡可能做到教師和學生的互動來提高學生在學習上的積極性。

（2）采用板書和多媒體相結合的教學方式。作者在每次備課的時候先將每堂課要講到的相關知識點做成PPT或者動畫，然后利用課堂上的演示來加深學生對這些知識點的理解和掌握。例如對于晶體結構這個知識點，作者利用教學工具展示不同晶體結構的微觀結構、原胞的選取、原胞的形狀等，讓學生對晶體結構有一個直觀的認識，引導學生分析不同模型的特點，充分調動學生的學習積極性。對于晶格振動和能帶理論，老師通過板書推導晶格振動方程和布洛赫定理。事實上板書的節奏慢，在有些知識點的講解方面，師生之間較多的互動板書更受學生的歡迎。因此，多媒體教學與傳統板書相結合達到更好的教學效果。此外，加強習題課環節，讓學生積極主動上臺講解習題并可對不同解答進行討論，增強了學生理解和解決問題的能力。

（3）學期末考核方式。對于光電信息科學與工程專業的學生，我們采取了平時成績與期末考試相結合形式，其中平時成績和期末成績各占50%。平時成績包含了學生的出勤、課堂上回答問題、課后作業以及課后探索性小課題研究報告的情況。小課題的題目緊貼本課程相關的前沿內容，每個月上旬提供兩三個小課題供學生選擇，時限為一個月，學生即可以個人也可以多人合作研究一個課題，第二個月初提交最終的研究報告給老師，并給予平時分獎勵。通過相關課題的研究引導學生主動探索學科前沿動態和應用領域，提高學生靈活運用所學知識解決問題和閱讀相關文獻的能力，為部分學生后續研究生階段科研能力做一些初始性鍛煉。此外，在課堂上老師主動提出各種問題，對于回答問題較好的同學，給予一些平時分獎勵，這樣能鼓勵學生積極參與課堂活動。期末考試采用傳統的閉卷考試形式，試卷上的考題難易恰當，知識點分布均勻，包括各個章節主要知識點，考查學生的對重要基礎知識的掌握情況。同時加入兩三道開放性試題，考察學生對基礎知識靈活運用的能力。各部分所占比例也進行了細分，這樣有助于客觀公正地評價學生對固體物理學課程學習的積極性和主動性。

三、結語

在本文中，作者從教材的選擇、課程內容取舍、教學方法和考核方式幾個方面對教授光電信息科學與工程專業本科生《固體物理學》課程提出了自己的心得體會。這些意見來自幾年來作者的教學經驗總結、平時的思考以及與同行的探討。通過本課程的教學，幫助學生掌握固體物理方面的基礎知識和了解固體物理領域的一些新進展，同時，通過課后小課題的研究，加強學生的自主學習研究能力的培養。在教學內容、方法以及考核體系上進行了針對性優化和調整，這些對于我們學生在后續本專業其他課程上的學習打上良好的基礎，促進本專業創新型人才的培養。

參考文獻：

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[3]胡安，章維益編.固體物理學[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4]李子炯，蘇玉玲，王永強，等.適應材料物理和電子科學與技術專業需求的固體物理學課程教學改革和實踐[J].科教導刊，2016.

基金項目：本文受到2019年度“揚州大學優秀青年骨干教師計劃”資助

作者簡介：鄒德成（1985—），男，漢族，江西宜春人，博士，講師，研究方向：理論物理。