新工科背景下面對材料器件類專業的固體物理課程教學改革探索

明 磊 歐 星 劉 洋

（中南大學 湖南長沙 410083）

引言

為在新一輪科技革命與產業變革取得重大突破，提高我國綜合國力并縮短與發達國家之間的距離，支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略，教育部積極推動新工科建設，在2017年形成了陸續形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”等新工科建設理念，探討新工科內涵特征與建設和發展的路徑選擇，強調創新性和實踐性培養，突出了我國高等教育改革發展的必要性。因此，高等院校作為培養人才的重要機構，應主動把握這一機遇，在教育部指導下，結合專業原有特色推動教學改革，提高教學質量，培養滿足新工科背景下產業發展的創新型工程科技人才。

材料器件類專業作為國家戰略性新興產業發展所必不可少的專業，為科技創新提供了必要的智力支持和人才保障，而固體物理課程是材料器件類專業培養人才的重要基礎課程，它幫助學生建立起固體性質的一套較為完整的理論基礎，因而學生對固體物理知識的掌握情況直接影響到后續專業課程的學習，甚至對今后職業發展產生巨大的作用。然而，固體物理授課課時有限，如何在短時間內使學生理解固體物理基礎知識，同時能建立起運用固體物理知識解決材料器件類行業面臨的實際問題的橋梁，從而滿足新工科背景下材料器件類專業教育要求，這成為當前固體物理課程教學改革需解決的問題。此外，固體物理課程傳統教學模式對于材料器件類專業的學生的培養也存在多方面限制，這往往是填鴨式教學，缺乏啟發性、創新性思維以及應用素質的培養，造成學生將所學的固體物理知識與實際應用割裂，難以用于解決實際問題，不利于材料器件類行業整體發展。

因此，為了更好適應新工科背景下的科技發展，材料器件類專業的固體物理學的教學課程改革迫在眉睫。本文將基于提升面對材料器件類專業的固體物理課程教學質量這一目標，針對目前存在的具體問題，圍繞教學內容、教學方式和考核方式等方面提出一系列改革措施，以期使固體物理課程設置更加合理，提高課程質量，最大限度激發學生創新思維，以達到新工科背景下對材料器件類專業人才的培養目標。

一、新工科背景下固體物理教學內容改革探索

1.教材具有層次性，側重有應用前景的知識

目前，主要存在兩種教材體系，一是注重結果和結論的基泰爾體系，其中凸顯數學的重要性，因此也具有知識點碎片化，難以理解知識點之間的聯系的缺點；另一種是重視過程，從固體物理學發展歷程為線索的Ashcroft體系，但也存在問題和不足。國內教材大多數為基泰爾體系，教材存在理論性強、數學公式多，內容繁雜甚至重復、物理模型推導過程過多等問題，涉及高等數學和量子力學等課程內容知識。然而，學生接觸固體物理課程時，通常還未進行量子力學等課程的學習，并且固體物理課程課時往往僅有48個課時，因此，學生在學習過程中往往難以很好地理解并掌握固體物理課程全部知識，容易產生厭學行為。但是，材料器件類專業和物理專業對固體物理課程人才培養要求不同，材料器件類專業需要課程強調知識的綜合性和實用性，以達到學生在掌握固體物理專業知識后能應用于解決科研和工程實際問題的目的。所以教師必須做到有層次安排，對教材內容進行選擇性講解，側重有應用前景的知識內容做到理論聯系實際，使學生建立起運用固體物理知識解決實際問題的橋梁。

2.教學內容整合，引入前沿知識和熱點知識

固體物理學是一個動態的過程，其內容伴隨著半導體材料、電池材料和超導材料等的技術突破而不斷豐富。新工科背景下面對材料器件類專業的固體物理課程應適時改革試探，圍繞創新性和實踐性培養要求，教學內容上引入前沿知識和熱點知識，做到固體物理傳統基礎知識和材料器件類專業發展前沿知識和熱點知識相結合，達到基礎性、創造性和綜合性的統一，培養出滿足新工科建設要求的多樣化、創新型卓越工程科技人才。在授課時，將固體物理在材料器件類專業的最新應用實例進行詳細介紹，并鼓勵學生提出獨立見解和創造性解決方法，使學生對自身專業發展形勢具有一定了解，同時幫助學生加強對固體物理知識的理解，并能夠站在全球化的角度分析、觀察和解決問題，達到學以致用的目的，極大地提高材料器件類專業人才知識儲備的整體性；此外，將固體物理與材料器件類專業相關的最新發展動態引入課堂內容中，透徹了解當前形勢，緊密聯系學科發展的前沿成果，將經過實踐驗證的科研成果及時應用于課堂教學中，使教學與科研互為補充、互相促進，并鼓勵學生積極參加學院老師的科研實驗，多聽相關學術報告，在此過程中培養學生對于科研學習的興趣，開拓思維視野，為其今后的工作和深造奠定良好的基礎。同時，在講授固體物理各章節的數學模型過程中，可將煩瑣的數學推導過程適當略過，重點講述理論的建立過程和物理模型，整合教學內容，注重科學的建模思想的滲透，引導學生使用建模思想去發現并解決目前材料器件類專業領域存在的實際問題。

3.引入人文教育和思想政治教育，實現新工科背景下的素質教育

固體物理課程知識理論性較強，知識點碎片化嚴重，學生在沒有將固體物理知識學完的情況下，難以通過自學的方式找到各個知識點的聯系，但這些一個個理論的誕生并非一蹴而就的，往往是一代又一代科學家不斷摸索得到的，因此，將人文教育引入固體物理課程學習，選講固體物理發展歷程，能在科學知識層面和文化價值層面具體化、生動化地展示課程魅力，擴展學生知識面，激發學生對科學問題的深度思考，達到培養學生創新能力的目的。此外，少年強則國強，面對當今信息社會網絡思潮涌動，各種思維不斷影響當代大學生的人生觀，有的思想甚至誤導學生走上違法犯罪的道路的現狀。因此，高校應當將思想政治教育融入固體物理教學中，在幫助學生塑造科學素養的同時，引導學生樹立良好的世界觀、人生觀，使得學生將自身專業知識的學習和社會責任感聯系起來，并深刻感受到新工科背景下肩負的使命感，強化愛國主義精神，為其自身今后的學習教育提供強大的精神動力和情感支撐，不斷建立科學的思維方法，提高學習主動性，使其成為具有國際化視野的創新型復合人才，更好地為社會主義事業貢獻自己的力量[1]。

二、新工科背景下固體物理教學方式改革探索

1.轉變教學方法，引導學生自主學習

新工科建設研討會指出，高校要為我國產業發展培養一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，這就必不可少要轉變以往灌輸式教學方法，加強學生主體地位，改被動為主動，以引導學生自主學習為主，激發學生學習熱情，實現啟發式、互動式、探討式教學，達到掌握知識與提高探究能力雙重的目的。對于固體物理中的一些不太難的部分，可以采取翻轉課堂的方式，鼓勵學生分成小組，引導學生將這部分內容和目前材料器件類專業領域存在的問題聯系起來，通過自主查閱相關文獻和書籍制作成PPT課件，然后在課堂上進行講解，同時預留專門的答疑時間，從而不僅能鍛煉學生自學能力，減少畏難情緒，幫助學生塑造自信，也培養學生的專業思維能力和邏輯思維能力，還能鍛煉其團隊協作能力，更能加強學生之間以及學生和老師之間的互動，實現綜合素質的提高。

2.采用多媒體教學和材料模擬軟件相結合的教學方式

固體物理包含晶體結構、晶體缺陷和晶體中電子能帶理論等知識，為使其中復雜抽象的物理模型更加有利于學生理解和掌握，教師應在教學方面熟練利用先進的現代技術來輔助教學。一方面借助傳統多媒體教學，實現對課程中涉及的難點問題的物理圖像的清晰展示[2]。例如，在講解晶體中的位錯時，可以運用動畫來形象地顯示位錯的概念，并直觀地展示位錯擴散過程，同時加大了有效授課時間和信息量，使學生在較短的時間內基本掌握固體物理基本原理和應用范圍。另一方面利用各種科研實際運用的材料模擬軟件可視化功能，將復雜的物理模型具體形象化，提高學生學習興趣，同時有利于學生課后借助這些軟件自我學習，將固體物理理論知識與實踐結合起來，為今后科研學習方面打下基礎。例如，在講解晶體結構過程中，利用Diamond軟件進行移動、縮放和旋轉等操作，幫助學生正確認識晶體點陣和倒易點陣，充分理解三維空間中七大晶系，從而掌握固體物理晶體結構，有助于其理解如鋰離子電池三元正極材料在長循環過程中產生的相變過程的一系列材料晶體相關內容。將多媒體教學和材料模擬軟件融入固體物理教學課堂，能顯著提高教學質量，提升學習效率，并增強教師和學生之間的交流。

3.充分利用網絡教學

在互聯網時代，要充分利用網絡資源，突破固體物理傳統課堂教學模式，通過門戶網站、騰訊QQ、微信等多種平臺和微課、慕課等多種授課方式結合，實現線上線下混合式教學，打破地域、時間的限制，使得學生隨時隨地都能針對自身學習固體物理課程知識過程中出現的問題，自主找尋解決辦法，也方便教師在了解和掌握學生動態的同時，更好地為學生提供學習咨詢和學習指導服務，有利于培養實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才。

三、新工科背景下固體物理考核方式改革探索

在傳統固體物理課程考核中，教師通常會在期末采用閉卷考試的評分模式，但這種方式存在較大的弊端，學生往往抱有僥幸心態，只在考前一個月里進行固體物理知識的學習，并且只考核學生對固體物理知識的掌握情況，未對學生的創新能力、實踐能力等進行考核。然而，開卷考試試題更具開放性和靈活性，學生可以充分發揮自己的見解，能同時考核學生對基礎知識的理解和運用。因此，為了材料器件類人才培養更貼合新工科建設的要求，我們需對固體物理課程的考核方式進行探索式改革，側重學生創新性培養，增加對平時表現和平時作業的考核比重，實施開卷考試模式。這可以杜絕學生臨時抱佛腳獲得高分的僥幸心理，同時使學生在學習的過程中重視自身創新創造能力的培養，激發學習主動性[3]。此外，在平時成績考核過程中，可通過提出多個可應用固體物理知識解決材料器件類專業領域現存問題的相關課題，鼓勵學生發揮主觀能動性，選擇其中一個課題查閱相關資料，寫出基于固體物理課程知識用于解決實際問題的文章。這一過程能為學生提供思考空間，充分鍛煉并考察學生的自主學習能力，查閱文獻能力以及分析問題和解決問題的能力，從而幫助學生建立起連接固體物理課程知識和材料器件類專業領域的橋梁，使學生感到學以致用的快樂，激發其更加深入學習的動力，也使學生充分認識到自己各方面的不足，可在今后的學習過程中不斷完善自我，達到材料器件類專業綜合性人才的培養要求。

結語

總之，本文基于固體物理課程教學過程中存在的教學問題，堅持以創新培養為導向，結合材料器件類專業特點對固體物理課程教學進行改革探索，圍繞教學方式和教學內容、考核方式等方面提出一系列有效措施，提高固體物理課程教學質量，以滿足新工科建設下所需的創新型復合人才培養要求。教師們可在傳統固體物理課程內容的基礎上進行整合，引入前沿背景和熱點知識介紹，并適當融合人文教育，實現對學生專業素養培養和人格塑造。此外，通過運用多媒體和材料模擬軟件輔助教學，并借助各種網絡平臺加強教育指導，突破課程在時間和地點上的限制，也實現互動式、啟發式、探討式教學，提高課程教學質量，達到培養多樣化、創新型卓越工程科技人才的教育目標。

實踐證實，上述本文提及的一系列教學方式、教學內容和考核方式方面的措施能極大提高學生的科學素養以及分析問題和解決問題的能力，為學生今后的科研學習奠定了一定的基礎。但是隨著科學技術的高速發展，固體物理課程知識也不斷豐富，在新工科建設背景下，社會對材料器件類專業學生所具備的專業知識儲備水平提出了更高的要求，更為強調創新能力培養的重要性，因而，作為材料器件類專業的重要基礎課程，還需要廣大教育工作者不斷根據教學現狀以及社會和國家的需要，對固體物理課程教學進行不斷地研究和探索，為學生提供更為科學的指引。