課程思政融入“固體物理”的教學(xué)探討

陶 麗，李 杰

（成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610225）

1 課程思政融入固體物理的意義和背景

2016年12月以來(lái)，為了落實(shí)習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)的“守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思政課同向同行、形成協(xié)同效應(yīng)”，推進(jìn)課程思政建設(shè)是其重要舉措，旨在發(fā)揮課程教學(xué)是育人的主要戰(zhàn)場(chǎng)，使德育與智育教育相統(tǒng)一，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)全方位育人[1-3]。

《固體物理》是我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)微波方向和微電子方向以及能源科學(xué)系的一門學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)必修課。固體物理學(xué)包含有晶體結(jié)構(gòu)、晶體的結(jié)合、晶格振動(dòng)和晶體的熱學(xué)性質(zhì)、晶體缺陷、金屬電子論和能帶理論幾個(gè)章節(jié)，課程是研究固體的結(jié)構(gòu)，及組成粒子之間相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以闡明固體性能和用途的學(xué)科，以固態(tài)電子論和固體的能帶理論為主要內(nèi)容[4]。重點(diǎn)在于固體的宏觀性質(zhì)，以及形成這些性質(zhì)的原因，加以控制、利用和改善。通過(guò)《固體物理》課程學(xué)習(xí)，能夠基于本課程的相關(guān)專業(yè)知識(shí)，掌握相關(guān)問(wèn)題的數(shù)學(xué)、物理模型以及研究方法，推演、分析涉及微波、微電子以及能源科學(xué)相關(guān)工程問(wèn)題的性能極限和優(yōu)化途徑，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，具備分析半導(dǎo)體材料和器件特性的能力，并設(shè)計(jì)滿足特定需求的半導(dǎo)體材料與器件。

固體物理主要研究固體的微觀結(jié)構(gòu)與性能及有關(guān)問(wèn)題的科學(xué)，它也是一門以實(shí)驗(yàn)為主，理論基礎(chǔ)性很強(qiáng)的學(xué)科。為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生在光電子與微電子相關(guān)材料、器件、工藝研究和工程應(yīng)用中的理解、設(shè)計(jì)、分析和創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)的理工科教育中比較注重科學(xué)研究、注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教研活動(dòng)較為忽視，固體物理的課程開(kāi)設(shè)時(shí)段在大二下學(xué)期，有半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)、電磁場(chǎng)與電磁波、電子材料與元器件等多門專業(yè)課，而教學(xué)內(nèi)容具有與學(xué)科前沿緊密聯(lián)系的屬性，或者和工程的結(jié)合度高，授課內(nèi)容緊湊，導(dǎo)致教師沒(méi)有充分思考課程思政內(nèi)容。通過(guò)融入課程思政教育能夠起到加強(qiáng)本科生社會(huì)主義核心價(jià)值觀引領(lǐng)作用，挖掘愛(ài)國(guó)主義教育、責(zé)任感、使命感、協(xié)作精神等思政元素，傳承中華民族的優(yōu)秀文化，更好地塑造學(xué)生的價(jià)值觀和道德觀，讓教學(xué)的責(zé)任田更加肥沃[5]。

2 當(dāng)前課程思政在固體物理課程中實(shí)施時(shí)面臨的問(wèn)題

《固體物理》固體物理主要研究固體的微觀結(jié)構(gòu)與性能及有關(guān)問(wèn)題的科學(xué)，它也是一門以實(shí)驗(yàn)為主，理論基礎(chǔ)性很強(qiáng)的學(xué)科，需要大學(xué)物理、量子力學(xué)、理論物理、高等數(shù)學(xué)、數(shù)學(xué)物理方法等眾多先修學(xué)科的理論基礎(chǔ)。在我校2018版人才培養(yǎng)方案中，電科和能源科學(xué)系開(kāi)設(shè)《固體物理》課程的時(shí)間在大二下學(xué)期，電科學(xué)生在學(xué)完大學(xué)物理和高等數(shù)學(xué)后就直接上的《固體物理》課程，學(xué)生的理論物理的基礎(chǔ)還不是很扎實(shí)和深厚。能源科學(xué)系的學(xué)生《固體物理》和《理論物理》課程在同一學(xué)期同一時(shí)間上，同樣存在著基礎(chǔ)不牢靠的問(wèn)題。在傳統(tǒng)的教學(xué)活動(dòng)中，主要強(qiáng)調(diào)基本概念的講解、基本公式的推導(dǎo)，少有思政教育的切入，難免讓學(xué)生感到枯燥乏味，學(xué)生容易產(chǎn)生畏難思想，導(dǎo)致教學(xué)效果不好，教與學(xué)未能實(shí)現(xiàn)真正的雙向奔赴。在工程教育專業(yè)認(rèn)證的大背景下，基于成果導(dǎo)向教育（OBE）的理念亟待貫穿教育過(guò)程的始終，建設(shè)“一流金課”，打造有溫度、有理想、有情懷的理工科課程迫在眉睫[6]。

3 固體物理課程中融入思政教學(xué)的有效方案

3.1 將教學(xué)設(shè)計(jì)中的教學(xué)目標(biāo)細(xì)化為知識(shí)目標(biāo)和思政目標(biāo)

把教學(xué)目標(biāo)細(xì)分為知識(shí)目標(biāo)和情感目標(biāo)，不僅強(qiáng)調(diào)知識(shí)的傳授，更注重學(xué)生對(duì)科學(xué)問(wèn)題的思考、對(duì)學(xué)生責(zé)任意識(shí)的審視。課程既能讓學(xué)生對(duì)敬畏科學(xué)、不忘初心砥礪前行、精益求精方得始終等價(jià)值觀產(chǎn)生共鳴，也為后面讓學(xué)生獲得專業(yè)認(rèn)同感奠定基礎(chǔ)。“春風(fēng)化雨，潤(rùn)物無(wú)聲”是教師追求的理想境界，教學(xué)過(guò)程中引入科學(xué)成果，傳播科學(xué)家勇于探索未知世界的精神、愛(ài)國(guó)愛(ài)家和堅(jiān)韌不拔的精神氣質(zhì)，激發(fā)學(xué)生攀登科學(xué)高峰的意志力，讓學(xué)生在分析問(wèn)題、判斷問(wèn)題、吸收養(yǎng)分的基礎(chǔ)上內(nèi)化為自身素質(zhì)修養(yǎng)、外化為具體行為習(xí)慣。

課程開(kāi)篇講到固體物理學(xué)緒論時(shí)給學(xué)生介紹著名的固體物理學(xué)家黃昆先生，他是中國(guó)固體物理學(xué)和半導(dǎo)體物理學(xué)的奠基人。黃昆先生嘔心瀝血為國(guó)家培養(yǎng)半導(dǎo)體人才，在科學(xué)研究上不斷創(chuàng)新、勇于探索，治學(xué)上嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，具有淡泊明志的高尚情操，為我們留下舉世矚目的科學(xué)成果。教師需要在課堂上進(jìn)行價(jià)值引領(lǐng)，激勵(lì)學(xué)生為社會(huì)主義核心價(jià)值觀而奮斗，勇敢承擔(dān)肩上的重任，為中華民族復(fù)興而奮斗。

講到半導(dǎo)體的知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候，給學(xué)生介紹從“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)火星到北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)全球，從“嫦娥五號(hào)”探夢(mèng)星空到“奮斗者號(hào)”載人潛水器的萬(wàn)米深潛，一系列寶貴數(shù)據(jù)和樣品的搜集，一項(xiàng)項(xiàng)科技前沿成果引起全世界范圍的關(guān)注。但我們也有薄弱之處，引入我國(guó)的中興、華為被美國(guó)卡脖子的困境，如何突破困境，實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新，尖端科技不依賴國(guó)外，正是同學(xué)們需要思考的問(wèn)題，以此為點(diǎn)融入使命感教育。習(xí)近平總書記在二十大報(bào)告里講道：“青年強(qiáng)，則國(guó)家強(qiáng)。當(dāng)代中國(guó)青年生逢其時(shí)，施展才干的舞臺(tái)無(wú)比廣闊，實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想的前景無(wú)比光明。全黨要把青年工作作為戰(zhàn)略性工作來(lái)抓，用黨的初心使命感感召青年，做青年朋友的知心人、青年工作的熱心人、青年群眾的引路人。”教師在講授半導(dǎo)體的應(yīng)用相關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，在適當(dāng)時(shí)機(jī)引入使命感的話題，幫助學(xué)生樹(shù)立成長(zhǎng)目標(biāo)，作為學(xué)習(xí)生活目的和矢志奮斗的指針，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)固體物理課程的學(xué)習(xí)，提供前進(jìn)的不竭源泉和動(dòng)力，激發(fā)學(xué)生積極地成才以及對(duì)自己專業(yè)的認(rèn)同感，努力掌握課程的核心內(nèi)容，與教師一起共同實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。讓學(xué)生能夠腳踏實(shí)地，敢想敢為，又敢擔(dān)當(dāng)、能吃苦、肯奮斗，讓青春在大學(xué)階段的課程實(shí)踐中綻放絢麗之花。讓學(xué)生能夠肩負(fù)使命，勇于今后的學(xué)習(xí)和工作中擔(dān)負(fù)重任，富于創(chuàng)新，善于突破，改善決定芯片性能的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法，提升學(xué)生對(duì)“難課”的學(xué)習(xí)自主性

在融入思政元素的教學(xué)中，需要以學(xué)生學(xué)為中心，因地制宜，針對(duì)不同章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，選擇有效的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生積極參與課堂，引導(dǎo)學(xué)生深度思考相關(guān)課程內(nèi)容。根據(jù)固體物理課程的特點(diǎn)，針對(duì)性地改進(jìn)教學(xué)方法。例如，第一章的晶體結(jié)構(gòu)，晶格的一般結(jié)構(gòu)、正空間、倒空間、宏觀對(duì)稱性和微觀對(duì)稱性等一些抽象不具體的概念可以用形象化的具體模型來(lái)講授，講解時(shí)以學(xué)生為主體操作相關(guān)的晶體模型，切身地感受原子的空間位置、各種宏觀操作類型等。讓學(xué)生在MaterialStudio（MS）等軟件的演示里，導(dǎo)入相關(guān)的晶體結(jié)構(gòu)，不同的原子標(biāo)注不同的顏色，讓學(xué)生觀察原胞與晶胞的區(qū)別，簡(jiǎn)約布里淵區(qū)的形狀，原子占位的情況等。在第六章能帶理論，布洛赫定理、近自由電子近似和緊束縛近似講授結(jié)束后引導(dǎo)學(xué)生在MS軟件里構(gòu)建TiO2晶體結(jié)構(gòu)，介紹基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法，對(duì)銳鈦礦的TiO2進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到優(yōu)化后能量最低、結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的TiO2晶體結(jié)構(gòu)，再基于MS軟件的Properties功能對(duì)銳鈦礦的TiO2能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度進(jìn)行計(jì)算，讓學(xué)生能夠直觀地感受到能帶結(jié)構(gòu)，能夠區(qū)分金屬、半導(dǎo)體和導(dǎo)體。課堂教學(xué)過(guò)程中能夠做到理論和實(shí)踐相結(jié)合，極大地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性。

固體物理課程的內(nèi)容上，相比于傳統(tǒng)的理論講授，還需要繼續(xù)增加相關(guān)的科學(xué)發(fā)展資源、視頻資源和動(dòng)畫資源提升課程的活潑性和可理解性。例如，第一章晶體結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)確定，學(xué)生只在《大學(xué)物理》中光的衍射這一章節(jié)接觸過(guò)X射線，并未深入了解X射線的來(lái)源。在這里引入X射線相關(guān)的發(fā)展歷程，從1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了一種穿透力很強(qiáng)的射線開(kāi)始到倫琴1901年獲得首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；再到勞厄?qū)Σ煌w的X射線衍射試驗(yàn)這個(gè)最美試驗(yàn)證明了晶體的原子點(diǎn)陣微觀結(jié)構(gòu)，獲得1914年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，后來(lái)用到研究金屬和合金，正是X射線衍射理論才能給地球拍攝胸透照片；再到布拉格父子齊心，其利斷金，搭建X射線的設(shè)備，分析晶體結(jié)構(gòu)，給出了X射線衍射現(xiàn)象的解釋，獲得1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。固體物理的發(fā)展過(guò)程，匯聚了歷史上眾多天才級(jí)的科學(xué)巨匠，包括開(kāi)普勒、歐姆、法拉第、布拉維、居里、普朗克、勒納德、愛(ài)因斯坦、外斯、昂尼斯、泡利、海森堡、薛定諤等，逐漸形成了好奇心驅(qū)使的科學(xué)精神。科學(xué)精神成為驅(qū)動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的不竭動(dòng)力。在建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的大背景下，倡導(dǎo)科學(xué)精神和創(chuàng)新精神順應(yīng)時(shí)代的需求。物理學(xué)家通過(guò)敏銳的眼光和嗅覺(jué)捕捉到科研熱點(diǎn)，孜孜不倦的探究精神促成了常人觀察不到的結(jié)果，這是當(dāng)代大學(xué)生值得學(xué)習(xí)的可貴的科學(xué)精神，能夠促進(jìn)科技發(fā)展創(chuàng)造性轉(zhuǎn)化、創(chuàng)新性發(fā)展。第三章晶格振動(dòng)和晶體的熱學(xué)性質(zhì)，在講到晶體中原子之間相互作用，是以波的形式在晶體中傳播，形成格波[4]。借助學(xué)生在大學(xué)物理1A中學(xué)過(guò)的宏觀可觀測(cè)的彈簧振子的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)以及機(jī)械波的形成的基礎(chǔ)知識(shí)，過(guò)渡到微觀世界晶格中格波的形成這個(gè)抽象的概念。在這個(gè)章節(jié)中，需要能夠畫出一維晶體原子振動(dòng)模型，可以形象地體現(xiàn)出長(zhǎng)聲學(xué)波中原胞質(zhì)心的平動(dòng)，長(zhǎng)光學(xué)波中相鄰兩個(gè)原子的相反振動(dòng)方向，讓抽象化的事物能夠更加形象化，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性。第六章能帶論，介紹能帶的基本概念和性質(zhì)，以及兩種最簡(jiǎn)單的計(jì)算能帶的近似方法——近自由電子近似和緊束縛近似，以及能帶論在解釋固體的性質(zhì)的應(yīng)用。該章節(jié)是固體物理的核心內(nèi)容，學(xué)生只有深入理解了能帶的形成才能夠?qū)腆w的導(dǎo)電性作出正確的解釋。在介紹晶體電子的時(shí)候，實(shí)時(shí)引入光子晶體（在空間周期排列不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料，那么其中傳播的光子的能量和頻率會(huì)呈現(xiàn)類似電子能帶的結(jié)構(gòu)）以及光子晶體的應(yīng)用（聯(lián)系自身科研背景介紹變色龍變色機(jī)制，光子晶體在抑制自發(fā)輻射的應(yīng)用等等）和聲子晶體（將介質(zhì)的彈性常數(shù)作周期性排列，聲波在其中傳播時(shí)也會(huì)呈現(xiàn)聲的帶結(jié)構(gòu)），在此啟發(fā)學(xué)生的聯(lián)想對(duì)比思維和學(xué)習(xí)前沿科研。教學(xué)過(guò)程中，教師自身的科學(xué)研究是鮮活的、充滿說(shuō)服力的，可以使得教學(xué)活動(dòng)更加有活力。在該部分可以向?qū)W生展示能帶形成機(jī)制的視頻，錄制光子晶體和聲子晶體的微課視頻，形成強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊，讓能帶的概念深入人心，能讓學(xué)生順利掌握帶的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。

課堂的教學(xué)形式要能夠體現(xiàn)先進(jìn)性、互動(dòng)性、針對(duì)性，教學(xué)組織形式可采用課堂對(duì)話、探究式、研討式，構(gòu)建開(kāi)放課堂，線上和混合式課程信息化構(gòu)建合理。在每一章節(jié)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的切入時(shí)，查閱當(dāng)下最新固體物理學(xué)發(fā)展的科研論文，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)討論。課堂不再是一言堂，學(xué)生能夠?qū)W習(xí)討論最新的科研論文，討論其創(chuàng)新點(diǎn)，分析其與課堂知識(shí)點(diǎn)的結(jié)合，學(xué)習(xí)其思維方法，發(fā)展他們的科學(xué)精神和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

此外，固體物理教學(xué)的實(shí)施也可以借助學(xué)院實(shí)驗(yàn)室和老師等科研條件來(lái)鼓勵(lì)學(xué)生參與導(dǎo)師的科研課題，能夠撰寫提交一篇小論文或者在課堂上做口頭報(bào)告進(jìn)行交流和討論，這個(gè)學(xué)以致用的過(guò)程能夠鍛煉學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、組織能力和表達(dá)能力，提高學(xué)生的科學(xué)思維、研究能力和課堂參與積極性，實(shí)現(xiàn)師生之間的共享、共鳴、共情，教與學(xué)同頻共振。

3.3 構(gòu)建學(xué)習(xí)成效及評(píng)價(jià)體系多元化

建設(shè)一流課程，需要能夠體現(xiàn)有知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)和世界觀塑造幾個(gè)層次，通過(guò)多層次的調(diào)研來(lái)持續(xù)改進(jìn)。每學(xué)期課程考試后，需要生成課程目標(biāo)達(dá)成度報(bào)告，驗(yàn)證對(duì)在校學(xué)生學(xué)習(xí)有用。對(duì)在讀研究生、博士生校友的調(diào)研課程滿意的，驗(yàn)證對(duì)校友的發(fā)展是否有用。對(duì)人才育人的有效度調(diào)研，驗(yàn)證是否對(duì)校友的終身發(fā)展有支持。學(xué)生的總體成績(jī)構(gòu)成不再呈現(xiàn)單一化，對(duì)固體物理的考核形式應(yīng)多樣化，翻轉(zhuǎn)課堂、線上平臺(tái)學(xué)習(xí)、固體物理前沿動(dòng)態(tài)、作品展示（用MS構(gòu)建晶體模型計(jì)算能帶，團(tuán)隊(duì)協(xié)作）、案例分析、期末考試等等多種考核形式。

4 總結(jié)及展望

固體物理課程團(tuán)隊(duì)將會(huì)繼續(xù)把握課程建設(shè)主戰(zhàn)場(chǎng)，課堂教學(xué)主渠道，承擔(dān)好育人責(zé)任，使課程建設(shè)與思政育人機(jī)制同向同行，助力全程育人大格局。產(chǎn)出導(dǎo)向?qū)W習(xí)的教育理念下，固體物理作為電子信息類學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，把思政融于教學(xué)迫在眉睫，如何把理工科的難課變成柔課、有水準(zhǔn)的金課是相關(guān)教學(xué)者必須要思考的問(wèn)題。融入思政教學(xué)，不僅要求施教者具備高水平的教學(xué)能力，更是打造學(xué)生能夠成為課堂的主體，一切以學(xué)生為中心，成果產(chǎn)出為導(dǎo)向的教學(xué)才是教育者的最終目標(biāo)。期望通過(guò)固體物理課程思政建設(shè)，培養(yǎng)出具有探究精神、主動(dòng)學(xué)習(xí)的好學(xué)生，培養(yǎng)出具有批判、創(chuàng)造、實(shí)踐思維的學(xué)生，培養(yǎng)出愛(ài)國(guó)主義精神、責(zé)任感、合作精神和發(fā)現(xiàn)分析解決問(wèn)題的科學(xué)方法的有情懷有熱忱的電子信息專業(yè)化人才。