淺談物理類專業《固體物理學》課程教學創新探索與實踐*

衛 來，尹紅梅，周恒為，張 文?

(1.伊犁師范大學物理科學與技術學院，新疆 伊寧 835000；2.伊犁師范大學凝聚態相變與微結構實驗室，新疆 伊寧 835000)

1 引言

固體物理學是研究固態物質的微觀結構、運動規律及其相互作用，包括固態物質的熱學、電學、光學和磁學等基本物理性質的科學。固體物理學是固態材料科學的基礎，課程的主要內容包括：晶體的結構、晶體的結合、晶格振動與晶體熱學性質、晶體中電子能帶論、自由電子論和電子的輸運性質等，討論問題的方法涵蓋經典、半經典和量子力學方法，是一門綜合性非常強的課程[1]。

在《固體物理學》課程的教學過程中，本課程團隊教師發現學生普遍反映出課程“學不好、學不會”等問題。針對教學中存在的種種問題[2-4]，本課程團隊也進行了分析研究和教學實踐，開展了一系列有針對性的教學改革創新。

2 抓住教學“痛點”，逐項擊破癥結

通過長期的教學實踐，我們團隊發現學生在《固體物理學》的學習過程中，存在如下幾方面的“痛點”：一是大部分學生空間想象力較弱，導致對晶體結構的學習非常吃力，而晶體的結構是本課程后續討論的基礎，因此扎實掌握晶體結構的相關內容是學好整個課程的關鍵。二是課程內容較難，導致課堂教學以老師講解為主，學生參與度較低，僅在提問回答等環節進行少量課堂互動，“翻轉課堂”等新興的教學創新理念更是難以實施。三是學生對平時的練習和作業的反思不夠，做錯的問題仍然不會，課程考核和評價反饋機制不健全。四是課程思政內容與教學內容結合度較低，思政元素融入生硬，無法真正起到課程思政效果。針對以上“痛點”問題，本課程團隊開展了一系列教學改革創新，逐項擊破問題、打通癥結所在，真正幫助學生解決學習中的困難。

2.1 引入科研軟件輔助教學，增強空間結構感知和理解

2.1.1 “痛點”剖析

固體物理學的基礎是晶體結構，然而要學好晶體結構，除了要具備扎實的立體幾何知識，更重要的是要有較強的空間想象能力，而這種能力正是大部分學生所不具備的。以往的課堂授課過程中，不論是多媒體課件還是板書繪圖，通常只能將三維圖形的某個角度，在二維平面內展示，立體表現效果不佳。而且通常為了清晰地呈現結構特征，往往會將某些細節特征簡化，而這種簡化又容易讓學生產生誤解。例如，為了讓學生能看清晶體結構，講解繪圖時往往將原子（硬球）簡化為一個點，然而許多學生容易將這個點的大小誤認為是原子大小，造成理解上的偏差。

2.1.2 教學創新方法

將晶體相關的科研軟件作為工具，引入教學活動中。例如，本課程將科研中用到的軟件引入課堂（相關軟件有許多，如Materials Studio[5,6]、VESTA[7]、Ovito[8]等），利用軟件強大的建模和分析功能，構建晶體結構模型，將結構以及晶體中的鍵長鍵角進行動態展示。這樣做主要有兩方面優勢：一是立體圖形展示更加靈活多樣，所構建的晶體模型可以任意翻轉、放大、縮小以及有關參數的計算等等，盡可能地將晶體結構的細節信息直觀地呈現給學生，極大地增強了學生對空間結構的感知和理解。二是軟件的使用可以直接與相關科研工作銜接，有利于增強同學們對科學探索的興趣，培養學生的科研素養。

2.2 引入“課堂小任務”，有效提升學生參與度

2.2.1 “痛點”剖析

正如前文所述，作為專業核心課程，《固體物理學》的課程難度較大，如果直接采取類似“翻轉課堂”等改革模式，由于學生水平有限，可能會導致課堂效果不佳，使得同學們對基礎知識的理解不夠深、不夠透。然而，如果學生參與少，由于課程內容較難，可能難以引起大部分同學的聽課興趣。學生參與程度的把握，正是本課程的“痛點”之一。

2.2.2 教學創新方法

本課程團隊將授課過程進行“拆解”，選擇其中難度不大的內容，形成“課堂小任務”，既能讓學生充分參與，又可以保障教學效果。以本課程為例，為了讓學生能充分理解晶體結構的細節，利用科研中用到的軟件，構建晶體結構模型后，用可觸摸設備（平板電腦等）交由學生直接操作，并利用網絡共享投屏到大屏幕上進行同步展示，讓所有學生都能一起參與對晶體結構的觀察和探索中來，有效提升了課堂的參與度。值得注意的是，“利用專業軟件構建模型并且展示”，這個過程中，構建模型相對困難，而操作展示則相對容易。因此在這個環節中，由授課教師完成困難的部分，而將容易的部分交由學生進行，這樣的“課堂小任務”，既能有效提升學生的課堂參與度，又能保障教學效果。通過教學實踐，我們發現這種“課堂小任務”的方式，非常適用于理工科專業中較難的理論課程，有很高的推廣應用價值。

2.3 引入慕課平臺加強作業練習，豐富考核評價方式

2.3.1 “痛點”剖析

對于大部分理科課程的學習而言，許多問題需要通過大量的練習來不斷加深理解和掌握。傳統的練習形式主要是作業和單元測驗等等，然而這種形式的反饋只能在老師批閱之后，單向地將批閱情況反饋給相應的學生，具有周期長、響應慢、效率低等缺點。而且，許多學生也并沒有反思老師對其作業或者測驗的批閱信息，沒有引起足夠重視，許多做錯的問題仍然不會做，反復出錯。出現上述情況也許并不是學生主觀意愿，而是根據遺忘曲線，學生做完作業2-3天就對題目印象不深了，等到老師下發作業（試卷）時，學生關注的往往只有分數而已，對所做的題目或解答的問題已拋諸腦后。

2.3.2 教學創新方法

針對上述問題，本課程團隊主要采取以下兩方面手段來豐富考核評價方式：

（1）提前將每節課的重點內容，利用在線答題平臺設計出若干問題制作成“微答卷”，讓學生在下課前掃碼進入答題。同時，實時地將學生答題情況在屏幕上呈現出來，老師針對學生答錯的問題當場進行講解。這樣做的好處主要有：隨堂練習有利于加深記憶；實時反饋響應快；當場講解針對性強[9]。

（2）利用課程網站，建立在線題庫，并從題庫中下發作業[10]。學生可登陸平臺完成作業。到達作業截止日期后，系統自動下發作業答案，并設置為生生互評，即給每位同學隨機分配3-5人完成的作業，要求該同學對這3-5份作業進行批改。反之，每位同學的作業也會被3-5位同學批改。上述批改是雙盲的（即批改人和被批改人都是匿名的），以保障公正性。最后，由老師根據每位同學自己作業的完成情況，以及批閱其他同學作業的情況，給予綜合評價。這樣做的優勢主要有：一是通過作業和評閱，強化了學生對問題的理解和認識；二是生生互評在一定程度增加了學生相互學習的機會；三是學生在掌握答案的基礎上，對其他同學的作業進行批閱，老師再根據學生批閱中出現的問題，便可以更精準地掌握學生的薄弱知識點，從而有針對性地開展教學。

2.4 引入我國取得的相關成就，做“潤物細無聲”式思政教育

2.4.1 “痛點”剖析

對于大部分理科專業課程而言，思政內容的融入相對是比較困難的，這主要是因為傳統的觀點認為理科專業討論的是自然科學問題，而思想政治教育則屬于社會科學問題，因此多數情況下都會出現融入生硬，與課程契合度不強，因此往往起不到課程思政的作用，甚至容易使學生陷入反感，而起到相反效果。

2.4.2 教學創新方法

本團隊通過反復地探索和實踐，發現思維范式將我們引到了錯誤的目標導向上。以往我們把“課程思政”向著“思政課程”的方向去打造，期待通過一節課就能起到強烈的思想政治教育成效。然而教學實踐表明，這種方式使得課程中的思政味道過于“濃”了。就像我們炒菜，不放鹽不行，但是如果放得太多，這盤菜也同樣不好吃。事實上，對于理科的專業課而言，思政內容的融入既要適當，也要適度。因此在本課程的教學過程中，本課程團隊明確了“厚植熱愛祖國、熱愛中華民族的情懷，做‘潤物細無聲’式思政教育”這一課程思政的工作思路。

考慮到《固體物理學》是固態材料科學的基礎，而我國科學家在固態材料科學領域曾取得過非常多的成就，其中有很多是國際領先的。比如黃昆先生在半導體領域的卓越貢獻[11]、陳創天院士在非線性單晶領域領跑全球的成果等等。這些內容都是非常適合的課程思政元素。我們將上述這些我國科學家取得的與本課程相關的領先成就，分散到每節課的課程內容中。盡管每一次講授思政內容，可能并不會讓學生留下深刻印象，然而多次以后就會在學生心目中產生一種無形的民族自豪感和國家認同，這就能夠真正做到“潤物細無聲”式思政教育。

3 巧用信息技術，以學生為中心開展教學

3.1 多媒體的合理化使用，善于做“減法”

長期以來，許多教師認為多媒體教學即是“好”的教學方式，甚至有將多媒體教學“覆蓋”到課程全過程的趨勢。這主要是教育發展的歷史原因，由于普及多媒體教學的需要，很長一段時間在許多教學競賽、評獎評先等領域，都推崇多媒體教學方式，將是否使用多媒體作為一條評價教師教學水平的重要加分項。更有甚者，將一門課程的多媒體課件設計作為一項研究課題進行立項研究。然而，本課程團隊認為多媒體教學和傳統的板書式教學，本身只是教學方法的不同，并不存在孰優孰劣，也并不存在統一的標準，我國傳統教育認知中的“教無定法”也是這個思想。可以認為，多媒體教學和傳統板書教學各有優缺點，其中多媒體教學由于顯示豐富、動態性好，更適合于圖形化展示、動態過程演示等課程內容[12]；而傳統板書教學由于思路跟隨性較好，黑板區域較大、內容可較長時間留存，因此更適合于理論推演，邏輯演繹等課程內容。因此如何運用好多媒體教學方式，將多媒體教學進行合理化設計和使用，是一門課程教學設計的重要內容之一。

而本課程團隊則從起初的課程全過程多媒體教學，通過不斷嘗試，逐漸做“減法”，直至將多媒體教學課時量控制在總課時量的30%左右。本課程在一個學期（72 學時）的教學時間內，主要教學內容包括：（1）晶體的結構及其對稱性；（2）晶體的結合；（3）晶格動力學和晶體熱學性質；（4）能帶論；（5）金屬自由電子論等。

本課程團隊對上述課程內容進行了深入分析，并總結了各部分內容的授課特征。在第一部分（晶體的結構及其對稱性）中，其主要內容涉及晶體的結構及描述方法、對稱操作、晶體的周期性結構單元、倒點陣、晶體衍射基本理論等。該部分以圖形化的結構展示為主，特別是立體空間結構的展示，因此本課程團隊認為該部分內容采用多媒體教學方式更加合理。在第二部分（晶體的結合）中，其主要內容涉及晶體的結合類型、結合力和結合能的特點、不同類型晶體的結合能等。該部分在講授晶體的結合類型等內容時以概念介紹為主，因此本課程團隊認為該部分內容可采用多媒體講授。在講授結合力、結合能內容時以理論推演為主，因此本課程團隊認為該部分內容采用板書教學更有利于學生吸收。在第三、四、五部分中，即介紹晶格動力學和晶體熱學性質、能帶論、金屬自由電子論等內容。該部分以理論推演為主，輔以少量圖形幫助理解物理圖像，因此本課程團隊認為該部分內容采用傳統的板書教學更為合理。本課程團隊經過幾輪教學實踐，認為以上教學設計是比較有利于學生掌握課程知識的方案。

除此之外，本課程還運用信息技術輔助教學，例如在課堂上設置“課堂小任務”，如將晶體結構通過平板電腦交由學生直接操作，進行直觀的觀察，同時將其操作過程實時分享到大屏幕供全體同學觀看。以上教學創新，充分運用了信息技術，讓學生感到新奇、好玩，同時又能學到知識，更加突出了學生的中心地位。

3.2 構建信息化考核評價體系，善于做“乘法”

隨著高等教育的發展，高等院校課程的考核模式也趨于多元化[13,14]。但總體來說就是課前、課堂、課后以及期末等幾個考核階段。如何運用好合適的考核方式，在上述幾個階段對學生的學習情況進行考核評價，是值得每位授課教師思考和研究的問題。如果能運用好考核評價模式，那么在上述幾個階段的考核中可以對教學起到相得益彰、互相促進的“乘法”作用。否則就可能導致空耗師生精力，而起不到好的教學效果。本課程團隊根據《固體物理學》課程教學的特點，將信息化技術引入教學考核評價各階段，構建了信息化考核評價體系。

3.2.1 課前引導學生進行線上“微課”學習

本課程團隊將每節課的重難點內容，制作成微視頻，形成“微課”上傳至課程網站。引導學生在課前通過觀看“微課”視頻進行預習[15]，并在課程網站通過學生觀看進度進行考核評價。

3.2.2 課堂上開展“掃一掃”微測驗

本課程團隊將每節課的重要知識點，通過小程序制作形成課堂小測驗。學生通過“掃一掃”進入小程序答題，并實時生成答題成績匯總，供授課教師參考。本課程采用學生群體樂于接受的掃碼答題的方式，既活躍了課堂氛圍，提升學生參與度，又對學習效果提供了檢測，授課教師可以根據答題情況，選擇錯誤較多的問題重點講解，幫助學生解決學習困難。

3.2.3 課后線上作業，生生互評

本課程團隊每節課后在課程網站中發布課程作業，并設置為學生互評，從而加深學生對知識的掌握。

3.2.4 加強過程性考核，為期末“減負”

本課程團隊每周（或隔周）會進行一次單元測驗，測驗形式為線上。定時在課程網站發布測驗試題，并限定完成時間，即要求學生在規定的時間內完成考試。該成績可作為過程性考核成績，計入期末成績中。同時，通過單元測驗，加強了學生的練習量和強度，鞏固了學習效果，實現為期末“減負”的目的。

以上考核評價形式，充分運用了現代信息技術手段，不僅為教師提供了方便，同時也極大提升了授課效果，加強了以學生為中心的教學理念。

4 教學創新的推廣應用及改進舉措

4.1 創新思路的推廣應用

本課程團隊建設的《固體物理學》網絡課程平臺包含豐富的教學內容，包括課程授課視頻、課件、題庫等等。該網絡課程平臺自2017 年投入使用以來，目前訪問量（PV 值）已超過90000 人次。此外，本課程的“痛點”問題，在理科專業的其他專業課中，也不同程度存在，如學生課堂參與度低、課程考核評價方式較單一、思政元素融入難等，都是長期困擾理工科相關課程授課教師的問題[16]。因此，本課程的創新探索實踐，具有一定的參考借鑒意義和較高的推廣應用價值。

從實施教學創新改革以來，學生的反響看來，本課程的改革對學生中心地位的凸顯和學習興趣的提升，確實起到了較為明顯的作用。

4.2 不足之處及改進舉措

本課程團隊通過教學反思也發現了一些不足之處，并提出了改進舉措。

4.2.1 “課堂小任務”的探索性有待進一步提升

雖然借助信息技術，實現了課堂上的師生互動，然而在探索性方面還可以進一步提升。比如利用科研軟件構建晶體模型，讓學生自由操控觀察，但是提出的引導性問題數量較少，而且非常簡單，探索性不強。在今后的教學過程中，可以通過合理設計從而進一步提升。

4.2.2 生生互評的結果運用還有待進一步優化

本課程通過線上作業的生生互評，確實能夠加深學生對問題的理解和掌握，同時也能一定程度訓練學生的自學能力。然而對于互評的結果，在事前沒有形成一個預期，使得結果的運用不夠充分。在今后的教學工作中，可以有意地在作業中設置一些重難點內容，尤其是學生容易犯錯的內容。在生生互評的結果中，著重針對這些部分進行評價，了解學生掌握情況，形成有效的反饋機制。