工科材料類專業固體物理教材改革探索

摘" 要：傳統“固體物理學”教材在內容設置方面存在理論性強、內容深奧繁雜、學習重點不明晰等問題;且教學內容多數按照固體物理學科本身的發展順序進行編排，各章節之間缺少聯系，知識點跳躍。使用這樣的教材，極易使“教”和“學”難度增大，特別是涉及一些抽象的定義和復雜的數學推導過程，甚至使部分學生產生了厭學情緒。為了讓學生更好地掌握固體物理知識，基于多年教學實踐，文章調研了工科材料類學生的認知特點后，據此對固體物理相關內容進行重新設計和編排，以“固體電子論”為主線，將離散的知識點聯系起來;深奧繁瑣的公式推導被刪除，突出概念和事件的來龍去脈和物理意義，使得教學內容形成了一個完整的物理圖像，極大地提高了學習效果。

關鍵詞：固體物理學;教學內容更新;固體電子論;教材改革

中圖分類號：G642" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）32-0055-04

一、固體物理學與“固體物理學”課程

固體物理學是研究固體的結構和物理性質的一門基礎理論學科，是物理學中內容極豐富、應用極廣泛的分支學科。隨著現代科學技術的飛速發展，固體物理學領域研究的內容越來越豐富。到目前為止，全世界有超過半數的物理工作者從事固體物理學的研究，研究手段越來越多樣化，研究深度和廣度也都得到拓展。

相對固體物理學這門學科，“固體物理學”課程則是當代許多重要技術的源泉和基礎，是微電子技術、光電子學技術、能源技術、凝聚態物理等相關專業的重要基礎課程，是人才基礎能力培養的重要保障，也是學生理解固態物質物理性質的根基，能夠培養學生的科學素養。

在“新工科”背景下，未來新興產業和新經濟需要的是實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才，對學生利用理論知識解決實際問題的能力要求更高。事實上，在培養學生的探索精神和創新意識等方面，“固體物理學”課程具有其他課程不能替代的重要作用，可提高學生獨立分析和解決問題的能力;在國內外各大高校廣受重視。[1-5]

二、“固體物理學”教材的國外發展狀況

哈佛大學、斯坦福大學、劍橋大學、加州大學伯克利分校、康奈爾大學、加州理工學院等著名高校都開設了“固體物理學”課程。1940年，杰出的物理學家和教育家、曾任美國物理學會主席、美國國家科學院院長的弗雷德里克·塞茨的專著《近代固體理論》，促成了凝聚態物理學和材料科學中基礎與應用科學之間的跨學科合作，為以后的教材提供了樣板。伴隨著固體物理學的迅猛發展，從1955年開始，幾乎每年都會出版一本《固體物理學——研究與應用的進展》，以便收集各分支最新進展情況，一直持續到2008年塞茨去世為止。

1953年，美國國家科學院院士、加州大學伯克利分校查爾斯·基泰爾教授編撰出版了教科書Introduction to Solid State Physics，自70多年前出版以來一直是物理學專業的標準固體物理教科書。[6]該書基本上涵蓋了現代固體物理學的理論基礎和重要課題，用數學的方式直接給出定律、概念，說明這些定律的適用條件，給出結果和結論;“重”物理，“輕”數學。該書在結構上更注重固體物理學科的整體性，淡化基本理論與專題之間的劃分。該書以及類似該書的教科書均被稱為基泰爾體系教材;基泰爾體系注重結論，適合科學研究但是不太適合教學。

1976年，美國國家科學院院士、康奈爾大學的Neil W. Ashcroft教授與N. David Mermin教授合著的Solid State Physics，書中提出用物理的方式建立簡單而容易接受的模型，修正模型、再演繹更準確的定律，成為固體物理學教科書的“黃金標準”。該書以及類似該書的教科書均被業內稱為Ashcroft體系教材。[7]Ashcroft體系注重過程，比較適合教學，但是內容有足夠的理論深度，學習難度較大。

國外比較有名的教材還有1985年倫敦大學學院J. S. Blakemore編著的Solid State Physics，其內容包含了很多當時的固體物理新進展。德國于利希研究中心的H. Ibach和H. Lüth 等編著的教材Solid State Physics： An Introduction to Principles of Materials Science，以實驗物理學家的視角展示了固體物理，該書至2009年總共再版了7次。

2000年，意大利人G. Grosso和G. P. Parravicin編著的Solid State Physics，信息量豐富，涵蓋面廣，推導細致，適合自學;有人稱此書是彼時最好的固體物理學教材。

美國匹茲堡大學David Snoke教授2009年編著的Solid State Physics， Essential Concepts，簡單易學，對自學者的知識儲備要求低;該書內容豐富，既有最基礎的固體物理內容，也有比較現代的凝聚態理論的主題;所有的模型都通過最簡單的數學推導得出，思路清晰。

三、“固體物理學”教材的國內發展狀況

在我國，包括清華大學、北京大學等眾多雙一流高校都開設了“固體物理學”課程。上述高校十分重視固體物理學教科書的編寫，至今出版了50多種教科書。“核司令”程開甲1957年出版了我國第一部固體物理學教科書，對中國固體物理的教學與科研起到了重要作用。黃昆1966年出版了他的《固體物理學》著作，屬于基泰爾體系，直接給出各種結論及其推導，最為經典。

現在常見的教材主要由費維棟、胡安、陸棟、孫會元、王衿奉、吳代鳴、陳長樂、朱建國、陸棟、閻守勝、顧秉林、方俊鑫等編撰。[1-2，8-19]隨著學科發展和人才需求形式的變化，“固體物理學”課程體系和人才培養模式也應不斷完善和發展，以適應專業特點和新形勢下的人才培養目標。與之相應國內新的“固體物理學”教材還在不斷推陳出新，以滿足不同發展時期、不同學校層級、不同專業方向以及不同水平學生的需求。

四、傳統教材的優缺點

當前大多數“固體物理學”教材在內容設置中有以下不足：1. 存在眾多的概念、公式、模型，各個結論在歷史上出現的順序是隨機的，知識點零散，內容碎片化，不易把握彼此間的關系，學生直到課程結束也不明白課程設置的原理，這就是關注結論不注重過程帶來的弊端;2. 大量的公式和推導不僅僅涉及物理知識，也涉及繁瑣的數學運算，這對數理基礎薄弱的工科學生來說的確是個難點，不太容易接受;3. 材料專業學生將來從事相關的科研工作，并非專門研究理論物理或量子力學，他們對固體物理知識點的需求也顯然與物理學等專業有所不同，只要會運用相關公式和理論就可以，就如同人們只要會用計算機進行運算或工作即可，并不需要知道如何編程或計算機內部如何運行;4. 由于固體物理學科發展迅速，很多教材尚未完全反映最新的成果，最新的科技案例不多，內容相對陳舊;5. 由于“固體物理學”屬于基礎理論課程之一，課程思政在相關內容中難以體現，不能完全滿足一流課程建設的需要。

傳統上，“固體物理學”教材包含了很多晦澀難懂的專業定義，復雜的三維空間想象與變換和繁瑣的理論推導，需要以“高等數學”“熱力學與統計物理”尤其是“量子力學”等理論性很強的課程為基礎。齊魯工業大學作為一所典型的工科院校，其材料專業課程往往更偏重材料的工藝、性質和性能，這些課程往往重工輕理;上述先導課程均沒有學過，學生的數理基礎薄弱，客觀上造成了工科材料類專業的學生并未做好學習固體物理的準備，學生的理論基礎和知識結構以及認知特點難以幫助學生學習傳統的固體物理課程內容。類似這樣的情況在很多工科院校都存在，采納上述理論性較強的教材將使“教”和“學”過程存在極大的難度。學生如果不能很好地學習并掌握固體物理學相關知識點，針對他們的人才培養目標難以達成。[21-25]

五、編撰新的“固體物理學”教材的必要性、可行性和原則

總之，該課程具有知識點多、難理解、抽象性強等特點，若采用傳統的課程內容和教材，難以適應課程傳授的要求和高素質人才培養的需求。為此，需要在教學內容上進行調整，以培養具有扎實數理基礎、良好材料研究素質以及較強適應能力的本科人才和更高層次人才的后備軍。

在大力發展新工科的背景下，為了提升學生的創新能力和創新思維，有必要編撰出一本適合工科材料類專業學生的“固體物理學”教材，從工程化要求切入，以“學以致用”為根本出發點，培養學生敏捷的思維、正確判斷、善于發現問題和善于思考問題的能力，將理論知識和實踐能力融會貫通，使得學生可以將學到的理論知識運用到未來的工作和科研之中。

為此，本研究團隊基于固體物理學20余年的教學經驗，深入調研和總結了工科材料類專業學生知識基礎、知識結構和認知特點，深入了解了工科學生的學業水平現狀，分析調研了大量兄弟院校的課程設置及相應教材情況，完成了教學素材和教學內容的資料搜集和整理工作，積累了大量的一手資料和數據，形成了對新的“固體物理學”教材建設和編撰的構想及原則。

基于“新工科”創新理念，針對工科院校材料類學生數理功底薄弱的特點，對現有“固體物理學”教材中的教學內容進行統計和梳理，逐步推進課程改革，重新構筑與時俱進的教學內容。對固體物理相關內容進行重新設計和編排，排除重復及不適合工科院校材料專業科研方向的知識點，刪除深奧繁瑣的公式推導，突出概念和事件的來龍去脈和物理意義，在盡量不涉及高等量子力學和復雜的數學處理的情況下，做到物理圖像清晰、內容融會貫通，使學生能夠快速掌握從事材料研究的專業基礎知識。[26-28]

為適應工科材料類專業學生的認知特點，需要在教學內容重構和教材建設需要在高層次上體現先進性，不僅應反映當前的科學水平，還必須著眼未來的科學進展，使教材在保證具有扎實基礎知識的前提下，充實學科的前沿內容。新的教材還需將理論知識與創新思維和實踐能力相結合，實現知識傳承、創新思維能力和科學素養的有機融合，讓學生在數理基礎薄弱的情況下也能獲得更多的知識，并在將來的學習、科研和工作中運用所學知識。

總之，從“學以致用”的原則更新、調整和編排相關內容，這對打牢數理功底薄弱的工科學生的課程基礎十分重要。

六、教材改革實踐

基于工科院校學生數理水平不高的特點，為了使得繁雜深奧的“固體物理學”課程變得易懂，本研究團隊設計教材的總體思路是探索“固體物理學”課程的工科化，不拘泥于高深的理論，不糾結于繁瑣復雜的公式推導，找到一個主線，把各個零散的知識點串聯起來;同時突出對各個概念之間優缺點的學習，有利于把握其物理意，讓學生易于接受。

固體物理是以固體中的原子和電子狀態為根本出發點來討論固體的物理性質的學科，要想學好固體物理學，研究分析原子中電子的狀態和行為非常關鍵。為此，新教材內容重構的主線就是固體電子論——首先講解價電子的運動狀態，引出了索末菲模型;隨后講解離子實排布，引出了晶體結構。然后講授離子勢場中的近自由電子和內層電子，引出了布洛赫定理和能帶論;最后通過分析離子實的熱振動，研究晶格動力學，從微觀角度分析宏觀問題。這就使得教學內容形成了一個完整的物理圖像，使學生更容易明白各章節內容之間的關聯性，了解教學內容的來龍去脈，易于掌握。這有別于傳統的固體物理教材，是一個全新的教材編撰思路，滿足了金課的“創新性”要求。

基于上述思路，探索“固體物理學”課程的工科化，通過重構固體物理課程內容，實現知識傳承、創新思維能力和科學素養的有機融合，令數理基礎薄弱的工科學生學習更多的固體物理知識，使學生從一開始的畏之如虎到興趣蓬勃，學習態度發生了根本性的改變，極大地提升了學習熱情，提高了學習效果;課堂出勤率和作業率都達到95%以上，部分作業的完成式成果更是堪稱典范。

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