基于創新精神和實踐能力培養的固體物理課程教學改革初探

摘 要：在建設高質量教育體系的新背景下，強化創新精神和實踐能力的培養已成為教學改革的首要任務。將前沿成果融入固體物理課程教學，借助融合過程探討其對培養學生創新精神、實踐能力的促進作用。梳理科技前沿成果案例，將其與理論知識結合并轉化為教學資源，在教學實踐中分析討論科研成果的創新過程，有效激發學生的學習興趣，培養其創新精神和實踐能力，為新形勢下固體物理教學改革提供參考和借鑒。

關鍵詞：固體物理；創新能力；教學改革；成果融入

在科技迅猛發展和知識經濟蓬勃興起的當下，社會對人才的綜合能力要求愈來愈高，尤其是創新能力和實踐技能。我國在“十四五”規劃中明確提出了新階段教育發展的總體目標——建設高質量教育體系，旨在培養能夠適應社會發展需求、具有創新精神和實踐能力的高素質人才。在這一新形勢下，創新精神和實踐能力的培養成為人才培養的重中之重。

固體物理是物理、材料和微電子專業的核心課程，與當今最活躍的新材料、新能源、新器件等研究前沿緊密相連，對于發展材料科學、電子工程、量子計算等現代科技具有重要意義。隨著研究的深入，固體物理在技術創新和產業升級中扮演著越來越重要的角色。

然而，傳統的固體物理課程教學往往依賴教材，采用多媒體和課堂講授相結合的方式系統傳授知識。該模式側重于理論知識的單向傳授，與具體問題的結合不足，導致學生難以理解抽象的物理概念，造成“教”與“學”兩難的局面，且容易導致學生被動地接受知識，不利于學生創新精神和實踐能力的培養，已難以滿足新形勢下社會對人才的需求。此外，隨著科技的快速發展，諸如準晶、拓撲絕緣體、二維材料等新研究成果不斷涌現，如何將這些成果及時融入教學中，成為固體物理課程教學急需解決的問題。目前，已經有一些將前沿成果融入固體物理課程教學改革的相關研究。

基于上述現狀，急需將人才培養新要求與固體物理課程教學現存問題相結合，將最新科學研究前沿成果融入教學過程，探討創新精神和實踐能力的培養路徑。

一、梳理科學研究前沿成果，轉化為教學資源

對最新科學研究前沿成果進行收集、篩選、整理，并轉化為優質的教學資源，是順利開展教學改革的先決條件。這一過程不僅涉及對學科最新發展的追蹤，還需要將成果轉化為適合教學的內容。

收集最新科學研究前沿成果是這一過程的首要任務。主要通過查閱學術期刊等方式，尤其是一些頂級期刊上發表的論文，確保及時了解固體物理相關領域的最新研究成果。在大數據和人工智能快速發展的當下，還可以利用這些新技術，檢索、分類、總結固體物理相關領域最新研究成果。

篩選、整理和收集的研究成果，轉化為教學內容是關鍵。在這一過程中，需要挑選出創新性突出又適合教學的內容，如新型材料的發現、新的物理現象或理論模型的提出等。將這些成果整理制作成詳細的教學案例，使科研成果的背景、研究過程、主要發現及其科學意義等系統化，并與固體物理的核心概念和理論相聯系。充分利用現代教育技術制作多媒體教學課件，增強學生的學習體驗。在這一過程中，設計相關的討論或分配文獻調研任務等，讓學生在參與文獻調研收集中主動閱讀學術論文，了解最新科研動態。同時，充分利用在線課程平臺，如MOOCs提供的豐富學習材料和互動討論區，以滿足不同學生的學習需求。

通過上述方式，可以有效地收集和整理最新科研前沿成果，優化教學資源，提高教學質量。學生的參與使其在實踐中加深了對相關知識的理解，提高了解決問題的能力。

二、理論知識與實際案例相結合，培養實踐能力

最新科研前沿成果是理想的教學案例。將課本的理論知識與實際案例相結合，以實際的案例為主線，設計開放性問題，引導學生理解和應用固體物理概念，鼓勵學生主動探索，激發他們的學習興趣，于潤物細無聲中逐漸培養他們的實踐能力。

以準晶為例，可以通過提出問題來引入準晶的案例。例如，提出固體中是否存在介于晶體和非晶體之間的結構，激發學生的好奇心，促使學生回顧晶體和非晶體的結構特征和性質，并思考新的可能性。隨后，引入1984年Daniel Shechtman發現的鋁錳合金準晶，它具有十重旋轉對稱性。展示新近天然準晶和軟物質準晶的圖像以及相關論文，讓學生可以直觀地理解準晶的結構特征、物理性質，引導學生將理論知識和準晶研究的實踐相結合。以此為例，組織學生進行討論，分析準晶的結構及其與晶體、非晶體的區別，使學生更深入地理解固體物理中的對稱性、周期性和有序性等概念。

在固體物理學中，普遍討論的對象是三維晶體結構。基于此，提出是否存在只有單原子層厚度的二維晶體，然后引入2004年Andre Geim和Konstantin Novoselov通過機械剝離法制備出的單層石墨烯，證實了單原子層二維結構的存在。在了解二維材料基本概念的基礎上，組織學生討論，引導學生運用所學知識，對比分析三維晶體和二維晶體的結構，進一步理解固體物理中的晶格、布拉伐格子等概念。引導學生運用固體結合的有關知識，分析石墨層狀結構中原子相互作用的異同，對比分析不同結合方式的強弱，解釋機械剝離合成石墨烯的原理，促進學生深入理解各種結合方式的異同以及結合方式與材料物理性質的關系。討論石墨烯在電子學、光學和材料科學中的潛在應用，使學生理解、應用固體物理中的能帶理論等概念。

通過將固體物理的基礎知識與實際的科學發現和創新有機地結合到一起，學生分析問題和解決問題的能力得到了明顯提升。

三、分析科研成果的創新過程，推動創新思維的培養

任何科研成果都源于創新，運用這些案例，分析其創新過程，融入思政元素，可以鍛煉學生的批判性思維和創新性思維。

首先，通過介紹固體物理領域的最新創新成果來吸引學生的注意力。例如，在講述準晶相關內容時，介紹軟物質準晶和天然準晶的發現，展示科學家如何從準晶理論出發，通過觀察、實驗和創新思考，最終挑戰并擴展了準晶的認知邊界。再如，科學家運用同樣的過程，有序地擴展了二維材料的認知邊界，從單質到化合物，如過渡金屬二硫化物、六方氮化硼；從IVA族元素逐步擴展到VA族（磷烯）、VIA族元素（碲烯）。這些案例使學生理解創新并非一蹴而就，而是需要深厚的知識積累、敏銳的觀察能力和持續的探索精神。

其次，探討科研成果背后的科學問題和解決方法。例如，討論石墨插層化合物相關內容時，分析科學家如何從中汲取靈感，通過融合創新，發展出二維材料插層法剝離。這不僅有助于學生理解固體物理的概念，還能激發他們思考如何將已知知識應用于創新。

此外，結合最新科研成果的收集過程，設置文獻調研任務，指導學生關注文獻中從提出問題、設計實驗、收集數據到分析結果的完整科研流程，讓學生在文獻調研中體驗科研創新過程，培養學生的創新意識和解決問題的能力。

上述過程不僅使學生獲得知識和技能，還培養了學生勇于探索未知的精神，拓寬了他們的創新視野。

四、引入過程性評價，促成培養目標達成

課程評價是教學過程的重要環節，它不僅能反映教學效果，還能為教學改革提供依據。為進一步鞏固和強化教學目標，需要引入過程性評價，構造一個閉環過程，驅動學生參與教學過程，并根據評價數據調整教學策略。

設置文獻調研任務，引導學生參與最新科研成果的收集過程，形成調研報告作為評價依據。同時，開展課堂討論和線上問題討論，評價學生在整個過程中的表現，包括學習態度、參與度等，促使學生在持續的反饋中不斷進步。此外，結合現代信息技術，收集和分析學生的數據，及時調整教學策略，提高評價的效率和準確性，形成一個注重過程的評價體系，為教學改進提供反饋。

在評價體系中引入過程性評價，其結果不僅調動了學生參與案例分析、文獻調研和了解前沿進展的主觀能動性，還為調整教學策略、凸顯創新和實踐能力的培養提供了及時的信息反饋。

五、結語

面對教育發展的新形勢，本文嘗試將學科的最新發展融入固體物理課程教學，通過設計導向性問題和分析科研成果的創新過程，培養學生的創新精神、實踐能力。此外，豐富學生的知識、激發其學習興趣，為新形勢下深化固體物理教學改革、強化創新和實踐能力的培養提供參考。

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[4]季蓮.學科前沿融入新能源專業固體物理教學研究[J].科教文匯，2023（16）.

責編：應 圖

基金項目：鄭州大學校級教改項目（編號：2023ZZUJGXM175，2023ZZUJGXM174）；鄭州大學一流本科課程（編號：2023ZZUYLKC018）；河南省教育廳教研項目（編號：2021SJGLX329）

作者簡介：田永濤（1974— ），男，鄭州大學物理學院副教授，研究方向為低維光電材料、功能材料；（通信作者）何豪（1977— ），男，鄭州大學物理學院教授，研究方向為燃料電池；林沛（1988— ），男，鄭州大學物理學院講師，研究方向為紅外探測與成像。