材料学科专业的固体物理课程教学改革探析

苏兴华

摘 要:《固体物理》是材料学科专业开设的一门重要基础课。根据固体物理课程理论性强和材料学科专业的特点,结合作者讲授固体物理的心得和体会,在材料学科专业的固体物理教学内容、教学方法和考核方法的改革上进行了初步探讨。

关键词:固体物理材料学科教学改革

中图分类号:G6 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(c)-0187-02

1 引言

固体物理是从电子、原子和分子的角度研究固体的结构和性质(主要是物理性质)的一门基础理论学科。固体物理和普通物理、热力学与统计物理、金属物理、材料科学、特别是量子力学等学科有着密切关系[1-2]。固体物理是20世纪物理学飞跃发展的学科之一,成为许多学科的集合,如:金属物理、半导体物理、磁学、低温物理、电介质物理、表面物理、非晶体态物理、材料科学等。几十年来,以固体物理的理论为基础,在半导体、磁学、激光、超导、纳米材料等现代技术研究方面取得了重要突破。

材料学是研究材料的制备或加工工艺、材料结构与材料性能三者之间的相互关系的科学[3]。材料学涉及的理论包括固体物理学,材料化学等。材料学科是一门应用型学科,材料研究的目的就是为了开发新材料,或者指导材料的应用。材料科学与电子工程结合,则衍生出电子材料,与机械结合则衍生出结构材料,与生物学结合则衍生出生物材料等等。基于材料学科的特点,材料系开设的固体物理课程和其它专业有所不同,特别是教学内容和教学方法上有自己的特点。本文主要从固体物理学在材料学科中的重要性以及材料学科目前的发展情况出发,并结合本校在材料科学科研的重点,针对教学内容、教学方法和考核手段等方面提出一些改革措施。

2 教学内容改革

2.1 精选教学内容

固体物理理论性强,内容庞大,其教学内容一般包括晶体结构,晶格振动和晶体的热学性质,固体的电导理论,固体材料的介电性质,固体的磁性以及固体的光学性质。对于材料学科专业来说,课时相对有限,且学生的数理基础难以满足传统固体物理课程学习的需要。因此,要参照教学大纲及本校材料学科的科研方向精选教学内容。长安大学材料学院主要以无机非金属材料研究为主,根据这一实际情况,我们主要给学生讲授以下四部分内容:一是固体结构及晶体形成,主要讲授晶体形成的物理本质。同时,为了让学生深刻理解X射线衍射分析技术的物理本质,详细讲述晶体结构的衍射理论；二是晶格振动和固体的热学性质,主要从晶体的比热问题为主线,讲授一维单原子链和一维双原子链的晶格振动,以及爱因斯坦声子模型、德拜声子模型。三是固体电子理论。主要讲授自由电子气体模型、自由电子费米气体模型和能带理论。通过能带理论,让学生深刻理解导体、绝缘体和半导体的区别以及这些材料能带的差别。四是晶体缺陷理论。主要讲授点缺陷和线缺陷的相关理论。总之,对于材料学科固体物理课程的教学,既要重视基础内容,又要结合应用热点和科研前沿,达到优化教学内容的目的。

2.2 增加科学史

科学史经常被作为普及科学知识的一个重要的手段。历史故事提高理科学习的趣味性,起着把科学知识包上“糖衣”的作用。对某一学科、某一理论发展过程和历史背景的追述,有助于学生更好地理解这门学科和这个理论。在固体物理学中,每一个发现或者理论的提出都有其历史背景和动因。正是基于这个事实,在讲授理论之前,可以先把整个的历史背景和发展过程讲清楚。这样做一是可以提高学生学习的兴趣；二是可以让学生更好的了解整个理论的意义及要解决的问题。固体能带论是固体物理学中最重要的基础理论,它的出现是量子力学量子统计理论在固体中应用最直接最重要的结果。能带论成功地解决了索末菲半经典电子理论处理金属所遗留下来的问题,为其后固体物理学的大发展准备了条件。在实际的教学过程中,我们发现,通过对固体电导理论发展史的讲授,学生们不但能更好地理解了能带理论,而且加深了对固体物理的学习兴趣。

2.3 突出物理思想及意义

固体物理学中的有些概念,往往来自于繁琐的数学推导。如果一味的追求推导过程,不但让学生无法了解概念的本质,而且让学生陷入“云里雾里”的状态,产生厌学情绪。这时候,更多的是突出概念的物理思想及意义,重点讲述它的建立过程与物理模型。物理模型尽量简单,深入浅出,让学生学会用从最简单的方式入手去解决相对复杂的问题。比如在讲授紧束缚模型时,尽量的简化其推导过程,重点是要把紧束缚模型的物理思想讲述清楚,让学生深刻理解其背后的物理意义。

3 教学方法改革

3.1 采用“黑板+多媒体”的方式授课

多媒体演示教学目前已成为一种常见的教学方式。同传统教学方式相比,多媒体演示教学方式具有形象生动、有声有色、信息量大,便于保存等优点[4]。在固体物理教学中采用多媒体演示教学,可以变抽象为形象,创设逼真的学习情境,有利于学生对知识的理解和巩固,有利于知识的渗透,扩大课堂教学的容量。比如在讲授晶体结构时,采用多媒体技术可将不同的晶体结构直观、形象生动地展现出来,使得学生对晶体结构有一个直观准确的认识,达到认知的高效率和高质量。

尽管多媒体作为先进的教学手段,在固体物理的教学中有重要的作用,但是不能搞“一刀切”。对于有些章节比如晶格振动、自由电子费米气体模型,以及类似理论性较强,需要详细数学推导的内容,还需用传统的板书形式。在边进行数学推导、边讲解的过程中,学生才能跟上思路,提高学习效率,也能增强教师和学生的互动。

3.2 采用教学互动模式

教学过程不是一个单纯的传授知识的单向过程,而是教师和学生互动的过程。对于固体物理这门理论性很强的课程,如果不注意课堂教学的互动,很容易使得学生感到枯燥乏味。在固体物理的教学过程中,要鼓励学生发现和探索问题,鼓励学生敢于标新立异,突破传统,对某一问题提出独到见解。同时,允许学生在探索中出现错误,坚持正面的激励引导,保护他们的自尊心和积性,营造宽松和谐的课堂教学氛围。在实际的教学实践中,发现这样的教学互动方式很好,有时候甚至能引起热烈的讨论,从而使学生能更深刻地理解所学知识。

3.3 学生上讲台

在教学过程中,教师的主要作用在于引导和启发学生积极思考。在大学的教学过程中,教师应该鼓励学生发挥积极性,让他们主动地去学习。在固体物理的教学过程中,可以设计一些相关的研究性课题,让学生通过查阅相关资料,并做成PPT课件,然后在课堂上讲解。这样不但锻炼了学生的自学能力,而且锻炼了他们独立思考的能力。同时,通过让学生上讲台这种教学方式,还能够锻炼学生的胆量,尤其对于不敢当众讲话的学生来说是非常好的锻炼机会[5]。

3.4 适当安排实验

固体物理是一门与实践密切联系的课程,在固体物理教学中,强调理论与实际的联系,这样可以激发学生学习的主动性、自觉性和创造性,使学生感到所学知识的用处和价值,由此可培养学生灵活应用所学知识解决问题的实践能力。在固体物理的教学中,为了让学生更深刻地理解所学知识,同时培养其实验能力,应该适当安排固体物理实验。例如,X射线衍射分析是一种非常重要的材料研究方法,其基本理论正好是固体物理的晶体结构部分。因此,可以安排X射线衍射分析实验。通过亲自实验,学生不但掌握了晶体的衍射理论知识,也可使学生体会到现代分析方法在材料研究中的重要性和必要性。通过安排固体物理实验,不但使学生加深了对理论知识的理解,同时也大大提高了观察能力、动手能力和分析问题的能力。

4 考核方法改革

考核是检验学生知识掌握程度的一个基本途径。目前常用的考核方式是学期末的理论考试。传统的课程考试内容采用从原有题库抽题方式设置考试内容,由于考试内容对授课有绝对的指导性,所以这种方式有可能导致学生死记硬背,搞考前突击,并寄希望于教师考前划重点,限制了学生学习的范围,造成了学生知识面窄,学习兴趣降低。对于材料学科的固体物理教学,我们希望学生理解基本概念,掌握其物理本质,会运用物理思想来解决材料制备和应用方面的实际问题。如果采用传统的考核方式,难以达到这样的目标。因此,对于固体物理的考核,我们采取理论考试和撰写研究报告的方式。一是在期末考试中,考核对概念及相关理论的掌握程度。二是针对某个材料科学科研中的研究热点问题,让学生查阅相关资料,运用固体物理中所学到的知识来撰写一份研究报告。通过这两种方式的考核,不但让学生更好的掌握了所学知识,而且提高了学生综合分析问题和解决问题的能力。

5 结语

现代科学技术的发展对高等教育提出了前所未有的挑战和改革要求,课程改革是教育改革的核心。材料学科的固体物理课程有自己的特点,必须进行相应的改革。结合给材料学院学生讲授固体物理的实践经验,对原有的固体物理教学内容、教学方法和考核方法提出了一些改革意见。实践证明,文中提出的教学改革方法能有效提高学生的学习兴趣与综合素质。需要说明的是,材料学科的固体物理教学改革是一个庞大而又复杂的系统工程,课程改革的进行涉及到诸多方面,要使之真正跟上当今材料科学技术日新月异发展的要求,培养出合格的高素质和创新型人才,还需要广大教育工作者不断的研究和探索。

参考文献

[1] 冯端.固体物理学大辞典[M].北京:高等教育出版社,1995.

[2] 黄昆,韩汝琦.固体物理学[M].北京:高等教育出版社,1997.

[3] 冯端,师昌绪,刘治国.材料科学导论[M].北京:化学工业出版社,2002.

[4] 陈志远,熊钢,易伟松.多媒体技术应用于固体物理教学的探讨[J],咸宁师专学报,2002,22(6),53-55.

[5] 赵军伟,赵觅.材料类专业固体物理课程创新教学改革与实践初探[J],2012,1,134-135.