电子学科的固体物理教学改革初探*

钟佑洁

(福州大学人文社会科学学院 福建 福州 350108)

杨尊先

(福州大学物理与信息工程学院 福建 福州 350002)

1 前言

固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态及其相互关系的科学，是一门非常重要的、具有非常广泛的潜在应用前景的基础理论科学，已经成为凝聚态物理、材料物理、电子科学与技术、光电工程和微电子等专业必备学科的基础课.它为人们按指定性能研制新材料提供了科学途径，已成为新材料、新器件的“生长点”，是理论物理和应用物理之间的桥梁学科，对现代诸多高新技术的发展都起着非常重要的作用[1].因此，在电子科学与技术等专业开设固体物理课程，使电子科学与技术专业的学生掌握一定的固体物理知识及其研究方法，不仅有助于他们知识结构的完善和拓展，扩大其科学视野，并为其今后的发展奠定牢固的理论基础.

电子科学与技术是一门应用性很强的学科，该专业学习的目的就是为了培养学生具备设计新型半导体器件、利用器件搭建具有特殊功能的系统等方面的能力.基于电子科学与技术学科的特点，所开设的固体物理课程和其他专业有所不同，特别是,教学内容、教学方法和手段上应有自己的特色.本文主要从固体物理在电子科学与技术学科等理工科教育中的重要性以及本学科实际教学情况出发，结合多年讲授固体物理的心得和体会，首先列举出了固体物理教学中存在的主要问题，并进一步从教学内容、教学方法和手段等方面提出一些改革措施.

2 教学中存在的问题或矛盾

近年来，固体物理的基础地位已经受到严重挑战，一方面，由于受大学总课时限制，随着大学课程设置门数增多，固体物理教学课时逐渐减少，受重视的程度也在不断降低.另一方面，由于固体物理中数学处理比较复杂，学生学习起来普遍感到困难，再者固体物理对学生空间想像能力要求比较高，学生学习兴趣和动力不足，均给固体物理的教学带来了严重的挑战.

此外，随着科技的发展和社会的进步，半导体、磁学、激光、超导等现代科学技术的研究取得了重大突破，固体物理学科发展日新月异，高新技术层出不穷，新概念不断涌现，对固体物理教学提出了更高的要求，与时俱进，培养具有创新能力的高科技人才成为大学固体物理教学的主要任务[2].因此，无论是固体物理的教学内容，还是教学方法和教学手段，都不能满足时代发展的需要.受传统固体物理教学方法的束缚，只注重知识的传递，忽视了思想方法和创新能力的培养，忽视实践环节，教学内容与当代新科技脱节，综合教学效果不佳，教学改革势在必行.

3 教学内容整合和优化

3.1 专业教学内容调整和简化 避免重复

《固体物理》课程是电子科学与技术、微电子学、光电信息工程等专业重要的专业基础课，而目前多数《固体物理》教材是基于凝聚态物理专业编写的，其中把半导体晶体、超导体、磁性材料等内容均包含在内.福州大学电子科学与技术专业在《固体物理》课程之后,还开设了《半导体物理》、《半导体器件物理》等课程，因此，我们在《固体物理》教材的“半导体晶体”内容中只是简单介绍了“半导体能级、能带特点”、“半导体中电子状态”及“半导体的缺陷能级”等基本物理概念，使学生对半导体能级、能带特点及其半导体中载流子运动等有了初步了解，避免了不必要的重复，并将磁性和超导章节列为学生自学内容，这样，节约了总学时，显著提高了教学质量和教学效率.

3.2 传统基础教学内容的优化和整合

对于电子科学与技术专业来说，课时有限，一般为56～64学时，要在有限的时间内将固体物理传统基础教学内容讲授给学生，就必须对其进行优化和整合[3].

(1)晶体结构和结合力.主要讲述晶格、周期对称性、几种基本的晶体结构和倒格子，以及晶体结构的实验测试原理和方法等.对于晶体结合力主要介绍晶体结合力的物理本质，并介绍基于不同结合力的几种基本晶体类型.

(2)晶格振动和晶体的热学性质.重点讲述爱因斯坦模型、德拜模型以及一维单原子链和一维双原子链，其他内容让学生自学.

(3)自由电子模型和能带理论.主要讲述自由电子近似、紧束缚近似、布洛赫定理、周期势近似及固体能带和能带结构计算，介绍费米面和态密度定义及其物理实质，并增加一些常用计算软件使用方法和计算结果分析的内容.讲述特定电场、磁场下电子的运动规律，费米面及能带结构测试方法介绍，并介绍一些金属的能带结构等.讲清楚半导体、金属和绝缘体间能带特点和差异，同时介绍金属的导电机理.

(4)电子输运现象.主要讲述玻尔兹曼方程，电导和热导产生机制，电导率和热导率物理实质及其计算，其他内容安排学生自学.

(5)缺陷.简要讲述缺陷产生机制，介绍点缺陷，其他内容安排学生自学，同时增加一些表面和界面、尺寸、维度等方面内容.

3.3 适度补充前沿和热点知识

适当添加一些与本学科相关的现代技术和物理学前沿，也是整合与优化教学内容的一个重要的方面.一方面有利于学生将理论知识与实际应用更好地结合，另一方面也有利于学生对书本知识的消化吸收，并开阔学生眼界，提高学习兴趣和积极性.例如，在介绍晶体结构时，除了介绍X射线衍射方法之外，还补充介绍了STM，AFM及电子衍射等其他测定结构的方法[4]；在讲述晶体概念时，考虑到半导体超晶格和微结构等新兴领域，不失时机地引入超晶格概念，并介绍纳米固体材料、超材料、复合材料和纳米材料、新型纳米材料.如石墨烯、氮化硼等、高温超导体、光子晶体、量子计算机的开发与应用等现代技术和物理前沿.结合实验室纳米材料制备及应用方面实例，向学生展现固体物理学的丰富内容.在补充前沿和热点知识时，注意把握好度，处理好新、旧内容间的联系、区别和发展，使学生对所学的知识能理解、巩固和应用.这种教学内容的调整和优化，强化了固体物理的基础知识，拓宽了学生的知识结构，开阔了视野.

4 教学方法和教学手段的改进

4.1 教学方法的改进

传统的固体物理教学方法，是一种以教师为教学主体的“填鸭式”教学，它强调理论知识全面，公式推导严谨，要求学生具有严谨的思维和较好的数学基础.一方面，通常由于固体物理中数学处理较复杂，学生认为固体物理学习枯燥无味，学习积极性不高，效果不佳.另一方面，通过这种模式学生只能被动地接受前人已经积累的知识，不能超越前人去创造新的知识，从而，限制甚至窒息了学生的创造性.学生被动式地学习和接受，只靠记忆而不去理解意义，更谈不上积极主动地思考固体物理的现象、规律和定理与现实的实际关联性.如果学生在学习中没能建立兴趣，就会觉得固体物理的内容繁杂，公式繁多，推导复杂，计算麻烦，并且认为固体物理与专业学习无关.可见，学生对固体物理课程学习兴趣的形成，在整个固体物理教学中占有重要的地位.

要改变学生学习固体物理的畏惧心理并形成学习兴趣，关键在于要从根本上改变传统“以教师为主体，教师唱独角戏”的教学方式，确立“以教师为主导，以学生为主体”的强化互动式教学方式.在固体物理“互动式”教学中，教师要转换职能和观念，改变以往教学中的灌输者和高高在上的观念，要将固体物理教学课堂作为“舞台”，以课程设计者和引导者的身份参与固体物理教学，精心设计教学过程，与学生平等参与固体物理基本概念、基本问题的讨论，让学生创造性地发表意见和看法，并适时引导学生抓住概念的关键和物理实质，指引思维方向，拓宽思维空间，启发学生思考和推理.采用互动式教学，培养了学生的思维能力，调动了学生学习的积极性、主动性和创造性；教师也从知识的灌输者和学生的支配者，转变为教学活动的指导者和设计者及学习创新的推动者；同时，也有助于形成培养学生创新意识和创新能力的师生关系和课堂环境，保护学生的自尊心和积极性，营造宽松和谐的课堂教学氛围.

4.2 教学手段的改进

教学手段上，借助于多媒体技术及科学软件，结合实验，全面提升教学质量.

固体物理传统教学模式，即教师采用“粉笔+黑板”手段，采用抽象的语言讲述书本中抽象的概念、公式及物理规律等，对于稍微复杂的三维晶体结构、倒易空间及其能带结构和特点等难以描述清楚，造成学生理解上的困难，使学生对固体物理学习失去了兴趣.将多媒体技术引入到固体物理教学中，在计算机上实现图、文、像的集成，动态、直观描述和演示晶体微观结构及有关的物理概念和规律，增强课程内容的形象性和生动性，提高教学效果，通过对三维晶体或者倒易晶格进行各个方位操作和观察，加深学生对晶体结构及其倒易晶格的理解，提高了学生学习兴趣.同时，适当引入现代研究手段教学，借助晶体学软件和材料计算软件(Diamond, MS)，使学生能够理解现代理论物理的一些研究手段，并通过这些程序演示晶体的结构、晶体的热力学性质及晶体能带的计算等内容.学生可较为清楚地掌握晶体结构、布里渊区以及目前固体物理的理论研究方法，使学生感觉学有所用，从而,激发学生学习的主动性和能动性，提高本课程的教学质量.

固体物理传统教学方式仅局限于课堂上，我们借助于网络即时通讯工具(腾讯QQ)，建立课程班级群，该课程班级群及群空间讨论区可作为教师与学生、学生与学生之间进行固体物理知识和学习心得互动和交流的又一网络即时交流平台.这一教学手段可以将学生在课堂上未即时解决的问题拿到固体物理课程班级群及群空间讨论区进一步讨论与交流，这种方式拓展了传统固体物理教学范畴，扩大和延长了固体物理教学空间和时间，同时，这种网络即时通讯工具的交流，也有助于建立融洽的师生关系和培养学生固体物理学习的兴趣.在固体物理教学中，我们还建立了固体物理多元化教学考核机制.例如，在教学过程中告知学生一些经典专著、中外文期刊和网站(主要基于福州大学电子数据库)，将学生进行分组，针对各个章节重点内容，给每个小组分别指定一个研究方向,要求学生以小组为单位分工合作,自行查阅相关的中、外文文献，最终以读书笔记方式完成作业，鼓励学生结合课本写出认识和体会.通过这种方法，不但使学生掌握了文献查阅方法，更重要的是让学生了解固体物理如何理论联系实际，明确了固体物理的基本应用，我们将这一部分内容与作业、课堂回答问题一起作为整个考核的组成部分.

在电子科学与技术专业固体物理本科教学中，针对一些关键性章节安排了实验，如晶体结构部分，我们安排了一些常见晶体的XRD测试，如ZnO材料的XRD测试分析实验.使学生对所学理论知识有更为深刻的认识，为以后的研究生学习打下坚实的基础，这也是电子科学与技术专业固体物理教学目的之一.同时，可以把实验室研究最新成果引入课堂,加深学生对固体物理知识应用的理解和兴趣.这种理论与实际相结合的互动，不仅有利于巩固课堂上学到的理论知识，同时也极大地激发了学生对固体物理及本学科的热情.

5 结束语

经过多年的电子科学与技术学科固体物理课程教学实践，我们针对固体物理教学中存在的主要问题，从教学内容、教学方法和教学手段上进行了一系列初步探索和改革，取得了一些成绩.通过调整教学内容并及时补充科技前沿知识，基于“以教师为主导，以学生为主体”的指导思想，采用互动式教学方式，并借助于多媒体技术、即时通讯工具、网络交流平台及科学软件等手段，结合实验，实现教学质量和教学效果的显著提高.但固体物理教学改革是一个复杂的工程，涉及到诸多方面，要使之真正跟上当今科技日新月异发展的要求，培养出合格的高素质创新人才，还需广大教育工作者做更多的研究和探索.

参考文献

1 黄昆，韩汝琦. 固体物理学. 北京: 高等教育出版社, 1997

2 韦丹.固体物理. 北京: 清华大学出版社，2003

3 华中,宋春玲,刘研.固体物理教学改革的探索与实践.吉林师范大学学报(自然科学版), 2004(04):26

4 黄新民，解挺. 材料分析测试方法. 北京: 国防工业出版社, 2006