结合材料化学专业特点开展固体物理课程教学改革与实践

王学伟 何朝成

（天津理工大学，天津 300384）

固体物理是物理学中内容极为丰富、应用极为广泛的一个分支学科。该课程主要是研究固体物质的物理性质和微观结构的关系，分析组成固体物质的粒子（原子、电子、离子等）之间的相互作用与运动规律，阐明固体物质的性能与用途[1]。材料化学专业主要是探讨材料的组成、结构、工艺、性质和使用性能之间的相互关系，为材料的设计、制造、工艺参数优化以及合理使用提供相应的科学依据。与固体物理研究的内容相比，材料化学专业更注重材料的工艺性和使用性，它所涉及的理论包括材料化学、固体物理和材料科学基础等课程。这样，固体物理作为材料化学专业必修的一门基础课程，起着连接基础理论知识与实际应用技术的桥梁作用。

传统的固体物理课程原来只对物理学专业开设，并且需要深厚的数学知识和大量的物理学基础知识，比如热力学与统计物理、量子力学、原子与分子物理等课程知识[2]。由于材料化学专业特点与学生培养目标的不同，学生往往只是学习一部分或者几乎没有学习这些相关物理的课程，这就给材料化学专业学生的学习和教师讲授固体物理知识时造成了一定的困难。同时，对于材料化学专业的学生来说，大量物理专业的术语，繁杂的物理公式、繁琐的数学推导以及抽象的空间变换都是学习固体物理课程的巨大挑战，这就可能造成一部分学生在学习过程中产生厌学情绪。

如何克服材料化学专业学生的畏学心理，改善学习的效果，培养和造就高素质的材料科学创新型人才，成为固体物理课程体系改革与实践过程中必须要面对的问题。基于此，本文根据固体物理课程教学自身的特点，结合材料化学专业学生的培养模式和特点，从课程教学内容讲解深度和侧重点的把握、教学方法的改进和先进教学手段的引入，以及课程考核体系的改革等方面，深入探讨固体物理课程教学的优化与调整方案，为适应材料化学专业特点和新形势下的人才培养目标做出相应的改革与实践。

一、课程内容的改革与实践

在我们学校材料化学专业中，固体物理课程安排了48个课时，与传统的物理类专业的课时都在64个课时以上相比较，显得少了一些。这样就导致了固体物理课程内容的讲授不够全面，有些重要的知识点无法深入细致地去讲解。同时，对于材料化学专业的学生来说，由于缺少量子力学和热力学与统计物理等方面的知识，导致学生在系统学习固体物理的过程中可能存在一定的困难，甚至出现不愿意学习的情况。为了解决上述矛盾，我们在教学过程中对于固体物理课程内容提出以下几点改革措施。

1.对所讲授的内容要有针对性的选择

固体物理是材料化学专业三年级学习的课程，之前学过的专业课程中与固体物理课程内容有重叠的部分可简略讲解或者不讲解，即使讲解也要突出与它们之间的不同之处。例如：在讲述晶体结构和晶体结合这部分内容时，由于该部分内容已经在材料科学基础和材料化学课中都有讲述，因此可以不再讲解。但是对于有关固体物理的重要内容：如晶格振动、能带理论和金属电子论等必须进行详细的讲解。这就要求教师做到对于固体物理各章节的内容讲述详略得当，让学生在有限的课时里获得更多固体物理的重要知识内容。同时，考虑到该专业学生没有系统学习过热力学统计物理和量子力学等课程，物理的知识背景相对薄弱。在讲授固体物理的相关内容时，可以利用课堂内几分钟的时间给学生简单地穿插讲授一下涉及的热力学与统计物理和量子力学的有关知识内容，减少学生在学习过程中的一些障碍。

2.重视物理思想的理解，弱化公式的推导过程

在固体物理的授课内容中，有些内容需要利用高等数学的知识内容和物理的复杂公式进行推导[3]。这些繁琐的推导过程，容易影响材料化学专业的学生对固体物理课程学习的积极性，不利于对课程内容的掌握。在我们的改革中，将从学生实际知识背景和学时要求出发，尽量弱化课程涉及的具体理论推导，重点强化突出对物理思想的讲授。对于课程中某一个具体理论，需要注重阐述它的建立过程和物理模型的构造，争取让学生学会利用固体物理学的方法去处理和思考一些问题。比如，在进行布洛赫定律的内容讲述时，复杂的数学推导可以简单说明一下，但是对于布洛赫定理的物理意义以及对周期性势场下波函数的形式要阐述清楚，让学生充分了解其中的物理思想和物理模型。

3.适当地引进学科的前沿知识，增加学生对课程内容的认同度

随着固体物理研究领域不断拓新，许多比较前沿的学术成果陆续出现[4]。在我们日常的教学中引入和穿插与材料化学专业相关的学科前沿研究的具体问题，并结合固体物理所讲授的知识点进行分析和讨论，让学生充分意识到固体物理课程中所学的内容对解决实际和分析具体科学问题是很有用的。这样，学生不仅了解和学习了与固体物理课程紧密相连的最新的学术成果，而且对于课程中所学到的知识有一定认同感，提高了学生的学习积极性。

二、教学方法和手段的改革与实践

在实际的课程教学中，科学有效的教学方法和手段非常有利于提高学生学习的积极性和知识的理解。传统固体物理的教学主要是偏重理论体系的学习，这让学生学习起来非常枯燥，不容易引起学生的兴趣，急需进行多样化的教学方法改革。同时，还要根据课程内容和学生特点与时俱进地调整教学方法和手段。

首先，目前的大学生都是上个世纪九十年代出生，思维比较活跃且喜欢接受新鲜事物。如果教师还是按照过去那样在讲台上只是利用板书进行讲解，未免显得授课过程有些单调。在授课过程中，遇到一些物理的理论推导，可以采用传统的板书授课形式。这样不仅可以保证学生与教师的思维能够同步，而且有利于学生加深对知识的理解。但是，从课程特点来看，有些教学内容如果单靠板书进行教学，学生对知识点理解起来难度比较大。比如，在讲解各种晶体结构时，多媒体教学的优势就体现出来了，可以根据各种晶体结构的原子排布情况，利用动画的方式把其晶体结构展示出来。这样教学的过程显得即形象又直观，方便学生去理解。同时，也能够吸引学生上课的注意力，提升教学效果。因此，经过我们多次教学实践，利用板书教学与多媒体教学相结合的教学方式是一种比较有效的课程授课方式。

其次，在授课过程中通过引导学生去思考问题，采用启发的教学方式进行教学[5]。以往传统的教学主要是老师把所要讲授的内容在课堂上直接灌输给学生，再加上教学过程中多媒体课件的应用，使得学生接收到大量的课程内容，一时无法理解所讲授的内容，这种填鸭式的教学方法不仅使学生不能很好地掌握所讲授的知识，而且会导致学生产生厌学情绪，达不到教学的目的。老师应该从学生所熟知的知识引出所要讲授的内容，让学生由被动接受课程内容变成积极主动地探索知识。这种启发式的教学模式一定要关注学生所掌握的知识水平。对于材料化学专业的学生来说，物理方面的基础知识比较薄弱，我们尽可能从最简单的物理知识点去启发学生。当讲到晶格振动的一维原子链的振动方程时，从中学牛顿第二定律讲起，提到这个振动方程与牛顿第二定律的方程在形式上是类似的，通过这样的教学方式可以启发学生去思考。

最后，在教学过程中，如何想方设法将学生的主观能动性发挥出来，将对提高课程教学效果是很有益处的。固体物理偏重理论体系的学习，学习起来非常枯燥，不易引起学生兴趣。如果仅仅是老师简单提问学生几个问题，也很难增加学生学习的积极性。这时，教师需要在讲课过程中插入一些精心设计的问题，让学生也主动参与思考。比如，讲授到固体结合的几种常见方式时，各种原子所提供价电子存在的方式成为区别固体结合种类的重要判据，可以让学生思考在固体结合时这些价电子会如何存在，进而提问学生。这样不仅有利于学生参与教学过程，也让学生对自己所掌握的知识具有成就感。

三、课程考核方式的改革与实践

学生课程成绩的评定是固体物理教学过程的主要环节之一。目前常用的考核方式有开卷和闭卷两种形式，闭卷考试一般主要是考查课本上的内容，需要学生记住一些知识点，这样会造成一部分学生通过死记硬背来应付考试。与闭卷考试相比，开卷考试的试题内容更具有开放性。但是，有些学生平时不学习，到开卷考试时多带些资料也可以应付过关，这样就起不到对学生学习效果的评价。我们提出的改革考核评价方式是平时考核和闭卷考核相结合。对于平时考核，我们要求学生六个人分成一组，让他们根据固体物理所学知识和科学研究的发展方向，通过查资料确定一个演讲主题，鼓励每组学生自己做成多媒体课件，然后在课堂上给大家讲解。老师和其他同学给他们打分，并作为期末考试的平时成绩部分。这样，一方面能够锻炼学生的自学能力，另一方面，可以锻炼学生的语言组织能力。对于闭卷考试，尽量减少依靠死记硬背的概念题数量，大量增加利用所学知识去分析和解释一些物理现象的题目。这样可以很好地考察学生对所学知识的理解和掌握情况，有效避免学生机械记忆课本内容的现象。在实践过程中，我们发现考核方式的改变不仅可以提高学习好的学生的综合素质，而且对于那些不爱学习的学生也起到了督促其学习的作用。

四、结束语

总之，对于材料化学专业，固体物理的教学要根据专业特点和课程本身的要求，做到因材施教。在课程内容的讲解上，要做到详略得当、重点突出；注重物理模型的构建和物理思想的理解，减少对繁琐公式的推导过程；并在课堂上适当引进学科前沿知识，增加学生对课程内容的认同度。积极有效地利用多媒体来辅助板书教学，引导学生去思考问题，开展实施启发式教学模式，充分调动学生的主观能动性。通过改变课程的考核方式，注重学生对知识的理解和应用。通过实践证明，文中所提到的教学改革方法能够有效地提高学生的学习兴趣和综合运用知识的能力。然而，随着固体物理学科的发展和社会的进步，对材料化学专业固体物理课程的教学也提出了新的挑战和改革要求，这还需要广大教育工作者坚持不懈地探索。

[1]方俊鑫，陆栋.固体物理学[M].上海：上海科学技术出版社，1983.

[2]黄昆，韩汝琦.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1985.

[3]文尚胜.材料学专业“固体物理”课程教学改革初探[J].中国科教创新导刊，2010（10）：44-46.

[4]吴白芦.纳米技术与固体物理的新发展[J].现代科学仪器，1998（Z1）：35-43.

[5]关玉琴.根据专业特色调整与优化固体物理教学分析[J].中国电力教育，2014（1）：121-122.