“固体物理与化学”课程的教学改革与实践

冷森林 姜菁菁 石维 黄伟

【摘要】固体物理和固体化学是材料类专业的两门核心课程，这两门课程基本都以理论教学为主，其教学内容存在着重叠部分，但也有互补内容。为培养应用型的材料类本科人才，通过内容优化整合，增加实践环节，创新性地将固体物理和固体化学合并成一门课程，并且改革教学内容、教学方法和考核方式。

【关键词】固体物理与化学  教学  改革与实践  应用型

【基金项目】2013年铜仁学院教改项目“《固体物理》课程的教学改革思考与实践”（项目编号：JG201346）。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）08-0126-02

固体物理是研究固体的微观结构、各种微观粒子运动形态和规律以及它们相互关系的学科。它是材料类专业的重要基础课程，涉及力、热、声、电、磁和光学等各方面的内容。固体物理理论在很多研究领域都有广泛应用，它是微电子、光电子、半导体等各项技术和材料科学的基础。固体化学着重研究物质的化学反应、合成方法、晶体生长、化学组成和结构，特别是固体中的缺陷及其对宏观物理化学性质的影响。固体物理和固体化学知识在前沿科学中的应用越来越多，相关材料类专业也都开设了这两门课程。

随着科学技术的不断进步，材料科学的研究正不断开拓新的研究领域。作为材料类学生的专业必修课，固体物理和固体化学两门课程原有的知识体系均存在着不同程度的局限性。具体来讲，传统固体物理是一门理论性很强的课程，它用量子理论研究物质的微观结构，用以解释宏观物理性能，以理论教学为重点，实践教学占的比重不多，与前沿科学的结合也不够，不符合材料专业对应用型和实践性的需求;固体化学课程内容包含材料制备工艺和分析手段等实践内容，但对固体的研究方法、结构与性能关系等方面的探索还需要依靠固体物理理论的指导。针对具体的研究对象，往往需要综合固体物理和固体化学的知识才能解决问题。这种解决实际问题的需求使得在材料专业设置固体物理与化学课程很有必要。

目前，在国内大学的材料类专业，固体物理和固体化学一般作为两门独立的课程设置，两门课的教学内容既有重叠部分，也有互补需要。可以合并固体物理和固体化学两门课程，删去重复知识点，缩短学时;提取、凝练知识点互补部分，利用“固体物理”理论更好地指导“固体化学”实践，达到“1+1>2”的效果。

根据铜仁学院的办学定位和教学实际：适应区域经济社会发展需要，按照“突出应用、培育特色、提高质量”的原则，培养高素质的应用型人才，注重社会服务的教学服务型大学。固体物理和固体化学作为材料专业的核心课程，其教学水平对学生的后续发展至关重要。铜仁学院为新升本科院校，固体物理和固体化学这两门课程的开设时间不久，而且目前我们的教学还是偏重理论，实践性不强。因此，为了改变我校材料物理专业固体物理和固体化学教学过程中的问题，培养和造就高素质的应用型本科人才，创新性地设置固体物理与化学课程。

一、改革教学内容

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设计新材料及其功能应用。根据材料学科的特点和我校材料物理专业的人才培养目标，优化设置教学内容。

（一）将固体物理和固体化学课程的内容有机融合

固体物理和固体化学两门课的教学内容既有重叠部分，也有互补部分。内容的重叠表现在晶体结构、晶体结合和晶体缺陷为两门课程共有部分，但侧重点不同;互补表现为某一研究问题的解决需要综合两门课程的知识点，并且固体化学中关于晶体衍射、固相反应等内容恰好是固体物理中倒易点阵、扩散等理论知识的实际应用。新开设的固体物理与化学将固体化学的知识有机融入固体物理，两门课程的内容“求同存异”。具体来说，将固体化学关于点缺陷的反应式纳入固体物理晶体缺陷章节;将振动光谱、波谱技术与晶格振动联系起来;将晶体的热学性质与热重分析、差热分析联系起来;将金属键与能带理论相结合;固相反应与扩散理论相结合等等。删掉固体化学中的相图内容，此部分在材料科学基础课程中讲授。合并后的固体物理与化学学时为72学时，少于原先兩门课程的总学时。

（二）重视知识体系构建，缩减理论学时

固体物理是以热力学统计物理、理论物理、量子力学等课程为基础的课程。固体物理的学习需要这些基础理论作保证，但材料类专业的学生在这方面基础相对较薄弱。特别是固体物理中有很多新概念，通常需要建立复杂的物理模型和理论计算得到。复杂的数学推导过程和物理假设使很多学生感到困惑，在学习过程中也感到十分困难，造成部分学生失去兴趣。因此不能一味追求推导过程，更多的是突出概念的本质和含义，重点讲述物理假设和物理过程。物理模型的建立应简单易于理解，把复杂问题简单化，让学生学会用最简单的方式去解决复杂的问题。比如倒格子概念抽象，是固体物理的一个知识难点。在讲授倒格子时，尽量简化其推导过程，类比普通物理平面波中波矢的概念，将倒格矢与波矢类比，建立抽象的概念与已有的物理图像之间的联系，讲清楚为什么引入倒格子以及引入倒格子后对于我们解决问题的好处，让学生直观理解其背后的物理意义，帮助学生在倒空间中思考问题。

（三）融入前沿科学，提高学生学习兴趣

很多新技术、新材料的发明离不开固体物理和固体化学知识，在教学过程中要适当加入前沿科学和当今世界的研究热点，使学生认识到课程内容的重要性和实用性，例如，在讲解固体分类的时候，就要介绍准晶体;在讲晶体结构的时候，可以介绍石墨烯、碳纳米管。材料由于晶体结构的不同，其物理化学性质相差很大，在讲金刚石结构的时候，要提到另一种具有相同结构的硅材料。还有超晶格与晶体结构、半导体与能带理论的联系;材料的磁性与原子结构之间的关系;巨磁电阻效应等现象。使学生了解固体物理理论在前沿科学中的应用，扩展学生的知识范围，提高学习兴趣。

（四）注重实践教学，提高学生实践能力

材料学是实践性很强的专业，需要在教学中加入实践内容，在每章最后专门设置一个小节内容作为本章应用举例，可以更好地帮助学生理解课本上的理论，更重要的是把理论知识应用到实践中，理论与实践结合，培养学生独立思考问题的能力。例如，在讲解X射线衍射的时候，可以用某物質的XRD图谱作为例子，简单教学生使用Jade分析XRD图谱如何确定衍射峰的晶面指数，如何根据衍射峰来计算晶面间距，结合材料的晶体结构，从而确定材料的晶格常数，这样就把晶体结构这一章的知识全部串联起来。在讲晶体对称性的时候，可以列举相关材料，例如晶体的铁电性与对称中心的关系。

（五）增加科普知识，引入情感教学

在教学内容中增加科普知识，有助于增强学生的认同感，提高学生的科学素质。在讲授某个学科知识点的时候，增加其发展的历史故事，有助于学生更好地理解这门学科和这个理论。科学家是科学发展的主体，也是某一学科知识的缔造者。介绍相关科学家对某知识点的贡献和科学家的生平故事，可以有效提高学生学习的兴趣。能带理论是固体物理中的一个重要理论，通过对固体电导理论发展史的讲授，使学生更好地理解这个理论和实际应用。

二、改革教学方法

（一）多媒体教学和模型教学，建设网络课程资源

传统的理论教学以板书为主，其优点是有利于学生理解理论推导过程。但不足在于耗费时间、且有些图形动画板书不够形象。而应用多媒体教学具有形象生动、有声有色、节约时间等优点，可以利用Material Studio等计算机软件制作晶体模型，增加一些动态元素，突出趣味性、形象性，把抽象的物理模型用文本、视频、动画等多种方式展示出来，增强课堂教学的直观感染力。在课堂增加一些实物模型，比如讲晶体的结构，可提供一些球棍模型，让学生自己动手组装，使学生能直观感受晶体的结构，对理解晶体的对称性有很大的帮助。还可以制作一些CAI课件。在学院网站建立固体物理与化学课程板块，将课件、模型、视频等资料作为网络课堂，为学生提供课下学习资源。

（二）采用教学互动模式，激发学生学习兴趣

现代教学不是一个老师教、学生学的单一过程，更不是“填鸭式”的灌输过程，而是以学生为主体、老师为主导，相互参与的过程。教师要鼓励学生发现和探索问题。学习每个章节，都要探讨三个问题：这章的知识体系是什么，本质是什么，在课程中的作用和地位是什么。通过这样启发式的问题，引导和鼓励学生思考、讨论，能力的提高在于发现问题和寻找答案的过程，鼓励学生提出自己观点和见解，不怕出错，反复思考，对某一问题深究到底，营造积极活泼的课堂学习气氛。

（三）创新作业形式，提高学生知识应用能力

在现有教学方式中，课后作业以习题形式为主，不利于发挥学生积极主动性，有碍学生发现问题和解决问题能力的培养。因此需要改变传统作业形式，将作业以论文的形式呈现。地方本科院校的学生基础相对薄弱，需要采取循序渐进的方式进行指导，使他们尽快适应新的学习方式。在前期，由教师选择涵盖课程知识点的中文期刊论文，学生自学并整理期刊论文内容，制作做成PPT课件，并在课堂上讲解自己制作的课件;到后期，教师给出一些材料科学中与课程相关的研究热点问题，不再具体指定论文，引导学生围绕主题发现问题，检索信息，解决问题，并且撰写小论文。这样不仅提高了学生的自学和解决问题的能力，还开阔了学生的眼界，使他们对理论在实践中的应用有更深刻的体会。

三、改革考核方式

考核是检验学生课程学习情况的重要途径，学术型学生的培养，主要以闭卷考试为主，但应用型学生的培养，应该以过程考核为主。引入实例讨论环节并将其计入平时成绩，加强学生在此过程中的参与程度，在教学过程中将学生分成不同的课题组，分配不同的课题给他们。因此，我们采取改变平时成绩计算方法和在期末考试中设置开放性试题的办法，平时成绩设置起始分数，有积极表现的加分，比如课堂主动提出问题和回答问题、平时小论文写作、课堂做专题论文PPT报告都可以加分，没按要求完成任务的则扣分。在期末考试中设置开放性试题考察学生对于学科知识体系的理解，开放性试题不设标准答案。通过考核方式的改变，引导学生改变不良的学习习惯，培养积极主动的学习方式。

四、结语

根据培养高素质应用型本科人才的培养目标，需要增加实践性应用性的课程，较少理论性课程和学时，在这样的背景下，通过内容优化整合，将固体物理和固体化学合并成一门课程，即缩减了总学时，又不减少知识点，同时还加大了实践技能的教学，达到了人才培养的目标。

参考文献：

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[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]. 轻工科技，2012，158（1）：134-135.

作者简介：

冷森林（1981-），男，汉族，江西宜春人，博士，副教授，主要从事固体物理、固体化学的教学工作。