材料学科的固体物理课程教学与探讨

胡美华 毕宁 宿太超

摘要：本文从材料学科的固体物理课程在学生培养的重要性和目前的教學现状为出发点，结合笔者的教学实践，对材料学科的固体物理教学的内容、方法、手段等进行了一些探索，改进传统教学方法，引入相关学科的技术和手段，为推动材料学科固体物理课程教学质量的提高和教育目标的实现提供新的思路。

关键词：固体物理;课程教学;教学方法;教学改革

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）43-0158-02

固体物理，作为高等学校本科课程计划中一门重要的基础理论课程。它是以固体的组成结构以及组成粒子（原子、离子、电子等）之间相互作用与运动规律为主要研究对象，阐明其各自相关的性能与用途[1]，是材料相关学科的理论基础，同时也在当代科学研究中起着重要的基础理论作用。材料学科专业的学生掌握一定的固体物理知识及其研究方法，有助于开阔科学视野，为今后的发展奠定知识基础。因此，国内综合性大学、师范院校以及许多工科院校的理工科专业均普遍开设了这门课程。以此认识为出发点，笔者围绕材料学科各专业固体物理教学的特点，结合固体物理课堂教学的经验和体会，对其教学内容、教学方法和手段等方面提出了一些改革措施与探索，以期待为推动高等学校固体物理课程教学的改革、提高教学质量发挥积极的促进作用。

一、材料学科固体物理教学现状

高等学校材料学科相关专业要求培养学生具有扎实的基础理论知识和系统的专业知识，能够了解材料相关学科最新的发展趋势，具有从事科学研究工作和专业技术工作的基本能力。因此，在材料学科的培养计划中，要求学生应当学习基本的基础知识和基本技能。固体物理课程就是其中一门重要的课程，它要求学生初步具备高等数学、普通物理、热力学与统计物理学和量子力学等相关的基础知识作为固体物理课程学习的前提，其主要目的是研究固体物质（主要以晶态物质为主）的基本物理性质、构成物质的各种粒子的运动形式及其相互关系[2]。作为工科材料学科的固体物理课程，其教学方式、教学内容与高等师范院校有明显的差别。固体物理与材料学科的其他课程既有联系又有区别。一方面，工科学生虽然经过部分专业课程的学习，具有大学物理和材料科学基础等方面的知识，但是固体物理课程开设的前提要求学生具备有扎实的高等数学、统计物理、量子力学、以及分析力学和群论的基础知识，这些基础是工科学生没有学到也不具备的。另一方面，工科材料学科在固体物理教学的学时方面安排的较少，一般为32学时或40学时，因此，不可能在有限课堂上系统补习该方面的内容，学生也更没有更多的时间和精力去自学，更何况统计物理、量子力学等本身就有相当的难度[3]。综合以上各方面的原因与现状，工科材料学专业的本科学生的固体物理课，容易导致学生因基础知识的不具备而跟不上固体物理的理论推导过程，造成教师很难顺利将课程的主要内容进行完整而系统的讲授，学生也听不懂，产生厌学情绪。因此，在选择教学内容、教学方式和制定教学计划等方面时，必须考虑学生对本课程的接受能力。

二、固体物理教学内容与教学方法的改革措施

针对上述工科材料学科专业学生的基础知识储备情况和现状，以及考虑到固体物理课程的特点，笔者结合近几年工科材料学科固体物理课程教学的经验和体会，对固体物理课程的教学进行探索，提出以下关于本课程的改革措施。

（一）结合学生基础，选用与本学科相适应的教材

选择一本好的教材，是学生学好一门课程的基础。对于固体物理来说，不乏经典的教材，如黄昆先生的教材[1]。但是，固体物理教材基本上是为物理专业的本科生和研究生而编写的，现有的教材鲜有专门为工科材料等学科编写的教材，对只有学习过普通物理和材料科学基础等的工科本科生来说，本课程难度非常大。因此，对于工科材料学科的固体物理课程，在选择教材时，尽量选择能系统地包含固体物理的经典内容，同时要求容易理解和知识程度较浅的。选择好一本教材时，还要对教材内容进行筛选，选择适合本专业章节，同时也要兼顾固体物理的系统性。

（二）制定符合本专业的教学大纲，合理选取教学内容

固体物理内容庞大，针对工科材料专业的特点，在制定教学大纲和选取教学内容方面，保证固体物理教材系统性的基础上增强与工科材料学科的联系，在有限的学时内将固体物理实用而且精髓的部分讲授给学生，就必须精选教学内容。学习固体物理最重要的是清楚基本概念，物理原理和物理模型。针对材料学科学生固体物理基础知识薄弱的特点，尽量避免过于烦琐的公式推导，如必须公式推导，要针对本专业学生所具备的基础，讲清公式的来龙去脉，细化推导过程，让学生真正理解并掌握相关知识。

此外，还有考虑材料专业其他学科的内容与固体物理相关章节的联系性。像晶体结构、晶体缺陷等虽属于固体物理的内容，但该部分内容已在材料科学基础等专业课程中涉及到，没有必须再去重复讲述。对于一些涉及量子力学的基础知识的章节，如能带理论部分，是必须要讲清楚，学时重点掌握的内容，但是，仍要在有限的学时中抽出时间补习这方面的基础知识。

（三）传统板书与现代多媒体结合，选择最佳教学方式

多媒体技术是指使用计算机技术，对文字、数据、图形、图像、动画、声音等多种媒体信息进行综合处理和管理，使用户可以通过多种感官与计算机进行实时信息交互的技术，可以有效的地利用到课程教学当中。同传统教学方式相比，多媒体教学方式具有直观性、图文声像并茂、动态性等特点，能帮助学生多角度地理解掌握基本概念和方法，调动学生的注意力、学习兴趣、学习积极性等，有助于突破教学难点。现代多媒体技术的运用，使得课堂教学手段多样化、现代化。例如，使用Diamond或Flash软件，对晶体结构进行三维动画模拟，立体展示晶体的结构特点。

然而，并不意味使用多媒体进行教学这是万能的，多媒体教学在某些方面也存在着局限性，它并非适合固体物理的所有章节和内容，而是有一定的范围的，每一部分内容对多媒体教学的要求是不同的。如，固体物理的晶体结构、能带结构等部分，使用多媒体可以直观、形象演示其内容，学生也容易理解和掌握，但对于理论较强的部分，如倒格空间、晶格振动、能带理论等，需要黑板板书与多媒体课件相结合，板书推导为主，多媒体演示为辅。因此，传统的“板书的固体物理教学方式并不过时，而先进的现代化多媒体教学亦非万能，它们是优势互补的，只有当我们把这两种教学方式巧妙的捏合在一起的时候，课堂教学效果才能达到最佳状态。这对于别的课程教学也具有借鉴意义。

（四）教学过程引入学科前沿知识

固体物理学虽是一门基础理论很强的课程，同时也是一门应用性很强的课程，它与当今最活跃的凝聚态物理以及新型材料科学紧密联系在一起。固体物理其内容丰富、体系庞大、理论性较强，同时，在教学和学习中，还要求学生能够理论联系实际，对所学知识进行理论方面的解释。但是，该方面也是最容易出现理论知识与实际应用相脱节的状况。针对这一方面的问题，在传统的固体物理教学中，将固体物理中相关的知识与本专业的其他课程相互联系，也非常重要。

这就要在讲授传统固体物理教学内容的基础之上，适当地把与本学科知识相关的前沿动态和研究热点引入课堂教学，巩固已学过的知识。本学科相关前沿知识的引入，一面强化了固体物理的基础知识，拓宽了学生的专业基础知识结构，开阔了科学研究的视野;另一方面也可以因材施教，满足不同知识程度的学生学习的需要。

（五）重视课后作业

固体物理是一门专业性很强的基础理论课程，绝大部分学生尚不能在课堂上理解并掌握所学知识，这就需要课后作业。课后作业是对课堂教学内容加深理解和掌握的有效手段之一。课后作业同时也是课程教学的一个重要组成环节，是学生对所学新知识进行巩固发展的有效途径，也是课堂教学的一个延续。如果学生能认真对待课后作业，就会很好地巩固、理解、运用所学知识;如果课后作业没有充分发挥作用，则会直接影响到教学效果。对于材料专业的本科生来说，固体物理是一门基础理论与实际应用相结合的课程。在布置课后作业时，一方面要考虑到教材的习题中相对应的题目作为学生的课后作业;另一方面，为了加深课程中公式的推导的理解，可以将部分的公式推导安排在作业中，加深对课堂教学的理解。此外，针对某一些研究热点，通过撰写小论文，让学生从固体物理的角度发表自己的看法，增强学生的自主学习的兴趣，可以提高学生的自学能力、研究能力和创新能力。

三、结语

本文主要从固体物理课程的课堂内容选择、教学方式、教学形式以及课后作业等方面进行了探索。材料学科的固体物理课程有其自己的特点，应做到精选教学内容，重点突出，有的放矢。只要我们不断改进教学手段和教学方法，鼓励学生主观能动性的发挥，就能大大提高固体物理的教学手段和教學质量。

参考文献：

[1]黄昆，韩汝琦，固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1997.

[2]李根全，仲志国，以提高学生综合素质为目标的《固体物理》的教学实践与探索[J].南阳师范学院学报，2010，（9）：84-86.

[3]华中，宋春玲，刘研，固体物理教学改革的探索与实践[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2004，（4）：26-28.