结合专业特点开展固体物理教学改革

张腊梅　苏玉玲

摘 要 本文针对固体物理教学的现状和问题，充分结合材料物理和电子科学与技术两个专业的特点，在固体物理课程改革方面进行了一些实践和探索。通过对教学内容的优化精选，增加前沿知识和物理学史，强调固体物理学“范式”，在教学过程中通过多种教学手段的结合，并鼓励学生参与教师的科研课题，强调互动式和研究性学习等方法，达到有效提高教学质量的目的。

关键词 固体物理 材料物理 电子科学与技术 教学改革

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.12.060

Combining with the Professional Characteristics to Carry

out the Teaching Reform of Solid State Physics

ZHANG Lamei， SU Yuling

（School of Physics and Electronic Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou， He'nan 450002）

Abstract In this paper， in view of the present situation and problems of the solid state physics teaching， and fully combined with major characteristics of material physics and electronic science and technology， some practice and exploration have been carried out in solid state physics curriculum reform. Through the optimized selection of teaching content， increasing the frontiers of knowledge and history of physics， emphasizing the "paradigm" of solid state physics， combining a variety of teaching methods in the teaching process， encouraging students to participate in the teachers research projects， and emphasizing interactive and research study， and so on. By means of the above measures， teaching quality can be improved.

Key words Solid state physics； Material physics； Electronic science and technology； Teaching reform

0 引言

固体物理学，顾名思义，是研究固体结构及其组成粒子之间的相互作用与运动规律、阐明其性能与用途的学科。它为人们按指定性能研制新材料、新器件提供了科学途径和理论指导，在理论物理和应用物理之间起着纽带作用。上世纪五十年代末，固体物理学被采纳成为我国物理专业的一门基础课。①当时，三位国内固体物理学前辈，即黄昆先生、谢希德先生和程开甲先生率先在北京大学、复旦大学和南京大学的物理专业开设此课，这是物理专业课程设置上最为显著的一项改革。随着时代的发展，目前，固体物理不仅是物理学专业而且是电子学、材料学、光电子、微电子等相关专业的专业必修基础课。就我校而言，材料物理和电子科学与技术两个本科专业均开设了固体物理课程。材料物理和电子科技均属于应用型学科，材料物理专业学习的目的是为了使学生掌握材料的设计、合成、加工和分析等方面的理论、基本实验方法和技能等，使学生具有材料设计、分析和应用的科学研究和技术开发的基本能力。电子科技专业则要求学生通过掌握光电子器件、物理电子器件、电路与系统、信息技术等方面的理论知识和基本实验方法，使学生初步具有研究开发新的电子产品和技术的能力。因此，这两个专业的固体物理课程应该充分结合专业特点，与其他专业有所差别。笔者通过分析我校现有固体物理教学存在的主要问题，结合这两个专业的培养模式和专业特点，在教学内容、 教学方法等方面进行了一些实践和探索，以期改善教学效果，提升学生的综合素质和创新能力。

1 固体物理教学现状分析

在我校材料物理和电子科技专业的实践教学过程中，我们发现当前固体物理课程教学中存在的一些现状及问题。首先，材料物理和电子科技专业学生相对物理专业的学生而言，与物理相关的课程课时较少，物理理论基础比较薄弱，而固体物理中要用到大量的量子力学和统计物理知识，且数学处理比较复杂，大多数概念和理论都建立在复杂的数学推导过程之上，理论性较强，因此学生普遍感到学习起来比较困难。加之学生往往不知道所学知识在实际问题中如何应用，缺乏学习兴趣和动力，这些都严重影响了固体物理课的教学效果。其次，随着社会的进步和科技的发展，各种高新技术不断涌现，固体物理学科发展日新月异，光子晶体、新型半导体、超材料、超导、非晶态等新领域的研究取得了重大进展，新概念层出不穷，对固体物理教学提出了更高的要求。②如何与时俱进，根据专业特点处理好新旧知识之间的关系，提高学生的综合素质和创新能力，成为固体物理教学面临的主要问题。

2 固体物理教学改革措施

针对固体物理课程教学的现状，我们在这两个专业的固体物理教学过程中，充分考虑专业特点，通过教学内容和教学方法的一些改革研究和实践，以期将培养专业素养、科学素养贯穿整个课程的培养教学环节，激发学生的学习主动性，优化认知结构，改善教学效果。endprint

2.1 教学内容的改革

（1）精选教学内容。对于材料物理和电子科技这样的非物理专业的学生，考虑到他们物理知识和数学基础相对薄弱，因此，这授课过程中，应该轻物理推导过程，重物理模型和物理意义的讲解，避免学生陷入繁琐的数学推导过程当中，帮助学生抓住主线，掌握固体物理中处理问题的方法。此外，根据学生专业的不同，在讲授基础知识时，需要注意与其他专业课程之间的联系，一方面避免与已学课程内容的重复，一方面为以后的相关课程打下一定的基础。比如，对于材料物理专业的学生，在材料科学基础等课程中已经对晶体的结合和晶体的缺陷这部分内容有所讲述，因此，在固体物理课中可以对这部分内容略讲。对于电子科技专业，除了固体物理以外，还开设了半导体物理等课程，因此，在半导体一章中，我们只是简单介绍了半导体的能带结构和电子分布特点。同时，对于一些重要、抽象、难以理解的概念，比如倒格子和布里渊区等，学生通常感到理解起来比较困难，然而这些内容又往往在不同章节中多次出现，对于这类内容，应从多角度、多方面，配合习题，精讲精炼，帮助学生理解其物理意义和应用方法。

（2）将学科前沿和热点引入教学。固体物理是当前物理学科中发展最快的分支，该学科新成果和新概念不断涌现，而固体物理学的经典教材大多成书较早，这些新的前沿内容教材中没有出现。因此，需要针对材料物理和电子科技不同的专业特点，适时地将与专业有关的最新进展和重要应用成果引入课堂教学中，做到基础知识与前沿知识相互融合，达到优化教学内容的目的。例如在讲解晶体结构一章时，可以将一些新型的材料介绍给学生，比如拓扑绝缘体、光子晶体、石墨烯等内容。在讲解能带理论时，可以向学生介绍近年的诺贝尔奖蓝色发光二极管，让学生明白我们所学的知识并不老旧，而是与现代科技紧密联系的。这样可以开拓学生的视野，提高学生对该门课程学习的积极性。

（3）增加科学史的介绍。在教学中增加相关科学史的介绍，看似无关紧要，实则效果斐然。因为每一个学科、每一种理论，都不可能在一朝一夕间建立，都有其漫长的发展演变过程，而每一个新理论的提出，都有其历史动因。因此，在讲授某一理论时，通过对历史背景和发展过程的介绍，可以帮助学生加深对所学理论的理解，明确该理论所要解决的物理问题，培养学生的科研思维方法。比如在讲解固体热容的内容时，先回顾基于经典统计理论的热容理论，在该理论中，热容是与温度和材料性质无关的常数，为了解决这一问题，爱因斯坦提出了基于量子理论的热容理论，然而在爱因斯坦理论中，假设各谐振子的振动频率都是一样的，这种假设过于简单，因此德拜在爱因斯坦模型的基础上，进一步提出了德拜模型，给出一个简单的谐振子频率的分布规律，更好地揭示了热容随温度的变化规律。通过这样的讲解，学生对热容理论的理解也就更加深刻了。

（4）注意各章节之间的联系，强调固体物理学的“范式”。在实际教学过程中，学生往往不清楚各章节之间的联系，普遍反映固体物理学的知识比较比较零散，概念多、模型多、定律多、原理多，各个章节的知识好像是一个个孤立的个体，缺乏一条将各方面的知识联系起来的主线。这主要是由于在现在的教学中，对固体物理学的“范式” 讲述和强调不够有关。根据科学史家库恩的观点，“范式”是一门学科成为科学的必要条件， 范式的形成是一个学科建立的标志。布里渊最早指出，固体物理学的范式应采用“周期结构中波的传播”来统一描述。③固体物理是以周期性的晶体为研究对象的，固体内各种粒子的运动，都可看作波在周期结构中的传播，而这种波的共同特点，就是当波矢位于布里渊区边界时不能传播，我们可以在此基础上统一理解晶体的衍射理论、晶格振动及能带理论等固体物理的主干内容。范式是一门学科的“纲”，学科的知识体系可据此建立和有机地联系起来。④

2.2 教学方法改革

（1）采用“黑板 + 多媒体”相结合的方式授课。多媒体作为先进的教学手段，既可提高教学效果，又可以丰富教学内容。但是不能搞“一刀切”，应该根据章节进行选择。⑤比如我们在对晶体结构进行讲解时，借助多媒体手段可以更加形象直观地将各种类型的晶体结构展现出来，还可以随意翻转，让学生从不同的角度和侧面进行观察，帮助学生建立空间图像，提高认知效率。然而对于一些数学推导过程复杂的章节，例如晶格振动等，如果单纯使用多媒体，学生通常会感到跟不上老师的思路，容易产生疲惫感。这时候如果使用板书，减慢速度，边推导边讲解，增强师生互动，则教学效果更好。

（2）利用先进计算软件。固体物理这门课程中的许多概念和理论都建立在繁杂的数学推导之上，学生往往觉得有理无物，不易理解。如果在教学中能够形象生动直观地解释这些物理概念和理论，并联系它们的实际应用，就可以帮助学生更好地理解所学知识，提高认知效率。Materials Studio 软件能够进行不同晶体结构的模型构建，能带及态密度的计算及图形化，介电常数的计算，红外、拉曼光谱计算，费米面计算及可视化等等，不仅功能强大，而且操作简单、界面友好，因此，适宜于本科生的日常教学实践。⑥对于不同专业的学生，均可以利用该软件将课本上的很多结论通过自己计算进行验证，加深理解。例如，对于材料物理专业的学生，可以让他们利用计算软件给出一些常见晶体材料的晶体结构，还可以给出晶体的光谱特性和介电性能等。对于电子科技专业的学生，可以利用软件模拟常见的直接带隙和间接带隙的半导体，并通过掺杂、加压等手段调控其能带结构，使学生更直观地了解晶体结构与性能之间的关系。总之，固体物理学中的很多概念和理论都能通过 Materials Studio 软件进行演示及计算，给出形象化的解释。该软件的使用不但可以帮助学生加深对所学知识的理解，还可以使学生了解现代理论物理方面的研究方法，提升学生的科研素养。

（3）理论联系实验，鼓励学生参与教师的科研课题。在固体物理的教学中，为了让学生更深刻地理解所学知识，培养学生灵活应用所学知识解决实际问题的能力，应该安排学生进行固体物理相关实验或直接参与教师的科研课题。对于材料物理专业的学生，可以安排他们进行材料制备、X射线衍射分析、Raman光谱测量等实验，还可以让他们参与碳纳米管的性能研究、晶体缺陷对电磁性能的影响等教师的科研课题，让学生从材料的制备到结构、性能表征等方面受到较为综合的训练。对于电子科技专业的学生，除了让他们了解常见晶体结构的表征手段以外，还可以进行半导体特性测定、太阳能电池特性测试、探测器响应特性测试等实验，帮助他们了解不同半导体材料性能的差别，以及这些差别与其微观晶体结构的联系。除此此外，也可以参与教师的科研课题，比如太阳能电池的结构及性能研究、石墨烯超级电容器的研究等。通过参与实验和教师科研活动，可以提高学生运用所学知识解决实际问题的能力，提升其综合素质和创新能力。endprint

（4）加强互动式教学模式，鼓励研究性学习。学生是学习的主体，在教学活动中，应该使学生充分参与到教学活动中来，加强教师和学生之间的互动。具体实施过程中，可以采取启发、讨论式教学，通过教师对教学过程的精心设计，巧妙设置问题，组织专题讨论等形式，充分调动学生的学习积极性。例如，在讨论课前提前布置一些讨论题目，“声子的本质”，“光子和电子的异同”，“倒格子和波矢空间在固体物理学中的作用”等，由于学生提前进行了准备，讨论氛围热烈，甚至发生了争论，常言道“理不辩不明”，经过讨论原本难懂的概念就变得清楚明了了。除了课堂上的互动，课余时间利用网络等其他手段的互动方式也非常重要。学生可以通过固体物理精品课程网站的讨论区和E-Learning网络学习空间，就课堂上没有弄明白的问题和老师、同学进行讨论，通过这种形式极大地拓展了学习的时间和空间。研究性学习也是近年来提出的一种有利于提高学生学习主动性和科学素养的学习手段。我们的具体实施方法为让学生撰写小论文，小论文的题目可以围绕一些前沿研究热点，还可以选择自己感兴趣的领域，就某一具体问题，在深入调研的基础上，写出它的应用及自己的一些观点。总之，我们努力将互动式、启发式、讨论式和研究性学习等教学模式有效的贯穿、融合于整个固体物理的教学当中，在这样多样化的实际教学实践中， 营造宽松、积极的教学氛围。

3 结语

针对我校固体物理课程教学的现状和存在的问题，本文根据笔者多年授课经验，结合学生的专业特点，从教学内容和教学方法上进行了一些改革，主要包括精选教学内容，将一些前沿热点知识和物理学史加入教学内容当中，并加强固体物理学“范式”的讲授。在教学过程中结合多种教学方式，理论联系实验，强调互动式和研究性学习等，通过这些措施使得教学效果得到明显改善。然而固体物理教学改革是一项复杂庞大的工程，随着时代的发展也会出现新的课题，仍需我们做出更多的研究和探索。

基金项目：本文系河南省高等学校重点科研项目（No.15A140043）、郑州轻工业学院青年教师教学改革与研究项目、郑州轻工业学院校博士基金的研究成果

注释

① 黄昆，韩汝琦.固体物理学.北京：高等教育出版社，1997.

② 钟佑洁，杨尊先.电子学科的固体物理教学改革初探.物理通报，2013（8）：17.

③ 冯端，金国钧.凝聚态物理新论.上海：上海科学技术出版社，1992.

④ 郑文琛.固体物理教学现代化的一些实践与思考.大学物理，1998.17（10）：34.

⑤ 苏兴华.材料学科专业的固体物理课程教学改革探析.科技创新导报，2012（21）：187.

⑥ 吴玉辉，吴盼，李永涛. Materials Studio软件在固体物理教学实践中的应用.学园，2013（33）：54.endprint