适应材料物理和电子科学与技术专业需求的固体物理学课程教学改革和实践

李子炯　苏玉玲　王永强　龚高尚

摘 要 固体物理学是材料物理和电子科学与技术专业的重要课程，根据这两个专业的需求特点，在教学内容、教学方法和能力培养与提高等方面对固体物理学课程进行了改革和实践研究。

关键词 固体物理学 教学改革 教学方法

中图分类号：G424文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.01.031

Solid State Physics Teaching Reform and Practice Adapt to Materials

Physics and Electronic Science and Technology Needs

LI Zijiong， SU Yuling， WANG Yongqiang， GONG Gaoshang

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

Abstract Solid State Physics is physics and electronic material science and technology important professional courses， according to the needs of both professional features in the teaching content， teaching methods and capacity-building and improving other aspects of solid state physics curriculum reform and practice.

Key words solid state physics; teaching reform; teaching methods

0 引言

随着人才需求的不断变化和学科的发展，不同专业的课程体系和人才培养模式应与时俱进地作相应的调整和优化，不断完善和发展以适应专业特点和新形势下需求的培养目标。①②固体物理学课程主要研究固体（晶体）的微观结构特征、相互作用及其运动规律，并阐述其用途的学科。固体物理学课程是物理、材料、化学和电子等专业的基础课程。③但受传统教学内容、教学手段和有限课时等的影响，不少学生缺少对该课程在专业培养中的重要作用的认识，学习重视程度不够，缺乏学习积极性。因此，有必要根据不同专业方向特点，在教学内容、教学方法和考核体系等方面对固体物理学课程进行教学改革。

材料物理和电子科学技术是郑州轻工业学院物理与电子工程学院的两个专业，我们在这两个专业开设了固体物理学课程，分别制定了课程标准和课程教学目标。针对固体物理教学课程自身的特点，结合材料物理和电子科学与技术专业学生的培养模式和需要，根据多年对固体物理学在两个专业的教学实践，提出了关于固体物理课程教学根据专业不同需求的优化与调整方案，并在教学中进行了实践，取得了一定的效果。

1 根据专业特点，进行教学内容的调整和优化

固体物理学是一门综合性很强的课程，除了需要量子力学和统计物理、大学物理等方面的基础知识外，在传统的内容上也是增加了很多现代科技前沿的内容。由于不同专业学生的背景和培养目标的差异，在授课内容方面首先要进行一定的调整和优化。

材料物理专业是我校较早开设的传统专业，其目的是培养较系统地掌握材料科学的基本理论与方法，具备材料物理相关的基本技能和基本知识，能在材料科学与工程及与其相关的领域从事教学、研究、教学科技开发教学及相关管理工作的材料物理高级专门人才。由于学生的材料和物理背景较好，考虑到该专业与固体物理学联系较紧密的特点，需要对传统固体物理学课程教学内容进行强化和延伸。

如在讲解晶体结构一章时，在让学生深刻理解晶体结构平移性和对称性特点的基础上，我们适当增加了材料结构分析方面的内容，除了晶体结构详细讲解外，对非晶体、准晶等也要做一定的介绍，并结合科研工作中常见的晶体缺陷问题，对相关材料进行分析，增加了如何利用X射线衍射分析晶体结构，并安排学生动手制备一些新材料，学习应用扫描电子显微镜、投射电子显微镜、XRD等工具对所制备材料的微观结构进行表征分析，从而加深学生对所学知识的理解，提高解决实际问题的能力，获得了对固体物理课程学习的主动性和针对性。

在讲述晶体结合一章，增加了氢键结合形成不同晶体的特点及规律，将共价性结合和金属结合的特点和规律采用第一性原理进行计算，并将结果进行课堂视频展示;在讲述金属、半导体电子结构章节中，有意识地增加了态密度、掺杂、能带调控等概念，在此基础上，适当分析一下半导体材料的电子结构对其电学和光学性质的影响，有意识地加强材料物理专业学生的分析和解决问题的能力。结合当前材料科学研究的新材料如石墨烯、二硫化钼等纳米材料、金属氧化物量子点等，进行了结构和潜在应用的分析，对拓宽学生的知识结构、开阔视野和提高学习兴趣起到了积极作用。

在讲解能带理论一章时，注重问题提出和解决的思路方法，将复杂的材料问题运用合理的物理近似处理方法，使材料物理专业能够把所学的物理知识和材料有机结合起来，并能够运用所学知识解决实际问题，通过实践，收到较好效果。

针对电子科学与技术专业主要培养学生从事与光电子器件应用与光电工程技术等工作，需要实际与理论相结合，并且能够把理论知识能够运用在生产与工作当中的要求，在讲述固体物理传统内容时，抓住物理过程的主要方面，构造简化的模型，进行有效的数学处理。教学过程紧扣物理模型和思想，适当降低知识难度，而且还要适当减少传统固体物理内容与电子科学和技术专业关联不大的问题。将与电子科学技术专业密切相关的能带理论、晶体缺陷、半导体电子伦和金属电子论等章节作为重点讲授的内容，同时也尽量保持知识的连惯性和系统性。

科技发展日新月异，不断出现的新技术和新发现为固体物理学课程内容的延伸不断开拓出新的研究领域。在教学实践中，我们将传统的固体物理学教学内容与日新月异的物理前沿内容间的关联有机结合起来，例如，与能带理论有关的LED、与晶体结构有关的C60、太阳能光伏电池的研究进展和应用、以及固体激光器等与光电技术相关的前言知识穿插在教学当中，强化学生的基础知识学习，提高学生的学习兴趣、明确学生的专业方向，拓宽学生的视野。

2 根据专业特色调整和优化教学方法

针对材料物理和电子科学与技术专业的不同特点，除了进行固体物理教学内容的优化调整外，在教学方法也要进行改革，以适应这两个专业的培养目标需要。

首先改变传统教师课堂一言堂的教学方法，将课堂主体交给学生，增加师生互动环节。课堂上老师把要讲授的内容以提出问题的形式展出，鼓励学生解答这些问题，充分发挥了学生的积极主动性。对于学生普遍不好理解和难懂的问题，教师再进行细致讲解，这样做到重点突出，有的放矢，充分实现教师和学生的课题互动，极大地提高了学生的积极性。同时加强习题课环节，任课教师事先将要讲的习题给学生，并安排学生分组讨论。课堂上，学生积极主动上台讲解习题的不同解答方法，并可对不同解答提出质议，这样既增强了学生理解和解决问题的能力，又极大提高了课堂效率。对不同专业学生，除了教学内容的侧重点不同以外，在教学方式方法上也体现出差别。如对材料物理专业学生，教学时要注重课堂教学内容的逻辑关系，强化对概念和规律的理解、记忆，对于与专业相关的理论，要求学生能够理论推导。而对电子科学与技术专业学生，提出“联想式教学法”，例如，从大学物理中的光和机械波传播的干涉和衍射现象引入倒格矢的概念，把抽象难懂的倒格子与光的波动性联系起来，从而联想到对微观粒子波动性的空间描述;从大学物理中声波和电磁场的耦合激化现象引领学生学习声学波和光学波的异同点;从光伏太阳能电池的原理入手联想到能带理论等等，从而加深对固体物理图像及物理本质认识，而不是仅仅停留在对概念和规律的推导和理解上。

其次是将生动直观的物理演示模型引入课堂教学实践中，提高课堂效率。我们将固体物理学课程中的相关难懂知识点，做成一系列教学模型，通过课堂演示，加深对学生对固体物理知识的理解和掌握。如讲解不同晶体结构时，我们分别演示了Si、Cu和NaCl等的不同晶体结构的原子排列模型;讲解晶体的对称性时，我们分别演示立方体、圆柱体、锥体等的模型，引导学生分析不同模型的对称特点，同时采用3D MAX 动画制作软件，将不同晶体结构制作成三维图像及视频，既形象又生动，充分调动学生的学习积极性。对于固体物理的能带理论一章，推导复杂，学生理解有一定的困难，针对理论推导不作重点要求的电子科学与技术专业学生，我们重点通过讲解模型建立和合理简化处理问题的物理思想，通过引入不同能带结构的半导体材料在LED、太阳能电池的应用，讲解晶体能带的特点和调控方法，加深了学生对这部分的重视和理解。

最后是重视课后反馈，增强学生的知识运用能力的提高。对学有余力的学生，我们结合院系的科研条件，安排一部分学生到实验室，协助老师做些科研工作，结合课堂所学知识进行应用指导。我们将MS、CASTEP等计算软件对电子科学与技术专业学生进行了培训使用指导，使学生能够利用计算软件建立基本模型，并进行能带、光电性质的计算， 进一步加深了学生对该相关知识的理解和应用能力的提高。利用课下时间，我们还引导学生运用不同数据库查阅相关外文文献，教会学生如何快速阅读文献，找到自己想要知道的信息，促进学生了解前沿课题研究的概况，对培养学生的创新和解决问题的能力起到了积极作用。

3 根据专业特色调整和优化考核体系

针对固体物理学课程在材料物理和电子科学与技术专业教学内容和教学方式的不同，对这两个专业的学生制定出相应的考核体系。平时成绩的计算上，除了传统的考勤、作业分以外还设置课堂奖励分，主要是对于课堂上任课教师提出的问题和安排的课题能够认真、积极准备，完成或回答较好的，可给予一定的分数奖励，以鼓励学生积极参与课程学习，充分发挥学生的创造性和主动性。

对于电子科学与技术专业的学生，主要采用平时成绩与期末考查相结合的评价形式，平时成绩和期末考查各占50%。平时成绩主要包含学生的考勤、作业、课堂回答问题、课下参加课题研究的情况，各部分所占比例也进行了细分，这有助于客观公正地评价学生对固体物理学课程学习的积极性和主动性。期末考查一般采用小论文的形式，小论文的题目涉及到本课程相关的前沿内容和本课程基础知识的应用，引导学生主动探索分析学科前沿动态和应用领域，提高学生的综合分析问题和解决问题的能力，有利于学生充分发表自己的见解，展现自己的能力，发挥自己的水平。

总之，随着科技发展的日新月异，传统固体物理学课程的教学已经不能很好地适应材料物理和电子科学与技术专业等不同专业学生的需要，在教学内容、教学方法和考核体系针对不同专业进行优化和调整，对培养不同专业的创新型人才具有非常重要的作用。

注释

① 付殿玲，郭文跃，赵联明.“固体物理”课程教学内容和方法的改革与实践[J].中国电力教育，2014.21：72-73.

② 郭云东.固体物理教学改革的实践与思考[J].内江师范学院学报，2009.24（12）：93-95.

③ 黄昆，韩汝琦.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1997.