材料学科专业的固体物理模块化教学改革探索

王玉玲，徐 权，郝淑娟

(大庆师范学院 机电工程学院，黑龙江 大庆 163712)

材料学科专业的固体物理模块化教学改革探索

王玉玲，徐 权，郝淑娟

(大庆师范学院 机电工程学院，黑龙江 大庆 163712)

基于固体物理本身的课程特点，结合材料学科人才培养目标，对固体物理课程的教学内容、教学模式和教学方法等进行了深入的研究和探索，提出将固体物理课程内容以学生能力培养目标为基准进行模块划分，每一模块都渗透理论、实验、创新项目和企业实践等内容，将理论知识学习和实践技能培养交替实施，环环相扣，使学生的理论知识与实践技能高度融合，最终达到基础理论知识和实践创造能力的双螺旋上升。

固体物理；模块化教学；应用能力

0 引言

固体物理是研究物质的结构及其组成粒子(原子、离子、电子等)之间相互作用与运动规律、进而以物质的微观特性阐明其宏观性能与用途的学科。固体物理是材料学科的基础，在现代科技中发挥着重要作用[1]。早期这门课程只在物理学专业中开设，随着科技的飞速发展，学科间的交集增加导致学科融合日益显著，科学发展开始向综合性迈进。作为基础学科的固体物理，在不同学科中的基础应用越来越多。

材料学是研究材料组成、结构、工艺、性质和使用性能之间相互关系的学科，为材料设计、制造、工艺优化和合理使用提供科学依据[2]。与固体物理的物性分析的本质相比，在材料学中，材料的工艺性与使用性才是关注研究的重点。因此，材料学的理论基础不仅涉及固体物理，还包含材料化学、电子工程等。固体物理作为材料类专业必修的专业基础课程，实际起着基础理论知识与实际应用技术纽带的作用，也是进一步学习、理解和设计其它先进材料的理论基础。本文结合固体物理课程的自身特点和材料学专业的方向定位，并结合当前培养高素质材料科学应用型人才的目标，对固体物理课程的教学进行模块化调整和教学方案优化。

1 教学内容的改革

1.1 教学改革的原则和目标

固体物理学是一门重要的、具有广泛应用的基础理论学科。为人们按需要性能设计材料提供科学依据，是当前新材料、新器件的“生长点”，因此材料学专业中的固体物理课程，不仅能使学生通过物质微观性能和运动规律分析其宏观性能和用途，更重要的是有益于学生知识结构的完善和拓展，扩大学生的科学视角，为其今后从事材料学相关专业奠定坚实的理论基础。在材料类专业固体物理教学改革中，既要传授基础理论知识，又要培养学生的动手实践能力。固体物理课程改革的核心是教学内容的改革，其原则是“强化基础，联系现实，培养能力，激励创新”。 据此，将固体物理课程按课程内容和学生能力培养目标为基准进行模块划分，每一模块都渗透理论、实验、企业实践和创新项目的内容，理论知识学习和实践技能培养交替实施，环环相扣，最终达到理论教学与实践教学深度融合。

1.2 根据专业学科定位调整和优化教学方案

依据我院材料科学与工程专业的学科定位，在本门课程教学过程中，要将材料类学生的固体物理教学与物理类学生区分开来，因材施教。针对材料类学生的特点，教学过程中，不仅基本概念要清晰, 而且概念的内涵和外延也要让学生掌握。遇到物理背景较深的部分，教学中切忌追求复杂的数学推导，此时应当重在对学生物理思想的渗透，要深入浅出，把握重点。对于某一个具体理论，要重点阐述理论的建立过程与物理模型，而且做到物理模型尽量简单，旨在让学生掌握用固体物理学分析和解决问题的方法。固体物理是一门与实践紧密相关的课程, 在固体物理教学中, 应按知识模块适当安排实验, 以激励学生带有主动性、自觉性和创造性的去学习, 使学生深入了解所学知识的用处和价值。

1.3 调整和编写教学大纲

采取课程团队式教学模式，结合材料科学与工程专业人才培养目标，依据教学内容，采取模块化授课的教学形式。依据“理论课首先让学生了解所学知识用途，实验课让学生初步懂得所学知识实际怎么用，实践课让学生进一步能够自己动手用，创新项目课让学生最终自己会灵活运用”的应用型人才培养的目标[3]。同时，要多参考固体物理教学专家和企业专家的建议，并且结合材料类固体物理国家级、省级精品教学资源和专业教学研究论文等方面进行深入调研，遵循“集中编排，避免重复，相互协调，递进提升”的方式，多角度地对课程教学内容进行优化整合，明确课程内容间的主次和关联，科学设计课程教学内容[4]。

1.4 教学内容的模块化调整

固体物理课程主要包括两部分的内容, 一部分为晶体结构、晶体结合、晶格振动、金属自由电子理论、固体的能带理论等固体物理学的基础知识部分；另一部分为半导体、超导体、非晶态固体、固体的磁性等专业知识部分，内容较多[5]。但材料学专业固体物理课程学时安排的都较少，丰富的教学内容与缩减的学时之间存在尖锐的矛盾。针对这一问题，采取的措施是，依据专业定位和人才培养方案，适当减少传统固体物理内容与材料学关联不大的内容，在教学过程中要做到有的放矢，而不是面面俱到，抓住课程的主线，主要讲授核心内容，删去枝节，给学生展现一个清晰的固体物理课程的图像即可[6-7]。基于这一原则，我们选取包括晶体结构在内的基础部分的七个章节作为大纲教学内容，对专业部分的与材料类专业联系紧密的半导体部分，因为后续专业课部分中会开设半导体物理课程，本课程采取制作关于半导体基础理论的网络教学资源，以学生选修课的形式做好本课程与后续课程的知识衔接。对优化调整后的教学内容采取模块化的教学方式，每个模块包括，理论教学、实验教学和前沿、热点问题专题讲座，理论和实验课时计入固体物理总学时，而专题讲座以网络视频的形式呈现给学生，具体的模块划分如表1。

表1 固体物理教学模块划分和考核

虽然采用模块化教学，但教学的过程中，要时刻注意各模块内容之间的联系、各章节内容的连贯性和各知识点之间的网络交叉，切忌将各模块内容隔离开来。总之在整个教学过程中要始终贯穿一条主线，即固体物理是从微观角度揭示物质宏观物理现象的学科。

2 突出应用能力培养

在固体物理教学中，根据模块划分，将实验教学内容穿插于课堂讲授过程之中。增加实验教学的目的是，通过实验与理论相结合，探索更加合理优化的教学方式、方法；同时因材施教，锻炼学生自身的动手能力、同时让学生领会实验的设计思想。

在理论、实验教学的同时，基于教师科研实际, 应依据教学内容，适时把材料研究的前沿和热点问题引入课堂，以此巩固所学知识和提高学生学习兴趣[8]。如在材料晶体结构和结合模块，开设碳纳米管和石墨烯的最新研究进展专题讲座，介绍碳的同素异形体在材料研究前沿的进展情况，使学生进一步明确材料的微观结构决定材料的宏观性能和用途。波色-爱因斯坦凝聚中物质波局域模行为特性的研究专题讲座，让学生进一步明确晶格振动的能量量子化问题。光子晶体和声子晶体的研究现状及进展专题讲座开展，目的是进一步突出能带理论在进行材料的能带工程设计中的理论基础作用。掺杂对稀土发光材料性能影响的专题讲座，进一步强调缺陷在材料晶体设计中的作用。

系列前沿专题讲座的题目选取也结合教师的科研实际，不但让学生感觉到了科学发展的脉搏和动力，并且，依据学生自身的兴趣，学生以创新课题的形式参与到教师的科研中，通过创新课题的科研实践，增强学生的科学素质、培养学生的科学思维能力和创新意识。总之，通过课程内容模块化划分，以创新项目为牵引，真正做到“理论课让学生知道干什么用，实验课让学生懂得怎么用，创新项目课让学生综合灵活运用”的应用型人才培养目标要求，潜移默化的让学生掌握科学思维方法，真正实现教学过程“教学做”的融合贯通。

3 网络教学资源的建设

在固体物理的教学过程中, 要时刻谨记，课程教学不是单一的教师对学生的知识灌输，而是教师和学生双方互动的过程，要引导学生成为主动学习的主体。在这门理论性极强的课程授课中，如果师生互动较少，极易使学生感到枯燥乏味[9]。为了更好的做到教学过程中的师生互动，逐步达到整体教学的教师为主导，学生为主体的目标，要建好固体物理这门课程的网络资源。网络教学平台要集合网络学习、网络布置作业、网络讨论和答疑等功能，力争为学生提供更全面的预习和复习资料。同时，通过网络教学平台中的视频和学习资料，对于相对简单的知识环节，可以以MOOC的形式开展，让学生更好的发挥学习的主观能动性，培养其分析分体和解决问题的能力。

4 结 语

总之，材料学科中固体物理的教学，要结合人才培养目标，从理论、实验、专题讲座、创新课题和网络资源建设等方面多角度地对课程内容进行优化。明确课程内容间的主从关系、层次关系以及内在联系，科学合理的设计课程教学内容和教学方式、方法。通过不断的教学探索和改革，真正达到提高学生灵活知识应用能力和科学研究素养的目的。

[1] 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(1)：134-135．

[2] 苏兴华．材料学科专业的固体物理课程教学改革探析[J]．科技创新导报，2012(21)：107-188．

[3] 徐权．地方应用型本科院校产学研合作教育模式探究[J]．大庆师范学院学报，2014，34(6)：102-106．

[4] 惠群，程南璞，陈志谦．材料学专业固体物理课程教学改革与实践[J]．西南师范大学学报，2011，36(6)：167-171．

[5] 阎守胜．固体物理基础[M]．北京：北京大学出版社，2003．

[6] 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(2)：121-122．

[7] 钟佑洁，杨尊先．基于现代信息技术的固体物理教学改革研究[J]．技术物理教学，2013，21(3)：1-4．

[8] 吴明在，戴鹏，于欣欣，等．研究性学习在固体物理教学中的探索与实践[J]．科技创新导报，2013(5)：194．

[9] 王少昊，施隆照，魏榕山．卓越工程计划下的固体物理教学改革[J]．物理通报，2015(4)：13-17．

[责任编辑：崔海瑛]

王玉玲(1979-)，女，黑龙江肇东人，讲师，博士，从事高等教育教学方面研究。

黑龙江省高等教育教学改革项目(GJE201301102)。

G642.3

A

2095-0063(2016)06-0135-03

2016-07-10

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095-0063.2016.06.029