化学背景专业的固体物理教学

江瑞斌

摘要：本文对固体物理学的专业基础知识构成、课程结构和化学背景专业学生的知识结构进行了详细分析，提出了针对化学背景专业学生的固体物理教学方法，有利于提高化学背景专业学生的固体物理教学质量。

关键词：化学专业；固体物理；基础知识；学科交叉

固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态及其相互关系的学科。它是微电子技术、光电子学技术和材料科学等技术学科的基础。固体物理学以热力学统计力学和量子力学为基础，以前固体物理学为物理学相关专业的必修课，学生都具备相关专业的基础知识，整个教学过程难度不大。然而，随着学科的发展，学科之间的交叉越来越普遍，部分化学背景专业的学生在进一步的深造和科学研究中也需要固体物理知识，但是这部分学生不具备热力学统计力学和量子力学等专业基础知识。如何教好化学背景专业学生的固体物理就成为一个值得探讨的话题。

一、固体物理学的基础知识和课程结构

固体物理课程一般会包含晶体结构、固体结合、晶格振动与晶体的热学性质、能带理论和金属电子论等部分内容。部分教材还会包含半导体电子论、固体的磁性超导等内容。在这些内容中，晶格振动与晶体的热学性质都是以热力学统计力学为基础，能带理论和金属电子论是以量子力学为基础。因此要学好固体物理必须具有很好的热力学统计力学和量子力学基础知识作为支撑，这些知识物理学背景专业的学生都具备，但是化学背景专业的学生不具备。另外，固体物理要求学生具有很好的数学推导能力。然而，化学背景专业学生的数学推导能力较弱，这些专业基础知识的欠缺大大增加了对这部分学生的固体物理教授难度。

二、化学背景专业的固体物理教学

随着学科的发展，学科之间的交叉越来越普遍，许多化学背景专业的学生在将来的工作和深造过程中均会需要固体物理知识。例如，化学背景专业的学生从事半导体光催化研究，就需要学生具有半导体的价带、导带和光吸收等能带理论知识，同时还需要学生具有半导体和电解液形成异质结的知识，这些知识均是固体物理学的知识。另外，化学背景专业的学生从事有机发光器件和有机太阳能电池研究，这些研究同样要求学生具有能带理论、异质结以及载流子在半导体中的激发和传输等方面的知识。因此，随着交叉学科的发展，在化学专业开设固体物理课程也变得越来越必要。

化学专业学生的专业基础课基本上由无机化学、有机化学、物理化学和分析化学四大化学课程构成，数学和物理一般只开设高等数学和普通物理。因此，化学背景专业学生的数学和物理知识比较薄弱。而且，普通物理中很少涉及热力学统计力学和量子力学的知识，这就给化学背景专业学生的固体物理教学提出了挑战——又需要学，但是又没有基础知识。

要教好化学背景专业学生的固体物理，首先，学时上要有充分保证。大部分物理背景专业的固体物理学时在48个或者54个，有些学校更多，但是化学背景专业的固体物理学时不能少于64个。一方面是因为化学背景专业的学生的数学基础薄弱，而固体物理里边有大量的公式推导。化学背景专业的学生心理上对公式推导有排斥，因此接受固体物理知识的速度自然较慢。另一方是因为除了传统固体物理教学中所需要教授的知识，在对化学背景专业的学生进行固体物理教学时还需要在真正固体物理知识教授开始之前，教授热力学统计力学和量子力学的知识，这些知识的教授也需要一定的学时。

其次，要教好化學背景专业学生的固体物理知识，需要对固体物理教学的内容进行调整。目前国内外的固体物理教材都是针对具有较强物理背景的学生编写的，没有一本可以直接用来作为化学背景专业学生的固体物理教材。化学背景专业的固体物理教学除了需要讲解热力学统计力学和量子力学等基础知识外，还需要讲解聚合物中的能带理论。而传统固体物理中的生子理论等内容则可以缩减。

最后，要教好化学背景专业学生的固体物理，需要在教学方法上有一定的创新。传统固体物理的教学大部分以理论推导为主，这是因为很多物理专业的学生将来会从事理论物理研究，要求学生具有较强的理论推导能力。然而，化学专业的学生学习固体物理主要是为了将来的应用，因此在教学过程中应该适当减少理论推导，强化每个原理的物理意义及其在实际应用中的意义。

综上所述，随着学科的发展，学科之间的交叉越来越普遍。学科的交叉迫使化学背景专业的学生需要学习固体物理。针对化学背景专业学生的知识结构，只有通过加大教学课时和对现有固体物理教学的教学内容和方法进行改革和创新，才能够教好化学背景专业学生的固体物理，为化学背景专业学生将来的深造和就业打好基础，提高学生的培养质量。

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