多软件协同辅助固体物理学教学改革与实践

李泓霖

摘 要：现如今，材料科学的飞速发展对固体物理课程教学提出了新的要求，其教学模式及手段必须适宜学科体系快速变革和培养目标日益变化的新要求。在创新型人才培养目标的指导下，我们应以能力提升和素质养成为主旨，构建清晰的教学目标。在教授固体物理主要知识点外，在教学过程中还应注入当下科技发展的新观点，着重强调本学科特有的科学思维方法。基于此首先介绍了固体物理学科教学的现状及内容，随后分析了教学模式和教学方法并提出了教学改革理念，结合Materials Studio、Vasp、CrystalMaker实例展示了新教学模式下提高固体物理课程教学质量的新思路。实践表明，这对激发学生兴趣，培养开拓精神，提高疑难知识点自学能力等方面效果显著。

关键词：固体物理；创新教学；实践；软件

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）07-0122-03

Abstract： Nowadays， the rapid development of materials science has put forward new requirements for solid physics teaching. Its teaching modes and means must be suitable for the rapid change of disciplinary system and the training of new requirements of ever-changing goals. Under the guidance of the goal of cultivating talents， we should aim at improving our ability and cultivating students' qualities， and establish a clear teaching goal. In addition to teaching the main knowledge of solid state physics， we should also inject new ideas on the current development of science and technology into the teaching process， emphasizing the scientific thinking unique to this discipline. This paper first introduces the present situation and content of the teaching of solid state physics， and then analyzes the teaching mode and teaching methods and puts forward the idea of teaching reform. With the examples of Materials Studio， Vasp and CrystalMaker， it shows the new teaching mode of solid physics to improve teaching quality Ideas. Practice shows that this has a significant effect on stimulating students' interest， cultivating pioneering spirit and improving self-learning ability of difficult knowledge points.

Keywords： solid physics； innovative teaching；practice；software

隨着近些年纳米材料技术在世界范围内蓬勃发展，新材料、新体系、新结构日益涌现，这些都对固体物理课程教学提出了改革创新的新要求，在满足自身发展和学生培养的前提下谋求新突破。固体物理学是材料物理学等应用型学科门类的基础，它是以固体物质的微观结构、本征属性、各粒子运动形态及其关联为研究主体的。已有半个多世纪的发展历程，同时也是一门前沿学科，是当今应用物理最重要的学科之一，据统计已有超过十次的诺贝尔物理学奖，授予了固体物理学方面做出的突破[1]。在固体物理学基础上进一步延拓发展出了磁性物理、金属物理、半导体物理、超导物理等多个分支，奠定了当代物理发展的基石。因此，不论是从物理学科本身理论价值出发，还是从应用物理技术分支考虑，固体物理学课程都时刻凸显着该课程重要的地位[2]。

培养人才是高校发展最根本的任务目标和必由之路，其中课程教学是人才培养最关键的环节，而课堂效果直接影响着整体教学质量。高校教师应积极认真地实践课程教学改革，努力提高教学质量。学院开设固体物理专业课程以来，曾多次对兄弟院校进行了调研学习。总结出固体物理教学过程中普遍存在的不足：课程以晶体结构为主线，对学科前沿知识穿插不足，如石墨烯（Graphene）、硅烯（Silicene）、六方氮化硼（h-BN）、过渡金属二维硫化物（TMDs）等时下研究热点材料体系，内容滞后于当下科研发展；教学方式单一，课堂上主要是对知识点及内容本身的讲述，忽视了对学生物理抽象思维的锻炼。学生掌握到的是刻板的书本知识，因而不能够建立丰富扎实的知识框架体系。固体物理学是联系理论科研与前沿应用之间最重要的纽带之一，因而课堂内对知识传授的具体形式直接关系到教学效果，影响着学生实践创新能力的养成[3，4]。传统教学中对板书、多媒体的利用方式或多或少地忽视了这一环节。因而，在固体物理教学中，以何种形式把疑难知识传授与思维能力提升相结合，改善轻理论的传统模式，进行启发式、探索式、主动式、创新式知识应用，紧密联系实际应用并着重进行思维训练和创新素质的综合培养无疑成为了我们关心的重点。

一、《固体物理学》课程教学现状

固体物理学体系丰富，各知识点相对独立又相互联系紧密。囊括了普物、热统、四大力学和晶体结构等多门类知识，全面深入地反映了当前应用物理主要的研究领域。它是电子技术、新能源技术、催化化学、电池技术等前沿学科的基础，紧密联系着基础理论和应用学科。固体物理学研究思路和手段前沿多变，与之对应的传统固体物理教学模式略显滞后，难以满足科技的发展和培养目标的要求。这种学科特点为培养和提高学生的综合素质提供了很好的切入点，而同时也增加了教学的难度。在要求学生掌握基本学习方法上，学生对上述基本知识点理解不到位，导致对相关理论推导无所适从，使得部分学生产生畏难情绪，降低了固体物理课程教学的总体质量[5]。因此，针对固体物理学课程本身的特点，深入分析不足之处，我们从教学内容及方式等方面进行了全新的探索和尝试，力求找寻出能使学科发展并提高学生综合素质的方法。

我校的《固体物理学》在高年级开设，以课堂讲授为主要形式，内容体系以长程有序晶体为切入进行各个知识点的学习探讨，包括晶体结构、晶格动力学及电子能带等，教学方式还是以传统的多媒体如PPT、视频、动画为主，造成教师和学生都深感不易的局面，因此，这些都或多或少地使得学生学习兴致不高，课堂效率低下[6，7]。因此，《固体物理学》课程教学形式改革与实践势在必行。

二、专业软件协同教学改革

（一）传统多媒体技术弊端分析

近些年来，多媒体技术（PPT、视频、音频、动画等）的应用固然给高校教学带来了极大的方便。不论是文史哲类专业，还是对理工科而言，在教学过程中，都可利用图片、动画、影像资料等把抽象平面的概念形象化、直观化、生动化，以此高效丰富多样地呈现给学生，加深理解。然而，对于固体物理学而言，传统的多媒体技术则体现出了相当的局限性。这表现在，固体物理学最突出特点是模型构建的过程、逻辑推倒的前后因果关系。对每一幅图片而言，其可容纳的有效信息十分有限，在实际操作中，难免频繁前后切换，每一次切换都是对教学过程逻辑的打断，因此难以形成成体系、成系统、成衔接的知识点概念。此外，在应用多媒体进行推导演示过程中，对相关知识点和概念的传递是单向的、无回馈的，这十分不利于抽象逻辑思维能力的培养。因此，多媒体技术在固体物理学的教学过程中，应适当与专业晶体学软件结合，以实现优势互补。接下来我们将着重说明专业软件的用处。

（二）X射线衍射计算-Materials Studio

晶体结构是固体物理课程中最重要概念之一，通过X射线衍射（X-ray diffraction）实验，可以对相关晶体结构进行精确标定。一般对晶体结构的介绍，只是简单地基于XRD的原理，这类知识专业性强，学生对其应用知之甚少。而实际一台X射线衍射仪的购置费用需上百万元人民币，其操作使用也是必须要进行专门的培训才能接触到该设备。这些因素都使得学生很难理解XRD的本质内涵。在此，我们利用专业软件Materials Studio的XRD计算功能，可以非常直观简捷地得到相关晶体的XRD数据。如图1所示，我们对常见的半导体材料ZnO进行了XRD计算，这非常直观明了地给出了XRD数据。需要指出的是，这种方法和传统多媒体相较而言，其对数据的加工处理是实时的，也就是说，一旦我们对ZnO晶体作出细微的改变，其XRD数据也会有相应的变化。这种实时处理模式不仅加深了学生对晶体结构的认识，也更易使学生领悟到先进分析方法对材料研究的紧要性，使原本抽象的概念理论变得简单易得，直接从屏幕上就可以学习到XRD图谱和晶体结构之间的紧密联系，进而使学生有一种参与感，能够对固体物理学习产生浓厚的兴趣。

（三）材料能带计算-Vasp

图2 MoS2及其能带结构

晶体结构的能带是固体物理重要的知识点之一，对其准确合理的分析也是必须掌握的技能。可计算能带的软件有很多，虽然这些软件和相应的方法对学生知识结构及理解掌握有较高要求，但只要循序渐进、由表及里地学习体会，必定会使学生对该重要概念的理解更加深刻。结合专业软件Vasp（The Vienna Ab initio simulation package）中能带计算部分便可完成此任务。Vasp运用原子数目和种类来计算预测材料的晶格参数、能带结构、态密度、电荷分布、光电性质等。例如，如图2所示，其为MoS2及其相应的能带结构，是一种重要的窄带隙半导体，有十分丰富的机械及物化性质，近年来人们对其已做了大量的研究工作。在这一部分，学生不必掌握该软件的使用方法，但需要給他们讲述每一步参数的设置，优化方法的选定。计算得出的相关能带结构数据要求学生自己查阅书籍资料进行解释，说明为什么会计算出这种结果，从而在最大程度上激起学生的好奇心，调动他们的积极性，使学生主动地去学习掌握知识，进一步加深对能带的理解。通过这种方式，我们将会使课堂变被动为主动，大大提升授课质量，提高学习效率，达成教学目标。

（四）倒易空间展示-CrystalMaker

图3 石墨烯及其晶体衍射

衍射图样是固体物理课程中十分抽象的一个知识点。为了讲清楚衍射图样这个概念，使学生有更为清晰的物理景象，单纯地依赖PPT等单向信息传递式的多媒体技术，是无法简洁明快地传递出教师所需要表达的含义。过去对相关公式概念的推导，难以将实际晶体结构与衍射图样之间建立起直接的物理联系。因而，此时十分有必要在这一部分采用更为形象直观的教学方法。我们利用CrystalMaker软件的Diffraction插件则可以直接给出晶体结构的衍射图样。如图3所示为石墨烯及其衍射图样，通过对这类衍射图样的分析阐述，可最大程度上帮助学生理解掌握晶体衍射的机理和内涵。更重要的一点是，使用CrystalMaker主窗口的旋转功能旋转晶体时，能够使衍射图样进行同步旋转，反之也成立。这种教学方式非常生动有效地给出晶体结构与衍射图样之间的关系，更为重要的是，这种教学方式是双向互动的，打通了对知识的实时输出、传递、接受以及理解这一系列流程。与传统单向传递式的多媒体比较，教师不用频繁地翻页、回顾、穿插打断课堂进程，便可按照教师的意愿来对一个知识点全方位地讲述和剖析。

三、结束语

固体物理是一门紧贴前沿科学、紧跟时代发展的课程，这对教师在教学过程中采用何种教授方式提出了新的要求，只有合理交叉利用各种多媒体和软件，才能易于被学生接受，收到事半功倍的效果。针对固体物理教学的内容特点等方面进行有目的的改进和提高是很有必要的，应注重教学的双向性、实时性、互动性，与学生进行积极的交流，教学形式不拘一格，不仅仅是依靠传统的多媒体，也要积极将相关专业软件的应用纳入到课堂之中。这些目的都归结为培养高素质创新型人才。此外，如何进一步科学合理地探索固体物理教学的新模式，仍需广大教育工作者结合自己的实际经验，不断进行开拓性的研究和探索，以此才能取得固体物理教学的丰硕成果。

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，1988.

[2]王矜奉.固体物理教程[M].济南：山东大学出版社，2014.

[3]钟佑洁，杨尊先.电子学科的固体物理教学改革初探[J].物理通报，2013（8）.

[4]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）.

[5]孟影，邵继红，华扬.固体物理教学改革的探索[J].合肥师范学院学报，2010（28）.

[6]马志军，章天金，张柏顺.面心立方晶格第一布里渊区的三维动画模拟[J].湖北大学学报：自然科学版，2006，28（4）：382-384.

[7]章天金，马志军，江娟.密排晶格结构的计算机辅助教学[J].长春师范学院学报：自然科学版，2006，25（6）：33-34.