浅谈普通本科院校固体物理教学方法

李会东 吉驭嫔 王时建

摘要：该文浅谈固体物理教学过程中借助YouTube和网易公开课等优质视频、动画教育资源，改革以传统理论推导为主的教学模式，针对教学基础内容，组织生动、形象、简洁的视频教学，并结合固体物理学科发展的最前沿进展，采取讲座式、赏析式和开放式的教学模式替代传统的理论推导教学模式。该教学方法将会在一定程度上提高普通本科院校物理专业学生学习固体物理课程的兴趣，克服传统教学方法枯燥乏味的缺点。

关键词：固体物理;教学改革

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2020）21-0269-02

一、课程改革的探讨现状

本科生固体物理课程在普通本科院校已经压缩至40学时，众所周知，该学科具有公式繁多、内容综合性强等特点。现代教学过程中，固体物理课程需要包含晶体的结构、晶体的结合规律、晶格振动与晶体的热学性质、固体电子运动方程及其能带结构、金属电子论等诸多方面的教学内容[1]。传统教学过程中，固体物理课程偏重复杂的理论推导，教学内容抽象，学生对教学内容掌握难度较大。由于受学时限制，教师在教学过程中往往不能大量介绍固体物理前沿发展动态、固体物理领域的最新科技成果和固体物理理论的最新发展现状。鉴于自身物理专业素养或基于就业后很可能不会从事物理领域相关研究的心理，物理专业的学生有可能会对传统教学过程中的以理論推导为主的教学模式产生较大抵触情绪，这不利于学生对知识的掌握和自身物理思维创新能力的培养。[2-4]

二、课程改革思路

固体物理这门理论课程内容抽象、理论性强、内容跨度大，普通本科院校学生掌握的难度较大。应国家教育改革的要求，当前固体物理课程的教学课时被进一步压缩，这进一步增加了该门课程的教学难度。针对以上情况，本文提出了以下两点固体物理课程教学改革思路：

（一）明确学生的毕业需求，凝练固体物理课程的物理精髓，着重强化固体物理知识的应用背景

对于大多数普通本科物理系的学生而言，其毕业之后都不会从事非常高深的物理理论公式的推导研究，很多学生毕业后会从事一些与固体物理知识相关的具体应用方面的工作，这时教师可以根据大多数学生的就业领域，选取适当的与固体物理相关的教学内容，向学生充分展示固体物理与当今社会的生产、生活活动的具体关系。授课过程中，教师只需展示一些固体物理理论的结论性公式，并重点说明其应用，使学生能够在未来工作中受到该课程思想方法的指导和启迪。对于那些对固体物理基础理论比较感兴趣或准备考取固体物理相关方面研究生的学生，我们可以再单独开设一门固体物理的选修课程，专门详细讲解基本原理和公式的推导。对于这些未来不会深度从事物理科学研究的授课对象，授课教师的主要任务是让学生了解固体物理在日常生产、生活和实践中的应用，让学生掌握固体物理这门课程的思想精髓，使学生能够将固体物理研究的思想方法融会贯通，使他们在未来工作中能够受到该课程思想方法的指导和启迪，在具体的生产和生活中能够应用固体物理的研究思想方法指导自己的具体工作。比如，在学习固体物理课程的过程中，我们在处理晶格中粒子的运动过程中，可以基于处于晶格位置上的离子实的质量和自由运动的价电子的质量差别，将运动分解为离子实的慢运动和自由电子的快运动，进而可以分别得到晶格振动与晶体热力学性质，以及金属晶体良好的导电特性与价电子运动的关系。在研究特定过程中固体物质的性质与规律时，应抓住问题的主要矛盾，构建简明而直观的物理模型，将抽象物理模型和作用原理尽量形象地展现出来。这种深耕于固体物理研究中的思想方法可以深刻指导实际生产和生活中学生所从事的工作，使他们能够准确地把握问题的本质，抓住事物的关键，进而在很大程度上提高从业者的工作效率。

（二）引入科技前沿视频，将课程基础知识与当前固体材料在生产和生活中的应用相结合

当前互联网技术、编程技术、视频技术和动画技术的高速发展，为课堂教学提供了灵活多样的呈现方式。动画和视频的引入，不仅为教育者提供了创新的教学方法，还可以极大地激发学生的学习兴趣，比如学习晶体的比热、热膨胀和热导等热学性质，直接晶体的光学性质和超导特性。晶格动力学是固体物理学中最基础、最重要的部分。在固体物理课程中，学生对于晶格振动形成的格波和固体中比较抽象的电子能带理论难以掌握。对于晶体中的格波，我们可以借助现代晶体建模软件Material Studio，直观地向学生展示晶体的三维结构，并利用Youtube里的一些关于晶体振动的科技动画或视频，形象地向学生展示固体中原子实振动在晶体里传播的过程;对于固体中电子的能带理论，我们可以借助影响资料从原子的不同能级结构出发，利用视频向学生展示原子在晶格里的周期性排列，以及电子在周期性势场中的运动，这样逐步地从原子过渡到具有周期性结构的晶体，进而引出固体中的能带结构。

在固体物理课程授课过程中，教师可以事先把本章最基本的知识点简明扼要地呈现给学生，避免烦琐、抽象的数学公式推导，然后准备一份与当前所讲内容相关的科技前沿讲座，或者在课前布置作业要求学生利用网络资源收集与本章内容相关的视频资料，在课堂上一起分享。教师在讲授固体物理相关理论时，可以将当前固体物理领域的热点内容，比如超导科技进展相关的视频影像资料展现给学生。从这些视频资料里，学生很容易将本堂课所学的基础知识与其在当前生产和生活中的具体应用相结合。这样既能激发学生的学习兴趣，又可以提高教师的教学效率。在讲述金属中电子运动理论的过程中，我们可以将目前科技前沿比较活跃的量子霍尔效应的相关视频在课堂上呈现给学生，使学生在学习金属中电子运动规律的过程中，还能够快速了解本堂课所学知识在当前科技前沿的发展状况和具体的现实应用，这就避免了学习固体物理理论知识的乏味性。

视频和讲座形式授课看似简单，但需要教师提前阅读大量最新的科技文献，收集和分析大量的科技影响资料，并能够清楚地梳理文献和视频中心主旨，准确把握影响资料的叙述脉络，在视频播放的整个过程中，能够准确、细致地向学生阐明视频资料的主要内容，引导学生在当前一些科技前沿问题上思考，进而提高学生的学习兴趣和学习自信心。在每轮授课过程中，教师可以在充分掌握了固体物理基础知识之后，对当前的教学讲义不断进行修正，对课程的教学方式和教学内容不断调整，以逐渐形成一套与时俱进、文字和影像相结合的固体物理讲义。这样不断积累就会形成一个固体物理教学内容体系，而授课内容又不局限于当前所使用的教材，所以教师在教学活动中要始终保持不断地创新，避免教学内容的枯燥、乏味。

三、结语

当前科技日新月异，因此课堂教學内容已不能局限于教材。在现代教学体系中，视频、影像资料的应用可以提高学生的学习兴趣，克服纯理科教学的枯燥乏味、效率低下等缺点，并能够极大地提高教师的教学效率。Youtube、网易公开课、百度视频等包含大量的教学视频资源，教师可以充分利用这些资源，丰富课堂教学方式和教学内容。教师还应将教材与当前热门的固体物理科技文献和科技专题影像相结合，不断进行调整和融合，以形成一套文、图、声和影有机结合的现代化教学讲义。

参考文献：

[1]黄昆.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1988.

[2]贺庆丽，杨涛，董庆彦.物理基地班固体物理课程的教学改革实践[J].高等理科教育，2003，（2）：88-90.

[3]梅显秀.固体物理教学改革的探索与实践[J].大学物理，2010，29（7）：43-45.

[4]郝淑娟，徐权，董云峰，刘永皓，冯瑞姝.固体物理教学改革的探索与实践[J].教育教学论坛，2015，（17）：129-130.

Abstract： This article briefly discusses the teaching process of Solid Physics with the help of high-quality video and animation education resources such as YouTube and NetEase open classes， reforming the teaching model based on traditional theoretical derivation， and organizing vivid， and concise video teaching for the basic content of teaching. Based on the most advanced development of Solid Physics， the teaching model of lecture， appreciation and open teaching model is adopted instead of traditional teaching model. This teaching method， to a certain extent， will improve the interest of physics majors in common undergraduate colleges in studying Solid Physics course， and overcome the shortcomings of traditional teaching methods.

Key words： Solid Physics; teaching reform