关于新能源专业《固体物理》课程的教学研究

武传宝

(攀枝花学院 钒钛学院，四川 攀枝花)

一 研究背景

固体物理学是研究物质物理性能的基础，是物理学领域重要学科之一[1]。在高等教育中，固体物理课程是新能源材料与器件、新能源科学与工程、材料物理与化学等本科专业的一门基础理论课程。固体物理主要研究固体材料的物理性质、微观结构以及固体内部各种粒子的运动形态及其相互作用关系的科学。它的内容丰富、应用广泛，涉及到晶体结构学、统计物理学、热力学以及量子力学等课程内容[2]。学生在学习《固体物理》课程时需要先完成《高等数学》、《量子力学》和《统计物理》等课程的学习。与物理专业相比，新能源专业学生的培养目标不同，学生在学习《固体物理》之前并未先修《量子力学》和《统计物理》等课程，导致知识脱节，学习过程经常遇到量子物理学专业术语以及复杂的理论推导过程，造成学生学习难度增大，甚至产生厌学畏学情绪，同时教师的教学难度也大增[3,4]。

鉴于《固体物理》课程在新能源专业学生中出现的学生畏学、教师教学难这一普遍问题，本文从教学内容、教学方式以及课程思政三个方面阐述教学改革措施，对提高新能源专业甚至其他相关工科专业《固体物理》的教学质量提供一定的参考。

二 教学改革

（一） 教学内容改革

《固体物理》课程的经典教材当属世界著名物理学家黄昆编著、由高等教育出版社出版的《固体物理学》教材。随着固体物理学的发展，韩汝琦教授在黄昆原著基础上进行了改编，增加了超导物理、非晶态物理、表面物理、固体中的元激发和低维系统物理等固体物理新兴领域的基本概念[5]。黄昆原著、韩汝琦改编的《固体物理学》教材荣获国家教委优秀教材特等奖和国家级科学技术进步二等奖，已成为许多高校所采用的本科生或研究生教学用书。该书共有十三章内容，为：第一章 晶体结构、第二章 固体的结合、第三章 晶格振动与晶体的热学性质、第四章 能带理论、第五章 晶体中电子在电场和磁场中的运动、第六章 金属电子论、第七章 半导体电子论、第八章 固体的磁性、第九章 固体中的光吸收、第十章 超导电的基本现象和基本规律、第十一章 固体中的元激发、第十二章 晶体中的缺陷和扩散、第十三章 相图，内容十分丰富。但是，由于学时的限制和对学习培养目标的要求不同，各高校在教学内容上做了不同程度的删减。以攀枝花学院为例，对新能源材料与器件专业大二学生开设固体物理课程，48个学时，教学内容涵盖了书中前七章内容，而后面第八～第十三章内容不在教学范围内。攀枝花学院的这种处理方式并非个例，而是一个普遍现象。然而，依照应用型大学的办学理念，应当多注重理论的应用，引导学生应用理论解决实际问题。因此，教学内容应当适当改革，以下为作者针对韩汝琦改编的《固体物理学》的教学内容提出一些改革建议：

（1）讲授内容详略得当

第一章晶体结构、第二章固体的结合、第十二章晶体中的缺陷和扩散和第十三章相图在《材料科学基础》课程中都有涉及，因此这几章内容可进行略讲或不讲。重点讲授第三章晶格振动与晶体的热学性质和第四章能带理论。另外，由于新能源专业学生没有先修课程基础，在教学过程中要把《量子力学》和《统计物理》等相关知识融合到固体物理课堂教学中。书中第五到第七章内容可合并，用较少课时讲授。第八～十一章涉及到的固体磁性、光吸收、超导性及元激发内容，对于新能源专业学生理解新能源材料的制备和新能源器件的设计开发是重要的，因此这部分内容也应该纳入教学计划中。

（2）传达固体物理学思想

在讲授固体物理课程的过程中，要重思想轻推导，不追求繁琐的数学推导，更多的突出物理思想的传达。例如，我们在研究固体中电子的运动规律时，由于电子数量庞大、相互作用复杂，不能精确给出每个电子的运动方程。处理这个问题时，就要做近似假设，把每个电子的运动看成是独立的在一个由晶格组成的等效势场中的运动，这就是能带理论的基本思想。在课堂讲授过程中，对于某一个知识点或者物理模型，要重点讲述它的思维方法和建立过程。模型尽量简单，由浅入深，重点要让学生理解并学会用固体物理学的思维方法去思考和处理相关具体问题。

（3）理论联系实际

讲授过程中，注重理论的应用。并运用启发式教学方式，让学生思考某种材料为什么会出现某种特定的物理性质，我们如何利用该性质设计器件，使其产生某种功能特性。如在第一章讲授晶体结构时，可补充石墨烯材料的结构，让学生思考石墨烯这种结构可能会出现什么性质，如何利用这种性质。在讲授固体的磁性、光吸收和超导等性质时补充相关材料的应用或将来的应用前景。此外，还要介绍新能源及相关领域最新的学术成就与进展，如光子晶体、声子晶体、超晶格、左手材料和负折射率材料等及其相应的应用前景。鼓励学生积极参与到相关老师的科研课题或实验中，多听相关学者或老师的学术报告，让学生了解专业前沿和学术动态[6]，培养学术对科学研究的兴趣，为部分学生将来可能继续深造或从事科学研究奠定基础。

（二） 教学方式创新

（1）计算机辅助教学

在ppt中插入动画、视频等资料辅助学生理解理论模型及相应器件的工作原理。教学过程中还可以利用仿真软件辅助教学，如利用Material Studio 模拟布里渊区、建立三维晶体结构，帮助学生更直观理解和认识实空间与倒空间的对应关系，理解X射线衍射原理，认识X 射线衍射图样与三维晶格中晶面的对应关系。利用VASP 更有利于掌握晶体热学性质、晶格振动以及电子能带结构等知识点[7]。利用Crystal Maker 有助于理解晶体衍射的原理，进一步认识衍射图样与晶体结构的对应关系。借助这些软件把理论与实践联系起来，使学生可以在课后自学固体物理相关知识。将计算机模拟仿真软件融入到固体物理的课堂教学中，可有效提高教学质量。

（2）改变课后作业形式

通常，布置课后作业的目的是进一步巩固课堂所学理论知识。但是，传统的课后作业形式均偏重于理论，较少会与实际应用联系，不利于学生科研能力和创新精神的培养。因此，《固体物理》课程的课后作业除了要布置一些必要的理论知识习题外，还应该增加一些小组讨论或调研报告式的题目，提高学生学以致用的能力和思维习惯。例如在晶格振动这部分，让学生在课后比较声子、电子以及光子之间的异同点，然后在课堂上发言讨论。通过让学生查阅资料、总结归纳和发言讨论，使学生深刻理解“声子”这一抽象概念及其物理本质。除此之外，还可在课后让学生撰写相关调研报告，如“综述石墨烯的研究进展”。通过撰写主题调研报告，既锻炼了学生查阅文献资料的能力、增强了课程学习兴趣，又使学生了解到学科研究前沿，还提升了学生自学能力、写作能力以及创新能力。

（3）线上线下混合教学

在当今的信息时代，高校的教学过程不能局限于教室中的线下教学模式，还要线上课程资源建设和线上课堂相结合。尤其是受今年新型冠状病毒感染的肺炎疫情影响，教育部提出了“停课不停学”政策，各类学校机构都进行了在线教学。各种线上教学平台纷纷登场，极大地促进了线上教学的发展[8]。

网络在线教育平台多种多样，如钉钉、学习通、雨课堂、清华在线、课程伴侣等等。从课程建设方面来看，各个教育平台大同小异，有些方面又有各自的侧重点和特色，总体来说都能够完成课程资源的建设。其中，学习通是目前较为流行的一种在线教育平台，可借助该平台实现课程学习、知识传播以及管理分享等功能。尤其是，学习通可利用超星中的海量图书、报刊、视频等资源方便地为学生提供课程学习相关资源。教学可在学习通上实现课程创建、资源管理、一键签到、课堂测试、讨论答疑、作业布置、阶段测试、在线答疑以及查看学生学习进度、管理学生信息等功能[9]。学生可在学习通上实现课前预习、课上签到、课中互动发言、提交课后作业以及查看平时成绩等功能。在学习通这个虚拟课堂中，学生不仅可以听到和看到教师授课内容，还能够与教师进行交流互动。甚至，学生和教师之间还可以通过摄像头彼此看到对方，使课堂体验更加真切。

在《固体物理》课程建设中，学习通除了提供了基本的章节内容之外，还有活动、统计、资料、通知、作业、考试、讨论、管理模块，配合手机app使用，既可以实现课程资源的建设又可以很好进行课堂互动。另外，学习通手机端适合于课堂互动，功能丰富，包括签到、投票、选人、抢答、主题讨论、随堂练习、拍摄、问卷、评分、分组任务、计时器、直播、群聊、通知、白板、同步课堂，还可以将一些课程资源上传到网络云盘，与电脑端同步显示等。

疫情过后，原来高校传统的单一线下教学模式必将发生很大变化。首先，学生返校后要将部分线上教学内容转移到线下，但线上课程资源和预习测试等部分不能间断，要实现线上线下混合教学模式。其次，要进一步探讨混合教学的实施方案。对于新能源专业《固体物理》的学习，要将基本概念、模型、原理等知识保留在线上，要求学生自学，课堂上只讲重点难点，并设计大量的互动环节，让学生深刻理解课堂重点难点，然后线上布置作业，更便于统计分析学生学习状况。最后，要做好线上课程资源的建设。在原有基础上，进一步丰富课程资源，对课堂的重难点适当增加相应的应用实例或者相应知识点的用途，培养学生理论联系实际的思维。

（三） 课程思政融入

2016年，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，高校思想政治工作关系高校培养什么人、如何培养人及为谁培养人这个根本问题。要坚持把立德树人作为高校的中心环节，把思想政治工作贯穿于教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面[10]。依据习近平总书记在全国高校思想政治工作会议的讲话精神，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，在《固体物理》授课过程中，需要融入思政教育内容，既要教书更要育人。

课程结合典型固体物理实例和相关人物传记，在阐明固体物理的基本原理和相关制备技术的基础上，通过课程背景和科学研究案例有机融入社会主义核心价值观、中国优秀传统文化教育，特别是中国特色社会主义的“四个自信”教育内容，将培养和提高学生专业思政、课程思政以及分析和解决固体物理相关问题的能力作为教学重点。通过课程的学习使学生掌握固体物理基本知识，同时了解该领域当前的一些前沿研究进展和应用，为后续新能源类相关专业课程及日后学生新能源相关工作奠定基础。在课程有机融入思政教育后，在知识传授的传统课程目标基础上，还以价值塑造、能力培养以及历史使命感和责任感为课程目标。

在《固体物理》授课过程中，可在绪论中讲授黄昆院士的个人事迹以及学术上的突出贡献，包括黄院士提出的著名的“黄方程”和“声子极化激元”概念，“黄-里斯理论”等，融入志向高远、勤奋刻苦的传统文化精神；讲授固体物理学的研究内容时注重传授固体物理的研究方法，根据Anderson的阐释“一个简化模型对于自然界实际状况的见解，远胜于个别情况的从头计算，这些计算即便是对的，也往往包含了过多的细节，以至于掩盖了而不是显示了现实，计算或测量的过于精细有时不一定是优点，反而可能是缺点，因为人们精确测量或计算出的结果往往是与机制无关的事情，总之，完美的计算可以重视自然，但不能解释它。”向学生传递全局思维，大局观念，要有集体意识和国家意识；讲授布里渊区时，融入爱国敬业、遵纪守法的品质；在讲授电子的运动时，引入李政道和杨振宁团结合作获得诺贝尔物理学奖的事迹，向学生传授团结互助的品质；讲授能带理论和超导材现象时，引入赵忠贤课题组独立发现超导材料钇钡铜氧事迹，传授民族自豪感和工匠精神。

三 结语

由于新能源等相关工科专业与理科专业学生培养目标的不同，要充分认识到新能源专业《固体物理》的教学现状和教学难点，有针对性地对教学过程试探性的改革，以提高学生的学习兴趣与综合素质。除此之外，还要结合学科前沿以及本校教师的相关科研工作，理论联系实际进行教学。然而，新能源专业《固体物理》的教学改革涉及到诸多方面，是一个系统工程，需要我们广大教育工作者继续做更多的研究与探索，同时还要不断提高自身的教育教学能力。现代教育虽以学生为中心，但教师在教学过程中的主导作用不能忽视。打铁还需自身硬，教师作为引路人，要造就创新人才，就需要加强我们教师队伍的建设，进一步提高育人能力。