基于过程考核的新能源材料与器件专业固体物理学教学改革及实践

秦 伟

（长沙理工大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 410114）

0 引言

为适应我们新能源材料，新能源器件等国家战略新兴产业发展需求，满足日益增长的新能源开发与利用，从2010年开始，国家设置了新能源材料与器件专业，该专业也是教育部2010年首批增设的国家战略性新兴产业相关专业，是工学门类材料类中最年轻的专业之一[1]。长沙理工大学大学新能源材料与器件专业2018年开始首批学生招生，目前已经顺利通过教育部组织的专业验收。

固体物理学作为长沙理工大学新能源材料与器件专业的一门核心基础课程，主要研究固体的结构及组成粒子之间的相互作用与运动规律以及宏观性质之间的联系，基本内容涵盖晶体结构，晶体结合，晶格振动理论以及能带理论等，也是凝聚态物理、微电子、光电子、半导体以及材料学等诸多学科的基础。这些内容对学生数理基础有着较高的要求，同时涉及很多相关抽象概念，学生在之前并没有接触。并且相比物理学等专业学生，新能源材料与器件专业学生在固体物理学学习方面面临了许多新的特殊挑战。

1 新能源材料与器件专业学生《固体物理学》学习面临的特殊挑战

自2018年新能源材料与器件专业开始招生来，固体物理学已经对两个年级开设。基于学生课堂反馈，对学生成绩分析以及我们在教学中的观察，新能源材料与器件专业固体物理学教学主要存在以下几种特殊挑战。

首先，数理基础知识的缺失。目前在全国大部分高校中，固体物理学作为一门物理学专业的重要基础课程开设，一般开设之前先修高等数学、线性代数等数学课程以及量子力学、理论力学、电动力学、热力学与统计物理以及数学物理方法等物理课程。该课程需要综合运用高等数学、数理方法和四大力学的知识，来处理非常复杂的多体问题。与以前所学课程不同，由于研究对象的复杂性，固体物理学在处理各种问题时基本上都需要合理近似，引入模型和假设，讨论结果的可靠性和适用条件。由于涉及知识的综合利用，这在物理学专业而言都是一门难度极大课程。而对材料学相关专业，尤其长沙理工大学新能源材料与器件专业，并没有全部开设这类先修课程，前期仅仅开设高等数学、线性代数以及大学物理课程。这些知识远不足以支撑起固体物理课程学习需求，进而导致学生在学习这门课程时面临了很大困难。根据之前学生反馈，即便提前预习，由于前序知识的缺失，甚至面临教材看不懂困境。并且该课程仅仅只有48学时，如何在短时间内解决前序知识的缺失问题，是材料类固体物理学专业教学面临的一个重要困难。

其次，后续课程衔接不到位。在长沙理工大学新能源材料与器件的教学计划中，固体物理学结束后，会继续开设半导体物理，材料物理性能以及光电材料导论等课程。这些课程都需要部分固体物理知识作为基础。这些大部分都以固体物理学中的能带理论等作为前序知识，如果学生对能带理论掌握不扎实，会严重影响学生对半导体物理学相关知识的学习。因而，如何更好将固体物理学知识与前后续课程进行良好的衔接，在避免知识点重复的基础上，让学生更好地掌握相关理论，也是进行该课程教学的一个重要挑战。

最后，与专业知识及前沿进展结合不密切。固体物理学具有成熟的体系，基本理论构架早在20世纪50、60年代即以成熟。然而，新能源材料与器件相关领域的知识在最近十多年得到了快速发展，却并没有在教材中得以体现。例如，实验方面，石墨烯材料的发现引发了在储能材料与器件中的研究热潮，并在最近几年拓展至与石墨烯类似的新型二维材料体系，例如MXene等；钙钛矿材料体系的研究，在太阳能电池以及量子点领域不断取得突破进展。理论方面，在能带理论之后，发展了第一性原理计算方法等，特别最近二十多年来，随着计算机计算能力的增强，已经成了材料研究领域中独立于理论研究和实验研究的一种重要研究方法；纳米材料具有许多完全不同与常规体相材料的性质，例如尺寸效应等，这些都可以借助固体物理中的相关知识进行解释。如何将这些最新的研究进展与课程中相关知识进行合理结合，引发学生对前沿知识的兴趣，增强自主学习知识能力，也是十分重要的挑战。

2 国内教学改革研究现状

目前国内高校中很多设有新能源材料与器件专业，不少老师也在固体物理学课程教学中发现了类似问题，并进行了部分改革尝试，以取得较好教学效果。

早在2014年，常州大学的张帅等人就从教学内容、教学方法以及考核方式等方面进行了初步探索[2]。例如，通过将课程内容分为固体物理基础部分和固体物理专业部分，舍弃了固体物理专业部分知识，这样可以节省教学课时；在教学方法方面，采取了规避严格数学物理定量分析方法，使用定性分析手段，使学生理解对相关知识有个概念；在考核方面，舍弃常规闭卷考试方法，允许学生带部分资料进行半闭卷考核。固然，这种方式可以降低学生课程学习难度，然而，完全规避严谨数学物理也会带来很多新的问题，就是学生很难从最基础部分出发，分析问题，进而将相关知识拓展至新的体系，而允许学生带资料进行考试的方法，在专业基础课的教学中，由于种种原因，很难进行完全推广。

渤海大学新能源学院的陈东明等[3]针对固体物理学课程中学生普遍存在的学习状态低迷，开小差等状况，将“教学方法—教学内容—培养目标”三者贯穿于课堂中，以转动课堂教学模式提高教学质量与学生学习效率，形成“转动课堂—固体物理—研究型人才培养”链式教学，提高了教学以及学生学习效率。然而，这也需要对相关课程知识的合理选取以及足够的课时基础上。

西南石油大学材料科学与工程学院的俞健等[4]老师针对固体物理学课程难度大以及学生学习投入性不强、参与度不高的问题，通过优化和整合课程教学内容以及丰富课程教学拓宽学生视野等手段，提高了学生学习兴趣。以学习小组为单位，设置探索性研究课题，培养学生的创新意识和解决实际工程问题的能力，获得了良好反馈。

此外，针对材料学专业固体物理作为专业基础必修课，存在的概念艰深、理论知识体系复杂，使得学生在学习过程中很容易出现畏难情绪等问题。华东理工大学材料科学与工程学院的孙金煜老师提出了建设“有温度”的固体物理课程[5]。通过对固体物理学中课程德育思政挖掘以及科学史与学科知识相融合等方式，让学生树立科学没有捷径，“厚积而薄发”。学习就是“厚积”的过程，只有努力学习，才能不断积累的信念，从而减轻学生的畏难情绪。

3 基于过程考核的固体物理学教学改革探索

为了提升学生的学习效果，我们开展了以下几个方面的教学改革工作。在教学过程中，我们着重强调通过优化课程内容设计以及加强过程考核来提升学生的学习效果。

3.1 课程内容设计

（1）数理知识补充。正如前面分析，由于学生普遍缺乏前序数理知识，导致学生学习过程面临诸多问题，甚至存在教材看不懂现象。但受到学时限制，完全补充相关前序数理知识很难实现。因而我们针对性给学生补充量子力学初步知识，主要内容包括量子力学力学背景，波粒二象性，波函数，薛定谔方程及简单应用（一维无限深方势阱），算符等，让学生了解量子力学处理问题的基本思路。其他涉及的相关知识，如量子力学中微扰理论，数学中的傅里叶变换，微分方程求解，方程有解条件等，则随教学内容进行基于学生掌握情况进行适当补充。

（2）重复知识处理。例如在固体物理课程开设之前，学生已经学习了材料科学基础，对晶体结构有了一定的了解。而晶体结构是固体物理较为基础的一部分，为了避免知识的重复，我们不再进行详细讲解，而是采用知识回顾的形式，检查学生对相应知识的掌握情况。同时，在这一章中，我们着重强调倒易空间的概念引入，并介绍其在XRD以及选区电子衍射等中的重要应用，加深学生对知识的理解。再比如，晶体的结合方式之前学生也学习过，因而我们在讲授时，针对学生的知识掌握情况，重点强调晶体结合背后的物理基础。此外，为了更好地与后续课程知识进行衔接，我们会在相关知识点进行重点强调，例如能带理论为半导体物理的基础，我们在相关章节适当引入其在半导体物理中的应用，从而为后续的课程学习奠定适当的基础。

（3）前沿知识引入。针对学生普遍反映的问题，相关理论不知道应用场景何在等问题。我们在合适的背景下适时引入一些前沿科研进展和热点专题。例如，在介绍晶体和非晶区别时，我们结合最新的进展，介绍关于非晶结构的实验确定方法；在介绍晶体结合方式的氢键时，我们适当介绍水的“反常物性”以及关于其结构的研究争议，并且可以引入最新北京大学江颖教授关于水的量子效应的重要研究进展；在讲授能带理论时，介绍完能带理论的基本知识，我们可以介绍目前在能源领域的热点材料，例如石墨烯以及MXene的能带结构以及与其性能之间的关系。这样既讲授知识的具体运用，又接触了热点，拓宽了学生视野，是课程内容的很好的补充，进而提升学生学习兴趣，培养学生自主学习能力

（4）物理学史介绍。针对学生反应的公式推导过多，不知道来源等问题，适当的引入一些相关历史背景介绍。例如在讲解声子概念时，介绍声子概念提出的历史背景，为什么会有声子概念以及固体物理中其他类似电子/声子/激子等；在讲解布洛赫定理时，结合布洛赫本人回顾文章，介绍布洛赫提出该定理时的历史背景。通过这种方式能更好地加深学生对相关知识的理解。

3.2 过程考核模块设计

在教学过程中，我们将考核由期末考试80%的传统方式改革为期末考试和过程考核各占50%。在过程考核中，我们设计了以下五个模块，从多个维度评估学生的学习状况。

（1）网络课程平台讨论。为了调动学生的学习积极性，我们充分利用了学校网络教学平台。在该项考核中，针对教师课堂讲授知识，教师在交流讨论区提出一些问题，学生通过课后查询资料或者自己思考，在评论区讨论交流；或者学生针对课堂内知识疑惑予以提问，其他同学和老师予以讨论交流解答。基于学生的参与情况以及表现进行评分，作为过程考核中的一部分。

（2）作业完成情况。对于物理类课程，十分有必要在确保概念正确的基础上加强计算训练。因而通过课后作业考察学生的学习效果是十分重要的。我们基于课堂知识讲授情况，在网络教学平台发布一定课后习题，并限定一定时间内在平台提交，根据学生的完成情况进行评分。

（3）文献翻译。为了加强学生对相关知识历史背景或者前沿进展的了解，在课堂教学平台，教师会提供一些与课程相关的论文资料供学生阅读。例如，在介绍非晶结构时，给学生提供2021年发表在Nature上的Determining the three-dimensional atomic structure of an amorphous solid作为参考学习；在讲解声子概念时，提供关于声子等准粒子概念历史来源的梳理文献（Who Named the-ON's?Am.J.Phys.38,1380(1970)）。除教师提供的文献外，学生也可以选择自己查找相关文献进行翻译。根据学生论文翻译情况，例如专业术语准确性，语句连贯性，表达规范性等方面进行综合评价。

（4）课程报告。撰写课程学校报告时检验学生对知识掌握程度的有效手段。我们在课程开始前，提供几个相关主题，学生基于自己兴趣等选择具体主题，结合课堂学习情况以及自己查询资料，撰写一份3000字左右课程报告。

（5）PPT汇报。进行课程汇报是检验学生学习状况的另一种方式。此时，我们将学生分为5个小组，每小组5-6人，让学生合作，对相关知识点的理论研究或者实验进展进行调研，制作PPT进行汇报，其余学生进行讨论交流，每小组时间限定10分钟以内。通过考察PPT制作，讲解以及回答提问情况进行评价。

通过上述方式进行教学改革，取得了较为理想的效果，学生的整体学习情况得到了明显改善，不及格率由上一年的27%降低至6%。平均成绩也取得了明显提升。

4 小结

本文中，我们以长沙理工大学新能源材料与器件专业为例，系统分析该专业学生学习固体物理学时所面临的特殊挑战，并介绍了我们针对这些问题从课程内容设计和过程考核两个方面进行的教学改革情况。通过我们两方面改革，教学效果取得了较为理想的效果。