電子學(xué)科的固體物理教學(xué)改革初探*

鐘佑潔

(福州大學(xué)人文社會(huì)科學(xué)學(xué)院 福建 福州 350108)

楊尊先

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 福建 福州 350002)

1 前言

固體物理學(xué)是研究固體物質(zhì)的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、構(gòu)成物質(zhì)的各種粒子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及其相互關(guān)系的科學(xué)，是一門非常重要的、具有非常廣泛的潛在應(yīng)用前景的基礎(chǔ)理論科學(xué)，已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理、材料物理、電子科學(xué)與技術(shù)、光電工程和微電子等專業(yè)必備學(xué)科的基礎(chǔ)課.它為人們按指定性能研制新材料提供了科學(xué)途徑，已成為新材料、新器件的“生長點(diǎn)”，是理論物理和應(yīng)用物理之間的橋梁學(xué)科，對(duì)現(xiàn)代諸多高新技術(shù)的發(fā)展都起著非常重要的作用[1].因此，在電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)開設(shè)固體物理課程，使電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生掌握一定的固體物理知識(shí)及其研究方法，不僅有助于他們知識(shí)結(jié)構(gòu)的完善和拓展，擴(kuò)大其科學(xué)視野，并為其今后的發(fā)展奠定牢固的理論基礎(chǔ).

電子科學(xué)與技術(shù)是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，該專業(yè)學(xué)習(xí)的目的就是為了培養(yǎng)學(xué)生具備設(shè)計(jì)新型半導(dǎo)體器件、利用器件搭建具有特殊功能的系統(tǒng)等方面的能力.基于電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的特點(diǎn)，所開設(shè)的固體物理課程和其他專業(yè)有所不同，特別是,教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段上應(yīng)有自己的特色.本文主要從固體物理在電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科等理工科教育中的重要性以及本學(xué)科實(shí)際教學(xué)情況出發(fā)，結(jié)合多年講授固體物理的心得和體會(huì)，首先列舉出了固體物理教學(xué)中存在的主要問題，并進(jìn)一步從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段等方面提出一些改革措施.

2 教學(xué)中存在的問題或矛盾

近年來，固體物理的基礎(chǔ)地位已經(jīng)受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)，一方面，由于受大學(xué)總課時(shí)限制，隨著大學(xué)課程設(shè)置門數(shù)增多，固體物理教學(xué)課時(shí)逐漸減少，受重視的程度也在不斷降低.另一方面，由于固體物理中數(shù)學(xué)處理比較復(fù)雜，學(xué)生學(xué)習(xí)起來普遍感到困難，再者固體物理對(duì)學(xué)生空間想像能力要求比較高，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力不足，均給固體物理的教學(xué)帶來了嚴(yán)重的挑戰(zhàn).

此外，隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，半導(dǎo)體、磁學(xué)、激光、超導(dǎo)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的研究取得了重大突破，固體物理學(xué)科發(fā)展日新月異，高新技術(shù)層出不窮，新概念不斷涌現(xiàn)，對(duì)固體物理教學(xué)提出了更高的要求，與時(shí)俱進(jìn)，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高科技人才成為大學(xué)固體物理教學(xué)的主要任務(wù)[2].因此，無論是固體物理的教學(xué)內(nèi)容，還是教學(xué)方法和教學(xué)手段，都不能滿足時(shí)代發(fā)展的需要.受傳統(tǒng)固體物理教學(xué)方法的束縛，只注重知識(shí)的傳遞，忽視了思想方法和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，忽視實(shí)踐環(huán)節(jié)，教學(xué)內(nèi)容與當(dāng)代新科技脫節(jié)，綜合教學(xué)效果不佳，教學(xué)改革勢在必行.

3 教學(xué)內(nèi)容整合和優(yōu)化

3.1 專業(yè)教學(xué)內(nèi)容調(diào)整和簡化 避免重復(fù)

《固體物理》課程是電子科學(xué)與技術(shù)、微電子學(xué)、光電信息工程等專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，而目前多數(shù)《固體物理》教材是基于凝聚態(tài)物理專業(yè)編寫的，其中把半導(dǎo)體晶體、超導(dǎo)體、磁性材料等內(nèi)容均包含在內(nèi).福州大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在《固體物理》課程之后,還開設(shè)了《半導(dǎo)體物理》、《半導(dǎo)體器件物理》等課程，因此，我們?cè)凇豆腆w物理》教材的“半導(dǎo)體晶體”內(nèi)容中只是簡單介紹了“半導(dǎo)體能級(jí)、能帶特點(diǎn)”、“半導(dǎo)體中電子狀態(tài)”及“半導(dǎo)體的缺陷能級(jí)”等基本物理概念，使學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體能級(jí)、能帶特點(diǎn)及其半導(dǎo)體中載流子運(yùn)動(dòng)等有了初步了解，避免了不必要的重復(fù)，并將磁性和超導(dǎo)章節(jié)列為學(xué)生自學(xué)內(nèi)容，這樣，節(jié)約了總學(xué)時(shí)，顯著提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率.

3.2 傳統(tǒng)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化和整合

對(duì)于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)來說，課時(shí)有限，一般為56～64學(xué)時(shí)，要在有限的時(shí)間內(nèi)將固體物理傳統(tǒng)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容講授給學(xué)生，就必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和整合[3].

(1)晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合力.主要講述晶格、周期對(duì)稱性、幾種基本的晶體結(jié)構(gòu)和倒格子，以及晶體結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)測試原理和方法等.對(duì)于晶體結(jié)合力主要介紹晶體結(jié)合力的物理本質(zhì)，并介紹基于不同結(jié)合力的幾種基本晶體類型.

(2)晶格振動(dòng)和晶體的熱學(xué)性質(zhì).重點(diǎn)講述愛因斯坦模型、德拜模型以及一維單原子鏈和一維雙原子鏈，其他內(nèi)容讓學(xué)生自學(xué).

(3)自由電子模型和能帶理論.主要講述自由電子近似、緊束縛近似、布洛赫定理、周期勢近似及固體能帶和能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算，介紹費(fèi)米面和態(tài)密度定義及其物理實(shí)質(zhì)，并增加一些常用計(jì)算軟件使用方法和計(jì)算結(jié)果分析的內(nèi)容.講述特定電場、磁場下電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，費(fèi)米面及能帶結(jié)構(gòu)測試方法介紹，并介紹一些金屬的能帶結(jié)構(gòu)等.講清楚半導(dǎo)體、金屬和絕緣體間能帶特點(diǎn)和差異，同時(shí)介紹金屬的導(dǎo)電機(jī)理.

(4)電子輸運(yùn)現(xiàn)象.主要講述玻爾茲曼方程，電導(dǎo)和熱導(dǎo)產(chǎn)生機(jī)制，電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率物理實(shí)質(zhì)及其計(jì)算，其他內(nèi)容安排學(xué)生自學(xué).

(5)缺陷.簡要講述缺陷產(chǎn)生機(jī)制，介紹點(diǎn)缺陷，其他內(nèi)容安排學(xué)生自學(xué)，同時(shí)增加一些表面和界面、尺寸、維度等方面內(nèi)容.

3.3 適度補(bǔ)充前沿和熱點(diǎn)知識(shí)

適當(dāng)添加一些與本學(xué)科相關(guān)的現(xiàn)代技術(shù)和物理學(xué)前沿，也是整合與優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的一個(gè)重要的方面.一方面有利于學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用更好地結(jié)合，另一方面也有利于學(xué)生對(duì)書本知識(shí)的消化吸收，并開闊學(xué)生眼界，提高學(xué)習(xí)興趣和積極性.例如，在介紹晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，除了介紹X射線衍射方法之外，還補(bǔ)充介紹了STM，AFM及電子衍射等其他測定結(jié)構(gòu)的方法[4]；在講述晶體概念時(shí)，考慮到半導(dǎo)體超晶格和微結(jié)構(gòu)等新興領(lǐng)域，不失時(shí)機(jī)地引入超晶格概念，并介紹納米固體材料、超材料、復(fù)合材料和納米材料、新型納米材料.如石墨烯、氮化硼等、高溫超導(dǎo)體、光子晶體、量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用等現(xiàn)代技術(shù)和物理前沿.結(jié)合實(shí)驗(yàn)室納米材料制備及應(yīng)用方面實(shí)例，向?qū)W生展現(xiàn)固體物理學(xué)的豐富內(nèi)容.在補(bǔ)充前沿和熱點(diǎn)知識(shí)時(shí)，注意把握好度，處理好新、舊內(nèi)容間的聯(lián)系、區(qū)別和發(fā)展，使學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)能理解、鞏固和應(yīng)用.這種教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整和優(yōu)化，強(qiáng)化了固體物理的基礎(chǔ)知識(shí)，拓寬了學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，開闊了視野.

4 教學(xué)方法和教學(xué)手段的改進(jìn)

4.1 教學(xué)方法的改進(jìn)

傳統(tǒng)的固體物理教學(xué)方法，是一種以教師為教學(xué)主體的“填鴨式”教學(xué)，它強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)全面，公式推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，要求學(xué)生具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S和較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ).一方面，通常由于固體物理中數(shù)學(xué)處理較復(fù)雜，學(xué)生認(rèn)為固體物理學(xué)習(xí)枯燥無味，學(xué)習(xí)積極性不高，效果不佳.另一方面，通過這種模式學(xué)生只能被動(dòng)地接受前人已經(jīng)積累的知識(shí)，不能超越前人去創(chuàng)造新的知識(shí)，從而，限制甚至窒息了學(xué)生的創(chuàng)造性.學(xué)生被動(dòng)式地學(xué)習(xí)和接受，只靠記憶而不去理解意義，更談不上積極主動(dòng)地思考固體物理的現(xiàn)象、規(guī)律和定理與現(xiàn)實(shí)的實(shí)際關(guān)聯(lián)性.如果學(xué)生在學(xué)習(xí)中沒能建立興趣，就會(huì)覺得固體物理的內(nèi)容繁雜，公式繁多，推導(dǎo)復(fù)雜，計(jì)算麻煩，并且認(rèn)為固體物理與專業(yè)學(xué)習(xí)無關(guān).可見，學(xué)生對(duì)固體物理課程學(xué)習(xí)興趣的形成，在整個(gè)固體物理教學(xué)中占有重要的地位.

要改變學(xué)生學(xué)習(xí)固體物理的畏懼心理并形成學(xué)習(xí)興趣，關(guān)鍵在于要從根本上改變傳統(tǒng)“以教師為主體，教師唱獨(dú)角戲”的教學(xué)方式，確立“以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體”的強(qiáng)化互動(dòng)式教學(xué)方式.在固體物理“互動(dòng)式”教學(xué)中，教師要轉(zhuǎn)換職能和觀念，改變以往教學(xué)中的灌輸者和高高在上的觀念，要將固體物理教學(xué)課堂作為“舞臺(tái)”，以課程設(shè)計(jì)者和引導(dǎo)者的身份參與固體物理教學(xué)，精心設(shè)計(jì)教學(xué)過程，與學(xué)生平等參與固體物理基本概念、基本問題的討論，讓學(xué)生創(chuàng)造性地發(fā)表意見和看法，并適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生抓住概念的關(guān)鍵和物理實(shí)質(zhì)，指引思維方向，拓寬思維空間，啟發(fā)學(xué)生思考和推理.采用互動(dòng)式教學(xué)，培養(yǎng)了學(xué)生的思維能力，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性；教師也從知識(shí)的灌輸者和學(xué)生的支配者，轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)活動(dòng)的指導(dǎo)者和設(shè)計(jì)者及學(xué)習(xí)創(chuàng)新的推動(dòng)者；同時(shí)，也有助于形成培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的師生關(guān)系和課堂環(huán)境，保護(hù)學(xué)生的自尊心和積極性，營造寬松和諧的課堂教學(xué)氛圍.

4.2 教學(xué)手段的改進(jìn)

教學(xué)手段上，借助于多媒體技術(shù)及科學(xué)軟件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，全面提升教學(xué)質(zhì)量.

固體物理傳統(tǒng)教學(xué)模式，即教師采用“粉筆+黑板”手段，采用抽象的語言講述書本中抽象的概念、公式及物理規(guī)律等，對(duì)于稍微復(fù)雜的三維晶體結(jié)構(gòu)、倒易空間及其能帶結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)等難以描述清楚，造成學(xué)生理解上的困難，使學(xué)生對(duì)固體物理學(xué)習(xí)失去了興趣.將多媒體技術(shù)引入到固體物理教學(xué)中，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)圖、文、像的集成，動(dòng)態(tài)、直觀描述和演示晶體微觀結(jié)構(gòu)及有關(guān)的物理概念和規(guī)律，增強(qiáng)課程內(nèi)容的形象性和生動(dòng)性，提高教學(xué)效果，通過對(duì)三維晶體或者倒易晶格進(jìn)行各個(gè)方位操作和觀察，加深學(xué)生對(duì)晶體結(jié)構(gòu)及其倒易晶格的理解，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.同時(shí)，適當(dāng)引入現(xiàn)代研究手段教學(xué)，借助晶體學(xué)軟件和材料計(jì)算軟件(Diamond, MS)，使學(xué)生能夠理解現(xiàn)代理論物理的一些研究手段，并通過這些程序演示晶體的結(jié)構(gòu)、晶體的熱力學(xué)性質(zhì)及晶體能帶的計(jì)算等內(nèi)容.學(xué)生可較為清楚地掌握晶體結(jié)構(gòu)、布里淵區(qū)以及目前固體物理的理論研究方法，使學(xué)生感覺學(xué)有所用，從而,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和能動(dòng)性，提高本課程的教學(xué)質(zhì)量.

固體物理傳統(tǒng)教學(xué)方式僅局限于課堂上，我們借助于網(wǎng)絡(luò)即時(shí)通訊工具(騰訊QQ)，建立課程班級(jí)群，該課程班級(jí)群及群空間討論區(qū)可作為教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間進(jìn)行固體物理知識(shí)和學(xué)習(xí)心得互動(dòng)和交流的又一網(wǎng)絡(luò)即時(shí)交流平臺(tái).這一教學(xué)手段可以將學(xué)生在課堂上未即時(shí)解決的問題拿到固體物理課程班級(jí)群及群空間討論區(qū)進(jìn)一步討論與交流，這種方式拓展了傳統(tǒng)固體物理教學(xué)范疇，擴(kuò)大和延長了固體物理教學(xué)空間和時(shí)間，同時(shí)，這種網(wǎng)絡(luò)即時(shí)通訊工具的交流，也有助于建立融洽的師生關(guān)系和培養(yǎng)學(xué)生固體物理學(xué)習(xí)的興趣.在固體物理教學(xué)中，我們還建立了固體物理多元化教學(xué)考核機(jī)制.例如，在教學(xué)過程中告知學(xué)生一些經(jīng)典專著、中外文期刊和網(wǎng)站(主要基于福州大學(xué)電子數(shù)據(jù)庫)，將學(xué)生進(jìn)行分組，針對(duì)各個(gè)章節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容，給每個(gè)小組分別指定一個(gè)研究方向,要求學(xué)生以小組為單位分工合作,自行查閱相關(guān)的中、外文文獻(xiàn)，最終以讀書筆記方式完成作業(yè)，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合課本寫出認(rèn)識(shí)和體會(huì).通過這種方法，不但使學(xué)生掌握了文獻(xiàn)查閱方法，更重要的是讓學(xué)生了解固體物理如何理論聯(lián)系實(shí)際，明確了固體物理的基本應(yīng)用，我們將這一部分內(nèi)容與作業(yè)、課堂回答問題一起作為整個(gè)考核的組成部分.

在電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)固體物理本科教學(xué)中，針對(duì)一些關(guān)鍵性章節(jié)安排了實(shí)驗(yàn)，如晶體結(jié)構(gòu)部分，我們安排了一些常見晶體的XRD測試，如ZnO材料的XRD測試分析實(shí)驗(yàn).使學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)有更為深刻的認(rèn)識(shí)，為以后的研究生學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這也是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)固體物理教學(xué)目的之一.同時(shí)，可以把實(shí)驗(yàn)室研究最新成果引入課堂,加深學(xué)生對(duì)固體物理知識(shí)應(yīng)用的理解和興趣.這種理論與實(shí)際相結(jié)合的互動(dòng)，不僅有利于鞏固課堂上學(xué)到的理論知識(shí)，同時(shí)也極大地激發(fā)了學(xué)生對(duì)固體物理及本學(xué)科的熱情.

5 結(jié)束語

經(jīng)過多年的電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科固體物理課程教學(xué)實(shí)踐，我們針對(duì)固體物理教學(xué)中存在的主要問題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段上進(jìn)行了一系列初步探索和改革，取得了一些成績.通過調(diào)整教學(xué)內(nèi)容并及時(shí)補(bǔ)充科技前沿知識(shí)，基于“以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體”的指導(dǎo)思想，采用互動(dòng)式教學(xué)方式，并借助于多媒體技術(shù)、即時(shí)通訊工具、網(wǎng)絡(luò)交流平臺(tái)及科學(xué)軟件等手段，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果的顯著提高.但固體物理教學(xué)改革是一個(gè)復(fù)雜的工程，涉及到諸多方面，要使之真正跟上當(dāng)今科技日新月異發(fā)展的要求，培養(yǎng)出合格的高素質(zhì)創(chuàng)新人才，還需廣大教育工作者做更多的研究和探索.

參考文獻(xiàn)

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