關(guān)于固體物理教學(xué)的一些體會

李重要

摘要：固體物理學(xué)是凝聚態(tài)物理和材料物理專業(yè)的必備基礎(chǔ)課，是一門基礎(chǔ)理論與實際應(yīng)用結(jié)合較為緊密的課程。本文介紹了固體物理教學(xué)的一些心得體會，涉及教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式等方面，主要探討如何讓學(xué)生更好

固體物理學(xué)是凝聚態(tài)物理和材料物理專業(yè)的必備基礎(chǔ)課，它融合了普通物理、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理、量子力學(xué)等多學(xué)科的知識。也是因為知識面廣、量大、深奧難懂，在教學(xué)過程中，學(xué)生普遍反映較難掌握這門課程。如何取舍教學(xué)內(nèi)容、如何深入淺出地講解基礎(chǔ)知識點、如何改變教學(xué)手段和教學(xué)形式提高學(xué)生的學(xué)習(xí)和應(yīng)用能力等，這些都是教學(xué)中遇到的主要問題。作者從數(shù)年的教學(xué)中總結(jié)了一些心得體會，希望對這門課的教學(xué)有所借鑒作用。

一、多媒體與三維模型的應(yīng)用

固體物理學(xué)是一門研究固體的微觀結(jié)構(gòu)、組成固體的粒子（原子、離子、電子等）之間的相互作用與規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上闡明固體宏觀性質(zhì)的學(xué)科。因此，固體的微觀結(jié)構(gòu)是這門課程的基礎(chǔ)。許多固體物理學(xué)的教材，例如黃昆等的《固體物理學(xué)》經(jīng)典教材，開篇即討論晶體的結(jié)構(gòu)。但對晶體結(jié)構(gòu)的理解，特別是對三維的晶體結(jié)構(gòu)的理解，需要學(xué)生較好的空間想象能力。由于晶格的周期平移不變性，理想晶格可以通過原胞或單胞的周期平移、重復(fù)而得到。那么，如何選取合適的原胞或單胞？原胞的形狀如何？原胞內(nèi)有多少個原子？單胞內(nèi)的各個原子是否等價？在教學(xué)過程中，許多學(xué)生對這些問題一時不能很好理解。

隨著計算機的普及和利用，多媒體教室普遍存在，并被廣泛使用。多媒體教學(xué)手段的利用，有助于學(xué)生對固體微觀結(jié)構(gòu)的理解。例如，可以通過視頻或PowerPoint文件，可以直觀地展示晶體的微觀結(jié)構(gòu)、原胞的選取、原胞的形狀等。與傳統(tǒng)板書相比，利用多媒體呈現(xiàn)并分析固體的微觀結(jié)構(gòu)以及晶體的結(jié)構(gòu)特征，對教師而言，更加省時、省力；幾何關(guān)系的表達也更為準確，便于學(xué)生的理解。此外，若能結(jié)合三維的原子實物模型，那么，固體的微觀結(jié)構(gòu)將能更為直觀地展現(xiàn)在學(xué)生眼前。多媒體與三維模型的應(yīng)用對于學(xué)生理解固體的微觀結(jié)構(gòu)、晶格的周期性、原胞、晶體的對稱性等基礎(chǔ)概念很有好處。

當(dāng)然，多媒體教學(xué)也存在著一定的局限性。例如，在公式的推導(dǎo)、基礎(chǔ)概念的講解等方面，板書其實更受學(xué)生的歡迎。與多媒體教學(xué)相比，板書的節(jié)奏慢，師生間可以有較多的互動；學(xué)生相對容易跟上教師思考問題、解決問題的步伐，學(xué)生也能有較充分的時間來理解各個知識點、梳理要點以及做筆記等。因此，多媒體教學(xué)還需適當(dāng)?shù)嘏c傳統(tǒng)板書相結(jié)合才能達到較好的教學(xué)效果。

二、教學(xué)內(nèi)容的取舍

由于固體物理學(xué)融合了普通物理、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理、量子力學(xué)、晶體學(xué)等多學(xué)科的知識，其知識面廣、量大，在有限的學(xué)時里，不可能面面俱到地討論固體物理學(xué)所涉及的所有知識點。因此，實際教學(xué)中可以結(jié)合本專業(yè)的特色，有選擇地取舍部分教學(xué)內(nèi)容。例如，側(cè)重固體熱學(xué)性質(zhì)的專業(yè)可以考慮以晶格振動等內(nèi)容為主；而側(cè)重微電子的專業(yè)則可以考慮以能帶理論、半導(dǎo)體中的電子等內(nèi)容為主。當(dāng)然，一些多個領(lǐng)域都涉及到的基礎(chǔ)知識也應(yīng)是這門課程不可缺少的一部分內(nèi)容。

固體的微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)合方式是固體物理學(xué)的基礎(chǔ)，因此，晶體的結(jié)構(gòu)和晶體的結(jié)合等知識點應(yīng)是這門課程的基礎(chǔ)知識之一?？紤]到理想晶格由原子實和電子組成，晶格的運動主要在晶格振動等部分討論；而電子的運動主要在能帶理論等部分討論，具體還可以分為金屬中電子的運動和半導(dǎo)體中電子的運動等部分。盡管這原子實和電子的運動實際上相互聯(lián)系，但很多時候，可以分別側(cè)重討論。此外，實際晶體也并非理想晶體；實際晶體除了有邊界之外，也常含有缺陷。但在許多情況下，晶格的振動、電子的運動和缺陷的影響依然可以依據(jù)實際情況分別討論，并得到與實際較為符合的理論結(jié)果。因此，晶格振動、能帶理論和缺陷等知識點之間相對獨立，或可根據(jù)各專業(yè)的實際情況取舍部分教學(xué)內(nèi)容。

在許多固體物理學(xué)的教材中，例如黃昆等的《固體物理學(xué)》教材和閻守勝的《固體物理基礎(chǔ)》教材，密度泛函理論并沒有被提到。事實上，密度泛函理論是一個被廣泛使用的基礎(chǔ)理論，它是凝聚態(tài)物理前言研究的有效手段之一，也是材料設(shè)計的一種有效方法。教學(xué)過程中，教師可以結(jié)合各專業(yè)的實際情況介紹一些密度泛函理論的基礎(chǔ)知識。同時，還可以介紹一些最新的相關(guān)研究進展，以拓展學(xué)生的知識面、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、模塊化的教學(xué)形式

如前所述，固體物理學(xué)中的許多知識點間相對獨立；基于這門課程的特征，教師在教學(xué)過程中可以考慮模塊化的教學(xué)形式，以子課題的形式將相應(yīng)內(nèi)容呈現(xiàn)給學(xué)生?？赡艿哪K如：討論晶體的結(jié)構(gòu)和晶體的結(jié)合方式的基礎(chǔ)模塊——晶體的結(jié)構(gòu)與結(jié)合；討論晶體中原子實運動的模塊——晶格振動；討論晶體中電子運動的模塊——能帶理論；討論實際晶體中可能存在的缺陷的模塊——晶體的缺陷等；其中，能帶理論部分還可分為：近自由電子模型、緊束縛模型、贗勢方法等數(shù)個部分。這樣做首先有利于教學(xué)內(nèi)容的取舍；其次，有利于學(xué)生對各知識點的理解、有利于學(xué)生梳理清楚各個知識點之間的關(guān)系。

此外，固體物理學(xué)是凝聚態(tài)物理前沿研究的基礎(chǔ)之一；其基礎(chǔ)知識、理論推導(dǎo)、實驗背景以及處理問題的方式方法等，都是開展凝聚態(tài)物理研究的基礎(chǔ)。而模塊化教學(xué)，以課題研究的形式提出問題、解決問題，將教學(xué)內(nèi)容以問題為導(dǎo)向呈現(xiàn)給學(xué)生，這有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和解決實際問題的能力。而且，課題研究的教學(xué)模式，既是在教授學(xué)生知識，也是在開展科研，有助于提高學(xué)生對科研的認識、有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。這種課題研究的模塊化教學(xué)形式還可以結(jié)合基于原始問題的教學(xué)來開展。

四、基于原始問題的教學(xué)

所謂原始問題，可簡單理解為：現(xiàn)實生活中實際存在的、未被抽象加工或簡化的問題。于克明教授、邢紅軍教授等人詳細探討了原始物理問題的諸多方面；此外，周武雷教授等人還討論了原始物理問題含義的界定等相關(guān)問題，并呼吁將基于原始物理問題的教學(xué)實踐引入大學(xué)物理的教學(xué)中。這應(yīng)是個值得提倡的建議，畢竟現(xiàn)實生活中遇到的具體問題都是原始問題。與傳統(tǒng)的習(xí)題不同，原始問題未被抽象、加工或簡化。學(xué)生處理實際問題的第一步便是將問題適當(dāng)簡化，這也是學(xué)生需要學(xué)習(xí)的一種能力。

事實上，合理的模型簡化是各種理論的基礎(chǔ)，也是實際應(yīng)用或科研必不可少的一種能力。例如，討論晶格熱容的愛因斯坦模型和德拜模型，盡管模型簡單，但它們數(shù)十年來是我們討論、分析相應(yīng)問題的基礎(chǔ)。今天，那些被寫進教科書的基礎(chǔ)理論，在當(dāng)時、在理論剛被提出時，都是為了原始問題的解決。下面以晶體熱容為例，稍加詳述。

問題的背景：根據(jù)經(jīng)典的熱力學(xué)理論，晶體的定體摩爾熱容是個與溫度無關(guān)的常數(shù)。實驗發(fā)現(xiàn)晶體的熱容在高溫下確實接近于常數(shù)，但是晶體的熱容在低溫下并不是個常數(shù)，其與溫度的三次方成比例關(guān)系。

問題的提出：理論預(yù)言與實驗觀測為何不相符？如何解釋實驗現(xiàn)象？20世紀初剛剛發(fā)展起來的量子力學(xué)是否能解釋這個實驗現(xiàn)象？這些問題在愛因斯坦的年代應(yīng)該都是前言的科研問題。

問題的簡化：（1）不考慮邊界、缺陷、雜質(zhì)等的影響，將實際晶體抽象為理想晶體；（2）基于絕熱近似，不考慮電子的具體空間分布，將原子當(dāng)作一個整體，原子—原子間存在相互作用；（3）基于近鄰近似，只考慮近鄰原子間的相互作用；（4）基于簡諧近似，將原子間的相互作用勢在原子的平衡位置作泰勒級數(shù)展開，并保留到二階項。

問題的解決：基于上面的模型簡化，寫出描述原子運動的牛頓第二定律，并求解方程組，這些方程組與相互獨立的簡諧振子的運動方程組相對應(yīng)。結(jié)合量子力學(xué)，得到體系的能量本征值；寫出晶格振動總能的表達式，繼而給出由晶格振動貢獻的晶格熱容的表達式。由于晶格熱容的表達式復(fù)雜，很難直接與實驗結(jié)果對比，因此引入進一步的簡化和近似——愛因斯坦模型或德拜模型。

這種提出問題、分析問題、解決問題的方式與做前言科學(xué)研究的方式相接近，既能提高學(xué)生對科研的認識、培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，又能培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、解決實際問題的能力。

五、小結(jié)

針對固體物理學(xué)這門課程的一些特點，本文從教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式等方面提出了一些教學(xué)改革的心得體會。教學(xué)手段上，可以利用多媒體和三維模型等教學(xué)手段，以便讓學(xué)生更容易理解固體的微觀結(jié)構(gòu)。教學(xué)內(nèi)容上，可以針對專業(yè)特色，有選擇地取舍部分章節(jié)。而模塊化的教學(xué)形式，可以將相對獨立的知識點以子課題的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，既能幫助學(xué)生梳理知識點，又能讓學(xué)生對課題研究有所認識。最后，通過課題研究的教學(xué)形式、理論聯(lián)系實際的討論分析以及基于原始問題的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用的能力。

致謝：感謝上海高校外國留學(xué)生英語授課示范性課程《英文大學(xué)物理》建設(shè)項目的資助。

參考文獻：

[1]黃昆，韓汝琦.固體物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1988.

[2]閻守勝.固體物理基礎(chǔ)[M].第二版.北京：北京大學(xué)出版社，2003.

[3]謝希德，陸棟.固體能帶理論[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2007.

[4]馮端，金國鈞.凝聚態(tài)物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5]陳志遠，熊鋼，易偉松.多媒體技術(shù)應(yīng)用于固體物理教學(xué)的探討[J].咸寧師專學(xué)報2002，22（6）：53-55.

[6]梁先慶，何小榮.固體物理學(xué)課程教學(xué)研究與探討[J].廣西物理，2011，32（3）：47-49.

[7]周武雷，蔡托，潘曉慧.基于原始物理問題的大學(xué)物理教學(xué)實踐[J].大學(xué)物理，2010，29（6）：43-48.

[8]于克明.談“原始問題”與能力培養(yǎng)[J].大學(xué)物理，1997，16（5）：44-46.