適應(yīng)材料物理和電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)需求的固體物理學(xué)課程教學(xué)改革和實踐

李子炯　蘇玉玲　王永強　龔高尚

摘 要 固體物理學(xué)是材料物理和電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的重要課程，根據(jù)這兩個專業(yè)的需求特點，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和能力培養(yǎng)與提高等方面對固體物理學(xué)課程進行了改革和實踐研究。

關(guān)鍵詞 固體物理學(xué) 教學(xué)改革 教學(xué)方法

中圖分類號：G424文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.01.031

Solid State Physics Teaching Reform and Practice Adapt to Materials

Physics and Electronic Science and Technology Needs

LI Zijiong， SU Yuling， WANG Yongqiang， GONG Gaoshang

（School of Physics & Electronic Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou， He'nan 450002）

Abstract Solid State Physics is physics and electronic material science and technology important professional courses， according to the needs of both professional features in the teaching content， teaching methods and capacity-building and improving other aspects of solid state physics curriculum reform and practice.

Key words solid state physics; teaching reform; teaching methods

0 引言

隨著人才需求的不斷變化和學(xué)科的發(fā)展，不同專業(yè)的課程體系和人才培養(yǎng)模式應(yīng)與時俱進地作相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化，不斷完善和發(fā)展以適應(yīng)專業(yè)特點和新形勢下需求的培養(yǎng)目標(biāo)。①②固體物理學(xué)課程主要研究固體（晶體）的微觀結(jié)構(gòu)特征、相互作用及其運動規(guī)律，并闡述其用途的學(xué)科。固體物理學(xué)課程是物理、材料、化學(xué)和電子等專業(yè)的基礎(chǔ)課程。③但受傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和有限課時等的影響，不少學(xué)生缺少對該課程在專業(yè)培養(yǎng)中的重要作用的認(rèn)識，學(xué)習(xí)重視程度不夠，缺乏學(xué)習(xí)積極性。因此，有必要根據(jù)不同專業(yè)方向特點，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核體系等方面對固體物理學(xué)課程進行教學(xué)改革。

材料物理和電子科學(xué)技術(shù)是鄭州輕工業(yè)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院的兩個專業(yè)，我們在這兩個專業(yè)開設(shè)了固體物理學(xué)課程，分別制定了課程標(biāo)準(zhǔn)和課程教學(xué)目標(biāo)。針對固體物理教學(xué)課程自身的特點，結(jié)合材料物理和電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)模式和需要，根據(jù)多年對固體物理學(xué)在兩個專業(yè)的教學(xué)實踐，提出了關(guān)于固體物理課程教學(xué)根據(jù)專業(yè)不同需求的優(yōu)化與調(diào)整方案，并在教學(xué)中進行了實踐，取得了一定的效果。

1 根據(jù)專業(yè)特點，進行教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整和優(yōu)化

固體物理學(xué)是一門綜合性很強的課程，除了需要量子力學(xué)和統(tǒng)計物理、大學(xué)物理等方面的基礎(chǔ)知識外，在傳統(tǒng)的內(nèi)容上也是增加了很多現(xiàn)代科技前沿的內(nèi)容。由于不同專業(yè)學(xué)生的背景和培養(yǎng)目標(biāo)的差異，在授課內(nèi)容方面首先要進行一定的調(diào)整和優(yōu)化。

材料物理專業(yè)是我校較早開設(shè)的傳統(tǒng)專業(yè)，其目的是培養(yǎng)較系統(tǒng)地掌握材料科學(xué)的基本理論與方法，具備材料物理相關(guān)的基本技能和基本知識，能在材料科學(xué)與工程及與其相關(guān)的領(lǐng)域從事教學(xué)、研究、教學(xué)科技開發(fā)教學(xué)及相關(guān)管理工作的材料物理高級專門人才。由于學(xué)生的材料和物理背景較好，考慮到該專業(yè)與固體物理學(xué)聯(lián)系較緊密的特點，需要對傳統(tǒng)固體物理學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容進行強化和延伸。

如在講解晶體結(jié)構(gòu)一章時，在讓學(xué)生深刻理解晶體結(jié)構(gòu)平移性和對稱性特點的基礎(chǔ)上，我們適當(dāng)增加了材料結(jié)構(gòu)分析方面的內(nèi)容，除了晶體結(jié)構(gòu)詳細講解外，對非晶體、準(zhǔn)晶等也要做一定的介紹，并結(jié)合科研工作中常見的晶體缺陷問題，對相關(guān)材料進行分析，增加了如何利用X射線衍射分析晶體結(jié)構(gòu)，并安排學(xué)生動手制備一些新材料，學(xué)習(xí)應(yīng)用掃描電子顯微鏡、投射電子顯微鏡、XRD等工具對所制備材料的微觀結(jié)構(gòu)進行表征分析，從而加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，提高解決實際問題的能力，獲得了對固體物理課程學(xué)習(xí)的主動性和針對性。

在講述晶體結(jié)合一章，增加了氫鍵結(jié)合形成不同晶體的特點及規(guī)律，將共價性結(jié)合和金屬結(jié)合的特點和規(guī)律采用第一性原理進行計算，并將結(jié)果進行課堂視頻展示;在講述金屬、半導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)章節(jié)中，有意識地增加了態(tài)密度、摻雜、能帶調(diào)控等概念，在此基礎(chǔ)上，適當(dāng)分析一下半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)對其電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的影響，有意識地加強材料物理專業(yè)學(xué)生的分析和解決問題的能力。結(jié)合當(dāng)前材料科學(xué)研究的新材料如石墨烯、二硫化鉬等納米材料、金屬氧化物量子點等，進行了結(jié)構(gòu)和潛在應(yīng)用的分析，對拓寬學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)、開闊視野和提高學(xué)習(xí)興趣起到了積極作用。

在講解能帶理論一章時，注重問題提出和解決的思路方法，將復(fù)雜的材料問題運用合理的物理近似處理方法，使材料物理專業(yè)能夠把所學(xué)的物理知識和材料有機結(jié)合起來，并能夠運用所學(xué)知識解決實際問題，通過實踐，收到較好效果。

針對電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)主要培養(yǎng)學(xué)生從事與光電子器件應(yīng)用與光電工程技術(shù)等工作，需要實際與理論相結(jié)合，并且能夠把理論知識能夠運用在生產(chǎn)與工作當(dāng)中的要求，在講述固體物理傳統(tǒng)內(nèi)容時，抓住物理過程的主要方面，構(gòu)造簡化的模型，進行有效的數(shù)學(xué)處理。教學(xué)過程緊扣物理模型和思想，適當(dāng)降低知識難度，而且還要適當(dāng)減少傳統(tǒng)固體物理內(nèi)容與電子科學(xué)和技術(shù)專業(yè)關(guān)聯(lián)不大的問題。將與電子科學(xué)技術(shù)專業(yè)密切相關(guān)的能帶理論、晶體缺陷、半導(dǎo)體電子倫和金屬電子論等章節(jié)作為重點講授的內(nèi)容，同時也盡量保持知識的連慣性和系統(tǒng)性。

科技發(fā)展日新月異，不斷出現(xiàn)的新技術(shù)和新發(fā)現(xiàn)為固體物理學(xué)課程內(nèi)容的延伸不斷開拓出新的研究領(lǐng)域。在教學(xué)實踐中，我們將傳統(tǒng)的固體物理學(xué)教學(xué)內(nèi)容與日新月異的物理前沿內(nèi)容間的關(guān)聯(lián)有機結(jié)合起來，例如，與能帶理論有關(guān)的LED、與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)的C60、太陽能光伏電池的研究進展和應(yīng)用、以及固體激光器等與光電技術(shù)相關(guān)的前言知識穿插在教學(xué)當(dāng)中，強化學(xué)生的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、明確學(xué)生的專業(yè)方向，拓寬學(xué)生的視野。

2 根據(jù)專業(yè)特色調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)方法

針對材料物理和電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的不同特點，除了進行固體物理教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化調(diào)整外，在教學(xué)方法也要進行改革，以適應(yīng)這兩個專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)需要。

首先改變傳統(tǒng)教師課堂一言堂的教學(xué)方法，將課堂主體交給學(xué)生，增加師生互動環(huán)節(jié)。課堂上老師把要講授的內(nèi)容以提出問題的形式展出，鼓勵學(xué)生解答這些問題，充分發(fā)揮了學(xué)生的積極主動性。對于學(xué)生普遍不好理解和難懂的問題，教師再進行細致講解，這樣做到重點突出，有的放矢，充分實現(xiàn)教師和學(xué)生的課題互動，極大地提高了學(xué)生的積極性。同時加強習(xí)題課環(huán)節(jié)，任課教師事先將要講的習(xí)題給學(xué)生，并安排學(xué)生分組討論。課堂上，學(xué)生積極主動上臺講解習(xí)題的不同解答方法，并可對不同解答提出質(zhì)議，這樣既增強了學(xué)生理解和解決問題的能力，又極大提高了課堂效率。對不同專業(yè)學(xué)生，除了教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點不同以外，在教學(xué)方式方法上也體現(xiàn)出差別。如對材料物理專業(yè)學(xué)生，教學(xué)時要注重課堂教學(xué)內(nèi)容的邏輯關(guān)系，強化對概念和規(guī)律的理解、記憶，對于與專業(yè)相關(guān)的理論，要求學(xué)生能夠理論推導(dǎo)。而對電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生，提出“聯(lián)想式教學(xué)法”，例如，從大學(xué)物理中的光和機械波傳播的干涉和衍射現(xiàn)象引入倒格矢的概念，把抽象難懂的倒格子與光的波動性聯(lián)系起來，從而聯(lián)想到對微觀粒子波動性的空間描述;從大學(xué)物理中聲波和電磁場的耦合激化現(xiàn)象引領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)聲學(xué)波和光學(xué)波的異同點;從光伏太陽能電池的原理入手聯(lián)想到能帶理論等等，從而加深對固體物理圖像及物理本質(zhì)認(rèn)識，而不是僅僅停留在對概念和規(guī)律的推導(dǎo)和理解上。

其次是將生動直觀的物理演示模型引入課堂教學(xué)實踐中，提高課堂效率。我們將固體物理學(xué)課程中的相關(guān)難懂知識點，做成一系列教學(xué)模型，通過課堂演示，加深對學(xué)生對固體物理知識的理解和掌握。如講解不同晶體結(jié)構(gòu)時，我們分別演示了Si、Cu和NaCl等的不同晶體結(jié)構(gòu)的原子排列模型;講解晶體的對稱性時，我們分別演示立方體、圓柱體、錐體等的模型，引導(dǎo)學(xué)生分析不同模型的對稱特點，同時采用3D MAX 動畫制作軟件，將不同晶體結(jié)構(gòu)制作成三維圖像及視頻，既形象又生動，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。對于固體物理的能帶理論一章，推導(dǎo)復(fù)雜，學(xué)生理解有一定的困難，針對理論推導(dǎo)不作重點要求的電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生，我們重點通過講解模型建立和合理簡化處理問題的物理思想，通過引入不同能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料在LED、太陽能電池的應(yīng)用，講解晶體能帶的特點和調(diào)控方法，加深了學(xué)生對這部分的重視和理解。

最后是重視課后反饋，增強學(xué)生的知識運用能力的提高。對學(xué)有余力的學(xué)生，我們結(jié)合院系的科研條件，安排一部分學(xué)生到實驗室，協(xié)助老師做些科研工作，結(jié)合課堂所學(xué)知識進行應(yīng)用指導(dǎo)。我們將MS、CASTEP等計算軟件對電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生進行了培訓(xùn)使用指導(dǎo)，使學(xué)生能夠利用計算軟件建立基本模型，并進行能帶、光電性質(zhì)的計算， 進一步加深了學(xué)生對該相關(guān)知識的理解和應(yīng)用能力的提高。利用課下時間，我們還引導(dǎo)學(xué)生運用不同數(shù)據(jù)庫查閱相關(guān)外文文獻，教會學(xué)生如何快速閱讀文獻，找到自己想要知道的信息，促進學(xué)生了解前沿課題研究的概況，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和解決問題的能力起到了積極作用。

3 根據(jù)專業(yè)特色調(diào)整和優(yōu)化考核體系

針對固體物理學(xué)課程在材料物理和電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的不同，對這兩個專業(yè)的學(xué)生制定出相應(yīng)的考核體系。平時成績的計算上，除了傳統(tǒng)的考勤、作業(yè)分以外還設(shè)置課堂獎勵分，主要是對于課堂上任課教師提出的問題和安排的課題能夠認(rèn)真、積極準(zhǔn)備，完成或回答較好的，可給予一定的分?jǐn)?shù)獎勵，以鼓勵學(xué)生積極參與課程學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性和主動性。

對于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，主要采用平時成績與期末考查相結(jié)合的評價形式，平時成績和期末考查各占50%。平時成績主要包含學(xué)生的考勤、作業(yè)、課堂回答問題、課下參加課題研究的情況，各部分所占比例也進行了細分，這有助于客觀公正地評價學(xué)生對固體物理學(xué)課程學(xué)習(xí)的積極性和主動性。期末考查一般采用小論文的形式，小論文的題目涉及到本課程相關(guān)的前沿內(nèi)容和本課程基礎(chǔ)知識的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生主動探索分析學(xué)科前沿動態(tài)和應(yīng)用領(lǐng)域，提高學(xué)生的綜合分析問題和解決問題的能力，有利于學(xué)生充分發(fā)表自己的見解，展現(xiàn)自己的能力，發(fā)揮自己的水平。

總之，隨著科技發(fā)展的日新月異，傳統(tǒng)固體物理學(xué)課程的教學(xué)已經(jīng)不能很好地適應(yīng)材料物理和電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)等不同專業(yè)學(xué)生的需要，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核體系針對不同專業(yè)進行優(yōu)化和調(diào)整，對培養(yǎng)不同專業(yè)的創(chuàng)新型人才具有非常重要的作用。

注釋

① 付殿玲，郭文躍，趙聯(lián)明.“固體物理”課程教學(xué)內(nèi)容和方法的改革與實踐[J].中國電力教育，2014.21：72-73.

② 郭云東.固體物理教學(xué)改革的實踐與思考[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報，2009.24（12）：93-95.

③ 黃昆，韓汝琦.固體物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1997.