固體物理教學(xué)的幾點(diǎn)心得體會(huì)

丁漢芹

[摘 要]固體物理是物理學(xué)專業(yè)和材料專業(yè)的一門必修課程，應(yīng)用非常廣泛。筆者從分塊教學(xué)內(nèi)容，重視章節(jié)聯(lián)系；優(yōu)化傳統(tǒng)模式，巧用信息技術(shù)；培養(yǎng)科學(xué)思維，注重啟發(fā)引導(dǎo)；立足書本知識(shí)，滲透前沿科學(xué)等方面介紹了固體物理教學(xué)的一些心得體會(huì)，探討如何讓學(xué)生更好地掌握這門課程。

[關(guān)鍵詞]體物理；教學(xué)；心得體會(huì)

[中圖分類號(hào)] G64 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）12-0129-02

固體物理是物理學(xué)專業(yè)和材料專業(yè)的一門必修課程，主要研究固體的微觀結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和固體中的粒子運(yùn)動(dòng)，涉及力、熱、電、光、磁和聲等領(lǐng)域。當(dāng)今所取得重大進(jìn)展的納米材料、超導(dǎo)、半導(dǎo)體等現(xiàn)代技術(shù)都以固體理論為基礎(chǔ)。固體是包含眾多粒子的復(fù)雜的多體體系，種類繁多，內(nèi)容異常豐富。因?yàn)橹R(shí)面廣，用到的理論多，在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生普遍反映這門課程較難掌握，和剛學(xué)完的理論脈絡(luò)清晰的四大力學(xué)比較起來，常常理不清頭緒，總感覺亂成一團(tuán)。大部分學(xué)生都有一個(gè)習(xí)慣，他們?cè)趯W(xué)過理論物理課程之后，喜歡欣賞從基本定理、定律出發(fā)進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)演繹的過程，實(shí)際上這不是固體物理的主要部分。對(duì)學(xué)生來說，清晰的物理圖像和想象力對(duì)學(xué)好固體物理課程是至關(guān)重要的。這就要求老師不要讓學(xué)生沉陷于繁瑣冗長的推導(dǎo)計(jì)算之中，而要選擇絕大多數(shù)學(xué)生易于接受的方法進(jìn)行講解，盡可能地把物理圖像和基本概念講述透徹清楚，一些高難度的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程可以讓學(xué)生在課后完成。讓學(xué)生對(duì)物理概念、原理和物理模型的掌握、理解和運(yùn)用是固體物理課程教學(xué)中的側(cè)重點(diǎn)。在進(jìn)行推導(dǎo)過程復(fù)雜但是結(jié)論又非常重要的內(nèi)容教學(xué)時(shí)，教師可以直接給出結(jié)果，這種做法是多數(shù)學(xué)生都能接納的。對(duì)于那些極少數(shù)需要更深層次學(xué)習(xí)的學(xué)生，我們可以將具體的數(shù)學(xué)物理推導(dǎo)過程放在課下，盡量讓這些學(xué)有余力的學(xué)生自主探究，遇到不能解決的問題再與老師進(jìn)行探索與討論。另外，教師對(duì)于較為詳細(xì)的固體器件所涉及的技術(shù)問題也要盡量減少描述。筆者從平時(shí)的教學(xué)中總結(jié)了一些心得體會(huì)，希望有助于學(xué)生吸收新知識(shí)和新內(nèi)容，不至于迷失和困惑。

一、分塊教學(xué)內(nèi)容，重視章節(jié)聯(lián)系

任何一門教材都有它的系統(tǒng)性，同時(shí)又包括很多的知識(shí)板塊，通過不同的章節(jié)闡述。固體物理教材也不例外，其中很多知識(shí)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立。鑒于這種特點(diǎn)，教師在教學(xué)過程中可以把教學(xué)內(nèi)容分塊，以模塊的形式來講授。以黃昆《固體物理》教材為例來說明。在本科階段主要講前七章，整體模塊大致包括：晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合、晶格振動(dòng)、能帶理論、電子論。其中，每個(gè)大的模塊又可以分為若干個(gè)子模塊。如電子論部分還可分為四個(gè)子模塊：金屬電子論、絕緣體電子論、半導(dǎo)體電子論以及電子在外場（電場、磁場）中的運(yùn)動(dòng)。這樣既有利于教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容的取舍，又有利于學(xué)生對(duì)各知識(shí)點(diǎn)的掌握。

盡管各個(gè)知識(shí)板塊涉及不同的內(nèi)容，但它們之間又有著一定的聯(lián)系。還是以黃昆《固體物理》為例。周期性“晶體結(jié)構(gòu)”形成的內(nèi)在因素與粒子間的相互作用有關(guān)，這樣就引出“晶體結(jié)合”的問題。構(gòu)成晶體的原子之間既吸引又排斥，這些相反性質(zhì)的作用力決定晶格在各自的平衡位置附近振動(dòng)，由此引出“晶格振動(dòng)”內(nèi)容。晶體中還包括電子，它們的狀態(tài)由“能帶理論”描述。導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體能帶結(jié)構(gòu)的不同，引出“電子論”部分。在平時(shí)教學(xué)中，以模塊為主線，能讓學(xué)生容易把握知識(shí)體系；將不同章節(jié)內(nèi)容串聯(lián)好，能讓學(xué)生容易貫通不同內(nèi)容與知識(shí)點(diǎn)。另外布置一些討論題讓學(xué)生們課下準(zhǔn)備，也可以加強(qiáng)前后知識(shí)聯(lián)系。例如，在一次討論課前，筆者布置了“聲子和光子的比較” 一題。由于準(zhǔn)備充分，學(xué)生們進(jìn)行了熱烈的討論，把心中容易混淆的概念搞清楚了。通過在不同知識(shí)領(lǐng)域中找聯(lián)系，在相近的概念中找區(qū)別，有力擴(kuò)大和增強(qiáng)了不同知識(shí)點(diǎn)間的縱橫聯(lián)系。

二、優(yōu)化傳統(tǒng)模式，巧用信息技術(shù)

晶格和電子是固體物理研究的主旋律，從晶格振動(dòng)到電子能帶論，既要用到深?yuàn)W的量子力學(xué)，又要運(yùn)用到抽象的倒格矢空間。如果僅僅憑著一塊黑板教學(xué)，很難傳授更多知識(shí)和取得良好效果。隨著當(dāng)今信息技術(shù)的快速發(fā)展，多媒體授課已成為不可缺少的一種教學(xué)手段。計(jì)算機(jī)可以靈活地把物理過程和物理圖像進(jìn)行逼真的模擬，將難懂的物理過程栩栩如生的展現(xiàn)給學(xué)生，將抽象內(nèi)容變?yōu)橹庇^形象的物理圖像。國內(nèi)多數(shù)固體物理教材，如黃昆的《固體物理》一開始就討論晶體的周期性結(jié)構(gòu)，這需要學(xué)生具有良好的空間想象能力和立體感。多媒體教學(xué)的運(yùn)用，有助于學(xué)生對(duì)固體微觀結(jié)構(gòu)的理解。通過視頻可以直觀展現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)、原胞形狀、倒格子、能帶結(jié)構(gòu)、晶格振動(dòng)等，使學(xué)生能進(jìn)行想象空間模型的構(gòu)造，更直觀的理解教學(xué)內(nèi)容。同傳統(tǒng)教學(xué)相比較，多媒體教學(xué)能夠增加課堂教學(xué)容量，既省時(shí)又省力，同時(shí)有助于學(xué)生對(duì)固體物理的學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的興趣，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)品質(zhì)，從而有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。

多媒體教學(xué)也有不足之處。因?yàn)槎嗝襟w畫面容易一晃而過，學(xué)生來不及思考，造成記憶模糊。在概念的講解和公式的推導(dǎo)等方面，學(xué)生還是比較喜歡板書，因此必須恰當(dāng)使用多媒體課件。筆者的體會(huì)是，使用多媒體但不依賴多媒體，將課件與板書有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)。同時(shí)要求課件內(nèi)容必須精粹，不能是書本的復(fù)制，更不能對(duì)著多媒體照本宣科。與多媒體教學(xué)相比，當(dāng)教師邊板書邊講解時(shí)，學(xué)生容易跟上老師上課的節(jié)奏，有充分的時(shí)間來理解知識(shí)點(diǎn)，梳理要點(diǎn)和做好筆記，師生間可以有較多的互動(dòng)。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(dá)到較好的教學(xué)效果。

三、培養(yǎng)科學(xué)思維，注重啟發(fā)引導(dǎo)

大學(xué)生在上大學(xué)前已經(jīng)接受了十幾年傳統(tǒng)的初等教育，積累了一定的知識(shí)和獨(dú)立思考的能力。大學(xué)階段不僅要向?qū)W生傳授知識(shí)，更重要的是培養(yǎng)大學(xué)生獨(dú)立思考和自主學(xué)習(xí)的能力。固體物理學(xué)不僅是一門重要的知識(shí)性學(xué)科， 而且其中許多研究方法具有普遍的指導(dǎo)和借鑒意義。因此在教學(xué)中，筆者特別重視啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生，讓他們通過解決實(shí)際問題，養(yǎng)成科學(xué)的思維習(xí)慣。如講授“金屬電子論”時(shí)，由于金屬中電子的運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的，要想求解電子的精確狀態(tài)是非常困難的，實(shí)際也是沒必要的。筆者分三個(gè)步驟去講解：首先設(shè)想電子與晶格以及電子與電子之間沒有任何作用（等效為自由電子）；再考慮邊界條件（等效為量子力學(xué)中的有限深勢阱問題）；最后考慮晶體結(jié)構(gòu)具有周期性（晶體內(nèi)部電子也存在同樣的勢函數(shù)）。這樣通過循序漸進(jìn)的啟發(fā)，學(xué)生很容易理解晶體的電子比熱、熱發(fā)射和導(dǎo)電機(jī)制。這種師生互動(dòng)的課堂氣氛極大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和求知欲望。

在教學(xué)過程中，要有目的性的創(chuàng)造情境，讓學(xué)生不由自主的參與問題討論。例如，講授“布洛赫定理”這一節(jié)，布洛赫波是一個(gè)非常重要的概念，但學(xué)生往往不明白它的表達(dá)式的由來和物理意義。在講授時(shí)，先讓學(xué)生回憶量子力學(xué)中自由電子波函數(shù)的形式，之后再說明晶體中電子不是自由的，而是受到周期性晶格勢場的調(diào)制。在學(xué)生知道自由電子的波函數(shù)是平面波的基礎(chǔ)上，再啟發(fā)引導(dǎo)：晶體中電子波函數(shù)要受到晶格勢的調(diào)制，所以在平面波的波函數(shù)相因子前需要添加一個(gè)調(diào)幅因子。經(jīng)過這樣一個(gè)“導(dǎo)演”過程，學(xué)生就清楚了布洛赫波函數(shù)為什么由兩部分構(gòu)成的原因。通過聯(lián)系前后新舊知識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生思考問題的方式和運(yùn)用知識(shí)的能力。

四、立足書本知識(shí)，滲透前沿科學(xué)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，教師不僅要向?qū)W生傳授書本知識(shí)，而且還要傳遞更多的信息。因此面對(duì)不斷涌現(xiàn)的新的現(xiàn)象和新的科研成果，固體物理學(xué)的前沿動(dòng)態(tài)在教學(xué)中應(yīng)該有所反映，這將有助于學(xué)生明確自己的努力方向，同時(shí)也開闊了學(xué)生的視野。以黃昆的《固體物理》教材為例，筆者在講授“元素和化合物晶體結(jié)合的規(guī)律性”時(shí)，就聯(lián)系自己的科研項(xiàng)目和研究領(lǐng)域，通過介紹石墨和碳納米管中碳原子的成鍵狀態(tài)的不同，闡明造成二種材料物理性質(zhì)的差異。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹低維碳納米材料近年來的國內(nèi)外研究進(jìn)展和應(yīng)用。講授“能帶理論”時(shí)，筆者介紹石墨烯的獨(dú)特能帶結(jié)構(gòu)，說明維度不同的體系可以形成截然不同的能譜。再如，拓?fù)浣^緣體就是從能帶意義上定義的一種新型物質(zhì)。在低能極限下，石墨烯呈現(xiàn)出線性的能量色散關(guān)系，使得傳導(dǎo)電子可以看作是無質(zhì)量的Dirac費(fèi)米子，這種類似于光子的特性，使其可用于相對(duì)論量子力學(xué)的研究，同時(shí)表明其獨(dú)特的載流子特性和優(yōu)異的電學(xué)特性，這些都是近幾年凝聚態(tài)物理的研究熱點(diǎn)。講授“電導(dǎo)和霍爾效應(yīng)”時(shí)，在學(xué)生掌握經(jīng)典霍爾效應(yīng)的基礎(chǔ)上，再介紹量子霍爾效應(yīng)和自旋量子霍爾效應(yīng)。這樣，把科學(xué)前沿知識(shí)引入課堂，不僅可以讓學(xué)生強(qiáng)烈地感受到科學(xué)發(fā)展的脈搏和動(dòng)力，極大的拓展了學(xué)生的視野，還可以激發(fā)起學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)學(xué)科理論實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新的勇氣和欲望。

總之，本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)目標(biāo)等方面介紹了固體物理教學(xué)的一些心得體會(huì)，探討了如何讓學(xué)生更好地掌握這門課程的方法。我們的課程教學(xué)改革有效地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們變被動(dòng)學(xué)習(xí)為快樂主動(dòng)學(xué)習(xí)，學(xué)出信心和收獲，使教師教學(xué)得心應(yīng)手，讓師生共同分享到固體物理課程教學(xué)的樂趣和成效。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]