材料學科專業(yè)的固體物理模塊化教學改革探索

王玉玲，徐 權，郝淑娟

(大慶師范學院 機電工程學院，黑龍江 大慶 163712)

材料學科專業(yè)的固體物理模塊化教學改革探索

王玉玲，徐 權，郝淑娟

(大慶師范學院 機電工程學院，黑龍江 大慶 163712)

基于固體物理本身的課程特點，結合材料學科人才培養(yǎng)目標，對固體物理課程的教學內(nèi)容、教學模式和教學方法等進行了深入的研究和探索，提出將固體物理課程內(nèi)容以學生能力培養(yǎng)目標為基準進行模塊劃分，每一模塊都滲透理論、實驗、創(chuàng)新項目和企業(yè)實踐等內(nèi)容，將理論知識學習和實踐技能培養(yǎng)交替實施，環(huán)環(huán)相扣，使學生的理論知識與實踐技能高度融合，最終達到基礎理論知識和實踐創(chuàng)造能力的雙螺旋上升。

固體物理；模塊化教學；應用能力

0 引言

固體物理是研究物質(zhì)的結構及其組成粒子(原子、離子、電子等)之間相互作用與運動規(guī)律、進而以物質(zhì)的微觀特性闡明其宏觀性能與用途的學科。固體物理是材料學科的基礎，在現(xiàn)代科技中發(fā)揮著重要作用[1]。早期這門課程只在物理學專業(yè)中開設，隨著科技的飛速發(fā)展，學科間的交集增加導致學科融合日益顯著，科學發(fā)展開始向綜合性邁進。作為基礎學科的固體物理，在不同學科中的基礎應用越來越多。

材料學是研究材料組成、結構、工藝、性質(zhì)和使用性能之間相互關系的學科，為材料設計、制造、工藝優(yōu)化和合理使用提供科學依據(jù)[2]。與固體物理的物性分析的本質(zhì)相比，在材料學中，材料的工藝性與使用性才是關注研究的重點。因此，材料學的理論基礎不僅涉及固體物理，還包含材料化學、電子工程等。固體物理作為材料類專業(yè)必修的專業(yè)基礎課程，實際起著基礎理論知識與實際應用技術紐帶的作用，也是進一步學習、理解和設計其它先進材料的理論基礎。本文結合固體物理課程的自身特點和材料學專業(yè)的方向定位，并結合當前培養(yǎng)高素質(zhì)材料科學應用型人才的目標，對固體物理課程的教學進行模塊化調(diào)整和教學方案優(yōu)化。

1 教學內(nèi)容的改革

1.1 教學改革的原則和目標

固體物理學是一門重要的、具有廣泛應用的基礎理論學科。為人們按需要性能設計材料提供科學依據(jù)，是當前新材料、新器件的“生長點”，因此材料學專業(yè)中的固體物理課程，不僅能使學生通過物質(zhì)微觀性能和運動規(guī)律分析其宏觀性能和用途，更重要的是有益于學生知識結構的完善和拓展，擴大學生的科學視角，為其今后從事材料學相關專業(yè)奠定堅實的理論基礎。在材料類專業(yè)固體物理教學改革中，既要傳授基礎理論知識，又要培養(yǎng)學生的動手實踐能力。固體物理課程改革的核心是教學內(nèi)容的改革，其原則是“強化基礎，聯(lián)系現(xiàn)實，培養(yǎng)能力，激勵創(chuàng)新”。 據(jù)此，將固體物理課程按課程內(nèi)容和學生能力培養(yǎng)目標為基準進行模塊劃分，每一模塊都滲透理論、實驗、企業(yè)實踐和創(chuàng)新項目的內(nèi)容，理論知識學習和實踐技能培養(yǎng)交替實施，環(huán)環(huán)相扣，最終達到理論教學與實踐教學深度融合。

1.2 根據(jù)專業(yè)學科定位調(diào)整和優(yōu)化教學方案

依據(jù)我院材料科學與工程專業(yè)的學科定位，在本門課程教學過程中，要將材料類學生的固體物理教學與物理類學生區(qū)分開來，因材施教。針對材料類學生的特點，教學過程中，不僅基本概念要清晰, 而且概念的內(nèi)涵和外延也要讓學生掌握。遇到物理背景較深的部分，教學中切忌追求復雜的數(shù)學推導，此時應當重在對學生物理思想的滲透，要深入淺出，把握重點。對于某一個具體理論，要重點闡述理論的建立過程與物理模型，而且做到物理模型盡量簡單，旨在讓學生掌握用固體物理學分析和解決問題的方法。固體物理是一門與實踐緊密相關的課程, 在固體物理教學中, 應按知識模塊適當安排實驗, 以激勵學生帶有主動性、自覺性和創(chuàng)造性的去學習, 使學生深入了解所學知識的用處和價值。

1.3 調(diào)整和編寫教學大綱

采取課程團隊式教學模式，結合材料科學與工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標，依據(jù)教學內(nèi)容，采取模塊化授課的教學形式。依據(jù)“理論課首先讓學生了解所學知識用途，實驗課讓學生初步懂得所學知識實際怎么用，實踐課讓學生進一步能夠自己動手用，創(chuàng)新項目課讓學生最終自己會靈活運用”的應用型人才培養(yǎng)的目標[3]。同時，要多參考固體物理教學專家和企業(yè)專家的建議，并且結合材料類固體物理國家級、省級精品教學資源和專業(yè)教學研究論文等方面進行深入調(diào)研，遵循“集中編排，避免重復，相互協(xié)調(diào)，遞進提升”的方式，多角度地對課程教學內(nèi)容進行優(yōu)化整合，明確課程內(nèi)容間的主次和關聯(lián)，科學設計課程教學內(nèi)容[4]。

1.4 教學內(nèi)容的模塊化調(diào)整

固體物理課程主要包括兩部分的內(nèi)容, 一部分為晶體結構、晶體結合、晶格振動、金屬自由電子理論、固體的能帶理論等固體物理學的基礎知識部分；另一部分為半導體、超導體、非晶態(tài)固體、固體的磁性等專業(yè)知識部分，內(nèi)容較多[5]。但材料學專業(yè)固體物理課程學時安排的都較少，豐富的教學內(nèi)容與縮減的學時之間存在尖銳的矛盾。針對這一問題，采取的措施是，依據(jù)專業(yè)定位和人才培養(yǎng)方案，適當減少傳統(tǒng)固體物理內(nèi)容與材料學關聯(lián)不大的內(nèi)容，在教學過程中要做到有的放矢，而不是面面俱到，抓住課程的主線，主要講授核心內(nèi)容，刪去枝節(jié)，給學生展現(xiàn)一個清晰的固體物理課程的圖像即可[6-7]?；谶@一原則，我們選取包括晶體結構在內(nèi)的基礎部分的七個章節(jié)作為大綱教學內(nèi)容，對專業(yè)部分的與材料類專業(yè)聯(lián)系緊密的半導體部分，因為后續(xù)專業(yè)課部分中會開設半導體物理課程，本課程采取制作關于半導體基礎理論的網(wǎng)絡教學資源，以學生選修課的形式做好本課程與后續(xù)課程的知識銜接。對優(yōu)化調(diào)整后的教學內(nèi)容采取模塊化的教學方式，每個模塊包括，理論教學、實驗教學和前沿、熱點問題專題講座，理論和實驗課時計入固體物理總學時，而專題講座以網(wǎng)絡視頻的形式呈現(xiàn)給學生，具體的模塊劃分如表1。

表1 固體物理教學模塊劃分和考核

雖然采用模塊化教學，但教學的過程中，要時刻注意各模塊內(nèi)容之間的聯(lián)系、各章節(jié)內(nèi)容的連貫性和各知識點之間的網(wǎng)絡交叉，切忌將各模塊內(nèi)容隔離開來。總之在整個教學過程中要始終貫穿一條主線，即固體物理是從微觀角度揭示物質(zhì)宏觀物理現(xiàn)象的學科。

2 突出應用能力培養(yǎng)

在固體物理教學中，根據(jù)模塊劃分，將實驗教學內(nèi)容穿插于課堂講授過程之中。增加實驗教學的目的是，通過實驗與理論相結合，探索更加合理優(yōu)化的教學方式、方法；同時因材施教，鍛煉學生自身的動手能力、同時讓學生領會實驗的設計思想。

在理論、實驗教學的同時，基于教師科研實際, 應依據(jù)教學內(nèi)容，適時把材料研究的前沿和熱點問題引入課堂，以此鞏固所學知識和提高學生學習興趣[8]。如在材料晶體結構和結合模塊，開設碳納米管和石墨烯的最新研究進展專題講座，介紹碳的同素異形體在材料研究前沿的進展情況，使學生進一步明確材料的微觀結構決定材料的宏觀性能和用途。波色-愛因斯坦凝聚中物質(zhì)波局域模行為特性的研究專題講座，讓學生進一步明確晶格振動的能量量子化問題。光子晶體和聲子晶體的研究現(xiàn)狀及進展專題講座開展，目的是進一步突出能帶理論在進行材料的能帶工程設計中的理論基礎作用。摻雜對稀土發(fā)光材料性能影響的專題講座，進一步強調(diào)缺陷在材料晶體設計中的作用。

系列前沿專題講座的題目選取也結合教師的科研實際，不但讓學生感覺到了科學發(fā)展的脈搏和動力，并且，依據(jù)學生自身的興趣，學生以創(chuàng)新課題的形式參與到教師的科研中，通過創(chuàng)新課題的科研實踐，增強學生的科學素質(zhì)、培養(yǎng)學生的科學思維能力和創(chuàng)新意識。總之，通過課程內(nèi)容模塊化劃分，以創(chuàng)新項目為牽引，真正做到“理論課讓學生知道干什么用，實驗課讓學生懂得怎么用，創(chuàng)新項目課讓學生綜合靈活運用”的應用型人才培養(yǎng)目標要求，潛移默化的讓學生掌握科學思維方法，真正實現(xiàn)教學過程“教學做”的融合貫通。

3 網(wǎng)絡教學資源的建設

在固體物理的教學過程中, 要時刻謹記，課程教學不是單一的教師對學生的知識灌輸，而是教師和學生雙方互動的過程，要引導學生成為主動學習的主體。在這門理論性極強的課程授課中，如果師生互動較少，極易使學生感到枯燥乏味[9]。為了更好的做到教學過程中的師生互動，逐步達到整體教學的教師為主導，學生為主體的目標，要建好固體物理這門課程的網(wǎng)絡資源。網(wǎng)絡教學平臺要集合網(wǎng)絡學習、網(wǎng)絡布置作業(yè)、網(wǎng)絡討論和答疑等功能，力爭為學生提供更全面的預習和復習資料。同時，通過網(wǎng)絡教學平臺中的視頻和學習資料，對于相對簡單的知識環(huán)節(jié)，可以以MOOC的形式開展，讓學生更好的發(fā)揮學習的主觀能動性，培養(yǎng)其分析分體和解決問題的能力。

4 結 語

總之，材料學科中固體物理的教學，要結合人才培養(yǎng)目標，從理論、實驗、專題講座、創(chuàng)新課題和網(wǎng)絡資源建設等方面多角度地對課程內(nèi)容進行優(yōu)化。明確課程內(nèi)容間的主從關系、層次關系以及內(nèi)在聯(lián)系，科學合理的設計課程教學內(nèi)容和教學方式、方法。通過不斷的教學探索和改革，真正達到提高學生靈活知識應用能力和科學研究素養(yǎng)的目的。

[1] 趙軍偉，趙覓．材料類專業(yè)固體物理課程創(chuàng)新教學改革與實踐初探[J]．輕工科技，2012(1)：134-135．

[2] 蘇興華．材料學科專業(yè)的固體物理課程教學改革探析[J]．科技創(chuàng)新導報，2012(21)：107-188．

[3] 徐權．地方應用型本科院校產(chǎn)學研合作教育模式探究[J]．大慶師范學院學報，2014，34(6)：102-106．

[4] 惠群，程南璞，陳志謙．材料學專業(yè)固體物理課程教學改革與實踐[J]．西南師范大學學報，2011，36(6)：167-171．

[5] 閻守勝．固體物理基礎[M]．北京：北京大學出版社，2003．

[6] 關玉琴．根據(jù)專業(yè)特色調(diào)整與優(yōu)化固體物理教學分析[J]．中國電力教育，2014(2)：121-122．

[7] 鐘佑潔，楊尊先．基于現(xiàn)代信息技術的固體物理教學改革研究[J]．技術物理教學，2013，21(3)：1-4．

[8] 吳明在，戴鵬，于欣欣，等．研究性學習在固體物理教學中的探索與實踐[J]．科技創(chuàng)新導報，2013(5)：194．

[9] 王少昊，施隆照，魏榕山．卓越工程計劃下的固體物理教學改革[J]．物理通報，2015(4)：13-17．

[責任編輯：崔海瑛]

王玉玲(1979-)，女，黑龍江肇東人，講師，博士，從事高等教育教學方面研究。

黑龍江省高等教育教學改革項目(GJE201301102)。

G642.3

A

2095-0063(2016)06-0135-03

2016-07-10

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095-0063.2016.06.029