少學時固體物理課程教學改革分析

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摘要:面對目前高校普遍減少固體物理課程學時，提高少學時固體物理課程的教學質量是固體物理課程教學改革需要解決的重要問題。以學生為中心，從課程教學的理念、內容、方法、手段和考核等方面對少學時固體物理課程教學改革進行研究，以提高教學質量。

關鍵詞:固體物理；少學時；教學改革

固體物理是物理學專業一門重要的專業課程，也是電子、光電、材料等理工科專業重要的專業基礎課之一[1]。由于目前高校采用學分制、選課制，普遍減少專業課程的學時，固體物理課程學時也因此減少了。比如，物理類固體物理學時已減到48學時，有些工科專業固體物理學時甚至壓縮到32學時。固體物理課程內容多、理論性強[2]，造成在少學時條件下教師完成教學任務的壓力大、學生學習的難度大。固體物理課程的教學理念陳舊、教學內容經典但沒有及時更新、教學方式傳統單一、學生缺乏學習主動性[3,4]，不利于學生解決問題的能力及創新能力的培養。因此在少學時情況下高質量完成固體物理教學任務,是當前固體物理課程教學改革迫切需要解決的重要問題。本文將從課程教學的理念、內容、方法、手段和考核等方面，以學生為中心，探討在少學時條件下進行以提高教學質量為導向的固體物理課程教學改革。

1革新教學理念

改革傳統固體物理的教學模式，首先是教育理念要結合課程的教學目標進行革新。在固體物理教學中，教育理念要從傳統的“教師中心”轉變為“學生中心，教師主導”，確立學生發展作為課程教學的最終目標，在少學時下優化和創新課程的教學內容、教學方式和評價考核，增強教學內容的學術性、研究性，以靈活多元化的教學方法、手段引導和激發學生主動學習，使學生從“要我學”變為“我要學”，通過固體物理的基本概念、理論、研究方法和應用來強化對學生思維、研究和創新等能力的培養。

2改革教學內容

2.1傳統教學內容的優化。抓住傳統教學內容的主線[2]，調整教學側重點，減少煩雜的公式推導，簡化方程的求解過程，協調教學用時與各章節教學內容的關系，保持課程內容的系統性和連貫性，使學生在少學時情況下理解和掌握固體物理的基本理論知識，形成一定的固體物理思維能力和創新能力。經優化后的傳統固體物理教學內容為基礎理論部分和理論應用部分。基礎理論部分是學生所要掌握的固體物理基礎知識，包括晶體結構、晶體結合、晶格振動、能帶論和電子論等五個章節內容[3]。基礎理論部分的每一章節都安排教學側重點，例如第三章晶格振動和晶體熱學性質，重點掌握一維晶格的振動及其量子化、聲子的概念、晶格熱容理論和非諧效應。其他章節如半導體理論、固體磁性和超導電性等內容是理論應用部分，是前五章基礎知識的應用推廣，這部分讓學生課外自主學習，通過讀書報告的形式，檢查學生學習效果。2.2學科發展史的補充。在優化整合后的固體物理教學內容基礎上，適當在各章節里補充一些固體物理學科發展史的介紹，使學生了解固體物理理論的產生歷史背景，明白新理論要經過長時間發展才能形成邏輯嚴密的理論，激發學生學習興趣，培養學生獨立思考的能力和不斷探索進取的科學精神。例如，介紹金屬電子論發展史。1900年建立的經典電子論成功解釋了金屬電導、熱導等的特性，但對電子熱容量的解釋遇到巨大困難；1928年利用量子統計理論重新建立的金屬電子論成功解釋了自由電子對熱容量的貢獻。2.3前沿研究成果和熱點知識的添加。固體物理學科領域包括晶體物理、金屬物理、半導體物理、納米物理等多個分支學科。隨著實驗設備的更新換代和現代科技的進步，固體物理學科不斷涌現新成果、新概念和新理論[4]。因此，適當在教學內容中添加一些固體物理的前沿研究成果和熱點知識，是體現固體物理教學內容與時俱進的優化，開拓學生的視野，強化了學生對基礎知識的理解，了解固體物理學科的前沿進展和最新科研成就以及與其他高新技術應用的聯系，有助于學生創新能力的培養。例如，在晶體結合章節，講授共價鍵和軌道雜化時，引入2010年諾貝爾物理獎“石墨烯”的簡介，讓學生了解石墨烯是由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，也介紹了近年來我國在石墨烯結構材料及在光學、電學、力學性質調控方面的最新科研成果。

3改革教學方法

3.1模塊化重點和難點。在固體物理教學過程中，要把傳統“一言堂”教學轉變為“學生中心，教師主導”的教學模式。教師備課時要結合學生特點，精心設計每一堂課的教學安排，把重點和難點內容模塊化，講述理論的建立過程，注重物理模型和研究方法以及基本概念內涵和外延的解釋，讓學生把握重點、突破難點，學會理論分析和解決問題。在每個重點和難點模塊，設置一些小問題，比如，問學生關于金剛石和石墨結構的異同點、哪種晶體結合容易形成絕緣體、如何作圖畫二維長方晶格的布里淵區等，在教師的主導下，啟發學生主動思考、尋求問題的解決方法。3.2理論與實際相結合。在課堂教學過程中，將固體物理理論知識與實際應用相結合。例如，在講述一維晶格振動時，把一維單原子鏈和雙原子鏈的色散關系與在電子系統中廣泛應用于信號處理、數據傳送和抑制干擾的濾波器聯系起來，把一維單原子晶格和一維雙原子晶格分別看成低通濾波器和帶通濾波器，可在特定頻帶內實現有用信號通過、抑制無用信號。進而引導學生思考，當晶體中存在雜質時，晶格振動模式是否會變化，怎樣變化？再結合關于摻雜引起頻移的前沿科研進展，如硅中的硼形成高頻模，使學生對有無雜質影響的晶格振動譜有了較全面清晰的認識，激起學生學習興趣，開拓了學生思維，通過理論聯系實際強化了對知識的掌握。3.3布置課后的思考題和研究報告。在每一章的課后作業布置上，除了精選課本上的習題作為作業題外，還布置與章節內容相關的一些思考題，以及課后查閱相關科研熱點的科研文獻并寫成研究報告。學生通過這些作業開闊了視野，養成了一定的思維能力、研究能力和創新能力，從而提高課堂教學質量。

4改革教學手段

固體物理教學內容有很多教學重點和難點，如晶格結構、原胞、布里淵區和費米面等復雜抽象的模型及概念。以往在“課件+板書”課堂教學中，常用平面圖片來顯示這些抽象的模型及概念，但由于學生空間立體想象力較差，不易于理解，導致教學效果不佳。因此，教師應利用現代化信息技術，制作關于抽象復雜模型及概念的動畫、視頻和圖片等各種課件的顯示方式，完善固體物理多媒體課件。多樣化的課件顯示彌補了學生空間立體想象力的不足，使學生能較好地理解教學的重點和難點，從而提高教學質量。例如，在講解面心立方和六角密排等的晶格結構時，通過動畫播放形式，生動直觀地顯示了面心立方和六角密排等這些晶格結構中不同的原子排列方式，容易明白這些晶格的密堆積方式。

5改革考核方法

以往固體物理課程考核采用的是“平時成績30％+期末成績70％”的評價方式[5]，其中平時成績包括考勤和作業。但這種考核方式偏重期末成績，不注重過程考核，不利于培養學生分析解決問題的能力以及創新能力。要改變這種狀況，必須改革課程考核方法，調整平時成績和期末成績的評價比例，加強過程考核。比如，平時成績占40％，期末成績占60％，平時成績包括考勤、作業、課堂小測驗、讀書報告、調研報告等。

6結語

在少學時情況下，提高教學質量是固體物理課程教學改革需要解決的重要問題。要提高教學質量以培養高素質創新人才，少學時固體物理課程教學改革必須以學生為中心，革新教學理念，改革教學內容、方法、手段和考核方式，增強學生學習主動性，培養學生解決問題能力及創新能力。

參考文獻

[1]黃昆,韓汝琦.固體物理學[M].北京:高等教育出版社,1988.

[2]楊尊先,郭太良,李福山,等.基于材料器件類科研平臺向本科生開放的固體物理教學改革試探[J].物理通報,2019(2):2-5.

[3]唐宇,張怡,葉益聰,等.“正奇結合”:材料專業“固體物理”課程教學探索[J].科教文匯,2019(23):78-79,86.

[4]尹康,董運洪,周前能,等.微電子專業固體物理課程教學改革分析[J].西部素質教育,2018(20):144-146.

[5]李劍鋒.固體物理中教學改革的初步嘗試[J].科教文匯,2016(371):45-46.

作者:陳淵 陳繼培 李文安 單位:廣州大學物理與電子工程學院