固体物理教学改革的探索与实践

郝淑娟　徐权　董云峰　刘永皓　冯瑞姝

摘要：针对物理学专业固体物理课程的内容特点和教学实际，通过总结教学经验，充分利用学校现有教学资源，积极对课堂教学进行大力的实践和改革并取得了较好的成效，为物理学专业课程的课堂教学改革进行了有益的探索和实践。

关键词：固体物理；课堂教学；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）17-0129-02

固体物理是研究固体的结构及其组成粒子（原子、离子、电子等）之间相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科。固体物理与凝聚态物理和新材料科学紧密相连，是现代科学技术的重要物理基础，是当今物理学领域中最重要的学科之一，因此它是物理学专业高年级的一门重要基础理论与应用的课程。该课程对固体的结构和性质的研究是从原子、电子和分子的角度进行的。它与金属物理、普通物理、材料科学、热力学与统计物理，尤其是量子力学等相关学科联系非常紧密。对于固体电子论、固体的磁性、晶格振动和晶体的热学性质、超导体、半导体等专题要着重研究。所以说，在物理学专业起到承前启后作用的专业课程是固体物理。如何较好地讲授该门课程，取得良好的教学效果，是一个值得深入研究的问题。就当前固体物理在教学实践中出现的问题，我们从其教学手段、教学内容和教学方法等三个方面进行探索性的实践与改革。

一、教学中存在的问题

1.教学内容方面的问题。首先固体物理课程所包含的知识面较为广泛，理论性和专业性较强，抽象难懂，大量运用比较复杂的数学处理方法，增加了学习强度，使学生的学习变得较为困难。其次，固体物理的较高要求，使得学生的空间想象能力变得更加丰富，尤其是在学习晶体结构这部分内容的时候，空间想象是必不可少的，这更进一步地增加了学习难度。再者，由于诸多方面的原因导致固体物理教学学时紧张，固体物理课程被不可避免的压缩删减。这样就使得教师在基本的讲授时间之外，选择用很少的课余时间进行专题讲解，这样非常不利于拓展学生的视野和知识层面。另外，在社会不断进步、科技发展迅猛的时代，激光、半导体、超导等一系列现代科学技术的研究均取得了很大的突破，固体物理学科发展也发生着日新月异的变化，层出不穷的高新技术，不断涌现出来的新概念，而现有的经典教材却少有前沿知识的更新，对固体物理前沿的新动态、新成果、新概念介绍得不够，这样就很容易导致学生缺乏学习的动力和兴趣，同时也给我们的固体物理教学带来了严峻的挑战。

2.教学手段方面的问题。传统的固体物理教学手段基本采用“黑板+粉笔”的传统模式，教师依然使用传统教具和较为抽象的语言来传授知识，没有具体的形象描述。而固体物理课程内容相对丰富，对于稍微复杂的三维晶体结构、倒易空间及其能带结构和特点等难以描述清楚，致使学生难以理解一维到三维的扩展，对该门课程没有形象深刻的认识，感觉很空洞，对固体物理的基本定理、公式、概念等没有较多的体会，这就让固体物理变得非常难学，学生越学越受挫，从而对固体物理失去学习的兴趣，最终导致学生对固体物理产生厌学情绪。

3.教学方法方面的问题。固体物理教学的传统形式比较单一，“填鸭式”教学模式让教师成为主体，教师唱独角戏。这种教学模式强调理论知识全面，公式推导严谨、精练，只能使学生被动地接受前人已经积累的知识，单纯靠机械记忆，从而降低了学生的理解程度。这种教学模式也没有对学生进行很好的引导，让学生积极主动地去思考和研究，去发现问题和提出问题，甚至解决问题，限制了学生的创造性。教学方法的单一也使学生缺少了对本门课程的整体认识，不知道各章节间的联系，脑中只有零散的知识点，学习效果大打折扣，觉得固体物理课程原理多、模型多、定律和概念多，这就更容易使学生对固体物理学习失去兴趣。在教学过程中大量讲授物理模型的推导过程，比如黄昆的《固体物理》中能带理论等章节含有大量涉及量子力学的理论推导，这使学生接受起来比较困难，学生对理论性相对较强的内容可能不太感兴趣，而对实用或未来就业价值更高的知识比较感兴趣。

二、课程教学改革和实践

针对我校的实际情况和固体物理课程教学中存在的诸多问题，我们相应改革了课堂教学方法、教学手段和教学内容，以期推动固体物理课程的建设。

1.优化教学内容。针对本校本专业学生的特点以及课程的学时安排，对固体物理课程内容进行优化和整合。第一章晶体结构，主要讲述晶格、周期对称性、几种基本的晶体结构和倒格子；第二章固体的结合，主要介绍晶体结合力的物理本质，并介绍基于不同结合力的几种基本晶体类型；第三章晶格振动和晶体的热学性质，重点讲述爱因斯坦模型、德拜模型以及一维单原子链和一维双原子链，其他内容让学生自学；第四章能带理论，主要讲述布洛赫定理，近自由电子近似，紧束缚近似，固体能带，能带结构计算，介绍费米面和态密度定义及其物理实质；第五章晶体中电子在电场和磁场中的运动，讲述特定电场、磁场下电子的运动规律；第六章缺陷，简要讲述缺陷产生机制，介绍点缺陷，其他内容安排学生自学。

另一方面，在教学内容中适当添加一些与本学科相关的现代技术和物理前沿，开阔学生眼界、提高学习兴趣和积极性。

2.教学手段多样化。以前课堂教学是单一的黑板教学，而固体物理对学生的空间想象能力要求高，因此，为提高课堂教学质量和讲课效率，引入具有生动、形象、直观、灵活、信息量大等突出优点的现代多媒体教学。根据教学内容在网络上选择合适的动画和图片，设计和建立一套完善的多媒体课件教学系统。比如，在讲晶体结构的时候，可以加入氯化钠、金刚石等晶体的三维结构图，让学生360度观看晶体结构；在讲布里渊区的时候，利用ppt动画效果，使学生深刻理解布里渊区的画法。但是，在实际教学过程中也暴露出仅用多媒体教学的不足之处。据学生反映，多媒体画面具有瞬息多变、一晃而过、翻页太快使学生来不及思考、概念印象模糊、记忆肤浅等弊端，因此必须恰当使用多媒体课件。笔者的体会是，使用多媒体但决不能依赖多媒体，而是将使用多媒体课件与传统讲课方法有机结合，实现优势互补，获得最佳授课效果。这就要求多媒体课件不能是书本的拷贝，更不能对着多媒体课件照本宣科，而是要求课件制作必须精良，使用要恰到好处。endprint

将一些国内外优秀的记录片引入到固体物理的教学中。如，在课程的开始阶段介绍该教材的编著者——黄昆先生。我们可以以记录片的形式介绍黄昆先生的生平，让学生在了解编著者的同时，对这本教材也有更进一步的了解，这就很容易地调动起学生对本门课程的学习兴趣。又如，在讲解超导时，教师可以运用《绝对零度》这一纪录片，让学生对超导体的特殊性质和超导的研究历史有更加形象的认识。

3.教学方法灵活化。结合本校本专业学生的特点，灵活的运用教学方法，选择学生易于理解的方法进行讲授，尽量避免大量的数学推导过程。对于物理概念、物理原理和物理模型的描述是固体物理教学中具体问题阐述的着重点，同时，教师对于较为详细的固体器件技术问题和较为繁琐的教学推导都要尽量减少。在讲解推导过程较为复杂但结论却很重要的内容时，教师一般会直接给出结果，这是大多数学生都愿意接受的，相对于那些少数需要更深入学习研究的学生，我们就可以采取将具体的推导过程用别的课件给出的形式，尽量让学生自主学习探究，碰到问题再与老师进行探讨。

在教学中贯彻“教为主导，学为主体”的原则。采用启发式教学，让学生在教学过程中通过积极思考对问题进行发现和提问，促使学生对知识的学习由被动变为主动。在各章节的教学中也采用同样的方法，使学生对教学内容进行深入思考，并且经常联系前面学过的知识，找出知识点间的关系，使学生对教学内容有宏观的认识，避免知识学的零散杂乱。

三、结语

当今社会，科学技术的不断进步与发展，使得固体物理教学也面临着越来越多的改革和挑战，固体物理的教学诸方面也要进行相应的调整和转变。针对物理学专业固体物理课程特点，结合本学校本专业学生特点，开展该课程课堂教学内容、教学手段和教学方法的改革与实践，有效地调动了学生的学习兴趣，变被动学习为主动学习，使学生学出了自信和成效，让老师和学生共同分享到课堂教学改革的乐趣和收获，为物理学专业课程的课堂教学改革进行了有益的探索。

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