《固体物理导论》教与学反思

韩成良 周敏 庄林林 胡进

摘要：《固体物理导论》是我校无机非专业本科开设的一门重要的专业基础课。我校无机非本科专业的定位是培养功能材料与技术方面的应用型人才，因此该专业的学生必须具有一定的固体物理方面的知识。本文总结了笔者十多年来在固体物理课程教学中的一些教学感受和体会，结合许多学生的学习心得，指出目前《固体物理导论》课在我校无机非专业本科生中教与学两方面所存在的一些问题及相应的改进措施，旨在为进一步改善教学和提高应用型人才培养质量提供指导和借鉴。

关键词：固体物理；教学问题；独立学习；教学反思

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）19-0208-02

一、引言

固体物理中的相关理论已在磁学半导体、超导和激光等现代科学研究领域获得了重大进展，相关研究成果已经迅速转变为实际生产力，并带动了相关信息科学技术群的高速发展。在20世纪50年代末，“固体物理”被采纳为我国物理专业的一门基础课。固体物理通过研究和学习固体的结构及组成固体的粒子之间相互作用与运动规律来阐明其性能和用途，涉及内容包括固体中的原子结构、晶体结合规律、固体电子运动方程及能带结构、金属导体的导电机制、半导体的基本原理和超导性的基本规律等，因此，“固体物理”已成为物理学科和材料学科的专业主干课之一。

本文从合肥学院化工与材料工程系目前的固体物理本科教学实际情况出发，针对我校应用型人才培养的特殊需求，对学生的学习情况进行调查，优化整合课堂教学内容，并结合现代多媒体技术对教学内容、考评方式和方法提出合理改革措施，旨在为进一步改善教学和提高应用型人才培养质量提供指导和借鉴。

二、学生对该课程的学习体会

首先，学生普遍反映固体物理这门课程的难度比较大，即使在课堂上认真听课和做笔记，仍然有多数学生反映还存在对许多概念模糊不清和不能理解的现状，无法对本课有一个更系统的认识和理解。

其次，多数学生认为固体物理这门课与材料科学基础、无机材料科学基础和无机材料物理性能等前修课有一些相似之处，这在一定程度上既为一些学生学习《固体物理导论》带来了便利，又带来了干扰。学生认为，很多知识点已经学过，在学习固体物理时遇到，再次学习时又有了更深一层次的认识，掌握的更牢固；而有些概念曾经遇到过，或现在开始学，总觉得有些专业术语就是艰涩难懂，故而产生畏惧的心态。

最后，固体物理学习通常是在看不见、摸不着的动量空间（或波矢空间）中来理解一些问题，在真实的空间里反而不好理解，这一点对于许多学生来说，难度确实有点大。

三、教学内容、方法及考评改革

（一）精选内容原则

固体物理是研究固体的微观结构以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的科学。该课程理论性强，内容庞大，其内容主要包括晶体结构、晶格振动和晶体的热学性质、固体电导理论、固体介电性质、固体的磁性以及固体的光学性质等。对我校无机非专业本科教学而言，由于课时相对有限（40学时），必须坚持有所教和有所不教之原则，而对学生的要求也必须坚持有所学和有所不学之原则。依据我们的人才培养方案要求，无机非专业本科人才培养侧重于功能材料及其应用等方面，所以，在讲授固体物理这门课程时，由于受到学时和实际培养目标要求的限制，我们精选了两个方面的内容来进行讲授，即以晶格振动和能带理论为重点讲述内容。而传统固体物理课程内容主要包括晶体的结构、晶格动力学和能带理论、固体光学和电磁学等，要完全讲授完这些内容不符合我校专业人才培养的实际要求。此外，固体物理这门课程里有些内容已经在其他课程里学过，因此，我们必须遵循有所讲授和所有不讲授的原则，对该课程教学内容进行精选和优化处理，即重点将固体中的声子和电子的运动和行为对固体宏观性能的影响机制讲授清楚，让学生能从微观角度去理解固体一些宏观性质的缘由和根因。目前，我们把这两部分内容作为两个模块来进行讲授，同时，再结合一些实际固体的宏观性质和现象来进行讨论和分析，做到微观和宏观相结合以及理论和实际相结合，为无机非专业功能材料及应用方向人才培养奠定一定的物理基础。

（二）讲授方式和考评原则

传统的固体物理教学内容充满了艰涩难懂的专业术语、眼花缭乱的空间图形变换、復杂烦琐的数学演算，对固体物理前沿的新动态、新成果、新概念介绍的力度不够，教学方法单一，造成教师难教、学生畏学的教学局面，学生以应付考试、挣取学分的态度去学《固体物理学》课程。因此，学生学习兴趣不高，课堂效益甚微。为了改变这一现状，我们以应用为导向，即先提出一些实际的应用案例，让学生去思考和讨论这些固体之所以有这些应用，其原理和机制是什么，以案例教学方式为主，让学生主动去参与和思考。例如，讲授晶格振动这一模块内容时，我们先提出，有些固体是热的良导体，而有些则不能，两者区别在哪里？又如，一些固体为何受热后体积会发生变化？让学生针对这些问题去查阅相关资料，然后提出一些可能的答案，并在课堂上进行讨论，将学生变成主动参与者，而不是先灌输他们这样或那样一些的结果或缘由。实际教学表明，这种让学生带着疑问去寻找答案的教学方式得到的最终教学效果是很有效的，它培养了学生的独立分析问题和主动学习能力，同时也培养了学生的学习兴趣，锻炼了学生的沟通和表达能力。在这门课的考核和评价方面，我们采用了过程考核和课程考试一体化考评方式，即过程考核和课程考试各占50%。过程考核主要包括：课堂讨论、课外作业、课程总结和读书笔记等方面，这一项占该课程最终成绩的50%。课程考试既为本课程最后的考试，成绩占50%。这样就可以把学生从单纯的考试中解脱出来，让学生有更多的时间去从事课外自主学习。

四、教学手段多样化

（一）采用现代化多媒体教学

采用多媒体授课方式具有直观性、新颖性和高效性，可提高学生的课堂兴趣，但“固体物理”课程理论性很强，如果课堂教学完全依赖多媒体课件会导致学生忽略课程内容学习，而把注意力转移到课件本身上去。多媒体课件可节省课堂板书时间，增加课堂内容的信息量，但同时导致课堂进度紧凑，学生在课堂学习过程中思维紧张，没有充分的时间对知识点进行深入的理解和吸收。因此，通过多年的教学实践，笔者在教学过程中采用了课堂“板书教学+多媒体教学”相结合的教学模式。如在讲解晶体结构时，笔者通过板书提示类型，但具体结构通过多媒体课件展示；对于晶体热容的模型、能带理论等内容，通过多媒体课件给出主要推导步骤，但具体推导过程利用板书进行，从而增加学生的理解时间。

适当引入现代研究手段教学，使固体物理教学与时俱迸。教学中引入MS和CRYSTA等程序，使学生能理解现代理论物理的一些研究手段，并通过这些程序演示晶体结构、晶体的热力学性质计算、晶体能带的计算等内容，使学生更为系统地掌握固体物理的研究方法。让学生自己通过软件为晶体建立空间结构，通过三维图形清晰地展示晶体空间结构，这样使抽象的物理图像变得具体而生动，从而很好地解决晶体空间结构教学“呆板”的问题。总之，合理地利用现代教学手段，可大大激发学生的学习兴趣，明显提高教学效果，同时使得教与学都充满乐趣。

（二）增加科学史，提高学生学习兴趣

科学史经常被作为普及科学知识的一个重要的手段。事实证明，历史故事可以提高理科学习的趣味性，对某一学科、某一理论发展过程和历史背景的追述，有助于学生更好地理解这门学科和这个理论。在固体物理学中，每一个发现或者理论的提出都有其独特的历史背景和动因。正是基于这个事实，在讲解理论之前，可以先讲述整个的历史背景和发展过程，这样做既可以提高学生学习的兴趣又可以让学生更好地了解整个理论的意义及要解决的问题。

（三）教与学互动，安排学生上讲台

大家都明白在教学过程中，教师的主要作用在于引导和启发学生积极、独立的思考。在大学的教学过程中，教师应注重鼓励学生发挥积极性，让他们主动地学习。在固体物理的教学过程中，可以设计一些相关的研究性课题或针对每节课的教学内容提出一二个小重点，让学生通过查阅相关资料并做成PPT课件，然后在课堂上讲解。这样不但锻炼了学生的自学能力和独立思考的能力，还提高了課堂教学的质量。同时，通过这种让学生上讲台的教学方式，还能够锻炼学生的胆量，尤其对于不敢当众讲话的学生来说是一个非常好的锻炼机会。

五、结束语

固体物理课程对材料专业本科生来说的确是一门比较难学的课程，然而，只要坚持有所学和有所不学，在本科阶段初步掌握其核心内容（能带理论）也不是不可能的。教会学生从微观领域去寻找固体的一些宏观现象，即让学生懂得固体应用的基础是基于固体的不同电子结构，也就是固体的能带理论基础。通过多年教学实践和研究，在我校的《固体物理导论》课程教学内容中实现了“2个知识模块+2个考评制度”的教学模式，对“固体物理”的教学方法和手段的改革及新的学习模式进行了一些有意义的探索和实践，并取得了良好的效果。

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