材料专业固体物理基础教学改革探索

马德龙 王建荣 张瑞丽

摘 要：固体物理学是以量子力学、晶体学、电磁学等学科为基础，研究固体粒子之间相互作用与运动规律，阐明固体微观结构与宏观性质之间关系的基础学科。本文从材料学科固体物理的重要地位及目前的教学现状出发，结合作者固体物理课程实际的教学经验，对提高材料专业固体物理课程的教学成效提出若干思考。

关键词：固体物理;教学方法

1 《固体物理》课程教学现状

“固体物理学”是一门涉及金属物理、半导体物理、磁学物理等学科的基础课程。以研究固体粒子之间相互作用与运动规律，阐明固体微观结构与宏观性质之间关系为主要内容[1]。固体物理知识能够为材料的设计和制造提供科学的理论依据，是目前材料专业必修的一门基础课程。然而，对于物理基础薄弱的材料专业学生来说，这门课程理论多，内容较庞杂，在学习的过程中容易出现理论脉络不清晰的问题，导致学生学习兴趣下降。该课程也一直因为难学、难教而成为材料专业课程设置的痛点。作者所教的固体物理课程课时量仅为32学时，在有限课时量下很难把固体物理课程讲深讲透讲系统，只能对教学内容进行取舍，保留基础的部分。上述问题由来已久，但至今仍然没有很好地解决，亟需固体物理教学一线的教研人员总结经验，提供切实可行的解决方案。本文从固体物理课程实际教学经验出发，对如何摆脱当前固体物理教学窘境，提高材料专业固体物理课程的教学成效提出若干改革思路[2]。

2 《固体物理》教学改革

2.1 凝练教学内容，突出重点和难点

由于课时量有限，教学过程中只能讲课程中重点部分。教师首先要读通、读懂教材，清楚教材编排的逻辑顺序，划分出教材中的重点章节，并多安排一些课时。在备课过程中，任课教师要仔细研究每节课涉及的知识点，引导学生掌握重要知识点，并通过练习加深对知识点的理解和应用。对于固体物理课程而言，知识点的应用最好的范例是习题计算。对于课本上的例题，教师应该重点讲，并密切注意与学生互动，不要只沉浸在自己的讲述中。在讲述过程中，如果学生能跟上讲课思路，如果发现学生都沉默或者低头看书，这时候教师应该停下来与学生们交流，了解学生们困惑的知识点。一个好的课堂，一定是师生之间充满互动的课堂。在知识点讲述的过程中，一定要多以日常常见的事物举例，这样学生方便理解和加深记忆，亦不会觉得固体物理晦涩难懂。以固体物理中离子晶体结合能的推导为例，日常经验告诉我们，当要把一个完整的晶体分开时，会感到物体的吸引力，你要挤压一个物体时，会感到物体的排斥力。说明组成固体的原子之间存在相互引力和斥力，由此可以进一步提出固体结合能的通式。要让他们在物理模型中体会固体物理学习的乐趣。要让他们觉得固体物理不仅仅是一门理论课，还可以加深我们对日常现象的理解和认识。

2.2 增加教课内容趣味性

作者在教学工作中发现，学生普遍对跟课程相关的历史趣事和故事感兴趣，利用好这一点，可以提高学生的学习热情和兴趣。例如，在晶格振动及热力学学习过程中，我们一般先要提到Born和Oppenheimer提出固体物理的理论体系[3]。其主要思想是：按照绝热近似可分为固体的原子理论和固体的电子理论。原子论是把固体看成是原子组成的体系（晶体、非晶体和准晶体），从原子间相互作用出发解释固体的物理性质。电子论是将按照定核近似处理问题，假设原子核不动，核外电子高速运动。这样直接讲述学生的听课热情不高，课后容易遗忘。在这个过程中可以引入与课程相关的历史故事。比如Oppenheimer是如何跟Born学习，怎么提出的固体理论模型。还可以讲述Oppenheimer学成回国后成为美国原子弹计划项目负责人，以及如何完成原子弹计划。再比如，讲到黄昆方程时，可以聊一聊黄昆先生当年的求学经历，以及如何与波恩相识，并合著《Dynamical Theory of Crystal Lattices》。以上历史故事引入教学课堂后，可以极大地提高同学们的听课积极性，他们会从中学习到做人做事的道理，这也是我们教育工作的目标之一。

2.3 科研与教学相互促进的教学方式

科研与教学密不可分，结合前沿科学研究，建立前沿科学与固体物理学中基本知识的内在联系，可以加深学生对基本理论的理解。在具体的教学实践中，教师可以结合自己的研究方向，讲解固体物理在自己研究方向的应用。作者主要研究方向是锂离子电池电极材料。在教学过程中，我会讲述固体物理是如何帮助材料科学工作者设计材料，分析实验结果。例如，固体物理可以用于计算模拟研究，从理论上分析设计制备的电极材料的各项物理化学性能，为电极材料的设计合成提供理论指导。通过以上讲述，有助于启发学生的学习兴趣和创新思维，激发对新事物的探索精神，开阔学生的视野。

2.4 板书和多媒体相结合的教学方式

在教学过程中，板书与多媒体教学要结合使用，进行优势互补，根据课程内容调整具体教学方法。对原子论部分的教学，多媒体是一个有益的辅助。例如，用多媒体的动画模式去解释原子空间排列方式，使学生更直观地观察所研究的对象，增强学生对各种晶体结构的认识，提高课堂学习效率。而对于电子论的部分，涉及大量公式推导，采用多媒体容易使学生注意力不集中。另一方面，过多使用多媒体在一定程度上会造成学生不愿意记录课堂讲义，这不利于学生对知识点的理解。因此教师采用板书形式，督促学生记课堂讲义，让学生在记录过程中跟上老师的思路，有充分的时间理解具体的假设和推导过程，方便学生课后梳理、复习和记忆学习要点。

2.5 增加针对性的考核方式

课后作业是教学考核的重要组成部分，是巩固所学知识，培养思维品质的重要途径。然而，在实际教学中，学生交的课程作业存在大量抄袭现象。针对这种情况，一方面可以减少课后作业的布置量，提高题型的质量，让学生精做。另一方面可以采用布置调研性课题，或者学术报告的方式提升学生课后的实际参与度。组织同学分组讨论，指导学生发表有创新性的结果，增强学生的学术自信心和创新能力。

长期以来，单一的闭卷考核方式容易让学生们对于课上知识点养成死记硬背的习惯，而且很难将知识活学活用。因此，需要灵活运用考核方式。例如，学期末的考试可以由闭卷考试调整为开卷考试。开卷考试，与闭卷考试相比，它更具有开放性、综合性、探究性等特点。开卷考试出题相对灵活，可以考察学生对概念的理解程度，考察学生综合分析并解决问题的能力。开卷考试这种形式将会促使学生在学习课程过程中更注重对概念的理解以及对物理思想的学习，形成良好的物理思维。

3 结束语

综上所述，通过固体物理学习，让学生深入理解固体物理中的基本概念、物理图像、解决问题的思路和方法，培养基础扎实，具有创新能力的专业人才，是固体物理教学的最终目标。实际教学过程中，需要根据学生的基础及材料专业人才培养的需求因材施教，根据需要调整教学内容和教学方法，采用适当的考核方法。《固体物理》课程改革与创新仍需要广大的教育工作者进一步探索与实践。

参考文献

[1]梅显秀.固体物理教学改革的探索与实践[J].大学物理，2010，29（7）：43-45.

[2]黄昆.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1988.

[3]閻守胜.固体物理基础[M].北京：北京大学出版社，2003.

作者简介

马德龙（1986-），男，汉族，辽宁省绥中县人，博士，讲师，研究方向：电化学储能材料。