浅析固体物理学课程教学中研究性教学的实施

周本胡 曾爱华 刘桂香

摘要：固体物理学十分紧密地结合了基础理论和实际应用，传统的教学模式存在着诸多问题，制约了教学质量的提升。针对这种情况，就需要积极实施研究性教学，以便解决传统教学模式存在的问题，将创新型人才大力培养起来。文章通过多个案例分析了固体物理学课程教学中研究性教学的实施策略，希望能够提供一些有价值的参考意见。

关键词：固体物理学；研究性教学；实施策略

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）29-0212-02

固体物理学主要是对固体物质的微观结构、宏观物理性质以及两者之间相互关系进行研究的科学，其紧密联系着普通物理学、材料科学等学科。固体物理学具有较强的理论性和实践性，通过固体物理学的学习，可以帮助学生扎实掌握前面学习的基础知识，增强知识的系统性。传统固体物理教学模式逐渐暴露出诸多的问题，无法培养创新型人才。针对这种情况，就需要积极创新和改革，大力实施研究性学习，培养学生的创造能力和创新精神。

一、研究性教学模式概述及六个阶段

具体来讲，研究性学习强调要从实践开始，而不是由理论开始。而研究性教学指的是给予学生研究性学习帮助和指导的教学。相较于传统教学模式，研究性教学具有一系列优势，如其对主动学习十分重视，可以有效培养学生的自主探究能力、创新能力；其从实践出发，可以培养学生的实际问题解决能力等。一般来讲，在研究性教学模式实施过程中，需要从以下几方面着手。

1.确定目标。结合单元内容，教师对教学目标合理确定，包括理论知识的学习、能力的提升、实践技能的提高等。

2.形成问题。通过合理设计问题，可以将同学们的好奇心、求知欲激发出来，培养其主动思考的能力及主动学习的良好习惯。在研究性学习经验比较缺乏时，可以由教师提出问题；当研究性学习經验积累起来之后，由同学自主设计问题。

3.假定答案。任何一个学生，都积累了一定的知识和经验，面对问题时，会结合脑海中积累的知识和经验进行假设。在这个过程中，教师要给予科学的引导，帮助同学们得出假设答案。

4.求证。确定了假设答案后，需要利用理论、实验等方面的知识加以证明，学生要积极将新知识、新理论和新方法运用过来。

5.得出结果。通过不断的探究实践，得出答案，对比预先的假设答案。

6.应用与深化。通过研究性学习，学生获得了抽象的理论知识，并在实际问题中加以应用，这样就可以更加全面和深刻地理解知识。且在应用实践中，还会有新的问题产生，进而有新的一轮研究性学习产生。

二、以固体物理中的“能隙由来”分析研究性教学模式的设计思路

研究发现，固体物理学课程具有较多的公式、插图，难度较大，要求学生们有较丰富的数学知识和较高的物理水平，将研究性教学模式合理应用于课程中，可以帮助学生对科学的思想方法、研究问题方法有效掌握，将其探索精神、创新精神激发出来，培养创新能力。

固体能带论的基础是晶体结构的平移对称性，主要是就离子实势场对电子的影响进行研究。结合量子力学研究金属电导理论，出现了能带理论，其可以对许多晶体的物理特性进行阐明，是固体电子理论的基础。在本门学科中，概念、定义较多，传统教学模式下的课堂十分枯燥。虽然本部分内容直观性较强，但是公式推导、逻辑推理较多。那么，就需要将研究性教学模式适时地运用于教学当中，恰当处理图形的直观含义与严密的数学推理。如简并微扰计算和能隙由来问题，需要借助于大量概念和结论来进行数学证明，难度较大，需要积极创设相应的情境，提升教学效果。

首先，提出非简并微扰问题，帮助学生对能带问题有初步的体会和认识，然后将新课“能隙”引入，激发学生的学习兴趣。通过问题情境的创设，可以将学生的好奇心及学习动机激发出来，促进研究性学习的开展。其次，结合近自由电子能级公式，对在远离布里渊区边界和边界附近的能级特点进行分析，帮助同学们对非简并微扰和简并微扰的计算结果差异进行体会；将简并微扰计算过程完成之后，鼓励同学们自主分析和讨论存在的区别，进而解释能隙的由来。最后，培养学生的实际问题解决能力。在微扰论的基础上，对能带和布里渊区的关系进行计算，促使学生将学习到的知识利用起来，问题解决能力得到培养。通过这样的设计，可以让同学们找到微扰论的有趣之处和有用之处，进而将其求知欲望激发出来。

三、固体物理学课程教学中研究性教学的实施策略

1.创新教学内容。在研究性教学模式实施中，并不是要对课本上固有的基本知识和基本概念进行移除，也不是对课程内容和知识量单纯地增加，而是要有机融合前沿知识和基础知识。在教学实践中，结合教学大纲要求和教学内容，将相关的前沿科学、技术等引入过来，以便更好地结合理论知识和实际应用，创新教学内容。这就对教师提出了较高要求，需要对各种文献广泛阅读，对学科前沿动态积极关注，进而将前沿知识高效地传授给学生。如在对晶格结构测定方面的教学中，除了X射线衍射方法之外，还可以将其他的实验方法介绍给学生，包括借助扫描隧道显微镜、原子力显微镜等。在对三维晶体的格波概念进行讲述时，可以顺带介绍光子晶体方面的知识。在对半导体的导电性进行介绍时，可以将LED照明方面的最新知识介绍给学生。在课外延伸内容的讲解中，要有足够的针对性和系统性，不能够零散穿插或者面面俱到。

2.综合运用多样化的教学手段。研究发现，传统教学模式下，课堂气氛比较呆板，制约了学生的学习兴趣。这就需要积极运用多样化的手段，形象生动地展现抽象的物理模型及相互作用，将学生的学习兴趣激发出来。其中，多媒体教学、实践教学具有较大的优势。如在晶体的结构教学过程中，其抽象性较强，要求学生具有较强的空间想象能力。针对这种情况，就可以运用Materials Studio等现代化软件工具，直观地向学生们呈现，促使其对原胞、布里渊区等固体物理学的基本概念清楚掌握。这些软件的晶体结构例子较多，直观地演示给学生，可以起到事半功倍的效果。如在能带理论讲述过程中，可以借助于Materials Studio软件，对硅的能带结构进行计算，对金属、半导体、绝缘体等能带结构进行分析，将学生的学习兴趣充分激发出来。

3.灵活采用教学方式。首先，积极开展讨论式教学。在课堂教学实践中，要营造良好轻松的课堂气氛，鼓励学生发表意见，提出见解。如本节课快要结束时，鼓励同学们自己总结章节知识，或者结合前沿热点，对课后习题进行布置，课后学生们自主查阅资料，然后下次课堂开始之前讲解习题。其次，深入开展研究式教学。在教学过程中，依据固体物理学的特点，可以对研究性课题进行设计，设计过程中，要将问题的前沿性、交叉线充分凸现出来，如新型半导体光电器件等。学生自主查阅资料，或者分组合作，向教师提交报告，这样既可以培养学生的创新意识，又可以增加师生之间的沟通和交流。

四、结语

综上所述，固体物理学科具有较大的学习难度，需要积极创新教学方式，综合运用多样化的教学手段，提升教学成效。同时，固体物理紧密联系着科学前沿，要将研究性教学实施下去，充分激发学生的求知欲望，培养学生的创新精神和实践能力。

参考文献：

[1]毛飞，张振华.研究性学习在固体物理教学中的应用[J].课程教育研究，2016，5（10）：123-125.

[2]王云锋.基于固体物理课程的研究性教学模式探讨[J].教育现代化，2017，3（11）：55-57.

[3]王志，江兆潭.研究型固体物理课程教学探索与实践[J].大学物理，2017，3（14）：244-246.

[4]解玉鹏.翻转课堂教学模式在固体物理教学中的应用研究[J].吉林化工学院学报，2016，3（11）：244-246.