《固体物理学》教学过程中的几点改进

摘 要：《固体物理学》作为光电信息科学与工程专业的一门重要专业必修课，是一门有着极为广泛应用的学科。然而不少学生对本课程的重要性缺乏认识，重视程度不够。在本文中，作者总结几年来的教学经验，从教学内容和教学方法等方面为光电信息科学与工程专业的教学改革进行有益探索。

关键词：固体物理学;教学改革;光电信息科学与工程专业

一、绪论

现代固体物理理论形成于20世纪前40年代，是凝聚态物理学中最大的分支。固体物理学是研究固体（晶体）的物理性质、微观结构、固体（晶体）中各种粒子运动形态和规律及它们相互关系的学科。本科大二阶段开设的固体物理学是一门综合性很强的课程，其中牵涉到了大学物理、热力学与统计物理和量子力学等课程基础知识及许多现代科技前沿的内容。然而，量子力学和热力学与统计物理课程的开设也被安排在了同一个学期。这就带来了一个问题：学生在学习固体物理学课程时会遇到尚未学习的部分量子力学和统计物理知识。因此，采用传统的教学模式必然会导致课程教学中出现学生理解知识困难、教师合理地安排教学进度较困难、学生的学习兴趣及主动性较差等一些弊端。作者从2015年开始在扬州大学物理科学与技术学院给光电信息科学与工程专业的大二本科生讲授《固体物理学》课程。根据该专业的学生培养模式以及几年来自己对固体物理学课程的教学实践，作者提出了一些关于该课程教学的优化与调整方案，并且在教学中进行了尝试并取得了一定的效果。

二、课程教学的建议

（一）课程内容上的选择

（1）在教材的选择上，本课程选用了高等教育出版社出版的《固体物理学》教材。该书是在我国固体物理学和半导体物理学奠基人黄昆院士原著《固体物理学》基础上由北京大学物理系韩汝琦教授改编而成，是国内固体物理领域经典教材之一。该书有如下几个优点：理论体系严谨，物理图像清晰;教材内容丰富，既包括了晶体结构、晶格振动、能带理论和金属电子论等基础知识点，还包括了很多固体物理学领域的新进展，增加了超导物理、固体元激发等新兴领域的基本概念。同时，该教材还有相关配套的辅导书，从学习目标、内容概述和习题解答等方面进行介绍，方便了学生对课程知识点的把握、课前预习和课后复习。

（2）在教材内容方面，本教材针对理论物理专业的本科生。而且固体物理学融合了量子力学，热力学与统计物理和大学物理等多学科的知识，涉及的知识面广，在有限的学时里不可能面面俱到地讨论固体物理学所涉及的所有知识点。按照光电信息科学与工程专业大纲要求，固体物理学这门课程总共64学时。因此，实际教学中作者结合光电信息科学与工程专业的特色，有选择地把教学内容分块的形式来讲授。本课程的具体教学安排如下表：

例如在第一章节晶体结构时，重点让学生理解并掌握晶体的一些概念，例如晶向、晶面、原胞、基元、布拉伐格子、倒格子等等。此外，通过制作模型和动画的形式让学生理解和掌握晶体的平移性和宏观对称性。此外，作者还介绍了非晶体、准晶以及石墨烯等新兴材料来拓宽学生的知识结构、开阔视野和提高学生的学习兴趣。在讲授第二章晶体结合时，介绍晶体结合能与结合力以及四种晶体结合的类型，包括离子性结合、共价结合和金属性结合等。此外，作者增加了氢键结合形成不同晶体的特点和规律，利用第一性原理计算共价性结合和金属结合的特点和规律，并进行课堂展示。对于晶格振动章节，牵涉到了简谐振动、一维单原子链和双原子链等知识点，但是学生还没有学习量子力学和量子统计理论中的相关章节。因此在教授这些内容之前，抽出一节课的时间把量子力学简谐振动理论、薛定谔方程求解以及热统理论中量子统计物理等相关知识点进行详细讲解，然后顺势过渡到讲解固体物理学中晶格振动部分，这样有利于学生理解掌握这一章节的内容。在讲解能带理论和固体的元激发章节时，通过板书详细推导布洛赫定理和讲解其中的物理模型含义，力争让所有学生掌握这个重要知识点。随后介绍了近自由电子近似和紧束缚近似，以及能态密度和费米面等概念。对于晶体中电子在电场和磁场中的运动，介绍了准经典运动和导体、绝缘体、半导体的能带论解释。而在教授金属、半导体电子结构章节中，抓住主要方面，构造简化的模型，进行有效的数学处理，紧扣物理模型和思想，适当降低难度，并且有意识地增加了态密度、掺杂、能带调控等概念。这整个教学过程中，作者注重问题提出和解决的思路方法使学生能够把以前所学的物理知识联系起来。考虑到光电信息科学与工程专业教学大纲要求和学时所限，作者舍弃了固体磁性、光吸收和相图等相关章节，留给有兴趣的学生自己课后学习。

（二）教学方法

针对光电信息科学与工程专业的特点，除了优化和调整该课程的教学内容，在教学方法作者也做了一些改革来适应本专业的培养目标。

（1）启发式教学。作者改变传统上的一言堂的教学方法，让学生带着问题去学习。让学生在每次上课之前提前进行预习，随后老师在课堂上以问题的形式提出要讲授的主要内容，鼓励学生互相讨论，并让学生尝试解答学生提出的问题，充分发挥了学生的积极主动性，实现教学理念由“知识讲解型”向“问题导向型”的转变，促使学生对课程内容进行思考探究。在课程的具体教学过程中，老师先在总体上介绍课程中每一章節的连贯性，将其与新学知识进行逐一对比，希望能做到知识点的融会贯通，以此来帮助学生消化和理解新知识。但是，对于一些不好理解的知识点，作者会进行细致的讲解，做到有的放矢，尽可能做到教师和学生的互动来提高学生在学习上的积极性。

（2）采用板书和多媒体相结合的教学方式。作者在每次备课的时候先将每堂课要讲到的相关知识点做成PPT或者动画，然后利用课堂上的演示来加深学生对这些知识点的理解和掌握。例如对于晶体结构这个知识点，作者利用教学工具展示不同晶体结构的微观结构、原胞的选取、原胞的形状等，让学生对晶体结构有一个直观的认识，引导学生分析不同模型的特点，充分调动学生的学习积极性。对于晶格振动和能带理论，老师通过板书推导晶格振动方程和布洛赫定理。事实上板书的节奏慢，在有些知识点的讲解方面，师生之间较多的互动板书更受学生的欢迎。因此，多媒体教学与传统板书相结合达到更好的教学效果。此外，加强习题课环节，让学生积极主动上台讲解习题并可对不同解答进行讨论，增强了学生理解和解决问题的能力。

（3）学期末考核方式。对于光电信息科学与工程专业的学生，我们采取了平时成绩与期末考试相结合形式，其中平时成绩和期末成绩各占50%。平时成绩包含了学生的出勤、课堂上回答问题、课后作业以及课后探索性小课题研究报告的情况。小课题的题目紧贴本课程相关的前沿内容，每个月上旬提供两三个小课题供学生选择，时限为一个月，学生即可以个人也可以多人合作研究一个课题，第二个月初提交最终的研究报告给老师，并给予平时分奖励。通过相关课题的研究引导学生主动探索学科前沿动态和应用领域，提高学生灵活运用所学知识解决问题和阅读相关文献的能力，为部分学生后续研究生阶段科研能力做一些初始性锻炼。此外，在课堂上老师主动提出各种问题，对于回答问题较好的同学，给予一些平时分奖励，这样能鼓励学生积极参与课堂活动。期末考试采用传统的闭卷考试形式，试卷上的考题难易恰当，知识点分布均匀，包括各个章节主要知识点，考查学生的对重要基础知识的掌握情况。同时加入两三道开放性试题，考察学生对基础知识灵活运用的能力。各部分所占比例也进行了细分，这样有助于客观公正地评价学生对固体物理学课程学习的积极性和主动性。

三、结语

在本文中，作者从教材的选择、课程内容取舍、教学方法和考核方式几个方面对教授光电信息科学与工程专业本科生《固体物理学》课程提出了自己的心得体会。这些意见来自几年来作者的教学经验总結、平时的思考以及与同行的探讨。通过本课程的教学，帮助学生掌握固体物理方面的基础知识和了解固体物理领域的一些新进展，同时，通过课后小课题的研究，加强学生的自主学习研究能力的培养。在教学内容、方法以及考核体系上进行了针对性优化和调整，这些对于我们学生在后续本专业其他课程上的学习打上良好的基础，促进本专业创新型人才的培养。

参考文献：

[1]黄昆原著，韩汝琦编.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]黄昆著，李延龄，吕华平编.固体物理学习题解答[M].北京：高等教育出版社，2012.

[3]胡安，章维益编.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4]李子炯，苏玉玲，王永强，等.适应材料物理和电子科学与技术专业需求的固体物理学课程教学改革和实践[J].科教导刊，2016.

基金项目：本文受到2019年度“扬州大学优秀青年骨干教师计划”资助

作者简介：邹德成（1985—），男，汉族，江西宜春人，博士，讲师，研究方向：理论物理。