新工科背景下面对材料器件类专业的固体物理课程教学改革探索

明 磊 欧 星 刘 洋

（中南大学 湖南长沙 410083）

引言

为在新一轮科技革命与产业变革取得重大突破，提高我国综合国力并缩短与发达国家之间的距离，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，教育部积极推动新工科建设，在2017年形成了陆续形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等新工科建设理念，探讨新工科内涵特征与建设和发展的路径选择，强调创新性和实践性培养，突出了我国高等教育改革发展的必要性。因此，高等院校作为培养人才的重要机构，应主动把握这一机遇，在教育部指导下，结合专业原有特色推动教学改革，提高教学质量，培养满足新工科背景下产业发展的创新型工程科技人才。

材料器件类专业作为国家战略性新兴产业发展所必不可少的专业，为科技创新提供了必要的智力支持和人才保障，而固体物理课程是材料器件类专业培养人才的重要基础课程，它帮助学生建立起固体性质的一套较为完整的理论基础，因而学生对固体物理知识的掌握情况直接影响到后续专业课程的学习，甚至对今后职业发展产生巨大的作用。然而，固体物理授课课时有限，如何在短时间内使学生理解固体物理基础知识，同时能建立起运用固体物理知识解决材料器件类行业面临的实际问题的桥梁，从而满足新工科背景下材料器件类专业教育要求，这成为当前固体物理课程教学改革需解决的问题。此外，固体物理课程传统教学模式对于材料器件类专业的学生的培养也存在多方面限制，这往往是填鸭式教学，缺乏启发性、创新性思维以及应用素质的培养，造成学生将所学的固体物理知识与实际应用割裂，难以用于解决实际问题，不利于材料器件类行业整体发展。

因此，为了更好适应新工科背景下的科技发展，材料器件类专业的固体物理学的教学课程改革迫在眉睫。本文将基于提升面对材料器件类专业的固体物理课程教学质量这一目标，针对目前存在的具体问题，围绕教学内容、教学方式和考核方式等方面提出一系列改革措施，以期使固体物理课程设置更加合理，提高课程质量，最大限度激发学生创新思维，以达到新工科背景下对材料器件类专业人才的培养目标。

一、新工科背景下固体物理教学内容改革探索

1.教材具有层次性，侧重有应用前景的知识

目前，主要存在两种教材体系，一是注重结果和结论的基泰尔体系，其中凸显数学的重要性，因此也具有知识点碎片化，难以理解知识点之间的联系的缺点；另一种是重视过程，从固体物理学发展历程为线索的Ashcroft体系，但也存在问题和不足。国内教材大多数为基泰尔体系，教材存在理论性强、数学公式多，内容繁杂甚至重复、物理模型推导过程过多等问题，涉及高等数学和量子力学等课程内容知识。然而，学生接触固体物理课程时，通常还未进行量子力学等课程的学习，并且固体物理课程课时往往仅有48个课时，因此，学生在学习过程中往往难以很好地理解并掌握固体物理课程全部知识，容易产生厌学行为。但是，材料器件类专业和物理专业对固体物理课程人才培养要求不同，材料器件类专业需要课程强调知识的综合性和实用性，以达到学生在掌握固体物理专业知识后能应用于解决科研和工程实际问题的目的。所以教师必须做到有层次安排，对教材内容进行选择性讲解，侧重有应用前景的知识内容做到理论联系实际，使学生建立起运用固体物理知识解决实际问题的桥梁。

2.教学内容整合，引入前沿知识和热点知识

固体物理学是一个动态的过程，其内容伴随着半导体材料、电池材料和超导材料等的技术突破而不断丰富。新工科背景下面对材料器件类专业的固体物理课程应适时改革试探，围绕创新性和实践性培养要求，教学内容上引入前沿知识和热点知识，做到固体物理传统基础知识和材料器件类专业发展前沿知识和热点知识相结合，达到基础性、创造性和综合性的统一，培养出满足新工科建设要求的多样化、创新型卓越工程科技人才。在授课时，将固体物理在材料器件类专业的最新应用实例进行详细介绍，并鼓励学生提出独立见解和创造性解决方法，使学生对自身专业发展形势具有一定了解，同时帮助学生加强对固体物理知识的理解，并能够站在全球化的角度分析、观察和解决问题，达到学以致用的目的，极大地提高材料器件类专业人才知识储备的整体性；此外，将固体物理与材料器件类专业相关的最新发展动态引入课堂内容中，透彻了解当前形势，紧密联系学科发展的前沿成果，将经过实践验证的科研成果及时应用于课堂教学中，使教学与科研互为补充、互相促进，并鼓励学生积极参加学院老师的科研实验，多听相关学术报告，在此过程中培养学生对于科研学习的兴趣，开拓思维视野，为其今后的工作和深造奠定良好的基础。同时，在讲授固体物理各章节的数学模型过程中，可将烦琐的数学推导过程适当略过，重点讲述理论的建立过程和物理模型，整合教学内容，注重科学的建模思想的渗透，引导学生使用建模思想去发现并解决目前材料器件类专业领域存在的实际问题。

3.引入人文教育和思想政治教育，实现新工科背景下的素质教育

固体物理课程知识理论性较强，知识点碎片化严重，学生在没有将固体物理知识学完的情况下，难以通过自学的方式找到各个知识点的联系，但这些一个个理论的诞生并非一蹴而就的，往往是一代又一代科学家不断摸索得到的，因此，将人文教育引入固体物理课程学习，选讲固体物理发展历程，能在科学知识层面和文化价值层面具体化、生动化地展示课程魅力，扩展学生知识面，激发学生对科学问题的深度思考，达到培养学生创新能力的目的。此外，少年强则国强，面对当今信息社会网络思潮涌动，各种思维不断影响当代大学生的人生观，有的思想甚至误导学生走上违法犯罪的道路的现状。因此，高校应当将思想政治教育融入固体物理教学中，在帮助学生塑造科学素养的同时，引导学生树立良好的世界观、人生观，使得学生将自身专业知识的学习和社会责任感联系起来，并深刻感受到新工科背景下肩负的使命感，强化爱国主义精神，为其自身今后的学习教育提供强大的精神动力和情感支撑，不断建立科学的思维方法，提高学习主动性，使其成为具有国际化视野的创新型复合人才，更好地为社会主义事业贡献自己的力量[1]。

二、新工科背景下固体物理教学方式改革探索

1.转变教学方法，引导学生自主学习

新工科建设研讨会指出，高校要为我国产业发展培养一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，这就必不可少要转变以往灌输式教学方法，加强学生主体地位，改被动为主动，以引导学生自主学习为主，激发学生学习热情，实现启发式、互动式、探讨式教学，达到掌握知识与提高探究能力双重的目的。对于固体物理中的一些不太难的部分，可以采取翻转课堂的方式，鼓励学生分成小组，引导学生将这部分内容和目前材料器件类专业领域存在的问题联系起来，通过自主查阅相关文献和书籍制作成PPT课件，然后在课堂上进行讲解，同时预留专门的答疑时间，从而不仅能锻炼学生自学能力，减少畏难情绪，帮助学生塑造自信，也培养学生的专业思维能力和逻辑思维能力，还能锻炼其团队协作能力，更能加强学生之间以及学生和老师之间的互动，实现综合素质的提高。

2.采用多媒体教学和材料模拟软件相结合的教学方式

固体物理包含晶体结构、晶体缺陷和晶体中电子能带理论等知识，为使其中复杂抽象的物理模型更加有利于学生理解和掌握，教师应在教学方面熟练利用先进的现代技术来辅助教学。一方面借助传统多媒体教学，实现对课程中涉及的难点问题的物理图像的清晰展示[2]。例如，在讲解晶体中的位错时，可以运用动画来形象地显示位错的概念，并直观地展示位错扩散过程，同时加大了有效授课时间和信息量，使学生在较短的时间内基本掌握固体物理基本原理和应用范围。另一方面利用各种科研实际运用的材料模拟软件可视化功能，将复杂的物理模型具体形象化，提高学生学习兴趣，同时有利于学生课后借助这些软件自我学习，将固体物理理论知识与实践结合起来，为今后科研学习方面打下基础。例如，在讲解晶体结构过程中，利用Diamond软件进行移动、缩放和旋转等操作，帮助学生正确认识晶体点阵和倒易点阵，充分理解三维空间中七大晶系，从而掌握固体物理晶体结构，有助于其理解如锂离子电池三元正极材料在长循环过程中产生的相变过程的一系列材料晶体相关内容。将多媒体教学和材料模拟软件融入固体物理教学课堂，能显著提高教学质量，提升学习效率，并增强教师和学生之间的交流。

3.充分利用网络教学

在互联网时代，要充分利用网络资源，突破固体物理传统课堂教学模式，通过门户网站、腾讯QQ、微信等多种平台和微课、慕课等多种授课方式结合，实现线上线下混合式教学，打破地域、时间的限制，使得学生随时随地都能针对自身学习固体物理课程知识过程中出现的问题，自主找寻解决办法，也方便教师在了解和掌握学生动态的同时，更好地为学生提供学习咨询和学习指导服务，有利于培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。

三、新工科背景下固体物理考核方式改革探索

在传统固体物理课程考核中，教师通常会在期末采用闭卷考试的评分模式，但这种方式存在较大的弊端，学生往往抱有侥幸心态，只在考前一个月里进行固体物理知识的学习，并且只考核学生对固体物理知识的掌握情况，未对学生的创新能力、实践能力等进行考核。然而，开卷考试试题更具开放性和灵活性，学生可以充分发挥自己的见解，能同时考核学生对基础知识的理解和运用。因此，为了材料器件类人才培养更贴合新工科建设的要求，我们需对固体物理课程的考核方式进行探索式改革，侧重学生创新性培养，增加对平时表现和平时作业的考核比重，实施开卷考试模式。这可以杜绝学生临时抱佛脚获得高分的侥幸心理，同时使学生在学习的过程中重视自身创新创造能力的培养，激发学习主动性[3]。此外，在平时成绩考核过程中，可通过提出多个可应用固体物理知识解决材料器件类专业领域现存问题的相关课题，鼓励学生发挥主观能动性，选择其中一个课题查阅相关资料，写出基于固体物理课程知识用于解决实际问题的文章。这一过程能为学生提供思考空间，充分锻炼并考察学生的自主学习能力，查阅文献能力以及分析问题和解决问题的能力，从而帮助学生建立起连接固体物理课程知识和材料器件类专业领域的桥梁，使学生感到学以致用的快乐，激发其更加深入学习的动力，也使学生充分认识到自己各方面的不足，可在今后的学习过程中不断完善自我，达到材料器件类专业综合性人才的培养要求。

结语

总之，本文基于固体物理课程教学过程中存在的教学问题，坚持以创新培养为导向，结合材料器件类专业特点对固体物理课程教学进行改革探索，围绕教学方式和教学内容、考核方式等方面提出一系列有效措施，提高固体物理课程教学质量，以满足新工科建设下所需的创新型复合人才培养要求。教师们可在传统固体物理课程内容的基础上进行整合，引入前沿背景和热点知识介绍，并适当融合人文教育，实现对学生专业素养培养和人格塑造。此外，通过运用多媒体和材料模拟软件辅助教学，并借助各种网络平台加强教育指导，突破课程在时间和地点上的限制，也实现互动式、启发式、探讨式教学，提高课程教学质量，达到培养多样化、创新型卓越工程科技人才的教育目标。

实践证实，上述本文提及的一系列教学方式、教学内容和考核方式方面的措施能极大提高学生的科学素养以及分析问题和解决问题的能力，为学生今后的科研学习奠定了一定的基础。但是随着科学技术的高速发展，固体物理课程知识也不断丰富，在新工科建设背景下，社会对材料器件类专业学生所具备的专业知识储备水平提出了更高的要求，更为强调创新能力培养的重要性，因而，作为材料器件类专业的重要基础课程，还需要广大教育工作者不断根据教学现状以及社会和国家的需要，对固体物理课程教学进行不断地研究和探索，为学生提供更为科学的指引。