课程思政融入“固体物理”的教学探讨

陶 丽，李 杰

（成都信息工程大学，四川 成都 610225）

1 课程思政融入固体物理的意义和背景

2016年12月以来，为了落实习近平总书记强调的“守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思政课同向同行、形成协同效应”，推进课程思政建设是其重要举措，旨在发挥课程教学是育人的主要战场，使德育与智育教育相统一，推动实现全方位育人[1-3]。

《固体物理》是我校电子科学与技术专业微波方向和微电子方向以及能源科学系的一门学科专业基础必修课。固体物理学包含有晶体结构、晶体的结合、晶格振动和晶体的热学性质、晶体缺陷、金属电子论和能带理论几个章节，课程是研究固体的结构，及组成粒子之间相互作用与运动规律，以阐明固体性能和用途的学科，以固态电子论和固体的能带理论为主要内容[4]。重点在于固体的宏观性质，以及形成这些性质的原因，加以控制、利用和改善。通过《固体物理》课程学习，能够基于本课程的相关专业知识，掌握相关问题的数学、物理模型以及研究方法，推演、分析涉及微波、微电子以及能源科学相关工程问题的性能极限和优化途径，为后续专业课程的学习奠定基础，具备分析半导体材料和器件特性的能力，并设计满足特定需求的半导体材料与器件。

固体物理主要研究固体的微观结构与性能及有关问题的科学，它也是一门以实验为主，理论基础性很强的学科。为后续专业课程学习打下坚实的理论基础，培养和训练学生在光电子与微电子相关材料、器件、工艺研究和工程应用中的理解、设计、分析和创新能力。传统的理工科教育中比较注重科学研究、注重实验教学，教研活动较为忽视，固体物理的课程开设时段在大二下学期，有半导体材料基础、电磁场与电磁波、电子材料与元器件等多门专业课，而教学内容具有与学科前沿紧密联系的属性，或者和工程的结合度高，授课内容紧凑，导致教师没有充分思考课程思政内容。通过融入课程思政教育能够起到加强本科生社会主义核心价值观引领作用，挖掘爱国主义教育、责任感、使命感、协作精神等思政元素，传承中华民族的优秀文化，更好地塑造学生的价值观和道德观，让教学的责任田更加肥沃[5]。

2 当前课程思政在固体物理课程中实施时面临的问题

《固体物理》固体物理主要研究固体的微观结构与性能及有关问题的科学，它也是一门以实验为主，理论基础性很强的学科，需要大学物理、量子力学、理论物理、高等数学、数学物理方法等众多先修学科的理论基础。在我校2018版人才培养方案中，电科和能源科学系开设《固体物理》课程的时间在大二下学期，电科学生在学完大学物理和高等数学后就直接上的《固体物理》课程，学生的理论物理的基础还不是很扎实和深厚。能源科学系的学生《固体物理》和《理论物理》课程在同一学期同一时间上，同样存在着基础不牢靠的问题。在传统的教学活动中，主要强调基本概念的讲解、基本公式的推导，少有思政教育的切入，难免让学生感到枯燥乏味，学生容易产生畏难思想，导致教学效果不好，教与学未能实现真正的双向奔赴。在工程教育专业认证的大背景下，基于成果导向教育（OBE）的理念亟待贯穿教育过程的始终，建设“一流金课”，打造有温度、有理想、有情怀的理工科课程迫在眉睫[6]。

3 固体物理课程中融入思政教学的有效方案

3.1 将教学设计中的教学目标细化为知识目标和思政目标

把教学目标细分为知识目标和情感目标，不仅强调知识的传授，更注重学生对科学问题的思考、对学生责任意识的审视。课程既能让学生对敬畏科学、不忘初心砥砺前行、精益求精方得始终等价值观产生共鸣，也为后面让学生获得专业认同感奠定基础。“春风化雨，润物无声”是教师追求的理想境界，教学过程中引入科学成果，传播科学家勇于探索未知世界的精神、爱国爱家和坚韧不拔的精神气质，激发学生攀登科学高峰的意志力，让学生在分析问题、判断问题、吸收养分的基础上内化为自身素质修养、外化为具体行为习惯。

课程开篇讲到固体物理学绪论时给学生介绍著名的固体物理学家黄昆先生，他是中国固体物理学和半导体物理学的奠基人。黄昆先生呕心沥血为国家培养半导体人才，在科学研究上不断创新、勇于探索，治学上严谨求实，具有淡泊明志的高尚情操，为我们留下举世瞩目的科学成果。教师需要在课堂上进行价值引领，激励学生为社会主义核心价值观而奋斗，勇敢承担肩上的重任，为中华民族复兴而奋斗。

讲到半导体的知识点的时候，给学生介绍从“天问一号”探测火星到北斗卫星导航系统服务全球，从“嫦娥五号”探梦星空到“奋斗者号”载人潜水器的万米深潜，一系列宝贵数据和样品的搜集，一项项科技前沿成果引起全世界范围的关注。但我们也有薄弱之处，引入我国的中兴、华为被美国卡脖子的困境，如何突破困境，实现科技创新，尖端科技不依赖国外，正是同学们需要思考的问题，以此为点融入使命感教育。习近平总书记在二十大报告里讲道：“青年强，则国家强。当代中国青年生逢其时，施展才干的舞台无比广阔，实现梦想的前景无比光明。全党要把青年工作作为战略性工作来抓，用党的初心使命感感召青年，做青年朋友的知心人、青年工作的热心人、青年群众的引路人。”教师在讲授半导体的应用相关知识点时，在适当时机引入使命感的话题，帮助学生树立成长目标，作为学习生活目的和矢志奋斗的指针，指导学生对固体物理课程的学习，提供前进的不竭源泉和动力，激发学生积极地成才以及对自己专业的认同感，努力掌握课程的核心内容，与教师一起共同实现教学目标。让学生能够脚踏实地，敢想敢为，又敢担当、能吃苦、肯奋斗，让青春在大学阶段的课程实践中绽放绚丽之花。让学生能够肩负使命，勇于今后的学习和工作中担负重任，富于创新，善于突破，改善决定芯片性能的关键技术。

3.2 改革传统的教学方法，提升学生对“难课”的学习自主性

在融入思政元素的教学中，需要以学生学为中心，因地制宜，针对不同章节的教学内容，选择有效的教学方法，激发学生积极参与课堂，引导学生深度思考相关课程内容。根据固体物理课程的特点，针对性地改进教学方法。例如，第一章的晶体结构，晶格的一般结构、正空间、倒空间、宏观对称性和微观对称性等一些抽象不具体的概念可以用形象化的具体模型来讲授，讲解时以学生为主体操作相关的晶体模型，切身地感受原子的空间位置、各种宏观操作类型等。让学生在MaterialStudio（MS）等软件的演示里，导入相关的晶体结构，不同的原子标注不同的颜色，让学生观察原胞与晶胞的区别，简约布里渊区的形状，原子占位的情况等。在第六章能带理论，布洛赫定理、近自由电子近似和紧束缚近似讲授结束后引导学生在MS软件里构建TiO2晶体结构，介绍基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，对锐钛矿的TiO2进行结构优化，得到优化后能量最低、结构最稳定的TiO2晶体结构，再基于MS软件的Properties功能对锐钛矿的TiO2能带结构和态密度进行计算，让学生能够直观地感受到能带结构，能够区分金属、半导体和导体。课堂教学过程中能够做到理论和实践相结合，极大地提升学生的学习能动性。

固体物理课程的内容上，相比于传统的理论讲授，还需要继续增加相关的科学发展资源、视频资源和动画资源提升课程的活泼性和可理解性。例如，第一章晶体结构的试验确定，学生只在《大学物理》中光的衍射这一章节接触过X射线，并未深入了解X射线的来源。在这里引入X射线相关的发展历程，从1895年德国物理学家伦琴发现了一种穿透力很强的射线开始到伦琴1901年获得首届诺贝尔物理学奖；再到劳厄对不同晶体的X射线衍射试验这个最美试验证明了晶体的原子点阵微观结构，获得1914年的诺贝尔物理学奖，后来用到研究金属和合金，正是X射线衍射理论才能给地球拍摄胸透照片；再到布拉格父子齐心，其利断金，搭建X射线的设备，分析晶体结构，给出了X射线衍射现象的解释，获得1915年诺贝尔物理学奖。固体物理的发展过程，汇聚了历史上众多天才级的科学巨匠，包括开普勒、欧姆、法拉第、布拉维、居里、普朗克、勒纳德、爱因斯坦、外斯、昂尼斯、泡利、海森堡、薛定谔等，逐渐形成了好奇心驱使的科学精神。科学精神成为驱动社会进步的不竭动力。在建设创新型国家的大背景下，倡导科学精神和创新精神顺应时代的需求。物理学家通过敏锐的眼光和嗅觉捕捉到科研热点，孜孜不倦的探究精神促成了常人观察不到的结果，这是当代大学生值得学习的可贵的科学精神，能够促进科技发展创造性转化、创新性发展。第三章晶格振动和晶体的热学性质，在讲到晶体中原子之间相互作用，是以波的形式在晶体中传播，形成格波[4]。借助学生在大学物理1A中学过的宏观可观测的弹簧振子的简谐运动以及机械波的形成的基础知识，过渡到微观世界晶格中格波的形成这个抽象的概念。在这个章节中，需要能够画出一维晶体原子振动模型，可以形象地体现出长声学波中原胞质心的平动，长光学波中相邻两个原子的相反振动方向，让抽象化的事物能够更加形象化，增加学生学习的趣味性。第六章能带论，介绍能带的基本概念和性质，以及两种最简单的计算能带的近似方法——近自由电子近似和紧束缚近似，以及能带论在解释固体的性质的应用。该章节是固体物理的核心内容，学生只有深入理解了能带的形成才能够对固体的导电性作出正确的解释。在介绍晶体电子的时候，实时引入光子晶体（在空间周期排列不同介电常数的介质材料，那么其中传播的光子的能量和频率会呈现类似电子能带的结构）以及光子晶体的应用（联系自身科研背景介绍变色龙变色机制，光子晶体在抑制自发辐射的应用等等）和声子晶体（将介质的弹性常数作周期性排列，声波在其中传播时也会呈现声的带结构），在此启发学生的联想对比思维和学习前沿科研。教学过程中，教师自身的科学研究是鲜活的、充满说服力的，可以使得教学活动更加有活力。在该部分可以向学生展示能带形成机制的视频，录制光子晶体和声子晶体的微课视频，形成强烈的视觉冲击，让能带的概念深入人心，能让学生顺利掌握带的结构及应用。

课堂的教学形式要能够体现先进性、互动性、针对性，教学组织形式可采用课堂对话、探究式、研讨式，构建开放课堂，线上和混合式课程信息化构建合理。在每一章节的相关知识点的切入时，查阅当下最新固体物理学发展的科研论文，引导学生主动讨论。课堂不再是一言堂，学生能够学习讨论最新的科研论文，讨论其创新点，分析其与课堂知识点的结合，学习其思维方法，发展他们的科学精神和团队协作精神。

此外，固体物理教学的实施也可以借助学院实验室和老师等科研条件来鼓励学生参与导师的科研课题，能够撰写提交一篇小论文或者在课堂上做口头报告进行交流和讨论，这个学以致用的过程能够锻炼学生的学习能力、组织能力和表达能力，提高学生的科学思维、研究能力和课堂参与积极性，实现师生之间的共享、共鸣、共情，教与学同频共振。

3.3 构建学习成效及评价体系多元化

建设一流课程，需要能够体现有知识传授、能力培养和世界观塑造几个层次，通过多层次的调研来持续改进。每学期课程考试后，需要生成课程目标达成度报告，验证对在校学生学习有用。对在读研究生、博士生校友的调研课程满意的，验证对校友的发展是否有用。对人才育人的有效度调研，验证是否对校友的终身发展有支持。学生的总体成绩构成不再呈现单一化，对固体物理的考核形式应多样化，翻转课堂、线上平台学习、固体物理前沿动态、作品展示（用MS构建晶体模型计算能带，团队协作）、案例分析、期末考试等等多种考核形式。

4 总结及展望

固体物理课程团队将会继续把握课程建设主战场，课堂教学主渠道，承担好育人责任，使课程建设与思政育人机制同向同行，助力全程育人大格局。产出导向学习的教育理念下，固体物理作为电子信息类学科的专业基础课，把思政融于教学迫在眉睫，如何把理工科的难课变成柔课、有水准的金课是相关教学者必须要思考的问题。融入思政教学，不仅要求施教者具备高水平的教学能力，更是打造学生能够成为课堂的主体，一切以学生为中心，成果产出为导向的教学才是教育者的最终目标。期望通过固体物理课程思政建设，培养出具有探究精神、主动学习的好学生，培养出具有批判、创造、实践思维的学生，培养出爱国主义精神、责任感、合作精神和发现分析解决问题的科学方法的有情怀有热忱的电子信息专业化人才。