材料专业本科教学模式改革探索

2023-01-18马鸿斌

当代化工研究 2022年3期

＊马鸿斌

（青海大学机械工程学院青海 810016）

《固体物理学》课程是材料科学与工程专业、微电子、光电子、新能源器件等专业的必修课程[1]。固体物理同时是材料物理、凝聚态物理、半导体、化学等多学科的基础课程[2]，其课程内容主要讲述了微观粒子运动、化学键的形成与晶体结合、固体原子结构、晶格振动、晶体缺陷、非晶态固体、固体的电子态与能带理论、半导体性质、超导电性，介电晶体和磁性等[3]。它与其他课程，如固体化学、量子力学、理论力学、热力学统计等学科有密切的关联，需要大量的高等数学、物理化学、线性代数以及数学物理方法等的知识。因此，在本课程教学中需要学生具备较高的数学、物理与化学的综合能力与知识。《固体物理学》课程的教学对凝聚态物理、半导体、光电子、超导体、激光技术、材料物理化学等相关产业的发展有重要的推动性作用[4]，尤其是固体化学中缺陷对其宏观物理化学性质的影响研究具有十分重要的意义。所以《固体物理学》课程教学的改革对学生掌握并充分利用该门学科具有重要的意义，本文针对《固体物理学》课程的教学内容设置，教学方法以及考核形式进行改革探索。

1.教学现状

该课程教学目的是通过课程学习使学生掌握研究固体物理的基本方法和理论，不仅为学习后续的一些专业主干课程，如《光电功能材料制备与应用》《材料物理化学》等奠定必要的基础，而且为学生以后从事材料物理化学、新材料、功能材料及固体电子器件的研制和开发、材料性能检测等工作打下坚实的基础。《固体物理学》不管是作为物理学分支科学的理论价值，还是在各领域的应用价值都无不显现出该课程的重要地位。随着凝聚态物理学的发展以及先进材料科学的突飞猛进，固体物理课程的教学在新的历史条件下面临前所未有的挑战，碰到了许多难以回避的新问题和新情况。另外，固体物理与固体化学在教学内容存在着重叠部分，但也有互补内容。为培养应用型的材料类本科人才，通过内容优化整合，将固体物理与化学内容创新性结合。目前，传统的固体物理的教学内容对该学科前沿的新成果和新概念介绍得不够，且传统的教学方法单一，不利于学生解决问题能力及创新能力的培养。目前大部分高校课程中所设置的《固体物理学》课程存在普遍的现状，多表现为课程内容过于理论化，理论推导等讲解内容过于枯燥，同时很多理论知识较为陈旧，与目前学生其他专业课联系较少，容易导致学生在课堂上的注意力下降，难以广泛地引起学生学习的兴趣。

将上述这些问题总结为三个方面：

（1）教学内容设置上存在问题，大多数内容理论性强，需要运用到大量的高等数学知识，对于高数差的学生具有较大的挑战，同时涉及到大量的晶体学公式推导，增加了学习难度，尤其是三维几何结构和公式理论推导部分难以理解。同时固体物理的知识内容繁多、抽象，物理模型复杂，因此学生掌握难度高。

（2）大部分内容讲授主要采用传统的填鸭式的方法向学生讲授知识，这对学生学习潜能的激发、思维能力的提升和培养极为不利。在教学中存在知识内容抽象繁杂的问题，讲授内容很难激起学生的学习兴趣。教学方式上过于枯燥，存在大量的公式推导，需要大量的板书，在教学过程中过度的板书教学，不够生动有趣，难以勾起学生的兴趣。

（3）现有考核方式主要以是试卷考试为主，结合考勤、课后作业等给予考核评价。考核形式过于单一，考核主要通过期中考试和期末考试两个部分完成，以试卷的方式进行考核，对学生所学本门课程难以进行一个较为全面的测试。由于课程内容繁杂知识点分散的特点，试卷内容无法实现所有重点内容学习情况考核，对学生的具体学习内容具体掌握情况无法做到及时了解。缺乏其它开放性内容考核，缺乏对学生的综合应用能力的考核。缺乏课程的讨论，学生无法做到知识点的灵活应用，无法实现对自己今后的工作生产实践提供指导。

2.教学内容

“课程内容专业化”指的是在《固体物理学》课程内容设置的过程中，与本学科学生的专业方向紧密结合。如本校材料科学与工程专业设置了《固体物理学》课程，在针对该专业的《固体物理学》课程的教学过程中，应该更多的倾向于固体材料、晶体结合能、晶格点阵、化学键等方面，进而调动学生对于固体物理化学学习和材料科学与工程专业内容学习的积极性。同时将近几年我国科学家在固体物理化学及凝聚态物理领域做出的一批具有重大影响力的成果引入到课程教学中。例如菲列兹·伦敦奖获得者薛其坤院士领衔的实验团队在实验上首次观测到量子反常霍尔效应；中国科学院物理研究所方忠研究员等率领的科研团队，在实验上首次证实了Weyl费米子的存在；北京理工大学欧育湘等合成出“新一代含能材料”炸药之王CL-20，历尽三十余年将这座世界炸药的“最高峰”彻底征服；涉及超导研究时，突出超导材料应用的广阔前景，同时介绍赵忠贤院士在超导方面的贡献。这些理论从预言到实验观测的全过程中国科学家发挥了重要的作用。新的知识、先进的技术和先进的设备是国家强大的根本，这要求学生提早树立远大目标，即成为国家栋梁之才，因此需要先学好固体物的基本理论，从而激发学生学习固体物理的兴趣。通过给学生们介绍这些由中国科学家在物理、化学等领域等方面做出的最新成果，可以激发学生对固体物理的兴趣，建立固体物理学科的民族自信，激励他们克服学习中遇到的困难。

为进一步引起学生兴趣，应将课程内的基础理论引导到应用实践上，并且可以与科研动态紧密结合。例如：在金属材料导热以及热膨胀性能等方面的研究，可以将《固体物理学》课程内容中的晶格点阵、晶格膨胀、晶格振动等概念引入，联系到声子传热和电子传热的机制，对材料导热进行理论分析与解释。在分析材料的物理化学性质时与固体物理化学中的晶格畸变、化学键、结合能等相结合来进行理论实验分析。同时将专业相关课程中比如材料科学基础、材料分析方法、材料物理化学等课程的内容进行有机的统筹兼顾，将专业知识进行整合，让所有的相关内容有机地联系在一起。将能带理论中金属导体、半导体、绝缘体等的相关理论分析与材料物理化学中相关概念研究内容相结合，从而使学生更好的理解价电子的排布，从而判断材料的导电性。固体物理课程相关的研究一方面有助于学生对主要知识点的理解，另一方面有利于学生将书本知识扩展到专业学习相关的科学研究上，真正的做到学以致用。

其次，在教学内容上需要注重知识点的内在逻辑性，逻辑性可以分为平行联系和递进联系两部分，按照思维逻辑性进行讲解，这样更加通俗易懂。其中平行联系属于并列关系，横向发展，是知识点的扩展，递进联系属于纵向发展，是知识点的深入挖掘。通过这样平行联系和递进联系的方法把知识进行横向和纵向的延伸，将前后知识点进行有效地串联，可以帮助学生高效地理解所学内容。

根据不同学生的理解能力和学习能力调整《固体物理学》课程培养方案，建立学习梯度的模式[5]。例如：将不同班级划分成不同难易模块，创新拔高班按照中等困难程度培养，部分内容添加困难模式培养，普通班级按照低等难度培养，部分内容添加中等难度教学。还可以将不同班级能力不一的同学换分成不同模块，分配不同的课后任务等。

总体来说，将课程内容简单化，注重基础理论与原理方法的理解和应用，通过分级梯度是教学模式对课程内容进行调整，使得课程教学能做到因人而异，使得学生能真正地理解所学，并能将所学应用在实践中。

3.教学手段

“教学手段现代化”使之充分的利用现代化教学手段，包括教学设备和设施，以及教学软件等。对于教学设施方面，充分利用多媒体教育资源以及线上教育资源，可以在多功能教室对《固体物理学》课程进行讲解，一方面学生可以参与其中，利用设施进行讨论学习等，另一方面可以进行课程录制，方便学生在课余时间进行课程回顾。同时可利用线上网络资源以及教育平台资源[6]，例如MOOC平台、智慧树平台、腾讯课堂和网易公开课等，将国家精品课程讲授视频引入到教学中以便于学生对《固体物理学》课程进行更加详细的学习和理解。

对于教学软件方面充分利用色彩动画制作软件，结构模拟软件，进行模拟仿真。本科生的固体物理课程主要是研究晶体材料的微观结构和宏观物理化学性能，微观结构比较抽象难以理解，为了使学生能较好地理解相关概念，通过制作多媒体课件，将各种微观晶体结构直观形象地展示给学生，如简单立方结构、面心立方、体心立方结构和密排立方等。对于能带和费米面是固体物理学中非常重要的概念，可以通过计算能带的VASP软件，将计算得到的材料晶体的能带结构和声子谱，将抽象难懂的概念，以图示形式展现给学生，从而帮助学生理解相关图示。例如晶格点阵等空间结构，这种三维结构很难想象，可以利用实体模型以及动画加以展示，或是使用一些模拟仿真软件绘制图形等，还可以进行一定的结构优化和计算，引起学生的兴趣。将材料的物理性能与化学性质等有机结合，通过本课程学习实现固体物理化学等专业课程的重叠知识点的统一理解。并且在难以理解的公式推导等理论方面，不能单纯利用幻灯片播放，更应该采取幻灯片与板书结合，板书一步步推导，来巩固学生的基础学习，并将目前与课程内容相关的前沿科技论文引入到课堂中，通过将具体的知识点的灵活应用引入到课堂教学，让学生了解并掌握知识点如何在实际中应用。

同时为将理论应用于实践，应该在课程设置过程中增加《固体物理学》课程实践的课时。将固体物理的理论知识和生活实践相结合，例如讲授热缺陷对晶体物理化学性质的影响时，将相关的理论与切割刀具的刃相结合，刀具刃的部分硬度较大，这是由于在刀具的热处理过程中首先使其内部一些原子离开平衡位置，再将刀具的边沿急剧降温使离开平衡位置的原子没有时间回到平衡位置，从而形成含点缺陷的刀刃，导致刀刃较硬；TEM的多晶衍射环进行物相标定的过程中，涉及倒易点阵的知识，让学生充分的理解将理论内容应用于专业方向；将热膨胀测试与导热，金属腐蚀等测试相关的科研实践引入到课程教学里，让学生自己分析并处理相关实验数据，一方面加深对知识点的理解，另一方面掌握将理论应用到实际中的方法。将固体物理的基本理论与科研项目相结合，来加深对固体物理知识的理解，同时培养学生的创新思维和创新能力。

总体来说，在《固体物理学》课程教学手段方面，要充分利用大量优秀网络视频资源，采用线上与线下教学相结合的方式，加强学生的课程内容的理解，并且在课堂上应用图片、动画、流程图、思维导图进行讲解，更加生动有趣吸引学生的注意力和兴趣。

4.考核方式

“考核方式多样化”指的是在《固体物理学》课程考核过程中，应增加平时成绩占比，包括：考勤成绩、课堂讨论成绩、小组调研成绩、课堂小测成绩、个人讲述成绩、思考题解答情况、期中考试成绩、实验课程成绩、学术活动参与等，一方面可以充分调动学生在课堂上学习的积极性，另一方面增加考核形式，避免单一地依靠期末考试这一项决定课程成绩。考核的最终目的是希望学生掌握所学知识并能够熟练地应用所学。通过SPOC课堂连接线下教学的课前课后每一个环节，覆盖所有学生的每一次学习数据信息采集，SPOC课堂在后台记录学生学习的时长、学习进度，这些数据，不仅反映了学生的学习兴趣和对知识的掌握程度，还记录了学生的学习轨迹，教师既可以从中提取信息，及时掌握学生的学习情况，进而进行教学调整。在线下课堂上教师进行课堂重点内容讲授，注意采取启发式、讨论式等教学方法。并充分利用线上SPOC课堂学习的相关优质的统计分析工具，将其利用在《固体物理导论》教学学习的过程性考核中。督促学生完成线上视频学习，及时评价作业及单元测试成绩分析，制定合适的视频学习、作业、单元测试以及课堂讨论的相关成绩比例，完成线上学习考核。通过线下的课堂讨论以及期中、期末考试从而完成整个教学过程性考核。同时可以在教学过程中引入调查问卷以及章节内容教学评价，从而实现对线上线下教学的评价工作，这样有助于及时有效地反馈学生学习中存在的问题，优化改善我们的教学过程，最终实现提升教学质量和突出学生为教学主体从而提升学生创新思维能力的目的。

为加强学生对于基础概念，基本原理等理解，可以将基础知识测试放在课堂小测中，例如：每章节讲解结束后，选取5-10个开放式问题来进行课堂分组讨论与测试。同时可以采用半开卷半闭卷的形式，例如：期中考试采用开卷，期末考试采用闭卷的形式。为防止学生死记硬背，加强学生对知识的理解，应该在考试试卷上加入一定比例的开放性、探究性题目，或者在试卷上加入探索性选作题目等。通过多种形式的考核方式，提升学生的教学参与度，同时通过有趣地开放性话题，引起学生对科研中相关的具体问题进行思考，从而实现理论联系实际的目的。