科研反哺教学的固体物理学课程教学改革与实践

陈明星 欧阳方平

关键词 凝聚态物理;固体物理;科研反哺教学

2018年10月，教育部发布《关于加快建设高水平本科教育，全面提高人才培养能力的意见》文件，要求本科教育坚持学生中心，全面发展的原则，既注重“教得好”，更注重“学得好”，激发学生学习兴趣和潜能，激励学生爱国、励志、求真、力行，增强学生的社会责任感、创新精神和实践能力。因此，教师应围绕激发学生学习兴趣和潜能进行教学改革，以“两性一度”（高阶性、创新性、挑战度）为标准进行课程建设，培养拔尖创新人才，服务国家的“双一流”建设。

凝聚态物理是随固体物理学不断发展而形成的物理学分支，也是当前物理学领域最为庞大的分支。因此，固体物理学是从事凝聚态物理科学研究的基础，是物理学专业本科核心课程。由于固体物理概念抽象，学科综合度较高，学生在学习该课程的過程中普感困难，容易出现畏学心理。

近年来，凝聚态物理学发展迅速，诞生了二维材料、铁基超导体、拓扑绝缘体以及双层转角体系等一系列新研究方向[1-7]。及时将凝聚态物理前沿科研进展融入固体物理课程教学，不仅使学生了解学科前沿研究动态，增长知识见识，培养学生的学习兴趣，又能增强学生运用所学知识解决问题的能力，即实践能力，有利于培养学生的创新精神和创新能力。目前，已经有一些关于如何将凝聚态物理前沿研究进展转化为教学资源的研究。其中，二维材料石墨烯已经被同行广泛用于固体物理课程教学[8-12]。近几年，笔者也结合自身研究经历积极将前沿研究进展融入到固体物理学课程教学，学生普遍表现出浓厚的兴趣，教学效果和反响较好。现将若干尝试总结如下。

1 晶体结构

1.1 科研软件作为教学工具

晶体结构是固体物理教学的重要内容。了解晶体结构是进一步研究晶体电子结构和物理性质的前提。因此固体物理教学大纲要求学生掌握描述晶体结构的数学方法。由于晶体结构较为抽象，不少学生在理解格点、晶面以及晶体点群等概念时存在困难。引入晶体结构可视化软件作为教学工具，有利于学生理解和掌握与晶体结构相关的概念。VESTA 是一款免费的晶体结构可视化软件，其操作简单，安装方便，已被凝聚态物理领域的科研人员广泛用于其科研之中。笔者在晶体结构相关的课程教学中借助VESTA 演示晶体结构，并教授学生使用该软件研究晶体的结构性质，取得了良好的效果。图1给出了用VESTA 显示的BaTiO₃钙钛矿结构图。

除了晶体结构可视化之外，VESTA 还可以用来模拟X射线衍射实验（XRD），帮助学生理解消光现象[13]。图2给出了VESTA 模拟的硅（金刚石结构）XRD的结果。从中可以看出消光规律：即，只有当h，k，l全为偶数且h+k+l=4n或h，k，l全为奇数时，（hkl）晶面的衍射强度不为零，与理论结果一致，也与https：//physicsopenlab.org/提供的实验结果一致（http：//physicsopenlab.org/2018/01/28/silicon-germanium-crystal-structure/）。此外，可以引进科学软件Xcrysden辅助布里渊区的教学，演示晶体的第一布里渊区及高对称点。

1.2 石墨烯及其双层转角结构

石墨烯的发现掀起了二维材料的研究热潮。由于其结构简单，能带结构和电子性质特殊，且能够很好地与固体物理相关知识点融合，已经被同行广泛用于固体物理课程教学[8-12]。石墨烯具有六角蜂窝状结构，为复式格子。学习石墨的结构性质有助于学生理解格点与原子的区别、倒格矢的计算以及第一布里渊区的作图等。图3给出了单层石墨烯的结构图。

4 结语

本文总结了笔者结合自身经历将若干科学研究进展转化为教学资源，融入固体物理学课程教学的尝试。比如，在晶体结构的教学中引入可视化软件和当前的研究热点转角石墨烯。在能带理论的教学中将紧束缚近似方法应用于石墨烯的能带计算，探讨K点附近特殊线性能带的能态密度特征。此外，还挖掘了易于本科生掌握的Rashba效应和热电效应，有效促进了学生对晶体中的自旋轨道耦合效应和半经典Boltzmann输运方程的理解。