普通本科院校材料专业固体物理教学改革的探索＊

陈 冲，王长征，耿婉莹，杜 鹃，李 伟

（聊城大学材料科学与工程学院，山东 聊城 252059）

0 引言

材料作为社会发展的三大基石之一，高性能材料的研发一直是其不懈的追求，而这不仅需要实验的支持，更离不开理论的指导。固体物理是依据物质的微观结构和组成固体的基本粒子的运动形态及规律来揭示固体材料的宏观物理性质的一门课程，因此被认为是高性能材料研发制备的理论指导性课程[1]。固体物理涉及材料的力学、热学、声学、电学、磁学和光学等性能的机理研究，因此，在材料专业中起到承前启后的作用，既是对本专业知识的进一步提高和深化，也是连接本科生教育和研究生教育的桥梁，是材料类专业一门十分重要的专业教育课程。而另一方面，由于固体物理是从原子、电子等微观角度揭示固体宏观物理性质，因此，量子力学是本课程知识体系的基本支撑，除此之外，还需要高等数学、大学物理、材料科学基础、热力学统计物理、理论力学等基础课程知识。这使得固体物理课程具有知识面广泛，理论综合性较强，且大量运用数学工具处理问题的特点。然而，对于材料类专业本科生，量子力学、理论力学以及统计力学等课程并未开设，而且，普通院校本科生的基础相对薄弱、自主学习意识淡薄。这些不仅限制了学生对该课程的深入系统地掌握，影响了学生学习该课程的积极性；也使得教师讲授该课程的进度受到很大的影响。因此，近年来对于固体物理的改革探索也有较多的研究报道[2-4]。本文根据聊城大学材料科学与工程学院的实际情况，结合材料类专业特色，对固体物理的教学就以下四个方面进行探索性的实践与改革。

1 结合专业特点，改革教学内容

固体物理是一门综合性课程，研究的内容包括晶格结构、晶体的结合，晶格振动，晶体缺陷，固体电子论、固体的磁性、半导体、超导体等多个重要专题。但是对于材料类本科生而言，量子力学、分析力学等课程并未开设，需要补充相关内容，且基础相对薄弱，还需要控制授课速度，再加上课时量的限制，对于固体物理的课程内容需要根据材料类专业的具体情况进行取舍，以保证学生们保质保量完成本科阶段固体物理的学习。

首先，关于章节内容的取舍，晶格结构和晶体的结合在材料科学与基础、大学化学以及物理化学中均有涉及，但是这两章内容为后续章节的基础，所以仍然需要学习，但是不应该花费过多的时间。晶格结构着重在讲解和推导倒格子相关内容，晶体的结合则重点学习模型建立，利用数学的方法分析晶体的结合及其特点等内容。对于晶格缺陷部分的内容在材料科学与基础课程中学习得较详细，且本部分的课程内容与后续章节的联系较少，可以作为自学内容。晶格振动和能带理论部分是固体物理非常重要且基础的内容，是后续材料性能分析的理论基础，但是这两部内容均是以量子力学为理论基础，因此应该在课程内容之前先补充量子力学、分析力学等相关知识。其中，量子力学的公式复杂，应用到多体问题求解更是很难得出解析结果，因此补充量子力学的相关内容时，应该着重讲清楚波函数的含义，哈密顿量以及算符等基础知识，使同学们理解量子力学与牛顿力学体系的区别。关于本科生阶段的课程截止能带理论是较为合适的学习量，如果继续学习可能会给学生带来一定的压力，贪多反而会掌握不牢固。

其次，固体物理课程本身是一门还在不断发展壮大的学科，不断有新的知识、新的概念和问题补充进来，而教材不会及时更新，因此还需要教师在授课过程中实时引入前沿知识。介绍发展前沿知识可根据课程知识，将最新的发展成果和文献引入，且应本着言简意赅，定性描述的原则，以起到既能让学生们开阔眼界、提高兴趣的基础上，又可以让学生们认识新旧内容之间的联系、区别和发展，进一步巩固和理解课本知识。

2 创新教学方式，调动学生的自主学习能力

固体物理课程所包含的知识面较为广泛，且理论性和专业性较强，抽象难懂，大量运用比较复杂的数学公式，增加了学生们的学习强度和难度，因此通过改革教学方式，调动学生们的学习积极性和主动性对于固体物理的学习异常重要。由于固体物理内容体系庞大，各章节知识都有各自的特点，应将各章重要知识点分解成专题进行讲授，尤其应将“互联网+教育”的现代化信息技术融合到教育教学中，然后采用翻转课堂的分组讨论法学习，会是较适合固体物理的授课的方法[5]。

固体物理的基础知识框架是进行翻转课堂的基础，基础知识掌握不牢固对于固体物理中理论模型的应用与调研都将很难进行，因此基础知识掌握是学生们学习的重中之重。在基础知识讲解过程中，涉及的图形和公式较复杂，因此，根据各章特点，灵活使用现代化信息技术不仅节约时间，也有利于知识图形的理解，达到事半功倍的效果。例如第一章中关于晶体结构的内容需要较强空间想象能力，而现在的视频资源丰富，作图软件也很多，选择一款合适的作图软件，以方便给学生从各个角度展示晶体的结构，充分认识了晶体的结构，后续X 射线衍射、晶体结合等也能更高效地学习。同理，对于抽象的一维晶格振动以及能带结构，同样可以借助于动图、视频等展示不同的波矢对应的振动情况，不同介质的能带特点，帮助学生们理解。

固体物理教学中还存在的严重问题就是“有理无物”，这使得学生在学习中感到非常抽象，增加了课程的难度。因此在基础内容讲解后，可以将各章以研究专题的形式引入，且专题的引入要与实际实物相联系，体现学科前沿性和时代性，还需要学生下功夫去查阅资料，去钻研，才能完成的任务。实现既要解决有理无物的问题，还要使得学生获得综合运用前期积累以及本章基础知识解决复杂问题的能力。比如，晶体结构可以由X 射线衍射展开，晶体结合可以由不同结合类型晶体的性能展开，晶格振动可以由晶体热学性质、光学性质等展开，能带理论则可以由导体、绝缘体、半导体的特点展开讨论等。为保证各章专题的顺利进行，可以采用分组讨论的问题引导式任务驱动方法，且以专题问题为导向的分组讨论也是目前常用的一种翻转课堂方法。可以引导学生充分利用现代电子资源的巨大优势，通过超星数字图书馆、cnki 中国学术期刊全文数据库等搜索与固体物理课程相关的前沿进展，锻炼学生查阅文献的能力。鼓励学生利用已学知识结合查阅的资料来完成专题的讨论和讲解，锻炼同学们的合作能力、沟通能力、解决复杂问题的能力、口头表达能力以及书面表达能力等。同时，也要重视学生创新能力的培养和个性发展，鼓励学生突破传统，敢于提出独到见解。为了防止讨论组内出现滥竽充数的情况，每次讨论完后，对于组内同学们的团队协作能力以及贡献进行线上打分，以及留言，并及时处理组内出现的问题，不断优化改进翻转课堂的学习方法。

3 融入课程思政元素，培育高品德人才

大学不仅是学生们学习积累科学文化知识、完善提升自我能力的重要时期，更是建立世界观、人生观、价值观的重要时期；而且随着信息化时代的不断发展，当代的大学生们面临着诸多的机遇与挑战。树立正确的三观，成为能够服务于社会发展，为社会主义建设添砖加瓦的栋梁之才，思想政治教育工作尤其重要。习总书记在全国高校思想政治工作会议上将思想政治理论教育比喻为盐，盐是我们不可或缺的，但我们不能光吃盐，而要把它融入到各种食物里消化吸收[6]。同理，思想政治教育不能只靠思政课完成，而应该融入到每门课程中，潜移默化，润物无声地帮助学生们树立正确的三观，因此思政教育工作是我们每位教师的责任与义务。教师作为实施教书育人的主体，是课堂教学的第一责任人，要将思政内容融入到专业课程中，首先需要教师自身具有良好的文化修养与思想道德水平，而在教师不断深入挖掘专业知识蕴含的德育元素过程中，一定能够不断提高自身的思政水平，形成正向的反馈机制。

固体物理是一门综合性课程，内容综合广泛，更需要在课程中加入思政内容。深入挖掘专业知识蕴含的德育元素，采用“盐溶于汤”的模式，从不同角度帮助学生形成正确的三观，提高学生分析问题、解决问题的能力，培养学生的辩证辩证思维、创新习惯和大工程观，以思想引领促进大学生全面发展。另一方面，固体物理的发展从侧面上反映了近代物理的发展历程，近代历史中我们国家经历了诸多磨难，科学研究也受到很大的限制，但是在此过程中，中国学者们刻苦努力、自强不息的精神是鼓励学生积极向上、奋发图强的优秀榜样。在挖掘思政实例的过程中也要不局限于科学研究，在各行各业为祖国富强而鞠躬尽瘁的人物事迹都是我们学习的榜样。

在授课过程中，多采用声频、视频的途径来穿插引入励志人物事迹，简短的几分钟时间既可以将思政潜移默化地引入，又活跃了课堂气氛，开阔学生视野；鼓舞学生以古代的贤者和当今的名人为榜样，学习他们的不懈奋斗，锐意进取的精神，并将这些信念根植于学生们的学习以及未来的工作生活中。

4 创新思维、科学思想方法

为适应当前科技进步、社会发展、日益激烈的国际竞争的需求，现代大学教育的中心是要培养学生们的综合素质：要具有扎实的知识基础，具有创新精神、创新能力，同时还要具有实践的能力，具有能够解决一定的实际复杂工程问题的能力。而固体物理是一门理论与实际相结合的专业综合课程，不仅拓宽学生们的理论知识，面向科技发展的最前沿；还将知识与实物相连接，培养学生们的创新精神，提高解决实际工程问题的能力。在教学中，要注重固体物理课程的基础性与前沿性、探索性相结合，尤其要强调科学方法的运用，培养学生初步的科研意识和科研能力，为实际问题的分析解决打下良好的基础。

固体由大量的原子、分子组成，是多粒子体系，相互作用非常复杂，而利用量子力学理论解决多体问题更是难上加难。固体物理为量子力学的应用提供了途径，即近似方法。近似法是指在处理问题的过程中，抓住问题的关键矛盾与本质，忽略次要矛盾和要素，建立合理的模型分析实际的问题。我们处理实际问题的过程中，近似法方法是很实用且有效的，实际生活生产中遇到的问题复杂多变，在分析问题的过程中，我们应该抓住事物的主要矛盾，忽略次要矛盾，这样才能快速解决复杂工程问题。而要使用近似方法，抓住事物的主要矛盾，除了要有良好的知识储备，对事物的深入认识外，还要有大胆创新，勇于探索的精神。在固体物理课程中有很多的近似的方法的应用实例：比如，在晶体热容问题的解决过程中，影响晶体热容的因素有很多，且利用牛顿力学体系建立的模型，不管如何丰富其影响因素都改变不了理论结果与实验结果之间的差异，这时就需要我们改变思路，创新思维，利用量子力学的理论方法来解决问题。在使用量子力学的过程中，同样可以看出来，只要抓住了问题的本质，就算是简单的爱因斯坦模型的热容理论，也能够与实验结果较好吻合，不仅能够给出合理的解释也简洁地指出了问题的本质。在固体物理课程的学习过程中，要多强调近似方法的应用，创新思维的重要性，为今后解决实际的工程问题奠定基础。

5 结语

综上所述，对于普通高校材料类专业本科阶段固体物理教学中，重点在于引起同学们的兴趣，调动学习的积极性，使学生们意识到固体物理学对科学技术发展的重要性，尤其要将固体物理与材料相连接，体现固体物理在材料专业研究工具的特点。通过教学方法循序渐进地改进，教学内容与材料知识的充分链接，课程思政的深入挖掘，进一步强化学生的专业素质和专业能力，提高学生分析和解决问题的能力。