“固体物理”思政元素挖掘与课堂融入

贾博文 吴 绿 贺振华 葛 华 徐 宁

(武汉理工大学 信息工程学院,武汉 430070)

习近平总书记于2016年在全国高校思想政治工作会议上强调“高校思想政治工作关系高校培养什么样的人、如何培养人以及为谁培养人这个根本问题,要坚持把立德树人作为中心环节,把思想政治工作贯穿教育教学全过程”[1]。2017年国家教育部启动了“高校思想政治工作质量提升工程”,大力推动以“课程思政”为目标的课堂教学改革。专业课程是高校专业教育的重要组成部分,是进行思政教育的重要载体[2]。专业课程的思政教学需要在保持专业内容教学的同时完成思政教育,达到润物细无声的效果。如何在该类课程中挖掘、凝练课程思政元素,面向课程思政改革课程教学,已经成为实现“立德树人”教育目标的重要问题。课程思政实践表明:思政元素的挖掘和融入需要立足于课程特点[3],构建和课程知识体系相辅相成的课程思政元素体系,实现思政、专业教育相长,德育、智育同频共振的良好效果。

“固体物理”是电子科学与技术的重要专业课程,主要关注晶体的热学、电学、光学和磁学方面的性质,涉及“大学物理”“量子力学”“电磁场”等多个先修课程,为本科生在微电子、集成电路方面的学习、研究打下基础。电子科学专业的“固体物理”教学具有一定针对性,在讲授时对与集成电路、光电子器件有关的知识点进行了强化和拓展,如晶体电学性质、半导体、薄膜分析技术等。值得注意的是,在宽口径教育的大背景下,学生在特定方向上学习时间有限,因此“固体物理”还承担着引导学生了解微电子产业和学科发展前沿问题的任务。近年来由于国内外形势的变化,集成电路技术成为制约国家发展的“卡脖子”技术,在“固体物理”中开展课程思政,是培养具有高尚道德情操、认真工作态度、扎实理论基础的集成电路技术专门人才的重要途径。

1 “固体物理”课程思政元素挖掘

与人文、实践类课程相比,“固体物理”虽然包含丰富的思政元素,但是以“隐性”居多,需要基于课程知识点进行深入分析、挖掘并引入相关案例以促进思政与“固体物理”的融合。在长期的教学实践中,教师已经注意到在“固体物理”教学过程中,通过案例讲解知识点对激发学生兴趣、帮助学生理解相关知识点有着非常重要作用[4-5]。因此需要将挖掘思政元素和引入案例统筹考虑,并对产业发展热点和专业前沿有关知识点和案例进行一定的侧重。在深入分析知识点和案例所蕴含的思政元素的前提下,构建与知识体系相辅相成的思政元素体系[6]。课堂教学设计时,需基于课程思政要求,注重精讲概念、重视应用、引入案例、思政引领,通过知识点引出相关案例,适时切入思政元素,实现思政引领下的知识学习,促进思政教育在专业课程中的深度融入,在培养学生专业知识和能力的同时塑造学生正确的人生观、价值观和世界观。

表1总结了“固体物理”中与爱国主义、创新精神、强国意识等思政元素相关的知识点和引入案例。为了获得更好的教学效果,需要建立合理的融入思路、设计具体的教学效果并精选案例内容。

表1 教学内容、思政元素和引入案例

2 课堂教学融入思政元素的思路和方式

2.1 爱国主义教育

爱国主义是我们民族精神的核心,也是教育最鲜亮的底色,一代又一代爱国科学家为我国科技进步、产业自主做出了卓越奉献。X射线衍射技术是分析晶体结构的重要手段,在讲授晶体杂质对X射线衍射的影响中,引入黄昆院士首先提出了描述该现象的物理模型——黄散射模型,以及黄院士回国后积极培养半导体人才并创立了我国第一个半导体物理专业的事迹,增强学生的爱国精神,鼓励他们勇攀科技高峰,用自己所学报效祖国,将个人发展和国家需要紧密结合。

2.2 创新意识和科学精神培养

创新精神是国家科技发展、产业进步的源动力。晶格振动部分的一个关键知识点为晶格的非简谐振动,在讲授非简谐振动导致的晶格热膨胀时进行适当拓展。介绍集成电路是由不同材料体系构成的复杂结构,因此在设计时必须考虑不同材料的热膨胀系数,避免电路在使用中因为热膨胀程度不同(热失配)而导致损坏。进而引入武汉长江存储自主研发了Xtracking架构的非易失性存储器的案例,引导学生思考为什么避免热失配是实现异质集成Xtracking架构的关键,了解异质集成的前沿知识,强调创新是突破卡脖子技术的关键,培养学生的创新精神。

固体物理学的发展经历了多个阶段,其根本推动力是学者对经典理论的质疑和对真理的追求。课程在讲授晶体结构时,会介绍科学家对晶体结构的早期探索,如惠更斯对双折射现象探索,阿羽衣提出晶体的有理数指数定理,道尔顿提出原子论、晶体对称性和空间点阵的研究等内容。教师将引导学生思考科学研究的一般性规律。课程在讲授金属自由电子气论、能带论的基本模型时适当插入与这些理论发展、诞生有关的案例,比如工业革命时期科学家对金属良好导电、导热性来源的探索;德鲁特首先借鉴当时比较成熟的气体运动论提出了经典金属自由电子气论;索末菲敏锐地抓住经典理论中关于热容、金属电子的平均自由程结论的错误,基于刚刚诞生的量子力学,提出了量子金属自由电子气论;布洛赫等人则更进一步,用波函数描述电子运动,进而提出了能带论,准确区分了导体、半导体和绝缘体。上述案例在促进学生理解理论模型的同时,也可以帮助学生体会科学家在追求真理的道路上实事求是、敢于质疑经典结论以及百折不挠的探索精神。课后可以通过布置开放性作业的方式启迪学生思考什么是科学精神、科学探索的一般性方法、建设崇尚科学的价值观等问题。

2.3 强国意识和民族自信心塑造

强国意识是爱国主义的升华,民族自信心是中华民族的核心凝聚力。教师在讲解知识点时应该注意结合案例,塑造学生应用所学内容服务国家的意识。通过能带论理解半导体的电学性质是“固体物理”重要的知识点。在讲授这部分内容时,介绍半导体、集成电路对于信息产业的重要意义,引入当前华为、中兴等企业被制裁案例,强调独立自主技术的重要意义。激发学生以所学专业报效祖国的强国意识,并启发学生思考集成电路产业发展和所学知识的关系,如何应用专业知识突破目前卡脖子技术等问题。

在超导体部分教学中,从超导体发展过程切入,介绍赵忠贤院士独立发现液氮温区高温超导体和发现系列50 K以上铁基高温超导体并创造55 K纪录,引领了全球在该领域的研究[7]。结合之前金属、半导体、常规超导体导电性部分内容,并以图表形式进行总结,如表2所示。可见,相比金属、半导体领域,中国在铁基超导体研究中做出了巨大贡献。教师可再引入其他案例,如在不同时期诺贝尔奖获得者国籍变化、世界顶尖大学变化、主要研究成果诞生地等,介绍世界科技中心多次转移的过程,指出中国具有成为世界科技中心的潜力。在此基础上,塑造学生的强国意识,鼓励学生投入到高新科技的探索、研发、应用领域,为中国实现科技自主、成为世界科技中心作出贡献,为世界科技进步交上一份“中国答卷”。

表2 不同物质导电性研究过程对比

太阳电池和半导体的带间光吸收过程密不可分。教学时,从能源革命切入,介绍以太阳能为代表的绿色能源以及我国太阳电池发展历程和应用情况。从学习国外先进技术,到进行全产业链自主研发,中国太阳电池产业业已成为引领全球产业发展的主导力量。2020年,我国太阳电池产量达134.8 GW,光伏组件产量达124.6 GW,连续14年位居全球首位[8]。科技工作者为太阳电池国产化、核心设备本土化做出了卓越贡献,解决了硅单晶提炼、电池结构、逆变器等技术难点。中国已经在西部太阳能资源丰富地区建设了大量太阳能电站,为解决国内能源短缺,降低碳排放做出了积极贡献。以习近平同志为核心的党中央做出的“2060年实现碳中和”的重大战略决策,太阳能为代表的清洁能源将在未来40年内迎来更大的发展。中国太阳电池的发展表明中国人民有能力后来居上、攻克技术难点、实现自主可控的高科技产业。结合之前提到的华为、中兴、长江存储案例,让学生意识到目前我国在集成电路领域的落后是暂时的,只要坚持科技攻关,就一定能够打开中国集成电路产业的新局面。通过这些案例,增强民族自信心,鼓励学生学以致用,为实现“中国芯”“碳中和”目标而不懈努力。

2.4 应用马克思主义哲学思想分析课程知识点

马克思主义哲学深刻地揭示了世界发展的普遍规律,“固体物理”和马克思主义辩证法存在着紧密的联系。金属电导率与温度相关,受到多个散射机制的影响,帮助学生理解不同温度下的主要散射机制和影响是教学的难点,同时启发学生思考如何处理类似问题,提出应用主要矛盾和矛盾转化观点。在一般温度范围内,金属电导率主要受到晶格振动散射的影响,晶格振动散射随着温度升高而增强。但是在极低温下存在着特殊矛盾——缺陷导致的剩余电阻,此时杂质散射为主要矛盾。最后安排课堂讨论案例“合金电导率和温度的关系”,培养学生应用矛盾论结合所学知识分析物理现象的能力。

3 “固体物理”课程思政的反馈和改进

对教学效果进行调研和分析,是持续改进课程思政教学方案、实现良好教学效果的保证。授课期间主要通过以下三种方式获得反馈:以随堂听课的方式,获得学校督导专家、高年资教师的反馈;通过调查问卷的方式,获得学生的反馈;通过师生座谈会的方式,进行师生面对面深入交流。根据102名学生和5名教师的反馈结果,“固体物理”的课程思政教学应该从以下三个方面改进:

(1)提高授课教师思政教育能力。与思政课程教师相比,专业课教师在进行课程思政教学时还存在一定的不足。比如对案例内容和涉及的知识讲授过多,弱化了对案例中思政元素的提高和升华。因此教师需要加强思政理论和教育方法方面的学习和提高,加强同思政课程教师的交流。

(2)用好多种教学方式,思政元素的良好融入离不开教育方式的推陈出新。在课堂讲授和讨论之外,教师应该善用现代信息和媒体技术,通过在线教学平台、QQ群、网盘等及时分享思政案例、观点及感想。开展线上、线下师生读书会,分享课程思政学习感受。采用翻转课堂,让学生主动寻找案例、挖掘思政元素,加强对于课程思政的思考和实践。

(3)加强对课程知识体系和思政元素的统筹规划。目前对于思政元素的挖掘基于课程原有大纲,思政教学跟随理论教学逐步推进。实际案例往往涉及多个知识点以及不同的思政元素,过于碎片化的安排会削弱课程思政效果,因此必须加强对知识点、思政元素的统筹规划。课程可以学科前沿、社会热点问题为导向建设专题,包含相关知识点和思政元素,帮助学生建立学科知识与思政内容的有机联系,实现知识传授、能力培养、价值引领三者相辅相成的教学目标。

4 结语

作为电子科学与技术专业的核心课程,“固体物理”为学生理解电子器件运行背后的物理规律,以及进一步学习集成电路、光电子器件相关知识打下了基础。目前相关领域的发展受到了国家和社会的广泛关注,产业发展迫切需要德才兼备的专业人才。因此,“固体物理”课程在承担传授知识的同时,更要强调进行价值引领,提高学生的综合素质。本文以在“固体物理”中发掘思政元素为出发点,尝试以案例为载体,探索“固体物理”中独有的思政资源,在此基础上进行课堂教学设计,促进专业、思政教育相互交融发展,通过思政引领促使学生在更高层次思考所学知识、培养创新能力、提高道德修养,落实“三全育人”的教育理念。本文提出的模式可以推广到电子学科相关课程,实现专业课程和思政课程交相辉映,将“大思政”理念贯彻到专业教育的方方面面,实现立德树人的培养目标。