固體物理學教學的一些探索

摘 要：固體物理學既是當今物理學領域中最重要的學科之一，也是許多新學科的基礎.該文從教學目標、教學內容和教學手段等幾個方面進行了探索和實踐，總結出了“抓主線，選內容，重前沿，講方法”的改革措施，期望對人才培養和學科建設起到一定的推動作用。

關鍵詞：固體物理學 教學改革 教學實踐

中圖分類號：G462文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）05（b）-0143-02

固體物理學是研究固體的結構及其組成粒子之間相互作用與運動規律以及闡明其性能與用途的學科[1]。從學科結構和內容上看，該課程內容基于普通物理學、高等數學、線性代數、量子力學、熱力學統計物理等課程，主要講述晶體結構、晶體結合、晶格振動和能帶理論等方面知識。它既是當今物理學領域中最重要的學科之一，也是許多新學科的基礎。由該學科發展起來的基本概念、基本理論和實驗技術，已向其他相鄰學科領域滲透，并促進其他學科的發展[2]。如：金屬物理、半導體物理、磁學、低溫物理、電介質物理、表面物理、非晶態物理、材料科學等。幾十年來，以固體物理的理論為基礎，在半導體、磁學、激光、超導、納米材料等現代技術研究方面取得了重要突破。隨著科學技術的發展，固體物理課程的教學在新的歷史條件下已面臨前所未有的挑戰，碰到了許多難以回避的新問題、新情況。傳統的固體物理教學內容對固體物理前沿的新成果、新概念介紹得不夠，且傳統的教學方法單一，不利于學生解決問題的能力及創新能力的培養。為了適應精英教育、構建研究型大學人才培養的需要，固體物理學的教學改革十分必要。因此，筆者結合自己在學習和講授固體物理學過程中的感想，針對教學目標、教學內容和教學方法等方面作出如下探索。

1 培養學生自主學習的能力

隨著科學技術的迅速發展，學生既要學習原有的經典知識，又要接受更多的課程和社會信息，如何在有限的時間內實現這兩者的有效結合，是當今各個階段的教育都面臨的一個重要問題。面對知識更新速度的加快，我們的教育目標也應該有所調整，即努力實現由“授之以魚”向“授之以漁”的轉變[3]。尤其是對于大學生，他們已經接受了十多年傳統的學校教育，有了較多的知識積累，大學階段的教育一方面是教給他們以知識，更重要的是培養他們自主學習的能力，使他們掌握研究性學習的方法，以便走向社會后具備自我學習、獲取新知識和開展新工作的能力。明確了這樣的培養目標之后，在教學過程中，就應該有針對性的創造各種條件，讓學生自主參與到學習過程中來。例如，在講授布洛赫波的時候，先向學生強調晶體中電子波函數是按晶格周期調幅的平面波，接著啟發學生考慮自由電子波函數的形式（量子力學已經講述過），經過引導，學生回想起自由電子的波函數是平面波的形式，之后再分析晶體中電子是受到晶格勢場的周期性調制，所以需在平面波的波函數前面加上一個調幅因子，最終形成了布洛赫波函數。經過這樣一個過程，學生可以自主的回顧以前所學的知識，并將其和新內容相聯系，有助于新舊知識的融合和貫通。與此同時，也可以激發學生學習的積極性，培養他們學習和運用知識的能力。

2 教學內容的精選

固體物理內容十分豐富，體系龐大，各部分有各自的特點。其中復雜抽象的概念體系、晶體結構的描述、嚴密的理論推導等要求任課教師具有較好的數學和物理學修養，要熟悉固體物理學發展歷史和前沿研究的新動態、新概念，且能夠對物理圖像進行透徹的講解；要求學生具有扎實的微積分、線性代數、群論等數學知識和量子力學、原子物理學、理論力學和統計物理學等物理知識。同時，固體物理學知識比較零散、概念多、模型多、原理和定律多，這對教師和學生都是一種挑戰。面對如此龐大的知識體系和豐富的內容，在講授過程中如何組織授課思路和精選教學內容，是教師要解決的一個問題。首先，理清固體物理的主線是非常重要的，即明確固體物理是研究固體的結構及其組成粒子之間相互作用與運動規律及闡明其性能與用途的學科，是從微觀的角度來揭示固體的宏觀物理現象.在此基礎上，認真分析教材，同時參考其他經典教材，精選教學內容，重在物理概念和模型，至于公式的推導和方程的求解等環節可適當簡化，留給學生課后自行解決。按照這樣的思路進行下來，即使在有限的課時內，學生對物理概念、物理圖像的認識也會比較清晰，有利于對基礎知識的掌握.

3 重視章節之間的內在聯系

固體物理學雖然涉及內容較多，但是認真分析后，不難發現各章節之間銜接緊密。以胡安的《固體物理學》為例，本科階段的教學內容主要是前四章：第一章主要講晶體的周期性結構，那么這些結構形成的內在機理是什么，就要考慮粒子間的相互作用，這樣就引出了第二章關于晶體結合的問題；同時，由晶體的結合類型和結合能，表明在不同的條件下，原子間會出現某種形式的引力和電子云的斥力，這些相反的作用力決定著平衡時原子間距，再考慮到絕熱近似，實際晶格則在平衡位置附近振動，由此可引出第三章關于晶格動力學和晶體熱學性質的內容；晶格動力學主要是針對原子的水平上的內容，而晶體中還包括電子，那么電子的狀態是怎樣的呢？這就引出了第四章能帶論.由此可見，在教學中，抓住知識體系的主線，突出概念和模型，便于學生識記、理解、掌握知識體系。

4 注入學科前沿知識

固體物理學是一門發展十分迅速的基礎科學，與當今最活躍的凝聚態物理和新材料科學緊密相連，也在其他多個學科領域得以應用，因此面對不斷涌現的新的現象和新的科研成果，固體物理學的前沿動態在教學中應該有所反映[4]，這將有助于提高學生對該課程學習的積極性和明確努力方向，同時也使課堂教學增添活力.例如，在講授晶體的共價鍵結合時，筆者就聯系自己的科研實際，介紹了碳納米管和石墨中碳原子的成鍵形式的差異，說明了二者在物理性質上的區別和聯系，以此為基礎，進一步介紹了低維碳納米材料近年來的研究進展。再如講授能帶理論的時候，筆者向學生介紹了石墨烯的能帶特征，說明了在低能極限下，石墨烯呈現出線性的能量色散關系，使得傳導電子可以看作是無質量的Dirac費米子，這種類似于光子的特性，使其可用于相對論量子力學的研究，同時表明其獨特的載流子特性和優異的電學特性，這些都是近幾年凝聚態物理的研究熱點。所以，把科學前沿知識引入課堂，不僅可以讓學生強烈地感受到科學發展的脈搏和動力，極大的拓展了學生的視野，還可以激發起學生運用基礎學科理論實現科技創新的勇氣和欲望。這與“著重于啟迪學生思維，發展學生智能，開發學生的創造性，努力拓寬學生的知識面，為探索未知世界鋪路架橋”的世界一流大學培養人才模式是相呼應的。

5 教學手段的優化組合

固體物理課程中包括大量的立體圖像和復雜的空間結構，還涉及晶格振動的動態過程，對學生的空間想象能力要求較高。傳統的“粉筆+黑板”的課堂教學手段就有一定的弊端， 因此可以將現代化的教學手段融入進來[5]。例如，使用多媒體課件演示晶體結構、倒格子、能帶、晶格振動等模型，再結合自制教具，實現圖片、動畫和實體模型相結合，使學生建立形象的空間模型概念，更直觀的理解教學內容。所以，多媒體教學技術以其趣味性、形象性，可以增強教學的感染力，為固體物理教學注入了新的活力，從根本上改變了固體物理傳統的教與學的方式，有助于激發學生學習的興趣，培養學生的思維能力和創造力。但是，多媒體課件不完全適合固體物理學教學，應根據具體內容和教學反饋進行取舍。例如，在講授倒點陣、布洛赫定理、聲子態密度等理論性較強的內容時，要配合節奏相對緩慢的板書，使學生理解知識要點，學會推理，從而有效的學習。

6 結語

上述教學改革方案是筆者在自己學習和講授固體物理學的過程中總結出來的，可以概括為“抓主線，選內容，重前沿，講方法”，目前在教學活動中也一直在實踐，獲得了較好的教學效果。但是，固體物理教學改革是一個龐大而又復雜的系統工程，課程改革的進行涉及到諸多方面，需要廣大教育工作者不斷研究和探索，進行多次“實踐—反思—總結”，方可真正跟上當今科學技術日新月異發展的要求，培養出新世紀合格的高素質和創新型人才。

參考文獻

[1]胡安，章維益.固體物理學[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]梅顯秀.固體物理教學改革的探索與實踐[J].大學物理，2010（29）.

[3]華中，宋春玲，劉研.固體物理教學改革的探索與實踐[J].吉林師范大學學報（自然科學版），2004（4）.

[4]李艷紅，李鵬，郭思辰.固體物理學課程教學探究[J].科技創新導報，2010（27）.

[5]張建華.理論力學課程教學改革初探[J].江蘇教育學院學報（自然科學），2012（4）.