新能源材料專業固體物理學教學改革與實踐初探

張 帥，林本才，劉 振

（常州大學，江蘇 常州 213164）

新能源材料專業固體物理學教學改革與實踐初探

張 帥，林本才，劉 振

（常州大學，江蘇 常州 213164）

本文從新能源材料專業學生的實際情況出發，結合固體物理學課程的特點，介紹了在教學內容、教學方法和考核方式三方面所做的一些改革與實踐。

固體物理學；教學改革；教學實踐

固體物理學是一門研究固體的結構及其組成的微觀粒子（原子、離子、電子等）間相互作用和運動規律，從而闡明其性能與用途的學科。它是微電子技術、光電子學、材料學等技術和學科的基礎，同時，也在太陽能光伏發電等新能源技術的革新發展中起著關鍵作用。因此，在常州大學新能源材料專業中開設該課程，并將其作為該專業的主干課程之一，希望使本專業學生掌握一定的固體物理知識及其研究方法，從而有助于學生增強理學背景，擴展視野，提高其解決問題的能力，而且為他們畢業后進一步深造或就業奠定堅實的基礎。

一、新能源材料專業固體物理學教學現狀分析

新能源材料專業是常州大學近年來為培養新能源產業發展所需的專業人才而設立的新專業。該專業處于起步階段，人才培養模式和課程體系的構建亟需完善，而且材料類專業課程往往更偏重材料的工藝、性質和性能，這些課程往往重工輕理，造成學生的理科背景不強。而固體物理學課程包含了很多晦澀難懂的專業定義、復雜的三維空間想象與變換和煩瑣的理論推導，需要以高等數學、熱力學與統計物理和量子力學等理論性很強的課程為基礎，因此客觀上造成本專業的學生并未做好學習固體物理學課程的準備。舉例來說，這些學生的先修課程并不包含量子力學。此外，像高等數學這類課程，學生雖已經學習過，但由于課時等原因，這類課程的學習程度沒有達到學習固體物理學課程的要求。由于上述原因，本專業的學生在學習本課程的過程中感到相當的吃力，特別是涉及到一些抽象的定義和復雜的數學推導過程，使部分學生產生了厭學的情緒。因此，為達成設立本課程的初衷，其課堂教學和考核的改革勢在必行。

二、教學內容的改革

固體物理學課程的內容博大精深，可人為劃分為固體物理基礎部分和固體物理專業部分。由于本專業的培養方案將本課程定性為專業基礎課程，并為其安排了56個學時，因此僅講授固體物理基礎部分，并對其有所取舍，充分考慮新能源材料專業側重太陽能光伏發電和鋰離子電池儲能的特點。鑒于以上考慮，本課程的教材選用Kittel著，項金鐘和吳興惠翻譯的《固體物理導論》，講授該教材的前七章，側重材料的電學性能知識點的講授，減少力學和磁學等相關知識點的比重。例如在第三章晶體結合與彈性常量中，舍棄關于彈性常量的講解，回避復雜的角標和矩陣方程，既可以減少學生的畏難情緒，又可將更多的精力放在第六章和第七章這些與材料電學性能相關的章節。此外，Kittel著《固體物理導論》這本教材比較注重物理結論，而在某些地方忽視了如何引出該結論的過程，如果只是照本宣科，必然會使學生對課程的內容產生懷疑，最終導致他們失去學習的興趣。因此，在教授的過程中作者還取多家之長，對該教材忽略的重要過程進行補充，力爭講清每個知識點的來龍去脈。比如，在第六章自由電子費米氣中，《固體物理導論》該教材直接引出了一維情況下能級的表現形式，這種不通過薛定諤方程的方式使學生感覺知識點比較突兀，缺乏心理準備。對此，我們在這部分補充了薛定諤方程的知識，而后自然地引出教材內容。通過這種做法不僅豐富了課堂教授的內容，使知識體系更趨完善，更在潛移默化中將對待工作認真負責的做人道理傳遞給學生，起到了教書育人的目的。

三、教學方法的改革

正如前面所述，固體物理學課程內容理論性強，比較抽象難懂，而學生由于種種原因并未打下學習該課程的基礎。為了解決這一矛盾，作者首先將要用到的《量子力學》、《統計物理學》和《高等數學》中相關知識點在課堂上穿插講解，為學生補缺補漏，解決先修課程不足的問題。其次，不拘泥、不追求煩瑣的數學推導和演算，采用定性解釋或數學推導與定性解釋相結合的辦法去解釋固體的性質和結論。例如，在講解費米-狄拉克分布時，如果從數學推導上去解釋這一結論會十分煩瑣，我們采用生活中汽車長隊等紅燈的例子去類比解釋：將一輛輛汽車類比為固體中的電子，將紅燈前的斑馬線類比為固體中的費米能級，將紅燈時沒有汽車越過斑馬線類比為0K下固體中所有電子排布在費米能級之下，將綠燈時首先是靠近斑馬線的汽車通過斑馬線類比為0K以上原費米能級附近的電子首先激發到高能級。這樣就很容易讓學生理解這一重要的結論，并且有助于樹立學好這門課程的信心。此外，在講解第六章自由電子費米氣的過程中，首先給學生補充薛定諤方程的知識點，但由于他們沒有學過《量子力學》課程，對薛定諤方程的講解采用數學推導與定性解釋相結合的辦法：從能量守恒角度并引入幾個重要的假設就能簡單的導出薛定諤方程，使他們很快的掌握必要的先修知識。采用這樣一些方法，可將一些較復雜、抽象的知識點以較為生動的形式傳授給學生，改變了他們對這門課程看法。

四、課程考核方式的改革

學生成績評定是教學過程的主要環節之一。目前常用的考核方式有閉卷和開卷兩種形式，前一種形式主要考查課本內容，容易造成學生考前突擊，死記硬背；后一種形式考查內容靈活，但學生往往對考試復習無從下手，一些學生甚至存在投機取巧的僥幸心理，放棄對所學內容的復習。結合固體物理學課程理論性強、內容靈活但又有大量基本結論和公式需要記憶的特點，作者采取半開卷的考試形式，即統一向學生發放一張A4大小的紙，學生在復習過程中可將他們認為重要的知識點歸納總結在這張紙上，而考試時可查閱這張紙上的內容。采用這種方法，避免了學生在復習過程中將大量精力放在結論和公式的記憶上，有助于督促學生對所學課程內容進行思考，從而提高了學生的綜合素質。

總之，在新能源材料專業固體物理學課程教學過程中，要堅持以學生為本，以學生為主體，在充分認識本專業學生特點的基礎上，不斷改革，勇于實踐，不斷充實和完善自己，最終做到因材施教。

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G642.0

A

1674-9324（2014）29-0034-02

本文為江蘇省高等教育教學改革研究課題（2013JSJG106） 和常 州大 學 教 研 課 題 重 點 項 目（GJY2013003、GJY2013006、GJY12020020）的部分研究成果。

張帥（1981-），男，常州大學材料科學與工程學院講師，研究方向：敏化太陽能電池及光催化；林本才（1984-），男，常州大學材料科學與工程學院講師，研究方向：燃料電池；劉振（1986-），男，常州大學材料科學與工程學院講師，研究方向：鋰離子電池。