新能源材料專業(yè)固體物理學(xué)教學(xué)

張帥，林本才，劉振

摘要：本文從新能源材料專業(yè)學(xué)生的實際情況出發(fā)，結(jié)合固體物理學(xué)課程的特點，介紹了在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式三方面所做的一些改革與實踐。

關(guān)鍵詞：固體物理學(xué)；教學(xué)改革；教學(xué)實踐

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）29-0034-02

固體物理學(xué)是一門研究固體的結(jié)構(gòu)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(guī)律，從而闡明其性能與用途的學(xué)科。它是微電子技術(shù)、光電子學(xué)、材料學(xué)等技術(shù)和學(xué)科的基礎(chǔ)，同時，也在太陽能光伏發(fā)電等新能源技術(shù)的革新發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。因此，在常州大學(xué)新能源材料專業(yè)中開設(shè)該課程，并將其作為該專業(yè)的主干課程之一，希望使本專業(yè)學(xué)生掌握一定的固體物理知識及其研究方法，從而有助于學(xué)生增強(qiáng)理學(xué)背景，擴(kuò)展視野，提高其解決問題的能力，而且為他們畢業(yè)后進(jìn)一步深造或就業(yè)奠定堅實的基礎(chǔ)。

一、新能源材料專業(yè)固體物理學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀分析

新能源材料專業(yè)是常州大學(xué)近年來為培養(yǎng)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的專業(yè)人才而設(shè)立的新專業(yè)。該專業(yè)處于起步階段，人才培養(yǎng)模式和課程體系的構(gòu)建亟需完善，而且材料類專業(yè)課程往往更偏重材料的工藝、性質(zhì)和性能，這些課程往往重工輕理，造成學(xué)生的理科背景不強(qiáng)。而固體物理學(xué)課程包含了很多晦澀難懂的專業(yè)定義、復(fù)雜的三維空間想象與變換和煩瑣的理論推導(dǎo)，需要以高等數(shù)學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理和量子力學(xué)等理論性很強(qiáng)的課程為基礎(chǔ)，因此客觀上造成本專業(yè)的學(xué)生并未做好學(xué)習(xí)固體物理學(xué)課程的準(zhǔn)備。舉例來說，這些學(xué)生的先修課程并不包含量子力學(xué)。此外，像高等數(shù)學(xué)這類課程，學(xué)生雖已經(jīng)學(xué)習(xí)過，但由于課時等原因，這類課程的學(xué)習(xí)程度沒有達(dá)到學(xué)習(xí)固體物理學(xué)課程的要求。由于上述原因，本專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程的過程中感到相當(dāng)?shù)某粤?，特別是涉及到一些抽象的定義和復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，使部分學(xué)生產(chǎn)生了厭學(xué)的情緒。因此，為達(dá)成設(shè)立本課程的初衷，其課堂教學(xué)和考核的改革勢在必行。

二、教學(xué)內(nèi)容的改革

固體物理學(xué)課程的內(nèi)容博大精深，可人為劃分為固體物理基礎(chǔ)部分和固體物理專業(yè)部分。由于本專業(yè)的培養(yǎng)方案將本課程定性為專業(yè)基礎(chǔ)課程，并為其安排了56個學(xué)時，因此僅講授固體物理基礎(chǔ)部分，并對其有所取舍，充分考慮新能源材料專業(yè)側(cè)重太陽能光伏發(fā)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(dǎo)論》，講授該教材的前七章，側(cè)重材料的電學(xué)性能知識點的講授，減少力學(xué)和磁學(xué)等相關(guān)知識點的比重。例如在第三章晶體結(jié)合與彈性常量中，舍棄關(guān)于彈性常量的講解，回避復(fù)雜的角標(biāo)和矩陣方程，既可以減少學(xué)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(xué)性能相關(guān)的章節(jié)。此外，Kittel著《固體物理導(dǎo)論》這本教材比較注重物理結(jié)論，而在某些地方忽視了如何引出該結(jié)論的過程，如果只是照本宣科，必然會使學(xué)生對課程的內(nèi)容產(chǎn)生懷疑，最終導(dǎo)致他們失去學(xué)習(xí)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(jìn)行補(bǔ)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(dǎo)論》該教材直接引出了一維情況下能級的表現(xiàn)形式，這種不通過薛定諤方程的方式使學(xué)生感覺知識點比較突兀，缺乏心理準(zhǔn)備。對此，我們在這部分補(bǔ)充了薛定諤方程的知識，而后自然地引出教材內(nèi)容。通過這種做法不僅豐富了課堂教授的內(nèi)容，使知識體系更趨完善，更在潛移默化中將對待工作認(rèn)真負(fù)責(zé)的做人道理傳遞給學(xué)生，起到了教書育人的目的。

三、教學(xué)方法的改革

正如前面所述，固體物理學(xué)課程內(nèi)容理論性強(qiáng)，比較抽象難懂，而學(xué)生由于種種原因并未打下學(xué)習(xí)該課程的基礎(chǔ)。為了解決這一矛盾，作者首先將要用到的《量子力學(xué)》、《統(tǒng)計物理學(xué)》和《高等數(shù)學(xué)》中相關(guān)知識點在課堂上穿插講解，為學(xué)生補(bǔ)缺補(bǔ)漏，解決先修課程不足的問題。其次，不拘泥、不追求煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和演算，采用定性解釋或數(shù)學(xué)推導(dǎo)與定性解釋相結(jié)合的辦法去解釋固體的性質(zhì)和結(jié)論。例如，在講解費米-狄拉克分布時，如果從數(shù)學(xué)推導(dǎo)上去解釋這一結(jié)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(fā)到高能級。這樣就很容易讓學(xué)生理解這一重要的結(jié)論，并且有助于樹立學(xué)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(xué)生補(bǔ)充薛定諤方程的知識點，但由于他們沒有學(xué)過《量子力學(xué)》課程，對薛定諤方程的講解采用數(shù)學(xué)推導(dǎo)與定性解釋相結(jié)合的辦法：從能量守恒角度并引入幾個重要的假設(shè)就能簡單的導(dǎo)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(fù)雜、抽象的知識點以較為生動的形式傳授給學(xué)生，改變了他們對這門課程看法。

四、課程考核方式的改革

學(xué)生成績評定是教學(xué)過程的主要環(huán)節(jié)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(nèi)容，容易造成學(xué)生考前突擊，死記硬背；后一種形式考查內(nèi)容靈活，但學(xué)生往往對考試復(fù)習(xí)無從下手，一些學(xué)生甚至存在投機(jī)取巧的僥幸心理，放棄對所學(xué)內(nèi)容的復(fù)習(xí)。結(jié)合固體物理學(xué)課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容靈活但又有大量基本結(jié)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(tǒng)一向?qū)W生發(fā)放一張A4大小的紙，學(xué)生在復(fù)習(xí)過程中可將他們認(rèn)為重要的知識點歸納總結(jié)在這張紙上，而考試時可查閱這張紙上的內(nèi)容。采用這種方法，避免了學(xué)生在復(fù)習(xí)過程中將大量精力放在結(jié)論和公式的記憶上，有助于督促學(xué)生對所學(xué)課程內(nèi)容進(jìn)行思考，從而提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

總之，在新能源材料專業(yè)固體物理學(xué)課程教學(xué)過程中，要堅持以學(xué)生為本，以學(xué)生為主體，在充分認(rèn)識本專業(yè)學(xué)生特點的基礎(chǔ)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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基金項目：本文為江蘇省高等教育教學(xué)改革研究課題（2013JSJG106）和常州大學(xué)教研課題重點項目（GJY2013003、GJY2013006、GJY12020020）的部分研究成果。

作者簡介：張帥（1981-），男，常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師，研究方向：燃料電池；劉振（1986-），男，常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師，研究方向：鋰離子電池。endprint