結(jié)合材料化學(xué)專業(yè)特點(diǎn)開展固體物理課程教學(xué)改革與實(shí)踐

王學(xué)偉 何朝成

（天津理工大學(xué)，天津 300384）

固體物理是物理學(xué)中內(nèi)容極為豐富、應(yīng)用極為廣泛的一個(gè)分支學(xué)科。該課程主要是研究固體物質(zhì)的物理性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，分析組成固體物質(zhì)的粒子（原子、電子、離子等）之間的相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律，闡明固體物質(zhì)的性能與用途[1]。材料化學(xué)專業(yè)主要是探討材料的組成、結(jié)構(gòu)、工藝、性質(zhì)和使用性能之間的相互關(guān)系，為材料的設(shè)計(jì)、制造、工藝參數(shù)優(yōu)化以及合理使用提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)。與固體物理研究的內(nèi)容相比，材料化學(xué)專業(yè)更注重材料的工藝性和使用性，它所涉及的理論包括材料化學(xué)、固體物理和材料科學(xué)基礎(chǔ)等課程。這樣，固體物理作為材料化學(xué)專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)課程，起著連接基礎(chǔ)理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的橋梁作用。

傳統(tǒng)的固體物理課程原來只對(duì)物理學(xué)專業(yè)開設(shè)，并且需要深厚的數(shù)學(xué)知識(shí)和大量的物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，比如熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)、原子與分子物理等課程知識(shí)[2]。由于材料化學(xué)專業(yè)特點(diǎn)與學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的不同，學(xué)生往往只是學(xué)習(xí)一部分或者幾乎沒有學(xué)習(xí)這些相關(guān)物理的課程，這就給材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師講授固體物理知識(shí)時(shí)造成了一定的困難。同時(shí)，對(duì)于材料化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，大量物理專業(yè)的術(shù)語，繁雜的物理公式、繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)以及抽象的空間變換都是學(xué)習(xí)固體物理課程的巨大挑戰(zhàn)，這就可能造成一部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

如何克服材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生的畏學(xué)心理，改善學(xué)習(xí)的效果，培養(yǎng)和造就高素質(zhì)的材料科學(xué)創(chuàng)新型人才，成為固體物理課程體系改革與實(shí)踐過程中必須要面對(duì)的問題。基于此，本文根據(jù)固體物理課程教學(xué)自身的特點(diǎn)，結(jié)合材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)模式和特點(diǎn)，從課程教學(xué)內(nèi)容講解深度和側(cè)重點(diǎn)的把握、教學(xué)方法的改進(jìn)和先進(jìn)教學(xué)手段的引入，以及課程考核體系的改革等方面，深入探討固體物理課程教學(xué)的優(yōu)化與調(diào)整方案，為適應(yīng)材料化學(xué)專業(yè)特點(diǎn)和新形勢(shì)下的人才培養(yǎng)目標(biāo)做出相應(yīng)的改革與實(shí)踐。

一、課程內(nèi)容的改革與實(shí)踐

在我們學(xué)校材料化學(xué)專業(yè)中，固體物理課程安排了48個(gè)課時(shí)，與傳統(tǒng)的物理類專業(yè)的課時(shí)都在64個(gè)課時(shí)以上相比較，顯得少了一些。這樣就導(dǎo)致了固體物理課程內(nèi)容的講授不夠全面，有些重要的知識(shí)點(diǎn)無法深入細(xì)致地去講解。同時(shí)，對(duì)于材料化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，由于缺少量子力學(xué)和熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理等方面的知識(shí)，導(dǎo)致學(xué)生在系統(tǒng)學(xué)習(xí)固體物理的過程中可能存在一定的困難，甚至出現(xiàn)不愿意學(xué)習(xí)的情況。為了解決上述矛盾，我們?cè)诮虒W(xué)過程中對(duì)于固體物理課程內(nèi)容提出以下幾點(diǎn)改革措施。

1.對(duì)所講授的內(nèi)容要有針對(duì)性的選擇

固體物理是材料化學(xué)專業(yè)三年級(jí)學(xué)習(xí)的課程，之前學(xué)過的專業(yè)課程中與固體物理課程內(nèi)容有重疊的部分可簡(jiǎn)略講解或者不講解，即使講解也要突出與它們之間的不同之處。例如：在講述晶體結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)合這部分內(nèi)容時(shí)，由于該部分內(nèi)容已經(jīng)在材料科學(xué)基礎(chǔ)和材料化學(xué)課中都有講述，因此可以不再講解。但是對(duì)于有關(guān)固體物理的重要內(nèi)容：如晶格振動(dòng)、能帶理論和金屬電子論等必須進(jìn)行詳細(xì)的講解。這就要求教師做到對(duì)于固體物理各章節(jié)的內(nèi)容講述詳略得當(dāng)，讓學(xué)生在有限的課時(shí)里獲得更多固體物理的重要知識(shí)內(nèi)容。同時(shí)，考慮到該專業(yè)學(xué)生沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理和量子力學(xué)等課程，物理的知識(shí)背景相對(duì)薄弱。在講授固體物理的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，可以利用課堂內(nèi)幾分鐘的時(shí)間給學(xué)生簡(jiǎn)單地穿插講授一下涉及的熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理和量子力學(xué)的有關(guān)知識(shí)內(nèi)容，減少學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的一些障礙。

2.重視物理思想的理解，弱化公式的推導(dǎo)過程

在固體物理的授課內(nèi)容中，有些內(nèi)容需要利用高等數(shù)學(xué)的知識(shí)內(nèi)容和物理的復(fù)雜公式進(jìn)行推導(dǎo)[3]。這些繁瑣的推導(dǎo)過程，容易影響材料化學(xué)專業(yè)的學(xué)生對(duì)固體物理課程學(xué)習(xí)的積極性，不利于對(duì)課程內(nèi)容的掌握。在我們的改革中，將從學(xué)生實(shí)際知識(shí)背景和學(xué)時(shí)要求出發(fā)，盡量弱化課程涉及的具體理論推導(dǎo)，重點(diǎn)強(qiáng)化突出對(duì)物理思想的講授。對(duì)于課程中某一個(gè)具體理論，需要注重闡述它的建立過程和物理模型的構(gòu)造，爭(zhēng)取讓學(xué)生學(xué)會(huì)利用固體物理學(xué)的方法去處理和思考一些問題。比如，在進(jìn)行布洛赫定律的內(nèi)容講述時(shí)，復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以簡(jiǎn)單說明一下，但是對(duì)于布洛赫定理的物理意義以及對(duì)周期性勢(shì)場(chǎng)下波函數(shù)的形式要闡述清楚，讓學(xué)生充分了解其中的物理思想和物理模型。

3.適當(dāng)?shù)匾M(jìn)學(xué)科的前沿知識(shí)，增加學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的認(rèn)同度

隨著固體物理研究領(lǐng)域不斷拓新，許多比較前沿的學(xué)術(shù)成果陸續(xù)出現(xiàn)[4]。在我們?nèi)粘５慕虒W(xué)中引入和穿插與材料化學(xué)專業(yè)相關(guān)的學(xué)科前沿研究的具體問題，并結(jié)合固體物理所講授的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分析和討論，讓學(xué)生充分意識(shí)到固體物理課程中所學(xué)的內(nèi)容對(duì)解決實(shí)際和分析具體科學(xué)問題是很有用的。這樣，學(xué)生不僅了解和學(xué)習(xí)了與固體物理課程緊密相連的最新的學(xué)術(shù)成果，而且對(duì)于課程中所學(xué)到的知識(shí)有一定認(rèn)同感，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

二、教學(xué)方法和手段的改革與實(shí)踐

在實(shí)際的課程教學(xué)中，科學(xué)有效的教學(xué)方法和手段非常有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和知識(shí)的理解。傳統(tǒng)固體物理的教學(xué)主要是偏重理論體系的學(xué)習(xí)，這讓學(xué)生學(xué)習(xí)起來非常枯燥，不容易引起學(xué)生的興趣，急需進(jìn)行多樣化的教學(xué)方法改革。同時(shí)，還要根據(jù)課程內(nèi)容和學(xué)生特點(diǎn)與時(shí)俱進(jìn)地調(diào)整教學(xué)方法和手段。

首先，目前的大學(xué)生都是上個(gè)世紀(jì)九十年代出生，思維比較活躍且喜歡接受新鮮事物。如果教師還是按照過去那樣在講臺(tái)上只是利用板書進(jìn)行講解，未免顯得授課過程有些單調(diào)。在授課過程中，遇到一些物理的理論推導(dǎo)，可以采用傳統(tǒng)的板書授課形式。這樣不僅可以保證學(xué)生與教師的思維能夠同步，而且有利于學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解。但是，從課程特點(diǎn)來看，有些教學(xué)內(nèi)容如果單靠板書進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解起來難度比較大。比如，在講解各種晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，多媒體教學(xué)的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來了，可以根據(jù)各種晶體結(jié)構(gòu)的原子排布情況，利用動(dòng)畫的方式把其晶體結(jié)構(gòu)展示出來。這樣教學(xué)的過程顯得即形象又直觀，方便學(xué)生去理解。同時(shí)，也能夠吸引學(xué)生上課的注意力，提升教學(xué)效果。因此，經(jīng)過我們多次教學(xué)實(shí)踐，利用板書教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式是一種比較有效的課程授課方式。

其次，在授課過程中通過引導(dǎo)學(xué)生去思考問題，采用啟發(fā)的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)[5]。以往傳統(tǒng)的教學(xué)主要是老師把所要講授的內(nèi)容在課堂上直接灌輸給學(xué)生，再加上教學(xué)過程中多媒體課件的應(yīng)用，使得學(xué)生接收到大量的課程內(nèi)容，一時(shí)無法理解所講授的內(nèi)容，這種填鴨式的教學(xué)方法不僅使學(xué)生不能很好地掌握所講授的知識(shí)，而且會(huì)導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，達(dá)不到教學(xué)的目的。老師應(yīng)該從學(xué)生所熟知的知識(shí)引出所要講授的內(nèi)容，讓學(xué)生由被動(dòng)接受課程內(nèi)容變成積極主動(dòng)地探索知識(shí)。這種啟發(fā)式的教學(xué)模式一定要關(guān)注學(xué)生所掌握的知識(shí)水平。對(duì)于材料化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，物理方面的基礎(chǔ)知識(shí)比較薄弱，我們盡可能從最簡(jiǎn)單的物理知識(shí)點(diǎn)去啟發(fā)學(xué)生。當(dāng)講到晶格振動(dòng)的一維原子鏈的振動(dòng)方程時(shí)，從中學(xué)牛頓第二定律講起，提到這個(gè)振動(dòng)方程與牛頓第二定律的方程在形式上是類似的，通過這樣的教學(xué)方式可以啟發(fā)學(xué)生去思考。

最后，在教學(xué)過程中，如何想方設(shè)法將學(xué)生的主觀能動(dòng)性發(fā)揮出來，將對(duì)提高課程教學(xué)效果是很有益處的。固體物理偏重理論體系的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)起來非常枯燥，不易引起學(xué)生興趣。如果僅僅是老師簡(jiǎn)單提問學(xué)生幾個(gè)問題，也很難增加學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。這時(shí)，教師需要在講課過程中插入一些精心設(shè)計(jì)的問題，讓學(xué)生也主動(dòng)參與思考。比如，講授到固體結(jié)合的幾種常見方式時(shí)，各種原子所提供價(jià)電子存在的方式成為區(qū)別固體結(jié)合種類的重要判據(jù)，可以讓學(xué)生思考在固體結(jié)合時(shí)這些價(jià)電子會(huì)如何存在，進(jìn)而提問學(xué)生。這樣不僅有利于學(xué)生參與教學(xué)過程，也讓學(xué)生對(duì)自己所掌握的知識(shí)具有成就感。

三、課程考核方式的改革與實(shí)踐

學(xué)生課程成績(jī)的評(píng)定是固體物理教學(xué)過程的主要環(huán)節(jié)之一。目前常用的考核方式有開卷和閉卷兩種形式，閉卷考試一般主要是考查課本上的內(nèi)容，需要學(xué)生記住一些知識(shí)點(diǎn)，這樣會(huì)造成一部分學(xué)生通過死記硬背來應(yīng)付考試。與閉卷考試相比，開卷考試的試題內(nèi)容更具有開放性。但是，有些學(xué)生平時(shí)不學(xué)習(xí)，到開卷考試時(shí)多帶些資料也可以應(yīng)付過關(guān)，這樣就起不到對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)。我們提出的改革考核評(píng)價(jià)方式是平時(shí)考核和閉卷考核相結(jié)合。對(duì)于平時(shí)考核，我們要求學(xué)生六個(gè)人分成一組，讓他們根據(jù)固體物理所學(xué)知識(shí)和科學(xué)研究的發(fā)展方向，通過查資料確定一個(gè)演講主題，鼓勵(lì)每組學(xué)生自己做成多媒體課件，然后在課堂上給大家講解。老師和其他同學(xué)給他們打分，并作為期末考試的平時(shí)成績(jī)部分。這樣，一方面能夠鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力，另一方面，可以鍛煉學(xué)生的語言組織能力。對(duì)于閉卷考試，盡量減少依靠死記硬背的概念題數(shù)量，大量增加利用所學(xué)知識(shí)去分析和解釋一些物理現(xiàn)象的題目。這樣可以很好地考察學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握情況，有效避免學(xué)生機(jī)械記憶課本內(nèi)容的現(xiàn)象。在實(shí)踐過程中，我們發(fā)現(xiàn)考核方式的改變不僅可以提高學(xué)習(xí)好的學(xué)生的綜合素質(zhì)，而且對(duì)于那些不愛學(xué)習(xí)的學(xué)生也起到了督促其學(xué)習(xí)的作用。

四、結(jié)束語

總之，對(duì)于材料化學(xué)專業(yè)，固體物理的教學(xué)要根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)和課程本身的要求，做到因材施教。在課程內(nèi)容的講解上，要做到詳略得當(dāng)、重點(diǎn)突出；注重物理模型的構(gòu)建和物理思想的理解，減少對(duì)繁瑣公式的推導(dǎo)過程；并在課堂上適當(dāng)引進(jìn)學(xué)科前沿知識(shí)，增加學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的認(rèn)同度。積極有效地利用多媒體來輔助板書教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生去思考問題，開展實(shí)施啟發(fā)式教學(xué)模式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。通過改變課程的考核方式，注重學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用。通過實(shí)踐證明，文中所提到的教學(xué)改革方法能夠有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。然而，隨著固體物理學(xué)科的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)材料化學(xué)專業(yè)固體物理課程的教學(xué)也提出了新的挑戰(zhàn)和改革要求，這還需要廣大教育工作者堅(jiān)持不懈地探索。

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[3]文尚勝.材料學(xué)專業(yè)“固體物理”課程教學(xué)改革初探[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2010（10）：44-46.

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