材料類固體物理教學(xué)改革研究

王玉梅+張建華+艾桃桃+袁新強(qiáng)

摘 要：《固體物理》是材料類專業(yè)必不可少的一門重要基礎(chǔ)課，課題組根據(jù)固體物理課程理論性強(qiáng)和材料類專業(yè)注重應(yīng)用性的特點(diǎn)，結(jié)合具體的教學(xué)實(shí)際，分析了現(xiàn)行《固體物理》課程的特點(diǎn)、固體物理教學(xué)中存在的問題，指出課程教學(xué)改革可以從教材的編纂、教學(xué)模式的修訂、教學(xué)方法的改進(jìn)以及考核評(píng)價(jià)方式的完善等四方面的進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：固體物理 教學(xué)改革 教學(xué)方法 考核評(píng)價(jià)

固體物理是研究固體的結(jié)構(gòu)及其組成粒子之間相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律以闡明其性能與用途的學(xué)科。現(xiàn)今，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，固體物理與凝聚態(tài)物理和新材料科學(xué)緊密相連，在當(dāng)代高新技術(shù)的發(fā)展中起著關(guān)鍵性的作用，許多科學(xué)技術(shù)新領(lǐng)域的興起和發(fā)展，都是以固體物理為基礎(chǔ)的[1-3]。作為材料類和電子類專業(yè)本科生和研究生的必修課程[4-5]，固體物理注重理論，材料學(xué)更注重材料的工藝性與使用性，材料類的固體物理課程起著連接基礎(chǔ)理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的橋梁作用。本文將根據(jù)材料類固體物理課程教學(xué)過程中面臨的各種問題，提出教學(xué)改革的幾點(diǎn)建議。

一、材料類固體物理教學(xué)的特點(diǎn)

課題組對(duì)所在院校的材料科學(xué)與工程系13、14屆本科生和材料加工工程方向的在校碩士生進(jìn)行了調(diào)查研究，13、14屆本科生均未學(xué)過《數(shù)學(xué)物理方法》、《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》、《量子力學(xué)》、《電動(dòng)力學(xué)》等課程，而研究生中間，《數(shù)學(xué)物理方法》、《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》、《電動(dòng)力學(xué)》只有1人次學(xué)習(xí)過（不是同1人），而《量子力學(xué)》根本都未學(xué)過。這些前置課程的欠缺，給本課程的教學(xué)，帶來了極大的困難。而實(shí)際教學(xué)中，常見的《固體物理》課本和學(xué)生知識(shí)背景也呈現(xiàn)出較大的不匹配。

1.固體物理課程教材的單一性

惠群等總結(jié)出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)通用的固體物理教材多為物理專業(yè)所用的，包括：黃昆原著、韓汝琦改編的《固體物理學(xué)》、方俊鑫、陸棟編著的《固體物理學(xué)》、顧秉林、王希坤編著的《固體物理學(xué)》以及閻守勝編著的《固體物理學(xué)》；國(guó)外具有代表性的固體物理教材為《Introduction to Solid State Physics》和《Solid State Physics》。對(duì)這些常用固體物理教材分析，共同點(diǎn)就在于理論性強(qiáng)、體系龐大、內(nèi)容豐富，即目前流通的固體物理教材只有適用于物理專業(yè)的。

2.固體物理課程內(nèi)容與學(xué)生已有基礎(chǔ)的欠缺

傳統(tǒng)的固體物理學(xué)中有很多晦澀難懂的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，復(fù)雜的圖形與空間變換以及繁瑣的理論推導(dǎo)。學(xué)習(xí)固體物理，對(duì)數(shù)學(xué)物理方法、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)等課程的要求非常高。由于目前流通的固體物理教材只適用于物理專業(yè)，而材料類學(xué)生又缺少必須先修的多數(shù)課程，導(dǎo)致材料類學(xué)生在學(xué)習(xí)固體物理的過程中感到非常吃力，教師在講授時(shí)也有很大的困擾，尤其是涉及到一些嚴(yán)密的理論推導(dǎo)過程時(shí)。在教與學(xué)的過程中，教師教的不辛苦，學(xué)生學(xué)的晦澀，學(xué)生中產(chǎn)生厭學(xué)情緒也是非常嚴(yán)重。因此，為了徹底改變材料類專業(yè)固體物理教學(xué)過程中教師教學(xué)難，學(xué)生畏學(xué)的現(xiàn)狀，有必要探尋材料類固體物理課程的教學(xué)改革方法。

二、固體物理教學(xué)中存在的問題

隨著教學(xué)實(shí)踐的進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)材料類固體物理課程教學(xué)存在的問題如下：

1.適用教材的匱乏

從前述可知，目前流通的固體物理教材只有適用于物理專業(yè)的，而無適用于材料類學(xué)生學(xué)習(xí)的固體物理教材。

現(xiàn)行的固體物理教材，理論性強(qiáng)、體系龐大、內(nèi)容豐富。對(duì)于缺少先修基礎(chǔ)知識(shí)的材料類專業(yè)學(xué)生來說，系統(tǒng)學(xué)習(xí)固體物理有一定的困難。在教學(xué)實(shí)踐過程中，往往只能通過合理補(bǔ)充缺少的基礎(chǔ)知識(shí)、有選擇性的講授內(nèi)容、重思想輕推導(dǎo)等方法來解決。但是同時(shí)也造成新的問題：學(xué)生只能通過記筆記、與教師探討的方法來獲取學(xué)習(xí)資料，而沒有一套可系統(tǒng)學(xué)習(xí)的教材，這一點(diǎn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)極為不利。

2.教學(xué)計(jì)劃的單調(diào)

課題組所在系室根據(jù)學(xué)生培養(yǎng)方案制定了固體物理課程的教學(xué)計(jì)劃，同其它理論課程一樣，教學(xué)安排包括：課程標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)日歷的制定，教案的準(zhǔn)備，教案提要的制定。課程標(biāo)準(zhǔn)里制定了該課程的教學(xué)內(nèi)容及計(jì)劃學(xué)時(shí)、該課程的設(shè)計(jì)思路、教學(xué)方法設(shè)計(jì)、考核評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)。培養(yǎng)方案每四年制定一次，課程標(biāo)準(zhǔn)隨之改變，在具體的教學(xué)中只能依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，內(nèi)容、方法的調(diào)整只能個(gè)別調(diào)整。

（1）教學(xué)內(nèi)容方面：為了讓材料類學(xué)生學(xué)習(xí)更有效果，我們?cè)诮虒W(xué)內(nèi)容的講解深度和側(cè)重點(diǎn)的把握上做了些修改。教學(xué)內(nèi)容包括晶體結(jié)構(gòu)、量子力學(xué)、晶格振動(dòng)、金屬電子論和能帶理論。重點(diǎn)放在晶體結(jié)構(gòu)里的倒格子、晶格振動(dòng)和能帶理論上。教學(xué)內(nèi)容基本都屬于純理論，缺少應(yīng)用方面、尤其是材料應(yīng)用前言的內(nèi)容，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性有不少影響。

（2）教學(xué)方法方面：目前的教學(xué)方法仍然比較單一，雖然教學(xué)過程中采用多媒體與板書相結(jié)合的教學(xué)方式，但仍然是以教師講授為主，只不過是把大多數(shù)的板書搬到了ppt上，仍是以填鴨式的方法令學(xué)生被動(dòng)的接受知識(shí)，限制了學(xué)生的創(chuàng)造性，學(xué)習(xí)效果大打折扣。

另外由于課程的理論性很強(qiáng)，教師一方面要顧及理論的完整性與可靠，注重理論得來的過程；另一方面要顧及學(xué)生的接受程度，注重理論的結(jié)論的物理意義和應(yīng)用，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)讓教學(xué)效果達(dá)到最好確實(shí)不易，還需對(duì)教學(xué)方法多加探討。

（3）考核評(píng)價(jià)方面：考核評(píng)價(jià)方式目前比較單一，采取平時(shí)成績(jī)（30%）與期末理論成績(jī)（70%）相結(jié)合來進(jìn)行。其中平時(shí)成績(jī)以出勤和作業(yè)為依據(jù)，可以部分反映學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)效果，但明顯期末理論成績(jī)起著主要作用，而考試成績(jī)往往可以通過突擊復(fù)習(xí)的方式得以提高，并不能全面反映學(xué)生學(xué)習(xí)效果。因此現(xiàn)行考核方式不利于學(xué)生平時(shí)專注學(xué)習(xí)，從而導(dǎo)致所學(xué)知識(shí)不扎實(shí)。

三、固體物理教學(xué)改革的建議

固體物理理論性較強(qiáng)，材料類專業(yè)突出應(yīng)用，這兩者之間的矛盾也決定了材料類專業(yè)的固體物理課程在教學(xué)改革方面的需求。改革可以從教材的編纂、教學(xué)模式的修訂、教學(xué)方法的改進(jìn)以及考核評(píng)價(jià)方式的完善等四方面的進(jìn)行，具體如下：endprint

1.教材的編纂

根據(jù)教學(xué)實(shí)際，結(jié)合材料類專業(yè)注重應(yīng)用的要求，合理安排固體物理相關(guān)理論的講授學(xué)習(xí)內(nèi)容，將理論與近年來的工程應(yīng)用聯(lián)系起來，使得原本刻板的理論知識(shí)生動(dòng)活潑，以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。在教學(xué)實(shí)踐中不斷更新完善學(xué)習(xí)內(nèi)容，并將其編纂成冊(cè)以利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)，以利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，達(dá)到本門課程的培養(yǎng)目標(biāo)。

2.教學(xué)模式的修訂

誠(chéng)如惠群等指出的，現(xiàn)有的教學(xué)模式的弊端在于沿襲傳統(tǒng)的單向灌輸授課模式，是以教師講授為主的，忽視了學(xué)生的主體地位。隨著近年來國(guó)家對(duì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目的性的明確，教學(xué)模式的改革必須要樹立起以學(xué)生為中心、以學(xué)生為主體的教學(xué)模式。在課堂上最好能開辟出學(xué)生討論的空間，教師起到引導(dǎo)學(xué)習(xí)的作用，以學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)為目標(biāo)，構(gòu)建出適合于學(xué)生需求、興趣和現(xiàn)有知識(shí)基礎(chǔ)的教學(xué)模式，這種模式中給予學(xué)生自主學(xué)習(xí)的空間度教師要把握好，并能根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整。

3.教學(xué)方法的改進(jìn)

緊扣教學(xué)目的，即系統(tǒng)地介紹固體材料宏觀物理性能的有關(guān)理論，使學(xué)生掌握現(xiàn)代材料科學(xué)的基本原理和研究方法，培養(yǎng)學(xué)生從材料組成、結(jié)構(gòu)、性能的關(guān)系上認(rèn)識(shí)各種材料性能的能力，使學(xué)生有扎實(shí)的材料科學(xué)理論基礎(chǔ)，將來能夠應(yīng)用到各種新材料開發(fā)研究當(dāng)中，具有能動(dòng)地分析和解決有關(guān)材料的科研和生產(chǎn)技術(shù)問題的能力。為達(dá)此目的，教學(xué)方法的改進(jìn)包括：

（1）辯證的科學(xué)思維方法的引入。在授課過程中要有一定的邏輯推理分析，令學(xué)生認(rèn)識(shí)到我們所用的理論知識(shí)是辯證的、科學(xué)的、是有依據(jù)的，不是憑空想象的。同時(shí)，碰到復(fù)雜的實(shí)際問題，我們可以通過抓住主要矛盾的方法，建立簡(jiǎn)化模型來分析問題、解決問題。

（2）教學(xué)手段的多樣化。

以板書為主，有利于教師把握課堂效果，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整課程進(jìn)程；適當(dāng)運(yùn)用多媒體教學(xué)，采用好的動(dòng)畫演示，將課堂講授變得生動(dòng)、形象、直觀；在講解固體物理知識(shí)在當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用時(shí)可以選用好的紀(jì)錄片，讓學(xué)生對(duì)相關(guān)理論的應(yīng)用有更加形象的認(rèn)識(shí)。

（3）以學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)為主。

在課堂上留給學(xué)生一定的討論空間，采取各種激勵(lì)政策引導(dǎo)學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

4.考核評(píng)價(jià)方式的完善

考核評(píng)價(jià)方式可以由三部分組成：平時(shí)成績(jī)（以出勤和作業(yè)為依據(jù)）、課堂討論成績(jī)和期末考試成績(jī)。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力，在期末考試試卷中可以適當(dāng)設(shè)置部分無標(biāo)準(zhǔn)化答案的分析題目。當(dāng)然以上三部分成績(jī)的組成比例還需在教學(xué)實(shí)踐中不斷探索研究，萬變不離其宗，我們最終的目標(biāo)是：通過固體物理課程的學(xué)習(xí)，使得材料類學(xué)生有扎實(shí)的材料科學(xué)理論基礎(chǔ)，能夠?qū)⒗碚搼?yīng)用于科研與生產(chǎn)實(shí)踐中。

參考文獻(xiàn)

[1]華中， 宋春玲， 劉研. 固體物理教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J]， 吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2004， （4）： 26-28.

[2]梅顯秀. 固體物理教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J]， 大學(xué)物理， 2010， 29（7）： 43-45.

[3]郝淑娟， 徐權(quán)， 董云峰等. 固體物理教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J]， 教育教學(xué)論壇， 2015， （17）： 129-130.

[4]鐘鋒， 包本剛， 付喜. 固體物理課程教學(xué)改革探討[J]， 湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào)， 2014， 35（5）： 37-38.

[5]吳亮， 盛泉， 丁欣等. 淺談固體物理課程教學(xué)的改革[J]， 高等工程教育研究， 2015， （5）： 173-178.endprint