《固體物理》課程前沿驅動式教學改革研究

張建華+王玉梅+艾桃桃+袁新強

摘 要：材料類研究生《固體物理》固體物理課程面臨內容過難、學生缺乏前置課程學習等現實困難，課題住對課程內容進行了大幅度的調整，突出物理概念，弱化公式推導，以前沿專題為抓手，大力推進優秀材料軟件，如Materials Studio等在教學中的使用，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：固體物理 前沿 教學方法 教學改革

固體物理學與當今最活躍的新材料科學緊密相連，是材料類研究生的一門重要基礎理論與應用的課程。我校材料類研究生多年教學實踐發現，現有教材內容缺乏前沿知識，學生基礎相對薄弱，這兩個問題尤為突出，嚴重影響了教學效果，探索出一條適合校情的教學之路勢在必行。[1]

一、固體物理課程教學的現實困境和問題

1.教材內容缺乏前沿知識

我們選用的主要教材為黃昆先生在上世紀80年代編著的教材，而這本教材至今仍沒有更新過。教材內容缺乏前沿知識，且內容過難，學生的學習興趣嚴重缺乏，教學效果非常差，學生基本聽不懂。[2]

2.課程內容繁雜，不適用于本專業碩士研究生的培養

固體物理學是主要研究固體的結構，是材料學科的基礎，同時也在當代高新技術的發展中起著關鍵的作用。主要研究固體力學、晶體、非晶體、薄膜和固體結構分析技術等，并發展、建立的一些分支學科，如半導體物理、磁學等等，它們對現代技術的發展，以及一系列重大技術領域和產業部門的建立起了決定性的作用，并將繼續產生重大的影響。同時人們正在開展對一些新型晶體材料（都具有重要應用背景）從制備、結構、性質到開拓應用的系統研究工作。[3]

這些內容都很重要，但龐大的內容導致教材內容艱深，國內外經典著作就有幾十本，但大多數著作是針對物理專業編寫的，這些書非常系統，幾乎囊括了固體物理的絕大多數內容，從晶體到團簇，從晶格振動到電子結構，從無限晶體到限域晶體等等。但對于材料專業來說，課時非常有限，相對的數學和物理知識欠缺，要在有限的時間內將固體物理實用而且精髓掌握，非常的困難。多數課本中能帶理論等章節含有大量涉及量子力學的理論推導，還有多數教材從理論出發推導出倒格矢的概念等[2]，對于工科學生來說，非常難于掌握。

3.本專業研究生知識結構的欠缺，導致教學過程艱辛無比，但效果奇差

我們對本校材料學院在校研究生做了調查，3個年級，共14人，收回有效調查結果10份。這10人中，只有一人學習過數學物理方程和統計物理課程，而量子力學、原子物理、電動力學等重要課程都沒有學過。線性代數由于是考研必考內容，都學過，但對于其中的重要概念和原理，掌握程度都比較低，只會做題，并不理解其背后的物理意義及其在固體物理中的應用。

這些前置課程的缺失，嚴重影響了《固體物理》課程的學習，在具體教學中，花費大量的時間，補充基本知識和概念，而學生的理解非常晦澀，無論從概念還是模型方面，都難以達到本課程的要求。

二、教學內容的精簡與調整

固體物理學衍生出了半導體物理、化學物理、表面物理、材料科學等眾多子學科和交叉學科，推動了像半導體、激光、超導、納米材料等現代技術的發展，是奠定第三次科技革命的基礎學科之一，產生了眾多諾貝爾物理學獎、化學獎成果。由于其重要性，目前在絕大部分高校中，除了將固體物理課程列為物理學專業的必修課程外，還將其作為材料專業、微電子專業和電子科學與技術等專業的必修課程，并且將其作為其他工科專業重要的自然科學選修課程。

而我校材料專業的碩士研究生，其本科專業較泛，學習固體物理需要的數學和物理知識都缺乏，課程宏大的目標與學生基礎的薄弱形成了尖銳的矛盾。這就要求我們從實際出發，抓住主要矛盾，大力精簡課程內容，保留最活躍的思想精華，面對前沿，既讓學生形成正確清晰的物理模型，又保持對前沿的強烈興趣，為后續研究培養強大的動力。[4]

傳統的固體物理課程原本只對物理學專業開設，要學好學透該課程，需要深厚的數學基礎、需要大量的物理學知識基礎，比如電動力學、數理方法、量子力學等課程基礎。因此，對非物理專業的學生來說，大量的艱澀的專業術語，繁雜的物理公式、繁瑣的數學演算以及抽象的空間變換都是巨大的挑戰，這也造就了任課教師普遍反映難教、學生公認難學和畏學。如何克服這門課程的弱勢地位，讓非物理學專業學生學習更有效果，教學內容的講解深度和側重點的把握、教學方法的改進和先進教學手段的引入則顯得尤為重要。

我校材料學科碩士研究生培養以材料加工工程研究為主，本專業學生絕大多數不具備充足的量子力學、電動力學等課程的基礎知識，在遇到一些概念、公式、推導等詳細講解問題時，應適當的對必須的前置課程進行簡單介紹，如量子力學、統計物理、電動力學、數理物理方程、線性代數等課程，以利于教學效果的提供，并降低大部分學生的畏學情緒。在教學中注重增加定性和半定量教學內容的授課比重，使學生重點掌握物理概念、物理模型和物理原理，重在掌握物理學的分析方法，減少復雜煩瑣的數學推導。針對學生物理基礎薄弱的特點，在基礎知識點的理論推導過程中，盡量避免使用較深的理論物理知識。[5]

結合實際情況，我們主要給學生講授以下三部分內容：①晶體中的結合力，主要講晶體結合力的物理本質，并由此引出不同的結合力將導致形成不同類型的晶體；②晶格振動和晶體的熱學性質，這里從晶體的比熱問題為主線，講述愛因斯坦模型、德拜模型、以及一維單原子鏈和一維雙原子鏈，同時講授金屬的熱學方法在實驗中的具體應用；③自由電子模型和能帶理論，這里主要講述近自由電子近似，布魯赫波，以及固體的能帶，講清楚正是由于能帶的差異，材料才被劃分為半導體、金屬和絕緣體，同時引入金屬的導電性能。

三、前沿專題滲透與研究式學習

1.簡化內容，滲透前沿

“固體物理學”與當今最活躍的凝聚態物理和新材料科學緊密相連，因此，有選擇地將這些領域的最新重要進展和應用成果引入課堂，將有助于提高學生對該門課程學習的積極性和明確努力方向[1]。在教學中，我們結合課程內容，適時引入超晶格材料、石墨烯、氮化硼、高溫超導體、光子晶體、量子計算機等現代技術和物理前沿問題，擴展學生視野，提高學習興趣。endprint

我們選擇石墨烯作為重點內容，基本貫穿整個課程，（1）它與固體物理眾多基礎知識點聯系緊密，使學生在學習中更加具體化；（2）在教學過程中結合一個研究問題，在學習過程中層層推進，既深刻理解了固體物理的基本知識點.又同時逐步了解了前科學科的研究內容、方法；（3）激發學生的學習熱情和興趣，讓學生感知學科發展的動力。認識科學的研究來源于基礎知識的積累、學習。[

]同時，結合我校和本地石墨烯礦儲量資源優勢，重點突出了我校和地方共建的石墨烯研究所，并請相關老師做專題講座，這樣，同學們又很強的親切感，在學習中，充分調動積極性，形成研究小組，教學效果良好。

2.利用先進計算軟件，增強互動與學生課外探索

固體物理這門課程中的許多概念和理論都建立在繁雜的數學推導之上，缺乏充足物理背景知識的同學很難理解和學習。我們充分利用Materials Studio，Hyperchem等軟件，形象生動直觀地解釋物理概念和理論，幫助學生更好地理解所學知識，提高認知效率。如Materials Studio軟件能夠進行不同晶體結構的模型構建，能帶及態密度的計算及圖形化，介電常數的計算，紅外、拉曼光譜計算，費米面計算及可視化等等，不僅功能強大，而且操作簡單、界面友好，因此，適宜于日常教學實踐。根據學生的不同知識背景，分別研究一些常見晶體材料的晶體結構，分析晶體的光譜特性和介電性能，模擬常見的直接帶隙和間接帶隙的半導體，并通過摻雜、加壓等手段調控其能帶結構，使學生更直觀地了解晶體結構與性能之間的關系。例如，在學習晶格對稱性這部分內容時，學生可用Materials Studio的Visualizer模塊搭建出七大晶系的14種布拉伐格子，在搭建過程中理解每一種布拉伐格子單位基矢的特征和所屬點群；學生很難掌握不同晶體表面的結構這部分內容，可結合Visualizer模塊的layer builder功能，引導學生對晶體進行切面，觀察切面得到不同表面的幾何結構，這樣能進一步加深學生對這些內容的理解。

結語

通過以上教學改革方案的實施，已經取得了一些良好的效果。學生聽課的積極性不斷提高，畏難情緒基本消失，保證了本課程學習任務的順利完成，同時，也為后續課程的研究，打下良好的基礎。

參考文獻

[1]高英俊， 結合學科前沿教好固體物理學. 廣西師范大學學報（自然科學版）， 2000（S2）： 第87頁.

[2]夏愛林， 固體物理課程教學改革研究與實踐. 安徽工業大學學報（社會科學版）， 2012（04）： 第93-94頁.

[3]黃昆.固體物理學[M].北京：高等教育出版社，1988

[4]物理學學科發展戰略研究組， 21世紀物理學發展展望. 世界科技研究與發展， 2000（06）： 第7-11頁.

[5]楊翠紅，程國生， 淺談用一個學科前沿課題貫穿《固體物體》教學. 課程教育研究， 2012（21）： 第181頁.endprint