面向準研究生的固體物理課程教學改革探討

梁清

摘要：固體物理課程是凝聚態物理研究的基礎。選修固體物理課程的學生往往是一些準備考研，將來從事凝聚態物理等相關學科的科學研究工作的學生。針對這一特殊的學生群體，在固體物理的教學過程中，教師應對教學內容、教學方式方法等方面進行適當的改革，以開闊這些準研究生的視野，培養他們的科研興趣，提高他們的科研能力。本文將結合作者近幾年的教學實踐，提出一些關于面向準研究生的固體物理課程的教學內容及教學方法的改革建議。

關鍵詞：固體物理；凝聚態物理；教學研究

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）15-0143-02

一、引言

固體物理是一門關于晶體的結構和物理性質的本科生課程，是凝聚態物理、材料物理等相關學科的理論基礎[1，2]。當前凝聚態物理研究的很多熱點和焦點問題都是固體物理教學內容的直接延伸和深化[3]。同時，固體物理學的很多概念也隨著凝聚態物理的研究而不斷發展和更新。作為有志于從事凝聚態物理等相關研究的準研究生來講，他們希望能通過固體物理課程了解一些凝聚態等相關學科的研究現狀和熱點，同時掌握一些從事科研工作的基本能力。然而，由于課時的限制，當前固體物理的教學難滿足學生的這些需求。因此，在為這些學生授課時，教師應該對固體物理課程的內容和教學方法做一些改革。

二、固體物理教學內容的取舍與擴展

基于當前傳統固體物理學教學與準研究生需求之間的矛盾，教師在教學的過程中必須對教學內容加以取舍。固體物理教學的重點應該側重于講解固體物理學中的一些基本概念以及一些物理模型的物理圖像。至于習題，可以選擇少量具有代表性的題目精練精講，而不應該采用題海戰術，大量做題。另外，鑒于這些有志于從事科研工作的學生的自學能力普遍較強，對于一些相似的內容，教師可以選擇一些基礎的內容進行講解，而讓學生通過慕課或自學一些相似的內容。比如，對于晶體結合的問題，教師可以講解共價鍵結合的情況，而讓學生自學離子鍵結合的內容。這樣就可以節省出一定的課堂教學時間來擴展固體物理教學內容，將固體物理和凝聚態物理研究的最新進展和最前沿的研究領域擴充進教學內容中。我將結合個人的教學經驗，給出幾個在固體物理教學過程可以加以擴展的例子。

1.霍爾效應，量子霍爾效應及拓撲絕緣體。霍爾效應是固體物理的重要內容之一。但是，大部分的固體物理教材都只介紹經典霍爾效應，較少涉及量子霍爾效應這一目前凝聚態物理研究的熱門領域。在固體物理教學過程中，教師可以將相關的內容擴展到整數量子霍爾效應，分數量子霍爾效應，自旋量子霍爾效應，反常量子霍爾效應的最新研究進展[4]。進一步介紹一下2016年諾貝爾物理學獎關于拓撲量子態的研究，甚至外爾費米子的發現等例子以及清華大學、中科院物理所等相關研究團隊在這一領域開展的一系列具有世界影響力的研究工作[5]。

2.維度對固體材料性質的影響——低維材料的一些特殊性質。在學習電子態密度的時候，計算表明，不同維度的材料態密度跟能量之間的關系是不一樣的。這說明材料的維度對于材料的性質有著重要的影響。其中，低維材料有很多不同于三維塊材料的獨特的物理性質，形成了目前比較熱門的低維凝聚態研究領域。從這個問題出發，教師可以簡單介紹一下前面提到的低維材料里的量子霍爾效應以及拓撲絕緣體薄膜的一些特性，近幾年非常熱門的石墨烯材料的一些獨特性質，低維材料里面的超導現象等[6]。

3.超導、高溫超導及鐵基超導的研究。超導電性一直都是凝聚態物理研究的重點和焦點之一。特別是鐵基等新型超導材料和新的超導機制的發現，使得超導研究領域變得異常活躍。在講解具體的超導現象和理論之前，教師可以簡單回顧從超導電性的發現，到高溫超導，再到鐵基超導的發現等超導研究的歷史。其中可以適當強調一下我國物理學家在高溫超導、新型鐵基超導等研究中所做的一系列具有重要國際影響的工作[7]。進一步可以介紹一些近幾年發展起來的超高壓室溫超導體的研究進展和方法[8]。

三、固體物理教學方法的改革與創新

如前所述，有志于從事科研工作的準研究生們不僅希望通過固體物理課程學習固體物理的基本概念和模型，而且希望掌握一些凝聚態物理研究的基本能力。因此，在教學的過程中，教師應該結合這些學生的特點，采用一些新的教學方法。

首先，通過小組學習的方式培養學生團隊合作的能力。教師可以將學生分成若干個學習小組，在固體物理的教學過程中，針對某一個問題，提供一些相關的文獻，指定某一小組在規定的時間（比如兩周）內認真閱讀這些文獻，弄清楚文獻里的科學問題并按照學術論文的形式寫出閱讀報告。在這個過程中，他們需要自己去查閱一些其他的最新文獻。最后派出一人將小組學習的收獲和體會在課堂上以學術報告的形式進行口頭報告。這種方法，不僅可以培養學生團隊合作的能力，而且還能鍛煉他們閱讀和查閱文獻的能力、論文撰寫能力以及做學術報告的能力，可謂一舉多得。

另外，教師還應該充分利用當前豐富的網絡資源和多媒體手段，對相關固體物理概念和模型加以更加生動形象地講解。鼓勵學有余力的學生利用Matlab、VASP等科研軟件求解一些簡單的固體物理問題，從而加深學生對相關知識的理解并提升他們從事相關問題科學研究的興趣。

四、結束語

隨著凝聚態物理、材料物理等相關學科的不斷發展，固體物理學的知識也在快速地增長和更新。作為知識的傳播者，教師應該與時俱進，緊跟凝聚態物理等相關領域的最新研究進展，針對不同的學生采用不同的教學方法、講授不同的教學內容.，只有這樣，學生才能通過固體物理課程的學習收獲更多自己需要的知識和能力，提高他們從事科研工作的興趣。

參考文獻：

[1]胡安，章維益.固體物理學[M].北京：高等教育出版社（第二版），2011.

[2]黃昆，韓汝琦.固體物理學[M].北京：高等教育出版社，1988.

[3]王志，江兆潭.研究型固體物理課程教學探索與實踐[J].大學物理， 2017， 36（10）： 57-60.

[4]Liu C-X， Zhang S-C， Qi X-L. The quantum anomalous Hall effect： theory and experiment [J]. Annu Rev Condens Matter Phys， 2016， 7（1）： 301-321.

[5]Wen X-G. Colloquium： Zoo of quantum-topological phases of matter [J]. Rev Mod Phys， 2017， 89（4）： 041004.

[6]Neto A C， Guinea F， Peres N M， et al. The electronic properties of graphene [J]. Rev Mod Phys， 2009， 81（1）： 109-162.

[7]Chen X H， Wu T， Wu G， et al. Superconductivity at 43？K in SmFeAsO1-xFx [J]. Nature， 2008， 453（7196）： 761-762.

[8]Gorkov L P， Kresin V Z. Colloquium： high pressure and road to room temperature superconductivity [J]. Rev Mod Phys， 2018， 90（1）： 011001.