淺析固體物理學課程教學中研究性教學的實施

周本胡 曾愛華 劉桂香

摘要：固體物理學十分緊密地結合了基礎理論和實際應用，傳統的教學模式存在著諸多問題，制約了教學質量的提升。針對這種情況，就需要積極實施研究性教學，以便解決傳統教學模式存在的問題，將創新型人才大力培養起來。文章通過多個案例分析了固體物理學課程教學中研究性教學的實施策略，希望能夠提供一些有價值的參考意見。

關鍵詞：固體物理學；研究性教學；實施策略

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）29-0212-02

固體物理學主要是對固體物質的微觀結構、宏觀物理性質以及兩者之間相互關系進行研究的科學，其緊密聯系著普通物理學、材料科學等學科。固體物理學具有較強的理論性和實踐性，通過固體物理學的學習，可以幫助學生扎實掌握前面學習的基礎知識，增強知識的系統性。傳統固體物理教學模式逐漸暴露出諸多的問題，無法培養創新型人才。針對這種情況，就需要積極創新和改革，大力實施研究性學習，培養學生的創造能力和創新精神。

一、研究性教學模式概述及六個階段

具體來講，研究性學習強調要從實踐開始，而不是由理論開始。而研究性教學指的是給予學生研究性學習幫助和指導的教學。相較于傳統教學模式，研究性教學具有一系列優勢，如其對主動學習十分重視，可以有效培養學生的自主探究能力、創新能力；其從實踐出發，可以培養學生的實際問題解決能力等。一般來講，在研究性教學模式實施過程中，需要從以下幾方面著手。

1.確定目標。結合單元內容，教師對教學目標合理確定，包括理論知識的學習、能力的提升、實踐技能的提高等。

2.形成問題。通過合理設計問題，可以將同學們的好奇心、求知欲激發出來，培養其主動思考的能力及主動學習的良好習慣。在研究性學習經驗比較缺乏時，可以由教師提出問題；當研究性學習經驗積累起來之后，由同學自主設計問題。

3.假定答案。任何一個學生，都積累了一定的知識和經驗，面對問題時，會結合腦海中積累的知識和經驗進行假設。在這個過程中，教師要給予科學的引導，幫助同學們得出假設答案。

4.求證。確定了假設答案后，需要利用理論、實驗等方面的知識加以證明，學生要積極將新知識、新理論和新方法運用過來。

5.得出結果。通過不斷的探究實踐，得出答案，對比預先的假設答案。

6.應用與深化。通過研究性學習，學生獲得了抽象的理論知識，并在實際問題中加以應用，這樣就可以更加全面和深刻地理解知識。且在應用實踐中，還會有新的問題產生，進而有新的一輪研究性學習產生。

二、以固體物理中的“能隙由來”分析研究性教學模式的設計思路

研究發現，固體物理學課程具有較多的公式、插圖，難度較大，要求學生們有較豐富的數學知識和較高的物理水平，將研究性教學模式合理應用于課程中，可以幫助學生對科學的思想方法、研究問題方法有效掌握，將其探索精神、創新精神激發出來，培養創新能力。

固體能帶論的基礎是晶體結構的平移對稱性，主要是就離子實勢場對電子的影響進行研究。結合量子力學研究金屬電導理論，出現了能帶理論，其可以對許多晶體的物理特性進行闡明，是固體電子理論的基礎。在本門學科中，概念、定義較多，傳統教學模式下的課堂十分枯燥。雖然本部分內容直觀性較強，但是公式推導、邏輯推理較多。那么，就需要將研究性教學模式適時地運用于教學當中，恰當處理圖形的直觀含義與嚴密的數學推理。如簡并微擾計算和能隙由來問題，需要借助于大量概念和結論來進行數學證明，難度較大，需要積極創設相應的情境，提升教學效果。

首先，提出非簡并微擾問題，幫助學生對能帶問題有初步的體會和認識，然后將新課“能隙”引入，激發學生的學習興趣。通過問題情境的創設，可以將學生的好奇心及學習動機激發出來，促進研究性學習的開展。其次，結合近自由電子能級公式，對在遠離布里淵區邊界和邊界附近的能級特點進行分析，幫助同學們對非簡并微擾和簡并微擾的計算結果差異進行體會；將簡并微擾計算過程完成之后，鼓勵同學們自主分析和討論存在的區別，進而解釋能隙的由來。最后，培養學生的實際問題解決能力。在微擾論的基礎上，對能帶和布里淵區的關系進行計算，促使學生將學習到的知識利用起來，問題解決能力得到培養。通過這樣的設計，可以讓同學們找到微擾論的有趣之處和有用之處，進而將其求知欲望激發出來。

三、固體物理學課程教學中研究性教學的實施策略

1.創新教學內容。在研究性教學模式實施中，并不是要對課本上固有的基本知識和基本概念進行移除，也不是對課程內容和知識量單純地增加，而是要有機融合前沿知識和基礎知識。在教學實踐中，結合教學大綱要求和教學內容，將相關的前沿科學、技術等引入過來，以便更好地結合理論知識和實際應用，創新教學內容。這就對教師提出了較高要求，需要對各種文獻廣泛閱讀，對學科前沿動態積極關注，進而將前沿知識高效地傳授給學生。如在對晶格結構測定方面的教學中，除了X射線衍射方法之外，還可以將其他的實驗方法介紹給學生，包括借助掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等。在對三維晶體的格波概念進行講述時，可以順帶介紹光子晶體方面的知識。在對半導體的導電性進行介紹時，可以將LED照明方面的最新知識介紹給學生。在課外延伸內容的講解中，要有足夠的針對性和系統性，不能夠零散穿插或者面面俱到。

2.綜合運用多樣化的教學手段。研究發現，傳統教學模式下，課堂氣氛比較呆板，制約了學生的學習興趣。這就需要積極運用多樣化的手段，形象生動地展現抽象的物理模型及相互作用，將學生的學習興趣激發出來。其中，多媒體教學、實踐教學具有較大的優勢。如在晶體的結構教學過程中，其抽象性較強，要求學生具有較強的空間想象能力。針對這種情況，就可以運用Materials Studio等現代化軟件工具，直觀地向學生們呈現，促使其對原胞、布里淵區等固體物理學的基本概念清楚掌握。這些軟件的晶體結構例子較多，直觀地演示給學生，可以起到事半功倍的效果。如在能帶理論講述過程中，可以借助于Materials Studio軟件，對硅的能帶結構進行計算，對金屬、半導體、絕緣體等能帶結構進行分析，將學生的學習興趣充分激發出來。

3.靈活采用教學方式。首先，積極開展討論式教學。在課堂教學實踐中，要營造良好輕松的課堂氣氛，鼓勵學生發表意見，提出見解。如本節課快要結束時，鼓勵同學們自己總結章節知識，或者結合前沿熱點，對課后習題進行布置，課后學生們自主查閱資料，然后下次課堂開始之前講解習題。其次，深入開展研究式教學。在教學過程中，依據固體物理學的特點，可以對研究性課題進行設計，設計過程中，要將問題的前沿性、交叉線充分凸現出來，如新型半導體光電器件等。學生自主查閱資料，或者分組合作，向教師提交報告，這樣既可以培養學生的創新意識，又可以增加師生之間的溝通和交流。

四、結語

綜上所述，固體物理學科具有較大的學習難度，需要積極創新教學方式，綜合運用多樣化的教學手段，提升教學成效。同時，固體物理緊密聯系著科學前沿，要將研究性教學實施下去，充分激發學生的求知欲望，培養學生的創新精神和實踐能力。

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