新工科背景下面對材料器件類專業(yè)的固體物理課程教學(xué)改革探索

明 磊 歐 星 劉 洋

（中南大學(xué) 湖南長沙 410083）

引言

為在新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革取得重大突破，提高我國綜合國力并縮短與發(fā)達(dá)國家之間的距離，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，教育部積極推動新工科建設(shè)，在2017年形成了陸續(xù)形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”等新工科建設(shè)理念，探討新工科內(nèi)涵特征與建設(shè)和發(fā)展的路徑選擇，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新性和實(shí)踐性培養(yǎng)，突出了我國高等教育改革發(fā)展的必要性。因此，高等院校作為培養(yǎng)人才的重要機(jī)構(gòu)，應(yīng)主動把握這一機(jī)遇，在教育部指導(dǎo)下，結(jié)合專業(yè)原有特色推動教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)滿足新工科背景下產(chǎn)業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新型工程科技人才。

材料器件類專業(yè)作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展所必不可少的專業(yè)，為科技創(chuàng)新提供了必要的智力支持和人才保障，而固體物理課程是材料器件類專業(yè)培養(yǎng)人才的重要基礎(chǔ)課程，它幫助學(xué)生建立起固體性質(zhì)的一套較為完整的理論基礎(chǔ)，因而學(xué)生對固體物理知識的掌握情況直接影響到后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，甚至對今后職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生巨大的作用。然而，固體物理授課課時有限，如何在短時間內(nèi)使學(xué)生理解固體物理基礎(chǔ)知識，同時能建立起運(yùn)用固體物理知識解決材料器件類行業(yè)面臨的實(shí)際問題的橋梁，從而滿足新工科背景下材料器件類專業(yè)教育要求，這成為當(dāng)前固體物理課程教學(xué)改革需解決的問題。此外，固體物理課程傳統(tǒng)教學(xué)模式對于材料器件類專業(yè)的學(xué)生的培養(yǎng)也存在多方面限制，這往往是填鴨式教學(xué)，缺乏啟發(fā)性、創(chuàng)新性思維以及應(yīng)用素質(zhì)的培養(yǎng)，造成學(xué)生將所學(xué)的固體物理知識與實(shí)際應(yīng)用割裂，難以用于解決實(shí)際問題，不利于材料器件類行業(yè)整體發(fā)展。

因此，為了更好適應(yīng)新工科背景下的科技發(fā)展，材料器件類專業(yè)的固體物理學(xué)的教學(xué)課程改革迫在眉睫。本文將基于提升面對材料器件類專業(yè)的固體物理課程教學(xué)質(zhì)量這一目標(biāo)，針對目前存在的具體問題，圍繞教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核方式等方面提出一系列改革措施，以期使固體物理課程設(shè)置更加合理，提高課程質(zhì)量，最大限度激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，以達(dá)到新工科背景下對材料器件類專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

一、新工科背景下固體物理教學(xué)內(nèi)容改革探索

1.教材具有層次性，側(cè)重有應(yīng)用前景的知識

目前，主要存在兩種教材體系，一是注重結(jié)果和結(jié)論的基泰爾體系，其中凸顯數(shù)學(xué)的重要性，因此也具有知識點(diǎn)碎片化，難以理解知識點(diǎn)之間的聯(lián)系的缺點(diǎn)；另一種是重視過程，從固體物理學(xué)發(fā)展歷程為線索的Ashcroft體系，但也存在問題和不足。國內(nèi)教材大多數(shù)為基泰爾體系，教材存在理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)公式多，內(nèi)容繁雜甚至重復(fù)、物理模型推導(dǎo)過程過多等問題，涉及高等數(shù)學(xué)和量子力學(xué)等課程內(nèi)容知識。然而，學(xué)生接觸固體物理課程時，通常還未進(jìn)行量子力學(xué)等課程的學(xué)習(xí)，并且固體物理課程課時往往僅有48個課時，因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往難以很好地理解并掌握固體物理課程全部知識，容易產(chǎn)生厭學(xué)行為。但是，材料器件類專業(yè)和物理專業(yè)對固體物理課程人才培養(yǎng)要求不同，材料器件類專業(yè)需要課程強(qiáng)調(diào)知識的綜合性和實(shí)用性，以達(dá)到學(xué)生在掌握固體物理專業(yè)知識后能應(yīng)用于解決科研和工程實(shí)際問題的目的。所以教師必須做到有層次安排，對教材內(nèi)容進(jìn)行選擇性講解，側(cè)重有應(yīng)用前景的知識內(nèi)容做到理論聯(lián)系實(shí)際，使學(xué)生建立起運(yùn)用固體物理知識解決實(shí)際問題的橋梁。

2.教學(xué)內(nèi)容整合，引入前沿知識和熱點(diǎn)知識

固體物理學(xué)是一個動態(tài)的過程，其內(nèi)容伴隨著半導(dǎo)體材料、電池材料和超導(dǎo)材料等的技術(shù)突破而不斷豐富。新工科背景下面對材料器件類專業(yè)的固體物理課程應(yīng)適時改革試探，圍繞創(chuàng)新性和實(shí)踐性培養(yǎng)要求，教學(xué)內(nèi)容上引入前沿知識和熱點(diǎn)知識，做到固體物理傳統(tǒng)基礎(chǔ)知識和材料器件類專業(yè)發(fā)展前沿知識和熱點(diǎn)知識相結(jié)合，達(dá)到基礎(chǔ)性、創(chuàng)造性和綜合性的統(tǒng)一，培養(yǎng)出滿足新工科建設(shè)要求的多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才。在授課時，將固體物理在材料器件類專業(yè)的最新應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)介紹，并鼓勵學(xué)生提出獨(dú)立見解和創(chuàng)造性解決方法，使學(xué)生對自身專業(yè)發(fā)展形勢具有一定了解，同時幫助學(xué)生加強(qiáng)對固體物理知識的理解，并能夠站在全球化的角度分析、觀察和解決問題，達(dá)到學(xué)以致用的目的，極大地提高材料器件類專業(yè)人才知識儲備的整體性；此外，將固體物理與材料器件類專業(yè)相關(guān)的最新發(fā)展動態(tài)引入課堂內(nèi)容中，透徹了解當(dāng)前形勢，緊密聯(lián)系學(xué)科發(fā)展的前沿成果，將經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的科研成果及時應(yīng)用于課堂教學(xué)中，使教學(xué)與科研互為補(bǔ)充、互相促進(jìn)，并鼓勵學(xué)生積極參加學(xué)院老師的科研實(shí)驗(yàn)，多聽相關(guān)學(xué)術(shù)報告，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生對于科研學(xué)習(xí)的興趣，開拓思維視野，為其今后的工作和深造奠定良好的基礎(chǔ)。同時，在講授固體物理各章節(jié)的數(shù)學(xué)模型過程中，可將煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程適當(dāng)略過，重點(diǎn)講述理論的建立過程和物理模型，整合教學(xué)內(nèi)容，注重科學(xué)的建模思想的滲透，引導(dǎo)學(xué)生使用建模思想去發(fā)現(xiàn)并解決目前材料器件類專業(yè)領(lǐng)域存在的實(shí)際問題。

3.引入人文教育和思想政治教育，實(shí)現(xiàn)新工科背景下的素質(zhì)教育

固體物理課程知識理論性較強(qiáng)，知識點(diǎn)碎片化嚴(yán)重，學(xué)生在沒有將固體物理知識學(xué)完的情況下，難以通過自學(xué)的方式找到各個知識點(diǎn)的聯(lián)系，但這些一個個理論的誕生并非一蹴而就的，往往是一代又一代科學(xué)家不斷摸索得到的，因此，將人文教育引入固體物理課程學(xué)習(xí)，選講固體物理發(fā)展歷程，能在科學(xué)知識層面和文化價值層面具體化、生動化地展示課程魅力，擴(kuò)展學(xué)生知識面，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)問題的深度思考，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。此外，少年強(qiáng)則國強(qiáng)，面對當(dāng)今信息社會網(wǎng)絡(luò)思潮涌動，各種思維不斷影響當(dāng)代大學(xué)生的人生觀，有的思想甚至誤導(dǎo)學(xué)生走上違法犯罪的道路的現(xiàn)狀。因此，高校應(yīng)當(dāng)將思想政治教育融入固體物理教學(xué)中，在幫助學(xué)生塑造科學(xué)素養(yǎng)的同時，引導(dǎo)學(xué)生樹立良好的世界觀、人生觀，使得學(xué)生將自身專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和社會責(zé)任感聯(lián)系起來，并深刻感受到新工科背景下肩負(fù)的使命感，強(qiáng)化愛國主義精神，為其自身今后的學(xué)習(xí)教育提供強(qiáng)大的精神動力和情感支撐，不斷建立科學(xué)的思維方法，提高學(xué)習(xí)主動性，使其成為具有國際化視野的創(chuàng)新型復(fù)合人才，更好地為社會主義事業(yè)貢獻(xiàn)自己的力量[1]。

二、新工科背景下固體物理教學(xué)方式改革探索

1.轉(zhuǎn)變教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

新工科建設(shè)研討會指出，高校要為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展培養(yǎng)一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，這就必不可少要轉(zhuǎn)變以往灌輸式教學(xué)方法，加強(qiáng)學(xué)生主體地位，改被動為主動，以引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，實(shí)現(xiàn)啟發(fā)式、互動式、探討式教學(xué)，達(dá)到掌握知識與提高探究能力雙重的目的。對于固體物理中的一些不太難的部分，可以采取翻轉(zhuǎn)課堂的方式，鼓勵學(xué)生分成小組，引導(dǎo)學(xué)生將這部分內(nèi)容和目前材料器件類專業(yè)領(lǐng)域存在的問題聯(lián)系起來，通過自主查閱相關(guān)文獻(xiàn)和書籍制作成PPT課件，然后在課堂上進(jìn)行講解，同時預(yù)留專門的答疑時間，從而不僅能鍛煉學(xué)生自學(xué)能力，減少畏難情緒，幫助學(xué)生塑造自信，也培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)思維能力和邏輯思維能力，還能鍛煉其團(tuán)隊協(xié)作能力，更能加強(qiáng)學(xué)生之間以及學(xué)生和老師之間的互動，實(shí)現(xiàn)綜合素質(zhì)的提高。

2.采用多媒體教學(xué)和材料模擬軟件相結(jié)合的教學(xué)方式

固體物理包含晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和晶體中電子能帶理論等知識，為使其中復(fù)雜抽象的物理模型更加有利于學(xué)生理解和掌握，教師應(yīng)在教學(xué)方面熟練利用先進(jìn)的現(xiàn)代技術(shù)來輔助教學(xué)。一方面借助傳統(tǒng)多媒體教學(xué)，實(shí)現(xiàn)對課程中涉及的難點(diǎn)問題的物理圖像的清晰展示[2]。例如，在講解晶體中的位錯時，可以運(yùn)用動畫來形象地顯示位錯的概念，并直觀地展示位錯擴(kuò)散過程，同時加大了有效授課時間和信息量，使學(xué)生在較短的時間內(nèi)基本掌握固體物理基本原理和應(yīng)用范圍。另一方面利用各種科研實(shí)際運(yùn)用的材料模擬軟件可視化功能，將復(fù)雜的物理模型具體形象化，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時有利于學(xué)生課后借助這些軟件自我學(xué)習(xí)，將固體物理理論知識與實(shí)踐結(jié)合起來，為今后科研學(xué)習(xí)方面打下基礎(chǔ)。例如，在講解晶體結(jié)構(gòu)過程中，利用Diamond軟件進(jìn)行移動、縮放和旋轉(zhuǎn)等操作，幫助學(xué)生正確認(rèn)識晶體點(diǎn)陣和倒易點(diǎn)陣，充分理解三維空間中七大晶系，從而掌握固體物理晶體結(jié)構(gòu)，有助于其理解如鋰離子電池三元正極材料在長循環(huán)過程中產(chǎn)生的相變過程的一系列材料晶體相關(guān)內(nèi)容。將多媒體教學(xué)和材料模擬軟件融入固體物理教學(xué)課堂，能顯著提高教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)習(xí)效率，并增強(qiáng)教師和學(xué)生之間的交流。

3.充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

在互聯(lián)網(wǎng)時代，要充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，突破固體物理傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，通過門戶網(wǎng)站、騰訊QQ、微信等多種平臺和微課、慕課等多種授課方式結(jié)合，實(shí)現(xiàn)線上線下混合式教學(xué)，打破地域、時間的限制，使得學(xué)生隨時隨地都能針對自身學(xué)習(xí)固體物理課程知識過程中出現(xiàn)的問題，自主找尋解決辦法，也方便教師在了解和掌握學(xué)生動態(tài)的同時，更好地為學(xué)生提供學(xué)習(xí)咨詢和學(xué)習(xí)指導(dǎo)服務(wù)，有利于培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。

三、新工科背景下固體物理考核方式改革探索

在傳統(tǒng)固體物理課程考核中，教師通常會在期末采用閉卷考試的評分模式，但這種方式存在較大的弊端，學(xué)生往往抱有僥幸心態(tài)，只在考前一個月里進(jìn)行固體物理知識的學(xué)習(xí)，并且只考核學(xué)生對固體物理知識的掌握情況，未對學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力等進(jìn)行考核。然而，開卷考試試題更具開放性和靈活性，學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的見解，能同時考核學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解和運(yùn)用。因此，為了材料器件類人才培養(yǎng)更貼合新工科建設(shè)的要求，我們需對固體物理課程的考核方式進(jìn)行探索式改革，側(cè)重學(xué)生創(chuàng)新性培養(yǎng)，增加對平時表現(xiàn)和平時作業(yè)的考核比重，實(shí)施開卷考試模式。這可以杜絕學(xué)生臨時抱佛腳獲得高分的僥幸心理，同時使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中重視自身創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)習(xí)主動性[3]。此外，在平時成績考核過程中，可通過提出多個可應(yīng)用固體物理知識解決材料器件類專業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)存問題的相關(guān)課題，鼓勵學(xué)生發(fā)揮主觀能動性，選擇其中一個課題查閱相關(guān)資料，寫出基于固體物理課程知識用于解決實(shí)際問題的文章。這一過程能為學(xué)生提供思考空間，充分鍛煉并考察學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，查閱文獻(xiàn)能力以及分析問題和解決問題的能力，從而幫助學(xué)生建立起連接固體物理課程知識和材料器件類專業(yè)領(lǐng)域的橋梁，使學(xué)生感到學(xué)以致用的快樂，激發(fā)其更加深入學(xué)習(xí)的動力，也使學(xué)生充分認(rèn)識到自己各方面的不足，可在今后的學(xué)習(xí)過程中不斷完善自我，達(dá)到材料器件類專業(yè)綜合性人才的培養(yǎng)要求。

結(jié)語

總之，本文基于固體物理課程教學(xué)過程中存在的教學(xué)問題，堅持以創(chuàng)新培養(yǎng)為導(dǎo)向，結(jié)合材料器件類專業(yè)特點(diǎn)對固體物理課程教學(xué)進(jìn)行改革探索，圍繞教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容、考核方式等方面提出一系列有效措施，提高固體物理課程教學(xué)質(zhì)量，以滿足新工科建設(shè)下所需的創(chuàng)新型復(fù)合人才培養(yǎng)要求。教師們可在傳統(tǒng)固體物理課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行整合，引入前沿背景和熱點(diǎn)知識介紹，并適當(dāng)融合人文教育，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)和人格塑造。此外，通過運(yùn)用多媒體和材料模擬軟件輔助教學(xué)，并借助各種網(wǎng)絡(luò)平臺加強(qiáng)教育指導(dǎo)，突破課程在時間和地點(diǎn)上的限制，也實(shí)現(xiàn)互動式、啟發(fā)式、探討式教學(xué)，提高課程教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到培養(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才的教育目標(biāo)。

實(shí)踐證實(shí)，上述本文提及的一系列教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容和考核方式方面的措施能極大提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)以及分析問題和解決問題的能力，為學(xué)生今后的科研學(xué)習(xí)奠定了一定的基礎(chǔ)。但是隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，固體物理課程知識也不斷豐富，在新工科建設(shè)背景下，社會對材料器件類專業(yè)學(xué)生所具備的專業(yè)知識儲備水平提出了更高的要求，更為強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要性，因而，作為材料器件類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，還需要廣大教育工作者不斷根據(jù)教學(xué)現(xiàn)狀以及社會和國家的需要，對固體物理課程教學(xué)進(jìn)行不斷地研究和探索，為學(xué)生提供更為科學(xué)的指引。