課程思政融入“固體物理”的教學探討

陶 麗，李 杰

（成都信息工程大學，四川 成都 610225）

1 課程思政融入固體物理的意義和背景

2016年12月以來，為了落實習近平總書記強調的“守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思政課同向同行、形成協同效應”，推進課程思政建設是其重要舉措，旨在發揮課程教學是育人的主要戰場，使德育與智育教育相統一，推動實現全方位育人[1-3]。

《固體物理》是我校電子科學與技術專業微波方向和微電子方向以及能源科學系的一門學科專業基礎必修課。固體物理學包含有晶體結構、晶體的結合、晶格振動和晶體的熱學性質、晶體缺陷、金屬電子論和能帶理論幾個章節，課程是研究固體的結構，及組成粒子之間相互作用與運動規律，以闡明固體性能和用途的學科，以固態電子論和固體的能帶理論為主要內容[4]。重點在于固體的宏觀性質，以及形成這些性質的原因，加以控制、利用和改善。通過《固體物理》課程學習，能夠基于本課程的相關專業知識，掌握相關問題的數學、物理模型以及研究方法，推演、分析涉及微波、微電子以及能源科學相關工程問題的性能極限和優化途徑，為后續專業課程的學習奠定基礎，具備分析半導體材料和器件特性的能力，并設計滿足特定需求的半導體材料與器件。

固體物理主要研究固體的微觀結構與性能及有關問題的科學，它也是一門以實驗為主，理論基礎性很強的學科。為后續專業課程學習打下堅實的理論基礎，培養和訓練學生在光電子與微電子相關材料、器件、工藝研究和工程應用中的理解、設計、分析和創新能力。傳統的理工科教育中比較注重科學研究、注重實驗教學，教研活動較為忽視，固體物理的課程開設時段在大二下學期，有半導體材料基礎、電磁場與電磁波、電子材料與元器件等多門專業課，而教學內容具有與學科前沿緊密聯系的屬性，或者和工程的結合度高，授課內容緊湊，導致教師沒有充分思考課程思政內容。通過融入課程思政教育能夠起到加強本科生社會主義核心價值觀引領作用，挖掘愛國主義教育、責任感、使命感、協作精神等思政元素，傳承中華民族的優秀文化，更好地塑造學生的價值觀和道德觀，讓教學的責任田更加肥沃[5]。

2 當前課程思政在固體物理課程中實施時面臨的問題

《固體物理》固體物理主要研究固體的微觀結構與性能及有關問題的科學，它也是一門以實驗為主，理論基礎性很強的學科，需要大學物理、量子力學、理論物理、高等數學、數學物理方法等眾多先修學科的理論基礎。在我校2018版人才培養方案中，電科和能源科學系開設《固體物理》課程的時間在大二下學期，電科學生在學完大學物理和高等數學后就直接上的《固體物理》課程，學生的理論物理的基礎還不是很扎實和深厚。能源科學系的學生《固體物理》和《理論物理》課程在同一學期同一時間上，同樣存在著基礎不牢靠的問題。在傳統的教學活動中，主要強調基本概念的講解、基本公式的推導，少有思政教育的切入，難免讓學生感到枯燥乏味，學生容易產生畏難思想，導致教學效果不好，教與學未能實現真正的雙向奔赴。在工程教育專業認證的大背景下，基于成果導向教育（OBE）的理念亟待貫穿教育過程的始終，建設“一流金課”，打造有溫度、有理想、有情懷的理工科課程迫在眉睫[6]。

3 固體物理課程中融入思政教學的有效方案

3.1 將教學設計中的教學目標細化為知識目標和思政目標

把教學目標細分為知識目標和情感目標，不僅強調知識的傳授，更注重學生對科學問題的思考、對學生責任意識的審視。課程既能讓學生對敬畏科學、不忘初心砥礪前行、精益求精方得始終等價值觀產生共鳴，也為后面讓學生獲得專業認同感奠定基礎。“春風化雨，潤物無聲”是教師追求的理想境界，教學過程中引入科學成果，傳播科學家勇于探索未知世界的精神、愛國愛家和堅韌不拔的精神氣質，激發學生攀登科學高峰的意志力，讓學生在分析問題、判斷問題、吸收養分的基礎上內化為自身素質修養、外化為具體行為習慣。

課程開篇講到固體物理學緒論時給學生介紹著名的固體物理學家黃昆先生，他是中國固體物理學和半導體物理學的奠基人。黃昆先生嘔心瀝血為國家培養半導體人才，在科學研究上不斷創新、勇于探索，治學上嚴謹求實，具有淡泊明志的高尚情操，為我們留下舉世矚目的科學成果。教師需要在課堂上進行價值引領，激勵學生為社會主義核心價值觀而奮斗，勇敢承擔肩上的重任，為中華民族復興而奮斗。

講到半導體的知識點的時候，給學生介紹從“天問一號”探測火星到北斗衛星導航系統服務全球，從“嫦娥五號”探夢星空到“奮斗者號”載人潛水器的萬米深潛，一系列寶貴數據和樣品的搜集，一項項科技前沿成果引起全世界范圍的關注。但我們也有薄弱之處，引入我國的中興、華為被美國卡脖子的困境，如何突破困境，實現科技創新，尖端科技不依賴國外，正是同學們需要思考的問題，以此為點融入使命感教育。習近平總書記在二十大報告里講道：“青年強，則國家強。當代中國青年生逢其時，施展才干的舞臺無比廣闊，實現夢想的前景無比光明。全黨要把青年工作作為戰略性工作來抓，用黨的初心使命感感召青年，做青年朋友的知心人、青年工作的熱心人、青年群眾的引路人。”教師在講授半導體的應用相關知識點時，在適當時機引入使命感的話題，幫助學生樹立成長目標，作為學習生活目的和矢志奮斗的指針，指導學生對固體物理課程的學習，提供前進的不竭源泉和動力，激發學生積極地成才以及對自己專業的認同感，努力掌握課程的核心內容，與教師一起共同實現教學目標。讓學生能夠腳踏實地，敢想敢為，又敢擔當、能吃苦、肯奮斗，讓青春在大學階段的課程實踐中綻放絢麗之花。讓學生能夠肩負使命，勇于今后的學習和工作中擔負重任，富于創新，善于突破，改善決定芯片性能的關鍵技術。

3.2 改革傳統的教學方法，提升學生對“難課”的學習自主性

在融入思政元素的教學中，需要以學生學為中心，因地制宜，針對不同章節的教學內容，選擇有效的教學方法，激發學生積極參與課堂，引導學生深度思考相關課程內容。根據固體物理課程的特點，針對性地改進教學方法。例如，第一章的晶體結構，晶格的一般結構、正空間、倒空間、宏觀對稱性和微觀對稱性等一些抽象不具體的概念可以用形象化的具體模型來講授，講解時以學生為主體操作相關的晶體模型，切身地感受原子的空間位置、各種宏觀操作類型等。讓學生在MaterialStudio（MS）等軟件的演示里，導入相關的晶體結構，不同的原子標注不同的顏色，讓學生觀察原胞與晶胞的區別，簡約布里淵區的形狀，原子占位的情況等。在第六章能帶理論，布洛赫定理、近自由電子近似和緊束縛近似講授結束后引導學生在MS軟件里構建TiO2晶體結構，介紹基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，對銳鈦礦的TiO2進行結構優化，得到優化后能量最低、結構最穩定的TiO2晶體結構，再基于MS軟件的Properties功能對銳鈦礦的TiO2能帶結構和態密度進行計算，讓學生能夠直觀地感受到能帶結構，能夠區分金屬、半導體和導體。課堂教學過程中能夠做到理論和實踐相結合，極大地提升學生的學習能動性。

固體物理課程的內容上，相比于傳統的理論講授，還需要繼續增加相關的科學發展資源、視頻資源和動畫資源提升課程的活潑性和可理解性。例如，第一章晶體結構的試驗確定，學生只在《大學物理》中光的衍射這一章節接觸過X射線，并未深入了解X射線的來源。在這里引入X射線相關的發展歷程，從1895年德國物理學家倫琴發現了一種穿透力很強的射線開始到倫琴1901年獲得首屆諾貝爾物理學獎；再到勞厄對不同晶體的X射線衍射試驗這個最美試驗證明了晶體的原子點陣微觀結構，獲得1914年的諾貝爾物理學獎，后來用到研究金屬和合金，正是X射線衍射理論才能給地球拍攝胸透照片；再到布拉格父子齊心，其利斷金，搭建X射線的設備，分析晶體結構，給出了X射線衍射現象的解釋，獲得1915年諾貝爾物理學獎。固體物理的發展過程，匯聚了歷史上眾多天才級的科學巨匠，包括開普勒、歐姆、法拉第、布拉維、居里、普朗克、勒納德、愛因斯坦、外斯、昂尼斯、泡利、海森堡、薛定諤等，逐漸形成了好奇心驅使的科學精神。科學精神成為驅動社會進步的不竭動力。在建設創新型國家的大背景下，倡導科學精神和創新精神順應時代的需求。物理學家通過敏銳的眼光和嗅覺捕捉到科研熱點，孜孜不倦的探究精神促成了常人觀察不到的結果，這是當代大學生值得學習的可貴的科學精神，能夠促進科技發展創造性轉化、創新性發展。第三章晶格振動和晶體的熱學性質，在講到晶體中原子之間相互作用，是以波的形式在晶體中傳播，形成格波[4]。借助學生在大學物理1A中學過的宏觀可觀測的彈簧振子的簡諧運動以及機械波的形成的基礎知識，過渡到微觀世界晶格中格波的形成這個抽象的概念。在這個章節中，需要能夠畫出一維晶體原子振動模型，可以形象地體現出長聲學波中原胞質心的平動，長光學波中相鄰兩個原子的相反振動方向，讓抽象化的事物能夠更加形象化，增加學生學習的趣味性。第六章能帶論，介紹能帶的基本概念和性質，以及兩種最簡單的計算能帶的近似方法——近自由電子近似和緊束縛近似，以及能帶論在解釋固體的性質的應用。該章節是固體物理的核心內容，學生只有深入理解了能帶的形成才能夠對固體的導電性作出正確的解釋。在介紹晶體電子的時候，實時引入光子晶體（在空間周期排列不同介電常數的介質材料，那么其中傳播的光子的能量和頻率會呈現類似電子能帶的結構）以及光子晶體的應用（聯系自身科研背景介紹變色龍變色機制，光子晶體在抑制自發輻射的應用等等）和聲子晶體（將介質的彈性常數作周期性排列，聲波在其中傳播時也會呈現聲的帶結構），在此啟發學生的聯想對比思維和學習前沿科研。教學過程中，教師自身的科學研究是鮮活的、充滿說服力的，可以使得教學活動更加有活力。在該部分可以向學生展示能帶形成機制的視頻，錄制光子晶體和聲子晶體的微課視頻，形成強烈的視覺沖擊，讓能帶的概念深入人心，能讓學生順利掌握帶的結構及應用。

課堂的教學形式要能夠體現先進性、互動性、針對性，教學組織形式可采用課堂對話、探究式、研討式，構建開放課堂，線上和混合式課程信息化構建合理。在每一章節的相關知識點的切入時，查閱當下最新固體物理學發展的科研論文，引導學生主動討論。課堂不再是一言堂，學生能夠學習討論最新的科研論文，討論其創新點，分析其與課堂知識點的結合，學習其思維方法，發展他們的科學精神和團隊協作精神。

此外，固體物理教學的實施也可以借助學院實驗室和老師等科研條件來鼓勵學生參與導師的科研課題，能夠撰寫提交一篇小論文或者在課堂上做口頭報告進行交流和討論，這個學以致用的過程能夠鍛煉學生的學習能力、組織能力和表達能力，提高學生的科學思維、研究能力和課堂參與積極性，實現師生之間的共享、共鳴、共情，教與學同頻共振。

3.3 構建學習成效及評價體系多元化

建設一流課程，需要能夠體現有知識傳授、能力培養和世界觀塑造幾個層次，通過多層次的調研來持續改進。每學期課程考試后，需要生成課程目標達成度報告，驗證對在校學生學習有用。對在讀研究生、博士生校友的調研課程滿意的，驗證對校友的發展是否有用。對人才育人的有效度調研，驗證是否對校友的終身發展有支持。學生的總體成績構成不再呈現單一化，對固體物理的考核形式應多樣化，翻轉課堂、線上平臺學習、固體物理前沿動態、作品展示（用MS構建晶體模型計算能帶，團隊協作）、案例分析、期末考試等等多種考核形式。

4 總結及展望

固體物理課程團隊將會繼續把握課程建設主戰場，課堂教學主渠道，承擔好育人責任，使課程建設與思政育人機制同向同行，助力全程育人大格局。產出導向學習的教育理念下，固體物理作為電子信息類學科的專業基礎課，把思政融于教學迫在眉睫，如何把理工科的難課變成柔課、有水準的金課是相關教學者必須要思考的問題。融入思政教學，不僅要求施教者具備高水平的教學能力，更是打造學生能夠成為課堂的主體，一切以學生為中心，成果產出為導向的教學才是教育者的最終目標。期望通過固體物理課程思政建設，培養出具有探究精神、主動學習的好學生，培養出具有批判、創造、實踐思維的學生，培養出愛國主義精神、責任感、合作精神和發現分析解決問題的科學方法的有情懷有熱忱的電子信息專業化人才。