基于過程考核的新能源材料與器件專業固體物理學教學改革及實踐

秦 偉

（長沙理工大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410114）

0 引言

為適應我們新能源材料，新能源器件等國家戰略新興產業發展需求，滿足日益增長的新能源開發與利用，從2010年開始，國家設置了新能源材料與器件專業，該專業也是教育部2010年首批增設的國家戰略性新興產業相關專業，是工學門類材料類中最年輕的專業之一[1]。長沙理工大學大學新能源材料與器件專業2018年開始首批學生招生，目前已經順利通過教育部組織的專業驗收。

固體物理學作為長沙理工大學新能源材料與器件專業的一門核心基礎課程，主要研究固體的結構及組成粒子之間的相互作用與運動規律以及宏觀性質之間的聯系，基本內容涵蓋晶體結構，晶體結合，晶格振動理論以及能帶理論等，也是凝聚態物理、微電子、光電子、半導體以及材料學等諸多學科的基礎。這些內容對學生數理基礎有著較高的要求，同時涉及很多相關抽象概念，學生在之前并沒有接觸。并且相比物理學等專業學生，新能源材料與器件專業學生在固體物理學學習方面面臨了許多新的特殊挑戰。

1 新能源材料與器件專業學生《固體物理學》學習面臨的特殊挑戰

自2018年新能源材料與器件專業開始招生來，固體物理學已經對兩個年級開設。基于學生課堂反饋，對學生成績分析以及我們在教學中的觀察，新能源材料與器件專業固體物理學教學主要存在以下幾種特殊挑戰。

首先，數理基礎知識的缺失。目前在全國大部分高校中，固體物理學作為一門物理學專業的重要基礎課程開設，一般開設之前先修高等數學、線性代數等數學課程以及量子力學、理論力學、電動力學、熱力學與統計物理以及數學物理方法等物理課程。該課程需要綜合運用高等數學、數理方法和四大力學的知識，來處理非常復雜的多體問題。與以前所學課程不同，由于研究對象的復雜性，固體物理學在處理各種問題時基本上都需要合理近似，引入模型和假設，討論結果的可靠性和適用條件。由于涉及知識的綜合利用，這在物理學專業而言都是一門難度極大課程。而對材料學相關專業，尤其長沙理工大學新能源材料與器件專業，并沒有全部開設這類先修課程，前期僅僅開設高等數學、線性代數以及大學物理課程。這些知識遠不足以支撐起固體物理課程學習需求，進而導致學生在學習這門課程時面臨了很大困難。根據之前學生反饋，即便提前預習，由于前序知識的缺失，甚至面臨教材看不懂困境。并且該課程僅僅只有48學時，如何在短時間內解決前序知識的缺失問題，是材料類固體物理學專業教學面臨的一個重要困難。

其次，后續課程銜接不到位。在長沙理工大學新能源材料與器件的教學計劃中，固體物理學結束后，會繼續開設半導體物理，材料物理性能以及光電材料導論等課程。這些課程都需要部分固體物理知識作為基礎。這些大部分都以固體物理學中的能帶理論等作為前序知識，如果學生對能帶理論掌握不扎實，會嚴重影響學生對半導體物理學相關知識的學習。因而，如何更好將固體物理學知識與前后續課程進行良好的銜接，在避免知識點重復的基礎上，讓學生更好地掌握相關理論，也是進行該課程教學的一個重要挑戰。

最后，與專業知識及前沿進展結合不密切。固體物理學具有成熟的體系，基本理論構架早在20世紀50、60年代即以成熟。然而，新能源材料與器件相關領域的知識在最近十多年得到了快速發展，卻并沒有在教材中得以體現。例如，實驗方面，石墨烯材料的發現引發了在儲能材料與器件中的研究熱潮，并在最近幾年拓展至與石墨烯類似的新型二維材料體系，例如MXene等；鈣鈦礦材料體系的研究，在太陽能電池以及量子點領域不斷取得突破進展。理論方面，在能帶理論之后，發展了第一性原理計算方法等，特別最近二十多年來，隨著計算機計算能力的增強，已經成了材料研究領域中獨立于理論研究和實驗研究的一種重要研究方法；納米材料具有許多完全不同與常規體相材料的性質，例如尺寸效應等，這些都可以借助固體物理中的相關知識進行解釋。如何將這些最新的研究進展與課程中相關知識進行合理結合，引發學生對前沿知識的興趣，增強自主學習知識能力，也是十分重要的挑戰。

2 國內教學改革研究現狀

目前國內高校中很多設有新能源材料與器件專業，不少老師也在固體物理學課程教學中發現了類似問題，并進行了部分改革嘗試，以取得較好教學效果。

早在2014年，常州大學的張帥等人就從教學內容、教學方法以及考核方式等方面進行了初步探索[2]。例如，通過將課程內容分為固體物理基礎部分和固體物理專業部分，舍棄了固體物理專業部分知識，這樣可以節省教學課時；在教學方法方面，采取了規避嚴格數學物理定量分析方法，使用定性分析手段，使學生理解對相關知識有個概念；在考核方面，舍棄常規閉卷考試方法，允許學生帶部分資料進行半閉卷考核。固然，這種方式可以降低學生課程學習難度，然而，完全規避嚴謹數學物理也會帶來很多新的問題，就是學生很難從最基礎部分出發，分析問題，進而將相關知識拓展至新的體系，而允許學生帶資料進行考試的方法，在專業基礎課的教學中，由于種種原因，很難進行完全推廣。

渤海大學新能源學院的陳東明等[3]針對固體物理學課程中學生普遍存在的學習狀態低迷，開小差等狀況，將“教學方法—教學內容—培養目標”三者貫穿于課堂中，以轉動課堂教學模式提高教學質量與學生學習效率，形成“轉動課堂—固體物理—研究型人才培養”鏈式教學，提高了教學以及學生學習效率。然而，這也需要對相關課程知識的合理選取以及足夠的課時基礎上。

西南石油大學材料科學與工程學院的俞健等[4]老師針對固體物理學課程難度大以及學生學習投入性不強、參與度不高的問題，通過優化和整合課程教學內容以及豐富課程教學拓寬學生視野等手段，提高了學生學習興趣。以學習小組為單位，設置探索性研究課題，培養學生的創新意識和解決實際工程問題的能力，獲得了良好反饋。

此外，針對材料學專業固體物理作為專業基礎必修課，存在的概念艱深、理論知識體系復雜，使得學生在學習過程中很容易出現畏難情緒等問題。華東理工大學材料科學與工程學院的孫金煜老師提出了建設“有溫度”的固體物理課程[5]。通過對固體物理學中課程德育思政挖掘以及科學史與學科知識相融合等方式，讓學生樹立科學沒有捷徑，“厚積而薄發”。學習就是“厚積”的過程，只有努力學習，才能不斷積累的信念，從而減輕學生的畏難情緒。

3 基于過程考核的固體物理學教學改革探索

為了提升學生的學習效果，我們開展了以下幾個方面的教學改革工作。在教學過程中，我們著重強調通過優化課程內容設計以及加強過程考核來提升學生的學習效果。

3.1 課程內容設計

（1）數理知識補充。正如前面分析，由于學生普遍缺乏前序數理知識，導致學生學習過程面臨諸多問題，甚至存在教材看不懂現象。但受到學時限制，完全補充相關前序數理知識很難實現。因而我們針對性給學生補充量子力學初步知識，主要內容包括量子力學力學背景，波粒二象性，波函數，薛定諤方程及簡單應用（一維無限深方勢阱），算符等，讓學生了解量子力學處理問題的基本思路。其他涉及的相關知識，如量子力學中微擾理論，數學中的傅里葉變換，微分方程求解，方程有解條件等，則隨教學內容進行基于學生掌握情況進行適當補充。

（2）重復知識處理。例如在固體物理課程開設之前，學生已經學習了材料科學基礎，對晶體結構有了一定的了解。而晶體結構是固體物理較為基礎的一部分，為了避免知識的重復，我們不再進行詳細講解，而是采用知識回顧的形式，檢查學生對相應知識的掌握情況。同時，在這一章中，我們著重強調倒易空間的概念引入，并介紹其在XRD以及選區電子衍射等中的重要應用，加深學生對知識的理解。再比如，晶體的結合方式之前學生也學習過，因而我們在講授時，針對學生的知識掌握情況，重點強調晶體結合背后的物理基礎。此外，為了更好地與后續課程知識進行銜接，我們會在相關知識點進行重點強調，例如能帶理論為半導體物理的基礎，我們在相關章節適當引入其在半導體物理中的應用，從而為后續的課程學習奠定適當的基礎。

（3）前沿知識引入。針對學生普遍反映的問題，相關理論不知道應用場景何在等問題。我們在合適的背景下適時引入一些前沿科研進展和熱點專題。例如，在介紹晶體和非晶區別時，我們結合最新的進展，介紹關于非晶結構的實驗確定方法；在介紹晶體結合方式的氫鍵時，我們適當介紹水的“反常物性”以及關于其結構的研究爭議，并且可以引入最新北京大學江穎教授關于水的量子效應的重要研究進展；在講授能帶理論時，介紹完能帶理論的基本知識，我們可以介紹目前在能源領域的熱點材料，例如石墨烯以及MXene的能帶結構以及與其性能之間的關系。這樣既講授知識的具體運用，又接觸了熱點，拓寬了學生視野，是課程內容的很好的補充，進而提升學生學習興趣，培養學生自主學習能力

（4）物理學史介紹。針對學生反應的公式推導過多，不知道來源等問題，適當的引入一些相關歷史背景介紹。例如在講解聲子概念時，介紹聲子概念提出的歷史背景，為什么會有聲子概念以及固體物理中其他類似電子/聲子/激子等；在講解布洛赫定理時，結合布洛赫本人回顧文章，介紹布洛赫提出該定理時的歷史背景。通過這種方式能更好地加深學生對相關知識的理解。

3.2 過程考核模塊設計

在教學過程中，我們將考核由期末考試80%的傳統方式改革為期末考試和過程考核各占50%。在過程考核中，我們設計了以下五個模塊，從多個維度評估學生的學習狀況。

（1）網絡課程平臺討論。為了調動學生的學習積極性，我們充分利用了學校網絡教學平臺。在該項考核中，針對教師課堂講授知識，教師在交流討論區提出一些問題，學生通過課后查詢資料或者自己思考，在評論區討論交流；或者學生針對課堂內知識疑惑予以提問，其他同學和老師予以討論交流解答。基于學生的參與情況以及表現進行評分，作為過程考核中的一部分。

（2）作業完成情況。對于物理類課程，十分有必要在確保概念正確的基礎上加強計算訓練。因而通過課后作業考察學生的學習效果是十分重要的。我們基于課堂知識講授情況，在網絡教學平臺發布一定課后習題，并限定一定時間內在平臺提交，根據學生的完成情況進行評分。

（3）文獻翻譯。為了加強學生對相關知識歷史背景或者前沿進展的了解，在課堂教學平臺，教師會提供一些與課程相關的論文資料供學生閱讀。例如，在介紹非晶結構時，給學生提供2021年發表在Nature上的Determining the three-dimensional atomic structure of an amorphous solid作為參考學習；在講解聲子概念時，提供關于聲子等準粒子概念歷史來源的梳理文獻（Who Named the-ON's?Am.J.Phys.38,1380(1970)）。除教師提供的文獻外，學生也可以選擇自己查找相關文獻進行翻譯。根據學生論文翻譯情況，例如專業術語準確性，語句連貫性，表達規范性等方面進行綜合評價。

（4）課程報告。撰寫課程學校報告時檢驗學生對知識掌握程度的有效手段。我們在課程開始前，提供幾個相關主題，學生基于自己興趣等選擇具體主題，結合課堂學習情況以及自己查詢資料，撰寫一份3000字左右課程報告。

（5）PPT匯報。進行課程匯報是檢驗學生學習狀況的另一種方式。此時，我們將學生分為5個小組，每小組5-6人，讓學生合作，對相關知識點的理論研究或者實驗進展進行調研，制作PPT進行匯報，其余學生進行討論交流，每小組時間限定10分鐘以內。通過考察PPT制作，講解以及回答提問情況進行評價。

通過上述方式進行教學改革，取得了較為理想的效果，學生的整體學習情況得到了明顯改善，不及格率由上一年的27%降低至6%。平均成績也取得了明顯提升。

4 小結

本文中，我們以長沙理工大學新能源材料與器件專業為例，系統分析該專業學生學習固體物理學時所面臨的特殊挑戰，并介紹了我們針對這些問題從課程內容設計和過程考核兩個方面進行的教學改革情況。通過我們兩方面改革，教學效果取得了較為理想的效果。