材料科學(xué)與工程專業(yè)固體物理課程教學(xué)研究*

胡美華

(河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河南 焦作 454003)

畢 寧

(河南理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 河南 焦作 454003)

李尚升 張利紅

(河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河南 焦作 454003)

趙法卿 趙桂平 張紅軍

(焦作市東星炭電極有限公司 河南 焦作 454150)

固體物理是物理、材料、電子等相關(guān)專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，隨著國家“強(qiáng)基計(jì)劃”戰(zhàn)略的實(shí)施，該門課程越來越受到重視.固體物理主要研究組成物質(zhì)(晶體)的微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律及相互作用微觀機(jī)理，并闡明微觀結(jié)構(gòu)與宏觀物理性質(zhì)之間的關(guān)系，涉及眾多的學(xué)科，是材料科學(xué)與工程專業(yè)的必修或者選修課程.固體物理為材料、物理、電子以及化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展和創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)理論.由于不同專業(yè)或者學(xué)科培養(yǎng)人才的側(cè)重點(diǎn)不同，對固體物理專業(yè)的教學(xué)要求也不盡相同，造成教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的不一致，這是目前固體物理教學(xué)存在的現(xiàn)實(shí)問題.針對上述問題，本文從材料科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和要求為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合專業(yè)實(shí)際，就如何提高材料專業(yè)固體物理教學(xué)服務(wù)材料科學(xué)與工程專業(yè)目標(biāo)一致，開展教學(xué)實(shí)踐研究.

1 課程教學(xué)存在的問題

1.1 先修課程的設(shè)置問題

固體物理作為一門獨(dú)立的學(xué)科已經(jīng)有了80多年的歷史，在其發(fā)展過程中，逐步發(fā)展成為固體物理的原子論和電子論.固體物理取得了一系列輝煌的成就，在晶體學(xué)、熱學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)、超導(dǎo)體等領(lǐng)域取得巨大的進(jìn)步，推動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展.但是，固體物理涉及到的基礎(chǔ)知識太過龐大，總結(jié)來看，要對固體物理進(jìn)行研究和學(xué)習(xí)，基本上應(yīng)該儲備以下基礎(chǔ)知識課程：高等數(shù)學(xué)、量子力學(xué)、量子化學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理等.這些基礎(chǔ)課程是物理相關(guān)專業(yè)的必修課程.材料相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程體系也非常廣泛，如材料力學(xué)、材料物理、材料化學(xué)等.因此，材料相關(guān)專業(yè)和物理相關(guān)專業(yè)的課程設(shè)置有著明顯的差別.根據(jù)固體物理課程的需要，材料專業(yè)先修課程(先行開設(shè)課程)明顯不適合固體物理的開設(shè)需要，也就是說材料專業(yè)學(xué)生在固體物理的基礎(chǔ)知識儲備不足.

1.2 專業(yè)對固體物理的要求問題

一般地，固體物理課程的內(nèi)容主要是以物理專業(yè)的培養(yǎng)要求相符合.固體物理專業(yè)要求學(xué)生掌握復(fù)雜的基礎(chǔ)理論、基本規(guī)律，以及公式推導(dǎo)等，“不僅要知其然，還要知其所以然”.材料專業(yè)學(xué)習(xí)固體物理的目的是，理解和掌握基本物理圖像，并應(yīng)用到實(shí)際的材料中，強(qiáng)調(diào)的是實(shí)際的應(yīng)用.因此，材料專業(yè)對固體物理的學(xué)習(xí)要求是不同的.因此，在具體的教學(xué)中就不能照搬照抄物理專業(yè)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn).

1.3 課程教學(xué)方式方法的問題

傳統(tǒng)的固體物理教學(xué)注重物理公式的推導(dǎo)，這對物理專業(yè)的學(xué)生來說具有可行性.但是，對于材料專業(yè)的學(xué)生來說，因?yàn)橹R體系儲備的不同和先修課程的差異，注重物理公式的推導(dǎo)明顯具有難度，也不符合專業(yè)培養(yǎng)要求.

2 課程教學(xué)改革

2.1 固體物理先修課程知識的適當(dāng)補(bǔ)充

由于材料專業(yè)的學(xué)生沒有先修量子力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理等課程，如果直接講授固體物理內(nèi)容，勢必造成學(xué)生學(xué)習(xí)跟不上節(jié)奏，對基本知識的掌握不夠，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中越學(xué)越覺得難.針對這種情況以及近幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為在固體物理課程教學(xué)的開始階段，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)補(bǔ)充先修量子力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理等課程的基礎(chǔ)知識.主要包括以下兩點(diǎn)：一是補(bǔ)充量子力學(xué)的基本知識，介紹經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué)的差別、量子力學(xué)簡歷的過程，以及量子力學(xué)的五大公設(shè)，穿插補(bǔ)充量子力學(xué)建立和發(fā)展歷史的名人趣事，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；二是補(bǔ)充熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理的基礎(chǔ)知識，為學(xué)生補(bǔ)充統(tǒng)計(jì)物理的玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)、玻色統(tǒng)計(jì)以及費(fèi)米統(tǒng)計(jì)等.在補(bǔ)充上述基礎(chǔ)知識時(shí)，需要特別注意的是，結(jié)合專業(yè)實(shí)際注重基本物理圖像的解釋和說明，減少復(fù)雜物理公式的推導(dǎo)，目的是為固體物理的學(xué)習(xí)提供基礎(chǔ).

2.2 教學(xué)內(nèi)容與材料專業(yè)所學(xué)相結(jié)合

固體物理的教學(xué)內(nèi)容最初是為物理專業(yè)的學(xué)生設(shè)置的，加上材料專業(yè)為固體物理安排的課時(shí)有限(筆者所在專業(yè)為固體物理課程設(shè)置的學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí))，因此，要求材料專業(yè)的固體物理課程教學(xué)內(nèi)容必須與材料專業(yè)實(shí)際相結(jié)合.在教學(xué)內(nèi)容的選擇上注重以下幾點(diǎn)：

(1)選擇適合材料專業(yè)教學(xué)的優(yōu)秀的《固體物理》教材，更新教案和課件，建立固體物理教學(xué)資源庫，如有必須，編寫適合材料專業(yè)的教材.改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，根據(jù)材料專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和要求，優(yōu)化重組固體物理的基礎(chǔ)知識，以基本知識點(diǎn)和知識單元為單位，開展課堂教學(xué).

(2)材料類專業(yè)的固體物理教學(xué)內(nèi)容以基礎(chǔ)知識、基本物理規(guī)律為主，充分利用多媒體演示教學(xué)形象化的優(yōu)勢和材料模擬軟件可視化功能，把一些難點(diǎn)問題用二維或三維動畫形式形象展示，揭示其物理原理、物理圖像和材料領(lǐng)域的應(yīng)用.將抽象、復(fù)雜的概念和模型具體形象化，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)造性思維，指導(dǎo)新型材料的設(shè)計(jì)與制備.

(3)適當(dāng)布置線下作業(yè)，強(qiáng)調(diào)課上與課下、線上與線下有機(jī)結(jié)合，在教學(xué)課時(shí)減少的背景下，為保證課堂教學(xué)質(zhì)量，充分調(diào)動利用互聯(lián)網(wǎng)資源，檢索網(wǎng)上高質(zhì)量固體物理相關(guān)精品課程等資源供學(xué)生課下學(xué)習(xí)，并針對基礎(chǔ)知識點(diǎn)做課下的思考，將知識的學(xué)習(xí)融入到課上和課下并有效互補(bǔ)，將學(xué)習(xí)的形式不局限于課堂而擴(kuò)展到線上和課下，真正讓學(xué)生在課下忙起來.

2.3 教學(xué)內(nèi)容與材料專業(yè)發(fā)展趨勢相結(jié)合

固體物理學(xué)是一門至今仍在發(fā)展的學(xué)科.因此，在具體講授過程中，既要學(xué)生掌握固體物理課程的基本知識，又要讓學(xué)生了解與固體物理和材料有關(guān)的科技新知識和科研新動向.例如：每當(dāng)科技領(lǐng)域有材料專業(yè)相關(guān)的重大發(fā)現(xiàn)或者進(jìn)展時(shí)(如每年諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)時(shí))，積極收集相關(guān)資料，及時(shí)在課堂或者課間介紹給學(xué)生，并引導(dǎo)學(xué)生展開思考與討論，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.另外，任課教師為學(xué)生和其他專業(yè)教師牽線搭橋，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與或參觀學(xué)院相關(guān)教師的科研實(shí)驗(yàn)，多聽相關(guān)的學(xué)術(shù)報(bào)告，讓學(xué)生了解最新的學(xué)術(shù)動態(tài)，培養(yǎng)他們對科學(xué)研究的興趣，為部分學(xué)生將來的繼續(xù)深造和終身從事科學(xué)研究事業(yè)奠定基本知識基礎(chǔ).

3 結(jié)束語

隨著國家“強(qiáng)基計(jì)劃”戰(zhàn)略的實(shí)施，非物理專業(yè)的固體物理課程教學(xué)必須進(jìn)行教學(xué)改革.本文依據(jù)材料科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和要求，并結(jié)合固體物理的課程性質(zhì)進(jìn)行了教學(xué)改革，主要包括：從教學(xué)內(nèi)容上，改革教學(xué)內(nèi)容，注重物理圖像的理解和掌握，通過研究固體微觀粒子的相互作用和運(yùn)動規(guī)律，解釋材料本身的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等宏觀物理性質(zhì)，加深對材料物理本質(zhì)的認(rèn)識；從科技的最新進(jìn)展和未來趨勢上，理解固體物理與材料的關(guān)系，及時(shí)關(guān)注材料方面的前沿進(jìn)展，用固體物理的方式理解并掌握材料相關(guān)的科技新知識和科研新動向，拓展學(xué)生的知識深度和廣度.以上課程改革的實(shí)施有利于改善材料專業(yè)物理相關(guān)理論課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力.