科研反哺教學的固體物理學課程教學改革與實踐

陳明星 歐陽方平

關鍵詞 凝聚態物理;固體物理;科研反哺教學

2018年10月，教育部發布《關于加快建設高水平本科教育，全面提高人才培養能力的意見》文件，要求本科教育堅持學生中心，全面發展的原則，既注重“教得好”，更注重“學得好”，激發學生學習興趣和潛能，激勵學生愛國、勵志、求真、力行，增強學生的社會責任感、創新精神和實踐能力。因此，教師應圍繞激發學生學習興趣和潛能進行教學改革，以“兩性一度”（高階性、創新性、挑戰度）為標準進行課程建設，培養拔尖創新人才，服務國家的“雙一流”建設。

凝聚態物理是隨固體物理學不斷發展而形成的物理學分支，也是當前物理學領域最為龐大的分支。因此，固體物理學是從事凝聚態物理科學研究的基礎，是物理學專業本科核心課程。由于固體物理概念抽象，學科綜合度較高，學生在學習該課程的過程中普感困難，容易出現畏學心理。

近年來，凝聚態物理學發展迅速，誕生了二維材料、鐵基超導體、拓撲絕緣體以及雙層轉角體系等一系列新研究方向[1-7]。及時將凝聚態物理前沿科研進展融入固體物理課程教學，不僅使學生了解學科前沿研究動態，增長知識見識，培養學生的學習興趣，又能增強學生運用所學知識解決問題的能力，即實踐能力，有利于培養學生的創新精神和創新能力。目前，已經有一些關于如何將凝聚態物理前沿研究進展轉化為教學資源的研究。其中，二維材料石墨烯已經被同行廣泛用于固體物理課程教學[8-12]。近幾年，筆者也結合自身研究經歷積極將前沿研究進展融入到固體物理學課程教學，學生普遍表現出濃厚的興趣，教學效果和反響較好。現將若干嘗試總結如下。

1 晶體結構

1.1 科研軟件作為教學工具

晶體結構是固體物理教學的重要內容。了解晶體結構是進一步研究晶體電子結構和物理性質的前提。因此固體物理教學大綱要求學生掌握描述晶體結構的數學方法。由于晶體結構較為抽象，不少學生在理解格點、晶面以及晶體點群等概念時存在困難。引入晶體結構可視化軟件作為教學工具，有利于學生理解和掌握與晶體結構相關的概念。VESTA 是一款免費的晶體結構可視化軟件，其操作簡單，安裝方便，已被凝聚態物理領域的科研人員廣泛用于其科研之中。筆者在晶體結構相關的課程教學中借助VESTA 演示晶體結構，并教授學生使用該軟件研究晶體的結構性質，取得了良好的效果。圖1給出了用VESTA 顯示的BaTiO₃鈣鈦礦結構圖。

除了晶體結構可視化之外，VESTA 還可以用來模擬X射線衍射實驗（XRD），幫助學生理解消光現象[13]。圖2給出了VESTA 模擬的硅（金剛石結構）XRD的結果。從中可以看出消光規律：即，只有當h，k，l全為偶數且h+k+l=4n或h，k，l全為奇數時，（hkl）晶面的衍射強度不為零，與理論結果一致，也與https：//physicsopenlab.org/提供的實驗結果一致（http：//physicsopenlab.org/2018/01/28/silicon-germanium-crystal-structure/）。此外，可以引進科學軟件Xcrysden輔助布里淵區的教學，演示晶體的第一布里淵區及高對稱點。

1.2 石墨烯及其雙層轉角結構

石墨烯的發現掀起了二維材料的研究熱潮。由于其結構簡單，能帶結構和電子性質特殊，且能夠很好地與固體物理相關知識點融合，已經被同行廣泛用于固體物理課程教學[8-12]。石墨烯具有六角蜂窩狀結構，為復式格子。學習石墨的結構性質有助于學生理解格點與原子的區別、倒格矢的計算以及第一布里淵區的作圖等。圖3給出了單層石墨烯的結構圖。

4 結語

本文總結了筆者結合自身經歷將若干科學研究進展轉化為教學資源，融入固體物理學課程教學的嘗試。比如，在晶體結構的教學中引入可視化軟件和當前的研究熱點轉角石墨烯。在能帶理論的教學中將緊束縛近似方法應用于石墨烯的能帶計算，探討K點附近特殊線性能帶的能態密度特征。此外，還挖掘了易于本科生掌握的Rashba效應和熱電效應，有效促進了學生對晶體中的自旋軌道耦合效應和半經典Boltzmann輸運方程的理解。