蘇興華

摘 要:《固體物理》是材料學科專業(yè)開設的一門重要基礎課。根據固體物理課程理論性強和材料學科專業(yè)的特點,結合作者講授固體物理的心得和體會,在材料學科專業(yè)的固體物理教學內容、教學方法和考核方法的改革上進行了初步探討。

關鍵詞:固體物理材料學科教學改革

中圖分類號:G6 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)07(c)-0187-02

1 引言

固體物理是從電子、原子和分子的角度研究固體的結構和性質(主要是物理性質)的一門基礎理論學科。固體物理和普通物理、熱力學與統(tǒng)計物理、金屬物理、材料科學、特別是量子力學等學科有著密切關系[1-2]。固體物理是20世紀物理學飛躍發(fā)展的學科之一,成為許多學科的集合,如:金屬物理、半導體物理、磁學、低溫物理、電介質物理、表面物理、非晶體態(tài)物理、材料科學等。幾十年來,以固體物理的理論為基礎,在半導體、磁學、激光、超導、納米材料等現(xiàn)代技術研究方面取得了重要突破。

材料學是研究材料的制備或加工工藝、材料結構與材料性能三者之間的相互關系的科學[3]。材料學涉及的理論包括固體物理學,材料化學等。材料學科是一門應用型學科,材料研究的目的就是為了開發(fā)新材料,或者指導材料的應用。材料科學與電子工程結合,則衍生出電子材料,與機械結合則衍生出結構材料,與生物學結合則衍生出生物材料等等?；诓牧蠈W科的特點,材料系開設的固體物理課程和其它專業(yè)有所不同,特別是教學內容和教學方法上有自己的特點。本文主要從固體物理學在材料學科中的重要性以及材料學科目前的發(fā)展情況出發(fā),并結合本校在材料科學科研的重點,針對教學內容、教學方法和考核手段等方面提出一些改革措施。

2 教學內容改革

2.1 精選教學內容

固體物理理論性強,內容龐大,其教學內容一般包括晶體結構,晶格振動和晶體的熱學性質,固體的電導理論,固體材料的介電性質,固體的磁性以及固體的光學性質。對于材料學科專業(yè)來說,課時相對有限,且學生的數(shù)理基礎難以滿足傳統(tǒng)固體物理課程學習的需要。因此,要參照教學大綱及本校材料學科的科研方向精選教學內容。長安大學材料學院主要以無機非金屬材料研究為主,根據這一實際情況,我們主要給學生講授以下四部分內容:一是固體結構及晶體形成,主要講授晶體形成的物理本質。同時,為了讓學生深刻理解X射線衍射分析技術的物理本質,詳細講述晶體結構的衍射理論；二是晶格振動和固體的熱學性質,主要從晶體的比熱問題為主線,講授一維單原子鏈和一維雙原子鏈的晶格振動,以及愛因斯坦聲子模型、德拜聲子模型。三是固體電子理論。主要講授自由電子氣體模型、自由電子費米氣體模型和能帶理論。通過能帶理論,讓學生深刻理解導體、絕緣體和半導體的區(qū)別以及這些材料能帶的差別。四是晶體缺陷理論。主要講授點缺陷和線缺陷的相關理論。總之,對于材料學科固體物理課程的教學,既要重視基礎內容,又要結合應用熱點和科研前沿,達到優(yōu)化教學內容的目的。

2.2 增加科學史

科學史經常被作為普及科學知識的一個重要的手段。歷史故事提高理科學習的趣味性,起著把科學知識包上“糖衣”的作用。對某一學科、某一理論發(fā)展過程和歷史背景的追述,有助于學生更好地理解這門學科和這個理論。在固體物理學中,每一個發(fā)現(xiàn)或者理論的提出都有其歷史背景和動因。正是基于這個事實,在講授理論之前,可以先把整個的歷史背景和發(fā)展過程講清楚。這樣做一是可以提高學生學習的興趣；二是可以讓學生更好的了解整個理論的意義及要解決的問題。固體能帶論是固體物理學中最重要的基礎理論,它的出現(xiàn)是量子力學量子統(tǒng)計理論在固體中應用最直接最重要的結果。能帶論成功地解決了索末菲半經典電子理論處理金屬所遺留下來的問題,為其后固體物理學的大發(fā)展準備了條件。在實際的教學過程中,我們發(fā)現(xiàn),通過對固體電導理論發(fā)展史的講授,學生們不但能更好地理解了能帶理論,而且加深了對固體物理的學習興趣。

2.3 突出物理思想及意義

固體物理學中的有些概念,往往來自于繁瑣的數(shù)學推導。如果一味的追求推導過程,不但讓學生無法了解概念的本質,而且讓學生陷入“云里霧里”的狀態(tài),產生厭學情緒。這時候,更多的是突出概念的物理思想及意義,重點講述它的建立過程與物理模型。物理模型盡量簡單,深入淺出,讓學生學會用從最簡單的方式入手去解決相對復雜的問題。比如在講授緊束縛模型時,盡量的簡化其推導過程,重點是要把緊束縛模型的物理思想講述清楚,讓學生深刻理解其背后的物理意義。

3 教學方法改革

3.1 采用“黑板+多媒體”的方式授課

多媒體演示教學目前已成為一種常見的教學方式。同傳統(tǒng)教學方式相比,多媒體演示教學方式具有形象生動、有聲有色、信息量大,便于保存等優(yōu)點[4]。在固體物理教學中采用多媒體演示教學,可以變抽象為形象,創(chuàng)設逼真的學習情境,有利于學生對知識的理解和鞏固,有利于知識的滲透,擴大課堂教學的容量。比如在講授晶體結構時,采用多媒體技術可將不同的晶體結構直觀、形象生動地展現(xiàn)出來,使得學生對晶體結構有一個直觀準確的認識,達到認知的高效率和高質量。

盡管多媒體作為先進的教學手段,在固體物理的教學中有重要的作用,但是不能搞“一刀切”。對于有些章節(jié)比如晶格振動、自由電子費米氣體模型,以及類似理論性較強,需要詳細數(shù)學推導的內容,還需用傳統(tǒng)的板書形式。在邊進行數(shù)學推導、邊講解的過程中,學生才能跟上思路,提高學習效率,也能增強教師和學生的互動。

3.2 采用教學互動模式

教學過程不是一個單純的傳授知識的單向過程,而是教師和學生互動的過程。對于固體物理這門理論性很強的課程,如果不注意課堂教學的互動,很容易使得學生感到枯燥乏味。在固體物理的教學過程中,要鼓勵學生發(fā)現(xiàn)和探索問題,鼓勵學生敢于標新立異,突破傳統(tǒng),對某一問題提出獨到見解。同時,允許學生在探索中出現(xiàn)錯誤,堅持正面的激勵引導,保護他們的自尊心和積性,營造寬松和諧的課堂教學氛圍。在實際的教學實踐中,發(fā)現(xiàn)這樣的教學互動方式很好,有時候甚至能引起熱烈的討論,從而使學生能更深刻地理解所學知識。

3.3 學生上講臺

在教學過程中,教師的主要作用在于引導和啟發(fā)學生積極思考。在大學的教學過程中,教師應該鼓勵學生發(fā)揮積極性,讓他們主動地去學習。在固體物理的教學過程中,可以設計一些相關的研究性課題,讓學生通過查閱相關資料,并做成PPT課件,然后在課堂上講解。這樣不但鍛煉了學生的自學能力,而且鍛煉了他們獨立思考的能力。同時,通過讓學生上講臺這種教學方式,還能夠鍛煉學生的膽量,尤其對于不敢當眾講話的學生來說是非常好的鍛煉機會[5]。

3.4 適當安排實驗

固體物理是一門與實踐密切聯(lián)系的課程,在固體物理教學中,強調理論與實際的聯(lián)系,這樣可以激發(fā)學生學習的主動性、自覺性和創(chuàng)造性,使學生感到所學知識的用處和價值,由此可培養(yǎng)學生靈活應用所學知識解決問題的實踐能力。在固體物理的教學中,為了讓學生更深刻地理解所學知識,同時培養(yǎng)其實驗能力,應該適當安排固體物理實驗。例如,X射線衍射分析是一種非常重要的材料研究方法,其基本理論正好是固體物理的晶體結構部分。因此,可以安排X射線衍射分析實驗。通過親自實驗,學生不但掌握了晶體的衍射理論知識,也可使學生體會到現(xiàn)代分析方法在材料研究中的重要性和必要性。通過安排固體物理實驗,不但使學生加深了對理論知識的理解,同時也大大提高了觀察能力、動手能力和分析問題的能力。

4 考核方法改革

考核是檢驗學生知識掌握程度的一個基本途徑。目前常用的考核方式是學期末的理論考試。傳統(tǒng)的課程考試內容采用從原有題庫抽題方式設置考試內容,由于考試內容對授課有絕對的指導性,所以這種方式有可能導致學生死記硬背,搞考前突擊,并寄希望于教師考前劃重點,限制了學生學習的范圍,造成了學生知識面窄,學習興趣降低。對于材料學科的固體物理教學,我們希望學生理解基本概念,掌握其物理本質,會運用物理思想來解決材料制備和應用方面的實際問題。如果采用傳統(tǒng)的考核方式,難以達到這樣的目標。因此,對于固體物理的考核,我們采取理論考試和撰寫研究報告的方式。一是在期末考試中,考核對概念及相關理論的掌握程度。二是針對某個材料科學科研中的研究熱點問題,讓學生查閱相關資料,運用固體物理中所學到的知識來撰寫一份研究報告。通過這兩種方式的考核,不但讓學生更好的掌握了所學知識,而且提高了學生綜合分析問題和解決問題的能力。

5 結語

現(xiàn)代科學技術的發(fā)展對高等教育提出了前所未有的挑戰(zhàn)和改革要求,課程改革是教育改革的核心。材料學科的固體物理課程有自己的特點,必須進行相應的改革。結合給材料學院學生講授固體物理的實踐經驗,對原有的固體物理教學內容、教學方法和考核方法提出了一些改革意見。實踐證明,文中提出的教學改革方法能有效提高學生的學習興趣與綜合素質。需要說明的是,材料學科的固體物理教學改革是一個龐大而又復雜的系統(tǒng)工程,課程改革的進行涉及到諸多方面,要使之真正跟上當今材料科學技術日新月異發(fā)展的要求,培養(yǎng)出合格的高素質和創(chuàng)新型人才,還需要廣大教育工作者不斷的研究和探索。

參考文獻

[1] 馮端.固體物理學大辭典[M].北京:高等教育出版社,1995.

[2] 黃昆,韓汝琦.固體物理學[M].北京:高等教育出版社,1997.

[3] 馮端,師昌緒,劉治國.材料科學導論[M].北京:化學工業(yè)出版社,2002.

[4] 陳志遠,熊鋼,易偉松.多媒體技術應用于固體物理教學的探討[J],咸寧師專學報,2002,22(6),53-55.

[5] 趙軍偉,趙覓.材料類專業(yè)固體物理課程創(chuàng)新教學改革與實踐初探[J],2012,1,134-135.