李泓霖

摘 要：現(xiàn)如今，材料科學(xué)的飛速發(fā)展對(duì)固體物理課程教學(xué)提出了新的要求，其教學(xué)模式及手段必須適宜學(xué)科體系快速變革和培養(yǎng)目標(biāo)日益變化的新要求。在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)的指導(dǎo)下，我們應(yīng)以能力提升和素質(zhì)養(yǎng)成為主旨，構(gòu)建清晰的教學(xué)目標(biāo)。在教授固體物理主要知識(shí)點(diǎn)外，在教學(xué)過(guò)程中還應(yīng)注入當(dāng)下科技發(fā)展的新觀點(diǎn)，著重強(qiáng)調(diào)本學(xué)科特有的科學(xué)思維方法?；诖耸紫冉榻B了固體物理學(xué)科教學(xué)的現(xiàn)狀及內(nèi)容，隨后分析了教學(xué)模式和教學(xué)方法并提出了教學(xué)改革理念，結(jié)合Materials Studio、Vasp、CrystalMaker實(shí)例展示了新教學(xué)模式下提高固體物理課程教學(xué)質(zhì)量的新思路。實(shí)踐表明，這對(duì)激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)開(kāi)拓精神，提高疑難知識(shí)點(diǎn)自學(xué)能力等方面效果顯著。

關(guān)鍵詞：固體物理；創(chuàng)新教學(xué)；實(shí)踐；軟件

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）07-0122-03

Abstract： Nowadays， the rapid development of materials science has put forward new requirements for solid physics teaching. Its teaching modes and means must be suitable for the rapid change of disciplinary system and the training of new requirements of ever-changing goals. Under the guidance of the goal of cultivating talents， we should aim at improving our ability and cultivating students' qualities， and establish a clear teaching goal. In addition to teaching the main knowledge of solid state physics， we should also inject new ideas on the current development of science and technology into the teaching process， emphasizing the scientific thinking unique to this discipline. This paper first introduces the present situation and content of the teaching of solid state physics， and then analyzes the teaching mode and teaching methods and puts forward the idea of teaching reform. With the examples of Materials Studio， Vasp and CrystalMaker， it shows the new teaching mode of solid physics to improve teaching quality Ideas. Practice shows that this has a significant effect on stimulating students' interest， cultivating pioneering spirit and improving self-learning ability of difficult knowledge points.

Keywords： solid physics； innovative teaching；practice；software

隨著近些年納米材料技術(shù)在世界范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展，新材料、新體系、新結(jié)構(gòu)日益涌現(xiàn)，這些都對(duì)固體物理課程教學(xué)提出了改革創(chuàng)新的新要求，在滿足自身發(fā)展和學(xué)生培養(yǎng)的前提下謀求新突破。固體物理學(xué)是材料物理學(xué)等應(yīng)用型學(xué)科門類的基礎(chǔ)，它是以固體物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、本征屬性、各粒子運(yùn)動(dòng)形態(tài)及其關(guān)聯(lián)為研究主體的。已有半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷程，同時(shí)也是一門前沿學(xué)科，是當(dāng)今應(yīng)用物理最重要的學(xué)科之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)已有超過(guò)十次的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，授予了固體物理學(xué)方面做出的突破[1]。在固體物理學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)一步延拓發(fā)展出了磁性物理、金屬物理、半導(dǎo)體物理、超導(dǎo)物理等多個(gè)分支，奠定了當(dāng)代物理發(fā)展的基石。因此，不論是從物理學(xué)科本身理論價(jià)值出發(fā)，還是從應(yīng)用物理技術(shù)分支考慮，固體物理學(xué)課程都時(shí)刻凸顯著該課程重要的地位[2]。

培養(yǎng)人才是高校發(fā)展最根本的任務(wù)目標(biāo)和必由之路，其中課程教學(xué)是人才培養(yǎng)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，而課堂效果直接影響著整體教學(xué)質(zhì)量。高校教師應(yīng)積極認(rèn)真地實(shí)踐課程教學(xué)改革，努力提高教學(xué)質(zhì)量。學(xué)院開(kāi)設(shè)固體物理專業(yè)課程以來(lái)，曾多次對(duì)兄弟院校進(jìn)行了調(diào)研學(xué)習(xí)。總結(jié)出固體物理教學(xué)過(guò)程中普遍存在的不足：課程以晶體結(jié)構(gòu)為主線，對(duì)學(xué)科前沿知識(shí)穿插不足，如石墨烯（Graphene）、硅烯（Silicene）、六方氮化硼（h-BN）、過(guò)渡金屬二維硫化物（TMDs）等時(shí)下研究熱點(diǎn)材料體系，內(nèi)容滯后于當(dāng)下科研發(fā)展；教學(xué)方式單一，課堂上主要是對(duì)知識(shí)點(diǎn)及內(nèi)容本身的講述，忽視了對(duì)學(xué)生物理抽象思維的鍛煉。學(xué)生掌握到的是刻板的書(shū)本知識(shí)，因而不能夠建立豐富扎實(shí)的知識(shí)框架體系。固體物理學(xué)是聯(lián)系理論科研與前沿應(yīng)用之間最重要的紐帶之一，因而課堂內(nèi)對(duì)知識(shí)傳授的具體形式直接關(guān)系到教學(xué)效果，影響著學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的養(yǎng)成[3，4]。傳統(tǒng)教學(xué)中對(duì)板書(shū)、多媒體的利用方式或多或少地忽視了這一環(huán)節(jié)。因而，在固體物理教學(xué)中，以何種形式把疑難知識(shí)傳授與思維能力提升相結(jié)合，改善輕理論的傳統(tǒng)模式，進(jìn)行啟發(fā)式、探索式、主動(dòng)式、創(chuàng)新式知識(shí)應(yīng)用，緊密聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用并著重進(jìn)行思維訓(xùn)練和創(chuàng)新素質(zhì)的綜合培養(yǎng)無(wú)疑成為了我們關(guān)心的重點(diǎn)。

一、《固體物理學(xué)》課程教學(xué)現(xiàn)狀

固體物理學(xué)體系豐富，各知識(shí)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系緊密。囊括了普物、熱統(tǒng)、四大力學(xué)和晶體結(jié)構(gòu)等多門類知識(shí)，全面深入地反映了當(dāng)前應(yīng)用物理主要的研究領(lǐng)域。它是電子技術(shù)、新能源技術(shù)、催化化學(xué)、電池技術(shù)等前沿學(xué)科的基礎(chǔ)，緊密聯(lián)系著基礎(chǔ)理論和應(yīng)用學(xué)科。固體物理學(xué)研究思路和手段前沿多變，與之對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)固體物理教學(xué)模式略顯滯后，難以滿足科技的發(fā)展和培養(yǎng)目標(biāo)的要求。這種學(xué)科特點(diǎn)為培養(yǎng)和提高學(xué)生的綜合素質(zhì)提供了很好的切入點(diǎn)，而同時(shí)也增加了教學(xué)的難度。在要求學(xué)生掌握基本學(xué)習(xí)方法上，學(xué)生對(duì)上述基本知識(shí)點(diǎn)理解不到位，導(dǎo)致對(duì)相關(guān)理論推導(dǎo)無(wú)所適從，使得部分學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，降低了固體物理課程教學(xué)的總體質(zhì)量[5]。因此，針對(duì)固體物理學(xué)課程本身的特點(diǎn)，深入分析不足之處，我們從教學(xué)內(nèi)容及方式等方面進(jìn)行了全新的探索和嘗試，力求找尋出能使學(xué)科發(fā)展并提高學(xué)生綜合素質(zhì)的方法。

我校的《固體物理學(xué)》在高年級(jí)開(kāi)設(shè)，以課堂講授為主要形式，內(nèi)容體系以長(zhǎng)程有序晶體為切入進(jìn)行各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)探討，包括晶體結(jié)構(gòu)、晶格動(dòng)力學(xué)及電子能帶等，教學(xué)方式還是以傳統(tǒng)的多媒體如PPT、視頻、動(dòng)畫(huà)為主，造成教師和學(xué)生都深感不易的局面，因此，這些都或多或少地使得學(xué)生學(xué)習(xí)興致不高，課堂效率低下[6，7]。因此，《固體物理學(xué)》課程教學(xué)形式改革與實(shí)踐勢(shì)在必行。

二、專業(yè)軟件協(xié)同教學(xué)改革

（一）傳統(tǒng)多媒體技術(shù)弊端分析

近些年來(lái)，多媒體技術(shù)（PPT、視頻、音頻、動(dòng)畫(huà)等）的應(yīng)用固然給高校教學(xué)帶來(lái)了極大的方便。不論是文史哲類專業(yè)，還是對(duì)理工科而言，在教學(xué)過(guò)程中，都可利用圖片、動(dòng)畫(huà)、影像資料等把抽象平面的概念形象化、直觀化、生動(dòng)化，以此高效豐富多樣地呈現(xiàn)給學(xué)生，加深理解。然而，對(duì)于固體物理學(xué)而言，傳統(tǒng)的多媒體技術(shù)則體現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)木窒扌?。這表現(xiàn)在，固體物理學(xué)最突出特點(diǎn)是模型構(gòu)建的過(guò)程、邏輯推倒的前后因果關(guān)系。對(duì)每一幅圖片而言，其可容納的有效信息十分有限，在實(shí)際操作中，難免頻繁前后切換，每一次切換都是對(duì)教學(xué)過(guò)程邏輯的打斷，因此難以形成成體系、成系統(tǒng)、成銜接的知識(shí)點(diǎn)概念。此外，在應(yīng)用多媒體進(jìn)行推導(dǎo)演示過(guò)程中，對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和概念的傳遞是單向的、無(wú)回饋的，這十分不利于抽象邏輯思維能力的培養(yǎng)。因此，多媒體技術(shù)在固體物理學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)適當(dāng)與專業(yè)晶體學(xué)軟件結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。接下來(lái)我們將著重說(shuō)明專業(yè)軟件的用處。

（二）X射線衍射計(jì)算-Materials Studio

晶體結(jié)構(gòu)是固體物理課程中最重要概念之一，通過(guò)X射線衍射（X-ray diffraction）實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)相關(guān)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確標(biāo)定。一般對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的介紹，只是簡(jiǎn)單地基于XRD的原理，這類知識(shí)專業(yè)性強(qiáng)，學(xué)生對(duì)其應(yīng)用知之甚少。而實(shí)際一臺(tái)X射線衍射儀的購(gòu)置費(fèi)用需上百萬(wàn)元人民幣，其操作使用也是必須要進(jìn)行專門的培訓(xùn)才能接觸到該設(shè)備。這些因素都使得學(xué)生很難理解XRD的本質(zhì)內(nèi)涵。在此，我們利用專業(yè)軟件Materials Studio的XRD計(jì)算功能，可以非常直觀簡(jiǎn)捷地得到相關(guān)晶體的XRD數(shù)據(jù)。如圖1所示，我們對(duì)常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料ZnO進(jìn)行了XRD計(jì)算，這非常直觀明了地給出了XRD數(shù)據(jù)。需要指出的是，這種方法和傳統(tǒng)多媒體相較而言，其對(duì)數(shù)據(jù)的加工處理是實(shí)時(shí)的，也就是說(shuō)，一旦我們對(duì)ZnO晶體作出細(xì)微的改變，其XRD數(shù)據(jù)也會(huì)有相應(yīng)的變化。這種實(shí)時(shí)處理模式不僅加深了學(xué)生對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，也更易使學(xué)生領(lǐng)悟到先進(jìn)分析方法對(duì)材料研究的緊要性，使原本抽象的概念理論變得簡(jiǎn)單易得，直接從屏幕上就可以學(xué)習(xí)到XRD圖譜和晶體結(jié)構(gòu)之間的緊密聯(lián)系，進(jìn)而使學(xué)生有一種參與感，能夠?qū)腆w物理學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的興趣。

（三）材料能帶計(jì)算-Vasp

圖2 MoS2及其能帶結(jié)構(gòu)

晶體結(jié)構(gòu)的能帶是固體物理重要的知識(shí)點(diǎn)之一，對(duì)其準(zhǔn)確合理的分析也是必須掌握的技能?？捎?jì)算能帶的軟件有很多，雖然這些軟件和相應(yīng)的方法對(duì)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)及理解掌握有較高要求，但只要循序漸進(jìn)、由表及里地學(xué)習(xí)體會(huì)，必定會(huì)使學(xué)生對(duì)該重要概念的理解更加深刻。結(jié)合專業(yè)軟件Vasp（The Vienna Ab initio simulation package）中能帶計(jì)算部分便可完成此任務(wù)。Vasp運(yùn)用原子數(shù)目和種類來(lái)計(jì)算預(yù)測(cè)材料的晶格參數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷分布、光電性質(zhì)等。例如，如圖2所示，其為MoS2及其相應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)，是一種重要的窄帶隙半導(dǎo)體，有十分豐富的機(jī)械及物化性質(zhì)，近年來(lái)人們對(duì)其已做了大量的研究工作。在這一部分，學(xué)生不必掌握該軟件的使用方法，但需要給他們講述每一步參數(shù)的設(shè)置，優(yōu)化方法的選定。計(jì)算得出的相關(guān)能帶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)要求學(xué)生自己查閱書(shū)籍資料進(jìn)行解釋，說(shuō)明為什么會(huì)計(jì)算出這種結(jié)果，從而在最大程度上激起學(xué)生的好奇心，調(diào)動(dòng)他們的積極性，使學(xué)生主動(dòng)地去學(xué)習(xí)掌握知識(shí)，進(jìn)一步加深對(duì)能帶的理解。通過(guò)這種方式，我們將會(huì)使課堂變被動(dòng)為主動(dòng)，大大提升授課質(zhì)量，提高學(xué)習(xí)效率，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

（四）倒易空間展示-CrystalMaker

圖3 石墨烯及其晶體衍射

衍射圖樣是固體物理課程中十分抽象的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。為了講清楚衍射圖樣這個(gè)概念，使學(xué)生有更為清晰的物理景象，單純地依賴PPT等單向信息傳遞式的多媒體技術(shù)，是無(wú)法簡(jiǎn)潔明快地傳遞出教師所需要表達(dá)的含義。過(guò)去對(duì)相關(guān)公式概念的推導(dǎo)，難以將實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)與衍射圖樣之間建立起直接的物理聯(lián)系。因而，此時(shí)十分有必要在這一部分采用更為形象直觀的教學(xué)方法。我們利用CrystalMaker軟件的Diffraction插件則可以直接給出晶體結(jié)構(gòu)的衍射圖樣。如圖3所示為石墨烯及其衍射圖樣，通過(guò)對(duì)這類衍射圖樣的分析闡述，可最大程度上幫助學(xué)生理解掌握晶體衍射的機(jī)理和內(nèi)涵。更重要的一點(diǎn)是，使用CrystalMaker主窗口的旋轉(zhuǎn)功能旋轉(zhuǎn)晶體時(shí)，能夠使衍射圖樣進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)，反之也成立。這種教學(xué)方式非常生動(dòng)有效地給出晶體結(jié)構(gòu)與衍射圖樣之間的關(guān)系，更為重要的是，這種教學(xué)方式是雙向互動(dòng)的，打通了對(duì)知識(shí)的實(shí)時(shí)輸出、傳遞、接受以及理解這一系列流程。與傳統(tǒng)單向傳遞式的多媒體比較，教師不用頻繁地翻頁(yè)、回顧、穿插打斷課堂進(jìn)程，便可按照教師的意愿來(lái)對(duì)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)全方位地講述和剖析。

三、結(jié)束語(yǔ)

固體物理是一門緊貼前沿科學(xué)、緊跟時(shí)代發(fā)展的課程，這對(duì)教師在教學(xué)過(guò)程中采用何種教授方式提出了新的要求，只有合理交叉利用各種多媒體和軟件，才能易于被學(xué)生接受，收到事半功倍的效果。針對(duì)固體物理教學(xué)的內(nèi)容特點(diǎn)等方面進(jìn)行有目的的改進(jìn)和提高是很有必要的，應(yīng)注重教學(xué)的雙向性、實(shí)時(shí)性、互動(dòng)性，與學(xué)生進(jìn)行積極的交流，教學(xué)形式不拘一格，不僅僅是依靠傳統(tǒng)的多媒體，也要積極將相關(guān)專業(yè)軟件的應(yīng)用納入到課堂之中。這些目的都?xì)w結(jié)為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。此外，如何進(jìn)一步科學(xué)合理地探索固體物理教學(xué)的新模式，仍需廣大教育工作者結(jié)合自己的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，不斷進(jìn)行開(kāi)拓性的研究和探索，以此才能取得固體物理教學(xué)的豐碩成果。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃昆，韓汝琦.固體物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1988.

[2]王矜奉.固體物理教程[M].濟(jì)南：山東大學(xué)出版社，2014.

[3]鐘佑潔，楊尊先.電子學(xué)科的固體物理教學(xué)改革初探[J].物理通報(bào)，2013（8）.

[4]郭云東.固體物理教學(xué)改革的實(shí)踐與思考[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（24）.

[5]孟影，邵繼紅，華揚(yáng).固體物理教學(xué)改革的探索[J].合肥師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（28）.

[6]馬志軍，章天金，張柏順.面心立方晶格第一布里淵區(qū)的三維動(dòng)畫(huà)模擬[J].湖北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，28（4）：382-384.

[7]章天金，馬志軍，江娟.密排晶格結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)[J].長(zhǎng)春師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，25（6）：33-34.