林 輝 孟大敏 劉成岳 陳 冰 楊遠(yuǎn)俊 景 佳 唐 瓊

(合肥工業(yè)大學(xué)物理學(xué)院 安徽 合肥 230009)

1 近代物理專(zhuān)題課程開(kāi)設(shè)的目標(biāo)

作為基礎(chǔ)通識(shí)必修課程大學(xué)物理的延續(xù)課程，近代物理專(zhuān)題通常作為工科院校非物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生的一門(mén)選修課程，擔(dān)當(dāng)著補(bǔ)充講解由于大學(xué)物理課時(shí)不夠而刪除的近代物理知識(shí)章節(jié),幫助學(xué)生了解近代物理學(xué)的發(fā)展概貌,提高大學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，并可啟發(fā)有物理學(xué)習(xí)潛質(zhì)的學(xué)生清晰自己未來(lái)的個(gè)人發(fā)展方向等任務(wù).

近代物理專(zhuān)題課程通常以3個(gè)課時(shí)(50 min/課時(shí))介紹一個(gè)專(zhuān)題，內(nèi)容既要涉及物理理論，又要涉及實(shí)際應(yīng)用.理論不能講得太深?yuàn)W，避免沒(méi)有基礎(chǔ)的學(xué)生如墜深淵，失去學(xué)習(xí)興趣.最好能用簡(jiǎn)潔形象的語(yǔ)言接續(xù)學(xué)生已有的大學(xué)物理知識(shí)講解，并結(jié)合一定的物理實(shí)例、史實(shí)講解，才能吸引學(xué)生有興趣聽(tīng)得下去.

以工科物理教學(xué)為例，文獻(xiàn)[1]中的廣義相對(duì)論、量子力學(xué)中的氫原子問(wèn)題、電子的自旋/原子的電子殼層結(jié)構(gòu)，以及最后兩章內(nèi)容(第十四章 激光和固體的量子理論 、第十五章 原子核物理和粒子物理簡(jiǎn)介)，在工科大學(xué)物理常規(guī)112 學(xué)時(shí)內(nèi)很難包含，而在近代物理專(zhuān)題中就可以作為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的專(zhuān)題進(jìn)行理論簡(jiǎn)介，并結(jié)合豐富的圖片、視頻、實(shí)例應(yīng)用進(jìn)行展開(kāi).為強(qiáng)化理論學(xué)習(xí)的具體性，還可適當(dāng)選擇淺顯易懂、計(jì)算量小的習(xí)題當(dāng)作例題講解，增強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知深度.

2 學(xué)習(xí)注意力曲線

學(xué)生在聽(tīng)課的過(guò)程中，注意力是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程.通常注意力曲線有如下特征[2～4]，如圖1橫軸代表上課時(shí)間，縱軸代表注意力集中程度.可見(jiàn)剛開(kāi)始學(xué)生注意力高度集中，對(duì)課堂內(nèi)容保持高度的期待；大約15 min后，注意力開(kāi)始下滑，精神漸漸渙散；到下課前10 min又恢復(fù)精神，注意力開(kāi)始回升.

圖1 學(xué)生課堂注意力曲線

在整個(gè)課堂教學(xué)中，教師如果采用風(fēng)格一致的講授方式，就會(huì)導(dǎo)致課堂中間階段教學(xué)效率的低下.因此教師在整堂課教學(xué)過(guò)程中，必須注意有節(jié)奏地轉(zhuǎn)換教學(xué)方式，盡量延長(zhǎng)學(xué)生的興奮時(shí)間，并在學(xué)生注意力渙散時(shí)喚醒學(xué)生，提高課堂效率[2].

3 課堂設(shè)計(jì)案例

下面以合肥工業(yè)大學(xué)近代物理專(zhuān)題之一：固體物理基礎(chǔ)與硅信息時(shí)代，結(jié)合線上教學(xué)資源，設(shè)計(jì)智慧課堂如表1所示.

表1 “固體物理基礎(chǔ)與硅信息時(shí)代”課堂設(shè)計(jì)

第1堂課

前段15 min，在學(xué)生好奇心、注意力都比較集中的時(shí)間內(nèi)，先介紹固體物理基礎(chǔ)知識(shí)1，內(nèi)容包括：固體物理的研究對(duì)象和研究方法、晶體的特點(diǎn)等.

中間10 min，學(xué)生注意力開(kāi)始渙散期，此時(shí)介紹歷史之旅1.通過(guò)回顧相關(guān)的物理知識(shí)與諾貝爾獎(jiǎng)故事，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力，例如回顧大學(xué)物理學(xué)過(guò)的“X射線的衍射”中的勞厄?qū)嶒?yàn)與布拉格公式，及其獲諾貝爾獎(jiǎng)故事、采用倒格矢研究的意義等.

在學(xué)生注意力調(diào)動(dòng)起來(lái)后，接下來(lái)的20 min繼續(xù)介紹固體物理基礎(chǔ)2，例如包括倒格子空間、晶體的結(jié)合與晶格的振動(dòng)等.

在下課前5 min，為檢驗(yàn)學(xué)生的聽(tīng)課效果，采用雨課堂回答如下問(wèn)題：

(1)固體物理的研究對(duì)象？

(2)晶體的特點(diǎn)？

(3)倒格子處理晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的物理意義？

并將課堂上介紹過(guò)的這部分內(nèi)容，設(shè)置為多選題，讓同學(xué)們通過(guò)多選答案的不確定性進(jìn)行邏輯思考判斷后給出答案.題目及答案設(shè)置如圖2所示.

此外，為有效節(jié)約課堂時(shí)間，題目可以在開(kāi)始講課前就發(fā)放給學(xué)生，讓學(xué)生被問(wèn)題“驅(qū)動(dòng)”著聽(tīng)課，這樣每道題設(shè)置回答30 s即可.

(a)

(b)

(c)

第2堂課

前段15 min，介紹電子能帶理論1，內(nèi)容包括電子共有化、自由電子氣模型、薛定諤方程求解的困難等.

中間10 min，介紹歷史之旅2：布洛赫博士論文故事與布洛赫模型.

后段20 min時(shí)間內(nèi)，講解電子能帶理論2，介紹能帶的形成、能帶的分類(lèi)(滿帶、導(dǎo)帶和禁帶)，能帶導(dǎo)電的原理，以及由此而形成的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體等.

同樣，最后5 min可以接著回答雨課堂問(wèn)題.電子能帶理論雨課堂選擇題設(shè)置如下：

(4) 什么是“近自由電子氣模型”？

(5) “能帶理論”三個(gè)基本假設(shè)？

(6)滿帶和不滿帶都能產(chǎn)生電流嗎？

(7)絕緣體不導(dǎo)電的原理？

(8)半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理？

(9)能帶理論的成功？

(10)能帶理論的局限？

并將課堂上介紹過(guò)的這部分內(nèi)容設(shè)置為多選題題目及答案，設(shè)置如圖3所示.

(a)

(b)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

第3堂課

前段15 min，介紹半導(dǎo)體理論，如本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體(n,p 型半導(dǎo)體)、pn 結(jié)等.

中間10 min，為調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力，介紹“硅時(shí)代”——信息時(shí)代，指出隨著量子力學(xué)和相對(duì)論的發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)已經(jīng)悄然進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代；介紹電子管、晶體管、集成電路的發(fā)展史等.

后25 min播放中國(guó)大學(xué)MOOC在線課程視頻專(zhuān)題：“半導(dǎo)體材料--e時(shí)代基礎(chǔ)”[5]，在播放之前提出問(wèn)題，讓學(xué)生帶著問(wèn)題思考、尋找答案.

硅時(shí)代雨課堂選擇題設(shè)置如下：

(1)硅時(shí)代即是什么時(shí)代？

(2)第一個(gè)晶體管誕生在哪一年？

(3)第一個(gè)晶體管采用的半導(dǎo)體材料是下面哪種？

(4)微電子工藝的“超純”要求Si和Ge單晶純度達(dá)多少個(gè)9？

(5)半導(dǎo)體材料Si來(lái)自于生活中的哪種物質(zhì)？

敲鈴下課時(shí)，視頻并沒(méi)有播完，可讓學(xué)生帶著意猶未盡課后接著看.問(wèn)題可通過(guò)雨課堂“上傳試卷”功能發(fā)放給學(xué)生，課后自愿完成(不做要求,答題完畢，顯示答案).

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

4 教學(xué)反思

在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，盡量遵循了注意力曲線規(guī)律設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，有節(jié)奏地轉(zhuǎn)換教學(xué)方式，延長(zhǎng)學(xué)生的興奮時(shí)間，提高課堂效率.在教學(xué)方法上，采用了問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式、智慧教學(xué)工具(雨課堂)、線上線下教學(xué)資源相結(jié)合的混合式教學(xué)方法.使得每個(gè)學(xué)生“被動(dòng)”(例如必須現(xiàn)場(chǎng)提交問(wèn)題答案)和“主動(dòng)”(課后繼續(xù)聽(tīng)線上課程專(zhuān)題，及回答生動(dòng)有趣的科普問(wèn)題)地參與到教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)中去.

整個(gè)專(zhuān)題教學(xué)中采用了理論與應(yīng)用相結(jié)合，既有深?yuàn)W的理論(固體物理基礎(chǔ)和能帶理論)，又有與我們生活息息相關(guān)的半導(dǎo)體應(yīng)用(硅時(shí)代)，滿足了普通211院校本科生的知識(shí)需求.此外，為了讓對(duì)物理學(xué)習(xí)有濃厚興趣的學(xué)生得到更高層次的滿足，我們也準(zhǔn)備了程守洙等編著的《普通物理學(xué)》教材“第十四章 固體的量子理論”的課后習(xí)題，指導(dǎo)學(xué)生課后閱讀，并配上參考答案以降低學(xué)習(xí)難度.從定性到定量滿足學(xué)生不同層次的學(xué)習(xí)需求.此外，那些對(duì)近代物理學(xué)發(fā)展方方面面有濃厚興趣的學(xué)生，我們推薦課外拓展閱讀材料[6～8]，以開(kāi)闊學(xué)生的知識(shí)眼界.

作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)選修的考查課，每次專(zhuān)題課我們都盡量使用雨課堂記錄學(xué)生回答問(wèn)題的效果，并以回答的記錄作為期末成績(jī)的評(píng)定參考(如隨堂測(cè)驗(yàn)占30%)，也作為考勤的依據(jù)(如出勤率占20%).因?yàn)檫x修課一般人數(shù)都較多(約200人)，每次點(diǎn)名不現(xiàn)實(shí).智慧工具雨課堂的使用帶來(lái)了很大的便利.學(xué)生回答問(wèn)題的正確率可現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)獎(jiǎng)，公布正確答案，有力地調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與的積極性，“亢奮”了精神狀態(tài).

此外，為避免給學(xué)生造成過(guò)大的學(xué)習(xí)壓力，問(wèn)題回答的正誤我們只是作為期末成績(jī)?cè)u(píng)定的部分參考，并以粗線條劃分檔次.其實(shí)即使學(xué)生答錯(cuò)了，可能這個(gè)錯(cuò)誤對(duì)學(xué)生大腦皮層的刺激更強(qiáng)勁，反而給學(xué)生留下更深的印象.作為直接授課內(nèi)容的再學(xué)習(xí)，每位學(xué)生親自參與回答問(wèn)題，是一種很好的臨場(chǎng)體驗(yàn)，也是學(xué)習(xí)的間接延續(xù).

課堂提問(wèn)在題目設(shè)置上，要針對(duì)每堂課所授的內(nèi)容選題，答案也要盡量來(lái)自于直接講授的內(nèi)容.并通過(guò)問(wèn)題答案的客觀化、具體化而變成選擇題.

提問(wèn)的題目最好在授課之前就發(fā)放給學(xué)生，使學(xué)生被問(wèn)題“驅(qū)動(dòng)”著主動(dòng)在教師所授內(nèi)容中查找需要的答案.學(xué)生在選項(xiàng)提示下回答，可有效縮短答題時(shí)間(一般設(shè)定為30～60 s)，提高課堂效率.

5 結(jié)論

本文基于注意力曲線設(shè)計(jì)了近代物理專(zhuān)題之一——固體物理基礎(chǔ)與硅信息時(shí)代的智慧課堂，在教學(xué)過(guò)程中使用了驅(qū)動(dòng)式、被動(dòng)式、主動(dòng)式等教學(xué)法，采用了智慧工具和線上線下教學(xué)手段.經(jīng)過(guò)多次課堂實(shí)踐，得到同學(xué)們的肯定，取得了良好的教學(xué)效果.

作為一所隸屬于國(guó)家教育部的211工科院校，我們對(duì)合肥工業(yè)大學(xué)本科生開(kāi)設(shè)了近10年的近代物理專(zhuān)題教學(xué)，形成了一支經(jīng)驗(yàn)豐富、知識(shí)全面的教學(xué)隊(duì)伍.每一次專(zhuān)題盡量做到理論與應(yīng)用結(jié)合，教與學(xué)動(dòng)靜結(jié)合，以及新型教學(xué)法和先進(jìn)教學(xué)手段的主動(dòng)使用.調(diào)動(dòng)了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣.

致謝

感謝合肥工業(yè)大學(xué)何曉雄教授給我們近代物理專(zhuān)題課程的教學(xué)內(nèi)容與安排奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).