高健 趙晟楊

摘? ? 要：新能源材料的研發(fā)是實(shí)現(xiàn)“碳中和—碳達(dá)峰”的重要環(huán)節(jié)，“固體物理”是研究材料結(jié)構(gòu)—性能關(guān)系、微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能影響的物理專業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)加速新能源材料研發(fā)具有重要作用?；谛鹿た瓢l(fā)展要求，將“固體物理”課程引入工科本科生培養(yǎng)體系，首先需要解決“固體物理”理論性較強(qiáng)的難點(diǎn)。在教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)上，提出融入量子力學(xué)基本知識(shí)，利用可視化軟件、計(jì)算軟件和數(shù)據(jù)庫等輔助教學(xué)手段，開展“翻轉(zhuǎn)課堂”引入科技前沿，從而提高教與學(xué)的效率。

關(guān)鍵詞：固體物理；教學(xué)模式；軟件；實(shí)踐；翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1002-4107（2024）02-0088-04

“固體物理”是研究固體的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、固體中各種粒子運(yùn)動(dòng)形態(tài)和規(guī)律及它們相互關(guān)系的物理專業(yè)傳統(tǒng)核心課，是各種材料科學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)[1]。“碳中和—碳達(dá)峰”和“中國制造 2025”等國家計(jì)劃對(duì)新能源材料的研發(fā)速度提出了新的挑戰(zhàn)。美國與中國先后開啟“材料基因組計(jì)劃”和“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”[2-4]，將基于“固體物理”的理論計(jì)算模擬貫穿于新能源材料研發(fā)的各個(gè)步驟，通過數(shù)據(jù)挖掘探尋材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，顯著提高了新材料的研發(fā)效率。為了響應(yīng)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，優(yōu)化人才培養(yǎng)模式，構(gòu)建跨學(xué)科、創(chuàng)新型和具有前瞻性的人才培養(yǎng)體系顯得尤為重要。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，2017年以來，新工科建設(shè)迅速推進(jìn)，在傳統(tǒng)學(xué)科的基礎(chǔ)上進(jìn)行學(xué)科融合，對(duì)理工復(fù)合型課程建設(shè)提出了新的要求[5]。對(duì)于新能源材料的研發(fā)而言，要求新型人才既具備寬厚的理論基礎(chǔ)、前瞻的科技視野，又了解先進(jìn)工業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)，正是基于這一需求，在新工科人才培養(yǎng)體系中引入“固體物理”課程成為當(dāng)務(wù)之急[6]。然而，面向工科背景學(xué)生開設(shè)物理專業(yè)課程是一個(gè)挑戰(zhàn)。在教學(xué)實(shí)踐中，傳統(tǒng)的物理教學(xué)方法，即基于量子力學(xué)中的理論，進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)和物理公式推導(dǎo)的這一過程，對(duì)于工科背景的學(xué)生來說過于抽象。因此，基于“固體物理”課程的自身特點(diǎn)及當(dāng)前教學(xué)過程中存在的主要問題，結(jié)合“新工科”的創(chuàng)新理念，對(duì)跨學(xué)科專業(yè)“固體物理”教學(xué)進(jìn)行改革與實(shí)踐是重中之重。

本文基于新工科建設(shè)需求，響應(yīng)國家的“雙碳”計(jì)劃，秉持“學(xué)生中心，產(chǎn)出導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”的教學(xué)理念，對(duì)“固體物理”課程進(jìn)行了改革探索，包括：在課程中引入必要的量子力學(xué)知識(shí)，弱化數(shù)學(xué)和物理公式推導(dǎo)，降低工科背景學(xué)生的學(xué)習(xí)難度；引入可視化軟件、大數(shù)據(jù)庫和計(jì)算軟件等輔助教學(xué)工具，將抽象的數(shù)學(xué)和物理公式推導(dǎo)具象化，幫助學(xué)生理解掌握相關(guān)概念；結(jié)合“翻轉(zhuǎn)課堂”，豐富教學(xué)手段，鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生接觸科技前沿，發(fā)現(xiàn)問題、探索討論、實(shí)踐解決，提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)參與度與自我探索主動(dòng)性，進(jìn)而提升教學(xué)質(zhì)量和效率。這些改革措施旨在讓工科專業(yè)的學(xué)生能夠理解、掌握和應(yīng)用“固體物理”課程知識(shí)，夯實(shí)理論基礎(chǔ)，提升實(shí)踐能力和拓展未來視野，以滿足新工科對(duì)實(shí)用性、交叉性與綜合性的創(chuàng)新科研型人才培養(yǎng)的要求。

一、融入量子力學(xué)的“固體物理”課程體系建設(shè)

“固體物理”作為物理專業(yè)的核心課程，在學(xué)習(xí)前需要一定數(shù)學(xué)和物理的知識(shí)儲(chǔ)備，例如高等數(shù)學(xué)、原子物理、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理以及量子力學(xué)等。然而，對(duì)于工科學(xué)生來說，一般僅接觸過高等數(shù)學(xué)和普通物理，且普通物理較少涉及原子物理和熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理相關(guān)內(nèi)容，也沒有接觸過量子力學(xué)[7]。因此，在“固體物理”課程的教學(xué)中，為了幫助學(xué)生克服知識(shí)背景的障礙，可以將量子力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容融入其中。在慕課平臺(tái)，已經(jīng)有針對(duì)工科學(xué)生的少學(xué)時(shí)“固體物理”課程，這是一個(gè)成功將“固體物理”課程引入新工科課程體系的案例[8]。在這門慕課的教學(xué)框架中，量子力學(xué)相關(guān)知識(shí)被放在較前的位置展開講授。而在教學(xué)實(shí)踐中，如果將信息量龐大且枯燥的量子力學(xué)內(nèi)容單獨(dú)在緒論中講完，學(xué)生很容易因?yàn)樵诙虝r(shí)間內(nèi)接收大量新知識(shí)而產(chǎn)生畏難和厭學(xué)情緒，使得后續(xù)教學(xué)目標(biāo)難以順利推進(jìn)。針對(duì)這一問題，筆者在實(shí)踐探索中，通過改變量子力學(xué)知識(shí)的介入形式與時(shí)間的這一創(chuàng)新性方法化解對(duì)應(yīng)難題。首先梳理“固體物理”課程的主干教學(xué)內(nèi)容，包括：晶體結(jié)構(gòu)、固體的結(jié)合、晶格振動(dòng)、金屬電子論和能帶理論。根據(jù)相關(guān)章節(jié)內(nèi)容將量子力學(xué)課程分解并融入各個(gè)章節(jié)中，以“知識(shí)引入”的方式，化整為零，循序漸進(jìn)地傳授給學(xué)生，讓其掌握相關(guān)知識(shí)，并在“固體物理”主干課程的學(xué)習(xí)中得到相應(yīng)的反饋，二者相輔相成，有助于他們的記憶與理解。具體實(shí)施方法如下。

在第一章緒論中，介紹“固體物理”課程的發(fā)展歷史和研究對(duì)象，說明固體物理是研究原子結(jié)合成固體所展現(xiàn)的性質(zhì)的學(xué)科，由于宏觀晶體中包含6.02×1023量級(jí)的原子，是微觀尺度復(fù)雜的多體問題。在物理學(xué)的發(fā)展中，經(jīng)典物理解決低速宏觀問題，當(dāng)需要研究低速微觀問題的時(shí)候，則必須涉及量子力學(xué)。為了闡述“量子”觀念的由來，介紹黑體輻射和光電效應(yīng)，分別對(duì)能量和光“量子化”，從而讓學(xué)生對(duì)“量子力學(xué)”有初步觀念。

在第二章晶體結(jié)構(gòu)中，介紹X射線的同時(shí)，介紹原子模型和“舊”量子理論。利用克魯克斯管陰極射線管，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子并提出布丁模型。隨后，盧瑟福基于α粒子散射實(shí)驗(yàn)提出行星模型。為了解決電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的輻射問題，以及氫原子的不連續(xù)光譜線問題，玻爾原子模型假設(shè)電子軌道的角動(dòng)量量子化。其后，德布羅意提出電子也具有波粒二象性。隨著“舊”量子理論不斷發(fā)展，對(duì)原子結(jié)構(gòu)理解的也不斷加深，從原子結(jié)構(gòu)角度，引出第三章晶體結(jié)合內(nèi)容。

在第三章固體的結(jié)合中，首先介紹玻爾提出的物質(zhì)波動(dòng)性和粒子性“互補(bǔ)原則”，聯(lián)結(jié)了“新”與“舊”的量子理論。簡要介紹海森堡的“測不準(zhǔn)原理”和矩陣力學(xué)，薛定諤的波動(dòng)力學(xué)，玻恩對(duì)波函數(shù)的解釋，以及狄拉克提出“量子場論”并解釋海森堡與薛定諤理論的等價(jià)性。隨后，重點(diǎn)介紹定態(tài)薛定諤方程的求解，并在氫原子軌道求解的基礎(chǔ)上，介紹電子自旋和泡利不相容原理，從原子軌道規(guī)律來介紹元素周期表。結(jié)合元素周期表，來介紹電負(fù)性，引入第三章主干內(nèi)容——晶體結(jié)合的基本類型和特征。在介紹晶體結(jié)合能的時(shí)候，拓展介紹密度泛函理論以及晶體結(jié)合能的理論計(jì)算方法，并與教材中的離子結(jié)合計(jì)算進(jìn)行比較。

在第四章晶格振動(dòng)中，介紹了量子統(tǒng)計(jì)理論，并從玻色—愛因斯坦統(tǒng)計(jì)出發(fā)，介紹聲子的概念。同時(shí)拓展介紹了元激發(fā)與準(zhǔn)粒子的相關(guān)知識(shí)。

在第五章金屬電子論中，重點(diǎn)介紹索末菲的量子自由電子模型，其中有兩條量子假設(shè)：電子氣的能量量子化，以及處理電子式，利用量子費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì)來代替經(jīng)典的麥克斯韋—玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)。然而此時(shí)并沒有考慮周期性晶格對(duì)于電子的作用，因此在第六章能帶理論中，引入布洛赫定理，并介紹在周期場中求解薛定諤方程的方法。

綜上所述，在大綱建設(shè)和內(nèi)容編排上，強(qiáng)調(diào)量子力學(xué)和固體物理的聯(lián)系性和連貫性，用量子力學(xué)知識(shí)為固體物理提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)固體物理的內(nèi)容也使抽象的量子力學(xué)推導(dǎo)呈現(xiàn)出了具體性質(zhì)特征。相比將量子力學(xué)與固體物理兩大塊內(nèi)容獨(dú)立講授，再糅合規(guī)整，這樣對(duì)工科背景學(xué)生不友好的教學(xué)方式，將量子力學(xué)知識(shí)化整為零，作為“拼圖”嵌入到“固體物理”教學(xué)架構(gòu)中，幫助學(xué)生更為牢固地構(gòu)建知識(shí)體系的同時(shí)也有效避免了其畏難情緒的產(chǎn)生。此外，在介紹基礎(chǔ)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，用知識(shí)拓展的方式，簡要介紹高等量子力學(xué)里面涉及的基本概念，從而為學(xué)生構(gòu)建完整的知識(shí)框架，激發(fā)學(xué)生未來進(jìn)一步自主探索潛力，確保學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)的寬和厚，擁有扎實(shí)基礎(chǔ)的同時(shí)兼?zhèn)鋵?duì)未來學(xué)科發(fā)展的長遠(yuǎn)目光，培養(yǎng)符合“新工科”要求的新時(shí)代人才。

二、融入多元化教學(xué)手段，切實(shí)提升教學(xué)質(zhì)量

從課程特征來看，固體物理是研究固體的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、固體中各種粒子運(yùn)動(dòng)形態(tài)和規(guī)律及它們相互關(guān)系的學(xué)科，是各種材料科學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)。傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐以理論講解和公式推導(dǎo)為主，學(xué)生普遍反映課程內(nèi)容抽象，難以理解。因此，如何豐富教學(xué)手段、提高教學(xué)效率，并結(jié)合科研創(chuàng)新，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)思考和實(shí)踐，是當(dāng)前教學(xué)工作中面臨的重要挑戰(zhàn)。在“雙碳”背景下建設(shè)“新工科”“固體物理”課程，可以將可視化軟件、計(jì)算模擬手段以及大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫等輔助教學(xué)手段引入“固體物理”課程，不僅可以對(duì)課程中的公式與理論給出直觀的應(yīng)用實(shí)踐和圖形化演示，幫助學(xué)生得到清晰的認(rèn)知理解；也可以將關(guān)鍵新能源材料的最新研究進(jìn)展引入課堂，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)踐和科研探索。圖1為輔助教學(xué)手段引入的示意圖，用于直觀演示“固體物理”課程中所涉及的晶體結(jié)構(gòu)、反應(yīng)能量、聲學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、電子態(tài)密度和能帶性質(zhì)以及導(dǎo)電—超導(dǎo)—磁性等，并將各個(gè)章節(jié)的知識(shí)靈活體現(xiàn)在實(shí)際前沿科學(xué)中。教學(xué)與科研的結(jié)合，讓學(xué)生接觸科學(xué)前沿并將理論應(yīng)用于研究實(shí)踐。

（一）Material Project數(shù)據(jù)庫

Material Project是一個(gè)開源、全面的材料科學(xué)數(shù)據(jù)庫，也是全球最大的開放材料數(shù)據(jù)庫之一，當(dāng)前包含超過15萬種材料，數(shù)據(jù)主要來自于大規(guī)模的第一性原理計(jì)算結(jié)果，旨在為科學(xué)家、工程師和研究人員提供一個(gè)便捷的平臺(tái)，以搜索、分析和可視化各種材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和性能[9]。Material Project提供了一個(gè)用戶友好的

Web界面，可通過搜索或?yàn)g覽來獲取所需的材料數(shù)據(jù)；也提供方便的應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API），可根據(jù)各種屬性（例如所含元素、化學(xué)式、相圖、可量化的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)等）來進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問、檢索和批量導(dǎo)出。此外，Material Project還提供了一些計(jì)算工具，用來進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測、能帶計(jì)算、反應(yīng)性能預(yù)測等工作，幫助用戶進(jìn)行材料設(shè)計(jì)和性能評(píng)估。在教學(xué)過程中，可以指導(dǎo)學(xué)生搜索不同晶體結(jié)構(gòu)類別的實(shí)例，導(dǎo)出cif格式文件，觀察對(duì)應(yīng)晶體的結(jié)構(gòu)特征和對(duì)稱性，此類三維可視化的晶體結(jié)構(gòu)有助于學(xué)生的理解和掌握。數(shù)據(jù)庫還可以搜索晶體的能帶、X射線粉末衍射譜、能帶和態(tài)密度等，為相關(guān)章節(jié)的教學(xué)提供實(shí)例。

（二）晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件

VESTA（Visualization for Electronic and STructuralAnalysis）是一款用于可視化和分析晶體結(jié)構(gòu)的開源軟件。它由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所開發(fā)，可以直觀地展示和分析三維晶體結(jié)構(gòu)[10]。它無需安裝，且具有強(qiáng)大的晶體結(jié)構(gòu)展示和晶體建模功能。以下是VESTA在課程中的應(yīng)用方式。

1.晶體結(jié)構(gòu)觀察。在Material Project中搜索具有典型晶體結(jié)構(gòu)的材料，包括簡單立方、體心立方、面心立方等，并搜索典型的新能源材料，例如鋰電池的正極（LiCoO2，LiFePO4，LiMn2O4）、負(fù)極（Li，Si，石墨，Li4Ti5O12）和固體電解質(zhì)（Li7La3Zr2O12，NASICON結(jié)構(gòu)，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)）等，并用VESTA展示。

2.X射線晶體衍射。對(duì)于材料研究來說，X射線衍射（X-ray Diffraction，XRD）是必不可少的基本技能，可以檢查所合成材料是否為目標(biāo)材料、是否達(dá)到純度，也可以用來解析新材料結(jié)構(gòu)?；诖耍趯W(xué)習(xí)X射線晶體衍射的時(shí)候，設(shè)計(jì)探索性作業(yè)：從Material Project搜索NaCl結(jié)構(gòu)，導(dǎo)入VESTA，利用VESTA查看NaCl晶胞參數(shù)，并生成XRD譜圖。畫出（1 1 1）（2 0 0）（2 2 0）所對(duì)應(yīng)的面，并求出面間距；利用布拉格公式，計(jì)算所用X射線的波長；任選另一個(gè)峰，計(jì)算面間距，確定所對(duì)應(yīng)的晶面，進(jìn)行定標(biāo)。計(jì)算結(jié)構(gòu)因子，證明一個(gè)“消失”的峰。通過完成作業(yè)，學(xué)生不僅學(xué)會(huì)了利用數(shù)據(jù)庫和軟件進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)的搜索和分析，也更加了解XRD的原理和譜線定標(biāo)。

（三）計(jì)算軟件

Material Studio是一種廣泛應(yīng)用于材料計(jì)算的常用軟件，具備強(qiáng)大的晶體建模功能。通過該軟件，晶體可以直接使用實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)的正空間表示，并進(jìn)行倒空間的三維可視化。特別是其CASTEP模塊，能夠基于密度泛函理論對(duì)周期性晶體進(jìn)行第一性原理計(jì)算[11]。另外，VASP（Vienna ab-initio Simulation Package）也是一種基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算軟件[12]。這兩種軟件都是商用軟件，對(duì)于科研教學(xué)而言，僅具備使用權(quán)，而非培訓(xùn)權(quán)，因此在教學(xué)過程中需要遵守相關(guān)的許可和使用規(guī)定，例如由教師利用這兩種軟件進(jìn)行計(jì)算，并通過使用VESTA等軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化分析。使用這些工具，可以讓學(xué)生更好地理解材料的結(jié)構(gòu)、性能和行為。例如在本課程所用到的計(jì)算結(jié)果包括以下幾點(diǎn)。

1.固體的結(jié)合。利用VASP軟件，對(duì)于離子晶體

NaCl、金屬Li與含有范德瓦爾斯鍵和共價(jià)鍵的石墨等，計(jì)算它們的電荷密度，差分電荷密度和電荷局域密度，觀察不同晶體結(jié)合類型電子的分布、成鍵后的電子轉(zhuǎn)移以及不同鍵的局域性和離域性，及其導(dǎo)致的電子電導(dǎo)特性的差別。同時(shí)可以計(jì)算不同晶體結(jié)合類型，原子結(jié)合成晶體的結(jié)合能。

2.聲子譜。Phonopy是一個(gè)用于聲子（phonon）計(jì)算和聲子晶格動(dòng)力學(xué)模擬的開源軟件包[13]。利用VASP+phonopy計(jì)算面心立方結(jié)構(gòu)Si晶體的聲子譜和聲子密度譜，展示給學(xué)生，并進(jìn)行分析：面心立方結(jié)構(gòu)，每個(gè)原胞中有2個(gè)原子，因此有3個(gè)聲學(xué)支，以及3×2-3=3個(gè)光學(xué)支。

3.能帶與態(tài)密度。利用VASP計(jì)算金剛石，Si，Ge，Sn，Pb和KCl的能帶與態(tài)密度并進(jìn)行展示。與教材中和Material Project數(shù)據(jù)庫中的能帶和態(tài)密度相比較，學(xué)習(xí)絕緣體—半導(dǎo)體—導(dǎo)體在電子結(jié)構(gòu)方面的本質(zhì)區(qū)別。從近自由電子近似和緊束縛近似兩個(gè)方面，理解能帶形成的原因。為了研究缺陷對(duì)于能帶的影響，可以利用DASP（Defect and Dopant ab-initio Simulation Package）

計(jì)算半導(dǎo)體缺陷和雜質(zhì)性質(zhì)[14]。此外，在缺陷和擴(kuò)散的教學(xué)中，可以將VASP計(jì)算的結(jié)果以及相關(guān)文獻(xiàn)展示給學(xué)生[15-16]，讓學(xué)生理解缺陷和擴(kuò)散以及離子電導(dǎo)率和快離子導(dǎo)體相關(guān)知識(shí)，并去主動(dòng)探索快離子導(dǎo)體當(dāng)前的最新進(jìn)展。

（四）大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)

在課堂之外，指導(dǎo)學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新競賽，利用大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)的方法研究鋰離子電池關(guān)鍵材料。筆者所帶隊(duì)伍在“萌芽杯”科技創(chuàng)新及學(xué)術(shù)論文大賽中取得學(xué)院第一，校級(jí)二等獎(jiǎng)的成績，大大激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)自由探索的熱情，同時(shí)也使得學(xué)生搜索閱讀相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)與分類、總結(jié)知識(shí)的科研能力進(jìn)一步提升。在大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)探索中，作為分析基礎(chǔ)的龐大數(shù)據(jù)來源于Material Project數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出和大數(shù)據(jù)分析工作時(shí)利用Pymatgen和matminer軟件包，并采用基于Python語言的sklearn算法進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)方法的分析。通過提取數(shù)據(jù)庫中所有含鋰材料的能隙，得出并研究能隙依賴于元素、晶體結(jié)構(gòu)、電負(fù)性等晶體特征符的關(guān)系，指導(dǎo)鋰離子材料絕緣體，半導(dǎo)體和導(dǎo)體的篩選和設(shè)計(jì)。將當(dāng)下熱門的人工智能應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，在眾多晶體性質(zhì)的提取過程中，不僅對(duì)于固體物理相關(guān)知識(shí)有了進(jìn)一步的鞏固與應(yīng)用，也提升了學(xué)生的探索熱情與實(shí)踐操作水平，有助于培養(yǎng)符合新時(shí)代“新工科”要求的兼?zhèn)淅碚撝R(shí)與實(shí)踐能力的人才。

三、應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，培育學(xué)生創(chuàng)新思維

教學(xué)與科研結(jié)合是培養(yǎng)新工科高素質(zhì)專業(yè)人才的重要手段，通過開展“項(xiàng)目式教學(xué)”，以學(xué)生課程報(bào)告和課堂展示成果為導(dǎo)向，增強(qiáng)師生互動(dòng)，提高學(xué)生參與感和主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，并針對(duì)關(guān)鍵新能源材料的最新研究進(jìn)展和問題，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)踐和科研探索。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)課堂討論時(shí)間的高效利用，并提高課上報(bào)告的質(zhì)量和水平，可以將課程資料適量放在課下提供。學(xué)生在課下了解所需學(xué)習(xí)內(nèi)容，課上時(shí)間用于報(bào)告和討論，因此“翻轉(zhuǎn)課堂”非常適合項(xiàng)目式教學(xué)。

在實(shí)施過程中，首先適度地引入相關(guān)科研內(nèi)容，并針對(duì)鋰離子電池/燃料電池關(guān)鍵材料，半導(dǎo)體材料，熱點(diǎn)材料等當(dāng)前熱點(diǎn)新能源材料進(jìn)行介紹；將相關(guān)講解視頻發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上。通過布置大作業(yè)，讓學(xué)生針對(duì)課上介紹過的材料進(jìn)行選擇，在Material Project中搜索晶體結(jié)構(gòu)，利用VESTA觀察結(jié)構(gòu)并分析晶體的XRD譜，并對(duì)某一特征峰進(jìn)行計(jì)算分析，利用布拉格公式驗(yàn)證面間距和峰位的關(guān)系。在Material Project中查詢材料性質(zhì)，例如能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度等，說明能隙與結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)合類型等過程之間的聯(lián)系。結(jié)合課上所學(xué)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生通過文獻(xiàn)調(diào)研來了解能源材料的最新科研進(jìn)展，針對(duì)功能材料的性能要求進(jìn)行分析，進(jìn)而探究如何通過缺陷調(diào)控來優(yōu)化材料性能。完成課程報(bào)告，進(jìn)行課堂展示和討論，并針對(duì)重要的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)化講解，針對(duì)學(xué)生理解的難點(diǎn)錄制小視頻作為課后補(bǔ)充材料。通過翻轉(zhuǎn)課堂的形式，將論文閱讀、報(bào)告撰寫、課堂展示、課上討論和問答等步驟作為其考核標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性和課堂參與感，有助于學(xué)生思路清晰地構(gòu)建思維框架，并整體全面的理解課程內(nèi)容。

四、結(jié)論

“固體物理”作為研究材料結(jié)構(gòu)—性能關(guān)系、微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能影響的物理專業(yè)基礎(chǔ)課，在新能源材料的研發(fā)中扮演著不可或缺的角色。因此，將固體物理課程引入“新工科”本科生教學(xué)體系是培養(yǎng)新能源材料方向?qū)I(yè)人才的重要支撐?；凇靶鹿た啤北尘皩W(xué)生在物理知識(shí)背景方面的局限，提出了一系列新工科固體物理教學(xué)改革的策略和方法，旨在解決固體物理理論性強(qiáng)的難題，提高教學(xué)效率。如表1所總結(jié)，首先，建立課程大綱和章節(jié)體系，隨著固體物理主干內(nèi)容的進(jìn)展，循序漸進(jìn)融入量子力學(xué)基本知識(shí)，以提高學(xué)生對(duì)固體物理學(xué)習(xí)的積極性和理解能力；通過將抽象的理論概念與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，學(xué)生能更好地理解和應(yīng)用固體物理原理。其次，如圖1所示借助可視化軟件、計(jì)算軟件和數(shù)據(jù)庫等輔助教學(xué)工具，可為學(xué)生提供直觀的結(jié)構(gòu)和性能展示，增強(qiáng)他們對(duì)固體物理理論的理解和應(yīng)用能力。最后，提出采用“項(xiàng)目式教學(xué)”和“翻轉(zhuǎn)課堂”的方法，引入科技前沿內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和問題解決能力，并在課外設(shè)立大學(xué)生競賽項(xiàng)目，對(duì)有興趣參與的學(xué)生進(jìn)行延伸訓(xùn)練。綜上所述，固體物理作為物理專業(yè)基礎(chǔ)課在新能源材料研發(fā)中具有重要作用。通過將“固體物理”課程納入“新工科”本科生培養(yǎng)體系，針對(duì)”固體物理學(xué)“理念性強(qiáng)的難點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐來改進(jìn)教學(xué)方法，進(jìn)而提高教學(xué)效果，同時(shí)促進(jìn)學(xué)生對(duì)新能源材料的持續(xù)興趣和研究熱情。教學(xué)改革是一個(gè)持續(xù)的過程，需要教師不斷探索和實(shí)踐，以適應(yīng)“新工科”發(fā)展的要求，滿足新能源材料研發(fā)的需求。這些改革舉措將對(duì)推動(dòng)新能源材料的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“碳中和—碳達(dá)峰”目標(biāo)起到積極的推動(dòng)作用。

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