少学时固体物理课程教学改革分析

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摘要:面对目前高校普遍减少固体物理课程学时，提高少学时固体物理课程的教学质量是固体物理课程教学改革需要解决的重要问题。以学生为中心，从课程教学的理念、内容、方法、手段和考核等方面对少学时固体物理课程教学改革进行研究，以提高教学质量。

关键词:固体物理；少学时；教学改革

固体物理是物理学专业一门重要的专业课程，也是电子、光电、材料等理工科专业重要的专业基础课之一[1]。由于目前高校采用学分制、选课制，普遍减少专业课程的学时，固体物理课程学时也因此减少了。比如，物理类固体物理学时已减到48学时，有些工科专业固体物理学时甚至压缩到32学时。固体物理课程内容多、理论性强[2]，造成在少学时条件下教师完成教学任务的压力大、学生学习的难度大。固体物理课程的教学理念陈旧、教学内容经典但没有及时更新、教学方式传统单一、学生缺乏学习主动性[3,4]，不利于学生解决问题的能力及创新能力的培养。因此在少学时情况下高质量完成固体物理教学任务,是当前固体物理课程教学改革迫切需要解决的重要问题。本文将从课程教学的理念、内容、方法、手段和考核等方面，以学生为中心，探讨在少学时条件下进行以提高教学质量为导向的固体物理课程教学改革。

1革新教学理念

改革传统固体物理的教学模式，首先是教育理念要结合课程的教学目标进行革新。在固体物理教学中，教育理念要从传统的“教师中心”转变为“学生中心，教师主导”，确立学生发展作为课程教学的最终目标，在少学时下优化和创新课程的教学内容、教学方式和评价考核，增强教学内容的学术性、研究性，以灵活多元化的教学方法、手段引导和激发学生主动学习，使学生从“要我学”变为“我要学”，通过固体物理的基本概念、理论、研究方法和应用来强化对学生思维、研究和创新等能力的培养。

2改革教学内容

2.1传统教学内容的优化。抓住传统教学内容的主线[2]，调整教学侧重点，减少烦杂的公式推导，简化方程的求解过程，协调教学用时与各章节教学内容的关系，保持课程内容的系统性和连贯性，使学生在少学时情况下理解和掌握固体物理的基本理论知识，形成一定的固体物理思维能力和创新能力。经优化后的传统固体物理教学内容为基础理论部分和理论应用部分。基础理论部分是学生所要掌握的固体物理基础知识，包括晶体结构、晶体结合、晶格振动、能带论和电子论等五个章节内容[3]。基础理论部分的每一章节都安排教学侧重点，例如第三章晶格振动和晶体热学性质，重点掌握一维晶格的振动及其量子化、声子的概念、晶格热容理论和非谐效应。其他章节如半导体理论、固体磁性和超导电性等内容是理论应用部分，是前五章基础知识的应用推广，这部分让学生课外自主学习，通过读书报告的形式，检查学生学习效果。2.2学科发展史的补充。在优化整合后的固体物理教学内容基础上，适当在各章节里补充一些固体物理学科发展史的介绍，使学生了解固体物理理论的产生历史背景，明白新理论要经过长时间发展才能形成逻辑严密的理论，激发学生学习兴趣，培养学生独立思考的能力和不断探索进取的科学精神。例如，介绍金属电子论发展史。1900年建立的经典电子论成功解释了金属电导、热导等的特性，但对电子热容量的解释遇到巨大困难；1928年利用量子统计理论重新建立的金属电子论成功解释了自由电子对热容量的贡献。2.3前沿研究成果和热点知识的添加。固体物理学科领域包括晶体物理、金属物理、半导体物理、纳米物理等多个分支学科。随着实验设备的更新换代和现代科技的进步，固体物理学科不断涌现新成果、新概念和新理论[4]。因此，适当在教学内容中添加一些固体物理的前沿研究成果和热点知识，是体现固体物理教学内容与时俱进的优化，开拓学生的视野，强化了学生对基础知识的理解，了解固体物理学科的前沿进展和最新科研成就以及与其他高新技术应用的联系，有助于学生创新能力的培养。例如，在晶体结合章节，讲授共价键和轨道杂化时，引入2010年诺贝尔物理奖“石墨烯”的简介，让学生了解石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，也介绍了近年来我国在石墨烯结构材料及在光学、电学、力学性质调控方面的最新科研成果。

3改革教学方法

3.1模块化重点和难点。在固体物理教学过程中，要把传统“一言堂”教学转变为“学生中心，教师主导”的教学模式。教师备课时要结合学生特点，精心设计每一堂课的教学安排，把重点和难点内容模块化，讲述理论的建立过程，注重物理模型和研究方法以及基本概念内涵和外延的解释，让学生把握重点、突破难点，学会理论分析和解决问题。在每个重点和难点模块，设置一些小问题，比如，问学生关于金刚石和石墨结构的异同点、哪种晶体结合容易形成绝缘体、如何作图画二维长方晶格的布里渊区等，在教师的主导下，启发学生主动思考、寻求问题的解决方法。3.2理论与实际相结合。在课堂教学过程中，将固体物理理论知识与实际应用相结合。例如，在讲述一维晶格振动时，把一维单原子链和双原子链的色散关系与在电子系统中广泛应用于信号处理、数据传送和抑制干扰的滤波器联系起来，把一维单原子晶格和一维双原子晶格分别看成低通滤波器和带通滤波器，可在特定频带内实现有用信号通过、抑制无用信号。进而引导学生思考，当晶体中存在杂质时，晶格振动模式是否会变化，怎样变化？再结合关于掺杂引起频移的前沿科研进展，如硅中的硼形成高频模，使学生对有无杂质影响的晶格振动谱有了较全面清晰的认识，激起学生学习兴趣，开拓了学生思维，通过理论联系实际强化了对知识的掌握。3.3布置课后的思考题和研究报告。在每一章的课后作业布置上，除了精选课本上的习题作为作业题外，还布置与章节内容相关的一些思考题，以及课后查阅相关科研热点的科研文献并写成研究报告。学生通过这些作业开阔了视野，养成了一定的思维能力、研究能力和创新能力，从而提高课堂教学质量。

4改革教学手段

固体物理教学内容有很多教学重点和难点，如晶格结构、原胞、布里渊区和费米面等复杂抽象的模型及概念。以往在“课件+板书”课堂教学中，常用平面图片来显示这些抽象的模型及概念，但由于学生空间立体想象力较差，不易于理解，导致教学效果不佳。因此，教师应利用现代化信息技术，制作关于抽象复杂模型及概念的动画、视频和图片等各种课件的显示方式，完善固体物理多媒体课件。多样化的课件显示弥补了学生空间立体想象力的不足，使学生能较好地理解教学的重点和难点，从而提高教学质量。例如，在讲解面心立方和六角密排等的晶格结构时，通过动画播放形式，生动直观地显示了面心立方和六角密排等这些晶格结构中不同的原子排列方式，容易明白这些晶格的密堆积方式。

5改革考核方法

以往固体物理课程考核采用的是“平时成绩30％+期末成绩70％”的评价方式[5]，其中平时成绩包括考勤和作业。但这种考核方式偏重期末成绩，不注重过程考核，不利于培养学生分析解决问题的能力以及创新能力。要改变这种状况，必须改革课程考核方法，调整平时成绩和期末成绩的评价比例，加强过程考核。比如，平时成绩占40％，期末成绩占60％，平时成绩包括考勤、作业、课堂小测验、读书报告、调研报告等。

6结语

在少学时情况下，提高教学质量是固体物理课程教学改革需要解决的重要问题。要提高教学质量以培养高素质创新人才，少学时固体物理课程教学改革必须以学生为中心，革新教学理念，改革教学内容、方法、手段和考核方式，增强学生学习主动性，培养学生解决问题能力及创新能力。

参考文献

[1]黄昆,韩汝琦.固体物理学[M].北京:高等教育出版社,1988.

[2]杨尊先,郭太良,李福山,等.基于材料器件类科研平台向本科生开放的固体物理教学改革试探[J].物理通报,2019(2):2-5.

[3]唐宇,张怡,叶益聪,等.“正奇结合”:材料专业“固体物理”课程教学探索[J].科教文汇,2019(23):78-79,86.

[4]尹康,董运洪,周前能,等.微电子专业固体物理课程教学改革分析[J].西部素质教育,2018(20):144-146.

[5]李剑锋.固体物理中教学改革的初步尝试[J].科教文汇,2016(371):45-46.

作者:陈渊 陈继培 李文安 单位:广州大学物理与电子工程学院