材料學(xué)科專業(yè)的固體物理課程教學(xué)改革探析

蘇興華

摘 要:《固體物理》是材料學(xué)科專業(yè)開設(shè)的一門重要基礎(chǔ)課。根據(jù)固體物理課程理論性強(qiáng)和材料學(xué)科專業(yè)的特點(diǎn),結(jié)合作者講授固體物理的心得和體會,在材料學(xué)科專業(yè)的固體物理教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方法的改革上進(jìn)行了初步探討。

關(guān)鍵詞:固體物理材料學(xué)科教學(xué)改革

中圖分類號:G6 文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)構(gòu)和性質(zhì)(主要是物理性質(zhì))的一門基礎(chǔ)理論學(xué)科。固體物理和普通物理、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、金屬物理、材料科學(xué)、特別是量子力學(xué)等學(xué)科有著密切關(guān)系[1-2]。固體物理是20世紀(jì)物理學(xué)飛躍發(fā)展的學(xué)科之一,成為許多學(xué)科的集合,如:金屬物理、半導(dǎo)體物理、磁學(xué)、低溫物理、電介質(zhì)物理、表面物理、非晶體態(tài)物理、材料科學(xué)等。幾十年來,以固體物理的理論為基礎(chǔ),在半導(dǎo)體、磁學(xué)、激光、超導(dǎo)、納米材料等現(xiàn)代技術(shù)研究方面取得了重要突破。

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

2 教學(xué)內(nèi)容改革

2.1 精選教學(xué)內(nèi)容

固體物理理論性強(qiáng),內(nèi)容龐大,其教學(xué)內(nèi)容一般包括晶體結(jié)構(gòu),晶格振動和晶體的熱學(xué)性質(zhì),固體的電導(dǎo)理論,固體材料的介電性質(zhì),固體的磁性以及固體的光學(xué)性質(zhì)。對于材料學(xué)科專業(yè)來說,課時(shí)相對有限,且學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)難以滿足傳統(tǒng)固體物理課程學(xué)習(xí)的需要。因此,要參照教學(xué)大綱及本校材料學(xué)科的科研方向精選教學(xué)內(nèi)容。長安大學(xué)材料學(xué)院主要以無機(jī)非金屬材料研究為主,根據(jù)這一實(shí)際情況,我們主要給學(xué)生講授以下四部分內(nèi)容:一是固體結(jié)構(gòu)及晶體形成,主要講授晶體形成的物理本質(zhì)。同時(shí),為了讓學(xué)生深刻理解X射線衍射分析技術(shù)的物理本質(zhì),詳細(xì)講述晶體結(jié)構(gòu)的衍射理論；二是晶格振動和固體的熱學(xué)性質(zhì),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(fèi)米氣體模型和能帶理論。通過能帶理論,讓學(xué)生深刻理解導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)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(diǎn)缺陷和線缺陷的相關(guān)理論?？傊?對于材料學(xué)科固體物理課程的教學(xué),既要重視基礎(chǔ)內(nèi)容,又要結(jié)合應(yīng)用熱點(diǎn)和科研前沿,達(dá)到優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的目的。

2.2 增加科學(xué)史

科學(xué)史經(jīng)常被作為普及科學(xué)知識的一個(gè)重要的手段。歷史故事提高理科學(xué)習(xí)的趣味性,起著把科學(xué)知識包上“糖衣”的作用。對某一學(xué)科、某一理論發(fā)展過程和歷史背景的追述,有助于學(xué)生更好地理解這門學(xué)科和這個(gè)理論。在固體物理學(xué)中,每一個(gè)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(gè)事實(shí),在講授理論之前,可以先把整個(gè)的歷史背景和發(fā)展過程講清楚。這樣做一是可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；二是可以讓學(xué)生更好的了解整個(gè)理論的意義及要解決的問題。固體能帶論是固體物理學(xué)中最重要的基礎(chǔ)理論,它的出現(xiàn)是量子力學(xué)量子統(tǒng)計(jì)理論在固體中應(yīng)用最直接最重要的結(jié)果。能帶論成功地解決了索末菲半經(jīng)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(xué)的大發(fā)展準(zhǔn)備了條件。在實(shí)際的教學(xué)過程中,我們發(fā)現(xiàn),通過對固體電導(dǎo)理論發(fā)展史的講授,學(xué)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(xué)習(xí)興趣。

2.3 突出物理思想及意義

固體物理學(xué)中的有些概念,往往來自于繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。如果一味的追求推導(dǎo)過程,不但讓學(xué)生無法了解概念的本質(zhì),而且讓學(xué)生陷入“云里霧里”的狀態(tài),產(chǎn)生厭學(xué)情緒。這時(shí)候,更多的是突出概念的物理思想及意義,重點(diǎn)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(xué)生學(xué)會用從最簡單的方式入手去解決相對復(fù)雜的問題。比如在講授緊束縛模型時(shí),盡量的簡化其推導(dǎo)過程,重點(diǎn)是要把緊束縛模型的物理思想講述清楚,讓學(xué)生深刻理解其背后的物理意義。

3 教學(xué)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(xué)目前已成為一種常見的教學(xué)方式。同傳統(tǒng)教學(xué)方式相比,多媒體演示教學(xué)方式具有形象生動、有聲有色、信息量大,便于保存等優(yōu)點(diǎn)[4]。在固體物理教學(xué)中采用多媒體演示教學(xué),可以變抽象為形象,創(chuàng)設(shè)逼真的學(xué)習(xí)情境,有利于學(xué)生對知識的理解和鞏固,有利于知識的滲透,擴(kuò)大課堂教學(xué)的容量。比如在講授晶體結(jié)構(gòu)時(shí),采用多媒體技術(shù)可將不同的晶體結(jié)構(gòu)直觀、形象生動地展現(xiàn)出來,使得學(xué)生對晶體結(jié)構(gòu)有一個(gè)直觀準(zhǔn)確的認(rèn)識,達(dá)到認(rèn)知的高效率和高質(zhì)量。

盡管多媒體作為先進(jìn)的教學(xué)手段,在固體物理的教學(xué)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(fèi)米氣體模型,以及類似理論性較強(qiáng),需要詳細(xì)數(shù)學(xué)推導(dǎo)的內(nèi)容,還需用傳統(tǒng)的板書形式。在邊進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)、邊講解的過程中,學(xué)生才能跟上思路,提高學(xué)習(xí)效率,也能增強(qiáng)教師和學(xué)生的互動。

3.2 采用教學(xué)互動模式

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

3.3 學(xué)生上講臺

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

3.4 適當(dāng)安排實(shí)驗(yàn)

固體物理是一門與實(shí)踐密切聯(lián)系的課程,在固體物理教學(xué)中,強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)際的聯(lián)系,這樣可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、自覺性和創(chuàng)造性,使學(xué)生感到所學(xué)知識的用處和價(jià)值,由此可培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用所學(xué)知識解決問題的實(shí)踐能力。在固體物理的教學(xué)中,為了讓學(xué)生更深刻地理解所學(xué)知識,同時(shí)培養(yǎng)其實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?應(yīng)該適當(dāng)安排固體物理實(shí)驗(yàn)。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(jié)構(gòu)部分。因此,可以安排X射線衍射分析實(shí)驗(yàn)。通過親自實(shí)驗(yàn),學(xué)生不但掌握了晶體的衍射理論知識,也可使學(xué)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(shí)驗(yàn),不但使學(xué)生加深了對理論知識的理解,同時(shí)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(yàn)學(xué)生知識掌握程度的一個(gè)基本途徑。目前常用的考核方式是學(xué)期末的理論考試。傳統(tǒng)的課程考試內(nèi)容采用從原有題庫抽題方式設(shè)置考試內(nèi)容,由于考試內(nèi)容對授課有絕對的指導(dǎo)性,所以這種方式有可能導(dǎo)致學(xué)生死記硬背,搞考前突擊,并寄希望于教師考前劃重點(diǎn),限制了學(xué)生學(xué)習(xí)的范圍,造成了學(xué)生知識面窄,學(xué)習(xí)興趣降低。對于材料學(xué)科的固體物理教學(xué),我們希望學(xué)生理解基本概念,掌握其物理本質(zhì),會運(yùn)用物理思想來解決材料制備和應(yīng)用方面的實(shí)際問題。如果采用傳統(tǒng)的考核方式,難以達(dá)到這樣的目標(biāo)。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(bào)告的方式。一是在期末考試中,考核對概念及相關(guān)理論的掌握程度。二是針對某個(gè)材料科學(xué)科研中的研究熱點(diǎn)問題,讓學(xué)生查閱相關(guān)資料,運(yùn)用固體物理中所學(xué)到的知識來撰寫一份研究報(bào)告。通過這兩種方式的考核,不但讓學(xué)生更好的掌握了所學(xué)知識,而且提高了學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力。

5 結(jié)語

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)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(xué)科的固體物理課程有自己的特點(diǎn),必須進(jìn)行相應(yīng)的改革。結(jié)合給材料學(xué)院學(xué)生講授固體物理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對原有的固體物理教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方法提出了一些改革意見。實(shí)踐證明,文中提出的教學(xué)改革方法能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與綜合素質(zhì)。需要說明的是,材料學(xué)科的固體物理教學(xué)改革是一個(gè)龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)工程,課程改革的進(jìn)行涉及到諸多方面,要使之真正跟上當(dāng)今材料科學(xué)技術(shù)日新月異發(fā)展的要求,培養(yǎng)出合格的高素質(zhì)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(xiàn)

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[3] 馮端,師昌緒,劉治國.材料科學(xué)導(dǎo)論[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[4] 陳志遠(yuǎn),熊鋼,易偉松.多媒體技術(shù)應(yīng)用于固體物理教學(xué)的探討[J],咸寧師專學(xué)報(bào),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(xué)改革與實(shí)踐初探[J],2012,1,134-135.