基于材料器件類科研平臺(tái)向本科生開放的固體物理教學(xué)改革試探*

楊尊先 郭太良 李福山 林志賢 葉 蕓

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 福建 福州 350116;福州大學(xué)平板顯示技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 福建 福州 350116)

1 前言

固體物理學(xué)是研究固體物質(zhì)的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)與構(gòu)成物質(zhì)各種粒子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及其相互關(guān)系的科學(xué)，是一門非常重要的、具有非常廣泛的潛在應(yīng)用前景的基礎(chǔ)理論科學(xué)，已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理、材料物理、電子科學(xué)與技術(shù)、光電工程和微電子等專業(yè)必備學(xué)科基礎(chǔ)課[1, 2].它為人們提供了一種按指定性能研制新材料的科學(xué)途徑，已成為新材料、新器件的“生長(zhǎng)點(diǎn)”，作為理論物理和應(yīng)用物理之間的橋梁學(xué)科，對(duì)現(xiàn)代諸多高新技術(shù)的發(fā)展都起著非常重要的作用[3, 4].但由于固體物理數(shù)學(xué)處理復(fù)雜、理論性強(qiáng)、抽象難理解和理論聯(lián)系實(shí)際困難，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，并且固體物理對(duì)空間想象能力要求高，這給固體物理教學(xué)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).

對(duì)于高校來(lái)說(shuō)，教學(xué)和科研作為最基本的兩項(xiàng)功能，使本科生培養(yǎng)成為大學(xué)教育的核心內(nèi)容，本科教學(xué)水平的高低影響著人才素質(zhì)的培養(yǎng).利用國(guó)家財(cái)政資金建立的各級(jí)實(shí)驗(yàn)室科研平臺(tái)承載著科技創(chuàng)新的重要使命，已成為高等教育的重要實(shí)踐基地，在科學(xué)研究、人才培養(yǎng)等方面起著重要作用[5].國(guó)內(nèi)各級(jí)平臺(tái)目前仍以科研項(xiàng)目服務(wù)為首要宗旨，對(duì)本科生開放程度和積極性及其開放效果仍不明顯.由于高校總體“重科研、輕教學(xué)”，高校教師工作重心在科研經(jīng)費(fèi)獲取及碩士、博士培養(yǎng)等方面，而在本科生培養(yǎng)方面，對(duì)本科生進(jìn)入科研平臺(tái)的興趣和積極性不高，認(rèn)識(shí)不到位.同時(shí)本科生課堂學(xué)習(xí)任務(wù)重，難有連續(xù)時(shí)間進(jìn)入科研平臺(tái)開展系統(tǒng)科研工作，讓本科生及科研平臺(tái)教師在科研工作時(shí)間和科研形式上難達(dá)成一致，進(jìn)而科研平臺(tái)不愿吸納本科生進(jìn)入科研平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室.因此，科研平臺(tái)針對(duì)本科生開放現(xiàn)狀嚴(yán)重制約了凝聚態(tài)物理、材料物理、電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)本科生在固體物理等實(shí)踐性強(qiáng)、抽象程度高的課程的教學(xué)效果.作為福州大學(xué)教學(xué)科研基礎(chǔ)平臺(tái)，福州大學(xué)平板顯示國(guó)家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室對(duì)向本科生開放的固體物理教學(xué)改革進(jìn)行了諸多方面的探索、實(shí)踐和嘗試，取得了一些經(jīng)驗(yàn)和效果.

2 科研平臺(tái)向本科生開放在固體物理教學(xué)中存在的問(wèn)題或矛盾

近年來(lái)，隨著中央和地方對(duì)高校經(jīng)費(fèi)投入加大，學(xué)科建設(shè)和科研平臺(tái)經(jīng)費(fèi)劇增，人才培養(yǎng)資源優(yōu)勢(shì)凸顯.合理利用各級(jí)科研平臺(tái)的資源優(yōu)勢(shì)，服務(wù)于本科教學(xué)，促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)，現(xiàn)已成為高校面臨的首要問(wèn)題.盡管國(guó)內(nèi)很多高校通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)生競(jìng)賽、SRTP參與科研等活動(dòng)促進(jìn)了平臺(tái)向本科生開放，并取得了一些成效，但科研平臺(tái)向本科生開放現(xiàn)狀與專業(yè)性、實(shí)踐性較強(qiáng)的固體物理教學(xué)實(shí)踐需求間仍存在諸多問(wèn)題或矛盾.一方面,目前中國(guó)高?？傮w“重科研、輕教學(xué)”，高校教師工作重心放在科研申請(qǐng)書撰寫、項(xiàng)目申報(bào)、科研經(jīng)費(fèi)獲取及碩士、博士生培養(yǎng)等方面，而人才培養(yǎng)和教學(xué)因評(píng)價(jià)體系不健全、見(jiàn)效慢，因而重視不夠，因此，“重科研、輕教學(xué)”考核機(jī)制與高校人才培養(yǎng)首要任務(wù)間的矛盾成為平臺(tái)向本科生開放在固體物理教學(xué)實(shí)踐中的一大障礙.另一方面，由于本科生課堂學(xué)習(xí)任務(wù)重、學(xué)時(shí)比例高而實(shí)踐學(xué)時(shí)少，難抽出成片時(shí)間進(jìn)入平臺(tái)，造成平臺(tái)吸納本科生效率不高，平臺(tái)向本科生開放有限，制約了抽象、實(shí)踐性強(qiáng)的固體物理教學(xué)效果的提升.因此，基于科研平臺(tái)向本科生開放的固體物理教學(xué)改革勢(shì)在必行.

3 固體物理教學(xué)內(nèi)容整合優(yōu)化和調(diào)整以及實(shí)行“科研平臺(tái)為主”新教學(xué)方式

3.1 固體物理教學(xué)內(nèi)容整合優(yōu)化和調(diào)整

對(duì)于電子類專業(yè)本科生來(lái)說(shuō)，固體物理學(xué)時(shí)有限，一般為54～64學(xué)時(shí)，要在有限學(xué)時(shí)內(nèi)將固體物理內(nèi)容講授給學(xué)生，必須對(duì)固體物理教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合、優(yōu)化和調(diào)整[1].

(1)晶體結(jié)構(gòu)、晶體振動(dòng)和晶體熱學(xué)性質(zhì)，課堂上重點(diǎn)講述晶格、對(duì)稱性、晶格結(jié)構(gòu)、愛(ài)因斯坦模型、德拜模型以及一維單原子鏈和一維雙原子鏈，其他內(nèi)容通過(guò)在科研平臺(tái)參與晶體材料合成與制備中學(xué)習(xí)和進(jìn)一步了解，通過(guò)課堂講解與平臺(tái)實(shí)踐相結(jié)合的方式彌補(bǔ)教學(xué)學(xué)時(shí)不足，同時(shí)，這可讓學(xué)生學(xué)以致用，進(jìn)一步了解晶體結(jié)構(gòu)和晶體熱學(xué)性質(zhì)等方面的精髓和實(shí)質(zhì).

(2)自由電子模型、能帶理論以及電子輸運(yùn)現(xiàn)象和缺陷等內(nèi)容主要講述自由電子近似、緊束縛近似、布洛赫定理、能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算、玻爾茲曼方程、電導(dǎo)和熱導(dǎo)產(chǎn)生機(jī)制、缺陷產(chǎn)生機(jī)制等內(nèi)容，其他內(nèi)容通過(guò)參與第一性原理計(jì)算及其光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)測(cè)試等實(shí)踐獲取，進(jìn)一步洞悉和理解固體物理知識(shí)在實(shí)際應(yīng)用中的作用.通過(guò)對(duì)固體物理教學(xué)內(nèi)容整合、優(yōu)化和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與科研平臺(tái)實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，這樣既節(jié)約了總課時(shí)，也顯著提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率.

3.2 實(shí)行“科研平臺(tái)為主”新教學(xué)方式

發(fā)揮科研平臺(tái)教師能動(dòng)性，實(shí)行“科研平臺(tái)為主”的固體物理教學(xué)新方式，實(shí)現(xiàn)本科生進(jìn)入科研平臺(tái)從“點(diǎn)”到“面”的飛躍.

本科生進(jìn)入科研平臺(tái)實(shí)施“科研平臺(tái)為主”的固體物理教學(xué)新方式，由于現(xiàn)有高校教師與科研平臺(tái)考核機(jī)制與本科生創(chuàng)新人才培養(yǎng)不兼容，且本科生課堂學(xué)時(shí)偏高與實(shí)踐課時(shí)偏少以及高校對(duì)本科生成績(jī)單一評(píng)價(jià)機(jī)制，造成平臺(tái)實(shí)施“科研平臺(tái)為主”的固體物理教學(xué)新方式積極性不高，開放程度不高，本科生對(duì)平臺(tái)不了解,進(jìn)入平臺(tái)興趣不高.本科生進(jìn)入平臺(tái)的固體物理教學(xué)主要限于個(gè)體興趣“點(diǎn)”，并未形成體制性“面”.因此,充分利用平臺(tái)在科研人員、儀器設(shè)備、創(chuàng)新性項(xiàng)目等優(yōu)勢(shì)，開展開放性課程和綜合實(shí)驗(yàn)課,建立本科生導(dǎo)師制，加速本科生融入科研領(lǐng)域，接觸相關(guān)前沿，實(shí)現(xiàn) “科研平臺(tái)為主”的固體物理教學(xué)新方式.

首先，加大固體物理一線科研教師實(shí)踐課學(xué)時(shí)比例，針對(duì)科研前沿，拓展針對(duì)固體物理教學(xué)的研究型和實(shí)踐型課程.目前光電專業(yè)發(fā)展方向之一是新型顯示器件與系統(tǒng)研究和開發(fā)，依托平板顯示國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室在新型顯示器件如QLED及TFT等方面的優(yōu)勢(shì)，鼓勵(lì)科研人員開設(shè)固體物理實(shí)踐前沿課程，從理論知識(shí)和綜合實(shí)踐等多方面提高光電專業(yè)本科生固體物理基礎(chǔ)知識(shí)水平和應(yīng)用實(shí)踐能力，將其理論實(shí)踐、工程經(jīng)驗(yàn)、科技前沿等綜合納入固體物理課程成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn).此外，為了突出教師團(tuán)隊(duì)教學(xué)水平和能力，可形成一人主講，多人參與的教學(xué)方式，在其主講內(nèi)容之外，邀請(qǐng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的科研人員進(jìn)行授課，介紹各自研究特色、最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)及其對(duì)應(yīng)的固體物理理論知識(shí)等，實(shí)現(xiàn)固體物理理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用同等重視.

其次，結(jié)合專業(yè)特色，開設(shè)固體物理主題項(xiàng)目實(shí)踐課，拓展固體物理項(xiàng)目教學(xué).可由平臺(tái)中承擔(dān)了國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科研人員根據(jù)項(xiàng)目提出與固體物理課程相關(guān)科研需求，開設(shè)成為固體物理課程項(xiàng)目，拓展固體物理項(xiàng)目式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)本科生固體物理教學(xué)與平臺(tái)所承擔(dān)項(xiàng)目的有機(jī)結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)本科生與科研平臺(tái)無(wú)縫銜接和有機(jī)融合.該類課程由主講教師根據(jù)科研項(xiàng)目?jī)?nèi)容和固體物理教學(xué)要求分解成主題項(xiàng)目，本科生自由組隊(duì)，針對(duì)主題項(xiàng)目提出方案、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析解決問(wèn)題.項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用“部分授課+實(shí)驗(yàn)實(shí)踐+分組討論”等靈活教學(xué)模式并定期進(jìn)行進(jìn)展匯報(bào)交流，不斷完善方案，最終形成整體方案和進(jìn)行答辯.同時(shí)，所設(shè)計(jì)項(xiàng)目均可申報(bào)發(fā)明專利或?qū)嵱眯滦蛯＠?通過(guò)這種固體物理項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)模式，可有效且充分發(fā)揮學(xué)生能動(dòng)性及其運(yùn)用固體物理理論知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力.

4 基于固體物理實(shí)踐教學(xué)要求 完善面向本科生的科研平臺(tái)運(yùn)行機(jī)制和體制

基于“科研平臺(tái)為主”的固體物理教學(xué)新方式，加大固體物理教學(xué)中一線科研人員和教師實(shí)踐性課程和研究性課程學(xué)時(shí)比例，拓展固體物理項(xiàng)目式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)本科生進(jìn)入科研平臺(tái)從“點(diǎn)”到“面”的飛躍，需要進(jìn)一步完善面向本科生科研平臺(tái)運(yùn)行機(jī)制和體制，搭建固體物理實(shí)踐教學(xué)自主科研平臺(tái)，建立學(xué)生科研平臺(tái)運(yùn)行機(jī)制，支持學(xué)生開展固體物理理論和應(yīng)用科技立項(xiàng)、參與科研項(xiàng)目、參加各類科技競(jìng)賽等科技創(chuàng)新活動(dòng).

首先，建立本科生導(dǎo)師制.光電專業(yè)本科生在進(jìn)入福大后即通過(guò)選拔考核與雙向選擇，安排在大一第二學(xué)期進(jìn)行專業(yè)分流，確定本科生導(dǎo)師.通過(guò)多種渠道展示平板顯示國(guó)家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研究方向，包括圖片宣傳、實(shí)驗(yàn)室參觀、方向負(fù)責(zé)人介紹及與研究生、高年級(jí)本科生進(jìn)行交流等.本科生導(dǎo)師同時(shí)也是固體物理實(shí)踐課程及其畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師，在一體化培養(yǎng)模式下，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)本科生興趣和特長(zhǎng)，并協(xié)助進(jìn)行發(fā)展方向與目標(biāo)制定等，這種本科生導(dǎo)師制培養(yǎng)模式對(duì)于固體物理實(shí)踐性教學(xué)模式改革具有非常重要的指導(dǎo)作用.

其次，建立固體物理實(shí)踐課程科研創(chuàng)新實(shí)踐基地.本科生正處于創(chuàng)新的旺盛期，隨著固體物理基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)的不斷學(xué)習(xí)，使得他們?cè)诮徊鎸W(xué)科、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐等方面具備優(yōu)勢(shì).通過(guò)與企業(yè)建立本科生固體物理實(shí)踐課程科研創(chuàng)新實(shí)踐基地，讓本科生自主選擇科研創(chuàng)新實(shí)踐基地實(shí)習(xí)，了解企業(yè)文化，既為自己將來(lái)進(jìn)入企業(yè)并快速融入企業(yè)提前做好準(zhǔn)備，又將自己所學(xué)的固體物理理論知識(shí)、專業(yè)知識(shí)與企業(yè)實(shí)際應(yīng)用銜接和融合，做到學(xué)以致用.同時(shí)，規(guī)定其每年面向本科生開放儀器設(shè)備機(jī)時(shí)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的指導(dǎo)時(shí)間，并對(duì)實(shí)踐基地予以考核和補(bǔ)貼.

再次，完善本科生科研團(tuán)隊(duì)制.在本科生導(dǎo)師制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步鼓勵(lì)學(xué)有余力的優(yōu)秀本科生建立科研團(tuán)隊(duì)，由具有固體物理理論和實(shí)踐應(yīng)用不同特長(zhǎng)的本科生組成針對(duì)某個(gè)目標(biāo)的科研團(tuán)隊(duì)，針對(duì)目前社會(huì)和生產(chǎn)所需進(jìn)行自主創(chuàng)新.學(xué)院根據(jù)科研團(tuán)隊(duì)需要，安排科研團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)教師.該類科研團(tuán)隊(duì)主要目標(biāo)是進(jìn)行各類專業(yè)前沿知識(shí)的學(xué)習(xí)和運(yùn)用，參與校級(jí)、省級(jí)乃至國(guó)家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，以競(jìng)賽促進(jìn)本科生固體物理知識(shí)自主學(xué)習(xí)和動(dòng)手能力的培養(yǎng)，進(jìn)一步提升本科生學(xué)以致用的創(chuàng)新能力.

最后，設(shè)立科研平臺(tái)本科生科研專項(xiàng)基金.依托科研平臺(tái)設(shè)立本科生科研專項(xiàng)基金，安排專人負(fù)責(zé)經(jīng)費(fèi)管理，資助學(xué)生科技立項(xiàng).學(xué)生的科技立項(xiàng)也需要以團(tuán)隊(duì)建制進(jìn)行，通過(guò)項(xiàng)目申請(qǐng)、項(xiàng)目答辯和專家評(píng)審后確定資助名單，本科生科研專項(xiàng)基金主要用于外協(xié)加工、材料購(gòu)買等.項(xiàng)目完成后組織專家對(duì)項(xiàng)目開展情況、項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)使用情況進(jìn)行評(píng)審.此外，對(duì)科研團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)教師和獲得省部級(jí)以上獎(jiǎng)項(xiàng)的參賽小組或競(jìng)賽隊(duì)伍給予相應(yīng)的補(bǔ)貼和獎(jiǎng)勵(lì).

5 基于固體物理實(shí)踐教學(xué)要求 完善面向本科生的科研平臺(tái)管理

基于固體物理實(shí)踐教學(xué)要求，完善面向本科生的科研平臺(tái)管理辦法，激勵(lì)和保障平臺(tái)共享機(jī)制的順利進(jìn)行.

首先，完善安全教育及其預(yù)約制度.科研平臺(tái)除少數(shù)特殊部門外，全面開放.在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前，需由科研平臺(tái)技術(shù)人員對(duì)本科生進(jìn)行安全教育與考核，掌握必要的安全操作，防止人身傷害等技能.針對(duì)本科生需要實(shí)行平臺(tái)預(yù)約制.要求本科生提前預(yù)約，填寫實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，擬定實(shí)驗(yàn)方案，預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，由實(shí)驗(yàn)室管理人員安排時(shí)間和專人負(fù)責(zé)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方案等提出修改意見(jiàn).

其次，加強(qiáng)對(duì)本科生研究?jī)?nèi)容、方案及其儀器設(shè)備操作等方面的管理.加強(qiáng)本科生導(dǎo)師或科研團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)教師的管理，主要是從科研方向、總體方案制定和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等方面，在科研能力的縱向培養(yǎng)方面進(jìn)行管理.此外，對(duì)本科生實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手實(shí)踐進(jìn)行橫向管理，也包括團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、實(shí)驗(yàn)進(jìn)程安排、儀器操作、安全管理等方面的管理.

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的固體物理課程教學(xué)實(shí)踐，我們針對(duì)固體物理課程教學(xué)實(shí)踐中存在的主要問(wèn)題和矛盾，從固體物理教學(xué)內(nèi)容整合、優(yōu)化和調(diào)整，“科研平臺(tái)為主”新教學(xué)模式，完善面向本科生的科研平臺(tái)運(yùn)行機(jī)制和體制以及本科生的科研平臺(tái)管理辦法制定等方面進(jìn)行了探索性改革，并取得了一些成績(jī).通過(guò)優(yōu)化和整合教學(xué)內(nèi)容并創(chuàng)新性地開啟“科研平臺(tái)為主”的新教學(xué)模式，加大固體物理教學(xué)中一線科研人員與教師實(shí)踐性課程和研究性課程學(xué)時(shí)比例，開設(shè)針對(duì)固體物理課程主題項(xiàng)目實(shí)踐課程等新型教學(xué)模式，并通過(guò)借助“建立本科生導(dǎo)師制”“建立本科生固體物理實(shí)踐課程相關(guān)的科研創(chuàng)新實(shí)踐基地”“完善本科生科研團(tuán)隊(duì)制”和“設(shè)立科研平臺(tái)本科生科研專項(xiàng)基金”等系列手段，以及實(shí)踐教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了固體物理教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果顯著提高.但對(duì)于科研平臺(tái)針對(duì)本科生開放,實(shí)現(xiàn)固體物理教學(xué)改革本身是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，涉及到諸多方面，例如，課程計(jì)劃和課程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)制定、固體物理實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)體系建立和運(yùn)行機(jī)制確立等本身就是一個(gè)系統(tǒng)工程.因此，要培養(yǎng)出合格的高素質(zhì)創(chuàng)新人才，仍需要廣大教學(xué)工作者做更多開創(chuàng)性的工作.