《固体物理》课程前沿驱动式教学改革研究

张建华+王玉梅+艾桃桃+袁新强

摘 要：材料类研究生《固体物理》固体物理课程面临内容过难、学生缺乏前置课程学习等现实困难，课题住对课程内容进行了大幅度的调整，突出物理概念，弱化公式推导，以前沿专题为抓手，大力推进优秀材料软件，如Materials Studio等在教学中的使用，取得了良好的教学效果。

关键词：固体物理 前沿 教学方法 教学改革

固体物理学与当今最活跃的新材料科学紧密相连，是材料类研究生的一门重要基础理论与应用的课程。我校材料类研究生多年教学实践发现，现有教材内容缺乏前沿知识，学生基础相对薄弱，这两个问题尤为突出，严重影响了教学效果，探索出一条适合校情的教学之路势在必行。[1]

一、固体物理课程教学的现实困境和问题

1.教材内容缺乏前沿知识

我们选用的主要教材为黄昆先生在上世纪80年代编著的教材，而这本教材至今仍没有更新过。教材内容缺乏前沿知识，且内容过难，学生的学习兴趣严重缺乏，教学效果非常差，学生基本听不懂。[2]

2.课程内容繁杂，不适用于本专业硕士研究生的培养

固体物理学是主要研究固体的结构，是材料学科的基础，同时也在当代高新技术的发展中起着关键的作用。主要研究固体力学、晶体、非晶体、薄膜和固体结构分析技术等，并发展、建立的一些分支学科，如半导体物理、磁学等等，它们对现代技术的发展，以及一系列重大技术领域和产业部门的建立起了决定性的作用，并将继续产生重大的影响。同时人们正在开展对一些新型晶体材料（都具有重要應用背景）从制备、结构、性质到开拓应用的系统研究工作。[3]

这些内容都很重要，但庞大的内容导致教材内容艰深，国内外经典著作就有几十本，但大多数著作是针对物理专业编写的，这些书非常系统，几乎囊括了固体物理的绝大多数内容，从晶体到团簇，从晶格振动到电子结构，从无限晶体到限域晶体等等。但对于材料专业来说，课时非常有限，相对的数学和物理知识欠缺，要在有限的时间内将固体物理实用而且精髓掌握，非常的困难。多数课本中能带理论等章节含有大量涉及量子力学的理论推导，还有多数教材从理论出发推导出倒格矢的概念等[2]，对于工科学生来说，非常难于掌握。

3.本专业研究生知识结构的欠缺，导致教学过程艰辛无比，但效果奇差

我们对本校材料学院在校研究生做了调查，3个年级，共14人，收回有效调查结果10份。这10人中，只有一人学习过数学物理方程和统计物理课程，而量子力学、原子物理、电动力学等重要课程都没有学过。线性代数由于是考研必考内容，都学过，但对于其中的重要概念和原理，掌握程度都比较低，只会做题，并不理解其背后的物理意义及其在固体物理中的应用。

这些前置课程的缺失，严重影响了《固体物理》课程的学习，在具体教学中，花费大量的时间，补充基本知识和概念，而学生的理解非常晦涩，无论从概念还是模型方面，都难以达到本课程的要求。

二、教学内容的精简与调整

固体物理学衍生出了半导体物理、化学物理、表面物理、材料科学等众多子学科和交叉学科，推动了像半导体、激光、超导、纳米材料等现代技术的发展，是奠定第三次科技革命的基础学科之一，产生了众多诺贝尔物理学奖、化学奖成果。由于其重要性，目前在绝大部分高校中，除了将固体物理课程列为物理学专业的必修课程外，还将其作为材料专业、微电子专业和电子科学与技术等专业的必修课程，并且将其作为其他工科专业重要的自然科学选修课程。

而我校材料专业的硕士研究生，其本科专业较泛，学习固体物理需要的数学和物理知识都缺乏，课程宏大的目标与学生基础的薄弱形成了尖锐的矛盾。这就要求我们从实际出发，抓住主要矛盾，大力精简课程内容，保留最活跃的思想精华，面对前沿，既让学生形成正确清晰的物理模型，又保持对前沿的强烈兴趣，为后续研究培养强大的动力。[4]

传统的固体物理课程原本只对物理学专业开设，要学好学透该课程，需要深厚的数学基础、需要大量的物理学知识基础，比如电动力学、数理方法、量子力学等课程基础。因此，对非物理专业的学生来说，大量的艰涩的专业术语，繁杂的物理公式、繁琐的数学演算以及抽象的空间变换都是巨大的挑战，这也造就了任课教师普遍反映难教、学生公认难学和畏学。如何克服这门课程的弱势地位，让非物理学专业学生学习更有效果，教学内容的讲解深度和侧重点的把握、教学方法的改进和先进教学手段的引入则显得尤为重要。

我校材料学科硕士研究生培养以材料加工工程研究为主，本专业学生绝大多数不具备充足的量子力学、电动力学等课程的基础知识，在遇到一些概念、公式、推导等详细讲解问题时，应适当的对必须的前置课程进行简单介绍，如量子力学、统计物理、电动力学、数理物理方程、线性代数等课程，以利于教学效果的提供，并降低大部分学生的畏学情绪。在教学中注重增加定性和半定量教学内容的授课比重，使学生重点掌握物理概念、物理模型和物理原理，重在掌握物理学的分析方法，减少复杂烦琐的数学推导。针对学生物理基础薄弱的特点，在基础知识点的理论推导过程中，尽量避免使用较深的理论物理知识。[5]

结合实际情况，我们主要给学生讲授以下三部分内容：①晶体中的结合力，主要讲晶体结合力的物理本质，并由此引出不同的结合力将导致形成不同类型的晶体；②晶格振动和晶体的热学性质，这里从晶体的比热问题为主线，讲述爱因斯坦模型、德拜模型、以及一维单原子链和一维双原子链，同时讲授金属的热学方法在实验中的具体应用；③自由电子模型和能带理论，这里主要讲述近自由电子近似，布鲁赫波，以及固体的能带，讲清楚正是由于能带的差异，材料才被划分为半导体、金属和绝缘体，同时引入金属的导电性能。

三、前沿专题渗透与研究式学习

1.简化内容，渗透前沿

“固体物理学”与当今最活跃的凝聚态物理和新材料科学紧密相连，因此，有选择地将这些领域的最新重要进展和应用成果引入课堂，将有助于提高学生对该门课程学习的积极性和明确努力方向[1]。在教学中，我们结合课程内容，适时引入超晶格材料、石墨烯、氮化硼、高温超导体、光子晶体、量子计算机等现代技术和物理前沿问题，扩展学生视野，提高学习兴趣。endprint

我们选择石墨烯作为重点内容，基本贯穿整个课程，（1）它与固体物理众多基础知识点联系紧密，使学生在学习中更加具体化；（2）在教学过程中结合一个研究问题，在学习过程中层层推进，既深刻理解了固体物理的基本知识点.又同时逐步了解了前科学科的研究内容、方法；（3）激发学生的学习热情和兴趣，让学生感知学科发展的动力。认识科学的研究来源于基础知识的积累、学习。[

]同时，结合我校和本地石墨烯矿储量资源优势，重点突出了我校和地方共建的石墨烯研究所，并请相关老师做专题讲座，这样，同学们又很强的亲切感，在学习中，充分调动积极性，形成研究小组，教学效果良好。

2.利用先进计算软件，增强互动与学生课外探索

固体物理这门课程中的许多概念和理论都建立在繁杂的数学推导之上，缺乏充足物理背景知识的同学很难理解和学习。我们充分利用Materials Studio，Hyperchem等软件，形象生动直观地解释物理概念和理论，帮助学生更好地理解所学知识，提高认知效率。如Materials Studio软件能够进行不同晶体结构的模型构建，能带及态密度的计算及图形化，介电常数的计算，红外、拉曼光谱计算，费米面计算及可视化等等，不仅功能强大，而且操作简单、界面友好，因此，适宜于日常教学实践。根据学生的不同知识背景，分别研究一些常见晶体材料的晶体结构，分析晶体的光谱特性和介电性能，模拟常见的直接带隙和间接带隙的半导体，并通过掺杂、加压等手段调控其能带结构，使学生更直观地了解晶体结构与性能之间的关系。例如，在学习晶格对称性这部分内容时，学生可用Materials Studio的Visualizer模块搭建出七大晶系的14种布拉伐格子，在搭建过程中理解每一种布拉伐格子单位基矢的特征和所属点群；学生很难掌握不同晶体表面的结构这部分内容，可结合Visualizer模块的layer builder功能，引导学生对晶体进行切面，观察切面得到不同表面的几何结构，这样能进一步加深学生对这些内容的理解。

结语

通过以上教学改革方案的实施，已经取得了一些良好的效果。学生听课的积极性不断提高，畏难情绪基本消失，保证了本课程学习任务的顺利完成，同时，也为后续课程的研究，打下良好的基础。

参考文献

[1]高英俊， 结合学科前沿教好固体物理学. 广西师范大学学报（自然科学版）， 2000（S2）： 第87页.

[2]夏爱林， 固体物理课程教学改革研究与实践. 安徽工业大学学报（社会科学版）， 2012（04）： 第93-94页.

[3]黄昆.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1988

[4]物理學学科发展战略研究组， 21世纪物理学发展展望. 世界科技研究与发展， 2000（06）： 第7-11页.

[5]杨翠红，程国生， 浅谈用一个学科前沿课题贯穿《固体物体》教学. 课程教育研究， 2012（21）： 第181页.endprint