固体物理学教学的

摘 要：固体物理学既是当今物理学领域中最重要的学科之一,也是许多新学科的基础.该文从教学目标、教学内容和教学手段等几个方面进行了探索和实践,总结出了“抓主线,选内容,重前沿,讲方法”的改革措施,期望对人才培养和学科建设起到一定的推动作用.

关 键 词 ：固体物理学 教学改革 教学实践

中图分类号：G462 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（b）-0143-02

固体物理学是研究固体的结构及其组成粒子之间相互作用与运动规律以及阐明其性能与用途的学科[1].从学科结构和内容上看,该课程内容基于普通物理学、高等数学、线性代数、量子力学、热力学统计物理等课程,主要讲述晶体结构、晶体结合、晶格振动和能带理论等方面知识.它既是当今物理学领域中最重要的学科之一,也是许多新学科的基础.由该学科发展起来的基本概念、基本理论和实验技术,已向其他相邻学科领域渗透,并促进其他学科的发展[2].如：金属物理、半导体物理、磁学、低温物理、电介质物理、表面物理、非晶态物理、材料科学等.几十年来,以固体物理的理论为基础,在半导体、磁学、激光、超导、纳米材料等现代技术研究方面取得了重要突破.随着科学技术的发展,固体物理课程的教学在新的历史条件下已面临前所未有的挑战,碰到了许多难以回避的新问题、新情况.传统的固体物理教学内容对固体物理前沿的新成果、新概念介绍得不够,且传统的教学方法单一,不利于学生解决问题的能力及创新能力的培养.为了适应精英教育、构建研究型大学人才培养的需要,固体物理学的教学改革十分必要.因此,笔者结合自己在学习和讲授固体物理学过程中的感想,针对教学目标、教学内容和教学方法等方面作出如下探索.

1.培养学生自主学习的能力

随着科学技术的迅速发展,学生既要学习原有的经典知识,又要接受更多的课程和社会信息,如何在有限的时间内实现这两者的有效结合,是当今各个阶段的教育都面临的一个重要问题.面对知识更新速度的加快,我们的教育目标也应该有所调整,即努力实现由“授之以鱼”向“授之以渔”的转变[3].尤其是对于大学生,他们已经接受了十多年传统的学校教育,有了较多的知识积累,大学阶段的教育一方面是教给他们以知识,更重要的是培养他们自主学习的能力,使他们掌握研究性学习的方法,以便走向社会后具备自我学习、获取新知识和开展新工作的能力.明确了这样的培养目标之后,在教学过程中,就应该有针对性的创造各种条件,让学生自主参与到学习过程中来.例如,在讲授布洛赫波的时候,先向学生强调晶体中电子波函数是按晶格周期调幅的平面波,接着启发学生考虑自由电子波函数的形式（量子力学已经讲述过）,经过引导,学生回想起自由电子的波函数是平面波的形式,之后再分析晶体中电子是受到晶格势场的周期性调制,所以需在平面波的波函数前面加上一个调幅因子,最终形成了布洛赫波函数.经过这样一个过程,学生可以自主的回顾以前所学的知识,并将其和新内容相联系,有助于新旧知识的融合和贯通.与此同时,也可以激发学生学习的积极性,培养他们学习和运用知识的能力.

2.教学内容的精选

固体物理内容十分丰富,体系庞大,各部分有各自的特点.其中复杂抽象的概念体系、晶体结构的描述、严密的理论推导等要求任课教师具有较好的数学和物理学修养,要熟悉固体物理学发展历史和前沿研究的新动态、新概念,且能够对物理图像进行透彻的讲解；要求学生具有扎实的微积分、线性代数、群论等数学知识和量子力学、原子物理学、理论力学和统计物理学等物理知识.同时,固体物理学知识比较零散、概念多、模型多、原理和定律多,这对教师和学生都是一种挑战.面对如此庞大的知识体系和丰富的内容,在讲授过程中如何组织授课思路和精选教学内容,是教师要解决的一个问题.首先,理清固体物理的主线是非常重要的,即明确固体物理是研究固体的结构及其组成粒子之间相互作用与运动规律及阐明其性能与用途的学科,是从微观的角度来揭示固体的宏观物理现象.在此基础上,认真分析教材,同时参考其他经典教材,精选教学内容,重在物理概念和模型,至于公式的推导和方程的求解等环节可适当简化,留给学生课后自行解决.按照这样的思路进行下来,即使在有限的课时内,学生对物理概念、物理图像的认识也会比较清晰,有利于对基础知识的掌握.

3.重视章节之间的内在联系

固体物理学虽然涉及内容较多,但是认真分析后,不难发现各章节之间衔接紧密.以胡安的《固体物理学》为例,本科阶段的教学内容主要是前四章：第一章主要讲晶体的周期性结构,那么这些结构形成的内在机理是什么,就要考虑粒子间的相互作用,这样就引出了第二章关于晶体结合的问题；同时,由晶体的结合类型和结合能,表明在不同的条件下,原子间会出现某种形式的引力和电子云的斥力,这些相反的作用力决定着平衡时原子间距,再考虑到绝热近似,实际晶格则在平衡位置附近振动,由此可引出第三章关于晶格动力学和晶体热学性质的内容；晶格动力学主要是针对原子的水平上的内容,而晶体中还包括电子,那么电子的状态是怎样的呢?这就引出了第四章能带论.由此可见,在教学中,抓住知识体系的主线,突出概念和模型,便于学生识记、理解、掌握知识体系.

4.注入学科前沿知识

固体物理学是一门发展十分迅速的基础科学,与当今最活跃的凝聚态物理和新材料科学紧密相连,也在其他多个学科领域得以应用,因此面对不断涌现的新的现象和新的科研成果,固体物理学的前沿动态在教学中应该有所反映[4],这将有助于提高学生对该课程学习的积极性和明确努力方向,同时也使课堂教学增添活力.例如,在讲授晶体的共价键结合时,笔者就联系自己的科研实际,介绍了碳纳米管和石墨中碳原子的成键形式的差异,说明了二者在物理性质上的区别和联系,以此为基础,进一步介绍了低维碳纳米材料近年来的研究进展.再如讲授能带理论的时候,笔者向学生介绍了石墨烯的能带特征,说明了在低能极限下,石墨烯呈现出线性的能量色散关系,使得传导电子可以看作是无质量的Dirac费米子,这种类似于光子的特性,使其可用于相对论量子力学的研究,同时表明其独特的载流子特性和优异的电学特性,这些都是近几年凝聚态物理的研究热点.所以,把科学前沿知识引入课堂,不仅可以让学生强烈地感受到科学发展的脉搏和动力,极大的拓展了学生的视野,还可以激发起学生运用基础学科理论实现科技创新的勇气和.这与“着重于启迪学生思维,发展学生智能,开发学生的创造性,努力拓宽学生的知识面,为探索未知世界铺路架桥”的世界一流大学培养人才模式是相呼应的.

5.教学手段的优化组合

固体物理课程中包括大量的立体图像和复杂的空间结构,还涉及晶格振动的动态过程,对学生的空间想象能力要求较高.传统的“粉笔+黑板”的课堂教学手段就有一定的弊端, 因此可以将现代化的教学手段融入进来[5].例如,使用多媒体课件演示晶体结构、倒格子、能带、晶格振动等模型,再结合自制教具,实现图片、动画和实体模型相结合,使学生建立形象的空间模型概念,更直观的理解教学内容.所以,多媒体教学技术以其趣味性、形象性,可以增强教学的感染力,为固体物理教学注入了新的活力,从根本上改变了固体物理传统的教与学的方式,有助于激发学生学习的兴趣,培养学生的思维能力和创造力.但是,多媒体课件不完全适合固体物理学教学,应根据具体内容和教学反馈进行取舍.例如,在讲授倒点阵、布洛赫定理、声子态密度等理论性较强的内容时,要配合节奏相对缓慢的板书,使学生理解知识要点,学会推理,从而有效的学习.

6.结语

上述教学改革方案是笔者在自己学习和讲授固体物理学的过程中总结出来的,可以概括为“抓主线,选内容,重前沿,讲方法”,目前在教学活动中也一直在实践,获得了较好的教学效果.但是,固体物理教学改革是一个庞大而又复杂的系统工程,课程改革的进行涉及到诸多方面,需要广大教育工作者不断研究和探索,进行多次“实践―反思―总结”,方可真正跟上当今科学技术日新月异发展的要求,培养出新世纪合格的高素质和创新型人才.