少學(xué)時(shí)固體物理課程教學(xué)改革分析

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摘要:面對(duì)目前高校普遍減少固體物理課程學(xué)時(shí)，提高少學(xué)時(shí)固體物理課程的教學(xué)質(zhì)量是固體物理課程教學(xué)改革需要解決的重要問(wèn)題。以學(xué)生為中心，從課程教學(xué)的理念、內(nèi)容、方法、手段和考核等方面對(duì)少學(xué)時(shí)固體物理課程教學(xué)改革進(jìn)行研究，以提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞:固體物理；少學(xué)時(shí)；教學(xué)改革

固體物理是物理學(xué)專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課程，也是電子、光電、材料等理工科專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課之一[1]。由于目前高校采用學(xué)分制、選課制，普遍減少專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)時(shí)，固體物理課程學(xué)時(shí)也因此減少了。比如，物理類(lèi)固體物理學(xué)時(shí)已減到48學(xué)時(shí)，有些工科專(zhuān)業(yè)固體物理學(xué)時(shí)甚至壓縮到32學(xué)時(shí)。固體物理課程內(nèi)容多、理論性強(qiáng)[2]，造成在少學(xué)時(shí)條件下教師完成教學(xué)任務(wù)的壓力大、學(xué)生學(xué)習(xí)的難度大。固體物理課程的教學(xué)理念陳舊、教學(xué)內(nèi)容經(jīng)典但沒(méi)有及時(shí)更新、教學(xué)方式傳統(tǒng)單一、學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性[3,4]，不利于學(xué)生解決問(wèn)題的能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此在少學(xué)時(shí)情況下高質(zhì)量完成固體物理教學(xué)任務(wù),是當(dāng)前固體物理課程教學(xué)改革迫切需要解決的重要問(wèn)題。本文將從課程教學(xué)的理念、內(nèi)容、方法、手段和考核等方面，以學(xué)生為中心，探討在少學(xué)時(shí)條件下進(jìn)行以提高教學(xué)質(zhì)量為導(dǎo)向的固體物理課程教學(xué)改革。

1革新教學(xué)理念

改革傳統(tǒng)固體物理的教學(xué)模式，首先是教育理念要結(jié)合課程的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行革新。在固體物理教學(xué)中，教育理念要從傳統(tǒng)的“教師中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)生中心，教師主導(dǎo)”，確立學(xué)生發(fā)展作為課程教學(xué)的最終目標(biāo)，在少學(xué)時(shí)下優(yōu)化和創(chuàng)新課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和評(píng)價(jià)考核，增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的學(xué)術(shù)性、研究性，以靈活多元化的教學(xué)方法、手段引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，使學(xué)生從“要我學(xué)”變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”，通過(guò)固體物理的基本概念、理論、研究方法和應(yīng)用來(lái)強(qiáng)化對(duì)學(xué)生思維、研究和創(chuàng)新等能力的培養(yǎng)。

2改革教學(xué)內(nèi)容

2.1傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化。抓住傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的主線[2]，調(diào)整教學(xué)側(cè)重點(diǎn)，減少煩雜的公式推導(dǎo)，簡(jiǎn)化方程的求解過(guò)程，協(xié)調(diào)教學(xué)用時(shí)與各章節(jié)教學(xué)內(nèi)容的關(guān)系，保持課程內(nèi)容的系統(tǒng)性和連貫性，使學(xué)生在少學(xué)時(shí)情況下理解和掌握固體物理的基本理論知識(shí)，形成一定的固體物理思維能力和創(chuàng)新能力。經(jīng)優(yōu)化后的傳統(tǒng)固體物理教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)理論部分和理論應(yīng)用部分。基礎(chǔ)理論部分是學(xué)生所要掌握的固體物理基礎(chǔ)知識(shí)，包括晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)合、晶格振動(dòng)、能帶論和電子論等五個(gè)章節(jié)內(nèi)容[3]。基礎(chǔ)理論部分的每一章節(jié)都安排教學(xué)側(cè)重點(diǎn)，例如第三章晶格振動(dòng)和晶體熱學(xué)性質(zhì)，重點(diǎn)掌握一維晶格的振動(dòng)及其量子化、聲子的概念、晶格熱容理論和非諧效應(yīng)。其他章節(jié)如半導(dǎo)體理論、固體磁性和超導(dǎo)電性等內(nèi)容是理論應(yīng)用部分，是前五章基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用推廣，這部分讓學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)，通過(guò)讀書(shū)報(bào)告的形式，檢查學(xué)生學(xué)習(xí)效果。2.2學(xué)科發(fā)展史的補(bǔ)充。在優(yōu)化整合后的固體物理教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上，適當(dāng)在各章節(jié)里補(bǔ)充一些固體物理學(xué)科發(fā)展史的介紹，使學(xué)生了解固體物理理論的產(chǎn)生歷史背景，明白新理論要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展才能形成邏輯嚴(yán)密的理論，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力和不斷探索進(jìn)取的科學(xué)精神。例如，介紹金屬電子論發(fā)展史。1900年建立的經(jīng)典電子論成功解釋了金屬電導(dǎo)、熱導(dǎo)等的特性，但對(duì)電子熱容量的解釋遇到巨大困難；1928年利用量子統(tǒng)計(jì)理論重新建立的金屬電子論成功解釋了自由電子對(duì)熱容量的貢獻(xiàn)。2.3前沿研究成果和熱點(diǎn)知識(shí)的添加。固體物理學(xué)科領(lǐng)域包括晶體物理、金屬物理、半導(dǎo)體物理、納米物理等多個(gè)分支學(xué)科。隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新?lián)Q代和現(xiàn)代科技的進(jìn)步，固體物理學(xué)科不斷涌現(xiàn)新成果、新概念和新理論[4]。因此，適當(dāng)在教學(xué)內(nèi)容中添加一些固體物理的前沿研究成果和熱點(diǎn)知識(shí)，是體現(xiàn)固體物理教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)的優(yōu)化，開(kāi)拓學(xué)生的視野，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，了解固體物理學(xué)科的前沿進(jìn)展和最新科研成就以及與其他高新技術(shù)應(yīng)用的聯(lián)系，有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。例如，在晶體結(jié)合章節(jié)，講授共價(jià)鍵和軌道雜化時(shí)，引入2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)“石墨烯”的簡(jiǎn)介，讓學(xué)生了解石墨烯是由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，也介紹了近年來(lái)我國(guó)在石墨烯結(jié)構(gòu)材料及在光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)性質(zhì)調(diào)控方面的最新科研成果。

3改革教學(xué)方法

3.1模塊化重點(diǎn)和難點(diǎn)。在固體物理教學(xué)過(guò)程中，要把傳統(tǒng)“一言堂”教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)生中心，教師主導(dǎo)”的教學(xué)模式。教師備課時(shí)要結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)每一堂課的教學(xué)安排，把重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容模塊化，講述理論的建立過(guò)程，注重物理模型和研究方法以及基本概念內(nèi)涵和外延的解釋?zhuān)寣W(xué)生把握重點(diǎn)、突破難點(diǎn)，學(xué)會(huì)理論分析和解決問(wèn)題。在每個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)模塊，設(shè)置一些小問(wèn)題，比如，問(wèn)學(xué)生關(guān)于金剛石和石墨結(jié)構(gòu)的異同點(diǎn)、哪種晶體結(jié)合容易形成絕緣體、如何作圖畫(huà)二維長(zhǎng)方晶格的布里淵區(qū)等，在教師的主導(dǎo)下，啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考、尋求問(wèn)題的解決方法。3.2理論與實(shí)際相結(jié)合。在課堂教學(xué)過(guò)程中，將固體物理理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。例如，在講述一維晶格振動(dòng)時(shí)，把一維單原子鏈和雙原子鏈的色散關(guān)系與在電子系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾的濾波器聯(lián)系起來(lái)，把一維單原子晶格和一維雙原子晶格分別看成低通濾波器和帶通濾波器，可在特定頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)有用信號(hào)通過(guò)、抑制無(wú)用信號(hào)。進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生思考，當(dāng)晶體中存在雜質(zhì)時(shí)，晶格振動(dòng)模式是否會(huì)變化，怎樣變化？再結(jié)合關(guān)于摻雜引起頻移的前沿科研進(jìn)展，如硅中的硼形成高頻模，使學(xué)生對(duì)有無(wú)雜質(zhì)影響的晶格振動(dòng)譜有了較全面清晰的認(rèn)識(shí)，激起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，開(kāi)拓了學(xué)生思維，通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際強(qiáng)化了對(duì)知識(shí)的掌握。3.3布置課后的思考題和研究報(bào)告。在每一章的課后作業(yè)布置上，除了精選課本上的習(xí)題作為作業(yè)題外，還布置與章節(jié)內(nèi)容相關(guān)的一些思考題，以及課后查閱相關(guān)科研熱點(diǎn)的科研文獻(xiàn)并寫(xiě)成研究報(bào)告。學(xué)生通過(guò)這些作業(yè)開(kāi)闊了視野，養(yǎng)成了一定的思維能力、研究能力和創(chuàng)新能力，從而提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

4改革教學(xué)手段

固體物理教學(xué)內(nèi)容有很多教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，如晶格結(jié)構(gòu)、原胞、布里淵區(qū)和費(fèi)米面等復(fù)雜抽象的模型及概念。以往在“課件+板書(shū)”課堂教學(xué)中，常用平面圖片來(lái)顯示這些抽象的模型及概念，但由于學(xué)生空間立體想象力較差，不易于理解，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。因此，教師應(yīng)利用現(xiàn)代化信息技術(shù)，制作關(guān)于抽象復(fù)雜模型及概念的動(dòng)畫(huà)、視頻和圖片等各種課件的顯示方式，完善固體物理多媒體課件。多樣化的課件顯示彌補(bǔ)了學(xué)生空間立體想象力的不足，使學(xué)生能較好地理解教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，從而提高教學(xué)質(zhì)量。例如，在講解面心立方和六角密排等的晶格結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)動(dòng)畫(huà)播放形式，生動(dòng)直觀地顯示了面心立方和六角密排等這些晶格結(jié)構(gòu)中不同的原子排列方式，容易明白這些晶格的密堆積方式。

5改革考核方法

以往固體物理課程考核采用的是“平時(shí)成績(jī)30％+期末成績(jī)70％”的評(píng)價(jià)方式[5]，其中平時(shí)成績(jī)包括考勤和作業(yè)。但這種考核方式偏重期末成績(jī)，不注重過(guò)程考核，不利于培養(yǎng)學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新能力。要改變這種狀況，必須改革課程考核方法，調(diào)整平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)的評(píng)價(jià)比例，加強(qiáng)過(guò)程考核。比如，平時(shí)成績(jī)占40％，期末成績(jī)占60％，平時(shí)成績(jī)包括考勤、作業(yè)、課堂小測(cè)驗(yàn)、讀書(shū)報(bào)告、調(diào)研報(bào)告等。

6結(jié)語(yǔ)

在少學(xué)時(shí)情況下，提高教學(xué)質(zhì)量是固體物理課程教學(xué)改革需要解決的重要問(wèn)題。要提高教學(xué)質(zhì)量以培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才，少學(xué)時(shí)固體物理課程教學(xué)改革必須以學(xué)生為中心，革新教學(xué)理念，改革教學(xué)內(nèi)容、方法、手段和考核方式，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題能力及創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

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作者:陳淵 陳繼培 李文安 單位:廣州大學(xué)物理與電子工程學(xué)院