武傳寶

(攀枝花學(xué)院 釩鈦學(xué)院，四川 攀枝花)

一 研究背景

固體物理學(xué)是研究物質(zhì)物理性能的基礎(chǔ)，是物理學(xué)領(lǐng)域重要學(xué)科之一[1]。在高等教育中，固體物理課程是新能源材料與器件、新能源科學(xué)與工程、材料物理與化學(xué)等本科專業(yè)的一門(mén)基礎(chǔ)理論課程。固體物理主要研究固體材料的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)以及固體內(nèi)部各種粒子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及其相互作用關(guān)系的科學(xué)。它的內(nèi)容豐富、應(yīng)用廣泛，涉及到晶體結(jié)構(gòu)學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、熱力學(xué)以及量子力學(xué)等課程內(nèi)容[2]。學(xué)生在學(xué)習(xí)《固體物理》課程時(shí)需要先完成《高等數(shù)學(xué)》、《量子力學(xué)》和《統(tǒng)計(jì)物理》等課程的學(xué)習(xí)。與物理專業(yè)相比，新能源專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)不同，學(xué)生在學(xué)習(xí)《固體物理》之前并未先修《量子力學(xué)》和《統(tǒng)計(jì)物理》等課程，導(dǎo)致知識(shí)脫節(jié)，學(xué)習(xí)過(guò)程經(jīng)常遇到量子物理學(xué)專業(yè)術(shù)語(yǔ)以及復(fù)雜的理論推導(dǎo)過(guò)程，造成學(xué)生學(xué)習(xí)難度增大，甚至產(chǎn)生厭學(xué)畏學(xué)情緒，同時(shí)教師的教學(xué)難度也大增[3,4]。

鑒于《固體物理》課程在新能源專業(yè)學(xué)生中出現(xiàn)的學(xué)生畏學(xué)、教師教學(xué)難這一普遍問(wèn)題，本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式以及課程思政三個(gè)方面闡述教學(xué)改革措施，對(duì)提高新能源專業(yè)甚至其他相關(guān)工科專業(yè)《固體物理》的教學(xué)質(zhì)量提供一定的參考。

二 教學(xué)改革

（一） 教學(xué)內(nèi)容改革

《固體物理》課程的經(jīng)典教材當(dāng)屬世界著名物理學(xué)家黃昆編著、由高等教育出版社出版的《固體物理學(xué)》教材。隨著固體物理學(xué)的發(fā)展，韓汝琦教授在黃昆原著基礎(chǔ)上進(jìn)行了改編，增加了超導(dǎo)物理、非晶態(tài)物理、表面物理、固體中的元激發(fā)和低維系統(tǒng)物理等固體物理新興領(lǐng)域的基本概念[5]。黃昆原著、韓汝琦改編的《固體物理學(xué)》教材榮獲國(guó)家教委優(yōu)秀教材特等獎(jiǎng)和國(guó)家級(jí)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，已成為許多高校所采用的本科生或研究生教學(xué)用書(shū)。該書(shū)共有十三章內(nèi)容，為：第一章 晶體結(jié)構(gòu)、第二章 固體的結(jié)合、第三章 晶格振動(dòng)與晶體的熱學(xué)性質(zhì)、第四章 能帶理論、第五章 晶體中電子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、第六章 金屬電子論、第七章 半導(dǎo)體電子論、第八章 固體的磁性、第九章 固體中的光吸收、第十章 超導(dǎo)電的基本現(xiàn)象和基本規(guī)律、第十一章 固體中的元激發(fā)、第十二章 晶體中的缺陷和擴(kuò)散、第十三章 相圖，內(nèi)容十分豐富。但是，由于學(xué)時(shí)的限制和對(duì)學(xué)習(xí)培養(yǎng)目標(biāo)的要求不同，各高校在教學(xué)內(nèi)容上做了不同程度的刪減。以攀枝花學(xué)院為例，對(duì)新能源材料與器件專業(yè)大二學(xué)生開(kāi)設(shè)固體物理課程，48個(gè)學(xué)時(shí)，教學(xué)內(nèi)容涵蓋了書(shū)中前七章內(nèi)容，而后面第八～第十三章內(nèi)容不在教學(xué)范圍內(nèi)。攀枝花學(xué)院的這種處理方式并非個(gè)例，而是一個(gè)普遍現(xiàn)象。然而，依照應(yīng)用型大學(xué)的辦學(xué)理念，應(yīng)當(dāng)多注重理論的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用理論解決實(shí)際問(wèn)題。因此，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)適當(dāng)改革，以下為作者針對(duì)韓汝琦改編的《固體物理學(xué)》的教學(xué)內(nèi)容提出一些改革建議：

（1）講授內(nèi)容詳略得當(dāng)

第一章晶體結(jié)構(gòu)、第二章固體的結(jié)合、第十二章晶體中的缺陷和擴(kuò)散和第十三章相圖在《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程中都有涉及，因此這幾章內(nèi)容可進(jìn)行略講或不講。重點(diǎn)講授第三章晶格振動(dòng)與晶體的熱學(xué)性質(zhì)和第四章能帶理論。另外，由于新能源專業(yè)學(xué)生沒(méi)有先修課程基礎(chǔ)，在教學(xué)過(guò)程中要把《量子力學(xué)》和《統(tǒng)計(jì)物理》等相關(guān)知識(shí)融合到固體物理課堂教學(xué)中。書(shū)中第五到第七章內(nèi)容可合并，用較少課時(shí)講授。第八～十一章涉及到的固體磁性、光吸收、超導(dǎo)性及元激發(fā)內(nèi)容，對(duì)于新能源專業(yè)學(xué)生理解新能源材料的制備和新能源器件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)是重要的，因此這部分內(nèi)容也應(yīng)該納入教學(xué)計(jì)劃中。

（2）傳達(dá)固體物理學(xué)思想

在講授固體物理課程的過(guò)程中，要重思想輕推導(dǎo)，不追求繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，更多的突出物理思想的傳達(dá)。例如，我們?cè)谘芯抗腆w中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，由于電子數(shù)量龐大、相互作用復(fù)雜，不能精確給出每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)方程。處理這個(gè)問(wèn)題時(shí)，就要做近似假設(shè)，把每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)看成是獨(dú)立的在一個(gè)由晶格組成的等效勢(shì)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，這就是能帶理論的基本思想。在課堂講授過(guò)程中，對(duì)于某一個(gè)知識(shí)點(diǎn)或者物理模型，要重點(diǎn)講述它的思維方法和建立過(guò)程。模型盡量簡(jiǎn)單，由淺入深，重點(diǎn)要讓學(xué)生理解并學(xué)會(huì)用固體物理學(xué)的思維方法去思考和處理相關(guān)具體問(wèn)題。

（3）理論聯(lián)系實(shí)際

講授過(guò)程中，注重理論的應(yīng)用。并運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)方式，讓學(xué)生思考某種材料為什么會(huì)出現(xiàn)某種特定的物理性質(zhì)，我們?nèi)绾卫迷撔再|(zhì)設(shè)計(jì)器件，使其產(chǎn)生某種功能特性。如在第一章講授晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，可補(bǔ)充石墨烯材料的結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生思考石墨烯這種結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)什么性質(zhì)，如何利用這種性質(zhì)。在講授固體的磁性、光吸收和超導(dǎo)等性質(zhì)時(shí)補(bǔ)充相關(guān)材料的應(yīng)用或?qū)?lái)的應(yīng)用前景。此外，還要介紹新能源及相關(guān)領(lǐng)域最新的學(xué)術(shù)成就與進(jìn)展，如光子晶體、聲子晶體、超晶格、左手材料和負(fù)折射率材料等及其相應(yīng)的應(yīng)用前景。鼓勵(lì)學(xué)生積極參與到相關(guān)老師的科研課題或?qū)嶒?yàn)中，多聽(tīng)相關(guān)學(xué)者或老師的學(xué)術(shù)報(bào)告，讓學(xué)生了解專業(yè)前沿和學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)[6]，培養(yǎng)學(xué)術(shù)對(duì)科學(xué)研究的興趣，為部分學(xué)生將來(lái)可能繼續(xù)深造或從事科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

（二） 教學(xué)方式創(chuàng)新

（1）計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)

在ppt中插入動(dòng)畫(huà)、視頻等資料輔助學(xué)生理解理論模型及相應(yīng)器件的工作原理。教學(xué)過(guò)程中還可以利用仿真軟件輔助教學(xué)，如利用Material Studio 模擬布里淵區(qū)、建立三維晶體結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生更直觀理解和認(rèn)識(shí)實(shí)空間與倒空間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，理解X射線衍射原理，認(rèn)識(shí)X 射線衍射圖樣與三維晶格中晶面的對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用VASP 更有利于掌握晶體熱學(xué)性質(zhì)、晶格振動(dòng)以及電子能帶結(jié)構(gòu)等知識(shí)點(diǎn)[7]。利用Crystal Maker 有助于理解晶體衍射的原理，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)衍射圖樣與晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。借助這些軟件把理論與實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)，使學(xué)生可以在課后自學(xué)固體物理相關(guān)知識(shí)。將計(jì)算機(jī)模擬仿真軟件融入到固體物理的課堂教學(xué)中，可有效提高教學(xué)質(zhì)量。

（2）改變課后作業(yè)形式

通常，布置課后作業(yè)的目的是進(jìn)一步鞏固課堂所學(xué)理論知識(shí)。但是，傳統(tǒng)的課后作業(yè)形式均偏重于理論，較少會(huì)與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系，不利于學(xué)生科研能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。因此，《固體物理》課程的課后作業(yè)除了要布置一些必要的理論知識(shí)習(xí)題外，還應(yīng)該增加一些小組討論或調(diào)研報(bào)告式的題目，提高學(xué)生學(xué)以致用的能力和思維習(xí)慣。例如在晶格振動(dòng)這部分，讓學(xué)生在課后比較聲子、電子以及光子之間的異同點(diǎn)，然后在課堂上發(fā)言討論。通過(guò)讓學(xué)生查閱資料、總結(jié)歸納和發(fā)言討論，使學(xué)生深刻理解“聲子”這一抽象概念及其物理本質(zhì)。除此之外，還可在課后讓學(xué)生撰寫(xiě)相關(guān)調(diào)研報(bào)告，如“綜述石墨烯的研究進(jìn)展”。通過(guò)撰寫(xiě)主題調(diào)研報(bào)告，既鍛煉了學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料的能力、增強(qiáng)了課程學(xué)習(xí)興趣，又使學(xué)生了解到學(xué)科研究前沿，還提升了學(xué)生自學(xué)能力、寫(xiě)作能力以及創(chuàng)新能力。

（3）線上線下混合教學(xué)

在當(dāng)今的信息時(shí)代，高校的教學(xué)過(guò)程不能局限于教室中的線下教學(xué)模式，還要線上課程資源建設(shè)和線上課堂相結(jié)合。尤其是受今年新型冠狀病毒感染的肺炎疫情影響，教育部提出了“停課不停學(xué)”政策，各類學(xué)校機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了在線教學(xué)。各種線上教學(xué)平臺(tái)紛紛登場(chǎng)，極大地促進(jìn)了線上教學(xué)的發(fā)展[8]。

網(wǎng)絡(luò)在線教育平臺(tái)多種多樣，如釘釘、學(xué)習(xí)通、雨課堂、清華在線、課程伴侶等等。從課程建設(shè)方面來(lái)看，各個(gè)教育平臺(tái)大同小異，有些方面又有各自的側(cè)重點(diǎn)和特色，總體來(lái)說(shuō)都能夠完成課程資源的建設(shè)。其中，學(xué)習(xí)通是目前較為流行的一種在線教育平臺(tái)，可借助該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)課程學(xué)習(xí)、知識(shí)傳播以及管理分享等功能。尤其是，學(xué)習(xí)通可利用超星中的海量圖書(shū)、報(bào)刊、視頻等資源方便地為學(xué)生提供課程學(xué)習(xí)相關(guān)資源。教學(xué)可在學(xué)習(xí)通上實(shí)現(xiàn)課程創(chuàng)建、資源管理、一鍵簽到、課堂測(cè)試、討論答疑、作業(yè)布置、階段測(cè)試、在線答疑以及查看學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度、管理學(xué)生信息等功能[9]。學(xué)生可在學(xué)習(xí)通上實(shí)現(xiàn)課前預(yù)習(xí)、課上簽到、課中互動(dòng)發(fā)言、提交課后作業(yè)以及查看平時(shí)成績(jī)等功能。在學(xué)習(xí)通這個(gè)虛擬課堂中，學(xué)生不僅可以聽(tīng)到和看到教師授課內(nèi)容，還能夠與教師進(jìn)行交流互動(dòng)。甚至，學(xué)生和教師之間還可以通過(guò)攝像頭彼此看到對(duì)方，使課堂體驗(yàn)更加真切。

在《固體物理》課程建設(shè)中，學(xué)習(xí)通除了提供了基本的章節(jié)內(nèi)容之外，還有活動(dòng)、統(tǒng)計(jì)、資料、通知、作業(yè)、考試、討論、管理模塊，配合手機(jī)app使用，既可以實(shí)現(xiàn)課程資源的建設(shè)又可以很好進(jìn)行課堂互動(dòng)。另外，學(xué)習(xí)通手機(jī)端適合于課堂互動(dòng)，功能豐富，包括簽到、投票、選人、搶答、主題討論、隨堂練習(xí)、拍攝、問(wèn)卷、評(píng)分、分組任務(wù)、計(jì)時(shí)器、直播、群聊、通知、白板、同步課堂，還可以將一些課程資源上傳到網(wǎng)絡(luò)云盤(pán)，與電腦端同步顯示等。

疫情過(guò)后，原來(lái)高校傳統(tǒng)的單一線下教學(xué)模式必將發(fā)生很大變化。首先，學(xué)生返校后要將部分線上教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)移到線下，但線上課程資源和預(yù)習(xí)測(cè)試等部分不能間斷，要實(shí)現(xiàn)線上線下混合教學(xué)模式。其次，要進(jìn)一步探討混合教學(xué)的實(shí)施方案。對(duì)于新能源專業(yè)《固體物理》的學(xué)習(xí)，要將基本概念、模型、原理等知識(shí)保留在線上，要求學(xué)生自學(xué)，課堂上只講重點(diǎn)難點(diǎn)，并設(shè)計(jì)大量的互動(dòng)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生深刻理解課堂重點(diǎn)難點(diǎn)，然后線上布置作業(yè)，更便于統(tǒng)計(jì)分析學(xué)生學(xué)習(xí)狀況。最后，要做好線上課程資源的建設(shè)。在原有基礎(chǔ)上，進(jìn)一步豐富課程資源，對(duì)課堂的重難點(diǎn)適當(dāng)增加相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例或者相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的用途，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的思維。

（三） 課程思政融入

2016年，習(xí)近平總書(shū)記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，高校思想政治工作關(guān)系高校培養(yǎng)什么人、如何培養(yǎng)人及為誰(shuí)培養(yǎng)人這個(gè)根本問(wèn)題。要堅(jiān)持把立德樹(shù)人作為高校的中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿于教育教學(xué)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開(kāi)創(chuàng)我國(guó)高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[10]。依據(jù)習(xí)近平總書(shū)記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議的講話精神，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過(guò)程，在《固體物理》授課過(guò)程中，需要融入思政教育內(nèi)容，既要教書(shū)更要育人。

課程結(jié)合典型固體物理實(shí)例和相關(guān)人物傳記，在闡明固體物理的基本原理和相關(guān)制備技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)課程背景和科學(xué)研究案例有機(jī)融入社會(huì)主義核心價(jià)值觀、中國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育，特別是中國(guó)特色社會(huì)主義的“四個(gè)自信”教育內(nèi)容，將培養(yǎng)和提高學(xué)生專業(yè)思政、課程思政以及分析和解決固體物理相關(guān)問(wèn)題的能力作為教學(xué)重點(diǎn)。通過(guò)課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握固體物理基本知識(shí)，同時(shí)了解該領(lǐng)域當(dāng)前的一些前沿研究進(jìn)展和應(yīng)用，為后續(xù)新能源類相關(guān)專業(yè)課程及日后學(xué)生新能源相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。在課程有機(jī)融入思政教育后，在知識(shí)傳授的傳統(tǒng)課程目標(biāo)基礎(chǔ)上，還以價(jià)值塑造、能力培養(yǎng)以及歷史使命感和責(zé)任感為課程目標(biāo)。

在《固體物理》授課過(guò)程中，可在緒論中講授黃昆院士的個(gè)人事跡以及學(xué)術(shù)上的突出貢獻(xiàn)，包括黃院士提出的著名的“黃方程”和“聲子極化激元”概念，“黃-里斯理論”等，融入志向高遠(yuǎn)、勤奮刻苦的傳統(tǒng)文化精神；講授固體物理學(xué)的研究?jī)?nèi)容時(shí)注重傳授固體物理的研究方法，根據(jù)Anderson的闡釋“一個(gè)簡(jiǎn)化模型對(duì)于自然界實(shí)際狀況的見(jiàn)解，遠(yuǎn)勝于個(gè)別情況的從頭計(jì)算，這些計(jì)算即便是對(duì)的，也往往包含了過(guò)多的細(xì)節(jié)，以至于掩蓋了而不是顯示了現(xiàn)實(shí)，計(jì)算或測(cè)量的過(guò)于精細(xì)有時(shí)不一定是優(yōu)點(diǎn)，反而可能是缺點(diǎn)，因?yàn)槿藗兙_測(cè)量或計(jì)算出的結(jié)果往往是與機(jī)制無(wú)關(guān)的事情，總之，完美的計(jì)算可以重視自然，但不能解釋它?！毕?qū)W生傳遞全局思維，大局觀念，要有集體意識(shí)和國(guó)家意識(shí)；講授布里淵區(qū)時(shí)，融入愛(ài)國(guó)敬業(yè)、遵紀(jì)守法的品質(zhì)；在講授電子的運(yùn)動(dòng)時(shí)，引入李政道和楊振寧團(tuán)結(jié)合作獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的事跡，向?qū)W生傳授團(tuán)結(jié)互助的品質(zhì)；講授能帶理論和超導(dǎo)材現(xiàn)象時(shí)，引入趙忠賢課題組獨(dú)立發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)材料釔鋇銅氧事跡，傳授民族自豪感和工匠精神。

三 結(jié)語(yǔ)

由于新能源等相關(guān)工科專業(yè)與理科專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的不同，要充分認(rèn)識(shí)到新能源專業(yè)《固體物理》的教學(xué)現(xiàn)狀和教學(xué)難點(diǎn)，有針對(duì)性地對(duì)教學(xué)過(guò)程試探性的改革，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與綜合素質(zhì)。除此之外，還要結(jié)合學(xué)科前沿以及本校教師的相關(guān)科研工作，理論聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行教學(xué)。然而，新能源專業(yè)《固體物理》的教學(xué)改革涉及到諸多方面，是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要我們廣大教育工作者繼續(xù)做更多的研究與探索，同時(shí)還要不斷提高自身的教育教學(xué)能力?，F(xiàn)代教育雖以學(xué)生為中心，但教師在教學(xué)過(guò)程中的主導(dǎo)作用不能忽視。打鐵還需自身硬，教師作為引路人，要造就創(chuàng)新人才，就需要加強(qiáng)我們教師隊(duì)伍的建設(shè)，進(jìn)一步提高育人能力。