孫盼盼，黃妞

（三峽大學(xué) 材料與化工學(xué)院，湖北 宜昌）

為深化工程教育改革，推進(jìn)新工科的建設(shè)與發(fā)展，2017年教育部發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，明確了在“一帶一路”和“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略背景下新工科人才培養(yǎng)的重要性。作為我校新能源材料與器件專業(yè)的核心課程，《固體物理》從微觀粒子的運(yùn)動層面揭示固體的宏觀物理性質(zhì)，是微電子、光電子、新能源和材料科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)課程[1]。通過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以運(yùn)用固體物理的基本知識、規(guī)律表達(dá)固體材料、器件中的具體問題，并對材料和器件設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，為將來從事新材料制備和半導(dǎo)體器件行業(yè)或從事科研工作奠定良好基礎(chǔ)。因此，該課程對工科專業(yè)人才基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)具有重要作用。但是，《固體物理》是理論性極強(qiáng)的應(yīng)用基礎(chǔ)課程，抽象的專業(yè)術(shù)語、空間變換和復(fù)雜的數(shù)學(xué)演算，導(dǎo)致了教師難教、學(xué)生畏學(xué)的教學(xué)局面。更重要的是，傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難讓學(xué)生將學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)在實(shí)踐中得到體現(xiàn)，與新工科對高校人才基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)要求嚴(yán)重脫節(jié)。因此，為了響應(yīng)專業(yè)新工科建設(shè)和發(fā)展，我們秉持“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，以“夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)，培養(yǎng)專業(yè)素質(zhì)”為改革方向，對《固體物理》的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)運(yùn)用和評價(jià)體系進(jìn)行了改革實(shí)踐。

一 轉(zhuǎn)變教學(xué)模式，體現(xiàn)學(xué)生主體地位

固體物理課程本身理論性強(qiáng)，涉及的專業(yè)術(shù)語、空間變換極為抽象，公式多且復(fù)雜。傳統(tǒng)的教師教學(xué)模式單一，基本為“教師滿堂灌”，教學(xué)活動主要以教師為主體，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、主動性不強(qiáng)。

基于此現(xiàn)狀，授課團(tuán)隊(duì)以中國大學(xué)MOOC平臺為支撐，利用國防科技大學(xué)《簡明固體物理》線上資源建立了異步SPOC，開展線上+線下混合式教學(xué)。線上教學(xué)由教師根據(jù)教學(xué)進(jìn)度，指定線上學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生進(jìn)行自學(xué)為主。學(xué)生可以通過線上平臺、課程QQ群或線下小組討論等方式進(jìn)行互動。線下教學(xué)改變了傳統(tǒng)、單一的講授式教學(xué)，將課程學(xué)時(shí)的1/3改革為研討式教學(xué)，在智慧教室開展。針對課程要深度研討的內(nèi)容（如能帶的形成、有效質(zhì)量、費(fèi)米面、電子熱容等），以小組為單位，教師發(fā)布討論專題，學(xué)生進(jìn)行線上自學(xué)、小組討論，準(zhǔn)備PPT。課堂上，教師進(jìn)行專題內(nèi)容引導(dǎo)之后，主講小組進(jìn)行課堂展示，并和其它小組進(jìn)行交流。最后，針對學(xué)生研討不足之處，教師進(jìn)行總結(jié)補(bǔ)充。傳統(tǒng)教室的課堂教學(xué)也改革為教師提煉問題-提出問題-啟發(fā)學(xué)生思考-師生共同解決問題的教學(xué)模式[2]。

專題研討使得課程知識系統(tǒng)化，例如，在講解有效質(zhì)量內(nèi)容時(shí)，我們首先帶領(lǐng)同學(xué)們一起分析了有效質(zhì)量的特點(diǎn)：①有效質(zhì)量是波矢k的函數(shù)，而不是常數(shù)（不同于電子的靜質(zhì)量m0）；②有效質(zhì)量跟能帶寬窄（E(k)關(guān)系曲線的曲率）有關(guān)：能帶越窄，有效質(zhì)量越大，能帶越寬，有效質(zhì)量越??；③有效質(zhì)量可正可負(fù)：一般而言，能帶底部附近，有效質(zhì)量總是正的；能帶頂部附近，有效質(zhì)量總是負(fù)的。那么如何理解這些有效質(zhì)量可大可小、可正可負(fù)呢？我們引導(dǎo)學(xué)生從晶體中電子與晶格相互作用并進(jìn)行能量交換的角度考慮。晶體中的電子，除了受外場力F作用外，還要受晶格力Fl的作用。根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，就可以分析得到：若晶格對電子作正功，則有效質(zhì)量大于0，而且小于m0；若晶格對電子作負(fù)功，那么電子要供給晶格能量，如果電子供給晶格的能量大于從外場獲得的能量，則有效質(zhì)量小于0；若電子從外場獲得的能量都給了晶格，則有效質(zhì)量趨于∞，此時(shí)電子的平均加速度為零，電子無法在外場力作用下定向運(yùn)動。整個(gè)分析過程都是在教師的啟發(fā)下，師生共同討論獲得，體現(xiàn)了課程學(xué)習(xí)的高階性和挑戰(zhàn)度。

此外，相比于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，線上線下混合式教學(xué)一定程度上提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率。特別是線下小組討論課，通過生生互動，不僅僅培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識，也鍛煉了他們分析問題、資料調(diào)研、PPT制作和匯報(bào)的能力。例如，課程所涉及的數(shù)學(xué)知識傅里葉級數(shù)展開，負(fù)責(zé)的小組課下進(jìn)行了充分準(zhǔn)備，課堂的講解分析十分到位，討論也比較熱烈[3]。

二 系統(tǒng)整合教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果

我校新能源材料與器件專業(yè)為工科專業(yè)，所設(shè)課程往往更偏重材料、器件的工藝和性能，學(xué)生高等數(shù)學(xué)和量子力學(xué)基礎(chǔ)知識薄弱。因此，學(xué)生的知識基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)以及認(rèn)知特性沒有達(dá)到有效學(xué)習(xí)《固體物理》的要求。如果課程講授拘泥于理論公式推導(dǎo)，課程的學(xué)習(xí)就非常困難，欠缺與專業(yè)課程體系的融合。更重要的是，學(xué)生很難系統(tǒng)掌握課程的基本知識和規(guī)律，并運(yùn)用這些基本知識、規(guī)律表達(dá)固體材料、器件中的具體問題，課程的人才培養(yǎng)目標(biāo)也就無法達(dá)成[4]。

因此，結(jié)合學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)、認(rèn)知水平和未來專業(yè)發(fā)展需求，我們對課程內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，將課程內(nèi)容單元化：

第一單元 晶體結(jié)構(gòu)“美麗出自和諧，有用源于有序”，從晶體的形成和晶體結(jié)構(gòu)的描述出發(fā)，闡明晶體結(jié)構(gòu)的周期性及其表達(dá)方式（倒格子）。第二單元 晶格振動晶體中的原子都不是固定不動的，而是在平衡位置附近左右振動的，這種振動對晶體的熱學(xué)性質(zhì)會產(chǎn)生什么影響？如何描述？以問題的形式引入晶格動力學(xué)并講解其描述方法、基本規(guī)律。第三單元 自由電子理論固體材料和器件所表現(xiàn)出的性質(zhì)與電子的運(yùn)動行為密不可分，首先進(jìn)入固體中自由電子行為的學(xué)習(xí)。第四單元 能帶理論在掌握了自由電子運(yùn)動規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)固體中電子（晶格周期場）的運(yùn)動規(guī)律，這就是能帶理論，是整個(gè)固體物理的核心。

整個(gè)教學(xué)內(nèi)容，圍繞四個(gè)單元，緊密銜接，構(gòu)成了整個(gè)課程教學(xué)的主線。針對難度不高的學(xué)習(xí)內(nèi)容（晶格結(jié)構(gòu)、固體中原子的結(jié)合），要求學(xué)生進(jìn)行線上自學(xué)、自測，然后以小組為單位進(jìn)行線下討論，通過學(xué)生之間的研討達(dá)到有效學(xué)習(xí)的目的。此外，針對難度較高的學(xué)習(xí)內(nèi)容（晶格振動、能帶理論），仍然以線下教學(xué)為主，但是為了調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，以教師-學(xué)生研討和小組討論兩種方式進(jìn)行，整個(gè)內(nèi)容的講解做到輕理論、重邏輯，盡量弱化量子力學(xué)和數(shù)學(xué)處理，做到物理圖像清晰[5]。

此外，固體物理是新材料、新器件和新技術(shù)的基礎(chǔ)學(xué)科，已經(jīng)滲透高現(xiàn)代技術(shù)的方方面面。如果將這些技術(shù)引入課堂，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以強(qiáng)化學(xué)生對理論知識的理解，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效果。因此，教師在組織教學(xué)過程時(shí)，盡可能將前沿知識和實(shí)際應(yīng)用案例引入課堂。將能帶結(jié)構(gòu)、能態(tài)密度、有效質(zhì)量等重、難知識點(diǎn)與前沿文獻(xiàn)結(jié)合，包括新型Ni2SbTe2材料的能帶結(jié)構(gòu)、Co12O16和Ir-Co11O16的能態(tài)密度曲線、電子和空穴的有效質(zhì)量和遷移率、ZnO和TiO2的有效質(zhì)量及其應(yīng)用等。例如，在講解有效質(zhì)量內(nèi)容時(shí)，在系統(tǒng)分析了有效質(zhì)量的特點(diǎn)以及如何理解這些特點(diǎn)之后，教師提問：既然有效質(zhì)量有正有負(fù)，還可以趨于∞，那么它可不可以為0呢？如果可以，如何實(shí)現(xiàn)呢？學(xué)生可以根據(jù)已有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識進(jìn)行討論。教師隨后引入實(shí)際案例：石墨烯就是電子有效質(zhì)量為0的典型材料。一般地，我們所學(xué)過的晶體材料，其能帶結(jié)構(gòu)曲線都是拋物線型的，而石墨烯的是一種特殊的結(jié)構(gòu)：狄拉克錐。這就導(dǎo)致其E(k)曲線的斜率不連續(xù)，則二階導(dǎo)數(shù)趨于∞，因此有效質(zhì)量趨于0。這使得石墨烯重電子的傳輸速度非常快，材料的輸運(yùn)性能，包括導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性都非常好。受石墨烯特殊結(jié)構(gòu)和優(yōu)異輸運(yùn)性能的啟發(fā)，科學(xué)家們也在積極探索能否獲得具有狄拉克錐結(jié)構(gòu)的硅烯和鍺烯。既然載流子的有效質(zhì)量與能帶結(jié)構(gòu)直接有關(guān)，那么，若要減小載流子的有效質(zhì)量的話，就應(yīng)該著眼于改變能帶結(jié)構(gòu)，使得能帶變寬和增大能帶曲線的曲率?，F(xiàn)在在微電子技術(shù)中已經(jīng)開始采用的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)——晶體應(yīng)變技術(shù)，就是通過在晶體中引入應(yīng)變來改變能帶結(jié)構(gòu)，這可降低有效質(zhì)量，以達(dá)到提高載流子遷移率的目的。例如，應(yīng)變硅技術(shù)涉及使用各種手段，包括物理拉伸或壓縮硅晶體，進(jìn)而增加載流子（電子/空穴）遷移率并增強(qiáng)其晶體管的性能。如此講解之后，學(xué)生對有效質(zhì)量的認(rèn)識就非常全面深入了，學(xué)習(xí)效果也非常好[6]。

三 運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)，豐富教學(xué)手段

相比于高中學(xué)習(xí)環(huán)境，大學(xué)學(xué)習(xí)氛圍明顯松散很多，如果學(xué)生對課程不感興趣、不喜歡老師的教學(xué)方式或者課程太難聽不懂，很容易影響學(xué)習(xí)的積極性?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》中提到，要著力提高大學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，鼓勵(lì)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生主動適應(yīng)社會。面對學(xué)生學(xué)習(xí)積極性低的現(xiàn)狀，改革教學(xué)技術(shù)、手段，做到與時(shí)俱進(jìn)迫在眉睫。

《固體物理》課程采用SPOC+雨課堂教學(xué)管理平臺，形成了傳統(tǒng)教學(xué)和基于現(xiàn)代信息技術(shù)教學(xué)的優(yōu)勢互補(bǔ)。在中國大學(xué)MOOC提前發(fā)布教學(xué)資源，完成線上視頻學(xué)習(xí)、課堂討論、單元作業(yè)布置及批改、單元測試及講解等教學(xué)環(huán)節(jié)。首先，線上學(xué)習(xí)時(shí)學(xué)生可以自主調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)進(jìn)度，學(xué)有余力的同學(xué)可以倍速聽課，而覺得課程太難的同學(xué)可以降低播放速度或者反復(fù)學(xué)習(xí)，以保證每個(gè)知識點(diǎn)都學(xué)透。其次，學(xué)生也可以自由選擇上課時(shí)間，靈活性大大提高。最重要的是，為了保證課前學(xué)習(xí)質(zhì)量，教師可在后臺監(jiān)控學(xué)生學(xué)習(xí)情況，后臺數(shù)據(jù)作為學(xué)生的過程性評價(jià)之一。通過這些數(shù)據(jù)，教師可以快速掌握學(xué)生對于知識點(diǎn)的掌握情況，并在研討課上有針對性地對重、難點(diǎn)進(jìn)行講解。

課堂上，雨課堂提供了掃描簽到功能，不僅操作簡單，而且方便教師隨時(shí)監(jiān)控學(xué)生的出勤情況。此外，利用雨課堂，教師與學(xué)生之間可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)更多有趣、高效的課堂互動，比如，隨機(jī)點(diǎn)名可以提高學(xué)生的課堂注意力，因?yàn)榭赡軙稽c(diǎn)到回答問題，學(xué)生始終保持適度緊張狀態(tài)。習(xí)題推送功能可以讓教師掌握學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況，包括課前定時(shí)檢測以及課堂測驗(yàn)。每次課后，雨課堂自動生成本次課的教學(xué)數(shù)據(jù)，雨課堂網(wǎng)頁版還可以查看整門課的課堂教學(xué)數(shù)據(jù)，便于教師及時(shí)反饋，有針對性地教學(xué)，并實(shí)現(xiàn)過程化考核。

四 改革課程考核體系，促進(jìn)教學(xué)持續(xù)改進(jìn)

傳統(tǒng)的終結(jié)性考核評價(jià)體系單一，使得課程教學(xué)重結(jié)果、輕過程，很容易造成學(xué)生平時(shí)懶散、期末突擊的學(xué)習(xí)狀態(tài)。針對該問題，改革后的《固體物理》課程過程性考核和終結(jié)性考核有機(jī)結(jié)合，特別是強(qiáng)化基于線上學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的過程性考核。學(xué)生成績由平時(shí)成績（60%）和期末考試成績（40%）兩部分構(gòu)成。其中，平時(shí)成績由線上和線下成績組成，線上包括MOOC線上自學(xué)成績、章節(jié)測驗(yàn)和作業(yè)成績，線下包括課堂研討、PPT匯報(bào)、研討報(bào)告成績。過程性評價(jià)細(xì)化之后，期末考試更多地考核學(xué)生的綜合理解和運(yùn)用能力。整個(gè)課程評價(jià)涵蓋學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、表達(dá)能力、溝通能力等多方面。這樣可以更多地關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整學(xué)習(xí)方法，有效地指導(dǎo)整個(gè)學(xué)習(xí)過程[7]。

五 結(jié)語

在《固體物理》教學(xué)過程中，我們積極探索了教學(xué)改革并實(shí)踐，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與熱情。課程改革以后，在線上線下混合式教學(xué)的要求下，授課教師主動思考如何做到線上學(xué)習(xí)和線下學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合，哪些內(nèi)容學(xué)生可以自學(xué)，如何保證自學(xué)效果，哪些內(nèi)容需要教師精講，哪些內(nèi)容還需要深度討論，這是授課老師在進(jìn)行教學(xué)改革時(shí)遇到的最大的挑戰(zhàn)。此外，為了將理論知識與前沿文獻(xiàn)、實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來，授課教師需要廣泛學(xué)習(xí)、調(diào)研，對課程的認(rèn)識水平也逐步提高。下一步，如何針對不同層次的學(xué)生，做到線上線下有機(jī)混合，需要我們繼續(xù)在教學(xué)實(shí)踐中不斷探索和改進(jìn)。最終的目的，是讓專業(yè)學(xué)生在數(shù)理基礎(chǔ)薄弱的情況下獲得更多的固體物理知識，并在未來的學(xué)習(xí)、工作或科研中能夠運(yùn)用這些知識分析和解決問題，以適應(yīng)科技發(fā)展和新工科人才培養(yǎng)的需求。