王玉玲，徐 權(quán)，郝淑娟

(大慶師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

材料學(xué)科專業(yè)的固體物理模塊化教學(xué)改革探索

王玉玲，徐 權(quán)，郝淑娟

(大慶師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

基于固體物理本身的課程特點，結(jié)合材料學(xué)科人才培養(yǎng)目標(biāo)，對固體物理課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)方法等進(jìn)行了深入的研究和探索，提出將固體物理課程內(nèi)容以學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)為基準(zhǔn)進(jìn)行模塊劃分，每一模塊都滲透理論、實驗、創(chuàng)新項目和企業(yè)實踐等內(nèi)容，將理論知識學(xué)習(xí)和實踐技能培養(yǎng)交替實施，環(huán)環(huán)相扣，使學(xué)生的理論知識與實踐技能高度融合，最終達(dá)到基礎(chǔ)理論知識和實踐創(chuàng)造能力的雙螺旋上升。

固體物理；模塊化教學(xué)；應(yīng)用能力

0 引言

固體物理是研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其組成粒子(原子、離子、電子等)之間相互作用與運(yùn)動規(guī)律、進(jìn)而以物質(zhì)的微觀特性闡明其宏觀性能與用途的學(xué)科。固體物理是材料學(xué)科的基礎(chǔ)，在現(xiàn)代科技中發(fā)揮著重要作用[1]。早期這門課程只在物理學(xué)專業(yè)中開設(shè)，隨著科技的飛速發(fā)展，學(xué)科間的交集增加導(dǎo)致學(xué)科融合日益顯著，科學(xué)發(fā)展開始向綜合性邁進(jìn)。作為基礎(chǔ)學(xué)科的固體物理，在不同學(xué)科中的基礎(chǔ)應(yīng)用越來越多。

材料學(xué)是研究材料組成、結(jié)構(gòu)、工藝、性質(zhì)和使用性能之間相互關(guān)系的學(xué)科，為材料設(shè)計、制造、工藝優(yōu)化和合理使用提供科學(xué)依據(jù)[2]。與固體物理的物性分析的本質(zhì)相比，在材料學(xué)中，材料的工藝性與使用性才是關(guān)注研究的重點。因此，材料學(xué)的理論基礎(chǔ)不僅涉及固體物理，還包含材料化學(xué)、電子工程等。固體物理作為材料類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，實際起著基礎(chǔ)理論知識與實際應(yīng)用技術(shù)紐帶的作用，也是進(jìn)一步學(xué)習(xí)、理解和設(shè)計其它先進(jìn)材料的理論基礎(chǔ)。本文結(jié)合固體物理課程的自身特點和材料學(xué)專業(yè)的方向定位，并結(jié)合當(dāng)前培養(yǎng)高素質(zhì)材料科學(xué)應(yīng)用型人才的目標(biāo)，對固體物理課程的教學(xué)進(jìn)行模塊化調(diào)整和教學(xué)方案優(yōu)化。

1 教學(xué)內(nèi)容的改革

1.1 教學(xué)改革的原則和目標(biāo)

固體物理學(xué)是一門重要的、具有廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)理論學(xué)科。為人們按需要性能設(shè)計材料提供科學(xué)依據(jù)，是當(dāng)前新材料、新器件的“生長點”，因此材料學(xué)專業(yè)中的固體物理課程，不僅能使學(xué)生通過物質(zhì)微觀性能和運(yùn)動規(guī)律分析其宏觀性能和用途，更重要的是有益于學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的完善和拓展，擴(kuò)大學(xué)生的科學(xué)視角，為其今后從事材料學(xué)相關(guān)專業(yè)奠定堅實的理論基礎(chǔ)。在材料類專業(yè)固體物理教學(xué)改革中，既要傳授基礎(chǔ)理論知識，又要培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力。固體物理課程改革的核心是教學(xué)內(nèi)容的改革，其原則是“強(qiáng)化基礎(chǔ)，聯(lián)系現(xiàn)實，培養(yǎng)能力，激勵創(chuàng)新”。 據(jù)此，將固體物理課程按課程內(nèi)容和學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)為基準(zhǔn)進(jìn)行模塊劃分，每一模塊都滲透理論、實驗、企業(yè)實踐和創(chuàng)新項目的內(nèi)容，理論知識學(xué)習(xí)和實踐技能培養(yǎng)交替實施，環(huán)環(huán)相扣，最終達(dá)到理論教學(xué)與實踐教學(xué)深度融合。

1.2 根據(jù)專業(yè)學(xué)科定位調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)方案

依據(jù)我院材料科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)科定位，在本門課程教學(xué)過程中，要將材料類學(xué)生的固體物理教學(xué)與物理類學(xué)生區(qū)分開來，因材施教。針對材料類學(xué)生的特點，教學(xué)過程中，不僅基本概念要清晰, 而且概念的內(nèi)涵和外延也要讓學(xué)生掌握。遇到物理背景較深的部分，教學(xué)中切忌追求復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，此時應(yīng)當(dāng)重在對學(xué)生物理思想的滲透，要深入淺出，把握重點。對于某一個具體理論，要重點闡述理論的建立過程與物理模型，而且做到物理模型盡量簡單，旨在讓學(xué)生掌握用固體物理學(xué)分析和解決問題的方法。固體物理是一門與實踐緊密相關(guān)的課程, 在固體物理教學(xué)中, 應(yīng)按知識模塊適當(dāng)安排實驗, 以激勵學(xué)生帶有主動性、自覺性和創(chuàng)造性的去學(xué)習(xí), 使學(xué)生深入了解所學(xué)知識的用處和價值。

1.3 調(diào)整和編寫教學(xué)大綱

采取課程團(tuán)隊式教學(xué)模式，結(jié)合材料科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，依據(jù)教學(xué)內(nèi)容，采取模塊化授課的教學(xué)形式。依據(jù)“理論課首先讓學(xué)生了解所學(xué)知識用途，實驗課讓學(xué)生初步懂得所學(xué)知識實際怎么用，實踐課讓學(xué)生進(jìn)一步能夠自己動手用，創(chuàng)新項目課讓學(xué)生最終自己會靈活運(yùn)用”的應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)[3]。同時，要多參考固體物理教學(xué)專家和企業(yè)專家的建議，并且結(jié)合材料類固體物理國家級、省級精品教學(xué)資源和專業(yè)教學(xué)研究論文等方面進(jìn)行深入調(diào)研，遵循“集中編排，避免重復(fù)，相互協(xié)調(diào)，遞進(jìn)提升”的方式，多角度地對課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化整合，明確課程內(nèi)容間的主次和關(guān)聯(lián)，科學(xué)設(shè)計課程教學(xué)內(nèi)容[4]。

1.4 教學(xué)內(nèi)容的模塊化調(diào)整

固體物理課程主要包括兩部分的內(nèi)容, 一部分為晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)合、晶格振動、金屬自由電子理論、固體的能帶理論等固體物理學(xué)的基礎(chǔ)知識部分；另一部分為半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、非晶態(tài)固體、固體的磁性等專業(yè)知識部分，內(nèi)容較多[5]。但材料學(xué)專業(yè)固體物理課程學(xué)時安排的都較少，豐富的教學(xué)內(nèi)容與縮減的學(xué)時之間存在尖銳的矛盾。針對這一問題，采取的措施是，依據(jù)專業(yè)定位和人才培養(yǎng)方案，適當(dāng)減少傳統(tǒng)固體物理內(nèi)容與材料學(xué)關(guān)聯(lián)不大的內(nèi)容，在教學(xué)過程中要做到有的放矢，而不是面面俱到，抓住課程的主線，主要講授核心內(nèi)容，刪去枝節(jié)，給學(xué)生展現(xiàn)一個清晰的固體物理課程的圖像即可[6-7]。基于這一原則，我們選取包括晶體結(jié)構(gòu)在內(nèi)的基礎(chǔ)部分的七個章節(jié)作為大綱教學(xué)內(nèi)容，對專業(yè)部分的與材料類專業(yè)聯(lián)系緊密的半導(dǎo)體部分，因為后續(xù)專業(yè)課部分中會開設(shè)半導(dǎo)體物理課程，本課程采取制作關(guān)于半導(dǎo)體基礎(chǔ)理論的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，以學(xué)生選修課的形式做好本課程與后續(xù)課程的知識銜接。對優(yōu)化調(diào)整后的教學(xué)內(nèi)容采取模塊化的教學(xué)方式，每個模塊包括，理論教學(xué)、實驗教學(xué)和前沿、熱點問題專題講座，理論和實驗課時計入固體物理總學(xué)時，而專題講座以網(wǎng)絡(luò)視頻的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，具體的模塊劃分如表1。

表1 固體物理教學(xué)模塊劃分和考核

雖然采用模塊化教學(xué)，但教學(xué)的過程中，要時刻注意各模塊內(nèi)容之間的聯(lián)系、各章節(jié)內(nèi)容的連貫性和各知識點之間的網(wǎng)絡(luò)交叉，切忌將各模塊內(nèi)容隔離開來。總之在整個教學(xué)過程中要始終貫穿一條主線，即固體物理是從微觀角度揭示物質(zhì)宏觀物理現(xiàn)象的學(xué)科。

2 突出應(yīng)用能力培養(yǎng)

在固體物理教學(xué)中，根據(jù)模塊劃分，將實驗教學(xué)內(nèi)容穿插于課堂講授過程之中。增加實驗教學(xué)的目的是，通過實驗與理論相結(jié)合，探索更加合理優(yōu)化的教學(xué)方式、方法；同時因材施教，鍛煉學(xué)生自身的動手能力、同時讓學(xué)生領(lǐng)會實驗的設(shè)計思想。

在理論、實驗教學(xué)的同時，基于教師科研實際, 應(yīng)依據(jù)教學(xué)內(nèi)容，適時把材料研究的前沿和熱點問題引入課堂，以此鞏固所學(xué)知識和提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[8]。如在材料晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合模塊，開設(shè)碳納米管和石墨烯的最新研究進(jìn)展專題講座，介紹碳的同素異形體在材料研究前沿的進(jìn)展情況，使學(xué)生進(jìn)一步明確材料的微觀結(jié)構(gòu)決定材料的宏觀性能和用途。波色-愛因斯坦凝聚中物質(zhì)波局域模行為特性的研究專題講座，讓學(xué)生進(jìn)一步明確晶格振動的能量量子化問題。光子晶體和聲子晶體的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展專題講座開展，目的是進(jìn)一步突出能帶理論在進(jìn)行材料的能帶工程設(shè)計中的理論基礎(chǔ)作用。摻雜對稀土發(fā)光材料性能影響的專題講座，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)缺陷在材料晶體設(shè)計中的作用。

系列前沿專題講座的題目選取也結(jié)合教師的科研實際，不但讓學(xué)生感覺到了科學(xué)發(fā)展的脈搏和動力，并且，依據(jù)學(xué)生自身的興趣，學(xué)生以創(chuàng)新課題的形式參與到教師的科研中，通過創(chuàng)新課題的科研實踐，增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和創(chuàng)新意識。總之，通過課程內(nèi)容模塊化劃分，以創(chuàng)新項目為牽引，真正做到“理論課讓學(xué)生知道干什么用，實驗課讓學(xué)生懂得怎么用，創(chuàng)新項目課讓學(xué)生綜合靈活運(yùn)用”的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，潛移默化的讓學(xué)生掌握科學(xué)思維方法，真正實現(xiàn)教學(xué)過程“教學(xué)做”的融合貫通。

3 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的建設(shè)

在固體物理的教學(xué)過程中, 要時刻謹(jǐn)記，課程教學(xué)不是單一的教師對學(xué)生的知識灌輸，而是教師和學(xué)生雙方互動的過程，要引導(dǎo)學(xué)生成為主動學(xué)習(xí)的主體。在這門理論性極強(qiáng)的課程授課中，如果師生互動較少，極易使學(xué)生感到枯燥乏味[9]。為了更好的做到教學(xué)過程中的師生互動，逐步達(dá)到整體教學(xué)的教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體的目標(biāo)，要建好固體物理這門課程的網(wǎng)絡(luò)資源。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺要集合網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)布置作業(yè)、網(wǎng)絡(luò)討論和答疑等功能，力爭為學(xué)生提供更全面的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)資料。同時，通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺中的視頻和學(xué)習(xí)資料，對于相對簡單的知識環(huán)節(jié)，可以以MOOC的形式開展，讓學(xué)生更好的發(fā)揮學(xué)習(xí)的主觀能動性，培養(yǎng)其分析分體和解決問題的能力。

4 結(jié) 語

總之，材料學(xué)科中固體物理的教學(xué)，要結(jié)合人才培養(yǎng)目標(biāo)，從理論、實驗、專題講座、創(chuàng)新課題和網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)等方面多角度地對課程內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。明確課程內(nèi)容間的主從關(guān)系、層次關(guān)系以及內(nèi)在聯(lián)系，科學(xué)合理的設(shè)計課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式、方法。通過不斷的教學(xué)探索和改革，真正達(dá)到提高學(xué)生靈活知識應(yīng)用能力和科學(xué)研究素養(yǎng)的目的。

[1] 趙軍偉，趙覓．材料類專業(yè)固體物理課程創(chuàng)新教學(xué)改革與實踐初探[J]．輕工科技，2012(1)：134-135．

[2] 蘇興華．材料學(xué)科專業(yè)的固體物理課程教學(xué)改革探析[J]．科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012(21)：107-188．

[3] 徐權(quán)．地方應(yīng)用型本科院校產(chǎn)學(xué)研合作教育模式探究[J]．大慶師范學(xué)院學(xué)報，2014，34(6)：102-106．

[4] 惠群，程南璞，陳志謙．材料學(xué)專業(yè)固體物理課程教學(xué)改革與實踐[J]．西南師范大學(xué)學(xué)報，2011，36(6)：167-171．

[5] 閻守勝．固體物理基礎(chǔ)[M]．北京：北京大學(xué)出版社，2003．

[6] 關(guān)玉琴．根據(jù)專業(yè)特色調(diào)整與優(yōu)化固體物理教學(xué)分析[J]．中國電力教育，2014(2)：121-122．

[7] 鐘佑潔，楊尊先．基于現(xiàn)代信息技術(shù)的固體物理教學(xué)改革研究[J]．技術(shù)物理教學(xué)，2013，21(3)：1-4．

[8] 吳明在，戴鵬，于欣欣，等．研究性學(xué)習(xí)在固體物理教學(xué)中的探索與實踐[J]．科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013(5)：194．

[9] 王少昊，施隆照，魏榕山．卓越工程計劃下的固體物理教學(xué)改革[J]．物理通報，2015(4)：13-17．

[責(zé)任編輯：崔海瑛]

王玉玲(1979-)，女，黑龍江肇東人，講師，博士，從事高等教育教學(xué)方面研究。

黑龍江省高等教育教學(xué)改革項目(GJE201301102)。

G642.3

A

2095-0063(2016)06-0135-03

2016-07-10

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095-0063.2016.06.029