葛奔

【摘 要】由于固體物理學和材料學的學科定位和性質(zhì)不同，導致目前材料專業(yè)的固體物理教學存在著諸多問題，本文從材料學科固體物理的重要地位及目前的教學現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合作者固體物理課程實際的教學經(jīng)驗，對如何擺脫當前固體物理教學窘境，提高材料專業(yè)固體物理課程的教學成效提出若干思考。

【關(guān)鍵詞】固體物理學；材料科學；教學改革

0 引言

固體物理學（solid state physics）是綜合了數(shù)學、量子力學、結(jié)晶學、電磁學等學科的理論和方法研究組成固體的粒子（原子、離子、電子等）之間相互作用與運動規(guī)律以闡明固體微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間關(guān)系的基礎(chǔ)學科。固體物理學在最前沿的物理理論與現(xiàn)實的技術(shù)應(yīng)用之間架設(shè)起一道可行性橋梁，是目前材料專業(yè)的學生以及從事材料科學研究的工作者必修的一門基礎(chǔ)課程。隨著固體物理學數(shù)十年的發(fā)展，該學科日新月異，新理論、新技術(shù)層出不窮，在半導體、超導、激光、電磁學及納米材料等高新科技研究領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用也取得了很多重大科技突破。

學科的發(fā)展日新月異，但教學方法和內(nèi)容卻一成不變，這是目前固體物理教學存在的現(xiàn)實問題，亟待通過課程創(chuàng)新或改革解決。由于固體物理學涵蓋的內(nèi)容很多，不同學科對固體物理學的知識側(cè)重有不同的需求。對于物理基礎(chǔ)薄弱的材料專業(yè)學生來說，這門偏理論、多公式的課程一直因為難學、難教、考試及格率低而成為材料專業(yè)課程設(shè)置的痛點，甚至有學校的材料專業(yè)直接不予開設(shè)，這顯然不是解決問題的正確做法。針對目前固體物理教學存在的諸多問題，本文從材料學科固體物理的重要地位及目前的教學現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合作者固體物理課程實際教學經(jīng)驗，對如何擺脫當前固體物理教學窘境，提高材料專業(yè)固體物理課程的教學成效提出若干創(chuàng)新改革思路。

1 固體物理學的重要地位及與材料科學之間的關(guān)系

對固體物理性能的研究其實已有數(shù)百年的歷史，但直到1940年代，固體物理才被作為一門獨立的學科由美國物理學會提出并設(shè)立。其功能定位于將前沿物理理論與工業(yè)實際應(yīng)用聯(lián)系起來，迎合了當時高科技產(chǎn)業(yè)尤其是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。因此剛一設(shè)立就得到了快速的發(fā)展，到1960年代，固體物理已成為美國物理學會最大的學科[1]。二戰(zhàn)以后，固體物理學在歐洲英、德、蘇聯(lián)等國興起。我國大學課堂對固體物理學的引入始于1950年代。此后數(shù)十年，固體物理學在半導體、超導體以及核磁共振領(lǐng)域取得卓越的進展。1970年代，曾因命名引起爭議的固體物理學衍生出了科學問題涵蓋更廣且更為嚴謹?shù)哪蹜B(tài)物理學，但固體物理學并未被凝聚態(tài)物理學整合，而是作為目前凝聚態(tài)物理的一個最重要也是最龐大的分支學科繼續(xù)指導著工業(yè)應(yīng)用。顯然，固體物理的研究對象是物質(zhì)常見三態(tài)之一的固態(tài)物質(zhì)，液態(tài)和氣態(tài)實際上均可以看作是固態(tài)進一步的激發(fā)態(tài)。因此，從固態(tài)入手可使對凝聚態(tài)物質(zhì)的基本規(guī)律的研究大為簡化，更容易理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的本質(zhì)，這也是固體物理學之所以獲得特殊地位的重要原因。

材料科學（materials science）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)系的學科，其誕生的歷史時期幾乎是與固體物理學同時，因研究領(lǐng)域有交叉滲透，自誕生起，兩者就密不可分。隨著學科的發(fā)展，固體物理學對于材料類專業(yè)的支撐作用將越來越重要。早期的材料研發(fā)主要以經(jīng)驗和實驗為主，新材料的發(fā)現(xiàn)具有偶然性，盡管物理理論的發(fā)展成熟在先，但很難直接指導實際的材料研發(fā)。近年來得益于計算機技術(shù)的日新月異，材料科學有從材料“選擇”（select）向材料“設(shè)計”（design）發(fā)展的明顯趨勢[2]。2011年后，美國和中國相繼推出“材料基因組計劃”，旨在材料領(lǐng)域建立先以理論模型預(yù)測后實驗驗證的材料設(shè)計新理念[3]。材料設(shè)計思想的基礎(chǔ)源于物質(zhì)結(jié)構(gòu)、組成與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，而以量子力學為基礎(chǔ)的固體物理能夠從基本粒子的層面深入揭示這種內(nèi)在聯(lián)系。因此，對于現(xiàn)代材料科學，固體物理學無疑將發(fā)揮著越來越重要的指導作用，對材料專業(yè)的學生開設(shè)固體物理課程也是必不可少的。

2 材料專業(yè)固體物理課程開設(shè)現(xiàn)狀及存在的問題

固體物理不是研究簡單的宏觀固體的運動，而是研究基本粒子的微觀運動。構(gòu)成宏觀固體材料的基本粒子的數(shù)量龐大，至少在10的23次方數(shù)量級，描述這樣龐大的粒子體系的運動規(guī)律很顯然需要運用前沿的量子力學以及各種數(shù)學和統(tǒng)計學模型。這是導致固體物理公式化的一個重要原因，以作者所用陳長樂先生編的《固體物理學》教材為例，該書除第1章晶體結(jié)構(gòu)公式較少以外，其余8章內(nèi)容布滿了數(shù)學物理符號和公式推導[4]。除晦澀難懂理論艱深外，固體物理涉及的內(nèi)容龐雜，光學過程與激子、晶格振動與聲子、電子運動與能帶以及由此衍生出來的半導體、超導體、介電體、金屬費米面、磁共振以及更加具體的納米結(jié)構(gòu)、非晶、缺陷等等，每一個名詞背后的知識量都足以額外支撐一門獨立的課程。因此，對于材料專業(yè)，引入課程難、內(nèi)容多固體物理作為基礎(chǔ)課程就自然帶來兩個很難解決的問題。

首先，材料專業(yè)本身涵蓋的基礎(chǔ)課程內(nèi)容就十分龐雜，材料力學、材料熱力學、材料化學、材料物理、物理化學、電工電子等等，這就導致留給固體物理課程的課時量十分有限，作者所教的固體物理課程課時量僅為32學時，32學時很難把固體物理課程講深講透講系統(tǒng)，只能舍棄掉后面幾個專業(yè)應(yīng)用的章節(jié)，只講前面幾章基礎(chǔ)的部分，即便如此課時量依然不夠。

更難以解決的是課程難度問題。這一方面來源于固體物理本身的絕對難度，另一方面源于對材料專業(yè)學生而言的相對難度。如前文所說，固體物理綜合了高等數(shù)學、量子力學、量子化學、統(tǒng)計物理等課程的理論及模型處理方法，在固體物理教材中很多公式和模型是直接給出的，默認學生已經(jīng)掌握。因此，學習固體物理之前需要系統(tǒng)的學習上述課程，并掌握嫻熟。但是實際上，材料專業(yè)學科研究的空間尺度重點在晶體原子間距以上（幾個埃），更關(guān)注材料整體的使用效能和工藝過程，很多像量子力學、量子化學這樣的課程是不在專業(yè)培養(yǎng)方案里的，這就導致材料專業(yè)開設(shè)固體物理的先修課程不充分。學生前期先修課程缺少或者掌握不熟練，在接觸固體物理課程時無疑會感到吃力，如果課下再不多花時間預(yù)習復(fù)習，課堂上一個概念不懂很容易形成惡性循環(huán)，導致厭學情緒蔓延，給老師課堂教學造成壓力。endprint

上述兩個問題由來已久，但至今仍然沒有大的改觀，亟需固體物理教學一線的教研人員及時總結(jié)經(jīng)驗，提供切實可行的解決方案。

3 固體物理教學改革方向

本文作者在固體物理教學過程中也感受到了上述問題，先修課程不足導致課程難教，大量的教學時間用來回顧和補充高等數(shù)學及量子力學相關(guān)知識，課時量少則導致教學進度相對加快，學生很難跟上節(jié)奏。32學時的課程結(jié)束，學生掌握情況并不好，收效甚微，為了改善這個尷尬局面，提高固體物理教學成效，經(jīng)仔細分析，提出以下創(chuàng)新改革措施，希望能給同行們貢獻一點思路。

3.1 教材或教學內(nèi)容的改革

固體物理最初是給物理專業(yè)學生開設(shè)的課程，因此早期的固體物理教材都是偏向物理專業(yè)的學生編撰的，長期以來鮮有專門針對材料專業(yè)的學生設(shè)計的固體物理基礎(chǔ)教材，至今仍然是個缺口。黃昆先生編著的《固體物理學》一直被視為入門級的經(jīng)典教材[5]，也是后續(xù)固體物理教材的藍本，但是內(nèi)容仍然偏理論和公式推導，并不適用于材料專業(yè)的本科生。閻守勝所編的《固體物理基礎(chǔ)》內(nèi)容對于材料專業(yè)學生并不基礎(chǔ)[6]，其他的國外經(jīng)典教材，如Charles Kittel所著《固體物理導論》中譯本[7]以及Economou所著《The Physics of Solids ： Essentials and Beyond》[8]內(nèi)容更為龐雜，盡管圖表清晰，內(nèi)容全面，但對于課時量較少的材料專業(yè)固體物理教學也并不適合。而且上述經(jīng)典教材均沒有對量子力學基礎(chǔ)知識的介紹，因此對于僅修過唯一的物理課程《大學物理》的材料專業(yè)學生來說，現(xiàn)有的固體物理教材均艱澀難懂，亟需針對性的設(shè)計編撰更加適用于材料專業(yè)培養(yǎng)需求的固體物理基礎(chǔ)教材。

本文作者認為，對于沒有前沿物理理論基礎(chǔ)的材料學生來說，固體物理教材在編寫過程中應(yīng)該注重物理思想的闡述，公式和推導不應(yīng)當作為重點。具體的教材改革方向有：

1）增加科學史和科學人物介紹。介紹每一個物理學家、物理思想、物理模型的來龍去脈一方面可以增加課堂的趣味性，提升學生主動學習的興趣，另一方面科學史有助于學生深入理解概念，理解物理模型的歷史背景和內(nèi)在動機，能夠順著物理學家的思路學習并掌握固體物理處理科學問題的方法。

2）改變教材敘述方法。目前絕大部分的教材的敘述方法都是由抽象到具體，這其實是與人的認知規(guī)律向左的。對于一本滿是抽象概念的固體物理教材，學生必然會感到無所適從。因此更加符合認知規(guī)律的教材應(yīng)該多用由具體到抽象的敘述方式。以倒易點陣為例，目前的通用教材都是直接給出抽象的倒易點陣概念，意圖把抽象的概念直接強加給學生。倒易空間本就是個極其抽象的空間，學生在不明白為什么引入倒易點陣之前就直接學習倒易點陣知識顯然是不合適的，這樣的結(jié)果往往是學生把這一抽象概念完全掌握之后才明白為什么引入這一概念，那這個由具體到抽象的解釋工作為何不提前做呢？

3）省略公式推導，重點介紹物理思想。比如對于材料專業(yè)的學生，單電子近似和局域密度近似的模型本身并不重要，近似的數(shù)學過程也不重要，重要的是讓學生理解為什么要做相應(yīng)的近似，近似后能夠處理原先不能解決的哪些問題，又會引入哪些新問題。對于學生，學習處理物理問題的思想遠比方法本身更重要。

其實教材始終是滯后的，既滯后于學科的發(fā)展，又滯后于教學內(nèi)容的變化。因此教材的改良并不是解決問題的唯一途徑。教材只是參考，教師在教學過程中完全可以把教材用活，根據(jù)不同專業(yè)不同基礎(chǔ)的學生的不同需求靈活調(diào)整教學內(nèi)容。教材知識缺少的可以在教學過程中增加，教材內(nèi)容累贅的，可以在教學過程中有選擇的講解。本文作者在材料專業(yè)本科生固體物理課程講解過程中深切體會到了這樣做的好處，比如針對學生先修課程不足的情況，專門補充介紹了量子力學相關(guān)物理思想，對于教材倒易點陣概念引入的突兀，也專門補充介紹了電子衍射和布拉格定律的相關(guān)知識，這樣做的結(jié)果是學生反映更容易理解了。

3.2 教學方法的綜合使用

以前的固體物理教學以板書為主，滿黑板的公式推導。隨著多媒體課堂應(yīng)用的普及，ppt教學成了主流，于是固體物理的課堂演變成了滿屏的公式推導。板書和PPT演示其實各有利弊：板書耗時，作圖不方便快捷，不形象，但是適合重要公式的推導演示；PPT課件可以事前準備，可以做到形象生動有助于概念理解，但是不適合公式推導演示。在實際教學中，尤其是固體物理這種涉及公式又涉及空間想象的課程，應(yīng)該將板書和PPT有機結(jié)合起來。例如講解對稱性時，利用PPT動畫演示能收到快速理解的效果，而對一些必要的公式推導比如勞厄方程、布拉格方程、歐拉公式的推導采用板書的形式更有助于引導學生的思路，幫助學生理解。

對于課時量充沛的固體物理教學，也可以多采用其他通用的教學方法結(jié)合的方式。比如增加老師和學生的互動，多向?qū)W生提問，鼓勵學生有問題隨時向老師發(fā)問，多講故事以激發(fā)學生的思維活躍度。針對學生上課愛玩手機的現(xiàn)象，可以變手機為課堂教學工具，比如遇到一個生僻的概念，發(fā)動學生手機百度，再如對一個物理問題現(xiàn)場手機搜索調(diào)研，然后在班級形成討論。在教學過程中也可以適當設(shè)計相關(guān)研究性課題，發(fā)動學生課下查閱文獻，自己設(shè)計PPT，然后在課堂展示競技。相信這些舉措都可以收到顯著的教學成效。

3.3 考核方法的適當選取

作為一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課，固體物理的課程考核方式一直是平時考勤作業(yè)成績加學期末的閉卷考試。由于作業(yè)的題型相對固定，歷年以來，學生交的課程作業(yè)存在大量抄襲現(xiàn)象，這樣的課后作業(yè)布置下來沒有起到原先設(shè)想的鞏固課堂所學知識的效果，毫無意義。針對這種情況一方面可以減少課后作業(yè)的布置量，提高題型的質(zhì)量，讓學生精做；另一方面可以采用布置調(diào)研性課題，或者學術(shù)報告的方式提升學生課后的實際參與度。學期末的考試也可以由閉卷考試調(diào)整為開卷考試，閉卷考試有其固有的弊端：以客觀題為主，大題也多是死板的公式推導，會導致學生為應(yīng)付考試死記硬背，無法達到激發(fā)并考察學生思維活躍度的目的。開卷考試則出題相對靈活，可以考察學生對概念的理解程度，考察學生綜合分析并解決問題的能力。以考促學，開卷考試這種形式將會促使學生在學習課程過程中更注重對概念的理解以及對物理思想的學習，這也能間接促使達成固體物理教學“輕公式、重思想”的改革目標。

4 結(jié)語

無論對于材料專業(yè)學習還是研究，固體物理雖然難度偏大，但其理論指導地位越來越重要，在本科生專業(yè)基礎(chǔ)課的開設(shè)中不可或缺。由于固體物理學和材料學的學科定位和性質(zhì)不同，導致目前材料專業(yè)的固體物理教學存在著諸多問題。實際教學過程中，需要根據(jù)學生的基礎(chǔ)及材料專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，合理的選擇或編撰固體物理教材，并根據(jù)需要隨時調(diào)整教學內(nèi)容和教學方法，采用適當?shù)目己朔椒?，最終的目的是使學生掌握處理科學問題的思路和能力，而不是簡單的知識的堆砌?？傊?，材料學和固體物理學都在不斷發(fā)展，材料專業(yè)固體物理教學改革的任務(wù)艱巨，也是個復(fù)雜龐大的工程，為提高材料專業(yè)固體物理課程的教學成效，培養(yǎng)出合格的高素質(zhì)創(chuàng)新型材料專業(yè)人才，需要從事固體物理一線教學的教育工作者不斷地研究探索、總結(jié)經(jīng)驗，提出創(chuàng)新改革措施。

【參考文獻】

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[4]陳長樂.固體物理學[M].科學出版社，2007.

[5]黃昆.固體物理學[M].北京大學出版社，2014.

[6]閻守勝.固體物理基礎(chǔ)[M].北京大學出版社，2011.

[7]C.基泰爾，項金鐘，吳興惠.固體物理導論/原著第8版[M].化學工業(yè)出版社，2012.

[8]Economou E N.The Physics of Solids：Essentials and Beyond[J].Review of Scientific Instruments，2010，9（1）：1-5.endprint