王芳+郭紀(jì)源+張云芳+戴俊

摘要：以固體物理專業(yè)課程中半導(dǎo)體知識的教學(xué)為主線，提出了基于問題的教學(xué)法在課堂中的實踐，深入研究PBL教學(xué)法在物理專業(yè)課程中的設(shè)置，提高學(xué)生感知和解決問題的技能。這種以問題為主線的課堂教學(xué)模式與傳統(tǒng)的講授式教學(xué)模式相比較，可以更好地體現(xiàn)學(xué)生的主體性，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，發(fā)揮教師的科研工作在教學(xué)中的應(yīng)用，實現(xiàn)教師的科研和教學(xué)的統(tǒng)一性。

關(guān)鍵詞：固體物理；PBL；半導(dǎo)體；本科教學(xué)；課堂互動

自PBL教學(xué)法在二十世紀(jì)六十年代被加拿大McMaster大學(xué)運用于課堂教學(xué)后，許多世界著名大學(xué)都開始將以問題為中心的教學(xué)法（PBL）應(yīng)用于大學(xué)課堂。PBL教學(xué)法被認為是一種有效的學(xué)習(xí)策略，其可以推動學(xué)生自主學(xué)習(xí)和提高思辨能力、解決問題能力和團隊合作能力。在高等教育中，學(xué)生的學(xué)習(xí)包括學(xué)生參與，思辨能力，自主學(xué)習(xí)，團隊合作，解決問題，跨學(xué)科學(xué)習(xí)等綜合能力的培養(yǎng)。以問題為中心的教學(xué)模式（PBL）立足于解決以上這些問題，學(xué)生在參與問題討論的同時，可以在合作團隊中討論參與學(xué)習(xí)，多角度思考問題，從而獲得解決問題的能力。起初，PBL 教學(xué)法主要運用于醫(yī)學(xué)院的實踐教學(xué)和學(xué)習(xí)，但是，現(xiàn)在PBL 教學(xué)法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在世界上各個國家和多個領(lǐng)域。近年來，我國的高等院校也在嘗試運用這種教學(xué)模式，包括醫(yī)學(xué)、生物、電子工程等多個學(xué)科領(lǐng)域，且獲得了很好的教學(xué)效果。

物理是一個以物理概念和物理規(guī)律為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理學(xué)知識具有一定的抽象性和邏輯推理性，缺乏直觀性?；谄鋵W(xué)科特點——信息量大，專業(yè)課時量少，傳統(tǒng)教學(xué)通常采用講授式，這種灌輸式的教學(xué)通常忽略了學(xué)生的主體性、學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，教學(xué)效果一般。如何發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體性，關(guān)鍵在于教學(xué)方式的運用。因此，我們提出在物理專業(yè)的教學(xué)中，將PBL教學(xué)法植入固體物理教學(xué)中，采用分組的模式，以小組為單位，以問題為主線，收集問題信息，提出假設(shè)，分組討論，選擇關(guān)鍵信息，最終驗證假設(shè)。教學(xué)中以需要解決的問題為驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生以解決問題為主的教學(xué)模式。

固體物理是應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)學(xué)生的必修專業(yè)課程。在固體物理教學(xué)中，關(guān)于半導(dǎo)體能帶、本征和非本征半導(dǎo)體、P-N結(jié)等知識點的學(xué)習(xí)，理論性相對較強，對于理論基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大。鑒于信息量大、課時量少等問題，我們在固體物理課程半導(dǎo)體章節(jié)中植入PBL教學(xué)法，以發(fā)光二極管（LED）器件的研究為主線，引導(dǎo)學(xué)生利用課余時間收集、分析和整理相關(guān)信息，在學(xué)習(xí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識的同時，閱讀文獻，了解LED的研究進展和應(yīng)用前景。

（一） PBL模式的構(gòu)建

固體物理是一個前沿的、綜合性的、不斷發(fā)展的基礎(chǔ)學(xué)科。它是普通物理的綜合，是研究材料物理的基礎(chǔ)，本課程的學(xué)習(xí)主要包括晶體結(jié)構(gòu)、固體結(jié)合；晶格振動；能帶理論；半導(dǎo)體能帶、摻雜、導(dǎo)電性與器件應(yīng)用以及磁性、超導(dǎo)電性、光子晶體。LED涉及電子學(xué)，光學(xué)，現(xiàn)代物理學(xué)等多個領(lǐng)域，因此我們以LED為主線，研究PBL教學(xué)法在固體物理課程教學(xué)中的應(yīng)用。

把PBL教學(xué)方式引入固體物理半導(dǎo)體章節(jié)的教學(xué)，提出以半導(dǎo)體物理問題的PBL教學(xué)方法，以LED為研究對象，學(xué)生以小組為單位，進行實驗研究的同時，學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理基本知識。發(fā)光二極管（LED）可以作為一個黑匣子，引發(fā)學(xué)生研究的興趣，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)典物理課程以外的知識，以構(gòu)筑現(xiàn)代物理知識框架。

（二） PBL教學(xué)方法

LED最早是在1991年被引入物理課程教學(xué)。[John W.Jewett， “Get the LED out，”Phys.Teach.29， 530-534（Nov.1991）.]

將LED引入課程的三個不同的層次，如下所示。

1. 將LED作為黑匣子器件，幫助學(xué)生將相關(guān)實驗現(xiàn)象相聯(lián)系。（現(xiàn)象為主）

2. 幫助學(xué)生了解物理學(xué)知識中與LED實驗現(xiàn)象相關(guān)的方面，了解LED的工作原理。（概念、原理為主）

3. 在2 的基礎(chǔ)上進一步了解實驗現(xiàn)象背后的物理機制，熟悉LED的科學(xué)背景和科學(xué)前沿。（深入分析和探討）

LED涉及物理知識框架

1. 能量

實驗物理問題

Ⅰ將白熾燈連接到電池，觀察其發(fā)光；再將LED燈連接到電池和電阻，觀察其發(fā)光。宏觀上描述兩種燈泡的發(fā)光，比較兩種情況下的能量轉(zhuǎn)化。

Ⅱ?qū)ED與電池和電阻相連接，觀察其發(fā)光。將LED單獨與電壓表相連。用白光照射LED，觀察電壓表讀數(shù)。微觀上解釋實驗中的能量轉(zhuǎn)化。

Ⅲ將LED（紅色、綠色、藍色）單獨與電壓表相連，用不同顏色的光照射LED，觀察電壓表的讀數(shù)變化。當(dāng)用特定波長的光照射時，LED可以產(chǎn)生較高的電壓，這種電壓可以激發(fā)另一個LED燈泡。描述觀察到的物理現(xiàn)象。

為什么在光照LED時會產(chǎn)生電壓，光照時，光強和光的顏色如何選擇？

2. 半導(dǎo)體和P—N結(jié)

實驗物理問題

Ⅰ將白熾燈泡與電池電源相連，將之浸泡在液氮中，觀察其亮度的變化；將紅色或綠色LED與電阻相連，然后連接至電源兩端，之后浸泡液氮中，觀察其亮度的變化。歸納出該實驗所反映的LED的電學(xué)性質(zhì)。

Ⅱ?qū)ⅫS色和紅色LED分別連接至電源兩端，浸泡在液氮中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)紅色LED變?yōu)槌壬?，黃色LED變?yōu)榫G色。利用固體的能帶理論，研究LED的顏色變化的機理。

（三） PBL教學(xué)效果

在實驗討論中掌握一定的半導(dǎo)體知識：

1. LED的應(yīng)用和性質(zhì)

2. 半導(dǎo)體的帶隙

3. P-N結(jié)和N-P結(jié)的性質(zhì)，以及它們與LED的關(guān)系

4. 帶隙與LED發(fā)射光波長的關(guān)系

5. 直接帶隙和間接帶隙的特性

6. Kronig-Penney 模型

問題：

1. 預(yù)測一下在低溫下LED的顏色將如何變化？

2. 利用Kronig-Penney 模型，研究LED帶隙的變化是否僅與晶格相關(guān)？

（四） 結(jié)束語

傳統(tǒng)的教學(xué)著重于研究半導(dǎo)體物理的知識框架和結(jié)構(gòu)，這種以問題為中心的教學(xué)模式更加卓有成效地讓學(xué)生主動研究科學(xué)現(xiàn)象背后所隱藏的物理問題，以問題為出發(fā)點，最終又以問題為學(xué)習(xí)的目標(biāo)，這種探索式的學(xué)習(xí)方式更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力、自我發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。

參考文獻：

[1] 牛淑冬，孟慶芳，王月飛.PBL教學(xué)法在生理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院學(xué)報2003，24，5.

[2] 李金環(huán)，王笑軍，王慶勇.PBL教學(xué)模式在光學(xué)教學(xué)中的實踐探索[J].物理實驗 2015，35，8.endprint