陳 沖，王長征，耿婉瑩，杜 鵑，李 偉

（聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 聊城 252059）

0 引言

材料作為社會發(fā)展的三大基石之一，高性能材料的研發(fā)一直是其不懈的追求，而這不僅需要實(shí)驗(yàn)的支持，更離不開理論的指導(dǎo)。固體物理是依據(jù)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和組成固體的基本粒子的運(yùn)動形態(tài)及規(guī)律來揭示固體材料的宏觀物理性質(zhì)的一門課程，因此被認(rèn)為是高性能材料研發(fā)制備的理論指導(dǎo)性課程[1]。固體物理涉及材料的力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)等性能的機(jī)理研究，因此，在材料專業(yè)中起到承前啟后的作用，既是對本專業(yè)知識的進(jìn)一步提高和深化，也是連接本科生教育和研究生教育的橋梁，是材料類專業(yè)一門十分重要的專業(yè)教育課程。而另一方面，由于固體物理是從原子、電子等微觀角度揭示固體宏觀物理性質(zhì)，因此，量子力學(xué)是本課程知識體系的基本支撐，除此之外，還需要高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、材料科學(xué)基礎(chǔ)、熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理、理論力學(xué)等基礎(chǔ)課程知識。這使得固體物理課程具有知識面廣泛，理論綜合性較強(qiáng)，且大量運(yùn)用數(shù)學(xué)工具處理問題的特點(diǎn)。然而，對于材料類專業(yè)本科生，量子力學(xué)、理論力學(xué)以及統(tǒng)計(jì)力學(xué)等課程并未開設(shè)，而且，普通院校本科生的基礎(chǔ)相對薄弱、自主學(xué)習(xí)意識淡薄。這些不僅限制了學(xué)生對該課程的深入系統(tǒng)地掌握，影響了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的積極性；也使得教師講授該課程的進(jìn)度受到很大的影響。因此，近年來對于固體物理的改革探索也有較多的研究報(bào)道[2-4]。本文根據(jù)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的實(shí)際情況，結(jié)合材料類專業(yè)特色，對固體物理的教學(xué)就以下四個(gè)方面進(jìn)行探索性的實(shí)踐與改革。

1 結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，改革教學(xué)內(nèi)容

固體物理是一門綜合性課程，研究的內(nèi)容包括晶格結(jié)構(gòu)、晶體的結(jié)合，晶格振動，晶體缺陷，固體電子論、固體的磁性、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體等多個(gè)重要專題。但是對于材料類本科生而言，量子力學(xué)、分析力學(xué)等課程并未開設(shè)，需要補(bǔ)充相關(guān)內(nèi)容，且基礎(chǔ)相對薄弱，還需要控制授課速度，再加上課時(shí)量的限制，對于固體物理的課程內(nèi)容需要根據(jù)材料類專業(yè)的具體情況進(jìn)行取舍，以保證學(xué)生們保質(zhì)保量完成本科階段固體物理的學(xué)習(xí)。

首先，關(guān)于章節(jié)內(nèi)容的取舍，晶格結(jié)構(gòu)和晶體的結(jié)合在材料科學(xué)與基礎(chǔ)、大學(xué)化學(xué)以及物理化學(xué)中均有涉及，但是這兩章內(nèi)容為后續(xù)章節(jié)的基礎(chǔ)，所以仍然需要學(xué)習(xí)，但是不應(yīng)該花費(fèi)過多的時(shí)間。晶格結(jié)構(gòu)著重在講解和推導(dǎo)倒格子相關(guān)內(nèi)容，晶體的結(jié)合則重點(diǎn)學(xué)習(xí)模型建立，利用數(shù)學(xué)的方法分析晶體的結(jié)合及其特點(diǎn)等內(nèi)容。對于晶格缺陷部分的內(nèi)容在材料科學(xué)與基礎(chǔ)課程中學(xué)習(xí)得較詳細(xì)，且本部分的課程內(nèi)容與后續(xù)章節(jié)的聯(lián)系較少，可以作為自學(xué)內(nèi)容。晶格振動和能帶理論部分是固體物理非常重要且基礎(chǔ)的內(nèi)容，是后續(xù)材料性能分析的理論基礎(chǔ)，但是這兩部內(nèi)容均是以量子力學(xué)為理論基礎(chǔ)，因此應(yīng)該在課程內(nèi)容之前先補(bǔ)充量子力學(xué)、分析力學(xué)等相關(guān)知識。其中，量子力學(xué)的公式復(fù)雜，應(yīng)用到多體問題求解更是很難得出解析結(jié)果，因此補(bǔ)充量子力學(xué)的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)該著重講清楚波函數(shù)的含義，哈密頓量以及算符等基礎(chǔ)知識，使同學(xué)們理解量子力學(xué)與牛頓力學(xué)體系的區(qū)別。關(guān)于本科生階段的課程截止能帶理論是較為合適的學(xué)習(xí)量，如果繼續(xù)學(xué)習(xí)可能會給學(xué)生帶來一定的壓力，貪多反而會掌握不牢固。

其次，固體物理課程本身是一門還在不斷發(fā)展壯大的學(xué)科，不斷有新的知識、新的概念和問題補(bǔ)充進(jìn)來，而教材不會及時(shí)更新，因此還需要教師在授課過程中實(shí)時(shí)引入前沿知識。介紹發(fā)展前沿知識可根據(jù)課程知識，將最新的發(fā)展成果和文獻(xiàn)引入，且應(yīng)本著言簡意賅，定性描述的原則，以起到既能讓學(xué)生們開闊眼界、提高興趣的基礎(chǔ)上，又可以讓學(xué)生們認(rèn)識新舊內(nèi)容之間的聯(lián)系、區(qū)別和發(fā)展，進(jìn)一步鞏固和理解課本知識。

2 創(chuàng)新教學(xué)方式，調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力

固體物理課程所包含的知識面較為廣泛，且理論性和專業(yè)性較強(qiáng)，抽象難懂，大量運(yùn)用比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，增加了學(xué)生們的學(xué)習(xí)強(qiáng)度和難度，因此通過改革教學(xué)方式，調(diào)動學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性和主動性對于固體物理的學(xué)習(xí)異常重要。由于固體物理內(nèi)容體系龐大，各章節(jié)知識都有各自的特點(diǎn)，應(yīng)將各章重要知識點(diǎn)分解成專題進(jìn)行講授，尤其應(yīng)將“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的現(xiàn)代化信息技術(shù)融合到教育教學(xué)中，然后采用翻轉(zhuǎn)課堂的分組討論法學(xué)習(xí)，會是較適合固體物理的授課的方法[5]。

固體物理的基礎(chǔ)知識框架是進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)知識掌握不牢固對于固體物理中理論模型的應(yīng)用與調(diào)研都將很難進(jìn)行，因此基礎(chǔ)知識掌握是學(xué)生們學(xué)習(xí)的重中之重。在基礎(chǔ)知識講解過程中，涉及的圖形和公式較復(fù)雜，因此，根據(jù)各章特點(diǎn)，靈活使用現(xiàn)代化信息技術(shù)不僅節(jié)約時(shí)間，也有利于知識圖形的理解，達(dá)到事半功倍的效果。例如第一章中關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)容需要較強(qiáng)空間想象能力，而現(xiàn)在的視頻資源豐富，作圖軟件也很多，選擇一款合適的作圖軟件，以方便給學(xué)生從各個(gè)角度展示晶體的結(jié)構(gòu)，充分認(rèn)識了晶體的結(jié)構(gòu)，后續(xù)X 射線衍射、晶體結(jié)合等也能更高效地學(xué)習(xí)。同理，對于抽象的一維晶格振動以及能帶結(jié)構(gòu)，同樣可以借助于動圖、視頻等展示不同的波矢對應(yīng)的振動情況，不同介質(zhì)的能帶特點(diǎn)，幫助學(xué)生們理解。

固體物理教學(xué)中還存在的嚴(yán)重問題就是“有理無物”，這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)中感到非常抽象，增加了課程的難度。因此在基礎(chǔ)內(nèi)容講解后，可以將各章以研究專題的形式引入，且專題的引入要與實(shí)際實(shí)物相聯(lián)系，體現(xiàn)學(xué)科前沿性和時(shí)代性，還需要學(xué)生下功夫去查閱資料，去鉆研，才能完成的任務(wù)。實(shí)現(xiàn)既要解決有理無物的問題，還要使得學(xué)生獲得綜合運(yùn)用前期積累以及本章基礎(chǔ)知識解決復(fù)雜問題的能力。比如，晶體結(jié)構(gòu)可以由X 射線衍射展開，晶體結(jié)合可以由不同結(jié)合類型晶體的性能展開，晶格振動可以由晶體熱學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)等展開，能帶理論則可以由導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體的特點(diǎn)展開討論等。為保證各章專題的順利進(jìn)行，可以采用分組討論的問題引導(dǎo)式任務(wù)驅(qū)動方法，且以專題問題為導(dǎo)向的分組討論也是目前常用的一種翻轉(zhuǎn)課堂方法?？梢砸龑?dǎo)學(xué)生充分利用現(xiàn)代電子資源的巨大優(yōu)勢，通過超星數(shù)字圖書館、cnki 中國學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫等搜索與固體物理課程相關(guān)的前沿進(jìn)展，鍛煉學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力。鼓勵(lì)學(xué)生利用已學(xué)知識結(jié)合查閱的資料來完成專題的討論和講解，鍛煉同學(xué)們的合作能力、溝通能力、解決復(fù)雜問題的能力、口頭表達(dá)能力以及書面表達(dá)能力等。同時(shí)，也要重視學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和個(gè)性發(fā)展，鼓勵(lì)學(xué)生突破傳統(tǒng)，敢于提出獨(dú)到見解。為了防止討論組內(nèi)出現(xiàn)濫竽充數(shù)的情況，每次討論完后，對于組內(nèi)同學(xué)們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及貢獻(xiàn)進(jìn)行線上打分，以及留言，并及時(shí)處理組內(nèi)出現(xiàn)的問題，不斷優(yōu)化改進(jìn)翻轉(zhuǎn)課堂的學(xué)習(xí)方法。

3 融入課程思政元素，培育高品德人才

大學(xué)不僅是學(xué)生們學(xué)習(xí)積累科學(xué)文化知識、完善提升自我能力的重要時(shí)期，更是建立世界觀、人生觀、價(jià)值觀的重要時(shí)期；而且隨著信息化時(shí)代的不斷發(fā)展，當(dāng)代的大學(xué)生們面臨著諸多的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。樹立正確的三觀，成為能夠服務(wù)于社會發(fā)展，為社會主義建設(shè)添磚加瓦的棟梁之才，思想政治教育工作尤其重要。習(xí)總書記在全國高校思想政治工作會議上將思想政治理論教育比喻為鹽，鹽是我們不可或缺的，但我們不能光吃鹽，而要把它融入到各種食物里消化吸收[6]。同理，思想政治教育不能只靠思政課完成，而應(yīng)該融入到每門課程中，潛移默化，潤物無聲地幫助學(xué)生們樹立正確的三觀，因此思政教育工作是我們每位教師的責(zé)任與義務(wù)。教師作為實(shí)施教書育人的主體，是課堂教學(xué)的第一責(zé)任人，要將思政內(nèi)容融入到專業(yè)課程中，首先需要教師自身具有良好的文化修養(yǎng)與思想道德水平，而在教師不斷深入挖掘?qū)I(yè)知識蘊(yùn)含的德育元素過程中，一定能夠不斷提高自身的思政水平，形成正向的反饋機(jī)制。

固體物理是一門綜合性課程，內(nèi)容綜合廣泛，更需要在課程中加入思政內(nèi)容。深入挖掘?qū)I(yè)知識蘊(yùn)含的德育元素，采用“鹽溶于湯”的模式，從不同角度幫助學(xué)生形成正確的三觀，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的辯證辯證思維、創(chuàng)新習(xí)慣和大工程觀，以思想引領(lǐng)促進(jìn)大學(xué)生全面發(fā)展。另一方面，固體物理的發(fā)展從側(cè)面上反映了近代物理的發(fā)展歷程，近代歷史中我們國家經(jīng)歷了諸多磨難，科學(xué)研究也受到很大的限制，但是在此過程中，中國學(xué)者們刻苦努力、自強(qiáng)不息的精神是鼓勵(lì)學(xué)生積極向上、奮發(fā)圖強(qiáng)的優(yōu)秀榜樣。在挖掘思政實(shí)例的過程中也要不局限于科學(xué)研究，在各行各業(yè)為祖國富強(qiáng)而鞠躬盡瘁的人物事跡都是我們學(xué)習(xí)的榜樣。

在授課過程中，多采用聲頻、視頻的途徑來穿插引入勵(lì)志人物事跡，簡短的幾分鐘時(shí)間既可以將思政潛移默化地引入，又活躍了課堂氣氛，開闊學(xué)生視野；鼓舞學(xué)生以古代的賢者和當(dāng)今的名人為榜樣，學(xué)習(xí)他們的不懈奮斗，銳意進(jìn)取的精神，并將這些信念根植于學(xué)生們的學(xué)習(xí)以及未來的工作生活中。

4 創(chuàng)新思維、科學(xué)思想方法

為適應(yīng)當(dāng)前科技進(jìn)步、社會發(fā)展、日益激烈的國際競爭的需求，現(xiàn)代大學(xué)教育的中心是要培養(yǎng)學(xué)生們的綜合素質(zhì)：要具有扎實(shí)的知識基礎(chǔ)，具有創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力，同時(shí)還要具有實(shí)踐的能力，具有能夠解決一定的實(shí)際復(fù)雜工程問題的能力。而固體物理是一門理論與實(shí)際相結(jié)合的專業(yè)綜合課程，不僅拓寬學(xué)生們的理論知識，面向科技發(fā)展的最前沿；還將知識與實(shí)物相連接，培養(yǎng)學(xué)生們的創(chuàng)新精神，提高解決實(shí)際工程問題的能力。在教學(xué)中，要注重固體物理課程的基礎(chǔ)性與前沿性、探索性相結(jié)合，尤其要強(qiáng)調(diào)科學(xué)方法的運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生初步的科研意識和科研能力，為實(shí)際問題的分析解決打下良好的基礎(chǔ)。

固體由大量的原子、分子組成，是多粒子體系，相互作用非常復(fù)雜，而利用量子力學(xué)理論解決多體問題更是難上加難。固體物理為量子力學(xué)的應(yīng)用提供了途徑，即近似方法。近似法是指在處理問題的過程中，抓住問題的關(guān)鍵矛盾與本質(zhì)，忽略次要矛盾和要素，建立合理的模型分析實(shí)際的問題。我們處理實(shí)際問題的過程中，近似法方法是很實(shí)用且有效的，實(shí)際生活生產(chǎn)中遇到的問題復(fù)雜多變，在分析問題的過程中，我們應(yīng)該抓住事物的主要矛盾，忽略次要矛盾，這樣才能快速解決復(fù)雜工程問題。而要使用近似方法，抓住事物的主要矛盾，除了要有良好的知識儲備，對事物的深入認(rèn)識外，還要有大膽創(chuàng)新，勇于探索的精神。在固體物理課程中有很多的近似的方法的應(yīng)用實(shí)例：比如，在晶體熱容問題的解決過程中，影響晶體熱容的因素有很多，且利用牛頓力學(xué)體系建立的模型，不管如何豐富其影響因素都改變不了理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差異，這時(shí)就需要我們改變思路，創(chuàng)新思維，利用量子力學(xué)的理論方法來解決問題。在使用量子力學(xué)的過程中，同樣可以看出來，只要抓住了問題的本質(zhì)，就算是簡單的愛因斯坦模型的熱容理論，也能夠與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好吻合，不僅能夠給出合理的解釋也簡潔地指出了問題的本質(zhì)。在固體物理課程的學(xué)習(xí)過程中，要多強(qiáng)調(diào)近似方法的應(yīng)用，創(chuàng)新思維的重要性，為今后解決實(shí)際的工程問題奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

綜上所述，對于普通高校材料類專業(yè)本科階段固體物理教學(xué)中，重點(diǎn)在于引起同學(xué)們的興趣，調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生們意識到固體物理學(xué)對科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要性，尤其要將固體物理與材料相連接，體現(xiàn)固體物理在材料專業(yè)研究工具的特點(diǎn)。通過教學(xué)方法循序漸進(jìn)地改進(jìn)，教學(xué)內(nèi)容與材料知識的充分鏈接，課程思政的深入挖掘，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和專業(yè)能力，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。