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摘要：本文结合作者的教学实践，从固体物理学在材料学科中的重要性和目前的教学现状出发，从优化教学内容、改革教学方法、注重情感教学三方面，在实践教学中对固体物理课程教学的改革进行了一些探索，并取得了良好的教学效果。
关键词：材料学科；固体物理；多媒体与传统教学相结合；前沿课题；情感教学
本文引用格式：宋杨,等.材料学科中固体物理课程教学的改革与实践[J].教育现代化,2020,7(45):51-53.
Exploration and Practice of Solid State Physics Teaching in Materials Science Speciality
SONG Yang,YOU Cai-yin,LI Feng,ZHAO Zhi-ming
(Faculty of Materials Science and Engineering,Xi'an University of Technology,Xi'an Shaanxi)
Abstract:Based on the author's teaching practice,starting from the importance of solid-state physics in the subject of materials and the current teaching situation,this paper explores the reform of solid-state physics teaching from three aspects:optimizing teaching content,reforming teaching methods and paying attention to emotional teaching,and achieves good teaching results.
Key words:Materials subject;Solid state physics;Combination of multimedia and traditional teaching;Cutting edge subject;Emotional teaching
一 引言
《固体物理》课程是运用量子力学的理论和方法研究固体中原子或电子的微观分布和运动规律，阐述固体的热学、光学、电磁学等各种物理性质的一门科学，衔接着固体的微观组成和宏观特性，是基础理论与应用之间的桥梁。材料学科是一门应用性较强的学科，是以开发设计新材料为目的的一门综合学科。近些年来随着科技的进步，特别是纳米技术的兴起，要求人们越来越多的从微观角度认识材料的各种特性，在分子或原子尺度上设计新材料。因此，材料专业的学生十分有必要掌握一定的固体物理知识。
固体物理课程在应用物理、材料科学与工程、电子科学与技术等专业均有开设，但基于材料学科本身的特点，材料学院所开设的固体物理课程在教学内容和教学方法上需要有自己的侧重点和特点。
如果照搬其他学科的教学思路，或者盲目地按照课本内容讲述，会造成与本学科脱离，课程之间缺乏连续性等问题。本文主要从固体物理和材料学科本身特点出发，结合作者讲授固体物理的心得和体会，针对教学内容、教学方法和手段等方面提出一些改革措施。
二 优化教学内容
固体物理具有理论性强、内容丰富、较抽象难懂的特点，而且现有的教材大多又是针对物理专业编写的，内容庞大，几乎涵盖固体物理学的全部知识内容。对于材料专业而言，固体物理的课时一般设置为40-50学时左右。要在这样有限的课时当中，将固体物理的知识点精华清楚地讲述给学生，给学生一个明晰的物理线索，是教学中首先需要注意的一个方面。经过几年的教学实践和与学生的交流反馈，我们认为首先要抓住课程主线，对传统教学内容进行整合，适当引入前沿知识，这是固体物理教学改革的突破口。
（一）理清思路，化繁为简
物理学家冯端先生指出，应采用“周期结构中波的传播”[1]来作为固体物理的主线。固体物理的研究对象是具有周期结构的晶体，固体内各类微观粒子的运动，都可视为波在周期结构中的传播。有了这条主线，就可以统一理解晶体的结合力理论，晶格振动与热容理论和能带理论这三大固体物理的主干内容。并且这三部分内容也不是互相独立的，而是紧密联系在一起的：晶体能够存在是由于原子之间存在结合力；温度变化引起了结合力的改变，从而形成晶格振动，周期结构晶格的振动反应在热力学方面就是晶格热容；电子在晶体中周期性势场中运动就形成了能带。从这三点辐射出去，将繁杂的知识点串联起来就可以清晰地得到整个固体物理学的图像。
（二）注重与其他课程的交叉与衔接
固体物理学是从基础理论课程到专业应用课程之间的一门过渡课程，因此和两类课程都存在交叠和联系的内容。例如，在《材料科学基础》等其他课程中也包含晶体结构、晶体结合和晶体缺陷部分的内容；能带的近自由电子近似计算方法的理论基础主要是量子力学的微扰理论；而能带理论又是半导体材料的基础[2]；晶体结构则是X射线衍射的基础。因此在讲授这门课程时，任课教师应特别注重课程内容上与其他课程的这些联系。需要的前备理论知识可以作为课前预习作业让学生提前温习，更高效率地利用课上时间。与其他先修课程的重复部分可以采取提问、总结或者引导学生来讲述的形式来互动。这样即可以将有限的课时用在重点内容讲解上，又不至于产生知识体系上的脱节现象。在讲到与实际应用联系较为紧密的内容时，在将原理讲述明白的基础上，可以适当地引出衔接的课程，让学生感受到课程的连贯性，激发学生的学习兴趣。这些都需要任课教师注重与其他任课教师之间的沟通与交流，不能盲目地按照教材内容不分详略去讲授。
（三）引入前沿课题
固体物理是二十世纪物理学发展最快的一门学科，为人们按指定性能研制新材料提供科学指导和途径。几十年来，以固体物理理论为基础，在半导体、磁学、激光、超导等现代科学技术研究方面取得了重大突破[3]，已成为新材料、新器件的“生长点”。固体物理的教学也应该“与时俱进”，将当今材料学科中相关的前沿课题引入课堂之中。例如，可以在对应的知识点介绍时适当地引入超导、LED和纳米晶等前沿课题。通过教学实践我们发现，学生对这些高科技前沿课题十分感兴趣，学习热情高涨，同时思路和知识面也得到了扩大。但是在讲述时要注意新旧内容之间的联系、区别和发展；不要使用过多的专业术语，给出定性结论即可；时间控制需适当，才能避免喧宾夺主，巩固对原有知识的理解，达到提高教学质量的目的[2]。另外教师可以结合自己或本校其他教师的研究方向，以专题讲座的形式进行较为详细的介绍，为今后的毕业设计进行铺垫，使学生在毕业设计选题时不至于盲目，也有利于研究的顺利开展。
三 改革教学方法
（一）多媒体与传统教学相结合
对于固体物理中的晶体结构、对称性、点群等概念需要较强的空间想象能力，过去在讲述这些内容时，一般使用老式的球棍模型。这些模型虽然可以达到辅助教学的目的，但也存在着数量有限，年久缺乏维护等缺点。除此之外，固体物理的内容大部分是从电子或原子的层面上分析和研究材料，属于微观领域，而一些重要概念和结论又是从这些微观模型中引出或得到的，学生常反应“看不到，摸不着，想象不来”，难以理解。近几年来发展起来的多媒体技术恰好可以弥补这些不足[4]。例如在讲到位错时，就可以将位错的形成过程用动画直观的表现出来。再如三维晶格的能带结构，在没有使用多媒体教学前，教师只能在黑板上画出能带的剖面二维图，而三维空间能带的连续变化就只能通过教师的描述和学生的想象。现在使用了多媒体教学，抽象物理图像的直观表现就变得易如反掌。这种通过加强学生感性认识的教学效果要远远胜于口头讲述。虽然多媒体技术使得教学在内容和形式上丰富了许多，但也存在自身的一些缺点。通过近几年的实践，我们发现教师在使用多媒体上课时，常将讲授的内容全部制作成幻灯片。这样做虽然降低了教师的备课工作量，但上课时很多老师就对着幻灯片“照本宣科”，缺乏激情，学生自然也会感到枯燥乏味。幻灯片又很难把握一些推导过程的播放速度，同时缺少传统教学在黑板上书写的过程，不利于学生紧跟老师的思路和整理笔记。因此应提倡多媒体与传统教学相结合的教学方法，重要公式的推导过程仍使用传统教学方法，在幻灯片中尽量避免大段文字出现,借助多媒体展现三维立体图像和动画。使多媒体与传统教学发挥各自的优势，互补彼此的不足。
（二）材料学计算软件辅助教学
除了使用多媒体与传统教学相结合外，还可以引入先进的材料学计算软件。比如Materials Studio软件中的Materials Visualizer模块具有强大的建模能力，可以搭建分子、晶体和界面等结构模型，涵盖了教学中所涉及到的所有晶格类型。学生还可以通过访问剑桥结构数据库（CSD）下载自己所需要的结构。Materials Visualizer模块还支持对所搭建模型进行各个方向上的自由旋转和调整，这为理解对称性和点群概念带来了很大便利[5]。
能带结构是固体物理学的重点，固体的很多性质都是基于此。计算能带的方法很多，过程也很复杂，用到的多为量子力学方面的计算，并且对学生的微积分计算能力要求也很高，学生学习起来往往感到无从下手。Materials Studio软件中的CASTEP模块可以进行固体的能带结构、能态密度、电荷密度和光学性质等计算，并且避免了繁杂的理论推导，而侧重于结果的分析和讨论上，使用方便容易上手。教师可以将学生分成小组，各小组计算不同金属或半导体材料的能带结构。从晶体格子的搭建到实际晶体的能带结构计算和分析，每个环节都让学生动手参与，最后将各小组的结果进行比较和讨论。这样的实际计算，将原来书本上死板抽象的理论变成了直观的科学数据，使学生对该部分内容的理解更加深刻，不但激发了学习兴趣，学生也感受到了学以致用的乐趣。
四注重情感教学
最后一点，也是固体物理教学中常常被忽略掉的一点——情感教学。传统的固体物理教学内容中专业术语艰涩难懂、数学演算复杂繁琐，虽然引入了多媒体等先进技术，在教学方法上得到了很大改善，但是在实际教学中如何做才能让学生更加喜欢这门课程，仍旧是固体物理教学需要注意的一个问题。
心理学研究表明:情感因素是影响教学质量的一个重要因素[6]。为数不少的老师片面认为教师讲授的是科学知识，只要用符合逻辑的语言去说明道理就可以，这样在课堂教学中就往往是表情麻木冷淡，讲授平淡无奇，站在讲台上一副居高临下“真理非我莫属”的样子，导致课堂气氛压抑，使学生产生厌学情绪。但是如果教师能够主动放下架子，以饱满的、积极向上的热情带领学生去探索奥秘，引用身边的实例，将自己在学习和讲授中的心得和体会拿出来和学生分享，用生动的语言来传授新的知识，避免用干巴巴、生涩的、高深莫测的名词术语来照本宣科，并对学生抱以热情和信任的态度，这样就可以让教学相长的平等气氛充满课堂，达到“亲其师，信其道”的目的。
另外还可以在教学中适当地穿插物理学史中的一些小段落，例如可以介绍一下国内外著名的固体物理学家黄昆先生艰苦的求学历程，引出以黄昆先生命名的著名的黄昆方程。这不仅可以让学生了解晶格振动理论的发展历程，而且可以激发学生积极向上的探索精神和民族自豪感。
五 结束语
材料学科的固体物理课程有自己的特点，优化教学内容，可以突出重点、有的放矢；改革教学方法，引入多媒体等先进手段，则可以激发学生学习兴趣，扩大知识面；注重情感教学，可以促进师生交流互动。通过近几年的努力，我们发现学生学习的积极性和主动性都在很大程度上得到了提高，在掌握知识的同时，培养了学生良好的逻辑思维能力，提高了学生的创新能力，为学生以后的工作和研究学习打下了良好的基础。
参考文献
[1]冯端,金国钧.凝聚态物理新论[M].上海:上海科学技术出版社,1992.
[2]唐宇,张怡叶,益聪,等.“正奇结合”:材料专业“固体物理”课程教学探索[J].科教文汇,2019,467:78-79.
[3]张伟,陈昊,王桂强,等.《固体物理》课程教学思考[J].教育现代化,2018(33)172-173.
[4]杭弢,凌惠琴,顾佳俊.材料学专业固体物理教学中的抽象与形象思维转化[J].大学物理,2018,37(6):7-9.
[5]苏欣,高峰.Materials Studio软件在固体物理教与学中的应用[J].伊犁师范学院学报(自然科学版),2018(3):85-88.
[6]梅延玲.物理教学中的情感因素[J].教育与管理,2005(9):71.
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