固体物理教学改革的探索

2023-01-16

固体物理是二十世纪物理学发展最快的一门学科, 已成为当今物理学领域中最重要的学科之一。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[1]。随着科学技术的飞速发展, 该学科日新月异, 高新技术层出不穷, 也形成了一些新观念。

从我校物理学与电子工程学院建立以来, 即为物理学专业本科生开设了固体物理这门专业课程。多年来, 在多位任课教师的不断努力下, 积极开展教学内容、教学方法等方面的改革活动。但传统的固体物理教学内容缺乏对固体物理前沿知识的相关介绍, 教学方法手段也过于单一, 这些都不利于高素质创新人才的培养和造就。固体物理学是基础学科与应用学科之间的桥梁, 也是一门理论与实验相结合的学科, 因而设置课内实验和实际操作直接影响到教学质量和教学效果, 但传统教学中往往忽视了这一环节。针对目前教学中存在的问题, 我们对固体物理学课程的教学, 从教学内容、教学方法及教学手段几方面进行了探索性的改革, 以满足学科自身发展和对学生创新培养的要求。

1 改革教学内容

固体物理理论性强, 内容丰富, 体系庞大, 各部分内容相互联系各有特点, 形成具有层次性和网络交叉关联性的内部知识结构, 较抽象难懂。现有固体物理课程的传统教学内容是以后从事凝聚态及材料物理专业科学研究的基础, 也是师范类学生毕业后, 在中学从事教师工作必备的基础知识。因此, 传统教学内容不能轻易取舍。但传统教学内容也存在一定的缺陷, 如传统教学内容有完整、详尽的规定, 对知识的掌握、运用有明确的要求, 把掌握知识本身作为教学目的, 把教学过程理解为知识的积累过程。因而不能很好的实现学生创新能力的培养[2]。

在教学大纲的基础上, 对传统固体物理教学内容进行整合和某些前沿知识的引入, 实现教学内容的创新, 是固体物理教学改革的突破口。当然, 引入前沿课题并不意味着把各种前沿内容生硬地列进课程中, 而是将其融入基本理论中, 进而丰富基本理论的内容。对固体物理的前沿内容也可穿插地引入教学中, 如在讲到晶体晶格常数时, 考虑到半导体超晶格和微结构是近年来开拓的新领域, 可不失时机地插入超晶格的概念, 这样可以拓宽学生的视野, 激发学生学习固体物理的兴趣。由于课时的限制, 也可通过专题课外讲座的形式把某些前沿内容介绍给学生, 如关于“纳米固体材料”, “光子晶体”方面的研究等[3]。为了增强学生分析和解决实际问题的能力, 教师也可结合讲授的具体情况, 提出一系列的问题, 让学生结合自己的兴趣选择相应的问题, 然后通过查资料、做实验、或请求老师指导协助等, 解决问题, 最后以论文或报告的形式递交自己研究成果。这样可以启发学生思考的积极性, 提高学习的兴趣。

2 改进教学方法

在教学中贯彻“教为主导, 学为主体”的原则[4], 组织课堂教学, 改变传统的单调呆板的教学方法, 充分运用材料模拟软件可视化功能把抽象物理模型及作用原理尽量形象的展现, 激发学生学习兴趣。如在讲授晶体结构、能带结构计算及X射线衍射内容时, 结合Materials Studio教学辅助功能将抽象、复杂的概念和模型具体形象化, 以提高学生的学习兴趣, 增强学生创造性思维[5]。安排学生课前做好预习, 在有准备的基础上发现和提出问题, 并由被动接受知识变为主动探索知识。我们可以采取如启发式、讨论式等教学方法。

3 优化教学手段

固体物理学课程内容抽象, 概念性强, 学生在学习时容易感到枯燥难学, 因此在讲授时除传统板书外多用形象化语言 (如教学模型、挂图、照片等) , 使固体物理中一些抽象的概念直观化、形象化地表现出来, 加深学生对课程内容的理解, 提高学习兴趣。为了便于学生对课程中难点知识的理解和掌握, 在教学中可充分发挥多媒体演示教学的优势, 把课程中涉及的难点问题的物理图像以二维或三维动画形式生动形象地展示在学生面前, 以弥补传统教学在时间和空间等方面的不足, 提高教学效果。此外, 学生还可应用固体物理知识, 结合计算机模拟等技术来计算处理物理问题, 加深对物理概念的把握以及物理过程的了解。当然, 在固体物理教学中, 课内实验作为理论教学的补充和延伸, 是必不可少的一个教学环节, 通过实验课程的训练, 学生可以有更多的实践和动手机会, 使得实践技能和创新能力得到较大程度的培养。

通过以上教改方案的实施, 希望能够激发学生学习的主动性、积极性和自觉性, 使对固体物理学课程的学习有所帮助。在掌握知识的同时, 培养学生良好的物理思维模式, 提高分析解决问题的能力, 增强专业素质, 提高创新能力, 为学生以后研究生阶段学习和步入社会后的工作建立牢固的基础。

摘要：针对固体物理学理论性强、学科发展快、概念性强, 学习时感到抽象难学的特点, 本文就教学内容、教学方法和教学手段等方面作了探索性的改革, 以期在固体物理的教学中取得良好的效果, 并对推动教学质量的提高和创新性人才的培养提供新的思路和方法。

关键词：固体物理,学科前沿,教学改革,教学质量