“固体物理”课程教学内容和方法的改革与实践-文档资料

“固体物理”课程教学内容和方法的改革与实践
自 20 世纪 50 年代以来，以固体物理的能带理论为基础，固体物理学得到了飞速发展。

科学家在磁学半导体、超导、激光等现代科学研究领域获得了重大进展，相关研究成果已经迅速转变为实际生产
力，并带动了相关信息科学技术群的高速发展。

在 20 世纪 50 年代末，“固体物理” 被采纳为我国物理专业的一门基础课，是在物理专业课程设置上最为显著的一项改革。

[1]
固体物理学通过研究固体的结构，及组成固体的粒子之间相互作
用与运动规律来阐明其性能和用途。

固体物理学涉及的内容包括固体中的原子结构、晶体结合规律、固体电子运动方程及能带结构、金属导体的导电机制、半导体的基本原理、超导性的基本规律等，因此，“固体物理” 已成为物理学科和材料学科的专业主干课之一。

中国石油大学（华东）为教育部直属的行业特色鲜明的工科重点大学，目前“固体物理”课程已在材料物理、材料科学与工程、光信息科学与技术三个专业开设，并拟在应用物理学专业开设。

本文从中国石油大学（华东）（以下简称“我校”）目前的固体物理本科教学实际情况出发，针对不同专业对固体物理知识需求的不
同，对课堂教学内容进行优化整合，并结合现代多媒体技术对教学手
段和方法提出合理改革措施并在授课过程中进行了实践。

一、教学内容的改革与实践―― “一个平台，三个知识模块”教
学模式的建立
“固体物理” 课程内容丰富，体系庞大，涉及到“普通物
理”“理论力学”“量子力学”“热力学统计物理”等多门课程，而目前国内各个高校“固体物理”课程的授课学时受到了总学时的限制。

因此如何在有限的学时内把固体物理的精髓讲授给学生，需要针对学生的不同专业特点和对固体物理的要求来精选授课内容。

我校有三个专业开设“固体物理”课程，分别为材料物理专业（64学时专业必修课）、材料科学与工程专业（ 32 学时专业限选课）、光信息科学与技术（ 32 学时专业限选课）。

由于各个专业的特点及对固体物理的要求不同，因此在授课过程中授课内容必定有所差异。

我校材料物理专业的学生毕业后一部分在企事业单位从事材料
分析与检测或材料制备工作，一部分继续读研深造。

学生在大学前两年的学习中已系统学过“普通物理” “量子力学”“热力学统计物理”等课程，物理背景明显，物理知识扎实，并且在以后的学习和工作中对固体物理要求较高。

根据这一实际情况，笔者选用山东大学出版的物理基地班教材，在对材料物理专业讲授时主要包含以下六部分内容：一是晶体的结构，在这部分中主要讲授固体物理的基本概念，如
晶体的共性、堆积模型、布拉菲点阵等内容；二是晶体的结合类型，
主要从晶体结合的物理本质出发阐述导致不同结合类型的原因；三是晶格振动与晶体热学性质，在该部分中主要有简单到复杂的讲解一维
晶格振动、三位晶格振动及晶格振动的热容理论；四是晶体的缺陷，
主要讲晶体缺陷的基本量类型、性质及缺陷的扩散和缺陷的统计；五是晶体中的电子能带理论，主要讲布洛赫波、一维晶格中近自由电子
的近似、能带理论等，并由此讲解导体、半导体、绝缘体形成的本质
和差异；六是自由电子论和电子的输运性质，主要讲电子气的费米统计，利用费米统计理论和能带理论对金属的电导、热导等电子输运特
性进行系统分析。

该六部分内容基本包含了晶体物理学的主要内容，
就后期学生深造所需的表面物理、非晶态物理等很少涉及。

该内容已
在材料物理专业2004～2008 级 5 届学生中讲授过，学生反映良好。

针对材料科学与工程专业学生开设“固体物理”课程，其为 32 学
时专业限选课。

考虑到该专业学生没有系统学习过“理论物理”“热
力学统计物理”“量子力学”等课程，物理背景相对较弱，但在先修课
程中已学过“材料科学基础” “材料工程基础”“材料力学性能”等课程，因此笔者在讲授“固体物理”课程时从学生实际知识背景和学时要
求出发，弱化课程涉及到的具体理论推导，强化模型思想对部分推导直
接得到结论。

从学生本身知识背景考虑，在课程教授时主要讲解以下
三部分内容：一是晶体的结合类型，该部分内容与材料物理专业一致；二是晶格振动与晶体热学性质，在该部分中笔者弱化理论推导，而是通
过近似的思想给出热容的爱因斯坦模型和德拜模型；三是晶体中的电子
能带理论，讲解内容与材料物理专业一致，但在授课过程中涉及到量
子力学的内容直接给出结论而略掉具体推导过程。

与材料物理专业相比，材料科学与工程专业学生的授课内容和授课学时均有所减少。

比如对于
晶体结构和晶体的缺陷等内容直接略掉，这是由于学生在先修课程材料
科学基础中已经讲解过，这样就避免了不同学院在授课过程中的内容交叉。

对于想继续考研深造的学生，笔者一般
建议跟随材料物理专业学生上64 学时课程。

该部分内容在2002～2008 级 7 届学生中讲授过，学生反应较好。

光信息科学与技术专业隶属中国石油大学（华东）理学院，该专业学生的物理知识较材料科学与工程专业学生教深，其专业就业领域
为光电子产品与技术领域。

光信息科学与技术专业开设32 学时“固体物理”专业限选课。

与材料科学与工程专业相比，开设课程学时虽
然相同，但学生的专业知识背景和对固体物理的要求并不相同。

该课程主要教授以下内容：一是晶体的结构，该部分内容与材料物理专业一致；二是晶体的结合，主要讲晶体结合的物理本质，并因此而导致
的不同晶体结合类型，应力和应变的内容因涉及到矩阵推导而去掉；
三是晶格振动与晶体热学性质，该部分内容与材料专业大概一致，但弱化具体推导，比如晶格振动的长波近似等内容，直接给出结论；四
是晶体的缺陷，主要讲晶体缺陷的基本量类型、性质，而缺陷的扩散
和缺陷的统计只做定性分析。

与材料物理专业相比，受到客观原因限制，光信息科学与技术专业学生的授课深度有所降低，授课内容和授课学时均有所减少。

该部分内容已在光信息科学与技术2006～2011级 6 届学生中讲授过，学生反应良好。

通过对课程内容的认真分析，并针对我校三个不同专业的课程特点及对固体物理的需求，笔者在多年实践的基础上实现了“固体物理”教学“一个平台，三个知识模块”
的教学模式，为其他相似课程的建设提供了一定的借鉴意义。

二、教学方法和手段的改革与实践
“固体物理” 课在授课过程中涉及到较多的理论推导，一般采用传
统的板书授课形式。

板书授课可以保证学生与教师思维的同步，加深
学生对知识点的理解。

但板书在课堂教学过程中会占用相当的课堂时间，降低课堂学习效率和信息量，且长时间板书会导致学生课堂注意力下降，主动参与学习的积极性降低。

从课程特点来看，某些教学内容单靠板书
学生理解难度较大，比如晶体周期性结构、密堆积模型的六角密排和
立方密排、倒格矢、倒格空间等。

传统的课堂板书教学方式在“固体物理”教学时遇到了极大的困难。

鉴于此，传统的板书教学方法需要改革。

自 20 世纪 90 年代以来，随着计算机技术的迅速发展，多媒体技
术已成为“固体物理”教学现代化教学手段的重要组成部分。

在“固体
物理”教学过程中晶格振动、固体、能带理论、电子输运等内容，要用
到量子理论、理论力学、热力学统计物理等知识，且要用到高度抽象的
波矢空间，该部分知识点一直是教师上课的重点和学生学习的难点。

借
助计算机技术可以把图片、文本、声音、视频等诸多要素集成在一起来
改变教学信息的包装形式，直观地用动态的画面解释晶体的微观及宏
观结构和有关的物理规律，从而提高教学内容的表现力和增强教学过
程中的直观感染力。

而且可以方便现在常用“固体物理”教学模式设计，提高现有教学模式的教学效率和质量，以达到优化固体物理教学的目
的。

[2] 如在讲到晶体的密堆积模型时，学生对六角
密排和立方密排感到难以理解，笔者利用3DS MAX动画制作软件及MS、CASTEP等计算软件的绘图功能制作了晶体结构的三维图像及视
频，从而充分向学生展示其堆积方式及堆积过程，学生反映良好，收
到了较好的教学效果。

多媒体技术授课方式同传统的板书教学相比有其自身的先进性，
如教师提前制作多媒体课件可节省大量的板书时间，可提高课堂效
率、增加课堂教学内容的信息量；多媒体课件的直观性、新颖性特点，可提高学生的课堂兴趣。

但“固体物理”课程理论性很强，如果课堂
教学完全依赖多媒体课件会导致学生忽略课程内容学习，而把注意力
转移到课件本身上去；多媒体课件可节省课堂板书时间，增加课堂内
容的信息量，但同时导致课堂进度紧凑，学生在课堂学习过程中思维
紧张，没有充分的时间对知识点深入理解和吸收。

因此，通过多年的教
学实践，在教学过程中笔者采用了课堂“板书教学 +多媒体教学”相结
合的教学模式。

如在讲解晶体结构时，笔者通过板书提示类型，但具体
结构通过多媒体课件展示；对于晶体热容的模型、能带理论等内容，
通过多媒体课件给出主要推导步骤，但具体推导过程利用板书进行，
从而增加学生的理解时间等。

在多年的教学实践中，笔者对课堂板书教
学 +多媒体课件教学的比例进行了探讨，但得出的结论是：
由于专业的不同和面对学生的不同，其比例关系不能一概而论，教师
仍为课堂教学的主导，应根据课堂教学的实际情况来调整其比例关系，
充分发挥板书和多媒体课件的优势，达到最佳教学效果。

三、网络资源及“课堂教学 +网络自学”立体化教学模式的研究
与实践
在多年的“固体物理”教学实践过程中，由于专业课的性质，课
堂教学具有难以重复性，因此学生课堂听课的效果很大程度上决定了学生掌握知识的程度。

借助中国石油大学（华东）“固体物理”校级精品课培育项目的进行，笔者尝试进行网站建设，制定了“固体物理”教学资料的上网计划。

目前“固体物理” 课程已具备教材、教学大纲、教案、讲稿、试题库等教学辅助资料。

网站一旦运行，即可形成“课
堂教学 +网上自学”的立体化教学模式，从而摆脱学生仅依赖课堂
学习的传统学习方式。

四、结束语
随着 21 世纪固体物理学科的发展及现代化技术的进步，对高等
教育提出了巨大挑战，“固体物理”教学的改革势在必行。

通过多年
教学实践和研究，在我校的“固体物理”课程教学内容中实现了“一
个平台 +三个知识模块”的教学模式，对“固体物理”的教学方法和
手段的改革及新的学习模式进行了一些有意义的探索和实践，并取得了良好的效果。