基于应用型本科人才培养的固体物理教学改革探究

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　　摘要：固体物理学是材料类专业的基础课程，是教授学生理解本专业物理性质的根基。可是相比较于其他本科专业而言，光电材料专业的固体物理教学由于课时少、内容多而且难度大等原因，导致学生的学习兴趣以及对固体物理课程的满意度并不高。虽然近些年来，国内的工科类院校也陆陆续续地推行了高等教育改革工作，但是实际效果并不明显。固体物理课程作为高等理工科院校的重要理论基础课程，也是培养光电、物理类本科应用型人才的理论与实际相联系的实践性课程。为了能够有效地解决这个问题并满足学生的需求，文中以培养应用型本科人才作为核心对当前工科院校的固体物理教学改革提出一些有效的建议，以供相关从业人员进行参考、借鉴。
　　关键词：应用型本科人才；固体物理教学；改革策略
　　中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）35-0097-02
　　随着我国科学技术水平的不断提升和现代化建设进程的加快，社会对应用型本科人才的需求量也呈现逐年上升的趋势。为了满足现阶段国家现代化、工业化建设的需求，国内各大工科院校必须要培养具有扎实学科基础与过硬实踐能力的应用型人才，但是当前国内各大工科院校对固体物理学专业的重视程度有待提高，学生也经常抱怨固体物理课时短而且课程复杂，为了使工科院校培养出更多合格的应用型人才，就必须对现有的固体物理教学模式进行改革。
　　一、固体物理课程概述
　　1.什么是固体物理学。作为物理学的分支，固体物理学成形于20世纪30年代末期，是一门理论性强、交叉性明显的科目。固体物理学包括力学、声学、材料学、电磁学等科目，而且运用范围极广。此外，固体物理不仅是对固体物质进行微观了解、对宏观物理性质和构成物质的不同粒子的运动形态进行观察，并对固体的微观结构与宏观性质的关系进行分析与研究的学科，而且还是微电子、光电子等高新科技以及材料科学的基础，对科学技术的进步与发展具有重要的促进作用。
　　2.固体物理学的运用。作为凝聚态物理中的重要分支，固体物理以量子力学、晶体学、材料学以及冶金等学科为基础对各种刚性物质以及液体的性质的内在规律与构成进行研究，同时也是现代物理学中最为重要的基础学科。固体物理通过固体材料的内部原子尺度的微观特性决定物质整体的宏观性质，并探索内部原子之间的关系，所以固体物理也是材料科学的重要理论基础，被广泛应用于各个领域（常见的有电子工作界最具代表性的晶体管技术以及半导体技术等）。随着科学技术的发展，当前固体物理学对化学、物理以及催化学科、生命科学等领域的影响越来越大，并且逐步形成全新的交叉领域。
　　二、培养应用型本科人才的固体物理教学改革策略
　　1.教材的选择。自建校以来，我校的材料科学与工程专业本科生主要从事光电材料以及各类金属材料处理的学习与研究，而固体物理课程作为必需理论基础课程课时不多，因此必须要在有限的时间内让学生掌握并了解固体物理学的概念以及基础理论与技术，提高学生的物理思维能力，为培养应用型本科人才奠定坚实的基础。（1）首先在材料的选择方面，由于固体物理著作以及教材无论是在数量或者是在内容上选择性很多，因此必须选择其中最具代表性的教材（黄昆原著韩汝琦改编的《固体物理学》，还有C.基泰尔著，项金钟译的《固体物理导论》等）作为参考。然后再按照学生本课阶段的基础水平以及专业的特点，对其中某一些教学内容的比例分配以及教学时间进行调整，以确保学生能够在学习的过程中把握重点。由于本科阶段的学生在微积分、数理方程以及傅里叶变化方面都具有一定的基础，因此，教师在讲解物理概念和模型建立等知识时可以让学生自行推导。比如在讲解NaCl离子晶体的马德隆常数以及一维晶体振动模式的色散关系时，必须让学生利用数学推导的方式求解。（2）在能带理论的学习过程中，教师应当把重心放在各种模型以及结论上，对数学推导不作任何要求。虽然学时不多，但通过对物理学史的讲解能够有效地培养学生的学习兴趣，使处于本科阶段的学生对固体物理产生了解与探索的欲望，从而深入课程了解与思考固体物理的内在规律，并将这些规律运用到自己所学的专业以及研究领域中。比如在讲解上个世纪初期的量子力学发展史时，教师可以对该部分内容进行简要讲解之后让学生进行自学，并让学生结合不同的学科与专业总结出一些共性的内容，学生在学习的过程中就会明白每个学科的发展都是一个扬弃的过程，都是具有局限性的，是无法解释所有问题的，学生们在学习过程中自己寻找相关资料并独立思考，不仅培养了学生自主学习的能力，还培养了学生独立解决问题的能力。
　　2.教学手段的运用。（1）多媒体课件的合理运用。在研究材料的结构与性能的时候，有一部分教学内容或者教学现象无法在正常条件下展示，导致学生无法全面地理解与认识，比如讲解“面心立方结构就是立方密堆结构”、刃位错以及螺位错的特点等。但是利用课堂中的多媒体课件就能有效地打破时间与空间的限制。通过三维动画将图形进行缩放、旋转，可以使晶体的结构特点一览无余。再比如一维双元子晶格的振动情况无法用演示实验的方式进行展示，而利用3D动画制作的课件，可以按照学生的意愿对波矢进行调整，就可以顺利地把晶格振动的情况和色散关系曲线完整地在课堂上展示。再比如晶体中的费米面和禁带都是固体物理学中抽象而又概念化的内容，为了使其直观，就必须制作不同的课件将不同固体费米面（线）的形状与禁带区间表现出来。使用多媒体课件不但能够有效节约课堂时间进行师生交流，还能够将一些抽象的内容变得具体，有利于学生的理解与学习，对于提高学生的学习兴趣具有重要的作用。（2）理论知识和实践相结合。为了培养更多的应用型本科人才，在进行固体物理教学的过程中，学生应当在学习理论的同时，重视实验与生活实际的联系，这样才能将学到的知识灵活运用并体现其价值，这样不但提高了学生的学习兴趣，对于巩固理论知识以及培养学生的实践能力也具有重要作用。比如在讲解固体物理中的晶体X射线衍射这一部分内容的时候，教师在物理实验中设置了晶体材料的X射线衍射实验。通过这个实验，学生可以亲自动手对物相进行标定，并对多晶硅粉能测量晶粒取向以及晶粒的大小。对于单晶硅而言，可以把实验测得的X射线衍射谱与原子散射因子所得出的结果进行比对，使学生明白晶体X射线测材料结构所使用的是布拉格公式。再比如讲解晶体结合中的石墨时，可以把石墨晶体（混合晶体）结构特点和学生在扫描隧道显微镜实验中所观察的原子排列进行联系，并以此对扫描隧道显微镜实验的原理进行解释。学生们通过实验操作，不但能在实践中发现问题并进行及时调整，而且对培养学生分析问题的能力也具有极为重要的作用。
　　三、结语
　　综上所述，为了培养更多合格的应用型本科人才，高校的固体物理课程并非只是传授物理概念以及物理知识，培养学生的实践能力才是重要的核心。通过对传统固体物理教学课程的改革并结合应用型本科人才的培养理念，从教材的选择方面着手，通过理论知识和实践相结合以及多媒体课件的合理运用等方式，全面提高学生的知理思维能力，只有这样才能为国家建设培养更多合格的人才。
　　参考文献：
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