固体物理教学的几点心得体会
丁汉芹
[摘 要]固体物理是物理学专业和材料专业的一门必修课程，应用非常广泛。笔者从分块教学内容，重视章节联系；优化传统模式，巧用信息技术；培养科学思维，注重启发引导；立足书本知识，渗透前沿科学等方面介绍了固体物理教学的一些心得体会，探讨如何让学生更好地掌握这门课程。
[关键词]体物理；教学；心得体会
[中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）12-0129-02
固体物理是物理学专业和材料专业的一门必修课程，主要研究固体的微观结构、物理性质和固体中的粒子运动，涉及力、热、电、光、磁和声等领域。当今所取得重大进展的纳米材料、超导、半导体等现代技术都以固体理论为基础。固体是包含众多粒子的复杂的多体体系，种类繁多，内容异常丰富。因为知识面广，用到的理论多，在学习过程中，学生普遍反映这门课程较难掌握，和刚学完的理论脉络清晰的四大力学比较起来，常常理不清头绪，总感觉乱成一团。大部分学生都有一个习惯，他们在学过理论物理课程之后，喜欢欣赏从基本定理、定律出发进行数学推导演绎的过程，实际上这不是固体物理的主要部分。对学生来说，清晰的物理图像和想象力对学好固体物理课程是至关重要的。这就要求老师不要让学生沉陷于繁琐冗长的推导计算之中，而要选择绝大多数学生易于接受的方法进行讲解，尽可能地把物理图像和基本概念讲述透彻清楚，一些高难度的数学推导过程可以让学生在课后完成。让学生对物理概念、原理和物理模型的掌握、理解和运用是固体物理课程教学中的侧重点。在进行推导过程复杂但是结论又非常重要的内容教学时，教师可以直接给出结果，这种做法是多数学生都能接纳的。对于那些极少数需要更深层次学习的学生，我们可以将具体的数学物理推导过程放在课下，尽量让这些学有余力的学生自主探究，遇到不能解决的问题再与老师进行探索与讨论。另外，教师对于较为详细的固体器件所涉及的技术问题也要尽量减少描述。笔者从平时的教学中总结了一些心得体会，希望有助于学生吸收新知识和新内容，不至于迷失和困惑。
一、分块教学内容，重视章节联系
任何一门教材都有它的系统性，同时又包括很多的知识板块，通过不同的章节阐述。固体物理教材也不例外，其中很多知识点相对独立。鉴于这种特点，教师在教学过程中可以把教学内容分块，以模块的形式来讲授。以黄昆《固体物理》教材为例来说明。在本科阶段主要讲前七章，整体模块大致包括：晶体结构和结合、晶格振动、能带理论、电子论。其中，每个大的模块又可以分为若干个子模块。如电子论部分还可分为四个子模块：金属电子论、绝缘体电子论、半导体电子论以及电子在外场（电场、磁场）中的运动。这样既有利于教师对教学内容的取舍，又有利于学生对各知识点的掌握。
尽管各个知识板块涉及不同的内容，但它们之间又有着一定的联系。还是以黄昆《固体物理》为例。周期性“晶体结构”形成的内在因素与粒子间的相互作用有关，这样就引出“晶体结合”的问题。构成晶体的原子之间既吸引又排斥，这些相反性质的作用力决定晶格在各自的平衡位置附近振动，由此引出“晶格振动”内容。晶体中还包括电子，它们的状态由“能带理论”描述。导体、半导体和绝缘体能带结构的不同，引出“电子论”部分。在平时教学中，以模块为主线，能让学生容易把握知识体系；将不同章节内容串联好，能让学生容易贯通不同内容与知识点。另外布置一些讨论题让学生们课下准备，也可以加强前后知识联系。例如，在一次讨论课前，笔者布置了“声子和光子的比较” 一题。由于准备充分，学生们进行了热烈的讨论，把心中容易混淆的概念搞清楚了。通过在不同知识领域中找联系，在相近的概念中找区别，有力扩大和增强了不同知识点间的纵横联系。
二、优化传统模式，巧用信息技术
晶格和电子是固体物理研究的主旋律，从晶格振动到电子能带论，既要用到深奥的量子力学，又要运用到抽象的倒格矢空间。如果仅仅凭着一块黑板教学，很难传授更多知识和取得良好效果。随着当今信息技术的快速发展，多媒体授课已成为不可缺少的一种教学手段。计算机可以灵活地把物理过程和物理图像进行逼真的模拟，将难懂的物理过程栩栩如生的展现给学生，将抽象内容变为直观形象的物理图像。国内多数固体物理教材，如黄昆的《固体物理》一开始就讨论晶体的周期性结构，这需要学生具有良好的空间想象能力和立体感。多媒体教学的运用，有助于学生对固体微观结构的理解。通过视频可以直观展现晶体结构、原胞形状、倒格子、能带结构、晶格振动等，使学生能进行想象空间模型的构造，更直观的理解教学内容。同传统教学相比较，多媒体教学能够增加课堂教学容量，既省时又省力，同时有助于学生对固体物理的学习产生浓厚的兴趣，培养学生养成良好的学习品质，从而有利于学生对知识的理解和掌握。
多媒体教学也有不足之处。因为多媒体画面容易一晃而过，学生来不及思考，造成记忆模糊。在概念的讲解和公式的推导等方面，学生还是比较喜欢板书，因此必须恰当使用多媒体课件。笔者的体会是，使用多媒体但不依赖多媒体，将课件与板书有机结合，进行优势互补。同时要求课件内容必须精粹，不能是书本的复制，更不能对着多媒体照本宣科。与多媒体教学相比，当教师边板书边讲解时，学生容易跟上老师上课的节奏，有充分的时间来理解知识点，梳理要点和做好笔记，师生间可以有较多的互动。因此，多媒体教学还需适当地与传统板书相结合才能达到较好的教学效果。
三、培养科学思维，注重启发引导
大学生在上大学前已经接受了十几年传统的初等教育，积累了一定的知识和独立思考的能力。大学阶段不仅要向学生传授知识，更重要的是培养大学生独立思考和自主学习的能力。固体物理学不仅是一门重要的知识性学科， 而且其中许多研究方法具有普遍的指导和借鉴意义。因此在教学中，笔者特别重视启发和引导学生，让他们通过解决实际问题，养成科学的思维习惯。如讲授“金属电子论”时，由于金属中电子的运动是复杂的，要想求解电子的精确状态是非常困难的，实际也是没必要的。笔者分三个步骤去讲解：首先设想电子与晶格以及电子与电子之间没有任何作用（等效为自由电子）；再考虑边界条件（等效为量子力学中的有限深势阱问题）；最后考虑晶体结构具有周期性（晶体内部电子也存在同样的势函数）。这样通过循序渐进的启发，学生很容易理解晶体的电子比热、热发射和导电机制。这种师生互动的课堂气氛极大激发了学生的学习热情和求知欲望。
在教学过程中，要有目的性的创造情境，让学生不由自主的参与问题讨论。例如，讲授“布洛赫定理”这一节，布洛赫波是一个非常重要的概念，但学生往往不明白它的表达式的由来和物理意义。在讲授时，先让学生回忆量子力学中自由电子波函数的形式，之后再说明晶体中电子不是自由的，而是受到周期性晶格势场的调制。在学生知道自由电子的波函数是平面波的基础上，再启发引导：晶体中电子波函数要受到晶格势的调制，所以在平面波的波函数相因子前需要添加一个调幅因子。经过这样一个“导演”过程，学生就清楚了布洛赫波函数为什么由两部分构成的原因。通过联系前后新旧知识，培养了学生思考问题的方式和运用知识的能力。
四、立足书本知识，渗透前沿科学
随着科学技术的迅速发展，教师不仅要向学生传授书本知识，而且还要传递更多的信息。因此面对不断涌现的新的现象和新的科研成果，固体物理学的前沿动态在教学中应该有所反映，这将有助于学生明确自己的努力方向，同时也开阔了学生的视野。以黄昆的《固体物理》教材为例，笔者在讲授“元素和化合物晶体结合的规律性”时，就联系自己的科研项目和研究领域，通过介绍石墨和碳纳米管中碳原子的成键状态的不同，阐明造成二种材料物理性质的差异。在此基础上，进一步介绍低维碳纳米材料近年来的国内外研究进展和应用。讲授“能带理论”时，笔者介绍石墨烯的独特能带结构，说明维度不同的体系可以形成截然不同的能谱。再如，拓扑绝缘体就是从能带意义上定义的一种新型物质。在低能极限下，石墨烯呈现出线性的能量色散关系，使得传导电子可以看作是无质量的Dirac费米子，这种类似于光子的特性，使其可用于相对论量子力学的研究，同时表明其独特的载流子特性和优异的电学特性，这些都是近几年凝聚态物理的研究热点。讲授“电导和霍尔效应”时，在学生掌握经典霍尔效应的基础上，再介绍量子霍尔效应和自旋量子霍尔效应。这样，把科学前沿知识引入课堂，不仅可以让学生强烈地感受到科学发展的脉搏和动力，极大的拓展了学生的视野，还可以激发起学生运用基础学科理论实现科技创新的勇气和欲望。
总之，本文从教学内容、教学手段、教学目标等方面介绍了固体物理教学的一些心得体会，探讨了如何让学生更好地掌握这门课程的方法。我们的课程教学改革有效地调动了学生的学习兴趣，使他们变被动学习为快乐主动学习，学出信心和收获，使教师教学得心应手，让师生共同分享到固体物理课程教学的乐趣和成效。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 黄昆.固体物理[M].北京：高等教育出版社，1988.
[2] 常旭.固体物理学教学的一些探索[J].科技创新导报，2013（14）.
[3] 李重要.关于固体物理教学的一些体会[J].教育教学论坛，2015（11）.
[4] 梅显秀.固体物理教学改革的探索与实践[J].大学物理，2010（7）.
[5] 阎守胜.固体物理基础[M].北京：北京大学出版社，2003.
[6] 杨兵初.在固体物理教学中培养学生的创造性思维能力[J].有色金属高教研究，1991（4）.
[责任编辑：钟 岚]
[摘 要]固体物理是物理学专业和材料专业的一门必修课程，应用非常广泛。笔者从分块教学内容，重视章节联系；优化传统模式，巧用信息技术；培养科学思维，注重启发引导；立足书本知识，渗透前沿科学等方面介绍了固体物理教学的一些心得体会，探讨如何让学生更好地掌握这门课程。
[关键词]体物理；教学；心得体会
[中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）12-0129-02
固体物理是物理学专业和材料专业的一门必修课程，主要研究固体的微观结构、物理性质和固体中的粒子运动，涉及力、热、电、光、磁和声等领域。当今所取得重大进展的纳米材料、超导、半导体等现代技术都以固体理论为基础。固体是包含众多粒子的复杂的多体体系，种类繁多，内容异常丰富。因为知识面广，用到的理论多，在学习过程中，学生普遍反映这门课程较难掌握，和刚学完的理论脉络清晰的四大力学比较起来，常常理不清头绪，总感觉乱成一团。大部分学生都有一个习惯，他们在学过理论物理课程之后，喜欢欣赏从基本定理、定律出发进行数学推导演绎的过程，实际上这不是固体物理的主要部分。对学生来说，清晰的物理图像和想象力对学好固体物理课程是至关重要的。这就要求老师不要让学生沉陷于繁琐冗长的推导计算之中，而要选择绝大多数学生易于接受的方法进行讲解，尽可能地把物理图像和基本概念讲述透彻清楚，一些高难度的数学推导过程可以让学生在课后完成。让学生对物理概念、原理和物理模型的掌握、理解和运用是固体物理课程教学中的侧重点。在进行推导过程复杂但是结论又非常重要的内容教学时，教师可以直接给出结果，这种做法是多数学生都能接纳的。对于那些极少数需要更深层次学习的学生，我们可以将具体的数学物理推导过程放在课下，尽量让这些学有余力的学生自主探究，遇到不能解决的问题再与老师进行探索与讨论。另外，教师对于较为详细的固体器件所涉及的技术问题也要尽量减少描述。笔者从平时的教学中总结了一些心得体会，希望有助于学生吸收新知识和新内容，不至于迷失和困惑。
一、分块教学内容，重视章节联系
任何一门教材都有它的系统性，同时又包括很多的知识板块，通过不同的章节阐述。固体物理教材也不例外，其中很多知识点相对独立。鉴于这种特点，教师在教学过程中可以把教学内容分块，以模块的形式来讲授。以黄昆《固体物理》教材为例来说明。在本科阶段主要讲前七章，整体模块大致包括：晶体结构和结合、晶格振动、能带理论、电子论。其中，每个大的模块又可以分为若干个子模块。如电子论部分还可分为四个子模块：金属电子论、绝缘体电子论、半导体电子论以及电子在外场（电场、磁场）中的运动。这样既有利于教师对教学内容的取舍，又有利于学生对各知识点的掌握。
尽管各个知识板块涉及不同的内容，但它们之间又有着一定的联系。还是以黄昆《固体物理》为例。周期性“晶体结构”形成的内在因素与粒子间的相互作用有关，这样就引出“晶体结合”的问题。构成晶体的原子之间既吸引又排斥，这些相反性质的作用力决定晶格在各自的平衡位置附近振动，由此引出“晶格振动”内容。晶体中还包括电子，它们的状态由“能带理论”描述。导体、半导体和绝缘体能带结构的不同，引出“电子论”部分。在平时教学中，以模块为主线，能让学生容易把握知识体系；将不同章节内容串联好，能让学生容易贯通不同内容与知识点。另外布置一些讨论题让学生们课下准备，也可以加强前后知识联系。例如，在一次讨论课前，笔者布置了“声子和光子的比较” 一题。由于准备充分，学生们进行了热烈的讨论，把心中容易混淆的概念搞清楚了。通过在不同知识领域中找联系，在相近的概念中找区别，有力扩大和增强了不同知识点间的纵横联系。
二、优化传统模式，巧用信息技术
晶格和电子是固体物理研究的主旋律，从晶格振动到电子能带论，既要用到深奥的量子力学，又要运用到抽象的倒格矢空间。如果仅仅凭着一块黑板教学，很难传授更多知识和取得良好效果。随着当今信息技术的快速发展，多媒体授课已成为不可缺少的一种教学手段。计算机可以灵活地把物理过程和物理图像进行逼真的模拟，将难懂的物理过程栩栩如生的展现给学生，将抽象内容变为直观形象的物理图像。国内多数固体物理教材，如黄昆的《固体物理》一开始就讨论晶体的周期性结构，这需要学生具有良好的空间想象能力和立体感。多媒体教学的运用，有助于学生对固体微观结构的理解。通过视频可以直观展现晶体结构、原胞形状、倒格子、能带结构、晶格振动等，使学生能进行想象空间模型的构造，更直观的理解教学内容。同传统教学相比较，多媒体教学能够增加课堂教学容量，既省时又省力，同时有助于学生对固体物理的学习产生浓厚的兴趣，培养学生养成良好的学习品质，从而有利于学生对知识的理解和掌握。
多媒体教学也有不足之处。因为多媒体画面容易一晃而过，学生来不及思考，造成记忆模糊。在概念的讲解和公式的推导等方面，学生还是比较喜欢板书，因此必须恰当使用多媒体课件。笔者的体会是，使用多媒体但不依赖多媒体，将课件与板书有机结合，进行优势互补。同时要求课件内容必须精粹，不能是书本的复制，更不能对着多媒体照本宣科。与多媒体教学相比，当教师边板书边讲解时，学生容易跟上老师上课的节奏，有充分的时间来理解知识点，梳理要点和做好笔记，师生间可以有较多的互动。因此，多媒体教学还需适当地与传统板书相结合才能达到较好的教学效果。
三、培养科学思维，注重启发引导
大学生在上大学前已经接受了十几年传统的初等教育，积累了一定的知识和独立思考的能力。大学阶段不仅要向学生传授知识，更重要的是培养大学生独立思考和自主学习的能力。固体物理学不仅是一门重要的知识性学科， 而且其中许多研究方法具有普遍的指导和借鉴意义。因此在教学中，笔者特别重视启发和引导学生，让他们通过解决实际问题，养成科学的思维习惯。如讲授“金属电子论”时，由于金属中电子的运动是复杂的，要想求解电子的精确状态是非常困难的，实际也是没必要的。笔者分三个步骤去讲解：首先设想电子与晶格以及电子与电子之间没有任何作用（等效为自由电子）；再考虑边界条件（等效为量子力学中的有限深势阱问题）；最后考虑晶体结构具有周期性（晶体内部电子也存在同样的势函数）。这样通过循序渐进的启发，学生很容易理解晶体的电子比热、热发射和导电机制。这种师生互动的课堂气氛极大激发了学生的学习热情和求知欲望。
在教学过程中，要有目的性的创造情境，让学生不由自主的参与问题讨论。例如，讲授“布洛赫定理”这一节，布洛赫波是一个非常重要的概念，但学生往往不明白它的表达式的由来和物理意义。在讲授时，先让学生回忆量子力学中自由电子波函数的形式，之后再说明晶体中电子不是自由的，而是受到周期性晶格势场的调制。在学生知道自由电子的波函数是平面波的基础上，再启发引导：晶体中电子波函数要受到晶格势的调制，所以在平面波的波函数相因子前需要添加一个调幅因子。经过这样一个“导演”过程，学生就清楚了布洛赫波函数为什么由两部分构成的原因。通过联系前后新旧知识，培养了学生思考问题的方式和运用知识的能力。
四、立足书本知识，渗透前沿科学
随着科学技术的迅速发展，教师不仅要向学生传授书本知识，而且还要传递更多的信息。因此面对不断涌现的新的现象和新的科研成果，固体物理学的前沿动态在教学中应该有所反映，这将有助于学生明确自己的努力方向，同时也开阔了学生的视野。以黄昆的《固体物理》教材为例，笔者在讲授“元素和化合物晶体结合的规律性”时，就联系自己的科研项目和研究领域，通过介绍石墨和碳纳米管中碳原子的成键状态的不同，阐明造成二种材料物理性质的差异。在此基础上，进一步介绍低维碳纳米材料近年来的国内外研究进展和应用。讲授“能带理论”时，笔者介绍石墨烯的独特能带结构，说明维度不同的体系可以形成截然不同的能谱。再如，拓扑绝缘体就是从能带意义上定义的一种新型物质。在低能极限下，石墨烯呈现出线性的能量色散关系，使得传导电子可以看作是无质量的Dirac费米子，这种类似于光子的特性，使其可用于相对论量子力学的研究，同时表明其独特的载流子特性和优异的电学特性，这些都是近几年凝聚态物理的研究热点。讲授“电导和霍尔效应”时，在学生掌握经典霍尔效应的基础上，再介绍量子霍尔效应和自旋量子霍尔效应。这样，把科学前沿知识引入课堂，不仅可以让学生强烈地感受到科学发展的脉搏和动力，极大的拓展了学生的视野，还可以激发起学生运用基础学科理论实现科技创新的勇气和欲望。
总之，本文从教学内容、教学手段、教学目标等方面介绍了固体物理教学的一些心得体会，探讨了如何让学生更好地掌握这门课程的方法。我们的课程教学改革有效地调动了学生的学习兴趣，使他们变被动学习为快乐主动学习，学出信心和收获，使教师教学得心应手，让师生共同分享到固体物理课程教学的乐趣和成效。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 黄昆.固体物理[M].北京：高等教育出版社，1988.
[2] 常旭.固体物理学教学的一些探索[J].科技创新导报，2013（14）.
[3] 李重要.关于固体物理教学的一些体会[J].教育教学论坛，2015（11）.
[4] 梅显秀.固体物理教学改革的探索与实践[J].大学物理，2010（7）.
[5] 阎守胜.固体物理基础[M].北京：北京大学出版社，2003.
[6] 杨兵初.在固体物理教学中培养学生的创造性思维能力[J].有色金属高教研究，1991（4）.
[责任编辑：钟 岚]
