固体物理学黄昆 《固体物理》课程前沿驱动式教学改革研讨

张建华+王玉梅+艾桃桃+袁新强

摘 要：资料类研讨生《固体物理》固体物理课程面临内容过难、学生缺少前置课程学习等实际困难，课题住对课程内容进行了大幅度的调整，杰出物理概念，弱化公式推导，以前沿专题为抓手，大力推动优异资料软件，如Materials Studio等在教育中的运用，取得了杰出的教育作用。

要害词：固体物理 前沿 教育办法 教育改革

固体物理学与当今最活泼的新资料科学严密相连，是资料类研讨生的一门重要根底理论与运用的课程。我校资料类研讨生多年教育实践发现，现有教材内容缺少前沿常识，学生根底相对单薄，这两个问题尤为杰出，严峻影响了教育作用，探究出一条适合校情的教育之路势在必行。[1]

一、固体物理课程教育的实际窘境和问题

1.教材内容缺少前沿常识

咱们选用的首要教材为黄昆先生在上世纪80年代编著的教材，而这本教材至今仍没有更新过。教材内容缺少前沿常识，且内容过难，学生的学习爱好严峻缺少，教育作用十分差，学生根本听不懂。[2]

2.课程内容冗杂，不适用于本专业硕士研讨生的培育

固体物理学是首要研讨固体的结构，是资料学科的根底，一起也在今世高新技能的展开中起着要害的作用。首要研讨固体力学、晶体、非晶体、薄膜和固体结构剖析技能等，并展开、树立的一些分支学科，如半导体物理、磁学等等，它们对现代技能的展开，以及一系列严重技能范畴和工业部分的树立起了决定性的作用，并将持续发生严重的影响。一起人们正在展开对一些新式晶体资料（都具有重要應用布景）从制备、结构、性质到开辟运用的体系研讨工作。[3]

这些内容都很重要，但巨大的内容导致教材内容通俗，国内外经典作品就有几十本，但大大都作品是针对物理专业编写的，这些书十分体系，简直包括了固体物理的绝大大都内容，从晶体到团簇，从晶格振荡到电子结构，从无限晶体到限域晶体等等。但关于资料专业来说，课时十分有限，相对的数学和物理常识短缺，要在有限的时刻内将固体物理有用并且精华把握，十分的困难。大都讲义中能带理论等章节含有很多触及量子力学的理论推导，还有大都教材从理论动身推导出倒格矢的概念等[2]，关于工科学生来说，十分难于把握。

3.本专业研讨生常识结构的短缺，导致教育进程艰苦无比，但作用奇差

咱们对本校资料学院在校研讨生做了查询，3个年级，共14人，回收有用查询结果10份。这10人中，只要一人学习过数学物理方程和核算物理课程，而量子力学、原子物理、电动力学等重要课程都没有学过。线性代数由所以考研必考内容，都学过，但关于其间的重要概念和原理，把握程度都比较低，只会做题，并不了解其背面的物理含义及其在固体物理中的运用。

这些前置课程的缺失，严峻影响了《固体物理》课程的学习，在详细教育中，花费很多的时刻，弥补根本常识和概念，而学生的了解十分不流畅，不管从概念仍是模型方面，都难以达到本课程的要求。

二、教育内容的精简与调整

固体物理学衍生出了半导体物理、化学物理、外表物理、资料科学等很多子学科和交叉学科，推动了像半导体、激光、超导、纳米资料等现代技能的展开，是奠定第三次科技革新的根底学科之一，发生了很多诺贝尔物理学奖、化学奖作用。因为其重要性，现在在绝大部分高校中，除了将固体物理课程列为物理学专业的必修课程外，还将其作为资料专业、微电子专业和电子科学与技能等专业的必修课程，并且将其作为其他工科专业重要的自然科学选修课程。

而我校资料专业的硕士研讨生，其本科专业较泛，学习固体物理需求的数学和物理常识都缺少，课程庞大的方针与学生根底的单薄构成了尖利的对立。这就要求咱们从实际动身，捉住首要对立，大力精简课程内容，保存最活泼的思维精华，面临前沿，既让学生构成正确明晰的物理模型，又坚持对前沿的激烈爱好，为后续研讨培育强壮的动力。[4]

传统的固体物理课程本来只对物理学专业开设，要学好学透该课程，需求深沉的数学根底、需求很多的物理学常识根底，比方电动力学、数理办法、量子力学等课程根底。因而，对非物理专业的学生来说，很多的艰涩的专业术语，冗杂的物理公式、繁琐的数学演算以及笼统的空间改换都是巨大的应战，这也造就了任课教师遍及反映难教、学生公认难学和畏学。怎么战胜这门课程的弱势位置，让非物理学专业学生学习更有作用，教育内容的解说深度和侧要点的把握、教育办法的改善和先进教育手法的引进则显得尤为重要。

我校资料学科硕士研讨生培育以资料加工工程研讨为主，本专业学生绝大大都不具备足够的量子力学、电动力学等课程的根底常识，在遇到一些概念、公式、推导等详细解说问题时，应适当的对有必要的前置课程进行简略介绍，如量子力学、核算物理、电动力学、数理物理方程、线性代数等课程，以利于教育作用的供给，并下降大部分学生的畏学心情。在教育中重视添加定性和半定量教育内容的授课比重，使学生要点把握物理概念、物理模型和物理原理，重在把握物理学的剖析办法，削减杂乱烦琐的数学推导。针对学生物理根底单薄的特色，在根底常识点的理论推导进程中，尽量防止运用较深的理论物理常识。[5]

结合实际情况，咱们首要给学生教育以下三部分内容：①晶体中的结合力，首要讲晶体结合力的物理实质，并由此引出不同的结合力将导致构成不同类型的晶体；②晶格振荡和晶体的热学性质，这儿从晶体的比热问题为主线，叙述爱因斯坦模型、德拜模型、以及一维单原子链和一维双原子链，一起教育金属的热学办法在试验中的详细运用；③自由电子模型和能带理论，这儿首要叙述近自由电子近似，布鲁赫波，以及固体的能带，讲清楚正是因为能带的差异，资料才被划分为半导体、金属和绝缘体，一起引进金属的导电功用。

三、前沿专题浸透与研讨式学习

1.简化内容，浸透前沿

“固体物理学”与当今最活泼的凝聚态物理和新资料科学严密相连，因而，有挑选地将这些范畴的最新重要开展和运用作用引进讲堂，将有助于进步学生对该门课程学习的积极性和清晰尽力方向[1]。在教育中，咱们结合课程内容，当令引进超晶格资料、石墨烯、氮化硼、高温超导体、光子晶体、量子核算机等现代技能和物理前沿问题，扩展学生视界，进步学习爱好。endprint

咱们挑选石墨烯作为要点内容，根本贯穿整个课程，（1）它与固体物理很多根底常识点联络严密，使学生在学习中愈加详细化；（2）在教育进程中结合一个研讨问题，在学习进程中层层推动，既深刻了解了固体物理的根本常识点.又一起逐渐了解了前科学科的研讨内容、办法；（3）激起学生的学习热心和爱好，让学生感知学科展开的动力。知道科学的研讨来源于根底常识的堆集、学习。[

]一起，结合我校和本地石墨烯矿储量资源优势，要点杰出了我校和当地共建的石墨烯研讨所，并请相关教师做专题讲座，这样，同学们又很强的亲切感，在学习中，充分调动积极性，构成研讨小组，教育作用杰出。

2.使用先进核算软件，增强互动与学生课外探究

固体物理这门课程中的许多概念和理论都树立在冗杂的数学推导之上，缺少足够物理布景常识的同学很难了解和学习。咱们充分使用Materials Studio，Hyperchem等软件，形象生动直观地解说物理概念和理论，协助学生更好地了解所学常识，进步认知功率。如Materials Studio软件能够进行不同晶体结构的模型构建，能带及态密度的核算及图形化，介电常数的核算，红外、拉曼光谱核算，费米面核算及可视化等等，不只功用强壮，并且操作简略、界面友爱，因而，适宜于日常教育实践。依据学生的不同常识布景，别离研讨一些常见晶体资料的晶体结构，剖析晶体的光谱特性和介电功用，模仿常见的直接带隙和直接带隙的半导体，并经过掺杂、加压等手法调控其能带结构，使学生更直观地了解晶体结构与功用之间的联系。例如，在学习晶格对称性这部分内容时，学生可用Materials Studio的Visualizer模块建立出七大晶系的14种布拉伐格子，在建立进程中了解每一种布拉伐格子单位基矢的特征和所属点群；学生很难把握不同晶体外表的结构这部分内容，可结合Visualizer模块的layer builder功用，引导学生对晶体进行切面，调查切面得到不同外表的几许结构，这样能进一步加深学生对这些内容的了解。

结语

经过以上教育改革方案的施行，现已取得了一些杰出的作用。学生听课的积极性不断进步，畏难心情根本消失，确保了本课程学习使命的顺利完成，一起，也为后续课程的研讨，打下杰出的根底。

参考文献

[1]高帅气， 结合学科前沿教好固体物理学. 广西师范大学学报（自然科学版）， 2000（S2）： 第87页.

[2]夏爱林， 固体物理课程教育改革研讨与实践. 安徽工业大学学报（社会科学版）， 2012（04）： 第93-94页.

[3]黄昆.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1988

[4]物理學学科展开战略研讨组， 21世纪物理学展开展望. 国际科技研讨与展开， 2000（06）： 第7-11页.

[5]杨翠红，程国生， 浅谈用一个学科前沿课题贯穿《固体物体》教育. 课程教育研讨， 2012（21）： 第181页.endprint