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物理教学研究论文：应用型大学固体物理课程的实践与探索.pdf

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在刚刚审议的中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年 规划纲要中[1]，强调了在十四五时期坚持创新驱动发展，提升企业技 术创新能力，同时要求了激发人才创新活力，加强应用型人才培养。 这说明在未来的发展中，需要进一步深化产业升级转型，尤其是处于 行业瓶颈的半导体产业、新材料、新能源产业等[2]。这就要求大学的 本科教育，尤其是应用型本科教育能够培养出有一定学科知识基础 的，又能将所学知识应用到产业发展和产业实践中去的应用型人才。 不同于研究型大学物理类专业，对应用型大学材料类专业来说， 固体物理是一门重要的专业课，同时也是半导体材料、光电二极管材 料等重要专业方向课的先行课。固体物理课程本身难度较大，许多物 理概念新颖而抽象，知识如果理解不到位，实践便成了空谈。这就要 求我们对现有的固体物理教学模式进行一定的改革与探索，要求我们 能够在形象地讲授固体物理的知识体系和思维方式的基础上，将课堂 内容与产业实践有机地结合起来，以满足培养相关产业的应用型人才 需求。 1应用型大学教学的目标与特征 对于应用型大学来说，人才培养的主要目标是培养具有扎实专业 基础与一定实践能力的应用型人才[3]，这就要求教师在教学的过程当 中，一定要把传授的知识落到实处。根据作者多年在应用型大学的亲 身教学经历，应用型大学的学生有如下特点：第一，应用型大学的学 生，尤其是理工科的学生，偏科现象较严重，普遍理工类的科目表现 大学的学生数学敏感度和想象力较弱，导致对纯数学类课程的积极性 不高。这里可以通过计算机辅助、建模辅助等教学手段，给出学生直 观的函数图像，加深学生对数学函数及其衍生意义的理解[4]。第三， 应用型大学的学生，就业倾向和需求较明确，更愿意解决实际实践问 题，在课堂学习方面更希望了解与生产实际以及工程实际相关联的部 分。所以，在固体物理的教学中，适当地加入和半导体材料与器件相 关联的应用案例讲解，可以更好地实现与生产实际相结合[5]。 对于材料专业而言，固体物理的课程，主要是为后面的半导体材 料、光电材料、太阳能电池等应用器件作一个基础的培养。一方面， 我们要注意把基础的内容讲清楚，包括基本的物理现象和主要的理论 解释，尤其注意在教学过程中培养理性的思维方式。另一方面，我们 要将所讲述的内容和具体的实际应用联系起来，让学生能够在学习的 过程中感受到所讲述的内容不是浮在空中的虚无缥缈的海市蜃楼，而 是和生产生活密切相关的具体实践。要达到这些目标，就需要对现有 的教学方法和教学手段进行一系列的改良与设计。 2应用型教学的设计与实践 2.1通过博雅教育的哲学史或艺术史启发物理教育 讲授物理学，同时要的是讲授物理学的思维方法。物理学的发展 与兴起是和中世纪之后的文艺复兴时代息息相关的。文艺复兴，不仅 仅是复兴了古希腊的文化与艺术，同时也复兴了古希腊的哲学与思辨 体系，这是自然科学以及物理学开始发展的启蒙。 学的思维方式：在达·芬奇前期的画作中，网格法做了巨大的贡献， 但是网格法主要特点是临慕，而不是创造性的绘画。达·芬奇的《维 特鲁威人》是最重要的例子。他使用人体身上已有的肢体和部分身躯 来做比较，比如头部的厚度与上臂相当；手掌之长等于腹部；大腿则 为小腿与脚掌之和等[6]。这么做的好处是，当我们绘制不同于的人体 时，只需按该人体的特点，把相应体块依照对应的体块（如手掌对应 腹部）放大或减少即可，无需任何测量，也能画出适当的人体结构。 在这个绘画方式的过程中，包含了三个主要的过程：观察、理解 与重建。这个过程与天文观察几乎完全一致：观察星象——理解星体 运动背后的数学原理——通过数学方程重建这个模型，并预测未来行 星运动。后来的物理规律的发现也基本上都是类似的过程。 同样的物理学的发展也会启发并影响到其它学科。例如17—18 世纪的机械发展观，强烈的影响到了医学[7]，在17—18世纪的医学 解剖学中，最重要的就是受机械发展观影响的人体结构。 更近一些的例子，DonLincoln和LindsayOlson把物理学的内 容应用到美术与视觉艺术之中去，在博雅教育过程中，艺术本身就是 深深植根于学术的，它们也都起源于古希腊。他们同时发现，这种合 作趋势正在不断扩大，并充满了挑战[8]。 2.2补充相关内容、完善课程体系结构 在材料专业的教学过程中，特别需要注意的是固体物理这门课程 在材料专业和物理专业的位置稍有不同。一般而言，在传统的物理专 固体物理一般放在比较靠后的位置，前面的基础性内容主要要 留给普通物理学与四大力学的课程。这些课程是固体物理课程的基 础，而固体物理学，主要是面向凝聚态这一重要物理分支的专业性课 程。因为