現代信息技術在固體物理教學中的應用

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【摘要】

隨著科技的發展，現代信息技術無形中改變著人們學習和接受知識的模式。本文針對在固體物理教學中如何有效利用現代信息技術進行了一些探索和實踐，主要通過合理有效地利用多媒體、先進模擬計算軟件MaterialsStudio、網絡課程、微課等現代信息技術手段，提高學生的認知效率，改善教學質量，促進學生綜合素質和創新能力的提高。

【關鍵詞】固體物理；現代信息技術；模擬計算軟件；微課

一、固體物理學的起源與運用

固體物理學，是研究固體的結構并揭示其組成粒子之間的相互作用與運動規律、闡明其性能與用途的學科。20世紀50年代末，固體物理學被采納為物理專業的一門基礎課，由國內三位固體物理學前輩黃昆先生、謝希德先生和程開甲先生分別在北京大學、南京大學和復旦大學率先開設。經過半個多世紀的發展，固體物理學的應用領域不斷擴展，已經成為凝聚態學科中最重要的一門專業基礎課。除了物理專業以外，還有很多其他相關專業，比如微電子、光電子、材料學等專業均開設了固體物理課。在實踐教學中，我們發現由于該課程理論性較強，公式推導復雜，很多概念抽象難懂，而且需要一定的空間想象力，學生學習起來有一定困難，加之學生往往不知道所學知識在實際中如何應用，學習動力不足，使固體物理教學面臨嚴重的挑戰。隨著科技的迅猛發展，以多媒體技術和網絡技術為核心的現代信息技術沖擊了傳統的教學模式，給固體物理教學帶來了改革的契機。如何利用現代信息手段，深化固體物理教學改革，提高教學質量，是值得我們思考的問題。本文就在固體物理教學中如何有效利用多媒體、先進模擬軟件、課程網站、微課等現代信息技術手段，進行了一些探索，以期改善教學質量，優化學生的認知結構，促進學生綜合素質和創新能力的提高。

二、現代信息技術在固體物理教學中的應用

1.合理利用多媒體技術

多媒體技術是利用計算機對文本、圖像、聲音、視頻、動畫等多種信息進行綜合處理的技術。多媒體技術具有形象、生動、直觀、信息量大、便于留存等優點，很好地彌補了傳統板書教學的不足。比如在講解晶體結構內容時，學生往往不能理解面心立方結構為什么屬于密堆積結構，傳統板書只能在黑板上畫出二維的晶體結構，學生很難建立三維的空間概念，造成認知困難。這時如果采用多媒體動畫，一層一層地將原子堆積起來，然后進行旋轉，再標記出面心立方的單胞，最后去掉多余原子，展現出一個完整的面心立方結構，這樣學生就很容易理解了。布里淵區也是學生學習中的一個難點，我們可以先給出倒格子空間的圖像，然后由動畫的方式畫出倒格子原點到最近鄰格點的距離，再畫出這些距離的平分線，最后標記出布里淵區的范圍，并通過3600旋轉使學生更好地了解布里淵區的空間圖像。此外，對于格波的傳輸、費米面等不易理解的內容，都可以借助多媒體圖片和動畫等手段，幫助學生建立物理圖像，提高認知效率。多媒體技術雖然有眾多優點，但是并不能完全代替傳統的板書，對于有些理論性較強的章節，比如格波振動方程、布洛赫波等內容，一邊講解一邊進行板書的數學推導，同時及時提問，可以增強教師和學生的互動，幫助學生跟上思路，提高學習效率。因此，如何恰當有效地使用多媒體，是我們在教學過程中必須仔細斟酌的。

2.先進模擬計算軟件MaterialsStudio的應用

固體物理學中的許多概念和理論抽象難懂，學生普遍反映理解起來比較吃力，同時很難與實際問題聯系起來。借助先進的模擬計算軟件，可以較直觀地解釋很多相關物理概念和理論，并與實際應用中的現象、性質、狀態相聯系，有助于學生更好地理解所學知識，提高教學效果。MaterialsStudio程序包功能強大，界面友好，操作簡單，與其他計算軟件相比，適宜于本科生的日常教學。利用該計算軟件可以建立不同材料的晶體結構，并可以進行能帶結構和態密度的計算及可視化，光學性質、光譜性質、介電性質的計算、費米面的計算等。我們可以利用該軟件讓學生建立一些常見的晶體結構，并計算他們的介電性能和光譜特性，也可以計算金屬、半導體和絕緣體的能帶圖和態密度，比較他們帶隙之間的差異，加深對能帶理論的理解。還可以通過摻雜等手段對晶體的能帶結構和光學性質進行調控，幫助學生理解晶體結構和性能之間的密切關系。總之，利用MaterialsStudio軟件可以更加直觀地將固體物理中的很多理論和概念呈現給學生，不僅可以幫助學生更好地理解所學知識，還可以拓寬學生的眼界，了解現論物理的研究手段，讓學生覺得學有所用，激發學生用所學知識解決實際問題的熱情。

3.充分發揮課程網站的作用

21世紀是信息和網絡的時代，利用網絡可以便捷地實現知識的保存、傳播和共享，有效地利用網絡教學可以實現教學的實時互動，以及教學內容的擴展延伸。我們的固體物理課程已經建立了精品課程網站和E-Learning討論學習空間。課程網站上有教師精心收集、選擇的習題和思考題，學生可以自行測驗并評分。此外，還有教師的教學課件和教學錄像，如果學生課堂上沒有完全理解老師所講的內容，可以通過課程網站再回顧自學。課程網站上還有課堂上沒有講到的一些擴展性內容和前沿研究熱點，用于拓寬學生的知識面。另外值得一提的是問題討論區，學生有什么問題可以在上面提出來，與老師和其他同學討論和交流。這種方式拉近了學生和教師的距離，豐富了原有的教學手段，擴展了教學空間，對提高教學效果有明顯作用。

4.微課程的有效利用

在大學校園中我們發現，幾乎所有的學生都隨身攜帶智能手機等移動數碼產品，現代信息通信技術的發展，已經改變了傳統的閱讀和學習方式，學生們可以隨時隨地通過移動終端從網絡上獲取自己想要的信息。微課是近幾年才流行起來的一種教學方式，它與傳統課程網站視頻的主要區別在于時間短、內容精、針對性強。傳統的教學視頻大約為45分鐘，視頻容量太大，在線瀏覽時所需的流量大，費用學生往往難以接受。另一方面，45分鐘的視頻中包含很多個知識點，學生往往為了學習某個知識點需要看完整個視頻，學習效率低，會讓學生失去耐心。而微課程恰好彌補了這些不足。心理學研究認為，人的認知效率在最初10分鐘內是最高的，隨后會逐漸衰減，因此一段微課程的時間大多在5~10分鐘之內，且主要針對某一知識點，精心設計，集中闡明一個問題，教學目標明確。微課程可以作為課程全程視頻的補充，如果學生們缺席了某些課，可以觀看教師的網絡教學視頻，如果只是某個知識點的理解不夠，觀看微視頻效果更好。例如，我們錄制了“倒格子和布里淵區”“光子和電子之間的相同點和不同點”“有效質量和真實質量的差別”等微視頻，學生可以根據自己的需求針對性地瀏覽這些視頻，加深對所學知識的理解。此外，我們還將現代固體物理研究中常用的一些實驗方法和實驗儀器通過微課的方式介紹給學生。例如，X射線衍射、透射電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、低能電子衍射、高能電子衍射等，這些內容與現代科技聯系緊密，對于學生理論結合實際、提升科研素養是非常有用的。實踐證明，精練、目的性強的微課程視頻很受學生的歡迎。本文針對當前固體物理教學面臨的問題，就如何將現代信息技術應用于固體物理教學，改善教學質量，進行了一些探索。實踐表明，通過充分利用多媒體、先進模擬計算軟件、網絡課程、微課等現代信息技術手段，取得了良好的教學效果。然而固體物理教學改革是一項復雜龐大的工程，尤其是學科領域不斷延伸和現代信息技術飛速發展的今天，如何有效借助現代信息技術提升固體物理的教學質量，仍需我們在實踐中不斷探索和改進。

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作者： 張臘梅 商繼敏