現(xiàn)代信息技術(shù)在固體物理教學(xué)中的應(yīng)用

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【摘要】

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代信息技術(shù)無(wú)形中改變著人們學(xué)習(xí)和接受知識(shí)的模式。本文針對(duì)在固體物理教學(xué)中如何有效利用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行了一些探索和實(shí)踐，主要通過(guò)合理有效地利用多媒體、先進(jìn)模擬計(jì)算軟件MaterialsStudio、網(wǎng)絡(luò)課程、微課等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，提高學(xué)生的認(rèn)知效率，改善教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的提高。

【關(guān)鍵詞】固體物理；現(xiàn)代信息技術(shù)；模擬計(jì)算軟件；微課

一、固體物理學(xué)的起源與運(yùn)用

固體物理學(xué)，是研究固體的結(jié)構(gòu)并揭示其組成粒子之間的相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律、闡明其性能與用途的學(xué)科。20世紀(jì)50年代末，固體物理學(xué)被采納為物理專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，由國(guó)內(nèi)三位固體物理學(xué)前輩黃昆先生、謝希德先生和程開(kāi)甲先生分別在北京大學(xué)、南京大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)率先開(kāi)設(shè)。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，固體物理學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，已經(jīng)成為凝聚態(tài)學(xué)科中最重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。除了物理專業(yè)以外，還有很多其他相關(guān)專業(yè)，比如微電子、光電子、材料學(xué)等專業(yè)均開(kāi)設(shè)了固體物理課。在實(shí)踐教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)由于該課程理論性較強(qiáng)，公式推導(dǎo)復(fù)雜，很多概念抽象難懂，而且需要一定的空間想象力，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)有一定困難，加之學(xué)生往往不知道所學(xué)知識(shí)在實(shí)際中如何應(yīng)用，學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，使固體物理教學(xué)面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。隨著科技的迅猛發(fā)展，以多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的現(xiàn)代信息技術(shù)沖擊了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，給固體物理教學(xué)帶來(lái)了改革的契機(jī)。如何利用現(xiàn)代信息手段，深化固體物理教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量，是值得我們思考的問(wèn)題。本文就在固體物理教學(xué)中如何有效利用多媒體、先進(jìn)模擬軟件、課程網(wǎng)站、微課等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，進(jìn)行了一些探索，以期改善教學(xué)質(zhì)量，優(yōu)化學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的提高。

二、現(xiàn)代信息技術(shù)在固體物理教學(xué)中的應(yīng)用

1.合理利用多媒體技術(shù)

多媒體技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)對(duì)文本、圖像、聲音、視頻、動(dòng)畫等多種信息進(jìn)行綜合處理的技術(shù)。多媒體技術(shù)具有形象、生動(dòng)、直觀、信息量大、便于留存等優(yōu)點(diǎn)，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)板書教學(xué)的不足。比如在講解晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)容時(shí)，學(xué)生往往不能理解面心立方結(jié)構(gòu)為什么屬于密堆積結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)板書只能在黑板上畫出二維的晶體結(jié)構(gòu)，學(xué)生很難建立三維的空間概念，造成認(rèn)知困難。這時(shí)如果采用多媒體動(dòng)畫，一層一層地將原子堆積起來(lái)，然后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，再標(biāo)記出面心立方的單胞，最后去掉多余原子，展現(xiàn)出一個(gè)完整的面心立方結(jié)構(gòu)，這樣學(xué)生就很容易理解了。布里淵區(qū)也是學(xué)生學(xué)習(xí)中的一個(gè)難點(diǎn)，我們可以先給出倒格子空間的圖像，然后由動(dòng)畫的方式畫出倒格子原點(diǎn)到最近鄰格點(diǎn)的距離，再畫出這些距離的平分線，最后標(biāo)記出布里淵區(qū)的范圍，并通過(guò)3600旋轉(zhuǎn)使學(xué)生更好地了解布里淵區(qū)的空間圖像。此外，對(duì)于格波的傳輸、費(fèi)米面等不易理解的內(nèi)容，都可以借助多媒體圖片和動(dòng)畫等手段，幫助學(xué)生建立物理圖像，提高認(rèn)知效率。多媒體技術(shù)雖然有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的板書，對(duì)于有些理論性較強(qiáng)的章節(jié)，比如格波振動(dòng)方程、布洛赫波等內(nèi)容，一邊講解一邊進(jìn)行板書的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，同時(shí)及時(shí)提問(wèn)，可以增強(qiáng)教師和學(xué)生的互動(dòng)，幫助學(xué)生跟上思路，提高學(xué)習(xí)效率。因此，如何恰當(dāng)有效地使用多媒體，是我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中必須仔細(xì)斟酌的。

2.先進(jìn)模擬計(jì)算軟件MaterialsStudio的應(yīng)用

固體物理學(xué)中的許多概念和理論抽象難懂，學(xué)生普遍反映理解起來(lái)比較吃力，同時(shí)很難與實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)。借助先進(jìn)的模擬計(jì)算軟件，可以較直觀地解釋很多相關(guān)物理概念和理論，并與實(shí)際應(yīng)用中的現(xiàn)象、性質(zhì)、狀態(tài)相聯(lián)系，有助于學(xué)生更好地理解所學(xué)知識(shí)，提高教學(xué)效果。MaterialsStudio程序包功能強(qiáng)大，界面友好，操作簡(jiǎn)單，與其他計(jì)算軟件相比，適宜于本科生的日常教學(xué)。利用該計(jì)算軟件可以建立不同材料的晶體結(jié)構(gòu)，并可以進(jìn)行能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度的計(jì)算及可視化，光學(xué)性質(zhì)、光譜性質(zhì)、介電性質(zhì)的計(jì)算、費(fèi)米面的計(jì)算等。我們可以利用該軟件讓學(xué)生建立一些常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)，并計(jì)算他們的介電性能和光譜特性，也可以計(jì)算金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶圖和態(tài)密度，比較他們帶隙之間的差異，加深對(duì)能帶理論的理解。還可以通過(guò)摻雜等手段對(duì)晶體的能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控，幫助學(xué)生理解晶體結(jié)構(gòu)和性能之間的密切關(guān)系?？傊?，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(xiàn)給學(xué)生，不僅可以幫助學(xué)生更好地理解所學(xué)知識(shí)，還可以拓寬學(xué)生的眼界，了解現(xiàn)論物理的研究手段，讓學(xué)生覺(jué)得學(xué)有所用，激發(fā)學(xué)生用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的熱情。

3.充分發(fā)揮課程網(wǎng)站的作用

21世紀(jì)是信息和網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，利用網(wǎng)絡(luò)可以便捷地實(shí)現(xiàn)知識(shí)的保存、傳播和共享，有效地利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)的實(shí)時(shí)互動(dòng)，以及教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)展延伸。我們的固體物理課程已經(jīng)建立了精品課程網(wǎng)站和E-Learning討論學(xué)習(xí)空間。課程網(wǎng)站上有教師精心收集、選擇的習(xí)題和思考題，學(xué)生可以自行測(cè)驗(yàn)并評(píng)分。此外，還有教師的教學(xué)課件和教學(xué)錄像，如果學(xué)生課堂上沒(méi)有完全理解老師所講的內(nèi)容，可以通過(guò)課程網(wǎng)站再回顧自學(xué)。課程網(wǎng)站上還有課堂上沒(méi)有講到的一些擴(kuò)展性內(nèi)容和前沿研究熱點(diǎn)，用于拓寬學(xué)生的知識(shí)面。另外值得一提的是問(wèn)題討論區(qū)，學(xué)生有什么問(wèn)題可以在上面提出來(lái)，與老師和其他同學(xué)討論和交流。這種方式拉近了學(xué)生和教師的距離，豐富了原有的教學(xué)手段，擴(kuò)展了教學(xué)空間，對(duì)提高教學(xué)效果有明顯作用。

4.微課程的有效利用

在大學(xué)校園中我們發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的學(xué)生都隨身攜帶智能手機(jī)等移動(dòng)數(shù)碼產(chǎn)品，現(xiàn)代信息通信技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)改變了傳統(tǒng)的閱讀和學(xué)習(xí)方式，學(xué)生們可以隨時(shí)隨地通過(guò)移動(dòng)終端從網(wǎng)絡(luò)上獲取自己想要的信息。微課是近幾年才流行起來(lái)的一種教學(xué)方式，它與傳統(tǒng)課程網(wǎng)站視頻的主要區(qū)別在于時(shí)間短、內(nèi)容精、針對(duì)性強(qiáng)。傳統(tǒng)的教學(xué)視頻大約為45分鐘，視頻容量太大，在線瀏覽時(shí)所需的流量大，費(fèi)用學(xué)生往往難以接受。另一方面，45分鐘的視頻中包含很多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生往往為了學(xué)習(xí)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)需要看完整個(gè)視頻，學(xué)習(xí)效率低，會(huì)讓學(xué)生失去耐心。而微課程恰好彌補(bǔ)了這些不足。心理學(xué)研究認(rèn)為，人的認(rèn)知效率在最初10分鐘內(nèi)是最高的，隨后會(huì)逐漸衰減，因此一段微課程的時(shí)間大多在5~10分鐘之內(nèi)，且主要針對(duì)某一知識(shí)點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)，集中闡明一個(gè)問(wèn)題，教學(xué)目標(biāo)明確。微課程可以作為課程全程視頻的補(bǔ)充，如果學(xué)生們?nèi)毕四承┱n，可以觀看教師的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻，如果只是某個(gè)知識(shí)點(diǎn)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(qū)”“光子和電子之間的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)”“有效質(zhì)量和真實(shí)質(zhì)量的差別”等微視頻，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求針對(duì)性地瀏覽這些視頻，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。此外，我們還將現(xiàn)代固體物理研究中常用的一些實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器通過(guò)微課的方式介紹給學(xué)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(nèi)容與現(xiàn)代科技聯(lián)系緊密，對(duì)于學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際、提升科研素養(yǎng)是非常有用的。實(shí)踐證明，精練、目的性強(qiáng)的微課程視頻很受學(xué)生的歡迎。本文針對(duì)當(dāng)前固體物理教學(xué)面臨的問(wèn)題，就如何將現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用于固體物理教學(xué)，改善教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)行了一些探索。實(shí)踐表明，通過(guò)充分利用多媒體、先進(jìn)模擬計(jì)算軟件、網(wǎng)絡(luò)課程、微課等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，取得了良好的教學(xué)效果。然而固體物理教學(xué)改革是一項(xiàng)復(fù)雜龐大的工程，尤其是學(xué)科領(lǐng)域不斷延伸和現(xiàn)代信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，如何有效借助現(xiàn)代信息技術(shù)提升固體物理的教學(xué)質(zhì)量，仍需我們?cè)趯?shí)踐中不斷探索和改進(jìn)。

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作者： 張臘梅 商繼敏