现代信息技术在固体物理教学中的应用

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【摘要】

随着科技的发展，现代信息技术无形中改变着人们学习和接受知识的模式。本文针对在固体物理教学中如何有效利用现代信息技术进行了一些探索和实践，主要通过合理有效地利用多媒体、先进模拟计算软件MaterialsStudio、网络课程、微课等现代信息技术手段，提高学生的认知效率，改善教学质量，促进学生综合素质和创新能力的提高。

【关键词】固体物理；现代信息技术；模拟计算软件；微课

一、固体物理学的起源与运用

固体物理学，是研究固体的结构并揭示其组成粒子之间的相互作用与运动规律、阐明其性能与用途的学科。20世纪50年代末，固体物理学被采纳为物理专业的一门基础课，由国内三位固体物理学前辈黄昆先生、谢希德先生和程开甲先生分别在北京大学、南京大学和复旦大学率先开设。经过半个多世纪的发展，固体物理学的应用领域不断扩展，已经成为凝聚态学科中最重要的一门专业基础课。除了物理专业以外，还有很多其他相关专业，比如微电子、光电子、材料学等专业均开设了固体物理课。在实践教学中，我们发现由于该课程理论性较强，公式推导复杂，很多概念抽象难懂，而且需要一定的空间想象力，学生学习起来有一定困难，加之学生往往不知道所学知识在实际中如何应用，学习动力不足，使固体物理教学面临严重的挑战。随着科技的迅猛发展，以多媒体技术和网络技术为核心的现代信息技术冲击了传统的教学模式，给固体物理教学带来了改革的契机。如何利用现代信息手段，深化固体物理教学改革，提高教学质量，是值得我们思考的问题。本文就在固体物理教学中如何有效利用多媒体、先进模拟软件、课程网站、微课等现代信息技术手段，进行了一些探索，以期改善教学质量，优化学生的认知结构，促进学生综合素质和创新能力的提高。

二、现代信息技术在固体物理教学中的应用

1.合理利用多媒体技术

多媒体技术是利用计算机对文本、图像、声音、视频、动画等多种信息进行综合处理的技术。多媒体技术具有形象、生动、直观、信息量大、便于留存等优点，很好地弥补了传统板书教学的不足。比如在讲解晶体结构内容时，学生往往不能理解面心立方结构为什么属于密堆积结构，传统板书只能在黑板上画出二维的晶体结构，学生很难建立三维的空间概念，造成认知困难。这时如果采用多媒体动画，一层一层地将原子堆积起来，然后进行旋转，再标记出面心立方的单胞，最后去掉多余原子，展现出一个完整的面心立方结构，这样学生就很容易理解了。布里渊区也是学生学习中的一个难点，我们可以先给出倒格子空间的图像，然后由动画的方式画出倒格子原点到最近邻格点的距离，再画出这些距离的平分线，最后标记出布里渊区的范围，并通过3600旋转使学生更好地了解布里渊区的空间图像。此外，对于格波的传输、费米面等不易理解的内容，都可以借助多媒体图片和动画等手段，帮助学生建立物理图像，提高认知效率。多媒体技术虽然有众多优点，但是并不能完全代替传统的板书，对于有些理论性较强的章节，比如格波振动方程、布洛赫波等内容，一边讲解一边进行板书的数学推导，同时及时提问，可以增强教师和学生的互动，帮助学生跟上思路，提高学习效率。因此，如何恰当有效地使用多媒体，是我们在教学过程中必须仔细斟酌的。

2.先进模拟计算软件MaterialsStudio的应用

固体物理学中的许多概念和理论抽象难懂，学生普遍反映理解起来比较吃力，同时很难与实际问题联系起来。借助先进的模拟计算软件，可以较直观地解释很多相关物理概念和理论，并与实际应用中的现象、性质、状态相联系，有助于学生更好地理解所学知识，提高教学效果。MaterialsStudio程序包功能强大，界面友好，操作简单，与其他计算软件相比，适宜于本科生的日常教学。利用该计算软件可以建立不同材料的晶体结构，并可以进行能带结构和态密度的计算及可视化，光学性质、光谱性质、介电性质的计算、费米面的计算等。我们可以利用该软件让学生建立一些常见的晶体结构，并计算他们的介电性能和光谱特性，也可以计算金属、半导体和绝缘体的能带图和态密度，比较他们带隙之间的差异，加深对能带理论的理解。还可以通过掺杂等手段对晶体的能带结构和光学性质进行调控，帮助学生理解晶体结构和性能之间的密切关系。总之，利用MaterialsStudio软件可以更加直观地将固体物理中的很多理论和概念呈现给学生，不仅可以帮助学生更好地理解所学知识，还可以拓宽学生的眼界，了解现论物理的研究手段，让学生觉得学有所用，激发学生用所学知识解决实际问题的热情。

3.充分发挥课程网站的作用

21世纪是信息和网络的时代，利用网络可以便捷地实现知识的保存、传播和共享，有效地利用网络教学可以实现教学的实时互动，以及教学内容的扩展延伸。我们的固体物理课程已经建立了精品课程网站和E-Learning讨论学习空间。课程网站上有教师精心收集、选择的习题和思考题，学生可以自行测验并评分。此外，还有教师的教学课件和教学录像，如果学生课堂上没有完全理解老师所讲的内容，可以通过课程网站再回顾自学。课程网站上还有课堂上没有讲到的一些扩展性内容和前沿研究热点，用于拓宽学生的知识面。另外值得一提的是问题讨论区，学生有什么问题可以在上面提出来，与老师和其他同学讨论和交流。这种方式拉近了学生和教师的距离，丰富了原有的教学手段，扩展了教学空间，对提高教学效果有明显作用。

4.微课程的有效利用

在大学校园中我们发现，几乎所有的学生都随身携带智能手机等移动数码产品，现代信息通信技术的发展，已经改变了传统的阅读和学习方式，学生们可以随时随地通过移动终端从网络上获取自己想要的信息。微课是近几年才流行起来的一种教学方式，它与传统课程网站视频的主要区别在于时间短、内容精、针对性强。传统的教学视频大约为45分钟，视频容量太大，在线浏览时所需的流量大，费用学生往往难以接受。另一方面，45分钟的视频中包含很多个知识点，学生往往为了学习某个知识点需要看完整个视频，学习效率低，会让学生失去耐心。而微课程恰好弥补了这些不足。心理学研究认为，人的认知效率在最初10分钟内是最高的，随后会逐渐衰减，因此一段微课程的时间大多在5~10分钟之内，且主要针对某一知识点，精心设计，集中阐明一个问题，教学目标明确。微课程可以作为课程全程视频的补充，如果学生们缺席了某些课，可以观看教师的网络教学视频，如果只是某个知识点的理解不够，观看微视频效果更好。例如，我们录制了“倒格子和布里渊区”“光子和电子之间的相同点和不同点”“有效质量和真实质量的差别”等微视频，学生可以根据自己的需求针对性地浏览这些视频，加深对所学知识的理解。此外，我们还将现代固体物理研究中常用的一些实验方法和实验仪器通过微课的方式介绍给学生。例如，X射线衍射、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、低能电子衍射、高能电子衍射等，这些内容与现代科技联系紧密，对于学生理论结合实际、提升科研素养是非常有用的。实践证明，精练、目的性强的微课程视频很受学生的欢迎。本文针对当前固体物理教学面临的问题，就如何将现代信息技术应用于固体物理教学，改善教学质量，进行了一些探索。实践表明，通过充分利用多媒体、先进模拟计算软件、网络课程、微课等现代信息技术手段，取得了良好的教学效果。然而固体物理教学改革是一项复杂庞大的工程，尤其是学科领域不断延伸和现代信息技术飞速发展的今天，如何有效借助现代信息技术提升固体物理的教学质量，仍需我们在实践中不断探索和改进。

参考文献：

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作者： 张腊梅 商继敏