【研究生精品课程】高等固体物理:把讲台“让”给学生

文:何乔 苟灵 图:何乔 / 来源:新闻中心 / 2021-04-13 / 点击量:777

编者按:为充分发挥精品课程的标杆示范作用,促进研究生课程质量进一步提升,研究生院自2018年启动了研究生精品课程建设工作,以公共基础课和各一级学科(类别)专业课为重点,充分结合国务院学位委员会学科评议组和全国专业学位研究生教育指导委员会编写的《研究生核心课程指南》,整体规划、分步实施,至2020年,经学院推荐、学校专家评审、研教指委审议通过,学校已立项了三批“精品课程”。新闻中心特开设【研究生精品课程】栏目,分享这些“精品课程”基于“价值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的教育理念,从课程目标与定位、课程内容、教学和考核方式、课程特色和成效等方面总结梳理其经验心得,与师生读者共享。本期介绍材料与能源学院李含冬教授在《高等固体物理》课程中的教改探索。

物理是一门古老的学科,是很多科学研究的起源和基础。对于工科生来说,《固体物理》大家并不陌生。那如果在前面再加上高等两个字呢?

材料与能源学院李含冬教授所开设的《高等固体物理》是主要针对学院博士生的一门必修课。但即使对于博士生来说,这门课也是“难,不容易听懂”。如何上好这样一门课,让学生有收获,并且学以致用,我们一起走进课堂看看!

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初心:为学生夯实科研的根基

固体物理是研究固体结构及其组成粒子(原子、离子、电子)之间相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科。它产生于20世纪30、40年代,是微电子、光电子、光子等各项技术和材料科学的基础。随着新的实验条件和技术的快速发展进步,新材料不断涌现,经典的固体物理理论在解释世界时也开始有点“力不从心”,出现了很多解决不了的疑难问题。到了70年代,凝聚态物理应运而生。一方面,它将固体物理学向外延拓,使研究对象除固体物质以外,还包括许多液态软物质。另一方面它也引入了新的概念体系,既有利于处理传统固体物理遗留的许多疑难问题,也便于推广应用到一些比常规固体更加复杂的物质。经过不断发展,凝聚态物理成为了晶体管、超导磁体、固态激光器、高灵敏辐射能量探测器等重大技术革新的源头;为力学、流体力学、电子学、光学及固态化学等经典科学提供了量子力学基础;对通信、计算以及利用能量所需的技术也起着直接的作用。

在李含冬看来,材料与电子大类的学生在进入博士阶段以后,将要接触大量前沿课程与科研方向,他们之前学习的固体物理知识已不能满足这些主要研究对象还是为“固体”的新兴交叉学科更高层次的科研需要。这就迫切需要设置一门符合学生特点和培养目标的课程以完善从事高层次科研所必需的基础知识链。

在这样的情况下,《高等固体物理》应运而生。可以认为,高等固体物理学是凝聚态物理学中专门研究“固体形态”以及“固体电子”相关前沿物理问题的学科。通过这门课程的学习,可以培养学生在知识能力水平上达到能理解并跟进当前学科前沿进展的层次;同时,也能比较全面地覆盖非物理专业工科生们科研工作所必需具备的物理理论基础。“简单来说,高等固体物理就是在进一步给同学们打基础,让他们能够更好地开展科研工作。” 李含冬说。

举措:把课堂变成“学术研讨会”

有了好的想法,但操作起来并不太容易。李含冬说,高等固体物理涵盖甚广,而且里面涉及到比较复杂、艰深的量子力学的知识,想要在40个学时里面把它讲完讲全是不太可能的。因此在教学内容上,李含冬将高等固体物理的知识做了选择,将凝聚态物理中涉及“固体”的核心知识点凝练出来,“以精代广”,以前沿材料的制备、物性与应用研究为课程内容引导,以“固体形态”与“固体电子”体系为中心,让学生们掌握前沿概念、基本理论思路、采用的方法等。

在课程形式上,李含冬将40个学时的课时分为两个部分,一半由他来给同学们梳理基本的理论框架和思路,另一半时间留给同学们结合自己的科研方向开展研讨,“把课堂变成学术互动交流的地方”。

在课程刚开始,他会了解每一位同学的研究方向,然后对他们进行分组。每一个章节结束以后,他会结合同学们的研究兴趣点,布置研讨题目,大家以小组为单位开展调研,然后将调研结果在课堂上做30分钟左右的分享。老师和其他同学在听完分享以后,会就调研报告中的内容提出问题,报告人再予以回答。最后,老师和每一位同学再针对报告内容,从是否切题、是否反映最新进展、报告制作质量、讲述环节是否清楚四个方面进行相互打分。“这其实跟我们参加学术交流或者发表论文是一样的,一方面是观点的碰撞,一方面也要接受同行的评价。”

今年春季学期,在讲完绪论和第一章(无序)后,李含冬给作报告的三个小组分别布置了这样的三个题目:有机与无机非晶半导体太阳电池研究进展、金属玻璃体系研究进展、无机与有机准晶材料研究进展。他希望同学们用一周的时间,从背景阐述、合成方法原理、结构表征、电子结构及能带、输运性质、应用举例、展望等7个方向开展调研,然后在课上做专题报告。

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3月22日上午,在沙河校区主楼508教室,第一场高等固体物理“研讨会”拉开了序幕。三个小组的汇报人站上讲台,报告小组的调研成果。在每一位报告人讲完后,台下的同学都纷纷针对自己感兴趣的点进行提问,讨论相当热烈。李含冬也参与其中,不仅提问题,还就同学们报告中提到的知识点进行延伸。例如,第三组同学在调研无机与有机准晶材料研究进展时,用了准晶扭曲双层石墨烯结构的例子。李含冬先是提问,准晶的电子结构和能带应该如何处理?当同学解释不清晰的时候,他又结合图片内容给大家做了详细的讲解。

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正是在这样的“学术交流互动”中,同学们把晦涩的理论知识跟具体的案例相结合、跟自己的研究方向相结合,不但加深了对理论的理解,同时也通过听取别人的报告扩大的知识面、碰撞出新的思维火花。

成效:学有所获、学以致用

授人以鱼,不如授人以渔。用李含冬的话来说,“我希望告诉同学们月亮在哪里,至于如何登上月球,他们需要自己去想办法”。

在课程开设之初,李含冬的理念就是要讲范式、讲思路,让学生了解高等固体物理学各种理论框架与前沿分支的研究进展,重点在拓宽知识面。因此在授课过程中,他尽量淡化理论推导的过程。这样一来,也节省下更多的时间给同学们做互动研讨,让大家从被动接受向主动研究转变,锻炼自学调研课题的能力。同时,他也注重将一些最近的重大学术进展融入课程中,让学生了解学术前沿,跟上时代发展。在课程考核上,过程考核和期末考试各占50%。并且期末考试也是采用开卷的形式。“我希望大家能真正了解高等固体物理,然后应用到科研中,而不是记下知识点。”在李含冬看来,课程的核心是要培养学生真正具备从凝聚态物理层面独立探索、理解材料科学与工程基础科学问题的能力,这才算学有所获、学以致用。

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在授课过程中,李含冬还注重对学生价值观的引导。他会给大家讲高等固体物理学科发展过程中我国科学工作者的贡献,用鲜活的案例来激烈学生树立科技报国的远大志向;强调学术研究的规范性,引导学生建立正确的学术道德规范与科学思维方式,树立以实干、肯干的态度做研究的观念;在互动研讨以及实践环节,他严格要求学生独立完成调研工作,培养学生养成通过自主思考与工作获取学习与研究成果的习惯,促进知识与技能、过程与方法、态度与价值观的三维统一。

来上这门课的,除了材料与能源学院的博士生,还有电子科学与工程学院、基础与前沿研究院的博士生。不同的专业背景导致了基础的强弱。如何照顾到每一个同学,真正做到因材施教?李含冬的做法是探索开展分层教学,给基础较为薄弱的同学“开小灶”。他鼓励大家在课后也积极跟他互动,针对课上没有听懂的地方,进行一对一的讲解。“要学会跟学生做朋友”, 李含冬说。

材料学院2019级博士生巩文潇去年上了这门课程。谈到学习的感受,他说,“本科学习的固体物理只是我们了解微观世界的一个开端,很多理论是基于实际物理知识的特殊情况做出的合理解释,和实际的现象是不相符合的。学生应该在掌握固体物理和量子力学知识后,学习高等固体物理。就像盖好房子的框架,需要一点点用细节去填补。”

提到授课教师李含冬,巩文潇认为,“李含冬老师讲课风趣幽默,难懂晦涩的知识点讲得通俗易懂,并且会把理论结合实际顶刊文献配合举例。这门课的课堂形式丰富,小组调研积极性很高,能有效提高学生自主学习积极性,一学期下来确实收获很多。”还有的同学评论,上完这门课“对材料在理论上有了更深层次的认识”,“能够将凝聚态物理的理论应用到自己的材料上了”。

对于这门课程,李含冬希望能够继续改进完善。他期望能积累出一套有电子科大特色、行之有效的高等固体物理学教学方法,不仅更好地支持学校重点学科发展方向,同时培养出一批又一批交叉学科的领军人才。


编辑:  / 审核:  / 发布者:陈伟