導語：如何才能寫好一篇量子力學知識點總結，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞 量子力學 教學內容 教學方法

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A

Teaching Methods and Practice of Quantum Mechanics of

Materials Physics Professional

FU Ping

(College of Materials Science and Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan, Hubei 430073)

Abstract For the difficulties faced by students in Materials professional to learn quantum mechanics physics course, by a summary of teaching practice in recent years, from the teaching content, teaching methods and means of exploration and practice, students mobilize the enthusiasm and initiative, and achieved good teaching results.

Key words quantum mechanics; teaching content; teaching methods

0 引言

量子力學是研究微觀粒子（如原子、分子、原子核和基本粒子等）運動規(guī)律的物理學分支學科，它和相對論是矗立在20世紀之初的兩座科學豐碑，一起構成了現代物理學的兩塊理論基石。相對論和量子力學徹底改變了經典物理學的世界觀，并且深化了人類對自然界的認識，改造了人類的宇宙觀和思想方法，它使人們對物質存在的方式及其運動形態(tài)等的認識產生了一個質的飛躍。

量子力學是材料物理專業(yè)一門承前啟后的專業(yè)基礎必修課：量子力學的教學必須以數學為基礎，包括線性代數、概率論、高等數學、數理方法等，其又是后續(xù)課程材料科學基礎、固體物理、材料物理、納米材料等的理論基礎。可見，量子力學課程在材料物理專業(yè)的課程體系中占有非常重要的地位，學生掌握的程度直接影響后續(xù)專業(yè)課程的學習。作者近年來一直從事量子力學的教學工作，針對量子力學課程教學過程中存在的現象和問題，進行了較深入細致的思考與探討，在實際教學過程中對本課程的教學方法進行了探索與實踐，收到了較好的教學效果。

1 量子力學教學面臨的難點

量子力學研究的是微觀粒子的運動規(guī)律，微觀粒子同宏觀粒子不同，看不見，摸不著，只有借助于探測器才能察覺它的存在和屬性。材料物理專業(yè)學生之前學習的基本上是經典物理，而量子力學理論無法用經典理論進行解釋，學生對此感到難于理解。因此，經典物理的傳統觀念對學生思想的束縛，構成了學生學習量子力學的思想障礙；量子力學可以說無處不“數學”， 由于材料物理專業(yè)學生在數學基礎方面與物理專業(yè)學生相比較為薄弱，在學習過程中普遍感到數學計算繁難，對大段的數學推導表現出畏難情緒。可見，量子力學對數學的精彩詮釋卻構成了學生學習量子力學的心理障礙。這兩大障礙勢必會影響量子力學和后續(xù)課程的學習。在這種情況下，我們應當怎樣開展量子力學教學從而使學生重視并努力學好該課程就成了一個嚴峻的挑戰(zhàn)。

2 明確教學重點和難點、有的放矢

要講授一門課程，首先應該對課程內容有一個清晰的認識。量子力學的內容可以包括三個方面：一是介紹產生新概念的歷史背景及一些重要實驗；二是提出一系列不同于經典物理學的基本概念與原理，如波函數、算符等概念和相關原理，是該課程的核心；三是給出解決具體實際問題的方法。三部分內容相互聯系，層層推進，形成完整的知識體系。作為引導者，教師應在這三部分內容的教學過程中幫助學生成功地突破兩大束縛。第一部分內容教師應考慮如何引導學生入門，從習慣古典概念轉而接受量子概念。在講授這部分內容時要將重點放在“經典”向“量子”的過渡上，引出量子力學與經典力學在研究方法上的顯著不同：經典力學是將其研究對象作為連續(xù)的不間斷的整體對待，而量子力學將其研究對象看成的間斷的、不連續(xù)的。學生在學習這部分時應仔細“品嘗”其中的“滋味”，以便啟發(fā)自己的思維自然地產生一個飛躍，完成思想的突破。第二、三部分是量子力學學習的重點與難點，并且涉及大量的數學推導，教師應采取適當的教學手段，突出重點，強調難點。在物理學研究中，數學只是用來表達物理思想并在此基礎上進行邏輯演算的工具，不能將物理內容淹沒在復雜的數學形式當中。通過數學推導才能得到的結論，只需告訴學生，從數學上可以得到這樣的結果就可以了，無需將重點放在繁難的數學推導上，否則會使學生本末倒置，忽略了對量子力學思想的理解。這樣的教學可以幫助學生突破心理障礙，不會一提量子力學就想到復雜的數學推導，從而產生抵觸情緒。成功地突破這兩大障礙，是學習量子力學的關鍵。

3 教學方法的改革

3.1 利用現代技術改進教學手段

傳統的板書教學能夠形成系統性的知識框架，教師在板書推導的過程中，學生有時間反應和思考，緊跟教師的思路，從而可以詳細、循序漸進地吸收所學知識，并培養(yǎng)了良好的思維習慣。但全程板書會導致上課節(jié)奏慢，授課內容有限。目前隨著高校教學改革的推進，授課學時相繼減少，對于傳統教學方式來講，要完成教學任務比較困難。這就要借助現代科技手段進行教學改革，包括多媒體課件的使用和網絡教學。但是在量子力學教學中，一些繁雜公式的推導，如果使用多媒體課件，節(jié)奏會較快，導致學生目不暇接，來不及做筆記，更來不及思考，不利于講授內容的消化吸收。鑒于此，對于量子力學課程，教學過程應采用板書和多媒體技術相結合的方式，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，調動學生的學習積極性。

3.2 建設習題庫

量子力學課程理論抽象，要深入理解這些理論，在熟練掌握教材基本知識的基礎上，需要通過大量習題的演練，循序漸近，才能檢驗自己理解的程度，真正學好這門課程。因此在教學過程中，強調做習題的重要性。有針對性地根據材料物理專業(yè)量子力學的教學大綱和教學內容，參考多本量子力學教材和習題集，利用計算機技術建設量子力學習題庫，題型包括選擇、填空、證明、簡答和計算題等，內容涵蓋各知識點，從簡到繁、由淺至深。題庫操作方便，學生可自行操作，并對所做結果進行實時檢查，從而清楚自己掌握本課程的程度。這一方式在近幾年的教學中取得了良好的教學效果。

3.3 加強與學生互動，調動學生的學習積極性

教學是一個師生互動的過程，應讓學生始終處于主動學習的位置而不是被動的接受。量子力學課程的學習更應積極調動學生的積極性，因此教師應在教學過程中加強與學生的互動。增設課前提問、課后討論環(huán)節(jié)，認真批改作業(yè)，積極發(fā)現學生學習過程中存在的問題，并及時對問題進行深入講解，解決問題。另外，由于量子力學是建立在一系列基本假定基礎之上的，抽象難懂，鑒于學生難接受的情況，在授課時注意理論聯系實際，盡可能進行知識的滲透和遷移，將量子力學在實際中的應用穿插于教學之中，豐富教學內容，開拓學生視野，從而調動學生的學習興趣和積極性。

4 結語

通過近年來教學經驗的總結和探索，形成了一套適合材料物理專業(yè)量子力學課程教學的方法，該方法教學效果良好。在近幾年的研究生入學考試中，學生量子力學課程的成績優(yōu)秀，說明采用這樣的教學方法是成功的。

資助項目：武漢工程大學2010年校級教學研究項目（X201037）

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關鍵詞：結構化學；課程特點；學習興趣；教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）20-0118-03

結構化學是在原子、分子的水平上研究原子、分子和晶體結構的運動規(guī)律以及物質微觀結構與其性能關系的科學[1-4]。著名化學家L.Pauling說過“當任何一種物體，當它的性質和物體的結構聯系起來時，那么這樣一種性質最容易最清楚地被理解”，理論化學家R.Hoffmann也曾說過“化學理論最重要的作用是提供一種思維機制，以總結更新知識”。從中可見結構化學地位的重要性。該課程涉及的知識面廣，內容相對抽象，要求學生具有較多的數理知識和豐富的空間思維能力，同時還要努力擺脫宏觀現象的傳統概念的束縛。大部分學生始終把學習結構化學當成一種負擔，學習起來感覺很枯燥，一知半解，似懂非懂，難以進入狀態(tài)。因此，本人根據結構化學課程的特點和學生在學習過程中存在的主要問題以及如何培養(yǎng)學生的學習興趣三方面進行了積極的思考和有益的探索。

一、結構化學課程的特點

在高等師范院校中，結構化學課程通常開設在第三學年，是在學生修完高等數學、大學物理、無機化學、有機化學、分析化學、物理化學等課程基礎上開設的。該課程主要包括三種理論（量子理論、化學鍵理論和點陣理論），三種結構（原子結構、分子結構和點陣結構），三個基礎（量子力學基礎、對稱性基礎和晶體學基礎），這也是學生學習結構化學時所要掌握的主要內容及學習方法[2]。

結構化學是學生本科階段初次接觸的理論課程，它是一門以量子力學為基礎，從微觀的角度來研究物質結構的學科，具有概念多，內容抽象，系統性、理論性較強等特點。另外，結構化學與數學、物理等學科互為交叉，所以要求學生具有嚴密的邏輯思維和扎實的數學、物理學等基礎知識。其次，化學是一門以實驗為基礎的自然科學，但是其研究的微觀結構狀態(tài)很難在宏觀的實驗中觀察出來，所以還要求學生具有較強的空間思維能力。因此，結構化學比較深奧、難學、難懂，往往被大多數學生認為是最難學的課程之一。

二、學生學習結構化學過程中存在的主要問題

1.從心理上害怕結構化學。結構化學所涉及的基本概念及理論高度抽象，一方面，有些老師在上第一節(jié)課時會告訴學生結構化學這門課程很重要，也很難學，許多同學都因不及格而重修；另一方面，學生還沒開始正式學習，就從高年級學生那里得知結構化學難學，不及格率較高。因此，從心理上學生對學習結構化學產生一種畏懼和抵觸心理。

2.學生學習結構化學存在誤區(qū)。很多學生對結構化學的學習內容沒有充分認識，認為研究生入學資格考試不考結構化學，學習結構化學根本沒用，只是為了應付考試。實際上這是一種誤區(qū)，部分高校（如南開大學）物理化學專業(yè)碩士學位研究生的入學考試就包含結構化學。而且結構化學也非常有用，可以了解化學反應的本質，可以合成滿足人類一定需要的新物質，也是學習高等化學的基礎等。

3.學生數理知識薄弱。結構化學內容涉及面廣，如需具備高等數學、無機化學、有機化學、物理化學及量子力學等知識，學習化學的學生數理知識普遍較差，對于結構化學中大量的數學推導過程感覺很費力，致使學生對該課程產生排斥心理。

4.缺乏微觀分析能力。量子力學是研究微觀粒子的運動規(guī)律的物理學分支學科，它主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論，它與相對論一起構成了現代物理學的理論基礎[5]。結構化學以量子力學為理論基礎，使人們對物質世界的認識從宏觀層次進入了微觀層次。而量子力學獨立于經典物理學，自成一套理論體系，內容抽象，脫離生活實際，邏輯性強，抽象思維程度高，學生易受宏觀思維定式束縛。

5.理論與實踐脫節(jié)。結構化學是重要的基礎科學之一，是一門以實驗為基礎的學科，在與物理學、生物學、天文學等學科的相互滲透中，得到了迅速的發(fā)展，也推動了其他學科和技術的發(fā)展。但是，在學習這門課程的同時，多數學生只在乎教程中的理論知識，從而忽略了思考與其他學科的相互關聯。另外，大多數學生學習結構化學缺乏實踐，把學習它當成了一項應付考試的任務，這與學習這門課的宗旨背道而馳。

6.學生之間缺乏交流。結構化學以數學邏輯推導為基礎，物理模型抽象難懂，學生學習方式單一、被動。學生的學習方式主要體現個體性，教師與學生之間，學生與學生之間經常處于一種緊張甚至對立的狀態(tài)，課堂上很少看見人際間的交流、觀點的交鋒和智慧的碰撞，學生的學習始終處于被動應付狀態(tài)。學生缺少自主探索、合作交流、獨立獲取知識的機會，很少有機會表達自己的理解和意見。

三、激發(fā)學生學習結構化學的興趣

根據結構化學課程的上述特點及學生學習過程中存在的主要問題，培養(yǎng)學生學習興趣是提高結構化學教學質量的前提和關鍵。愛因斯坦說過：“興趣是最好的老師?！睂W生只有有了學習興趣，才會積極配合教師的教學，教師才能夠更新教學理念，提高課程教學效果。下面筆者結合兩年來在結構化學教學實踐中的親身體會，介紹在結構化學課程教學中如何激發(fā)學生的學習興趣。

1.明確學習結構化學的目的與意義。結構化學包括很多有用的基本概念和許多重要的規(guī)律和原理。教師要讓學生了解通過結構化學的學習可以學到扎實的基礎知識和和理論知識，可為后續(xù)專門化課程的學習做好必要的理論基礎。同時也讓學生知道通過結構化學的學習可以了解化學反應的機理，例如，NO分子分解為N2和O2時在熱力學上是可以自發(fā)進行的，但此反應是動力學禁阻的，只有用結構化學中的前線軌道理論才能夠容易證明這一點。另外，通過結構化學知識的學習，人們很容易合成出新物質（如新材料、新藥的合成），其結構測定與分子的設計過程必須具有扎實的結構化學知識。還有結構化學的發(fā)展對化學學科的發(fā)展也有重大的推動作用（化學界化學的兩次革命性飛躍）等。

2.介紹科學奇聞趣事，陶冶學生情操。結構化學教學內容理論性較強，若在課堂教學中引入科學大師的物理學史教育，有助于激發(fā)學生的學習熱情。例如，在介紹薛定諤方程時，可以向大家介紹薛定諤的奮斗歷程，薛定諤被稱為量子物理學之父，23歲時獲得奧地利維也納大學哲學博士學位，1926年建立波動力學（39歲），1933年獲得諾貝爾物理學獎（46歲），同時告訴學生薛定諤不僅僅數學物理好，而且他的文學功底也非常好，于1944年整理出版了一本著作《生命是什么》。這樣學生在了解相關知識背景的同時，開闊了視野，提高了思維能力，受到了科學態(tài)度、科學精神的熏陶，激發(fā)了其學習熱情。

3.充分利用多媒體輔助教學，提升課堂教學效果。多媒體輔助教學作為一種現代化的教學手段，可以把文本、音頻、視頻、圖像、圖表、動畫等多種媒體信息綜合為一體化并進行加工處理，為課堂教學提供了豐富、直觀、真實的語言材料，啟迪學生的思維，從而優(yōu)化課堂結構，提高課堂教學效果。例如原子核外電子運動狀態(tài)、電子云的概念、雜化軌道理論、等徑圓球密堆積結構、離子晶體結構等都比較抽象，想象力較差的學生理解起來相對困難，若我們在計算機軟件中，用二維、三維動畫模擬顯示[6]，將抽象、微觀的內容具體化、宏觀化，使學生能夠實現對物質微觀結構更好的理解。

4.把最新科研成果引入課堂，以科研促進教學，激發(fā)學生學習興趣。教師還可以精心創(chuàng)設一些引人入勝的實踐環(huán)節(jié)，增強教學內容的趣味性，使學生在學習過程中能夠感受到所學知識的實用性。教材內容往往有所落后，已不適應當今社會發(fā)展的需要，而社會生活和科學知識卻不斷地迅猛發(fā)展，及時給學生補充最新的信息，將新的科研動態(tài)、知識引入結構化學教學課堂，豐富課堂內容，將抽象生硬的知識點轉化為生動具體的科研案例進行解釋和說明，調動了學生的學習積極性，保證了教學質量，促進了我們教學理念的轉變，使課堂教學的面貌大為改觀。

5.不斷改進教學方法，吸引學生的學習興趣。教師可采用多種形式的教學方法，創(chuàng)造一個輕松愉快的學習氛圍，激發(fā)學生的學習興趣。教師教學語言要盡可能做到用詞準確，條理清晰，生動有趣，富有感染力，學生易于接受。另外教師可以采用討論式教學方法，這種方法主要運用習題范例和關鍵知識點的應用實例，或者是就某一個關鍵問題進行辯論，師生平等互動，活躍課堂氣氛，提高課堂教學效率。同時教師也可采用提問式課堂教學，引發(fā)學生好奇心，讓學生進行創(chuàng)造性的思維活動，不斷地激發(fā)他們的求知需求。再者，教師還可以精心創(chuàng)設一些引人入勝的教學情境，增強教學內容的趣味性，使學生在學習過程中能夠感受到其樂融融，從而達到“我要學”的最佳境地。

6.加強師生之間的情感交流，提高學生的學習熱情。課堂教學不僅是知識信息的交流過程，也是情感信息的交流過程。心理學家莫維爾說：“情感如同肥沃的土地，知識的種子就播種在土壤里?！笨梢姺e極的情感能調動學生的學習積極性，有利于優(yōu)化課堂教學，改善課堂教學效果，提高學生的學習熱情。

四、小結

綜上所述，本文介紹了結構化學課程的特點、學生學習過程中存在的主要問題以及如何激發(fā)學生的學習興趣，那么如何將結構化學抽象、難以理解的知識形象化，如何運用各種合理的教學方法提高自己的教學水平，培養(yǎng)和激發(fā)學生的學習興趣，仍然是教師特別是青年教師需要長期思考的一個問題。

參考文獻：

[1]潘道皚，趙成大，鄭載興.物質結構（第2版）[M].北京：高等教育出版社出版，2004.

[2]周公度，段連運.結構化學基礎（第4版）[M].北京：北京大學出版社，2008.

[3]彭鵬，柴春霞.高等師范院校結構化學課程的難點探析[J].周口師范學院學報，2010，27（3）：75-77.

[4]孫巧珍.關于結構化學教學改革的實踐體會[J].考試周刊，2011，（18）：27-28.

[5]曾謹言.量子力學教程（第2版）[M].北京：科學出版社，2003.

[6]宋國拓，蔡俊.淺議化學教改前景――計算機輔助教學的應用[J].西北民族學院學報.2000，21（3）：23-25.

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【關鍵詞】固體物理 學科前沿 教學改革

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）07-0181-01

《固體物理》是大學物理專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課。固體物理是研究固體的結構及其組成粒子(原子、離子、電子等)之間相互作用與運動規(guī)律，以闡明其性能與用途的學科［1，2］。同時，隨著科技的發(fā)展，以固體物理為基礎外向延拓的凝聚態(tài)物理成為當前重點研究的學科之一，是材料物理、半導體物理、新材料和新器件等新興交叉學科的理論基礎。固體物理的學習成為基礎理論與應用學科之間的橋梁，在當今世界的高新科技領域起著不可替代的作用。本課程的主要學習任務是在大學物理、量子力學、統計物理等知識基礎上學習晶格理論和固體電子理論、以及所涉及的學科發(fā)展的前沿和應用。因此有必要學習且學好這門課，這要求學生必須具備較強的物理思想、扎實的數學基礎、良好的量子力學基礎，而且這門課內容抽象且龐大，因此對授課的要求也相應地提出了挑戰(zhàn)。從教師角度來講，如果上好這門課，使學生深刻理解和掌握物理基本概念、所學內容，并能學以致用，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力，如何融合學科前沿知識于物理教學中，提高教學質量，值得我們深思。

筆者在教學中考慮到傳統的固體物理教學內容和日新月異的固體物理前沿內容間的關聯，在教學中引入學科前沿研究的具體問題，以期固體物理的教學能夠與時展相結合，強化學生的基礎知識學習，提高學生的學習興趣，拓寬學生的視野，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度、學習能力和創(chuàng)新能力。本文引用教學過程中選擇的一個具體研究體系：即石墨烯體系來闡明如何在教學中建立基礎知識與前沿間的關聯的。石墨烯體系是2004年英國曼徹斯特大學的Geim和Novoselov等人通過機械剝離法獲得了單層石墨烯片，這種二維材料仍保持了近乎完美的晶體結構和極高的穩(wěn)定性。石墨烯材料展現出了諸如無質量的狄拉克費米子、彈道輸運、室溫量子霍爾效應等一系列新奇的物理性質成為近幾年迅速發(fā)展起來的研究熱點材料之一。2010年，Geim和Novoselov因為在石墨烯研究方面的卓越貢獻獲得了諾貝爾物理學獎金。選擇石墨烯體系是因為：(1)它可以與固體物理眾多基礎知識點聯系起來，使學生在學習中更加具體化；(2)在教學過程中結合一個研究問題，在學習過程中層層推進，既深刻理解了固體物理的基本知識點，又同時逐步了解了前科學科的研究內容、方法；(3)此教學過程可以激發(fā)學生的學習熱情和興趣，讓學生感知學科發(fā)展的動力，認識科學的研究來源于基礎知識的積累、學習。下面我們簡要的梳理一下在教學過程中如何結合石墨烯體系進行教學的。

1.晶格結構?！豆腆w物理》教學的第一塊內容是晶體結構以及對它的描述：基矢、倒格矢等。晶體結構是微觀粒子的排列方式，抽象、枯燥。我們將Materials Studio軟件應用于教學中，充分應用模擬軟件的可視化功能，導入典型材料的晶格結構，通過旋轉多角度的觀察微觀粒子的排列方式，分析結構特征。其中導入單層石墨烯結構：分析原胞，分析兩個不等價的碳原子，用A、B表示，求解原胞基矢、倒格矢，分析每類原子的最近鄰、次近鄰等，為后續(xù)緊束縛近似從能級擴展到能帶做鋪墊。

2.能帶理論。在晶體中，勢函數滿足周期性，狀態(tài)波函數滿足Bloch定理。求解石墨烯中載流子運動狀態(tài)和能量滿足的方程，考慮到碳原子核外電子在一個原子附近時，將主要受該原子場的作用，而把其它原子場的作用看成是微擾作用，因此采用緊束近似的方法。由于石墨烯中有A、B兩種不等價碳原子，波函數可以寫為ψ=C1?覫A+C2?覫B其中?覫A，?覫B 分別代表A和B的原子軌道對所有格點求和的波函數，在教師引導下讓學生具體求解本征方程，具體計算結合書本，只保留到最近鄰相互作用項，給出能帶公式，分析能帶圖，提醒學生注意能帶圖殊的6個交叉點（即K，K’點），具體物理分析留待后面解釋。

3.能態(tài)密度和費米面。能態(tài)密度以及費米面附近的載流子濃度是決定材料物性最基本的物理量。通過對石墨烯能帶結構的分析，由6個K和K’點組成的平面即為零偏壓下的費米面，忽略原子軌道間的重疊積分，在K/K’附件展開給出能量為波矢的線性關系，實驗上可用角分辨光電子譜等方法對石墨烯的能帶進行測量，向學生展示實驗結果并對比理論進行分析。相應地描述石墨烯載流子行為的方程是Dirac方程，而不是薛定諤方程，這一點需向學生做進一步分析解釋：區(qū)別傳統自由電子氣中描述載流子所采用的近自由電子近似，其中能量與波矢的關系成二次方項；而在單層石墨烯中載流子的速度約為106 m/s，類光子，采用Dirac方程描述。正是因為石墨烯中電子結構的特殊性為人們研究觀察相對論量子電動力學效應提供了更加方便的手段和系統，使得人們可以利用低能的凝聚態(tài)物理來模擬一些量子場下所預言的相對論量子現象，用石墨烯來檢驗Klein隧穿效應等，拓寬學生視野，激發(fā)學習熱情。

4.電子在電場和磁場中的運動。(1)通過能帶理論解析導體、絕緣體或半導體的導電行為。針對石墨烯材料，同樣由能帶結構分析導電性能。尤其指出當門電壓為零時，理論上載流子濃度為零，如何解釋實驗上觀測到的最小電導率，向學生拋出問題，引導學生思考，最后總結目前文獻中的相關解釋。(2)采用經典理論和量子理論分析自由電子系統在外加磁場條件下載流子的運動特征，介紹傳統的霍爾效應和整數量子霍爾效應現象。引入在石墨烯材料上室溫下觀測到的反常的量子霍爾效應現象。引導學生找出霍爾電導的反常性來源于材料結構的特殊性以及描述載流子運動方程的不同，并進一步給出在外加磁場下的狀態(tài)方程和能量關系，分析實驗現象。

5.其它。在課時允許的條件下，以專題的形式向學生介紹前沿知識。同樣以石墨烯為例，介紹晶格振動實驗和理論的結果；各種散射機制以及采用Boltzmann方程的方法如何處理散射問題，異質結的能帶形成過程；光的吸收與層數的關系實驗規(guī)律，分析光的吸收機制以及在透明導電薄膜領域的應用前景；以及石墨烯材料如何制備等等。當然我們也同樣可以選擇其它的學科前沿的事例結合固體物理的教學，在這里筆記主要是介紹通過石墨烯的研究內容來充實我們的教學內容。

總之，結合固體物理理論性強，并且學科飛速發(fā)展的特點，在課程內容上有必要增加學科前沿內容，傳授研究方法，設計研究性課題，解決實際問題。從而培養(yǎng)有創(chuàng)新能力的學生。

參考文獻：

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關鍵詞：非經典計算；算法設計與分析；智能科學與技術

1背景

智能科學與技術是人工智能方向的重點交叉學科，是一個包含了認知科學、腦科學、計算機科學的新興學科。按照教育部學科專業(yè)目錄，智能科學與技術是一級學科計算機科學與技術下的二級學科。如何在4年的本科教學過程中，既立足于計算機學科內容，又突出智能專業(yè)的特點，體現該專業(yè)區(qū)別于計算機科學專業(yè)的特色，培養(yǎng)一流的智能人才，是眾多智能專業(yè)積極探索的問題。

本著幫助學生建立寬廣厚實的知識基礎，使學生將來能向本專業(yè)任何一個分支方向發(fā)展，并能掌握本學科發(fā)展的最新動態(tài)和發(fā)展趨勢，深刻領會本學科與其他相關學科區(qū)別的目標，廈門大學智能科學與技術系于2012年合理調整了專業(yè)培養(yǎng)方案，制定了一套突出專業(yè)特色和個性的教學大綱，課程體系分為學科通修課程、專業(yè)必修課程、專業(yè)選修課程。其中，專業(yè)必修課程細分為智能基礎類課程、軟件理論類課程及硬件基礎類課程3個不同類別。在智能基礎類課程中，開設非經典計算課程。該課程是廈門大學智能科學與設計系最具特色的課程。

該課程以軟件理論類課程算法設計與分析為先導課程，在本科三年級的第一學期先講授算法知識，在同一學年度第三學期講授非經典計算的內容。教師首先介紹經典算法設計與分析中的各種傳統算法，借由經典算法發(fā)展過程中遇到的困境問題引出非經典計算的內容，前后呼應，有助于學生在智能計算上獲得完整的系統學習。

2非經典計算在智能科學與技術專業(yè)本科教學算法體系中的地位

算法設計是智能科學與技術專業(yè)中的核心內容。本科專業(yè)4年的專業(yè)教學計劃由4門核心課程構成算法體系的主線，包括高級語言程序設計（本科一年級學科通修課程）、數據結構（本科二年級方向必修課程）、算法設計與分析（本科三年級方向必修課程）、非經典計算（本科三年級方向限選課程）。這4門課程的教學內容和組織結構完整地構成了算法體系結構。以圖靈獎獲得者、pascal之父Niklaus Wirth提出的著名公式為參照，即Algorithm+Data Structures=Programs，算法體系以培訓計算機方向學生掌握編程能力，獨立完成分析問題、設計方案、解決問題的綜合能力為主要目標；在這個體系中，程序語言是基礎，數據結構是內涵，算法是框架。

在算法體系中，這4門課程以循序漸進的方式展開，注重對學生算法思維的培訓。

（1）高級語言程序設計講授的是c語言程序設計，通過對C語言的詳細介紹，讓學生掌握程序設計方法和編程技巧。作為初始啟蒙課程，選擇C語言作為程序教學語言，是因為C語言的使用廣泛，擁有嚴格完整的語法結構，適合教學。

（2）數據結構重點講授各種常用的數據表示邏輯結構、存儲結構及其基本的運算操作，并介紹相關算法及效率分析。教師通過在一年級對包括C語言在內的其他程序設計過程的訓練，加人對數據結構中各種數據的邏輯、存儲結構的表示和運算操作，從數據結構的角度闡述典型算法，并簡單介紹算法的效率分析，這是對程序設計訓練的進階內容。

（3）算法設計和分析主要介紹算法設計與分析的基本方法以及算法復雜性理論基礎。我們在本科三年級引入算法設計與分析課程，從算法的抽象角度總結和歸納各種算法思想，包括遞歸與分治法、貪心法、動態(tài)規(guī)劃法、回溯法、分支定界法、高級圖論算法、線性規(guī)劃算法等，最后闡述算法復雜性的分析方法、NP完全性理論基礎等計算復雜性的基本知識及完備性證明概要，重點闡述算法思想，從復雜性角度比較和分析不同的算法。上述（1）、（2）和（3）的內容構成了計算機學科通用算法體系的教學過程。

（4）非經典計算主要討論何為計算的本質以及經典計算在計算能力上遇到的困境，以此為契機討論自然計算――生物計算、集群計算、量子計算等內容。算法設計和分析的最后一個章節(jié)是對算法復雜性的分析方法及NP完全性理論基礎的介紹，不可避免地會討論到現代電子數字計算機體系在計算能力上的瓶頸以及由NP完全問題（Non-deterministic Polynomial），號稱世界七大數學難題之一的經典問題，引出對經典計算機體系的深層思考，進一步引導學生思考如何解決計算能力的瓶頸問題。這是教師設計非經典計算課程的出發(fā)點，也是對算法體系更完整的補充和更深層次的探討。

此外，我們還需要對授課學期選擇進行考慮。廈門大學實行三學期制度，在第三學期內開設的課程大多是實踐類課程及前沿技術介紹課程。在本科三年級的小學期階段，學生基本完成了智能專業(yè)大部分必修課程的學習，擁有了一定的計算機基礎和學科素養(yǎng)。這時，依賴學生已經具有的數據結構與算法的基本知識，可以將學生的學習引向如何理解計算的本質；再從計算本質出發(fā)，由易到難，介紹采用非計算機的不同計算媒介和方法，例如DNA計算、元胞自動機、集群計算等知識，結合計算機模擬程序加深認識。在逐步加深學生對非經典方法計算的理解之后，再引入量子信息與量子計算。至此，智能專業(yè)關于算法體系的整體構建已基本完成。

3非經典計算課程內容大綱

非經典計算課程的主體課程內容以專題形式展開，分為5個部分。

第一部分：計算本質。從什么是計算人手，列舉各種計算的形式，由數字的計算到命題的證明，由數值計算到符號推導，引出計算本質的廣義定義，“計算是從一個符號串f變換成另一個符號串g”，即從已知符號（串）開始，一步一步地改變符號（串），經過有限步驟，最后得到一個滿足預先規(guī)定的符號（串）的變換過程；進一步展開對什么是計算、什么是可計算性的討論，展開介紹計算理論上4個著名的計算模型――般遞歸函數、λ可計算函數、圖靈機和波斯特系統；最后歸結到丘奇?圖靈論點。以上是第一條主線，第二條主線從計算復雜性角度人手，討論在經典算法中難解決的NP完全問題，提出在經典計算體系中隨著輸入數據規(guī)模增大而難以計算的瓶頸，從而引發(fā)學生對于經典計算的思考。

第二部分：智能計算機的發(fā)展。這個部分主要討論計算機硬件的發(fā)展歷史，即從原始時期的計算工具，到現代計算機的4個發(fā)展階段：史前期、機械式計算機、機電式計算機、電子計算機。教師從模擬型計算機到數字型計算機，闡述馮?諾依曼關于計算機五大基本組成對現代計算機體系結構的影響及其帶來的限制；從硬件角度提出非經典計算機的討論，鼓勵學生對現代智能計算機硬件進行調查。

第三部分：DNA計算。主要闡述DNA計算的基本原理，并以旅行商問題為引子，展開經典計算難解決問題的討論，重點介紹第一個由DNA計算模型解決的問題――L.Adleman構建的7個節(jié)點的DHP，并著重指出DNA計算潛在的巨大并行性和待研究的問題；然后介紹R.Lipton用DNA實驗解決的另一個NP問題――可滿足性問題（SAT）；最后將DNA計算與軟計算結合，闡述粘貼模型以及DNA的軟計算模擬與遺傳算法的對比。對于DNA計算強大的并行性，以具體的算法實例加以詳細闡述和說明，教師應指出分子計算的優(yōu)缺點以及在計算能力上的巨大潛力。

第四部分：細胞自動機和集群計算。這個部分主要討論群體計算，一方面，從細胞自動機的形式化闡述及其所帶來的哲學意義出發(fā)，描述細胞自動機在計算機交叉學科上的運用；另一方面，介紹集群計算，以歐盟“藍腦計劃”為出發(fā)點，闡述如何從硬件體系和軟件體系上用計算機架構類神經元的協同合作方式。

第五部分：量子計算。從基本的量子力學知識開始，完整闡述量子計算的基本概念、量子信息、量子計算機和量子通信。量子計算機的構建除了要包含最基本的操作外，還需要介紹基本的量子計算機體系結構、計算載體等知識，加深對量子計算的理解，最后介紹的量子通信。這種已經應用在實際生活中的量子計算，更貼合實際。

以上5個專題，結構清晰，分工明確。第一部分討論經典計算的困境，第二部分討論經典計算機的發(fā)展瓶頸，從第三部分開始，引入非經典計算模型，分別從生物學和計算機科學的交叉學科DNA計算、細胞自動機和集群計算、量子計算3個方面進行學習。5個專題，完成了對非經典計算中前沿熱門計算模式的闡述，引導了學生對于前沿學科的認識和思考。

4非經典計算課程授課方式

本課程屬于本科三年級第三學期的課程，授課除了上文提到的內容之外，另一個更重要的方面是引導學生對學科前沿以及熱點內容的跟蹤和思考。因此在教學方式上，我們采取了教師授課及學生調查報告相結合的形式。教師上課對應課程的基本內容，學生調查報告對應學科前沿跟蹤與思考。

5個專題內容的授課經過了如下設計。在每個專題的授課結束后，布置相關專題內的一些熱點、難點問題供學生課后查閱、討論和思考。每個專題由學生自主報名，學生需要對相關內容進行跟蹤，查閱近5年的科技文獻，總結出論文綜述，并準備10分鐘左右的課堂報告，教師針對課堂報告指出相關的問題，由學生課后進行進一步的思考和再次的文獻查閱，形成最終報告后提交課程論文。

這樣的課程設計安排，可以很好地實現教學相長。在學生方面，促使學生除了上課聽課，必須主動參與文獻的查詢過程，主動對授課內容或延展部分的概念進行思考。由于提供給學生選擇專題的自由，所以也可以大大提高學生的積極性，讓學生可以從感興趣的角度對本門課程涵蓋的內容進行調查，從而獲得更加深刻的上課體驗。最后，由于每個學生選擇的題目必須提前匯總，不能與別人重復，所以在其聽取其他學生的報告過程中，學生可以更廣地拓展自己的知識面。對于授課教師而言，能夠保持對該門課程研究現狀的實時性跟蹤，更加全面地更新課程內容，還可以將學生查閱的重要理論和知識補充到課程基本內容中，同時促進教師與學生之間的互動，活躍課堂氣氛，提高教學質量。

5關于非經典計算課程的幾點思考

課程從廈門大學智能科學與技術系建系之初開始構思和授課，在授課過程中不斷調整教學內容和課程設計，緊緊圍繞學生的反饋完善課程建設。關于非經典計算課程的幾點教學經驗可以總結如下。

1）增加課時，優(yōu)化對課程設計的安排。

2015年開始，由于學科教學計劃的調整，非經典計算課程由最初的20課時拓展為30課時，集中在本科三年級第三學期進行講授，一共5周，每周6課時。課時安排上，除了增加教學內容，更加強了對學生的文獻查閱和報告部分的考查。在論文報告環(huán)節(jié)，爭取做到有目標、有指導、有結論、有總結。學生所做的報告除了在初始選題階段要有區(qū)別之外，還要求有一定的文獻查閱難度。從選題確定，到針對報告指出具體的問題，要求學生根據教師指出的問題進行進一步的思考和資料查閱，最后形成論文。這樣的安排貫穿整個課程的全過程，學生的參與度獲得了極大的提高。對于教師而言，在學期末總結學生所做的報告內容，并增加本門課的知識點覆蓋程度，對教學也有比較大的促進作用。

2）課程考核方式上的設計。

非經典課程屬于必修課程，在考核方式上除了提交論文外，也必須要有必要的考試環(huán)節(jié)。在考試環(huán)節(jié)中，主要考查學生對教師上課內容的理解。在具體授課中，教師從經典計算到非經典計算進行講解，也從算法角度給出了非經典計算強大計算力帶來的改變，既延續(xù)了經典算法課程中對算法的介紹和討論方式，又對比了典型問題在經典算法和非經典算法中的不同解決方式。這樣的授課內容作為對算法體系基本知識點的考查，以閉卷考試內容來設計，是十分合適的。課程延展部分的開放知識點由學生的論文及報告內容進行評分衡量。最后，我們將兩個部分的成績作為本門課程的最終成績。

3）課程教材的選定。

由于本門課程是廈門大學智能系的特色課程，所以國內并沒有合適的教材作為授課使用。在積累了幾年的教學經驗后，我們準備著手進行教材的編寫。如何選定更加合理的專題、更為廣泛而前沿的知識，這關系到智能專業(yè)對這門課和教材的全局考量。

篇5

【關鍵詞】能級躍遷 模型 模擬實驗

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）05B-0098-02

能級軌道的思想和躍遷規(guī)律是學生接觸近代物理學的第一站，因此讓學生形成正確的概念、熟練掌握規(guī)律，并接受量子的思想顯得尤為重要。但是能級軌道和躍遷規(guī)律描述的是遠離日常生活經驗的抽象的原子世界，甚至它的現象和規(guī)律與之前學習的經典物理學的某些規(guī)律是相互抵觸的，學生難于接受，更難于理解。因此，對于看不見，也摸不著的微觀世界，如何將它的現象在宏觀世界簡便地表現出來，讓學生易于學習、樂于探索，又不太為難學生，是物理教育者需要研究的問題。

筆者正是為了解決上述的問題，精心設計了能級躍遷的模擬實驗，以期能夠對該知識點的教學做出有益的探索。

一、實驗內容

（二）實驗材料和裝置

直徑為2.5cm的鋼球若干，約2米長的可彎曲的滑軌，滑軌的軌道寬度要適度，以使得鋼球能自如地在滑軌上運動，木板、鐵釘等作為制作支架的材料。

（二）實驗設計

1.用木板作為支架，利用鐵釘固定，將滑軌彎曲成如下圖的形狀?；壍淖髠葍A角要選擇適當，使得放在上面的鋼球有足夠的動能將處于最低位置（基態(tài)）的“電子鋼球”打出軌道之外。在彎曲軌道處，要特別注意能級梯度的設計，要直觀地顯現出“能級”的梯度。

2.把鋼球放在任意的位置上，就代表相應的一個光子，高度越高鋼球的重力勢能越大，對應的“光子”能量就越大。

3.將一個鋼球放在最低點的凹槽部位，代表氫原子內部的電子，處于基態(tài)，即處于最低點時。

二、實驗設計的理論依據

（一）形成概念、掌握規(guī)律

在中學物理教學中，使學生形成清晰的物理概念，準確地掌握物理規(guī)律，是中學物理教學的核心問題。一般說來，必須從感覺和經驗開始，即生動直觀是形成概念掌握規(guī)律的基礎。軌道量子化、能級、能級躍遷、光量子等是量子理論中最基礎的概念，更重要的是它們是中學生初次接觸量子思想的載體，它的教育意義不可輕視。但是這部分內容抽象而又深奧，課堂上單靠教師的口頭講授顯得蒼白無力，學生無法獲取足夠的知識信息。

鑒于此，筆者設計了該部分的模擬實驗用于課堂教學，把能級躍遷的規(guī)律生動、形象地展現在學生面前，使學生獲得精心設計的感性認識，更深刻地理解所學的新內容，激發(fā)學生的學習興趣。

（二）模擬實驗展示能級躍遷規(guī)律

本模型用階梯代表能級、鋼球代表光子、被撞擊的鋼球代表電子，這些都有極強的類比和關聯性，它與彈性碰撞的過程具有相似性和可比性。因此基于此設計的模擬實驗可以定性地給出能級躍遷及電離的五個規(guī)律?，F分析如下：

1.光具有粒子性，能量是一份一份的，用鋼球表示光子本身就具備了很好的說明性。但要注意說明是愛因斯坦的光粒子，而不是牛頓的光粒子，以免學生造成誤解。

2.氫原子的狀態(tài)不是連續(xù)的，而是分立的。模擬實驗中，階梯代表能級軌道。底部的鋼球代表電子，被“激發(fā)”后處于某個階梯上的鋼球具有的重力勢能是固定的，即代表電子處于固定的軌道上有固定的能量。

3.入射光子只有滿足固定的頻率（即具有一定的能量）才能被電子吸收。光子的頻率太低或者過高都無法使電子發(fā)生躍遷。模擬實驗中代表光子的鋼球只有放在某個固定的位置上才能使“電子”躍遷到相應的“能級”。

4.當入射光子的能量足夠大時，將使電子脫離原子核的束縛，發(fā)生電離。在模擬實驗中“光子”在某一位置恰好使處于基態(tài)的“電子”發(fā)生電離；當“電子”處于激發(fā)態(tài)時，要使之恰好發(fā)生電離，“光子”也是處在另一相對較低的固定位置。

5.模擬實驗中代表光子的鋼球的位置越高，表示“光子”的能量越大，碰撞后越出軌道之外的“電子”的初速度越大，即初動能越大。所以，該實驗模擬裝置又可以作為光電效應的模擬實驗。這個模型將波爾理論的能級思想和能級躍遷規(guī)律與光電效應聯系在一起，整合為一個相對完整的知識體系，幫助學生將知識總結歸納合理化，形成系統。

三、實驗要點

該實驗設計以教師演示為主，幫助教師對知識規(guī)律進行講解，通過觀察幫助學生理解和掌握知識；以學生參與實驗為輔。演示是教師引導式地向學生講解知識理論，參與是為了學生自主探索，加深對概念的理解和對規(guī)律的掌握。實驗的設計著重于學生類比、聯系、推理、建模等思維活動，將知識鞏固系統化。因此，要注意以下幾點：

1.在設計裝置時，教師應當提前將使“電子”躍遷到第一能級、第二能級的“光子”位置做標記，找出剛好能使“電子”電離的“光子”位置，做上標記。

2.只有一定頻率的“光子”能使“電子”躍遷到“第一能級”。實驗時，為了節(jié)省時間，要注意在先前標記的位置附近進行嘗試實驗，讓學生發(fā)現恰好使“電子”躍遷到“第一能級”的“光子位置。

3.讓學生自主實驗，找出使處于基態(tài)的“電子”躍遷到“第二能級”的“光子”和剛好使“電子”電離的“光子”。

4.觀察實驗，“電子”離開軌道時的狀態(tài)，比較不同“光子”入射，“電子”電離后的初速度大小。進行實驗后，學生將會得出“光子”的能量越大，“電子”離開軌道時的初速度越大的結論。那么接著引導學生思考，使之與光電效應聯系起來。問學生，該模擬裝置能否用來模擬光電效應，它的道理如何，應該怎么樣用它來解釋光電效應，該怎么做。

5.讓學生根據實驗過程獨立歸納總結實驗規(guī)律，使之與能級躍遷規(guī)律類比。

6.完成實驗后，可以讓學生進行討論，進行這樣的模擬實驗好不好，同學們是否想過微觀世界的規(guī)律，我們可以通過宏觀的實物進行模擬。教師所設計的這個實驗模型是否幫助了你對量子現象的理解，讓學生提出該模型還有哪些缺陷，或者還可以模擬哪些規(guī)律。集思廣益，不斷地完善模型。

該模型確實還存在一定的局限性，使用模型來模擬規(guī)律進行教學也是不得已而為之，至少它填補了學生對微觀世界感性接觸的空白。物理模型不是封閉的模型，而是開放的模型，教學中也可以讓學生積極參與分析和思考，不斷地完善我們的物理實驗。

四、結束語

中學生學習物理，形成概念、掌握規(guī)律是一個十分復雜的認識過程。因此，我們就應該從物理實驗著手，加強實驗，特別是對于日常生活當中學生難于見到的、無法接觸的內容，我們應當精心設計實驗進行教學，使學生獲得豐富的感性知識，形成鮮明的物理圖景，為學生建立正確的概念、掌握規(guī)律奠定結實的基礎。本模擬實驗就是這樣一個精心設計的實驗。

這個模擬實驗是筆者從美國高中物理教材中的光電效應的模擬實驗中受到啟發(fā)想到的，或者說是筆者對該模型的創(chuàng)新改進，然后用于能級躍遷理論的教學。在物理教育方面，國外的許多教學方法是值得我們借鑒的，特別是在現在進行課改的大背景下，更應值得探索學習。

【參考文獻】

[1]保羅?齊策維茨（美），仲新元（譯）.物理：原理與問題（第三冊）[M].上海：上海科學技術出版社，2005

[2]許國梁，束柄如.中學物理教學法[M].北京：高等教育出版社，1996

篇6

[關鍵詞]大學物理 多媒體技術 優(yōu)勢 注意事項

[中圖分類號] O4-4 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）18-0168-02

物理學是研究物質的基本結構和運動普遍規(guī)律的基礎學科，大學物理對很多理工科專業(yè)的學生都是必修課程。物理學在為理工類專業(yè)課程的學習奠定知識基礎的同時，還能培養(yǎng)學生的科學思維能力，因此做好大學物理的教學工作顯得至關重要。隨著計算機技術的快速發(fā)展，多媒體技術在教學領域的應用也日益受到高校老師的重視。多媒體技術相對傳統的教學方式有諸多優(yōu)勢，因此將多媒體技術與大學物理教學有機結合起來，對提升大學物理的教學質量有著重要意義。

一、大學物理教學的意義和現狀

當前大學物理的教學現狀主要有以下幾個特點：剛進入大學階段的學生對物理既熟悉又陌生，他們從初中開始接觸物理，到高中有了較深層次的理解，再到大學利用高等數學等相關知識對物理有了更深層次的認識。然而，也正是因為對物理的比較熟悉，使得學生在深入學習“重復知識”時會感覺乏味[1]；第二，大學物理作為基礎課，主要在大一、大二開設，此時大部分專業(yè)課程還沒開，很多學生對本專業(yè)整體的知識架構還不了解，尚不清楚物理學和專業(yè)課之間的關聯，容易產生不重視物理學的現象；第三，大學物理教學中普遍都存在學時少、課程多的情況。例如徐州工程學院開設的基礎課“大學物理C”（共12章）、專業(yè)課“原子物理學”（共11章），都只有48個學時，教學難度較大。

在這種形勢下，傳統的“黑板+粉筆”的教學模式很難激發(fā)學生的學習興趣，課堂效率也比較低，在學時少的情況下，教學效果一般。多媒體技術在大學物理教學中的應用，能夠使課堂變得生動、形象，也能提高講課效率，進而促進大學物理教學質量的提高。

二、多媒體技術在大學物理教學中的優(yōu)勢

多媒體技術在教學中的應用改變了教師以粉筆和黑板為主要教學媒介的單調模式，圖文并茂、聲像俱佳、表現形式多樣化，深受廣大師生歡迎。

（一）信息量大，教學效率高。大學物理課程中有大量的公式、圖形，如果僅靠手寫，會耗費大量的教學時間，而且在合班教學時，教師較多手寫的內容不易被所有學生看清，這都會影響到教學效率。多媒體教學中，教師備課時將要講的知識點事先做好課件，可以在課堂上節(jié)省出較多的時間，這些時間可以用來講解原理、公式的發(fā)現和推導過程。多媒體授課形式直觀、有效，能夠調動學生的學習興趣，可以培養(yǎng)學生的科學思維方式，傳授知識的效果更好。

（二）直觀、生動，便于學生理解抽象的物理概念。物理課中有很多難以直接感知的概念和運動過程，例如：氣體分子速率分布、電磁波的產生和傳播、狹義相對論等，學生對這些物理模型僅憑想象很難理解。多媒體教學能夠將這些概念和運動過程用模擬的圖像、動畫等多種方式表現出來，這樣使學生能夠直觀、生動的去感知物理現象和物理內涵，再由表及里，由感性認識上升到理性認識，從而加深學生對物理模型的理解。另外，物理是以實驗為主的學科，利用多媒體技術，可以將一些經典的實驗過程做成演示課件，緊密配合課堂教學內容進行演示，對物理理論知識的教學有積極促進作用。[2]

（三）多媒體課堂互動性強。學生參與教學活動能夠提升學習的主動性，多媒體教學可以實現互動式教學。當講解完某一知識點后，教師可以提出問題讓大家分析、討論，當教師總結時，可以將已講過的相關內容用多媒體課件再次演示，在這個過程中，加深了學生對知識點的理解，同時教師也知道了學生對知識點的掌握情況，因地制宜地調整教學節(jié)奏。針對一些難懂的知識點，可以根據多媒體課件反復演示、講解，以免學生因不理解而造成興趣低落。

（四）有助于學生了解物理學的發(fā)展歷程和物理學在本學科中的作用。利用多媒體技術，能夠更多地演示物理學的發(fā)展歷程和相關的物理學家圖片、視頻等，這有助于學生了解物理學的發(fā)展脈絡。也可以介紹一些當前的研究特點，尤其是物理學和本專業(yè)學科的交叉領域的研究特點，這樣不僅能拓寬學生的物理視野，同時還能使學生對專業(yè)、學科有一個綜合的理性認識，也就是對物理學的重要性有了理性的認識，從而提高學習積極性。

三、大學物理多媒體教學實例

多媒體技術在教學中具有上述優(yōu)勢，可如何將多媒體技術優(yōu)勢與具體的物理教學結合起來？我們以光的粒子性為例進行探討。光的粒子性在《大學物理》的近代物理基礎部分，《原子物理學》、《固體物理學》和《半導體物理》的量子物理部分，以及《量子力學》均有體現，是大學階段很重要的物理概念。因為光具有粒子性，所以當光照射到金屬表面時，電子從金屬表面逸出，稱為光電子。這部分知識比較抽象，為了加深學生的認知和理解，可以將光電效應的原理和現實生活中的應用利用多媒體課件展示給學生。

利用光電效應開發(fā)的光控繼電器，如圖1所示，其原理是：當光照在光電管上，光電管電路中產生光電流，經過放大器放大，使電磁鐵M磁化，而把銜鐵N吸住。當光電管上沒有光照時，光電管電路中沒有電流，電磁鐵就把銜鐵放開，將銜鐵和控制機構相連接，就可以進行自動控制了。這種光控繼電器可以用于自動控制，如自動計數、自動報警、自動跟蹤等設備。在課堂上，展示給學生示意圖，并讓學生對光控繼電器的這些應用展開探討，拉近物理理論和現實生活的距離，同時讓學生認識到物理的重要性，從而提高學生的學習興趣。

四、多媒體教學應注意的事項

多媒體教學雖然有諸多優(yōu)勢，但在教學過程中也碰到了一些問題。任何事物都具有兩面性，因此我們也不能過分夸大多媒體教學的作用。以下結合多年教學經驗，談一下多媒體教學過程中應注意的問題。

（一）教研室群策群力開發(fā)高質量的多媒體課件。課件的質量影響著多媒體教學的效果，如果不結合教學實際，僅僅是網上復制、粘貼制作而成的課件，其教學效果難以保證。針對這一問題，我院應用物理教研室各位老師在素材的收集和編排上融入了集體的智慧，針對每個章節(jié)、每個演示內容都做到精益求精。課件在教學使用中，我們還不斷收集學生對課件的意見和建議，而后進行推敲、修改。制作課件要摒棄一勞永逸的態(tài)度，應該緊跟學生的特點和時代的特征，不斷的優(yōu)化和完善課件內容，從而使其作用發(fā)揮到最大。

（二）把握好教學節(jié)奏。多媒體課件的使用，使教師部分擺脫了手書的辛苦，但也出現了一些老師講課速度過快，或者僅僅照著課件讀出來等現象，這非但不能提高教學質量，而且還會造成學生的學習興趣低落。[3]對此，教師應該清醒地認識到，多媒體只是輔助教學工具，不是萬能的，只有對知識系統、詳細的講解和剖析，才能夠使學生聽到關鍵內容。教師備課時對課件內容要爛熟于心，授課時可以以課件為提綱，實現課件頁面與知識點講解的有機對接，游刃有余地組織教學，并且根據學生的掌握情況，適當調整、安排進度。

（三）多媒體教學應與傳統教學有機結合。如果過分強調教學手段現代化的作用，只能導致教學重“形式”輕“效果”。從本質上講，多媒體教學和傳統教學只是不同的教學形式，并不對立。[4]尤其是對于大學物理教學，里面有很多重要公式，如果僅靠課件的展示，學生很難理解公式的推導過程，這時傳統教學的優(yōu)勢就體現出來了。教師將公式的詳細推導過程逐步書寫出來，學生在了解公式推演過程的同時，能夠加深對公式的理解。對于部分例題，采用傳統的教學方法，循序漸進地書寫出每一步的推導過程，同樣也可以提高學生的科學思維能力。所以，在大學物理教學過程中，應將多媒體教學與傳統教學巧妙地結合起來，交替使用，才能真正提高教學效果。

五、結束語

綜上所述，多媒體教學具有效率高、內容直觀、生動、互動性和拓展性強等諸多優(yōu)勢，給大學物理教學提供了很多便捷，但同時也存在一些不足和局限性。在教學過程中，教師應根據學科和專業(yè)、學生情況、教學需要等各方面的綜合情況，將多媒體教學與傳統教學有機融合起來，充分協調發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，以提高大學物理的教學質量。

[ 注 釋 ]

[1] 樊群超.大學物理教學存在的問題及改革探索[J].高等教育研究，2013（2）：27-31.

[2] 汪紅，李春密.大學物理實驗教學的初步探索[J].教育探索，2012（5）：71-72.

篇7

摘 要：針對問題鏈式教學法在教學應用中提出問題目標性不強、問題間邏輯性不嚴密、問題覆蓋面不全等現象，提出一種先建立課程知識樹，再建立知識點問題，并將其串行化形成KT-PL問題鏈，以層次問題緊密銜接驅動課程的教學模式。文章具體闡述KT-PL問題鏈的概念及模型，介紹KT-PL問題鏈的構造方法，并基于思維導圖構建KT-PL問題鏈實例，最后總結KT-PL問題鏈實施教學應注意的問題。

關鍵詞：問題鏈；問題教學法；課程設計；知識樹

0 引 言

作為教育者，我們一直致力于教學方法與手段的創(chuàng)新，從過去的案例式[1]、探究式[2]、討論式[3]等教學法到當前的MOOC、SPOC（小規(guī)模限制性在線課程）等網絡化教學模式，旨在老師、學生、知識三者間建立某種微妙的平衡關系，以期實現學生對知識從一般理解到熟練掌握，再到靈活應用，周而復始循環(huán)固化，在某一刻靈感促成創(chuàng)新。學生學習知識是一個直觀、深刻、升華的過程，在這個過程中，是讓學生主動索取知識還是被動接受知識，人們更傾向以學生為主體的教學模式，因為學習的主觀能動性是實現這一過程的關鍵所在。任何功利性的物質都無法現調動學習主觀能動性的持久性，而作為人類對未知不確定探究的一種本能，問題是激發(fā)學習主觀能動性的原始動力。因此如何利用問題優(yōu)化學生、知識、老師三者之間的關系，是提高教學效果的一種重要途徑。例如，問題式教學法[4]是以學生為主體、以專業(yè)領域內的各種問題為學習起點，通過提出問題、分析問題、解決問題等環(huán)節(jié)，讓學生圍繞問題尋求解決方案的一種學習方法，該方法可以培養(yǎng)學生的問題意識和科學精神；通過將問題環(huán)環(huán)相扣引導思考的問題鏈式教學法[5]，可以進一步強化問題式教學法的教學效果。問題的設置是問題教學法的關鍵，提出問題的目標性不強、問題間的邏輯性不嚴密，都會限制問題教學法的教學應用效果。如何建立問題鏈也是問題鏈式教學法研究熱點，筆者提出了一種基于知識樹構建問題鏈的課程教學設計方法，嘗試先構建課程知識樹，然后基于知識樹構建知識點問題，最后將知識點問題有機的組織起來，形成KT-PL（knowledge tree-problem link）問題鏈，使問題鏈中的問題既能覆蓋知識點，問題間又具有嚴密的邏輯性。

1 KT-PL問題鏈的概念

課程的知識體系一般以知識樹的方式組織，以樹狀結構體現知識點間的關聯關系。這種結構很好地體現知識點的前后、層次關系，但并沒有很強的因果關系，不便于理解與掌握。單個問題與知識點，體現了單個知識點的因果關系，但沒有體現知識點之間的必要因果關系，因此將所有知識點對應的問題有機組織起來，將知識點的樹狀結構轉換成問題的鏈表結構，體現知識點之間的必要因果關系，通過問題鏈表中問題的自然銜接分析解決過程，實現對知識樹中知識點的學習掌握過程。因此，KT-PL問題鏈就是老師基于課程的知識樹構建具有自然銜接關系的問題隊列，使問題鏈具有全面性和銜接性，全面性體現了問題集覆蓋所有知識點，銜接性體現了問題間的自然過渡。

2 KT-PL問題鏈的模型

學生對知識的學習一般經歷理解、掌握、運用三個階段，而為什么要學習這個知識、這個知識是什么、怎么用這個知識解決實際問題，正是對應學生對知識的一般性了解、原理性的掌握、靈活性應用的三個階段，體現了問題鏈所需要的自然銜接過程。因此，KT-PL問題鏈從“為什么”（Why）開始、經過“是什么”（What）、到“怎么用”（How）結束。

KT-PL問題鏈的模型由問題和問題間的關系構成，通過關系將問題串接成問題鏈。根據問題在問題鏈中的必要性，將問題分為主體問題、知識點問題、引導性問題、發(fā)散性問題四類。其中，主體問題是問題鏈的軀干，它代表了問題鏈構建的主旨思想，本文采用為什么（Why）、是什么（What）、怎么用（How）三個主體問題；知識點問題是根據知識樹建立，依據與Why、What、How三個主體問題耦合的緊密程度，將知識點問題分布三個主體問題中；引導性問題是問題間承上啟下的紐帶，完成問題間的自然過渡；當知識點較難、較重要時，可以適當設置發(fā)散性問題，強化對知識點的理解。根據前后問題銜接的緊密程度，將問題間的關系分為直接引導關系和間接引導關系兩種，直接引導關系是指兩個問題間有很強的因果關系，間接引導關系是指兩個問題有前后順序關系。主體問題間是間接引導關系，知識點問題間具有直接引導關系或者間接引導關系，引導問題和知識點問題間適用直接引導關系，發(fā)散性問題間適用直接引導關系。

3 KT-PL問題鏈的構建

KT-PL問題鏈的構建是依據知識樹構建知識點問題，將知識點問題分布到Why、What、How三個主體問題中，通過加入引導性問題，將知識點間的間接引導關系轉換成直接引導關系的過程，如圖1所示。

1）構建知識點問題。

依據課程標準對知識的學習要求，選擇知識點，根據知識的層次和前后關系構建知識樹，并設計知識點問題。一般知識樹中左側分支的知識點要先于右側的知識點，可以采用先序遍歷知識樹的方式，依次建立知識點問題，確保不遺漏知識點。問題與知識點之間可以是一對一、一對多和多對一的關系，對于一個知識點既可以設置一個問題，也可以設置多個問題，一個問題也可以對應多個知識點。

2）建立間接引導關系。

根據知識點間的前后關系以及與Why、What、How三個主體問題耦合的緊密程度，將知識點問題分布鏈接到三個主體問題中，并畫出間接引導關系，如圖2所示。其中，虛線箭頭表示了問題間的間接引導關系，數字序列代表了間接引導關系建立的先后過程。

3）建立直接引導關系。

補充引導性問題和發(fā)散性問題，將知識點問題間的間接引導關系，用引導性問題及直接引導關系替代；若知識點問題間是直接引導關系，則直接將間接引導關系替換為直接引導關系，如圖2所示。其中，實線箭頭代表了直接引導關系，數字序列代表了直接引導關系建立的先后過程。

4）完善問題鏈。

問題鏈是由任課老師構建，是從授課者的角度設計問題、組織問題，并不一定一次就能夠設計出完全適合學生思維的問題集，因此在授課的過程中，可以不斷收集整理學生的問題，將其擴充或替代為問題鏈中的問題。

4 KT-PL問題鏈設計實例

在作戰(zhàn)模擬課程中，我們以章為單位構建了知識樹，采用思維導圖的方式用MindManager工具構建了問題鏈。本文以第一章為例構建問題鏈（見圖3），其構建過程如下。

（1）構建知識樹。根據課程標準中的內容和要求畫出知識點樹，如圖3中的知識點樹所示。

（2）構建主體問題。在問題鏈中構建主體問題“A為什么需要使用作戰(zhàn)模擬技術？”“B作戰(zhàn)模擬是什么？”“C如何使用作戰(zhàn)模擬技術研究戰(zhàn)爭問題？”

（3）設計知識點問題。依據知識點樹設計知識點問題，將其分布到主體問題鏈中，并描述知識點與問題的一一對應關系，如圖3中知識點與問題的對應關系。將知識樹中“概念”“分類”對應的知識點問題歸屬到“作戰(zhàn)模擬是什么？”主體問題鏈中；將知識樹中“應用”對應的知識點問題歸屬到“如何使用作戰(zhàn)模擬技術研究戰(zhàn)爭問題？”；從知識點的角度，“作戰(zhàn)模M發(fā)展歷史”應歸屬到“概念”知識點，也就是將其歸屬到概念對應“作戰(zhàn)模擬是什么？”的問題鏈中，但根據實際內容介紹古代、近代、現代作戰(zhàn)模擬的應用情況，將其歸屬到“如何使用作戰(zhàn)模擬技術研究戰(zhàn)爭問題”更容易理解與接受。

（4）設計引導性問題和發(fā)散性問題。如圖3中“A為什么需要使用作戰(zhàn)模擬技術？”后面的問題都是引導性問題，從“A.1如何在未來的戰(zhàn)爭中獲得勝利？”問題討論出發(fā)，得出要對戰(zhàn)爭研究，獲得經驗的結論。由“A.2如何研究作戰(zhàn)和戰(zhàn)爭這類復雜問題？”引導學員回想曾參加過的數學建模比賽，得出用數學建模方法解決復雜系統問題的結論。由“B.1什么是數學建模？”“B.2如何建立數學模型？”引導至第一個知識點問題“B.3模型是什么？”

通過提出問題、解決問題、發(fā)現新問題，不斷推進，直至所有知識點完全被問題串接。

5 結 語

知識樹構建問題鏈的課程設計方法屬于問題鏈式教學法，其實施應遵循“三環(huán)”“六步” 的問題教學法 ，但由于問題鏈中問題較多，在有限的課堂教學時間中，如何將提出問題、分析問題、解決問題有效地貫穿整個教學過程，可以從以下幾個方面著手。

（1）注重問題的收集與分析?？梢越柚鶰OOC、SPOC等網絡化教學手段，在課前對學生的疑問進行收集，分析存在的普遍性疑問，并與問題鏈中的問題相對應，列入課堂要重點解決的問題。

（2）精確控制問題的討論進度。在課堂中，把握引導性問題和知識點問題的討論節(jié)奏，適當運用發(fā)散性問題鞏固重要知識點，防止簡單問題過度討論。

（3）拓展問題研討的時間和空間。借助MOOC、SPOC等平臺，對于部分知識點問題和發(fā)散性問題進行課后討論。

利用思維導圖構建KT-PL問題鏈實施教學，可以極大地提高教師對課程知識體系的全面掌握程度，促進課程知識體系的完善。在構建KT-PL問題鏈過程中，老師在設置問題時會對知識點間關系進一步梳理，可能發(fā)現知識體系中知識點缺失問題，通過對知識點進行補充，完善課程知識體系。在設計與組織問題鏈時，會進一步加強對知識之間關系的理解與表達，把握重難點問題的實施技巧。學生在分析、解決KT-PL問題鏈問題的過程中也能夠自然的形成知識體系，達到學后不易忘、學后會用的效果。

第一作者簡介：張睿，男，副教授，研究方向為作戰(zhàn)模擬和數據工程，。

參考文獻：

[1]鄒鳳華， 谷赫. 案例式教學法在計算機教學中的應用研究[J]. 課程教育研究， 2015（8）： 33-34.

[2]包萍， 武莉莉. 探究式教學法在高校計算機課程中的應用研究[J]. 寧夏師范學院學報， 2014（3）： 104-109.

[3]楊春梅. 關于討論式教學法及其應用問題探究[J]. 教育探索， 2014（1）： 62-63.

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關鍵詞：半導體器件；物理；教學改革

半導體器件物理是微電子學、電子科學與技術等專業(yè)的重要專業(yè)基礎課程，也是應用型本科院校培養(yǎng)新興光電產業(yè)所需的應用技術人才必備的理論與實踐基礎課程。該課程是連接半導體材料性質和器件應用的橋梁學科，在新興產業(yè)應用技術人才的知識結構中具有重要的基礎地位。因此，探討教學中存在的問題，改革教學的方式方法具有重要意義。

一、課堂教學中產生的問題及原因分析

1.學生聽課效率低，學習興趣淡薄，考試成績低

以某大學光電行業(yè)方向工科專業(yè)近三年半導體器件物理考試成績分布情況為例，表1中近三年學生成績均顯示出60分左右的人數最多，以60分為原點，其高分和低分兩側的人數呈現出逐漸降低的正態(tài)分布。從表1中還可以看出，成績低分人數逐年增多，成績偏離理想狀況較多。

2.針對問題分析原因

導致表1結果的原因有以下三方面：

（1）學生的物理基礎參差不齊，知識結構存在斷層

近年來，由于高考制度的改革，部分學生參加高考時未選報物理，物理僅作為會考科目使得相當一部分高中學生輕視物理的學習。當學生進入大學，有些專業(yè)大學物理成為必修課，由于學生高中物理基礎差別很大，因此，同一班級的學生物理學習能力就表現得參差不齊。

對于一般工科專業(yè)的學生（包括面向新興光電產業(yè)的工科專業(yè)）來說，他們大二或大三開始學習半導體器件物理課程（或半導體物理課程）時，他們的物理基礎只有在高中學過的普通物理和大學學過大學物理，其內容也僅涉及經典物理學中的力學、熱學、電學和光學的基本規(guī)律，而近代物理中的實物粒子的波粒二象性、原子中電子分布和原子躍遷的基本規(guī)律、微觀粒子的薛定諤方程和固體物理的基本理論均未涉及。半導體器件物理課程的接受對象，不僅在物理基礎上參差不齊，而且在物理知識結構上還存在斷層，這給該課程的教和學增加了難度。

另外，即使增加學習該門課程所必需的近代物理、量子物理初步知識和固體物理的基礎內容，但由于課程課時的限制，也決定了該課程在學習時存在較大的知識跨度，很多學生難以跟上進度。

（2）課程理論性強，較難理解的知識點集中

半導體器件物理課程以半導體材料的基本性質和應用為基本內容，內容編排上從理想本征半導體的性質和半導體的摻雜改性，到P型半導體和N型半導體結合形成半導體器件的核心單元，再到各種PN結的設計和控制，采取層層推進的方式，邏輯嚴密，理論性強，對學生的要求也高，每一部分的核心內容都要扎實掌握才能跟上學習的進度。同時，在各章內容講解過程中幾乎都有若干較難的知識點，如本征半導體性質部分的有效質量、空穴的概念、能帶的形成、導帶和價帶的概念等；半導體摻雜改性部分的施主、受主、施主能級、受主能級、半導體中的載流子分布規(guī)律、平衡載流子和非平衡載流子以及載流子的漂移和擴散運動；簡單PN結部分的平衡PN結、非平衡PN結、PN結的能帶和工作原理；不同專業(yè)在PN結的設計和控制這部分會根據所設專業(yè)選取不同的章節(jié)進行學習，面向光電行業(yè)的本科專業(yè)則通常選取半導體的光學性質和發(fā)光這部分來講授，該部分包含半導體的躍遷類型，以及半導體光生伏特效應和發(fā)光二極管等的工作原理。這些知識點分布集中，環(huán)環(huán)相套，步步遞進，因此理解難度較大。

（3）學習態(tài)度不端正的現象普遍存在

近幾年，在社會大環(huán)境的影響下，學習態(tài)度不端正現象在本科各專業(yè)學生中普遍存在。無故遲到曠課情況經常發(fā)生，作業(yè)抄襲現象嚴重，學生獨立思考積極性差。電子產品的普及也嚴重影響到了學生上課的積極性，很多學生成了手機控，即使坐在課堂上也頻頻看手機、上網。有些學生上課連課本都不帶，更談不上用記錄本記錄重點、難點。特別是半導體器件物理這門課程涉及的知識點密集，重點、難點較多，知識連貫性要求高，如果一些知識點漏掉了，前后可能就連貫不起來，容易使疑難問題堆積起來，對于不認真聽講的部分學生來說，很快就跟不上進度了。另外，學生畏難情緒較嚴重，課下也不注意復習答疑，迎難而上的精神十分少見。俗話說，“師傅領進門，修行在個人?！痹谡n時緊張、學生積極性差、課程理論性強等多重因素影響下，教師的單方面努力很難提高課堂教學效率。

二、改進方法的探討

針對教學過程中發(fā)現的問題，本文從教學方法和教學手段兩個方面入手來探討該課程教學的改進。

1.教學方法的改革

半導體器件物理課程教學改革以建設完整的半導體理論體系和實踐應用體系為目標，一方面，著重在教學觀念、教學內容、教學方法、教師隊伍、教學管理和教材方面進行建設和改革，形成適合應用型本科專業(yè)學生的課程體系。另一方面，我國本科院校正處于教育的轉型發(fā)展時期，圍繞應用型人才培養(yǎng)目標，按照“專業(yè)設置與產業(yè)需求相對接、課程內容與職業(yè)標準相對接、教學過程與生產過程相對接”的原則，半導體器件物理課程改革重視基礎知識和基本技能教學，力爭構建以能力為本的課程體系，做到與時俱進。本課程改革具體體現在以下六個方面：

（1）轉變教學觀念

改變傳統向學生灌輸理論知識的教學觀念，以學習與新興行業(yè)相關的基礎知識和關鍵應用技術為導向，確定該課程在整個專業(yè)課程體系中承上啟下的基礎性地位，在教學觀念上采取不求深，但求透的理念。

（2）組織教學內容

為構建以能力為本的課程體系，本課程改革在重視基礎知識和基本技能的教學、合理構建應用型人才的知識體系的同時，力爭使學生了解半導體器件制作和應用的職業(yè)標準及其發(fā)展的熱點問題，并積極實現“產學研”一體化的教學模式，故此本課程改革分幾個層次組織教學內容。

第一層次為基礎知識鋪墊。為解決學生知識結構不完整的問題，在講授半導體器件物理之前要進行固體物理學課程知識的鋪墊，還要增加近論物理學知識，如原子物理和量子力學的知識，為學生構建完整的知識框架，降低認知落差。

第二層次為半導體物理基本理論，也是本課程的主體部分。包括單一半導體材料的基本性質、半導體PN結的工作原理、常見半導體結構的工作原理和半導體的光電及發(fā)光現象和應用。

第三層次為課內開放性實驗。在理工科學生必修的基礎物理實驗項目（如“電阻應變傳感器”、“太陽電池伏安特性測量”、“光電傳感器基本特性測量”、“霍爾效應及其應用”等）的基礎上，結合專業(yè)方向設置若干實驗讓學生了解半導體電子和光電器件的類型、結構、工作原理及制作的工藝流程以及職業(yè)要求和標準，還有行業(yè)熱點問題，激發(fā)其學習興趣，提高動手能力和實踐能力。

第四層次為開展課題式實踐教育，實現“產學研”一體化。為解決傳統教學理論和實踐脫節(jié)問題，以基礎物理實驗項目和針對各專業(yè)方向設置的與半導體器件應用相關的實驗項目為實踐基礎，開展大學生科技創(chuàng)新活動，鼓勵學生利用課余時間進入實驗室和工廠企業(yè)，利用已學理論對行業(yè)熱點問題進行思考和探究，加強實踐教學。

（3）調整教學方法

一方面，要正確處理物理模型和數學分析的關系，不追求公式推導的嚴密性，強調對物理結論的正確理解和應用。另一方面，充分利用現代化的教學設施和手段，變抽象為具體，化枯燥為生動，采用討論式、啟發(fā)式和探究式教學，調動學生積極性和主動性。

（4）建設教學隊伍

對國內知名院校的相關專業(yè)進行考察和調研，學習先進教學理念和教學方法，邀請國內外相關專業(yè)的專家進行講座，邀請企業(yè)高級技術人才和管理人才作為兼職教授來為學生講授當前最前沿、最先進的技術及產品，并參與教學大綱及教學內容的修訂。另外，鼓勵教師團隊充分利用產學研踐習的機會深入企業(yè)，提高教師隊伍的實踐經驗和綜合素質，為培養(yǎng)雙師型教師打下基礎。

（5）完善教材體系

教材是保證教學質量的重要環(huán)節(jié)，也是提高專業(yè)教學水平的有效方法。針對理工科專業(yè)特色方向及學生培養(yǎng)的目標，除選用經典的國家級規(guī)劃教材――《半導體物理學》以外，還組織精干力量編寫專業(yè)特色方向的相關教材，以形成完善的半導體理論和實踐相結合的教材體系，在教材中融入學校及專業(yè)特色，注重理論和實踐相結合，增加案例分析，體現學以致用。

（6）加強教學管理

良好的教學管理是提高教學質量的必要手段。首先根據學生特點以及本課程的教學目標合理制訂教學大綱及教學計劃。在授課過程中充分發(fā)揮學生主體作用，積極與學生交流，了解學生現狀，建立學生評價體系，改進教學方法、教學手段及教學內容等，提高教學質量。

2.教學手段改革

（1）采用類比的教學方法

課堂上將深奧理論知識與現實中可比事物進行類比，讓學生易于理解基本理論。例如，在講半導體能帶中電子濃度計算時，將教室中一排排桌椅類比為能帶中的能級，將不規(guī)則就座的學生類比為占據能級的電子，計算導帶中電子的濃度類比為計算教室中各排上學生數量總和再除以教室體積。讓學生從現實生活中找出例子與抽象的半導體理論進行形象化類比，幫助學生理解半導體的基本概念和理論。

（2）采用理論實踐相結合的方法

在教學中時刻注意理論聯系實際的教學方法，例如，根據學生專業(yè)方向，在講述寬帶隙半導體材料的發(fā)光性能時，給學生總結介紹了LED芯片材料的類型和對應的發(fā)光波長，讓學生體會到材料性質是器件應用的基礎。

（3）構建網上學習系統

建立紙質、網絡教學資源的一體化體系，及時更新、充實課程資源與信息，通過網絡平臺建設，實現課程的網絡輔助教學和優(yōu)秀資源共享。這些資源包括與本課程相關的教學大綱、教材、多媒體課件、教學示范、習題、習題答案、參考文獻、學生作業(yè)及半導體行業(yè)發(fā)展前沿技術講座等。

（4）開展綜合創(chuàng)新的實踐

充分利用現有的實驗條件，為學生提供實踐條件。同時積極開拓校外實踐基地，加強校企合作，為學生實習、實踐提供良好的平臺，使課程教學和實踐緊密結合。鼓勵學生根據所學內容，與教師科研結合，申請大學生創(chuàng)新項目，以提高學生實踐創(chuàng)新能力及應用能力。

（5）改革考核體制

改變傳統以閉卷考試為主的考核方式，在考核體制上采取閉卷、討論、答辯和小論文等多種評價方式，多角度衡量、綜合評定教學效果。

參考文獻：

[1]劉秋香，王銀海，趙韋人，等.“半導體物理學”課程教學實踐與探索[J].廣東工業(yè)大學學報（社會科學版），2010（10）：87-88，94.

[2]徐煒煒，黃靜.從半導體物理課程教學談高素質人才培養(yǎng)[J].南通航運職業(yè)技術學院學報，2009，8（4）：97-99.

[3]王印月，趙猛.改革半導體課程教學融入研究性學習思想[J].高等理科教育，2003，47（1）：69-71.

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【關鍵詞】大學物理 教學模式 可視化

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2015）09C-0150-02

大學物理課程是一門面向理工科各專業(yè)學生的重要的必修基礎課。該課程既可以為學生進行專業(yè)知識的學習打好必要的物理基礎，又可以培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新意識，樹立科學的世界觀。高質量的課程教學對培養(yǎng)高素質人才是極為重要的一個環(huán)節(jié)。

一、大學物理課程教學改革的必要性

目前，在新升格的應用型本科院校中，大學物理課程教學仍然普遍著重理論講授、演算推理，實物、動畫和圖片演示少，忽視理論在具體工程中的應用介紹，許多物理現象和物理過程都無法得到很好的呈現，無法引起學生的學習興趣。演算推理對數學技能要求較高，且最終的理論結果抽象，難于在實際應用中獲得實體感受。另外繁雜的數學過程也增加了學習難度，多數學生的求知欲望受到抑制，進而導致學習效率低下甚至完全放棄。

新升本科的應用型高校與研究型高校不同，對物理課程的需求注重于物理概念理解和規(guī)律應用，對定律建立的繁雜計算過程要求不高。在這類高校中，如何重新組合和優(yōu)化教學內容，采用先進有效的教學方式，改變學生難學、厭學的現狀，提高教學效果，使課程高質量地服務于應用型人才培養(yǎng)目標，是目前亟待解決的重要問題。

二、大學物理課程的教學和改革現狀

物理學是研究物質結構、相互作用和運動規(guī)律的學科，它既是自然科學的基礎，也是科學技術，尤其是高新技術的理論重要基礎。物理學的知識體系建立已經歷了幾百年的時間，大學物理課程開設也有一百多年的時間，已經形成了成熟的整套體系。

隨著大學教育逐步轉入大眾化教育，高校各個專業(yè)對物理知識的需求和側重愈發(fā)細化，大學物理課程的教學內容和方式與現代科學技術的發(fā)展已經不相適應。在此背景下，美國高校從20世紀60年代開始掀起了大學物理課程教學改革的浪潮，改革的思路是普通物理應當盡可能反映當代物理科學的最新成果，應當以現代化的研究方法去組織和傳授普通物理的內容，目前取得了矚目的成就。在國內，已經有許多高校開始了課程改革的探索，比如東南大學、北大等高校在課程內容、教學方式等方面都做了許多工作，編寫了一系列新的教材，建設精品課程，開通網絡教學等。由于學校和學生都具有差異性，在實踐當中，發(fā)現這些先行高校的改革成果還是不太適應新升格應用型本科院校的教學需要，為此有必要結合自身實際情況，進行課程改革。

三、大學物理課程教學內容改革

根據教育部的部署，新升本的高等院校應當向應用型學校轉型，在這指導方針下，各個應用型本科院校結合自身的發(fā)展層次以及各專業(yè)培養(yǎng)目標對大學物理課程的需求情況，對大學物理的教學內容適當地取舍整合，科學優(yōu)化，側重專業(yè)需求。既要貼合教學實際，滿足各專業(yè)培養(yǎng)的需要，又要反映物理科學的發(fā)展新成果，逐漸形成符合本校實際的完整課程教學內容。

（一）課程教學內容的重組優(yōu)化

大學物理課程的內容十分豐富，涵蓋了力、熱、光、電和近代物理整個普物體系。以我校為例，目前我校的本科工科專業(yè)有電子、機械、能源、通信、汽車等專業(yè)，還沒有集成電路制造等與量子力學密切相關的專業(yè)，考慮到教學內容的相對完整性，節(jié)選了力、熱、光、電這四塊內容作為主要講授內容，不同專業(yè)各有側重。例如，對電子科學與技術專業(yè)應適當加強麥克斯韋方程組的介紹；對車輛專業(yè)應適當加強質心、轉動慣量、熱機循環(huán)的介紹，對通信專業(yè)應適當加強電磁理論的介紹等，基本上滿足各專業(yè)的實際需求。近代物理部分內容以專題方式融合在一起，適當地進行擴展介紹，并羅列參考資料，做到點到為止。這種專題內容既能解決部分學生對大學物理的特殊要求，又能進一步介紹物理科學的新成就，給學生留下思考空間。

（二）高等數學內容的補充

大學物理課程的教學進度比高等數學的教學進度快些，會出現部分基礎內容的脫節(jié)現象，即物理中的一些概念定律，用到某些數學知識概念來表示，而學生還沒有學習到這些數學知識。為此有必要通過補充少量的數學內容，這些補充內容不求深入、全面，能達到理解物理概念即可，目的在于克服學生面對新概念和新方法時的恐懼心理，解決進度不一帶來的問題。國內一些教材提供了很好的示范。此外，數學和物理教師之間可以打破壁壘，加強溝通與合作，比如數學教師在講解定積分時，能盡量結合物理問題講解。

（三）精選例題和練習題

例題是學生模仿的范本，練習是加深理解物理概念規(guī)律的手段。教師通過講解精選的典型例子，能夠舉一反三解決類似的問題。對于非物理專業(yè)的學生，設置難度中等偏易、覆蓋面較寬的練習題，就能滿足實際的教學需要。從心理學的角度看，當學生能夠獨立完成一道習題時，獲得的成就感也會成為其進一步努力學習課程的動力。

（四）大學物理與中學物理的銜接

物理現象觀察和分析以及物理演算是物理學的兩大重要部分，中學時期的物理教育著重于演算。大學階段的大學物理應該強調物理思想、物理方法和啟發(fā)的講授和引導，培養(yǎng)學生獨立思考和嚴謹的科學態(tài)度。中學物理一般講授的都是簡單的物理問題，大學物理關注的是一般規(guī)律。教學內容上要注意中學和大學兩個階段的銜接。講授的內容應當以中學的簡單問題出發(fā)，經過逐步延伸從而得出一般規(guī)律，不能完全丟棄中學階段打下的物理基礎。

四、大學物理課程教學方式探究

新升格的應用型本科院校中，大學物理課程的課時安排一般是64～80個課時，總體上較少。在這樣的情況下，可以從教學方式的轉變方面著手，通過形式多樣的教學方式刺激學生的求知欲望，增強學生學習興趣，提高教學效率，提升教學效果。

（一）聯系實際，結合多媒體技術和仿真技術，激發(fā)學習興趣

圍繞課堂講授內容，借助多媒體技術和仿真技術，引起學生的學習興趣，豐富課堂的教學內容。例如在講授質點運動學中運動方程的內容時，通過介紹當前廣泛應用的衛(wèi)星定位技術，向學生提出如何對質點精確定位的問題，啟發(fā)學生思考，把學生的注意力集中在課堂中，進行啟發(fā)式教學。然后引出了空間位置的定量化，即建立坐標，進而建立描述質點運動的運動方程。利用多媒體技術，結合衛(wèi)星在低軌道上的空中分布，展示地球上任意位置都能接收到最少四顆衛(wèi)星信號的情形，在此基礎之上，利用不同衛(wèi)星的信號建立四個運動方程，求解質點任意時刻的空間位置。通過這樣的教學，學生不僅僅學習到了基本的物理知識，還體會到了物理在高科技衛(wèi)星定位技術中的重要應用。又比如在講解位移電流時，先用Electronics workbench仿真軟件建立一階RC電路，觀察電容的“隔直流，通交流”特性，呈現電容器的充放電過程，既直觀演示了在穩(wěn)恒電流和非穩(wěn)恒電流兩者中磁場的安培環(huán)路定律的矛盾，又為引出位移電流假設做好準備，這樣學生就能更直觀、更深刻了解麥克斯韋的電磁理論。深入挖掘物理知識在生活中或科學前沿中的應用，以及多媒體和仿真技術的合理應用，將會在教學中起到事半功倍的作用。

（二）實驗與理論相結合

實驗物理也是物理學中極為重要的部分。把物理實驗從實驗室搬入課堂，或者利用計算機進行物理實驗，把物理實驗現象在課堂上重現。例如在講授系統動量守恒的內容時，演示反沖運動，讓一名學生坐在光滑地面的滑板車上，手里抱著滅火器，當向后噴出泡沫時，學生和滑板車向前運動。以此為基礎，引導學生分析系統受力和運動特點，總結出動量守恒的條件和守恒定律，進而延伸到反沖運動的應用――火箭的發(fā)射。從現象到規(guī)律，符合物理的認知過程，在學習相關知識點時，學生就比較容易掌握。

（三）開展合作課堂

通過開展合作課堂，改變知識從教師到學生，知識單方向流動，學生參與度較低的局面。教師把知識內容合理拆分成不同的問題，然后按照某種方式將學生分組，提前給不同組別的同學布置不同的問題，要求他們使用Matlab、Mathematica、Origin等工具將物理規(guī)律可視化，并在課堂中講解。例如在機械波的內容中，將波的疊加和干涉兩個知識點分成兩組，A組別的學生使用Matlab重現疊加現象，B組別的學生使用Matlab重現干涉現象，并且在課堂中各自介紹疊加和干涉的規(guī)律。這種教學方式，不僅讓學生發(fā)揮出學習的自主性和主動性，也讓學生學會了科研工具的初步使用，了解科學研究的過程，而且課堂中學生與學生、學生與教師之間互相學習討論，學生和老師互相之間有了更多的互動和思想的碰撞，知識的流動變成了雙向或者多向流動。在開展合作課堂時，要注意兩個問題，一是目標主線要明確，二是設置的問題要考慮學生層次，不能夠太難。

當前，物理學在不斷地發(fā)展，前沿領域也不斷取得新成果，在大學物理課程的教學中也會不斷涌現新的問題，這就要求我們及時跟蹤分析新問題，及時調整改變教學內容、教學模式和教學思維，更好地傳授物理學知識，培養(yǎng)學生較強的知識應用能力和科學求真精神，又不斷地向學生介紹物理學的新成果和新應用。

【參考文獻】

[1] 李元杰，孫威娜.大學物理教學改革應關注的幾個重要問題[J].中國大學教學，2009（2）

[2] 趙凱華，羅蔚茵.新概念物理教程學[M].北京： 高等教育出版社，1995

篇10

【關鍵詞】獨立學院；材料物理性能；教學改革；教學質量

在當今社會，人們把信息、材料和能源譽為當代文明的三大支柱，這足以說明材料在人類社會進步和發(fā)展過程中舉足輕重的地位。材料學是針對材料的組成、結構、制備工藝以及使用性能四者之間關系的一門學科。而《材料物理性能》是材料科學與工程專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎課，主要研究材料的性能參數、微觀機理、性能的影響因素以及控制改善材料性能的措施。但是由于獨立學院學生自身的特點以及教師的配置情況，一定程度上影響了課程的教學質量。

而教學質量是一所高校賴以生存和發(fā)展的重要基礎保障，因而提高學生學習的積極性和主動性，進而改善教學效果是一項迫在眉睫的任眨而加強課程教學改革是提高教學質量和教學效果的重要途徑，為滿足我院材料專業(yè)應用型人才的培養(yǎng)，針對課程特點和學生特點，分析教學質量的影響因素，主要從教學內容、教學方法以及教學手段這幾個方面對該課程進行課程改革。1

1 獨立學院教學質量的影響因素

實際影響獨立學院教學質量的因素很多，根據我院的實際情況，在此主要介紹影響獨立學院該課程教學效果和教學質量的兩個因素：學生特點和教師配置。

1.1 學生特點

獨立學院的生源錄取分數線較低，學生基礎知識相對較薄弱，并且家庭背景較好，在學習上具有較強的個性，習慣以自我為中心[1]；從高中生向大學生的身份過渡中，容易迷茫、懈怠，找不到努力的方向，對自我的定位不準確，自主學習的能力較弱；同時，由于外界環(huán)境的誘惑，導致學生在學習過程中很容易迷失自我，在學習過程中秉承“60分萬歲”的心理，導致其在學習過程中找不到學習的動力，從而逐漸降低學習的自主性和積極性。

1.2 教師配置

由于獨立學院是依托于母校而成立，在辦學模式和專業(yè)設置上相似[2]，從開始發(fā)展階段主要依托于母校師資隊伍到自主招聘自有教師隊伍，導致學院教師隊伍的學歷普遍較低，大多數是碩士學歷，并且教師隊伍趨于年輕化，教齡短，教學經驗不是很豐富，這些基本因素都會影響課程的教學效果和教學質量。

針對目前獨立學院存在的問題，主要從教學內容、教學方法及教學手段上對該課程進行教學改革。

2 教學內容的改革

《材料物理性能》是在大三第二學期開設的一門專業(yè)課，在之前“材料科學基礎”、“材料研究方法”、“材料力學”等課程學習的基礎上，對該門課程的學習起到一個很好的知識奠基作用。但是由于專業(yè)設置特點，該專業(yè)學生并沒有固體物理、量子力學等課程的理論基礎，為后續(xù)內容的講授帶來一定的難度，這就要求教師在介紹新知識、新理論時增設相關的知識背景，以使學生更容易的接受新知識、掌握新理論。

根據我院學生的基本情況，該課程設置為64個課時，正好彌補了該課程內容上的質和量。根據專業(yè)自身的特點，重點介紹材料的力學性能、熱學性能、電學性能以及磁學性能等。為了適應我院學生的自身特點以及后續(xù)工作和科研需求，在課程學習過程中，以較少理論推導多實例教學為主線，最大化的增強學生學習的積極性，激發(fā)學生的學習興趣。在學習過程中從本質上理解材料四大要素之間的關系，為后續(xù)新材料的研究作以理論奠基。

3 教學方法與教學手段的改革

3.1 采用板書和多媒體相結合的授課方式

由于該課程自身的特點，其中涉及的理論推導較多，而學生的基礎知識較為薄弱，可采用板書將相關重要的基礎理論進行推導，以利于學生對知識的掌握，并更大程度吸引學生的注意力；同時在介紹一些微觀機理的過程中，可采用動畫、圖片、視頻的巧妙導入，使學生更直觀的認識到微觀的、抽象的、難以理解的基礎理論，便于學生理解相關內容，調動學生學習的積極性，激發(fā)學習興趣。

3.2 學生參與教學活動，提高學習的積極性和主動性

為了更好的改善教學效果，應盡量避免傳統“填鴨式”的教學方式，而是應該以“教師為主導，學生為主體”的教學方式[3]，讓學生積極主動的參與到整個教學過程當中，為學生提供彈性的自主學習空間。在教學設計過程當中，可針對學生感興趣和有相關理論基礎的內容讓學生作為課堂的主體來講解，在學生準備的整個過程中，可在自身已有的理論基礎之上，繼續(xù)查閱相關的資料，進一步了解相關的知識體系，不僅更深層次的加深了學生對知識的理解程度，還很大程度改善了學生學習的積極性和主動性。如位錯運動理論中位錯的幾種類型以及位錯的滑移和攀移等內容在“材料科學基礎”中已涉及一部分基礎內容，可就這些問題讓學生自己查閱資料，整理思路，課堂講授，合理的引出位錯運動理論和材料塑性變形之間的理論關聯。學生直接參與教學過程不僅可以加強其對知識點的理解深度，還可提升自身的綜合能力，使得學生在興趣中學習，提高自身的求知欲。

3.3 開展討論式教學模式，激發(fā)學生的學習興趣

在制定教學計劃的同時，可根據需要制定相應的討論題目，然后在后續(xù)教學過程中根據課程進度進行合理的話題穿插。設定的討論話題最好是貼近生活的一些現象，最大程度激發(fā)學生的學習興趣[4]。針對討論式的教學模式，可提前將學生分組，預留一定查閱資料和整理思路的時間，以便課堂上學生能積極的參與討論，進而提高學習的積極性和自主性。在討論結束之后，可由教師將討論過程中涉及到的基本概念、性能參數、微觀機理等內容進行總結串聯，這樣可使學生在興趣的導向下掌握課程的重點知識。

4 結論

針對獨立院?！安牧衔锢硇阅堋闭n程在教學中存在的問題，重點分析了學生特點和教師配置情況對教學效果和教學質量的影響。為了更大程度改善教學質量，分別從教學內容、教學方法以及教學手段入手對該課程進行了教學改革的探索，可從一定程度上改善該課程的教學質量。但是“材料物理性能”隨著時代的進步而飛速發(fā)展，它的教與學勢必也會隨著科技的發(fā)展而變化。為了能夠更好的提高學生在科學研究和實際工程應用中分析和解決問題的能力，教師在教學過程中就應不斷的對教學理念、教學方法進行更新和改革，通過教學過程中不斷的探索與實踐來提高教學能力，進而開闊學生的視野、提高學生的求知欲，使得學生在興趣的導向中掌握知識，提升自身的綜合能力，以適應知識的不斷更新和科技的飛速發(fā)展。

【參考文獻】

[1]李孟輝，安秀芳.影響獨立學院課程教學質量的因素分析[J].中國電力教育，2008，12（126）：21-22.

[2]薛延俠.影響本科專業(yè)基礎課程教學質量的因素分析[J].西安郵電學院學報2006（11）：134.