面向准研究生的固体物理课程教学改革探讨
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摘要：固体物理课程是凝聚态物理研究的基础。选修固体物理课程的学生往往是一些准备考研，将来从事凝聚态物理等相关学科的科学研究工作的学生。针对这一特殊的学生群体，在固体物理的教学过程中，教师应对教学内容、教学方式方法等方面进行适当的改革，以开阔这些准研究生的视野，培养他们的科研兴趣，提高他们的科研能力。本文将结合作者近几年的教学实践，提出一些关于面向准研究生的固体物理课程的教学内容及教学方法的改革建议。
关键词：固体物理；凝聚态物理；教学研究
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）15-0143-02
一、引言
固体物理是一门关于晶体的结构和物理性质的本科生课程，是凝聚态物理、材料物理等相关学科的理论基础[1，2]。当前凝聚态物理研究的很多热点和焦点问题都是固体物理教学内容的直接延伸和深化[3]。同时，固体物理学的很多概念也随着凝聚态物理的研究而不断发展和更新。作为有志于从事凝聚态物理等相关研究的准研究生来讲，他们希望能通过固体物理课程了解一些凝聚态等相关学科的研究现状和热点，同时掌握一些从事科研工作的基本能力。然而，由于课时的限制，当前固体物理的教学难满足学生的这些需求。因此，在为这些学生授课时，教师应该对固体物理课程的内容和教学方法做一些改革。
二、固体物理教学内容的取舍与扩展
基于当前传统固体物理学教学与准研究生需求之间的矛盾，教师在教学的过程中必须对教学内容加以取舍。固体物理教学的重点应该侧重于讲解固体物理学中的一些基本概念以及一些物理模型的物理图像。至于习题，可以选择少量具有代表性的题目精练精讲，而不应该采用题海战术，大量做题。另外，鉴于这些有志于从事科研工作的学生的自学能力普遍较强，对于一些相似的内容，教师可以选择一些基础的内容进行讲解，而让学生通过慕课或自学一些相似的内容。比如，对于晶体结合的问题，教师可以讲解共价键结合的情况，而让学生自学离子键结合的内容。这样就可以节省出一定的课堂教学时间来扩展固体物理教学内容，将固体物理和凝聚态物理研究的最新进展和最前沿的研究领域扩充进教学内容中。我将结合个人的教学经验，给出几个在固体物理教学过程可以加以扩展的例子。
1.霍尔效应，量子霍尔效应及拓扑绝缘体。霍尔效应是固体物理的重要内容之一。但是，大部分的固体物理教材都只介绍经典霍尔效应，较少涉及量子霍尔效应这一目前凝聚态物理研究的热门领域。在固体物理教学过程中，教师可以将相关的内容扩展到整数量子霍尔效應，分数量子霍尔效应，自旋量子霍尔效应，反常量子霍尔效应的最新研究进展[4]。进一步介绍一下2016年诺贝尔物理学奖关于拓扑量子态的研究，甚至外尔费米子的发现等例子以及清华大学、中科院物理所等相关研究团队在这一领域开展的一系列具有世界影响力的研究工作[5]。
2.维度对固体材料性质的影响——低维材料的一些特殊性质。在学习电子态密度的时候，计算表明，不同维度的材料态密度跟能量之间的关系是不一样的。这说明材料的维度对于材料的性质有着重要的影响。其中，低维材料有很多不同于三维块材料的独特的物理性质，形成了目前比较热门的低维凝聚态研究领域。从这个问题出发，教师可以简单介绍一下前面提到的低维材料里的量子霍尔效应以及拓扑绝缘体薄膜的一些特性，近几年非常热门的石墨烯材料的一些独特性质，低维材料里面的超导现象等[6]。
3.超导、高温超导及铁基超导的研究。超导电性一直都是凝聚态物理研究的重点和焦点之一。特别是铁基等新型超导材料和新的超导机制的发现，使得超导研究领域变得异常活跃。在讲解具体的超导现象和理论之前，教师可以简单回顾从超导电性的发现，到高温超导，再到铁基超导的发现等超导研究的历史。其中可以适当强调一下我国物理学家在高温超导、新型铁基超导等研究中所做的一系列具有重要国际影响的工作[7]。进一步可以介绍一些近几年发展起来的超高压室温超导体的研究进展和方法[8]。
三、固体物理教学方法的改革与创新
如前所述，有志于从事科研工作的准研究生们不仅希望通过固体物理课程学习固体物理的基本概念和模型，而且希望掌握一些凝聚态物理研究的基本能力。因此，在教学的过程中，教师应该结合这些学生的特点，采用一些新的教学方法。
首先，通过小组学习的方式培养学生团队合作的能力。教师可以将学生分成若干个学习小组，在固体物理的教学过程中，针对某一个问题，提供一些相关的文献，指定某一小组在规定的时间（比如两周）内认真阅读这些文献，弄清楚文献里的科学问题并按照学术论文的形式写出阅读报告。在这个过程中，他们需要自己去查阅一些其他的最新文献。最后派出一人将小组学习的收获和体会在课堂上以学术报告的形式进行口头报告。这种方法，不仅可以培养学生团队合作的能力，而且还能锻炼他们阅读和查阅文献的能力、论文撰写能力以及做学术报告的能力，可谓一举多得。
另外，教师还应该充分利用当前丰富的网络资源和多媒体手段，对相关固体物理概念和模型加以更加生动形象地讲解。鼓励学有余力的学生利用Matlab、VASP等科研软件求解一些简单的固体物理问题，从而加深学生对相关知识的理解并提升他们从事相关问题科学研究的兴趣。
四、结束语
随着凝聚态物理、材料物理等相关学科的不断发展，固体物理学的知识也在快速地增长和更新。作为知识的传播者，教师应该与时俱进，紧跟凝聚态物理等相关领域的最新研究进展，针对不同的学生采用不同的教学方法、讲授不同的教学内容.，只有这样，学生才能通过固体物理课程的学习收获更多自己需要的知识和能力，提高他们从事科研工作的兴趣。
参考文献：
[1]胡安，章维益.固体物理学[M].北京：高等教育出版社（第二版），2011.
[2]黄昆，韩汝琦.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1988.
[3]王志，江兆潭.研究型固体物理课程教学探索与实践[J].大学物理， 2017， 36（10）： 57-60.
[4]Liu C-X， Zhang S-C， Qi X-L. The quantum anomalous Hall effect： theory and experiment [J]. Annu Rev Condens Matter Phys， 2016， 7（1）： 301-321.
[5]Wen X-G. Colloquium： Zoo of quantum-topological phases of matter [J]. Rev Mod Phys， 2017， 89（4）： 041004.
[6]Neto A C， Guinea F， Peres N M， et al. The electronic properties of graphene [J]. Rev Mod Phys， 2009， 81（1）： 109-162.
[7]Chen X H， Wu T， Wu G， et al. Superconductivity at 43？K in SmFeAsO1-xFx [J]. Nature， 2008， 453（7196）： 761-762.
[8]Gorkov L P， Kresin V Z. Colloquium： high pressure and road to room temperature superconductivity [J]. Rev Mod Phys， 2018， 90（1）： 011001.
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