［摘要］“固體物理”是西南石油大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)核心課程，主要針對(duì)新能源材料與器件的設(shè)計(jì)和制備過程中所涉及的晶體結(jié)構(gòu)、晶格振動(dòng)、能帶結(jié)構(gòu)、電子運(yùn)動(dòng)等知識(shí)基礎(chǔ)。主要針對(duì)“固體物理”教學(xué)中知識(shí)抽象、理論性強(qiáng)、推導(dǎo)多以及學(xué)生學(xué)習(xí)興趣匱乏等問題，結(jié)合實(shí)踐教學(xué)對(duì)教學(xué)過程進(jìn)行改革，提出在問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法改革的基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬仿真的教學(xué)手段，采用問題驅(qū)動(dòng)與虛擬仿真相結(jié)合的教學(xué)設(shè)計(jì)，依托現(xiàn)有的虛擬仿真教學(xué)資源在基礎(chǔ)課程中挖掘?qū)嶋H應(yīng)用案例，設(shè)置課題引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。結(jié)合虛擬仿真建立起抽象的基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用之間的橋梁，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和主觀能動(dòng)性，轉(zhuǎn)變學(xué)生在理論課程中被動(dòng)學(xué)習(xí)的情況，提升課程質(zhì)量。［關(guān)鍵詞］固體物理；問題驅(qū)動(dòng)；虛擬仿真西南石油大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)的“固體物理”課程主要講解《固體物理》中主要的概念及理論，包括固體化學(xué)鍵與晶體形成、固體結(jié)構(gòu)、晶體振動(dòng)和固體熱性質(zhì)、固體電子理論、固體的電性質(zhì)（輸運(yùn)過程）等內(nèi)容。教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生能夠掌握固體的基本結(jié)構(gòu)及固體宏觀性質(zhì)的微觀本質(zhì)，掌握處理微觀粒子運(yùn)動(dòng)的理論方法，并能夠分析和解決新能源材料與器件的設(shè)計(jì)及制備過程中所涉及的實(shí)際工程問題。但是在傳統(tǒng)理論教學(xué)中，理論知識(shí)的傳授主要是單向的，學(xué)生處于被動(dòng)接受的地位，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)情況難以得到有效反饋，教師很難及時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，從而無法有針對(duì)性地調(diào)整教學(xué)策略。同時(shí)，在理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用方面的訓(xùn)練不足。學(xué)生在學(xué)習(xí)“固體物理”等理論課程時(shí)，往往難以將抽象的概念與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來，無法生動(dòng)直觀地感受到這些基礎(chǔ)知識(shí)在本專業(yè)領(lǐng)域的具體應(yīng)用。這種脫節(jié)導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性較差，容易產(chǎn)生畏難情緒，認(rèn)為理論知識(shí)枯燥難懂、與實(shí)際應(yīng)用無關(guān)，從而影響學(xué)習(xí)效果，最終表現(xiàn)為課程及格率偏低的問題［1］。采用問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，提出與課程內(nèi)容相關(guān)的問題，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考和探索，可以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力［2］。在“固體物理”課程教學(xué)中如何實(shí)施問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)也很值得探索。同時(shí)，當(dāng)前虛擬仿真等一系列先進(jìn)數(shù)字化教學(xué)手段已經(jīng)開始得到推廣［3］。但是虛擬仿真的應(yīng)用主要還是依托和服務(wù)于實(shí)驗(yàn)類以及專業(yè)類的實(shí)踐課程。而在“固體物理”基礎(chǔ)理論課程的教學(xué)中實(shí)施問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)，可以將抽象的理論知識(shí)與實(shí)際問題相結(jié)合，使學(xué)生在解決問題的過程中理解和掌握知識(shí)。綜上所述，如何利用現(xiàn)有的虛擬仿真資源，并結(jié)合合理的課程設(shè)計(jì)，采用問題驅(qū)動(dòng)、虛擬仿真以及兩者相結(jié)合的方式提升“固體物理”課程的教學(xué)效果，是一個(gè)值得深入探討的課題。根據(jù)課程內(nèi)容和學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一系列與理論實(shí)際相結(jié)合的問題，并結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，可以為學(xué)生提供一個(gè)互動(dòng)性強(qiáng)、參與度高的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過這種方式，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，還能培養(yǎng)他們的實(shí)際應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維，從而有效提升“固體物理”課程的教學(xué)效果，提高學(xué)生的課程及格率和綜合素質(zhì)。一、問題驅(qū)動(dòng)激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)“固體物理”是西南石油大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)的核心專業(yè)課程。該課程具有基礎(chǔ)性強(qiáng)、知識(shí)脈絡(luò)較為龐雜零散等特點(diǎn)，需要學(xué)生在掌握“大學(xué)物理”“量子力學(xué)”等課程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)固體的晶格結(jié)構(gòu)、熱振動(dòng)以及固體電子理論。“固體物理”課程不僅與半導(dǎo)體物理、超導(dǎo)電性、磁學(xué)、表面與低維物理等理論物理的學(xué)科分支密切相關(guān)，在新材料、新器件等應(yīng)用領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用［4］。然而，由于課程內(nèi)容較為晦澀難懂，涉及大量抽象的理論和煩瑣的推導(dǎo)過程，部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感到吃力。而且由于學(xué)生難以將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來，使部分學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣。尤其是針對(duì)新能源材料與器件等材料類工科專業(yè)，學(xué)生在數(shù)學(xué)和物理等基礎(chǔ)課程方面的訓(xùn)練不足，在學(xué)習(xí)過程中難以吃透“固體物理”課程中的知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)，“固體物理”課程知識(shí)連貫性強(qiáng)，各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間相互關(guān)聯(lián)、層層遞進(jìn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中很容易出現(xiàn)因?yàn)槟骋徊糠种R(shí)未理解或者未吃透，而導(dǎo)致后續(xù)內(nèi)容無法跟上的情況。而且，由于課程難度較大，學(xué)生課下學(xué)習(xí)效率較低，往往是學(xué)了后面忘前面，知識(shí)銜接性差，進(jìn)一步加大了學(xué)習(xí)的難度，使學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性進(jìn)一步降低，形成一個(gè)惡性循環(huán)。因此，如何激發(fā)學(xué)生在基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)中的動(dòng)力，是當(dāng)前新能源材料與器件專業(yè)“固體物理”課程教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。針對(duì)此問題，筆者結(jié)合西南石油大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)人才培養(yǎng)要求，在該專業(yè)“固體物理”課程教學(xué)過程中引入問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式改革，從而為新能源材料與器件專業(yè)的高素質(zhì)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。在課程的教學(xué)改革中，為了提升學(xué)生的課下學(xué)習(xí)效率，提升課程知識(shí)的連續(xù)性，在“固體物理”課程重點(diǎn)章節(jié)中提煉知識(shí)點(diǎn)，采取以問題為驅(qū)動(dòng)的形式，讓學(xué)生以小組形式討論自學(xué)，然后隨機(jī)抽取小組進(jìn)行匯報(bào)講解。匯報(bào)之后，采取教師評(píng)價(jià)與學(xué)生互評(píng)相結(jié)合的考核方式，作為學(xué)生平時(shí)成績(jī)的依據(jù)。在教學(xué)方法改革的過程中，優(yōu)化平時(shí)成績(jī)考核方式，改變將學(xué)生出勤率作為平時(shí)成績(jī)的考核內(nèi)容所導(dǎo)致的學(xué)生學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)效果與平時(shí)成績(jī)不匹配的弊端［5］。在課題的設(shè)置過程中，要考慮到學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、知識(shí)理論基礎(chǔ)以及學(xué)習(xí)精力，循序漸進(jìn)地提升課題的難度［6-7］。例如，在“固體物理”課程《晶體結(jié)構(gòu)》章節(jié)中，可以將為什么不存在面心四方晶胞、為什么不存在底心立方等知識(shí)點(diǎn)作為課題，將學(xué)生隨機(jī)分成不同的學(xué)習(xí)小組，以團(tuán)隊(duì)形式在課下討論完成。小組間的課題相互獨(dú)立，難度相似，學(xué)生可以通過思考和討論得到完整的證明方法。讓學(xué)生在解決問題的過程中建立學(xué)習(xí)的信心，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而防止學(xué)生產(chǎn)生畏難放棄的厭學(xué)心理［8］。同時(shí)，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)的形式學(xué)習(xí)不僅可以提升團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，還可以通過資料收集、討論和交流，鍛煉學(xué)生知識(shí)檢索能力和溝通技能。學(xué)生在課下對(duì)知識(shí)的梳理過程中，可以更深刻地了解知識(shí)脈絡(luò)的形成及推導(dǎo)過程，同時(shí)在學(xué)生自學(xué)過程中也容易發(fā)現(xiàn)知識(shí)的難點(diǎn)和問題，確定重點(diǎn)突破的方向。在課堂匯報(bào)過程中，不僅能夠訓(xùn)練學(xué)生的表達(dá)能力，還可以更清晰地反映學(xué)生在知識(shí)認(rèn)知中存在的問題，解決傳統(tǒng)理論教學(xué)中教學(xué)方法單一、內(nèi)容枯燥、學(xué)生參與度低、被動(dòng)學(xué)習(xí)等問題。另外，在課程小課題和教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)中，須特別注重知識(shí)的連貫性。每個(gè)小課題都應(yīng)建立在學(xué)生已有的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)之上，同時(shí)又為新課內(nèi)容的引入做好鋪墊，起到承前啟后的作用，提升課程之間以及知識(shí)點(diǎn)之間的銜接性，形成完整的知識(shí)體系。最后在教學(xué)設(shè)計(jì)上要考慮到課程時(shí)間的安排，不宜設(shè)置過多的課題導(dǎo)致學(xué)生在匯報(bào)時(shí)耗費(fèi)大量時(shí)間，從而壓縮了教師在課堂上進(jìn)行系統(tǒng)講授和深入講解的時(shí)間。確保學(xué)生有足夠的時(shí)間進(jìn)行匯報(bào)和交流的同時(shí)，也要為教師留出充足的時(shí)間進(jìn)行教學(xué)講解和互動(dòng)。這樣既能充分發(fā)揮小課題在教學(xué)中的作用，又能保證課堂授課的完整性和有效性。二、虛實(shí)結(jié)合建立理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的橋梁“固體物理”課程涉及大量抽象知識(shí)，理論性較強(qiáng)，在教學(xué)實(shí)踐中學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)普遍感覺該課程與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)［9］。同時(shí)，新能源材料與器件專業(yè)屬于工科專業(yè)，學(xué)生在“固體物理”等基礎(chǔ)理論課程的學(xué)習(xí)過程中，不能充分地認(rèn)識(shí)到課程的重要性以及專業(yè)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系［10］。采用問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的部分積極性，但是學(xué)生對(duì)于“固體物理”課程本身的認(rèn)識(shí)不足。因此，需要在問題驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生感受到“固體物理”在解決新能源材料與器件相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)方面的科學(xué)與實(shí)際問題中的作用。近年來，我國(guó)已經(jīng)開始逐步加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，虛擬仿真在材料類本科教學(xué)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，尤其是近年來，虛擬仿真在在線教學(xué)方面發(fā)揮了重要作用［11］。因此，筆者根據(jù)新能源材料與器件專業(yè)特點(diǎn)，結(jié)合西南石油大學(xué)開發(fā)的“能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)”虛擬仿真平臺(tái)，深度挖掘“固體物理”理論知識(shí)在該領(lǐng)域的應(yīng)用案例。利用虛擬仿真中的直觀和動(dòng)態(tài)的三維機(jī)理仿真和演示，采用虛實(shí)結(jié)合的方式，建立“固體物理”理論知識(shí)與能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)過程中實(shí)際應(yīng)用的橋梁，使抽象的理論知識(shí)更加直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前。使學(xué)生能夠更好地理解和掌握固體物理的基本概念和原理，提高他們的理論認(rèn)知水平和實(shí)踐創(chuàng)新能力。在此基礎(chǔ)上，將問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法融入“固體物理”課程中。首先將課程中的復(fù)雜知識(shí)點(diǎn)細(xì)分為多個(gè)小課題，學(xué)生在課下圍繞這些小課題進(jìn)行資料收集和研究，并在課堂上進(jìn)行匯報(bào)。課題的設(shè)置依托虛擬仿真教學(xué)資源，匯報(bào)之后，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)對(duì)知識(shí)進(jìn)行更深入和直觀的講解，避免學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)“看不到、摸不著、想象不來”的情況［12］。例如，在能帶理論的教學(xué)過程中，可以將PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)設(shè)置為一個(gè)小課題，讓學(xué)生課下自學(xué)并結(jié)合能帶理論的知識(shí)分析不同太陽能電池種類中的PN結(jié)，收集相關(guān)資料然后在課上進(jìn)行匯報(bào)。在學(xué)生匯報(bào)過后，結(jié)合虛擬仿真軟件，以太陽能電池的工作原理為例，通過多種構(gòu)型太陽能電池中PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)，以及太陽能電池工作過程中的載流子傳輸過程的模擬，結(jié)合其實(shí)際應(yīng)用講解能帶理論知識(shí)。同樣，在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)過程中，可以根據(jù)鋰離子電池常用的電極材料種類，將學(xué)生分為若干組，讓學(xué)生自主收集、分析常用的鋰離子電池電極材料的種類結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和充放電過程中的電極材料晶體結(jié)構(gòu)變化。學(xué)生匯報(bào)完成后，教師在其基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充，并結(jié)合鋰離子電池的工作原理及電池材料晶體結(jié)構(gòu)在充放電過程中的變化的虛擬仿真，使學(xué)生直觀地感受鋰離子電池在充放電過程中的鈦酸鋰、石墨、磷酸亞鐵鋰，以及三元鋰等常規(guī)鋰離子電池電極材料的晶體結(jié)構(gòu)和鋰離子的嵌入脫出對(duì)材料晶體結(jié)構(gòu)的影響等。學(xué)生在經(jīng)過自主探索和課程的學(xué)習(xí)之后，能夠更直觀地了解“固體物理”課程中晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)的理論知識(shí)，厘清知識(shí)脈絡(luò)。這樣既能夠讓抽象的知識(shí)具象化，又能讓學(xué)生直觀地了解該課程理論知識(shí)在科學(xué)研究中的應(yīng)用實(shí)例，建立起了理論與實(shí)踐認(rèn)知的橋梁，從而激發(fā)對(duì)理論知識(shí)學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)機(jī)。通過虛擬仿真實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)理論課程知識(shí)點(diǎn)的預(yù)習(xí)與回顧，提前了解即將學(xué)習(xí)的內(nèi)容，形成初步的認(rèn)識(shí)和理解，并鞏固已學(xué)知識(shí)點(diǎn)。在理論教學(xué)過程中，教師結(jié)合虛擬仿真系統(tǒng)，直觀展示固體物理現(xiàn)象的機(jī)理和過程，豐富“固體物理”課程教學(xué)內(nèi)容，使原本抽象的理論知識(shí)變得形象生動(dòng)，易于學(xué)生理解和掌握，并結(jié)合理論教學(xué)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)分析和虛擬仿真過程對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，形成以虛補(bǔ)實(shí)的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。結(jié)語在“固體物理”教學(xué)過程中，筆者積極探索了利用問題牽引激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。通過提出與課程內(nèi)容緊密相關(guān)的問題，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考和參與課堂討論，使他們能夠充分融入理論教學(xué)中，不僅提升了學(xué)生的參與度，還進(jìn)一步強(qiáng)化了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。在此基礎(chǔ)上，依托本專業(yè)方向的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合動(dòng)態(tài)視頻演示，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的感官體驗(yàn)，幫助學(xué)生更好地銜接理論知識(shí)和