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                  博狗在线

                  學院新聞

                    【編者按】“課堂是教育的主戰場 。課堂一端連接學生 ,一端連接着民族的未來。教育改革只有進入到課堂的層面 ,才真正進入了深水區 。課堂不變 ,教育就不變;教育不變,學生就不變。課堂是教育發展的核心地帶。”近年來,學校堅持立德樹人,持續深入推進教學模式與培養模式改革,建設高水平挑戰性研究型教學體系和高水平新工科教育體系 ;掀起“課堂革命”,不斷打造“金課”、淘汰“水課” ,涌現出一批先進人物和典型案例。新聞中心開設“課堂革命”欄目 ,將陸續報道分享他們的好做法、好經驗。本期推出新工科教改優秀案例、博狗体育在线《固體與半導體物理》課程組的教改經驗,以饗讀者 。                 

                    專業基礎課的重要性不言而喻 ,但傳統的講授方式存在很大的不足:以教師授課爲主  ,幾乎沒有涉及學生在課程中的自主學習 ,從而導致學生掌握知識面較窄,能動性差,教師教學質量不高 。這個長期以來的共性難題,如何解決 ?

                    博狗体育在线《固體與半導體物理》課程組的探索方案是:引入課程設計   。這一嘗試 ,收效不錯!尤其是,讓學生以“創意動畫”的方式來直觀形象地展示所理解的晶體結構,令學生受到了挑戰、也取得了豐碩收穫。

                    博狗体育在线2016級黃錚同學幽默地說,“上這門挑戰性課程之前,第一章作業是百度搜索‘手把手’教我寫的;交了作業後 ,發現老師居然特別認真地做了作業報告 ,讓我爲自己草率的作業感到愧疚;一學期過後 ,我就徹底與那個不愛學習、不善學習的自己訣別了 。”

                    “課堂靈動  ,學生心動。”在學校第二屆本科教學改革與創新論壇(I)暨2018年度本科教學工作總結會上,課程組劉爽教授分享了教學方法和心得 。她表示 ,“我們對課程效果的期望是要用心對待每一堂課、用情對待每一位學生,成爲學生心中的好老師”。

                  新思路:讓課堂更活躍

                    工科專業的專業基礎理論課 ,其教學目的是使學生牢固掌握本專業工程技術中所必需的專業基礎知識、基本理論和基本方法 。它是普通基礎課和專業課之間的紐帶 ,也是學生畢業後從事專業技術工作的基礎。

                    專業基礎理論課可以幫助學生建立起本領域的框架 ,通過分析和綜合  ,形成概念和原則,提出新的想法和意見,甚至還要預測未來發展方向 。但是,要上好這類課程並不容易。劉爽說 ,這類課程體系完整、理論嚴密、內容抽象、高度概括,上課容易出現枯燥無味、學生參與度低等問題 。

                    《固體與半導體物理》是光電信息科學與工程、電子科學與技術等多個專業的專業基礎課  ,其中 ,固體物理部分主要內容包括晶體結構、晶格振動、電子能量狀態等。對於不同晶體結構中原子的佔位,特別是較爲複雜的晶體結構,如果僅靠PPT文字和圖片讓學生通過空間想象去學習,大多數學生會感到困惑,因而參與度不高,課堂氛圍往往會比較沉悶。

                    爲了讓課程更“接地氣” ,每學期上課前 ,劉爽都會走訪相關的老師,瞭解前序課程的學習情況 ,以決定在《固體與半導體物理》課程中是“繼續補”還是“直接用”;同時,要了解學生的出勤、作業、互動、課堂表現等情況並採取針對性的措施,“如果太飄,就壓一壓 ;如果太悶,就擡一擡;如果太實,就拔一拔。”

                    她也會和學生零距離接觸 ,深入瞭解學生在選課前對《固體與半導體物理》課程到底有哪些疑惑、顧慮或者期望,並考察學生對作業的認識、作業的實際作用、完成狀況等 ,進而摸清學生怎麼想、喜歡什麼樣的交流方式。

                  新內容:讓課程更新鮮

                    經過多年來對該門課程教學與專業結合的積累與思考 ,課程組在教學內容及教學方法上做了一系列的動態調整,以適應專業領域和前沿科學方面不斷的發展與更新。

                    在教學內容方面,課程組進一步夯實了重要的物理基礎  ,如有關晶體結構、晶格振動及能帶論的基本固體物理原理,以及平衡與非平衡載流子等基本物理模型,讓學生在“接受原理-熟練細節-深入思考”三步遞進的模式下,完成對重要物理原理的學習。

                    同時 ,課程組充分考慮了課程本身與專業應用和後續課程的結合 ,如把晶體結構內容與光學晶體結合  ,把晶格振動內容與光學非線性結合,把半導體器件物理與半導體光電子學結合,跳出傳統基礎物理教學的思維模式,引導並延伸學生的教學思考,強化學生的專業認知和工程意識。

                    另外,課程組還注重課程本身與專業前沿的結合,通過課堂內容的更新、小班研討和課程設計等,調動各種教學模式、調整教學內容 ,使之與學科前沿的物理機制銜接。例如 ,把石墨烯、三五族半導體等光電材料引入實際教學內容,既鞏固學生的物理基礎,也啓發其學術思維 。

                    在第一堂課 ,老師會引導學生概覽整個學科的知識譜系,並介紹《固體與半導體物理》在這個譜系中的角色和地位 。然後 ,向學生分述各章節的內容及其關係,並詳細說明教材、參考書、作業要求 ,以及小組討論的時間、內容、形式等 ,以便讓學生帶着問題進入理論學習當中 。

                  課程導覽讓學生明白知識譜系和內容體系

                  新方法:讓學生更主動

                    討論課的設計是《固體與半導體物理》課程的“點睛”之筆。它把傳統教學中“教師講,學生聽”的模式轉變爲“學生講  ,學生聽 ,教師引導”的模式,通過學生之間的爭論引起他們思想上的碰撞,激發對有爭議問題的進一步思考,調動學習積極性和主動性  。

                    在討論課的題目設置上,課程組引入了光電信息領域的部分重要材料和器件 ,或者是學生容易感興趣的一些光電前沿熱點 ,以促進學生把固體物理的相關知識點與實際材料聯繫起來 ,加深對理論知識的理解。

                    通過資料收集,學生還可以對比不同概念,思考各個知識點之間的關聯,實現對課程的整體把握 ;課程引入3DMAX等動畫製作軟件,不僅可以加深學生對原子佔位及晶體結構的理解 ,而且對學生今後的科研和工作也大有裨益 。

                    研討的內容是通過開課前的多次課程組討論得出的,依據教學內容與進度,確定了內容、時間、具體要求、計分比例與方式,並在開課的第一週公佈於課程QQ討論羣 。助教會提前3周組織分組,每個小組確定一個主題進行準備,學生可以自行開展組內分工,包括內容、PPT、主講、問題回答等 ,同時也要對其他小組內容有所關注。

                   

                  學生正在分組討論

                    討論中 ,學生組合爲多個小班,每個小班5組,每個小組7-9人 ,1位老師組織1個小班進行討論 。分數共由5部分構成,分別是:作業10%+課程設計10%(共2次,每次5%)+研討20%(共4次,每次5%)+期中10%+期末50%。

                    每組由1人或多人結合PPT講解本組觀點 ,時間爲8分鐘;其他4組同學結合課程知識和講解內容提問,時間爲10分鐘 ,主要由講解組回答  ;如果講解組不能回答 ,其他同學可以代回答 。

                    爲了提升學生在課程中的參與度,調動他們的興趣,確保評分的公平,小組得分由老師打分和學生打分共同組成 ,打分比重是:老師分50%+學生分50%。每個小組都要給其他小組和學生打分 ,取平均值計分  。

                    在此過程中 ,教師所起的作用是:記錄同學的發言情況 ,給予加分  ;引導討論方向 ,使學生不能偏離主題太遠;控制討論中的異常情況,如學生因討論過於激烈而引起的情緒失控等——當然 ,這只是以防萬一。

                    課程組王小菊副教授表示,“雖然基礎理論課程容易出現課堂枯燥的現象 ,但實踐證明 ,積極改進教學模式,充分利用現代化信息手段,開展如課程設計等環節  ,能讓課堂靈動起來,也有助於增強了學生的自信和成就感。”

                  新成效:讓作業更出彩

                    該課程共擬定了4次研討 ,其中,第二次研討的內容是,結合課程相關內容,分別討論黑硅、石墨烯、黑磷、光子晶體和碳納米管材料的基本特性、研究進展及優缺點。

                    黑硅、石墨烯、黑磷、光子晶體和碳納米管這五種材料都是光電信息領域的重要材料,也是目前非常熱點的光電材料。學生通過查閱資料可以理解課程知識與工程應用的結合情況  ,還能瞭解新型光電材料的應用前景以及所涉及的基礎知識 ,能有效提高他們對課程深入學習的興趣 。

                    光子晶體是一種介電常數隨空間週期性變化的新型光學微結構材料 ,其最根本的特徵是具有光子禁帶,被譽爲光半導體 。而光子禁帶的概念就是借用教學內容中電子禁帶的理論 ,有力地拓展了同學們的學術視野和思維方式 。

                  學生的第一次作業 

                   

                  學生的第一次作業(上圖)和以後的作業(下圖)反映了水平和態度都有很大改變

                    爲了讓學生更直觀形象地理解晶體的結構,課程還要求學生利用任意一款軟件(比如3DMAX)設計晶體結構動畫,最終要提交所設計的動畫作品和設計報告 。設計報告要寫明設計的思路與過程、心得與收穫。

                    通過梳理課堂所學晶體結構知識 ,回顧常見晶體結構、14種布拉菲格子、晶向晶面及倒格子、布里淵區等知識,並運用3DMAX等軟件仿真 ,各小組分別製作出了晶體結構動畫 ,直觀展現各結構特點,以便更好理解課本上的內容,加強記憶,爲以後學習打下堅實基礎。

                    同時 ,學習使用3DMAX等軟件,還提升了學生製作晶體結構立體模型的能力,以及運用視頻剪輯軟件製作晶體結構動畫的能力 ,進一步培養學生自學、構思、設計等能力,幫助學生對課程建立興趣。

                    從第2周各組長將組員和分工情況報助教 ,到第12週上交成熟的作業設計 ,該課程對學生作業進行了嚴格的過程把控  ,完全按照相關環節和時間節點跟蹤推進作業進展 。學生的表現也十分給力。

                    有的學生設計出了NaCl結構動畫 ,有的學生設計了鉛鋅礦結構動畫 ,有的甚至完成了相對難以理解的“布里淵區”的動畫設計 。由於有內容分數的引導,部分學生還能結合熱點材料自學並進行設計,如石墨烯的結構動畫 。 

                   

                  學生自己設計的晶體結構3D動畫展示作品

                    “當我們自己用3DMAX把密堆積、立方晶體、體心立方、面心立方、石墨烯、碳納米管和足球烯等建模並製作出了演示動畫,那種獲得感和成就感 ,不能用言語形容。”博狗体育在线2016級雷傲同學在總結中說,“上《固體與半導體物理》課程,讓我們找到了學習的樂趣 !”