问题驱动与虚拟仿真相结合的“固体物理”课程教学探索

［摘 要］ “固体物理”是西南石油大学新能源材料与器件专业核心课程，主要针对新能源材料与器件的设计和制备过程中所涉及的晶体结构、晶格振动、能带结构、电子运动等知识基础。主要针对“固体物理”教学中知识抽象、理论性强、推导多以及学生学习兴趣匮乏等问题，结合实践教学对教学过程进行改革，提出在问题驱动的教学方法改革的基础上，结合虚拟仿真的教学手段，采用问题驱动与虚拟仿真相结合的教学设计，依托现有的虚拟仿真教学资源在基础课程中挖掘实际应用案例，设置课题引导，激发学生的学习动力。结合虚拟仿真建立起抽象的基础理论与实际应用之间的桥梁，从而提升学生的学习效率和主观能动性，转变学生在理论课程中被动学习的情况，提升课程质量。

［关键词］ 固体物理；问题驱动；虚拟仿真

［基金项目］ 2021年成都市人民政府成都市鼓励校地校企合作培养产业发展人才项目“太阳能产业高素质应用型复合人才校企联合培养”（成财制〔2021〕2号）；2021年四川省教育厅四川省高等教育人才培养质量和教学改革项目“创新创业导向、科研训练支撑的创新创业人才培养模式”（JG2021-590）；2021年度西南石油大学“新能源与材料学院”本科课程教学改革研究项目“虚实结合的‘锂离子电池设计与技术’理论课教学模式探索”（2021XCY-JXGG-013）

［作者简介］ 陈俊臣（1988—），男，四川成都人，博士，西南石油大学新能源与材料学院讲师，硕士生导师，主要从事超级电容器、水系电池研究；于 博（1990—），男，吉林长春人，博士，西南石油大学新能源与材料学院副教授，硕士生导师，主要从事锂硫、固态金属电池研究；郭秉淑（1992—），女，甘肃白银人，博士，西南石油大学新能源与材料学院讲师，硕士生导师，主要从事锂硫、钠硫电池研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）10-0096-04 ［收稿日期］ 2023-11-27

西南石油大学新能源材料与器件专业的“固体物理”课程主要讲解《固体物理》中主要的概念及理论，包括固体化学键与晶体形成、固体结构、晶体振动和固体热性质、固体电子理论、固体的电性质（输运过程）等内容。教学目标是使学生能够掌握固体的基本结构及固体宏观性质的微观本质，掌握处理微观粒子运动的理论方法，并能够分析和解决新能源材料与器件的设计及制备过程中所涉及的实际工程问题。

但是在传统理论教学中，理论知识的传授主要是单向的，学生处于被动接受的地位，使得学生的学习情况难以得到有效反馈，教师很难及时了解学生对知识的掌握程度，从而无法有针对性地调整教学策略。同时，在理论知识的实际应用方面的训练不足。学生在学习“固体物理”等理论课程时，往往难以将抽象的概念与实际应用联系起来，无法生动直观地感受到这些基础知识在本专业领域的具体应用。这种脱节导致学生的学习主动性较差，容易产生畏难情绪，认为理论知识枯燥难懂、与实际应用无关，从而影响学习效果，最终表现为课程及格率偏低的问题［1］。采用问题驱动的教学方法，提出与课程内容相关的问题，引导学生主动思考和探索，可以有效地激发学生的学习动力［2］。在“固体物理”课程教学中如何实施问题驱动的教学也很值得探索。同时，当前虚拟仿真等一系列先进数字化教学手段已经开始得到推广［3］。但是虚拟仿真的应用主要还是依托和服务于实验类以及专业类的实践课程。而在“固体物理”基础理论课程的教学中实施问题驱动教学，可以将抽象的理论知识与实际问题相结合，使学生在解决问题的过程中理解和掌握知识。

综上所述，如何利用现有的虚拟仿真资源，并结合合理的课程设计，采用问题驱动、虚拟仿真以及两者相结合的方式提升“固体物理”课程的教学效果，是一个值得深入探讨的课题。根据课程内容和学生的学习特点，设计一系列与理论实际相结合的问题，并结合虚拟仿真技术，可以为学生提供一个互动性强、参与度高的学习环境。通过这种方式，不仅可以提高学生的学习积极性和主动性，还能培养他们的实际应用能力和创新思维，从而有效提升“固体物理”课程的教学效果，提高学生的课程及格率和综合素质。

一、问题驱动激发学习动机

“固体物理”是西南石油大学新能源材料与器件专业的核心专业课程。该课程具有基础性强、知识脉络较为庞杂零散等特点，需要学生在掌握“大学物理”“量子力学”等课程的基础上，进一步学习固体的晶格结构、热振动以及固体电子理论。“固体物理”课程不仅与半导体物理、超导电性、磁学、表面与低维物理等理论物理的学科分支密切相关，在新材料、新器件等应用领域也有广泛的应用［4］。然而，由于课程内容较为晦涩难懂，涉及大量抽象的理论和烦琐的推导过程，部分学生在学习过程中感到吃力。而且由于学生难以将理论知识与实际应用联系起来，使部分学生缺乏学习的动力和兴趣。尤其是针对新能源材料与器件等材料类工科专业，学生在数学和物理等基础课程方面的训练不足，在学习过程中难以吃透“固体物理”课程中的知识点。同时，“固体物理”课程知识连贯性强，各个知识点之间相互关联、层层递进，学生在学习过程中很容易出现因为某一部分知识未理解或者未吃透，而导致后续内容无法跟上的情况。而且，由于课程难度较大，学生课下学习效率较低，往往是学了后面忘前面，知识衔接性差，进一步加大了学习的难度，使学生的学习积极性进一步降低，形成一个恶性循环。因此，如何激发学生在基础理论学习中的动力，是当前新能源材料与器件专业“固体物理”课程教学的重点和难点问题。

针对此问题，笔者结合西南石油大学新能源材料与器件专业人才培养要求，在该专业“固体物理”课程教学过程中引入问题驱动的教学模式改革，从而为新能源材料与器件专业的高素质应用型和创新型人才的培养奠定基础。在课程的教学改革中，为了提升学生的课下学习效率，提升课程知识的连续性，在“固体物理”课程重点章节中提炼知识点，采取以问题为驱动的形式，让学生以小组形式讨论自学，然后随机抽取小组进行汇报讲解。汇报之后，采取教师评价与学生互评相结合的考核方式，作为学生平时成绩的依据。在教学方法改革的过程中，优化平时成绩考核方式，改变将学生出勤率作为平时成绩的考核内容所导致的学生学习能力、学习效果与平时成绩不匹配的弊端［5］。在课题的设置过程中，要考虑到学生的学习能力、知识理论基础以及学习精力，循序渐进地提升课题的难度［6-7］。例如，在“固体物理”课程《晶体结构》章节中，可以将为什么不存在面心四方晶胞、为什么不存在底心立方等知识点作为课题，将学生随机分成不同的学习小组，以团队形式在课下讨论完成。小组间的课题相互独立，难度相似，学生可以通过思考和讨论得到完整的证明方法。让学生在解决问题的过程中建立学习的信心，调动学生的学习积极性，从而防止学生产生畏难放弃的厌学心理［8］。同时，学生以团队的形式学习不仅可以提升团队合作意识，还可以通过资料收集、讨论和交流，锻炼学生知识检索能力和沟通技能。学生在课下对知识的梳理过程中，可以更深刻地了解知识脉络的形成及推导过程，同时在学生自学过程中也容易发现知识的难点和问题，确定重点突破的方向。在课堂汇报过程中，不仅能够训练学生的表达能力，还可以更清晰地反映学生在知识认知中存在的问题，解决传统理论教学中教学方法单一、内容枯燥、学生参与度低、被动学习等问题。

另外，在课程小课题和教学内容的设计中，须特别注重知识的连贯性。每个小课题都应建立在学生已有的学习基础之上，同时又为新课内容的引入做好铺垫，起到承前启后的作用，提升课程之间以及知识点之间的衔接性，形成完整的知识体系。最后在教学设计上要考虑到课程时间的安排，不宜设置过多的课题导致学生在汇报时耗费大量时间，从而压缩了教师在课堂上进行系统讲授和深入讲解的时间。确保学生有足够的时间进行汇报和交流的同时，也要为教师留出充足的时间进行教学讲解和互动。这样既能充分发挥小课题在教学中的作用，又能保证课堂授课的完整性和有效性。

二、虚实结合建立理论知识与实际应用的桥梁

“固体物理”课程涉及大量抽象知识，理论性较强，在教学实践中学生学习时普遍感觉该课程与实际应用脱节［9］。同时，新能源材料与器件专业属于工科专业，学生在“固体物理”等基础理论课程的学习过程中，不能充分地认识到课程的重要性以及专业知识与实际应用的联系［10］。采用问题驱动教学，可以调动学生的部分积极性，但是学生对于“固体物理”课程本身的认识不足。因此，需要在问题驱动的基础上进一步激发学生的学习兴趣，让学生感受到“固体物理”在解决新能源材料与器件相关的能量转换和存储方面的科学与实际问题中的作用。

近年来，我国已经开始逐步加强虚拟仿真实验教学平台的建设，虚拟仿真在材料类本科教学中已经得到广泛的应用，尤其是近年来，虚拟仿真在在线教学方面发挥了重要作用［11］。因此，笔者根据新能源材料与器件专业特点，结合西南石油大学开发的“能量转换与存储”虚拟仿真平台，深度挖掘“固体物理”理论知识在该领域的应用案例。利用虚拟仿真中的直观和动态的三维机理仿真和演示，采用虚实结合的方式，建立“固体物理”理论知识与能量转换和存储过程中实际应用的桥梁，使抽象的理论知识更加直观地展现在学生面前。使学生能够更好地理解和掌握固体物理的基本概念和原理，提高他们的理论认知水平和实践创新能力。

在此基础上，将问题驱动的教学方法融入“固体物理”课程中。首先将课程中的复杂知识点细分为多个小课题，学生在课下围绕这些小课题进行资料收集和研究，并在课堂上进行汇报。课题的设置依托虚拟仿真教学资源，汇报之后，结合虚拟仿真技术对知识进行更深入和直观的讲解，避免学生在学习过程中出现“看不到、摸不着、想象不来”的情况［12］。例如，在能带理论的教学过程中，可以将PN结的能带结构设置为一个小课题，让学生课下自学并结合能带理论的知识分析不同太阳能电池种类中的PN结，收集相关资料然后在课上进行汇报。在学生汇报过后，结合虚拟仿真软件，以太阳能电池的工作原理为例，通过多种构型太阳能电池中PN结的能带结构，以及太阳能电池工作过程中的载流子传输过程的模拟，结合其实际应用讲解能带理论知识。同样，在晶体结构教学过程中，可以根据锂离子电池常用的电极材料种类，将学生分为若干组，让学生自主收集、分析常用的锂离子电池电极材料的种类结构特点和充放电过程中的电极材料晶体结构变化。学生汇报完成后，教师在其基础上进行补充，并结合锂离子电池的工作原理及电池材料晶体结构在充放电过程中的变化的虚拟仿真，使学生直观地感受锂离子电池在充放电过程中的钛酸锂、石墨、磷酸亚铁锂，以及三元锂等常规锂离子电池电极材料的晶体结构和锂离子的嵌入脱出对材料晶体结构的影响等。学生在经过自主探索和课程的学习之后，能够更直观地了解“固体物理”课程中晶体结构相关的理论知识，厘清知识脉络。这样既能够让抽象的知识具象化，又能让学生直观地了解该课程理论知识在科学研究中的应用实例，建立起了理论与实践认知的桥梁，从而激发对理论知识学习的兴趣和动机。

通过虚拟仿真实现学生对理论课程知识点的预习与回顾，提前了解即将学习的内容，形成初步的认识和理解，并巩固已学知识点。在理论教学过程中，教师结合虚拟仿真系统，直观展示固体物理现象的机理和过程，丰富“固体物理”课程教学内容，使原本抽象的理论知识变得形象生动，易于学生理解和掌握，并结合理论教学结果、实验分析和虚拟仿真过程对学生进行考核，形成以虚补实的教学模式，培养学生的创新实践能力。

结语

在“固体物理”教学过程中，笔者积极探索了利用问题牵引激发学生的学习动力。通过提出与课程内容紧密相关的问题，引导学生主动思考和参与课堂讨论，使他们能够充分融入理论教学中，不仅提升了学生的参与度，还进一步强化了学生自主学习能力。在此基础上，依托本专业方向的虚拟仿真实验系统，结合动态视频演示，充分调动学生的感官体验，帮助学生更好地衔接理论知识和实际应用。通过这种教学方式，让学生直观地感受“固体物理”课程的实际应用场景，延伸和拓展理论教学内容。结合西南石油大学新能源材料与器件专业“固体物理”课程改革前后的成绩统计显示，改革后“固体物理”课程的平均成绩由68.2分提升到74.6分，且卷面平均成绩由56.1分显著提升到了71.5分。在针对课程目标达成度的问卷调查中，课程目标达成度的主观评价值也有了显著的提升。结果表明，通过问题驱动与虚拟仿真相结合的理论课程改革对于“固体物理”的教学有一定的促进作用。

参考文献

［1］齐倩，姚树玉.针对学生心理特点提高固体物理教学效果的研究［J］.物理通报，2022（S1）：14-16，19.

［2］马晴，李耀宗，华雪侠.大学物理“问题驱动”法教学实践［J］.咸阳师范学院学报，2018，33（2）：113-116.

［3］夏伶勤.虚拟仿真技术在材料类专业教学中的应用［J］.智能制造，2022（5）：126-128.

［4］马荣，李斌，王璐.学科前沿融入固体物理教学的思考与实践［J］.大学物理，2022，41（6）：11-15，30.

［5］惠迎雪，侯宏录，王欣.电子科学与技术专业《固体物理》课程考核改革的研究［J］.物理通报，2015（11）：4-6.