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）
［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