导语

教师对"卓越教学"的追求是大学教与学质量提升的关键动力。教学发展中心以促进教学和培育卓越教学文化为重要使命，针对教师不同发展阶段实施多样化的发展项目，设立“教学发展基金”，支持教师开展教学变革和创新；开展“青年教师教学竞赛”，以赛促进青年教师快速成长；设立“卓越教学奖”，奖励在追求教学卓越过程中成效突出的教师。“卓越教学之路”栏目的设立旨在讲述教师追求教学卓越中教与学的故事。

顾佳俊

第六届卓越教学奖得主

材料科学与工程学院教授，长期致力于材料学科专业基础课程教学第一线。先后主讲《材料物理》、《材料热力学》等。曾获宝钢优秀教师奖等奖项；2017年获首届上海交大教书育人奖个人二等奖。2011年指导本科生获全国十二届“挑战杯”能源化工组特等奖。

科学上的许多发明创造，常常是在解决问题的过程中，由形象思维诱发出创造性的设想，然后再用实验和抽象思维去证明。如威尔逊看到太阳照耀山顶云层所产生的光环，这种形象信息的输入或者说对这种现象的直觉思维，使他受到启发，从而制成了一种研究放射性物质的仪器——云雾室。美国工程师杜里埃认为要使内燃机有效地工作，必须使汽油和空气均匀地混合。可是怎样实现这种混合，他一直找不到解决的办法。有一次他看到妻子喷洒香水，于是从喷香水器这个形象上得到启发，创造出了发动机的汽化器。其实,汽化器也是一种喷雾器。从中我们可以看出,由于形象思维的作用，这些科学家从而产生出新的设想——抽象思维,即在形象思维的树上结出抽象思维的果实。

形象思维和抽象思维的关系是一个硬币的两面，有时候可能各自还没见面，实际上它们融为一体。但是它们又是两种不同的思维方式，前者始终伴随着形象，灌注着情感，充满着想象力，是富于个性的思维方式；后者则是人们在认识过程中借助概念、判断、推理，综合反映社会现实的思维方式。如此说来，形象思维与抽象思维岂不是完全对立、水火不容了吗？非也。诚然二者各有其自身的特殊性，都是一种可以独立、可以从感性上升到理性的思维方式，但它们在认识和反映事物本质规律的过程中，恰恰是相互渗透、相互交错、相互补充的。在教学中如果能够掌握抽象思维与形象思维的转化规律，有助于提高教与学的有效性。

我在上海交大材料学院开设固体物理课程，我们团队从教学现状出发，结合材料学专业学生学习固体物理的特点和难点，通过总结教学团队多年讲授该课程的经验，提出了将固体物理中抽象概念形象化的一些教学思路及具体案例。

利用材料学科的优势，变抽象为形象

我们常常对学生说“物理是盐，材料是汤”，空口吃盐难以下咽，而不放盐的汤则索然无味。固体物理是一门与材料的物理性能密切联系的课程。在固体物理教学中，强调物理概念与材料性能的实际联系，这样可以使学生感受到所学知识的用处及价值，并由此可提高学生灵活运用所学理论知识解决实际问题的能力。上海交大材料学院的材料专业以金属材料为主，而金属材料改性的大部分原理和理论基础原本都来自于固体物理中的晶体学知识。因而我们应该利用好本学科的优势，将材料学所涉及到的知识与固体物理的教学有机结合起来。

例如，X射线、电子衍射均是材料微观结构表征中常用的方法，而其基本理论恰恰就是固体物理中晶格衍射和倒易点阵的部分。通过教师在自身科研工作中的大量实例积累，我们可以更好地为学生举例说明劳厄方程、倒易点阵等在材料分析表征中的应用。如果再进一步联想展开，甚至可以启发学生思考X射线发生器的工作原理、阴阳极所用的材料等等，这样不仅可以丰富教学内容，拓展学生的知识面，更可以引发学生积极思考的兴趣。

又比如在讲授晶体结合时，通常会学习到微观粒子相互间作用能与材料体弹模量的关系。诸如内聚能，体弹模量等概念较为抽象，而如果我们借助材料力学性能中材料宏观变形的应力-应变曲线等形象的现象来解释这些概念的物理意义，学生则更容易理解。此外，因为材料学科的特殊性，我们很容易将真实材料的物理性能和固体物理的相关理论相结合，启发学生的思考。比如讲解声子热导率的理论时，可以直接让学生比较金刚石和玻璃的差别，从硬度、弹性模量、透光性等直观的物理现象入手，分析判断两者热导率的高低，并用声子散射的理论来解释原因。还可以进一步启发学生展开讨论，电子工业中用到的导电导热的材料或者绝缘而导热的材料分别应当如何设计实现。这样，让学生感到所学知识并不枯燥，而是联系生活实际的。

联想生活实例，善用比喻，变抽象为形象

教学模式一定要关注学生所掌握的知识水平。对于材料专业的学生来说，物理方面的基础知识比较薄弱，因此对于陌生的物理概念的理解非常困难。针对这一问题，我们尽可能从最基础的物理知识去启发学生，有的时候需要大胆联想，巧妙地将抽象的物理概念和生活中形象的物体或者现象联系起来。例如，我们通过水波和格波的对比，说明晶格的振动可以用波动理论来描述。而在讲解格波群速度的概念时，可以用沙丘的移动打比方，说明每个砂粒的移动速度和整个沙丘的移动速度恰似格波的相速度和群速度。这样就很容易让学生理解这一重要概念。

在能带理论中，用电子和空穴理论来解释半导体导电机制时，我们常把教室里的学生比作电子，座位比作空穴，当学生坐满教室时，谁都无法运动，相当于满带电子不导电，但如果坐在第一排的学生离开教室走到外面，这好比满带电子跃迁到空带，跃迁的电子可以导电，而教室中空出了位置，那么后面的学生会向前排移动，直到最后一排空出了座位，教室中学生的移动也可以看成是空位的移动，好比能带中的电子移动，也就是空穴的移动，即空穴导电。这种形象比喻可以大大加深学生对抽象物理模型的理解和记忆，又能寓教于乐，提高学习兴趣。

由简入繁，巧用类比，变抽象为形象

正如前面所述，固体物理学课程内容理论性强，比较抽象难懂，而材料专业的学生由于之前所学的“材料热力学”、“量子力学”和“统计物理”等先修课程内容较为浅显，物理基础稍显薄弱。因此，我们常常要从最基础的高等数学、大学物理的相关理论入手，先帮助学生回忆先修课程，然后再引入固体物理中相关的新概念。

例如在讲解一维自由电子费米气的相关理论时，我们往往先让学生从牛顿运动方程入手，考虑小球做一维运动时，能量、速度、位置等物理量的意义，然后再进一步对比电子在一维晶体中运动时，各个物理量和经典物理中有何差别，并引入几个重要的假设，从而导出一维自由电子气的薛定愕方程，使他们很快回忆起以前所学的知识，并自然而然地接受了新的理论。

引入学科前沿，将抽象概念“实用化"

材料学专业学生学习固体物理常有的疑惑是 “我学这个有什么用”。在教学过程中引入和穿插与材料专业相关的学科前沿问题，并结合固体物理所讲授的知识点进行分析，可以让学生充分意识到所 学的知识在解决实际问题中的用途，使学生不仅可以了解与固体物理课程紧密相关的材料科学最新学术进展，而且对课程中所学到的知识产生认同感，提高了学习积极性。

例如，“声子”是一个全新的物理概念，如果学生不能正确理解它，在后面的学习中将会越听越糊涂，从而失去对后续内容学习的兴趣。我们曾经邀请美国莱斯大学工学院院长Edwinl Thomas教授做客“材料名师讲坛”，用他的最新研究成果，为本科生讲授固体中的声子学。诸如用蜘蛛丝做成的声子晶体等新奇而富有学术意义的研究实例，让听课的学生大呼过瘾，他们表现出来的学习热情和学习效果，都远远超过了往届单纯知识讲授课堂教学的学生。

又比如在能带论章节，我们常常以半导体和介电体超晶格上的研究成果为例来开展教学，很好地向学生展示了能带理论在进行功能材料设计中的巨大作用，大大提高了学生的学习热情。

总之，在授课过程中通过与学生熟悉的材料性质相结合，与生活实例相类比，由简单概念引入并以学科前沿为例证，使固体物理中抽象的概念变得形象生动，大大激发了学生学习的兴趣和积极性。事实证明，通过采用这种抽象到形象的思维转换，教学效果明显提升，近年来学生评价逐年上升，2016年在全校近三千门次课程评教中名列前1％，而十年前仅为前50％，从过去让本学院学生“谈虎色变”的课程，到如今每年都有交大密西根联合学院和致远学院等外学院学生及留学生慕名选修本课程；任课教师多次获得院最受欢迎教师，校凯原十佳教师，宝钢优秀教师奖等，并在校级市级教学竞赛中屡获佳绩。

主要参考文献

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编辑：王立科