王芳+郭纪源+张云芳+戴俊
摘要：以固体物理专业课程中半导体知识的教学为主线，提出了基于问题的教学法在课堂中的实践，深入研究PBL教学法在物理专业课程中的设置，提高学生感知和解决问题的技能。这种以问题为主线的课堂教学模式与传统的讲授式教学模式相比较，可以更好地体现学生的主体性，发挥学生的主观能动性，充分调动学生的学习兴趣。同时，发挥教师的科研工作在教学中的应用，实现教师的科研和教学的统一性。
关键词：固体物理；PBL；半导体；本科教学；课堂互动
自PBL教学法在二十世纪六十年代被加拿大McMaster大学运用于课堂教学后，许多世界着名大学都开始将以问题为中心的教学法（PBL）应用于大学课堂。PBL教学法被认为是一种有效的学习策略，其可以推动学生自主学习和提高思辨能力、解决问题能力和团队合作能力。在高等教育中，学生的学习包括学生参与，思辨能力，自主学习，团队合作，解决问题，跨学科学习等综合能力的培养。以问题为中心的教学模式（PBL）立足于解决以上这些问题，学生在参与问题讨论的同时，可以在合作团队中讨论参与学习，多角度思考问题，从而获得解决问题的能力。起初，PBL 教学法主要运用于医学院的实践教学和学习，但是，现在PBL 教学法已经被广泛应用在世界上各个国家和多个领域。近年来，我国的高等院校也在尝试运用这种教学模式，包括医学、生物、电子工程等多个学科领域，且获得了很好的教学效果。
物理是一个以物理概念和物理规律为基础的学科，物理学知识具有一定的抽象性和逻辑推理性，缺乏直观性。基于其学科特点——信息量大，专业课时量少，传统教学通常采用讲授式，这种灌输式的教学通常忽略了学生的主体性、学习兴趣和学习基础，教学效果一般。如何发挥学生在学习中的主体性，关键在于教学方式的运用。因此，我们提出在物理专业的教学中，将PBL教学法植入固体物理教学中，采用分组的模式，以小组为单位，以问题为主线，收集问题信息，提出假设，分组讨论，选择关键信息，最终验证假设。教学中以需要解决的问题为驱动，引导学生以解决问题为主的教学模式。
固体物理是应用物理学专业学生的必修专业课程。在固体物理教学中，关于半导体能带、本征和非本征半导体、P-N结等知识点的学习，理论性相对较强，对于理论基础较为薄弱的学生学习难度较大。鉴于信息量大、课时量少等问题，我们在固体物理课程半导体章节中植入PBL教学法，以发光二极管（LED）器件的研究为主线，引导学生利用课余时间收集、分析和整理相关信息，在学习半导体基础知识的同时，阅读文献，了解LED的研究进展和应用前景。
（一） PBL模式的构建
固体物理是一个前沿的、综合性的、不断发展的基础学科。它是普通物理的综合，是研究材料物理的基础，本课程的学习主要包括晶体结构、固体结合；晶格振动；能带理论；半导体能带、掺杂、导电性与器件应用以及磁性、超导电性、光子晶体。LED涉及电子学，光学，现代物理学等多个领域，因此我们以LED为主线，研究PBL教学法在固体物理课程教学中的应用。
把PBL教学方式引入固体物理半导体章节的教学，提出以半导体物理问题的PBL教学方法，以LED为研究对象，学生以小组为单位，进行实验研究的同时，学习半导体物理基本知识。发光二极管（LED）可以作为一个黑匣子，引发学生研究的兴趣，引导学生学习经典物理课程以外的知识，以构筑现代物理知识框架。
（二） PBL教学方法
LED最早是在1991年被引入物理课程教学。[John W.Jewett， “Get the LED out，”Phys.Teach.29， 530-534（Nov.1991）.]
将LED引入课程的三个不同的层次，如下所示。
1. 将LED作为黑匣子器件，帮助学生将相关实验现象相联系。（现象为主）
2. 帮助学生了解物理学知识中与LED实验现象相关的方面，了解LED的工作原理。（概念、原理为主）
3. 在2 的基础上进一步了解实验现象背后的物理机制，熟悉LED的科学背景和科学前沿。（深入分析和探讨）
LED涉及物理知识框架
1. 能量
实验物理问题
Ⅰ将白炽灯连接到电池，观察其发光；再将LED灯连接到电池和电阻，观察其发光。宏观上描述两种灯泡的发光，比较两种情况下的能量转化。
Ⅱ将LED与电池和电阻相连接，观察其发光。将LED单独与电压表相连。用白光照射LED，观察电压表读数。微观上解释实验中的能量转化。
Ⅲ将LED（红色、绿色、蓝色）单独与电压表相连，用不同颜色的光照射LED，观察电压表的读数变化。当用特定波长的光照射时，LED可以产生较高的电压，这种电压可以激发另一个LED灯泡。描述观察到的物理现象。
为什幺在光照LED时会产生电压，光照时，光强和光的颜色如何选择？
2. 半导体和P—N结
实验物理问题
Ⅰ将白炽灯泡与电池电源相连，将之浸泡在液氮中，观察其亮度的变化；将红色或绿色LED与电阻相连，然后连接至电源两端，之后浸泡液氮中，观察其亮度的变化。归纳出该实验所反映的LED的电学性质。
Ⅱ将黄色和红色LED分别连接至电源两端，浸泡在液氮中，结果发现红色LED变为橙色，黄色LED变为绿色。利用固体的能带理论，研究LED的颜色变化的机理。
（三） PBL教学效果
在实验讨论中掌握一定的半导体知识：
1. LED的应用和性质
2. 半导体的带隙
3. P-N结和N-P结的性质，以及它们与LED的关系
4. 带隙与LED发射光波长的关系
5. 直接带隙和间接带隙的特性
6. Kronig-Penney 模型
问题：
1. 预测一下在低温下LED的颜色将如何变化？
2. 利用Kronig-Penney 模型，研究LED带隙的变化是否仅与晶格相关？
（四） 结束语
传统的教学着重于研究半导体物理的知识框架和结构，这种以问题为中心的教学模式更加卓有成效地让学生主动研究科学现象背后所隐藏的物理问题，以问题为出发点，最终又以问题为学习的目标，这种探索式的学习方式更有利于培养学生的创造能力、自我发现和解决问题的能力。
参考文献：
[1] 牛淑冬，孟庆芳，王月飞.PBL教学法在生理学教学中的应用[J].齐齐哈尔医学院学报2003，24，5.
[2] 李金环，王笑军，王庆勇.PBL教学模式在光学教学中的实践探索[J].物理实验 2015，35，8.
