摘要：通过引入实践驱动的教学方法，学生积极参与实验设计、数据采集和分析，从而深化对固体物理理论的理解。在课堂中，教师注重激发学生的创造力和独立思考能力，鼓励他们提出问题并寻找解决方案。同时，结合现代技术手段，如虚拟实验平台工具，加强实验教学的趣味性和互动性，提升学生的学习体验。本文介绍了虚拟实验平台在《固体物理》课程授课中的应用及其对教学的帮助。通过分析虚拟实验平台工具在实践教学中的作用，探讨了这些新技术手段在提升学生学习效果、激发兴趣和培养实验设计能力方面的积极影响。结合具体案例和教学实践，论文阐述了虚拟实验平台的优势，并提出了在《固体物理》课程中进一步推广和应用的建议。经过一段时间的实践，通过这种教学模式能够有效激发学生的学习兴趣，培养其实验设计和解决问题的能力，为其今后的科学研究和创新奠定坚实基础。

关键词：虚拟实验平台；固体物理；实践教学；教学改革

固体物理是对固体材料性质和行为进行研究的物理学分支，对现代科学和技术的发展具有重要意义。通过研究固体材料的结构、晶体缺陷、电子结构、热学性质和机械性能等，固体物理为材料科学和工程提供了基础，并为新材料的开发、现有材料性能的改进以及先进材料和器件的设计与制造提供了重要支持。传统的《固体物理》课程教学主要以理论知识为主，缺乏实践操作环节[1-2]。为了弥补这一不足，引入虚拟实验平台工具成为一种重要的教学手段。通过虚拟实验平台，学生可以进行晶格结构模拟、电子能带结构模拟、磁性材料模拟等实验，从而更直观地理解固体物理理论知识。这种教学方式不仅帮助学生将理论知识应用到实际情境中，还培养了他们的实验设计和数据分析能力。此外，固体物理的研究揭示了半导体中电子的能带结构、载流子行为、电子迁移和场效应等原理，为半导体器件的设计、制造和优化提供了理论依据。同时，固体物理还探索了固体材料中的相变、磁性、超导性、光学性质等现象，从而有助于理解物质的基本性质和相互作用。这些知识为新材料的发现和功能材料的设计提供了理论指导，例如拓扑绝缘体和量子材料。因此，固体物理推动了材料创新、器件设计和物理理论的发展，对解决能源、信息技术和材料科学等重大挑战具有重要意义[3]。虚拟实验平台工具在《固体物理》课程中的应用将带来诸多益处，有助于提升学生的学习效果和教学质量。

1教育形势分析与革新方向

在《固体物理》课程的教学过程中，我们发现学生普遍反映出课程“学不好、学不会”等问题。具体表现如下几个方面的“痛点”：一是大部分学生对晶体结构的空间想象力较弱，导致对晶体结构的学习非常吃力。而晶体的结构是本课程后续讨论的基础，因此扎实掌握晶体结构的相关内容是学好整个课程的关键[4-5]。为了解决这个问题，我们将注重培养学生的空间想象力。通过直观的示例和实践操作，帮助他们更好地理解和掌握晶体结构的相关知识。可以引入一些具体的实验和模拟实践，让学生亲自动手去观察和操作，从而加深他们对晶体结构的理解。二是课程内容较难，导致课堂教学以老师讲解为主，学生参与度较低。意识到这个问题，可以采取一系列教学改革措施来提高学生的参与度。其中一个创新的方法是引入翻转课堂的教学模式。在课前，学生通过预习材料和视频等方式学习相关知识；在课堂上，我们将进行互动式的讨论和实验设计，鼓励学生积极参与，提出问题和解决问题，使课堂更具互动性和趣味性。三是学生对练习和作业的反思不够，做错的问题仍然不会。为了解决这个问题，可以建立更完善的考核评价机制。除了正式考试外，我们还将加强平时作业和实验报告的评价，及时给予学生反馈。同时，也可以鼓励学生在错题集和作业反思中及时发现并纠正错误，从而更好地巩固所学知识，提升学习效果。四是课程思政内容与教学内容结合度较低，思政元素融入生硬，无法真正起到课程思政效果。我们意识到这个问题，并将更好地结合课程思政内容与教学内容，可以通过案例分析、讨论和实践等方式，使思政元素融入教学中，发挥积极引导和激励学生的作用[6]。让学生认识到固体物理领域的科学精神和伦理道德要求，培养他们的社会责任感和追求卓越的品质。

通过在《固体物理》课程中引入实践教学模式的改革创新，能够帮助学生克服晶体结构等难点问题，提高学习效果和学习兴趣。通过让学生亲身参与实验和操作，培养其实践能力和创新精神，将为他们未来的科研和职业发展奠定坚实基础。实践教学模式的改革创新包括以下几个方面：实验设计：我们将设计一系列针对固体物理领域的实验，涵盖晶体结构、电子结构、磁性等方面。通过这些实验，学生将亲身感受和探索固体物理现象，加深对理论知识的理解。模拟实践：借助虚拟实验平台或计算机模拟软件，让学生进行虚拟实验操作，观察并分析实验结果，从而加深对固体物理原理的认识。实践探究：鼓励学生在固体物理领域自主提出小型研究课题，进行实际探究和实验，培养其独立思考和创新能力。通过这些改革和创新，期望学生不仅能够更好地掌握固体物理理论知识，还能够培养实践能力和创新精神，为未来的科研和职业发展打下坚实基础。同时，这也将激发学生对固体物理领域的浓厚兴趣，促进其长期的学习动力和发展潜力。

2 虚拟实验平台在固体物理中的实施策略

2.1 在教学组织活动中融入虚拟实验平台的优势

虚拟实验平台提高教学效果和学习效率方面：‌首先，‌虚拟实验平台通过模拟真实实验环境，‌提供了灵活的教学环境。‌例如，‌在《‌固体物理》‌课程中，‌通过引入虚拟现实可视化技术，‌可以构建交互式的三维虚拟教学模型，‌应用于晶体结构、‌能带理论和电子结构等教学内容中。‌这种技术有效降低了学生的学习难度，‌提高了教学效果。

其次，‌虚拟实验平台能够提供安全的实验环境，‌避免学生在实际操作中可能遇到的安全风险：‌在传统的实验室环境中，‌学生可能会面临化学品溅泼、‌电气事故等安全隐患。‌而虚拟实验平台提供了一个安全的实验环境，‌学生在虚拟环境中进行实验时不存在实际的安全风险，‌能够有效保障学生的人身安全。‌此外，‌虚拟实验平台还提供了反复实验操作的机会，‌增强了学生的实验技能。‌通过虚拟实验平台进行实验操作，‌学生可以充分练习实验技能，‌掌握实验方法和操作步骤。‌在虚拟环境中，‌学生可以反复进行实验操作，‌并通过结果分析和数据处理来进一步提高实验技能。‌综上所述，‌虚拟实验平台通过提供灵活的教学环境、‌安全的实验条件以及反复练习的机会，‌有效提高了固体物理课程的教学效果和学习效率。

2.2 融入虚拟实验平台的教学流程

虚拟实验平台是一种基于计算机技术的教学工具，它利用模拟环境和交互式界面来模拟实际实验场景，帮助学生进行实验操作和数据收集。其主要作用包括提供安全、经济、可重复进行的实验环境，帮助学生理解实验原理，培养实验操作技能，促进科学研究和教学方法的创新等。使用虚拟实验平台进行学习通常分为几个阶段：

实践操作阶段：学生登录虚拟实验平台，选择晶体结构学习模块。使用虚拟实验平台进行晶体结构的观察和实践操作，例如通过旋转晶格或改变晶格参数来观察晶体的外形与结构。记录观察到的晶体结构相关数据，并导出结果以备后续分析使用。

数据分析与讨论阶段：学生利用虚拟实验平台导出的数据进行分析，比如观察晶格常数对晶体性质的影响。小组讨论晶体结构的特征和性质，共同探讨数据分析结果，并尝试总结规律。老师指导学生分析数据，引导他们发现晶体结构的规律和特点，促进深入思考。

总结与展示阶段：学生撰写晶体结构学习报告，包括使用虚拟实验平台的体会和结果。

通过虚拟实验平台展示他们观察到的晶体结构，分享和交流学习成果。老师进行评价和总结，引导学生对实践过程和学习内容进行反思，鼓励深入扩写和改进，具体思路流程如图1所示。这样的教学流程将有助于学生通过虚拟实验平台深入理解晶体结构的特点和规律，增强他们的实际操作能力和数据分析能力。同时，学生可以通过展示学习成果来加深对所学知识的理解和应用。

3 教学过程设计

3.1 电子能带结构模拟

教师（知识讲授）：在本节课的开始，教师将通过多媒体展示和互动讨论来引入电子能带结构的基本概念[7]。教师首先详细介绍导带和禁带的定义，接下来，教师会解释金属、半导体和绝缘体之间的根本区别，通过这些概念的讲解，学生将建立起对电子能带结构的初步理解，为后续实验做好准备。

实验引导：在知识讲授结束后，教师将引导学生使用虚拟实验平台进行电子能带结构的模拟。教师会逐步演示以下操作步骤：（1）访问虚拟实验平台：指导学生登录并熟悉平台界面。（2）选择材料类型：让学生选择不同类型的材料，包括金属、半导体和绝缘体，帮助他们理解每种材料的特性。（3）设置参数：教师将展示如何调整不同的实验参数，如温度（从室温到高温）和掺杂浓度（如0%、1%、5% N型或P型掺杂）。观察结果：引导学生注意观察能带结构的变化，例如禁带宽度的变化及导带位置的变化（图2）。

学生（实验操作）：在教师的指导下，学生将亲自进行实验操作，体验实际的科学研究过程。（1）选择不同材料（2）设置相关参数（3）数据记录。

学生学习点：通过本次教学过程，学生将在以下几个方面获得提升和收获：（1）理解导带和禁带形态变化的影响。（2）比较不同类型材料的电子特性。（3）培养科学探究能力。（4）形成理论与实践的结合。

3.2 磁性材料模拟

教师（基础知识讲解）：教师首先对磁性材料的基本概念进行讲解，定义铁磁性、反铁磁性和顺磁性，并通过实例说明它们在实际应用中的重要性。例如，铁磁材料用于电机，而顺磁材料在医疗成像中有所应用。

实验指导：随后，教师指导学生如何使用虚拟实验平台，演示如何选择不同的磁性材料以及施加外部磁场。教师尤其强调观察磁矩变化的重要性，引导学生关注不同材料在外部磁场作用下的响应。

学生（模拟实验）：学生根据教师的指导，选择不同的磁性材料（如铁、锰氧化物和铝），施加外部磁场并观察磁矩的变化（图3）。

数据分析：完成实验后，学生将记录所观察到的磁矩变化，并进行讨论。通过比较不同材料在磁场下的行为，学生可以深入理解背后的物理原理，如自旋对齐和相互抵消等现象，从而加深对磁性材料特性的认识。

3.3 材料断裂模拟

教师（理论讲解）：讲解材料强度与韧性的定义，以及晶体缺陷对性能的影响。

实验演示：展示如何在虚拟平台上模拟材料的断裂过程。

学生（参与实验）：选择不同材料，并施加外力进行断裂模拟。

结果记录与分析：观察断裂过程及路径，记录不同晶体结构下的表现。

使用虚拟平台模拟有限元分析（FEA）软件：如ANSYS或COMSOL，可以用来精确模拟材料断裂过程[8]。

分子动力学模拟：软件如LAMMPS可用于研究材料的原子级行为。

可视化工具：如Paraview或Matplotlib，用于展示模拟结果。

使用这些工具，可以创建更复杂和详细的模型，以便深入理解材料的断裂机制。

学生学习点：通过观察断裂过程，加深对材料力学性能的理解。理解不同晶体结构的优劣势，以及它们在实际工程中的应用。

4、结束语

虚拟实验平台在固体物理的实践教学中展现了其独特的优势，不仅极大地提高了学生的学习兴趣和参与度，还提供了一个安全且灵活的环境，使学生能够深入探索复杂的物理概念。通过模拟实验，学生不仅能够直观地理解材料的电子能带结构、磁性行为等基本原理，还能够进行自主的观察与分析，这种互动式学习方式有效促进了知识的内化和应用。此外，虚拟实验平台为教学资源的共享与更新创造了条件，使得教师能够根据课程需求不断优化实验内容，从而提升教学质量。未来，随着技术的进一步发展，虚拟实验将有望成为固体物理教育中不可或缺的一部分，为培养更多优秀的科学人才奠定坚实的基础。

参考文献

[1]梅显秀.固体物理教学改革的探索与实践[J].大学物理，2010，（29）：42-45.

[2]耿霞，刘建华，李文杰，等.问题导向式教学法应用研究[J].中国教育技术装备，2018，（10）：77-80.

[3]黄昆.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1988.

[4]赵承祥， 杨虎. 教育新形势下对固体物理教学的思考[J].当代教育实践与教学研究，2019（19）：45-46.

[5]石薇，许广智，李一杰，等.闭环式教学模式在《固体物理》中的实践和探索[J].物理通报， 2022（6）：29-32.

[6]牛东红，汪桂玲，张宇峰，徐灿. 基于新时代背景下的课程思政教学改革研究 [J]. 教育教学论坛，2020（35）：50-51.

[7]陈志远，熊钢，易伟松.多媒体技术应用于固体物理教学的探讨[J].咸宁师专学报，2002（06）：53-55.

[8]苏欣，高峰.Materials Studio软件在固体物理教与学中的应用[J].伊犁师范学院学报（自然科学版），2018（12）：85-88.

项目信息：辽宁大学本科教学改革研究项目，“实践驱动下固体物理探索与创新：基于新一代科学实验教学模式”项目编号：JG2023PTXM08。

作者简介：杨艳秋（1994.04—），女，汉族，辽宁省沈阳人，博士，讲师，物理学院教师。

主要研究方向：光学。

*通讯作者：宋朋