橙色小球、黃色小球、長度不同的小木棍……這不是學(xué)齡前孩童的手工興趣班，而是清華大學(xué)電子系核心必修課“固體物理基礎(chǔ)”的課堂，學(xué)生們正在制作重要的半導(dǎo)體材料——硅的晶體結(jié)構(gòu)模型。這個看似簡單的結(jié)構(gòu)成為了固體物理諸多內(nèi)容的學(xué)習(xí)起點(diǎn)，它出現(xiàn)在課件上、書本中、學(xué)生們的手里，并于2022年底被影印在《固體物理基礎(chǔ)》的封面上，見證了一部重要教材的誕生。
十年磨一劍，這本由電子系黃翊東教授主編的《固體物理基礎(chǔ)》教材凝聚著她十余年來的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)術(shù)洞察，以循序漸進(jìn)的章節(jié)結(jié)構(gòu)和深入淺出的內(nèi)容講解，成為了學(xué)生們探索固體物理世界的得力助手，并獲評2024年清華大學(xué)優(yōu)秀教材特等獎。
黃翊東拿著硅的晶體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行講解
勾連已有知識，服務(wù)具體教學(xué)
“學(xué)生都是帶著已有知識來到教室的。”黃翊東說。這也成為了她編寫《固體物理基礎(chǔ)》的錨點(diǎn)。呈現(xiàn)完美且完整的理論固然有益，但對于首要任務(wù)是服務(wù)課堂教學(xué)的基礎(chǔ)教材而言，勾連起學(xué)生腦中已有的知識，并在此基礎(chǔ)上幫助其快速形成完整的知識架構(gòu)則更為重要。
黃翊東認(rèn)為，學(xué)習(xí)固體物理最重要的是學(xué)習(xí)世界觀，要“建立起對微觀世界的認(rèn)識方法”。與數(shù)學(xué)不同，物質(zhì)世界是“測不準(zhǔn)”的。能夠在學(xué)生時(shí)代跳出“完美世界”的邏輯框架、接受“近似模型”思維方式，對于學(xué)習(xí)固體物理的學(xué)生們來說尤為重要。同時(shí)，她強(qiáng)調(diào)知識框架的重要性，想要學(xué)生有效把握主要矛盾、高效吸收所學(xué)知識，相比在細(xì)枝末節(jié)上的面面俱到，提煉內(nèi)核、讓學(xué)生掌握知識框架則更為重要。她說：“給學(xué)生一堆樹葉，不如給學(xué)生一個樹干——對于沒有學(xué)到的知識，學(xué)生可以順著框架自學(xué)補(bǔ)全。”
因此，不同于以往的同類教材，2022年底出版的《固體物理基礎(chǔ)》是黃翊東結(jié)合相關(guān)知識背景、為電子信息專業(yè)同學(xué)們“量身定制”的版本，也是對“膨脹的知識量與有限的學(xué)制”這一矛盾的有效平衡。電子系學(xué)生蘇溢華在使用后感慨：“沒有原樣照搬既有的知識，《固體物理基礎(chǔ)》中融入了黃老師對于知識點(diǎn)的理解和思考。”
創(chuàng)新教材結(jié)構(gòu)，顯化宏觀聯(lián)結(jié)
在深刻把握學(xué)科底層邏輯與教育教學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)上，黃翊東在編寫時(shí)進(jìn)行了許多重要創(chuàng)新。電子系學(xué)生陶也說：“在使用教材的過程中，最明顯的感受是‘絲滑’和‘友善’。”
固體物理基礎(chǔ)知識體系
由于固體物理研究的是固體的微觀結(jié)構(gòu)及其組成粒子（原子、離子、電子等）之間相互作用與運(yùn)動規(guī)律，而這些粒子以及準(zhǔn)粒子的運(yùn)動規(guī)律均可以用量子力學(xué)的薛定諤方程來描述和處理。黃翊東以量子力學(xué)中的“薛定諤方程”為線索，串聯(lián)起了整部教材，構(gòu)建起固體物理的知識結(jié)構(gòu)及各個基本概念之間的相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了固體物理知識的體系化與結(jié)構(gòu)化。兄弟院系的一位老師曾評價(jià)，這是“第一次把固體物理后面‘那根筋’找到了”。
此外，黃翊東一方面調(diào)整了內(nèi)容順序，將晶格振動以及熱特性放到電子能帶理論和固體電特性的章節(jié)之后，有利于學(xué)生們對電子運(yùn)動規(guī)律及固體電特性的集中掌握；另一方面，還在第五章單獨(dú)設(shè)立了“固體間接觸的電特性”章節(jié)，匯總了功函數(shù)/接觸電勢/PN結(jié)/MOS等內(nèi)容，以便于學(xué)生們深化對各種界面電特性的理解。將“固體間接觸的電特性”作為獨(dú)立章節(jié)是以往教材中從未出現(xiàn)的設(shè)計(jì)，“所有器件的核心都是界面。”黃翊東說，“有了界面才有結(jié)構(gòu)，有了結(jié)構(gòu)才有器件，所以我會把講界面的部分單獨(dú)拎出來。”
編寫十二載，錦上又添花
提到教材的編寫歷程，黃翊東拿出了六本冊子，不同彩紙簡單包裹著不同版本的講義。藍(lán)色的在這六本里“資歷最老”，封面已經(jīng)被翻得起皺，書脊處是手寫的“固體物理基礎(chǔ)二〇一六版”。隨便翻開一頁，黃翊東都能講出其中用紅筆勾畫過的內(nèi)容，熟悉得仿佛是昨日剛剛標(biāo)注，可右上方有些泛黃的折角又分明顯示著這些標(biāo)記已經(jīng)有了年頭。
從2010年開始講授課程，到2012年開始編寫講義，再到2022年教材的正式出版，黃翊東投入了十?dāng)?shù)年的時(shí)間和精力。她經(jīng)常利用休息時(shí)間一遍一遍整理、一點(diǎn)一點(diǎn)摳細(xì)節(jié)，細(xì)致打磨、精益求精，每一版修訂都凝聚著她對教學(xué)內(nèi)容的深思熟慮。
2016版-2021版講義
每一版教材講義成冊后，黃翊東都會額外保留一本，為下一年的新版本作準(zhǔn)備。她常常是一邊講課，一邊拿筆做批注：這里需要修改一下排版，那里需要補(bǔ)充一道例題……即使是目前已經(jīng)出版的教材版本，也已經(jīng)有了三十多處改進(jìn)批注。這是對教材內(nèi)容的嚴(yán)格要求，也是對教學(xué)質(zhì)量的不懈追求。同行專家肯定了這本教材的創(chuàng)新性和實(shí)用性，認(rèn)為它不僅在內(nèi)容上具有新的探索與突破，更在教學(xué)方法上提供了新的啟示。
正如黃翊東所言，編寫《固體物理基礎(chǔ)》是“建立面向電子信息學(xué)科的固體物理”的一次重要嘗試。新穎的編寫理念、結(jié)構(gòu)化的知識體系以及與教學(xué)實(shí)踐的深度融合，讓這本書成為電子工程教育領(lǐng)域的一次重要創(chuàng)新，為學(xué)生提供了一部質(zhì)量過硬的學(xué)習(xí)材料，也為教師提供了一套行之有效的教學(xué)工具。
