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關(guān)于工科物理專(zhuān)業(yè)“量子力學(xué)”教學(xué)改革探析
論文摘要：針對鄭州輕工業(yè)學(xué)院量子力學(xué)教學(xué)現狀，結合“量子力學(xué)”的課程特點(diǎn)，立足于提高學(xué)生學(xué)習積極性和培養學(xué)生科學(xué)探索精神及創(chuàng )新能力，簡(jiǎn)要介紹了近年來(lái)在教學(xué)內容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和考核方法等方面進(jìn)行的一些改革嘗試。
論文關(guān)鍵詞：量子力學(xué);教學(xué)改革;物理思想
“量子力學(xué)”是20世紀物理學(xué)對科學(xué)研究和人類(lèi)文明進(jìn)步的兩大標志性貢獻之一，已經(jīng)成為物理學(xué)專(zhuān)業(yè)及部分工科專(zhuān)業(yè)最重要的基礎課程之一，是學(xué)習“固體物理”、“材料科學(xué)”、“材料物理與化學(xué)”和“激光原理”等課程的重要基礎。通過(guò)這門(mén)課程的學(xué)習，學(xué)生能熟練掌握量子力學(xué)的基本概念和基本理論，具備利用量子力學(xué)理論分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。同時(shí)，這門(mén)課程對培養學(xué)生的探索精神和創(chuàng )新意識及科學(xué)素養亦具有十分重要的意義。然而，“量子力學(xué)”本身是一門(mén)非常抽象的課程，眾多學(xué)生談“量子”色變，教學(xué)效果可想而知。如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習本課程的熱情，充分調動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，提高量子力學(xué)的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，已經(jīng)成為擺在教師面前的重要課題。近年來(lái)，筆者在借鑒前人經(jīng)驗的基礎上，結合鄭州輕工業(yè)學(xué)院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我校”)教學(xué)實(shí)際，在“量子力學(xué)”的教學(xué)內容和教學(xué)方法方面做了一些有益的改革嘗試，取得了較好的效果。
一、“量子力學(xué)”教學(xué)內容的改革
量子力學(xué)理論與學(xué)生長(cháng)期以來(lái)接觸到的經(jīng)典物理體系相去甚遠，尤其是處理問(wèn)題的思路和手段與經(jīng)典物理截然不同，但它們之間又不無(wú)關(guān)聯(lián)，許多量子力學(xué)中的基本概念和基本理論是類(lèi)比經(jīng)典物理中的相關(guān)內容得出的。因此，在“量子力學(xué)”教學(xué)中，一方面需要學(xué)生摒棄在經(jīng)典物理學(xué)習中形成的固有觀(guān)念和認識，另一方面在學(xué)習某些基本概念和基本理論時(shí)又要求學(xué)生建立起與經(jīng)典物理之間的聯(lián)系以形成較為直觀(guān)的物理圖像，這種思維上的沖突導致學(xué)生在學(xué)習這門(mén)課程時(shí)困惑不堪。此外，這門(mén)課程理論性較強，眾多學(xué)生陷于煩瑣的數學(xué)推導之中，導致學(xué)習興趣缺失。針對以上教學(xué)中發(fā)現的問(wèn)題，筆者對“量子力學(xué)”課程的教學(xué)內容作了一些有益的調整。
1.理清脈絡(luò )，強化知識背景
從經(jīng)典物理所面臨的困難出發(fā)，到半經(jīng)典半量子理論的形成，最終到量子理論的建立，對量子力學(xué)的發(fā)展脈絡(luò )進(jìn)行細致的、實(shí)事求是的分析，特別是對量子理論早期的概念發(fā)展有一個(gè)準確清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已經(jīng)證明為正確并得到公認的，還存在哪些不完善的地方。這樣一方面可使學(xué)生對量子力學(xué)中基本概念和基本理論的形成和建立的科學(xué)歷史背景有一深刻了解，有助于學(xué)生理清經(jīng)典物理與量子理論之間的界限和區別，加深他們對這些基本概念和基本理論的理解;另一方面，可使學(xué)生對蘊藏在這一歷程中的智慧火花和科學(xué)思維方法有一全面的了解，有助于培養學(xué)生的創(chuàng )新意識及科學(xué)素養。比如：對于玻爾理論，由于對量子化假設很難用已經(jīng)成形的經(jīng)典理論來(lái)解釋?zhuān)瑢W(xué)生往往會(huì )覺(jué)得不可思議，難以理解。為此，在講解這部分內容時(shí)，很有必要介紹一下玻爾理論產(chǎn)生的歷史背景，告訴學(xué)生在玻爾的量子化假設之前就已經(jīng)出現了普朗克的量子論和愛(ài)因斯坦的光量子概念，且大量關(guān)于原子光譜的實(shí)驗數據也已經(jīng)被掌握，之前盧瑟福提出的簡(jiǎn)單行星模型卻與經(jīng)典物理理論及實(shí)驗事實(shí)存在嚴重背離。為了解決這些問(wèn)題，玻爾理論才應運而生。在用量子力學(xué)求解氫原子定態(tài)波函數時(shí)，還可以通過(guò)定態(tài)波函數的概率分布圖，向學(xué)生介紹所謂的玻爾軌道并不是真實(shí)存在的，只是電子出現幾率比較大的區域。通過(guò)這樣講述，學(xué)生可以清晰地體會(huì )到玻爾理論的承上啟下的作用，而又不至于將其與量子力學(xué)中的概念混為一談。
2.重在物理思想，壓縮數學(xué)推導
在物理學(xué)研究中，數學(xué)只是用來(lái)表述物理思想并在此基礎上進(jìn)行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒(méi)在復雜的數學(xué)形式之中。因此，在教學(xué)過(guò)程中，教師要著(zhù)重于加強基本概念和基本理論的講授，把握這些概念和理論中所蘊含的物理實(shí)質(zhì)。對一些涉及繁難數學(xué)推導的內容，在教學(xué)中刻意忽略具體數學(xué)推導過(guò)程，著(zhù)重于使學(xué)生掌握其中的思想方法。例如：在一維線(xiàn)性諧振子問(wèn)題的教學(xué)中，對于數學(xué)方面的問(wèn)題，只要求學(xué)生能正確寫(xiě)出薛定諤方程、記住其結論即可，重點(diǎn)放在該類(lèi)問(wèn)題所蘊含的物理意義及對現成結論的應用上。這樣，學(xué)生就不會(huì )感到枯燥無(wú)味，而能始終保持較高的學(xué)習熱情。
二、教學(xué)方法改革
傳統的“填鴨式”教學(xué)法把課堂變成了教師的“一言堂”，使得學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中始終處于被動(dòng)接受地位，極大地壓制了學(xué)生學(xué)習的主觀(guān)能動(dòng)性，十分不利于知識的獲取以及對學(xué)生創(chuàng )新能力及科學(xué)思維的培養。而且，“量子力學(xué)”這門(mén)課程本身實(shí)驗基礎薄弱、理論性較強，物理圖像不夠直觀(guān)，一味采取灌輸式教學(xué)，學(xué)生勢必感到枯燥，甚至厭煩。長(cháng)期以往，學(xué)習積極性必然受挫，學(xué)習效果自然大打折扣。為了提高學(xué)生學(xué)習興趣，激發(fā)其學(xué)習的積極性，培養其科學(xué)探索精神及創(chuàng )新能力，筆者在教學(xué)方法上進(jìn)行了一些有益的探索。
1.發(fā)揮學(xué)生主體作用
除卻必要的教學(xué)內容講解外，每節課都留出一定的師生互動(dòng)時(shí)間。教師通過(guò)創(chuàng )設問(wèn)題情景，引導學(xué)生進(jìn)行研究討論，或者針對已講授內容，使學(xué)生對已學(xué)內容進(jìn)行復習、總結、辨析，以加深理解;或者針對未講授內容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習新知識的興趣(比如，在講授完一維無(wú)限深方勢阱和一維線(xiàn)性諧振子這兩個(gè)典型的束縛態(tài)問(wèn)題后就可引導學(xué)生思考“非束縛態(tài)下微觀(guān)粒子又將表現出什么樣的行為”)，這樣學(xué)生就會(huì )積極地預習下節內容;或者選擇一些有代表性的習題，讓學(xué)生提出不同的解決辦法，培養學(xué)生的創(chuàng )新能力。對于在課堂上不能解決的問(wèn)題，積極鼓勵學(xué)生利用圖書(shū)館及網(wǎng)絡(luò )資源等尋求解決，培養學(xué)生的科學(xué)探索精神。此外，還可使學(xué)生自由組合，挑選他們感興趣的與課程有關(guān)的題目進(jìn)行討論、調研并完成小組論文，這一方面激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習積極性，另一方面使其接受初步的科研訓練，一舉兩得。
2.注重構建物理圖像
在實(shí)際教學(xué)中著(zhù)重注意物理圖像的構建，使學(xué)生對一些難以理解的概念和理論形成較為直觀(guān)的印象，從而形成深刻的記憶和理解。例如：借助電子束衍射實(shí)驗，通過(guò)三個(gè)不同的實(shí)驗過(guò)程(強電子束、弱電子束及弱電子束長(cháng)時(shí)間曝光)，即可為實(shí)物粒子的波粒二象性構建出一幅清晰的物理圖像;借助電子束衍射實(shí)驗圖像，再以光波類(lèi)比電子波，即可凝練出波函數的統計解釋;借助電子雙縫衍射實(shí)驗圖像，可使學(xué)生更易接受和理解態(tài)疊加原理;借助解析幾何中的坐標系，可很好地為學(xué)生建立起表象的物理圖像。盡管這其中光波和電子波、坐標系和表象這些概念之間有本質(zhì)上的區別，但借助這些學(xué)生已經(jīng)熟知和深刻理解的概念，可使學(xué)生非常容易地接受和理解量子力學(xué)中難以言明的概念和理論，同時(shí)，也可使學(xué)生掌握這種物理圖像的構建能力，對培養學(xué)生的創(chuàng )新思維具有非常積極地作用。
三、教學(xué)手段和考核方式改革
1.課程教學(xué)采用多種先進(jìn)的教學(xué)方式
如安排小組討論課，對難于理解的概念和規律進(jìn)行討論。先是各小組內討論，再是小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀(guān)點(diǎn)進(jìn)行評述和指正。例如，在講到微觀(guān)粒子的波函數時(shí)，有的學(xué)生認為是全部粒子組成波函數，有的學(xué)生認為是經(jīng)典物理學(xué)的波。這些問(wèn)題的討論激發(fā)了學(xué)生的求知欲望，從而進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生對一些不易理解的概念和量子原理進(jìn)行深入理解，直至最后充分理解這些內容。另外課程作業(yè)布置小論文，邀請國內外專(zhuān)家開(kāi)展系列量子力學(xué)講座等都是不錯的方式。
2.堅持研究型教學(xué)方式
把課程教學(xué)和科研相結合，在教學(xué)過(guò)程中針對教學(xué)內容，吸取科研中的研究成果，通過(guò)結合最新的科研動(dòng)態(tài)，向學(xué)生講授在相關(guān)領(lǐng)域的應用以培養學(xué)生學(xué)習興趣。在量子力學(xué)誕生后，作為現代物理學(xué)的兩大支柱之一的現代物理學(xué)的每一個(gè)分支及相關(guān)的邊緣學(xué)科都離不開(kāi)量子力學(xué)這個(gè)基礎，量子理論與其他學(xué)科的交叉越來(lái)越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚態(tài)物理到中子星、黑洞各個(gè)層次的研究以量子力學(xué)為基礎;量子力學(xué)在通信和納米技術(shù)中的應用;量子理論在生物學(xué)中的應用;量子力學(xué)與正在研究的量子計算機的關(guān)系等，在教學(xué)中適當地穿插這些知識，擴大學(xué)生的知識面，消除學(xué)生對量子力學(xué)的片面認識，提高學(xué)生學(xué)習興趣和主動(dòng)性。
3.利用量子力學(xué)課程將人文教育與專(zhuān)業(yè)教學(xué)相結合
量子力學(xué)從誕生到發(fā)展的物理學(xué)史所包含的創(chuàng )新思維是迄今為止哪一門(mén)學(xué)科都難以比擬的。在19世紀末至20世紀初，經(jīng)典物理學(xué)晴空萬(wàn)里，然而黑體輻射、光電效應、原子光譜等物理現象的實(shí)驗結果嚴重沖擊經(jīng)典物理學(xué)理論，讓經(jīng)典物理學(xué)陷入危機四伏的境地。1900年，德國物理學(xué)家普朗克創(chuàng )造性地引入了能量子的概念，成功地解釋了黑體輻射現象，量子概念誕生。1905年，愛(ài)因斯坦進(jìn)一步完善了量子化觀(guān)念，指出能量不僅在吸收和輻射時(shí)是不連續的(普朗克假設)，而且在物質(zhì)相互作用中也是不連續的。1913年，玻爾將量子化概念引入到原子中，成功解釋了有近30年歷史的巴爾末經(jīng)驗光譜公式。泡利突破玻爾半經(jīng)典、半量子論的局限，給予了令玻爾理論不安的反常塞曼效應以合理解釋。1924年，德布羅意突破普朗克能量子觀(guān)念提出微觀(guān)粒子具有波粒二象性，開(kāi)始與經(jīng)典理論分庭抗禮。和學(xué)生一起重溫量子力學(xué)史的發(fā)展之路，在教學(xué)過(guò)程中展現量子力學(xué)數學(xué)形式之美，使學(xué)生在科學(xué)海洋中得到美的享受，從精神上熏陶他們的創(chuàng )新精神。
4.考試方式改革
在本課程的教學(xué)中采用了教考分離，通過(guò)小考題的形式復習章節內容，根據學(xué)生的實(shí)際水平適當輔導答疑，注重學(xué)生對量子力學(xué)基礎知識理解的考核。對于評價(jià)系統的建立，其中平時(shí)成績(jì)(包括作業(yè)、討論、綜合表現等)占30%，期末考試占70%。從實(shí)施的效果來(lái)看，督促了學(xué)生的學(xué)習，收到了較好的效果，受到學(xué)生的歡迎。
四、結論
通過(guò)近年來(lái)的改革嘗試，我校的“量子力學(xué)”教學(xué)水平穩步提高，加速了專(zhuān)業(yè)建設。2009年，我校“量子力學(xué)”被評為校級精品課程，教學(xué)改革成果初現。然而，關(guān)于這門(mén)課程的教學(xué)仍存在不少問(wèn)題，如教學(xué)手段單一、與生產(chǎn)實(shí)踐結合不夠緊密等等，這些都需要教師在今后教學(xué)中進(jìn)一步改進(jìn)。
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