材料物理專(zhuān)業(yè)量子力學(xué)教學(xué)方法探索與實(shí)踐
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摘 要：針對材料物理專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習量子力學(xué)課程所面臨的困難，通過(guò)對近年來(lái)教學(xué)實(shí)踐的總結，從教學(xué)內容、教學(xué)方法和手段進(jìn)行探索和實(shí)踐，調動(dòng)了學(xué)生學(xué)習的積極性和主動(dòng)性，取得了較好的教學(xué)成果。
關(guān)鍵詞：量子力學(xué) 教學(xué)內容 教學(xué)方法
引言：量子力學(xué)是研究微觀(guān)粒子(如原子、分子、原子核和基本粒子等)運動(dòng)規律的物理學(xué)分支學(xué)科，它和相對論是矗立在20世紀之初的兩座科學(xué)豐碑，一起構成了現代物理學(xué)的兩塊理論基石。相對論和量子力學(xué)徹底改變了經(jīng)典物理學(xué)的世界觀(guān)，并且深化了人類(lèi)對自然界的認識，改造了人類(lèi)的宇宙觀(guān)和思想方法，它使人們對物質(zhì)存在的方式及其運動(dòng)形態(tài)等的認識產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍。
量子力學(xué)是材料物理專(zhuān)業(yè)一門(mén)承前啟后的專(zhuān)業(yè)基礎必修課：量子力學(xué)的教學(xué)必須以數學(xué)為基礎，包括線(xiàn)性代數、概率論、高等數學(xué)、數理方法等，其又是后續課程材料科學(xué)基礎、固體物理、材料物理、納米材料等的理論基礎�？梢�(jiàn)，量子力學(xué)課程在材料物理專(zhuān)業(yè)的課程體系中占有非常重要的地位，學(xué)生掌握的程度直接影響后續專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習。作者近年來(lái)一直從事量子力學(xué)的教學(xué)工作，針對量子力學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中存在的現象和問(wèn)題，進(jìn)行了較深入細致的思考與探討，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中對本課程的教學(xué)方法進(jìn)行了探索與實(shí)踐，收到了較好的教學(xué)效果。
1 量子力學(xué)教學(xué)面臨的難點(diǎn)
量子力學(xué)研究的是微觀(guān)粒子的運動(dòng)規律，微觀(guān)粒子同宏觀(guān)粒子不同，看不見(jiàn)，摸不著(zhù)，只有借助于探測器才能察覺(jué)它的存在和屬性。材料物理專(zhuān)業(yè)學(xué)生之前學(xué)習的基本上是經(jīng)典物理，而量子力學(xué)理論無(wú)法用經(jīng)典理論進(jìn)行解釋?zhuān)瑢W(xué)生對此感到難于理解。因此，經(jīng)典物理的傳統觀(guān)念對學(xué)生思想的束縛，構成了學(xué)生學(xué)習量子力學(xué)的思想障礙;量子力學(xué)可以說(shuō)無(wú)處不“數學(xué)”， 由于材料物理專(zhuān)業(yè)學(xué)生在數學(xué)基礎方面與物理專(zhuān)業(yè)學(xué)生相比較為薄弱，在學(xué)習過(guò)程中普遍感到數學(xué)計算繁難，對大段的數學(xué)推導表現出畏難情緒�？梢�(jiàn)，量子力學(xué)對數學(xué)的精彩詮釋卻構成了學(xué)生學(xué)習量子力學(xué)的心理障礙。這兩大障礙勢必會(huì )影響量子力學(xué)和后續課程的學(xué)習。在這種情況下，我們應當怎樣開(kāi)展量子力學(xué)教學(xué)從而使學(xué)生重視并努力學(xué)好該課程就成了一個(gè)嚴峻的挑戰。
2 明確教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)、有的放矢
要講授一門(mén)課程，首先應該對課程內容有一個(gè)清晰的認識。量子力學(xué)的內容可以包括三個(gè)方面：一是介紹產(chǎn)生新概念的歷史背景及一些重要實(shí)驗;二是提出一系列不同于經(jīng)典物理學(xué)的基本概念與原理，如波函數、算符等概念和相關(guān)原理，是該課程的核心;三是給出解決具體實(shí)際問(wèn)題的方法。三部分內容相互聯(lián)系，層層推進(jìn)，形成完整的知識體系。作為引導者，教師應在這三部分內容的教學(xué)過(guò)程中幫助學(xué)生成功地突破兩大束縛。第一部分內容教師應考慮如何引導學(xué)生入門(mén)，從習慣古典概念轉而接受量子概念。在講授這部分內容時(shí)要將重點(diǎn)放在“經(jīng)典”向“量子”的過(guò)渡上，引出量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)在研究方法上的顯著(zhù)不同：經(jīng)典力學(xué)是將其研究對象作為連續的不間斷的整體對待，而量子力學(xué)將其研究對象看成的間斷的、不連續的。學(xué)生在學(xué)習這部分時(shí)應仔細“品嘗”其中的“滋味”，以便啟發(fā)自己的思維自然地產(chǎn)生一個(gè)飛躍，完成思想的突破。第二、三部分是量子力學(xué)學(xué)習的重點(diǎn)與難點(diǎn)，并且涉及大量的數學(xué)推導，教師應采取適當的教學(xué)手段，突出重點(diǎn)，強調難點(diǎn)。在物理學(xué)研究中，數學(xué)只是用來(lái)表達物理思想并在此基礎上進(jìn)行邏輯演算的工具，不能將物理內容淹沒(méi)在復雜的數學(xué)形式當中。通過(guò)數學(xué)推導才能得到的結論，只需告訴學(xué)生，從數學(xué)上可以得到這樣的結果就可以了，無(wú)需將重點(diǎn)放在繁難的數學(xué)推導上，否則會(huì )使學(xué)生本末倒置，忽略了對量子力學(xué)思想的理解。這樣的教學(xué)可以幫助學(xué)生突破心理障礙，不會(huì )一提量子力學(xué)就想到復雜的數學(xué)推導，從而產(chǎn)生抵觸情緒。成功地突破這兩大障礙，是學(xué)習量子力學(xué)的關(guān)鍵。
3 教學(xué)方法的改革
3.1 利用現代技術(shù)改進(jìn)教學(xué)手段
傳統的板書(shū)教學(xué)能夠形成系統性的知識框架，教師在板書(shū)推導的過(guò)程中，學(xué)生有時(shí)間反應和思考，緊跟教師的思路，從而可以詳細、循序漸進(jìn)地吸收所學(xué)知識，并培養了良好的思維習慣。但全程板書(shū)會(huì )導致上課節奏慢，授課內容有限。目前隨著(zhù)高校教學(xué)改革的推進(jìn)，授課學(xué)時(shí)相繼減少，對于傳統教學(xué)方式來(lái)講，要完成教學(xué)任務(wù)比較困難。這就要借助現代科技手段進(jìn)行教學(xué)改革，包括多媒體課件的使用和網(wǎng)絡(luò )教學(xué)。但是在量子力學(xué)教學(xué)中，一些繁雜公式的推導，如果使用多媒體課件，節奏會(huì )較快，導致學(xué)生目不暇接，來(lái)不及做筆記，更來(lái)不及思考，不利于講授內容的消化吸收。鑒于此，對于量子力學(xué)課程，教學(xué)過(guò)程應采用板書(shū)和多媒體技術(shù)相結合的方式，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習積極性。
3.2 建設習題庫
量子力學(xué)課程理論抽象，要深入理解這些理論，在熟練掌握教材基本知識的基礎上，需要通過(guò)大量習題的演練，循序漸近，才能檢驗自己理解的程度，真正學(xué)好這門(mén)課程。因此在教學(xué)過(guò)程中，強調做習題的重要性。有針對性地根據材料物理專(zhuān)業(yè)量子力學(xué)的教學(xué)大綱和教學(xué)內容，參考多本量子力學(xué)教材和習題集，利用計算機技術(shù)建設量子力學(xué)習題庫，題型包括選擇、填空、證明、簡(jiǎn)答和計算題等，內容涵蓋各知識點(diǎn)，從簡(jiǎn)到繁、由淺至深。題庫操作方便，學(xué)生可自行操作，并對所做結果進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查，從而清楚自己掌握本課程的程度。這一方式在近幾年的教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。
3.3 加強與學(xué)生互動(dòng)，調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習積極性
教學(xué)是一個(gè)師生互動(dòng)的過(guò)程，應讓學(xué)生始終處于主動(dòng)學(xué)習的位置而不是被動(dòng)的接受。量子力學(xué)課程的學(xué)習更應積極調動(dòng)學(xué)生的積極性，因此教師應在教學(xué)過(guò)程中加強與學(xué)生的互動(dòng)。增設課前提問(wèn)、課后討論環(huán)節，認真批改作業(yè)，積極發(fā)現學(xué)生學(xué)習過(guò)程中存在的問(wèn)題，并及時(shí)對問(wèn)題進(jìn)行深入講解，解決問(wèn)題。另外，由于量子力學(xué)是建立在一系列基本假定基礎之上的，抽象難懂，鑒于學(xué)生難接受的情況，在授課時(shí)注意理論聯(lián)系實(shí)際，盡可能進(jìn)行知識的滲透和遷移，將量子力學(xué)在實(shí)際中的應用穿插于教學(xué)之中，豐富教學(xué)內容，開(kāi)拓學(xué)生視野，從而調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習興趣和積極性。
4 結語(yǔ)
通過(guò)近年來(lái)教學(xué)經(jīng)驗的總結和探索，形成了一套適合材料物理專(zhuān)業(yè)量子力學(xué)課程教學(xué)的方法，該方法教學(xué)效果良好。在近幾年的研究生入學(xué)考試中，學(xué)生量子力學(xué)課程的成績(jì)優(yōu)秀，說(shuō)明采用這樣的教學(xué)方法是成功的。
參考文獻
[1] 曾心愉,裴文杰,宋宇辰,量子力學(xué)及其學(xué)習方法――獻給自學(xué)量子力學(xué)的人們[J].大學(xué)物理,1993(12):42,47.
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