材料物理專業(yè)量子力學(xué)教學(xué)方法

　　材料物理專業(yè)量子力學(xué)教學(xué)方法【1】

　　摘 要 針對(duì)材料物理專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)課程所面臨的困難，通過對(duì)近年來教學(xué)實(shí)踐的總結(jié)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段進(jìn)行探索和實(shí)踐，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)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(nèi)容 教學(xué)方法

　　0 引言

　　量子力學(xué)是研究微觀粒子(如原子、分子、原子核和基本粒子等)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科，它和相對(duì)論是矗立在20世紀(jì)之初的兩座科學(xué)豐碑，一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的兩塊理論基石。

　　相對(duì)論和量子力學(xué)徹底改變了經(jīng)典物理學(xué)的世界觀，并且深化了人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)，改造了人類的宇宙觀和思想方法，它使人們對(duì)物質(zhì)存在的方式及其運(yùn)動(dòng)形態(tài)等的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍。

　　量子力學(xué)是材料物理專業(yè)一門承前啟后的專業(yè)基礎(chǔ)必修課：量子力學(xué)的教學(xué)必須以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，包括線性代數(shù)、概率論、高等數(shù)學(xué)、數(shù)理方法等，其又是后續(xù)課程材料科學(xué)基礎(chǔ)、固體物理、材料物理、納米材料等的理論基礎(chǔ)。

　　可見，量子力學(xué)課程在材料物理專業(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(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。

　　作者近年來一直從事量子力學(xué)的教學(xué)工作，針對(duì)量子力學(xué)課程教學(xué)過程中存在的現(xiàn)象和問題，進(jìn)行了較深入細(xì)致的思考與探討，在實(shí)際教學(xué)過程中對(duì)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)研究的是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，微觀粒子同宏觀粒子不同，看不見，摸不著，只有借助于探測(cè)器才能察覺它的存在和屬性。

　　材料物理專業(yè)學(xué)生之前學(xué)習(xí)的基本上是經(jīng)典物理，而量子力學(xué)理論無法用經(jīng)典理論進(jìn)行解釋，學(xué)生對(duì)此感到難于理解。

　　因此，經(jīng)典物理的傳統(tǒng)觀念對(duì)學(xué)生思想的束縛，構(gòu)成了學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的思想障礙;量子力學(xué)可以說無處不“數(shù)學(xué)”， 由于材料物理專業(yè)學(xué)生在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)方面與物理專業(yè)學(xué)生相比較為薄弱，在學(xué)習(xí)過程中普遍感到數(shù)學(xué)計(jì)算繁難，對(duì)大段的數(shù)學(xué)推導(dǎo)表現(xiàn)出畏難情緒。

　　可見，量子力學(xué)對(duì)數(shù)學(xué)的精彩詮釋卻構(gòu)成了學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的心理障礙。

　　這兩大障礙勢(shì)必會(huì)影響量子力學(xué)和后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。

　　在這種情況下，我們應(yīng)當(dāng)怎樣開展量子力學(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(yán)峻的挑戰(zhàn)。

　　2 明確教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)、有的放矢

　　要講授一門課程，首先應(yīng)該對(duì)課程內(nèi)容有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。

　　量子力學(xué)的內(nèi)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(yàn);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(shù)、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)際問題的方法。

　　三部分內(nèi)容相互聯(lián)系，層層推進(jìn)，形成完整的知識(shí)體系。

　　作為引導(dǎo)者，教師應(yīng)在這三部分內(nèi)容的教學(xué)過程中幫助學(xué)生成功地突破兩大束縛。

　　第一部分內(nèi)容教師應(yīng)考慮如何引導(dǎo)學(xué)生入門，從習(xí)慣古典概念轉(zhuǎn)而接受量子概念。

　　在講授這部分內(nèi)容時(shí)要將重點(diǎn)放在“經(jīng)典”向“量子”的過渡上，引出量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)在研究方法上的顯著不同：經(jīng)典力學(xué)是將其研究對(duì)象作為連續(xù)的不間斷的整體對(duì)待，而量子力學(xué)將其研究對(duì)象看成的間斷的、不連續(xù)的。

　　學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分時(shí)應(yīng)仔細(xì)“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(xí)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，并且涉及大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，教師應(yīng)采取適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段，突出重點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)難點(diǎn)。

　　在物理學(xué)研究中，數(shù)學(xué)只是用來表達(dá)物理思想并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯演算的工具，不能將物理內(nèi)容淹沒在復(fù)雜的數(shù)學(xué)形式當(dāng)中。

　　通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)才能得到的結(jié)論，只需告訴學(xué)生，從數(shù)學(xué)上可以得到這樣的結(jié)果就可以了，無需將重點(diǎn)放在繁難的數(shù)學(xué)推導(dǎo)上，否則會(huì)使學(xué)生本末倒置，忽略了對(duì)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(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，從而產(chǎn)生抵觸情緒。

　　成功地突破這兩大障礙，是學(xué)習(xí)量子力學(xué)的關(guān)鍵。

　　3 教學(xué)方法的改革

　　3.1 利用現(xiàn)代技術(shù)改進(jìn)教學(xué)手段

　　傳統(tǒng)的板書教學(xué)能夠形成系統(tǒng)性的知識(shí)框架，教師在板書推導(dǎo)的過程中，學(xué)生有時(shí)間反應(yīng)和思考，緊跟教師的思路，從而可以詳細(xì)、循序漸進(jìn)地吸收所學(xué)知識(shí)，并培養(yǎng)了良好的思維習(xí)慣。

　　但全程板書會(huì)導(dǎo)致上課節(jié)奏慢，授課內(nèi)容有限。

　　目前隨著高校教學(xué)改革的推進(jìn)，授課學(xué)時(shí)相繼減少，對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)方式來講，要完成教學(xué)任務(wù)比較困難。

　　這就要借助現(xiàn)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(dǎo)，如果使用多媒體課件，節(jié)奏會(huì)較快，導(dǎo)致學(xué)生目不暇接，來不及做筆記，更來不及思考，不利于講授內(nèi)容的消化吸收。

　　鑒于此，對(duì)于量子力學(xué)課程，教學(xué)過程應(yīng)采用板書和多媒體技術(shù)相結(jié)合的方式，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

　　3.2 建設(shè)習(xí)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(shí)的基礎(chǔ)上，需要通過大量習(xí)題的演練，循序漸近，才能檢驗(yàn)自己理解的程度，真正學(xué)好這門課程。

　　因此在教學(xué)過程中，強(qiáng)調(diào)做習(xí)題的重要性。

　　有針對(duì)性地根據(jù)材料物理專業(yè)量子力學(xué)的教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容，參考多本量子力學(xué)教材和習(xí)題集，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建設(shè)量子力學(xué)習(xí)題庫，題型包括選擇、填空、證明、簡(jiǎn)答和計(jì)算題等，內(nèi)容涵蓋各知識(shí)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(duì)所做結(jié)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(qiáng)與學(xué)生互動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

　　教學(xué)是一個(gè)師生互動(dòng)的過程，應(yīng)讓學(xué)生始終處于主動(dòng)學(xué)習(xí)的位置而不是被動(dòng)的接受。

　　量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)更應(yīng)積極調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，因此教師應(yīng)在教學(xué)過程中加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)。

　　增設(shè)課前提問、課后討論環(huán)節(jié)，認(rèn)真批改作業(yè)，積極發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的問題，并及時(shí)對(duì)問題進(jìn)行深入講解，解決問題。

　　另外，由于量子力學(xué)是建立在一系列基本假定基礎(chǔ)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(shí)的滲透和遷移，將量子力學(xué)在實(shí)際中的應(yīng)用穿插于教學(xué)之中，豐富教學(xué)內(nèi)容，開拓學(xué)生視野，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

　　4 結(jié)語

　　通過近年來教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和探索，形成了一套適合材料物理專業(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(jī)優(yōu)秀，說明采用這樣的教學(xué)方法是成功的。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 曾心愉,裴文杰,宋宇辰,量子力學(xué)及其學(xué)習(xí)方法――獻(xiàn)給自學(xué)量子力學(xué)的人們[J].大學(xué)物理,1993(12):42,47.

　　材料物理專業(yè)中量子力學(xué)教學(xué)研究【2】

　　摘要：本文結(jié)合材料物理專業(yè)中的基礎(chǔ)課程――《量子理論》的發(fā)展史，從哲學(xué)的角度出發(fā)，淺談了材料學(xué)科發(fā)展中的哲學(xué)思想，并以哲學(xué)思想為主線，來進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的理解，對(duì)加強(qiáng)學(xué)生的世界觀、物質(zhì)觀以及運(yùn)動(dòng)觀的進(jìn)一步理解，具有重要的指導(dǎo)意義。

　　關(guān)鍵詞：量子力學(xué) 教學(xué)研究 哲學(xué)思想

　　“大學(xué)之道，在明明德，在親民，在止于至善。”溫故知今，止于至善，提高當(dāng)代大學(xué)生的哲學(xué)素養(yǎng)、人文情懷和科學(xué)素養(yǎng)，是素質(zhì)教育的要求之一。

　　以牛頓運(yùn)動(dòng)三定律、電磁理論和熱力學(xué)及統(tǒng)計(jì)物理學(xué)為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)誕生于17世紀(jì)，成功地解釋了大量物理學(xué)現(xiàn)象，取得了輝煌的科學(xué)成就，曾經(jīng)被人們信奉為客觀真理。

　　在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，人類以巨大的熱情來研究原子核和放射現(xiàn)象，導(dǎo)致了兩大理論成果的誕生：量子理論和相對(duì)論。

　　隨后，激光器、二極管、三極管、集成電路、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、登月等等，這些輝煌的成就促使人類邁進(jìn)了信息時(shí)代。

　　運(yùn)動(dòng)著的電子――一個(gè)小小的微觀粒子，卻促使人類文明進(jìn)入了電子信息時(shí)代。

　　事實(shí)表明，現(xiàn)代信息技術(shù)的理論基礎(chǔ)是物理學(xué)，信息的產(chǎn)生、發(fā)送、接收和處理，都是由一個(gè)個(gè)物理的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，因此信息世界的物理體系歸根結(jié)底要受到物理定律的制約。

　　現(xiàn)在人們明白了，經(jīng)典物理理論僅適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)的物體的場(chǎng)合，而對(duì)于微觀小尺度下、接近于光速運(yùn)動(dòng)的粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律誤差會(huì)變得很大，必須使用相對(duì)論和量子理論來描述。

　　而經(jīng)典物理理論僅僅是量子理論和相對(duì)論在低速宏觀范圍下的良好近似。

　　量子理論是二十世紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

　　量子理論的形成和發(fā)展，是整個(gè)物理學(xué)發(fā)展中最值得書寫的，也是對(duì)青年大學(xué)生最具有啟發(fā)意義的過程，在此期間包括了愛因斯坦的奇跡年(1905年)。

　　梳理和探究整個(gè)過程中所包含的科學(xué)思維，科學(xué)方法，科學(xué)理論，科學(xué)素養(yǎng)……都是值得我們?nèi)ヌ剿�、去深思、去挖掘的�?/p>

　　一、對(duì)青年大學(xué)生物質(zhì)觀和運(yùn)動(dòng)觀的進(jìn)一步加深具有重要意義

　　科學(xué)技術(shù)發(fā)展到21世紀(jì)，人類對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)進(jìn)入到了納米尺度。

　　材料學(xué)科的研究中出現(xiàn)了很多量子效應(yīng)。

　　量子理論中的許多不同于經(jīng)典力學(xué)的物理現(xiàn)象顛覆性地發(fā)展了經(jīng)典力學(xué)的思維，拓寬了人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的視野，使人們對(duì)運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)有了更進(jìn)一步的了解。

　　隨著人類認(rèn)識(shí)的不斷深入和材料尺寸的不斷縮小，電子運(yùn)動(dòng)的量子效應(yīng)愈加明顯。

　　現(xiàn)在人們已經(jīng)明白了，電子既是一種微觀粒子，同時(shí)也是一種波，這就是所謂的波粒二象性。

　　與經(jīng)典物理現(xiàn)象不同的是，微觀粒子的諸多物理量之間受到量子規(guī)律的束縛，其中之一便是著名的不確定性原理，例如時(shí)間與能量之間、動(dòng)量與位置之間等。

　　此外，另一個(gè)有趣的現(xiàn)象是電子的勢(shì)壘貫穿效應(yīng)，即能量小于勢(shì)壘高度的電子或者其它微觀粒子可以以一定的幾率，越過勢(shì)壘，運(yùn)動(dòng)到勢(shì)壘的右邊去。

　　盡管一個(gè)理性的人對(duì)這種解釋可能不滿意，但是我們必須明白“隧穿”僅僅是我們?yōu)榱死斫獾姆奖愣鴺?gòu)造的一個(gè)東西，除非人們對(duì)量子世界的認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步。

　　我們唯一能確定的是當(dāng)滿足一定條件的時(shí)候，隧穿效應(yīng)就會(huì)發(fā)生。

　　二、對(duì)青年大學(xué)生思維拓展與創(chuàng)新具有重要的啟發(fā)意義

　　量子理論是描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論，其概念體系與研究宏觀現(xiàn)象及其規(guī)律的經(jīng)典物理學(xué)有很大的不同。

　　量子理論的出現(xiàn)，是人類對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)日益深化的結(jié)果，為其他自然學(xué)科的發(fā)展開辟了廣闊的前景。

　　從培養(yǎng)研究型科學(xué)人才的角度來說，量子理論是與現(xiàn)代科學(xué)研究聯(lián)系最緊密的課程之一。

　　這對(duì)當(dāng)代青年大學(xué)生提出了更高、更嚴(yán)格的要求。

　　第一，必須尊重客觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，堅(jiān)持創(chuàng)新思維，深刻認(rèn)識(shí)微觀世界的規(guī)律。

　　規(guī)律是物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)過程中表現(xiàn)出來的必然的、穩(wěn)定的、永恒的聯(lián)系，任何事物之間都有聯(lián)系，都是矛盾的對(duì)立統(tǒng)一體，這就需要在實(shí)際的學(xué)習(xí)探索中抓住主要矛盾以及矛盾的主要方面。

　　同時(shí)，矛盾具有特殊性，內(nèi)因是事物發(fā)展的根據(jù)，決定著事物發(fā)展的方向和主要性質(zhì)，外因是事物發(fā)展的次要因素。

　　在實(shí)際的處理過程中要區(qū)別對(duì)待。

　　第二，注意量變到質(zhì)變的積累。

　　量變是指事物單純數(shù)量上的增加或減少，事物保持其質(zhì)的穩(wěn)定性。

　　質(zhì)變是指事物根本性質(zhì)的變化，“量變→質(zhì)變→新的量變”是事物發(fā)展的基本規(guī)律。

　　注意收集數(shù)據(jù)，逐步地總結(jié)規(guī)律。

　　任何重大的發(fā)現(xiàn)，都有一個(gè)辛苦的積累過程，面對(duì)紛繁雜蕪的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如何去偽存真，由表及里，層層剖析?這需要尊重客觀規(guī)律，逐漸挖掘深層次的信息，切勿急于求成或者違背客觀規(guī)律。

　　這方面在量子理論的發(fā)展過程中體現(xiàn)得尤為重要。