工科專業(yè)量子力學的實驗教學

　　工科專業(yè)量子力學的實驗教學【1】

　　【摘要】物理學是一門實驗科學，因此實驗是對其進行科學認識的一種最基本的方法。

　　根據課程的性質和特點，文章在工科量子力學的實驗教學改革方面做出了一些有益的嘗試。

　　通過開展思想、演示與創(chuàng)新性實驗等措施，培養(yǎng)了學生物理應用的慣性意識和邏輯、創(chuàng)新思維。

　　【關鍵詞】量子力學;實驗教學;改革

　　一、引言

　　作為現代物理學和現代科學技術的理論基礎，量子力學將物質的波動性與粒子性統(tǒng)一起來，是研究微觀粒子運動規(guī)律的物理學分支學科。

　　很多教師在上課時只著重于講授理論體系本身的知識，往往忽略了理論和實驗的緊密聯系，從而導致它的實驗建設一直是本課程建設的薄弱環(huán)節(jié)。

　　充分考慮到該門課程的性質和特點，我們在教學中借鑒了工科教學的模式重點圍繞“培養(yǎng)學生物理應用的慣性意識與掌握量子力學基本概念和規(guī)律”的目標開展了三類不依賴于儀器設備和環(huán)境條件的實驗，以切實貫徹“德育為先、能力為重”和“育人為本”的原則。

　　二、量子力學的實驗教學

　　為了讓學生從思想上接受并理解量子觀念，在學習中透過復雜的數學計算深入理解量子力學的概念和規(guī)律，并能主動積極地思考、解決相關問題，我們構建了由思想、演示與創(chuàng)新性實驗組成的課內課外教學平臺，以輔助量子力學的理論教學過程。

　　思想實驗，又稱“假想實驗”，是人類按照科學研究的實驗過程在頭腦中進行的發(fā)現和獲取科學事實與自然規(guī)律的邏輯思維活動，是自然科學家和哲學家經常使用的一種十分有效的研究方法。

　　由于不會受到主客觀條件及儀器設備的操作限制，思想實驗可以為學生的思維互動啟發(fā)提供有利的平臺。

　　事實上，在量子力學建立與發(fā)展的過程中，很多思想實驗都起到了重要的推動作用。

　　例如作為量子力學的創(chuàng)始人之一，奧地利物理學家埃爾溫・薛定諤提出了著名的“薛定諤之貓”的思想實驗，它將量子理論微觀領域中原子核衰變的量子不確定性與宏觀領域中貓的生死聯系在了一起，充分體現了量子力學的奇異性。

　　通過在課堂教學中講授諸如此類的思想實驗可以給學生提供一個動腦“做”理論的機會，這樣不僅可以使學生從理性的角度接受量子力學的基本思想并深入理解量子力學的基本概念和基本理論，還可以激發(fā)他們對課程的學習興趣，在無形中培養(yǎng)他們的理性思維、邏輯思維、創(chuàng)新意識和推理能力。

　　演示實驗，即教師在課堂上借助視頻、計算機模擬等手段演示實驗過程，展示物理現象，引導學生觀察、思考、分析并得出結論的過程。

　　量子力學的建立離不開很多重要實驗的支撐，如黑體輻射、光電效應等。

　　其中一些實驗由于條件及經費的限制目前無法在實驗室開展，所以我們可以充分利用豐富的網絡資源及Matlab等數學軟件構建演示實驗的平臺，給學生提供一個動眼“做”理論的機會。

　　一方面，通過播放演示實驗的視頻重現實驗過程，加強引導學生對實驗的條件、思路和方法等進行思考和分析，培養(yǎng)學生的實驗素養(yǎng)和強化他們的實驗技能，幫助他們增加感性認識，使他們體會科學的發(fā)展過程，克服抽象的物理圖景給他們帶來的困擾。

　　另一方面，通過利用數學軟件實現對量子力學課程中一些問題的靜、動態(tài)數值模擬，將抽象的量子力學結果形象直觀化，幫助學生透過復雜的數學公式推導深入、形象地認識微觀粒子的特征，使他們深入理解量子力學的基本原理和基本概念，提高他們運用物理思想進行綜合分析的能力。

　　知識的獲得是為了更好地服務于實踐，因此為了讓學生能將量子力學中所學到的基本理論運用于實踐，我們在該門課程的教學中還開設了創(chuàng)新性實驗，為學生提供動手“做”理論的機會。

　　首先教師在課堂的教學中始終貫徹科研促教學的思想，有意識地結合具體的教學內容進行近代物理前沿知識的滲透。

　　然后鼓勵學生根據自己的實際情況與興趣并結合畢業(yè)論文自由組合選擇相應的小課題在教師的指導下進行專題研究，同時對于一些學生在平時教學過程中反映出來的理解上比較模糊或難以理解的部分定期組織專題討論。

　　該類實驗的開設為學生提供了實踐的自由發(fā)揮空間，可以初步培養(yǎng)學生的數理分析能力與結合自己的興趣自我發(fā)現問題并解決與專業(yè)相關領域實際問題的能力及撰寫科研論文的能力，同時還增強了學生對量子力學課程學習的興趣和團結協(xié)作精神。

　　三、結論

　　作為一個發(fā)展中的理論，量子力學在現代物理學與現代技術中的作用越來越重要。

　　為了更好地輔助量子力學課程的理論教學，我們在該門課程的實驗教學過程進行了一些有益的嘗試。

　　通過訓練，學生不僅能夠掌握量子力學基本規(guī)律及基本概念，為進一步學習其他相關課程打下良好的理論基礎，還能培養(yǎng)他們分析、解決問題的實踐能力，從而達到了該門課程教學的預期效果。

　　工科物理專業(yè)“量子力學”教學改革【2】

　　摘要：針對鄭州輕工業(yè)學院量子力學教學現狀，結合“量子力學”的課程特點，立足于提高學生學習積極性和培養(yǎng)學生科學探索精神及創(chuàng)新能力，簡要介紹了近年來在教學內容、教學方法、教學手段和考核方法等方面進行的一些改革嘗試。

　　關鍵詞：量子力學;教學改革;物理思想

　　“量子力學”是20世紀物理學對科學研究和人類文明進步的兩大標志性貢獻之一，已經成為物理學專業(yè)及部分工科專業(yè)最重要的基礎課程之一，是學習“固體物理”、“材料科學”、“材料物理與化學”和“激光原理”等課程的重要基礎。

　　通過這門課程的學習，學生能熟練掌握量子力學的基本概念和基本理論，具備利用量子力學理論分析問題和解決問題的能力。

　　同時，這門課程對培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新意識及科學素養(yǎng)亦具有十分重要的意義。

　　然而，“量子力學”本身是一門非常抽象的課程，眾多學生談“量子”色變，教學效果可想而知。

　　如何激發(fā)學生學習本課程的熱情，充分調動學生的積極性和主動性，提高量子力學的教學水平和教學質量，已經成為擺在教師面前的重要課題。

　　近年來，筆者在借鑒前人經驗的基礎上，結合鄭州輕工業(yè)學院(以下簡稱“我校”)教學實際，在“量子力學”的教學內容和教學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”教學內容的改革

　　量子力學理論與學生長期以來接觸到的經典物理體系相去甚遠，尤其是處理問題的思路和手段與經典物理截然不同，但它們之間又不無關聯，許多量子力學中的基本概念和基本理論是類比經典物理中的相關內容得出的。

　　因此，在“量子力學”教學中，一方面需要學生摒棄在經典物理學習中形成的固有觀念和認識，另一方面在學習某些基本概念和基本理論時又要求學生建立起與經典物理之間的聯系以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導致學生在學習這門課程時困惑不堪。

　　此外，這門課程理論性較強，眾多學生陷于煩瑣的數學推導之中，導致學習興趣缺失。

　　針對以上教學中發(fā)現的問題，筆者對“量子力學”課程的教學內容作了一些有益的調整。

　　1.理清脈絡，強化知識背景

　　從經典物理所面臨的困難出發(fā)，到半經典半量子理論的形成，最終到量子理論的建立，對量子力學的發(fā)展脈絡進行細致的、實事求是的分析，特別是對量子理論早期的概念發(fā)展有一個準確清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已經證明為正確并得到公認的，還存在哪些不完善的地方。

　　這樣一方面可使學生對量子力學中基本概念和基本理論的形成和建立的科學歷史背景有一深刻了解，有助于學生理清經典物理與量子理論之間的界限和區(qū)別，加深他們對這些基本概念和基本理論的理解;另一方面，可使學生對蘊藏在這一歷程中的智慧火花和科學思維方法有一全面的了解，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識及科學素養(yǎng)。

　　比如：對于玻爾理論，由于對量子化假設很難用已經成形的經典理論來解釋，學生往往會覺得不可思議，難以理解。

　　為此，在講解這部分內容時，很有必要介紹一下玻爾理論產生的歷史背景，告訴學生在玻爾的量子化假設之前就已經出現了普朗克的量子論和愛因斯坦的光量子概念，且大量關于原子光譜的實驗數據也已經被掌握，之前盧瑟福提出的簡單行星模型卻與經典物理理論及實驗事實存在嚴重背離。

　　為了解決這些問題，玻爾理論才應運而生。

　　在用量子力學求解氫原子定態(tài)波函數時，還可以通過定態(tài)波函數的概率分布圖，向學生介紹所謂的玻爾軌道并不是真實存在的，只是電子出現幾率比較大的區(qū)域。

　　通過這樣講述，學生可以清晰地體會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中的概念混為一談。

　　2.重在物理思想，壓縮數學推導

　　在物理學研究中，數學只是用來表述物理思想并在此基礎上進行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒在復雜的數學形式之中。

　　因此，在教學過程中，教師要著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質。

　　對一些涉及繁難數學推導的內容，在教學中刻意忽略具體數學推導過程，著重于使學生掌握其中的思想方法。

　　例如：在一維線性諧振子問題的教學中，對于數學方面的問題，只要求學生能正確寫出薛定諤方程、記住其結論即可，重點放在該類問題所蘊含的物理意義及對現成結論的應用上。

　　這樣，學生就不會感到枯燥無味，而能始終保持較高的學習熱情。

　　二、教學方法改革

　　傳統(tǒng)的“填鴨式”教學法把課堂變成了教師的“一言堂”，使得學生在教學活動中始終處于被動接受地位，極大地壓制了學生學習的主觀能動性，十分不利于知識的獲取以及對學生創(chuàng)新能力及科學思維的培養(yǎng)。

　　而且，“量子力學”這門課程本身實驗基礎薄弱、理論性較強，物理圖像不夠直觀，一味采取灌輸式教學，學生勢必感到枯燥，甚至厭煩。

　　長期以往，學習積極性必然受挫，學習效果自然大打折扣。

　　為了提高學生學習興趣，激發(fā)其學習的積極性，培養(yǎng)其科學探索精神及創(chuàng)新能力，筆者在教學方法上進行了一些有益的探索。

　　1.發(fā)揮學生主體作用

　　除卻必要的教學內容講解外，每節(jié)課都留出一定的師生互動時間。

　　教師通過創(chuàng)設問題情景，引導學生進行研究討論，或者針對已講授內容，使學生對已學內容進行復習、總結、辨析，以加深理解;或者針對未講授內容，激發(fā)學生學習新知識的興趣(比如，在講授完一維無限深方勢阱和一維線性諧振子這兩個典型的束縛態(tài)問題后就可引導學生思考“非束縛態(tài)下微觀粒子又將表現出什么樣的行為”)，[1]這樣學生就會積極地預習下節(jié)內容;或者選擇一些有代表性的習題，讓學生提出不同的解決辦法，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

　　對于在課堂上不能解決的問題，積極鼓勵學生利用圖書館及網絡資源等尋求解決，培養(yǎng)學生的科學探索精神。

　　此外，還可使學生自由組合，挑選他們感興趣的與課程有關的題目進行討論、調研并完成小組論文，這一方面激發(fā)學生的自主學習積極性，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

　　在實際教學中著重注意物理圖像的構建，使學生對一些難以理解的概念和理論形成較為直觀的印象，從而形成深刻的記憶和理解。

　　例如：借助電子束衍射實驗，通過三個不同的實驗過程(強電子束、弱電子束及弱電子束長時間曝光)，即可為實物粒子的波粒二象性構建出一幅清晰的物理圖像;借助電子束衍射實驗圖像，再以光波類比電子波，即可凝練出波函數的統(tǒng)計解釋;[2]借助電子雙縫衍射實驗圖像，可使學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上的區(qū)別，但借助這些學生已經熟知和深刻理解的概念，可使學生非常容易地接受和理解量子力學中難以言明的概念和理論，同時，也可使學生掌握這種物理圖像的構建能力，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維具有非常積極地作用。