材料物理專業(yè)量子力學教學方法

　　材料物理專業(yè)量子力學教學方法【1】

　　摘 要 針對材料物理專業(yè)學生學習量子力學課程所面臨的困難，通過對近年來教學實踐的總結(jié)，從教學內(nèi)容、教學方法和手段進行探索和實踐，調(diào)動了學生學習的積極性和主動性，取得了較好的教學成果。

　　關(guān)鍵詞 量子力學 教學內(nèi)容 教學方法

　　0 引言

　　量子力學是研究微觀粒子(如原子、分子、原子核和基本粒子等)運動規(guī)律的物理學分支學科，它和相對論是矗立在20世紀之初的兩座科學豐碑，一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學的兩塊理論基石。

　　相對論和量子力學徹底改變了經(jīng)典物理學的世界觀，并且深化了人類對自然界的認識，改造了人類的宇宙觀和思想方法，它使人們對物質(zhì)存在的方式及其運動形態(tài)等的認識產(chǎn)生了一個質(zhì)的飛躍。

　　量子力學是材料物理專業(yè)一門承前啟后的專業(yè)基礎(chǔ)必修課：量子力學的教學必須以數(shù)學為基礎(chǔ)，包括線性代數(shù)、概率論、高等數(shù)學、數(shù)理方法等，其又是后續(xù)課程材料科學基礎(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，學生掌握的程度直接影響后續(xù)專業(yè)課程的學習。

　　作者近年來一直從事量子力學的教學工作，針對量子力學課程教學過程中存在的現(xiàn)象和問題，進行了較深入細致的思考與探討，在實際教學過程中對本課程的教學方法進行了探索與實踐，收到了較好的教學效果。

　　1 量子力學教學面臨的難點

　　量子力學研究的是微觀粒子的運動規(guī)律，微觀粒子同宏觀粒子不同，看不見，摸不著，只有借助于探測器才能察覺它的存在和屬性。

　　材料物理專業(yè)學生之前學習的基本上是經(jīng)典物理，而量子力學理論無法用經(jīng)典理論進行解釋，學生對此感到難于理解。

　　因此，經(jīng)典物理的傳統(tǒng)觀念對學生思想的束縛，構(gòu)成了學生學習量子力學的思想障礙;量子力學可以說無處不“數(shù)學”， 由于材料物理專業(yè)學生在數(shù)學基礎(chǔ)方面與物理專業(yè)學生相比較為薄弱，在學習過程中普遍感到數(shù)學計算繁難，對大段的數(shù)學推導表現(xiàn)出畏難情緒。

　　可見，量子力學對數(shù)學的精彩詮釋卻構(gòu)成了學生學習量子力學的心理障礙。

　　這兩大障礙勢必會影響量子力學和后續(xù)課程的學習。

　　在這種情況下，我們應當怎樣開展量子力學教學從而使學生重視并努力學好該課程就成了一個嚴峻的挑戰(zhàn)。

　　2 明確教學重點和難點、有的放矢

　　要講授一門課程，首先應該對課程內(nèi)容有一個清晰的認識。

　　量子力學的內(nèi)容可以包括三個方面：一是介紹產(chǎn)生新概念的歷史背景及一些重要實驗;二是提出一系列不同于經(jīng)典物理學的基本概念與原理，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際問題的方法。

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

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

　　第一部分內(nèi)容教師應考慮如何引導學生入門，從習慣古典概念轉(zhuǎn)而接受量子概念。

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

　　學生在學習這部分時應仔細“品嘗”其中的“滋味”，以便啟發(fā)自己的思維自然地產(chǎn)生一個飛躍，完成思想的突破。

　　第二、三部分是量子力學學習的重點與難點，并且涉及大量的數(shù)學推導，教師應采取適當?shù)慕虒W手段，突出重點，強調(diào)難點。

　　在物理學研究中，數(shù)學只是用來表達物理思想并在此基礎(chǔ)上進行邏輯演算的工具，不能將物理內(nèi)容淹沒在復雜的數(shù)學形式當中。

　　通過數(shù)學推導才能得到的結(jié)論，只需告訴學生，從數(shù)學上可以得到這樣的結(jié)果就可以了，無需將重點放在繁難的數(shù)學推導上，否則會使學生本末倒置，忽略了對量子力學思想的理解。

　　這樣的教學可以幫助學生突破心理障礙，不會一提量子力學就想到復雜的數(shù)學推導，從而產(chǎn)生抵觸情緒。

　　成功地突破這兩大障礙，是學習量子力學的關(guān)鍵。

　　3 教學方法的改革

　　3.1 利用現(xiàn)代技術(shù)改進教學手段

　　傳統(tǒng)的板書教學能夠形成系統(tǒng)性的知識框架，教師在板書推導的過程中，學生有時間反應和思考，緊跟教師的思路，從而可以詳細、循序漸進地吸收所學知識，并培養(yǎng)了良好的思維習慣。

　　但全程板書會導致上課節(jié)奏慢，授課內(nèi)容有限。

　　目前隨著高校教學改革的推進，授課學時相繼減少，對于傳統(tǒng)教學方式來講，要完成教學任務比較困難。

　　這就要借助現(xiàn)代科技手段進行教學改革，包括多媒體課件的使用和網(wǎng)絡教學。

　　但是在量子力學教學中，一些繁雜公式的推導，如果使用多媒體課件，節(jié)奏會較快，導致學生目不暇接，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，對于量子力學課程，教學過程應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，調(diào)動學生的學習積極性。

　　3.2 建設習題庫

　　量子力學課程理論抽象，要深入理解這些理論，在熟練掌握教材基本知識的基礎(chǔ)上，需要通過大量習題的演練，循序漸近，才能檢驗自己理解的程度，真正學好這門課程。

　　因此在教學過程中，強調(diào)做習題的重要性。

　　有針對性地根據(jù)材料物理專業(yè)量子力學的教學大綱和教學內(nèi)容，參考多本量子力學教材和習題集，利用計算機技術(shù)建設量子力學習題庫，題型包括選擇、填空、證明、簡答和計算題等，內(nèi)容涵蓋各知識點，從簡到繁、由淺至深。

　　題庫操作方便，學生可自行操作，并對所做結(jié)果進行實時檢查，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中取得了良好的教學效果。

　　3.3 加強與學生互動，調(diào)動學生的學習積極性

　　教學是一個師生互動的過程，應讓學生始終處于主動學習的位置而不是被動的接受。

　　量子力學課程的學習更應積極調(diào)動學生的積極性，因此教師應在教學過程中加強與學生的互動。

　　增設課前提問、課后討論環(huán)節(jié)，認真批改作業(yè)，積極發(fā)現(xiàn)學生學習過程中存在的問題，并及時對問題進行深入講解，解決問題。

　　另外，由于量子力學是建立在一系列基本假定基礎(chǔ)之上的，抽象難懂，鑒于學生難接受的情況，在授課時注意理論聯(lián)系實際，盡可能進行知識的滲透和遷移，將量子力學在實際中的應用穿插于教學之中，豐富教學內(nèi)容，開拓學生視野，從而調(diào)動學生的學習興趣和積極性。

　　4 結(jié)語

　　通過近年來教學經(jīng)驗的總結(jié)和探索，形成了一套適合材料物理專業(yè)量子力學課程教學的方法，該方法教學效果良好。

　　在近幾年的研究生入學考試中，學生量子力學課程的成績優(yōu)秀，說明采用這樣的教學方法是成功的。

　　參考文獻

　　[1] 曾心愉,裴文杰,宋宇辰,量子力學及其學習方法――獻給自學量子力學的人們[J].大學物理,1993(12):42,47.

　　材料物理專業(yè)中量子力學教學研究【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，從哲學的角度出發(fā)，淺談了材料學科發(fā)展中的哲學思想，并以哲學思想為主線，來進一步指導學生對現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的理解，對加強學生的世界觀、物質(zhì)觀以及運動觀的進一步理解，具有重要的指導意義。

　　關(guān)鍵詞：量子力學 教學研究 哲學思想

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

　　以牛頓運動三定律、電磁理論和熱力學及統(tǒng)計物理學為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學誕生于17世紀，成功地解釋了大量物理學現(xiàn)象，取得了輝煌的科學成就，曾經(jīng)被人們信奉為客觀真理。

　　在19世紀末20世紀初，人類以巨大的熱情來研究原子核和放射現(xiàn)象，導致了兩大理論成果的誕生：量子理論和相對論。

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

　　運動著的電子――一個小小的微觀粒子，卻促使人類文明進入了電子信息時代。

　　事實表明，現(xiàn)代信息技術(shù)的理論基礎(chǔ)是物理學，信息的產(chǎn)生、發(fā)送、接收和處理，都是由一個個物理的系統(tǒng)來實現(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動的物體的場合，而對于微觀小尺度下、接近于光速運動的粒子的運動規(guī)律誤差會變得很大，必須使用相對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論在低速宏觀范圍下的良好近似。

　　量子理論是二十世紀最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

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

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

　　一、對青年大學生物質(zhì)觀和運動觀的進一步加深具有重要意義

　　科學技術(shù)發(fā)展到21世紀，人類對于物質(zhì)世界的認識進入到了納米尺度。

　　材料學科的研究中出現(xiàn)了很多量子效應。

　　量子理論中的許多不同于經(jīng)典力學的物理現(xiàn)象顛覆性地發(fā)展了經(jīng)典力學的思維，拓寬了人類認識物質(zhì)世界的視野，使人們對運動的本質(zhì)有了更進一步的了解。

　　隨著人類認識的不斷深入和材料尺寸的不斷縮小，電子運動的量子效應愈加明顯。

　　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，例如時間與能量之間、動量與位置之間等。

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

　　盡管一個理性的人對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)造的一個東西，除非人們對量子世界的認識更進一步。

　　我們唯一能確定的是當滿足一定條件的時候，隧穿效應就會發(fā)生。

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

　　量子理論是描述微觀粒子運動規(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)典物理學有很大的不同。

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

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

　　這對當代青年大學生提出了更高、更嚴格的要求。

　　第一，必須尊重客觀世界的運動規(guī)律，堅持創(chuàng)新思維，深刻認識微觀世界的規(guī)律。

　　規(guī)律是物質(zhì)在運動過程中表現(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，都是矛盾的對立統(tǒng)一體，這就需要在實際的學習探索中抓住主要矛盾以及矛盾的主要方面。

　　同時，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。

　　在實際的處理過程中要區(qū)別對待。

　　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)，都有一個辛苦的積累過程，面對紛繁雜蕪的實驗數(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。