量子力學的教學方法改革

時間：2022-10-26 06:34:35 物理學畢業論文我要投稿

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量子力學的教學方法改革

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量子力學的教學方法改革

　　摘要： 作者針對在量子力學課堂教學中遇到的實際問題，開展了關于量子力學教學改革的研究。

　　關鍵詞： 量子力學教學方法改革創新思維

　　量子力學是研究微觀粒子運動規律的科學，自誕生以來它就成功地說明了原子及分子的結構、固體的性質、輻射的吸收與發射、超導等物理現象。作為物理學專業的專業理論課，量子力學在物理學專業中具有極其重要的地位�，F代物理學的各個分支，如高能物理、固體物理、核物理、天體物理和激光物理等都是以量子力學為基礎，并且已經滲透到化學和生物學等其他學科。同時量子理論還具有巨大的實用價值，半導體器件和材料、激光技術、原子能技術和超導材料等都是以量子力學原理為基礎的。

　　通過對量子力學的學習，學生可以掌握現代科學技術最重要的基礎理論，還可以提高科學素質和思想素質，但是量子力學中的概念和解決問題的方法與經典物理有著本質的不同。學生普遍反映量子力學抽象、枯燥、難理解、抓不住重點，學習起來非常困難。針對以上問題，我對教學進行了思考和探討，采用了一些切實可行的措施，提高了學生的學習興趣，使學生更好地掌握了量子力學知識，同時培養了學生的創新思維。

　　一、教學過程中存在的問題

　　在量子力學的教學過程中，我發現以下幾個問題。

　　1.量子力學是一門十分抽象的課程，其中許多概念、原理都不好理解，并且量子力學從概念到解決問題的方法跟經典物理有著根本性的區別，但是很多學生習慣性地用經典的思想去理解量子力學，這樣就不自覺地增加了難度。比如“波粒二象性”，經典物理認為波動性和粒子性是互不相關的、相互獨立的，而量子力學認為波動性和粒子性是微觀粒子同時具備的兩種屬性。

　　2.學習量子力學，數學知識是必不可少的。量子力學中有著繁雜的數學知識，例如，數學分析中的微積分，代數學中的矩陣論，數學物理方程的微分方程，復變函數，等等。在教學過程中發現，不少學生對已學過的數學知識掌握得不是很牢固，在推導公式的過程中忘記了公式所描述的物理內涵，影響了對量子力學知識的理解。

　　3.由于量子力學的課時緊張，教學過程中采用了傳統的教學模式，由教師到學生的“單向傳授”的教學形式。學生失去了主體地位，只能被動地接受知識，學習的興趣和積極性不高，導致教學效率降低。

　　二、量子力學的教學方法改革

　　1.采用多種教學手段相結合的教學模式。由于量子力學的內容抽象難懂，又是建立在一系列基本假定的基礎之上，不少學生很難接受，甚至認為這門課程沒有用處。在量子力學的教學過程中，由單一的教師講授過渡到板書、錄像、課件、演示實驗等各種手段相結合的教學模式，將圖、文、聲、像等信息有機地組合在一起，形象、直觀、生動，容易激發學生的學習興趣。同時，通過網絡技術，學生可以享受到本校的教學資源，還可以突破空間的限制，享受到全國高水平的教學資源，從而豐富學生的資料庫，也為各學校的師生討論交流提供一個很好的平臺。

　　隨著科學技術的迅速發展，知識更新非�？�。在教學中，教師應及時將與量子力學相關的科技前沿和高新技術引入教學中，介紹與量子力學密切相關的課題，闡明科學技術中所蘊含的量子力學原理。如我們在講解一維無限深勢阱時，將其與半導體量子阱和超晶格這一科學前沿相聯系;在講解隧道效應時，將其與掃描隧道顯微鏡相聯系，進而介紹掃描探針操縱單個原子的實驗。同時在教學中，我們理論聯系實際，多介紹量子力學知識與材料科學、生命科學、環境科學等其他學科之間的密切聯系，重點介紹在材料科學中的廣泛應用，包括新材料設計、開發新材料、材料成分和結構分析技術等。通過這種方式，學生對這一部分的知識有了直觀的認識，從而不再感到量子力學的學習枯燥無味，同時也提高了接受新知識、學習新知識的意識和能力。

　　2.結合數學知識，把物理情境的建立作為教學的重點。量子力學可以說無處不數學，這門學科對高級數學語言的成功運用，正是它高深與完美的體現。數學雖然加深了物理問題的難度，卻維護了理論的嚴謹性和科學性。當然這不是要求老師從頭到尾、長篇冗重地推演計算，合理地修剪枝杈既能讓學生抓住重點，又免使學生感到量子力學只是數學公式的推導。對于學習量子力學的同學，可以著重于對物理概念的剖析和物理圖像的描繪，繞過數學分析難點，通過簡化模型、對稱性考慮、極限情形和特例、量綱分析、數量級估計、概念延拓對比等得出結論。定量分析盡量只用簡單的高數和微積分、常見的常微分方程，對復雜的數學推導可以不做講解，只對少數優秀生或感興趣的同學個別輔導。例如，在求解本征方程時，只介紹動量、定軸轉子能量本征值的求解;對無限深勢阱情況，薛定諤方程可類比普通物理中的簡諧振動方程;對氫原子和諧振子的能量本征值問題，只重點介紹思路、方法和結論，不作詳細推導。

　　3.充分應用類比法，講述量子力學。經典力學是量子力學的極限情況，在教授過程中，應盡可能找到“經典”對應，應用類比方法講述量子力學中抽象的概念和物理圖像，有助于正確理解量子力學的物理圖像。用光的單縫、雙縫衍射、干涉說明光的波動性，用光電效應、康普頓散射說明光的粒子性，運用這種方法有利于學生掌握光的波粒二象性。在將量子力學與經典力學類比的同時，還要清楚量子力學與經典力學在觀念、概念和方法上的區別。例如，經典力學用位矢、速度描述物體的狀態，而量子力學用波函數描述系統狀態;經典力學用牛頓第二定律描述狀態變化，量子力學用薛定諤方程描述狀態的變化。另外對于量子力學中的波粒二象性、態迭加原理、統計原理等都要與經典力學中的相關概念區分開來，類比說明，闡明清楚其真正內涵。

　　4.改變傳統教學模式，采用以學生為主體的教學模式。量子力學的現代教學多以“教師講授”為主，同時配合多媒體課件輔助教學，教學模式較傳統教學有所變化，多媒體課件教學雖然能夠在一定程度上激發學生的學習興趣，但仍然是“填鴨式”的教學法，沒能真正地改變傳統教學的弊端。因此在教學過程中，要避免課堂成為教師的一言堂，鼓勵學生提問，激發學生的逆向思維和非規范性思維等，通過創設問題情境使師生互動起來，提高學生學習量子力學的積極性，加深學生對這門課程的理解。還要組織學生開展相關課題討論，引導學生自主能動地思考，激發學生的學習興趣。

　　三、結語

　　“量子力學”是物理類專業基礎課程中教學的難點和重點，建立新的教學模式，有利于學生學習、理解和掌握這門課程。

　　參考文獻：

　　[1]曾謹言.量子力學[M].科學出版社，1997.

　　[2]周世勛.量子力學教程[M].高等教育出版社，1979.

　　[3]胡響明.淺談量子概念的理解[J].高等函授學報(自然科學版)，2004，(2)：29.

　　[4]劉漢平，楊富民，陳冰泉.關于態疊加原理的認同與爭議[J].大學物理，2005，1.

　　[5]趙輝.量子力學中幾個基本概念的教學.甘肅教育學報院學報，1999，1：75-76.

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