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量子力學(xué)的教學(xué)方法改革
摘 要： 作者針對(duì)在量子力學(xué)課堂教學(xué)中遇到的實(shí)際問(wèn)題，開展了關(guān)于量子力學(xué)教學(xué)改革的研究。
關(guān)鍵詞： 量子力學(xué) 教學(xué)方法改革 創(chuàng)新思維
量子力學(xué)是研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，自誕生以來(lái)它就成功地說(shuō)明了原子及分子的結(jié)構(gòu)、固體的性質(zhì)、輻射的吸收與發(fā)射、超導(dǎo)等物理現(xiàn)象。作為物理學(xué)專業(yè)的專業(yè)理論課，量子力學(xué)在物理學(xué)專業(yè)中具有極其重要的地位。現(xiàn)代物理學(xué)的各個(gè)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(xué)為基礎(chǔ)，并且已經(jīng)滲透到化學(xué)和生物學(xué)等其他學(xué)科。同時(shí)量子理論還具有巨大的實(shí)用價(jià)值，半導(dǎo)體器件和材料、激光技術(shù)、原子能技術(shù)和超導(dǎo)材料等都是以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)的。
通過(guò)對(duì)量子力學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)最重要的基礎(chǔ)理論，還可以提高科學(xué)素質(zhì)和思想素質(zhì)，但是量子力學(xué)中的概念和解決問(wèn)題的方法與經(jīng)典物理有著本質(zhì)的不同。學(xué)生普遍反映量子力學(xué)抽象、枯燥、難理解、抓不住重點(diǎn)，學(xué)習(xí)起來(lái)非常困難。針對(duì)以上問(wèn)題，我對(duì)教學(xué)進(jìn)行了思考和探討，采用了一些切實(shí)可行的措施，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好地掌握了量子力學(xué)知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。
一、教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題
在量子力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問(wèn)題。
1.量子力學(xué)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(xué)從概念到解決問(wèn)題的方法跟經(jīng)典物理有著根本性的區(qū)別，但是很多學(xué)生習(xí)慣性地用經(jīng)典的思想去理解量子力學(xué)，這樣就不自覺(jué)地增加了難度。比如“波粒二象性”，經(jīng)典物理認(rèn)為波動(dòng)性和粒子性是互不相關(guān)的、相互獨(dú)立的，而量子力學(xué)認(rèn)為波動(dòng)性和粒子性是微觀粒子同時(shí)具備的兩種屬性。
2.學(xué)習(xí)量子力學(xué)，數(shù)學(xué)知識(shí)是必不可少的。量子力學(xué)中有著繁雜的數(shù)學(xué)知識(shí)，例如，數(shù)學(xué)分析中的微積分，代數(shù)學(xué)中的矩陣論，數(shù)學(xué)物理方程的微分方程，復(fù)變函數(shù)，等等。在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生對(duì)已學(xué)過(guò)的數(shù)學(xué)知識(shí)掌握得不是很牢固，在推導(dǎo)公式的過(guò)程中忘記了公式所描述的物理內(nèi)涵，影響了對(duì)量子力學(xué)知識(shí)的理解。
3.由于量子力學(xué)的課時(shí)緊張，教學(xué)過(guò)程中采用了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，由教師到學(xué)生的“單向傳授”的教學(xué)形式。學(xué)生失去了主體地位，只能被動(dòng)地接受知識(shí)，學(xué)習(xí)的興趣和積極性不高，導(dǎo)致教學(xué)效率降低。
二、量子力學(xué)的教學(xué)方法改革
1.采用多種教學(xué)手段相結(jié)合的教學(xué)模式。由于量子力學(xué)的內(nèi)容抽象難懂，又是建立在一系列基本假定的基礎(chǔ)之上，不少學(xué)生很難接受，甚至認(rèn)為這門課程沒(méi)有用處。在量子力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，由單一的教師講授過(guò)渡到板書、錄像、課件、演示實(shí)驗(yàn)等各種手段相結(jié)合的教學(xué)模式，將圖、文、聲、像等信息有機(jī)地組合在一起，形象、直觀、生動(dòng)，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，學(xué)生可以享受到本校的教學(xué)資源，還可以突破空間的限制，享受到全國(guó)高水平的教學(xué)資源，從而豐富學(xué)生的資料庫(kù)，也為各學(xué)校的師生討論交流提供一個(gè)很好的平臺(tái)。
隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，知識(shí)更新非常快。在教學(xué)中，教師應(yīng)及時(shí)將與量子力學(xué)相關(guān)的科技前沿和高新技術(shù)引入教學(xué)中，介紹與量子力學(xué)密切相關(guān)的課題，闡明科學(xué)技術(shù)中所蘊(yùn)含的量子力學(xué)原理。如我們?cè)谥v解一維無(wú)限深勢(shì)阱時(shí)，將其與半導(dǎo)體量子阱和超晶格這一科學(xué)前沿相聯(lián)系;在講解隧道效應(yīng)時(shí)，將其與掃描隧道顯微鏡相聯(lián)系，進(jìn)而介紹掃描探針操縱單個(gè)原子的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)在教學(xué)中，我們理論聯(lián)系實(shí)際，多介紹量子力學(xué)知識(shí)與材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等其他學(xué)科之間的密切聯(lián)系，重點(diǎn)介紹在材料科學(xué)中的廣泛應(yīng)用，包括新材料設(shè)計(jì)、開發(fā)新材料、材料成分和結(jié)構(gòu)分析技術(shù)等。通過(guò)這種方式，學(xué)生對(duì)這一部分的知識(shí)有了直觀的認(rèn)識(shí)，從而不再感到量子力學(xué)的學(xué)習(xí)枯燥無(wú)味，同時(shí)也提高了接受新知識(shí)、學(xué)習(xí)新知識(shí)的意識(shí)和能力。
2.結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)，把物理情境的建立作為教學(xué)的重點(diǎn)。量子力學(xué)可以說(shuō)無(wú)處不數(shù)學(xué)，這門學(xué)科對(duì)高級(jí)數(shù)學(xué)語(yǔ)言的成功運(yùn)用，正是它高深與完美的體現(xiàn)。數(shù)學(xué)雖然加深了物理問(wèn)題的難度，卻維護(hù)了理論的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性。當(dāng)然這不是要求老師從頭到尾、長(zhǎng)篇冗重地推演計(jì)算，合理地修剪枝杈既能讓學(xué)生抓住重點(diǎn)，又免使學(xué)生感到量子力學(xué)只是數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)。對(duì)于學(xué)習(xí)量子力學(xué)的同學(xué)，可以著重于對(duì)物理概念的剖析和物理圖像的描繪，繞過(guò)數(shù)學(xué)分析難點(diǎn)，通過(guò)簡(jiǎn)化模型、對(duì)稱性考慮、極限情形和特例、量綱分析、數(shù)量級(jí)估計(jì)、概念延拓對(duì)比等得出結(jié)論。定量分析盡量只用簡(jiǎn)單的高數(shù)和微積分、常見(jiàn)的常微分方程，對(duì)復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以不做講解，只對(duì)少數(shù)優(yōu)秀生或感興趣的同學(xué)個(gè)別輔導(dǎo)。例如，在求解本征方程時(shí)，只介紹動(dòng)量、定軸轉(zhuǎn)子能量本征值的求解;對(duì)無(wú)限深勢(shì)阱情況，薛定諤方程可類比普通物理中的簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程;對(duì)氫原子和諧振子的能量本征值問(wèn)題，只重點(diǎn)介紹思路、方法和結(jié)論，不作詳細(xì)推導(dǎo)。
3.充分應(yīng)用類比法，講述量子力學(xué)。經(jīng)典力學(xué)是量子力學(xué)的極限情況，在教授過(guò)程中，應(yīng)盡可能找到“經(jīng)典”對(duì)應(yīng)，應(yīng)用類比方法講述量子力學(xué)中抽象的概念和物理圖像，有助于正確理解量子力學(xué)的物理圖像。用光的單縫、雙縫衍射、干涉說(shuō)明光的波動(dòng)性，用光電效應(yīng)、康普頓散射說(shuō)明光的粒子性，運(yùn)用這種方法有利于學(xué)生掌握光的波粒二象性。在將量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)類比的同時(shí)，還要清楚量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)在觀念、概念和方法上的區(qū)別。例如，經(jīng)典力學(xué)用位矢、速度描述物體的狀態(tài)，而量子力學(xué)用波函數(shù)描述系統(tǒng)狀態(tài);經(jīng)典力學(xué)用牛頓第二定律描述狀態(tài)變化，量子力學(xué)用薛定諤方程描述狀態(tài)的變化。另外對(duì)于量子力學(xué)中的波粒二象性、態(tài)迭加原理、統(tǒng)計(jì)原理等都要與經(jīng)典力學(xué)中的相關(guān)概念區(qū)分開來(lái)，類比說(shuō)明，闡明清楚其真正內(nèi)涵。
4.改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，采用以學(xué)生為主體的教學(xué)模式。量子力學(xué)的現(xiàn)代教學(xué)多以“教師講授”為主，同時(shí)配合多媒體課件輔助教學(xué)，教學(xué)模式較傳統(tǒng)教學(xué)有所變化，多媒體課件教學(xué)雖然能夠在一定程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但仍然是“填鴨式”的教學(xué)法，沒(méi)能真正地改變傳統(tǒng)教學(xué)的弊端。因此在教學(xué)過(guò)程中，要避免課堂成為教師的一言堂，鼓勵(lì)學(xué)生提問(wèn)，激發(fā)學(xué)生的逆向思維和非規(guī)范性思維等，通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境使師生互動(dòng)起來(lái)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的積極性，加深學(xué)生對(duì)這門課程的理解。還要組織學(xué)生開展相關(guān)課題討論，引導(dǎo)學(xué)生自主能動(dòng)地思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
三、結(jié)語(yǔ)
“量子力學(xué)”是物理類專業(yè)基礎(chǔ)課程中教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，建立新的教學(xué)模式，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)、理解和掌握這門課程。
參考文獻(xiàn)：
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