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关于工科物理专业“量子力学”教学改革探析

论文摘要:针对郑州轻工业学院量子力学教学现状,结合“量子力学”的课程特点,立足于提高学生学习积极性和培养学生科学探索精神及创新能力,简要介绍了近年来在教学内容、教学方法、教学手段和考核方法等方面进行的一些改革尝试。
  论文关键词:量子力学;教学改革;物理思想
  “量子力学”是20世纪物理学对科学研究和人类文明进步的两大标志性贡献之一,已经成为物理学专业及部分工科专业最重要的基础课程之一,是学习“固体物理”、“材料科学”、“材料物理与化学”和“激光原理”等课程的重要基础。通过这门课程的学习,学生能熟练掌握量子力学的基本概念和基本理论,具备利用量子力学理论分析问题和解决问题的能力。同时,这门课程对培养学生的探索精神和创新意识及科学素养亦具有十分重要的意义。然而,“量子力学”本身是一门非常抽象的课程,众多学生谈“量子”色变,教学效果可想而知。如何激发学生学习本课程的热情,充分调动学生的积极性和主动性,提高量子力学的教学水平和教学质量,已经成为摆在教师面前的重要课题。近年来,笔者在借鉴前人经验的基础上,结合郑州轻工业学院(以下简称“我校”)教学实际,在“量子力学”的教学内容和教学方法方面做了一些有益的改革尝试,取得了较好的效果。
  一、“量子力学”教学内容的改革
  量子力学理论与学生长期以来接触到的经典物理体系相去甚远,尤其是处理问题的思路和手段与经典物理截然不同,但它们之间又不无关联,许多量子力学中的基本概念和基本理论是类比经典物理中的相关内容得出的。因此,在“量子力学”教学中,一方面需要学生摒弃在经典物理学习中形成的固有观念和认识,另一方面在学习某些基本概念和基本理论时又要求学生建立起与经典物理之间的联系以形成较为直观的物理图像,这种思维上的冲突导致学生在学习这门课程时困惑不堪。此外,这门课程理论性较强,众多学生陷于烦琐的数学推导之中,导致学习兴趣缺失。针对以上教学中发现的问题,笔者对“量子力学”课程的教学内容作了一些有益的调整。
  1.理清脉络,强化知识背景
  从经典物理所面临的困难出发,到半经典半量子理论的形成,最终到量子理论的建立,对量子力学的发展脉络进行细致的、实事求是的分析,特别是对量子理论早期的概念发展有一个准确清晰的理解,弄清楚到底哪些概念和原理是已经证明为正确并得到公认的,还存在哪些不完善的地方。这样一方面可使学生对量子力学中基本概念和基本理论的形成和建立的科学历史背景有一深刻了解,有助于学生理清经典物理与量子理论之间的界限和区别,加深他们对这些基本概念和基本理论的理解;另一方面,可使学生对蕴藏在这一历程中的智慧火花和科学思维方法有一全面的了解,有助于培养学生的创新意识及科学素养。比如:对于玻尔理论,由于对量子化假设很难用已经成形的经典理论来解释,学生往往会觉得不可思议,难以理解。为此,在讲解这部分内容时,很有必要介绍一下玻尔理论产生的历史背景,告诉学生在玻尔的量子化假设之前就已经出现了普朗克的量子论和爱因斯坦的光量子概念,且大量关于原子光谱的实验数据也已经被掌握,之前卢瑟福提出的简单行星模型却与经典物理理论及实验事实存在严重背离。为了解决这些问题,玻尔理论才应运而生。在用量子力学求解氢原子定态波函数时,还可以通过定态波函数的概率分布图,向学生介绍所谓的玻尔轨道并不是真实存在的,只是电子出现几率比较大的区域。通过这样讲述,学生可以清晰地体会到玻尔理论的承上启下的作用,而又不至于将其与量子力学中的概念混为一谈。
  2.重在物理思想,压缩数学推导
  在物理学研究中,数学只是用来表述物理思想并在此基础上进行逻辑演算的工具,教师不能将深刻的物理思想淹没在复杂的数学形式之中。因此,在教学过程中,教师要着重于加强基本概念和基本理论的讲授,把握这些概念和理论中所蕴含的物理实质。对一些涉及繁难数学推导的内容,在教学中刻意忽略具体数学推导过程,着重于使学生掌握其中的思想方法。例如:在一维线性谐振子问题的教学中,对于数学方面的问题,只要求学生能正确写出薛定谔方程、记住其结论即可,重点放在该类问题所蕴含的物理意义及对现成结论的应用上。这样,学生就不会感到枯燥无味,而能始终保持较高的学习热情。
  二、教学方法改革
  传统的“填鸭式”教学法把课堂变成了教师的“一言堂”,使得学生在教学活动中始终处于被动接受地位,极大地压制了学生学习的主观能动性,十分不利于知识的获取以及对学生创新能力及科学思维的培养。而且,“量子力学”这门课程本身实验基础薄弱、理论性较强,物理图像不够直观,一味采取灌输式教学,学生势必感到枯燥,甚至厌烦。长期以往,学习积极性必然受挫,学习效果自然大打折扣。为了提高学生学习兴趣,激发其学习的积极性,培养其科学探索精神及创新能力,笔者在教学方法上进行了一些有益的探索。
  1.发挥学生主体作用
  除却必要的教学内容讲解外,每节课都留出一定的师生互动时间。教师通过创设问题情景,引导学生进行研究讨论,或者针对已讲授内容,使学生对已学内容进行复习、总结、辨析,以加深理解;或者针对未讲授内容,激发学生学习新知识的兴趣(比如,在讲授完一维无限深方势阱和一维线性谐振子这两个典型的束缚态问题后就可引导学生思考“非束缚态下微观粒子又将表现出什么样的行为”),这样学生就会积极地预习下节内容;或者选择一些有代表性的习题,让学生提出不同的解决办法,培养学生的创新能力。对于在课堂上不能解决的问题,积极鼓励学生利用图书馆及网络资源等寻求解决,培养学生的科学探索精神。此外,还可使学生自由组合,挑选他们感兴趣的与课程有关的题目进行讨论、调研并完成小组论文,这一方面激发学生的自主学习积极性,另一方面使其接受初步的科研训练,一举两得。 
  2.注重构建物理图像
  在实际教学中着重注意物理图像的构建,使学生对一些难以理解的概念和理论形成较为直观的印象,从而形成深刻的记忆和理解。例如:借助电子束衍射实验,通过三个不同的实验过程(强电子束、弱电子束及弱电子束长时间曝光),即可为实物粒子的波粒二象性构建出一幅清晰的物理图像;借助电子束衍射实验图像,再以光波类比电子波,即可凝练出波函数的统计解释;借助电子双缝衍射实验图像,可使学生更易接受和理解态叠加原理;借助解析几何中的坐标系,可很好地为学生建立起表象的物理图像。尽管这其中光波和电子波、坐标系和表象这些概念之间有本质上的区别,但借助这些学生已经熟知和深刻理解的概念,可使学生非常容易地接受和理解量子力学中难以言明的概念和理论,同时,也可使学生掌握这种物理图像的构建能力,对培养学生的创新思维具有非常积极地作用。
  三、教学手段和考核方式改革
  1.课程教学采用多种先进的教学方式
  如安排小组讨论课,对难于理解的概念和规律进行讨论。先是各小组内讨论,再是小组间辩论,最后老师对各小组讨论和辩论的观点进行评述和指正。例如,在讲到微观粒子的波函数时,有的学生认为是全部粒子组成波函数,有的学生认为是经典物理学的波。这些问题的讨论激发了学生的求知欲望,从而进一步激发了学生对一些不易理解的概念和量子原理进行深入理解,直至最后充分理解这些内容。另外课程作业布置小论文,邀请国内外专家开展系列量子力学讲座等都是不错的方式。
  2.坚持研究型教学方式
  把课程教学和科研相结合,在教学过程中针对教学内容,吸取科研中的研究成果,通过结合最新的科研动态,向学生讲授在相关领域的应用以培养学生学习兴趣。在量子力学诞生后,作为现代物理学的两大支柱之一的现代物理学的每一个分支及相关的边缘学科都离不开量子力学这个基础,量子理论与其他学科的交叉越来越多。例如:基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚态物理到中子星、黑洞各个层次的研究以量子力学为基础;量子力学在通信和纳米技术中的应用;量子理论在生物学中的应用;量子力学与正在研究的量子计算机的关系等,在教学中适当地穿插这些知识,扩大学生的知识面,消除学生对量子力学的片面认识,提高学生学习兴趣和主动性。
  3.利用量子力学课程将人文教育与专业教学相结合
  量子力学从诞生到发展的物理学史所包含的创新思维是迄今为止哪一门学科都难以比拟的。在19世纪末至20世纪初,经典物理学晴空万里,然而黑体辐射、光电效应、原子光谱等物理现象的实验结果严重冲击经典物理学理论,让经典物理学陷入危机四伏的境地。1900年,德国物理学家普朗克创造性地引入了能量子的概念,成功地解释了黑体辐射现象,量子概念诞生。1905年,爱因斯坦进一步完善了量子化观念,指出能量不仅在吸收和辐射时是不连续的(普朗克假设),而且在物质相互作用中也是不连续的。1913年,玻尔将量子化概念引入到原子中,成功解释了有近30年历史的巴尔末经验光谱公式。泡利突破玻尔半经典、半量子论的局限,给予了令玻尔理论不安的反常塞曼效应以合理解释。1924年,德布罗意突破普朗克能量子观念提出微观粒子具有波粒二象性,开始与经典理论分庭抗礼。和学生一起重温量子力学史的发展之路,在教学过程中展现量子力学数学形式之美,使学生在科学海洋中得到美的享受,从精神上熏陶他们的创新精神。
  4.考试方式改革
  在本课程的教学中采用了教考分离,通过小考题的形式复习章节内容,根据学生的实际水平适当辅导答疑,注重学生对量子力学基础知识理解的考核。对于评价系统的建立,其中平时成绩(包括作业、讨论、综合表现等)占30%,期末考试占70%。从实施的效果来看,督促了学生的学习,收到了较好的效果,受到学生的欢迎。
  四、结论
  通过近年来的改革尝试,我校的“量子力学”教学水平稳步提高,加速了专业建设。2009年,我校“量子力学”被评为校级精品课程,教学改革成果初现。然而,关于这门课程的教学仍存在不少问题,如教学手段单一、与生产实践结合不够紧密等等,这些都需要教师在今后教学中进一步改进。
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