量子力學創立的建設性思想及其在高校物理教育中的思考

伴隨著新世紀的曙光，回望20世紀人類科學史上偉大的物理理論發現，我們認識到量子力學在奠定近現代物理發展中的啟蒙作用，量子理論的蓬勃發展在能源、材料、信息產業中可謂中流砥柱。然而，人類從對完善理論物理大廈的喟嘆到“紫外災難”中踟躇與迷惘的眼神，邏輯推演的矛盾促使我們需要有創新性的視角和觀點來闡釋“兩朵烏云”，這其中就展現了創造性思想無與倫比的巨大作用。在當代的高校物理理論教育中，提倡“導思、導學、實踐應用”的教學管理論充分體現了高校新課程改革的理念和發展要求，能夠積極促進知識結構的完善和學生對整體脈絡的把握，使師生交流不再狹隘于題目問題的求解而是轉向對思路、方法、原理過程的掌握上來，使物理規律的每一個算式都生動靈活起來。

一、量子理論的建設性觀點

19世紀關于黑體輻射的討論，在應用Kirchhoff熱輻射定律的推導中得出假象絕對黑體的能譜密度函數卻與實驗曲線有比較大的出入。其中，Rayleigh-Jeans的推導公式在高頻區（γ→∞）的無窮趨向與曲線極度不符合，稱為“紫外災難”。

在推導的過程中，在將黑體輻射場等效為電磁駐波振子（電磁橫波，每一種頻率的電磁波又對應不同的偏振方向，等效為一個簡諧振子組成的多自由度力學體系）后，Plank和Rayleigh-Jeans處理的不同就在于能量連續性的假設上。由統計力學我們知道：

假設黑體箱長為L則應用邊界條件：

e｜=e｜

可以推得單位體積在頻率附近單位頻率間隔電磁駐波振子數目為：

dγ

在能量的假設上，Rayleigh-Jeans采用經典Maxwell-Boltzmann分布，認為每一個駐波振子能量連續，并由能量均分定理得到=kT，所以：

能譜密度ρ（γ）=kT這就是在低頻區比較滿足實驗規律的Rayleigh-Jeans公式。

對比可以發現，Plank在解釋插值法求出的公式時，創造性地應用了能量單元的假設：

?綴=n?綴

同樣由Maxwell-Boltzmann分布律可知：

==

同以上處理，ρ（γ）=·

為滿足能譜密度通式ρ（γ）~γ，取εhγ后，便是滿足黑體輻射曲線的Plank標準式。

問題解決的關鍵是對Plank常量h的討論和引入，在h→0的極限場合，便是實現了能量間斷到連續的變化，從而為我們抽象出一種比經典理論更為普遍的量子理論。

二、創設性思想在高校物理教育中的啟迪與思考

傳統的高校物理教育特別是理論物理教育課程一般都是由力、熱、光、電、原子物理等普通課程和電動力學、量子力學、理論力學、統計力學等四門高等物理組成，針對師范生教育工作，要理解適應“讓師范生姓師”的社會需要，這就要求師范生的本科物理學習必須著眼于全局，從物理歷史發展的脈絡去把握整個課程結構，融會貫通，精益求精。

譬如，在普通物理的教育中要適當聯系理論物理中的前沿理論和觀點，為學生后續學習埋下伏筆；在理論物理的教學中，課堂不應當沉浸在漫天迷亂的公式推導中，要闡述每書寫一行算式的內涵和思想，不能將物理的課堂演變成數學雜技的show場，思路斷線往往是大部分學生迷惘、無法深入理解物理學科的第一絆腳石；與此同時，理論物理學科之間的聯系也是很綿密的，正所謂“沒有孤立的理論去闡述一個絕對封閉的對象”，物理的發展和創設性觀點的提出在學科之間都是互通互融的，“一通百通”才能將物理科學學習的深入、透徹。中國古典文學《論語》也講述：“道不遠人。”所有的規律、真理都是樸素溫和的，仔細揣度，讓學生發現物理豁然開朗的淡然淳樸。

誠然，物理的學習也是需要知識串聯的。《基礎教育課程改革綱要》也提出：教學相長，教育應當互動，注重內容滲透，避免被動模仿的學習，培養學生獨立謹慎的思維習慣。“學然知不足，教然知困”，課堂沒有完美的結場，完美的課堂教育依然是show場。在學習過程中教師要時刻提醒學生注重課外相關知識的學習，從而立體地豐富自己的思維和認知水平。

類比于以上量子力學創立的思想假設，我們在教育學習中是否也應該關注這樣一條流程：由史入手—說明目的—實驗發現—觀點假設—理論探究—實驗佐證，讓同學們明確物理究竟要解決什么問題，要闡述的是什么結論和觀點，要啟迪我們的是什么見聞。以上的教學互動流程不也正是當下人類科學研究的步驟和方法嗎？大學物理這種教學思想為我們進一步培養科研人員和理論工作者奠定基礎。

由史入手，把握問題的癥結和新的解決思路。未來的教學中，我們要細細品味電動力學中渦旋電場和位移電流的概念；電磁學中安培針對分子電流的假說又是如何驗證的；Landau關于作用原理的思考又是怎么拓展成分析力學的；一系列實驗磁場的不同，又是如何把Zeeman pachen-back反常Zeeman等效應串聯起來的。我認為，能夠將體系淋漓盡致貫穿講述的高校必然是探究發現的著名學府，能夠把知識醞釀成智慧的學生必將有所造詣。

參考文獻：

［１］曾謹言.量子力學（卷一）.

［２］基礎教育課程改革綱要.教基［2001］17號.