材料物理專業(yè)量子力學(xué)教學(xué)方法探索與實(shí)踐

摘 要 針對(duì)材料物理專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)課程所面臨的困難，通過(guò)對(duì)近年來(lái)教學(xué)實(shí)踐的總結(jié)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段進(jìn)行探索和實(shí)踐，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，取得了較好的教學(xué)成果。

關(guān)鍵詞 量子力學(xué) 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Teaching Methods and Practice of Quantum Mechanics of

Materials Physics Professional

FU Ping

(College of Materials Science and Engineering， Wuhan Institute of Technology， Wuhan， Hubei 430073)

Abstract For the difficulties faced by students in Materials professional to learn quantum mechanics physics course， by a summary of teaching practice in recent years， from the teaching content， teaching methods and means of exploration and practice， students mobilize the enthusiasm and initiative， and achieved good teaching results.

Key words quantum mechanics; teaching content; teaching methods

0 引言

量子力學(xué)是研究微觀粒子（如原子、分子、原子核和基本粒子等）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科，它和相對(duì)論是矗立在20世紀(jì)之初的兩座科學(xué)豐碑，一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的兩塊理論基石。相對(duì)論和量子力學(xué)徹底改變了經(jīng)典物理學(xué)的世界觀，并且深化了人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)，改造了人類的宇宙觀和思想方法，它使人們對(duì)物質(zhì)存在的方式及其運(yùn)動(dòng)形態(tài)等的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍。

量子力學(xué)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(xué)的教學(xué)必須以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，包括線性代數(shù)、概率論、高等數(shù)學(xué)、數(shù)理方法等，其又是后續(xù)課程材料科學(xué)基礎(chǔ)、固體物理、材料物理、納米材料等的理論基礎(chǔ)。可見(jiàn)，量子力學(xué)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(xué)生掌握的程度直接影響后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。作者近年來(lái)一直從事量子力學(xué)的教學(xué)工作，針對(duì)量子力學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中存在的現(xiàn)象和問(wèn)題，進(jìn)行了較深入細(xì)致的思考與探討，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中對(duì)本課程的教學(xué)方法進(jìn)行了探索與實(shí)踐，收到了較好的教學(xué)效果。

1 量子力學(xué)教學(xué)面臨的難點(diǎn)

量子力學(xué)研究的是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，微觀粒子同宏觀粒子不同，看不見(jiàn)，摸不著，只有借助于探測(cè)器才能察覺(jué)它的存在和屬性。材料物理專業(yè)學(xué)生之前學(xué)習(xí)的基本上是經(jīng)典物理，而量子力學(xué)理論無(wú)法用經(jīng)典理論進(jìn)行解釋，學(xué)生對(duì)此感到難于理解。因此，經(jīng)典物理的傳統(tǒng)觀念對(duì)學(xué)生思想的束縛，構(gòu)成了學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的思想障礙；量子力學(xué)可以說(shuō)無(wú)處不“數(shù)學(xué)”， 由于材料物理專業(yè)學(xué)生在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)方面與物理專業(yè)學(xué)生相比較為薄弱，在學(xué)習(xí)過(guò)程中普遍感到數(shù)學(xué)計(jì)算繁難，對(duì)大段的數(shù)學(xué)推導(dǎo)表現(xiàn)出畏難情緒。可見(jiàn)，量子力學(xué)對(duì)數(shù)學(xué)的精彩詮釋卻構(gòu)成了學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的心理障礙。這兩大障礙勢(shì)必會(huì)影響量子力學(xué)和后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。在這種情況下，我們應(yīng)當(dāng)怎樣開(kāi)展量子力學(xué)教學(xué)從而使學(xué)生重視并努力學(xué)好該課程就成了一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2 明確教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)、有的放矢

要講授一門課程，首先應(yīng)該對(duì)課程內(nèi)容有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。量子力學(xué)的內(nèi)容可以包括三個(gè)方面：一是介紹產(chǎn)生新概念的歷史背景及一些重要實(shí)驗(yàn)；二是提出一系列不同于經(jīng)典物理學(xué)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(shí)際問(wèn)題的方法。三部分內(nèi)容相互聯(lián)系，層層推進(jìn)，形成完整的知識(shí)體系。作為引導(dǎo)者，教師應(yīng)在這三部分內(nèi)容的教學(xué)過(guò)程中幫助學(xué)生成功地突破兩大束縛。第一部分內(nèi)容教師應(yīng)考慮如何引導(dǎo)學(xué)生入門，從習(xí)慣古典概念轉(zhuǎn)而接受量子概念。在講授這部分內(nèi)容時(shí)要將重點(diǎn)放在“經(jīng)典”向“量子”的過(guò)渡上，引出量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)在研究方法上的顯著不同：經(jīng)典力學(xué)是將其研究對(duì)象作為連續(xù)的不間斷的整體對(duì)待，而量子力學(xué)將其研究對(duì)象看成的間斷的、不連續(xù)的。學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分時(shí)應(yīng)仔細(xì)“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(gè)飛躍，完成思想的突破。第二、三部分是量子力學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，并且涉及大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，教師應(yīng)采取適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段，突出重點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)難點(diǎn)。在物理學(xué)研究中，數(shù)學(xué)只是用來(lái)表達(dá)物理思想并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯演算的工具，不能將物理內(nèi)容淹沒(méi)在復(fù)雜的數(shù)學(xué)形式當(dāng)中。通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)才能得到的結(jié)論，只需告訴學(xué)生，從數(shù)學(xué)上可以得到這樣的結(jié)果就可以了，無(wú)需將重點(diǎn)放在繁難的數(shù)學(xué)推導(dǎo)上，否則會(huì)使學(xué)生本末倒置，忽略了對(duì)量子力學(xué)思想的理解。這樣的教學(xué)可以幫助學(xué)生突破心理障礙，不會(huì)一提量子力學(xué)就想到復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，從而產(chǎn)生抵觸情緒。成功地突破這兩大障礙，是學(xué)習(xí)量子力學(xué)的關(guān)鍵。

3 教學(xué)方法的改革

3.1 利用現(xiàn)代技術(shù)改進(jìn)教學(xué)手段

傳統(tǒng)的板書教學(xué)能夠形成系統(tǒng)性的知識(shí)框架，教師在板書推導(dǎo)的過(guò)程中，學(xué)生有時(shí)間反應(yīng)和思考，緊跟教師的思路，從而可以詳細(xì)、循序漸進(jìn)地吸收所學(xué)知識(shí)，并培養(yǎng)了良好的思維習(xí)慣。但全程板書會(huì)導(dǎo)致上課節(jié)奏慢，授課內(nèi)容有限。目前隨著高校教學(xué)改革的推進(jìn)，授課學(xué)時(shí)相繼減少，對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)方式來(lái)講，要完成教學(xué)任務(wù)比較困難。這就要借助現(xiàn)代科技手段進(jìn)行教學(xué)改革，包括多媒體課件的使用和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。但是在量子力學(xué)教學(xué)中，一些繁雜公式的推導(dǎo)，如果使用多媒體課件，節(jié)奏會(huì)較快，導(dǎo)致學(xué)生目不暇接，來(lái)不及做筆記，更來(lái)不及思考，不利于講授內(nèi)容的消化吸收。鑒于此，對(duì)于量子力學(xué)課程，教學(xué)過(guò)程應(yīng)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(shì)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.2 建設(shè)習(xí)題庫(kù)

量子力學(xué)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(shí)的基礎(chǔ)上，需要通過(guò)大量習(xí)題的演練，循序漸近，才能檢驗(yàn)自己理解的程度，真正學(xué)好這門課程。因此在教學(xué)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)做習(xí)題的重要性。有針對(duì)性地根據(jù)材料物理專業(yè)量子力學(xué)的教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容，參考多本量子力學(xué)教材和習(xí)題集，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建設(shè)量子力學(xué)習(xí)題庫(kù)，題型包括選擇、填空、證明、簡(jiǎn)答和計(jì)算題等，內(nèi)容涵蓋各知識(shí)點(diǎn)，從簡(jiǎn)到繁、由淺至深。題庫(kù)操作方便，學(xué)生可自行操作，并對(duì)所做結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)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(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。

3.3 加強(qiáng)與學(xué)生互動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

教學(xué)是一個(gè)師生互動(dòng)的過(guò)程，應(yīng)讓學(xué)生始終處于主動(dòng)學(xué)習(xí)的位置而不是被動(dòng)的接受。量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)更應(yīng)積極調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，因此教師應(yīng)在教學(xué)過(guò)程中加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)。增設(shè)課前提問(wèn)、課后討論環(huán)節(jié)，認(rèn)真批改作業(yè)，積極發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的問(wèn)題，并及時(shí)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入講解，解決問(wèn)題。另外，由于量子力學(xué)是建立在一系列基本假定基礎(chǔ)之上的，抽象難懂，鑒于學(xué)生難接受的情況，在授課時(shí)注意理論聯(lián)系實(shí)際，盡可能進(jìn)行知識(shí)的滲透和遷移，將量子力學(xué)在實(shí)際中的應(yīng)用穿插于教學(xué)之中，豐富教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)拓學(xué)生視野，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)近年來(lái)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)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(xué)課程教學(xué)的方法，該方法教學(xué)效果良好。在近幾年的研究生入學(xué)考試中，學(xué)生量子力學(xué)課程的成績(jī)優(yōu)秀，說(shuō)明采用這樣的教學(xué)方法是成功的。

資助項(xiàng)目：武漢工程大學(xué)2010年校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目（X201037）

參考文獻(xiàn)

[1] 曾心愉，裴文杰，宋宇辰，量子力學(xué)及其學(xué)習(xí)方法——獻(xiàn)給自學(xué)量子力學(xué)的人們[J].大學(xué)物理，1993(12):42，47.