農林專業量子力學知識的教學嘗試

趙新麗 張金波

(揚州大學物理科學與技術學院 江蘇 揚州 225002)

在農林專業開設大學物理課的作用，不僅在于為學生后續課程較系統地打好必要的物理基礎，更重要的是讓學生學會科學的思維方法和研究問題的方法，這對開闊學生的思路、激發探索和創新精神、增強適應能力、提高科學素質都將起到非常重要的作用[1]. 量子力學是20世紀物理學的主要進展之一[2]，對現代物理學和人類物質文明有著非常深遠的影響[3].因此，這一章內容的講授也是農林專業物理教學的一個極為重要的組成部分．筆者在調研中發現，學生普遍反映量子力學難，太抽象，聽不懂，而且對于農林類專業，物理課時少，學生更是不知道量子力學是研究什么的學科.近年來，結合農林專業教學實際，我們對該課程教學方法進行了探索性嘗試,收到了很好的教學效果，現總結如下.

1 講述理論背后故事 激發求知欲望 感染教育學生

筆者在講課前先放映了一段紀錄片“愛因斯坦未竟之篇章”，該片記錄了愛因斯坦深信宇宙的本質是美麗而簡單的，一定有一個統一理論能闡釋宇宙間所有的物理現象，在這份信念的支撐下，即使晚年臥病在床，他依舊孜孜不倦地推演計算著.遺憾的是，盡管愛因斯坦耗盡了后半生，但依舊沒有找到這樣的理論.正當愛因斯坦在尋找統一理論的道路上屢屢受挫的時候，一群年輕的科學家奪走了愛因斯坦的光芒，引領了物理的主流.他們創立了一個描述微觀世界的物理理論——量子力學，這個理論讓我們知道，微觀世界與我們肉眼看到的宏觀世界完全不同，它如此的神奇魔幻，超越了當時所有科幻作者的想像力.

這段量子理論背后的故事放映完畢之后，同學們七嘴八舌，有的談論著愛因斯坦之偉大，有的驚嘆物理界天才之可敬，還有的談論著量子理論之神奇，極大地活躍了課堂氣氛.這段故事不僅激發了學生學習量子理論中創新思想、創新方法的興趣、熱情、求知的欲望，而且科學家對科學的不懈追求的精神以及他們的光輝業績也深深地感染和教育著學生，幫助學生樹立正確的人生觀和價值觀.

2 使用類比方法引導學生探索

運用類比思維可以把陌生的對象和熟悉的對象進行比較，從而激發學生探索的意向，引導學生進行探索，使學習成為學生自覺積極的活動，發展學生的思維能力[4]．正如前蘇聯學者瓦赫羅夫所說：“類比像閃電一樣，可以照亮學生所學學科的黑暗角落”.課堂上我們先簡單介紹愛因斯坦的光的波粒二象性，然后告訴大家德布羅意受到愛因斯坦光的波粒二象性的啟發后，提出一個大膽假設：運動著的實物粒子也具有波粒二象性.因為光的波粒二象性已被同學們所熟知，在這基礎上實物粒子波粒二象性的提出較易被學生掌握.然后對大家提出這樣的問題：如果微觀粒子具有波動性，怎么來驗證呢？通過上面的類比，同學很容易想到：通過光的單縫(雙縫)衍射(干涉)和X射線在晶體上的衍射這兩個例子證明了光的波動性，那么要驗證微觀粒子的波動性，以電子為例，可以讓電子通過雙縫或晶體來驗證其波動性.微觀粒子的波動性被驗證之后，人們又提出問題：這種“物質波”是一種什么性質的波函數呢？同樣，同學們能不能通過類比受到啟發給出答案呢？為了理解“物質波”概念，而把電子波類比為光波，從描述光波E的疊加性和光的強度正比于光振動振幅的平方來理解電子波函數的迭加原理和統計意義．這樣以光波的引入，類比展開說明微觀粒子的性質.當然這種方法只能起到使學生初步理解概念的輔助作用，畢竟物質波和光波的物理實質還是不太一樣的．

實踐證明，在啟發的基礎上恰當地運用類比，增強了學生的學習興趣, 加強了師生間的互動，使得學生對知識容易理解和接受。不僅如此，更重要的一點是學生同時還學會了一種物理的思維方法和接受、理解知識的一種方式.

3 強調量子力學與經典力學的不同

對經典理論學生已經很熟悉，而量子力學從研究規律到描述方式和經典物理完全不同，所以初學者不易接受。在教學中將二者進行比較, 找出差異,效果很好。例如，經典力學質點狀態用質點的坐標和速度描寫，量子力學微觀粒子狀態用波函數描寫；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波粒二象性概念、統計原理等都與經典力學中的相關概念區分開，闡明清楚其真正內涵.

總之，面對課時短、數學和物理基礎比較薄弱的農林專業學生的物理教學，不可能面面俱到，只能是“蜻蜓點水”，但我們更重要的任務是讓學生學會科學的思維方法和研究問題的方法.

參考文獻

1 林智群.將物理學史引入農科類專業物理課程教學的思考與嘗試.西南農業大學學報，2010，8(5)：243～245

2 曾謹言.量子力學:卷Ⅰ(第2版).北京:科學出版社,1997.35～278

3 潘桂俠.淺談如何學好量子力學.科技信息，2010(17)：645

4 曹錦.巧用“類比”方法，提高初中科學教學質量. 新校園(理論版)，2011(5):89～91