地方工科院校《量子力學》課程教法的探索與實踐

李永峰+何建麗

量子力學是20世紀物理學取得的最偉大成就之一，也是物理類專業標志性課程。量子力學主要研究對象是原子、分子等微觀客體的運行規律，由于它的出現，材料學在導電性、超導性、磁性領域都有了突破性的進展，除此之外它還對化學、生物學、天文等學科和許多近現代技術產生了深遠的影響。

量子力學不同于以往力、熱、光、電這些經典物理，它有自己獨特而全新的理論框架體系，初次接觸該課程的學生很難接受，量子力學的創建者之一波爾就曾說過“如果誰在第一次學習量子概念時不覺得糊涂，他就一點也沒有懂”。本人從2011年開始講授《量子力學》課程，先后教過5屆學生，對于如何教好普通地方工科院校的學生，有一些體會。

1 講授量子力學建立背景很重要

對于任何一門課程，只掌握書本里相關的公式、定律，能熟練地做課后題是不夠的，這些只能讓學生知其然而不知所以然。更何況正如波爾所說，初次接觸量子力學的人本身就很困惑，如果剛開學直接講授物質波、波函數的統計解釋、不確定性原理，用薛定諤方程計算能級和波函數，學生會一頭霧水，不知道這些知識是什么，有什么用？如果我們回顧一下量子力學產生過程：開爾文的“兩朵烏云”、普朗克解釋“黑體輻射”、愛因斯坦解釋“光電效應”（包括康普頓散射實驗的驗證）、波爾的氫原子理論，物理學的發展還是有規可循的，有這些前期成果作鋪墊，德布羅意物質波理論、薛定諤方程、波函數的統計解釋容易被接受，再告訴學生勢阱看做簡化的原子模型，得到的能級與原子發光機理相聯系，學生學起來就會明白一些。這樣適當增加量子力學建立背景，使學生明白它不是憑空產生的，是人類認識世界到了微觀層次，由實驗和理論相互促進的必然結果，教學效果會好很多。

2 講授數學知識儲備和課本的組織框架很重要

量子力學中微觀體系的狀態用波函數來描述，每一個狀態可以看成數學中的希爾伯特空間的一個矢量，線性代數中所學的矢量運算法則（如矢量的加法、數乘、內積等）成了量子力學中基本運算。在矩陣力學中，態和力學量又可以用一個矩陣來表示，矩陣的運算法則及相關概念也是掌握量子力學所必須的。薛定諤方程本身就是一個偏微分方程，量子力學中的期望值也需要與概率相關的知識。《量子力學》課程一般開設在本科大三年級，所有數學知識都已學過，同時學生也有所遺忘，如果在正式授課前帶領學生復習一下相關數學知識，不僅使學生學習更輕松，也有助于一些考研同學的復習，起到事半功倍的效果。

學生在接觸一門新課時，隨著學習的深入很容易陷入“只見樹木不見森林”的困境，所以講授一些書本的理論框架也比較重要。我們使用的是周世勛的《量子力學教程》，該書淺顯易懂，邏輯清晰，適合普通地方工科院校的學生作為量子力學的入門課本。如果學生明白課本的安排，包括這么幾部分：描述一個狀態及狀態隨時空的演化法則、狀態中物理量的獲取、微擾理論、自旋及多體，外加一獨立成章的矩陣力學，學習起來會清晰許多，明白自己的學習進度，前后章節的聯系，教學效果自然會得到提升。

3 講授名人軼事，聯系學科最新進展

和其他理論課程一樣，《量子力學》抽象難懂、推導過程復雜，講授會枯燥乏味。所幸量子力學建立的年代是上世界物理學發展的黃金時代，英雄輩出，群星璀璨。量子力學的締造者如普朗克、愛因斯坦、波爾、德布羅意、薛定諤、海森堡、狄拉克、泡利等人身上都充滿了傳奇，從他們身上不僅可以學到知識、啟迪智慧，每一個物理規律發現背后的故事、名人之間的師承門派還可以作為調節課堂氛圍的資料，讓學生感受到量子力學也是有血有肉的活生生的誕生在現實社會中，而不是如天外飛仙那般突然現世。學生有了這種親近感，學習起來也會有動力。

盡管量子力學理論框架于20世紀30年代已經基本建立，成功的解釋了很多實驗現象，也影響了諸如化學、生物、材料等諸多學科的發展，但圍繞量子力學基本概念、原理、物理圖像的理解一直爭論不斷，隨著實驗手段的進步，諸如量子通訊、量子計算、拓撲絕緣體、量子霍爾效應、外爾半金屬等許多新成果不斷涌現，成為當今世界一個又一個的研究熱點，不斷提升人類認識物質世界的高度和深度。課堂上介紹這些學科的前沿進展，讓學生感受量子力學的魅力和生命力，能極大的促進學生學習的興趣。

4 合理實用多媒體課件教學

隨著網絡和計算機應用的發展，多媒體課件豐富了教學手段和內容，為教學帶來了諸多便利。在講授氫原子的量子理論時，公式繁瑣、推導冗長，如果一一板書講授，學生很容易聽到后面忘了前面，如果提前做好課件，推導過程以幻燈片的形式播放，重點講授推導邏輯和幾個關鍵點，這樣學生學習起來會省力很多。還有如果把電子衍射圖像形成過程用動畫演示的方式播放，學生對波函數統計解釋的理解會加深很多。

多媒體教學會加強課堂上教學的交流、提高學生信息獲取量，激發學生學習的積極性，但事物都具有兩面性，多媒體課件能為教學引入很多便利，也有一些不足。如過分的使用多媒體課件，一張張的過幻燈片，除了信息量太多，學生還會被課件中動畫、視頻所吸引，忽視其中公式推導，及和老師的交流，這樣學習層次很容易流于表面，不能深入；反之如果教授板書講授，物理過程仔細推導，關鍵處點評交流，學生有時間去思考和參與討論，能夠加深對知識的理解，有利于構建他們的知識體系。總之“尺有所短寸有所長”，只有傳統板書教學與多媒體教學有機結合，才能達到提高教學效果這一根本目標。

《量子力學》在物理專業的課程體系中占有重要的地位，對學生的發展更為重要，讓學生更容易的認識、接收、理解、應用相關知識，讓學生在學習過程中加深對物理學的熱愛，是我們教學的最終目標，也是我們教師的責任。希望這些粗淺的思考能為其他地方工科院校的教學提供一些參考。

【參考文獻】

[1]曾謹言.量子力學教學與創新人才培養[J].物理，2000，29（7）.

[2]田光善.關于本科生量子力學教學的一些體會[J].大學物理，2001，30（3）.

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