淺談量子力學教學中學生學習興趣的培養策略

鐘濤

摘要：針對普通高校大學生在量子力學課堂上不夠專注，對學習量子力學缺乏興趣和積極主動性的現狀，根據自己在量子力學教學工作中的實踐經驗提出若干建議和技巧。

關鍵詞：量子力學;課堂教學;學習興趣

量子力學是普通高校物理學專業最重要的專業主干課之一，同時也是物理學方向研究生考試的必考科目之一。量子力學是學習固體物理、核物理、量子場理論以及粒子物理學等課程的理論基礎，而且在宇宙學、化學、生物學、材料學等學科和激光、電子顯微鏡、核武器、現代電子工業等許多近現代技術中有著廣泛的應用。同時量子力學是一門不同于經典物理學的獨立學科，體現了一種全新的思維方式，其對物質世界的基本假設對于學生樹立正確的世界觀意義重大。因此，對于物理學專業的本科生而言，不管將來從事理論工作，還是實驗工作，甚至不再從事物理方面的工作，都應該學好量子力學。然而不幸的是，很大一部分學生都認為量子力學太難，對學習量子力學缺乏興趣和主動性。具體表現則是，課堂上埋頭“苦讀”的學生越來越多而抬頭認真聽課的學生越來越少;課后作業幾乎千篇一律;而主動課前預習或查閱其他相關參考書的學生更是鳳毛麟角。因此，作為量子力學任課老師，如何把握好課堂上短短45分鐘，激發學生的興趣，調動學生的積極性，把學生的注意力牢牢吸引在自己講授的內容上，是我們除了單純教授知識外最重要的工作。下面筆者將結合自己的教學經歷，談一談在量子力學教學中的一些建議和技巧。

一、建立融洽的師生關系

建立融洽的師生關系是激發學生學習興趣的基礎。要使學生喜歡上量子力學課，首先要讓他們對任課教師有好感。而要讓學生對教師有好感，必須從老師自身各方面著手。任課教師首先必須做到認真備課，努力提高自己的教學水平，寬嚴相濟，堅持原則。只有業務能力強而又堅持原則的老師才會得到學生們的尊重。對學生在學習中遇到的問題和犯下的錯誤，應寬厚、溫和、有耐心地對待，這樣才能贏得學生的信任和愛戴。平時多傾聽學生的反饋意見，適當修正自己的講課思路和課堂教學方式，使之更切合學生的實際。當然，很多本科生尤其是理科生不太喜歡和老師面對面交流。對此，筆者介紹一個小技巧以供參考。可以在量子力學課程進行到一半時，組織一次學生對老師教學方式、教學內容甚至是教師本人等等各方面的意見反饋，以書面匿名的方式進行。收回這些反饋意見后，教師要盡快在課堂上進行口頭回復，對于合理的意見和建議要接受，而對于做不到的要求也要耐心地給予解釋。以筆者過去的經驗，每當組織這樣的反饋活動后，師生關系的融洽程度都會得到明顯地提升。

二、讓學生指揮老師，在課堂上形成良性互動

課堂教學不是任課老師一個人的獨角戲，而是師生共同參與的互動。要形成課堂上的良性互動，首先需要學生們能張開嘴，積極發言。以不確定關系的推導過程為例[1]：

以上推導過程只要稍作提示，幾乎所有學生都能獨立完成。在這種情況下可以讓學生來指揮老師，即讓所有學生口述推導過程，而老師跟著學生在黑板上將推導過程板書出來。這樣做可以很好的活躍課堂氛圍，而由于從眾心理，可以調動絕大部分學生的積極性。類似的推導過程幾乎貫穿了整個量子力學的教學過程，因此讓學生指揮老師是一個簡單、有效、在量子力學教學中可以廣泛使用的調動學生積極性的方法。

三、適當加入與知識點相關的人物歷史背景

在教學過程中，具體講解知識點時，適當穿插相關人物歷史背景，可以明顯提升學生的學習興趣。比如在教材[1]的緒論中講到光電效應時可以加入當時發生的一些故事[2]：愛因斯坦為解釋光電效應而提出的光量子理論和光電方程最初并沒有獲得物理學界的認可。連普朗克都說愛因斯坦在思辨中可能走得太遠了。而美國物理學家密立根的反對尤其激烈。從1912年起，他決心用實驗徹底否定愛因斯坦的光量子理論。但是實驗中出現了意想不到的局面：他越是把實驗做得更精確，愛因斯坦的光電方程竟然越顯得正確無誤。結果是，本想推翻愛因斯坦光電方程，卻“歪打正著”地證實了這個方程的正確性，并且還率先測出了一個極為重要的常數——普朗克常數。這個略帶幽默性的小故事對提高學生學習光電效應這個知識點的興趣效果顯著，而且印象深刻。量子力學中有很多知識點如黑體輻射、康普頓散射、微觀粒子的波粒二象性、薛定諤方程、不確定關系、狄拉克符號、斯塔克效應、電子自旋、泡利原理等等都可以通過介紹相關人物歷史背景的方法來增加學生學習興趣。

四、結合生活中的例子作類比，幫助學生理解和接受量子力學中的基本假設和物理概念

量子力學在對物質世界的基本認知上和學生以前學習的經典物理學有著很大的差異，這導致學生在學習過程中對某些物理概念和基本假設難以理解。此時采用生活中的某些例子進行類比，可以幫助學生接受和理解這些基本假設和物理概念。例如在波函數的統計解釋這一小節中，需要學生深刻理解微觀粒子的顆粒性。通常通過對經典粒子和微觀粒子的對比來進行教學。經典粒子和微觀粒子都具有“有一定質量、電荷等‘顆粒性”這一性質。相比微觀粒子，經典粒子還具有兩個性質：有確定的軌道;每一時刻有一定的位置和速度。此時可以乒乓球或教師手上拿著的粉筆作為例子進行講述。從而可加深學生的直觀理解。類似的方法還可用于力學量完全集、全同粒子等等知識點的講解。

五、補充必要的數學和物理知識，使基礎差的學生也能跟上學習進度

量子力學的學習需要一些數學和物理學方面的基礎，如微分方程、線性代數、分析力學等等。一般而言這些課程學生在學習量子力學前都已經學習過，但部分基礎差的學生對此掌握得并不牢固。所以在教學過程中應進行必要的補充。如在講解教材[1]中2.7節線性諧振子時，教材中提到其勢能公式為。筆者在過去的教學過程中發現有很多學生并不知道這個公式是怎么得到的，這會使得他們在進一步學習時心里不踏實，從而降低學習效果。如果以經典諧振子為例補充如下推導則可以很好的解決這個問題。由胡克定律，經典諧振子受力為：

六、講解知識點在現實中的具體應用

學生在學習量子力學的過程中，常常被這樣一個問題困擾：學習的這些知識具體有什么用處？雖然在緒論中給出了這個問題的答案，但這個答案非常籠統，并不能為學生帶來直觀的感受，這也在一定程度上降低了學生學習量子力學的興趣。基于這樣一種情況，教師在教學過程中，針對具體的知識點，應盡可能的增加該知識點在當今現實生活和科學技術方面的應用。如在學習完教材[1]中2.8節勢壘貫穿這一知識點后，對隧道效應怎么具體應用到掃描隧穿顯微鏡中應給出更明確的介紹（配以適當圖片）：掃描隧穿顯微鏡的探針針尖在原子尺度，在掃描樣品時針尖的高度在一個納米的量級，工作時在外加電壓作用下，針尖與樣品之間由于隧道效應而有電子逸出，形成隧道電流。電流強度和針尖與樣品間的距離有關，當探針沿樣品表面按給定高度掃描時，探針與樣品表面間的距離隨樣品表面原子凹凸不平而不斷改變，從而引起隧道電流的改變。將這種改變圖像化即可顯示出樣品表面的凹凸形態。這樣學生就能直觀地理解隧道效應的應用，從而對該知識點掌握得更牢固。

總之，以上建議和技巧都是為了教師能夠在課堂上吸引住學生的注意力，讓學生對所講的知識點能夠聽懂并掌握。此外任課教師還應該抽出適當的時間進行答疑和對課后練習中的重點和難點進行講解，或者在布置作業時進行必要的提示。總之，作為量子力學任課教師，就是要想方設法、“不擇手段”地讓學生在課堂學習和課后練習中獲得成功，而隨著這樣的成功不斷積累，學生也就自然而然地建立起了學習量子力學的信心，而這種信心正是學生對量子力學產生興趣的源泉，而興趣又會促使學生積極主動地學習后續知識和完成課后練習并從中取得成功，……，這樣就形成了學生學習量子力學的良性循環。

參考文獻：

[1]周世勛，陳灝. 量子力學教程[M]. 第2版. 北京：高等教育出版社，2009.

[2]楊建鄴. 光怪陸離的物質世界：諾貝爾獎和基本粒子[M]. 北京：商務印書館，2008.