探索和實踐：量子力學與固體物理課程群的建設

蓋彥峰 牟從普 田廣軍

[摘要]隨著科技的進步，量子力學和固體物理對于物理、材料科學和工程技術等多個領域產生了深遠影響，對量子力學和固體物理的理解變得越來越重要。然而，現有的課程設置往往將量子力學和固體物理作為獨立的學科來教授，缺乏對二者之間聯系的綜合性教育。本文提出了一種課程群的建設方案，并總結了課程群的優勢和潛在挑戰。通過建設量子力學和固體物理課程群，學生將能夠更好地理解和應用這兩個領域的知識，為未來的科學研究和技術創新做出貢獻。

[關鍵詞]量子力學；固體物理；課程群

[中圖分類號]O48 [文獻標識碼]B

[DOI]：10.20122/j.cnki.2097-0536.2023.07.032

引言

量子力學在現代物理中扮演著至關重要的角色。以下是量子力學對現代物理的重要性的幾個方面：一是描述微觀世界。量子力學提供了描述和解釋微觀粒子行為的框架。它可以描述粒子的位置、動量、能量和自旋等性質，并通過波函數來描述這些性質的概率分布。同時提供了描述粒子之間相互作用和量子態演化的工具，也為粒子物理學中的量子場論提供了基礎。二是量子力學的發展對原子物理和分子物理的理解至關重要。它可以解釋原子和分子的能級結構、光譜現象和化學反應等。例如，通過量子力學，我們可以理解電子在原子軌道中的分布和躍遷，從而解釋光譜線的產生和特征。三是量子信息科學，涉及利用量子力學的性質來處理和傳輸信息。量子力學中的量子疊加態和糾纏現象使得量子比特能夠以并行和同時處理信息的方式工作，這在信息處理和加密領域具有潛在的優勢。量子力學的研究和應用不斷推動著物理學和相關學科的發展。

固體物理是研究固體材料的性質和行為的物理學分支，對現代科學和技術的發展具有重要性。首先，固體物理為材料科學和工程提供了基礎。它研究了固體材料的結構、晶體缺陷、電子結構、熱學性質和機械性能等。這些知識對于開發新材料、改進材料性能以及設計和制造先進的材料和器件至關重要。其次，固體物理的研究揭示了半導體中電子的能帶結構、載流子行為、電子遷移和場效應等原理，為半導體器件的設計、制造和優化提供了理論依據。最后，固體物理研究了凝聚態物質的性質和行為。它探索了固體材料中的相變、磁性、超導性、光學性質等現象。這些研究對于理解物質的基本性質和相互作用至關重要。固體物理為新材料的發現和功能材料的設計提供了理論指導，如拓撲絕緣體和量子材料等。固體物理推動了材料創新、器件設計和物理理論的發展，對于解決能源、信息技術和材料科學等重大挑戰具有重要意義。

一、固體物理與量子力學之間的關系

量子力學和固體物理之間存在密切的聯系和相互依賴關系。固體物理是基于量子力學的理論框架，研究固體材料的性質和行為：一是電子結構。量子力學提供了描述電子行為的框架，電子結構的理解對于解釋固體的導電性、磁性和光學性質至關重要。二是固體物理中的能帶理論基于量子力學的原理，描述了固體中電子的能量分布和能級結構。基于量子力學對電子結構和波函數的理解，通過改變固體材料的結構、組成或外部條件，可以調控能帶結構和電子行為。三是自旋電子學：固體物理中研究磁性材料和自旋電子學的理論依賴于量子力學描述自旋的框架基礎，并解釋了磁性材料中的交換作用和磁性相互作用。總而言之，固體物理的研究和理解依賴于量子力學的基本原理和概念。量子力學為解釋和預測固體材料的性質、行為和相互作用提供了理論基礎。固體物理的研究又進一步推動了量子力學的發展。量子力學與固體物理是理解和解決現代科技問題的關鍵。為了更好地培養具有這種知識和能力的人才，高等教育需要構建一個全面、有深度、并具有交叉性的課程群。課程群應該以基礎課程為基礎，然后通過增加專業選修課程來增加深度和廣度。課程群應強調理論與實踐的結合，以及不同課程之間的連貫性：一是基礎課程應該提供基礎的量子力學和固體理論課程，以介紹這兩個領域的基本概念和原理。二是在基礎課程的基礎上，可以提供更高級的課程，例如量子場論、凝聚態物理、固態量子計算等，以加深學生對這兩個領域的理解。三是引入與其他學科相關的課程，例如材料科學、納米技術、量子信息等，以拓寬學生的視野和知識結構。

二、當前的問題和挑戰

數學基礎要求：量子力學和固體物理都是高度數學化的學科，對學生的數學基礎要求較高。學生需要熟悉線性代數、微積分和微分方程等數學工具，以便理解和應用相關的物理概念和方程。因此，在建設課程群時，需要考慮如何幫助學生提升數學能力，并提供適當的數學預備知識[1]。

抽象概念的理解：量子力學和固體物理涉及一些抽象和非直觀的概念，如波函數疊加、量子隧道效應和電子能帶結構等。這些概念對學生來說可能是挑戰性的，因為它們與我們日常經驗的直觀理解有所不同。在課程設計中，需要采用多種教學方法，如可視化工具、模擬演示和具體實例，幫助學生更好地理解這些抽象概念。[2]

實驗教學：量子力學和固體物理的理論基礎非常重要，但實驗也是培養學生實際技能和直觀理解的關鍵。然而，開展實驗教學可能面臨成本高昂、設備復雜和安全風險等挑戰。解決這些問題需要投入適當的資源，并設計出適合學生水平和實驗條件的實驗項目。

最新研究和應用：量子力學和固體物理領域一直在不斷發展和演進。建設課程群時，需要關注最新的研究進展和應用領域，并將其納入課程內容中。這可以通過更新教材、邀請行業專家進行講座或組織實踐項目等方式實現，以使學生與最新的科學和技術趨勢保持接軌。

多學科融合交叉：固體物理和量子力學與其他學科有著密切的關聯，如化學、材料科學和電子工程等。建設課程群時，可以考慮引入跨學科的內容，鼓勵學生綜合運用不同學科的知識來解決實際問題。這有助于培養學生的綜合思維能力和跨學科合作能力。

更新與發展：量子力學和固體物理是不斷發展的領域，新的理論、實驗和技術不斷涌現。因此，建設課程群需要與最新的研究和發展保持同步。教師需要保持更新知識和提高專業素養，并靈活地調整教學內容和方法。綜上所述，建設量子力學和固體物理課程群需要克服數學基礎、理論與實驗結合、抽象概念理解、多學科融合和跟蹤最新研究等一系列問題和挑戰。通過綜合運用多種教學方法和資源，提供適當的數學和實踐支持，可以有效地幫助學生理解和應用這些重要的物理學科。

三、建設策略

課程設計與教學方法：確保課程群的設計具有合理的結構和邏輯。提供數學預備課程或支持課程，幫助學生掌握所需的數學知識和技能，使學生具備足夠的數學基礎。從基礎概念開始，逐漸引入復雜的主題和技術，建立學生對量子力學和固體物理的系統性理解。將核心的理論內容與實際應用和實驗聯系起來，以促進學生的實際應用能力和實驗技巧的培養。[3]采用多樣化的教學方法和工具，以滿足不同學生的學習需求和學習風格[4]。除傳統的課堂講授外，可以包括小組討論、案例研究、實踐項目、模擬實驗、計算機模擬和在線學習資源等。利用現代技術和教育工具，提供互動性和可視化的學習體驗。

鼓勵科研和實踐：為學生提供參與科學研究和實踐的機會。建立實驗室合作項目、科研導師制度和科學俱樂部等，鼓勵學生積極參與研究項目、學術會議和科學競賽等。這樣可以培養學生的科研興趣和能力，加深對量子力學和固體物理的理解。將量子力學和固體物理的理論與實際應用聯系起來，通過案例分析和實際問題解決來展示其在科學研究和技術領域的應用。這可以增加學生的興趣和動機，加深他們對概念的理解和實際應用能力。

教師培訓與發展：為教師提供培訓和發展機會，使他們能夠掌握最新的研究進展和教學方法。鼓勵教師參與學術研究和專業交流，以保持他們的專業素養和教學水平。

持續更新與發展：量子力學和固體物理領域不斷發展，新的理論和技術不斷涌現。建設課程群要與最新的研究保持同步，更新教學內容和案例。與相關領域的專家和研究人員保持緊密聯系，了解最新的進展和趨勢。

學生反饋與評估：定期收集學生的反饋意見，并進行教學評估和質量監控。根據學生的反饋和評估結果，及時調整教學內容和方法，不斷改進課程群的質量和效果。

四、課程群優勢

理解微觀世界：量子力學和固體物理課程群使學生能夠深入理解微觀世界的行為和性質。學生將學習量子力學的基本原理和固體物理的相關概念，掌握微觀粒子（如原子和分子）的行為和相互作用。這為他們進一步研究和理解物質的性質和現象奠定了堅實的基礎。

解釋材料性質和現象：固體物理的研究與材料科學密切相關，涉及材料的結構、性質和功能等方面。通過學習固體物理，學生能夠理解材料的晶體結構、電子能帶和導電性等重要特征。這有助于他們解釋材料的力學性質、導電性、光學性質等，并為材料設計和應用提供指導。

掌握復雜的數學和分析工具：量子力學和固體物理課程涉及復雜的數學形式和分析工具，如線性代數、微積分、矩陣運算和微分方程等。通過學習這些課程，學生將掌握并應用這些數學工具來解決物理問題。這不僅有助于他們理解量子力學和固體物理的理論框架，還培養了他們的數學建模和問題解決能力。

培養實驗和實踐能力：量子力學和固體物理課程群注重實驗和實踐的培養。學生將有機會參與實驗室實踐、計算模擬和實際應用項目，通過實際操作和數據分析來驗證理論模型和觀察物理現象。這有助于培養學生的實驗設計、實驗技巧和科學推理能力。

培養科學思維和批判性思維：量子力學和固體物理的學習過程需要學生進行邏輯推理、模型建立和實驗驗證。這培養了學生的科學思維能力，使他們能夠提出問題、構建假設、分析數據和做出合理的推斷。同時，學生也將培養批判性思維，學會質疑和評估科學理論和觀點。

探索前沿科學和技術領域：量子力學和固體物理是前沿科學和技術領域，涉及量子計算、量子通信、納米技術等熱門研究方向。學生通過學習這些課程，將了解最新的研究進展和應用前景。這為他們未來從事學術研究、工程技術和創新領域提供了廣闊的發展機會。

總之，量子力學和固體物理課程群為學生提供了深入了解微觀世界和材料行為的機會，培養了他們的數學和實驗能力，為他們未來在學術和科技領域的發展奠定了基礎。

五、結語

量子力學和固體物理課程群的建設對于現代物理教育至關重要。這些課程群能夠為學生提供深入的理論知識和實踐技能，并培養他們的科學思維、問題解決能力和創新意識。通過跨學科整合和實際應用，這些課程群能夠幫助學生理解和應用量子力學和固體物理在科學研究和技術領域的重要性。此外，建設量子力學和固體物理課程群還需要充分考慮數學基礎培養、學習資源支持和教師培訓等因素。量子力學和固體物理課程群的建設對于培養學生的科學素養、關鍵技能和創新能力具有重要意義，同時也為他們了解和參與現代科學和技術的發展提供了契機。這樣的課程群將為學生的學術和職業發展打下堅實的基礎，并為他們未來在科學研究、工程和技術領域的貢獻奠定基礎。

參考文獻：

[1]呼和滿都拉，冀文慧，楊洪濤，等.OBE理念下量子力學課程信息化教學改革探索[J].集寧師范學院學報，2022，44（5）：36-38.

[2]張林，劉永利，張艷輝，等.新工科視域下固體物理課程的研究型教學探索[J].科學咨詢（教育科研），2021（9）：57-58.

[3]延英，張桂菊.關于量子力學課程的教學改革與實踐[J].科學咨詢（科技·管理），2021（9）：281-282.

[4]陳占林，楊少林，馬金福，等.量子力學和固體物理一體化教學模式研究[J].教育教學論壇，2020（02）：273-274.

基金項目：河北省高等教育教學改革研究與實踐項目，項目名稱：“面向多學科的現代物理學微專業建設”（項目編號：2020GJJG052）

作者簡介：

蓋彥峰（1987.1-），男，漢族，河北石家莊人，博士，副教授，研究方向：物理學；

田廣軍（1982.12-），男，漢族，河北石家莊人，博士，教授，研究方向：物理學。

通訊作者：牟從普（1984.6-），男，漢族，河北滄州人，博士，教授，研究方向：物理學。