《量子力學》教學對學生創新性思維的培養

摘 要: 《量子力學》是關于微觀物質運動規律的理論，是近代物理各分支學科和交叉學科的理論基礎，它不僅帶動了整個自然科學的發展，催生了許多現代高新技術，而且其蘊涵著豐富的思維創新、方法創新的課程資源。如何結合《量子力學》課程的教學，培養學生的創新思維能力，是值得認真思考的教學問題。

關鍵詞: 《量子力學》 物理圖像 創新思維 培養

《量子力學》是物理學專業重要的專業基礎課程，其教學質量的高低不僅影響到其他后續課程的學習，而且直接影響到物理學專業人才培養目標的實現。衡量物理教學的質量標準應該有三個維度，一是知識與技能維度，二是物理思想和方法論維度，三是物理品格維度。過去的教學，我們往往過多地重視第一維度，而忽視第二、第三個維度。在量子力學教學中，我們結合量子力學及其發展歷史所涵含的豐富的物理思想與方法，開展了學生創新思維能力培養的教學實踐研究。

一、創新型、應用型人才培養目標的要求

考慮到培養21世紀需要的應用型人才目標的要求，而且結合新建本科院校的課程設置的特點，《量子力學》課程的教學方法和教學體系建設應從以下兩方面著手:一方面，著重量子力學概念、規律和物理思想的展現，使學生在知識層面上夠用并且能用，并注意科學人文精神的闡發，為進行物理素質教育與物理教學研究提供量子力學方面的科學素養，如勇于創新、科學、嚴謹等。另一方面，培養學生建立正確的量子力學概念和物理圖像，掌握基本規律，廣泛了解量子力學在推動技術進步方面的作用，開拓思路，培養學生應用物理規律解決應用技術問題的能力。

二、《量子力學》教學中創新意識及創新能力的培養

根據應用型人才培養的目標，我們一直致力于探索一套合適的物理學專業量子力學課程教學的共享數字化教學體系，創建完整的教學資源，力求使學生在學習這門課程的同時受到實踐能力和創新能力的培養。相應措施主要體現在以下三個方面。

(一)創造實驗情景，以實驗和實踐為基礎深化量子力學的原理。

由于量子力學主要研究微觀粒子的運動規律，理論太抽象，許多量子現象和日常的生活經驗不符合甚至相違背，因此在教學中教師必須強調量子力學首先是一門試驗性的科學，應從實驗事實去推理分析，不直接與主觀經驗聯系，并時時將新的概念和結論與經典物理學的結果作比較，使學生能正確理解量子力學的基本概念，從而學會處理具體問題的方法，掌握量子力學的精髓。在講述量子力學基本內容的時候，尋找合適的接口與量子力學原理在實際生產中的應用相聯系。通過這兩方面的著重討論，學生能感受到量子力學的抽象原理是實實在在的、來源于實踐又回到實踐中得到檢驗的、正確的理論。

量子力學實驗從可操作的層面上可大致分為三類，一類是僅存在于人們想象中或目前還不能實現的理想實驗，一類是在高水平的實驗室中可以實現的科學研究實驗，一類是我們讓學生自己動手做的有關教學的基礎性實驗。但無論何種實驗，我們都可以利用多媒體技術在課堂上將其生動形象的展現出來，讓學生不僅深刻認識到實驗在量子力學發展中的重要作用，而且培養用實驗發現問題和驗證假說的能力。例如在講解物質粒子的波粒二象性時，我們用多媒體課件演示單電子衍射實驗。單電子發射時，在熒屏上出現一個亮點，說明電子的粒子性;再發射大量電子，屏幕上出衍射條紋，說明了電子的波動性。這樣，難以講解清楚的知識變得生動活潑，使學生能更快地理解所學的知識，且加深了學生的認知印象，大大提高了學習效率。

(二)充分利用現代媒體的作用，激發學生的創造興趣。

以電腦和互聯網為代表的信息技術已演變為繼傳統媒體后的“現代媒體”。現代媒體將為教學過程提供新的教學手段，并為培養創新人才奠定了技術基礎。通過網絡技術，學生可以突破傳統教學的時空限制，不但可以享受本校教學資源，而且可以享受到全國高水平的教學資源，從而實現優質教學資源的共享，也為各學校的師生討論交流提供了一個很好的平臺。

對于《量子力學》這樣一門抽象的理論課，多媒體技術將圖、文、聲、像等各種教學信息有機的組合在一起，直觀、形象、生動，即使對那些比較抽象，難以理解的理論和日常看不到或拍攝不到的情景，也可以通過三維動畫虛擬實現。多媒體豐富的表現力不僅能打破人類視覺上的樊籬，使得學生從科學與藝術相融的視覺信息中感知抽象、復雜的理論，而且能引發學生無限的遐想，極大地激發了他們的想象力。學生的思維高度活躍從而激發創新火花。

(三)密切結合當前的科技前沿和高新技術，將量子力學知識應用于實踐。

量子力學在各學科中已經有很多成功的應用并催生了許多交叉學科及現代高新技術的產生。在教學中，教師應盡可能進行知識的滲透和遷移，及時將當前與量子力學相關的科技前沿和高新技術引入到教學中，一些知識可以作為簡單的介紹，也可以就某個方面詳細分析，闡明其量子力學原理。例如量子力學與非線性科學的關系，量子理論在耗散系統、納米技術、分子生物學中的應用，量子力學與正在研究的量子計算機、量子保密通信的關系，等等。在教學中教師適當地穿插這些知識，既不會花費太多的時間，又能使教學更生動、易于理解，而且可使學生開拓視野，活躍思維，激發興趣。這樣學生不僅可以學到運用基礎理論指導科學研究的方法，而且可以克服原有的“量子力學就是一種純理論的學科”的片面認識。如我們在講解一維無限深勢阱時，將其與半導體量子阱和超晶格這一現代科學的前沿相聯系;在講解隧道效應時，將其與掃描隧道顯微鏡相聯系，進而可以介紹掃描探針操縱單個原子的實驗。我們通過這種方式使學生對這一部分的知識有了直觀的認識，從而不再感到量子力學的學習枯燥無味。

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該課題由“十一五”國家級課題——中國高校應用型人才培養模式研究重點子課題“新建本科院校物理學專業量子力學課程數字教學資源的立體化建設”資助(FIB070335-A3-16)