材料物理專業(yè)量子力學教學方法探索與實踐

摘 要 針對材料物理專業(yè)學生學習量子力學課程所面臨的困難，通過對近年來教學實踐的總結(jié)，從教學內(nèi)容、教學方法和手段進行探索和實踐，調(diào)動了學生學習的積極性和主動性，取得了較好的教學成果。

關鍵詞 量子力學 教學內(nèi)容 教學方法

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A

Teaching Methods and Practice of Quantum Mechanics of

Materials Physics Professional

FU Ping

(College of Materials Science and Engineering， Wuhan Institute of Technology， Wuhan， Hubei 430073)

Abstract For the difficulties faced by students in Materials professional to learn quantum mechanics physics course， by a summary of teaching practice in recent years， from the teaching content， teaching methods and means of exploration and practice， students mobilize the enthusiasm and initiative， and achieved good teaching results.

Key words quantum mechanics; teaching content; teaching methods

0 引言

量子力學是研究微觀粒子（如原子、分子、原子核和基本粒子等）運動規(guī)律的物理學分支學科，它和相對論是矗立在20世紀之初的兩座科學豐碑，一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學的兩塊理論基石。相對論和量子力學徹底改變了經(jīng)典物理學的世界觀，并且深化了人類對自然界的認識，改造了人類的宇宙觀和思想方法，它使人們對物質(zhì)存在的方式及其運動形態(tài)等的認識產(chǎn)生了一個質(zhì)的飛躍。

量子力學是材料物理專業(yè)一門承前啟后的專業(yè)基礎必修課：量子力學的教學必須以數(shù)學為基礎，包括線性代數(shù)、概率論、高等數(shù)學、數(shù)理方法等，其又是后續(xù)課程材料科學基礎、固體物理、材料物理、納米材料等的理論基礎。可見，量子力學課程在材料物理專業(yè)的課程體系中占有非常重要的地位，學生掌握的程度直接影響后續(xù)專業(yè)課程的學習。作者近年來一直從事量子力學的教學工作，針對量子力學課程教學過程中存在的現(xiàn)象和問題，進行了較深入細致的思考與探討，在實際教學過程中對本課程的教學方法進行了探索與實踐，收到了較好的教學效果。

1 量子力學教學面臨的難點

量子力學研究的是微觀粒子的運動規(guī)律，微觀粒子同宏觀粒子不同，看不見，摸不著，只有借助于探測器才能察覺它的存在和屬性。材料物理專業(yè)學生之前學習的基本上是經(jīng)典物理，而量子力學理論無法用經(jīng)典理論進行解釋，學生對此感到難于理解。因此，經(jīng)典物理的傳統(tǒng)觀念對學生思想的束縛，構(gòu)成了學生學習量子力學的思想障礙；量子力學可以說無處不“數(shù)學”， 由于材料物理專業(yè)學生在數(shù)學基礎方面與物理專業(yè)學生相比較為薄弱，在學習過程中普遍感到數(shù)學計算繁難，對大段的數(shù)學推導表現(xiàn)出畏難情緒。可見，量子力學對數(shù)學的精彩詮釋卻構(gòu)成了學生學習量子力學的心理障礙。這兩大障礙勢必會影響量子力學和后續(xù)課程的學習。在這種情況下，我們應當怎樣開展量子力學教學從而使學生重視并努力學好該課程就成了一個嚴峻的挑戰(zhàn)。

2 明確教學重點和難點、有的放矢

要講授一門課程，首先應該對課程內(nèi)容有一個清晰的認識。量子力學的內(nèi)容可以包括三個方面：一是介紹產(chǎn)生新概念的歷史背景及一些重要實驗；二是提出一系列不同于經(jīng)典物理學的基本概念與原理，如波函數(shù)、算符等概念和相關原理，是該課程的核心；三是給出解決具體實際問題的方法。三部分內(nèi)容相互聯(lián)系，層層推進，形成完整的知識體系。作為引導者，教師應在這三部分內(nèi)容的教學過程中幫助學生成功地突破兩大束縛。第一部分內(nèi)容教師應考慮如何引導學生入門，從習慣古典概念轉(zhuǎn)而接受量子概念。在講授這部分內(nèi)容時要將重點放在“經(jīng)典”向“量子”的過渡上，引出量子力學與經(jīng)典力學在研究方法上的顯著不同：經(jīng)典力學是將其研究對象作為連續(xù)的不間斷的整體對待，而量子力學將其研究對象看成的間斷的、不連續(xù)的。學生在學習這部分時應仔細“品嘗”其中的“滋味”，以便啟發(fā)自己的思維自然地產(chǎn)生一個飛躍，完成思想的突破。第二、三部分是量子力學學習的重點與難點，并且涉及大量的數(shù)學推導，教師應采取適當?shù)慕虒W手段，突出重點，強調(diào)難點。在物理學研究中，數(shù)學只是用來表達物理思想并在此基礎上進行邏輯演算的工具，不能將物理內(nèi)容淹沒在復雜的數(shù)學形式當中。通過數(shù)學推導才能得到的結(jié)論，只需告訴學生，從數(shù)學上可以得到這樣的結(jié)果就可以了，無需將重點放在繁難的數(shù)學推導上，否則會使學生本末倒置，忽略了對量子力學思想的理解。這樣的教學可以幫助學生突破心理障礙，不會一提量子力學就想到復雜的數(shù)學推導，從而產(chǎn)生抵觸情緒。成功地突破這兩大障礙，是學習量子力學的關鍵。

3 教學方法的改革

3.1 利用現(xiàn)代技術改進教學手段

傳統(tǒng)的板書教學能夠形成系統(tǒng)性的知識框架，教師在板書推導的過程中，學生有時間反應和思考，緊跟教師的思路，從而可以詳細、循序漸進地吸收所學知識，并培養(yǎng)了良好的思維習慣。但全程板書會導致上課節(jié)奏慢，授課內(nèi)容有限。目前隨著高校教學改革的推進，授課學時相繼減少，對于傳統(tǒng)教學方式來講，要完成教學任務比較困難。這就要借助現(xiàn)代科技手段進行教學改革，包括多媒體課件的使用和網(wǎng)絡教學。但是在量子力學教學中，一些繁雜公式的推導，如果使用多媒體課件，節(jié)奏會較快，導致學生目不暇接，來不及做筆記，更來不及思考，不利于講授內(nèi)容的消化吸收。鑒于此，對于量子力學課程，教學過程應采用板書和多媒體技術相結(jié)合的方式，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，調(diào)動學生的學習積極性。

3.2 建設習題庫

量子力學課程理論抽象，要深入理解這些理論，在熟練掌握教材基本知識的基礎上，需要通過大量習題的演練，循序漸近，才能檢驗自己理解的程度，真正學好這門課程。因此在教學過程中，強調(diào)做習題的重要性。有針對性地根據(jù)材料物理專業(yè)量子力學的教學大綱和教學內(nèi)容，參考多本量子力學教材和習題集，利用計算機技術建設量子力學習題庫，題型包括選擇、填空、證明、簡答和計算題等，內(nèi)容涵蓋各知識點，從簡到繁、由淺至深。題庫操作方便，學生可自行操作，并對所做結(jié)果進行實時檢查，從而清楚自己掌握本課程的程度。這一方式在近幾年的教學中取得了良好的教學效果。

3.3 加強與學生互動，調(diào)動學生的學習積極性

教學是一個師生互動的過程，應讓學生始終處于主動學習的位置而不是被動的接受。量子力學課程的學習更應積極調(diào)動學生的積極性，因此教師應在教學過程中加強與學生的互動。增設課前提問、課后討論環(huán)節(jié)，認真批改作業(yè)，積極發(fā)現(xiàn)學生學習過程中存在的問題，并及時對問題進行深入講解，解決問題。另外，由于量子力學是建立在一系列基本假定基礎之上的，抽象難懂，鑒于學生難接受的情況，在授課時注意理論聯(lián)系實際，盡可能進行知識的滲透和遷移，將量子力學在實際中的應用穿插于教學之中，豐富教學內(nèi)容，開拓學生視野，從而調(diào)動學生的學習興趣和積極性。

4 結(jié)語

通過近年來教學經(jīng)驗的總結(jié)和探索，形成了一套適合材料物理專業(yè)量子力學課程教學的方法，該方法教學效果良好。在近幾年的研究生入學考試中，學生量子力學課程的成績優(yōu)秀，說明采用這樣的教學方法是成功的。

資助項目：武漢工程大學2010年校級教學研究項目（X201037）

參考文獻

[1] 曾心愉，裴文杰，宋宇辰，量子力學及其學習方法——獻給自學量子力學的人們[J].大學物理，1993(12):42，47.