工科非物理專業“量子力學”教學初探

王振　王巍　王冠宇

摘 要 本文主要針對微電子科學與工程專業學生的數學和普通物理基礎通常比較薄弱情況，對“量子力學”課程教學進行初步探討，以求激發學生學習的積極性，提高教學質量。

關鍵詞 微電子科學與工程 量子力學 教學探討

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2015） 07-0004-02

量子力學作為當代科學發展最成功的理論之一，它主要研究微觀粒子的運動規律，與相對論一起構成了現代物理學的理論基礎。量子力學是學習固體物理、半導體物理和微電子技術等專業課程的重要基礎，已經成為很多理工科專業最重要的必修基礎課程之一。其體現出的研究和對待新事物的思想和方法，對學生學習其他學科和畢業后從事其工作均有很好的指導和啟迪作用，對培養學生的探索精神和創新意識及科學素養亦具有十分重要的意義。

量子力學理論與學生長期以來接觸到的經典物理體系和日常生活常識相距甚遠，尤其是處理問題的思路和手段與經典物理更是截然不同，但二者又是科學上的繼承和創新的關系，許多量子力學中的基本概念和基本理論是從經典物理中的相關內容類比而來的。因此，在教學中一方面需要徹底打破學生在經典物理學習中已經形成的固有觀念和認識，另一方面在學習量子力學某些基本概念和基本理論時又要求學生建立起與經典物理之間的聯系，以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導致學生在學習這門課程時困惑不堪。同時，微電子科學與工程專業學生由于數學和普通物理基礎比較薄弱，眾多學生陷于煩瑣的數學推導之中，導致學習興趣缺失。那么，在教學量子力學時，應如何激發興趣，提高教學質量呢？

一、學習量子力學發展史，激發學生的求知欲

興趣是最好的老師，量子力學課程的第一節課講授效果對學生學習量子力學的興趣影響很大，所以量子力學緒論課的講解直接影響到學生對學習量子力學這門課程的態度。作者主要通過列舉早期與量子力學相關的諾貝爾物理學獎，以及量子力學中奇特的現象來抓住學生的興趣。諾貝爾獎得主歷來都是世人矚目的人物，處于網絡時代的學生當然也會有所關心和理解，而且他們的主要工作在量子力學這門課程中都將會一一介紹，這樣通過舉例子的方法強調了量子力學在自然科學中的重要地位。同時也為學生探索什么樣的工作才可以拿到諾貝爾獎留下懸念，逐漸消除學生對量子力學的恐懼感。通過介紹四大經典力學，引導出量子力學和大家熟悉的經典物理學的關系，并結合經典物理學史上出現的困難和解決過程，讓學生深入了解量子力學發展史。這樣一方面可使學生對量子力學的形成和建立的科學歷史背景有深刻了解，有助于學生厘清經典物理與量子理論之間的界限和區別，加深他們對量子力學基本概念和基本理論的理解；另一方面，可使學生對蘊藏在這一歷程中的智慧火花和科學思維方法有一全面的了解，有助于培養學生的創新意識及科學素養。

在授課過程中，在介紹量子力學發展史上一些著名科學家的簡歷，如愛因斯坦，海森伯，薛定諤等的同時，適當地量子力學發展史上的大事記，比如第一顆原子彈爆炸，第一個晶體管的發明等。通過介紹這些學生熟悉的人物及相關事件，有助于促進學生對量子力學課程的興趣，在聽故事的過程中了解量子力學的誕生，通過講述量子力學與經典物理學的關系，讓學生明白量子力學是現代物理學基礎之一，在微電子科學與工程后續課程固體物理、半導體物理等學科的發展中它都有重要的意義和應用。

二、加深對物理概念的把握，幫助學生找尋學習方法

量子力學課程的教學和學習需要線性代數、概率論、高等數學、數理方法等數學課程作為的數學基礎，而在微電子科學與工程專業學生的數學基礎比較薄弱，從而對量子力學產生畏懼心理，影響對后續課程的學習。在物理學中，數學只是用來表述物理思想并在此基礎上進行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒在復雜的數學形式之中。因此，在教學過程中，教師要著重于加強基本概念和基本理論的講授，把握這些概念和理論中所蘊含的物理實質。對一些涉及繁難數學推導的內容，在教學中刻意忽略具體數學推導過程，著重于使學生掌握其中的思想方法。例如：在一維勢壘問題的教學中，對于數學方面的問題，只要求學生能正確寫出入射粒子能量和勢壘高度不同關系情形下三個區域薛定諤方程、記住其結論即可，重點放在該類問題所蘊含的物理意義及對現成結論的應用上。

三、改革教學方法和手段，加深學生的理解

“量子力學”課程本身實驗基礎薄弱、理論性較強，物理圖像不夠直觀，一味采取灌輸式教學方法和長時間的板書推導，學生勢必感到枯燥，甚至厭煩。長期以往，必然挫敗學生的學習積極性，使得學習效果大打折扣。作者在教學過程中通過采用類比的方法構建物理圖像使學生對一些難以理解的概念和理論形成較為直觀的印象，從而形成深刻的記憶和理解。取得了不錯的教學效果。結合圖形、影像等多媒體手段，模擬實驗全過程。借助有關的教學軟件，通過對真實情景的再現和模擬，可以讓學生重復觀察模擬實驗過程，增加師生之間的互動，調動學生的積極性，加深學生對所學知識的理解。例如：在講述微光粒子的波動性，借助電子衍射實驗圖像類比講解波函數的統計解釋和態疊加原理時，使用多媒體動畫，我們可形象地展現電子一個一個打到屏幕上最后得到衍射圖樣的過程。通過減弱電子流強度使粒子一個一個地被衍射，粒子一個個隨機的被打到屏幕各處，顯示電子的粒子性；但經過足夠長的時間，所得衍射圖樣和大量電子同時衍射所得圖樣一樣，顯示電子的波動性以及波函數的統計解釋，可以加深學生的印象，理解其物理意義，同時也容易激發學生的學習熱情。通過比較電子和經典粒子的波長，說明為什么在日常生活中難以觀測到粒子的波動性，加深學生對微觀粒子波粒二象性的理解和掌握。若使用傳統板書手工繪制，不僅速度慢而且不準確，直接影響教學效果。

四、結束語

微電子科學與工程作為電子學的一門分支學科，主要是研究電子或離子在固體材料中的運動規律及其應用，以實現微米和納米尺寸下電路和系統的集成為目的。針對這種情況，在授課時應注意介紹量子力學和微電子科學與工程的聯系，盡可能進行知識的滲透和遷移。課堂教學過程是一個不斷探索、總結和創新的過程。要實現量子力學這門課程的全面深入的改革，還有待與同仁一道共同努力。

參考文獻：

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基金項目：中地共建項目一重慶國際半導體學院教學團隊建設（2013.10-2015.12）；重慶國際半導體學院產學研用結合培養模式研究與實踐（111023）

（責任編輯 楚云鵬）