量子力學教學方法探討

孫明勇

摘 要：本文主要簡單介紹了量子力學教學中的幾個經典問題，針對這幾個問題對量子力學的教學方法進行了初步的探討。

關鍵詞：量子力學;教學困惑;方法探討

2016年8月16日1時40分，墨子號量子科學實驗衛星（簡稱墨子號）成功發射升空。2017年9月29日，世界首條量子保密通信干線“京滬干線”與“墨子號”科學實驗衛星進行天地鏈路，我國科學家成功實現了洲際量子保密通信。這標志著我國在全球已構建出首個天地一體化廣域量子通信網絡雛形，為未來實現覆蓋全球的量子保密通信網絡邁出了堅實的一步。量子通信逐步進入人們的視野，今年以來我校大面積開展教學改革，量子力學也將步入學生課堂，那么應該如何上好量子力學？

一、量子力學教學中的困惑

經典物理學描述的是宏觀世界的運動規律，我們可以用正常的思維理來解經典物理學的知識。而量子力學描述的是微觀世界的運動規律，與我們所熟悉的宏觀世界的規律有著根本性的區別，甚至與我們所熟悉的現象大相徑庭，充滿了抽象性和復雜性。學生很難將所學知識形象化，其難度甚至可以被稱為“天書”。

量子力學教學實踐中遇到的典型的幾個問題：（1）量子力學的基本概念以及假設很多都與我們所能夠觀察到的現實相悖，學生如何“擺脫”用經典物理思想去理解量子力學是第一個難題;（2）經典物理系中我們可以借助于實驗幫助學生理解物理知識，但是量子力學中基本沒有我們能做的實驗;（3）傳統的教學方法在量子力學教學中毫無優勢可言，再者傳統教學方法也不利于培養學生的獨立思考能力和創新能力;（4）對于作為初學者的學生而言，量子力學從概念到內容都比較抽象，理解起來確實有一定難度，而且被冠以“天書”的名字，有些學生聽說量子力學難學，就會覺得量子力學很難，給人學習者心理上造成一定影響。學生對量子力學認識不足，未戰先怯導致學習缺乏積極性，而且認為量子力學難以捉摸，離我們日常生活“很遙遠”。

二、量子力學教學方法探討

針對上面提到的量子力學教學實踐中的幾個問題，根據教學改革理念和自己教學實踐嘗試探討以下幾點。

首先，可以通過對量子力學發展史的講解，使學生了解到量子力學的建立是與經典物理學的不同的。早在19世紀末的時候，人們就發現了舊的理論知識根本無法解釋微觀世界。經過眾多物理學家的努力，終于在20世紀初的時候，創立了量子力學。量子力學恰好可以很好的解釋以前無法解釋的微觀世界。當物理學家們遇到了用經典物理學解決不了的問題時才逐步建立了量子力學，所以不能用經典物理學思維去理解量子力學。

其次，近年來由于多媒體軟件應用得以快速發展，可以利用多媒體軟件形象的進行量子力學實驗模擬，使量子力學中一些教學內容形象化，以更直觀的形式展現在學生面前，便于他們理解。比如可以在軟件平臺上模擬演示電子雙縫干涉實驗，讓學生更加形象地理解電子的波粒二象性。利用動畫模擬演示勢壘貫穿，將抽象的概念以動畫的形式展現出來，把量子遂穿效應形象化、具體化，使學生在學到知識的同時對微觀粒子這種“神奇”行為更加感興趣。

再次，堅持問題導向的教學方式。將學生分成幾個小組，同時將量子力學的內容分成幾個小專題，每個小組可以自由的選擇一個不同的專題，利用課下的時間進行學習、討論，小組成員可以學習課本知識，可以去圖書館查閱相關資料，也可以在網絡上查找下載資料（鼓勵學生充分利用網上慕課資源）。通過小組成員的共同努力，最后形成一個書面成果，在課堂上讓每一個小組進行講解。通過這樣的形式不僅可以激發學生的積極性和主動性，而且可以提高學習質量和教學質量。課堂上教師要善于設計問題，引導學生帶著疑問去聽課，激發學生的求知欲，把學習的主動權交給學生，鼓勵學生善于思考問題、樂于解決問題。為了活躍課堂氣氛，提高學生的學習興趣，可以適當地插入一些量子力學相關人物的介紹，使學生體會到物理學前輩們建立量子力學之路的艱辛經歷。課下督促學生及時復習、認真完成作業以及做好下一次課的預習準備工作。

最后，量子力學是描述微觀物質的理論，而微觀和宏觀往往是一體的，它們同時存在進行著。只是微觀的世界我們一般都無法看見而已，其實微觀物質卻是無處不在的。可以說我們生活的方方面面都有量子的存在，它構建了這個世界的運行規則。不管是什么東西，都是由許許多多的量子構建而成的。在講解課程的同時穿插一些量子力學的前沿應用的介紹，比如：量子力學保密通信中的應用，量子力學與量子計算機等。努力消除學生對量子力學的片面或錯誤認識，激發學生的學習興趣。

三、小結

量子力學已經發展有一個世紀，是近代物理學的基礎，但由于其抽象、深奧、難學也難教，對于學生的學習增加了難度。文章簡要介紹了量子力學教學面臨的幾個問題和幾點探討，我相信，通過不斷地改革創新，調動學生積極性和主動性。必將可以提高學生的學習能力、創新能力，提高學生的思維能力和對量子力學的興趣。

參考文獻：

[1]劉麗彥，郭然，楊薇.枯燥的公式 不枯燥的量子世界[J]， 教育教學論壇，2019，49：136-138.

[2]曹 帥，勞媚媚，李海，林芳，戴占海，劉金龍. 量子力學教學改革研究與實踐[J]，課程教育研究，2017，26：182.

[3]郭文軍，黃江偉.量子力學教學方法研討[J]，教育教學論壇，2014，43：188-190.

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