時間：2023-12-01 10:08:07
序論：在您撰寫量子力學(xué)重要概念時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
乍看,題目好象哲學(xué)的。不屑哲學(xué),只談物理。
大量研究表明,目前為止的實驗已經(jīng)給出物質(zhì)世界準(zhǔn)確信息,物理學(xué)重要任務(wù)之一就在于找出這信息并揭示其內(nèi)在規(guī)律。遺憾的是,目前為止的理論(無例外)均未能如此。然而國內(nèi)外學(xué)界卻一致認(rèn)為理論物理大廈框架——《量子力學(xué)》已經(jīng)建成,剩下只是裝修和美化了。
但經(jīng)本文研究表明,《量子力學(xué)》對一些基本物理學(xué)問題的實質(zhì)并不清楚,往往似是而非。然而《量子力學(xué)》卻娓娓動聽、夸夸其談,實則以其昏昏使人昭昭!請看事實:
1.1 關(guān)于“量子化”根源問題。
微觀世界“量子化”已被證實,人們已經(jīng)公認(rèn)。但接踵而來的就是“量子化”根源問題,又機(jī)制怎樣?這本是物理學(xué)根本任務(wù)之一。已有的理論包括愛因斯坦、玻爾、量子力學(xué)都未能回答。然而量子力學(xué)家們卻置這本職任務(wù)于不顧,翩翩起舞與數(shù)學(xué)喧賓奪主、相互玩弄!
就是說,《量子力學(xué)》是在未有弄清量子化根源前提下侈談“量子”的“科學(xué)”。其結(jié)果只能使原子結(jié)構(gòu)憑空量子化,量子化則成為無源之水,無本之木。這就是目前物理科學(xué)之現(xiàn)狀!
可有人,例如一位量子力學(xué)教授辯論時說:“量子化是電子自身固有屬性,陰極射線中的電子能量也是量子化的”。
雖然,這量子力學(xué)家利用了“微小量子”數(shù)學(xué)“極限”概念進(jìn)行詭辯,顯得很聰明,但卻誤了人類物理學(xué)前程!
不可否認(rèn)的事實是:陰極射線中的電子、X射線韌致輻射電子、高能加速器中電子或其它自由電子能量都連續(xù)可變,決不表現(xiàn)量子化!這無疑表明量子化不是電子自身固有屬性。那末,原子結(jié)構(gòu)中能量量子化必有其它原因。顯然這是基本物理學(xué)問題,作為理論物理又是非弄清不可的問題。其它科學(xué)例如數(shù)學(xué),由于任務(wù)不同尚可不必關(guān)心量子化根源問題。然,作為理論物理決不可以!本文如下將準(zhǔn)確具體討論量子化根源問題以及物質(zhì)世界又怎樣量子化的,并給出8位數(shù)字有效精度與實驗完全相符的計算結(jié)果。 1.2 理論與實踐關(guān)系問題
既然憑空將電子能量量子化,就難免臆造之嫌,所以《量子力學(xué)》就下意識往實驗上靠――“符合”試驗。然而,既下意識就難免拙劣,請看事實:
世界著名理論物理第六冊——《量子力學(xué)》(文獻(xiàn) [1]) 中著:“量子力學(xué),可建立于數(shù)個基本假定上,大體上這些基本假定分屬兩大項……,兩項的假定便構(gòu)成一量子力學(xué)完整系統(tǒng)”。
這明確表明,量子力學(xué)就是建立在基本假定上的(種種猜測)?！翱茖W(xué)學(xué)”研究還表明:任何建立在基本假定上的東西都不可能是科學(xué)!然而量子力學(xué)家們卻娓娓動聽說:“量子力學(xué)是建立在實驗基礎(chǔ)上的科學(xué)”。這不是彌天大謊么?!
文獻(xiàn) [1] 在建立對易關(guān)系:
pq -qp = (?/i)E ――――――――― (1)
時說:“這是一基本假定”。并告誡人們:“不可懂”!就是說(1)式不能用任何數(shù)學(xué)——物理方法導(dǎo)出,即:不否認(rèn)這是一種猜測。然而,(1)式就是昭著世界的“波動方程”的基礎(chǔ),也就是量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)。
所以確切地說,量子力學(xué)就是建立在基本假定上的種種猜測。這分明表現(xiàn)的是量子力學(xué)家們主觀意識!
研究表明,量子力學(xué)所謂實驗基礎(chǔ),首先在于德布羅意“物質(zhì)波”理論。認(rèn)真研究表明,物質(zhì)波究竟是什么?德布羅意本人未有弄清,后人至今仍未弄清,又怎能說“建立在實驗基礎(chǔ)上”呢?!
研究表明,量子力學(xué)的實際過程是:德布羅意對自然現(xiàn)象進(jìn)行一次連他自己也弄不清的抽象(猜測)(以下證明),提出“物質(zhì)波”概念。量子力學(xué)對這不清的概念又進(jìn)行一次抽象(猜測)(以下證明),提出“波函數(shù)”(Ψ)概念,并且通過一種算符將其作用到一個基本假定即(1)式上,便鑄成了著名的“波動方程” ——量子力學(xué)的理論基礎(chǔ):
(h2/2m)2Ψ + (E-V)Ψ = 0 ――――― (2)
由于量子力學(xué)憑空引進(jìn)“波函數(shù)Ψ”,實際上就賦予了電子神奇性質(zhì)。正是這種神奇性質(zhì)使得量子力學(xué)具備了非凡詭辯能力。
1.3 量子力學(xué)詭辯倫理
1.3.1 關(guān)于理論基礎(chǔ)詭辯
以上及以下討論都證明,量子力學(xué)是,由于缺乏了解,錯誤地估計了試驗(以下嚴(yán)格證明),用了錯誤的基本假定(不能由任何合理方法導(dǎo)出)而形成的,錯誤理論。然而量子力學(xué)家們卻口口聲聲:“量子力學(xué)是建立在實驗基礎(chǔ)上地科學(xué)”。這分明是在詭辯,再加上社會意識,量子力學(xué)又具備了狡辯能力。 1.3.2 關(guān)于物質(zhì)波的狡辯
對于“物質(zhì)波”概念,量子力學(xué) [1] 應(yīng)用了三個基本假定:其一假定“對易關(guān)系”即(1)式,由此構(gòu)成量子力學(xué)骨架;其二假定“測不準(zhǔn)原理”,由此編造了電子“幾率云”圖像;其三假定“波?；パa(bǔ)原理”,這種原理本身就是一種詭辯,因為“波粒二象性”問題目前仍屬困難不解的世界性難題。于是量子力學(xué)精心泡制出“波函數(shù)Ψ”并強(qiáng)加給電子。經(jīng)如此之假定,電子便具備了神奇性質(zhì)——量子力學(xué)家們的主觀意識。
然而“波函數(shù)”的物理意義究竟是什么?量子力學(xué)家們著實應(yīng)向人們交代清楚,遺憾的是任何學(xué)家都未能如愿。實際上對波函數(shù)Ψ的真實物理意義,量子力學(xué)家們也只是:你知、我知、天知、地知,凡人不可知。這分明是狡辯理論!
如果需要,量子力學(xué)(文獻(xiàn) [1])首先拿出:
2πa=n ―――――――――――――― (3)
很明顯式中 2πa是粒子中心軌跡。于是說,物質(zhì)波是粒子軌跡波動。此說極易征服初學(xué)者,但此說問題也易敗露。量子力學(xué)立即改變說法,言(3) 式系近代物理概念,對此不能用經(jīng)典概念理解。于是又出現(xiàn):
1.3.3 關(guān)于“經(jīng)典”與“近代”狡辯
量子力學(xué)經(jīng)常炫耀是近代科學(xué)理論,已經(jīng)超脫經(jīng)典,又不時貶低經(jīng)典理論。
然而,以下討論完全證明:量子力學(xué)除了主觀臆造因素外,完全沒有離開經(jīng)典物理一步,也未超出經(jīng)典物理一點,就連波函數(shù) Ψ 的表達(dá)式(無例外)也完全是經(jīng)典數(shù)學(xué)和經(jīng)典力學(xué)關(guān)系式,并且以下用不可否認(rèn)的事實——量子力學(xué)所犯經(jīng)典錯誤,表明量子力學(xué)連經(jīng)典理論也不通。所以,量子力學(xué)所謂超脫經(jīng)典,正在于一些基本假定連同主觀臆造。在此種意義上說,量子力學(xué)不僅超脫經(jīng)典,而且也超脫科學(xué)! 1.3.4 量子力學(xué)方法論狡辯
確切說,量子力學(xué)不能給波函數(shù) Ψ 做出完整的真實物理學(xué)定義,但在理論中卻輪番使用: ①波函數(shù) Ψ 表示粒子中心軌跡波動;②波函數(shù) Ψ 表示粒子出現(xiàn)幾率;③波函數(shù) Ψ 表示彌撒物質(zhì)波包三種概念。有了三種概念,又可各取所需,自然一切物理問題都“迎刃而解”了。
然而,量子力學(xué)同時又“有權(quán)”輪番否定這三種概念。但卻不是自我否定,而是另一種需要——否定其它理論,其中包括真理。要指出的是,量子力學(xué)輪番使用三種概念,又輪番否定這三種概念,并不是在同一時間同一地點進(jìn)行的。因為應(yīng)用一種概念的同時又否定這種概念,這是賣矛又賣盾的故事,連兒童都知道是蠢事。顯然量子力學(xué)家比兒童高明得多,這叫認(rèn)識方法狡辯。
似這樣,在哲學(xué)面前,用“建立在實驗基礎(chǔ)上”量子力學(xué)可以蒙混過關(guān);其它科學(xué)由于研究任務(wù)不同,不會關(guān)心“量子化”根源,又由“領(lǐng)地”限制也無權(quán)過問波函數(shù)的真實意義;量子力學(xué)又可各取所需輪番應(yīng)用和輪番否定①、②、③三種概念。于是,量子力學(xué)便以狡辯贏得了世界理論權(quán)威!
1.4 關(guān)于“符合”試驗問題
以下將證明,量子力學(xué)所謂符合實驗,實際上系對實驗的猜測。量子力學(xué)很善于做貌似合理實則謬誤的猜測(以下揭示),并美其名曰“符合”試驗。其實,對實驗的真實物理過程并不清楚,又何談相符呢?請看事實:
基于玻爾理論的成功,量子力學(xué)作兩項重要推廣。 心理學(xué)原因,人們對這種推廣又愿意接受。然而卻出現(xiàn)本質(zhì)性原則錯誤,請看:
1.4.1 量子力學(xué)推廣(一)
由于氫原子的試驗電離能與玻爾理論真實能級相近,于是量子力學(xué)推廣為:
試驗電離能 = 原子真實能級 ―――――――――― (4)
將該式推廣到多電子原子中顯然很省力氣,但這是嚴(yán)重錯誤。請看氦原子事實:
試驗(文獻(xiàn)[1])測得氦原子兩個電離能,這里分別用 E1,E2 表示為:
E1= 1.80(Rhc) = 24.58(ev) ―――――――― (5)
E2= 5.80(Rhc) = 79.01(ev) ―――――――― (6)
量子力學(xué)[1]認(rèn)為這就是氦原子的兩個真實能級。
若用 E玻 表示類氫氦離子基態(tài)能玻爾理論值,則
E玻 = 54.42(ev) ――――――――――――― (7)
顯然下式成立:
E2 = E1+ E玻 ―――――――――――――― (8)
該式明確表明 E2 不是氦原子的真實能級,因為其中包含有 E1 ,即第一電離能。
那么,實驗值 E2 即(8)式表示什么物理內(nèi)容呢?
研究表明:要使氦原子第二電子電離,儀器必先付出能量 E1=24.58(ev) 先使第一電子電離,這好比代價,氦原子于是變成類氫氦離子,其基態(tài)能為 E玻=54.42(ev)。要使它電離,儀器必須再付出與 E玻 相等的能量,才能使第2電子電離。那么儀器付出總能量必為 E2=E1+E玻,這就是氦原子電離實驗真實過程,由此不難結(jié)論:
1.4.2 據(jù)電離實驗本文結(jié)論
電離實驗結(jié)論一:氫原子及類氫氦離子玻爾理論值正確。
電離實驗結(jié)論二:目前電離能實驗值 ≠ 原子真實能級。
電離實驗結(jié)論三:所有元素最低能級皆為其類氫離子能級,不存在比這更低的能級。 然而量子力學(xué)(文獻(xiàn)[1]、[3])卻競相用“微擾法”、“變分法”乃至用修正核電荷方法逼近計算這氦原子的“能級”E2 :
E2= 5.80(Rhc) = 79.01(ev) ―――――― (9)
關(guān)鍵詞： 量子力學(xué) 教學(xué)方法改革 創(chuàng)新思維
量子力學(xué)是研究微觀粒子運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)，自誕生以來它就成功地說明了原子及分子的結(jié)構(gòu)、固體的性質(zhì)、輻射的吸收與發(fā)射、超導(dǎo)等物理現(xiàn)象。作為物理學(xué)專業(yè)的專業(yè)理論課，量子力學(xué)在物理學(xué)專業(yè)中具有極其重要的地位。現(xiàn)代物理學(xué)的各個分支，如高能物理、固體物理、核物理、天體物理和激光物理等都是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，并且已經(jīng)滲透到化學(xué)和生物學(xué)等其他學(xué)科。同時量子理論還具有巨大的實用價值，半導(dǎo)體器件和材料、激光技術(shù)、原子能技術(shù)和超導(dǎo)材料等都是以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)的。
通過對量子力學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)最重要的基礎(chǔ)理論，還可以提高科學(xué)素質(zhì)和思想素質(zhì)，但是量子力學(xué)中的概念和解決問題的方法與經(jīng)典物理有著本質(zhì)的不同。學(xué)生普遍反映量子力學(xué)抽象、枯燥、難理解、抓不住重點，學(xué)習(xí)起來非常困難。針對以上問題，我對教學(xué)進(jìn)行了思考和探討，采用了一些切實可行的措施，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好地掌握了量子力學(xué)知識，同時培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。
一、教學(xué)過程中存在的問題
在量子力學(xué)的教學(xué)過程中，我發(fā)現(xiàn)以下幾個問題。
1.量子力學(xué)是一門十分抽象的課程，其中許多概念、原理都不好理解，并且量子力學(xué)從概念到解決問題的方法跟經(jīng)典物理有著根本性的區(qū)別，但是很多學(xué)生習(xí)慣性地用經(jīng)典的思想去理解量子力學(xué)，這樣就不自覺地增加了難度。比如“波粒二象性”，經(jīng)典物理認(rèn)為波動性和粒子性是互不相關(guān)的、相互獨立的，而量子力學(xué)認(rèn)為波動性和粒子性是微觀粒子同時具備的兩種屬性。
2.學(xué)習(xí)量子力學(xué)，數(shù)學(xué)知識是必不可少的。量子力學(xué)中有著繁雜的數(shù)學(xué)知識，例如，數(shù)學(xué)分析中的微積分，代數(shù)學(xué)中的矩陣論，數(shù)學(xué)物理方程的微分方程，復(fù)變函數(shù)，等等。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生對已學(xué)過的數(shù)學(xué)知識掌握得不是很牢固，在推導(dǎo)公式的過程中忘記了公式所描述的物理內(nèi)涵，影響了對量子力學(xué)知識的理解。
3.由于量子力學(xué)的課時緊張，教學(xué)過程中采用了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，由教師到學(xué)生的“單向傳授”的教學(xué)形式。學(xué)生失去了主體地位，只能被動地接受知識，學(xué)習(xí)的興趣和積極性不高，導(dǎo)致教學(xué)效率降低。
二、量子力學(xué)的教學(xué)方法改革
1.采用多種教學(xué)手段相結(jié)合的教學(xué)模式。由于量子力學(xué)的內(nèi)容抽象難懂，又是建立在一系列基本假定的基礎(chǔ)之上，不少學(xué)生很難接受，甚至認(rèn)為這門課程沒有用處。在量子力學(xué)的教學(xué)過程中，由單一的教師講授過渡到板書、錄像、課件、演示實驗等各種手段相結(jié)合的教學(xué)模式，將圖、文、聲、像等信息有機(jī)地組合在一起，形象、直觀、生動，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，學(xué)生可以享受到本校的教學(xué)資源，還可以突破空間的限制，享受到全國高水平的教學(xué)資源，從而豐富學(xué)生的資料庫，也為各學(xué)校的師生討論交流提供一個很好的平臺。
隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，知識更新非常快。在教學(xué)中，教師應(yīng)及時將與量子力學(xué)相關(guān)的科技前沿和高新技術(shù)引入教學(xué)中，介紹與量子力學(xué)密切相關(guān)的課題，闡明科學(xué)技術(shù)中所蘊(yùn)含的量子力學(xué)原理。如我們在講解一維無限深勢阱時，將其與半導(dǎo)體量子阱和超晶格這一科學(xué)前沿相聯(lián)系；在講解隧道效應(yīng)時，將其與掃描隧道顯微鏡相聯(lián)系，進(jìn)而介紹掃描探針操縱單個原子的實驗。同時在教學(xué)中，我們理論聯(lián)系實際，多介紹量子力學(xué)知識與材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等其他學(xué)科之間的密切聯(lián)系，重點介紹在材料科學(xué)中的廣泛應(yīng)用，包括新材料設(shè)計、開發(fā)新材料、材料成分和結(jié)構(gòu)分析技術(shù)等。通過這種方式，學(xué)生對這一部分的知識有了直觀的認(rèn)識，從而不再感到量子力學(xué)的學(xué)習(xí)枯燥無味，同時也提高了接受新知識、學(xué)習(xí)新知識的意識和能力。
2.結(jié)合數(shù)學(xué)知識，把物理情境的建立作為教學(xué)的重點。量子力學(xué)可以說無處不數(shù)學(xué)，這門學(xué)科對高級數(shù)學(xué)語言的成功運(yùn)用，正是它高深與完美的體現(xiàn)。數(shù)學(xué)雖然加深了物理問題的難度，卻維護(hù)了理論的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性。當(dāng)然這不是要求老師從頭到尾、長篇冗重地推演計算，合理地修剪枝杈既能讓學(xué)生抓住重點，又免使學(xué)生感到量子力學(xué)只是數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)。對于學(xué)習(xí)量子力學(xué)的同學(xué)，可以著重于對物理概念的剖析和物理圖像的描繪，繞過數(shù)學(xué)分析難點，通過簡化模型、對稱性考慮、極限情形和特例、量綱分析、數(shù)量級估計、概念延拓對比等得出結(jié)論。定量分析盡量只用簡單的高數(shù)和微積分、常見的常微分方程，對復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以不做講解，只對少數(shù)優(yōu)秀生或感興趣的同學(xué)個別輔導(dǎo)。例如，在求解本征方程時，只介紹動量、定軸轉(zhuǎn)子能量本征值的求解；對無限深勢阱情況，薛定諤方程可類比普通物理中的簡諧振動方程；對氫原子和諧振子的能量本征值問題，只重點介紹思路、方法和結(jié)論，不作詳細(xì)推導(dǎo)。
3.充分應(yīng)用類比法，講述量子力學(xué)。經(jīng)典力學(xué)是量子力學(xué)的極限情況，在教授過程中，應(yīng)盡可能找到“經(jīng)典”對應(yīng)，應(yīng)用類比方法講述量子力學(xué)中抽象的概念和物理圖像，有助于正確理解量子力學(xué)的物理圖像。用光的單縫、雙縫衍射、干涉說明光的波動性，用光電效應(yīng)、康普頓散射說明光的粒子性，運(yùn)用這種方法有利于學(xué)生掌握光的波粒二象性。在將量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)類比的同時，還要清楚量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)在觀念、概念和方法上的區(qū)別。例如，經(jīng)典力學(xué)用位矢、速度描述物體的狀態(tài)，而量子力學(xué)用波函數(shù)描述系統(tǒng)狀態(tài)；經(jīng)典力學(xué)用牛頓第二定律描述狀態(tài)變化，量子力學(xué)用薛定諤方程描述狀態(tài)的變化。另外對于量子力學(xué)中的波粒二象性、態(tài)迭加原理、統(tǒng)計原理等都要與經(jīng)典力學(xué)中的相關(guān)概念區(qū)分開來，類比說明，闡明清楚其真正內(nèi)涵。
4.改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，采用以學(xué)生為主體的教學(xué)模式。量子力學(xué)的現(xiàn)代教學(xué)多以“教師講授”為主，同時配合多媒體課件輔助教學(xué)，教學(xué)模式較傳統(tǒng)教學(xué)有所變化，多媒體課件教學(xué)雖然能夠在一定程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但仍然是“填鴨式”的教學(xué)法，沒能真正地改變傳統(tǒng)教學(xué)的弊端。因此在教學(xué)過程中，要避免課堂成為教師的一言堂，鼓勵學(xué)生提問，激發(fā)學(xué)生的逆向思維和非規(guī)范性思維等，通過創(chuàng)設(shè)問題情境使師生互動起來，提高學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的積極性，加深學(xué)生對這門課程的理解。還要組織學(xué)生開展相關(guān)課題討論，引導(dǎo)學(xué)生自主能動地思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
三、結(jié)語
“量子力學(xué)”是物理類專業(yè)基礎(chǔ)課程中教學(xué)的難點和重點，建立新的教學(xué)模式，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)、理解和掌握這門課程。
參考文獻(xiàn)：
［1］曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)［M］.科學(xué)出版社，1997.
［2］周世勛.量子力學(xué)教程［M］.高等教育出版社，1979.
［3］胡響明.淺談量子概念的理解［J］.高等函授學(xué)報（自然科學(xué)版），2004，（2）：29.
關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；教學(xué)改革；物理思想
作者簡介：王永強(qiáng)（1980-），男，山西河曲人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院技術(shù)物理系，講師。（河南?鄭州?450002）
基金項目：本文系鄭州輕工業(yè)學(xué)院第九批教學(xué)改革項目“《量子力學(xué)》課程體系與教學(xué)內(nèi)容的綜合改革和實踐”資助的研究成果。
中圖分類號：G642.0?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）20-0070-02
“量子力學(xué)”是20世紀(jì)物理學(xué)對科學(xué)研究和人類文明進(jìn)步的兩大標(biāo)志性貢獻(xiàn)之一，已經(jīng)成為物理學(xué)專業(yè)及部分工科專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課程之一，是學(xué)習(xí)“固體物理”、“材料科學(xué)”、“材料物理與化學(xué)”和“激光原理”等課程的重要基礎(chǔ)。通過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能熟練掌握量子力學(xué)的基本概念和基本理論，具備利用量子力學(xué)理論分析問題和解決問題的能力。同時，這門課程對培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識及科學(xué)素養(yǎng)亦具有十分重要的意義。然而，“量子力學(xué)”本身是一門非常抽象的課程，眾多學(xué)生談“量子”色變，教學(xué)效果可想而知。如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的熱情，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，提高量子力學(xué)的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，已經(jīng)成為擺在教師面前的重要課題。近年來，筆者在借鑒前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合鄭州輕工業(yè)學(xué)院（以下簡稱“我校”）教學(xué)實際，在“量子力學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法方面做了一些有益的改革嘗試，取得了較好的效果。
一、“量子力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容的改革
量子力學(xué)理論與學(xué)生長期以來接觸到的經(jīng)典物理體系相去甚遠(yuǎn)，尤其是處理問題的思路和手段與經(jīng)典物理截然不同，但它們之間又不無關(guān)聯(lián)，許多量子力學(xué)中的基本概念和基本理論是類比經(jīng)典物理中的相關(guān)內(nèi)容得出的。因此，在“量子力學(xué)”教學(xué)中，一方面需要學(xué)生摒棄在經(jīng)典物理學(xué)習(xí)中形成的固有觀念和認(rèn)識，另一方面在學(xué)習(xí)某些基本概念和基本理論時又要求學(xué)生建立起與經(jīng)典物理之間的聯(lián)系以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時困惑不堪。此外，這門課程理論性較強(qiáng)，眾多學(xué)生陷于煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)之中，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣缺失。針對以上教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題，筆者對“量子力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容作了一些有益的調(diào)整。
1.理清脈絡(luò)，強(qiáng)化知識背景
從經(jīng)典物理所面臨的困難出發(fā)，到半經(jīng)典半量子理論的形成，最終到量子理論的建立，對量子力學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行細(xì)致的、實事求是的分析，特別是對量子理論早期的概念發(fā)展有一個準(zhǔn)確清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已經(jīng)證明為正確并得到公認(rèn)的，還存在哪些不完善的地方。這樣一方面可使學(xué)生對量子力學(xué)中基本概念和基本理論的形成和建立的科學(xué)歷史背景有一深刻了解，有助于學(xué)生理清經(jīng)典物理與量子理論之間的界限和區(qū)別，加深他們對這些基本概念和基本理論的理解；另一方面，可使學(xué)生對蘊(yùn)藏在這一歷程中的智慧火花和科學(xué)思維方法有一全面的了解，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識及科學(xué)素養(yǎng)。比如：對于玻爾理論，由于對量子化假設(shè)很難用已經(jīng)成形的經(jīng)典理論來解釋，學(xué)生往往會覺得不可思議，難以理解。為此，在講解這部分內(nèi)容時，很有必要介紹一下玻爾理論產(chǎn)生的歷史背景，告訴學(xué)生在玻爾的量子化假設(shè)之前就已經(jīng)出現(xiàn)了普朗克的量子論和愛因斯坦的光量子概念，且大量關(guān)于原子光譜的實驗數(shù)據(jù)也已經(jīng)被掌握，之前盧瑟福提出的簡單行星模型卻與經(jīng)典物理理論及實驗事實存在嚴(yán)重背離。為了解決這些問題，玻爾理論才應(yīng)運(yùn)而生。在用量子力學(xué)求解氫原子定態(tài)波函數(shù)時，還可以通過定態(tài)波函數(shù)的概率分布圖，向?qū)W生介紹所謂的玻爾軌道并不是真實存在的，只是電子出現(xiàn)幾率比較大的區(qū)域。通過這樣講述，學(xué)生可以清晰地體會到玻爾理論的承上啟下的作用，而又不至于將其與量子力學(xué)中的概念混為一談。
2.重在物理思想，壓縮數(shù)學(xué)推導(dǎo)
在物理學(xué)研究中，數(shù)學(xué)只是用來表述物理思想并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒在復(fù)雜的數(shù)學(xué)形式之中。因此，在教學(xué)過程中，教師要著重于加強(qiáng)基本概念和基本理論的講授，把握這些概念和理論中所蘊(yùn)含的物理實質(zhì)。對一些涉及繁難數(shù)學(xué)推導(dǎo)的內(nèi)容，在教學(xué)中刻意忽略具體數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，著重于使學(xué)生掌握其中的思想方法。例如：在一維線性諧振子問題的教學(xué)中，對于數(shù)學(xué)方面的問題，只要求學(xué)生能正確寫出薛定諤方程、記住其結(jié)論即可，重點放在該類問題所蘊(yùn)含的物理意義及對現(xiàn)成結(jié)論的應(yīng)用上。這樣，學(xué)生就不會感到枯燥無味，而能始終保持較高的學(xué)習(xí)熱情。
二、教學(xué)方法改革
傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)法把課堂變成了教師的“一言堂”，使得學(xué)生在教學(xué)活動中始終處于被動接受地位，極大地壓制了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，十分不利于知識的獲取以及對學(xué)生創(chuàng)新能力及科學(xué)思維的培養(yǎng)。而且，“量子力學(xué)”這門課程本身實驗基礎(chǔ)薄弱、理論性較強(qiáng)，物理圖像不夠直觀，一味采取灌輸式教學(xué)，學(xué)生勢必感到枯燥，甚至厭煩。長期以往，學(xué)習(xí)積極性必然受挫，學(xué)習(xí)效果自然大打折扣。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)其學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)其科學(xué)探索精神及創(chuàng)新能力，筆者在教學(xué)方法上進(jìn)行了一些有益的探索。
1.發(fā)揮學(xué)生主體作用
除卻必要的教學(xué)內(nèi)容講解外，每節(jié)課都留出一定的師生互動時間。教師通過創(chuàng)設(shè)問題情景，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究討論，或者針對已講授內(nèi)容，使學(xué)生對已學(xué)內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)、總結(jié)、辨析，以加深理解；或者針對未講授內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的興趣（比如，在講授完一維無限深方勢阱和一維線性諧振子這兩個典型的束縛態(tài)問題后就可引導(dǎo)學(xué)生思考“非束縛態(tài)下微觀粒子又將表現(xiàn)出什么樣的行為”），[1]這樣學(xué)生就會積極地預(yù)習(xí)下節(jié)內(nèi)容；或者選擇一些有代表性的習(xí)題，讓學(xué)生提出不同的解決辦法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。對于在課堂上不能解決的問題，積極鼓勵學(xué)生利用圖書館及網(wǎng)絡(luò)資源等尋求解決，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神。此外，還可使學(xué)生自由組合，挑選他們感興趣的與課程有關(guān)的題目進(jìn)行討論、調(diào)研并完成小組論文，這一方面激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性，另一方面使其接受初步的科研訓(xùn)練，一舉兩得。
2.注重構(gòu)建物理圖像
在實際教學(xué)中著重注意物理圖像的構(gòu)建，使學(xué)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。例如：借助電子束衍射實驗，通過三個不同的實驗過程（強(qiáng)電子束、弱電子束及弱電子束長時間曝光），即可為實物粒子的波粒二象性構(gòu)建出一幅清晰的物理圖像；借助電子束衍射實驗圖像，再以光波類比電子波，即可凝練出波函數(shù)的統(tǒng)計解釋；[2]借助電子雙縫衍射實驗圖像，可使學(xué)生更易接受和理解態(tài)疊加原理；借助解析幾何中的坐標(biāo)系，可很好地為學(xué)生建立起表象的物理圖像。盡管這其中光波和電子波、坐標(biāo)系和表象這些概念之間有本質(zhì)上的區(qū)別，但借助這些學(xué)生已經(jīng)熟知和深刻理解的概念，可使學(xué)生非常容易地接受和理解量子力學(xué)中難以言明的概念和理論，同時，也可使學(xué)生掌握這種物理圖像的構(gòu)建能力，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維具有非常積極地作用。
三、教學(xué)手段和考核方式改革
1.課程教學(xué)采用多種先進(jìn)的教學(xué)方式
如安排小組討論課，對難于理解的概念和規(guī)律進(jìn)行討論。先是各小組內(nèi)討論，再是小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點進(jìn)行評述和指正。例如，在講到微觀粒子的波函數(shù)時，有的學(xué)生認(rèn)為是全部粒子組成波函數(shù)，有的學(xué)生認(rèn)為是經(jīng)典物理學(xué)的波。這些問題的討論激發(fā)了學(xué)生的求知欲望，從而進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生對一些不易理解的概念和量子原理進(jìn)行深入理解，直至最后充分理解這些內(nèi)容。另外課程作業(yè)布置小論文，邀請國內(nèi)外專家開展系列量子力學(xué)講座等都是不錯的方式。
2.堅持研究型教學(xué)方式[3]
把課程教學(xué)和科研相結(jié)合，在教學(xué)過程中針對教學(xué)內(nèi)容，吸取科研中的研究成果，通過結(jié)合最新的科研動態(tài)，向?qū)W生講授在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在量子力學(xué)誕生后，作為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱之一的現(xiàn)代物理學(xué)的每一個分支及相關(guān)的邊緣學(xué)科都離不開量子力學(xué)這個基礎(chǔ)，量子理論與其他學(xué)科的交叉越來越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚態(tài)物理到中子星、黑洞各個層次的研究以量子力學(xué)為基礎(chǔ)；量子力學(xué)在通信和納米技術(shù)中的應(yīng)用；量子理論在生物學(xué)中的應(yīng)用；量子力學(xué)與正在研究的量子計算機(jī)的關(guān)系等，在教學(xué)中適當(dāng)?shù)卮┎暹@些知識，擴(kuò)大學(xué)生的知識面，消除學(xué)生對量子力學(xué)的片面認(rèn)識，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動性。
3.利用量子力學(xué)課程將人文教育與專業(yè)教學(xué)相結(jié)合
量子力學(xué)從誕生到發(fā)展的物理學(xué)史所包含的創(chuàng)新思維是迄今為止哪一門學(xué)科都難以比擬的。在19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，經(jīng)典物理學(xué)晴空萬里，然而黑體輻射、光電效應(yīng)、原子光譜等物理現(xiàn)象的實驗結(jié)果嚴(yán)重沖擊經(jīng)典物理學(xué)理論，讓經(jīng)典物理學(xué)陷入危機(jī)四伏的境地。1900年，德國物理學(xué)家普朗克創(chuàng)造性地引入了能量子的概念，成功地解釋了黑體輻射現(xiàn)象，量子概念誕生。1905年，愛因斯坦進(jìn)一步完善了量子化觀念，指出能量不僅在吸收和輻射時是不連續(xù)的（普朗克假設(shè)），而且在物質(zhì)相互作用中也是不連續(xù)的。1913年，玻爾將量子化概念引入到原子中，成功解釋了有近30年歷史的巴爾末經(jīng)驗光譜公式。泡利突破玻爾半經(jīng)典、半量子論的局限，給予了令玻爾理論不安的反常塞曼效應(yīng)以合理解釋。1924年，德布羅意突破普朗克能量子觀念提出微觀粒子具有波粒二象性，開始與經(jīng)典理論分庭抗禮。[4]和學(xué)生一起重溫量子力學(xué)史的發(fā)展之路，在教學(xué)過程中展現(xiàn)量子力學(xué)數(shù)學(xué)形式之美，使學(xué)生在科學(xué)海洋中得到美的享受，從精神上熏陶他們的創(chuàng)新精神。
4.考試方式改革
在本課程的教學(xué)中采用了教考分離，通過小考題的形式復(fù)習(xí)章節(jié)內(nèi)容，根據(jù)學(xué)生的實際水平適當(dāng)輔導(dǎo)答疑，注重學(xué)生對量子力學(xué)基礎(chǔ)知識理解的考核。對于評價系統(tǒng)的建立，其中平時成績（包括作業(yè)、討論、綜合表現(xiàn)等）占30％，期末考試占70％。從實施的效果來看，督促了學(xué)生的學(xué)習(xí)，收到了較好的效果，受到學(xué)生的歡迎。
四、結(jié)論
通過近年來的改革嘗試，我校的“量子力學(xué)”教學(xué)水平穩(wěn)步提高，加速了專業(yè)建設(shè)。2009年，我?！傲孔恿W(xué)”被評為校級精品課程，教學(xué)改革成果初現(xiàn)。然而，關(guān)于這門課程的教學(xué)仍存在不少問題，如教學(xué)手段單一、與生產(chǎn)實踐結(jié)合不夠緊密等等，這些都需要教師在今后教學(xué)中進(jìn)一步改進(jìn)。
參考文獻(xiàn)：
[1]周世勛.量子力學(xué)教程(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2009.
[2]呂增建.從量子力學(xué)的建立看類比思維的創(chuàng)新作用[J].力學(xué)與實踐,
2009,(4).
量子力學(xué)是近代物理的兩大支柱之一，它的建立是20世紀(jì)劃時代的成就之一，可以毫不夸張地說沒有量子力學(xué)的建立，就沒有人類的現(xiàn)代物質(zhì)文明[1]。大批優(yōu)秀的物理學(xué)家對原子物理的深入研究打開了量子力學(xué)的大門，這一人類新的認(rèn)知很快延伸并運(yùn)用到很多物理學(xué)領(lǐng)域，并且，導(dǎo)致了很多物理分支的誕生，如：核物理、粒子物理、凝聚態(tài)物理和激光物理等[2]。量子力學(xué)在近代物理中的地位如此之重，所以成為物理專業(yè)學(xué)生最重要的課程之一。但在實際教學(xué)過程中，學(xué)生普遍感到量子力學(xué)太過抽象、難以掌握。如何改革教學(xué)內(nèi)容，將量子力學(xué)的基本觀點由淺入深，使學(xué)生易于理解；如何改革教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生興趣，使學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。這是量子力學(xué)教學(xué)中遇到的主要問題。作者從幾年的教學(xué)中摸索到一些經(jīng)驗，供大家參考。
一、教學(xué)內(nèi)容和方法的改革
傳統(tǒng)的本科量子力學(xué)教學(xué)一般包括了三大部分：第一部分是關(guān)于粒子的波粒二象性，正是因為微觀粒子同時具有波動性和粒子性，才造成了一些牛頓力學(xué)無法解釋的新現(xiàn)象，例如測不準(zhǔn)關(guān)系、量子隧道效應(yīng)等等；第二部分是介紹量子力學(xué)的基本原理，這部分是量子力學(xué)的核心內(nèi)容，如波函數(shù)的統(tǒng)計解釋、態(tài)疊加原理、電子自旋等；第三部分是量子力學(xué)的一些應(yīng)用，如定態(tài)薛定諤方程的求解，微擾方法。以上三個部分相互聯(lián)系構(gòu)成了量子力學(xué)的整體框架[3]。隨著量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)生了很多新的現(xiàn)象和成果。例如量子通訊、量子計算機(jī)等等。許多學(xué)生對量子力學(xué)的興趣就是從這些點點滴滴的新成果中得到的。如果我們?nèi)园磦鹘y(tǒng)的內(nèi)容授課，學(xué)生學(xué)完了這門課程發(fā)現(xiàn)感興趣的那點東西完全沒有接觸到，就會對所學(xué)的量子力學(xué)感到懷疑，而且極大地挫傷了學(xué)習(xí)自然科學(xué)的興趣。所以作者建議在教學(xué)過程中適當(dāng)添加一些量子力學(xué)的新成果和新現(xiàn)象，來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4]。在教學(xué)方法上也應(yīng)該按照量子力學(xué)的特點有所改革。由于量子力學(xué)的許多觀點和經(jīng)典力學(xué)完全不同，如果我們還是按照經(jīng)典力學(xué)的方法來講，就會引起學(xué)生思維上的混亂，所以建議從一開始就建立全新的量子觀點。例如軌道是一經(jīng)典概念，在講授玻爾的氫原子模型時仍然采用了軌道的概念，但在講到后面又說軌道的概念是不對的，這樣學(xué)生就會懷疑老師講錯誤的內(nèi)容教給了他們，形成邏輯上的混亂。我們應(yīng)該從一開始就建立量子的觀點，淡化軌道的概念，這樣學(xué)生更容易接受。
二、重視緒論課的教學(xué)
興趣是最好的老師。作為量子力學(xué)課程的第一節(jié)課，緒論課的講授效果對學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣影響很大，所以緒論課直接影響到學(xué)生對學(xué)習(xí)量子力學(xué)這門課程的態(tài)度。當(dāng)然很多學(xué)生非常重視這門課程，但學(xué)這門課的主要目的是為將來參加研究生入學(xué)考試，僅僅只是在行動上重視，而沒有從思想上重視起來。如何使這部分學(xué)生從被動的學(xué)習(xí)量子力學(xué)變?yōu)橹鲃拥貙W(xué)習(xí)，這就要從第一節(jié)課開始培養(yǎng)。在上緒論課時作者主要通過以下幾點來抓住學(xué)生的興趣。首先列舉早期與量子力學(xué)相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎。諾貝爾獎得主歷來都是萬眾矚目的人物，學(xué)生當(dāng)然也會有所關(guān)心，而且這些諾貝爾獎獲得者的主要工作在量子力學(xué)這門課程中都會一一介紹，這樣一方面通過舉例子的方法強(qiáng)調(diào)了量子力學(xué)在自然科學(xué)中的重要地位，另一方面為學(xué)生探索什么樣的工作才可以拿到諾貝爾獎留下懸念。抓住學(xué)生興趣的第二個主要方法是列舉一些量子力學(xué)中奇特的現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生探索奧秘的動力，例如波粒二象性帶來的“穿墻術(shù)”、量子通訊、如何測量太陽表面溫度等等，這些都很能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣。綜上所述，緒論課的教學(xué)在整個教學(xué)過程中至關(guān)重要，是引導(dǎo)學(xué)生打開量子力學(xué)廣闊天地的一把鑰匙。
三、重視物理學(xué)史的引入
隨著量子力學(xué)學(xué)習(xí)的深入，學(xué)生會接觸到越來越多的數(shù)學(xué)公式以及數(shù)學(xué)物理方法的內(nèi)容，雖然學(xué)生會對量子力學(xué)的博大精深以及人類認(rèn)知能力驚嘆不已，但在學(xué)習(xí)過程中感覺越來越枯燥乏味。并且，學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣和信息在這個時候受到很大的考驗，想要把豐碩的量子力學(xué)成果以及博大精深的內(nèi)涵傳達(dá)給學(xué)生，就得在適當(dāng)?shù)臅r候增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實際上，很多學(xué)生對量子力學(xué)的發(fā)展史有很濃厚的興趣，甚至成為學(xué)生閑聊的素材，因此，在適當(dāng)?shù)臅r候講述量子力學(xué)發(fā)展史可以增加學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和熱情。在講授過程中，可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，融入量子力學(xué)發(fā)展史中的名人逸事和照片，如：索爾維會議上的大量有趣爭論和物理學(xué)界智慧之腦的“明星照”，或用簡單的方法用板書的形式推導(dǎo)量子力學(xué)公式。例如在講到黑體輻射時，作者講到普朗克僅僅用了插值的方法，就給出了一個完美的黑體輻射公式。而插值的方法普通的本科生都能熟練掌握，這一方面鼓勵學(xué)生：看起來很高深的學(xué)問，其實都是由很簡單的一系列知識組成，我們每個人都有可能在科學(xué)的發(fā)展過程中做出自己的貢獻(xiàn)；另一方面教導(dǎo)學(xué)生，不要看不起很細(xì)微的東西，偉大的成就往往就是從這些地方開始。在講到普朗克為了自己提出的理論感到后悔，甚至想盡一切的辦法推翻自己的理論時，告訴學(xué)生科研的道路并不是一帆風(fēng)順的，堅持自己的信念有時候比學(xué)習(xí)更多的知識還要重要。在講到德布羅意如何從一個紈绔子弟成長為諾貝爾獎獲得者；在講到薛定諤如何在不被導(dǎo)師重視的條件下建立了波動力學(xué)；在講到海森堡如何為了重獲玻爾的青睞，而建立了測不準(zhǔn)關(guān)系；在講到烏倫貝爾和古茲米特兩個年輕人如何大膽“猜測”，提出了電子自旋假設(shè)，這些學(xué)生都聽得津津有味。這些小故事不僅讓學(xué)生從中掌握的量子力學(xué)的基本觀點和發(fā)展過程，而且對培養(yǎng)學(xué)生的思維方法和科研品質(zhì)都有很大幫助。
四、教學(xué)手段的改革
量子力學(xué)中有很多比較抽象原理、概念、推導(dǎo)過程和現(xiàn)象，這增加了學(xué)生理解的難度。而且在授課過程中有大量的公式推導(dǎo)過程，非常的枯燥。所以在教學(xué)過程中穿插一些多媒體的教學(xué)形式，多媒體的應(yīng)用能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足，比如：把瞬間的過程隨意地延長和縮短，把復(fù)雜的難以用語言描述的過程用動畫或圖片的形式分解成詳細(xì)的直觀的步驟表達(dá)清楚[5]。相對于經(jīng)典物理來說，量子力學(xué)課程的實驗并不多，在講解康普頓散射、史特恩-蓋拉赫等實驗時，可以運(yùn)用多媒體技術(shù)，采用圖形圖像的形式模擬實驗的全過程。用合適的教學(xué)軟件對真實情景再現(xiàn)和模擬，讓學(xué)生多冊觀察模擬實驗的全過程。量子力學(xué)的一些東西不容易用語言表達(dá)清楚，在頭腦中想象也不是簡單的事情，多媒體的應(yīng)用可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的這塊短板，形象地模擬實驗，幫助學(xué)生理解和記憶。比如電子衍射的實驗，我們不僅可以用語言和書本上的圖片描述這個過程，還可以通過多媒體用動畫的形式表現(xiàn)出來，讓電子通過動畫的形式一個一個打到屏幕上，形成一個一個單獨的點來顯示出電子的粒子性；在快進(jìn)的形式描述足夠長時間之后的情況，也就是得出電子的衍射圖樣，從而給出電子波動性的結(jié)論和波函數(shù)的統(tǒng)計解釋，經(jīng)過這樣的教學(xué)形式，相信學(xué)生能夠更加深刻地理解微觀粒子的波粒二象性[6]。但在具體授課過程中不能完全地依賴于多媒體教學(xué)，例如在公式的推導(dǎo)過程中，傳統(tǒng)的板書就非常接近人本身的思維模式，容易讓學(xué)生掌握，如果用多媒體一帶而過，往往效果非常的不好。所以教學(xué)過程中應(yīng)該傳統(tǒng)教學(xué)和多媒體教學(xué)并重，對于一些現(xiàn)象的東西多媒體表現(xiàn)更為出色；而一些理論方面的東西傳統(tǒng)的板書更為有利，兩者相互結(jié)合可以大大提高教學(xué)效率，增強(qiáng)課堂教學(xué)效果和調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[7]。
五、加強(qiáng)教學(xué)過程的管理
量子力學(xué)課程是工科電類專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握量子力學(xué)的基本原理和基本方法，認(rèn)識微觀世界的物理圖像以及微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律，了解宏觀世界與微觀世界的內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)的區(qū)別。量子力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的好壞直接影響后續(xù)的如“固體物理學(xué)”、“半導(dǎo)體物理學(xué)”、“集成電路工藝原理”、“量子電子學(xué)”、“納米電子學(xué)”、“微電子技術(shù)”等課程的學(xué)習(xí)。
量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生具有良好的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)，對學(xué)生的邏輯思維能力和空間想象能力等要求較高，因此要學(xué)好量子力學(xué)，在我們教學(xué)的過程中，需要充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性。同時，隨著科學(xué)日新月異的發(fā)展，對量子力學(xué)課程的教學(xué)也不斷提出新的要求。如何充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和能動性，切實提高量子力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量和教師的教學(xué)水平，已經(jīng)成為擺在高校教師目前的一項重要課題。
該課程組在近幾年的教學(xué)改革和教學(xué)實踐中，本著高校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求，強(qiáng)調(diào)量子力學(xué)基本原理、基本思維方法的訓(xùn)練，結(jié)合物理學(xué)史，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；充分利用熟知軟件，理解物理圖像，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性；結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)知識，強(qiáng)調(diào)理論在實踐中的應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果。
1 當(dāng)前的現(xiàn)狀及存在的主要問題
目前工科電類專業(yè)普遍感覺量子力學(xué)課程難學(xué)，其主要原因在于：第一，量子力學(xué)它是一門全新的課程理論體系，其基本理論思想與解決問題的方法都沒有經(jīng)典的對應(yīng)，而學(xué)習(xí)量子力學(xué)必須完全脫離以前在頭腦中根深蒂固的“經(jīng)典”的觀念；第二，量子力學(xué)的概念與規(guī)律抽象，應(yīng)用的數(shù)學(xué)知識比較多，公式推導(dǎo)復(fù)雜，計算困難；第三，雖然量子力學(xué)問題接近實際，但要學(xué)生理解和解決問題，還需要一個過程；由于上述問題的存在，使初學(xué)者都感到量子力學(xué)課程枯燥無味、晦澀難懂，而且隨著學(xué)科知識的飛速發(fā)展，知識的更新周期空前縮短，在有限的課時情況下，如何使學(xué)生在掌握扎實的基礎(chǔ)知識的同時，跟上時代的步伐，了解科學(xué)的前沿，以適應(yīng)新世紀(jì)人才培養(yǎng)的需求，是擺在我們教育工作者面前的巨大挑戰(zhàn)。
2 結(jié)合物理學(xué)史激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣
興趣是最好的老師，在大學(xué)物理中，談到了19世紀(jì)末物理學(xué)所遇到的“兩朵烏云”，光電效應(yīng)和紫外災(zāi)難，1900年，普朗克提出了能量子的概念，解決了黑體輻射的問題；后來，愛因斯坦在普朗克的啟發(fā)下，提出了光量子的概念，解釋了光電效應(yīng)，并提出了光的波粒二象性；德布羅意又在愛因斯坦的啟發(fā)下，大膽的提出實物粒子也具有波粒二象性；對于物理學(xué)的第三朵烏云“原子的線狀光譜，”玻爾提出了關(guān)于氫原子的量子假設(shè)，解釋了氫原子的結(jié)構(gòu)以及線狀光譜的實驗。后來還有薛定諤、海森堡、狄拉克等偉大的物理學(xué)家的努力，建立了一套嶄新的理論體系-量子力學(xué)。在教學(xué)的過程中，適當(dāng)穿插量子力學(xué)的發(fā)展歷史以及偉大科學(xué)家的傳記故事，避免了量子力學(xué)課程“全是數(shù)學(xué)的推導(dǎo)”的現(xiàn)狀，這樣激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，通過對偉大科學(xué)家的介紹，培養(yǎng)刻苦鉆研的精神。實踐表明，這樣的教學(xué)模式大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。
3 結(jié)合熟知軟件化抽象為形象
量子力學(xué)內(nèi)容抽象，對一些典型的結(jié)論，可以用軟件模擬的方式實現(xiàn)物理圖像的重現(xiàn)。很多軟件如matlab、c語言等很多學(xué)生不是很熟練，而且編程較難，結(jié)合物理結(jié)論作圖較為困難；Excell是學(xué)生常用的軟件之一，簡單易學(xué)卻功能強(qiáng)大，幾乎每位同學(xué)都非常熟練，我們充分利用這一點，將Excell軟件應(yīng)用到量子力學(xué)的教學(xué)過程中，取得了良好的效果。
如在一維無限深勢阱中，我們用解析法嚴(yán)格求解得到了波函數(shù)和能級的方程。而波函數(shù)的模方表示幾率密度。我們要求學(xué)生用Excell作圖，這樣得到粒子阱中的幾率分布，通過與經(jīng)典幾率的比較（經(jīng)典粒子在阱中各處出現(xiàn)的幾率應(yīng)該相等）和經(jīng)典能級的比較（經(jīng)典的能量分布應(yīng)該是連續(xù)的函數(shù)），通過學(xué)生的自我參與，充分激發(fā)了學(xué)生的求知欲望；從簡單的作圖，學(xué)生深刻理解了微觀粒子的運(yùn)動狀態(tài)的波函數(shù)；微觀粒子的能量不再是連續(xù)的，而是量子化了的能級，當(dāng)n趨于無窮大時微觀趨向于經(jīng)典的結(jié)果，即經(jīng)典是量子的極限情況；通過學(xué)生熟知的軟件，直觀的再現(xiàn)了物理圖像，學(xué)生會進(jìn)一步來深刻思考這個結(jié)論的由來，傳統(tǒng)的教學(xué)中，我們先講薛定諤方程，然后再解這個方程，再利用邊界條件和波函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)條件，一步一步推導(dǎo)下來，這樣的教學(xué)模式有很多學(xué)生由于數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)較為薄弱，推導(dǎo)過程又比較繁瑣，因此會逐步對課程失去了興趣，這也直接影響了后面章節(jié)的學(xué)習(xí)，而通過學(xué)生親自作圖實現(xiàn)的物理圖像，改變了傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)，最大限度的使學(xué)生參與到課程中，這樣的效果也將事半功倍了，大大提高了教學(xué)的效果。
4 結(jié)合科學(xué)發(fā)展前沿拓寬學(xué)生視野
在課程的教學(xué)中，除了注重理論基礎(chǔ)知識的講解和基礎(chǔ)知識的應(yīng)用以外，還需介紹量子力學(xué)學(xué)科前沿發(fā)展的一些動態(tài)。結(jié)合教師的教學(xué)科研工作，將國內(nèi)外反映量子力學(xué)方面的一些最新的成果融入到課程的教學(xué)之中，推薦和鼓勵學(xué)生閱讀反映這類問題的優(yōu)秀網(wǎng)站、科研文章，使學(xué)生了解量子力學(xué)學(xué)科的發(fā)展前沿，從而達(dá)到拓寬學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。例如近年興起并迅速發(fā)展起來的量子信息、量子通訊、量子計算機(jī)等學(xué)科，其基礎(chǔ)理論就是量子力學(xué)的應(yīng)用，了解了這些發(fā)展，學(xué)生會反過來進(jìn)一步理解課程中如量子態(tài)、自旋等概念，量子態(tài)和自旋本身就是非常抽象的物理概念，他們沒有經(jīng)典的對應(yīng)，通過對實驗結(jié)果的理解，學(xué)生會進(jìn)一步理解用態(tài)矢來表示一個量子態(tài)，由于電子的自旋只有兩個取向，正好與計算機(jī)存儲中二進(jìn)制0和1相對應(yīng)，這也正是量子計算機(jī)的基本原理，通過學(xué)生的主動學(xué)習(xí)，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。另外我們還要介紹量子力學(xué)在近代物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、生命學(xué)等交叉學(xué)科中的應(yīng)用，拓寬學(xué)生的視野。
【關(guān)鍵詞】量子力學(xué)；教學(xué)方法；物理思想
“量子力學(xué)”是20世紀(jì)物理學(xué)對人類科學(xué)研究兩大標(biāo)志性貢獻(xiàn)之一，已經(jīng)成為理工科專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課程之一，學(xué)生熟練掌握量子力學(xué)的基本概念和基本理論，具備利用量子力學(xué)理論分析問題和解決問題的能力。對提高學(xué)生科學(xué)素，養(yǎng)培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識及亦具有十分重要的意義。但是，量子力學(xué)理論與學(xué)生長期以來接觸到的經(jīng)典物理體系相去甚遠(yuǎn)，尤其是處理問題的思路和手段與經(jīng)典物理截然不同，但它們之間又不無關(guān)聯(lián)，許多量子力學(xué)中的基本概念和基本理論是類比經(jīng)典物理中的相關(guān)內(nèi)容得出的。思維上的沖突導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時困惑不堪。此外，這門課程理論性較強(qiáng)，眾多學(xué)生陷于煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)之中，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣缺失。針對這些教學(xué)中的問題，如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的熱情，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，已經(jīng)成為擺在教師面前的重要課題。對“量子力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)作一些合理的調(diào)整。
1 合理安排教學(xué)內(nèi)容
1.1 理清脈絡(luò)，強(qiáng)化知識背景
從經(jīng)典物理所面臨的困難出發(fā)，到半經(jīng)典半量子理論的形成，最終到量子理論的建立，對量子力學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行細(xì)致的、實事求是的分析，特別是對量子理論早期的概念發(fā)展有一個準(zhǔn)確清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已經(jīng)證明為正確并得到公認(rèn)的，還存在哪些不完善的地方。這樣一方面可使學(xué)生對量子力學(xué)中基本概念和基本理論的形成和建立的科學(xué)歷史背景有一深刻了解，有助于學(xué)生理清經(jīng)典物理與量子理論之間的界限和區(qū)別，加深他們對這些基本概念和基本理論的理解；另一方面，可使學(xué)生對蘊(yùn)藏在這一歷程中的智慧火花和科學(xué)思維方法有一全面的了解，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識及科學(xué)素養(yǎng)。比如：對于玻爾理論，由于對量子化假設(shè)很難用已經(jīng)成形的經(jīng)典理論來解釋，學(xué)生往往會覺得不可思議，難以理解。為此，在講解這部分內(nèi)容時，很有必要介紹一下玻爾理論產(chǎn)生的歷史背景，告訴學(xué)生在玻爾的量子化假設(shè)之前就已經(jīng)出現(xiàn)了普朗克的量子論和愛因斯坦的光量子概念，且大量關(guān)于原子光譜的實驗數(shù)據(jù)也已經(jīng)被掌握，之前盧瑟福提出的簡單行星模型卻與經(jīng)典物理理論及實驗事實存在嚴(yán)重背離。為了解決這些問題，玻爾理論才應(yīng)運(yùn)而生。在用量子力學(xué)求解氫原子定態(tài)波函數(shù)時，還可以通過定態(tài)波函數(shù)的概率分布圖，向?qū)W生介紹所謂的玻爾軌道并不是真實存在的，只是電子出現(xiàn)幾率比較大的區(qū)域。通過這樣講述，學(xué)生可以清晰地體會到玻爾理論的承上啟下的作用，而又不至于將其與量子力學(xué)中的概念混為一談。
1.2 重在物理思想，壓縮數(shù)學(xué)推導(dǎo)
在物理學(xué)研究中，數(shù)學(xué)只是用來表述物理思想并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒在復(fù)雜的數(shù)學(xué)形式之中。因此，在教學(xué)過程中，教師要著重于加強(qiáng)基本概念和基本理論的講授，把握這些概念和理論中所蘊(yùn)含的物理實質(zhì)。對一些涉及繁難數(shù)學(xué)推導(dǎo)的內(nèi)容，在教學(xué)中刻意忽略具體數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，著重于使學(xué)生掌握其中的思想方法。例如：在一維線性諧振子問題的教學(xué)中，對于數(shù)學(xué)方面的問題，只要求學(xué)生能正確寫出薛定諤方程、記住其結(jié)論即可，重點放在該類問題所蘊(yùn)含的物理意義及對現(xiàn)成結(jié)論的應(yīng)用上。這樣，學(xué)生就不會感到枯燥無味，而能始終保持較高的學(xué)習(xí)熱情。
2 改進(jìn)教學(xué)方法
“量子力學(xué)”這門課程本身實驗基礎(chǔ)薄弱、理論性較強(qiáng)，物理圖像不夠直觀，一味采取傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)，學(xué)生勢必感到枯燥，甚至厭煩。學(xué)習(xí)效果自然大打折扣。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)其學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)其科學(xué)探索精神及創(chuàng)新能力，在教學(xué)方法上應(yīng)進(jìn)行積極的探索。
2.1 發(fā)揮學(xué)生主體作用
在必要的教學(xué)內(nèi)容講解外，每節(jié)課都留出一定的師生互動時間。教師通過創(chuàng)設(shè)問題情景，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究討論，或者針對已講授內(nèi)容，使學(xué)生對已學(xué)內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)、總結(jié)、辨析，以加深理解；或者針對未講授內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的興趣（比如，在講授完一維無限深方勢阱和一維線性諧振子這
兩個典型的束縛態(tài)問題后就可引導(dǎo)學(xué)生思考“非束縛態(tài)下微觀粒子又將表現(xiàn)出什么樣的行為”），這樣學(xué)生就會積極地預(yù)習(xí)下節(jié)內(nèi)容；或者選擇一些有代表性的習(xí)題，讓學(xué)生提出不同的解決辦法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。對于在課堂上不能解決的問題，積極鼓勵學(xué)生利用圖書館及網(wǎng)絡(luò)資源等尋求解決，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神。此外，還可使學(xué)生自由組合，挑選他們感興趣的與課程有關(guān)的題目進(jìn)行討論、調(diào)研并完成小組論文，這一方面激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性，另一方面使其接受初步的科研訓(xùn)練，一舉兩得。
2.2 注重構(gòu)建物理圖像
在實際教學(xué)中著重注意物理圖像的構(gòu)建，使學(xué)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。例如：借助電子束衍射實驗，通過三個不同的實驗過程（強(qiáng)電子束、弱電子束及弱電子束長時間曝光），即可為實物粒子的波粒二象性構(gòu)建出一幅清晰的物理圖像；借助電子束衍射實驗圖像，再以光波類比電子波，即可凝練出波函數(shù)的統(tǒng)計解釋；借助電子雙縫衍射實驗圖像，可使學(xué)生更易接受和理解態(tài)疊加原理；借助解析幾何中的坐標(biāo)系，可很好地為學(xué)生建立起表象的物理圖像。盡管這其中光波和電子波、坐標(biāo)系和表象這些概念之間有本質(zhì)上的區(qū)別，但借助這些學(xué)生已經(jīng)熟知和深刻理解的概念，可使學(xué)生非常容易地接受和理解量子力學(xué)中難以言明的概念和理論，同時，也可使學(xué)生掌握這種物理圖像的構(gòu)建能力，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維具有非常積極地作用。
3 教學(xué)手段和考核方式改革
3.1 課程教學(xué)采用多種先進(jìn)的教學(xué)方式
如安排小組討論課，對難于理解的概念和規(guī)律進(jìn)行討論。先是各小組內(nèi)討論，再是小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點進(jìn)行評述和指正。例如，在講到微觀粒子的波函數(shù)時，有的學(xué)生會認(rèn)為是全部粒子組成波函數(shù)，有的學(xué)生會認(rèn)為是經(jīng)典物理學(xué)的波。這些問題的討論激發(fā)了學(xué)生的求知欲望，從而進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生對一些不易理解的概念和量子原理進(jìn)行深入理解，直至最后充分理解這些內(nèi)容。另外課程作業(yè)布置小論文，邀請國內(nèi)外專家開展系列量子力學(xué)講座等都是不錯的方式。
3.2 堅持研究型教學(xué)方式
把課程教學(xué)和科研相結(jié)合，在教學(xué)過程中針對教學(xué)內(nèi)容，吸取科研中的研究成果，通過結(jié)合最新的科研動態(tài)，向?qū)W生講授在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在量子力學(xué)誕生后，作為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱之一的現(xiàn)代物理學(xué)的每一個分支及相關(guān)的邊緣學(xué)科都離不開量子力學(xué)這個基礎(chǔ)，量子理論與其他學(xué)科的交叉越來越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚態(tài)物理到中子星、黑洞各個層次的研究以量子力學(xué)為基礎(chǔ)；量子力學(xué)在通信和納米技術(shù)中的應(yīng)用；量子理論在生物學(xué)中的應(yīng)用；量子力學(xué)與正在研究的量子計算機(jī)的關(guān)系等，在教學(xué)中適當(dāng)?shù)卮┎暹@些知識，擴(kuò)大學(xué)生的知識面，消除學(xué)生對量子力學(xué)的片面認(rèn)識，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動性。
量子力學(xué)從誕生到發(fā)展的物理學(xué)史所包含的創(chuàng)新思維是迄今為止哪一門學(xué)科都難以比擬的。在20世紀(jì)初，經(jīng)典物理學(xué)晴空萬里，然而黑體輻射、光電效應(yīng)、原子光譜等物理現(xiàn)象的實驗結(jié)果嚴(yán)重沖擊經(jīng)典物理學(xué)理論，讓經(jīng)典物理學(xué)陷入危機(jī)四伏的境地。量子力學(xué)的誕生，開啟了人類科學(xué)發(fā)展的新思維。開展好量子力學(xué)的教學(xué)活動，在教學(xué)過程中展現(xiàn)量子力學(xué)數(shù)學(xué)形式之美，使學(xué)生在科學(xué)海洋中得到美的享受，有利于極大的提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，從精神上熏陶他們的創(chuàng)新精神。
【參考文獻(xiàn)】
[1]周世勛.量子力學(xué)教程[m].高教出版社，1979.
本書的主要目的，就是要證明這樣的替代物是存在的，它與50年前人們討論的所謂唯象隨機(jī)量子力學(xué)以及隨機(jī)零點場理論密切相關(guān)。這是一種漲落場，屬于經(jīng)典Maxwell方程的解，但是在零溫下有非零平均能。作者們認(rèn)為量子化源于經(jīng)典物理與這種零點場漲落緊密聯(lián)系的深刻隨機(jī)過程，而量子力學(xué)的基本理論建筑在第一原理的基礎(chǔ)上，這個原理揭示從更深層次的隨機(jī)過程引發(fā)的涌現(xiàn)（Emergency，或譯突現(xiàn)）現(xiàn)象的量子化。
作者們在本書所呈現(xiàn)的理論觀點是經(jīng)過長時間的努力尋找而獲得的答案。長期以來，科研人員試圖尋找答案的以下問題：哪些概念對量子力學(xué)的發(fā)展起重要作用；是什么為這些概念提供了物理基礎(chǔ)；量子力學(xué)背后的物理學(xué)的最新發(fā)現(xiàn)中，有哪些對這些問題的回答形成了綜合的和自洽的新的理論框架。
作者認(rèn)為任何物質(zhì)系統(tǒng)都是一個開放系統(tǒng)，它們永久地接觸隨機(jī)零點輻射場，并與其達(dá)到平衡狀態(tài)。從這個基礎(chǔ)出發(fā)，導(dǎo)出量子力學(xué)形式體系的核心以及非相對論QED的相對論修正，同時揭示了基本的物理機(jī)制。本書打開了通向進(jìn)一步探索并揭示物理的新大門。讀者會看到，這一任務(wù)遠(yuǎn)沒有結(jié)束，仍存在很多問題沒有考察到，期待進(jìn)一步研究。
本書闡明了量子理論一些核心特點的根源，諸如原子的穩(wěn)定性，電子自旋，量子漲落、量子非定域性和糾纏。這里發(fā)展的理論重新確認(rèn)了諸如實在性、因果性、局域性和客觀性等基本的科學(xué)原理
全書內(nèi)容共分10章：1.量子力學(xué)：某些問題；2.唯象隨機(jī)方法：通向量子力學(xué)的簡捷途徑；3.普朗克分布，漲落零點場的一個必然推論；4.通向薛定諤方程的漫長旅途；5.通向海森伯量子力學(xué)之路；6.超越薛定諤方程；7.解開量子糾纏； 8.量子力學(xué)的因果性、非定域性和糾纏； 10.零點場波（和）物質(zhì)。
本書適合熟悉量子力學(xué)的最基本概念和結(jié)果的讀者閱讀。其內(nèi)容適用于從事理論物理、數(shù)學(xué)物理、實驗物理、量子化學(xué)和物理哲學(xué)的研究人員、研究生和教師參考。
丁亦兵，教授
（中國科學(xué)院大學(xué)）
Ding Yibing，Professor
（The University，CAS）Ignatios Antoniadis et al
Supersymmetry After the
Higgs Discovery
2014
http：///book/
10.1007/978-3-662-44172-5
