農(nóng)林專業(yè)量子力學(xué)知識(shí)的教學(xué)嘗試

趙新麗 張金波

(揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225002)

在農(nóng)林專業(yè)開(kāi)設(shè)大學(xué)物理課的作用，不僅在于為學(xué)生后續(xù)課程較系統(tǒng)地打好必要的物理基礎(chǔ)，更重要的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)的思維方法和研究問(wèn)題的方法，這對(duì)開(kāi)闊學(xué)生的思路、激發(fā)探索和創(chuàng)新精神、增強(qiáng)適應(yīng)能力、提高科學(xué)素質(zhì)都將起到非常重要的作用[1]. 量子力學(xué)是20世紀(jì)物理學(xué)的主要進(jìn)展之一[2]，對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)和人類物質(zhì)文明有著非常深遠(yuǎn)的影響[3].因此，這一章內(nèi)容的講授也是農(nóng)林專業(yè)物理教學(xué)的一個(gè)極為重要的組成部分．筆者在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍反映量子力學(xué)難，太抽象，聽(tīng)不懂，而且對(duì)于農(nóng)林類專業(yè)，物理課時(shí)少，學(xué)生更是不知道量子力學(xué)是研究什么的學(xué)科.近年來(lái)，結(jié)合農(nóng)林專業(yè)教學(xué)實(shí)際，我們對(duì)該課程教學(xué)方法進(jìn)行了探索性嘗試,收到了很好的教學(xué)效果，現(xiàn)總結(jié)如下.

1 講述理論背后故事 激發(fā)求知欲望 感染教育學(xué)生

筆者在講課前先放映了一段紀(jì)錄片“愛(ài)因斯坦未竟之篇章”，該片記錄了愛(ài)因斯坦深信宇宙的本質(zhì)是美麗而簡(jiǎn)單的，一定有一個(gè)統(tǒng)一理論能闡釋宇宙間所有的物理現(xiàn)象，在這份信念的支撐下，即使晚年臥病在床，他依舊孜孜不倦地推演計(jì)算著.遺憾的是，盡管愛(ài)因斯坦耗盡了后半生，但依舊沒(méi)有找到這樣的理論.正當(dāng)愛(ài)因斯坦在尋找統(tǒng)一理論的道路上屢屢受挫的時(shí)候，一群年輕的科學(xué)家?jiàn)Z走了愛(ài)因斯坦的光芒，引領(lǐng)了物理的主流.他們創(chuàng)立了一個(gè)描述微觀世界的物理理論——量子力學(xué)，這個(gè)理論讓我們知道，微觀世界與我們?nèi)庋劭吹降暮暧^世界完全不同，它如此的神奇魔幻，超越了當(dāng)時(shí)所有科幻作者的想像力.

這段量子理論背后的故事放映完畢之后，同學(xué)們七嘴八舌，有的談?wù)撝鴲?ài)因斯坦之偉大，有的驚嘆物理界天才之可敬，還有的談?wù)撝孔永碚撝衿?，極大地活躍了課堂氣氛.這段故事不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)量子理論中創(chuàng)新思想、創(chuàng)新方法的興趣、熱情、求知的欲望，而且科學(xué)家對(duì)科學(xué)的不懈追求的精神以及他們的光輝業(yè)績(jī)也深深地感染和教育著學(xué)生，幫助學(xué)生樹(shù)立正確的人生觀和價(jià)值觀.

2 使用類比方法引導(dǎo)學(xué)生探索

運(yùn)用類比思維可以把陌生的對(duì)象和熟悉的對(duì)象進(jìn)行比較，從而激發(fā)學(xué)生探索的意向，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探索，使學(xué)習(xí)成為學(xué)生自覺(jué)積極的活動(dòng)，發(fā)展學(xué)生的思維能力[4]．正如前蘇聯(lián)學(xué)者瓦赫羅夫所說(shuō)：“類比像閃電一樣，可以照亮學(xué)生所學(xué)學(xué)科的黑暗角落”.課堂上我們先簡(jiǎn)單介紹愛(ài)因斯坦的光的波粒二象性，然后告訴大家德布羅意受到愛(ài)因斯坦光的波粒二象性的啟發(fā)后，提出一個(gè)大膽假設(shè)：運(yùn)動(dòng)著的實(shí)物粒子也具有波粒二象性.因?yàn)楣獾牟６笮砸驯煌瑢W(xué)們所熟知，在這基礎(chǔ)上實(shí)物粒子波粒二象性的提出較易被學(xué)生掌握.然后對(duì)大家提出這樣的問(wèn)題：如果微觀粒子具有波動(dòng)性，怎么來(lái)驗(yàn)證呢？通過(guò)上面的類比，同學(xué)很容易想到：通過(guò)光的單縫(雙縫)衍射(干涉)和X射線在晶體上的衍射這兩個(gè)例子證明了光的波動(dòng)性，那么要驗(yàn)證微觀粒子的波動(dòng)性，以電子為例，可以讓電子通過(guò)雙縫或晶體來(lái)驗(yàn)證其波動(dòng)性.微觀粒子的波動(dòng)性被驗(yàn)證之后，人們又提出問(wèn)題：這種“物質(zhì)波”是一種什么性質(zhì)的波函數(shù)呢？同樣，同學(xué)們能不能通過(guò)類比受到啟發(fā)給出答案呢？為了理解“物質(zhì)波”概念，而把電子波類比為光波，從描述光波E的疊加性和光的強(qiáng)度正比于光振動(dòng)振幅的平方來(lái)理解電子波函數(shù)的迭加原理和統(tǒng)計(jì)意義．這樣以光波的引入，類比展開(kāi)說(shuō)明微觀粒子的性質(zhì).當(dāng)然這種方法只能起到使學(xué)生初步理解概念的輔助作用，畢竟物質(zhì)波和光波的物理實(shí)質(zhì)還是不太一樣的．

實(shí)踐證明，在啟發(fā)的基礎(chǔ)上恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用類比，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣, 加強(qiáng)了師生間的互動(dòng)，使得學(xué)生對(duì)知識(shí)容易理解和接受。不僅如此，更重要的一點(diǎn)是學(xué)生同時(shí)還學(xué)會(huì)了一種物理的思維方法和接受、理解知識(shí)的一種方式.

3 強(qiáng)調(diào)量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的不同

對(duì)經(jīng)典理論學(xué)生已經(jīng)很熟悉，而量子力學(xué)從研究規(guī)律到描述方式和經(jīng)典物理完全不同，所以初學(xué)者不易接受。在教學(xué)中將二者進(jìn)行比較, 找出差異,效果很好。例如，經(jīng)典力學(xué)質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)用質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)和速度描寫，量子力學(xué)微觀粒子狀態(tài)用波函數(shù)描寫；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(duì)于量子力學(xué)中波粒二象性概念、統(tǒng)計(jì)原理等都與經(jīng)典力學(xué)中的相關(guān)概念區(qū)分開(kāi)，闡明清楚其真正內(nèi)涵.

總之，面對(duì)課時(shí)短、數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)比較薄弱的農(nóng)林專業(yè)學(xué)生的物理教學(xué)，不可能面面俱到，只能是“蜻蜓點(diǎn)水”，但我們更重要的任務(wù)是讓學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)的思維方法和研究問(wèn)題的方法.

參考文獻(xiàn)

1 林智群.將物理學(xué)史引入農(nóng)科類專業(yè)物理課程教學(xué)的思考與嘗試.西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，8(5)：243～245

2 曾謹(jǐn)言.量子力學(xué):卷Ⅰ(第2版).北京:科學(xué)出版社,1997.35～278

3 潘桂俠.淺談如何學(xué)好量子力學(xué).科技信息，2010(17)：645

4 曹錦.巧用“類比”方法，提高初中科學(xué)教學(xué)質(zhì)量. 新校園(理論版)，2011(5):89～91