量子力學(xué)教學(xué)改革的探討

高海峽 陳澤順 雷 蕾

(1.湖南科技學(xué)院 電子工程系，湖南 永州 425199；2.湖南永州第十四中學(xué)，湖南 永州 425000)

0 引言

量子力學(xué)和相對論是20世紀(jì)物理基礎(chǔ)理論的兩項重大進展，是近代物理的主要理論基礎(chǔ)[1]，是物理學(xué)專業(yè)最重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課, 是學(xué)習(xí)理論物理、材料科學(xué)、激光物理與技術(shù)、生物物理、理論化學(xué)等研究生課程的重要基礎(chǔ)。通過這門課程的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生熟練地掌握量子力學(xué)的基本概念和基本理論， 具備利用量子力學(xué)的基本理論分析問題和解決問題的能力。量子力學(xué)的教學(xué)一直受到國家教育部的重視，我國高校經(jīng)過幾十年的教學(xué)改革，取得了大量的教學(xué)成果[2-4]。但目前在大學(xué)量子力學(xué)教學(xué)中，教學(xué)內(nèi)容和方法等方面還存在一些不足之處，需要不斷進行改革和創(chuàng)新,這是在新的形勢下搞好課程教學(xué)、培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才的十分重要的環(huán)節(jié)。

1 量子力學(xué)理論教學(xué)現(xiàn)狀

量子力學(xué)是讓物理系學(xué)生最頭痛的課了，不少學(xué)生對它望而卻步，造成這種局面的原因很多。一是量子力學(xué)本身的問題，對于初學(xué)量子力學(xué)的學(xué)生來說，在以往物理基礎(chǔ)課、專業(yè)課的學(xué)習(xí)中，樹立了牢固的經(jīng)典物理概念，并受到這些經(jīng)典物理概念的束縛，而量子力學(xué)理論的形成是以打破經(jīng)典物理觀念為特點的，這對于深受經(jīng)典物理思想熏陶的學(xué)生來說，學(xué)習(xí)和接受量子觀念是困難的。盡管它在很多方面都得到了應(yīng)用，但到現(xiàn)在為止對它的一些基本問題仍無法找到合理的解釋，所以量子力學(xué)不像經(jīng)典物理那樣容易理解。二是國內(nèi)關(guān)于量子力學(xué)的教材問題，學(xué)量子力學(xué)的教材很多，但不知看那一本。因為不同的書體現(xiàn)了不同的教學(xué)思路，這本書這部分講的好，那本書那個部分講的好。而且有些經(jīng)典的教學(xué)用書沿用十幾年甚至幾十年，內(nèi)容上卻沒有及時更新。三是教授量子力學(xué)的老師問題。當(dāng)今大學(xué)老師都注重科研而輕教學(xué)，所以現(xiàn)在的老師上課都不會花太多功夫，上課只會照著課本或PPT讀了，在教學(xué)方法和教學(xué)手段還是傳統(tǒng)的，教學(xué)效果佳。所以在高校加強量子力學(xué)的教學(xué)改革是十分必要的，也是十分迫切的課題。

2 量子力學(xué)的教學(xué)改革

2.1 教學(xué)思路的改革

長期以來, 傳統(tǒng)教學(xué)都是以“教師為主體”, 采用由教師到學(xué)生的“單向傳授”教學(xué)模式,學(xué)生失去主體地位, 只能被動接受知識, 造成他們的思維模式單一, 思維渠道閉塞,缺乏獲取知識的自主性、能動性和創(chuàng)造性。有些學(xué)生直到“畢業(yè)設(shè)計”仍然沿襲著高中的學(xué)習(xí)模式。我們以培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才為目的, 貫徹新的教學(xué)理念, 提倡以人為本, 既要發(fā)揮學(xué)生的主體作用,又要發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用, 實施素質(zhì)教育。在量子力學(xué)教學(xué)中, 我們整合了教學(xué)內(nèi)容, 改革了教學(xué)方法和教學(xué)手段, 真正提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2.2 教學(xué)內(nèi)容與課程體系的改革

教學(xué)內(nèi)容是教學(xué)活動中最基本的要素, 直接影響著教學(xué)效果。量子力學(xué)課程的突出特點是最接近前沿, 因此, 我們以教學(xué)大綱為基礎(chǔ), 經(jīng)常關(guān)注科學(xué)前沿的新進展, 不斷搜集新材料, 并將有關(guān)內(nèi)容及時地充實到教學(xué)之中。通過更新教學(xué)內(nèi)容, 構(gòu)建了適應(yīng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才培養(yǎng)目標(biāo)的課程體系。

課程本著突出基礎(chǔ)、保持內(nèi)容的先進性和前沿性的原則,重點放在基礎(chǔ)性強、適用性廣、對高新技術(shù)的發(fā)展起重要作用的基本原理和基本內(nèi)容上, 并適當(dāng)顧及教學(xué)內(nèi)容的廣度。進行量子力學(xué)基本概念教學(xué)時, 站在當(dāng)代物理學(xué)所達到的高度, 從量子力學(xué)理論框架的整體出發(fā), 不去糾纏于量子力學(xué)與經(jīng)典物理之間的所謂“對應(yīng)關(guān)系”, 尤其在課堂教學(xué)時,刻意淡化諸如“軌道”等經(jīng)典物理概念, 從一開始就把量子力學(xué)理論作為一種新的思維方式灌輸給學(xué)生, 這樣有助于消除學(xué)生理解量子力學(xué)的思維障礙。

在基本理論的講授中, 設(shè)置教學(xué)內(nèi)容與物理學(xué)發(fā)展前沿的“接口”, 介紹物理學(xué)的最新成果和最新學(xué)術(shù)觀點, 使學(xué)生了解物理學(xué)的發(fā)展動態(tài), 擴展學(xué)生的視野。同時增設(shè)了物理前沿知識的專題講座[5-7]。例如, 在量子隧道效應(yīng)的基礎(chǔ)上介紹恒星的量子力學(xué), 在海森堡不確定關(guān)系基礎(chǔ)上介紹壓縮態(tài)光場和壓縮態(tài)原子及其在量子光學(xué)和原子光學(xué)中的重要應(yīng)用, 在EPR佯謬基礎(chǔ)上介紹量子信息工程與量子計算機,在不相容原理基礎(chǔ)上介紹激光與超流體等。實踐證明,學(xué)生對課程前沿內(nèi)容都很感興趣, 會提出各種問題并樂于作進一步的探討, 從而對學(xué)生的探索精神進行了培養(yǎng)。另一方面, 對于可以繼續(xù)讀研的學(xué)生來說, 對物理學(xué)的很多重大發(fā)展和成就的了解, 為將來進入相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)科和技術(shù)研究提供必要的學(xué)科基礎(chǔ)知識, 激發(fā)了他們的研究欲望。

2.3 教學(xué)方法的改革

有效的教學(xué)方法是實現(xiàn)教育目標(biāo)的保證。在教學(xué)活動中,我們遵循教育規(guī)律, 從教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容的要求出發(fā), 從大學(xué)生的心理發(fā)展規(guī)律出發(fā), 制定有效的教學(xué)策略, 對教學(xué)方法進行了改革, 采用了多種教學(xué)手段, 并將其靈活運用于教學(xué), 使教學(xué)達到知識與能力、素質(zhì)與方法的目標(biāo)要求, 呈現(xiàn)出符合學(xué)生學(xué)習(xí)特點的教學(xué)形態(tài)。

傳統(tǒng)的教學(xué)方法是“填鴨式”的講授法, 這種方法使得學(xué)生在教學(xué)活動中處于被動地位，不利于學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣，不利于知識的獲取和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[8，9]。針對這種情況, 我們可以從以下方面改進了教學(xué)方法。

（1）充分運用量子力學(xué)發(fā)展史，啟迪學(xué)生。

量子力學(xué)的發(fā)展史被認(rèn)為是物理學(xué)上最激動人心的篇章之一，可以讓學(xué)生閱讀《量子力學(xué)簡史》，看“宇宙和生命”視頻，利用物理學(xué)史中精彩片斷、生動的演示實驗、物理學(xué)在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用等吸引學(xué)生，提高他們的學(xué)習(xí)興趣。在量子力學(xué)教學(xué)中，適當(dāng)介紹科學(xué)家獲得偉大成就的史實，不僅能活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，而且使學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識的同時，深刻領(lǐng)悟到這些大師們所具有的創(chuàng)新思想，有助于學(xué)生理解和掌握科學(xué)研究的方法，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神及其創(chuàng)新的精神。另外，量子力學(xué)本身也要求教師有必要從原始史料出發(fā)，對量子力學(xué)的建立和發(fā)展進行實事求是的分析，特別是對量子理論早期的實驗現(xiàn)象、概念的提出和理論的發(fā)展需要有一個完整的了解和準(zhǔn)確的理解，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。

（2）采用量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)相對比的方法

量子力學(xué)是屬于非經(jīng)典物理，其理論體系中有很多概念是經(jīng)典物理所沒有的。初學(xué)量子力學(xué)的學(xué)生由于已形成經(jīng)典物理的思維習(xí)慣，因而在學(xué)習(xí)量子力學(xué)時存在不少疑惑和困難。針對這一問題，可以采用對比教學(xué)方法來促進教學(xué)，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)量子力學(xué)。例如：量子力學(xué)中微觀粒子的運動和經(jīng)典物理學(xué)中物體的運動在描述上是不同的。在經(jīng)典物理學(xué)理論中，對一個體系的測量不會改變它的狀態(tài)，看通過運動方程來描述。這樣，通過運動方程可預(yù)言體系狀態(tài)的力學(xué)量。但在量子力學(xué)中，對于一個體系的狀態(tài)通常有兩種變化形式，一種是體系的狀態(tài)按運動方程演進，另一種是測量改變體系狀態(tài)的變化，前者是可逆的，后則的不可逆的，這就決定了狀態(tài)的物理量不像經(jīng)典物理一樣給出確定的值，只能通過物理量在某個位置的幾率來描述。

(3)采用理論與實際應(yīng)用相結(jié)合的方法

量子力學(xué)的理論體系，成功地揭示了微觀世界的基本規(guī)律，大大促進了原子物理、凝聚態(tài)物理、化學(xué)、材料等學(xué)科的發(fā)展，許多理論已經(jīng)應(yīng)用到當(dāng)代科技發(fā)展的諸多領(lǐng)域。當(dāng)前，大規(guī)模集成電路已經(jīng)應(yīng)用到核磁共振、核能發(fā)電、空間探測、半導(dǎo)體、電腦和手機等各類電子產(chǎn)品中，而集成電路的制造基礎(chǔ)理論是半導(dǎo)體物理，半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)是固體物理中的能帶理論，固體物理的基礎(chǔ)就是量子力學(xué)，近年來，受國家節(jié)能減排政策的指引，我國的半導(dǎo)體照明技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，形成了產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合，實現(xiàn)了從物理、材料、器件、重大裝備到示范應(yīng)用的創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，量子力學(xué)必將在其中扮演更為重要的角色。在教學(xué)過程中，把量子力學(xué)在生產(chǎn)生活的應(yīng)用同量子力學(xué)的教學(xué)知識點緊密結(jié)合起來，既生動又直觀，不僅可提高教學(xué)效果，還非常有利于學(xué)生學(xué)以致用，增強其創(chuàng)新思維的能力，收到更好的教學(xué)效果。

（4）重視教學(xué)與科研有機結(jié)合

作為教學(xué)主導(dǎo)的教師不僅要傳授知識，還擔(dān)負著發(fā)現(xiàn)未知和培養(yǎng)學(xué)生探求新知能力的任務(wù)，因而本科教學(xué)具有很強的探索性。此外，本科教學(xué)過程本身就包含著教學(xué)與科研兩種因素，兩者是緊密結(jié)合在一起的。在抓教學(xué)質(zhì)量的過程中，特別強調(diào)科研對教學(xué)的促進作用。教師要提高課堂教學(xué)的學(xué)術(shù)含量，要把科研成果轉(zhuǎn)化為課程內(nèi)容，開闊學(xué)生的學(xué)術(shù)眼光和視野、進行學(xué)術(shù)熏陶。通過具體案例的研究和教學(xué)，提高了學(xué)生綜合運用理論知識去分析和解決復(fù)雜的實際問題的能力。

2.4 教學(xué)手段的靈活多樣

由單純的電子課件逐步過渡到電子教案、板書、錄像、CA I課件、演示實驗、網(wǎng)絡(luò)等各種手段相結(jié)合, 力求達到最佳教學(xué)效果。

（1）充分利用多媒體的特殊功能來展示量子力學(xué)內(nèi)容的豐富性、抽象性、應(yīng)用性和前沿性。在多媒體教學(xué)模式中,電子教案是重點。我們的電子教案在教學(xué)過程中不斷修改和完善, 保障其結(jié)構(gòu)上具有科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性, 內(nèi)容上保持先進性和前沿性, 并借助于數(shù)學(xué)軟件進行數(shù)值計算, 展示物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律, 不片面追求版面美觀，以有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性為目的。

（2）充分發(fā)揮實驗教學(xué)的作用。物理學(xué)是一門實驗科學(xué), 觀察實驗現(xiàn)象是獲得物理知識的一個重要手段。我們建立了量子力學(xué)實驗室, 開設(shè)了電子自旋共振、激光拉曼光譜實驗、光泵磁共振等十二個實驗[10]。同時引進了實驗教學(xué)軟件, 學(xué)生可以登陸實驗教學(xué)網(wǎng)站進行模擬實驗。經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐, 我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣大大提高。

（3）建立和完善網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。網(wǎng)絡(luò)是教學(xué)的一個輔助手段, 網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)包涵兩方面內(nèi)容, 一是提供課程學(xué)習(xí)資源庫, 二是提供交互式的學(xué)習(xí)空間。其中交互式的學(xué)習(xí)空間可以作為課堂教學(xué), 尤其是討論輔導(dǎo)課的延伸。討論課雖然很受學(xué)生歡迎, 但是受到課時的限制, 而網(wǎng)絡(luò)恰好彌補了這一不足。專門為任課教師、輔導(dǎo)教師和學(xué)生建立了討論區(qū)域, 在此區(qū)域內(nèi), 教師和學(xué)生、學(xué)生和學(xué)生可以方便地進行討論互動。教師或者學(xué)生都可以提出一些新論題, 然后在網(wǎng)絡(luò)上進行交流討論。對于某些知識點, 教師在課堂講授時留有一定的課后探索空間, 通過網(wǎng)絡(luò)交流平臺師生對問題進行深入探索和討論。這種網(wǎng)絡(luò)互動的教學(xué)方式突破了以往師生交流的時間、空間限制, 教師可以及時、準(zhǔn)確地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài), 為課堂教學(xué)提供了一個重要的依據(jù), 還能培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的創(chuàng)新意識。

3 總結(jié)和展望

經(jīng)過課程組老師們的努力, 我系的量子力學(xué)教學(xué)水平逐年提高, 教學(xué)效果良好, 學(xué)生對基本知識的掌握和解決問題的能力大大提高。物理系考研學(xué)生上線率不斷上升，“量子力學(xué)”課程的考研成績也在不斷提高。教學(xué)改革與創(chuàng)新是搞好大學(xué)教育的強勁推動力, 我們雖然在教學(xué)中進行了一些有益的嘗試，取得了一些成效, 仍有一些問題有待解決,如: 量子力學(xué)教學(xué)如何更好地為實用型人才的培養(yǎng)服務(wù)等。我們相信, 通過教學(xué)改革與不斷創(chuàng)新, 必將為國家培養(yǎng)出更多高素質(zhì)人才。

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