面向材料類專業(yè)的量子力學(xué)教學(xué)探索

李曉燕+熊出華+何麗紅

摘要：量子力學(xué)是材料類專業(yè)本科生的核心課程，在整個知識體系中占有非常重要的地位，然而因為其需要前期課程基礎(chǔ)、邏輯推理內(nèi)容比例大，一直以來都是工科院校本科教學(xué)的教和學(xué)雙方都感到困難的學(xué)科。本文針對材料類專業(yè)的學(xué)科特點，結(jié)合自身教學(xué)實踐經(jīng)驗，分別從專業(yè)特色、前沿學(xué)科發(fā)展和教學(xué)手段三方面提出一些關(guān)于量子力學(xué)的教學(xué)方法的探索，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)水平。

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；材料類專業(yè)；教學(xué)探索

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）08-0122-02

對于普通高校的材料類本科教學(xué)來說，要求學(xué)生具有數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等方面的基本理論和基本知識，掌握材料設(shè)計、性能優(yōu)選、工藝優(yōu)化的原則，以及材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系。這就需要學(xué)生具有材料學(xué)科的完整的知識體系，量子力學(xué)是半導(dǎo)體、固體物理以及計算材料學(xué)、材料測試表征技術(shù)等學(xué)科的基礎(chǔ)，在材料科學(xué)體系中有著非常重要的地位。然而其由于本課程的學(xué)習(xí)是基于高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、數(shù)學(xué)物理方法等前期課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)之上的，學(xué)生對這些基礎(chǔ)課程的掌握情況參差不齊，而大部分學(xué)生對前期課程多有遺忘，課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程中需要理解的知識點很多，所以要學(xué)好這門課程需要充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，及時復(fù)習(xí)前期基礎(chǔ)課程和預(yù)習(xí)相關(guān)知識。由于知識間銜接緊密，需要邏輯推理內(nèi)容非常多，學(xué)生稍有走神或缺課就會跟不上教師的教學(xué)進度，從而對后續(xù)知識的學(xué)習(xí)也喪失信心。此外，對于工科大環(huán)境下的學(xué)生群體來說，學(xué)生普遍對實用的專業(yè)課程較感興趣，而對基礎(chǔ)理論課程不夠重視，認為學(xué)習(xí)非?？菰镆矝]有大多的用處。種種原因造成了在工科大環(huán)境下的理論物理教學(xué)特別是量子力學(xué)課程的教學(xué)困難重重，因此將理論教學(xué)與專業(yè)特色相結(jié)合，探索具有專業(yè)特色的量子力學(xué)的教學(xué)方法具有重要的意義。如何消除學(xué)生對本課程的畏懼心理，如何調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生在課堂上有收獲的同時也要自覺利用好課余時間學(xué)習(xí)是解決本課程教學(xué)的關(guān)鍵。本文結(jié)合材料類專業(yè)的綜合情況，經(jīng)過實踐探索，總結(jié)幾點較為實用的教學(xué)方法。

一、與專業(yè)課程體系相結(jié)合，突出課程的重要性

備課之前先熟悉所授課專業(yè)的培養(yǎng)方案，了解學(xué)生的已修課程、同學(xué)期開設(shè)的專業(yè)課程以及后續(xù)的專業(yè)課程。材料類專業(yè)的量子力學(xué)課程一般在第四學(xué)期開課，在此之前學(xué)生已經(jīng)修完了高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、線性代數(shù)、數(shù)學(xué)物理方法等前期課程。同時學(xué)生開始接觸一些材料類的專業(yè)課程，例如材料科學(xué)基礎(chǔ)、高分子物理、物理化學(xué)等，在之后的第五以及第六學(xué)期將有大量的學(xué)科專業(yè)課，如材料分析測試技術(shù)、計算材料學(xué)等。教師在對本專業(yè)的課程設(shè)置以及知識框架有了整體的了解以后，有針對性地翻閱一下一些核心專業(yè)課程的教材，將專業(yè)課程當(dāng)中涉及量子力學(xué)基礎(chǔ)的內(nèi)容篩選出來以備用。在給學(xué)生講授第一堂課時既將本課程的重要地位告知學(xué)生，哪些課程在后續(xù)課程種會涉及到相關(guān)知識，哪些領(lǐng)域會用到本課程的知識，以及量子力學(xué)對本專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)的研究生入學(xué)考試以及繼續(xù)深造時的必要性。讓學(xué)生一開始對本課程的學(xué)習(xí)有心理上的重視。在具體教學(xué)的過程中，注意將量子理論與專業(yè)內(nèi)容相結(jié)合，包括已修課程和后續(xù)課程。通過多學(xué)科的滲透將整個材料學(xué)專業(yè)的課程內(nèi)容進行貫穿，凸顯出量子理論的重要性和實用性，讓學(xué)生意識到量子力學(xué)并不是高高在上毫無用處的理論公式，同時也使得量子力學(xué)的教學(xué)更加豐富和生動。

二、與前沿科學(xué)相結(jié)合、活躍課堂氣氛

當(dāng)下的高校教師除了教學(xué)很大一部分時間精力都用于科學(xué)研究。平時實驗或看文獻時可以將所涉及的一些前沿科技成果加以搜集，課堂上通過多媒體以圖片、音響等直觀的方式將其進行簡要的介紹?；钴S課堂氣氛的同時有可以加深對該理論的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在給學(xué)生講解理論知識的同時注重結(jié)合理論的應(yīng)用領(lǐng)域，結(jié)合材料學(xué)科的特點以及學(xué)校的特色。作者所在的本校是有著交通特色專業(yè)背景，本校材料類專業(yè)也有水泥混凝土、瀝青混合料等工程材料方面的課程，學(xué)生就業(yè)也有很大比例在交通相關(guān)領(lǐng)域。結(jié)合本科的這一特征，教師講課時可以作一些前沿材料在交通領(lǐng)域的最新進展。在講解知識基礎(chǔ)的同時穿插該部分知識的應(yīng)用方面的展望，展示過程中采用借助多媒體以圖片、音響和板書講解相結(jié)合的方式。通過多種途徑讓量子力學(xué)這種看似“高大上”的學(xué)科也有“接地氣”的一面，不至于全是枯燥的理論和生硬的公式，有利于對學(xué)生學(xué)習(xí)動力的激發(fā)。對于自己的科研課題也可以作一些介紹，還可以挑選部分基礎(chǔ)較好的感興趣的本科生參與到課題的研究或者參觀學(xué)習(xí)，零距離的接觸前沿科學(xué)，對調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性也有一定的幫助。

三、多種教學(xué)手段相結(jié)合，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

在教學(xué)的過程中采用多種教學(xué)手段相結(jié)合。鑒于量子力學(xué)的理論抽象、知識量大、數(shù)學(xué)推理公式繁多，在教學(xué)過程中教師的講授以基本概念的理解、基本物理思想的和基本的物理模型的建立為主，對于需要推理演算的部分可以引導(dǎo)學(xué)生利用課余時間自學(xué)。首先可以拓展多樣化的考核方式。課程考核的成績以期末考試為主但是學(xué)期內(nèi)平時的表現(xiàn)也是必要的?？梢钥紤]適當(dāng)增大平時考核的分數(shù)比例，便于調(diào)動學(xué)生充分利用課余的時間。其中平時表現(xiàn)又可以分為多個方面來考核，充分調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)激情。課堂教師講授為主，適時設(shè)問作為課外思考作業(yè)，作業(yè)以書面形式或者學(xué)生在下一次課作簡短的展示的方式。才外還可以給學(xué)生布置小論文，鼓勵學(xué)生多進圖書館，查閱相關(guān)文獻書籍寫一兩篇小綜述。在第一堂課即向?qū)W生說明考核的方式和比例，在考分的壓力下學(xué)生自然會積極準(zhǔn)備相關(guān)內(nèi)容。在應(yīng)對這些平時作業(yè)的過程實際上就是學(xué)生自主學(xué)習(xí)的過程中，既鞏固了量課程知識，又鍛煉了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和思維。在教學(xué)當(dāng)中采用多媒體和傳統(tǒng)的板書相結(jié)合的方式，多媒體信息涵蓋量較大，對一些復(fù)雜又必須的推導(dǎo)過程可以采用PPT作快速的展示，而對于一些重要的公式及定理則需要采用板書加以強化，通過教師邊書寫邊口訴講解，學(xué)生有足夠的時間消化理解。同時可以采用多媒體多展示一些圖片、動畫等內(nèi)容，盡量在枯燥的理論講授過程中增添一些有趣的小插曲，例如該理論提出的科學(xué)家的肖像及簡介、名言名句，小故事等。在學(xué)習(xí)原子的波爾理論以及氫原子模型的時候，使用PPT展示基本公式和理論，再輔以教師在黑板上作圖的方式講解?？梢詫⒃觾?nèi)電子的運動類比于在操場跑步以及天體的運動，在做計算近似時甚至可以將近似級類比于上課教室內(nèi)的座次對個人學(xué)習(xí)效果的影響、人際關(guān)系的親疏對個人情感生活的影響程度等。此外還可以鼓勵學(xué)生多接觸一些科普書籍以及最新出版的一些學(xué)術(shù)專著，例如上帝擲骰子就是很通俗的前沿物理科普書籍。通過多種渠道將量子力學(xué)枯燥難懂的教學(xué)過程生動化、有趣化。

作為材料類專業(yè)核心課程的量子力學(xué)一直都是教和學(xué)雙方都感到很困難的課程。由于量子力學(xué)的理論性較強，學(xué)習(xí)過程相對枯燥，學(xué)科的實用性不是很明顯，學(xué)生容易厭學(xué)。教師在教學(xué)過程中需要不斷的探索適合本專業(yè)學(xué)生的教學(xué)方法。通過與專業(yè)課程相結(jié)合，與學(xué)校特色想結(jié)合，采取多種教學(xué)手段，結(jié)合最新的前沿科學(xué)研究，多方面入手使理論知識深入淺出，使教學(xué)過程生動有趣、調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，對提高教學(xué)質(zhì)量有非常有益的幫助。

參考文獻：

[1]郭笑天.地方普通高校量子力學(xué)教學(xué)探索[J].教育教學(xué)論壇，2013（50）：212.

[2]周世勛，陳灝.量子力學(xué)教程[M].北京：高等教育出版社，2009.