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(jīng)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(wèi)星（簡稱墨子號）成功發(fā)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(wèi)星進行天地鏈路，我國科學家成功實現(xiàn)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(wǎng)絡雛形，為未來實現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)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(jīng)典物理學描述的是宏觀世界的運動規(guī)律，我們可以用正常的思維理來解經(jīng)典物理學的知識。而量子力學描述的是微觀世界的運動規(guī)律，與我們所熟悉的宏觀世界的規(guī)律有著根本性的區(qū)別，甚至與我們所熟悉的現(xiàn)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(xiàn)實相悖，學生如何“擺脫”用經(jīng)典物理思想去理解量子力學是第一個難題;（2）經(jīng)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(tǒng)的教學方法在量子力學教學中毫無優(yōu)勢可言，再者傳統(tǒng)教學方法也不利于培養(yǎng)學生的獨立思考能力和創(chuàng)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(zhàn)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(jù)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(fā)展史的講解，使學生了解到量子力學的建立是與經(jīng)典物理學的不同的。早在19世紀末的時候，人們就發(fā)現(xiàn)了舊的理論知識根本無法解釋微觀世界。經(jīng)過眾多物理學家的努力，終于在20世紀初的時候，創(chuàng)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(jīng)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(jīng)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(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)絡上查找下載資料（鼓勵學生充分利用網(wǎng)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(fā)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(fā)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?shù)夭迦胍恍┝孔恿W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(jīng)歷。課下督促學生及時復習、認真完成作業(yè)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?？梢哉f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(guī)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(fā)學生的學習興趣。

三、小結

量子力學已經(jīng)發(fā)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(chuàng)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(chuàng)新能力，提高學生的思維能力和對量子力學的興趣。

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