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        量子力學(xué)課程教學(xué)改革與實踐

        2014-11-11 00:48:05周盛華葉有祥
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2014年23期
        關(guān)鍵詞:量子力學(xué)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)方法

        周盛華++葉有祥

        摘 要:量子力學(xué)課程是工科電類專業(yè)基礎(chǔ)課程的重要組成部分。課程的物理概念抽象,應(yīng)用的數(shù)學(xué)知識較多,歷來都是反映“老師難教、學(xué)生難學(xué)”的課程。結(jié)合課程組多年的教學(xué)和研究的經(jīng)歷,從激發(fā)學(xué)生興趣,構(gòu)建物理圖像,結(jié)合學(xué)科最新發(fā)展成果等方面對課程的教學(xué)進(jìn)行了有益的探索和思考。實踐表明,這樣的教學(xué)模式得到了學(xué)生的肯定,取得了良好的效果。

        關(guān)鍵詞:量子力學(xué) 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)方法

        中圖分類號:G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2014)08(b)-0140-01

        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。

        5 結(jié)語

        該課程組經(jīng)過多年的教學(xué)實踐和教學(xué)改革,已經(jīng)逐步形成了一套行之有效的教學(xué)方法,在使學(xué)生充分理解和掌握量子力學(xué)的基本概念和基本思想的基礎(chǔ)上,初步具備利用量子力學(xué)基本理論進(jìn)行分析和解決相關(guān)實際問題的能力,改革和研究的結(jié)果對于推動高校工科電類專業(yè)的量子力學(xué)課程的教學(xué)具有一定的理論和實踐指導(dǎo)意義。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 笪誠.一個描述金融投資項目演化的量子力學(xué)狀態(tài)方程[J].物理學(xué)報,2014(11).

        [2] 盛嘉茂.關(guān)于工科量子物理教學(xué)內(nèi)容的討論[J].大學(xué)物理,2013(10).

        [3] 曾謹(jǐn)言.量子力學(xué):卷Ⅰ[M].北京:科學(xué)出版社,1997:25-280.endprint

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