劉 蓉 侯宏錄

（西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

量子力學(xué)與相對論的提出，被稱為20世紀物理學(xué)的兩個劃時代的里程碑。特別是量子力學(xué)的創(chuàng)立，揭示了微觀物質(zhì)世界中物質(zhì)屬性及其運動規(guī)律，造就了20世紀人類科學(xué)技術(shù)的輝煌，推動了原子能技術(shù)、航天航空技術(shù)、電子技術(shù)等方面的發(fā)展，并開辟了光子技術(shù)的誕生之路，將人類社會推進了信息時代。通過量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生掌握量子力學(xué)的基本概念和基本理論，具有利用理論知識分析和解決實際問題的能力。量子力學(xué)課程的突出特點是理論性強、抽象難懂，在課程教學(xué)中需要特別把握好這些抽象理論知識的“入門教育”，把握得當，會達到事半功倍的效果。

根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的文件精神，提高質(zhì)量是高等教育發(fā)展的核心任務(wù)，是建設(shè)高等教育強國的基本要求。應(yīng)適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展和科技進步的要求，推進課程改革，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。因此，在近幾年量子力學(xué)課程的教學(xué)改革實踐中，針對量子力學(xué)教學(xué)中出現(xiàn)的學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情不高的現(xiàn)狀，結(jié)合量子力學(xué)的課程特點，立足于提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索精神及創(chuàng)新能力，提出了基于 “PBL教學(xué)法”，即基于問題學(xué)習(xí)（Problem-Based Learning）、以學(xué)生為主體的量子力學(xué)課程教學(xué)改革的研究，摸索出一套行之有效的教學(xué)方案。

1 “PBL教學(xué)法”設(shè)計方案

“PBL教學(xué)法”是一種基于問題學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，將學(xué)習(xí)置于復(fù)雜的有意義的問題情境中，激勵學(xué)生積極探索隱含于問題背后的科學(xué)知識，實現(xiàn)知識體系的建構(gòu)和轉(zhuǎn)化，同時鼓勵學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容展開討論、反思，教師則以提問的方式推進這一過程，最終使學(xué)生在一個螺旋式上升的良性循環(huán)過程中理解知識，實現(xiàn)學(xué)習(xí)的不斷延續(xù)，以促進學(xué)生解決問題、自主學(xué)習(xí)能力的發(fā)展，以及創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的提高。具體設(shè)計模式如圖1所示。

圖1 “PBL”教學(xué)法設(shè)計模式框圖

與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，“PBL教學(xué)法”對教師備課和教學(xué)實施過程提出了更高要求。

1.1 PBL教師備課

（1）確定問題。問題是PBL的起點和焦點。問題的產(chǎn)生可以是學(xué)生自己在生活中發(fā)現(xiàn)的有意義、需要解決的實際問題，也可以是在教師的幫助指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)的問題，還可以是教師根據(jù)實際生活問題、學(xué)生認知水平、學(xué)習(xí)內(nèi)容等相關(guān)方面提出的問題。

（2）提供豐富的教學(xué)資源。教學(xué)資源是實施PBL的根本保障。隨著網(wǎng)絡(luò)課程、精品課程體系的建設(shè)，教師可以利用網(wǎng)絡(luò)課程為學(xué)生解決問題提供多種媒體形式和豐富的教學(xué)資源。

（3）對學(xué)習(xí)成果提出要求，給學(xué)生提供一個明確的目標和必須達到的標準。

1.2 PBL教學(xué)實施

（1）學(xué)生分組。學(xué)生分組后，要讓每個小組清楚地知道自己所要承擔的任務(wù)，問題解決所要達到的目標，也要確定好小組內(nèi)每個成員具體的任務(wù)分工。

（2）創(chuàng)設(shè)問題情境、呈現(xiàn)問題。布朗、科林斯等學(xué)者認為，認知是以情境為基礎(chǔ)的，發(fā)生在認知過程中的活動是學(xué)習(xí)的組成部分之一，通過創(chuàng)設(shè)問題情境可吸引學(xué)習(xí)者。

1.3 PBL案例分析

例如，在講到微觀粒子的波函數(shù)時，有學(xué)生認為波函數(shù)是經(jīng)典物理學(xué)的波，也有學(xué)生認為波函數(shù)由全部粒子組成。這些問題的討論激發(fā)了學(xué)生的求知欲望，可以通過分組進行小組內(nèi)討論，再將討論結(jié)果進行小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點進行評述和指正，實現(xiàn)學(xué)生對一些不易理解的量子概念和原理的深入理解。

2 用量子物理發(fā)展的淵源吸引學(xué)生

量子力學(xué)理論與學(xué)生長期以來接觸到的經(jīng)典物理體系相距甚遠，尤其是處理問題的思路和手段與經(jīng)典物理截然不同，但它們之間又不無關(guān)聯(lián)，許多量子力學(xué)中的基本概念和基本理論是類比經(jīng)典物理中的相關(guān)內(nèi)容得出的。因此，在量子力學(xué)教學(xué)中，一方面需要學(xué)生摒棄在經(jīng)典物理學(xué)習(xí)中形成的固有觀念和認識；另一方面在學(xué)習(xí)某些基本概念和基本理論時，又要求學(xué)生建立起與經(jīng)典物理之間的聯(lián)系以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時困惑不堪。此外，這門課程理論性較強，眾多學(xué)生陷于煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)之中，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣缺失。教學(xué)實踐證明，針對以上教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題，應(yīng)特別注意用學(xué)科理論自身的魅力吸引學(xué)生，通過盡可能還原量子力學(xué)早期的發(fā)展過程，讓學(xué)生自己去體會量子力學(xué)的基本概念是如何建立并逐步完善的，最大限度地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的熱情，也有助于學(xué)生深入理解教學(xué)內(nèi)容。

3 抽象理論形象化,與學(xué)生深入探討

量子力學(xué)課程的突出特點是抽象難懂，對此我們進行了探索。例如在量子力學(xué)教學(xué)中，“任何實物粒子都具有波粒二象性”是教學(xué)中的難點和重點。如何理解波粒二象性？我們可以先從光的波粒二象性入手,通過“光電效應(yīng)”實驗引出問題，通過總結(jié)光電效應(yīng)實驗的特點，發(fā)現(xiàn)與經(jīng)典理論之間的嚴重矛盾，并通過諸多矛盾引出了愛因斯坦的光量子理論和光電方程，進而深入探討光的本性和實質(zhì)。隨著內(nèi)容的深入,我們可以進一步提出：波粒二象性是光子和一切實物粒子的共同本質(zhì)，而且波動性和粒子性這兩方面必有某種關(guān)系相聯(lián)系。并順理成章的指出物質(zhì)波的概念和德布羅意關(guān)系式，從最基本的假定出發(fā)作出類比推理，理論的獨創(chuàng)性給人深刻的印象。

在此，還可以以學(xué)生的口吻提出兩個問題。

問題1）物質(zhì)粒子既然是波，為什么人們在過去長期實踐中把它們看成經(jīng)典粒子并沒有犯什么錯誤？

我們可以通過實物粒子子彈的德布羅意波長的求解找到答案,這是由于普朗克常數(shù)h是個小量，一般實物粒子的德布羅意波長λ=h/p很短,短到可以忽略不計。

問題2）在什么情況下可以近似的用經(jīng)典理論來處理問題？在什么情況下又必須顧及運動粒子的波粒二象性？

進而作出解答,一般來說，當運動粒子的德布羅意波長遠小于該粒子本身的尺寸時，可以近似的用經(jīng)典理論來處理；否則，需要用量子理論來處理。

這種層層深入,帶著問題尋找答案的教學(xué)方法符合邏輯思維,學(xué)生很容易接受,將抽象而復(fù)雜的問題形象化、簡單化。

4 聯(lián)系量子力學(xué)的未來發(fā)展激發(fā)學(xué)生求知的渴望

盡管量子力學(xué)是以微觀世界為研究對象，但它對我們?nèi)粘Ｉ畹挠绊憛s非常大。例如,在當今科學(xué)界還提出了量子通信的新概念,是實現(xiàn)完全保密的最佳通信方式,直接導(dǎo)致引領(lǐng)現(xiàn)今量子信息理論和研究的熱潮，代表著21世紀信息技術(shù)革命—量子通信技術(shù)的發(fā)展方向。教師可以鼓勵學(xué)生對與量子力學(xué)緊密相關(guān)的實際應(yīng)用技術(shù)進行調(diào)研，打消學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)“無用化”的顧慮，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情。

5 結(jié)束語

近幾年，針對量子力學(xué)教學(xué)中出現(xiàn)的實際問題，結(jié)合量子力學(xué)的課程特點，我們提出了基于“PBL教學(xué)法”的量子力學(xué)課程教學(xué)改革的研究，取得了一些成效，對于理論性較強的其他課程也具有較強的理論指導(dǎo)意義和推廣應(yīng)用價值。

［1］國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)[R].2010.

［2］曾謹言.量子力學(xué)：卷 1[M].2 版.北京：科學(xué)出版社,1997：235-278.

［3］鄒艷.淺談量子力學(xué)的教學(xué)改革[J].物理與工程,2009,19(4)：40-41.

［4］趙凱華,歲蔚茜.量子物理[M].北京：高等教育出版社,2001：30-45.

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