李健++馬盼盼++李麗++馬崇庚

摘 要：量子力學(xué)推進(jìn)了近百年來的科技發(fā)展，量子力學(xué)課程是物理學(xué)類本科生的重要基礎(chǔ)課程，也是公認(rèn)比較難的一門學(xué)科，也極大影響了學(xué)生對(duì)物理學(xué)的興趣，以及今后的研究方向和從事的工作。該文將從提升教師的自身修養(yǎng)和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性兩方面來探索如何提高本科生量子力學(xué)課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：量子力學(xué) 教學(xué)改革 物理學(xué) 本科生

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）09（b）-0141-02

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使得與物理類相關(guān)的交叉學(xué)科異軍突起，和量子力學(xué)密切相關(guān)的量子通信[1]，量子計(jì)算[2]量子調(diào)控[3]等前沿研究方向深刻影響著人們的日常生活，也成為未來物理學(xué)走向應(yīng)用的重要方向。因此，為了培養(yǎng)的本科生能夠更好服務(wù)社會(huì)，為時(shí)代提供科技人才支撐，提高本科生量子力學(xué)[4]的教學(xué)效果變得尤為重要。

1 教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考

要培養(yǎng)出緊跟時(shí)代步伐的優(yōu)秀學(xué)生，量子力學(xué)的教師必須緊跟時(shí)代步伐。在20世紀(jì)上半葉，量子力學(xué)的基礎(chǔ)理論及整體框架已經(jīng)成熟，但物理類專業(yè)本科生量子力學(xué)的教學(xué)大綱也僅僅要求學(xué)生能夠建立薛定諤方程，在動(dòng)量和位置表象求解薛定諤方程，引入算符以及電子的自旋這些量子力學(xué)所特有的物理量[5]。如果僅僅照本宣科地講，而不去引導(dǎo)學(xué)生思考問題，培養(yǎng)的學(xué)生也就僅僅會(huì)求解量子力學(xué)課程最基本的薛定諤方程，更不會(huì)把量子力學(xué)和其他的課程內(nèi)容聯(lián)系起來，串成一條主線。作為教師，應(yīng)該能夠啟發(fā)學(xué)生去思考，如講到波爾定態(tài)假設(shè)的時(shí)候要求電子在固定的軌道運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的能量不減少這一基本假定的時(shí)候，就可以引導(dǎo)學(xué)生思考，為什么電子加速運(yùn)動(dòng)能量一定會(huì)減少，這就要用到電動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電子，形成了電磁波，電場(chǎng)波就會(huì)攜帶能量，這樣也可以引導(dǎo)學(xué)生回憶起來其他的課程，把所有的物理知識(shí)串聯(lián)起來，提升對(duì)物理圖像和物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

2 通過量子力學(xué)的前沿進(jìn)展激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

量子力學(xué)的基礎(chǔ)理論雖然已經(jīng)基本完成，它的理論應(yīng)用卻還有待開發(fā)，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)候的普遍思想是現(xiàn)在所學(xué)的內(nèi)容都得到了解決。但是量子力學(xué)則不然，要告訴學(xué)生，現(xiàn)在的課程內(nèi)容雖然已經(jīng)形成固定的教材，而且國內(nèi)外教材有很多，但很多問題不同的教材可能有不同的表述方式，鼓勵(lì)學(xué)生多閱讀各種不同的教材和專著，同時(shí)要告訴學(xué)生量子力學(xué)的應(yīng)用方向和延伸現(xiàn)在仍然在持續(xù)更新，要廣泛閱讀網(wǎng)絡(luò)資源，特別是外文文獻(xiàn)，比如發(fā)表在Arxiv，Nature，Science，Reviews of Modern Physics，Physical Review Letters等期刊上的文獻(xiàn)。在教學(xué)中如果涉及到現(xiàn)在科學(xué)研究應(yīng)用很廣泛的知識(shí)點(diǎn)，要引導(dǎo)學(xué)生去學(xué)會(huì)應(yīng)用，如：波函數(shù)可以用無窮多的平面波進(jìn)行展開這一基本原理，而這一簡(jiǎn)單的原理正是現(xiàn)在凝聚態(tài)物理中K·P理論[6]的精髓，現(xiàn)在最新的科研成果中仍然可以發(fā)現(xiàn)其解決問題的強(qiáng)大能力；而講到用波函數(shù)來描述量子力學(xué)的波粒二象性后，介紹了有意義是波函數(shù)的模平方，即粒子在某一位置出現(xiàn)的幾率，通過密度泛函理論[7]，可以通過波函數(shù)得到幾乎所有的物理性質(zhì)，這正是第一性原理計(jì)算的精髓所在。當(dāng)然，還有很多類似的最新研究成果，如：通過量子力學(xué)的糾纏光子對(duì)實(shí)現(xiàn)量子通信，波函數(shù)的疊加原理實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算等。因此，這對(duì)量子力學(xué)教師的要求更高，要能夠緊跟科技前沿，做好一個(gè)引路人，從事量子力學(xué)的教師一定要扎根在科學(xué)研究的一線，而且要求研究方向和量子力學(xué)密切相關(guān)，如：凝聚態(tài)物理、量子信息等。

3 教學(xué)方式的改革

量子力學(xué)的基本理論比較抽象，難以理解，理論本身一些內(nèi)容不能直接用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如：薛定諤方程等。量子力學(xué)目前的理論形式多樣：如包含薛定諤波動(dòng)力學(xué)、海森堡矩陣力學(xué)、路徑積分理論等。如果單純的是教師講，學(xué)生被動(dòng)的接受效果不會(huì)太好，特別是講了一些知識(shí)點(diǎn)后，加上例題講解，學(xué)生都能夠聽懂，但是自己獨(dú)立完成的時(shí)候仍然是一頭霧水。為此，我試探著給學(xué)生們分組，4～5個(gè)人一個(gè)小組，小組采用自由組合的方式，每次同一小組的同學(xué)坐在一起，當(dāng)講完一個(gè)知識(shí)點(diǎn)或者幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)后，提出問題，讓學(xué)生以小組的形式進(jìn)行討論，教師輪流進(jìn)入到每一個(gè)小組中去參與學(xué)生的討論。這樣可以分享彼此的理解，從而加深對(duì)量子力學(xué)問題的理解。

4 注重課后的閱讀和交流

上課時(shí)間必然受到學(xué)時(shí)數(shù)目的影響，正如推出量子力學(xué)的正統(tǒng)詮釋的哥本哈根學(xué)派的領(lǐng)袖人物玻爾曾說：“如果誰沒被量子力學(xué)搞得頭暈，那他就一定是不理解量子力學(xué)?！币虼耍映浞旨ぐl(fā)學(xué)生的興趣，使得學(xué)生主動(dòng)花更多的時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)和討論，為此，我建立了一個(gè)QQ群，通過加平時(shí)成績(jī)的方式鼓勵(lì)學(xué)生在群里面討論。此外，還可以把我看到的最新物理內(nèi)的相關(guān)新聞，量子力學(xué)的一些研究前沿分享到QQ群里面，使得學(xué)生在玩手機(jī)的時(shí)候即可以了解到量子力學(xué)的前沿方向，此外還把課件分享到群里供同學(xué)們下載，并把課件通過美化大師轉(zhuǎn)為長(zhǎng)圖片，這樣學(xué)生可以把知識(shí)點(diǎn)保存在手機(jī)中，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的零星時(shí)間來學(xué)習(xí)。同時(shí)也鼓勵(lì)同學(xué)們參加校內(nèi)外的學(xué)術(shù)交流，也可以觀看網(wǎng)絡(luò)上的視頻講座。通過多渠道，多媒體等各種方式拓展視野，開拓眼界，提升學(xué)生的學(xué)術(shù)水平。

5 結(jié)語

綜上所述，使得本科生能夠?qū)W習(xí)好量子力學(xué)這一門重要的基礎(chǔ)課程是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要教師和學(xué)生的共同努力。該文從上述4個(gè)方面提出了一種使得學(xué)生能夠?qū)W習(xí)好量子力學(xué)的思路，如果上述4個(gè)方面能夠得到完美解決，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，也可以激發(fā)他們對(duì)科學(xué)研究的探索，同時(shí)將推進(jìn)物理方向的人才培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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