淺談量子力學(xué)教學(xué)中學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)策略

鐘濤

摘要：針對普通高校大學(xué)生在量子力學(xué)課堂上不夠?qū)Ｗⅲ瑢W(xué)習(xí)量子力學(xué)缺乏興趣和積極主動性的現(xiàn)狀，根據(jù)自己在量子力學(xué)教學(xué)工作中的實踐經(jīng)驗提出若干建議和技巧。

關(guān)鍵詞：量子力學(xué);課堂教學(xué);學(xué)習(xí)興趣

量子力學(xué)是普通高校物理學(xué)專業(yè)最重要的專業(yè)主干課之一，同時也是物理學(xué)方向研究生考試的必考科目之一。量子力學(xué)是學(xué)習(xí)固體物理、核物理、量子場理論以及粒子物理學(xué)等課程的理論基礎(chǔ)，而且在宇宙學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科和激光、電子顯微鏡、核武器、現(xiàn)代電子工業(yè)等許多近現(xiàn)代技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。同時量子力學(xué)是一門不同于經(jīng)典物理學(xué)的獨立學(xué)科，體現(xiàn)了一種全新的思維方式，其對物質(zhì)世界的基本假設(shè)對于學(xué)生樹立正確的世界觀意義重大。因此，對于物理學(xué)專業(yè)的本科生而言，不管將來從事理論工作，還是實驗工作，甚至不再從事物理方面的工作，都應(yīng)該學(xué)好量子力學(xué)。然而不幸的是，很大一部分學(xué)生都認為量子力學(xué)太難，對學(xué)習(xí)量子力學(xué)缺乏興趣和主動性。具體表現(xiàn)則是，課堂上埋頭“苦讀”的學(xué)生越來越多而抬頭認真聽課的學(xué)生越來越少;課后作業(yè)幾乎千篇一律;而主動課前預(yù)習(xí)或查閱其他相關(guān)參考書的學(xué)生更是鳳毛麟角。因此，作為量子力學(xué)任課老師，如何把握好課堂上短短45分鐘，激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動學(xué)生的積極性，把學(xué)生的注意力牢牢吸引在自己講授的內(nèi)容上，是我們除了單純教授知識外最重要的工作。下面筆者將結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)歷，談一談在量子力學(xué)教學(xué)中的一些建議和技巧。

一、建立融洽的師生關(guān)系

建立融洽的師生關(guān)系是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的基礎(chǔ)。要使學(xué)生喜歡上量子力學(xué)課，首先要讓他們對任課教師有好感。而要讓學(xué)生對教師有好感，必須從老師自身各方面著手。任課教師首先必須做到認真?zhèn)湔n，努力提高自己的教學(xué)水平，寬嚴相濟，堅持原則。只有業(yè)務(wù)能力強而又堅持原則的老師才會得到學(xué)生們的尊重。對學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的問題和犯下的錯誤，應(yīng)寬厚、溫和、有耐心地對待，這樣才能贏得學(xué)生的信任和愛戴。平時多傾聽學(xué)生的反饋意見，適當(dāng)修正自己的講課思路和課堂教學(xué)方式，使之更切合學(xué)生的實際。當(dāng)然，很多本科生尤其是理科生不太喜歡和老師面對面交流。對此，筆者介紹一個小技巧以供參考?？梢栽诹孔恿W(xué)課程進行到一半時，組織一次學(xué)生對老師教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容甚至是教師本人等等各方面的意見反饋，以書面匿名的方式進行。收回這些反饋意見后，教師要盡快在課堂上進行口頭回復(fù)，對于合理的意見和建議要接受，而對于做不到的要求也要耐心地給予解釋。以筆者過去的經(jīng)驗，每當(dāng)組織這樣的反饋活動后，師生關(guān)系的融洽程度都會得到明顯地提升。

二、讓學(xué)生指揮老師，在課堂上形成良性互動

課堂教學(xué)不是任課老師一個人的獨角戲，而是師生共同參與的互動。要形成課堂上的良性互動，首先需要學(xué)生們能張開嘴，積極發(fā)言。以不確定關(guān)系的推導(dǎo)過程為例[1]：

以上推導(dǎo)過程只要稍作提示，幾乎所有學(xué)生都能獨立完成。在這種情況下可以讓學(xué)生來指揮老師，即讓所有學(xué)生口述推導(dǎo)過程，而老師跟著學(xué)生在黑板上將推導(dǎo)過程板書出來。這樣做可以很好的活躍課堂氛圍，而由于從眾心理，可以調(diào)動絕大部分學(xué)生的積極性。類似的推導(dǎo)過程幾乎貫穿了整個量子力學(xué)的教學(xué)過程，因此讓學(xué)生指揮老師是一個簡單、有效、在量子力學(xué)教學(xué)中可以廣泛使用的調(diào)動學(xué)生積極性的方法。

三、適當(dāng)加入與知識點相關(guān)的人物歷史背景

在教學(xué)過程中，具體講解知識點時，適當(dāng)穿插相關(guān)人物歷史背景，可以明顯提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比如在教材[1]的緒論中講到光電效應(yīng)時可以加入當(dāng)時發(fā)生的一些故事[2]：愛因斯坦為解釋光電效應(yīng)而提出的光量子理論和光電方程最初并沒有獲得物理學(xué)界的認可。連普朗克都說愛因斯坦在思辨中可能走得太遠了。而美國物理學(xué)家密立根的反對尤其激烈。從1912年起，他決心用實驗徹底否定愛因斯坦的光量子理論。但是實驗中出現(xiàn)了意想不到的局面：他越是把實驗做得更精確，愛因斯坦的光電方程竟然越顯得正確無誤。結(jié)果是，本想推翻愛因斯坦光電方程，卻“歪打正著”地證實了這個方程的正確性，并且還率先測出了一個極為重要的常數(shù)——普朗克常數(shù)。這個略帶幽默性的小故事對提高學(xué)生學(xué)習(xí)光電效應(yīng)這個知識點的興趣效果顯著，而且印象深刻。量子力學(xué)中有很多知識點如黑體輻射、康普頓散射、微觀粒子的波粒二象性、薛定諤方程、不確定關(guān)系、狄拉克符號、斯塔克效應(yīng)、電子自旋、泡利原理等等都可以通過介紹相關(guān)人物歷史背景的方法來增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

四、結(jié)合生活中的例子作類比，幫助學(xué)生理解和接受量子力學(xué)中的基本假設(shè)和物理概念

量子力學(xué)在對物質(zhì)世界的基本認知上和學(xué)生以前學(xué)習(xí)的經(jīng)典物理學(xué)有著很大的差異，這導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對某些物理概念和基本假設(shè)難以理解。此時采用生活中的某些例子進行類比，可以幫助學(xué)生接受和理解這些基本假設(shè)和物理概念。例如在波函數(shù)的統(tǒng)計解釋這一小節(jié)中，需要學(xué)生深刻理解微觀粒子的顆粒性。通常通過對經(jīng)典粒子和微觀粒子的對比來進行教學(xué)。經(jīng)典粒子和微觀粒子都具有“有一定質(zhì)量、電荷等‘顆粒性”這一性質(zhì)。相比微觀粒子，經(jīng)典粒子還具有兩個性質(zhì)：有確定的軌道;每一時刻有一定的位置和速度。此時可以乒乓球或教師手上拿著的粉筆作為例子進行講述。從而可加深學(xué)生的直觀理解。類似的方法還可用于力學(xué)量完全集、全同粒子等等知識點的講解。

五、補充必要的數(shù)學(xué)和物理知識，使基礎(chǔ)差的學(xué)生也能跟上學(xué)習(xí)進度

量子力學(xué)的學(xué)習(xí)需要一些數(shù)學(xué)和物理學(xué)方面的基礎(chǔ)，如微分方程、線性代數(shù)、分析力學(xué)等等。一般而言這些課程學(xué)生在學(xué)習(xí)量子力學(xué)前都已經(jīng)學(xué)習(xí)過，但部分基礎(chǔ)差的學(xué)生對此掌握得并不牢固。所以在教學(xué)過程中應(yīng)進行必要的補充。如在講解教材[1]中2.7節(jié)線性諧振子時，教材中提到其勢能公式為。筆者在過去的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)有很多學(xué)生并不知道這個公式是怎么得到的，這會使得他們在進一步學(xué)習(xí)時心里不踏實，從而降低學(xué)習(xí)效果。如果以經(jīng)典諧振子為例補充如下推導(dǎo)則可以很好的解決這個問題。由胡克定律，經(jīng)典諧振子受力為：

六、講解知識點在現(xiàn)實中的具體應(yīng)用

學(xué)生在學(xué)習(xí)量子力學(xué)的過程中，常常被這樣一個問題困擾：學(xué)習(xí)的這些知識具體有什么用處？雖然在緒論中給出了這個問題的答案，但這個答案非?；\統(tǒng)，并不能為學(xué)生帶來直觀的感受，這也在一定程度上降低了學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣?；谶@樣一種情況，教師在教學(xué)過程中，針對具體的知識點，應(yīng)盡可能的增加該知識點在當(dāng)今現(xiàn)實生活和科學(xué)技術(shù)方面的應(yīng)用。如在學(xué)習(xí)完教材[1]中2.8節(jié)勢壘貫穿這一知識點后，對隧道效應(yīng)怎么具體應(yīng)用到掃描隧穿顯微鏡中應(yīng)給出更明確的介紹（配以適當(dāng)圖片）：掃描隧穿顯微鏡的探針針尖在原子尺度，在掃描樣品時針尖的高度在一個納米的量級，工作時在外加電壓作用下，針尖與樣品之間由于隧道效應(yīng)而有電子逸出，形成隧道電流。電流強度和針尖與樣品間的距離有關(guān)，當(dāng)探針沿樣品表面按給定高度掃描時，探針與樣品表面間的距離隨樣品表面原子凹凸不平而不斷改變，從而引起隧道電流的改變。將這種改變圖像化即可顯示出樣品表面的凹凸形態(tài)。這樣學(xué)生就能直觀地理解隧道效應(yīng)的應(yīng)用，從而對該知識點掌握得更牢固。

總之，以上建議和技巧都是為了教師能夠在課堂上吸引住學(xué)生的注意力，讓學(xué)生對所講的知識點能夠聽懂并掌握。此外任課教師還應(yīng)該抽出適當(dāng)?shù)臅r間進行答疑和對課后練習(xí)中的重點和難點進行講解，或者在布置作業(yè)時進行必要的提示?？傊鳛榱孔恿W(xué)任課教師，就是要想方設(shè)法、“不擇手段”地讓學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)和課后練習(xí)中獲得成功，而隨著這樣的成功不斷積累，學(xué)生也就自然而然地建立起了學(xué)習(xí)量子力學(xué)的信心，而這種信心正是學(xué)生對量子力學(xué)產(chǎn)生興趣的源泉，而興趣又會促使學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí)后續(xù)知識和完成課后練習(xí)并從中取得成功，……，這樣就形成了學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的良性循環(huán)。

參考文獻：

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

[2]楊建鄴. 光怪陸離的物質(zhì)世界：諾貝爾獎和基本粒子[M]. 北京：商務(wù)印書館，2008.