量子力學(xué)課程教學(xué)改革初探

楊偉松 丁耿玉

摘要：根據(jù)江西科技師范大學(xué)物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的定位和人才培養(yǎng)模式，結(jié)合量子力學(xué)的課程特點(diǎn)和江西科技師范大學(xué)物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)現(xiàn)狀，對(duì)量子力學(xué)課堂教學(xué)的困惑難和學(xué)生學(xué)習(xí)的困難進(jìn)行分析，我認(rèn)為適當(dāng)調(diào)整現(xiàn)在的教學(xué)模式，探索出符合本校學(xué)生的教學(xué)模式極其重要。本文粗淺地論述了量子力學(xué)的教學(xué)要求、教學(xué)方法和課程設(shè)計(jì)，對(duì)進(jìn)一步提高我校量子力學(xué) ?教學(xué)質(zhì)量提出了自己的見(jiàn)解。

關(guān)鍵詞：量子力學(xué);教學(xué)改革;教學(xué)方法

1. 引言

近百年來(lái)，量子力學(xué)促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。量子力學(xué)作為物理專(zhuān)業(yè)本科生的一門(mén)重要基礎(chǔ)課，也被認(rèn)為是一門(mén)比較難的學(xué)科，它極大地影響了學(xué)生對(duì)物理的興趣以及他們未來(lái)的研究方向和工作。本文敘述江西科技師范大學(xué)物理學(xué)師范專(zhuān)業(yè)量子力學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀，從現(xiàn)狀從找出存在的問(wèn)題，并針對(duì)存在的這些問(wèn)題，來(lái)粗淺的研究量子力學(xué)課程教學(xué)改革方法。

2. 量子力學(xué)課程內(nèi)容及應(yīng)用

量子力學(xué)作為物理學(xué)的分支學(xué)科，研究的是，物質(zhì)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，主要研究的有原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，還有原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)[5]。是基礎(chǔ)理論課程。

量子力學(xué)對(duì)現(xiàn)代技術(shù)設(shè)備發(fā)揮著重要作用，如電子顯微鏡、激光、原子鐘等現(xiàn)代技術(shù)設(shè)備，它們都離不開(kāi)量子力學(xué)的知識(shí)，可想量子力學(xué)的作用。其次，現(xiàn)代電子工業(yè)、核武器的研發(fā)等，雖然量子力學(xué)直接起到的作用較少，但也離不開(kāi)量子力學(xué)課程的內(nèi)容知識(shí)。

3. 量子力學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

3.1.量子力學(xué)課程抽象原理難理解

《量子力學(xué)》這門(mén)課程，與其他學(xué)科不同，它概念抽象難理解。量子力學(xué)的基本概念與經(jīng)典物理之間存在著很大的差異，就體現(xiàn)出了它的抽象。學(xué)習(xí)量子力學(xué)的學(xué)生，要有牢固的的數(shù)學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)物理方法方面的知識(shí)，要有一定的功底。以求解能級(jí)和一維諧振子的波函數(shù)為例，就得需要學(xué)生有冪級(jí)數(shù)和厄米函數(shù)等知識(shí)點(diǎn)的知識(shí)積累，不僅知道冪級(jí)數(shù)的相關(guān)思想，而且對(duì)厄米函數(shù)的特性及相關(guān)知識(shí)要比較熟悉。就我校來(lái)講，很多學(xué)生并沒(méi)有掌握相關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)，用到較難的數(shù)學(xué)知識(shí)，來(lái)教學(xué)量子力學(xué)，從而使教學(xué)的難度又有提升。

3.2.教學(xué)方法單一，教學(xué)思路傳統(tǒng)，教學(xué)手段死板

一直以來(lái)，一些高校教師注重科學(xué)研究，很少花精力在教學(xué)上，幾乎不花時(shí)間去對(duì)教學(xué)方法的探索，在教學(xué)過(guò)程中，還采用傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)方法。以“教師為主體”傳統(tǒng)教學(xué)，剝奪了學(xué)生的主體地位，從教師到學(xué)生的單向講授教學(xué)模式。讓學(xué)生只能被動(dòng)地接受知識(shí)，導(dǎo)致學(xué)生的思維方式單一，阻礙了學(xué)生的思維，使學(xué)生獲取知識(shí)過(guò)程中，缺乏了主動(dòng)性、自主性及創(chuàng)造性。這種方法，學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中，總是處于被動(dòng)地位，不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、知識(shí)獲取和創(chuàng)新能力。

4. 量子力學(xué)課程教學(xué)改革方法

4.1.教學(xué)思路的改革

我們的教學(xué)目標(biāo)，是培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用型人才，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，實(shí)施素質(zhì)教育。在量子力學(xué)教學(xué)中， 我們應(yīng)該要對(duì)量子力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，對(duì)教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行改革， 提升本科生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的效果，提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

4.2.教學(xué)內(nèi)容與課程體系的改革

本科專(zhuān)業(yè)為物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，目前掌握量子力學(xué)與薛定諤方程的建立應(yīng)用、波函數(shù)與波粒二象性的意義、全同粒子和微擾理論的相關(guān)內(nèi)容及概念。在教學(xué)過(guò)程中，為了讓學(xué)生理解及掌握Dirac符合體系，Hilbert空間知識(shí)，教師在講解量子力學(xué)時(shí)，因著重講量子力學(xué)的假設(shè)或和基本原理。

4.3.教學(xué)方法的改革

量子力學(xué)課程的理論體系中，有很多概念在經(jīng)典物理學(xué)中就已經(jīng)接觸到了，對(duì)于大部分的本科生來(lái)講，他們已經(jīng)形成經(jīng)典物理的思維習(xí)慣，因而在學(xué)習(xí)量子力學(xué)課程時(shí)就會(huì)產(chǎn)生不少的疑惑和困難。對(duì)于這一問(wèn)題，在教學(xué)過(guò)程中，利用對(duì)比的方法，使學(xué)生在學(xué)習(xí)量子力學(xué)時(shí)更容易理解，量子力學(xué)課程的教學(xué)效果將得到提升。如;在對(duì)比描述，量子力學(xué)的微觀粒子運(yùn)動(dòng)和經(jīng)典物理學(xué)的物理運(yùn)動(dòng)時(shí)，他們的不同點(diǎn)在于：經(jīng)典物理學(xué)表示，在測(cè)量一個(gè)體系時(shí)，物體本身的狀態(tài)不會(huì)改變，物體本身的運(yùn)動(dòng)軌跡可以用運(yùn)動(dòng)方程來(lái)描述;而在量子力學(xué)中，體系的狀態(tài)，通常有兩種變化形式，第一種是按運(yùn)動(dòng)方程演進(jìn)的體系狀態(tài)形式，第二種是體系狀態(tài)變化的改變可測(cè)量。經(jīng)典力學(xué)是可逆的而量子力學(xué)是不可逆的，這就是兩種力學(xué)的不同點(diǎn)，狀態(tài)物理量沒(méi)有確切的值，描述它時(shí)，只能用物理量，在某個(gè)位置出現(xiàn)的概率。在類(lèi)比學(xué)習(xí)經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)時(shí)，教師同時(shí)還要注意區(qū)別它們的概念、觀念和方法學(xué)。

4.4.教學(xué)手段的改革

大學(xué)教師一方面教學(xué)，一方面做科研，教師在教學(xué)時(shí)，結(jié)合相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)引入科學(xué)研究方面的研究成果，給學(xué)生介紹所教學(xué)的內(nèi)容在科研中的應(yīng)用。這種科研與教學(xué)相結(jié)合的模式，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，能有效的使學(xué)生對(duì)量子力學(xué)知識(shí)的渴望，激發(fā)學(xué)生的潛能;培養(yǎng)了學(xué)生的思維方式，初步培養(yǎng)了學(xué)生的科研能力，為將來(lái)學(xué)生讀研做科研打下一定的基礎(chǔ)。

督指“監(jiān)督”、促為“促進(jìn)”，教師應(yīng)該通過(guò)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)過(guò)程的監(jiān)督從而促進(jìn)其自身正能量的發(fā)揮。教師對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的監(jiān)督行為在中小學(xué)處處可見(jiàn)，從對(duì)于課堂紀(jì)律的把控，到認(rèn)真批改學(xué)生課后作業(yè);但在文獻(xiàn)當(dāng)中，基本會(huì)看到對(duì)學(xué)生的表?yè)P(yáng)及鼓勵(lì)，對(duì)于部分學(xué)生惰性的批評(píng)，在文獻(xiàn)中卻一直諱言。當(dāng)然，我們要激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，要提升學(xué)生對(duì)于提升量子力學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，卻很少想過(guò)，教師是很難激發(fā)全部學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情的，對(duì)于部分學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣沒(méi)有被激發(fā)的學(xué)生，教師應(yīng)該如何辦？其次，外界的環(huán)境因素時(shí)時(shí)影響著學(xué)生，學(xué)生不可能始終保持著對(duì)于量子力學(xué)的學(xué)習(xí)熱情，假如學(xué)生不在狀態(tài)時(shí)，教師由該如何辦？監(jiān)督是教學(xué)手段并非教育目的，我們教育的目的是促進(jìn)學(xué)生內(nèi)在的成長(zhǎng)。

4.5.考核方式改革

對(duì)于要考核的學(xué)科，考核方式尤為重要，它往往指揮著教學(xué)的方向。對(duì)我校的量子力學(xué)課程的考核方式而言，考核方式為平時(shí)成績(jī)占比40%。期末考試占比60%。并且，占比40%的平時(shí)成績(jī)，沒(méi)有明確細(xì)化。就算有部分細(xì)化了的也沒(méi)有落到實(shí)處。我認(rèn)為想要提升量子力學(xué)課程的教學(xué)效果，它的考核方式就需要細(xì)化。在教學(xué)過(guò)程中，2-3周給學(xué)生一次小測(cè)試，將調(diào)動(dòng)了學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，以從不測(cè)試相比，很多學(xué)生平時(shí)不積極，期末考試前短時(shí)突擊，這使得學(xué)生對(duì)此課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量顯然不佳。例如：實(shí)行平時(shí)小測(cè)試20%，課程專(zhuān)題報(bào)告20%，平常自主學(xué)習(xí)（課前預(yù)習(xí)，課堂考勤，課后作業(yè)，聽(tīng)課筆記）20%，期末考試40%。研究好量子力學(xué)的考核方式并且能落到實(shí)處，我認(rèn)為該課程的教學(xué)效果就會(huì)有所提升。

5. 總結(jié)

本文根據(jù)我就讀的江西科技師范大學(xué)“量子力學(xué)”課程教學(xué)的現(xiàn)狀，以及我所學(xué)習(xí)的感受，分析淺談存在的不足，結(jié)合我同班同學(xué)及我自身的特點(diǎn)，圍繞教學(xué)思路、教學(xué)內(nèi)容與課程體系、教學(xué)方法、教學(xué)手段及考核方式等幾方面的改革進(jìn)行分析淺談。注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不放棄督促學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)手段，分析建立，更加適合本校學(xué)生學(xué)習(xí)《量子力學(xué)》課程的教學(xué)模式，可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的學(xué)習(xí)質(zhì)量。提升我校量子力學(xué)課程教學(xué)效果。也能真正培養(yǎng)出國(guó)家未來(lái)所需的高技能、高素質(zhì)的應(yīng)用型人才。

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基金項(xiàng)目：江西科技師范大學(xué)教改課題“量子力學(xué)教學(xué)改革初探”（編號(hào)：JGYB-19-100-73）

主持人：楊偉松。

作者簡(jiǎn)介：楊偉松（1977-），男，江西南昌人，博士，江西科技師范大學(xué)通電學(xué)院講師，研究方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)物理、非線性科學(xué);丁耿玉（1994-），男，貴州六盤(pán)水人，江西科技師范大學(xué)通電學(xué)院本科生。