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关于工科物理专业量子力学教学改革探析

编辑:sx_wangha

2013-12-12

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“量子力学”是20世纪物理学对科学研究和人类文明进步的两大标志性贡献之一,已经成为物理学专业及部分工科专业最重要的基础课程之一,是学习“固体物理”、“材料科学”、“材料物理与化学”和“激光原理”等课程的重要基础。通过这门课程的学习,学生能熟练掌握量子力学的基本概念和基本理论,具备利用量子力学理论分析问题和解决问题的能力。同时,这门课程对培养学生的探索精神和创新意识及科学素养亦具有十分重要的意义。然而,“量子力学”本身是一门非常抽象的课程,众多学生谈“量子”色变,教学效果可想而知。如何激发学生学习本课程的热情,充分调动学生的积极性和主动性,提高量子力学的教学水平和教学质量,已经成为摆在教师面前的重要课题。近年来,笔者在借鉴前人经验的基础上,结合郑州轻工业学院(以下简称“我校”)教学实际,在“量子力学”的教学内容和教学方法方面做了一些有益的改革尝试,取得了较好的效果。
  一、“量子力学”教学内容的改革
  量子力学理论与学生长期以来接触到的经典物理体系相去甚远,尤其是处理问题的思路和手段与经典物理截然不同,但它们之间又不无关联,许多量子力学中的基本概念和基本理论是类比经典物理中的相关内容得出的。因此,在“量子力学”教学中,一方面需要学生摒弃在经典物理学习中形成的固有观念和认识,另一方面在学习某些基本概念和基本理论时又要求学生建立起与经典物理之间的联系以形成较为直观的物理图像,这种思维上的冲突导致学生在学习这门课程时困惑不堪。此外,这门课程理论性较强,众多学生陷于烦琐的数学推导之中,导致学习兴趣缺失。针对以上教学中发现的问题,笔者对“量子力学”课程的教学内容作了一些有益的调整。
  1.理清脉络,强化知识背景
  从经典物理所面临的困难出发,到半经典半量子理论的形成,最终到量子理论的建立,对量子力学的发展脉络进行细致的、实事求是的分析,特别是对量子理论早期的概念发展有一个准确清晰的理解,弄清楚到底哪些概念和原理是已经证明为正确并得到公认的,还存在哪些不完善的地方。这样一方面可使学生对量子力学中基本概念和基本理论的形成和建立的科学历史背景有一深刻了解,有助于学生理清经典物理与量子理论之间的界限和区别,加深他们对这些基本概念和基本理论的理解;另一方面,可使学生对蕴藏在这一历程中的智慧火花和科学思维方法有一全面的了解,有助于培养学生的创新意识及科学素养。比如:对于玻尔理论,由于对量子化假设很难用已经成形的经典理论来解释,学生往往会觉得不可思议,难以理解。为此,在讲解这部分内容时,很有必要介绍一下玻尔理论产生的历史背景,告诉学生在玻尔的量子化假设之前就已经出现了普朗克的量子论和爱因斯坦的光量子概念,且大量关于原子光谱的实验数据也已经被掌握,之前卢瑟福提出的简单行星模型却与经典物理理论及实验事实存在严重背离。为了解决这些问题,玻尔理论才应运而生。在用量子力学求解氢原子定态波函数时,还可以通过定态波函数的概率分布图,向学生介绍所谓的玻尔轨道并不是真实存在的,只是电子出现几率比较大的区域。通过这样讲述,学生可以清晰地体会到玻尔理论的承上启下的作用,而又不至于将其与量子力学中的概念混为一谈。

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