量子力学教学改革的探讨

高海峡 陈泽顺 雷 蕾

(1.湖南科技学院 电子工程系，湖南 永州 425199；2.湖南永州第十四中学，湖南 永州 425000)

0 引言

量子力学和相对论是20世纪物理基础理论的两项重大进展，是近代物理的主要理论基础[1]，是物理学专业最重要的一门专业基础必修课, 是学习理论物理、材料科学、激光物理与技术、生物物理、理论化学等研究生课程的重要基础。通过这门课程的学习，可使学生熟练地掌握量子力学的基本概念和基本理论， 具备利用量子力学的基本理论分析问题和解决问题的能力。量子力学的教学一直受到国家教育部的重视，我国高校经过几十年的教学改革，取得了大量的教学成果[2-4]。但目前在大学量子力学教学中，教学内容和方法等方面还存在一些不足之处，需要不断进行改革和创新,这是在新的形势下搞好课程教学、培养创新型应用人才的十分重要的环节。

1 量子力学理论教学现状

量子力学是让物理系学生最头痛的课了，不少学生对它望而却步，造成这种局面的原因很多。一是量子力学本身的问题，对于初学量子力学的学生来说，在以往物理基础课、专业课的学习中，树立了牢固的经典物理概念，并受到这些经典物理概念的束缚，而量子力学理论的形成是以打破经典物理观念为特点的，这对于深受经典物理思想熏陶的学生来说，学习和接受量子观念是困难的。尽管它在很多方面都得到了应用，但到现在为止对它的一些基本问题仍无法找到合理的解释，所以量子力学不像经典物理那样容易理解。二是国内关于量子力学的教材问题，学量子力学的教材很多，但不知看那一本。因为不同的书体现了不同的教学思路，这本书这部分讲的好，那本书那个部分讲的好。而且有些经典的教学用书沿用十几年甚至几十年，内容上却没有及时更新。三是教授量子力学的老师问题。当今大学老师都注重科研而轻教学，所以现在的老师上课都不会花太多功夫，上课只会照着课本或PPT读了，在教学方法和教学手段还是传统的，教学效果佳。所以在高校加强量子力学的教学改革是十分必要的，也是十分迫切的课题。

2 量子力学的教学改革

2.1 教学思路的改革

长期以来, 传统教学都是以“教师为主体”, 采用由教师到学生的“单向传授”教学模式,学生失去主体地位, 只能被动接受知识, 造成他们的思维模式单一, 思维渠道闭塞,缺乏获取知识的自主性、能动性和创造性。有些学生直到“毕业设计”仍然沿袭着高中的学习模式。我们以培养创新型应用人才为目的, 贯彻新的教学理念, 提倡以人为本, 既要发挥学生的主体作用,又要发挥教师的主导作用, 实施素质教育。在量子力学教学中, 我们整合了教学内容, 改革了教学方法和教学手段, 真正提高了人才培养质量。

2.2 教学内容与课程体系的改革

教学内容是教学活动中最基本的要素, 直接影响着教学效果。量子力学课程的突出特点是最接近前沿, 因此, 我们以教学大纲为基础, 经常关注科学前沿的新进展, 不断搜集新材料, 并将有关内容及时地充实到教学之中。通过更新教学内容, 构建了适应创新型应用人才培养目标的课程体系。

课程本着突出基础、保持内容的先进性和前沿性的原则,重点放在基础性强、适用性广、对高新技术的发展起重要作用的基本原理和基本内容上, 并适当顾及教学内容的广度。进行量子力学基本概念教学时, 站在当代物理学所达到的高度, 从量子力学理论框架的整体出发, 不去纠缠于量子力学与经典物理之间的所谓“对应关系”, 尤其在课堂教学时,刻意淡化诸如“轨道”等经典物理概念, 从一开始就把量子力学理论作为一种新的思维方式灌输给学生, 这样有助于消除学生理解量子力学的思维障碍。

在基本理论的讲授中, 设置教学内容与物理学发展前沿的“接口”, 介绍物理学的最新成果和最新学术观点, 使学生了解物理学的发展动态, 扩展学生的视野。同时增设了物理前沿知识的专题讲座[5-7]。例如, 在量子隧道效应的基础上介绍恒星的量子力学, 在海森堡不确定关系基础上介绍压缩态光场和压缩态原子及其在量子光学和原子光学中的重要应用, 在EPR佯谬基础上介绍量子信息工程与量子计算机,在不相容原理基础上介绍激光与超流体等。实践证明,学生对课程前沿内容都很感兴趣, 会提出各种问题并乐于作进一步的探讨, 从而对学生的探索精神进行了培养。另一方面, 对于可以继续读研的学生来说, 对物理学的很多重大发展和成就的了解, 为将来进入相关领域的学科和技术研究提供必要的学科基础知识, 激发了他们的研究欲望。

2.3 教学方法的改革

有效的教学方法是实现教育目标的保证。在教学活动中,我们遵循教育规律, 从教学目标和教学内容的要求出发, 从大学生的心理发展规律出发, 制定有效的教学策略, 对教学方法进行了改革, 采用了多种教学手段, 并将其灵活运用于教学, 使教学达到知识与能力、素质与方法的目标要求, 呈现出符合学生学习特点的教学形态。

传统的教学方法是“填鸭式”的讲授法, 这种方法使得学生在教学活动中处于被动地位，不利于学生提高学习兴趣，不利于知识的获取和创新能力的培养[8，9]。针对这种情况, 我们可以从以下方面改进了教学方法。

（1）充分运用量子力学发展史，启迪学生。

量子力学的发展史被认为是物理学上最激动人心的篇章之一，可以让学生阅读《量子力学简史》，看“宇宙和生命”视频，利用物理学史中精彩片断、生动的演示实验、物理学在其它领域中的应用等吸引学生，提高他们的学习兴趣。在量子力学教学中，适当介绍科学家获得伟大成就的史实，不仅能活跃课堂气氛，激发学生学习兴趣，而且使学生在学习物理知识的同时，深刻领悟到这些大师们所具有的创新思想，有助于学生理解和掌握科学研究的方法，培养学生严谨的治学精神及其创新的精神。另外，量子力学本身也要求教师有必要从原始史料出发，对量子力学的建立和发展进行实事求是的分析，特别是对量子理论早期的实验现象、概念的提出和理论的发展需要有一个完整的了解和准确的理解，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。

（2）采用量子力学与经典力学相对比的方法

量子力学是属于非经典物理，其理论体系中有很多概念是经典物理所没有的。初学量子力学的学生由于已形成经典物理的思维习惯，因而在学习量子力学时存在不少疑惑和困难。针对这一问题，可以采用对比教学方法来促进教学，帮助学生更好地学习量子力学。例如：量子力学中微观粒子的运动和经典物理学中物体的运动在描述上是不同的。在经典物理学理论中，对一个体系的测量不会改变它的状态，看通过运动方程来描述。这样，通过运动方程可预言体系状态的力学量。但在量子力学中，对于一个体系的状态通常有两种变化形式，一种是体系的状态按运动方程演进，另一种是测量改变体系状态的变化，前者是可逆的，后则的不可逆的，这就决定了状态的物理量不像经典物理一样给出确定的值，只能通过物理量在某个位置的几率来描述。

(3)采用理论与实际应用相结合的方法

量子力学的理论体系，成功地揭示了微观世界的基本规律，大大促进了原子物理、凝聚态物理、化学、材料等学科的发展，许多理论已经应用到当代科技发展的诸多领域。当前，大规模集成电路已经应用到核磁共振、核能发电、空间探测、半导体、电脑和手机等各类电子产品中，而集成电路的制造基础理论是半导体物理，半导体物理的基础是固体物理中的能带理论，固体物理的基础就是量子力学，近年来，受国家节能减排政策的指引，我国的半导体照明技术及相关产业迅速发展，形成了产学研紧密结合，实现了从物理、材料、器件、重大装备到示范应用的创新链和产业链，量子力学必将在其中扮演更为重要的角色。在教学过程中，把量子力学在生产生活的应用同量子力学的教学知识点紧密结合起来，既生动又直观，不仅可提高教学效果，还非常有利于学生学以致用，增强其创新思维的能力，收到更好的教学效果。

（4）重视教学与科研有机结合

作为教学主导的教师不仅要传授知识，还担负着发现未知和培养学生探求新知能力的任务，因而本科教学具有很强的探索性。此外，本科教学过程本身就包含着教学与科研两种因素，两者是紧密结合在一起的。在抓教学质量的过程中，特别强调科研对教学的促进作用。教师要提高课堂教学的学术含量，要把科研成果转化为课程内容，开阔学生的学术眼光和视野、进行学术熏陶。通过具体案例的研究和教学，提高了学生综合运用理论知识去分析和解决复杂的实际问题的能力。

2.4 教学手段的灵活多样

由单纯的电子课件逐步过渡到电子教案、板书、录像、CA I课件、演示实验、网络等各种手段相结合, 力求达到最佳教学效果。

（1）充分利用多媒体的特殊功能来展示量子力学内容的丰富性、抽象性、应用性和前沿性。在多媒体教学模式中,电子教案是重点。我们的电子教案在教学过程中不断修改和完善, 保障其结构上具有科学性、严谨性, 内容上保持先进性和前沿性, 并借助于数学软件进行数值计算, 展示物质的结构和运动规律, 不片面追求版面美观，以有利于调动学生的学习积极性为目的。

（2）充分发挥实验教学的作用。物理学是一门实验科学, 观察实验现象是获得物理知识的一个重要手段。我们建立了量子力学实验室, 开设了电子自旋共振、激光拉曼光谱实验、光泵磁共振等十二个实验[10]。同时引进了实验教学软件, 学生可以登陆实验教学网站进行模拟实验。经过几年的教学实践, 我们发现学生的学习兴趣大大提高。

（3）建立和完善网络教学平台。网络是教学的一个辅助手段, 网络辅助教学包涵两方面内容, 一是提供课程学习资源库, 二是提供交互式的学习空间。其中交互式的学习空间可以作为课堂教学, 尤其是讨论辅导课的延伸。讨论课虽然很受学生欢迎, 但是受到课时的限制, 而网络恰好弥补了这一不足。专门为任课教师、辅导教师和学生建立了讨论区域, 在此区域内, 教师和学生、学生和学生可以方便地进行讨论互动。教师或者学生都可以提出一些新论题, 然后在网络上进行交流讨论。对于某些知识点, 教师在课堂讲授时留有一定的课后探索空间, 通过网络交流平台师生对问题进行深入探索和讨论。这种网络互动的教学方式突破了以往师生交流的时间、空间限制, 教师可以及时、准确地了解学生的学习状态, 为课堂教学提供了一个重要的依据, 还能培养学生在学习过程中的创新意识。

3 总结和展望

经过课程组老师们的努力, 我系的量子力学教学水平逐年提高, 教学效果良好, 学生对基本知识的掌握和解决问题的能力大大提高。物理系考研学生上线率不断上升，“量子力学”课程的考研成绩也在不断提高。教学改革与创新是搞好大学教育的强劲推动力, 我们虽然在教学中进行了一些有益的尝试，取得了一些成效, 仍有一些问题有待解决,如: 量子力学教学如何更好地为实用型人才的培养服务等。我们相信, 通过教学改革与不断创新, 必将为国家培养出更多高素质人才。

[1]钱伯初.“量子力学”课程的改革与建设进程[ J ].高等理科教育，2007, (4):30-321.

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[5] [英]安东尼·黑, 帕特里·沃尔特斯著；雷奕安，译.新量子世界[M ].长沙：湖南科学技术出版社，2005，120，184-191.

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[8]葛自明，阴其俊，钟菊花等，工科大学物理研究型教学实践与平台构建[ J ].高等理科教育, 2008, (5):141-144

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[10]谢行恕，康士秀，霍剑青.大学物理实验(第二册) [M ].北京：高等教育出版社, 2001：195-225.