创新人才培养模式下的量子力学教学改革

王子武，李伟萍

（赤峰学院 物理与电子信息工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

创新人才培养模式下的量子力学教学改革

王子武，李伟萍

（赤峰学院 物理与电子信息工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

在新的形势下做好课程教学，培养创新型、应用型、复合型的人才是我们追求的最终教学目的.本文从量子力学教学中存在的问题出发，阐述了从教学思路、教学内容、教学方法和手段等方面进行改革的措施.

量子力学；创新人才；近代物理学；整合

量子力学是研究微观粒子运动规律的基本理论，其中的规律不仅支配着微观世界，也支配着宏观世界.毫不夸张的说，没有量子力学和相对论的建立，就没有人类的现代物质文明.但在新形势下，量子力学教学也出现了许多问题，我们的教学也要与时俱进.根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》要求把改革创新作为教育发展的强大动力，不断进行课程教学内容与方法的改革与创新，是在新的形势下做好课程教学、培养创新型、应用型、复合型人才的重要环节.因此，本着“融入赤峰，服务地方，突出特色”的办学理念，从教学思路、教学内容、教学方法和手段等方面我们进行了改革探索，为构建“尚德行、厚基础、重应用、求创新”的特色化人才培养模式而努力.

1 新形势下量子力学教学过程中出现的问题

1.1 理论抽象，难以理解

量子力学是一门高度抽象的理论物理课程，其中许多概念、原理都难以理解，其中解决问题的方法跟经典物理有本质性的差别，这使得量子力学难上加难.

1.2 数学基本功不扎实，掌握困难

量子力学中有很多繁杂的数学知识，不少学生相关的数学知识掌握不扎实，影响了对量子力学知识的理解.

1.3 现行教材无法满足不同职业规划的学生的需求

不同专业对量子力学所应掌握的程度以及与后续课程的联系是不同的；考研学生，就业学生对所要掌握的内容也是不同的，在这方面，现行的教材还存在很多不完善的地方.

1.4 有限的学时无法包含日益更新的量子力学新进展

随着一系列新的宏观量子效应不断被发现，课程内容应不断扩展，而授课学时从90学时缩减到72学时，对于传统教学方式来讲，要完成教学任务都比较困难，更谈不上补充最新前沿知识了.

2 现代教育理念指导下量子力学教学改革的思路

我们要以培养创新型、应用型、复合型人才为目的，贯彻新的教学理念，在教学中，教师发挥主导作用的同时，创造轻松愉快的课堂气氛，让学生以活跃的思维来学习.我认为一个好的高校教师，不应只满足于传授知识，而应着重培养学生如何思考问题，提出问题和解决问题的能力.本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，关注科学前沿不断搜集新资料，并将相关内容及时地充实到教学内容之中.在教学中更新教学思路，整合教学内容，改革教学方法和教学手段，真正提高了教学质量.

3 创新人才培养模式下的量子力学教学内容的改革

3.1 针对学生情况，因材施教，适应创新人才培养的需求

在讲授中，区别对待不同专业对量子力学的要求以及与后续课程的关系，适当对内容进行增减.例如，物理学专业的学生后期要学习固体物理课程，加强了近似方法的讲解.对有考研要求的学生开设了《量子力学Ⅱ》专业选修课，对部分内容加强教学深度和广度，例如对二次量子化以及二次量子化理论的应用进行了讲解，为将来进入相关领域的学科技术研究提供必要的学科基础知识.同时在2012级培养方案中增设了物理前沿知识的专题讲座介绍物理学的最新成果和最新学术观点，使学生了解发展动态，扩展学生的视野，注重因材施教.

3.2 整合教学内容，加强量子力学新进展在新技术中的应用的讲解

近年来一系列新的宏观量子效应不断被发现，相关的应用技术也正在迅速开展，量子力学的实用性愈加明显.在教学过程中，把量子力学在实际生产生活的应用同教学知识点紧密结合起来，不仅可提高教学效果，也有利于学生增强其创新思维的能力.采用了现代化教学手段与传统教学手段相比可以大大减少学时.我们认为，只要科学发展不停顿，教学内容就应不断更新.

4 现代科学技术下，量子力学教学方法手段的改革

4.1 采用传统教学与现代化教学手段相结合的教学模式

学生评价“量子力学是从天上掉下来的”，很难接受其中的基本概念和原理.在教学过程中，我们从单纯的教师讲授过渡到板书、多媒体课件、演示实验等各种手段相结合的教学模式.例如，在讲解线性谐振子波函数和概率密度时多媒体技术既形象直观又节省课堂时间（如图1，2所示）.在讲授科技前沿时，多媒体技术也发挥了很好的作用.例如在讲解一维无限深势阱时，将其与半导体量子阱和超晶格（如图3所示）这一科学前沿相联系；讲解隧道效应时，将其与扫描隧道显微镜相联系，进而介绍扫描探针操纵单个原子的实验（如图4所示）.通过这种方式，学生对知识有了直观的认识，不再感到量子力学的学习枯燥，同时也提高了学生接受新知识、学习新知识的能力.

图1 线性谐振子波函数，位置概率密度示意图

图2 线性谐振子概率密度分布示意图

图3课件中的PPT截图（超晶格)

图4课件中的PPT截图（扫描隧道显微镜）

4.2 充分利用数学知识，把物理情境的建立作为教学的重点

量子力学处处包含着数学知识，但在教学中如果把精力都放在严格的数学推导中会使学生感到量子力学只是数学公式的推导.因此在教学中跳过数学推导难点，通过简化模型、极限讨论等得出结论，把数学作为一种工具，注重分析物理模型，对数学推导可以不做讲解，只对个别基础好感兴趣的学生做单独辅导.例如在求解方势阱能量本征值问题时，对于本征方程的求解，略去复杂的数学推导，直接利用边界条件x=a处Φ(a)=Φ2(a)=0,x=0处Φ(0)=Φ2(0)=0得到本征值

4.3 应用比较法，将经典物理与量子力学类比学习

采用比较法，在教学中也起到了很好的效果.例如，经典物理学用牛顿第二定律F=ma描述状态变化，量子力学用薛定谔方程描述状态的变化，另外对于量子力学中的定态、守恒量等都要与经典物理学中的相关概念区分开来，类比说明，阐明其真正内涵，而且量子力学中的某些内容与经典力学也是截然不同的，例如叠加原理，不确定关系Δx·Δp∽η等等.

4.4 充分发挥近代物理实验教学的作用

物理学是一门实验科学，量子力学当然也不例外.学院的近代物理实验室，开设了黑体辐射特性的测量、激光拉曼光谱实验、扫描隧道显微镜钠原子光谱等实验都可以很好地配合量子力学理论课的教学，使学生可以亲身验证理论的正确性，激发学习兴趣.

4.5 科研促进教学，提升教育质量，培养学生创新意识

在抓教学质量的过程中，特别强调科研对教学的促进作用.我们在教学过程中尝试以论文的形式使学生得到科研训练.教学中一些问题不完善的解法往往是学生论文的选题，有的同学也把它作为自己的毕业论文来做，其中有些毕业论文质量很高，被评为优秀毕业论文.例如毕业论文《一维势垒中粒子的透射》，《一维方势阱中粒子的能量本征值》，《长方形量子点量子比特》等.

5 结语

甘子钊院士指出：“整个当代物理学教学的关键就在于量子力学的教学，这不仅仅是对物理系的教学，而且对化学、材料化学、生命科学、工程科学、地球科学等系科的教学，也是同样.教育要发展，根本靠改革.要把提高质量作为教育改革发展的核心任务.量子力学教学如何更好地为创新型、应用型、复合型人才的培养服务是我们不断追求的目标，我们相信，通过教学改革与不断创新，充分调动学生学习积极性和主动性，优化知识结构，强化能力培养.必将可以提高学生的学习能力、实践能力、创新能力，促进学生主动适应社会，开创美好未来.

〔1〕曾谨言.量子力学教程[M].科学技术出版社，2008.

〔2〕周世勋.量子力学教程[M].高等教育出版社，1979.

〔3〕潘桂侠．浅谈如何学好量子力学 [J]．科技信息，2010,2（17）：163.

〔4〕王燕锋.多媒体课件在量子力学教学中的利与弊[J].咸宁学院学报，2010,30（12）：223-224.

〔5〕刘中利，杨数强.《量子力学》教学模式初探[J].中国科技信息，2011（16）:164.

〔6〕金桂,黄小益,蒋纯志,陈亚琦.量子力学教学方法探索与实践[J].高等理科教育，2011（2）:100-103.

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1673-260X（2014）01-0274-02