地方应用型高校如何教好量子力学
2017-07-24丁持坤
丁持坤
摘要:量子力学是现代物理的基础,是一门理论性很强的学科。许多概念与经典物理格格不入,给初学者造成很大困难。笔者结合自己的学习过程和教学情况,探讨如何在地方应用型高校教好这门课程。
关键词:量子力学;现代物理;地方应用型高校
笔者于1997年毕业于衡阳师范高等专科学校物理教育专业,那时用的是专科学校自编的量子力学教材,内容较简化,学习起来较吃力;2005年进入湖南师大读研后,又学习了高等量子力学,许多东西似懂非懂;2016年开始向本科生讲授量子力学课程,也只有在这时候,才懂得了困惑自己多年的一些问题。从这个历程中,可见学好量子力学这门课程是多么难。
一、教学指导思想
正因为这门课程很难学,所以不能期望太高,何况在生源较差的地方应用型高校。与此同时,教师要以人才市场需求和学术发展为双重依据,保持学科体系的完整性,把量子力学教好。对于若干个学生中的精英,要使其受到完整的课程体系训练,培养物理学科的领头雁;而对于其他学生,则通过教学方式和考核方式的多样性,让其顺利通过这些理论性较强的课程考核,培养物理文化的传播者。
笔者采用的教学方式以传统讲授法为主,PPT用得很少。因为这门课程必须经过数学演算和推导,才能对量子世界有所理解。不要求学生步步推导,但教师至少要去一步一步地算,给学生留下深刻的印象,让学生知道,做学问是老老实实地工作。每章结束后,设置一个小测试,题目来自上课时讲的一些重点概念、符号、规律以及一些简单的公式推导。这样可以保证学生能从书本里查找答案,掌握基本知识。
二、正确看待学生的学习状况
学生的学习状况也如所预料的一样,认真听的只有几个有考研意愿的人,其他人几乎是以玩手机来消磨时间。小测试的时候,总有十多人先不做,坐等别人的答案。笔者认为,教育不能指望人人都会成为精英,能成为“欲栽大树柱长天”的人只需几个即可。同一个专业里,也需要各种层次的人才,如理论计算、实验操作、知识传播、人际协调,等等。量子力学教师需要关注学生的听课状态,以人人能学会为原则(教育机会均等),随时调整自己的教学策略;同时也要牢记自己的使命,把量子力学的灵魂传播到位,把它的科学精神传播到位。
三、量子力学的魂与精神
量子力学的魂是:微观粒子的运动状态是不确定的,只能用概率波去描述;微观粒子的运动能量不是连续的,而是离散的;测量微观粒子的力学量时得不到确定值,只能得到系列的可能值及其出现的概率,但它们的统计值是确定的,即得到的宏观量;量子力学里的微观粒子不一定是电子质子等实物粒子,还可能是经过一次量子化和二次量子化后的某种运动单元,如电磁场光子、谐振子粒子。量子力学的精神是:科学研究是一件严肃的事情,必需老老实实地演算和推导,来不得半点投机取巧。
四、教学心得体会
1.量子力学的研究对象。量子力学是研究微观粒子的运动,但是课本开始介绍的黑体辐射却是能观察到的宏观现象,这该怎样理解?一是将空窖里的辐射场当成大量微观粒子组成的系统,它们服从Bose-Einstein分布ɑl=ωl/(eβεl-1),只是它们不是有原子分子结构的实物粒子罢了。二是认为这些粒子的能量是量子化的εl=ω,不再是宏观的连续能量了。这样一来,物体的辐射就是发射和吸收微观粒子的过程了。
2.二次量子化。把辐射场处理成能量量子化的大量微观粒子,把原点附近做振动的原子或分子处理成能量量子化的线性谐振子等就是一次量子化。最简单的二次量子化就是体现在对线性谐振子的处理上。线性谐振子的能级是分立的,En=ω(n+1/2),對应的本征态为Ψn。由于相邻能级上的本征态具有递推关系,即由Ψn可以推出Ψn-1或Ψn+1这时又把态Ψn看成是由n个粒子组成的系统,每个粒子具有能量E=ω,这样一来,递推关系里的算符就可以看成产生算符和湮灭算符了。
3.不确定性。这点和统计力学有某种相似性。统计力学并不知道微观粒子确定的运动状态,所以只好假定每种微观运动状态出现的概率相等,即等概率原理。这样一来,就可以理解测量微观粒子的力学量时,得不出确定值的原因,只能得出一系列的可能值以及这些可能值出现的概率。同样,描述粒子的运动状态也只能用概率波来描述了。
五、结语
综上所述,教师在地方应用型高校教量子力学时,既不能期望太高,也不能敷衍了事,要有正确的教学指导思想,即以人才市场需求和学术发展为依据,正确看待学生的学习状况,遵循教育机会均等的原则;一是做到将它的魂与精神传播到位,二是要不断总结教学经验,随时调整教学方法和步骤。