浅谈量子力学教学中学生学习兴趣的培养策略

钟涛

摘要：针对普通高校大学生在量子力学课堂上不够专注，对学习量子力学缺乏兴趣和积极主动性的现状，根据自己在量子力学教学工作中的实践经验提出若干建议和技巧。

关键词：量子力学;课堂教学;学习兴趣

量子力学是普通高校物理学专业最重要的专业主干课之一，同时也是物理学方向研究生考试的必考科目之一。量子力学是学习固体物理、核物理、量子场理论以及粒子物理学等课程的理论基础，而且在宇宙学、化学、生物学、材料学等学科和激光、电子显微镜、核武器、现代电子工业等许多近现代技术中有着广泛的应用。同时量子力学是一门不同于经典物理学的独立学科，体现了一种全新的思维方式，其对物质世界的基本假设对于学生树立正确的世界观意义重大。因此，对于物理学专业的本科生而言，不管将来从事理论工作，还是实验工作，甚至不再从事物理方面的工作，都应该学好量子力学。然而不幸的是，很大一部分学生都认为量子力学太难，对学习量子力学缺乏兴趣和主动性。具体表现则是，课堂上埋头“苦读”的学生越来越多而抬头认真听课的学生越来越少;课后作业几乎千篇一律;而主动课前预习或查阅其他相关参考书的学生更是凤毛麟角。因此，作为量子力学任课老师，如何把握好课堂上短短45分钟，激发学生的兴趣，调动学生的积极性，把学生的注意力牢牢吸引在自己讲授的内容上，是我们除了单纯教授知识外最重要的工作。下面笔者将结合自己的教学经历，谈一谈在量子力学教学中的一些建议和技巧。

一、建立融洽的师生关系

建立融洽的师生关系是激发学生学习兴趣的基础。要使学生喜欢上量子力学课，首先要让他们对任课教师有好感。而要让学生对教师有好感，必须从老师自身各方面着手。任课教师首先必须做到认真备课，努力提高自己的教学水平，宽严相济，坚持原则。只有业务能力强而又坚持原则的老师才会得到学生们的尊重。对学生在学习中遇到的问题和犯下的错误，应宽厚、温和、有耐心地对待，这样才能赢得学生的信任和爱戴。平时多倾听学生的反馈意见，适当修正自己的讲课思路和课堂教学方式，使之更切合学生的实际。当然，很多本科生尤其是理科生不太喜欢和老师面对面交流。对此，笔者介绍一个小技巧以供参考。可以在量子力学课程进行到一半时，组织一次学生对老师教学方式、教学内容甚至是教师本人等等各方面的意见反馈，以书面匿名的方式进行。收回这些反馈意见后，教师要尽快在课堂上进行口头回复，对于合理的意见和建议要接受，而对于做不到的要求也要耐心地给予解释。以笔者过去的经验，每当组织这样的反馈活动后，师生关系的融洽程度都会得到明显地提升。

二、让学生指挥老师，在课堂上形成良性互动

课堂教学不是任课老师一个人的独角戏，而是师生共同参与的互动。要形成课堂上的良性互动，首先需要学生们能张开嘴，积极发言。以不确定关系的推导过程为例[1]：

以上推导过程只要稍作提示，几乎所有学生都能独立完成。在这种情况下可以让学生来指挥老师，即让所有学生口述推导过程，而老师跟着学生在黑板上将推导过程板书出来。这样做可以很好的活跃课堂氛围，而由于从众心理，可以调动绝大部分学生的积极性。类似的推导过程几乎贯穿了整个量子力学的教学过程，因此让学生指挥老师是一个简单、有效、在量子力学教学中可以广泛使用的调动学生积极性的方法。

三、适当加入与知识点相关的人物历史背景

在教学过程中，具体讲解知识点时，适当穿插相关人物历史背景，可以明显提升学生的学习兴趣。比如在教材[1]的绪论中讲到光电效应时可以加入当时发生的一些故事[2]：爱因斯坦为解释光电效应而提出的光量子理论和光电方程最初并没有获得物理学界的认可。连普朗克都说爱因斯坦在思辨中可能走得太远了。而美国物理学家密立根的反对尤其激烈。从1912年起，他决心用实验彻底否定爱因斯坦的光量子理论。但是实验中出现了意想不到的局面：他越是把实验做得更精确，爱因斯坦的光电方程竟然越显得正确无误。结果是，本想推翻爱因斯坦光电方程，却“歪打正着”地证实了这个方程的正确性，并且还率先测出了一个极为重要的常数——普朗克常数。这个略带幽默性的小故事对提高学生学习光电效应这个知识点的兴趣效果显著，而且印象深刻。量子力学中有很多知识点如黑体辐射、康普顿散射、微观粒子的波粒二象性、薛定谔方程、不确定关系、狄拉克符号、斯塔克效应、电子自旋、泡利原理等等都可以通过介绍相关人物历史背景的方法来增加学生学习兴趣。

四、结合生活中的例子作类比，帮助学生理解和接受量子力学中的基本假设和物理概念

量子力学在对物质世界的基本认知上和学生以前学习的经典物理学有着很大的差异，这导致学生在学习过程中对某些物理概念和基本假设难以理解。此时采用生活中的某些例子进行类比，可以帮助学生接受和理解这些基本假设和物理概念。例如在波函数的统计解释这一小节中，需要学生深刻理解微观粒子的颗粒性。通常通过对经典粒子和微观粒子的对比来进行教学。经典粒子和微观粒子都具有“有一定质量、电荷等‘颗粒性”这一性质。相比微观粒子，经典粒子还具有两个性质：有确定的轨道;每一时刻有一定的位置和速度。此时可以乒乓球或教师手上拿着的粉笔作为例子进行讲述。从而可加深学生的直观理解。类似的方法还可用于力学量完全集、全同粒子等等知识点的讲解。

五、补充必要的数学和物理知识，使基础差的学生也能跟上学习进度

量子力学的学习需要一些数学和物理学方面的基础，如微分方程、线性代数、分析力学等等。一般而言这些课程学生在学习量子力学前都已经学习过，但部分基础差的学生对此掌握得并不牢固。所以在教学过程中应进行必要的补充。如在讲解教材[1]中2.7节线性谐振子时，教材中提到其势能公式为。笔者在过去的教学过程中发现有很多学生并不知道这个公式是怎么得到的，这会使得他们在进一步学习时心里不踏实，从而降低学习效果。如果以经典谐振子为例补充如下推导则可以很好的解决这个问题。由胡克定律，经典谐振子受力为：

六、讲解知识点在现实中的具体应用

学生在学习量子力学的过程中，常常被这样一个问题困扰：学习的这些知识具体有什么用处？虽然在绪论中给出了这个问题的答案，但这个答案非常笼统，并不能为学生带来直观的感受，这也在一定程度上降低了学生学习量子力学的兴趣。基于这样一种情况，教师在教学过程中，针对具体的知识点，应尽可能的增加该知识点在当今现实生活和科学技术方面的应用。如在学习完教材[1]中2.8节势垒贯穿这一知识点后，对隧道效应怎么具体应用到扫描隧穿显微镜中应给出更明确的介绍（配以适当图片）：扫描隧穿显微镜的探针针尖在原子尺度，在扫描样品时针尖的高度在一个纳米的量级，工作时在外加电压作用下，针尖与样品之间由于隧道效应而有电子逸出，形成隧道电流。电流强度和针尖与样品间的距离有关，当探针沿样品表面按给定高度扫描时，探针与样品表面间的距离随样品表面原子凹凸不平而不断改变，从而引起隧道电流的改变。将这种改变图像化即可显示出样品表面的凹凸形态。这样学生就能直观地理解隧道效应的应用，从而对该知识点掌握得更牢固。

总之，以上建议和技巧都是为了教师能够在课堂上吸引住学生的注意力，让学生对所讲的知识点能够听懂并掌握。此外任课教师还应该抽出适当的时间进行答疑和對课后练习中的重点和难点进行讲解，或者在布置作业时进行必要的提示。总之，作为量子力学任课教师，就是要想方设法、“不择手段”地让学生在课堂学习和课后练习中获得成功，而随着这样的成功不断积累，学生也就自然而然地建立起了学习量子力学的信心，而这种信心正是学生对量子力学产生兴趣的源泉，而兴趣又会促使学生积极主动地学习后续知识和完成课后练习并从中取得成功，……，这样就形成了学生学习量子力学的良性循环。

参考文献：

[1]周世勋，陈灏. 量子力学教程[M]. 第2版. 北京：高等教育出版社，2009.

[2]杨建邺. 光怪陆离的物质世界：诺贝尔奖和基本粒子[M]. 北京：商务印书馆，2008.