新建师范本科院校量子力学课程教学初探

宋 伟

（合肥师范学院 电子与信息工程学院，安徽 合肥230601）

1 引言

量子力学是近代物理两大支柱之一，是物理学（师范）专业最重要的专业核心课，是学习凝聚态物理、材料科学、激光物理与技术、生物物理、理论化学等各门近代学科的重要基础。特别是近二十年来，量子力学除了更深入地应用于物理学诸多分支以外，还迅速应用到化学、生物、材料科学和信息计算机科学等领域，极大地促进了这些学科的发展，同时量子力学自身也得到极大的丰富和发展［1］。量子力学的迅速发展以及相关技术的广泛应用，也使得量子力学的课程教学面临新的挑战，因为其教学效果直接关系到学生能否建立起现代物理学的基本素养并为进一步发展打下基础。关于传统研究型高校如何进行量子力学课程教学，目前已经进行了大量的教学研究［2－7］。然而关于在师范型高校如何结合自身办学定位开展量子力学教学的研究仍然不多［8，9］。本文结合自身教学实践，总结了一些在师范型高校讲授量子力学课程的教学方法和体会。

2 教学现状

2.1 教学方法单一

传统量子力学教学方式以教师为主，教师向学生进行单向的知识传授，学生只能被动的接受知识，造成学生盲从教师、盲从书本知识，缺乏独立思考和质疑的精神，有些学生对于课本知识的掌握十分死板，不敢越雷池半步，从不怀疑课本知识的准确性，在学习过程中不能发挥主观能动性。教师在教学的过程中也缺乏对学生学习过程的反馈，缺乏对学生需求和思维水平的了解，这导致教师在教学中仅从自身的角度进行满堂灌式的教学。

2.2 学生学习积极性不高

量子力学是物理学（师范）专业本科阶段最困难的一门课程。其困难性主要表现在一是量子力学观念新颖，它研究的对象是看不见摸不着的微观世界，而蕴藏其中的物理规律与日常生活中学生所积累起来的生活经验差异巨大，对于初学者来说要从经典物理学的囚笼中挣脱出来过渡到量子力学的思维并不容易；其二是量子力学理论性强且高度抽象，运用数学知识比较多，特别是对于以前数学和物理基础较差的同学来说造成很大困难。另一方面，量子力学教材普遍在关于量子力学的应用性方面叙述不足，导致许多学生在学习过程中对量子力学的重要性缺乏认识，认为量子力学知识与日常生活相距甚远，特别是对于物理（师范）专业的一些不准备继续深造的学生对于量子力学与中学物理教育关系的重要性缺乏认识。因此在教学的过程中，许多学生开始还抱着很大的兴趣，随着学习难度的逐渐加大渐渐失去了学习的动力甚至部分同学出现放弃的现象。

3 教学对策

针对以上论述的量子力学课程教学现状，本文结合自身在师范型高校教学实践，我们提出“一个中心，两个培养，三个结合”的教学理念。

3.1 一个中心

一个中心指的是以学生为中心，我们在教学理念上要充分考虑到学生的需求，充分考虑到专业培养方案对学生素质的要求，既要发挥教师的主导作用，又要发挥学生的主体作用，将教师的教与学生的学的主动性相结合，调动学生的学习积极性，使教师成为学生学习的引导者。为避免课堂成为教师的一言堂，教师应主动创设情景和问题引导学生参与到课堂的环节，在重要的物理概念上要鼓励学生主动质疑，变被动接受为主动思考。此外在课下应通过学生访谈，问卷调查或者网络的形式多渠道搜集学生对教师教学活动的反馈信息，根据学生的需求和水平对教学策略进行相应的调整让教学过程更符合学生的实际水平。

3.2 两个培养

针对我院“应用型、师范型”的办学定位，两个培养其一是突出专业素质和创新能力的培养，在教学过程中不应满足于单纯的传授知识，更应注重培养学生提出问题、解决问题的创新能力的培养，在讲授过程中注重还原物理问题当初提出的背景以及解决的过程。这要求教师在教学的同时必须进行扎实的科学研究，有过科学实践经验的教师，在讲述一个规律或原理时，一般会注重剖析人们怎样从不了解到了解它的过程，而不是把它看成一堆死板的知识去灌输给学生。通过讲授的过程让学生体会处理科学问题的方法，培养其科学探究的素养。对于书本的重要概念要鼓励学生提出自己的看法，经过独立的思考后再接受前人的观点而不是盲目的接受。此外，对于量子力学的基础，从诞生之初就存在着深刻和激烈的争论，近年来，这些争论已经从纯哲学的争论发展为可以依靠实验来验证的阶段，对于量子力学的这些开放和边缘问题可以适当介绍给学生激发其学习的兴趣。

其二是突出物理类师范型师资能力的培养，作为物理类师范专业的教师，很多教师对于量子力学在中学物理中的应用型认识存在不足。实际上没有近代物理特别是量子力学的知识就没有物理学的完备知识，这不仅是知识体系的缺陷，更是科学方法和科学素养的不足［10］。中学物理虽然不涉及具体的量子理论，但是某些量子力学的概念已经进入了中学教材，比如原子物理等许多涉及近代物理的内容必须用量子力学的基本思想去理解，限于学生的接受能力，很多概念只能泛泛而谈，但又不能讲错，只有教师具备一定的量子力学的修养，才能做到泛而无错。因此师范型高校量子力学课程教学中教师不仅应对打算继续深造的学生给予关注更应立足于全体学生，在课程的讲授上难度应照顾到绝大多数学生，力求让绝大部分同学能够跟上课程的进度，着眼点应放在培养大多数同学建立起现代物理学的基本素养，为未来从事中学物理教育做准备。

3.3 三个结合

第一个结合是板书与“多”媒体相结合，“多”媒体指的不仅是电子教案，还包括与课程有关的视频、图片、网络、软件模拟、实验道具等。多媒体使用恰当会对教学起到事半功倍的作用，反之，如果使用过度或不当，则会使教师沦为电子教案的配音员，不利于学生接受新知识，使用时应注意不能过分花俏，不能因为过多使用课件而妨碍师生的情感交流。比如在讲授完电子隧穿效应的时候给学生放映动画片《崂山道士》穿墙而过的片断加深学生映像，再比如在讲授氢原子电子在库仑场中运动的时候给学生演示用MATLAB模拟的氢原子电子云的结果，使学生对抽象的物理结果有更直观的理解。其次可以通过网络教学平台辅助教学，其功能主要包括给学生提供课程所需的资源库，提供和教师进行互动的平台，学生通过网络平台向教师提问可以不受时间和空间的限制，有助于教师及时准确的了解学生学习动态。

第二个结合是教师讲授与学生参与相结合，首先在讲授的过程中要善于引导学生参与到教学活动中来，比如在讲解全同粒子概念的时候，在强调两个粒子是否为全同粒子并不取决于粒子本身而在于系统的哈密顿量是否具有交换对称性，可以走下讲台随机从学生处取两本新旧查不多的书让学生分辨是否能区分两本书并和全同粒子做类比。此外在每章结束的时候安排学生分组自己总结本章的重难点然后由教师做出补充。在习题课环节除了教师讲解外，安排少量难度适中的问题让学生通过分组讨论当堂做出解答并讲解，学生在讲解的过程中不仅加深了对所学知识点的掌握，同时加强了师范生技能的训练。

第三个结合是课本知识与应用发展相结合。由于学生视野所限以及大多数教材对于量子力学的应用性方面叙述的不足，导致很多学生认为量子力学只是空头理论，因此在应用型、师范型高校教学中应特别注重所讲授知识的应用性，在讲授理论知识的同时，设置教学内容与当代物理发展的接口，适当的介绍量子力学进展和应用的知识，扩展学生视野，使学生感到学有所用，激发他们的学习兴趣。比如在讲解完电子的隧穿效应后给学生放映其应用扫描隧道显微镜的视频资料片，再比如在讲解自旋三重态的理论时，介绍纠缠态的概念以及在量子通信中的应用。此外，在讲授量子力学新概念的时候要善于通过类比的方法把新概念和学生日常生活中熟悉的经验关联起来，传统上认为量子力学描述的对象是微观世界，因此其规律难以和日常生活的现象相联系，实际上只要认真发掘很多内容还是可以通过类比的方法建立关联。比如在讲解电子波粒二象性的时候，在电子双缝衍射实验中如果测量电子的时候就表现得像粒子一样如果不测量就表现得像波一样，这一现象可以用一个害羞的小女孩做类比，用好消息逗小女孩，她就会表现为笑脸，用坏消息逗小女孩，她就会表现为哭脸，也可以用圆柱体来做类比，从上面看圆柱体它呈现一个圆，从侧面看它又表现为一个长方形，这些现象和粒子的波粒二象性有异曲同工之妙。再比如在讲述态叠加原理的时候波函数可以同时处于波函数1又处于波函数2的状态，这一点可以用学生乘做公交车做类比，在公交车没来之前，个体实际上就处于多路公交车的叠加状态。

4 小结

总之，在师范型高校开展量子力学课程的教学关键是如何结合自身的办学定位进行教学，在保证课程理论性的同时要注意联系学生的实际专业培养目标进行有针对性的教学。本文通过结合自身的教学实践从以上几个方面做了一些初步的探讨。如何在师范型高校做好量子力学课程教学仍是一个需要不断摸索和创新的过程，这包括教师、学生、教材等多方面的长期建设和配合。

［1］张永德.量子力学［M］.北京：科学出版社，2005.

［2］田光善.关于本科生量子力学教学的一些体会［J］.大学物理，2011，30：52.

［3］刘萍云，邹晓蓉.量子力学教学探讨［J］.高等教育研究学报，2006，29：67.

［4］王祥高，秦松梅，顾运厅.物理学专业量子力学教学探讨［J］.广西大学学报（增刊），2011，33：253.

［5］关洪.谈谈量子力学里的动量算符［J］.大学物理，1999，18：1.

［6］张启仁.论量子力学的教学研究［J］.大学物理，1994，13：10.

［7］钱伯初，曾谨言.费曼－海尔曼定理在教学中的应用［J］.大学物理，1986：1.

［8］李丽，马崇庚.工科专业量子力学教学改革［J］.科技创新导报，2011，28：165.

［9］陈高，孔梅，朱瑞晗，苟立丹，范雅.光信息科学与技术专业“量子力学”课程教学的探索［J］.长春理工大学学报，2011，24：120.

［10］王济民.试论《量子力学》在培养中学物理教师中的作用［J］.娄底师专学报，1989，4：71.