量子力学教学方法探讨

孙明勇

摘 要：本文主要简单介绍了量子力学教学中的几个经典问题，针对这几个问题对量子力学的教学方法进行了初步的探讨。

关键词：量子力学;教学困惑;方法探讨

2016年8月16日1时40分，墨子号量子科学实验卫星（简称墨子号）成功发射升空。2017年9月29日，世界首条量子保密通信干线“京沪干线”与“墨子号”科学实验卫星进行天地链路，我国科学家成功实现了洲际量子保密通信。这标志着我国在全球已构建出首个天地一体化广域量子通信网络雏形，为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出了坚实的一步。量子通信逐步进入人们的视野，今年以来我校大面积开展教学改革，量子力学也将步入学生课堂，那么应该如何上好量子力学？

一、量子力学教学中的困惑

经典物理学描述的是宏观世界的运动规律，我们可以用正常的思维理来解经典物理学的知识。而量子力学描述的是微观世界的运动规律，与我们所熟悉的宏观世界的规律有着根本性的区别，甚至与我们所熟悉的现象大相径庭，充满了抽象性和复杂性。学生很难将所学知识形象化，其难度甚至可以被称为“天书”。

量子力学教学实践中遇到的典型的几个问题：（1）量子力学的基本概念以及假设很多都与我们所能够观察到的现实相悖，学生如何“摆脱”用经典物理思想去理解量子力学是第一个难题;（2）经典物理系中我们可以借助于实验帮助学生理解物理知识，但是量子力学中基本没有我们能做的实验;（3）传统的教学方法在量子力学教学中毫无优势可言，再者传统教学方法也不利于培养学生的独立思考能力和创新能力;（4）对于作为初学者的学生而言，量子力学从概念到内容都比较抽象，理解起来确实有一定难度，而且被冠以“天书”的名字，有些学生听说量子力学难学，就会觉得量子力学很难，给人学习者心理上造成一定影响。学生对量子力学认识不足，未战先怯导致学习缺乏积极性，而且认为量子力学难以捉摸，离我们日常生活“很遥远”。

二、量子力学教学方法探讨

针对上面提到的量子力学教学实践中的几个问题，根据教学改革理念和自己教学实践尝试探讨以下几点。

首先，可以通过对量子力学发展史的讲解，使学生了解到量子力学的建立是与经典物理学的不同的。早在19世纪末的时候，人们就发现了旧的理论知识根本无法解释微观世界。经过众多物理学家的努力，终于在20世纪初的时候，创立了量子力学。量子力学恰好可以很好的解释以前无法解释的微观世界。当物理学家们遇到了用经典物理学解决不了的问题时才逐步建立了量子力学，所以不能用经典物理学思维去理解量子力学。

其次，近年来由于多媒体软件应用得以快速发展，可以利用多媒体软件形象的进行量子力学实验模拟，使量子力学中一些教学内容形象化，以更直观的形式展现在学生面前，便于他们理解。比如可以在软件平台上模拟演示电子双缝干涉实验，让学生更加形象地理解电子的波粒二象性。利用动画模拟演示势垒贯穿，将抽象的概念以动画的形式展现出来，把量子遂穿效应形象化、具体化，使学生在学到知识的同时对微观粒子这种“神奇”行为更加感兴趣。

再次，坚持问题导向的教学方式。将学生分成几个小组，同时将量子力学的内容分成几个小专题，每个小组可以自由的选择一个不同的专题，利用课下的时间进行学习、讨论，小组成员可以学习课本知识，可以去图书馆查阅相关资料，也可以在网络上查找下载资料（鼓励学生充分利用网上慕课资源）。通过小组成员的共同努力，最后形成一个书面成果，在课堂上让每一个小组进行讲解。通过这样的形式不仅可以激发学生的积极性和主动性，而且可以提高学习质量和教学质量。课堂上教师要善于设计问题，引导学生带着疑问去听课，激发学生的求知欲，把学习的主动权交给学生，鼓励学生善于思考问题、乐于解决问题。为了活跃课堂气氛，提高学生的学习兴趣，可以适当地插入一些量子力学相关人物的介绍，使学生体会到物理学前辈们建立量子力学之路的艰辛经历。课下督促学生及时复习、认真完成作业以及做好下一次课的预习准备工作。

最后，量子力学是描述微观物质的理论，而微观和宏观往往是一体的，它们同时存在进行着。只是微观的世界我们一般都无法看见而已，其实微观物质却是无处不在的。可以说我们生活的方方面面都有量子的存在，它构建了这个世界的运行规则。不管是什么东西，都是由许许多多的量子构建而成的。在讲解课程的同时穿插一些量子力学的前沿应用的介绍，比如：量子力学保密通信中的应用，量子力學与量子计算机等。努力消除学生对量子力学的片面或错误认识，激发学生的学习兴趣。

三、小结

量子力学已经发展有一个世纪，是近代物理学的基础，但由于其抽象、深奥、难学也难教，对于学生的学习增加了难度。文章简要介绍了量子力学教学面临的几个问题和几点探讨，我相信，通过不断地改革创新，调动学生积极性和主动性。必将可以提高学生的学习能力、创新能力，提高学生的思维能力和对量子力学的兴趣。

参考文献：

[1]刘丽彦，郭然，杨薇.枯燥的公式 不枯燥的量子世界[J]， 教育教学论坛，2019，49：136-138.

[2]曹 帅，劳媚媚，李海，林芳，戴占海，刘金龙. 量子力学教学改革研究与实践[J]，课程教育研究，2017，26：182.

[3]郭文军，黄江伟.量子力学教学方法研讨[J]，教育教学论坛，2014，43：188-190.

（火箭军士官学校）