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量子力學的認識和理解范文第1篇

量子力學課程是工科電類專業的一門非常重要的專業基礎課程。通過該課程的學習，使學生初步掌握量子力學的基本原理和基本方法，認識微觀世界的物理圖像以及微觀粒子的運動規律，了解宏觀世界與微觀世界的內在聯系和本質的區別。量子力學課程教學質量的好壞直接影響后續的如“固體物理學”、“半導體物理學”、“集成電路工藝原理”、“量子電子學”、“納米電子學”、“微電子技術”等課程的學習。

量子力學課程的學習要求學生具有良好的數學和物理基礎，對學生的邏輯思維能力和空間想象能力等要求較高，因此要學好量子力學，在我們教學的過程中，需要充分發揮學生的學習主動性和積極性。同時，隨著科學日新月異的發展，對量子力學課程的教學也不斷提出新的要求。如何充分激發學生的學習興趣，充分調動學生的學習主動性和能動性，切實提高量子力學課程的教學質量和教師的教學水平，已經成為擺在高校教師目前的一項重要課題。

該課程組在近幾年的教學改革和教學實踐中，本著高校應用型人才的培養需求，強調量子力學基本原理、基本思維方法的訓練，結合物理學史，充分激發學生的學習積極性；充分利用熟知軟件，理解物理圖像，激發學生學習主動性；結合現代科學知識，強調理論在實踐中的應用，取得了良好的教學效果。

1 當前的現狀及存在的主要問題

目前工科電類專業普遍感覺量子力學課程難學，其主要原因在于：第一，量子力學它是一門全新的課程理論體系，其基本理論思想與解決問題的方法都沒有經典的對應，而學習量子力學必須完全脫離以前在頭腦中根深蒂固的“經典”的觀念；第二，量子力學的概念與規律抽象，應用的數學知識比較多，公式推導復雜，計算困難；第三，雖然量子力學問題接近實際，但要學生理解和解決問題，還需要一個過程；由于上述問題的存在，使初學者都感到量子力學課程枯燥無味、晦澀難懂，而且隨著學科知識的飛速發展，知識的更新周期空前縮短，在有限的課時情況下，如何使學生在掌握扎實的基礎知識的同時，跟上時代的步伐，了解科學的前沿，以適應新世紀人才培養的需求，是擺在我們教育工作者面前的巨大挑戰。

2 結合物理學史激發學生學習興趣

興趣是最好的老師，在大學物理中，談到了19世紀末物理學所遇到的“兩朵烏云”，光電效應和紫外災難，1900年，普朗克提出了能量子的概念，解決了黑體輻射的問題；后來，愛因斯坦在普朗克的啟發下，提出了光量子的概念，解釋了光電效應，并提出了光的波粒二象性；德布羅意又在愛因斯坦的啟發下，大膽的提出實物粒子也具有波粒二象性；對于物理學的第三朵烏云“原子的線狀光譜，”玻爾提出了關于氫原子的量子假設，解釋了氫原子的結構以及線狀光譜的實驗。后來還有薛定諤、海森堡、狄拉克等偉大的物理學家的努力，建立了一套嶄新的理論體系-量子力學。在教學的過程中，適當穿插量子力學的發展歷史以及偉大科學家的傳記故事，避免了量子力學課程“全是數學的推導”的現狀，這樣激發學生的學習興趣和學習熱情，通過對偉大科學家的介紹，培養刻苦鉆研的精神。實踐表明，這樣的教學模式大大提高了學生的學習主動性。

3 結合熟知軟件化抽象為形象

量子力學內容抽象，對一些典型的結論，可以用軟件模擬的方式實現物理圖像的重現。很多軟件如matlab、c語言等很多學生不是很熟練，而且編程較難，結合物理結論作圖較為困難；Excell是學生常用的軟件之一，簡單易學卻功能強大，幾乎每位同學都非常熟練，我們充分利用這一點，將Excell軟件應用到量子力學的教學過程中，取得了良好的效果。

如在一維無限深勢阱中，我們用解析法嚴格求解得到了波函數和能級的方程。而波函數的模方表示幾率密度。我們要求學生用Excell作圖，這樣得到粒子阱中的幾率分布，通過與經典幾率的比較（經典粒子在阱中各處出現的幾率應該相等）和經典能級的比較（經典的能量分布應該是連續的函數），通過學生的自我參與，充分激發了學生的求知欲望；從簡單的作圖，學生深刻理解了微觀粒子的運動狀態的波函數；微觀粒子的能量不再是連續的，而是量子化了的能級，當n趨于無窮大時微觀趨向于經典的結果，即經典是量子的極限情況；通過學生熟知的軟件，直觀的再現了物理圖像，學生會進一步來深刻思考這個結論的由來，傳統的教學中，我們先講薛定諤方程，然后再解這個方程，再利用邊界條件和波函數的標準條件，一步一步推導下來，這樣的教學模式有很多學生由于數學的基礎較為薄弱，推導過程又比較繁瑣，因此會逐步對課程失去了興趣，這也直接影響了后面章節的學習，而通過學生親自作圖實現的物理圖像，改變了傳統的“填鴨式”教學，最大限度的使學生參與到課程中，這樣的效果也將事半功倍了，大大提高了教學的效果。

4 結合科學發展前沿拓寬學生視野

在課程的教學中，除了注重理論基礎知識的講解和基礎知識的應用以外，還需介紹量子力學學科前沿發展的一些動態。結合教師的教學科研工作，將國內外反映量子力學方面的一些最新的成果融入到課程的教學之中，推薦和鼓勵學生閱讀反映這類問題的優秀網站、科研文章，使學生了解量子力學學科的發展前沿，從而達到拓寬學生視野，培養學生創新能力的目的。例如近年興起并迅速發展起來的量子信息、量子通訊、量子計算機等學科，其基礎理論就是量子力學的應用，了解了這些發展，學生會反過來進一步理解課程中如量子態、自旋等概念，量子態和自旋本身就是非常抽象的物理概念，他們沒有經典的對應，通過對實驗結果的理解，學生會進一步理解用態矢來表示一個量子態，由于電子的自旋只有兩個取向，正好與計算機存儲中二進制0和1相對應，這也正是量子計算機的基本原理，通過學生的主動學習，從而達到提高教學質量的目的。另外我們還要介紹量子力學在近代物理學、化學、材料學、生命學等交叉學科中的應用，拓寬學生的視野。

量子力學的認識和理解范文第2篇

關鍵詞：問題式教學法；量子力學；教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）24-0102-02

隨著高校教學改革的不斷深入，多媒體技術的普及和任課教師專業水平的提高，使得教學內容和教學手段更加豐富多樣。量子力學課程是核類專業的基礎課，它對于學習和理解核類專業主干課程，如原子核物理學、原子核物理實驗方法等具有十分重要的作用和意義。但由于其理論性強，思維方式與經典力學差異較大，量子力學現象在日常生活中比較少見。這樣就使得核類專業特別是核類工科專業的學生在學習和理解該門課程時遇到了很大的困難，也使得學生對該門課程的學習沒有積極性。因而在課堂上就經常出現這樣的一幕：只有老師在講，學生思考的少，氣氛壓抑。如何改變這一現狀呢？怎么樣來調動學生的學習積極性呢？這些都是急需解決的問題。基于此，在分析量子力學與經典力學相互聯系的基礎上，探究并實踐了由經典物理學的問題來引入量子力學學科的問題。將問題式教學法應用于量子力學的實踐教學當中。這樣既可以活躍課堂氣氛，提高學生積極性，又可以培養學生發散性思維，同時還可以鞏固學生以前學過的經典物理學的相關知識，進而能提升教學質量。

一、問題式教學法概念

問題式教學（Problem-Based Teaching）是問題式學習（Problem-Based-Learning）的發展，它鼓勵學生主動思考問題、自主尋找答案，是以問題為基礎來展開學習和教學過程的一種教學模式，通過學生合作解決真實問題來學習隱含在問題背后的科學知識，形成解決問題的技能，并形成自主學習的能力。PBL最早起源于20世紀50年代的醫學教育，并且已經被廣泛應用于數學、會計、英語等眾多學科。

二、量子力學與經典物理的聯系及問題式教學法在量子力學課程中的應用

經典物理可以解釋天體間的相互作用、電磁波的傳播以及系統的熱力學平衡等自然現象。20世紀初，當人們發現了放射性現象后，在解釋分子原子尺度的物理現象時，經典力學往往無能為力。因此需要建立一個全新的理論，這就是量子力學。它是闡明原子核、固體等性質的基礎理論，且在化學、生物學等學科和許多近代技術中得到廣泛應用。在經典力學，做機械運動的物體簡化為質點，位置可以用坐標系上的坐標表示。將坐標對時間求導、再求導，得到物體運動的速度■和加速度■。■=■（t） ■=■ ■=■ ①

經典物理中，描述物體運動的規律是牛頓三大定律。描述物體t時刻的狀態用t時刻的位置矢量■，動量■。初始位置矢量、動量及所受到的力■知道，由牛頓運動定律就可以知道物體的運動狀態。量子力學是用來描述微觀粒子運動規律的一門學科。由于微觀粒子運動的隨機性，使得粒子的動量和位置不能同時確定。在實際的教學中就可以引入這樣的問題：量子力學中是怎么樣來描述粒子的狀態及運動規律呢？這就要找到與經典對應的關系。這樣就可以引入量子力學的波函數概念及其物理含義。波函數是描述微觀粒子的狀態，可以表示為如下的形式：

Ψ（x，y，z，t）=Ψ（p，r，t） ②

此時又引入一個新的問題：波函數遵循什么樣的規律呢？與經典牛頓運動定律對于的定理或者定律又是什么呢？這個時候就可以用問題式的方法來引入薛定諤方程問題。

i？攸=■=-■？犖2Ψ+U（r）Ψ ③

上式子表示粒子在相互作用勢為U（r）的勢場中運動時，描述粒子運動狀態波函數隨時間的演化所滿足的規律。同樣，像以上這樣利用問題式引入的方式來講授量子力學課程的相關內容還有很多，如態疊加原理，表象變換等。對于態疊加原理，問題的引入：經典物理有波函數的概念，有波的疊加，那量子力學中描述物體狀態的波函數是否也有疊加性，他們之間有什么異動呢？這樣就可以將學生引入到量子力學中的態疊加原理的相關內容。

三、需要重視的問題

針對目前核類專業特別是核類工科專業量子力學課程的現狀，我們除了將問題式教學法應用到教學實踐中，還要從以下的幾個方面來激起學生的興趣，提高學生學習該門課程的積極性。

首先，需要激起學生的好奇心。其次，在解答習題中將問題式教學融入其中，要做到課堂知識和課后習題的問題式教學雙覆蓋。最后，需要學生知道處理量子力學問題的一般方法，同時適當鼓勵學生。為了充分調動學生參與課程教學的積極性和主動性，必須在教學過程中把握學生對知識的掌握程度，對表現優異的學生進行表揚并登記，從心理層面激勵其更加積極參與到教學互動中。本科階段的量子力學是一門入門課程，是繼續學習物理學的基礎。只有讓學生認識到了量子力學課程的重要性，才能達到預期的教學目標。

通過經典物理與量子力學的類比對應關系，在量子力學講授相關知識時，用問題式的方式引入知識點。激發學生對該門課程的學習積極性。使用該教學方式以來，學生的學習積極性和教學質量都得到了提高，達到了教學改革的目的。

參考文獻：

[1]唐曉雯，任艷榮.基于問題式學習教學模式的探索與實踐[J].教學研究，2006，29（1）：24-26.

[2]張建偉.基于問題式學習[J].教育研究與實驗，2000，（3）：55-60.

[3]劉夢蓮.基于問題式學習（PBL）的設計[J].現代遠程教育研究，2003，（1）：39-43.

[4]蔣新宇，施樹云，于金剛.問題式教學法在有機化學實驗教學中的應用[J].光譜實驗室，2012，29（4）：2548-2550.

[5]周世勛.量子力學教程）[M].第二版.北京：高等教育出版社，2009.

量子力學的認識和理解范文第3篇

關鍵詞：量子力學；經典科學世界圖景；非機械決定論；整體論；復雜性；主客體互動

Abstract:Asoneofthreerevolutionsofphysicsin20thcentury,quantummechanicshasgreatlytransformedtheworldviewofclassicalscienceinmanyaspects.Quantummechanicsbreaksthoughthemechanicaldeterminisminclassicalscience,transformingitintononmechanicaldeterminism;itchangesscientificcognitiveprocessfromthetheoryofreductionismtothetheoryofwholism;itshiftsthewayofthinkingfrompursuingsimplicitytoexploringthecomplexity;italsoestablishestheinteractionbetweensubjectandobjectinscientificresearches.

Keywords:quantummechanics;worldviewofclassicalscience;nonmechanicaldeterminism;wholism;complexity;interactionbetweensubjectandobject

經典科學基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開創的，近三百年內發展起來的一整套觀點、方法、學說。經典科學世界圖景的最大特征是機械論和還原論，片面強調分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學派的量子力學理論三部曲：統計解釋—測不準原理—互補原理所反映的主要觀點是：微觀粒子的各種力學量（位置、動量、能量等）的出現都是幾率性的；量子力學對微觀粒子運動的幾率性描述是完備的，對幾率性的原因不需要也不可能有更深的解釋；決定論不適用于量子力學領域；儀器的作用同觀察對象具有不可分割性，確立了科學活動中主客體互動關系。[1]量子力學的發展從根本上改變了經典科學世界

圖景。

一、量子力學突破了經典科學的機械決定論，遵循因果加統計的非機械決定論

經典力學是關于機械運動的科學，機械運動是自然界最簡單也是最普遍的運動。說它最簡單，因為機械運動比較容易認識，牛頓等人又采取高度簡化的方法研究力學，獲得了空前成功；說它最普遍，因為機械力學有廣泛的用途，容易把它絕對化。[2]機械決定論是建立在經典力學的因果觀之上，解釋原因和結果的存在方式和聯系方式的理論。機械決定論認為因和果之間的聯系具有確定性，無論從因到果的軌跡多么復雜，沿著軌跡尋找總能確定出原因或結果；機械決定論的核心在于只要初始狀態一定，則未來狀態可以由因果法則進行準確預測。[3]其實，機械決定論僅僅適用于宏觀物體，而對于微觀領域以及客觀世界中大量存在的偶然現象的研究就產生了統計決定論。[4]

量子力學是對經典物理學在微觀領域的一次革命。量子力學所揭示的微觀世界的運動規律以及以玻爾為代表的哥本哈根學派對量子力學的理解，同物理學機械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論，微觀粒子運動遵守統計規律，我們不能說某個電子一定在什么地方出現，而只能說它在某處出現的幾率有多大。

玻恩的統計解釋指出，因果性是表示事件關系之中一種必然性觀念，而機遇則恰恰相反地意味著完全不確定性，自然界同時受到因果律和機遇律的某種混合方式的支配。在量子力學中，幾率性是基本概念，統計規律是基本規律。物理學原理的方向發生了質的改變：統計描述代替了嚴格的因果描述，非機械決定論代替了機械決定論的統治。

經典統計力學雖然也提出了幾率的概念，但未能從根本上動搖嚴格決定論，量子力學的沖擊則使機械決定論的大廈坍塌了。量子力學揭示并論證了人們對微觀世界的認識具有不可避免的隨機性，它不遵循嚴格的因果律。任何微觀事件的測定都要受到測不準關系的限定，不可能確切地知道它們的位置和動量、時間和能量，只能描述和預言微觀對象的可能的行為。因此，量子力學必須是幾率的、統計的。而且，隨著認識的發展，人們發現量子統計的隨機性，不是由于我們知識和手段的不完備性造成的，而是由微觀世界本身的必然性（主客體相互作用）所注定。

二、量子力學使得科學認識方法由還原論轉化為整體論

還原論作為一種認識方法，是指把高級運動形式歸結為低級運動形式，用研究低級運動形式所得出的結論代替對高級運動形式的本質認識的觀點。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩定的觀點和規律去解釋、說明要研究的對象。其目的是簡化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類認識處于初級水平上無疑是有效的。如牛頓將開普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學的本質，以及完全還原是不可能的，決定了還原論不能揭示世界的全貌。

量子力學認為整體與部分的劃分只有相對意義，整體的特征絕非部分的疊加，而是部分包含著整體。部分作為一個單元，具有與整體同等甚至還要大的復雜性。部分不僅與周圍環境發生一定的外在聯系，同時還要表現出“主體性”，可將自身的內在聯系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現了有機的自覺因果關系。在特定的臨界狀態，部分的少許變化將引起整體的突變。[6]

波粒二象性是微觀世界的本質特征，也是量子論、量子力學理論思想的靈魂。用經典觀點來看，也就是按照還原論的思想，粒子與波毫無共同之處，二者難以形成直觀的統一圖案，這是經典物理學通過部分還原認識整體的方法，是“向上的原因”。可是微觀粒子在某些實驗條件下，只表現波動性；而在另一些實驗條件下，只表現粒子性。這兩種實驗結果不能同時在一次實驗中出現。于是，玻爾的互補原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關于微觀世界認識的矛盾，并試圖尋找一種解決矛盾的方法，這就是微觀粒子既具有粒子性又具有波動性，即波粒二象性。這就是整體論觀點強調的“向下的原因”，即從整體到部分。同樣，海森伯的測不準原理說明不能同時測量微觀粒子的動量和位置，這也說明絕不能把宏觀物體的可觀測量簡單盲目地還原到微觀。由此我們可以看出，造成經典科學觀與現代科學觀認識論和方法論不同的根本在于思考和觀察問題的層面不同。經典科學一味地強調外在聯系觀，而量子力學則更強調關注事物內部的有機聯系。所以，量子力學把內在聯系作為原因從根本上動搖了還原論觀點。

三、量子力學使得科學思維方式由追求簡單性發展到探索復雜性

從經典科學思維方式來看，世界在本質上是簡單的。牛頓就說過，自然界喜歡簡單化，而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡單性是經典科學奮斗的目標，也是推動它獲取成功的動力。開普勒以三條簡明的定律揭示了看似復雜的太陽系行星運動，牛頓更是用單一的萬有引力說明了千變萬化的天體行為。因而現代科學是用簡單性解釋復雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。

量子力學初步揭示了客觀世界的復雜性。經典科學的簡單性是與把物理世界理想化相聯系的。經典物理學所研究的是理想的物質客體。它不但用理想化的“質點”、“剛體”、“理想氣體”來描述物體，而且把研究對象的條件理想化，使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內。而客觀世界并不是如此，特別是進入微觀領域，微觀粒子運動的幾率性、隨機性；觀測對象和觀測主體不可分割性等都足以說明自然界本身并不是我們想象的那么簡單。

在現代科學中，牛頓的經典力學成了相對論的低速現象的特例，成為非線性科學中交互作用近似為零的情況，在量子力學中是測不準關系可以忽略時的理論表述。復雜性的提出并不是要消滅簡單性，而是為了打破簡單性獨占的一統地位。復雜性是把簡單性作為一個特例包含其中，正如莫蘭所說的，復雜性是簡單性和復雜性的統一。復雜性比簡單性更基本，可能性比現實性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學思維方式，不是以現實來限制可能，而是從可能中選擇現實；不是以既存的實體來確定演化，而是在演化中認識和把握實體。復雜性主張考察被研究對象的復雜性，在對其作出層次與類別上的區分之后再進行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強調的是一種整體的協同。

四、量子力學使科學活動中主客體分離邁向主客互動

經典科學思維方式的一個指導觀念就是，認為科學應該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來樣子的”世界知識。玻爾告訴人們，根本不存在所謂的“真實”，除非你首先描述測量物理量的方式，否則談論任何物理量都是沒有意義的！測量，這一不被經典物理學考慮的問題，在面對量子世界如此微小的測量對象時，成為一個難以把握的手段。因為研究者的介入對量子世界產生了致命的干擾，使得測量中充滿了不確定性。在海森伯看來，在我們的研究工作由宏觀領域進入微觀領域時，我們就會遇到一個矛盾：我們的觀測儀器是宏觀的，可是研究對象卻是微觀的；宏觀儀器必然要對微觀粒子產生干擾，這種干擾本身又對我們的認識產生了干擾；人只能用反映宏觀世界的經典概念來描述宏觀儀器所觀測到的結果，可是這種經典概念在描述微觀客體時又不能不加以限制。這突破了經典科學完全可以在不影響客體自然存在的狀態下進行觀測的假定，從而建立了科學活動中主客體互動的關系。

例如，關于光到底是粒子還是波，辯論了三百多年。玻爾認為這完全取決于我們如何去觀察它。一種實驗安排，人們可以看到光的波現象；另一種實驗安排，人們又可以看到光的粒子現象。但就光子這個整體概念而言，它卻表現出波粒二象性。因此，海森伯就說，我們觀測的不是自然本身，而是由我們用來探索問題的方法所揭示的自然。[8]

量子力學的發展表明，不存在一個客觀的、絕對的世界。唯一存在的，就是我們能夠觀測到的世界。物理學的全部意義，不在于它能夠描述出自然“是什么”，而在于它能夠明確，關于自然我們能夠“說什么”。

參考文獻：

[1]林德宏.科學思想史[M].第2版.南京：江蘇科學技術出版社，2004：270-271.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理學史[M].第2版.北京：清華大學出版社，1993：1-2.

[3]劉敏，董華.從經典科學到系統科學[J].科學管理研究，2006，24(2)：44-47.

[4]宋偉.因果性、決定論與科學規律[J].自然辯證法研究，1995,11(9)：25-30.

[5]彭桓武.量子力學80壽誕[J].大學物理，2006，25(8)：1-2.

[6]疏禮兵，姜巍.近現代科學觀的演進及其啟示[J].科學管理研究，2004,22(5)：56-58.

量子力學的認識和理解范文第4篇

量子力學是描述微觀世界結構、運動與變化規律的物理科學。它是20世紀人類文明發展的一個重大飛躍，量子力學的發展引發了一系列劃時代的科學發展與技術發明，對人類社會的進步作出了重要貢獻。

19世紀末，正當人們為經典物理取得的重大成就而驚嘆不已的時候，一系列經典理論無法解釋的現象一個接一個地發現了。德國物理學家維恩通過熱輻射能譜的測量發現的熱輻射定理。德國物理學家普朗克為了解釋熱輻射能譜提出一個大膽的假設：在熱輻射的產生與吸收過程中能量是以hv為最小單位，一份一份交換的。這個能量量子化的假設不僅強調了熱輻射能量的不連續性，而且與輻射能量和頻率無關由振幅確定的基本概念直接相矛盾，無法納入任何一個經典范疇。當時只有少數科學家認真研究這個問題。

著名科學家愛因斯坦經過認真思考，于1905年提出了光量子說。1916年，美國物理學家密立根發表了光電效應實驗結果，驗證了愛因斯坦的光量子說。

1913年，丹麥物理學家玻爾為解決盧瑟福原子行星模型的不穩定(按經典理論，原子中電子繞原子核做圓周運動要輻射能量，導致軌道半徑縮小直到跌落進原子核，與正電荷中和)，提出定態假設：原子中的電子并不像行星一樣可以在任意經典力學的軌道上運轉，穩定軌道的作用量fpdq必須為h的整數倍(角動量量子化)，即fpdq=nk，n稱之為量子數。玻爾又提出原子發光過程不是經典輻射，是電子在不同的穩定軌道態之間的不連續的躍遷過程，光的頻率由軌道態之間的能量差AE=hy確定，即頻率法則。這樣，玻爾原子理論以它簡單明晰的圖像解釋了氫原子分立光譜線，并以電子軌道態直觀地解釋了化學元素周期表，導致了72號元素鉛的發現，在隨后的短短十多年內引發了一系列的重大科學進展。這在物理學史上是空前的。

由于量子論的深刻內涵，以玻爾為代表的哥本哈根學派對此進行了深入的研究，他們對對應原理、矩陣力學、不相容原理、測不準關系、互補原理、量子力學的概率解釋等都作出了貢獻。

1923年4月，美國物理學家康普頓發表了X射線被電子散射所引起的頻率變小現象，即康普頓效應。按經典波動理論，靜止物體對波的散射不會改變頻率。而愛因斯坦光量子說這是兩個“粒子”碰撞的結果。光量子在碰撞時不僅將能量傳遞而且也將動量傳遞給了電子，使光量子說得到了實驗的證明。

光不僅僅是電磁波，也是一種具有能量動量的粒子。1924年，美籍奧地利物理學家泡利發表了“不相容原理”：原子中不能有兩個電子同時處于同一量子態。這一原理解釋了原子中電子的殼層結構。這個原理對所有實體物質的基本粒子(通常稱之為費米子，如質子、中子、夸克等)都適用，構成了量子統計力學——費米統計的基點。為解釋光譜線的精細結構與反常塞曼效應，泡利建議對于原子中的電子軌道態，除了已有的與經典力學量(能量、角動量及其分量)對應的三個量子數之外應引進第四個量子數。這個量子數后來稱為“自旋”，是表述基本粒子一種內在性質的物理量。

1924年，法國物理學家德布羅意提出了表達波粒二象性的愛因斯坦——德布羅意關系：E=hv，p=h/波長，將表征粒子性的物理量能量、動量與表征波性的頻率、波長通過一個常數h相等。

量子力學的認識和理解范文第5篇

[關鍵詞] 原子物理學 教學改革 實踐教學

隨著科技的飛速發展,原子物理學已經成為21世紀重要科學技術的共同基礎之一,它在高新科技中的基礎地位和重要作用日益顯現。同時它在培養學生的創新精神和科研能力方面也有著不可替代的作用,所以原子物理學成為了物理學專業的基礎課程之一,也成為了其他理工科專業的必修課程之一。

一、原子物理學課程的性質與我系開設的歷史回顧

原子物理學為物理學專業的基礎課。它上承經典物理,下接量子力學,屬于近代物理的范疇,是學習理論物理和從事材料科學、信息科學、光學、激光技術、化學、生命科學、能源科學、環境科學以及空間科學研究的基礎。在內容體系的描述上,原子物理學采用了普通物理的描述風格,講述量子物理的基本概念和物理圖象以及支配物質運動和變化的基本相互作用,并在此基礎上討論物質結構在原子、原子核以及基本粒子等層次的性質、特點和規律。我院在上個世紀80年代就開設原子物理學課程,在90年代中期,為了全面講解近代物理學的知識,我們曾經以近代物理學代替了原子物理學。到20世紀90年代末,又把原子物理學作為一門獨立課程進行了設置。2002年,我院開始招收物理學專業本科學生,原子物理學成為一門專業基礎課。為了提高原子物理學教學的效果,我們從2003級學生開始著手對原子物理學課程進行教學改革,2003級和2004級是探索階段,在2005級、2006級、2007級加大了改革的力度。

二、原子物理學課程教學改革的實踐

1.調整課程結構,整合教學內容,增加現代化的知識

調整課程結構,整合教學內容是教學改革的核心工作。在原子物理學的教學改革中,我們始終堅持把調整結構整合內容作為教改的中心工作。我們在教學中發現,隨著科技的迅猛發展,許多高新科技都用到了原子物理學的基本理論,而我們大部分院校使用的教材是圣麟先生編寫,1979年,出版的《原子物理學》,該教材雖然是1987年獲國家教委一等獎的優秀教材,但是由于編寫時間較早,缺少一些新知識、新技術的介紹,教學內容需要整合和充實。我們本著“加強基礎,結合前沿,促進創新”的精神,對原子物理學的教學內容進行了大膽的調整和整合,重新編寫了教學大綱和考試大綱,加強了科學前沿和高新技術的引進。精簡和整合了傳統教學內容,如舊量子論和中學物理已經涉及到的東西;大量引入了科技前沿和新成果,如里德堡原子、μ原子、反原子、反物質、粒子加速器、新粒子的探索、電子自旋成像等;引入多學科綜合性問題,如隧道掃描顯微鏡,納米科技,激光技術、原子的冷卻等;引入應用領域問題,如激光技術,X射線造影,核磁共振,核電站的建設、太陽能的利用、中子彈的研制等;引入我們自己的科研工作,如納米晶絲的磁性、鐵磁非晶絲的磁化、磁晶各向異性等,介紹近些年諾貝爾物理學獎獲得者的學術成就等。同時,我們還嘗試了原子物理學和量子力學打通的工作,與量子力學課程組進行了研究。這樣經調整整合后,其教學內容在已知與未知、過去與未來、基礎與前沿等之間保持了一種恰當的張力,以針對性、應用性、實踐性和滿足后續課程(量子力學、固體物理等)學習需要為前提,既保留了該門課程的基本知識框架、知識間的內在聯系,又反映了本學科領域最新科技成果和研究前沿方向,構建了支持學生終身學習的知識平臺,促進了學生創新意識、實踐能力和綜合素質的培養,充分體現了教學內容的先進性和現代化,經過幾年的實踐,收到了良好的效果。

2.改革教學方法,培養學生的學習能力

有了先進的教學內容,如何讓學生接受消化成了我們要研究的一個突出問題。按照學校的總體培養方案,原子物理學課程的教學時數越來越少,從每學期的72學時,減少到了54學時,48學時,再考慮到法定節日耽誤的課時,一個學期48個學時都難以保證。而原子物理學是一個從經典物理到現代物理的一個過渡課程,有時用舊量子論處理問題,有時又必須用量子力學理論處理問題,這樣就給學生造成了一個接受和理解的難度,有時甚至是造成了混亂和困惑,學生無所適從。為此我們對教學方法進行了研究。

第一,樹立研究型教學思想,培養學生的學習能力,體現先進的課程理念。在原子物理學的教學中,我們首先更新觀念,樹立“以人為本,以學生為中心”的現代教育教學理念和以素質教育為主的研究型教學思想,以滿足社會需要、學習者個人發展以及學科自身特殊性為前提,強調基本素質、基本知識、基本能力和基本技能并重,強化了課程理念的先進性。

第二,在教學方法上,一改過去“教師唱主角滿堂灌”的“注入式知識教育”為適應培養學生學習能力的“研究式素質教育”。正好我系2005級以后物理學專業學生的班容量不是很大,給我們改革教學方法提供了方便。我們采用了精講式、啟發式、研究式、探索式、滲透式等多種教學方法,增加了討論課、學習報告的學習形式。對一些奠定基礎的、在歷史上起到重要作用的、在知識體系中不可或缺的內容必須精講、啟發;對一些前沿性的、應用性的、綜合性的、沒有定論的東西則采用研究、探索、滲透的方式;每學期設置2次討論課,1次學習報告課,把學生在學習中遇到的感興趣的、通過查閱資料能夠解決的問題以及沒有定論需要繼續研究的問題在討論和報告中處理;而有些知識則是采用不講的方式,由學生自學,由連續型細節式授課轉變為跳躍型平臺式授課。這些教學方法的改進,極大地拓寬了學生的視野,提高了學生的學習積極性,促進了學生學習的主動性,培養了學生的學習能力和創新精神。

第三,在教學手段上,跳出了“一支粉筆一塊黑板一張嘴”的填鴨式,編制了多媒體課件、電子教案等,利用現代化的網絡技術來輔助教學,同時也注意糾正了“以機代人、人機共灌”的極端多媒體教學方式,這樣由過去單一的課堂教學轉化為多形式的互動交流,既解決了課程容量與教學時間的矛盾,同時又激發了學生的學習興趣。培養了學生的學習能力和研究能力。

3.把原子物理學的教學與學生的畢業論文有機結合

為了激發學生的學習興趣,我們把原子物理學的教學與學生的畢業論到了有機結合。近幾屆學生的畢業論文都有選自原子物理學課程的。有一些綜述型的題目,如:原子物理學與量子力學的銜接、物質的結構層次、組成物質的最小單元、里德堡原子與μ原子、反原子與反物質等;有一些應用型的題目,如太陽能與我市太陽能利用、核電與我國的核電站、現代醫療與原子物理學等;也有一些研究型的題目,如:蘭姆位移的實質、電子自旋對原子光譜的影響、納米晶絲的磁性與原子磁矩、鐵磁性物質參雜后的磁性等。

4.把近代物理實驗與原子物理學課程打通

我系也和其他大部分院校一樣,在開設原子物理學課程的同時,開設的另一門獨立實驗課程是近代物理實驗,它由實驗老師獨立完成。在原子物理學進行教改的時候,我們發現近代物理實驗許多都是和原子物理學有關系的,許多就是原子物理學理論的一個驗證或是應用。為使原子物理學的理論和實驗更加緊密地結合,增強學生對原子物理學理論的感性認識,經過系領導的同意,我們和近代物理實驗老師合作,共同組成了原子物理學課程組,實現了原子物理學的理論教學和實驗教學的同步,既深化了學生對理論的理解,也降低了實驗課程的難度。效果頗佳。

5.編制了一些課程擴充資料

為了幫助學生理解課程內容,我們參考其他院校的做法,編制了作業題解答、課外習題集、考試試題庫、卷庫,并且選定了一些科技期刊和閱讀材料提供給學生閱讀和學習,開寬學生的眼界。

三、對原子物理學課程教學改革的思考

雖然對原子物理學課程的教學改革,我們取得了一些效果,但是總感覺教學改革進行的還不徹底,還有許多不盡如人意的地方,還有許多工作要做,關于這些我們做了如下思考。

第一,對原子物理學教學內容體系能不能來一個大的改革。首先,舊量子論的內容跳過不講,直接用量子力學的理論來講原子物理學。既在光譜的實驗規律、弗蘭克-赫茲實驗、史特恩-蓋拉赫實驗、黑體輻射實驗、康普頓效應等的基礎上給出量子力學,然后用量子力學理論去研究原子的能級、光譜、電子自旋、原子核結構等問題。而把玻爾的舊量子論作為一個歷史情節介紹,降低舊量子論的比重。其次,增加前沿動態。因為我們沒有后續的原子核物理、粒子物理,所以特別應該增加原子核的方面的知識;增加粒子物理方面的知識;增加應用性的知識;增加外場中原子的行為和現象的介紹,增加新核素、新粒子的觀察與探索等內容。

第二,一定要把原子物理學與量子力學打通,整合成一門理論課,并且把原子物理學、量子力學、固體物理學、近代物理實驗組合成一個課程群。使之在培養學生的科研能力、學習能力和創新能力上做出更大的貢獻。首先,原子物理學和量子力學必須打通,因為目前的分工看,原子物理學是量子力學的先行課程,成為了量子力學的基礎,而量子力學又是處理原子問題的有力工具,二者相互滲透,沒有先后。如果能夠把原子物理學和量子力學打通成一門理論課程,那樣既可以完善原子物理學中的理論,又可以增強學生對量子力學的感性認識,使得兩門課程的體系更加完整,學習難度會自然降低。其次,要認真研究如何實現原子物理學、量子力學、固體物理學、近代物理實驗這一課程群,并以此為依托申報省級以上的教改立項課題。這幾門課程的理論是相通的,只是適用對象不同,所以會衍生出許多不同的知識,這個課程群建成后,能夠使學生的知識體系更加緊湊和完善,使幾門課程的知識互通,能夠降低學習難度,能夠使學生方便地接觸到科技前沿,激發學習興趣,對畢業后從事高新科技或是教授大中學的相關課程都是大有裨益的。

第三,如何進行考試改革。學生成績的考核方式直接決定著學生的學習態度,我們要改傳統的“結果性”考核為“過程性”考核。加強對學生學習過程的監測,注意發現那些有創新精神、勤奮刻苦的學生,注意發現那些有一定特長、有潛力、不循規蹈矩的學生,加強培養,加強引導。

第四,如何進行實踐性教學內容的改革。實踐性的教學在培養學生創新精神和創造能力方面具有不可替代的作用。如何充分發揮實踐性教學的作用一直是我們努力探索的一個課題。我們要使實踐性教學走出實驗室,使實驗課程走出驗證的初級階段,開設綜合性、開放性、創新性實驗,這一點需要一定的物質基礎,值得我們去研究。

第五,關于教材的選擇與處理。教材可以說是教學的抓手,是最為重要的教學資源。就目前看,比較通用的原子物理學教材是圣麟先生編寫的《原子物理學》和楊福家院士編寫的《原子物理學》,這兩個版本的教材各有自己的優點。我們的觀念是“教學是用教材教,而不是教教材”,今后,我們計劃改以前固定一種版本教材為兩種版本交替使用。這樣有一個好處是上下連續兩屆學生可以互相借閱,使學生在學習時基本上都能夠有兩本教材,方便了學習。

以上這些只是我們在原子物理學課程改革中的一些做法和想法,有的甚至可能還很不成熟,希望得到各位同仁的支持和幫助。

參考文獻: