电子科学与技术专业量子力学课程的教学改革

摘 要 ： 工科 物理 专 业 的培 养 目标 出发 ， 析 了量 子 力 学 课 程 的 教 学特 点 ， 论 了在 工科 物 理 专 业 中 如 何 进 行 从 分 讨 量 子 力 学 课 程 教 学 的 问题 ． 为 通 过 抽 象 理 论 形 象 化 、 量 子 力 学 发 展 史 中的 科 学 家创 新 思 想 和 方 法 感 染 和 教 育 认 用 学 生 等 手 段 ， 发 学 生 的 学 习热 情 ， 动 学 生 学 习积 极 性 是 搞 好 专 业教 学 的基 础 ． 激 调
性 ” 争 论 ， 直 接 导 致 引领 了现 今 量 子信 息理 论 和 研 究 的 热 潮 ， 代 表 着 ２ 的 则 这 ｌ世 纪 信 息 技 术 革 命 — — 量 子 通 信 技 术 的 发 展 方 向 ， 现 了全 新 信 息 技 术 发 展 的灿 烂 前 景 ． 展
４ 量 子 力 学 教 学 改 革 的 几 点 体 会
商继 敏 等 ： 子 科 学 与 技 术 专 业 量 子 力 学课 程 的 教 学 改 革 电
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为 量 子力 学 产 物 的 电 子 学 革 命 将 我 们 带 人 计 算 机 时 代 ， 有 量 子 力 学 作 为 研 究 手 段 ， 很 难 有 生 物 学 、 学 等 其 他 学 科 重 要 没 就 化
的 ｄ ｒｇ ｅ 确 定 的几 率 ． “ 与 电 子对 应 的 波 函 数 在 某 点 为 零 ， 就 意 味 着 这 点 发 现 电 子 的 几 率 小 到 零 ． … 知 道 态 函 数 ｅＢｏｌ 波 ｉ ”若 这 ”
后， 就像 在 经 典 物 理 学 中知 道 了 位 置 和 速 度 一 样 ， 以求 体 系 的 能 量 、 量 等 ． 表 象 是 物 理 体 系状 态 用 什 么 物 理 量 表 示 的 问 可 动 而 题 ， 函 数 可 以采 用 不 同 的 物 理 量 表 示 ， 选 用 不 同 的 表 象 ． 经 典 力 学 一 样 ， 子 力 学 中 最 先 引 入 位 置 函 数 ， 坐 标 表 波 即 同 量 即 象 ． 而不 同 的物 理 量 （ 象 ） 间有 一 定 的制 约 关 系 ， 种 关 系 就 是 量 子 力 学 中 的表 象 变 换 ． 样 ， 过 对 态 函数 、 象 等 表 之 这 这 经 表
对 量 子力 学课 程 的 “ 入 ” 分 进 行 精 心安 排 ． 过 引 入 Ｗｉ ｅ 准 概 率 分 布 的 表 述 ， 与 学 生 学 过 的 热 力 学 统 计 物 理 中 物 理 引 部 通 ｇ ｒ ｎ 并 部 分 作 类 比 ， 学 生 很 快 理 解 量 子 力 学 的核 心 概 念 ， 对 进 一 步 学 习 量 子 力 学 产 生 极 大 的 兴 趣 使 并 ． 量 子 力 学 从 研 究 方 法 到 描述 方式 都 和 经典 物 理 有 着 本 质 的 差 别 ． 如 ， 量 子 力 学 中 ， 态 ” 个 概 念 需 要 特 别 注 意 ． ｏｎ 例 在 “ 这 Ｂ ｒ 把 ｌ ｌ 释 为 在 给 定 时 间 、 ｒ 的 单 位 体 积 中 发 现 的 一 个 粒 子 的 概 率 ， 对 应 于 空 间 的 一 个 状 态 ， 有 一 个 由 伴 随 这 个 状 态 解 在 处 “ 就
１ 用 量 子 物 理 发 展 的 渊源 吸 引 学 生
工 科 专 业 中开 设 量 子 力 学 课 程 的专 业 是 电子 科 学 与 技 术 ， 专业 主 要 培 养 具 有 物 理 电子 学 、 电 子 学 的 宽 厚 理 论 基 础 及 该 光 应 用 能 力 ， 在该 领 域 内 从 事 电 子 材 料 、 器 件 、 电 系 统 的 设计 ， 能 进 行 新 产 品 、 技 术 、 工 艺 的研 究 和 开 发 的 工 程 技 术 能 元 光 并 新 新 人 才 ． 子科 学 与 技术 专 业 的 学 生 毕 业 后 大 多 进 入 企 业 工 作 ， 生 多 数 重 视 与 今 后 就 业 联 系 较 多 的 技 术 实 践 为 主 的 课 程 ， 电 学 而 量 子 力 学 又是 一 门枯 燥 难 懂 的理 论 课 程 ， 此 ， 们 特 别 注 意 用 学 科 理 论 自身 的 魅 力 吸 引 学 生 ， 大 限 度 地 激 发 学 生 学 习 本 因 我 最
理论 的发 展 ．
量 子 力学 也是 近代 最有 成 就 和 发 展 前 景 的 学 科 之 一 ， 为 它 不仅 极 大 地 深 化 了人 们 对 物 质 世 界 的 认 识 ， 且 在 工 程 技 术 因 而 领 域 也 引 导创 造 出 很 多 划 时 代 的 成 果 ， 人 造 新 性 能 材 料 、 用 激 光 器 、 导 体 技 术 、 子 能 利 用 等 ． 关 于 量 子 力 学 “ 备 如 实 半 原 而 完
规 ， 是 勇 于探 索 ， 于 突 破 旧 理 论 的 束 缚 ， 出新 的理 论 假 说 而 敢 提
基 本 理 论 的 论 战 ， 是 贯 穿 课 程 讲 述 的始 终 ． 更
． 关 于 以爱 因 斯 坦 和 玻 尔 为 代 表 的 两 大 学 派 的 量 子 力学 而
．
实 践 证 明 ， 多数 学 生 均会 有强 烈 的 兴趣 ， 些 已经 毕 业 的学 生 还 时 常 会 回忆 起 他 们 课 堂 上 的 辩 论 过 程 ． 过 尽 可 能 还 大 有 通
第 ２ｌ卷 第 ２期
２ １ 年 ６月 ０２
河 南教 育 学 院 学报 （ 自然科 学 版 ）
Ｊｕ ｎ ｌｏ ｎ ｎ Ｉｓｉ ｔ ｆＥｄ ｃ ｔ ｎ （ ｔｒｌＳ ｉｎ ｅ Ｅ ｉｏ ｏ ｒａ ｆＨｅ ａ ｎ ｔｕｅｏ ｕ ａｉ ｔ ｏ Ｎ．
原 量 子 力 学 早 期 的 发 展 过 程 ， 学 生 自己 去体 会量 子 力 学 的 基 本 概 念 是 如 何 建 立 起 来 ， 逐 步 得 到 完 善 的 ， 样 既 激 发 了学 让 并 这
生 的学 习兴 趣 ， 有 助 于 他 们 理 解 教 学 内 容 ． 又 ２ 抽 象 理 论 形 象 化 引 导 学 生
３ 联 系量 子 力学 的 未 来 发 展 激 发 学 生求 知 欲
尽 管 量 子 力 学 是 为 描 述 远 离 我 们 日常 生 活 经 验 的抽 象 原 子 世 界 而 创 立 的 ， 它 对 我 们 日常 生 活 的 影 响却 非 常 大 ． 为 作 但 因
收 稿 日期 ：０１ ２ ２—０ ３—２ ３
量 子 力学 课 程 抽象 难懂 ， 习 的难 点 主要 有 ： 量 子 力 学 与 我 们 熟 悉 的 经 典 物 理 学 中 的 概 念 或 习 惯 不 一 致 ； 量 子 力 学 学 ① ②
中新 的物 理 概 念 不 是 直 观 的 ； 处 理 问题 时 ， 经 典 物 理 学 在 手 段 上 截 然 不 同 ， 的重 要 性 在 于 状 态 、 符 和 演 化 ． 以 ， 们 ③ 与 它 算 所 我
课 程 的 热情 ．
例 如 对 量 子 力 学 的 建 立 过 程 和 发 展 史 的 介 绍 ， 让 学 生 感 受 到 物 理 学 先 辈 们 浓 厚 的 创 新 精 神 ． 子 力 学 的 建 立 是 一 大 批 能 量 科 学 家 共 同 努 力 的结 果 ， 管 其 中有 １ 尽 ０多位 获 得 了诺 贝尔 物 理 学 奖 ， 没 有 人 是 “ 贯 正 确 ” ． 量 子 力 学 教 学 中 ， 可 能 但 一 的 在 尽 地 重构当年先哲们建立量子力学体系的过程． 如 ， １ 例 在 ９世 纪 末 和 ２ ０世 纪 初 ， 开 尔 文 的话 说 ： 在 物 理 学 的 晴 朗 天 空 远 处 ， 用 “ 飘 来 两 朵 乌 云— — 紫 外 灾 难 、 以太 漂 移 的零 结 果 ． 这 动 摇 了经 典 物 理 学 的 基 础 ． 对 物 理 学 的 危 机 ， 理 学 家 们 并 不 墨 守 成 ” 面 物
关键词 ： 子力学 ； 量 电子 科 学与 技 术 专 业 ； 工科 物 理 ； 学 改革 教
中图 分 类 号 ： ６ ２ ４ Ｇ ４ ． 文 献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ７～ ８ ４ ２ １ ） ２— ０ ４— ２ １０ ０３ （ ０ ２ ０ ０ ６ ０
０ 引 言
近 年来 ， 子 力 学 的概 念 和 原 理 在 现 代 高 新 技 术 中 的应 用 呈 现 出 日新 月 异 的 活 力 ． 子 力 学 课 程 的 突 出 特 点 是 理 论 性 强 量 量 且 抽 象 难 懂 ， 师 要 特 别 把 握 好 这 些 抽 象 理 论 知 识 的 “ 门 教 育 ” 把握 得 当 ， 达 到 事 半 功 倍 的效 果 ． 近 几 年 量 子 力 学 课 程 教 入 ， 会 在 的 教 学 改 革 实 践 中 ， 着 实 用 型 人 才 培 养 的需 要 ， 们 突 出 了 一 般 性 原 理 、 法 的教 学 和 训 练 ， 调 兴 趣 教 学 法 和 举 例 教 学 法 本 我 方 强 的综 合 运 用 ， 索 出一 套行 之 有 效 的 教学 方 案 ． 摸
量 子 力 学 课 程 的突 出特 点 是 抽 象 难 懂 ， 此 我 们 进 行 了探 索 ． 如 在 量 子 力 学 教 学 中 ， 任 何 实 物 粒 子 都 具 有 波 粒 二 重 对 例 “
性” 是教 学 中 的难 点 和 重 点 ． 何 理 解 波 粒 二 重 性 ？ 我 们 可 以 做 一 个 类 比 ． 二 维 的 空 间 里 ， 和 长 方 形 毫 不 相 关 ， 维 世 界 如 在 圆 二 的动 物 们 无 法 想 象 二 者 如 何统 一 到一 个 物 体 上 ． 是 我 们 知 道 圆柱 是 三 维 世 界 的 客 观 存 在 ． 二 维 世 界 ， 没 有 圆 柱 的 对 应 但 在 虽 物 ， 可 以测 量 它 ， 果 是 它 可 以表 现 圆 的特 征 ， 可 以 表 现 长 方 形 的特 征 ． 似 的方 法 ， 们 可 以 理 解 微 观 粒 子 既 具 有 经 典 但 结 也 类 我 意 义 上 的粒 子 特 性 （ 比如 有 质 量 、 量 、 积 等 ） 又 具 有 经 典 意 义 上 的 波 动 特 性 （ 动 体 ， 比如 干 涉 、 射 等 ） 微 观 粒 子 是 微 观 世 界 的 衍 ． 客观 存 在 ， 宏 观 世 界 无 具 体 表 象 ， 能通 过测 量 和 抽象 思 考 认识 它 ． 如 光 子 这 种 微 观粒 子 ， 测 量 它 通 过 光 栅 的传 播 特 性 在 只 例 当 时 ， 现为波动性 ； 表 当测 量 它 与物 质相 互作 用 时 ， 现 出粒 子 特 性 ． 外 我 们 还 利 用 “ 重 影 像 ” 帮 助 理 解 微 观 粒 子 波 粒 二 表 此 双 来 重性 ， 比如 通 过 多 媒 体 演 示 达 利 的作 品《 现 在 海 岸 边 的 面 孔 与 水 果 盘 》 可 以 把 抽 象 难 懂 的 波 粒 二 重 性 形 象 化 ］ 浮 ， ．