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“量子力学”教学内容的改革

作者:美术论文
出处:www.lunrr.com
时间:2019-12-20

首先,“量子力学”教学内容

量子力学理论的改革与学生长期接触的经典物理体系相去甚远,尤其是处理问题的思维和手段与经典物理完全不同,但它们并非互不相关。量子力学中的许多基本概念和理论都是通过类比经典物理中的相关内容而获得的。因此,在“量子力学”教学中,一方面,要求学生放弃在经典物理学习中形成的固有概念和知识;另一方面,在学习一些基本概念和理论时,学生需要与经典物理学建立联系,以形成更直观的物理图像。这种思维冲突导致了学生在学习这门课程时的困惑。此外,本课程具有很强的理论性,许多学生陷入繁琐的数学推导中,导致学习兴趣不足。针对上述教学中发现的问题,笔者对《量子力学》的教学内容进行了有益的调整。

1。理清脉络,强化知识背景

从经典物理学面临的困难开始,到半经典和半量子理论的形成,最后到量子理论的建立,对量子力学的发展进行了详细和现实的分析,特别是对量子理论早期概念发展的准确和清楚的理解,以及对哪些概念和原理被证明是正确和公认的以及还有哪些不完善之处的清楚理解。一方面,这将使学生深刻理解量子力学基本概念和理论形成和确立的科学和历史背景,帮助学生澄清经典物理和量子理论之间的界限和区别,加深对这些基本概念和理论的理解;另一方面,它能使学生全面理解这一过程中蕴含的智慧火花和科学思维方法,有助于培养学生的创新意识和科学素养。例如,对于玻尔的理论,学生们经常发现这是不可思议和难以理解的,因为很难用已经形成的经典理论来解释量子化假设。因此,在解释这部分内容时,有必要介绍玻尔理论的历史背景,并告诉学生普朗克的量子理论和爱因斯坦的光量子概念在玻尔的量子化假设之前就已经出现,并且已经掌握了大量的原子光谱实验数据。卢瑟福以前提出的简单行星模型严重偏离了经典物理理论和实验事实。为了解决这些问题,玻尔理论应运而生。当用量子力学求解氢原子的驻波函数时,我们也可以通过驻波函数的概率分布图向学生介绍所谓的玻尔轨道(Bohr orbit),这不是真实的,只是电子出现概率相对较大的一个区域。通过这种描述,学生可以清楚地认识到玻尔理论的联系作用,而不会将其与量子力学中的概念混淆。

2.关注物理思想,压缩数学推导在物理研究中,数学只是用来表达物理思想和在此基础上进行逻辑演算的工具。教师不能用复杂的数学形式淹没深刻的物理思想。因此,在教学过程中,教师应注重加强基本概念和理论的教学,掌握这些概念和理论所包含的物理本质。对于一些涉及复杂数学推导的内容,教学中故意忽略具体的数学推导过程,强调让学生掌握思维方法。例如,在一维线性谐振子问题的教学中,对于数学问题,只要求学生正确地写出薛定谔方程并记住其结论,强调此类问题的物理意义和现成结论的应用。这样,学生就不会感到无聊,而是总能保持很高的学习热情。

2。教学方法改革

传统的“填鸭式”教学方法将课堂变成了教师的“一字课堂”,使学生在教学活动中始终处于被动地位,极大地抑制了学生学习的主观能动性,不利于知识的获取和学生创新能力及科学思维的培养。此外,《量子力学》课程本身实验基础薄弱,理论性强,物理图像不够直观。盲目采用灌输式教学,学生必然会感到无聊甚至厌烦。在过去的很长一段时间里,学习热情必然会受挫,学习效果自然会大大降低。为了提高学生的学习兴趣,激发他们的学习热情,培养他们的科学探索精神和创新能力,笔者对教学方法进行了一些有益的探索。

1。充分发挥学生的主体作用

除了解释必要的教学内容之外,每个班级都有一定的师生互动时间。教师创造问题情境,引导学生进行研究和讨论,或者回顾、总结和区分他们所学的内容,以加深他们的理解。或者根据未讲授的内容激发学生学习新知识的兴趣(例如,在讲授了一维无限平方势阱和一维线性谐振子这两个典型的束缚态问题后,可以引导学生思考“微观粒子在束缚态会表现出什么样的行为”),从而让学生积极预习下一节的内容;或者选择一些有代表性的练习,让学生提出不同的解决方案,培养学生的创新能力。对于课堂上无法解决的问题,积极鼓励学生利用图书馆和网络资源寻求解决方案,培养科学探索精神。此外,学生可以自由组合、选择与他们感兴趣的课程相关的话题进行讨论、调查和完成小组论文,一方面可以激发学生自主学习的积极性,另一方面可以使他们接受初步的科研训练,一举两得。

2。专注于构建物理图像

在实际教学中,我们应该更加注重物理图像的构建,让学生对一些难以理解的概念和理论形成更加直观的印象,从而形成深刻的记忆和理解。例如,通过电子束衍射实验,可以通过三种不同的实验过程(强电子束、弱电子束和弱电子束的长时间曝光)为真实粒子的波粒二象性构建清晰的物理图像。借助电子束衍射实验图像和光波与电子波的类比,可以凝聚波函数的统计解释。借助电子双缝衍射实验图像,学生可以更容易地接受和理解状态叠加原理。借助于解析几何中的坐标系,可以很好地为学生建立外观的物理图像。虽然光波和电子波、坐标系和表象的概念有本质的区别,但借助于这些学生已经熟知和深刻理解的概念,学生可以很容易地接受和理解在量子力学中难以解释的概念和理论。同时,学生也可以掌握构建这种物理图像的能力,这对培养学生的创新思维起到了非常积极的作用。

3。教学方法和考核方法的改革

1。课程教学中采用了多种先进的教学方法

例如,小组讨论被安排来讨论难以理解的概念和法律。首先是各组的讨论,然后是各组之间的辩论。最后,老师对每组讨论和辩论的观点进行了评论和纠正。例如,当谈到微观粒子的波函数时,有些学生认为所有的粒子都构成波函数,有些学生认为这是经典物理的波。对这些问题的讨论激发了学生对知识的渴望,从而进一步激发学生深刻理解一些困难的概念和量子原理,直到他们最终完全理解这些内容。此外,这是为课程作业安排小论文并邀请国内外专家进行一系列量子力学讲座的好方法。

2。坚持研究性教学方法

将课程教学与科学研究相结合,针对教学过程中的教学内容,吸收科学研究中的研究成果,结合最新的科学研究趋势,教学生在相关领域的应用,培养学生的学习兴趣。量子力学诞生后,作为现代物理学的两大支柱之一,现代物理学的每一个分支和相关的边缘学科都离不开量子力学的基础,量子理论与其他学科越来越交叉。例如,对基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚态物理到中子星和黑洞的研究是基于量子力学的。量子力学在通信和纳米技术中的应用:量子理论在生物学中的应用:量子力学和正在研究的量子计算机之间的关系等。应恰当地插入教学中,扩大学生的知识面,消除学生对量子力学的片面理解,提高学生的学习兴趣和主动性。

3。量子力学课程中人文教育与专业教学的结合

从诞生到量子力学发展的物理学史包含着迄今为止任何学科都无法比拟的创新思维。从19世纪末到20世纪初,经典物理有一片晴朗的天空。然而,黑体辐射、光电效应、原子光谱等物理现象的实验结果严重冲击了经典物理理论,使经典物理陷入危险境地。1900年,德国物理学家普朗克创造性地引入了能量光子的概念,成功解释了黑体辐射现象,并诞生了量子的概念。1905年,爱因斯坦进一步完善了量子化的概念,指出能量不仅在吸收和辐射(普朗克假说)中是不连续的,而且在物质相互作用中也是不连续的。1913年,玻尔将量子化的概念引入原子,并成功解释了有近30年历史的巴尔默经验谱公式。泡利突破了玻尔半经典和半量子理论的局限性,对扰乱玻尔理论的反常塞曼效应给出了合理的解释。1924年,德布罗意突破普朗克高能粒子的概念,提出微观粒子具有波粒二象性,这开始与经典理论相抗衡。与学生一起回顾量子力学的发展历程,在教学过程中展示量子力学数学形式的美,让学生在科学的海洋中享受美,在精神上培养创新精神。

4。考试方法改革

在本课程的教学中,采用教与考相分离的方式,以小试题的形式复习章节内容,根据学生的实际水平提供适当的指导和回答问题,强调对学生对量子力学基础知识理解程度的评估。对于评价体系的建立,平时成绩(包括作业、讨论、综合成绩等)。)占30%,期末考试占70%。从实施效果来看,它督促学生学习,收到了良好的效果,受到了学生的欢迎。

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