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量子力学基本知识范文1
[关键词] 原子物理学 教学改革 实践教学
随着科技的飞速发展,原子物理学已经成为21世纪重要科学技术的共同基础之一,它在高新科技中的基础地位和重要作用日益显现。同时它在培养学生的创新精神和科研能力方面也有着不可替代的作用,所以原子物理学成为了物理学专业的基础课程之一,也成为了其他理工科专业的必修课程之一。
一、原子物理学课程的性质与我系开设的历史回顾
原子物理学为物理学专业的基础课。它上承经典物理,下接量子力学,属于近代物理的范畴,是学习理论物理和从事材料科学、信息科学、光学、激光技术、化学、生命科学、能源科学、环境科学以及空间科学研究的基础。在内容体系的描述上,原子物理学采用了普通物理的描述风格,讲述量子物理的基本概念和物理图象以及支配物质运动和变化的基本相互作用,并在此基础上讨论物质结构在原子、原子核以及基本粒子等层次的性质、特点和规律。我院在上个世纪80年代就开设原子物理学课程,在90年代中期,为了全面讲解近代物理学的知识,我们曾经以近代物理学代替了原子物理学。到20世纪90年代末,又把原子物理学作为一门独立课程进行了设置。2002年,我院开始招收物理学专业本科学生,原子物理学成为一门专业基础课。为了提高原子物理学教学的效果,我们从2003级学生开始着手对原子物理学课程进行教学改革,2003级和2004级是探索阶段,在2005级、2006级、2007级加大了改革的力度。
二、原子物理学课程教学改革的实践
1.调整课程结构,整合教学内容,增加现代化的知识
调整课程结构,整合教学内容是教学改革的核心工作。在原子物理学的教学改革中,我们始终坚持把调整结构整合内容作为教改的中心工作。我们在教学中发现,随着科技的迅猛发展,许多高新科技都用到了原子物理学的基本理论,而我们大部分院校使用的教材是圣麟先生编写,1979年,出版的《原子物理学》,该教材虽然是1987年获国家教委一等奖的优秀教材,但是由于编写时间较早,缺少一些新知识、新技术的介绍,教学内容需要整合和充实。我们本着“加强基础,结合前沿,促进创新”的精神,对原子物理学的教学内容进行了大胆的调整和整合,重新编写了教学大纲和考试大纲,加强了科学前沿和高新技术的引进。精简和整合了传统教学内容,如旧量子论和中学物理已经涉及到的东西;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、反物质、粒子加速器、新粒子的探索、电子自旋成像等;引入多学科综合性问题,如隧道扫描显微镜,纳米科技,激光技术、原子的冷却等;引入应用领域问题,如激光技术,X射线造影,核磁共振,核电站的建设、太阳能的利用、中子弹的研制等;引入我们自己的科研工作,如纳米晶丝的磁性、铁磁非晶丝的磁化、磁晶各向异性等,介绍近些年诺贝尔物理学奖获得者的学术成就等。同时,我们还尝试了原子物理学和量子力学打通的工作,与量子力学课程组进行了研究。这样经调整整合后,其教学内容在已知与未知、过去与未来、基础与前沿等之间保持了一种恰当的张力,以针对性、应用性、实践性和满足后续课程(量子力学、固体物理等)学习需要为前提,既保留了该门课程的基本知识框架、知识间的内在联系,又反映了本学科领域最新科技成果和研究前沿方向,构建了支持学生终身学习的知识平台,促进了学生创新意识、实践能力和综合素质的培养,充分体现了教学内容的先进性和现代化,经过几年的实践,收到了良好的效果。
2.改革教学方法,培养学生的学习能力
有了先进的教学内容,如何让学生接受消化成了我们要研究的一个突出问题。按照学校的总体培养方案,原子物理学课程的教学时数越来越少,从每学期的72学时,减少到了54学时,48学时,再考虑到法定节日耽误的课时,一个学期48个学时都难以保证。而原子物理学是一个从经典物理到现代物理的一个过渡课程,有时用旧量子论处理问题,有时又必须用量子力学理论处理问题,这样就给学生造成了一个接受和理解的难度,有时甚至是造成了混乱和困惑,学生无所适从。为此我们对教学方法进行了研究。
第一,树立研究型教学思想,培养学生的学习能力,体现先进的课程理念。在原子物理学的教学中,我们首先更新观念,树立“以人为本,以学生为中心”的现代教育教学理念和以素质教育为主的研究型教学思想,以满足社会需要、学习者个人发展以及学科自身特殊性为前提,强调基本素质、基本知识、基本能力和基本技能并重,强化了课程理念的先进性。
第二,在教学方法上,一改过去“教师唱主角满堂灌”的“注入式知识教育”为适应培养学生学习能力的“研究式素质教育”。正好我系2005级以后物理学专业学生的班容量不是很大,给我们改革教学方法提供了方便。我们采用了精讲式、启发式、研究式、探索式、渗透式等多种教学方法,增加了讨论课、学习报告的学习形式。对一些奠定基础的、在历史上起到重要作用的、在知识体系中不可或缺的内容必须精讲、启发;对一些前沿性的、应用性的、综合性的、没有定论的东西则采用研究、探索、渗透的方式;每学期设置2次讨论课,1次学习报告课,把学生在学习中遇到的感兴趣的、通过查阅资料能够解决的问题以及没有定论需要继续研究的问题在讨论和报告中处理;而有些知识则是采用不讲的方式,由学生自学,由连续型细节式授课转变为跳跃型平台式授课。这些教学方法的改进,极大地拓宽了学生的视野,提高了学生的学习积极性,促进了学生学习的主动性,培养了学生的学习能力和创新精神。
第三,在教学手段上,跳出了“一支粉笔一块黑板一张嘴”的填鸭式,编制了多媒体课件、电子教案等,利用现代化的网络技术来辅助教学,同时也注意纠正了“以机代人、人机共灌”的极端多媒体教学方式,这样由过去单一的课堂教学转化为多形式的互动交流,既解决了课程容量与教学时间的矛盾,同时又激发了学生的学习兴趣。培养了学生的学习能力和研究能力。
3.把原子物理学的教学与学生的毕业论文有机结合
为了激发学生的学习兴趣,我们把原子物理学的教学与学生的毕业论到了有机结合。近几届学生的毕业论文都有选自原子物理学课程的。有一些综述型的题目,如:原子物理学与量子力学的衔接、物质的结构层次、组成物质的最小单元、里德堡原子与μ原子、反原子与反物质等;有一些应用型的题目,如太阳能与我市太阳能利用、核电与我国的核电站、现代医疗与原子物理学等;也有一些研究型的题目,如:兰姆位移的实质、电子自旋对原子光谱的影响、纳米晶丝的磁性与原子磁矩、铁磁性物质参杂后的磁性等。
4.把近代物理实验与原子物理学课程打通
我系也和其他大部分院校一样,在开设原子物理学课程的同时,开设的另一门独立实验课程是近代物理实验,它由实验老师独立完成。在原子物理学进行教改的时候,我们发现近代物理实验许多都是和原子物理学有关系的,许多就是原子物理学理论的一个验证或是应用。为使原子物理学的理论和实验更加紧密地结合,增强学生对原子物理学理论的感性认识,经过系领导的同意,我们和近代物理实验老师合作,共同组成了原子物理学课程组,实现了原子物理学的理论教学和实验教学的同步,既深化了学生对理论的理解,也降低了实验课程的难度。效果颇佳。
5.编制了一些课程扩充资料
为了帮助学生理解课程内容,我们参考其他院校的做法,编制了作业题解答、课外习题集、考试试题库、卷库,并且选定了一些科技期刊和阅读材料提供给学生阅读和学习,开宽学生的眼界。
三、对原子物理学课程教学改革的思考
虽然对原子物理学课程的教学改革,我们取得了一些效果,但是总感觉教学改革进行的还不彻底,还有许多不尽如人意的地方,还有许多工作要做,关于这些我们做了如下思考。
第一,对原子物理学教学内容体系能不能来一个大的改革。首先,旧量子论的内容跳过不讲,直接用量子力学的理论来讲原子物理学。既在光谱的实验规律、弗兰克-赫兹实验、史特恩-盖拉赫实验、黑体辐射实验、康普顿效应等的基础上给出量子力学,然后用量子力学理论去研究原子的能级、光谱、电子自旋、原子核结构等问题。而把玻尔的旧量子论作为一个历史情节介绍,降低旧量子论的比重。其次,增加前沿动态。因为我们没有后续的原子核物理、粒子物理,所以特别应该增加原子核的方面的知识;增加粒子物理方面的知识;增加应用性的知识;增加外场中原子的行为和现象的介绍,增加新核素、新粒子的观察与探索等内容。
第二,一定要把原子物理学与量子力学打通,整合成一门理论课,并且把原子物理学、量子力学、固体物理学、近代物理实验组合成一个课程群。使之在培养学生的科研能力、学习能力和创新能力上做出更大的贡献。首先,原子物理学和量子力学必须打通,因为目前的分工看,原子物理学是量子力学的先行课程,成为了量子力学的基础,而量子力学又是处理原子问题的有力工具,二者相互渗透,没有先后。如果能够把原子物理学和量子力学打通成一门理论课程,那样既可以完善原子物理学中的理论,又可以增强学生对量子力学的感性认识,使得两门课程的体系更加完整,学习难度会自然降低。其次,要认真研究如何实现原子物理学、量子力学、固体物理学、近代物理实验这一课程群,并以此为依托申报省级以上的教改立项课题。这几门课程的理论是相通的,只是适用对象不同,所以会衍生出许多不同的知识,这个课程群建成后,能够使学生的知识体系更加紧凑和完善,使几门课程的知识互通,能够降低学习难度,能够使学生方便地接触到科技前沿,激发学习兴趣,对毕业后从事高新科技或是教授大中学的相关课程都是大有裨益的。
第三,如何进行考试改革。学生成绩的考核方式直接决定着学生的学习态度,我们要改传统的“结果性”考核为“过程性”考核。加强对学生学习过程的监测,注意发现那些有创新精神、勤奋刻苦的学生,注意发现那些有一定特长、有潜力、不循规蹈矩的学生,加强培养,加强引导。
第四,如何进行实践性教学内容的改革。实践性的教学在培养学生创新精神和创造能力方面具有不可替代的作用。如何充分发挥实践性教学的作用一直是我们努力探索的一个课题。我们要使实践性教学走出实验室,使实验课程走出验证的初级阶段,开设综合性、开放性、创新性实验,这一点需要一定的物质基础,值得我们去研究。
第五,关于教材的选择与处理。教材可以说是教学的抓手,是最为重要的教学资源。就目前看,比较通用的原子物理学教材是圣麟先生编写的《原子物理学》和杨福家院士编写的《原子物理学》,这两个版本的教材各有自己的优点。我们的观念是“教学是用教材教,而不是教教材”,今后,我们计划改以前固定一种版本教材为两种版本交替使用。这样有一个好处是上下连续两届学生可以互相借阅,使学生在学习时基本上都能够有两本教材,方便了学习。
以上这些只是我们在原子物理学课程改革中的一些做法和想法,有的甚至可能还很不成熟,希望得到各位同仁的支持和帮助。
参考文献:
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自从 Thompson 于100多年前发现了作为第一个基本粒子的电子以来，粒子物理逐渐成为现代科学的前沿，受到了普遍的关注，吸引了越来越多的实验家和理论家投入其中。他们企图发现物质的最深层结构，探究这些最基本组分之间的作用力，并致力于这些作用力的统一描述的实验和理论研究。粒子物理实验家和理论家们当前还面对许多需要进一步努力解决的难题。比如，到底有多少代夸克和轻子存在？费米子质量是怎么来的？“上帝的粒子”Higgs粒子究竟有没有？CP破坏来源是什么？为什么物质与反物质如此的不平衡？引力怎样才能与其它相互作用统一起来？
本书不仅涵盖了几乎所有重要的基本概念和最新的发展，还详细地介绍了天体物理学、宇宙学与粒子物理之间的新的交叉学科，即所谓的天体粒子物理学的基本知识。
本书的两位作者（兄弟二人）都是巴基斯坦著名的理论粒子物理学家、诺奖得主Salam 的学生，从事粒子物理研究几十年。本书是他们在世界多所大学讲授粒子物理的讲义发展而成的。第1版出版于1992年，2000年出版了第2版，对于原书做了很多修改和补充。本书是2012年出版的第3版。它对于原书做了大量的更新和扩充。有7章彻底改写了。添加了许多新的内容和大量习题。
全书内容共分成18章：1. 导论； 2. 散射和粒子的相互作用； 3. 时空对称性；4. 内部对称性；5. U-群和SU（3）；6. SU（6）和夸克模型；7. 色、规范原理和量子色动力学；8. 重味； 9. 重夸克等效理论； 10. 弱相互作用；11. 强子弱流的性质和手征对称性；12. 中微子； 13. 弱电统一； 14. 深度非弹性散射； 15.重味的弱衰变； 16. 粒子的混合与CP-破坏； 17. 大统一、超对称和弦； 18. 宇宙学和天体粒子物理学。书末有两个附录，分别简要地介绍了量子场论和重整化群与运行耦合常数的基本知识。
本书对于粒子物理的介绍非常丰富，推导很详细，而且尽量不用形式化的量子场论而更多地依靠量子力学知识。因此适合于广泛的读者，诸如高能物理、粒子物理、原子核物理学、天文学和天体粒子物理学等领域的研究生和研究人员，选做粒子物理的教材和重要的参考书。
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【关键词】工程化学；教学改革；兴趣教学
针对非化学化工专业的工科大学本科生开设的《工程化学》课程，具有课时较少(我校限制在26～40学时内)，而涵盖内容却很丰富的特点。目前所用教材[1]不但涵盖了无机化学和物理化学的一般化学原理，还适当介绍了当今科技前沿和热点的一些内容，涉及到材料、能源和生命科学等诸多领域。因此在教学中面临的首要问题，是如何处理好学时少与内容多这一矛盾。另外在教学过程中还会遇到的一个问题就是，部分学生对于这一课程的学习热情不高，甚至提出“我们非化学化工专业的学生为什么要学化学”这样的问题。
因此在讲课过程中照本宣科、面面俱到显然是行不通的。课程内容多课时少，什么都讲等于什么都没有讲，而学生们对化学的认知程度本来就比化学化工专业的学生薄弱得多，造成了学生听不懂而不想听，不想听更听不懂的恶性循环。
实际上《工程化学》的设置是有其必要性的，这体现了中学“数理化”三大课程在大学中的延续深化。在大学中“高等数学”和“大学物理”是必修的重要课程，而《工科化学》可以看成是“大学化学”（在部分院校的课程设置中确实有这样的名称），是理工科学生构筑自然科学知识体系的重要基石。因此现在可以回答学生在前面提出的问题了：缺少了化学基本知识和基本理论学习环节的理工科大学生，是知识不扎实、思维不全面的“跛子”人才。
明白了这一点，不妨将本课程的教学目标设定为：培养学生用化学的思维方法去认识世界。根据这一出发点，在教学过程中内容应当有所取舍，侧重于基本知识的掌握和基本方法的训练，内容不宜过深过难，切忌枯燥无味的课堂气氛，逐步培养学生对化学的兴趣。根据多年的教学经验和教学效果，我认为课程中有三个部分的内容可以适当阐发，作为兴趣教学开展的突破口。
一、原子结构
原子作为化学研究中的最小单位，其结构知识是基础中的基础，但由于涉及的内容比较艰深，在具体的介绍中要深入浅出，即避免相对复杂的数学推导，但在思考问题方面却要引学生往深处去想。可以将量子力学的发展史话作为介绍的切入点，因为上个世纪初期对于原子结构的突破性研究成果是量子力学建立和发展的重要阶段[2]，诸多科学巨擘得以一展他们天才的光芒，这里面包含的曲折与成就、趣闻和佳话，对学生来说是一个难得的启发教育机会。另外在学习这一章节始终要对学生强调的是，原子内部的结构属于微观世界，与我们一般接触的宏观世界，其尺度差距当在1010以上，可用天壤之别来形容。所以在微观世界中很多方面，比如“波粒二象性”、“测不准关系”等量子力学的基本概念，是很难被一般人理解的，因为它们在宏观世界里没有对应的参照物，学习在一个完全不同的世界里去认识问题、思考问题，是一个挑战。听了这样的介绍后，学生既感觉有挑战性而提高了学习热情，也不会死钻牛角尖非用宏观的情景来联系微观而不能理解、难以自拔。
比如说“物质波”这一微观粒子的存在方式，实际上是“波粒二象性”的另外一种表达，介绍的时候往往以宏观世界的“机械波”举例来帮助学生对于诸如“波长”、“干涉”等概念的理解，但同时一定要强调，此“（物质）波”非彼“（机械）波”，从本质上它们是不同的，比如前者不但传递能量而且也输送物质本身，即不需要介质就可以传播，而后者仅仅是传递能量（暂不考虑能量本身也是抽象意义上的物质）。通过这个例子，同学们可以体会到类比这一方法的长处和局限性，再进一步举例说明玻尔的原子模型为什么较先被提出，而最后却不能自圆其说，就是因为这一模型实际上是带着“先入为主”的想法，比拟了宏观世界中恒星行星体系，而最终为微观世界所不相容。这样带有实例的启发，会使得学生们在思维方法上的眼界有所拓宽。
二、熵
作为热力学重要函数的熵，在课堂学习中若是光介绍其计算公式，未免过于枯燥。而作为对当代科学有所了解的教师，都会知道这一概念在化学、物理、生命科学以至于社会、经济等非理工学科中的重要性[3]。熵就是混乱度的量衡，熵值越高，系统越趋向于混乱和无秩序化，这是熵这一概念的核心。为何在万物变化中总有不可逆过程，什么过程又是自发的？孤立体系的熵值不会减少这一判据的重要性，揭示了万事万物错综复杂变化表象下一条内在的本质规律。为什么“水往低处流，人往高处走”，因为人不是一个孤立体系，不但每天摄入营养、排弃废物，而且还通过接受教育，不断提高自身文化素养，这是一个大学生不但应该懂得而且应该努力做得更好的事情。
转贴于 再比如现在为什么要提倡“节约型社会”？用热力学的观点来看，社会的发展是一个熵减少的有序化过程，所以人类社会也一定是个开发性的社会，在发展的同时一定伴随着能源的利用、对自然的开发这样一个破坏性的过程。因此不能幻想一种对生态没有影响没有破坏的社会发展模式，科学的发展观当然不是“杀鸡取蛋”式的破坏性开发，也不是说要“不吃不喝不发展”这样不现实的极端做法，而是尽可能减少环境破坏的“节约型社会”发展模式。
通过这些介绍，学生们会发现化学中蕴藏的知识实践在化学之外，不但觉得听课不枯燥，更完善了自身的知识体系，开阔了思维空间，对于一个大学生的综合素质培养是有益处的。
三、手性现象
在有机化学中，具有不少手性的化合物，其不同对应异构体生化活性往往迥异，因此对手性物质的合成和分离是生化和制药学科的热点研究方向。而人体内存在的天然氨基酸都是L型的这一迷题，目前尚未得到合理的解释，由此引发的研究自然界中某一对应异构体占优的外在诱因更是基础科学研究的重大课题[4]。在课堂上向学生们介绍这些科学研究中的难题谜团，不但学生感觉不枯燥，而且激发了他们对未知事物的好奇心，而这正是科学研究前进的最大动力所在。
在紧接着的教学过程中，还应当向学生们指出，不但有机物质有手性，而且无机物质也存在手性，比如[Cr(C2O4)3]3－这样的配位化合物离子，存在Δ型和Λ型的对应异构体，它们之间存在镜像关系。进一步阐明判断一个化合物是否具有手性的依据是其镜像和原物是否能够重合，不能重合则说明它们是手性的对应异构体关系。随后借助这一判据，将手性的概念扩展到宏观物体中去，比如左手和右手，鞋子的左脚和右脚，最后将手性归纳为一种现象，即不但有手性物质，还有手性规则，比如左手直角坐标系和右手直角坐标系，左手螺旋法则和右手螺旋法则。课堂上最后可以当场进行小测验，让学生们列出所能想到的手性现象，不限于化学物质。最后的效果是出乎意料的，学生们充分拓展了自己的想象力，举出的例子丰富多彩，有的是教师也没有想到过的，这说明兴趣能够引起多么大的学习动力。试举一些精彩答案如下：人与水中的倒影，印章上的字与其印在纸上的字，左旋的DNA和右旋的DNA，环形跑道上顺时针与逆时针跑步……
总结
从实际情况出发，制订以激发学生学习热情的兴趣教学法在实践中收到了良好的效果。当然根据不同教师对教材的理解不同，自身的知识面层次不同，在开展教学中能够有所阐发的具体内容也可能是有所不同而相互补充的。当然在这里也还是应当说明，活跃课堂气氛，提高学习兴趣还是要首先和课程内容紧密相联系，不是一味追求现场气氛，而是做到有所联系有所侧重，把目的牢牢地收在前面说过的“培养学生用化学的思维方法去认识世界”这一核心上来。应该说，其实任何的课程都存在一个将枯燥的课本内容转化为生动的课堂教学这样的问题，这一问题的解决首先要求老师有扎实的基本功，将课本内容吃透才能做到教学方法上的升华，才能更好地组织教学素材；其次要求学生对课程有兴趣，一定要做到老师自己对课程有钻研的兴趣，这样平时才能更多地搜集相关信息，多看“闲书”，多发“闲想”，点点滴滴累积下来，才能在讲课过程中左右逢源，有话可说，有例可举，切合课本内容，贴近现实，起到良好的教学效果。
参考文献
[1] 陈林根等编. 工程化学基础(第二版). 北京：高等教育出版社， 2005.
[2] 曹天元. 上帝掷骰子吗——量子物理史话. 沈阳：辽宁教育出版社，2006.
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关键词 结构化学 教学方法 教学质量 兴趣
中图分类号：G642 文献标识码：A
结构化学是从微观的角度研究原子、分子和晶体结构的运动规律以及物质微观结构与其性能关系的科学。本课程是基础化学的后续和深化，具有知识面广、内容抽象、理论性强等特点，要求学生具有较多的数理知识和较强的逻辑思维能力以及丰富的空间想象能力，同时还要努力摆脱宏观现象的传统概念的束缚。因此，在教学过程中出现了教师感觉难教，学生感觉难学的现象，那么如何激发学生学习兴趣和求知欲，提高教学效果，便成为每一位教师必须研究的课题。本文就从教师的教学过程，学生的学习过程以及如何提高结构化学教学等方面进行了积极的思考和探索。
1 关于教师教学过程中的思考
1.1教材的选择
鉴于各个高校化学及相关专业的培养方案和教学内容都有很大差别，在结构化学课程教材的选择上，需要根据本校专业实际的特点，我们选择了由周公度、段连运编著的《结构化学基础》作为教材。本书更加注重介绍结构化学的基本原理，同时也反映结构化学的新成就、新进展以及作者在教学中的经验和体会，全书系统性和连贯性较强，层次分明，讲解清晰，便于教学。本教材共编10章，约60万字，主要包括量子力学基础知识、原子的结构和性质、各类物质的结构化学、化学键理论、晶体化学、研究结构的实验方法等内容。但由于课时有限而课程的内容较多，教师只能对具有代表性的重要章节进行讲解和辅导。根据我校实际和专业设置，结合学生的实际水平和往年教学实践的体会，我们主要讲解第1、2、3、5、6、7、8章，其余章节由同学们自学完成。
1.2教师应精通专业学科，具有扎实而渊博的知识
结构化学课程内容涉及面广、内容抽象、理论性强、教学难度大，教师如果没有过硬的专业理论水平和逻辑思维能力，是很难深刻理解并掌握结构化学的基本概念和基本理论。因此，教师应精通自己所教的专业学科，时刻学习，做一个知识渊博的教师。同时教师要备课充分，思路清晰，对知识的重、难点分析讲解透彻，学会举一反三，融会贯通。
1.3教学方法要灵活多样
单一的教学方法是乏味的，为使整个课堂教学过程充满情趣和活力，这就要求教师要采取灵活多样的教学方法来处理课堂教学。首先，充满激情、幽默生动、严谨标准的教学语言能够调动学生的学习兴趣。其次，教师可以根据不同的教学内容采用不同的教学方法，启发学生思维，提升课堂教学效果。比如启发式教学、互动式教学、讨论式教学和类比式教学等等。比如“物质波”和“机械波”的异同，“波函数”和“电子云”的联系等采用类比的方法加以解释和说明，使课堂教学效果能够得到较大提高。再者，在课堂教学中适当的展示实物模型，可以激发学生的学习兴趣，提高教学质量。
1.4教学中重视科研，以科研促进教学
高校教师既要从事教学，又要进行科研，二者的有机结合有利于提高教学质量。因此，教师应该精心选择有关结构化学方面的一些新成就和新进展、新文献融入课堂教学，丰富课堂教学内容，从而激发学生的学习热情。同时，在教学中渗入化学史教育，像普朗克、薛定谔、德布罗意、R.B.伍德沃德等科学家坚持不懈地对真理的追求及其奋斗历史，不仅可以陶冶学生的情操，激发他们的学习兴趣，还可以培养他们的科学思想、科学精神、优秀的思想品质以及科学探究能力。
1.5教学中充分利用多媒体辅助教学，提高教学效果
多媒体教学存在直观、形象、生动、信息量大的优点，具有传统教学无法比拟的优势。多媒体的合理应用能突破教学重难点，丰富结构化学课堂教学的形式，通过图、文、声、像等手段，能把抽象的理论知识转化成具体、形象、直观、真实的语言材料，启迪学生思维，加深学生对理论知识的理解。例如Pauling的杂化轨道及价键理论、分子对称性及点群、等径圆球密堆积结构、晶体结构周期性与点阵等内容都比较抽象，采用多媒体软件辅助教学可将这些抽象、微观、枯燥的理论知识形象化、具体化、感性化，易于学生理解，有利于激发学生学习兴趣，提高学习效率。
1.6理论与实践相结合，重视实验教学
教师在强调理论知识学习的同时，应该把实验教学渗透到结构化学教学中，使其不再是纯粹的理论，真正做到理论与实践相结合。因此，教师在教学中可以适当地安排一些实验，也可以鼓励学生积极参与教师的研究课题，这样可以加深学生对理论知识的理解，培养学生的理论联系实践的能力，进而提高教学质量。比如磁化率的测定，偶极距的测定，在X射线粉末衍射仪上测定晶体的结构等等。
2 关于学生学习过程中的思考
2.1加强自主学习
结构化学课程是化学学生本科阶段初次接触的理论课程，内容广泛，涉及到较多的高等数学、物理学及量子力学等基本知识。因此，学生学习结构化学时感觉很费力，致使学生对该课程产生排斥心理。所以，学生应加强自主学习，提前预习，上课注意听讲，不懂就学，不懂就问，学会分析和归纳总结，真正做到学有所思、思有所得、得有所成，从心理上不再害怕结构化学。
2.2抓住重点，建立完整知识体系
本科阶段的结构化学课程主要包括三种理论（量子理论、化学键理论和点阵理论），三种结构（原子结构、分子结构和点阵结构），三个基础（量子力学基础、对称性基础和晶体学基础）。在学习结构化学过程中一定不要过于深究其数学推导过程，需要分清主次，明确重点，做到抓重点、抓中心、抓关键，建立完整知识体系。只有这样才能做到不本末倒置，才能把握住问题的关键，才能体现学习达到学深、学透的效果。
2.3充分利用网络教学资源
当今社会，网络资源丰富多彩，各种信息以多媒体化――文字、图像、声音、视频图像、动画等呈现，使结构化学抽象的内容生动化、形象化、多样化。因此，学生除了学习教材外，要善于合理利用校园网、国际互联网中丰富的教学资源，这样，不但激发了其探索新知的欲望，而且使他们对课堂的知识有了更深刻、更全面的理解。
2.4多阅读相关科技文献，了解最新发展动态
当今世界各国科学技术迅猛发展，每时每刻都有大量的科技文献产生，学生通过阅读科技文献可以了解国内外结构化学相关领域的发展动态和成果、跟踪国内外某个领域的研究进展。所以学生要多搜集和阅读一些前沿的科技文献资料，有利于专业知识的巩固、深化以及综合能力和创造思维的提高。这样他们就可以变被动学习为主动学习，激发了学习潜能，提高了学习积极性。
2.5 学会沟通和交流
在传统教学过程中，学生学习方式单一、被动，学生只是被动地接受知识，缺少自主探索、合作交流、独立获取知识的机会。因此，学生与学生之间，学生与老师之间应该加强沟通和交流，从而产生生生之间、师生之间情感的交融，促进学生学习能力提高。
2.6 重视理论联系实践
学生除了学习基本理论知识外，应该充分利用课余时间参加大学生科技创新活动、参与教师科研课题、撰写科研专题报告、发表学术论文等，培养自主学习与创新思维能力，提高分析与解决问题的能力。只有做到理论与实践的有机结合，才能把自己所学的理论知识转化为认识和分析、解决问题的能力。
3 结论
“教学有法，但无定法，贵在得法”，只有通过授课教师不断的改进教学方法，更新教学理念，探索教学规律，创新教学模式，避免教学方法上和学习方法的单一化，不断强化学生学习兴趣，真正做到教与学的和谐统一，充分调动学生的学习积极性，才能提高教学质量。
基金项目：周口师范学院教育教学改革研究项目（J201421）。
参考文献
[1] 潘道皑，赵成大，郑载兴.物质结构（第2版） [M].高等教育出版社出版，2004.
量子力学基本知识范文5
关键词：非经典计算；算法设计与分析；智能科学与技术
1背景
智能科学与技术是人工智能方向的重点交叉学科，是一个包含了认知科学、脑科学、计算机科学的新兴学科。按照教育部学科专业目录，智能科学与技术是一级学科计算机科学与技术下的二级学科。如何在4年的本科教学过程中，既立足于计算机学科内容，又突出智能专业的特点，体现该专业区别于计算机科学专业的特色，培养一流的智能人才，是众多智能专业积极探索的问题。
本着帮助学生建立宽广厚实的知识基础，使学生将来能向本专业任何一个分支方向发展，并能掌握本学科发展的最新动态和发展趋势，深刻领会本学科与其他相关学科区别的目标，厦门大学智能科学与技术系于2012年合理调整了专业培养方案，制定了一套突出专业特色和个性的教学大纲，课程体系分为学科通修课程、专业必修课程、专业选修课程。其中，专业必修课程细分为智能基础类课程、软件理论类课程及硬件基础类课程3个不同类别。在智能基础类课程中，开设非经典计算课程。该课程是厦门大学智能科学与设计系最具特色的课程。
该课程以软件理论类课程算法设计与分析为先导课程，在本科三年级的第一学期先讲授算法知识，在同一学年度第三学期讲授非经典计算的内容。教师首先介绍经典算法设计与分析中的各种传统算法，借由经典算法发展过程中遇到的困境问题引出非经典计算的内容，前后呼应，有助于学生在智能计算上获得完整的系统学习。
2非经典计算在智能科学与技术专业本科教学算法体系中的地位
算法设计是智能科学与技术专业中的核心内容。本科专业4年的专业教学计划由4门核心课程构成算法体系的主线，包括高级语言程序设计（本科一年级学科通修课程）、数据结构（本科二年级方向必修课程）、算法设计与分析（本科三年级方向必修课程）、非经典计算（本科三年级方向限选课程）。这4门课程的教学内容和组织结构完整地构成了算法体系结构。以图灵奖获得者、pascal之父Niklaus Wirth提出的著名公式为参照，即Algorithm+Data Structures=Programs，算法体系以培训计算机方向学生掌握编程能力，独立完成分析问题、设计方案、解决问题的综合能力为主要目标；在这个体系中，程序语言是基础，数据结构是内涵，算法是框架。
在算法体系中，这4门课程以循序渐进的方式展开，注重对学生算法思维的培训。
（1）高级语言程序设计讲授的是c语言程序设计，通过对C语言的详细介绍，让学生掌握程序设计方法和编程技巧。作为初始启蒙课程，选择C语言作为程序教学语言，是因为C语言的使用广泛，拥有严格完整的语法结构，适合教学。
（2）数据结构重点讲授各种常用的数据表示逻辑结构、存储结构及其基本的运算操作，并介绍相关算法及效率分析。教师通过在一年级对包括C语言在内的其他程序设计过程的训练，加人对数据结构中各种数据的逻辑、存储结构的表示和运算操作，从数据结构的角度阐述典型算法，并简单介绍算法的效率分析，这是对程序设计训练的进阶内容。
（3）算法设计和分析主要介绍算法设计与分析的基本方法以及算法复杂性理论基础。我们在本科三年级引入算法设计与分析课程，从算法的抽象角度总结和归纳各种算法思想，包括递归与分治法、贪心法、动态规划法、回溯法、分支定界法、高级图论算法、线性规划算法等，最后阐述算法复杂性的分析方法、NP完全性理论基础等计算复杂性的基本知识及完备性证明概要，重点阐述算法思想，从复杂性角度比较和分析不同的算法。上述（1）、（2）和（3）的内容构成了计算机学科通用算法体系的教学过程。
（4）非经典计算主要讨论何为计算的本质以及经典计算在计算能力上遇到的困境，以此为契机讨论自然计算――生物计算、集群计算、量子计算等内容。算法设计和分析的最后一个章节是对算法复杂性的分析方法及NP完全性理论基础的介绍，不可避免地会讨论到现代电子数字计算机体系在计算能力上的瓶颈以及由NP完全问题（Non-deterministic Polynomial），号称世界七大数学难题之一的经典问题，引出对经典计算机体系的深层思考，进一步引导学生思考如何解决计算能力的瓶颈问题。这是教师设计非经典计算课程的出发点，也是对算法体系更完整的补充和更深层次的探讨。
此外，我们还需要对授课学期选择进行考虑。厦门大学实行三学期制度，在第三学期内开设的课程大多是实践类课程及前沿技术介绍课程。在本科三年级的小学期阶段，学生基本完成了智能专业大部分必修课程的学习，拥有了一定的计算机基础和学科素养。这时，依赖学生已经具有的数据结构与算法的基本知识，可以将学生的学习引向如何理解计算的本质；再从计算本质出发，由易到难，介绍采用非计算机的不同计算媒介和方法，例如DNA计算、元胞自动机、集群计算等知识，结合计算机模拟程序加深认识。在逐步加深学生对非经典方法计算的理解之后，再引入量子信息与量子计算。至此，智能专业关于算法体系的整体构建已基本完成。
3非经典计算课程内容大纲
非经典计算课程的主体课程内容以专题形式展开，分为5个部分。
第一部分：计算本质。从什么是计算人手，列举各种计算的形式，由数字的计算到命题的证明，由数值计算到符号推导，引出计算本质的广义定义，“计算是从一个符号串f变换成另一个符号串g”，即从已知符号（串）开始，一步一步地改变符号（串），经过有限步骤，最后得到一个满足预先规定的符号（串）的变换过程；进一步展开对什么是计算、什么是可计算性的讨论，展开介绍计算理论上4个著名的计算模型――般递归函数、λ可计算函数、图灵机和波斯特系统；最后归结到丘奇・图灵论点。以上是第一条主线，第二条主线从计算复杂性角度人手，讨论在经典算法中难解决的NP完全问题，提出在经典计算体系中随着输入数据规模增大而难以计算的瓶颈，从而引发学生对于经典计算的思考。
第二部分：智能计算机的发展。这个部分主要讨论计算机硬件的发展历史，即从原始时期的计算工具，到现代计算机的4个发展阶段：史前期、机械式计算机、机电式计算机、电子计算机。教师从模拟型计算机到数字型计算机，阐述冯・诺依曼关于计算机五大基本组成对现代计算机体系结构的影响及其带来的限制；从硬件角度提出非经典计算机的讨论，鼓励学生对现代智能计算机硬件进行调查。
第三部分：DNA计算。主要阐述DNA计算的基本原理，并以旅行商问题为引子，展开经典计算难解决问题的讨论，重点介绍第一个由DNA计算模型解决的问题――L.Adleman构建的7个节点的DHP，并着重指出DNA计算潜在的巨大并行性和待研究的问题；然后介绍R.Lipton用DNA实验解决的另一个NP问题――可满足性问题（SAT）；最后将DNA计算与软计算结合，阐述粘贴模型以及DNA的软计算模拟与遗传算法的对比。对于DNA计算强大的并行性，以具体的算法实例加以详细阐述和说明，教师应指出分子计算的优缺点以及在计算能力上的巨大潜力。
第四部分：细胞自动机和集群计算。这个部分主要讨论群体计算，一方面，从细胞自动机的形式化阐述及其所带来的哲学意义出发，描述细胞自动机在计算机交叉学科上的运用；另一方面，介绍集群计算，以欧盟“蓝脑计划”为出发点，阐述如何从硬件体系和软件体系上用计算机架构类神经元的协同合作方式。
第五部分：量子计算。从基本的量子力学知识开始，完整阐述量子计算的基本概念、量子信息、量子计算机和量子通信。量子计算机的构建除了要包含最基本的操作外，还需要介绍基本的量子计算机体系结构、计算载体等知识，加深对量子计算的理解，最后介绍的量子通信。这种已经应用在实际生活中的量子计算，更贴合实际。
以上5个专题，结构清晰，分工明确。第一部分讨论经典计算的困境，第二部分讨论经典计算机的发展瓶颈，从第三部分开始，引入非经典计算模型，分别从生物学和计算机科学的交叉学科DNA计算、细胞自动机和集群计算、量子计算3个方面进行学习。5个专题，完成了对非经典计算中前沿热门计算模式的阐述，引导了学生对于前沿学科的认识和思考。
4非经典计算课程授课方式
本课程属于本科三年级第三学期的课程，授课除了上文提到的内容之外，另一个更重要的方面是引导学生对学科前沿以及热点内容的跟踪和思考。因此在教学方式上，我们采取了教师授课及学生调查报告相结合的形式。教师上课对应课程的基本内容，学生调查报告对应学科前沿跟踪与思考。
5个专题内容的授课经过了如下设计。在每个专题的授课结束后，布置相关专题内的一些热点、难点问题供学生课后查阅、讨论和思考。每个专题由学生自主报名，学生需要对相关内容进行跟踪，查阅近5年的科技文献，总结出论文综述，并准备10分钟左右的课堂报告，教师针对课堂报告指出相关的问题，由学生课后进行进一步的思考和再次的文献查阅，形成最终报告后提交课程论文。
这样的课程设计安排，可以很好地实现教学相长。在学生方面，促使学生除了上课听课，必须主动参与文献的查询过程，主动对授课内容或延展部分的概念进行思考。由于提供给学生选择专题的自由，所以也可以大大提高学生的积极性，让学生可以从感兴趣的角度对本门课程涵盖的内容进行调查，从而获得更加深刻的上课体验。最后，由于每个学生选择的题目必须提前汇总，不能与别人重复，所以在其听取其他学生的报告过程中，学生可以更广地拓展自己的知识面。对于授课教师而言，能够保持对该门课程研究现状的实时性跟踪，更加全面地更新课程内容，还可以将学生查阅的重要理论和知识补充到课程基本内容中，同时促进教师与学生之间的互动，活跃课堂气氛，提高教学质量。
5关于非经典计算课程的几点思考
课程从厦门大学智能科学与技术系建系之初开始构思和授课，在授课过程中不断调整教学内容和课程设计，紧紧围绕学生的反馈完善课程建设。关于非经典计算课程的几点教学经验可以总结如下。
1）增加课时，优化对课程设计的安排。
2015年开始，由于学科教学计划的调整，非经典计算课程由最初的20课时拓展为30课时，集中在本科三年级第三学期进行讲授，一共5周，每周6课时。课时安排上，除了增加教学内容，更加强了对学生的文献查阅和报告部分的考查。在论文报告环节，争取做到有目标、有指导、有结论、有总结。学生所做的报告除了在初始选题阶段要有区别之外，还要求有一定的文献查阅难度。从选题确定，到针对报告指出具体的问题，要求学生根据教师指出的问题进行进一步的思考和资料查阅，最后形成论文。这样的安排贯穿整个课程的全过程，学生的参与度获得了极大的提高。对于教师而言，在学期末总结学生所做的报告内容，并增加本门课的知识点覆盖程度，对教学也有比较大的促进作用。
2）课程考核方式上的设计。
非经典课程属于必修课程，在考核方式上除了提交论文外，也必须要有必要的考试环节。在考试环节中，主要考查学生对教师上课内容的理解。在具体授课中，教师从经典计算到非经典计算进行讲解，也从算法角度给出了非经典计算强大计算力带来的改变，既延续了经典算法课程中对算法的介绍和讨论方式，又对比了典型问题在经典算法和非经典算法中的不同解决方式。这样的授课内容作为对算法体系基本知识点的考查，以闭卷考试内容来设计，是十分合适的。课程延展部分的开放知识点由学生的论文及报告内容进行评分衡量。最后，我们将两个部分的成绩作为本门课程的最终成绩。
3）课程教材的选定。
由于本门课程是厦门大学智能系的特色课程，所以国内并没有合适的教材作为授课使用。在积累了几年的教学经验后，我们准备着手进行教材的编写。如何选定更加合理的专题、更为广泛而前沿的知识，这关系到智能专业对这门课和教材的全局考量。
量子力学基本知识范文6
关键词：热力学统计物理；教学改革；教学实践
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）08-0105-02
《热力学与统计物理》属理论物理课程，是高等院校物理学专业本科学生在修完《热学》课程之后必修的一门基础理论课程，它对于后续课程的学习以及从事相关科研都具有重要的意义。《热力学与统计物理》语言严谨但枯燥，包含大量的公式和推导，教学中容易忽视科学思维训练和科学思想方法的培养。经过调查发现，大部分同学学完《热力学与统计物理》后，对涉及到的概念、规律和处理方法都感觉比较模糊，实际应用困难。在教学方法上，目前普遍采用的教学方法是老师推导公式，学生听讲，使学生整体感觉模糊。热力学是一大堆偏微商，偏来偏去；统计物理是这分布那分布。教师在讲台上讲的是口干舌燥，筋疲力尽，学生在台下却无精打采，昏昏欲睡。如何实现在教学中师生的互动，知识的传递、信息的交流和思维的碰撞在《热力学与统计物理》课堂教学中显得尤为重要。笔者在近几年的教学中，针对《热力与学统计物理》的现状进行了教学内容和教学方法的改革，在一定程度上调动了学生的学习兴趣和积极性，并收到了较好的效果。
一、教学内容改革
1.深化物理概念。由于《热力学与统计物理》教材中有很多理论的堆积和繁杂的推导过程，而对课程中蕴含的思维训练和科学思想、科学方法等内容很少涉及，在传统的教学中，大部分时间都是花在推导公式上，忽视了应用人才的培养。在《热力学统计物理》教学中，尽量做到从最普遍的基本原理出发，运用归纳、演绎的方法导出实验规律，然后培养学生运用物理理论解决一些典型实际问题的方法和能力。同时强调对物理概念和意义、物理意义的理解，简化数学推导，使学生形成较完整的物理学图像。
2.优化课程结构。根据《热力学与统计物理》和《热学》、《量子力学》、《固体物理》等课程的关系，尽量减少与《热学》、《固体物理》等相应课程内容的重复。例如对于热力学中的内容（如平衡态、温度、物态方程、热力学第一定律、功、热量与焓、理想气体、热力学第二定律、熵、卡诺定理等）和统计物理中的内容（如等概率原理、玻耳兹曼统计、能均分定理、麦克斯韦分布）与《热学》的重复率高，在教学时适量减少课时。例如德拜理论等内容可以放在《固体物理》中并且要重点讲授。通过教学内容的整合，提高了教学效率，优化了课程结构，缓解了授课学时和教学内容的矛盾，从而明确了课程的主线。
3.增加前沿知识。在讲授课本知识的同时，适当增加前沿内容。例如讲解获得低温的方法时，增加介绍3He、4He稀释致冷和激光致冷；对于非线性不可逆过程热力学，重点介绍耗散结构的概念和应用；补充相变中朗道连续相变理论和临界点附近涨落与关联的理论；增加介绍统计物理中玻色爱因斯坦凝聚的新进展；介绍朗之万方程在光学粘胶、多普勒致冷和磁光陷阱等方面的应用。通过增加前沿知识的学习和介绍，加深学生对基本内容的理解，开阔学生的视野，引起学生的兴趣并有利于科学思维的培养。
4.注重实践环节。在讲授理论知识课的同时，注重实践性教学环节和课程设计环节。由于《热力学与统计物理》是理论性很强的课程，在教学中往往重视理论教学而忽视实践环节，这不利于应用性人才的培养。需要在教学中增加实践性教学环节和课程设计环节。例如熵变的计算、铁磁—顺磁相变、粒子输运问题、平衡态的确定、半透薄等知识和问题，结合Ising模型，郎之万方程，Monte Carlo、Random Walking等计算方法，有针对性的进行课程设计。通过实践教学，既加深了学生对物理学过程、物理概念的理解，又锻炼了学生计算机程序设计能力，从而增强了学生解决实际问题的能力。
二、教学方法改革
1.对比法的应用。由于《热力学与统计物理》存在大量的物理意义相同或相近的物理概念、物理量、物理规律和处理方法等，通过增加对比让学生掌握该门课的主线，培养学生的科学思想和方法。例如对于内能、自由能、吉布斯函数、焓的概念；麦氏关系；熵、自由能、焓、吉布斯、内能等的各种判据和条件；微正则分布、正则分布、巨正则分布；玻尔兹曼统计、玻色统计、费米统计等内容，教学时主要讲授部分内容，引导学生对比分析物理概念和研究方法的区别和联系。通过对比教学，既加深了学生对基本感念、基本研究方法的理解，又能起到举一反三的教学效果。
2.互动式教学的应用。教学中适当地应用互动式的教学方法，改变以往课堂教学的传统模式。激发学生主动学习的积极性和自我学习的能力。在教学中，增加一些基本概念、定律和处理方法的讨论。例如讨论热力学温标和理想气体温标的异同点；讨论理想气体状态方程和焦耳定律的独立性；讨论分析热力学第二定律的微分表达式和热力学基本微分关系的不同之处；讨论熵的概念以及不可逆过程中熵变的计算方法比较。根据熵增原理讨论了宇宙的起源、宇宙的形成、宇宙的未来和宇宙的演化等。在相变中除了物体的固、液、气三相变化，讨论自然界还存在许许多多的相变现象，例如物质从金属变成超导体的超导相变；液态氦从正常液体变成超流体的λ相变；磁铁在居里温度从铁磁性变成顺磁性等。通过讨论进一步明确了概念、规律的适用条件和一般处理方法等，并在互动过程中逐步培养学生自学意识、参与意识、群体意识和问题意识，提高了学生的积极性和主动性。
三、其他方面工作
在《热力学与统计物理》教学中我们还进行了其他方面的改革和实践。在考核方面，采用闭卷考试、一页开卷、课程设计、论文等多种考核方式。为适应教学的需要，针对教学内容作了完整的习题解答和复习资料，并作为教材配套的教学参考书。在保证本学科的基本理论、基本知识和基本技能的全面性，以及在精选内容时注意知识的科学性和系统性的前提下，制作了图文并茂、引人入胜的课件。在课堂上运用多媒体，VCD、DVD，教学软件、音像制品等这种直观的、形象化的演示，有利于学生增强感性认识，便于理解和记忆。
四、结论
在教学改革的指导思想下，针对《热力与学统计物理》教学中存在的问题，进行了教学内容和教学方法等方面的改革和尝试。实践证明，这些改革和实践缓解了授课学时和教学内容的矛盾，增加了学生的学习兴趣，拓展了学生的知识面和自主实践课的空间，增强了学生解决实际问题的能力，从而有利于人才的培养。
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