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量子力学的基本知识范文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:
量子力学的基本知识范文2
Concepts and Methods of 2D
Infrared Spectroscopy
2011,296pp
Hardback
ISBN9781107000056
本书介绍了二维红外（IR）光谱这一前沿技术，以及在能源科学、生物物理学和物理化学等不同学科的应用。这本书带领读者对二维红外光谱的基本概念一步一步建立起直观的认识，并深入进行了解。该书用深入浅出的方法，介绍了复杂的数学概念，同时结合了实验室实际操作的条件，对实验的方法进行设计。为帮助读者更好理解书中所涉及的概念，本书还为读者提供了用来模拟二维红外光谱的计算机代码和相关练习。通过此书，读者将掌握如何准确分析解释二维红外光谱，独立设计自己的光谱仪，建立自己的脉冲序列。
书中内容具体包含二维红外光谱的基本原理、红外光谱的多脉冲实验设计、微扰密度矩阵展开、偏振控制、分子耦合、二维红外光谱线形状、二维红外光谱动态交叉峰，以及具体的实验设计、数据收集和处理；最后，还介绍了若干实用的模拟方法，并提供了有关脉冲序列设计的一些例子。其中，书中第二章和第三章主要介绍了密度数学方法，包括布洛赫矢量、密度矩阵和费曼图等；第八章和第九章介绍了二维红外光谱线形状和动态交叉峰等实验方面的知识。为了进一步帮助读者理解相关内容，书中每一章的结尾均附有练习，所需的计算机代码和练习答案均可以从作者的网站省略/9781107000056下载。
本书的作者是瑞士苏黎世大学的彼得•哈姆和美国威斯康星大学麦迪逊分校的马丁•扎宁。作者依据自己多年的研究，系统描述了二维红外光谱的应用范围，以及对科学研究所起到的重要作用，还提供了进行二维红外光谱实验的多种方法，包括研究飞秒脉冲序列相互作用过程中的密度矩阵方法。并且，作者通过介绍非线性光学和量子力学、统计力学的相关知识，使读者充分理解二维红外光谱的原理，并能利用二维红外光谱技术进行相关实验设计，开展相关研究。
本书对于刚进入二维红外（IR）光谱研究领域的研究生和研究人员非常有帮助。阅读本书，需要读者具有非线性光学的基础，以及量子力学和统计力学的基本知识。
杨盈莹，
助理研究员
（中国科学院半导体研究所）
量子力学的基本知识范文3
材料的计算模拟方法介绍
材料的计算模拟研究是近年来飞速发展的一门新兴学科和交叉学科．它综合凝聚态物理学、理论化学、材料物理学和计算机算法等多个相关学科．它的目的是利用现代高速计算机，模拟材料的各种物理化学性质，深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各类现象与性能，并对材料的结构和物性进行理论预言，从而达到设计和开发新材料的目的．材料的多尺度计算模拟方法主要有以下几种:
(1)第一性原理计算方法(First－principlesMethods)基于密度泛函理论的第一性原理计算方法是目前研究微观电子结构最主要的理论方法．第一性原理计算方法只用到普朗克常数(h)，玻尔兹曼常数(kB)，光速(c)，电子静态质量(m0)和电子电荷电量(e)这5个基本物理变量和研究体系的基本结构．从量子力学出发，通过数值求解薛定谔方程，计算材料的物理性质．在密度泛函理论，局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)框架下的计算已广泛应用于第一性原理的电子结构研究中，并已经取得很大的成功．结合一些能带结构计算的方法，对于半导体和一些金属基态性质，如晶格常数，晶体结合能，晶体力学性质都能够给出与实验符合得很好的结果，同时能够比较精确地描述很多体系的电子结构(如能带结构、电子态密度、电荷密度、差分电荷密度和键布局等)、光学性质(介电函数、复折射率、光吸收系数、反射光谱及光电导等)和磁性质，从微观理论角度分析和揭示材料物理性质的起源，使实验者主动对材料进行结构和功能的控制，以便按照需求制备新材料．
(2)分子动力学方法(MolecularDynamicsMethods)分子动力学是一种确定性方法，是按照该体系内部的内禀动力学规律来确定位形的转变，跟踪系统中每个粒子的个体运动，然后根据统计物理规律，给出微观量(分子的坐标、速度)与宏观可观测量(压力、温度、比热容、弹性模量等)的关系来研究材料性能的一种方法[5]．分子动力学方法首先需要建立系统内一组分子的运动方程，通过求解所有分子的运动方程，来研究该体系与微观量相关的基本过程．对于这种多体问题的严格求解，需要建立并求解体系的薛定谔方程．根据波恩－奥本海默近似，将电子的运动与原子核的运动分开来处理，电子的运动利用量子力学的方法处理，而原子核的运动则使用经典动力学方法处理．此时原子核的运动满足经典力学规律，用牛顿定律来描述，这对于大多数材料来说是一个很好的近似．只有处理一些较轻的原子和分子的平动、转动或振动频率γ满足hγ＞kBT时，才需要考虑量子效应．
(3)蒙特卡洛方法(MonteCarloMethods)蒙特卡洛方法是在简单的理论准则基础上(如简单的物质与物质或者物质与环境相互作用)，采用反复随机抽样的手段，解决复杂系统的问题．该方法采用随机抽样的手法，可以模拟对象的概率与统计的问题．通过设计适当的概率模型，该方法还可以解决确定性问题，如定积分等．随着计算机的迅速发展，蒙特卡洛方法已在材料、固体物理、应用物理、化学等领域得到广泛的应用[6]．蒙特卡洛方法可以通过随机抽样的方法模拟材料构成基本粒子原子和分子的状态，省去量子力学和分子动力学的复杂计算，可以模拟很大的体系．结合统计物理的方法，蒙特卡洛方法能够建立基本粒子的状态与材料宏观性能的关系，是研究材料性能及其影响因素的本质的重要手段．
材料专业引入计算模拟教学的探索
材料计算的目的在于理解和发现新的材料性能及其物理本质．计算已经与实验和形式理论一样成为材料研究的3大支柱之一．为学生将来能够有更高的起点研究材料科学，适应新形势下材料研究方法，培养具有宽广材料科学基础，掌握材料现代研究手段的“宽口径、厚基础、强能力、高素质”的材料科学专业人才．我们在本科教学阶段就应该有计划的引入和加强计算模拟方法的教学．采用的教学形式可以结合实际情况，灵活的应用．近年来我们采取的教学方式主要有以下3种方式:(1)开设计算材料学类课程在2006年物理与电子信息学院材料物理与化学专业培养方案中已经确定《计算机在材料科学中的应用》和《计算物理》课程为专业选修课程，学时分别为36学时和54学时．《计算机在材料科学中的应用》课程偏重实践教学，通过上机操作学习计算软件的基本原理和使用方法．主要教学内容包括:材料学的发展现状及计算机在材料科学与工程中的应用;材料科学研究中的数学模型;材料科学研究中常用的数值分析方法;材料科学研究中主要物理场的数值模拟;材料科学与行为工艺的计算机模拟;材料数据库和新材料、新合金的设计;材料加工过程的计算机控制;计算机在材料检测中的应用;材料研究科学中的数据和图像处理;互联网在材料科学研究中的应用等9部分内容，基本涵盖当今计算机技术在材料科学研究中应用的各个方面．《计算物理》课程则以理论教学为主，偏重物理基本原理的介绍．主要教学内容包括:计算物理学发展的最新状况;蒙特卡洛方法及其若干应用;有限差分方法;分子动力学方法;密度泛函理论;计算机代数;高性能计算和并行算法等8部分内容．计算材料类课程的开设注重理论和实践并重的原则，在讲解基本原理的同时加强学生动手上机实践能力的培养，因此，经过课程的学习，学生已经初步具备利用计算机进行材料模拟的能力．部分选修计算材料类课程的同学在学习中对计算模拟产生了极大的兴趣，在大四时选择材料计算相关课题作为本科毕业论文选题．例如，08届学生的毕业论文《ZnS掺杂Cu光学性质的第一性原理研究》和《布朗运动的蒙特卡洛模拟》，09届学生的毕业论文《ZnO电子结构和光学性质的研究》，11届学生的毕业论文《晶格热容的理论计算》和《简立方晶体结构能量分布的理论模拟》等均为材料计算和模拟相关课题，并且有多人的毕业论文被评为优秀毕业论文．个别优秀的学生读研后继续从事材料的计算模拟相关研究．通过几年的教学实践，计算材料相关课程的开设对于扩大学生的知识面，提高学生的理论分析能力有极大地帮助．(2)在材料相关的理论课程中加入计算模拟方法介绍虽然已经在材料专业开设《计算机在材料科学中的应用》和《计算物理》等材料计算相关的课程，但这两门课均为专业选修课，只有选修相关课程的学生才能得到相应的计算模拟培训，受众面还比较窄．因此，为使更多的学生了解到材料模拟计算的相关理论和知识，在材料专业主干课的教学中也适时地加入相关的计算模拟方法的介绍，从而扩大计算模拟知识的普及面．例如，在《固体物理》课程中，当讲解到能带理论一章时，我们会在本章结束时，加入一次课，着重介绍基于第一性原理的平面波赝势计算方法计算材料的能带结构、电子态密度等以及第一性原理计算的常用软件(CASTEP、VASP等)．一方面，对学生学习的理论知识加以直观化和适度的扩展，另一方面也进一步普及第一性原理计算的相关知识．在《材料科学基础》教学中讲解到相平衡与相图一章时，我们会在本章内容结束后介绍相图计算近年来的发展现状，包括CALPHAD(CalculationofPhaseDiagram)计算方法、热力学与动力学的结合、第一性原理与相图计算方法的结合，并简要介绍今后相图计算可能的发展方向[7]．在晶体缺陷内容的教学中，穿插介绍利用分子动力学计算面心立方金属空位和间隙原子点缺陷的形成能的方法．通过在课程教学中穿插入计算模拟方法的介绍，一方面也加深了学生对所学内容的理解，另一方面开阔了学生的眼界．(3)举办计算模拟相关的学术讲座．自从2009年以来，物理与电子信息学院从事计算模拟研究的教师每学期都结合自身的科研情况举办面向全院学生的学术讲座．例如在2011至2012学年第二学期，我们举办两场学术讲座，分别是《氧化锌晶体及其掺杂的第一性原理研究》以及《可见光响应半导体光催化材料的结构和能带设计》，教师在讲座中介绍自己的科研情况，同时也使学生了解到如何把学到的计算模拟知识应用到科研实践中去，让学生体会到如何利用计算模拟预测材料的物理性质以及指导材料设计的研究方式，提高学生自觉学习计算模拟方法的积极性．
结束语
量子力学的基本知识范文4
关键词：理论力学;公式推导;工程案例教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）20-0169-02
一、引言
理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学。这门课程研究的内容是速度远小于光速的宏观物体的机械运动，它以伽利略和牛顿总结的基本定律为基础，属于古典力学范畴。经过长期的实践证明，一般工程中所遇到的大量动力学问题，用古典力学来解决，既方便又能够保证足够的精确性。力学是从物理学中分离出来的，与“数、理、化、天、地、生”并列为七大基础学科。物理学是研究一切自然现象的科学，而研究物质运动是力学的定义。因此，力学从物理学中分离出来已是很长一个时期了。理论力学与电动力学、统计力学、量子力学在力学界称为四大力学。理论力学是牛顿力学，即所谓经典力学，现代力学包括经典力学、量子力学和相对论力学。力学是一门应用性极强的基础学科，又是一门理论性很强的技术基础课。[1]
国际理论与应用力学学会把力学分成基础力学和应用力学。上世纪30年代苏联建立了突出基础力学教育的教育体系。同时期，欧美建立了强调应用力学教育的教育体系。我国力学教育在解放后的十年间，受苏联力学教育体系的影响比较大，多数高等学校使用的理论力学教材都是从俄文翻译过来的。70年代末，欧美的理论力学教材进入我国高等教育界。直到80年代，理论力学还以120学时作为四年制机械类等专业课程的设置原则。
1980年5月，在南京召开高等学校工科力学教材编审委员扩大会，通过了教育部委托西北工业大学等高校提出的120学时机械类专业试用的“理论力学教学大纲”。二十多年来，随着高等教育教学体制改革的深化，理论力学课程在教学内容、教学方法、教学手段、教学思想和观念上都发生了很大变化。现在我院为机械类设置的理论力学课程只有70学时，而教学基本要求与20年前的差别不大。由于学时急剧减少，迫使教师采用多媒体现代化教学手段，增大信息量，强化知识点，通过精讲多练，使学生能够比较牢固地掌握理论力学的基本知识。建设理论力学精品课程的要求正是在这样的教学改革背景下应运而生的。
理论力学是理工科院校的一门重要技术基础课。但对许多理工科学校的学生来讲，学习理论力学并不是一个轻松的过程。普遍反映“课堂能听懂，一做作业就无从下手”，甚至有人将之称为“头疼力学、烦人力学”。究其原因，主要还是由于很多学生对于理论力学的基本概念、基本理论和分析方法等总是处于一种似懂非懂的状态，没有对所学内容进行深刻理解。理论力学的学习具有很强的逻辑性，前后章节的关系环环相扣。前面章节没学好，后面章节自然就学不好，越到后面越是紧密联系前面章节的知识点。再者，理论力学的定理、公式往往是“非构造性”的，不能用简单代公式的方法来计算，而是必须要有分析的过程，没有清晰的概念就无从下手[2]。可以说，对理论力学问题的求解非常锻炼人的宏观把握能力。因此，迫切需要对现行的理论力学教学方法及内容进行改革。基于此，工程案例教学方法应用而生。
二、工程案例教学
伴随着扩招，生源质量也有所下降，显得参差不齐。上同一门课，有些学生学习能力比较强，课堂不能满足需求，显得“吃不饱”;另外有些学生又不能跟上课堂教学的进度，学习比较吃力。因此，理论力学课堂改革就显得很有必要。学生学习新知识，第一印象――感性认识是很重要的。只有通过感性认识抓住学生的好奇心，才能有兴趣把相关的内容学习好，甚至于通过自学来满足自身对知识的渴望。而通过工程案例教学不但可以激发学习基础较差的学生的积极性，还可以通过大量工程案例的引入满足学有余力的学生对课堂外知识的渴求。工程案例的教学主要通过以下几个方面来实现。
1.工程案例的整理及提炼。和力学相关的案例可以说是随处可见，小到日常生活，大到航空航天。怎样选择合适的工程案例就显得比较关键。好的工程案例既能引导学生快速理解工程背景，又能提炼工程当中的力学原理，达到实践和理论有机结合的效果。因此，工程案例的收集整理就很有必要了。比如理论力学当中的力矩问题，就可以用常见的吊车起吊重物来举例说明：某事故现场，吊车起吊出事的卡车，结果卡车没吊上来，吊车反而由于起吊位置选择的不合适而翻倒了。这个实例可以很好的说明力矩，通过这个实例学生也能快速的将力矩理论与工程实际结合起来。又比如裂纹和断裂，这两个概念相对而言比较抽象。只有比较专业的课程才会谈到与裂纹有关的断裂问题。裂纹和断裂也可以通过生活当中的实例来说明：乘坐公交车应该是很多人都有过的生活经历，而公交车的安全锤就可以很好的说明裂纹和断裂。公交车上的红色安全锤是为了在紧急情况下让乘客逃生用的。当公交车出现紧急情况时，乘客只需要用安全锤敲击钢化玻璃的四个角。由于安全锤锤头很尖，接触面积小，手握安全锤大约用两千克的力就可以砸开玻璃的边角。对钢化玻璃而言，一点点的开裂就意味着玻璃内部的应力分布受到了破坏，从而在瞬间产生无数蜘蛛网状裂纹，此时只需用锤子轻轻的再砸几下就能将整面玻璃砸开。用这个实例不但可以讲清楚裂纹和断裂，还可以阐明应力和应力集中，可以将学生的理论学习与实践紧密相连。
2.工程案例的讲授。有了好的工程案例，还需要有好的教师在合适的章节恰如其分的引入。这就对教师的综合素质提出了较高的要求[3]。毋庸讳言，力学尤其是基础力学，上课教师的数量偏少，质量也略显不足。针对很多二本院校，基础力学的上课学生比较多，教师的教学任务相对较重，这也使得很多教师没法精心研究工程案例在教学当中的运用。另外，有些高校的基础力学教师并非“科班”出身，这也使得教师自身对有些课程的理解还不是特别深刻，当然也就不能更好的促进课堂教学的完善和发展。
三、工程案例教学的实践
从工程实践以及日常生活当中整理提炼了大量典型的工程案例，通过教学经验丰富的教师进行课堂教学，能否达到预期的效果，这也是一个很现实的问题。为了验证工程案例教学的实际教学效果，本文选择机电一体化及车辆工程两个专业进行对比。机电一体化4个班进行工程案例教学，而车辆工程3个班采用常规教学。经过一个学期的学习，从平时的课堂问答到期末考试都反映出，工程案例教学要优于常规教学。采用工程案例教学的机电一体化班最高分比车辆班高出10分，最低分高出15分，平均分高出12分。
四、结语
基础力学特别是理论力学课程的工程案例教学是一项长期、艰巨的任务，需要投入大量的人力、物力和时间。学生通过案例教学的学习可以快速地掌握理论知识在实际工程中的运用，从而更好的将理论与实践结合起来。案例教学还可以培养、训练学生从工程实践中抽象力学模型继而求解优化工程问题的能力，因此从该意义上来说，工程案例教学的作用可以说丝毫不亚于数学建模的功效[4]。再者，工程案例教学还可以培养学生动手和动脑的能力。比如讲到桁架部分，通过桁架桥梁的案例讲解，激发学生的学习兴趣。人们常说“兴趣是最好的老师”，一旦学生对桁架充满兴趣，就会在课堂外富有兴趣的动手制木制桁架，还会通过传感器等来测量桁架中的杆件是否为二力杆等。这样一来，学生对桁架的理解就会相当深刻。另外，工程案例教学还可以促进计算机软件如MATLAB、ANSYS等在教学中的应用。通过工程案例教学还可以培养学生的社会责任感，从学习阶段开始就以严谨的态度对待工程实际。最后，工程案例教学也可以提高教师的综合素质，丰富教师的课堂教学素材，使原本相对枯燥的课堂教学一下变得丰富有趣起来[5]。
工程案例教学使得师生都能很好的将理论与实践结合起来，实现课堂教学的最初目的：从实践中来，到实践中去。
参考文献：
[1]闵磊.《理论力学》课程教学的探讨[J].现代企业教育，2014，（10）：119.
[2]杨卫.案例式教学：固体力学的前沿应用[J].力学课程报告论坛，2007：3-5.
[3]陈红明.理论力学教学过程中的问题及对策分析[J].中国科教创新导刊，2014，（4）：66.
量子力学的基本知识范文5
以“陀螺的进动”为例，从课程内容的设计，教学策略的优化和教学过程的实施与评估，讨论了研究型教学模式在军校大学物理课程中的应用，并就研究型教学模式对军校学员研究能力、创新意识与团队合作精神的培养做了初步探讨。
关键词:
研究型教学;陀螺效应;军校;创新能力
一、引言
研究型教学模式已经在国内外大学课程中被广泛运用并取得了显著成效，受到越来越多教育工作者特别是大学基础课程老师的认可与推崇。所谓研究型教学，其基本内涵可以概括为［1］:以知识为载体，以能力培养为主要内容，将学习、研究和实践三者有机结合，充分调动学员的主观能动性，引导学员高度参与，达到培养学员分析问题、解决问题的能力和创新精神的目标。与传统教学模式相比，研究型教学模式通常采用讨论式、启发式教学和基于问题的教学方式来开展教学工作。因为这种教学模式变教师为引导者，学员为主体，同时教学内容丰富多样，教学方法灵活多变，因此极大地提高了学员的学习兴趣，有效培养了学员的综合素质，提高了学员的研究能力，受到诸多大学特别是工科院校的青睐。在军校基础课程中开展研究型教学非常必要。目前我军正处于新军革和跨越式发展的关键时期，要培养未来高素质新型军事人才，必须对军校现有教学方法进行适当改进。以“大学物理”等基础课程为例，这就要求教员必须针对原有教学模式，在教学内容、教学方法以及教学环节的设计和教学效果的评估等方面做出相应调整。研究型教学模式强调以学员为中心、教师为引导，教学内容注重研究的深度，在强调学员个性化思想的同时，特别注重学员发散性思维和研究能力的培养，因此也逐渐成为军事院校新型高素质军事人才培养的有效手段和拔尖创新人才培养的重要途径。
二、“大学物理”研究型教学的基本策略
大学物理是培养军事院校生长技术军官和指挥军官的一门重要基础课程，是学员后续专业课程学习的理论基础，在学员知识结构的构建过程中起着不可替代的关键作用［2］。从目前国内大部分工科院校所采用的《大学物理》教学大纲看，其涵盖的知识模块多，从普通物理学的力、热、光、电到量子力学，再到相对论，公式推导多，理论性强，是历年来本科学员心中“始终不可逾越”的一座大山。在大学物理传统教学模式［3］中，我们在教学过程中过分突出了知识的传授、注重打牢基础，缺乏军事应用教育，这与目前所强调的“要坚持面向战场、面向部队，围绕实战搞教学、着眼打赢育人才，使培养的学员符合部队建设和未来战争的需要［4］”是有所偏离的。因此，传统的大学物理教学模式已经不能满足新形势的发展，需要在教学形式、教学内容和教学评价等诸多方面做进一步改革［5］。大学物理有其鲜明的课程特点，即物理图像清晰，内在逻辑严密，基本物理规律大多来源于生活等，这为我们在大学物理课程中开展研究型教学提供了很好的切入点。当然，我们也必须注意到，整个大学物理课程也面临很多问题诸如课时多、内容多、学员人数多并且基础参差不齐等，如何开展研究型教学是一个巨大挑战。特别是在军校，学员军事训练任务重，课余时间不足，活动场所受限，学习资源(如网络)有限等不利因素较多的情况下，如何有效开展具有军校特色的大学物理研究型教学是值得广大基础课教员思考的紧迫问题。针对这些实际情况，同时考虑到学员各专业的特点和未来学习的需要，我们近年来在大学物理研究型教学方面做了一些初步尝试。首先，我们根据大学物理知识点较多的实际情况，依据学员的专业方向合理选取部分内容开展有针对性的研究型教学。例如，在《力学》中刚体力学部分，我们选择“陀螺的进动”开展研究型教学，在相对论力学中选择“尺缩效应与动钟边慢”开展研究型教学，再比如电磁学中的导体部分、力学中的碰撞问题、热学中的多方过程以及光学中的折射衍射等等。这些知识点蕴含的物理与生活实际息息相关，很容易切入并被学员接受。这样，大学物理每一个知识模块都可以选取1～2次课(2～4学时)来开展研究型教学，原来被“耽误”的内容可作为选讲或者略讲，将主要时间和精力放在学员创新能力培养上。这种教学模式要求在课程的评价和学员的最终考核上不能以偏概全，因此要在顶层上作进一步设计，如将研究型教学中学员的互动和学习报告甚至学员的某些奇思妙想纳入最终考核，同时在闭卷考试部分加入对开放性问题的讨论，减少对纯粹知识点的考核，注重对学员创新能力的考察。下面，我们就以力学中“陀螺的进动”为例，探讨如何在军校大学物理课程中开展有针对性的研究型教学。
三、“陀螺的进动”研究型教学设计
“陀螺的进动”是大学物理“刚体力学”部分的重要组成部分，是将大学物理的基础理论与军事高新技术紧密结合的具有重要军事应用前景的知识点，对于军事院校部分专业如导航、定位和激光陀螺等学员具有承上启下的桥梁作用。
(一)教学对象与教学目标
授课对象为光电科学与工程学院军用光电和信息光学两个专业的全体本科生，掌握好“刚体的进动”基本知识对于这批学员后续专业课程的学习具有重要意义。此外，电子科学与工程学院及理学院部分专业也从事惯性导航相关基础研究，努力学好这部分内容对于学员未来从事相关科学研究和熟悉相关武器装备十分必要。本节课的教学目标可以从三个方面概述:知识的获取、能力的培养和素质的提升。首先我们可以通过行进中的自行车和陀螺倾而不倒的生活案例出发，在知识获取上使学员能了解刚体进动(旋进)和定向性的基本知识，理解进动角速度公式的推导方法，让学员进一步掌握对抽象物理问题做简化模型选取的研究方法，这是在知识层面学员要达到的目标。其次，在学员创新能力培养上，我们希望通过“陀螺的进动”的学习，使学员能够灵活运用进动的知识来解决实际问题，比如解释摩托车转弯的问题、枪膛来复线的问题等等，培养学员独立思考的习惯、分析和解决物理问题的能力。最后在军校学员基本素质的拓展上，我们希望通过这部分内容的学习，让学员针对一些前沿开放性研究课题，特别是武器装备如直升机旋翼的问题、导弹定位和惯性导航等问题，开展探究性学习，进一步拓宽军校学员的知识面，培养他们理论联系实际的能力和团队合作精神等。在具体教学环节中，我们始终注意对学员严肃的科学态度，严格的科学作风和科学思维方法的训练，使学员在领会基本知识的同时，掌握科学的学习方法，真正实现从“学会”到“会学”再到“会用”。
(二)教学内容与实施
考虑到学员已经在前面系统学习了刚体的基本知识，具有较好的基础，在学习“刚体的进动”及陀螺的定向性等内容时，我们力求将重点放在进动的应用上。同时，作为研究型教学的课程内容，必须将教学内容与学员的生活体验、专业特点等密切结合才能让生硬的物理知识充满“灵气”，构成能够看得见摸得着的整体。因此，笔者在教学过程中遵循“接地气、重思考，挖本质、学能力”的原则来设计教学内容:
1．生活案例引入。自行车行进和陀螺倾而不倒的问题。首先通过行进中自行车不倒而静止的自行车很容易倒下的生活实例，逐步引导学员思考内在原因，从而引出陀螺的进动基本概念。在讲授陀螺的进动时，可以采用演示实验和视频播放的方法，让学员亲眼看到高速转动的陀螺倾而不倒的神奇之处。
2．基本知识传授。陀螺的旋进。不考虑空气阻力，由刚体定轴转动的角动量定理得出陀螺的重力矩和角动量垂直。然后与匀速圆周运动作类比，自然引出结论:与角动量垂直的力矩并不改变角动量的大小，但会引起角动量方向的变化，从而产生刚体的旋进现象，即进动。
3．思维拓展训练。摩托车转弯问题。这部分内容是对上述知识点的应用和有效拓展，要引导学员理论联系实际，培养他们利用已有知识分析问题、解决问题的能力。为进一步提高学员对科研的兴趣，我们给出美国《Science》上发表的有关自行车进动与稳定性的科研论文［6］，让学员瞬间感受到生活中的物理竟然如此“高、大、上”，只要注意观察，身边处处皆物理。这部分教学内容在历届学员中反映效果良好，可以让他们对看似枯燥无味的力学知识产生强烈的求知欲和浓厚的兴趣。
4．军事高科技应用。枪管中的来复线、响尾蛇导弹、三轴陀螺仪和激光陀螺。这部分内容与军事装备密切相关，是针对军校部分专业学员量身定做的。一方面，陀螺的进动会提高子弹精准度;另一方面，陀螺的定向性在军事上有重要应用。同时，作为拓展思维的重要组成部分，还要让学员知道，陀螺惯性导航系统的转子转速高达每分钟数万转，如果转子稍不对称就会对各个支撑轴产生巨大的作用力而使其损坏。在此基础上自然引出无转子陀螺如激光陀螺等高科技前沿，进一步拓展学员的科学视野。
5．探究性学习。通过前面基础知识的学习和案例的讲解，我们列出一些前沿开放式研究课题供学员分组讨论，这些课题包括但不限于:地面摩擦力、空气阻力和轮胎变形等对自行车稳定性的影响;陀螺效应在直升机飞行过程中的作用;陀螺进动的同时伴随的章动及其应用等。这些研究课题紧扣生活实际和军事前沿，既结合了学员专业特点，又有着浓厚的军校特色，不但可以进一步巩固学员对基本知识的掌握，还可以培养他们的发散性思维。在具体实施过程中，我们将每次课题讨论分为蓝方和红方，针对课题研讨内容互相提问，共同提高。对于研讨后的论文和报告，我们要求学员通过学校图书馆、军网MOOC平台、互联网等广泛调阅资料，分工合作，一个小组就是一个团队，队长由成绩较好、具有一定组织和协调能力的学员担任，并与教员保持密切沟通，随时报告学员反映的问题和存在的困难并尽快解决。
(三)研究型教学的成效与评估
为了对比研究型教学的实际效果，笔者在2015年两个教学班做了对比实验。这两个教学班都采用相同的教材，学员基础相近，入学成绩和生源分布都基本一致。其中一个教学班我们采用的是传统的教学模式，以教师讲解为主，学员主要是“预习、听课、练习、考试”;另一个教学班针对部分课程内容开展了有针对性的研究型教学，以学员讨论和回答问题为主，教师引导学员主动学习。笔者在施教的过程中很明显地感觉到，研究型教学班的学员学习兴趣被极大的调动起来，课堂气氛十分活跃，学员回答问题络绎不绝，基本没有瞌睡的现象。一个学期下来，初步统计有25%的学员课堂回答问题超过30次，约80%的学员一个学期回答问题超过15次，全班所有学员至少参加了一次课题讨论、调研和实验设计。这与传统教学班完全不同———回答问题基本靠点名，上课有相当部分同学注意力不集中或者打瞌睡，期末考试部分同学靠突击。此外，值得一提的是，通过开展研究型教学，学员广泛阅读资料，调研文献，知识面得到了拓展，同时分析问题、解决实际问题的能力有了显著提高。对于一些前沿科学问题和新概念武器问题，部分学员思维十分活跃，提出了一些“奇思妙想”，极大地丰富了课堂教学，令督导组专家和教员本身深受启发。谁又能否认，未来战场上这些“奇思妙想”不会实现呢?这不正是我们军校需要培养的科学素养吗!最后，对于如何评价研究型教学，我们在施教过程中也做了初步尝试。首先，在平时成绩的考核部分，我们采用积分制，将学员的讨论和发言包括回答问题做统计纳入平时成绩。同时，每次课题讨论包括论文都按照等级打分，纳入考核。在期末考试部分，我们力求增加开放性课题作为附加分。实践表明，通过开展研究型教学，极大地调动了学员的积极性和参与度，学员分析问题和解决问题的能力得到了提高，初步具备了从事科学研究所必需的团队精神和创新能力。这种研究型教学的初步尝试虽然还存在或多或少的实际问题，比如，某些知识点讲解不够透彻，理论推导不够详细，部分内容还有删略，学员课余时间占用过多等等，还需要在以后的实际教学过程中做进一步优化。
四、结束语
研究型教学对于新型高科技军事人才和拔尖创新人才的培养至关重要。本文以“陀螺的进动”为例，从课程内容的设计，教学策略的优化和教学过程的实施与评估，讨论了研究型教学模式在军校大学物理课程中的应用。实践表明，这种有针对性的研究型教学模式可有效培养学员的研究能力、创新意识与团队合作精神。
作者：余同普 邹德滨 银燕 邵福球 黄明球 单位：国防科学技术大学理学院
参考文献:
［1］赵卫东，李明．研究型教学对大学生创新能力的影响［J］．计算机教育，2009(4):3－5．
［2］蒋耀庭，潘丽娜．军校大学物理教学改革探索［J］．高等教育研究学报，2013(1):105－107．
［3］白宏刚，刘建平．军校合训学员大学物理教学加强实战化军事应用的探讨［J］．物理与工程，2016(3):59－62．
量子力学的基本知识范文6
一：改进教学方法，诱发创造兴趣
我国教育家孔子曾说：“知之者不如好之者，好之者不好乐之者。”这个“乐”就是乐趣。兴趣是求知的动力，是激发创造力、开发智力的催化剂。因此，在化学课教学中培养学生的创造力，首先就要改进教学方法，培养学生对化学课的兴趣。
1． 巧妙运用化学史。在化学教学过程中，适当地穿插化学史，可以使教学不局限于现成知识的本身的静态结论，而可以追溯到它的来源和动态演变，使学生从发展的高度全面的把握知识。例如：讲原子结构时可以联系人们对原子的结构的历史，其中经典力学与量子力学的争论，从多种假设，到最后确定原子结构，都是同学感兴趣的生动的史实。这不仅可以帮助学生逐步建立发展的观点，而且能使他们在认识理论的形成和发展中得到一定的启迪。例如：讲硝酸时，引入《是什么力量支持第二次世界大战》的故事。早在1913年之前，人们就发现德国有发动世界的可能，便开始限制德国进口硝石，这样满以为世界会太平事了，1914年德国发动战争后，人们又错误的估计，战争最多打半年，原因是德国的硝石不足，火药生产受到限制。然而，战争却打了四年多，德国为什么能打这么久的战争呢？这就是化学。原来，德国在大战之前，已经掌握合成硝酸的技术。串讲这些小故事，不仅活跃了课堂气氛，而且大大激发学生学习化学的兴趣。
2． 创设实验美，增强学生兴趣。化学实验教学是创造化学美的源泉，经常让学生实验教学过程中，欣赏与感受化学美，就会激发他们探索化学的浓厚兴趣。例如：讲授氯气性质时，而是设计一个有趣的演示实验，将一朵带着露珠并发出淡淡清香的花朵，放在预先收集好的集气瓶中，瓶中放有潮湿的氯气，一会儿，鲜艳的花朵失去了应有的色彩。实验引起了他们的兴趣，这时同学们很安静，很想知道这是为什么。在水到渠成的时候，我讲：“要解开这个谜底，答案就在课本的某页里。”同学们争先恐后的打开课本，比平时认真百倍的看着，之后，加上老师的适当点拨，最终找到了答案。学生在轻松快乐的情绪下，把“强制性”的教学活动变成主动参与的学习活动。
3． 介绍生活小常识。平时我搜集了大量的材料，授课时穿插一些生活小常识，同学们是特浓，往往是过“耳”不忘。例如，讲重金属的危害时，告诉大家，不应常吃油条，因为专家告诫我们，油条中含有大量的铝；也不要使用铝制品，在发达国家，铝制品已销声匿迹，因为铝制品能引起小孩多动，注意力不集中智力与免疫力下降，老年后能引起老年痴呆；应常打扫房间，因为灰尘中含有大量的铅，由于铅尘常离地面1米远的地方，带幼儿上街应将孩子抱在身上，购买书本、陶瓷制品，一定要先用正品，避免铅含量太高。有了生活化教学，学生怎能能记不住化学的好处呢！
4． 现代教学媒体演示法。多媒体教学形象逼真，具有声、光、形、色同时再现的特点，能变枯燥为生动，变静态为动态，能够对知识加以形象化展示，就可以让学生在轻松愉快的氛围中掌握难点，在培养学生思维能力方面起着独特的作用。例如：我在讲“氯化氢分子的形成”时，我就精心制作了这么一个课件：用两个可爱的“卡通人物”分别代表氯原子和氢原子，他们周围分别环绕着7个和1个顽皮的小电子，在“找呀，找呀，找朋友”的儿歌声中，他们蹦蹦跳跳地走出来，当他们彼此看到对方时，机灵的大眼睛转了转，而后，他们各有一对小电子伸出了可可爱的小手，于是，两个小卡通手拉手、肩并肩站在一起，成了一对好朋友。此时，再配以氯化氢分子的电子式及分子模型，使整个教学过程科学严谨，又充满趣味。
二．鼓励质疑求异，激活创造思维
实践证明，老师在教学中创设问题情景，引导并鼓励学生独立思考、标新立异，有助于培养学生思维的深刻性与独创性。
值得强调的是，情景问题的设置要把握好“度”既不能过高，也不能过低，要把学生能在“跳一跳”的努力下摘到果子，视为理想境界。具体说来就是把握好几个度――“难度”：把问题设置在“最近发展区”（现有水平和潜在水平之间）；“跨度”：问题的设置应有主次、轻重之分，紧扣教学内容和教学环节，注意问题的内在联系及知识的前后衔接；“坡度”：问题的设置要由易到难，层层推进，步步深入；“参差度”：面向多数学生，兼顾两头。只有这样才能激活学生的思维，更好地培养学生的质疑意识和求异创新能力。
三．营造空间，激发创造潜能
在学习过程中，学生体验到的最大快乐，莫过于自己发现问题，又经独立思考解决了问题。为了让学生多体验创造的快乐，笔者在教学中坚持为学生营造自由的创造的气氛
1．营造宽松的创造心理空间。教师如果正言厉声，学生就会噤若寒蝉，在这种情况下，学生心理闭锁，创造潜力就难以开掘。在课堂教学中，我精心设计了，激励学生参与教学活动，启发学生从思维障碍中冲出来，为学生创造力提供表现和发展的机会。
