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量子力学基础知识范文1
关键词：量子力学；教学改革；物理思想
作者简介：王永强（1980-），男，山西河曲人，郑州轻工业学院技术物理系，讲师。（河南?郑州?450002）
基金项目：本文系郑州轻工业学院第九批教学改革项目“《量子力学》课程体系与教学内容的综合改革和实践”资助的研究成果。
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）20-0070-02
“量子力学”是20世纪物理学对科学研究和人类文明进步的两大标志性贡献之一，已经成为物理学专业及部分工科专业最重要的基础课程之一，是学习“固体物理”、“材料科学”、“材料物理与化学”和“激光原理”等课程的重要基础。通过这门课程的学习，学生能熟练掌握量子力学的基本概念和基本理论，具备利用量子力学理论分析问题和解决问题的能力。同时，这门课程对培养学生的探索精神和创新意识及科学素养亦具有十分重要的意义。然而，“量子力学”本身是一门非常抽象的课程，众多学生谈“量子”色变，教学效果可想而知。如何激发学生学习本课程的热情，充分调动学生的积极性和主动性，提高量子力学的教学水平和教学质量，已经成为摆在教师面前的重要课题。近年来，笔者在借鉴前人经验的基础上，结合郑州轻工业学院（以下简称“我校”）教学实际，在“量子力学”的教学内容和教学方法方面做了一些有益的改革尝试，取得了较好的效果。
一、“量子力学”教学内容的改革
量子力学理论与学生长期以来接触到的经典物理体系相去甚远，尤其是处理问题的思路和手段与经典物理截然不同，但它们之间又不无关联，许多量子力学中的基本概念和基本理论是类比经典物理中的相关内容得出的。因此，在“量子力学”教学中，一方面需要学生摒弃在经典物理学习中形成的固有观念和认识，另一方面在学习某些基本概念和基本理论时又要求学生建立起与经典物理之间的联系以形成较为直观的物理图像，这种思维上的冲突导致学生在学习这门课程时困惑不堪。此外，这门课程理论性较强，众多学生陷于烦琐的数学推导之中，导致学习兴趣缺失。针对以上教学中发现的问题，笔者对“量子力学”课程的教学内容作了一些有益的调整。
1.理清脉络，强化知识背景
从经典物理所面临的困难出发，到半经典半量子理论的形成，最终到量子理论的建立，对量子力学的发展脉络进行细致的、实事求是的分析，特别是对量子理论早期的概念发展有一个准确清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已经证明为正确并得到公认的，还存在哪些不完善的地方。这样一方面可使学生对量子力学中基本概念和基本理论的形成和建立的科学历史背景有一深刻了解，有助于学生理清经典物理与量子理论之间的界限和区别，加深他们对这些基本概念和基本理论的理解；另一方面，可使学生对蕴藏在这一历程中的智慧火花和科学思维方法有一全面的了解，有助于培养学生的创新意识及科学素养。比如：对于玻尔理论，由于对量子化假设很难用已经成形的经典理论来解释，学生往往会觉得不可思议，难以理解。为此，在讲解这部分内容时，很有必要介绍一下玻尔理论产生的历史背景，告诉学生在玻尔的量子化假设之前就已经出现了普朗克的量子论和爱因斯坦的光量子概念，且大量关于原子光谱的实验数据也已经被掌握，之前卢瑟福提出的简单行星模型却与经典物理理论及实验事实存在严重背离。为了解决这些问题，玻尔理论才应运而生。在用量子力学求解氢原子定态波函数时，还可以通过定态波函数的概率分布图，向学生介绍所谓的玻尔轨道并不是真实存在的，只是电子出现几率比较大的区域。通过这样讲述，学生可以清晰地体会到玻尔理论的承上启下的作用，而又不至于将其与量子力学中的概念混为一谈。
2.重在物理思想，压缩数学推导
在物理学研究中，数学只是用来表述物理思想并在此基础上进行逻辑演算的工具，教师不能将深刻的物理思想淹没在复杂的数学形式之中。因此，在教学过程中，教师要着重于加强基本概念和基本理论的讲授，把握这些概念和理论中所蕴含的物理实质。对一些涉及繁难数学推导的内容，在教学中刻意忽略具体数学推导过程，着重于使学生掌握其中的思想方法。例如：在一维线性谐振子问题的教学中，对于数学方面的问题，只要求学生能正确写出薛定谔方程、记住其结论即可，重点放在该类问题所蕴含的物理意义及对现成结论的应用上。这样，学生就不会感到枯燥无味，而能始终保持较高的学习热情。
二、教学方法改革
传统的“填鸭式”教学法把课堂变成了教师的“一言堂”，使得学生在教学活动中始终处于被动接受地位，极大地压制了学生学习的主观能动性，十分不利于知识的获取以及对学生创新能力及科学思维的培养。而且，“量子力学”这门课程本身实验基础薄弱、理论性较强，物理图像不够直观，一味采取灌输式教学，学生势必感到枯燥，甚至厌烦。长期以往，学习积极性必然受挫，学习效果自然大打折扣。为了提高学生学习兴趣，激发其学习的积极性，培养其科学探索精神及创新能力，笔者在教学方法上进行了一些有益的探索。
1.发挥学生主体作用
除却必要的教学内容讲解外，每节课都留出一定的师生互动时间。教师通过创设问题情景，引导学生进行研究讨论，或者针对已讲授内容，使学生对已学内容进行复习、总结、辨析，以加深理解；或者针对未讲授内容，激发学生学习新知识的兴趣（比如，在讲授完一维无限深方势阱和一维线性谐振子这两个典型的束缚态问题后就可引导学生思考“非束缚态下微观粒子又将表现出什么样的行为”），[1]这样学生就会积极地预习下节内容；或者选择一些有代表性的习题，让学生提出不同的解决办法，培养学生的创新能力。对于在课堂上不能解决的问题，积极鼓励学生利用图书馆及网络资源等寻求解决，培养学生的科学探索精神。此外，还可使学生自由组合，挑选他们感兴趣的与课程有关的题目进行讨论、调研并完成小组论文，这一方面激发学生的自主学习积极性，另一方面使其接受初步的科研训练，一举两得。
2.注重构建物理图像
在实际教学中着重注意物理图像的构建，使学生对一些难以理解的概念和理论形成较为直观的印象，从而形成深刻的记忆和理解。例如：借助电子束衍射实验，通过三个不同的实验过程（强电子束、弱电子束及弱电子束长时间曝光），即可为实物粒子的波粒二象性构建出一幅清晰的物理图像；借助电子束衍射实验图像，再以光波类比电子波，即可凝练出波函数的统计解释；[2]借助电子双缝衍射实验图像，可使学生更易接受和理解态叠加原理；借助解析几何中的坐标系，可很好地为学生建立起表象的物理图像。尽管这其中光波和电子波、坐标系和表象这些概念之间有本质上的区别，但借助这些学生已经熟知和深刻理解的概念，可使学生非常容易地接受和理解量子力学中难以言明的概念和理论，同时，也可使学生掌握这种物理图像的构建能力，对培养学生的创新思维具有非常积极地作用。
三、教学手段和考核方式改革
1.课程教学采用多种先进的教学方式
如安排小组讨论课，对难于理解的概念和规律进行讨论。先是各小组内讨论，再是小组间辩论，最后老师对各小组讨论和辩论的观点进行评述和指正。例如，在讲到微观粒子的波函数时，有的学生认为是全部粒子组成波函数，有的学生认为是经典物理学的波。这些问题的讨论激发了学生的求知欲望，从而进一步激发了学生对一些不易理解的概念和量子原理进行深入理解，直至最后充分理解这些内容。另外课程作业布置小论文，邀请国内外专家开展系列量子力学讲座等都是不错的方式。
2.坚持研究型教学方式[3]
把课程教学和科研相结合，在教学过程中针对教学内容，吸取科研中的研究成果，通过结合最新的科研动态，向学生讲授在相关领域的应用以培养学生学习兴趣。在量子力学诞生后，作为现代物理学的两大支柱之一的现代物理学的每一个分支及相关的边缘学科都离不开量子力学这个基础，量子理论与其他学科的交叉越来越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚态物理到中子星、黑洞各个层次的研究以量子力学为基础；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；量子力学与正在研究的量子计算机的关系等，在教学中适当地穿插这些知识，扩大学生的知识面，消除学生对量子力学的片面认识，提高学生学习兴趣和主动性。
3.利用量子力学课程将人文教育与专业教学相结合
量子力学从诞生到发展的物理学史所包含的创新思维是迄今为止哪一门学科都难以比拟的。在19世纪末至20世纪初，经典物理学晴空万里，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经典物理学理论，让经典物理学陷入危机四伏的境地。1900年，德国物理学家普朗克创造性地引入了能量子的概念，成功地解释了黑体辐射现象，量子概念诞生。1905年，爱因斯坦进一步完善了量子化观念，指出能量不仅在吸收和辐射时是不连续的（普朗克假设），而且在物质相互作用中也是不连续的。1913年，玻尔将量子化概念引入到原子中，成功解释了有近30年历史的巴尔末经验光谱公式。泡利突破玻尔半经典、半量子论的局限，给予了令玻尔理论不安的反常塞曼效应以合理解释。1924年，德布罗意突破普朗克能量子观念提出微观粒子具有波粒二象性，开始与经典理论分庭抗礼。[4]和学生一起重温量子力学史的发展之路，在教学过程中展现量子力学数学形式之美，使学生在科学海洋中得到美的享受，从精神上熏陶他们的创新精神。
4.考试方式改革
在本课程的教学中采用了教考分离，通过小考题的形式复习章节内容，根据学生的实际水平适当辅导答疑，注重学生对量子力学基础知识理解的考核。对于评价系统的建立，其中平时成绩（包括作业、讨论、综合表现等）占30％，期末考试占70％。从实施的效果来看，督促了学生的学习，收到了较好的效果，受到学生的欢迎。
四、结论
通过近年来的改革尝试，我校的“量子力学”教学水平稳步提高，加速了专业建设。2009年，我校“量子力学”被评为校级精品课程，教学改革成果初现。然而，关于这门课程的教学仍存在不少问题，如教学手段单一、与生产实践结合不够紧密等等，这些都需要教师在今后教学中进一步改进。
参考文献：
[1]周世勋.量子力学教程(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2009.
[2]吕增建.从量子力学的建立看类比思维的创新作用[J].力学与实践,
2009,(4).
量子力学基础知识范文2
关键词：结构化学；创新精神；高等教育；教育改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）02-0083-02
结构化学是高等院校化学、材料等相关专业的一门专业基础课，是理论化学的一个重要分支。它是探究原子、分子、晶体结构的微观结构，原子和分子中电子的运动规律，及原子和分子结构和性质之间关系的一门科学[1-3]。开设结构化学课程的目的是使相关专业的学生对微观世界的结构和运动规律有所了解，初步掌握结构与性质的相互关系；从而使学生更进一步地从更深的层次上理解其他化学相关的专业课程，包括无机化学、有机化学、分析化学、物理化学等。
一、结构化学课程的特点
结构化学这门课程特点明显，如下：（1）综合程度高；（2）理论性强；（3）内容抽象。由于这一系列的特点，初学者在开始接触这门课程时，常有听“天书”无从下手的感觉；作者在教学过程中也因此遇到了一些问题。下面将遇到的问题做一概括：
1.综合程度高。结构化学这门课程不是建立在经典力学体系下的课程，而是一门以量子力学为基础的课程[4]。因此在此门课程的学习开始，就要求学生们巩固好大一、大二所学的四大化学（无机化学、有机化学、分析化学、物理化学）课程以及其他学过的化学理论基础知识，并在脑海中建立起一套完善的量子力学体系。此外量子力学论还是近代物理的重要组成部分，因此同学还要兼备一定的物理知识基础。只有综合掌握了物理和化学的相关基础知识后，才能从本质上理解微观化学领域各个粒子的结构与性能的特征，学懂结构化学这门课程。由此可见，该课程不管是教还是学，两方面都存在着较大的难度。
2.理论性强。结构化学授课困难的一个重要原因就是课本中含有大量的公式推导过程，复杂的数学模型和大段的文字叙述求解过程。公式推导过程用到比较多的包括微积分、线性代数等高等数学知识。而高等数学方面向来是化学专业学生们的弱点，一步步的推导过程枯燥乏味，让学生感觉云里雾里般，进而忙于应付求解过程忽略了公式中各个变量的深层次含义。
3.内容抽象。微观粒子的结构和运动规律是结构化学的主要研究内容，而看不见摸不着的微观粒子的运动给同学们学的过程带来了一定的困难，文字叙述无法直观表达，只能靠学生的凭空想象。因此这门课程对学生的逻辑思维能力和空间想象能力都有较高的要求。
二、结构化学课程授课过程中存在的问题及改革建议
本文作者根据自己多年的教学授课经验，结合学生课后的反馈意见，对改革结构化学的教学方式提出了一些建议，旨在激发学生的学习兴趣充分调动学生的学习积极性，活跃课堂气氛提高课上学生的吸收率。
1.重视引导。结构化学是一门化学专业类的理论基础课，学生们看到教材上大段的文字叙述还有繁杂的数学公式推导过程，往往还没有开始学习就对此门课程失去了兴趣。所以，在上第一节课的时候就应对学生进行正确的引导，在绪论课上给大家讲述一些结构化学发展史。首先便是1900年，普朗克提出了量子假说，勇敢地打破了能量必须连续变化的经典理论，规定了以间断形式存在的能量，电磁场中的能量和物质交换间的能量，能量子的大小同辐射频率成正比，用普朗克常数作为二者之间的比例常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，完美地诠释了黑体辐射现象。其次在1905年，爱因斯坦意识到了量子化概念在微观领域的重要性，引进了光子的概念，从而解释了光电效应，开启了量子力学的新篇章。学生们在听故事的同时，会不知不觉地克服恐惧心理，激发学习的兴趣。最后顺着教学大纲的思路，引导大家用量子力学体系的思维去思考分析结构化学中所遇到的问题，让同学们处于愉快的气氛中，带着笑容下课。
2.充分利用多媒体教学手段辅助教学。结构化学在教学内容上涉及一些相对抽象的模型，如原子轨道形状、多原子分子的组合方式、配位化合物的配位形式、晶体的点阵结构等都涉及原子和分子的空间排布规律，这些内容要求学生具备较强的空间想象能力。传统的板书教学方式很难将结构化学中较为抽象的理论以直观的形式表现给同学们，大段大段的纯文字描述也使得学生感到晦涩难懂。多媒体技术可以将授课内容动态化、立体化[5]，绝大多数的分子、晶体结构都可以用3D软件结合FLASH等做成可360°观看，任意缩放、平移、旋转的模型，同学们可任意角度观看，有利于巩固加深记忆。
3.注重理论与实际的联系。由于结构化学是一门理论基础学科，因此学生们理解起来可能会有一定的难度，容易学过即忘，在教学过程中应让学生通过理论联系实际中所熟知或已学过的现象，通过类比的方法巩固加深记忆。比如，在讲晶体的宏观对称性时，联系大自然，启发学生思考：大自然虽然讲究对称美，但为什么很少有五边形和七边形的物体呢？由此引入晶体的空间点阵结构、对称元素、对称操作的概念并对对称轴次加以证明，得出结论：晶体结构中的对称轴次只允许存在1、2、3、4、6这五种不存在5和7，这与大自然世界的对称美是相呼应的。而讲到离域键的共轭效应时，以碱性条件下酚酞会变成红色为例，结合学生高中所学知识让学生理解酚酞变色的根本原因，主要过程是酚酞与碱性溶液发生反应，形成了离域键，产生了共轭效应，酚酞-碱性溶液体系能量下降，能级间隔变小，光谱偏移至可见光区，因此我们看到无色的酚酞变成了红色。通过这种由外至内、循序渐进的引导方式使学生转变对结构化学这门课程的印象，说明这门课程不是凭空想象漫无边际地研究我们用不到的东西，而是服务于实践，解释着实践中所遇到的问题，从而使他们树立起学习信心，增加学习动力，真正做到课上讲过的东西当堂就吸收理解掌握。
4.弱化公式推导。结构化学教学的目的就是让同学们理解掌握结论和推导过程中各符号的物理意义及这些符号在化学中起到了什么样的作用，有什么应用。结构化学中的公式推导过程用到的高等数学的课程知识比较多，包括微积分的多重积分求解，线性代数中的行列式求值等。而数学功底普遍是化学专业学生们的弱项，大部分所用到的数学知识又都是在大一学习的可能已经被忘到了脑后，因此在讲述结构化学课本中的公式时应尽可能弱化公式推导过程，强化学生对整体大局和结论的理解，不再单独强调详细的求解过程。因此在讲到公式部分时，首先要明确每个符号所代表的物理意义，从本质上理解结构化学这门课程，引导学生们如何去解决问题，解决问题后又能得出怎样的结论，所得结论的实际意义是什么，然后再回到研究数学推导求解过程上。让学生抓住该课程的主线厘清学习这门课程的基本思路，顺着大纲学下去，把握住主要的大方向，这样继续向后面章节学习就不会出现断层。反之如果从数学公式推导出发，进行烦琐的化简计算，就容易忽略需要解决的问题的主体，不知道这些纯数学求解过程是要干什么，得出的结果有什么意义，事倍功半。
5.科学的完善考核机制。考试是教学活动不可缺少的一部分，也是衡量教师授课成果和学生掌握课程情况的主要方法。现代大学是以培养综合创新型人才为目的的，因此在教学考核过程中，应该用科学的、多元的方式去综合评价每个学生，拒绝一考定终身的制度，取代传统的单一闭卷考试方法，转变学生们认为只要死记硬背课本就能取得好成绩的惯性思维。将最终成绩定为三部分之和，其中，平时成绩占30%；期中成绩30%；期末成绩40%。平时成绩的30%包括课堂表现（10%）、习题作业（10%）和专业课小论文（10%）。课堂上教师有针对性地提出问题并根据学生的回答情况给出分数，既能随时掌握学生们的学习状况还能根据学生们的整体掌握情况随时调整课程安排。有利于增强师生课上的互动、改变课堂沉闷的授课氛围，培养学生们独立自主的思考问题，讨论问题，解决问题的能力，同时还可以锻炼他们的语言表达能力和应变能力。课后的习题作业主要是引导学生正确地复习所学内容。专业小论文则偏重于考查学生查阅相关文献、获取知识的能力。这样灵活的考试机制有利于引导学生改变突击复习期末考试的方法，树立正确的学习观，从平时开始做到课后即复习，查漏补缺，也只有这样才能真正达到结构化学的教学目的。
根据笔者多年来对结构化学课程改革的摸索，使用上述方法学生们学习结构化学课程的积极性明显提高，课堂气氛也活跃起来了，学生们爱听了，授课效率明显提高。
总之，结构化学是一门其中理论在实际生活中接触较少，学习的知识内容相对抽象，老师和同学们在教与学的过程都感到较为困难的理论基础课。教师们应精心备课，认真设计教学内容，研究课程改革，由浅入深的教学，消除学生们对课程的恐惧心理。通过一系列的改革过程，改变课堂环境，活跃课堂气氛，让学生体会到独立自主创新和团队合作精神的重要性，培养他们对问题分析和解决的能力；最后引入科学合理的考核机制对学生进行综合评价，引导学生树立正确的学习观，不断充实结构化学理论基础知识，提高主动获取知识、综合运用知识的能力，培养多能创新型优秀人才。
参考文献：
[1]杨志广，彭鹏，石晓明，周凯.如何激发学生学习结构化学的兴趣[J].教育教学论坛，2014，（20）：118-120.
[2]令狐文生，董华平.结构化学课程建设的实践与思考[J].教育教学论坛，2011，（35）：214-215.
[3]韩波.结构化学教学实践与初探――引导启发式教学[J].科技信息，2013，（25）：218，259.
量子力学基础知识范文3
摘要:
物理概念作为物理学知识体系的支柱，对其理解和掌握的程度直接影响到教学质量。对物理概念教学的实施原则和方式进行了探讨:实施要求在知识传授过程中不仅仅停留在概念本身，更需要从物理概念的需求背景、本质内涵和外延、适用范围、缺陷和改进等诸多方面进行讲解，使学生形成一个完整清晰的物理图像。实施方式要求创造好的学习环境来激发学生的兴趣以及调动学生的主观能动性和创造力。通过有效启发学生的思考，并使其受到科学精神的感染，达到有效理解和掌握物理概念的目的。
关键词:
物理学概念;科学素质;科学精神;教学方法;教学效果
物理学是研究宇宙中存在的各种基本物质结构及其运动和相互作用规律的学科，是人类认识自然和改造自然的工具。大学开设的物理基础课，可培养学生的科学素质和品质，也为后续专业课程学习奠定基础［1］。物理基本概念用于概括、归纳、表述事物变化的基本规律，是学科基础，对其深入学习可培养学生物理学的研究方法和思维［2］。
1物理概念教学的意义
大学物理通过向学生传授基础物理知识，培养学生基本的物理思维能力、科学品质以及物理学研究方法［3］。物理学概念(包括原理、定理、定律)是针对学科发展需要，在实验和理论基础上，通过反复的概括、抽象和归纳得到的，体现了学科的思维和发展方向，相应的学习和掌握至关重要［2］。
1．1培养解决和分析问题的能力
物理概念是物理学发展的支柱，任何一门物理学分支的发展都离不开特有物理概念的引入。如力学的发展，离不开力、力矩、动量、能量等基本物理概念的支撑。为了描述阻止物体的力，引入摩擦力，根据物体运动方式不同，又分为滚动和滑动摩擦力;为了研究物体的形变特性，引入了压力、剪切力等概念［4］。
1．2培养物理学的辩证和统一研究思维
有些物理概念是矛盾的结合体，如光的本质，即“波粒二象性”，对其认识一波三折。最早笛卡尔、牛顿的微粒学说，成功解释了光的直线传播现象。波动学说起源于胡克，认为光是类似水波振动，惠更斯提出光是纵波。“牛顿环”体现了光的波动性，却以微粒和以太进行解释。随着托马斯•杨干涉、菲涅耳衍射、麦克斯韦电磁场理论研究，以及赫兹(Hertz)对光的电磁波本质实验证明，人们逐步接受了光的波动性。直到19世纪末，在光电效应研究基础上，爱因斯坦提出了光的“波粒二象性”［5］，为新学说奠定了基础，如康普顿效应，德布罗意物质波、测不准原理、薛定谔波动方程等。
1．3培养融会贯通、触类旁通能力
很多物理概念会经历提出、实验或理论证实，逐步推广和深化，甚至扩展到其他领域的过程。这说明该概念的思维反映事物本质，精确描述了对象特征。如热学里“熵”概念，最先由克劳修斯(Clausius)基于描述热机循环状态的需要而提出，后来分子运动论将其解释为不可逆热力学过程是趋向于概论增加的态变化(波耳兹曼熵)。经过多年沉淀，又被控制论、数论、概率论、生命科学、天体物理等领域引入并应用，说明其思维方式被认同［6］。教学中可以把熵作为专题进行讲解，从不同学科集中阐述物理思维。
2物理概念教学的方法
大学物理学的教学目的如下:
1)通过掌握基础物理知识，为学习后续专业知识打好基础;
2)全面了解物理学研究方法、基本概念、物理图像以及历史渊源、发展等;
3)培养和提高大学生科学素质、思想、品质、精神等，通过了解科学发展的曲折和艰辛，科学研究的合作和乐趣等，培养学生科学思维方法、求真务实的科学品格，使其初步具备科学研究能力［1，7］。下面结合物理学特点以及教育理论和实践，对物理概念教学方法进行探讨。
2．1引入物理概念背景的教育需求
介绍物理学概念背景帮助学生充分理解概念引入的意义和作用。在此基础上，设计问题引导学生进行自我思考，如:若你们在此背景下引入新概念，应该采用什么概念来描述物质特性或规律，它与现有概念相比有哪些优缺点?通过学生的深入思考和讨论，使其充分认识和理解所引物理学概念的意义和重要性。这也是启发式教学的常用方式［8］。如讲解微粒比表面时，根据背景提问:对于一个物体而言，表面原子存在大量断键而很不稳定，表现为较强活性，是不是体积越大活性越强?通过讨论发现单纯的体积特征不合理，体积越大，内部包含原子数越多。进一步提问:如何描述微粒活性，并进行相应对比?这会激发学生的兴趣，出现类似单位质量的物质表面等答案。最后，指出微观粒子的尺寸效应最为重要，引出单位体积的表面积概念，即比表面积。
2．2讲清物理概念的本质内涵和外延物理概念的发展
体现在内涵不断丰富和外延在不同领域的扩展。温度概念的发展就体现了内涵的丰富，从表征“环境的冷热程度”到“分子平均平动动能的量度”，再到“物体内部分子的无规则热运动剧烈程度”，最后推广到“粒子集居数的反转现象”，也就是“系统处于总能量高于平均能量的状态”，并提出负温度的概念。折射率的概念则体现了其外延的扩展，最初表征不同材料之间的偏折，后表征传播速度。其实光传输的速度决定于材料原子之间电场的大小，也体现了原子结合力的高低，所以所承载的外延信息很多，包括光学、原子物理以及物质结构等不同学科。一些物理学概念是联系不同领域的纽带，如阿伏伽德罗常数是联系宏观与微观的桥梁，对其内涵的理解比单纯数值更有意义。
2．3循序渐进和系统性的教学
有些概念贯穿于整个物理学体系中，需要多学科的共同学习才能深入和系统地认识。以物理学中极其重要的“场”的概念为例，最先由法拉第(Faraday)基于电磁相互作用的超距观点提出并进行直观描述;随后麦克斯韦从数学上推导了电场和磁场强度的波动方程，深刻地阐述了电磁场能量的分布［9］;列别捷夫(Lebedev)通过对光压的观测证明了电磁场动量特性;爱因斯坦狭义相对论的创立，证明场是物质存在的一种形式，具有能量、动量和质量;量子力学体现了场的“波粒二象性”;电磁场量子理论证明光子是电磁场的基本微粒，可与正负电子对相互转化，具有实物转化性，丰富了场的物理本质和内涵［10］。“场”在电磁学、力学、相对论、量子力学等领域都有体现。教学中要从“场”的基本特性、规律和共性出发，逐步深入:最初通过力学中重力(万有引力)引入重力场强、重力势能(引力场强、引力势函数)，初步建立场的概念;电磁学或电动力学则通过电荷库仑力场引入库仑场强和库仑势，通过场矢量的通量分析和环流分析分别得到高斯定理和安培环路定理;相对论和量子力学通过波函数分析进一步加深对场的理解。
2．4引入必要的物理学史教育
物理学的发展过程是科学家为了解决自然界遇到的新问题而不断探索的过程，所提物理概念是对所描述对象的高度概括［11］。新概念的提出、完善和修正需要科学检验和论证，错误的被或修正，正确的被采用或推广，这体现了物理学思维方式。结合物理学史，对成功或失败的物理概念进行分析和对比，有助于培养学生理性思维。成功实例:原子物理中“紫外灾难”催生了普朗克(planck)的量子概念，后来爱因斯坦的光量子说，成功地解释了光电效应，开启了量子力学新篇章;描述基本粒子单元的夸克(quark)概念，被逐渐证实。失败实例:描述光传输的“以太”概念被实验否定。当前还有很多概念亟待进一步论证，波尔(Bohr)与爱因斯坦关于量子力学的著名论战就是一个很好的证明。这可以培养学生思辨的习惯、求实的精神和相互包容的优良品质。
2．5构建清晰物理图像
很多概念的提出都基于不同的研究思路和思维，需要建立完整清晰的物理图像再现其物理思维和描述意义［12］。以麦克斯韦方程组为例，它体现了电磁学基本研究思路:对电场和磁场进行曲面和曲线积分，得到相应的源。学科适用范围体现了不同思维，如电磁学规律是基于宏观的分析，量子力学是处理微观世界的规律，具有完全不同的研究思路和适用范围。以电磁波发射为例，电动力学基于LC振荡，量子力学电子跃迁。对比讲解对构建知识体系和正确应用很有益。形象化表述是构建物理图像的主要方法之一，如在光学中讲述菲尼尔圆孔衍射的光强空间分布规律时，可以采用半波带法、矢量图解法等进行分解，达到获得清晰物理图像的目的［13］。加强实验教学有助于构建物理图像，可分为重建性和探究性，通过实验再现物理知识或根据预设要求通过实验得到结果。
3教学措施和效果
为了有效开展物理概念教学，我们对教学方法进行了改革，主要涉及到:分组讨论式教学、改革考试方式、推行非标准化答案、重建基本概念、推荐内容丰富的教材和参考书、加强实验教学等。分组讨论式教学是创造机会使学生对物理概念的提出背景、必要性、可以解决的问题进行深入讨论，在争论中增强对概念本质的认识。典型问题有:物理概念需求背景、自我设想和构建、解决问题程度和预期目标、现有物理概念对比等。通过以上教学，学生在考试中对基本概念的描述正确率大大增加，平均得分率由72%提高到83%。非标准化答案旨在锻炼学生想象力和发散性思维，围绕物理概念进行问题设计，采用多种表述方式进行分析。采用撰写论文形式进行考试，要求学生通过文献查询、收集信息等方式来阐述物理概念的内涵和外延等，全面锻炼学生能力:信息查询、归纳总结以及写作表述能力等。考试成绩比重由原来的15%增加到30%，更能体现学生能力水平。随着学习不断深入，需要通过扩展物理概念的内涵或外延对新事物及其特性规律进行描述。如随着激光光强的增加，对材料的光电离会由单光子电离扩展到多光子电离，由线性光学扩展到非线性光学以及激光等离子体物理［14］。推荐内容丰富的教材和参考书也是一种很好的方式。如原子物理教学中可推荐杨福家的《原子物理学》［15］，该书图文并茂，有很多经典故事，同时设计了很多启发式问题，使用者反映良好。光学教学中可推荐冯国英、周寿桓编写的《波动光学》［16］，该书内容丰富，主要物理概念和定律后面附有Matlab应用实例，有利于学生学以致用和形象化理解物理概念。另外，美国学者ArtHobson编写的《物理学的概念与文化素养》等，都能为物理学概念的学习提供很好的参考。
4结语
物理学概念是物理学发展和前进的基石，体现了研究过程中遇到的新问题，反映了为了解决问题提出的新思维和方法，表征了物理学发展的趋势和方向。物理学概念学习主要体现在基础知识的掌握、科学品质和精神的培养、科学素质的锻炼等方面。从教学方法上需要从构建物理图像出发，结合物理学史的引入，激发学生主动性，达到全面掌握物理概念内涵和外延的目的。具体实施方式上，可以结合考试改革、非标准化答案、推荐优秀教材等来实现。
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量子力学基础知识范文4
关键词：科学素养；科学方法；科学意识；科学精神；大学物理
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）03-0110-02
“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？”这个被称为“钱学森之问”的问题，已引起上至国务院总理下至普通学生的深思。中国学生虽在国际奥林匹克竞赛中屡屡获奖，却一直与诺贝尔科学奖无缘。2010年11月第八次中国公民科学素养调查结果显示，2010年具备基本科学素养的公民比例为3.27%，仅相当于主要发达国家和地区20世纪80年代末、90年代初的水平[1]。面对这些事实，我们不能不对现行的学校科学教育进行深刻反思。学校和社会一直倡导素质教育，但是素质教育就是多搞文体活动和多学琴棋书画吗？这是误解，更是误导。其实，素质教育的一个重要内容，就是提高科学素养。
一、什么是科学素养
“科学素养”这一概念是伴随着20世纪五六十年代美国“课程改革运动”而系统确立起来[2]。尽管对这一概念的内涵尚未达成共识，但是，把科学素养作为科学教育的目标，已在世界各国取得共识。明确提出科学素养包含三个维度，并给出测评指标进行测度的主要有以下几种。第一种是美国J・米勒教授提出的公民科学素养概念[3]。J・米勒的科学素养模型维度概括为：科学知识；科学方法；科学意识。自1979年以来，该指标体系及其测评结果一直为美国国家自然基金会所采用。第二种是世界经济合作与发展组织开发的国际学生测评项目（PISA）提出的科学素养概念。PISA将科学素养定义为“15岁学生为了理解自然界及人类活动引起的自然界变化并有助于相关决策，而使用科学知识、识别科学问题、得出有根据的结论的能力”，该定义包含“科学方法或技能”、“科学概念与内容”及“语境”等三个维度[4]。虽然以上两种科学素养概念的维度有所不同，但是可以看出，科学知识、科学方法、科学能力、科学精神和科学意识都属于科学素养教育的范畴。
二、《物理》课程在培养科学素养中的重要性
《物理》、《化学》、《生物》等课程都是学校教育中培养学生科学素养的重要课程，而《物理学》又是一切自然科学和工程技术的基础。2007年第10期青年科学《测测你的科学素养有多高》中判断16个科学观点的对错。其中有10个观点都可以在《物理》课程中找到答案，可见，《物理》课程在科学教育中的重要性。
三、大学《物理》教学中如何培养学生的科学素养
大学《物理》课程是高等学校理工科各专业学生的一门重要的通识性必修基础课，在培养学生的科学素养方面，具有其他课程不能替代的重要作用。下面谈谈大学《物理》课程对培养学生科学素养，尤其是科学方法、意识和精神等方面笔者的一些思考和做法。
1.科学方法的培养。“授之以鱼”不如“授之以渔”，方法对学生的终身发展至关重要。物理学中有许多科学方法。观察法、实验法、理想化方法、类比方法、假设方法和数学方法等是物理学的基本研究方法，不仅适用于自然科学的研究，也适用于其他科学技术领域和各种工作领域。分析、综合、抽象、概括、归纳、演绎、类比等普通的逻辑方法是《物理》学科中常用的逻辑思维方法，更是普遍应用于人的各种思维活动。如果学生掌握了这些方法，就会在以后的工作中自觉地运用这些物理方法思考问题、解决问题，并具备实事求是，严谨科学的意识。也就是说，掌握了科学的方法，就有了在未来从事各项工作的“武器”。笔者在大学《物理》教学中，非常重视物理方法的介绍。①重视物理方法的提炼和总结。自然界发生的一切物理现象和物理过程，一般都是比较复杂的，为了降低研究的难度，在物理研究中产生了理想化方法，就有了质点、刚体、弹簧振子、理想气体、点电荷等理想模型。在讲解这些概念时重点讲解这些模型形成的必要性和这种方法的重要性，让学生知道这是处理自然界复杂问题的常用的科学抽象的方法，是一种重要的科学研究方法，在自然科学研究中占有重要地位。②通过物理学史的引入，加强科学方法的教学。牛顿在伽利略、开普勒等前人成果的基础上，用归纳法获得了经典力学的基本概念和力学三大定律，又用演绎的方法获得了万有引力定律并发明了微积分。在量子力学中，从黑体辐射问题的研究中出现的“紫外灾难”到普朗克的量子假说，到爱因斯坦“光量子假说”，到玻尔的旧量子论，到海森伯、薛定谔提出的量子力学，再应用爱因斯坦相对论提出相对论量子力学的整个量子理论的发展史无不体现了假说―理论―新假说―新理论的循环发展模式；在提出假说阶段常常运用归纳和类比的推理方法，在验证和确立假说阶段的演绎推理方法又时时出现。介绍这些历史，不但让学生学到了物理知识，而且让学生用物理学家的方法和思路研究这些《物理》内容，无形中会受到良好的科学方法教育。
2.重视介绍物理的应用，培养学生良好的科学意识。科学意识就是从科学的角度理解问题、分析问题和解决问题的思想观念及其行为。学生只有知道了科学的应用，才会在生活和工作中有科学的意识。《物理》课程是一门实用性很强的科学，所以在教学中就要多介绍物理知识的广泛应用，尤其是最新的应用。例如，在电磁感应部分，除了介绍常见的涡流加热和制动、微波加热、电子感应加速器外，再介绍机场安检处的金属探测器（或棒）以及交通部门的交通探测器、银行卡信息的存储和读取原理等；介绍这些实用知识不但会引起学生极大的兴趣，也会引起学生主动思考生活中的问题，树立良好的科学意识。
3.科学精神的培养。科学精神包括求实精神、创新精神、怀疑精神、宽容精神等几个方面，其中最主要的是求实与创新。如何培养学生的科学精神？在授课中要注意启发式教学，多提出问题，多质疑，启发学生思考和发现，培养他们的主动参与的意识和创新意识。适当增加物理学史，让物理学家们的不怕困难、无私奉献，敢于质疑以及开拓创新的科学精神感染学生。
总之，在大学《物理》教学中要利用一切可能的途径向学生传授科学的基础知识，培养科学的分析问题和解决问题的能力，培养学生用科学的观点理解自然界现象并能作出决断以及辨识真伪的能力，同时拥有良好的科学态度和科学精神。
参考文献：
[1]中国科学技术协会.第八次中国公民科学素养调查结果.[EB/OL].
[2]李雁冰.科学探究、科学素养与科学教育[J].全球教育展望，2008.（12）：14-18.
量子力学基础知识范文5
(一)简介材料计算模拟软件Materialsstudio是美国Accelrys公司为材料科学领域开发的一款科学研究软件，用于帮助用户解决当今材料科学中的一些重要问题。MaterialsStudio软件包集成了Visual-izer、CASTEP、Dmol3、Reflex等二十几个计算模拟模块，是一款强有力的计算模拟工具。用户可以通过Visualizer可视化模块进行一些简单的界面操作来建立材料分子的三维结构模型，之后通过软件包中相应的计算模块，对材料分子的构型优化、性质预测、X射线衍射分析及量子力学方面进行计算。通过计算得到的结果可以对各种晶体、无定型与高分子材料的性质及相关过程进行深入的分析和研究，其计算的结果精确可靠。CASTEP是CambridgeSequentialTotalEnergyPackage的缩写，最早由英国剑桥大学的一个凝聚态理论小组开发，是广泛用于计算周期性体系性质的一个先进量子力学程序。它可用于金属、半导体、陶瓷等多种材料的相关计算，可研究晶体材料的光学性质（折射率，反射率，吸收及发射光谱等）、缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、电子结构（能带及态密度）、体系的三维电荷密度及波函数等。
（二）教学环节设计1.知识点的设置。在材料科学的专业课中，如晶体物理、固体物理、半导体物理学、硅材料科学与技术等课程中,都会涉及材料的晶体结构，能带结构，带隙的分类，X射线衍射、缺陷，掺杂等知识点，也会涉及到材料的反射率、折射率、介电常数等材料的光学或化学性质。在完成这些基础知识点的讲解后，可以利用Mate-rialsStudio软件进行计算和演示，为这些基础理论给出直观形象的解释，把材料的宏观性质与微观机理衔接上，这样学生对材料科学的知识体系就会有一个整体的认识和了解。2.密度泛函理论及波函数的介绍。密度泛函理论是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法，其本质是以电子密度分布函数为变量代替波函数中的自变量来求解薛定谔方程，使求解复杂体系波函数的本征值成为可能。目前，密度泛函理论已广泛应用于物理、化学及材料相关领域，特别是用来研究分子和凝聚态的性质。目前密度泛函理论DFT（DensityFunctionalTheory缩写）被广泛应用到计算模拟软件中来求解薛定谔方程，可对材料的结构、性质、光谱、能量、过渡态结构和活化势垒等方面的进行计算研究。在与分子动力学结合后，在材料设计、合成、模拟计算等方面有明显进展，成为计算材料科学的重要基础和核心技术。3.软件的操作及相关内容的演示。MaterialsStudio程序包中的二十多个计算模块是通过Visualizer这个可视化核心模块整合在一起的，用户可以很方便地应用Visualizer模块构建有机、无极、聚合物、金属等材料分子、及周期性的晶体材料、表面、层结构等模型，通过鼠标控制这些分子构型，可从不同角度查看并分析体系结构，容易形成直观的概念。MaterialsStudio自带的数据库中的晶体结构可以用于教学演示，如在硅材料科学与技术和半导体物理等课程的教学过程中，需要用到单晶硅的晶体结构，可以很方便地从MaterialsStudio软件的Structures/semiconductors数据库文件夹中导入Si这个晶体数据文件，在课堂上为学生们演示，从（100）、（110）、（111）不同的晶面来进行展示（如图1），以说明硅单晶的晶体结构。也可以通过Visualizer模块中的菜单选项Build->Sym-metry->Supercell建立n×n超胞结构，通过调整角度，可以从不同晶向观察晶体的晶面，通过超胞结构也可以演示各种晶体的密堆积结构。这样就给学生一个生动、形象、直观动态的概念，使其易于在头脑中建立空间模型，理解所学知识点。通过Visualizer模块对硅单晶的元胞进行演示，我们可以知道每个硅原子至多与另外四个硅原子相连，借此可以说明硅原子的共价键取向及硅晶体属于金刚石型结构，源于硅原子的sp3杂化，形成了四个共价键。通过CASTEP模块对硅单晶的元胞进行计算，可以得出其能带结构和态密度，通过对计算结果的分析，可以得出硅单晶材料的带隙特点。在稀土化学的教学过程中，可以通过CCDC英国剑桥晶体数据库及WebofScience网站来获取稀土配合物的晶体结构，然后通过MaterialsStudioVisualizer读出晶体结构，用于课堂演示，有助于学生理解复杂的稀土配合物结构。在固体物理教学过程中，可以利用MaterialsStudio中的Re-flex模块模拟粉晶体材料的X光、中子以及电子等多种衍射图谱,可用于验证实验结果及演示教学。4.知识点的拓展。对于缺陷、杂质掺杂、空位等对晶体材料的影响，可以通过MaterialsStudio中Visualizer模块建立相应的模型，然后通过CASTEP计算模块进行计算。通过对计算结果的分析，说明这些因素对半导体材料性质的影响。MaterialsStudio软件同样可以计算材料的折射率、反射率、介电常数等性质。其计算的结果数据和图表可以与教科书或文献上的数据图表进行对比，来说明计算方法的正确性，以此为支点，采用同样的计算方法，我们可以尝试设计更多的新型材料并进行计算。通过这些详实的计算实例我们可以更生动地说明教学中的知识点，学生可以根据自己的兴趣爱好，尝试进行材料分子模型的设计并进行模拟计算。通过计算结果的对比，可以初步探讨晶体中缺陷、杂质、空位等因素对材料性质的影响，在此过程中增加了学生的学习自主性和兴趣。
二、GaussianView和Gaussian软件在教学中的应用
（一）简介Gaussian是一个功能强大的量子化学综合软件包。应用它可以计算分子能量和结构、过渡态的能量和结构、化学键以及反应能量、分子轨道、热力学性质、反应路径等等，功能非常强大。计算可以模拟气相和溶液中的体系,模拟基态和激发态，进而通过含时密度泛函研究材料分子体系的激发态，算出吸收和发射光谱。Gaussian扩展了化学体系的研究范围，可以对周期边界体系进行计算，例如聚合物和晶体。周期性边界条件的方法(PBC)技术把体系作为重复的单元进行模拟，以确定化合物的结构和整体性质。而GaussianView是一款为Gaussian设计的配套软件，其主要作用有两个：1.构建Gaussian的输入分子模型，2.以图形显示Gaussian程序的运算结果。
（二）知识点的设置1.在材料科学有机电致发光材料及稀土化学课程的教学过程中，会涉及到有机或稀土发光材料的吸收及发射机理。通过把Gaussian软件教学过程，我们可以很好结合这些算例讲解三重态，单重态发射过程，给出与发射过程相关的分子最高占据轨道HOMO和最低非占据轨道LUMO的电子密度图，这样就可以很形象地解释发射过程中的电子转移过程，对低能吸收和发射过程的电子跃迁性质进行判断。2.软件的操作及相关内容的演示。(1)通过CCDC晶体数据库或者WebofScience网站获得相应的配合物或者稀土配合物晶体的晶体结构（通常为cif文件）。(2)应用Mercury软件或者MaterialsStudio软件读取相应的晶体结构，转存为GaussianView程序可以读取的格式（一般选用*.cif、*.pdb、*.mol2格式）,通过Gaussian-View转存为Gaussian输入程序（*.gif-Gaussianinputfile)。(3)采用Gaussian程序进行计算。(4)通过GaussianView程序读入Gaussian03/09计算结果，通常为log文件，或者fchk文件，GaussianView可以很方便地读取Gaussian的计算结果并且以图形的形式显示出来，并可应用它对计算结果进行分析。(5)通过GaussianView对计算结果的进行处理，通过它显示出发光材料的分子轨道电子云密度分布情况，吸收光谱，发射光谱等情况，结合这些图形信息，我们可以对有机电致发光材料或者稀土发光材料的发光机理进行教学。3.知识点的拓展。GaussianView是由Gaussian公司开发的一款非常好的分子建模及显示工具，学生可以通过对它的使用，很方便地进行分子设计并输入到高斯程序中进行计算。可以安排学生在基础发光材料分子的基础上，在分子配体的添加取代基或者改变配体，进行尝试，进行配合物分子的设计，增强其动手能力，为今后走进实验室进行有机合成做准备。
三、预期的效果
量子力学基础知识范文6
关键词：材料科学；结构化学；教学内容
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）18-0032-02
湘潭大学目前除了化学专业、应用化学专业开设结构化学之外，材料物理、材料化学、材料科学与工程这3个材料科学类的专业也开设结构化学课程，5个专业使用的教材均为周公度、段连运先生编著，北京大学出版社出版的结构化学基础（第4版）一书。根据近几年来材料科学类结构化学的教学实践情况，考虑到材料科学学科与化学学科之间的差异，根据材料科学与工程教学指导委员会制订的高等学校材料物理、材料化学专业规范，优化适合于材料科学类3个专业的结构化学课程的教学内容实有必要。
一、结构化学的内容和课程的任务
结构化学是研究原子在空间相互结合成分子或化学实体的方式（结构）、依据（化学键本质）、规律及结构与性能间的联系，它是联系材料宏观与微观的桥梁，是材料设计的基础。结构化学以在分子水平上研究自然科学问题为其主要目标与特征，这决定了它不仅是研究化学反应机制、化学的内在规律性、各类化学体系立体构型、键型及构效关系的指南，而且已成为材料科学、分子生物学、金属有机化学等新兴、边缘或综合学科发展的支柱。结构化学不仅与化学各分支学科，而且与材料科学、物理学、地学、生命科学、冶金学等学科有广泛的横向联系与交叉。结构化学的另一个重要内容就是与合成化学、理论化学以及材料科学、生命科学、固体物理等相邻学科一起，建立分子工程学、晶体工程学等学科。
结构化学课程是材料科学类的一门基础课，其任务是使学生深刻掌握微观物质运动的基本规律，获得原子、分子和晶体结构的基本理论、基础知识，深入掌握物质结构和性能的相互关系，牢固树立结构决定性能的观点，了解研究分子和晶体结构的近代物理方法。通过这门课程的学习，培养学生的创新精神和实践能力，进一步培养学生从结构的观点分析问题和解决问题的能力。结构化学的教学对于锻炼学生思维、开发学生智力、发展学生能力、提高学生综合素质有着极其重要的作用。凡具有较好理论基础的大学毕业生，适应能力强，后劲足，结构化学的教学起着十分重要的作用。
二、材料科学的特征
材料科学与工程正在发生深刻的变化，其研究已深入到原子尺度，突出特征表现在3个方面。第一，材料科学技术化，材料技术科学化，材料科学与工程技术日益融合，相互促进；第二，新材料、新技术、新工艺相互结合，为各个工程领域开拓了新的研究内容，带来了新的生命力和发展前景；最后，学科之间的相互交叉渗透，使得各学科之间的关系日益密切，难以分割。基础科学与现代技术的新成果也和材料科学与工程的发展交织在一起。
从教材角度看材料科学，具有3个特征：基础性、前沿性和应用性。基础性，一方面指材料科学的研究是建立在物理、化学的基础上，没有扎实的理化基础从事材料研究与开发是难以想象的。另一方面，当前材料科学研究显示出突出的交叉性和综合性，学科内容及规模不仅体系庞大而且纷繁芜杂，没有扎实的基础就难以抓住要害，不能适应学科的变化和发展，这就要求教材毫不含糊地重视基础。前沿性是指材料科学的发展速度迅猛，只有在教材中恰当地反映这些变化，才能使学生适应日后的研究工作。应用性是指材料研究的目的而言，是为了实际应用。当今材料研究从实验室到工业化的时间大大缩短，材料研究与开发已成为高科技的重要组成部分，要求在教材中有意识地体现这一特征。
三、结构化学课程教学的主要内容与基本要求
根据结构化学的研究内容和材料科学学科的特征，材料科学类的结构化学课程不仅要兼顾物理系的材料物理和化学系的材料化学2个专业，包含适当的量子力学基础、固体理论和表面结构化学，还要适当地介绍一些的功能材料，不能“有理无物”，而且既要与材料物理课程和材料化学课程紧密地相联系，又要区别开来，既要与计算物理课程和计算化学课程相联系，又要区别开来，突出材料结构与性能的关系，简要介绍分子设计学。遵循加强基础、强化能力、整体优化、精选内容、更新知识、突出应用、反映前沿及简明扼要的原则，进行教材编写。
在内容的选取上，首先把握更新与精选，处理好“新”与“基”的关系。在加强基本教学内容的前提下适当反映新内容，拓宽知识面，体现“少而精”、“精而新”的原则。不仅要反映现代科学的发展趋势和学科的前沿理论，而且应注重结构化学课程对其他课程和学科的渗透，提高综合度。其次充分重视理论联系实际。在不同部分侧重点不同，力求加强宏观与微观的联系，掌握规律。第三，注意演绎法和归纳法2种方法的应用。RHoffmann曾说：“化学理论的最主要作用是提供一种思维方式，以总结更新知识”。结构化学作为理论化学的重要组成部分，要求该课程使学生在2种思维模式即演绎法和归纳法方面均得到较好的训练。中国传统教学偏重演绎，优点是严谨，但缺乏创新意识，而美国等国家在教学上侧重归纳，优点是独立思考和创造能力强，缺点是基础不够扎实。因此，我们力求将2种思维模式在各个章节都有所体现，期望学生受到全面的训练。第四，充分注意习题的作用。习题是锻炼思维的体操，是学习过程中的重要一环，做习题不仅是理解、掌握知识，而且是学会如何运用知识。虽然做习题本身不是科学研究，但对研究能力的养成有重要作用。许多科学大师都曾津津乐道于他们早年在习题中的受益。A Sommerfeld曾写信给他的学生W Heisenberg，告诫他：要勤奋地去做练习，只有这样，你才会发现，哪些你理解了，哪些你还没有理解。杨振宁也曾回忆他的大学学习：西南联大教学风气是非常认真的，我们那时念的课，一般老师准备得很好，学生习题做得很多。的确，“勤奋地去做练习”，“习题做得很多”，往往是达到成功的一个阶梯。因此例题习题选编的恰当与否直接影响教学效果，这在内容多、学时少、提倡自学的当今时代显得尤为重要，对于结构化学课程而言更是如此。习题不能全部简单化，我们编写了一定数量的综合训练题。最后，注意课外读物的作用。课外读物有利于拓宽学生的知识面，培养学生的自学能力。阅读原始研究论文能够培养学生良好的思维能力和思考问题的方法，提高他们分析问题和解决问题的能力。在结构化学中，每一个基本原理或理论大都对应一位科学大师，学习他们的研究方法及写作技巧，对学生将来从事科研等工作十分有益。
因此，材料科学类的结构化学课程教学内容应包括下列6部分内容，各部分的基本要求如下：
1.量子力学基础和原子结构。这部分内容在第1、2章中讲授。要求了解量子力学的基本假设，掌握氢原子和类氢离子的薛定谔方程及求解要点，提高对原子结构的认识，深入理解原子轨道的意义、性质和空间图象。了解多电子原子的自恰场方法及中心力场近似法，了解核外电子布居的依据，了解角动量的偶合及原子光谱项的意义。
2.化学键理论和分子结构。这部分内容主要在第3、5、6、10章中讲授。要求重点掌握化学键的三个基本理论：分子轨道理论、价键理论和配位场理论。其中第3章要求了解线性变分法处理H2+和H2，了解共价键本质及典型的双原子分子的电子排布。第5章要求掌握价键理论在多原子分子结构中的应用，掌握s-p杂化轨道的造法及键角公式。要求掌握HMO方法及其在共轭分子中的应用，掌握前线轨道理论和能量相关图及其应用。第6章要求掌握配位场理论在配位化合物结构中的应用，π-σ配键化合物和过度金属簇合物的电子结构或成键特征与性能。了解分子光谱、电子能谱原理。掌握现代化学键理论在讨论非金属化合物成键特征及结构与性能关系方面的应用。
3.点阵理论和晶体结构。这部分内容主要在第4、7、8、9章中讲授。要求根据分子的几何构型确定分子所属的点群，初步了解群的表示和特征表的意义。了解偶极矩、旋光性与分子结构的关系。要求着重了解X射线衍射等方法所依据的基本原理，以及在测定结构中的作用和应用范围，为了解与掌握现代化学中的重要实验方法打下初步的理论基础。掌握描述晶体结构的表达方法，掌握金属、离子化合物的晶体结构与性能。了解用结构化学理论研究固体表面的结构和性能的方法。
4.功能材料结构与性能。这部分内容在11章中讲授。初步了解几类重要的功能材料，加深理解结构决定性能的观点，初步了解功能材料结构与性能的关系。
5.分子设计基础。这部分内容在12章中讲授。初步了解分子设计的基本原理及其应用。
