量子力学教学范例

摘要:以普通高校课程思政总体现状为研究依据，结合量子力学课程的结构和特点，探索在量子力学课程中开展课程思政教学的有效路径，通过提升专业课教师对课程思政的理解和认知，深入挖掘量子力学课程中蕴含的丰富思政元素，以课程承载思政，将思政融于课程，达到启迪学生心智、陶冶道德情操的育人目标。

关键词:课程思政;量子力学;教学改革

在全国高校思想政治工作会议上强调，要坚持把立德树人作为中心环节［1］。要把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，要用好课堂教学渠道，各类课程都要与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。在此背景下，如何在专业课程的教学中将课程思政元素融入课堂、如何育人成为当前各个高校和教师们关注的热点［2－6］。量子力学是物理学专业的核心课程之一，它的主要内容是以微观世界粒子为研究对象，根据量子力学的五大基本假设，通过解薛定谔方程得到微观粒子的力学量本征值，进而得到微观世界粒子运动的基本规律。量子力学在物理学中占有极其重要的位置，也是从事当代科学技术研究的基础之一。量子力学可以培养学生扎实的物理基本功，为固体物理学和半导体物理学等后继课程的学习做准备。量子力学被广泛地应用到化学、电子学、计算机科学、天体物理学等其他学科。量子力学课程的学习对培养学生严谨的科学学风、科学方法及抽象逻辑思维能力、创新精神等起到十分重要的作用。因此，充分发掘和运用量子力学中蕴含的思政教育资源，强化思想理论教育和价值引领，在量子力学课程的教学中融入课程思政元素，对于塑造学生的马克思主义世界观、人生观和价值观具有重要的理论和现实意义。已有研究者通过对量子力学的知识结构的再梳理，以及对量子力学课程中所蕴含的思政元素的深入挖掘，形成思政案例，探索了量子力学课程与思政元素相融合的问题［7－9］，这些工作对量子力学课程思政教育理念的推广起到了很好的促进作用。然而，在探索和实践地方本科高校量子力学课程思政教育的过程中，量子力学课程与思政元素的有机结合仍然有很多困难和问题，需要去探索和解决。

一、课程思政教学的基本现状

(一)专业课教师思政元素的提炼能力稍显不足。按照课程思政的育人要求，专业课教师在培养人才、讲授专业知识和技能的同时，要引导学生树立正确的世界观、人生观、价值观。教师是执行课程思政育人功能的第一责任人，其自身要具备一定的思政素质和修养。然而，地方普通高校尤其是应用型本科高校的多数理工科专业教师在参加工作后，很少有机会学习如何将思政元素系统地应用于专业课程教学中的方法。按照传统的课程归类和育人模式，人们通常认为思想政治教育是思政教师和学生党团组织的事情，专业课程的育人功能主要体现在专业课教师对专业知识的讲授上。这就导致很多专业课教师在课程思政是什么的问题上陷入迷茫，更不知道如何开展课程思政。另外，很多理工科专业教师毕业于非师范类高校，缺少系统的教师技能培训。如果不对这部分教师进行课程思政教学技能培训，只是机械地在专业课堂中加入思政内容，就会造成课程思政与专业课教学相脱节的问题，达不到课程思政的育人目的。

(二)专业课程教材的思政元素表现不足。当前制约地方本科高校开展课程思政教育的另一个重要问题就是专业课程的教材建设。地方本科高校由于受办学历史短、积累少、师资力量薄弱、课程建设经费投入不足等多方面因素的影响，都是直接采用省部级以上规划教材或重点大学的教材。这类专业教材的主要特点是非常重视专业知识的能力培养和训练。像量子力学这类物理学核心课程，教材强调知识体系的完整性，内容呈现专业化、数学化和系统化的特点，几乎找不到用思政元素来描述知识点的语句。这就在客观上增加了教师将思政元素融入教学的难度，同时也造成学生在学习的过程中想不到量子力学课程中还有思政元素存在。因此，地方普通本科高校要实施好专业课程的思政育人功能，就必须加大课程思政教学研究力度，积极构建适合专业人才培养需求的课程思政教材体系。

二、提升量子力学课程思政教学效能的有效路径

摘要：从固体物理的学科特点及在材料类各专业的重要性出发，结合学科和学情特点，分析讨论如何通过改变教学和评价方式，培养学生的学习积极性和自信心，提高学生的课堂效率，从而提高教学效果；并在整个教学过程中贯穿思政元素，激发学生的学习兴趣和动力，进一步增强学生的爱国热情和民族自尊心，培养具有家国情怀、德才兼备的人才。

关键词：课程思政；固体物理；教学模式；课程评价方式；改革

要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面。[1]”中共教育部党组在2017年印发的《高校思想政治工作质量提升工程实施纲要》中提出了课程育人质量提升体系。大力推动以“课程思政”为目标的课堂教学改革，优化课程设置，修订专业教材，完善教学设计，加强教学管理，梳理各门专业课程所蕴含的思想政治教育元素和所承载的思想政治教育功能，融入课堂教学各环节，实现思想政治教育与知识体系教育的有机统一[2]。北方民族大学是国家民委直属的一所建立在民族自治区省会城市的综合性民族类普通高等院校，多数学生来自我国少数民族和边疆地区，经济落后，人才紧缺，对北方民族大学这样的高等院校而言，为少数民族和边疆地区培养高素质创新型人才，并对这部分学生适时进行课程思政，加强爱国主义教育，将学生培养成具有家国情怀、专业素质过硬的经济和社会主义建设者就显得尤为重要。固体物理作为材料类专业学生的一门专业核心课程，起着连接基础理论知识与实际应用技术的桥梁作用[3-4]。学习固体物理往往需要前期系统学习高等数学、热力学与统计物理、量子力学和电动力学。根据北方民族大学19版培养方案的要求，材料类专业的学生往往只学习一年的高等数学和普通物理，热力学统计物理和电动力学在普通物理只讲了很少的一部分，量子力学根本没有接触。加之民族院校学生大多数来自少数民族和边疆地区，学生基础差，学习固体物理课程时感觉很困难，尤其是遇到理论推导时，学生难以理解，从而造成部分学生产生厌学情绪。为了改变北方民族大学材料类各专业固体物理教学过程中教师难教、学生畏学的现状，必须对固体物理的教学模式进行改革，采取一系列措施提高学生的参与度，提高课堂效率。结合多年固体物理教学经验，将从教学大纲修订、调整教学内容、改变教学模式和课程评价方式等方面进行思考和探索；结合固体物理课程的学科背景和特点，在教学中适时切入思政素材，将爱国主义、民族责任感和家国情怀融入到固体物理教学中，激发学习兴趣，培养正确的世界观、人生观和价值观，达到思政育人的目的。下面就课程思政视阈下民族院校固体物理教学模式改革谈几点看法。

一、制定科学的固体物理课程思政的教学大纲

根据课程思政育人目标、北方民族大学学情、课程特征和时代发展的要求，适当删减和调整部分重点难点内容和讲授次序，并在固体物理讲授中融入思政素材，把社会主义核心价值观和大国工匠精神等爱国主义教育融入到教学大纲，重新修订教学大纲，依据教学大纲确定教学目标。彰显教师要树立“课程思政”育人的主体意识，从根本上保证思政元素进入课堂。

二、教学内容和教学模式改革

目前多数高校使用的固体物理教材，内容基本包括晶体的结构、晶体的结合、晶格振动与晶体的热学性质、晶体中的衍射、金属电子轮和周期场中的电子态等内容。作为一个学期的专业核心课程，大部分的高校计划64学时，而北方民族大学材料类专业的学时数只有48学时，只能讲授固体物理基础的部分内容。加之缺少热力学统计物理与量子力学方面的知识，全面讲授固体物理有很大的困难。为了解决这个矛盾，将对授课内容做以下调整。（1）有选择性地讲授。对固体物理各章节讲授要有主次之分，重点内容精讲，在其他课程中涉及的内容可以略讲或不讲[5]。例如，固体物理中关于什么是晶体、晶体结构和晶体结合等内容学生已经在材料科学基础里学过了，所以在讲授这部分内容时只选择性地讲解重点和难点，对基本概念和术语一带而过[5]。（2）重思想轻推导。对于有些章节的难点，不追求烦琐的数学推导，更多地突出物理思想的表达[5]；比如应用量子力学的微扰理论求解准自由电子模型和紧束缚模型时，力求讲清量子力学的处理思路，对于求解复杂的薛定谔方程的过程可以一带而过，不要陷入复杂的公式推导和繁杂的方程求解过程中。对于某一个具体理论要重点讲述其建立过程与物理模型。物理模型尽量简单，深入浅出，让学生学会用固体物理学的方法思考和处理问题。（3）适时增加固体物理学科前沿内容的讲授，合理补充与固体物理学科联系紧密的半导体物理学科最新的学术成果与进展[5]。引导学生积极参与老师的科研实验，鼓励学生多听学校邀请的国内专家的学术报告，了解最新的学术动态，培养对科学研究的兴趣，为学生继续深造和从事科研工作奠定基础。

摘要：大学物理课程是材料专业的基础课，它的教学改革具有重要的意义。文章从改革课件、增加与材料专业相关内容、教学方法改革等方面做了初步的探讨和尝试，从而增强学生兴趣，增大了课程的内容含量。

关键词：大学物理；基础课；教学改革

物理学是材料学发展的基础，材料的发展离不开物理，材料科学中遇到的难题不断吸引物理学家去解答，新材料、新工艺和各种微观结构性能的研究又涉及到物理学的各个领域，材料学最新的研究方向更是从偏重化学实验转向偏重物理分析。大学物理是材料类学生的一门重要的基础课程，也是大一新生走进大学校园最先接触到的课程之一，这门课程旨在培养学生对物理原理的理解，为学生进一步学习材料专业的相关理论知识打下良好的基础。与此同时，大学物理还能培养物理特色的思维方式，对学生处理其他问题也具有指导作用：即透过现象看本质、抓主要矛盾、做合理假设、建数学模型，从而真正做到举重若轻、事半功倍。大学物理是世界范围内理工科高等院校普遍开设的基础课程。美国哈佛大学[1]的物理教学模式主要包括，第一，案例教学；第二，互动讨论法教学；第三，教研结合教学；第四，教师独立教学。麻省理工学院提出了以研究为主的大学物理教学模式[2]，在教学过程中，教师只是起到指导作用，学生是教学活动的主体，从而更好的培养和造就科技人才。北卡罗来纳州立大学采用以学生为中心的教学法[3]，学生们在小组里互相合作，进行活动，而教师负责通过讨论，对学生进行指导。伊利诺伊大学香槟分校的大学物理教学中，整个教学过程都是以学生为主体[4]，强调学生的参与，教师在授课过程中，大量提问，学生积极踊跃参与讨论。德国克劳斯塔尔工业大学也注重教学和科研的统一[5]。这种教学与科研密切结合的体制，对提高大学物理教学质量大有裨益。这些世界一流名校的经验对于国内的普通高校未必适用，我们只需加以借鉴，并不一定要完全照搬。目前国内尤其是地方院校，大学物理的教学情况是：学时少，现代化教育手段运用不足。更严峻的是，扩招给地方院校带来巨大的压力，师资力量无法满足需要，而生源质量又大幅下降，因此对大学物理教学的影响压力很大。我们在聊城大学材料科学与工程学院多年的大学物理的教学过程中发现，很多学生认为大学物理内容过于深奥抽象，难以学以致用。还有一部分学生觉得大学物理的内容与自己的专业课程联系不大，没有多少实际用途，以致于学学物理的兴趣不佳，主动性差，甚至有厌学情绪。上课不认真，玩手机，学习其他课程甚至逃课，课后抄袭作业甚至不写作业，考试时作弊等现象比比皆是。很多学生不为学会知识，只为应付考试及格。目前材料专业的大学物理教学基本上是沿袭物理专业的教学模式进行的，这样的模式不适用于材料专业建设和学生主动性培养的要求，主要表现在：1.材料学的发展日新月异，然而我们所用的大学物理教材内容依然是沿用多年前的教材体系，教材里只有极少的现代科技发展的简介，对学生缺乏足够的吸引力。2.大学物理教学内容对学生的专业、学科没有区分，与专业结合不够紧密，教师只注重物理知识的讲授，忽视物理学与材料专业之间的紧密联系及物理知识在实际中的应用，因此无法激发学生的学习热诚。3.大学物理课堂内容多以教师讲述为主，课堂上演示性、设计性实验较少，以致于很多抽象的原理学生理解不了，同时，课堂和课后师生间互动较少，教学质量大大降低。当前，各学校各专业都在积极的探索适合本专业学生的大学物理教学模式，以解决当前阻碍大学物理教学改革的瓶颈。本文根据聊城大学材料学院的实际情况，以提高材料专业大学物理课程教学质量、培养学生科研精神、增强学生分析问题解决问题的能力为出发点，依据大学物理教学的目标与要求，结合材料专业特色，注重物理知识与材料知识的联系，体现物理知识是材料专业研究工具的特点，开展对材料专业大学物理教学模式改革的探讨，最终调动学生的学习热诚，使学生懂得学习物理的重要性并能用物理知识解决专业问题，使物理知识与材料专业知识相辅相成、互相促进。本文的改革方案如图1所示：

一、积极探索，改革教学软件

利用专业软件工具包制作一套适合材料专业学生的大学物理电子教程。大学物理课堂上，加入材料、物理、生物、计算机、天文学的前沿科技，弥补传统教材体系落后于时代、应用性不强的缺点。让学生能够了解到社会的发展和科技前沿的最新动态，将学生代入一个生动、形象、具体的环境，活跃课堂气氛，开阔学生视野，增加学生的求知欲望。

二、将物理学史贯穿融入到物理课的教学中去

讲课过程中，融入与课本相关的物理方面的名人轶事和物理学史。通过讲述科学家的趣事和成长成才经历，让学生体会到大学物理的方法论是如何演绎的，让学生感悟物理学家是如何考虑科学问题，如何解决问题的，了解物理学大师科学创造的思路，使学生从中获得启发、感悟和熏陶。让学生自己体会做学问的三个境界：昨夜西风凋碧树，独上高楼，望断天涯路；衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴；众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处。掌握了这三个境界，学生便很自然的掌握了科学的逻辑思维方法。

摘要：通过具体的实例探究在大学物理教学过程中把思想政治教育和文化素质教育恰当融合，实现既教书又育人，充分落实高校的立身之本在于立德树人的精神。

关键词：大学物理;教学理念;教学内容;课程思政

在高校政治思想会议上指出高校的立身之本在于立德树人，要充分利用好高校的各个渠道特别是课堂教学这个主渠道，把思想教育和文化素质教育融合，实现各门课程的教育教学的全过程育人、全方位育人。要将高校思想政治教育融入到其它课程教学和改革的各环节、各方面，形成一个协同效应[1]。怎样把大学物理课程与思政教育结合起来是我们每位大学物理教师要探究的课题。本文从以下几个方面对大学物理教学过程融入思政进行了探索。

1教师要树立新的教育教学理念

无论是进行基础课程教学还是专业课程教学，教师时刻都应该记住我们的使命是教书育人，既要对学生进行文化知识的传授和能力的培养，又要结合课程内容对学生进行思想政治教育[2]，引导他们树立正确的人生观和价值观，先天下之忧而忧,后天下之乐而乐，为建设繁荣昌盛的社会主义祖国而勤奋学习。

2思想政治教育融入大学物理课堂教学过程

2.1大学物理课程教学大纲要体现课程思政

[摘要]有机化学是化学专业以及应用化学专业的一门必修专业基础课。有机化学课程内容较繁杂，理论性较强，抽象的知识点也多，是学生学习起来比较吃力的课程之一。根据有机化学理论课程的特点，结合教学实际情况，本文探讨了计算机多媒体技术在有机化学各模块教学中的应用及优点。通过在教学过程结合多媒体技术的使用，有效提高了学生的学习兴趣以及积极性，产生了较好的教学效果。

[关键词]有机化学；多媒体；教学；高等教育；化学专业

有机化学是高等学校化学专业以及应用化学专业的必修专业基础课程，是研究有机化合物的一门基础学科[1]。有机化学理论课程包含的内容较广，涵盖有机化合物的微观分子结构、反应机理、宏观物理化学性质以及有机合成等方面。有机化学既包含一些传统的化学键以及化学反应概念，也有来自量子力学的电子云、原子及分子轨道等概念。有机分子的结构复杂，涉及碳链异构、位置异构、官能团异构、对映异构和非对映异构等同分异构概念，学习这些概念对学生的空间想象力以及逻辑思维能力等都有一定的要求。此外，有机化学中的反应历程和立体化学选择性依赖于有机分子的三维空间结构。一方面，对于老师而言，在有限时间内画出复杂有机分子的空间结构或是将一个复杂的反应机理用精炼的语言讲清楚都是较有挑战的问题。另一方面，对学生来说，有机化学按照官能团分类导致知识点相对零散，涉及空间结构的理论知识学习难度较大，自学容易受到挫折，导致自主学习的动力不足，效果也不佳。在压缩课时成为高等教育教学改革的大趋势之后，众多高校减少了包括有机化学在内的各种课程的理论教学课时，但是教学内容并没有显著的变化[2]。这就对于有机化学的理论讲授提出了更高的要求，亦即教师如何在更少的时间内完成相关知识的传授并达到较好的效果。为了增强学生的学习积极性以及学习成效，国内众多高校教师对于有机化学的理论教学改革开展了探讨，认为多媒体对于压缩课时背景下的理论教学可以起到很好的辅助作用[3-7]。多媒体技术在高等教育中已经得到了广泛的应用，通过计算机和投影仪将事先做准备好的课件(可以包含图像、动画、音频和视频等内容)投影到大屏幕上，可减少老师的简单重复劳动而节约大量时间。以有机物为例，常见分子结构可以制造成三维球棍模型。在ChemDraw、Gaussview以及Chemoffice等专业化学作图软件的支持下，这些结构模型可以很容易实现旋转、平移以及缩放等效果[8-9]，增加了知识点的可读性与趣味性从而提高学生的学习兴趣及效果。

1多媒体技术在近代价键理论中的应用

绪论是有机化学的第一章，也是打下学习基调的重要章节。为了让学生保持较高的学习兴趣，一种方案是让学生了解有机化学的发展历史以及在国民经济以及社会生活中的重要作用，并让他们意识到有机化学的学习有规律可循，无需焦虑。对于原子与分子轨道的理解需要引入近代价键理论，涉及量子化学波函数以及原子、分子轨道等抽象概念。为吸引学生兴趣，我们在课上介绍了量子力学的发展历史、在量子力学发展中起到重大作用的德布罗意、薛定谔、波尔、爱因斯坦、海森堡、狄拉克等著名科学家。我们也给学生讲解了吴有训、叶企孙和王守竟等我国的老一辈学者在国外求学时也在量子力学领域做出了一些比较重要的贡献，从而增强学生的民族自豪感和民族自信心。这些历史人物的照片以及参考资料以幻灯片的方式展示给学生，让学生在瞻仰前辈学者形象的同时也能汲取他们锐意创新进取的精神。在介绍电子波函数的时候，我们将几种典型的波函数通过三维彩图的方式投影在屏幕上，在不同相位标注上不同的颜色，这样分子的化学键或者是反键对应的电子云分布就能看得很清楚。我们也针对碳原子的不同杂化情况，用三维作图软件画出了相应的杂化轨道以及电子云分布彩图。和教科书上的二维黑白图片相比，ChemDraw、Gaussview以及Chemoffice等专业化学作图软件提供的三维空间彩图能揭示更多细节。通过这些信息的综合展示，学生在有限的时间里对于分子的微观结构有了更加感性的认识，提高了学习的信心。

2多媒体技术在烷烃以及环烷烃结构与性质中的应用

在烷烃与环烷烃的章节内容中涉及到碳原子的sp3杂化。传统的结构式写法是将分子用平面结构的方式画出来，但是实际即使是直链烷烃分子的碳链也是以锯齿状弯曲的方式，而环烷烃的结构也并非是平面结构。我们用多媒体技术展示这些分子结构的球棍模型，其中不同大小和不同颜色的球来表示不同的原子，细棍则表示两个原子之间的化学键。根据这些三维模型，学生可以清楚地看出直链烷烃分子的碳骨架呈锯齿形状，环烷烃的碳原子则以船型或椅型构象作为其稳定结构，而较小的环烷烃的碳原子也并不处在同一个平面上，这样也能容易理解小环的张力问题。为了让学生更好地理解构象的概念，我们在软件中操作乙烷分子模型中的一个CH3基团发生转动，通过透视角度来看两个基团的相对位置，让学生直观理解分子构象的概念。在教材中只将烷烃的一部分热力学参数做成了图，我们则进一步将表格中给出的燃烧热、生成热等信息也做成图，这样学生能更方便地看到烷烃的性质随着烷烃碳链长度的变化趋势。而在涉及烷烃的氯化反应时，我们用卡通动画来形象地显示一个氯分子在吸收光子之后变成两个氯原子，之后氯原子又和甲烷分子碰撞产生甲基自由基以及氯化氢分子，甲基自由基又进一步和氯分子产生氯甲烷以及氯原子的一系列自由基链反应过程。这些都切实提高了学生的注意力，提高了他们参与课堂的积极性。

摘要:大学物理在理工科高校扮演重要角色，是众多理工科基础。本文针对新时期理工科专业大学物理教学中的现状，从教学内容、教学手段、教学形式等方面浅析教学改革举措，促进大学物理学科发展，同时培养本科生逻辑思维、科学思维能力，更好的促进大学生全面发展。

关键词:大学物理；教学改革；教学手段

0引言

《大学物理》是高等院校、理工科专业学生所必修的一门公共基础课。主要内容包括力学、热学、光学、电磁学及量子物理部分[1]。涉及内容较多，覆盖面较广，同时要求严密的逻辑推导能力与数学运算能力。因此理工科专业学生在学习过程中面临较大困难。同时，很多理工学科的学生往往对大学物理重视程度不够，视其为一般大学公共课程。此外，随着互联网技术发展，大学生往往被形形色色的网络所吸引，相对枯燥的大学物理往往缺少足够的趣味性以致不能激发大学生学习物理的兴趣。以上种种因素造成大学物理学科发展缓慢。而事实上，大学物理不单单是理工专业公共基础课，同时是其他学科如材料科学与工程、机械工程、通信工程、热能与动力工程、土木工程等学科的基础。此外，面对日益发展的科学技术，物理学科往往承载着重要作用。环顾三次工业革命，无一不一随着物理学科发展而发生[2]。第四次工业革命也可能随着量子通信、量子计算机、可控核聚变等物理技术的发展而发生。因此，新时期下《大学物理》教学改革非常必要，不但有利于促进物理学科的发展，同时有利于为社会培养高技能理工科专业人才。本文将从教学内容、教学手段、教学形式等方面浅析教学改革举措，以此提高大学物理教学水平。

1教学内容改革

新时期下，理工专业对物理学科重视程度越来越低。由于课程较难、不及格学生较多，一些院校将大学物理的课程由通常的140学时，逐步减少至120学时、96学时甚至80学时[3]。因此，在有限授课时间内，对教学内容及时调整尤为重要。（1）因材施教、依据专业性质调整教学内容：由于大学物理涉及内容广泛，而理工专业学科众多。在有限的教学课时内，如若兼顾所有物理学研究内容，一是学而不精，二是容易造成顾此失彼。因此，按照专业相近程度，划分不同大学物理教学内容，做到合理的取舍。如对材料科学与工程、化学与工程、环境与工程等学科，加重热学、量子物理部分教学讲解；对机械工程、土木工程、建筑环境与设备工程等学科，适当增加牛顿力学部分教学；对通信工程、电子信息与工程等学科，增加电磁学比重。这样，即使在有限的教学课时内，突出重点，仍然能够使学生掌握本科学所需的物理专业知识。（2）增加物理学史与物理趣味性，吸引学生学习兴趣：物理课程不同于其他课程。物理课程需要严谨的逻辑推导与数学运算。物理往往比较枯燥，难于吸引学生兴趣。因此，适当增加教学内容的趣味性，可以大大激发学生学习兴趣，提高学生学习物理的动力。回顾物理学史，包含着无数趣味物理实验，以及物理谬论引发的趣味讨论，同时很多物理大家本身就幽默风趣。将这些有趣的故事，适当引入课堂，有助于缓解枯燥的物理教学，激发学生学习物理兴趣，更好地掌握物理概念、物理原理及物理定律的推导方法。

2教学手段改革

【摘要】在高中物理教学过程中，再现科学家的研究过程，引导学生总结得出结论，显示出研究方法在科学研究中的重要地位；通过引导学生推导规律，让学生经历规律的推导过程，培养学生的科学思维、科学探究精神；在原子物理知识的教学中，通过梳理原子物理的发展史，让学生沿着科学家的研究足迹，认识原子的结构，让学生感受到科学家锲而不舍的研究究精神和科学的研究方法，培养学生的学科素养。

【关键词】物理学史；物理教学；教育作用

物理学史的学习是物理学习的重要组成部分，在高中物理教学中，引导学生通过物理学史的学习，让学生体会知识形成过程中的科学探究过程，科学家研究所用的科学方法、坚韧不拔的科学探索精神，概念与概念、概念和规律间的关系等。让学生以物理学史为线索，梳理知识体系，学习科学方法，体会探究过程，培养学生的思维能力。以下是笔者利用物理学史进行教学的一点体会与做法。

一、再现科学家的研究过程，体现科学思维方法

科学家探索物理规律经历了漫长的过程，科学思维方法也是在探究规律的过程中总结和归纳出来的。在教学中再现科学家的研究过程，对学生科学思维方法的形成有积极的促进作用。例如，在自由落体运动的教学中，介绍伽利略对落体运动的研究过程：伽利略通过逻辑推理，指出了亚里士多德“重的物体下落得快”论断的问题，得出重物与轻物应该下落同样快慢的结论。为了进一步研究落体运动规律，伽利略首先建立了描述运动的物理量，如平均速度、瞬时速度、加速度等概念，接着猜想落体运动的速度可能随时间均匀变化，为了检验猜想是否正确，伽利略想办法用实验来检验v与t成正比是否正确。伽利略通过理论推导，得出如果速度随时间的变化是均匀的，位移就与时间的二次方成正比，只要测出位移和时间，就可以检验物体的速度与时间的关系。为了便于测量，克服落体时间短，时间不能测量的困难，伽利略设计了斜面实验，让铜球沿阻力很小的斜面滚下，加速度小，时间长，就容易测量了。伽利略通过大量实验，证明小球沿斜面下滑的运动是匀加速直线运动。换用不同质量的小球，从不同高度开始释放，只要斜面倾角相同，小球的加速度就相同。伽利略将上述实验进行了合理外推，当斜面倾角很大时，小球的运动跟落体运动差不多。当倾角增大到90°时，小球的运动就是自由落体运动。伽利略在研究运动的过程中，不仅建立了描述运动的基本概念，而且创造了把实验和逻辑推理相结合，将实验结果合理外推的科学研究方法，为近代科学研究提供了科学思维方式和科学研究方法。

二、让学生经历规律的形成过程，培养学生的科学思维和科学探究素养

在物理规律的教学中，引导学生推导规律，经历规律的形成过程，使让学生对规律的理解更深刻，也提升了学生的逻辑推理能力。例如，在万有引力定律的教学中，先介绍伽利略、开普勒、笛卡儿、胡克、哈雷等科学家对引力研究的重要贡献，牛顿在总结前人研究成果的基础上，用数学知识推导出了太阳和行星之间引力与距离的关系及行星的轨迹，提出了万有引力定律。在教学过程中，引导学生沿着科学家的研究足迹，体会万有引力定律的推导过程，运用牛顿运动定律和开普勒行星运动定律，结合圆周运动知识，引导学生把行星的运动看作匀速圆周运动，让学生分析向心力的来源及方向，通过分析，得出太阳为行星的引力提供向心力，引力方向沿着二者连线指向太阳，向心力大小为F=mv2r，行星公转周期为T，则有v=2πrT，联立得F=4π2mrT2，根据开普勒第三律r3T2=k，变形为T2=r3k，代入上式得F=4π2kmr2，可知F与mr2成正比，又根据牛顿第三定律，行星与太阳的引力F与m太mr2成正比。接着介绍了牛顿的研究过程：在推导出太阳与行星的引力之后，为了验证地球与月球之间的作用力、地球对苹果的吸引力和太阳与行星间的作用力是同一种力，牛顿推出导月球的向心加速度与苹果的自由落体加速度之比为a月a苹=1602用数据证明了上述设想的正确性，从而得出万引力定律具有普适性的结论。在课堂教学中，通过创设情境，设置问题让学生思考，参与教学过程，应用所学知识推导万有引力定律，理解万有引力定律中各物理量的意义和适用条件以及在日常生活应用等。通过教学过程，学生不但学习了物理知识，也体会了科学家的研究过程和研究方法，严谨的科学态度，同时培养了学生的科学精神、科学探究素养和科学思维。

一、多媒体与三维模型的应用

随着计算机的普及和利用，多媒体教室普遍存在，并被广泛使用。多媒体教学手段的利用，有助于学生对固体微观结构的理解。例如，可以通过视频或PowerPoint文件，可以直观地展示晶体的微观结构、原胞的选取、原胞的形状等。与传统板书相比，利用多媒体呈现并分析固体的微观结构以及晶体的结构特征，对教师而言，更加省时、省力；几何关系的表达也更为准确，便于学生的理解。此外，若能结合三维的原子实物模型，那么，固体的微观结构将能更为直观地展现在学生眼前。多媒体与三维模型的应用对于学生理解固体的微观结构、晶格的周期性、原胞、晶体的对称性等基础概念很有好处。当然，多媒体教学也存在着一定的局限性。例如，在公式的推导、基础概念的讲解等方面，板书其实更受学生的欢迎。与多媒体教学相比，板书的节奏慢，师生间可以有较多的互动；学生相对容易跟上教师思考问题、解决问题的步伐，学生也能有较充分的时间来理解各个知识点、梳理要点以及做笔记等。因此，多媒体教学还需适当地与传统板书相结合才能达到较好的教学效果。

二、教学内容的取舍

由于固体物理学融合了普通物理、热力学与统计物理、量子力学、晶体学等多学科的知识，其知识面广、量大，在有限的学时里，不可能面面俱到地讨论固体物理学所涉及的所有知识点。因此，实际教学中可以结合本专业的特色，有选择地取舍部分教学内容。例如，侧重固体热学性质的专业可以考虑以晶格振动等内容为主；而侧重微电子的专业则可以考虑以能带理论、半导体中的电子等内容为主。当然，一些多个领域都涉及到的基础知识也应是这门课程不可缺少的一部分内容。固体的微观结构和结合方式是固体物理学的基础，因此，晶体的结构和晶体的结合等知识点应是这门课程的基础知识之一。考虑到理想晶格由原子实和电子组成，晶格的运动主要在晶格振动等部分讨论；而电子的运动主要在能带理论等部分讨论，具体还可以分为金属中电子的运动和半导体中电子的运动等部分。尽管这原子实和电子的运动实际上相互联系，但很多时候，可以分别侧重讨论。此外，实际晶体也并非理想晶体；实际晶体除了有边界之外，也常含有缺陷。但在许多情况下，晶格的振动、电子的运动和缺陷的影响依然可以依据实际情况分别讨论，并得到与实际较为符合的理论结果。因此，晶格振动、能带理论和缺陷等知识点之间相对独立，或可根据各专业的实际情况取舍部分教学内容。在许多固体物理学的教材中，例如黄昆等的《固体物理学》教材和阎守胜的《固体物理基础》教材，密度泛函理论并没有被提到。事实上，密度泛函理论是一个被广泛使用的基础理论，它是凝聚态物理前言研究的有效手段之一，也是材料设计的一种有效方法。教学过程中，教师可以结合各专业的实际情况介绍一些密度泛函理论的基础知识。同时，还可以介绍一些最新的相关研究进展，以拓展学生的知识面、提高学生的学习兴趣。

三、模块化的教学形式

如前所述，固体物理学中的许多知识点间相对独立；基于这门课程的特征，教师在教学过程中可以考虑模块化的教学形式，以子课题的形式将相应内容呈现给学生。可能的模块如：讨论晶体的结构和晶体的结合方式的基础模块———晶体的结构与结合；讨论晶体中原子实运动的模块———晶格振动；讨论晶体中电子运动的模块———能带理论；讨论实际晶体中可能存在的缺陷的模块———晶体的缺陷等；其中，能带理论部分还可分为：近自由电子模型、紧束缚模型、赝势方法等数个部分。这样做首先有利于教学内容的取舍；其次，有利于学生对各知识点的理解、有利于学生梳理清楚各个知识点之间的关系。此外，固体物理学是凝聚态物理前沿研究的基础之一；其基础知识、理论推导、实验背景以及处理问题的方式方法等，都是开展凝聚态物理研究的基础。而模块化教学，以课题研究的形式提出问题、解决问题，将教学内容以问题为导向呈现给学生，这有助于培养学生的学习能力和解决实际问题的能力。而且，课题研究的教学模式，既是在教授学生知识，也是在开展科研，有助于提高学生对科研的认识、有助于培养学生的科研能力。这种课题研究的模块化教学形式还可以结合基于原始问题的教学来开展。

四、基于原始问题的教学