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量子力學(xué)最新研究范文1
量子力學(xué)是近代物理的兩大支柱之一，它的建立是20世紀(jì)劃時(shí)代的成就之一，可以毫不夸張地說(shuō)沒(méi)有量子力學(xué)的建立，就沒(méi)有人類的現(xiàn)代物質(zhì)文明[1]。大批優(yōu)秀的物理學(xué)家對(duì)原子物理的深入研究打開了量子力學(xué)的大門，這一人類新的認(rèn)知很快延伸并運(yùn)用到很多物理學(xué)領(lǐng)域，并且，導(dǎo)致了很多物理分支的誕生，如：核物理、粒子物理、凝聚態(tài)物理和激光物理等[2]。量子力學(xué)在近代物理中的地位如此之重，所以成為物理專業(yè)學(xué)生最重要的課程之一。但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生普遍感到量子力學(xué)太過(guò)抽象、難以掌握。如何改革教學(xué)內(nèi)容，將量子力學(xué)的基本觀點(diǎn)由淺入深，使學(xué)生易于理解；如何改革教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生興趣，使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。這是量子力學(xué)教學(xué)中遇到的主要問(wèn)題。作者從幾年的教學(xué)中摸索到一些經(jīng)驗(yàn)，供大家參考。
一、教學(xué)內(nèi)容和方法的改革
傳統(tǒng)的本科量子力學(xué)教學(xué)一般包括了三大部分：第一部分是關(guān)于粒子的波粒二象性，正是因?yàn)槲⒂^粒子同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性，才造成了一些牛頓力學(xué)無(wú)法解釋的新現(xiàn)象，例如測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系、量子隧道效應(yīng)等等；第二部分是介紹量子力學(xué)的基本原理，這部分是量子力學(xué)的核心內(nèi)容，如波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋、態(tài)疊加原理、電子自旋等；第三部分是量子力學(xué)的一些應(yīng)用，如定態(tài)薛定諤方程的求解，微擾方法。以上三個(gè)部分相互聯(lián)系構(gòu)成了量子力學(xué)的整體框架[3]。隨著量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)生了很多新的現(xiàn)象和成果。例如量子通訊、量子計(jì)算機(jī)等等。許多學(xué)生對(duì)量子力學(xué)的興趣就是從這些點(diǎn)點(diǎn)滴滴的新成果中得到的。如果我們?nèi)园磦鹘y(tǒng)的內(nèi)容授課，學(xué)生學(xué)完了這門課程發(fā)現(xiàn)感興趣的那點(diǎn)東西完全沒(méi)有接觸到，就會(huì)對(duì)所學(xué)的量子力學(xué)感到懷疑，而且極大地挫傷了學(xué)習(xí)自然科學(xué)的興趣。所以作者建議在教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)添加一些量子力學(xué)的新成果和新現(xiàn)象，來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4]。在教學(xué)方法上也應(yīng)該按照量子力學(xué)的特點(diǎn)有所改革。由于量子力學(xué)的許多觀點(diǎn)和經(jīng)典力學(xué)完全不同，如果我們還是按照經(jīng)典力學(xué)的方法來(lái)講，就會(huì)引起學(xué)生思維上的混亂，所以建議從一開始就建立全新的量子觀點(diǎn)。例如軌道是一經(jīng)典概念，在講授玻爾的氫原子模型時(shí)仍然采用了軌道的概念，但在講到后面又說(shuō)軌道的概念是不對(duì)的，這樣學(xué)生就會(huì)懷疑老師講錯(cuò)誤的內(nèi)容教給了他們，形成邏輯上的混亂。我們應(yīng)該從一開始就建立量子的觀點(diǎn)，淡化軌道的概念，這樣學(xué)生更容易接受。
二、重視緒論課的教學(xué)
興趣是最好的老師。作為量子力學(xué)課程的第一節(jié)課，緒論課的講授效果對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣影響很大，所以緒論課直接影響到學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)量子力學(xué)這門課程的態(tài)度。當(dāng)然很多學(xué)生非常重視這門課程，但學(xué)這門課的主要目的是為將來(lái)參加研究生入學(xué)考試，僅僅只是在行動(dòng)上重視，而沒(méi)有從思想上重視起來(lái)。如何使這部分學(xué)生從被動(dòng)的學(xué)習(xí)量子力學(xué)變?yōu)橹鲃?dòng)地學(xué)習(xí)，這就要從第一節(jié)課開始培養(yǎng)。在上緒論課時(shí)作者主要通過(guò)以下幾點(diǎn)來(lái)抓住學(xué)生的興趣。首先列舉早期與量子力學(xué)相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾獎(jiǎng)得主歷來(lái)都是萬(wàn)眾矚目的人物，學(xué)生當(dāng)然也會(huì)有所關(guān)心，而且這些諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的主要工作在量子力學(xué)這門課程中都會(huì)一一介紹，這樣一方面通過(guò)舉例子的方法強(qiáng)調(diào)了量子力學(xué)在自然科學(xué)中的重要地位，另一方面為學(xué)生探索什么樣的工作才可以拿到諾貝爾獎(jiǎng)留下懸念。抓住學(xué)生興趣的第二個(gè)主要方法是列舉一些量子力學(xué)中奇特的現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生探索奧秘的動(dòng)力，例如波粒二象性帶來(lái)的“穿墻術(shù)”、量子通訊、如何測(cè)量太陽(yáng)表面溫度等等，這些都很能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣。綜上所述，緒論課的教學(xué)在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中至關(guān)重要，是引導(dǎo)學(xué)生打開量子力學(xué)廣闊天地的一把鑰匙。
三、重視物理學(xué)史的引入
隨著量子力學(xué)學(xué)習(xí)的深入，學(xué)生會(huì)接觸到越來(lái)越多的數(shù)學(xué)公式以及數(shù)學(xué)物理方法的內(nèi)容，雖然學(xué)生會(huì)對(duì)量子力學(xué)的博大精深以及人類認(rèn)知能力驚嘆不已，但在學(xué)習(xí)過(guò)程中感覺(jué)越來(lái)越枯燥乏味。并且，學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣和信息在這個(gè)時(shí)候受到很大的考驗(yàn)，想要把豐碩的量子力學(xué)成果以及博大精深的內(nèi)涵傳達(dá)給學(xué)生，就得在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)際上，很多學(xué)生對(duì)量子力學(xué)的發(fā)展史有很濃厚的興趣，甚至成為學(xué)生閑聊的素材，因此，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候講述量子力學(xué)發(fā)展史可以增加學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和熱情。在講授過(guò)程中，可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，融入量子力學(xué)發(fā)展史中的名人逸事和照片，如：索爾維會(huì)議上的大量有趣爭(zhēng)論和物理學(xué)界智慧之腦的“明星照”，或用簡(jiǎn)單的方法用板書的形式推導(dǎo)量子力學(xué)公式。例如在講到黑體輻射時(shí)，作者講到普朗克僅僅用了插值的方法，就給出了一個(gè)完美的黑體輻射公式。而插值的方法普通的本科生都能熟練掌握，這一方面鼓勵(lì)學(xué)生：看起來(lái)很高深的學(xué)問(wèn)，其實(shí)都是由很簡(jiǎn)單的一系列知識(shí)組成，我們每個(gè)人都有可能在科學(xué)的發(fā)展過(guò)程中做出自己的貢獻(xiàn)；另一方面教導(dǎo)學(xué)生，不要看不起很細(xì)微的東西，偉大的成就往往就是從這些地方開始。在講到普朗克為了自己提出的理論感到后悔，甚至想盡一切的辦法推翻自己的理論時(shí)，告訴學(xué)生科研的道路并不是一帆風(fēng)順的，堅(jiān)持自己的信念有時(shí)候比學(xué)習(xí)更多的知識(shí)還要重要。在講到德布羅意如何從一個(gè)紈绔子弟成長(zhǎng)為諾貝爾獎(jiǎng)獲得者；在講到薛定諤如何在不被導(dǎo)師重視的條件下建立了波動(dòng)力學(xué)；在講到海森堡如何為了重獲玻爾的青睞，而建立了測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系；在講到烏倫貝爾和古茲米特兩個(gè)年輕人如何大膽“猜測(cè)”，提出了電子自旋假設(shè)，這些學(xué)生都聽(tīng)得津津有味。這些小故事不僅讓學(xué)生從中掌握的量子力學(xué)的基本觀點(diǎn)和發(fā)展過(guò)程，而且對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的思維方法和科研品質(zhì)都有很大幫助。
四、教學(xué)手段的改革
量子力學(xué)中有很多比較抽象原理、概念、推導(dǎo)過(guò)程和現(xiàn)象，這增加了學(xué)生理解的難度。而且在授課過(guò)程中有大量的公式推導(dǎo)過(guò)程，非常的枯燥。所以在教學(xué)過(guò)程中穿插一些多媒體的教學(xué)形式，多媒體的應(yīng)用能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足，比如：把瞬間的過(guò)程隨意地延長(zhǎng)和縮短，把復(fù)雜的難以用語(yǔ)言描述的過(guò)程用動(dòng)畫或圖片的形式分解成詳細(xì)的直觀的步驟表達(dá)清楚[5]。相對(duì)于經(jīng)典物理來(lái)說(shuō)，量子力學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)并不多，在講解康普頓散射、史特恩-蓋拉赫等實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以運(yùn)用多媒體技術(shù)，采用圖形圖像的形式模擬實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程。用合適的教學(xué)軟件對(duì)真實(shí)情景再現(xiàn)和模擬，讓學(xué)生多冊(cè)觀察模擬實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程。量子力學(xué)的一些東西不容易用語(yǔ)言表達(dá)清楚，在頭腦中想象也不是簡(jiǎn)單的事情，多媒體的應(yīng)用可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的這塊短板，形象地模擬實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解和記憶。比如電子衍射的實(shí)驗(yàn)，我們不僅可以用語(yǔ)言和書本上的圖片描述這個(gè)過(guò)程，還可以通過(guò)多媒體用動(dòng)畫的形式表現(xiàn)出來(lái)，讓電子通過(guò)動(dòng)畫的形式一個(gè)一個(gè)打到屏幕上，形成一個(gè)一個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)來(lái)顯示出電子的粒子性；在快進(jìn)的形式描述足夠長(zhǎng)時(shí)間之后的情況，也就是得出電子的衍射圖樣，從而給出電子波動(dòng)性的結(jié)論和波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋，經(jīng)過(guò)這樣的教學(xué)形式，相信學(xué)生能夠更加深刻地理解微觀粒子的波粒二象性[6]。但在具體授課過(guò)程中不能完全地依賴于多媒體教學(xué)，例如在公式的推導(dǎo)過(guò)程中，傳統(tǒng)的板書就非常接近人本身的思維模式，容易讓學(xué)生掌握，如果用多媒體一帶而過(guò)，往往效果非常的不好。所以教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該傳統(tǒng)教學(xué)和多媒體教學(xué)并重，對(duì)于一些現(xiàn)象的東西多媒體表現(xiàn)更為出色；而一些理論方面的東西傳統(tǒng)的板書更為有利，兩者相互結(jié)合可以大大提高教學(xué)效率，增強(qiáng)課堂教學(xué)效果和調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[7]。
五、加強(qiáng)教學(xué)過(guò)程的管理
量子力學(xué)最新研究范文2
關(guān)鍵詞：量子力學(xué) 教學(xué)改革 物理思想
“量子力學(xué)”作為學(xué)習(xí)“固體物理”、“材料科學(xué)”、“材料物理與化學(xué)”和“激光原理”等課程的重要基礎(chǔ)，同時(shí)也是物理學(xué)專業(yè)及相關(guān)工科專業(yè)最核心的基礎(chǔ)課程之一。20世紀(jì)，“量子學(xué)說(shuō)”被作為物理科學(xué)研究和人類文明進(jìn)步的標(biāo)志性貢獻(xiàn)，引起了廣泛地重視。通過(guò)對(duì)量子學(xué)說(shuō)的學(xué)習(xí)，能夠使學(xué)生充分利用到所學(xué)的理論知識(shí)，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析和尋求解決方法，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。盡管如此，但該門課程所涉及的內(nèi)容較為空洞、抽象，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)造成阻礙，使學(xué)生喪失了學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)生也很難熟練掌握量子學(xué)說(shuō)課程的要點(diǎn)。因此，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平的關(guān)鍵，但是如何調(diào)動(dòng)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性，成為了廣大教師很棘手的問(wèn)題。筆者根據(jù)近幾年的教學(xué)模式，綜合長(zhǎng)江大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我校”）的教學(xué)現(xiàn)狀，在“量子學(xué)說(shuō)”教學(xué)方面，整理出一套符合我校教學(xué)實(shí)際的改革和嘗試，并取得了較好的效果。
1.“量子力學(xué)’’教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)。量子學(xué)說(shuō)的理論與以往所學(xué)的傳統(tǒng)物理體系大有不同，重點(diǎn)表現(xiàn)在處理問(wèn)題的方式上，但是卻又與傳統(tǒng)物理有著不可分割的關(guān)系，可以說(shuō)，量子學(xué)說(shuō)中很多的概念和理論都來(lái)源于傳統(tǒng)的物理學(xué)說(shuō)。這就要求在學(xué)習(xí)量子學(xué)說(shuō)的同時(shí)，既要摒棄以往學(xué)習(xí)物理形成的固有思考方式，又要遵循某些與傳統(tǒng)物理中相通之處的原理和學(xué)習(xí)法則。然而，這種思維上的反差必然導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)的困惑，除此之外，量子學(xué)說(shuō)較強(qiáng)的理論性也誤導(dǎo)學(xué)生陷于數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)的煩惱中，從而使學(xué)生喪失了學(xué)習(xí)興趣。根據(jù)這些教學(xué)中存在的問(wèn)題，筆者提出了以下相應(yīng)的有益改進(jìn)。
（1）知識(shí)條理化，強(qiáng)化知識(shí)背景，增強(qiáng)趣味性。量子學(xué)說(shuō)從誕生到最終建立，每一步的發(fā)展都經(jīng)過(guò)了縝密、細(xì)致、實(shí)事求是的分析，并不斷地完善和改進(jìn)。通過(guò)介紹量子學(xué)說(shuō)的發(fā)展背景，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并有利于學(xué)生明確量子學(xué)說(shuō)與傳統(tǒng)物理之間的區(qū)別，同時(shí)讓學(xué)生在發(fā)展歷程中尋找合適的學(xué)習(xí)方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。在解釋某些理論和原理時(shí)，可以穿插講述其歷史背景，方便學(xué)生理解。通過(guò)這種方式，既能讓學(xué)生掌握理論知識(shí)，又有利于學(xué)生區(qū)分量子學(xué)說(shuō)與傳統(tǒng)物理的區(qū)別[1]。
（2）重在物理思想，壓縮數(shù)學(xué)推導(dǎo)。數(shù)學(xué)在其相關(guān)學(xué)科的運(yùn)用，所起到的作用只是一種輔助工具。在物理研究中也不例外，如果過(guò)分強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)的地位和作用，只會(huì)本末倒置。因此，在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)著重加強(qiáng)基本概念和蘊(yùn)含的區(qū)里實(shí)質(zhì)，而不能將物理思想埋沒(méi)在數(shù)學(xué)公式之中，應(yīng)把重點(diǎn)放在物理意義和實(shí)際運(yùn)用上，只有這樣，學(xué)生才能保持較好的學(xué)習(xí)熱情。
2.教學(xué)方法改革。傳統(tǒng)的教學(xué)模式使學(xué)生一直處于被動(dòng)接受知識(shí)的狀態(tài)下，抑制了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，不僅不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的獲取，更阻礙了其創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，而且量子學(xué)說(shuō)的理論抽象，很難被學(xué)生理解，傳統(tǒng)的教學(xué)方法，無(wú)法被學(xué)生接受，并會(huì)引起學(xué)生的反感，甚至厭學(xué)。如此一來(lái)，必然打擊學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，更降低了學(xué)習(xí)效率。為了促進(jìn)學(xué)習(xí)效率，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其科學(xué)素養(yǎng)，筆者在教學(xué)模式上，探索出一些有效的措施。
（1）發(fā)揮學(xué)生主體作用。教師在課堂學(xué)習(xí)中有著舉足輕重的作用，除了傳授學(xué)生知識(shí)以外，還有著更重要的引導(dǎo)作用。在講解完規(guī)定的教學(xué)任務(wù)之外，還應(yīng)設(shè)定教師與學(xué)生的互動(dòng)環(huán)節(jié)，通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和分析，使學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行歸納總結(jié)。另外，還可以通過(guò)以問(wèn)題的形式結(jié)束未講授的內(nèi)容，引起學(xué)生的興趣，并鼓勵(lì)學(xué)生課下利用課外資源尋求答案；還可以以小組的形式，讓學(xué)生團(tuán)結(jié)合作，對(duì)感興趣的物理理論進(jìn)行探討分析，并完成相關(guān)的小組論文。
（2）注重構(gòu)建物理圖像。由于物理理論都比較抽象，不利于理解，所以構(gòu)建圖像很重要，它不僅能夠完整地表達(dá)所要傳達(dá)的信息，而且能夠方便學(xué)生理解和記憶。圖像簡(jiǎn)潔、清新的特點(diǎn)，使學(xué)生更熟練地掌握物理圖像的構(gòu)建能力，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維也有促進(jìn)作用。
3.教學(xué)手段和考核方式改革。（1）用多種先進(jìn)的教學(xué)模式。采用小組討論課，可安排小組內(nèi)討論，然后是小組之間進(jìn)行辯論，最后由教師對(duì)辯論進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和更正。例如，在講到微觀粒子的波函數(shù)時(shí)，有的學(xué)生認(rèn)為是全部粒子組成波函數(shù)，有的學(xué)生認(rèn)為是經(jīng)典物理學(xué)的波。這些問(wèn)題的討論激發(fā)了學(xué)生的求知欲望，從而進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生對(duì)一些不易理解的概念和量子原理進(jìn)行深入理解，直至最后充分理解這些內(nèi)容。另外布置課外論文和邀請(qǐng)知名專家進(jìn)行講座都是不錯(cuò)的方式。
（2）堅(jiān)持研究型教學(xué)方式。教學(xué)中不再單一地只講授課堂知識(shí)，而是把科研融入到課堂學(xué)習(xí)之中，結(jié)合最新的科研動(dòng)態(tài)，向?qū)W生介紹所學(xué)的原理在其相關(guān)領(lǐng)域中的運(yùn)用，以引起學(xué)生的興趣。
（3）將人文教育與專業(yè)教學(xué)相結(jié)合。量子概念誕生于1900年，它首次由德國(guó)物理學(xué)家普朗克引入；1905年，愛(ài)因斯坦進(jìn)一步完善了量子的概念；1913年，玻爾將量子化概念引入到原子中；1924年，德布羅意通過(guò)量子的概念提出微觀粒子具有波粒二象性；由此可見(jiàn)，物理學(xué)史上，力學(xué)從誕生到發(fā)展所蘊(yùn)含的創(chuàng)新思維是迄今為止任何一門學(xué)科都難以比擬的，教師和學(xué)生一起回顧量子力學(xué)的發(fā)展之路，讓學(xué)生了解到量子力學(xué)的魅力所在，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。
量子力學(xué)最新研究范文3
關(guān)鍵詞：科學(xué)史；近代物理；教學(xué)改革；高等教育
中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）50-0072-03
近代物理是高等學(xué)府物理類、化學(xué)類和電子類學(xué)科的一門必修課，通常放在講授完大學(xué)物理之后。大學(xué)物理的內(nèi)容主要是理論力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理。近代物理的內(nèi)容主要是相對(duì)論和量子力學(xué)。由于相對(duì)論和量子力學(xué)離我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)比較遠(yuǎn)，所以學(xué)起來(lái)比較晦澀難懂。本文介紹了筆者如何通過(guò)講授近代物理知識(shí)和對(duì)應(yīng)的近代物理科學(xué)史相接合，來(lái)提高同學(xué)們對(duì)近代物理的理解和興趣。
一、近代物理科學(xué)史簡(jiǎn)介
近代物理的科學(xué)史是一部十分生動(dòng)活潑的歷史，時(shí)間跨度大概是從1900年到現(xiàn)代。這段時(shí)間可以說(shuō)是十分不平凡和波瀾壯闊的一百多年。這期間發(fā)生了人類歷史上僅有的二次世界大戰(zhàn)，其中涌現(xiàn)的具有極高才華和貢獻(xiàn)的科學(xué)家數(shù)量差不多抵得上人類歷史上前五千年的科學(xué)家數(shù)量總合。而人物傳記作家也多對(duì)他們的人生經(jīng)歷極為感興趣，出了很多關(guān)于他們的傳記[1-3]。另外這些近代物理學(xué)家們很多本身也頗博學(xué)多才，具有良好的文學(xué)才能和修養(yǎng)，因此很多人他們自己也出自傳。這些傳記和自傳都能給《近代物理》課堂上的科學(xué)史教學(xué)提供豐富的素材和參考。相對(duì)論和量子力學(xué)的理論和公式雖然比較高深難懂，但是它們解釋的現(xiàn)象由于跟人們的日常經(jīng)驗(yàn)相悖，所以還是會(huì)引起人們廣泛的興趣。比如時(shí)間和空間是不可分的，物體的動(dòng)量和時(shí)間不能同時(shí)精確測(cè)量，光速是宇宙中最快的速度，這些一般人憑經(jīng)驗(yàn)的確很難理解。進(jìn)而人們也會(huì)對(duì)提出和發(fā)現(xiàn)這些理論的科學(xué)家們（如愛(ài)因斯坦）感興趣。圖1為作者按照時(shí)間順序出場(chǎng)依次在課堂上介紹的量子力學(xué)史上各個(gè)重要的歷史人物。這些科學(xué)人物大多數(shù)彼此交往比較密切，在學(xué)術(shù)上好像切磋和影響，進(jìn)而也加速了思想火花的碰撞和創(chuàng)新性理論的誕生。
在課堂上講述近代物理科學(xué)史的過(guò)程中，還可以幫助同學(xué)們了解在學(xué)術(shù)研究過(guò)程中需要注意的問(wèn)題。比如搞科研不能囿于自己的私密空間，而要鼓勵(lì)多做學(xué)術(shù)交流。學(xué)術(shù)交流的好處是：（1）可以了解最新的研究動(dòng)態(tài)；象在近代物理史上著名的哥本哈根學(xué)派就是個(gè)很好的例子。1921年，在著名量子物理學(xué)家波爾的倡議下，成立了哥本哈根大學(xué)理論物理學(xué)研究所，由此形成哥本哈根學(xué)派。其中波恩、海森堡、泡利以及狄拉克等都是這個(gè)學(xué)派的主要成員。由于哥本哈根學(xué)派提供了很好的學(xué)術(shù)交流環(huán)境和學(xué)術(shù)氛圍，在這個(gè)學(xué)派里鼓勵(lì)發(fā)表不同的觀點(diǎn)，不迷信權(quán)威，所以涌現(xiàn)出了很多重要的量子力學(xué)成果。（2）可以發(fā)現(xiàn)自己的不足；比如愛(ài)因斯坦于1919年在剛開始推導(dǎo)廣義相對(duì)論的時(shí)候，在公式里人為增加了一個(gè)常數(shù)項(xiàng)，從而得出他起先所認(rèn)為的靜態(tài)宇宙模型。不過(guò)1922年亞歷山大?弗里德曼摒棄了這個(gè)常數(shù)項(xiàng)，從而得出相應(yīng)的宇宙膨脹理論。比利時(shí)牧師勒梅特應(yīng)用這些解構(gòu)造了宇宙大爆炸的最早模型，模型預(yù)言宇宙是從一個(gè)高溫致密的狀態(tài)演化而來(lái)。到1929年，哈勃等人又用實(shí)際的觀測(cè)證明我們的宇宙的確處于膨脹狀態(tài)。通過(guò)學(xué)術(shù)交流，愛(ài)因斯坦終于接受了宇宙膨脹理論，并承認(rèn)添加宇宙常數(shù)項(xiàng)是他一生中犯下的最大錯(cuò)誤。（3）可以激發(fā)自己的靈感；比如波爾在1911年從丹麥哥本哈根大學(xué)獲得博士學(xué)位后去英國(guó)學(xué)習(xí)，先在劍橋湯姆遜主持的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室工作，幾個(gè)月后又去曼徹斯特在盧瑟福的手下搞科研，這使得他對(duì)湯姆遜關(guān)于原子的西瓜模型和盧瑟福的核式原子模型了如指掌，同時(shí)他又很熟悉普朗克和愛(ài)因斯坦的量子學(xué)說(shuō)，這些學(xué)術(shù)交流活動(dòng)激發(fā)了他的靈感，使得他最終于1913年初創(chuàng)造性地把普朗克的量子說(shuō)和盧瑟福的原子核概念結(jié)合起來(lái)，提出了自己的波爾原子模型。（4）可以激勵(lì)自己不斷進(jìn)步和成長(zhǎng)。比如薛定諤在1925年受到愛(ài)因斯坦關(guān)于單原子理想氣體的量子理論和德布羅意的物質(zhì)波的假說(shuō)的啟發(fā)，從經(jīng)典力學(xué)和幾何光學(xué)間的類比提出了對(duì)應(yīng)于波動(dòng)光學(xué)的波動(dòng)力學(xué)方程，從而奠定了波動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。但是他一開始并不清楚他自己建立的波動(dòng)方程中的波具體代表什么物理概念。起初他試圖把波函數(shù)解釋為三維空間中的振動(dòng)，把振幅解釋為電荷密度，把粒子解釋為波包，但他無(wú)法解決“波包擴(kuò)散”的問(wèn)題。最終經(jīng)過(guò)他與波恩的多次學(xué)術(shù)交流，他逐漸認(rèn)識(shí)到波函數(shù)其實(shí)是代表粒子在某時(shí)某個(gè)位置出現(xiàn)的幾率，是一種幾率波。
二、近代物理知識(shí)簡(jiǎn)介
近代物理的知識(shí)主要分為兩大類：相對(duì)論和量子力學(xué)。相對(duì)論分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，內(nèi)容包括伽利略坐標(biāo)系、邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)、洛倫茲變換、閔可夫斯基空間、質(zhì)能關(guān)系式和相對(duì)論能量-動(dòng)量關(guān)系式等。量子力學(xué)知識(shí)包括黑體輻射、光電效應(yīng)、波爾原子模型、康普頓效應(yīng)、德布羅意波、戴維遜和革末實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電子的波動(dòng)性、不確定性原理和薛定諤方程等。這些近代物理理論的公式通常比較復(fù)雜，需要用到高等數(shù)學(xué)的知識(shí)，比如薛定諤方程是一個(gè)偏微分方程，狄拉克方程里包含矩陣。因而對(duì)于近代物理公式的求解就變得十分困難，也不太直觀。圖2羅列了按時(shí)間順序出現(xiàn)的課堂上需要講授的量子力學(xué)公式。
黑體輻射公式描述的是頻譜（單色能密度）u（v，T）和溫度以及頻率的關(guān)系式。光電效應(yīng)是指每種金屬存在截止頻率。當(dāng)照射在金屬上的頻率小于截止頻率時(shí)，不管光強(qiáng)多大，照射時(shí)間多長(zhǎng)，也不會(huì)有光電子產(chǎn)生。而當(dāng)照射在金屬上的頻率大于截止頻率時(shí)，不管光強(qiáng)多小，也會(huì)產(chǎn)生光電子，且響應(yīng)時(shí)間小于1納秒。光電子具有各種初速度，其最大初動(dòng)能與光輻射頻率成線性關(guān)系，而與光輻射強(qiáng)度無(wú)關(guān)。當(dāng)頻率在截止頻率之上時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來(lái)的電子數(shù)目即光電流強(qiáng)度與光輻射強(qiáng)度成正比。在光電效應(yīng)理論中，光的能量和光的頻率成正比，光的動(dòng)量和光的波長(zhǎng)成反比。
波爾的原子模型給出了電子在分立軌道上的能量公式。能量和電荷的四次方成正比，跟定態(tài)的平方成反比。電子在定態(tài)具有分立的能量，在定態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)不輻射電磁能量；但電子可以從一個(gè)定態(tài)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能量低的定態(tài)能級(jí)，相應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)差的能量將作為光子被釋放出來(lái)。德布羅意公式則是給出了物體的能量和動(dòng)量與其說(shuō)對(duì)應(yīng)的物質(zhì)波的波長(zhǎng)和頻率之間的關(guān)系。動(dòng)量和波長(zhǎng)成反比，而能量和頻率成正比。薛定諤方程精確地給出了物質(zhì)波函數(shù)的表現(xiàn)形式。微觀粒子的量子態(tài)可用波函數(shù)表示。當(dāng)波函數(shù)確定，粒子的任何一個(gè)力學(xué)量及它們的各種可能的測(cè)量值的幾率就完全確定。波函數(shù)跟粒子的質(zhì)量和勢(shì)能相關(guān)。波函數(shù)的自變量中包含空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)。由于薛定諤方程中出現(xiàn)虛數(shù)i，所以波函數(shù)原則上應(yīng)是復(fù)數(shù)。它同時(shí)滿足能量守恒，是線性的、單值解的。它給出的自由粒子解與簡(jiǎn)單的德布羅意波相一致，滿足因果律。相對(duì)于薛定諤方程之于非相對(duì)論量子力學(xué)，狄拉克方程[4]是相對(duì)論量子力學(xué)的一項(xiàng)描述自旋-1/2粒子的波函數(shù)方程，不帶矛盾地同時(shí)遵守了狹義相對(duì)論與量子力學(xué)兩者的原理，實(shí)則為薛定諤方程的洛倫茲協(xié)變式。這個(gè)方程預(yù)言了反粒子的存在。
三、近代物理科學(xué)史和近代物理知識(shí)的結(jié)合講解
近代物理課如果只是講解近代物理知識(shí)，往往顯得枯燥無(wú)味，難以理解。其實(shí)任何科學(xué)知識(shí)都不是憑空產(chǎn)生的，往往經(jīng)歷了好幾代人的不懈努力，最終從量變到質(zhì)變，導(dǎo)致相對(duì)論或量子力學(xué)的建立。薛定諤方程也不是一蹴而就，而是經(jīng)過(guò)很多科學(xué)家?guī)资甑呐ΑＨ绻婚_始就講解薛定諤方程，同學(xué)們通常很難理解。而如果采用循序漸進(jìn)的方法并結(jié)合科學(xué)史來(lái)講，抽絲剝繭，逐漸揭開真理的面紗，那么同學(xué)們不光饒有興趣，而且更容易理解。圖3列出了結(jié)合科學(xué)史和科學(xué)人物的近代物理講解流程。在講解科學(xué)史的過(guò)程中，重點(diǎn)講解科學(xué)人物和他們的研究方法，以及這些近代物理公式是怎么一步步得來(lái)的。通過(guò)近代物理知識(shí)和科學(xué)史的結(jié)合講解，可以啟發(fā)同學(xué)，讓他們了解任何知識(shí)都是建立在前人知識(shí)和研究的基礎(chǔ)上。比如普朗克的黑體輻射公式來(lái)自于瑞利-金斯定律和維恩位移定律的啟發(fā)。瑞利-金斯定律能夠解釋低頻率下的結(jié)果，卻無(wú)法解釋高頻率下的測(cè)量結(jié)果。而維恩位移定律能夠解釋高頻率下的結(jié)果，卻無(wú)法解釋低頻率下的測(cè)量結(jié)果。而普朗克公式是把這兩種定律公式進(jìn)行一下內(nèi)插。通過(guò)這種歷史背景的介紹，同學(xué)們就對(duì)普朗克公式的來(lái)龍去脈知道得一清二楚，對(duì)此公式也就理解得更深刻。普朗克公式其實(shí)一開始是一個(gè)不得已而為之的公式，然后普朗克對(duì)此公式進(jìn)行反推，發(fā)現(xiàn)只有認(rèn)為能量是量子化的，才能得出跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的普朗克公式。能量是非連續(xù)而是分立的，即使這個(gè)想法在當(dāng)時(shí)是多么背離人的日常經(jīng)驗(yàn)和驚世駭俗，由于它是唯一的解釋，普朗克也就不得不接受了這個(gè)能量量子化思想。
而能量量子化這個(gè)理論不管在當(dāng)時(shí)看上去多么荒謬，還是有人慧眼識(shí)珠的。5年之后的1905年，愛(ài)因斯坦憑著他對(duì)物理學(xué)的敏銳欣然接受了能量量子化這個(gè)觀點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上解釋了光電效應(yīng)。近代物理的科學(xué)史是一環(huán)扣一環(huán)，十分引人入勝。在課堂上授課時(shí)通過(guò)人物->公式->人物…->公式的順序把所有近代物理的公式合理地銜接起來(lái)，自成一個(gè)整體，同學(xué)們學(xué)習(xí)起來(lái)就會(huì)思路清晰，公式也會(huì)記得牢，進(jìn)而對(duì)公式能活學(xué)活用。普朗克和愛(ài)因斯坦彼此惺惺相惜，而普朗克也是少數(shù)很快發(fā)現(xiàn)愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論重要性的人之一。在愛(ài)因斯坦發(fā)表光電效應(yīng)的8年之后，波爾也接受了能量量子化這個(gè)觀點(diǎn)，并進(jìn)而創(chuàng)新性地提出了三個(gè)假設(shè)：（1）定態(tài)假設(shè)，即電子只能在一系列分立的軌道上繞核運(yùn)動(dòng)，這些軌道對(duì)應(yīng)確定能量值的穩(wěn)定態(tài)，電子在這些狀態(tài)（軌道）上不輻射電磁波；（2）躍遷假設(shè)，即原子在不同定態(tài)之間躍遷，以電磁輻射形式吸收或發(fā)射能量；（3）角動(dòng)量量子化假設(shè)，即電子軌道角動(dòng)量是分立的，首尾位相相同的環(huán)波才能穩(wěn)定存在。波爾根據(jù)這三種假設(shè)成功推導(dǎo)出了氫原子的光譜公式，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。
接下來(lái)就輪到德布羅意登場(chǎng)。在波爾提出原子模型的10年之后，1923年德布羅意創(chuàng)新性地在他的博士論文里提出了波粒二象性的觀點(diǎn)。以前的量子論觀點(diǎn)都是圍繞光和能量，沒(méi)有觸及實(shí)際的物質(zhì)或粒子。而德布羅意破天荒地提出任何物體都具有波粒二象性，既包括光，也包括電子、原子甚至人體等所有宇宙中的物體。德布羅意當(dāng)時(shí)的博士生導(dǎo)師朗之萬(wàn)不認(rèn)可這個(gè)觀點(diǎn)，但是他比較有責(zé)任心，沒(méi)有直接否決掉德布羅意的博士論文，而是把論文寄給愛(ài)因斯坦定奪。而愛(ài)因斯坦對(duì)物理的理解十分透徹，他馬上承認(rèn)了德布羅意的博士論文的正確性，并且將論文送去柏林科學(xué)院，使此理論在物理學(xué)界廣為傳播。1924年，德布羅意又提出可以用晶體作光柵觀察電子束的衍射來(lái)驗(yàn)證他的波粒二象性理論，因?yàn)殡娮拥牟ㄩL(zhǎng)和晶格間距處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。很快就有人響應(yīng)了德布羅意的實(shí)驗(yàn)設(shè)想，1927年，克林頓?戴維森和雷斯特?革末用電子轟擊鎳晶體，果然發(fā)現(xiàn)電子的衍射圖譜，和布拉格定律預(yù)測(cè)的一模一樣，這證實(shí)了德布羅意的波粒二象性理論正確無(wú)誤。既然電子是一個(gè)波，那就應(yīng)該有個(gè)波動(dòng)方程。所以德布羅意的理論極大地啟發(fā)了海森堡和薛定諤，導(dǎo)致這兩位科學(xué)家同時(shí)在1925年分別發(fā)表了薛定諤方程和矩陣力學(xué)，兩者可以得到同樣的結(jié)果。薛定諤隨后證明，兩者在數(shù)學(xué)上是等效的。薛定諤方程使用微分方程的形式，比矩陣力學(xué)容易理解，所以近代物理的授課一般只講薛定諤方程。薛定諤提出了薛定諤方程之后，又有個(gè)新問(wèn)題，就是此方程不符合相對(duì)論協(xié)變性原理，即物理規(guī)律的形式在任何的慣性參考系中應(yīng)該是相同的。所以需要有另外一個(gè)量子力學(xué)方程來(lái)滿足相對(duì)論。這個(gè)任務(wù)最終是3年之后（即1928年）由狄拉克來(lái)完成的。至此，在講述有趣的近代物理科學(xué)史的同時(shí)同學(xué)們也掌握了豐富的近代物理知識(shí)。
總而言之，在近代物理的教學(xué)過(guò)程中結(jié)合近代物理科學(xué)史進(jìn)行授課，提高了同學(xué)們對(duì)于近代物理知識(shí)的理解和興趣，避免了填鴨式的教育，讓同學(xué)們?cè)谡莆罩R(shí)的同時(shí)更了解了科學(xué)家們科學(xué)的研究方法，“授之以漁不如授之以魚”。該教改收到了十分良好的效果。
參考文獻(xiàn)：
[1]格雷克.牛頓傳[M].北京：高等教育出版社，2004.
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量子力學(xué)最新研究范文4
Quantum Themes
The Charms of the Microworld
2009, 225pp.
Hardcover
ISBN 9789812835451
T. Padmanabhan著
量子理論是理論物理學(xué)最抽象的一個(gè)分支,但是它給出的所有明確而具體的預(yù)言無(wú)一不在反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中得到了精確的驗(yàn)證。這一不爭(zhēng)的事實(shí)以及它的深刻和奧妙的哲學(xué)含義,總是讓普通公眾及科普作家甚至一些專業(yè)的研究人員著迷不已。最近,人們發(fā)現(xiàn)微觀物理與宏觀物理之間存在著大量意想不到的和極為重要的密切聯(lián)系和相互影響。按照當(dāng)前流行的宇宙學(xué)觀點(diǎn),暗物質(zhì)、暗能量、宇宙結(jié)構(gòu)的形式、甚至早期宇宙物理乃至宇宙的起源都與量子理論的概念密切相關(guān)。這些新的和影響深遠(yuǎn)的突破性進(jìn)展促使作者決心寫這樣一部科普著作,力圖以一種能讓受過(guò)基礎(chǔ)教育的外行知道什么是量子理論、量子理論已經(jīng)取得了哪些成就以及這個(gè)理論未來(lái)將走向何方,介紹這些最新的成果。作者強(qiáng)烈地認(rèn)為,在目前這樣做是非常值得的。
作者認(rèn)為科普著作應(yīng)避免以下兩種極端傾向,一是必須要依靠數(shù)學(xué)才能解釋清楚;二是為了迎合讀者而扭曲概念本來(lái)的含義。為此作者力求從一開始就用盡可能通俗的語(yǔ)言吸引讀者的興趣,并以嚴(yán)格的科學(xué)方式描述概念,避免陷于哲學(xué)爭(zhēng)論之中或給人一種刻意炒作的印象;其次作者還努力要讓本書的內(nèi)容盡可能多地包括最新的進(jìn)展,不用數(shù)學(xué)語(yǔ)言而仔細(xì)地解釋概念和細(xì)節(jié)以及那些必需的技術(shù)術(shù)語(yǔ),但重點(diǎn)放在量子理論的一些最基本的前沿論題,特別強(qiáng)調(diào)量子理論與引力及宇宙學(xué)的交匯點(diǎn)。避開了關(guān)于量子力學(xué)的哲學(xué)基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)以及一些技術(shù)應(yīng)用的詳細(xì)介紹。
全書內(nèi)容分成7章,各章的標(biāo)題分別為:1.無(wú)所不能的經(jīng)典物理學(xué);2. 然后出了個(gè)愛(ài)因斯坦;3. 微觀世界的瘋狂;4. 粒子,無(wú)所不在的粒子;5. 宇宙和量子;6. 引力的實(shí)質(zhì);7. 開始的時(shí)候……。
這是一部面向普通讀者的高級(jí)科普讀物,其內(nèi)容新穎,敘述深入淺出、簡(jiǎn)潔易懂,難易與“New Scientist”或“Scientific American”的文章相當(dāng)。對(duì)于那些對(duì)當(dāng)前成為人們熱點(diǎn)話題的暗物質(zhì)、暗能量以及宇宙的演化感興趣的一般公眾,它是一部值得一讀的好書。而對(duì)于從事量子理論及宇宙學(xué)研究的專家學(xué)者以及相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生和研究生,本書也極具參考價(jià)值。
丁亦兵,
教授
(中國(guó)科學(xué)院研究生院)
量子力學(xué)最新研究范文5
自從 Thompson 于100多年前發(fā)現(xiàn)了作為第一個(gè)基本粒子的電子以來(lái)，粒子物理逐漸成為現(xiàn)代科學(xué)的前沿，受到了普遍的關(guān)注，吸引了越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)家和理論家投入其中。他們企圖發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的最深層結(jié)構(gòu)，探究這些最基本組分之間的作用力，并致力于這些作用力的統(tǒng)一描述的實(shí)驗(yàn)和理論研究。粒子物理實(shí)驗(yàn)家和理論家們當(dāng)前還面對(duì)許多需要進(jìn)一步努力解決的難題。比如，到底有多少代夸克和輕子存在？費(fèi)米子質(zhì)量是怎么來(lái)的？“上帝的粒子”Higgs粒子究竟有沒(méi)有？CP破壞來(lái)源是什么？為什么物質(zhì)與反物質(zhì)如此的不平衡？引力怎樣才能與其它相互作用統(tǒng)一起來(lái)？
本書不僅涵蓋了幾乎所有重要的基本概念和最新的發(fā)展，還詳細(xì)地介紹了天體物理學(xué)、宇宙學(xué)與粒子物理之間的新的交叉學(xué)科，即所謂的天體粒子物理學(xué)的基本知識(shí)。
本書的兩位作者（兄弟二人）都是巴基斯坦著名的理論粒子物理學(xué)家、諾獎(jiǎng)得主Salam 的學(xué)生，從事粒子物理研究幾十年。本書是他們?cè)谑澜缍嗨髮W(xué)講授粒子物理的講義發(fā)展而成的。第1版出版于1992年，2000年出版了第2版，對(duì)于原書做了很多修改和補(bǔ)充。本書是2012年出版的第3版。它對(duì)于原書做了大量的更新和擴(kuò)充。有7章徹底改寫了。添加了許多新的內(nèi)容和大量習(xí)題。
全書內(nèi)容共分成18章：1. 導(dǎo)論； 2. 散射和粒子的相互作用； 3. 時(shí)空對(duì)稱性；4. 內(nèi)部對(duì)稱性；5. U-群和SU（3）；6. SU（6）和夸克模型；7. 色、規(guī)范原理和量子色動(dòng)力學(xué)；8. 重味； 9. 重夸克等效理論； 10. 弱相互作用；11. 強(qiáng)子弱流的性質(zhì)和手征對(duì)稱性；12. 中微子； 13. 弱電統(tǒng)一； 14. 深度非彈性散射； 15.重味的弱衰變； 16. 粒子的混合與CP-破壞； 17. 大統(tǒng)一、超對(duì)稱和弦； 18. 宇宙學(xué)和天體粒子物理學(xué)。書末有兩個(gè)附錄，分別簡(jiǎn)要地介紹了量子場(chǎng)論和重整化群與運(yùn)行耦合常數(shù)的基本知識(shí)。
本書對(duì)于粒子物理的介紹非常豐富，推導(dǎo)很詳細(xì)，而且盡量不用形式化的量子場(chǎng)論而更多地依靠量子力學(xué)知識(shí)。因此適合于廣泛的讀者，諸如高能物理、粒子物理、原子核物理學(xué)、天文學(xué)和天體粒子物理學(xué)等領(lǐng)域的研究生和研究人員，選做粒子物理的教材和重要的參考書。
量子力學(xué)最新研究范文6
（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）
摘 要：實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，能夠創(chuàng)造新知識(shí)、產(chǎn)生新技術(shù).近代物理實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生綜合能力具有特殊功能，是培養(yǎng)創(chuàng)新思維品質(zhì)、分析解決問(wèn)題能力、實(shí)踐能力和實(shí)驗(yàn)技能的重要環(huán)節(jié).近代實(shí)驗(yàn)技術(shù)在許多科學(xué)領(lǐng)域與工程實(shí)踐中有廣泛應(yīng)用.本文結(jié)合原子物理學(xué)課程、近代物理實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)和學(xué)生實(shí)際，探討近代物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法和教學(xué)組織形式，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力.
關(guān)鍵詞 ：創(chuàng)新思維；創(chuàng)新能力；開放式教學(xué)
中圖分類號(hào)：G642.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-260X（2015）01-0233-02
1 引言
眾所周知，在近代物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，兩個(gè)重要的物理實(shí)驗(yàn)與經(jīng)典的物理學(xué)理論尖銳矛盾，一個(gè)是黑體輻射中的紫外災(zāi)難（ultra-violet catastrophe），另一個(gè)是邁克爾遜 A.A.Michelson-莫雷E.W.Morley實(shí)驗(yàn).它們導(dǎo)致量子理論和相對(duì)論的建立，開創(chuàng)了近代物理的新紀(jì)元.Einstein提出的狹義相對(duì)論，改變了Newton力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀，而量子理論則涉及物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式和規(guī)律的根本改變[1-3].量子理論不僅能夠揭示極為廣泛的自然現(xiàn)象，同時(shí)還引發(fā)了極為廣泛的新技術(shù)上的應(yīng)用.近代物理理論和技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了原子物理、核物理、粒子物理、凝聚態(tài)物理和天體物理等的研究，產(chǎn)生了半導(dǎo)體、核工程、激光等新的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù).這些新技術(shù)在能源、材料、工程技術(shù)、工農(nóng)業(yè)、國(guó)防、生物科學(xué)、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用.縱觀物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程，實(shí)驗(yàn)始終是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，能夠創(chuàng)造新知識(shí)、產(chǎn)生新技術(shù)，是培養(yǎng)創(chuàng)新思維品質(zhì)、分析解決問(wèn)題能力、實(shí)踐能力和實(shí)驗(yàn)技能的重要環(huán)節(jié).但學(xué)生不重視實(shí)驗(yàn)課程，動(dòng)手能力和主動(dòng)性較差，個(gè)性和潛能不能充分發(fā)揮，因此我們嘗試推進(jìn)近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革.
2 合理設(shè)置教學(xué)內(nèi)容 突出思想方法和現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)
近代物理學(xué)的兩大支柱-量子論和相對(duì)論，前者研究微觀粒子的統(tǒng)計(jì)行為，后者則研究高速（接近光速）運(yùn)動(dòng)物體的行為，許多經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)律已不再適用，兩者在生活中又沒(méi)有相應(yīng)的模型與之對(duì)應(yīng)，因此研究過(guò)程離不開新的物理思想、方法和現(xiàn)代測(cè)量技術(shù).近代物理實(shí)驗(yàn)課程，目的是使學(xué)生掌握先進(jìn)的研究問(wèn)題的思想、方法、技術(shù)和手段，跟蹤最新科學(xué)研究動(dòng)態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維品質(zhì)，造就高素質(zhì)人才.我們?cè)诮锢韺?shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，經(jīng)充分論證，設(shè)置了黑體輻射、弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)、X射線物象分析、原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、微波測(cè)量技術(shù)、激光拉曼、塞曼效應(yīng)、鈉原子光譜、核磁共振等12個(gè)必修項(xiàng)目，另外我們正在積極建設(shè)原子核物理技術(shù)實(shí)驗(yàn)-快速電子的動(dòng)量與動(dòng)能的相對(duì)論關(guān)系實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.這些實(shí)驗(yàn)包括了近代物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中具有經(jīng)典性、物理思想影響深遠(yuǎn)的物理實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)技能和現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)論、現(xiàn)代新技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握基本理論、研究問(wèn)題的思想方法和高級(jí)實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維意識(shí)、創(chuàng)新能力、分析解決問(wèn)題能力和自主研究問(wèn)題的興趣與能力.
3 合理選擇教學(xué)方法 培養(yǎng)創(chuàng)新思維品質(zhì)
近代物理實(shí)驗(yàn)課程是物理學(xué)專業(yè)和應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)高年級(jí)學(xué)生的必修課程，重在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維品質(zhì)和科學(xué)素質(zhì)，提高學(xué)生科學(xué)認(rèn)知的水平和能力.12個(gè)近代物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中涉及到原子物理實(shí)驗(yàn)、X光技術(shù)、微波技術(shù)、磁共振技術(shù)等[4-5].針對(duì)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生實(shí)際適時(shí)調(diào)整教學(xué)方式方法，對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理、儀器構(gòu)造、操作注意事項(xiàng)等內(nèi)容，用現(xiàn)代多媒體技術(shù)手段呈現(xiàn)并認(rèn)真分析講解.對(duì)于具體的操作方法、技能，教師要充分發(fā)揮主導(dǎo)和示范作用，學(xué)生須嚴(yán)格按操作規(guī)程序完成操作.如塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的調(diào)節(jié)；激光拉曼實(shí)驗(yàn)中外光路的調(diào)節(jié)及應(yīng)用程序的使用；掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)中針尖、樣品的安裝，STM工作軟件的使用等以提高學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能.對(duì)于綜合研究性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，提出需要研究解決的問(wèn)題，采用探索研究式、啟發(fā)式、討論式等教學(xué)方法并根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展適時(shí)引導(dǎo)、啟發(fā)、答疑、解惑，改變學(xué)生機(jī)械、被動(dòng)的重復(fù)教材實(shí)驗(yàn)過(guò)程的狀態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生思維活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維品質(zhì)，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生大膽質(zhì)疑，相互討論，使學(xué)生不迷信、不盲從于教材和教師,充分發(fā)揮學(xué)生的積極性、主動(dòng)性，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程變成積極思維、勇于探索的創(chuàng)造性過(guò)程,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維品質(zhì)和創(chuàng)新能力.
4 采取開放式教學(xué)模式 促使知識(shí)向能力轉(zhuǎn)化
12個(gè)近代物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目計(jì)劃課時(shí)僅為48學(xué)時(shí),這就需要打破傳統(tǒng)的教與學(xué)、理論與實(shí)驗(yàn)、時(shí)間與空間的界限，采用開放式的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的互動(dòng).開放式教學(xué)指設(shè)備、場(chǎng)地、內(nèi)容、時(shí)間、興趣、思維、教學(xué)方法、教學(xué)手段等全面開放,以促進(jìn)學(xué)生將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力.就原子物理部分實(shí)驗(yàn)而言，教師可以根據(jù)理論課的教學(xué)進(jìn)程、教學(xué)內(nèi)容靈活安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和時(shí)間，課堂上提出要探討研究的課題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析討論并綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、技能，提出研究解決問(wèn)題的思路方法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案.如：在玻爾理論的教學(xué)過(guò)程中，課堂上可引導(dǎo)學(xué)生分析討論，提出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證原子內(nèi)部能量量子化的思想方法并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，然后與弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較修改完善設(shè)計(jì)方案.在這個(gè)基礎(chǔ)上并在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)安排學(xué)生完成弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，證明原子內(nèi)部量子化的量子化.弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，但教師在授課過(guò)程中提出能夠引發(fā)學(xué)生思維的問(wèn)題，創(chuàng)設(shè)思維環(huán)境，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極思考問(wèn)題，并綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題，理論與實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合使這個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)變成了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)向能力進(jìn)行轉(zhuǎn)化.對(duì)于原子的核式結(jié)構(gòu)模型、原子的空間量子化、實(shí)物粒子的波粒二象性等教學(xué)內(nèi)容雖然沒(méi)安排相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)或沒(méi)有實(shí)驗(yàn)條件，同樣可以采用這種方式進(jìn)行教學(xué)，如驗(yàn)證盧瑟福散射公式、原子的空間量子化等，教師創(chuàng)設(shè)思維環(huán)境，提出有待解決的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生分析討論，調(diào)動(dòng)學(xué)生思維,探求解決方案,然后讓學(xué)生查閱相關(guān)資料，完善改進(jìn)自己的設(shè)計(jì)方案，培養(yǎng)獲取信息的能力、運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決問(wèn)題的能力及創(chuàng)造性思維能力.原子物理學(xué)課程中[6-7]，巧妙的構(gòu)思與設(shè)計(jì)貫穿于教學(xué)過(guò)程始終，在教學(xué)過(guò)程中，教師要善于創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，解放學(xué)生的思維空間，學(xué)生大膽想象、設(shè)計(jì)、爭(zhēng)論、探究，教師及時(shí)引導(dǎo)、修正、解惑、答疑，理論課與實(shí)驗(yàn)課有機(jī)結(jié)合統(tǒng)籌安排的教學(xué)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的二者分開教學(xué)的教學(xué)效果.
由于設(shè)備、場(chǎng)地、內(nèi)容、時(shí)間、興趣、思維等全面開放，教師可以精選實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行科學(xué)研究或作為學(xué)生的選修項(xiàng)目.對(duì)于選修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教師要明確提出任務(wù)要求，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)技能進(jìn)行構(gòu)思,并正確選擇實(shí)驗(yàn)儀器,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決物理問(wèn)題的能力和創(chuàng)造能力.學(xué)生也可以參與教師的科研工作，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、組織實(shí)施能力和知識(shí)應(yīng)用能力.除此之外，學(xué)生也可根據(jù)自己的專業(yè)特點(diǎn)、興趣愛(ài)好，有目的有計(jì)劃的進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，即學(xué)生根據(jù)自己要研究解決問(wèn)題的，查閱資料并認(rèn)真研究,提出分析、解決問(wèn)題的構(gòu)想，自主選擇儀器、設(shè)計(jì)研究方案，然后在教師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的一些新的問(wèn)題及時(shí)與教師研究討論，不斷修改完善實(shí)驗(yàn)方案，尋求解決問(wèn)題的最佳途徑.自主實(shí)驗(yàn)在時(shí)間、空間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)等方面給學(xué)生充分的自主權(quán),充分的學(xué)習(xí)思維空間,豐富的想象空間，充分發(fā)揮學(xué)生的積極性,培養(yǎng)學(xué)生觀察、思維、設(shè)計(jì)、操作、創(chuàng)新能力.
近代物理的理論和技術(shù)在諸多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，在教學(xué)過(guò)程中，將理論課、實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)內(nèi)容適當(dāng)拓寬，實(shí)現(xiàn)理論、實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用同步教學(xué).如將理論課與實(shí)驗(yàn)資源、網(wǎng)絡(luò)資源有機(jī)結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生探究描隧道顯微技術(shù)、核磁共振層析技術(shù)、核能利用、X射線衍射物象分析技術(shù)、血管造影技術(shù)、激光技術(shù)等內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造熱情和潛能，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.
5 結(jié)語(yǔ)
近代物理實(shí)驗(yàn)是一門綜合性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程，在教學(xué)過(guò)程中恰當(dāng)?shù)倪x擇教學(xué)方法、適當(dāng)拓展教學(xué)內(nèi)容，采用以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使學(xué)生進(jìn)入創(chuàng)新思維能力、分析解決問(wèn)題能力、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ粩嗵岣叩牧夹匝h(huán)中.開放性教學(xué)的實(shí)施,給學(xué)生充分的學(xué)習(xí)、思維和想象空間，使學(xué)生運(yùn)用知識(shí)、技能獨(dú)立分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、思維能力和創(chuàng)新能力得到提高.但實(shí)施過(guò)程中也會(huì)遇到各種意想不到的問(wèn)題，教師面臨前所未有的挑戰(zhàn)，這就要求教師不斷充實(shí)和完善自己，確保教學(xué)質(zhì)量穩(wěn)步提升.
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