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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇量子力學的基本概念，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
【關(guān)鍵詞】量子力學；實驗教學；改革
中圖分類號：041 文獻標識碼：A 文章編號：1006-0278（2013）04-193-01
一、引言
作為現(xiàn)代物理學和現(xiàn)代科學技術(shù)的理論基礎(chǔ)，量子力學將物質(zhì)的波動性與粒子性統(tǒng)一起來，是研究微觀粒子運動規(guī)律的物理學分支學科。很多教師在上課時只著重于講授理論體系本身的知識，往往忽略了理論和實驗的緊密聯(lián)系，從而導致它的實驗建設(shè)一直是本課程建設(shè)的薄弱環(huán)節(jié)。充分考慮到該門課程的性質(zhì)和特點，我們在教學中借鑒了工科教學的模式重點圍繞“培養(yǎng)學生物理應用的慣性意識與掌握量子力學基本概念和規(guī)律”的目標開展了三類不依賴于儀器設(shè)備和環(huán)境條件的實驗，以切實貫徹“德育為先、能力為重”和“育人為本”的原則。
二、量子力學的實驗教學
為了讓學生從思想上接受并理解量子觀念，在學習中透過復雜的數(shù)學計算深入理解量子力學的概念和規(guī)律，并能主動積極地思考、解決相關(guān)問題，我們構(gòu)建了由思想、演示與創(chuàng)新性實驗組成的課內(nèi)課外教學平臺，以輔助量子力學的理論教學過程。
思想實驗，又稱“假想實驗”，是人類按照科學研究的實驗過程在頭腦中進行的發(fā)現(xiàn)和獲取科學事實與自然規(guī)律的邏輯思維活動，是自然科學家和哲學家經(jīng)常使用的一種十分有效的研究方法。由于不會受到主客觀條件及儀器設(shè)備的操作限制，思想實驗可以為學生的思維互動啟發(fā)提供有利的平臺。事實上，在量子力學建立與發(fā)展的過程中，很多思想實驗都起到了重要的推動作用。例如作為量子力學的創(chuàng)始人之一，奧地利物理學家埃爾溫?薛定諤提出了著名的“薛定諤之貓”的思想實驗，它將量子理論微觀領(lǐng)域中原子核衰變的量子不確定性與宏觀領(lǐng)域中貓的生死聯(lián)系在了一起，充分體現(xiàn)了量子力學的奇異性。通過在課堂教學中講授諸如此類的思想實驗可以給學生提供一個動腦“做”理論的機會，這樣不僅可以使學生從理性的角度接受量子力學的基本思想并深入理解量子力學的基本概念和基本理論，還可以激發(fā)他們對課程的學習興趣，在無形中培養(yǎng)他們的理性思維、邏輯思維、創(chuàng)新意識和推理能力。
演示實驗，即教師在課堂上借助視頻、計算機模擬等手段演示實驗過程，展示物理現(xiàn)象，引導學生觀察、思考、分析并得出結(jié)論的過程。量子力學的建立離不開很多重要實驗的支撐，如黑體輻射、光電效應等。其中一些實驗由于條件及經(jīng)費的限制目前無法在實驗室開展，所以我們可以充分利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源及Matlab等數(shù)學軟件構(gòu)建演示實驗的平臺，給學生提供一個動眼“做”理論的機會。一方面，通過播放演示實驗的視頻重現(xiàn)實驗過程，加強引導學生對實驗的條件、思路和方法等進行思考和分析，培養(yǎng)學生的實驗素養(yǎng)和強化他們的實驗技能，幫助他們增加感性認識，使他們體會科學的發(fā)展過程，克服抽象的物理圖景給他們帶來的困擾。另一方面，通過利用數(shù)學軟件實現(xiàn)對量子力學課程中一些問題的靜、動態(tài)數(shù)值模擬，將抽象的量子力學結(jié)果形象直觀化，幫助學生透過復雜的數(shù)學公式推導深入、形象地認識微觀粒子的特征，使他們深入理解量子力學的基本原理和基本概念，提高他們運用物理思想進行綜合分析的能力。
知識的獲得是為了更好地服務于實踐，因此為了讓學生能將量子力學中所學到的基本理論運用于實踐，我們在該門課程的教學中還開設(shè)了創(chuàng)新性實驗，為學生提供動手“做”理論的機會。首先教師在課堂的教學中始終貫徹科研促教學的思想，有意識地結(jié)合具體的教學內(nèi)容進行近代物理前沿知識的滲透。然后鼓勵學生根據(jù)自己的實際情況與興趣并結(jié)合畢業(yè)論文自由組合選擇相應的小課題在教師的指導下進行專題研究，同時對于一些學生在平時教學過程中反映出來的理解上比較模糊或難以理解的部分定期組織專題討論。該類實驗的開設(shè)為學生提供了實踐的自由發(fā)揮空間，可以初步培養(yǎng)學生的數(shù)理分析能力與結(jié)合自己的興趣自我發(fā)現(xiàn)問題并解決與專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力及撰寫科研論文的能力，同時還增強了學生對量子力學課程學習的興趣和團結(jié)協(xié)作精神。
U. Mohrhoff著
這是一部對于量子力學教科書很有價值的補充教材。它對當代物理學的一般理論框架給出了獨特的介紹。這種介紹的焦點集中于概念性的、認識論的和本體論的各個方面的問題。通過追求如下一些問題的答案來發(fā)展理論：什么使物質(zhì)實體一旦形成則既不會坍縮也不會急劇膨脹？什么使得由不“占據(jù)空間”的客體（例如粒子物理標準模型中的夸克和膠子）組成的“占據(jù)空間”的客體成為穩(wěn)定的？如此表現(xiàn)出的物質(zhì)的穩(wěn)定性成為為什么物理學定律具有它們現(xiàn)有的特殊形式的理由。這些問題是本書關(guān)注的中心問題，作者認為這個問題的部分答案是：量子力學。
全書共分3部分23章。第1部分，概述，主要介紹通向薛定諤方程的兩種途徑：歷史的途徑和費曼的路徑積分方法。為理解相關(guān)的理論概念，簡略地介紹了一些必要的數(shù)學，包括狹義相對論等，力求讓讀者熟悉基礎(chǔ)。含第1-7章：1.概率：基本概念和定理；2. “舊”量子論的簡略歷史；3. 數(shù)學的一些插敘；4，“新”量子論的簡略歷史；5. 通向薛定諤的費曼途徑（第一階段）；6. 狹義相對論簡介；7. 通向薛定諤的費曼途徑（第二階段）。第2部分：深度探討，從穩(wěn)定客體的存在導出量子力學的數(shù)學形式。含第8-15章：8. 為什么要量子力學； 9. 經(jīng)典的力：效果； 10. 經(jīng)典的力：原因；11. 再談量子力學；12. 自旋；13. 復合系統(tǒng)； 14. 量子統(tǒng)計； 15. 相對論粒子。第三部分：含義，含第16-23章：16. 缺陷； 17. 評價策略；18. 量子世界空間的方方面面； 19. 微觀世界； 20. 物質(zhì)問題； 21. 表現(xiàn)形式；22. 為什么物理定律恰是如此；23. 量子（quanta）和吠檀多（vedanta）（古代印度哲學中一直發(fā)展至今的唯心主義理論）。書末尾有一個附錄，給出了挑選的一些習題的解答。
本書是作者多年來在印度給大學生講授側(cè)重于哲學的當代物理學課程的基礎(chǔ)上形成的。本書包括某些概念上新的陳述，盡量做到使這種陳述自成完整的體系，而且盡可能的簡單，以適合廣泛的讀者使用。
這是一部從哲學觀點討論現(xiàn)代物理學諸方面問題的專著，作者敘述的內(nèi)容范圍非常廣泛，但已經(jīng)盡可能地簡略。對于從事理論物理的教學及相關(guān)方面的研究人員是一本很好的參考書。
丁亦兵，教授
（中國科學院研究生院）
關(guān)鍵詞：量子力學；經(jīng)典科學世界圖景；非機械決定論；整體論；復雜性；主客體互動
Abstract: As one of three revolutions of physics in 20th century， quantum mechanics has greatly transformed the world view of classical science in many aspects. Quantum mechanics breaks though the mechanical determinism in classical science， transforming it into nonmechanical determinism; it changes scientific cognitive process from the theory of reductionism to the theory of wholism; it shifts the way of thinking from pursuing simplicity to exploring the complexity; it also establishes the interaction between subject and object in scientific researches.
Key words: quantum mechanics; world view of classical science; nonmechanical determinism; wholism; complexity; interaction between subject and object
經(jīng)典科學基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開創(chuàng)的，近三百年內(nèi)發(fā)展起來的一整套觀點、方法、學說。經(jīng)典科學世界圖景的最大特征是機械論和還原論，片面強調(diào)分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學派的量子力學理論三部曲：統(tǒng)計解釋—測不準原理—互補原理所反映的主要觀點是：微觀粒子的各種力學量（位置、動量、能量等）的出現(xiàn)都是幾率性的；量子力學對微觀粒子運動的幾率性描述是完備的，對幾率性的原因不需要也不可能有更深的解釋；決定論不適用于量子力學領(lǐng)域；儀器的作用同觀察對象具有不可分割性，確立了科學活動中主客體互動關(guān)系。[1]量子力學的發(fā)展從根本上改變了經(jīng)典科學世界
圖景。
一、量子力學突破了經(jīng)典科學的機械決定論，遵循因果加統(tǒng)計的非機械決定論
經(jīng)典力學是關(guān)于機械運動的科學，機械運動是自然界最簡單也是最普遍的運動。說它最簡單，因為機械運動比較容易認識，牛頓等人又采取高度簡化的方法研究力學，獲得了空前成功；說它最普遍，因為機械力學有廣泛的用途，容易把它絕對化。[2]機械決定論是建立在經(jīng)典力學的因果觀之上，解釋原因和結(jié)果的存在方式和聯(lián)系方式的理論。機械決定論認為因和果之間的聯(lián)系具有確定性，無論從因到果的軌跡多么復雜，沿著軌跡尋找總能確定出原因或結(jié)果；機械決定論的核心在于只要初始狀態(tài)一定，則未來狀態(tài)可以由因果法則進行準確預測。[3]其實，機械決定論僅僅適用于宏觀物體，而對于微觀領(lǐng)域以及客觀世界中大量存在的偶然現(xiàn)象的研究就產(chǎn)生了統(tǒng)計決定論。[4]
量子力學是對經(jīng)典物理學在微觀領(lǐng)域的一次革命。量子力學所揭示的微觀世界的運動規(guī)律以及以玻爾為代表的哥本哈根學派對量子力學的理解，同物理學機械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論，微觀粒子運動遵守統(tǒng)計規(guī)律，我們不能說某個電子一定在什么地方出現(xiàn)，而只能說它在某處出現(xiàn)的幾率有多大。
玻恩的統(tǒng)計解釋指出，因果性是表示事件關(guān)系之中一種必然性觀念，而機遇則恰恰相反地意味著完全不確定性，自然界同時受到因果律和機遇律的某種混合方式的支配。在量子力學中，幾率性是基本概念，統(tǒng)計規(guī)律是基本規(guī)律。物理學原理的方向發(fā)生了質(zhì)的改變：統(tǒng)計描述代替了嚴格的因果描述，非機械決定論代替了機械決定論的統(tǒng)治。
經(jīng)典統(tǒng)計力學雖然也提出了幾率的概念，但未能從根本上動搖嚴格決定論，量子力學的沖擊則使機械決定論的大廈坍塌了。量子力學揭示并論證了人們對微觀世界的認識具有不可避免的隨機性，它不遵循嚴格的因果律。任何微觀事件的測定都要受到測不準關(guān)系的限定，不可能確切地知道它們的位置和動量、時間和能量，只能描述和預言微觀對象的可能的行為。因此，量子力學必須是幾率的、統(tǒng)計的。而且，隨著認識的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)量子統(tǒng)計的隨機性，不是由于我們知識和手段的不完備性造成的，而是由微觀世界本身的必然性（主客體相互作用）所注定。
二、量子力學使得科學認識方法由還原論轉(zhuǎn)化為整體論
還原論作為一種認識方法，是指把高級運動形式歸結(jié)為低級運動形式，用研究低級運動形式所得出的結(jié)論代替對高級運動形式的本質(zhì)認識的觀點。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩(wěn)定的觀點和規(guī)律去解釋、說明要研究的對象。其目的是簡化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類認識處于初級水平上無疑是有效的。如牛頓將開普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學的本質(zhì)，以及完全還原是不可能的，決定了還原論不能揭示世界的全貌。
量子力學認為整體與部分的劃分只有相對意義，整體的特征絕非部分的疊加，而是部分包含著整體。部分作為一個單元，具有與整體同等甚至還要大的復雜性。部分不僅與周圍環(huán)境發(fā)生一定的外在聯(lián)系，同時還要表現(xiàn)出“主體性”，可將自身的內(nèi)在聯(lián)系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現(xiàn)了有機的自覺因果關(guān)系。在特定的臨界狀態(tài)，部分的少許變化將引起整體的突變。[6]
波粒二象性是微觀世界的本質(zhì)特征，也是量子論、量子力學理論思想的靈魂。用經(jīng)典觀點來看，也就是按照還原論的思想，粒子與波毫無共同之處，二者難以形成直觀的統(tǒng)一圖案，這是經(jīng)典物理學通過部分還原認識整體的方法，是“向上的原因”。可是微觀粒子在某些實驗條件下，只表現(xiàn)波動性；而在另一些實驗條件下，只表現(xiàn)粒子性。這兩種實驗結(jié)果不能同時在一次實驗中出現(xiàn)。于是，玻爾的互補原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關(guān)于微觀世界認識的矛盾，并試圖尋找一種解決矛盾的方法，這就是微觀粒子既具有粒子性又具有波動性，即波粒二象性。這就是整體論觀點強調(diào)的“向下的原因”，即從整體到部分。同樣，海森伯的測不準原理說明不能同時測量微觀粒子的動量和位置，這也說明絕不能把宏觀物體的可觀測量簡單盲目地還原到微觀。由此我們可以看出，造成經(jīng)典科學觀與現(xiàn)代科學觀認識論和方法論不同的根本在于思考和觀察問題的層面不同。經(jīng)典科學一味地強調(diào)外在聯(lián)系觀，而量子力學則更強調(diào)關(guān)注事物內(nèi)部的有機聯(lián)系。所以，量子力學把內(nèi)在聯(lián)系作為原因從根本上動搖了還原論觀點。
三、量子力學使得科學思維方式由追求簡單性發(fā)展到探索復雜性
從經(jīng)典科學思維方式來看，世界在本質(zhì)上是簡單的。牛頓就說過，自然界喜歡簡單化，而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡單性是經(jīng)典科學奮斗的目標，也是推動它獲取成功的動力。開普勒以三條簡明的定律揭示了看似復雜的太陽系行星運動，牛頓更是用單一的萬有引力說明了千變?nèi)f化的天體行為。因而現(xiàn)代科學是用簡單性解釋復雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。
量子力學初步揭示了客觀世界的復雜性。經(jīng)典科學的簡單性是與把物理世界理想化相聯(lián)系的。經(jīng)典物理學所研究的是理想的物質(zhì)客體。它不但用理想化的“質(zhì)點”、“剛體”、“理想氣體”來描述物體，而且把研究對象的條件理想化，使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內(nèi)。而客觀世界并不是如此，特別是進入微觀領(lǐng)域，微觀粒子運動的幾率性、隨機性；觀測對象和觀測主體不可分割性等都足以說明自然界本身并不是我們想象的那么簡單。
在現(xiàn)代科學中，牛頓的經(jīng)典力學成了相對論的低速現(xiàn)象的特例，成為非線性科學中交互作用近似為零的情況，在量子力學中是測不準關(guān)系可以忽略時的理論表述。復雜性的提出并不是要消滅簡單性，而是為了打破簡單性獨占的一統(tǒng)地位。復雜性是把簡單性作為一個特例包含其中，正如莫蘭所說的，復雜性是簡單性和復雜性的統(tǒng)一。復雜性比簡單性更基本，可能性比現(xiàn)實性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學思維方式，不是以現(xiàn)實來限制可能，而是從可能中選擇現(xiàn)實；不是以既存的實體來確定演化，而是在演化中認識和把握實體。復雜性主張考察被研究對象的復雜性，在對其作出層次與類別上的區(qū)分之后再進行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強調(diào)的是一種整體的協(xié)同。
四、量子力學使科學活動中主客體分離邁向主客互動
經(jīng)典科學思維方式的一個指導觀念就是，認為科學應該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來樣子的”世界知識。玻爾告訴人們，根本不存在所謂的“真實”，除非你首先描述測量物理量的方式，否則談論任何物理量都是沒有意義的！測量，這一不被經(jīng)典物理學考慮的問題，在面對量子世界如此微小的測量對象時，成為一個難以把握的手段。因為研究者的介入對量子世界產(chǎn)生了致命的干擾，使得測量中充滿了不確定性。在海森伯看來，在我們的研究工作由宏觀領(lǐng)域進入微觀領(lǐng)域時，我們就會遇到一個矛盾：我們的觀測儀器是宏觀的，可是研究對象卻是微觀的；宏觀儀器必然要對微觀粒子產(chǎn)生干擾，這種干擾本身又對我們的認識產(chǎn)生了干擾；人只能用反映宏觀世界的經(jīng)典概念來描述宏觀儀器所觀測到的結(jié)果，可是這種經(jīng)典概念在描述微觀客體時又不能不加以限制。這突破了經(jīng)典科學完全可以在不影響客體自然存在的狀態(tài)下進行觀測的假定，從而建立了科學活動中主客體互動的關(guān)系。
例如，關(guān)于光到底是粒子還是波，辯論了三百多年。玻爾認為這完全取決于我們?nèi)绾稳ビ^察它。一種實驗安排，人們可以看到光的波現(xiàn)象；另一種實驗安排，人們又可以看到光的粒子現(xiàn)象。但就光子這個整體概念而言，它卻表現(xiàn)出波粒二象性。因此，海森伯就說，我們觀測的不是自然本身，而是由我們用來探索問題的方法所揭示的自然。[8]
量子力學的發(fā)展表明，不存在一個客觀的、絕對的世界。唯一存在的，就是我們能夠觀測到的世界。物理學的全部意義，不在于它能夠描述出自然“是什么”，而在于它能夠明確，關(guān)于自然我們能夠“說什么”。
參考文獻
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關(guān)鍵詞:多媒體;量子力學;教學效率
一、前言
《量子力學》課程是物理學科的一門重要的基礎(chǔ)課。量子力學是研究微觀粒子的運動規(guī)律的物理學分支學科，它主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論，它與相對論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學的理論基礎(chǔ)。量子力學不僅是近代物理學的基礎(chǔ)理論之一，還在化學等相關(guān)學科和許多近代技術(shù)中得到了廣泛的應用。
由于《量子力學》課程的重要性，其相關(guān)的教學得到了相當?shù)闹匾暎ǔＣ恐苁?個學時的課程量。眾所周知，《量子力學》是一門既難學又難教的課程，一是因為其中涉及的概念和我們?nèi)粘Ｉ?或者說常識)相距甚遠，二是所學習的數(shù)學課程比較多，主要有高等數(shù)學、數(shù)學物理方法、線性代數(shù)等，幾乎包括了物理專業(yè)學生所學過的全部數(shù)學課程。概念抽象，遠離日常經(jīng)驗，計算復雜，使《量子力學》成為一門難學難教的課程。
隨著電氣化教學的發(fā)展，現(xiàn)在有越來越多的課程開始使用多媒體教學，并且取得了一定的成效，當然同時也顯露了一些問題。本文擬對《量子力學》課程中使用多媒體教學的優(yōu)缺點進行分析，并就如何在傳統(tǒng)板書教學和多媒體教學之間達到最好的效果給出一些建議。
二、在《量子力學》課程中使用多媒體教學的利弊
眾所周知，多媒體教學是教學手段創(chuàng)新的重要內(nèi)容之一。多媒體教學是現(xiàn)代科學技術(shù)在教育工作中的運用，即應用先進的技術(shù)手段，把錄音機、電視機、錄像機、視頻展示臺、投影機、多媒體計算機等引進課堂，將通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子郵件、衛(wèi)星遠程通訊、傳真通訊、虛擬現(xiàn)實等新的教育媒體逐步運用于教學，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，增加教學的密度，調(diào)動學生的學習積極性。其主要的優(yōu)點有:
(1)有利于提高課堂教學效率。傳統(tǒng)的課堂教學，教師展示知識的空間只是一塊容量有限的黑板，教學時間有限，教師不得不將很大一部分精力放在板演文字、繪畫等低效的勞動上。這樣的課堂教學往往呆板、僵化，缺乏生機與活力，效率不高。運用多媒體教學，可以將大量的教學信息預置在計算機內(nèi)，隨時調(diào)用，任意切換，將相關(guān)的圖形、圖像，生動、直觀地投影到屏幕上，學生可從視覺、聽覺等多方面感受知識，加深對教學內(nèi)容的理解。
在《量子力學》課程中，如對于氫原子各級波函數(shù)，就可以直接使用圖像形象地表示出來，可以給學生以強烈的印象，使物理結(jié)果更易于理解，同時也容易激起學生的學習熱情。若使用傳統(tǒng)板書手工繪制電子云圖，一則手工畫圖速度慢，二則不很準確，直接影響教學效率。有的Flash格式的課件，可以通過輸入和調(diào)整主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)，即時把原子軌道輪廓圖和徑向分布圖表示出來，用色鮮艷，對比強烈，給人以深刻的印象，這樣效果是很明顯的。
(2)能夠激發(fā)學生的學習熱情。多媒體技術(shù)因其圖文并茂、聲像俱佳的表現(xiàn)形式和跨越時空的非凡表現(xiàn)力，大大增強了學生對事物與過程的理解與感受，體現(xiàn)了極強的直觀性，能夠全方位、多角度、多層次地調(diào)動學生的情緒、注意力和興趣，使學生能夠主動地學習。
在《量子力學》課程中，比如在緒論部分，可適當?shù)亟榻B一下在量子力學發(fā)展史上一些著名科學家的簡歷，如普朗克、愛因斯坦、玻爾、泡利、海森堡、費曼等，使用多媒體可通過文字、音像資料充分表現(xiàn)，這可以活躍課堂氣氛，有助于促進學生對科學的熱愛，包括對《量子力學》課程的興趣。
(3)多媒體教學可以拓展教學時空。學生也可以通過拷貝電子教案和網(wǎng)上閱讀電子教案進行課后復習，逐漸改變學生過于依賴課堂、過于依賴教師的傳統(tǒng)教學模式，加強學生獲取知識的能力，有助于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)和學生個性的發(fā)展。事實上，我們可從網(wǎng)絡(luò)上看到許多名師的教學課件，通過對課件的學習，無論對于學生還是教師都是有益的。這不論對《量子力學》課程還是其他課程都是一樣的。
(4)動態(tài)交互性強。人機交互、立即反饋是多媒體技術(shù)的顯著特點，也是任何其他媒體所沒有的。在這種交互式學習環(huán)境中，教師通過創(chuàng)設(shè)形象直觀、生動活潑的交互式教學情境，為學生提供更多的參與機會。教師與學生的交流、學生與學生交流、人機交流的良性互動，能激發(fā)學生的學習興趣及參與意識，可以充分發(fā)揮學生的主觀能動性，使學習更為主動，從而有利于學生形成新的認知結(jié)構(gòu)。
(5)理論聯(lián)系實踐的功能大大增強。運用多媒體技術(shù)可以采用虛擬實驗實現(xiàn)對普通實驗的擴充，甚至現(xiàn)實環(huán)境很難實現(xiàn)或無法實現(xiàn)的實驗項目，可以用圖形、圖像等多媒體形式，模擬實驗全過程。借助有關(guān)的教學軟件，通過對真實情景的再現(xiàn)和模擬，學生可以隨時在電腦上“重溫”實驗過程。
在《量子力學》課程中涉及的實驗不多，主要有黑體輻射、電子衍射實驗、Stern-Gelach實驗等。在展現(xiàn)實驗過程和結(jié)果時，多媒體可發(fā)揮其優(yōu)越性。如電子衍射實驗，通過減弱電子流強度使粒子一個一個地被衍射，粒子一個個隨機的被打到屏幕各處，顯示粒子性，但經(jīng)過足夠長的時間，所得衍射圖樣和大量電子同時衍射所得圖樣一樣，從而引出波函數(shù)的統(tǒng)計詮釋。使用多媒體動畫，我們可形象地展現(xiàn)電子一個一個打到屏幕上最后得到衍射圖樣的過程。這是在黑板上自己手工畫圖的效果所不能比擬的。
以上我們討論了使用多媒體教學體現(xiàn)出的優(yōu)越性。開展多媒體教學時一定要處理好內(nèi)容與形式的關(guān)系。形式為內(nèi)容服務，這是教學的一個基本原則，多媒體教學也不例外。教學體現(xiàn)的是教師和學生之間的一個溝通過程，在此過程中，如何恰當?shù)厥褂枚嗝襟w技術(shù)應引起我們的注意。如果我們仔細分析，可以發(fā)現(xiàn)在多媒體教學中，特別是在《量子力學》教學中同樣存在著較多的問題，值得引起我們的注意。
(1)忽視雙向交流。在多媒體教學中，如果不注意的話，教師可能會較多的注意桌面點擊，表演課件，而在一定的程度上忽視和學生的雙向交流。不過相對來說，這一點只要講課老師適當注意，就能夠減小這方面的不利影響。
(2)數(shù)學推導的欠缺。
在《量子力學》課程中，由于涉及到的數(shù)學計算較多，在講課過程中無法避免地會出現(xiàn)較多的數(shù)學推導。面對整個多媒體中大片的公式，學生很容易感到疲倦，甚至失去興趣，從而使教學效果大打折扣。
從某種意義上來說，如果學了一門理論物理的課，學生卻不能夠把公式推導出來，就教學效果而言，是一個很大的遺憾。使用板書可讓學生真實地看到教師如何把結(jié)論一步一步地推導出來，與使用多媒體相比，學生更容易掌握板書的推導，且學生本身的數(shù)學推導能力也能較快地提高。甚至教師在推導過程中偶然的失誤也會促進學生的了解，至少可以讓學生知道哪些地方如果不注意的話可能會弄錯。
不過，過于復雜且教學大綱又不作要求的數(shù)學推導可以通過多媒體進行，一是讓學生看到了結(jié)論是如何出來的，二又避免了把過多的時間投入于此，畢竟課堂時間是有限的。比如一維諧振子波函數(shù)，氫原子角向波和徑向波函數(shù)。在教科書上，對氫原子角向波函數(shù)，常常直接說在《數(shù)學物理方法》課程中已經(jīng)得到解，為球諧函數(shù)，然后就直接給出了結(jié)論，由于課時的原因，不可能對此進行詳細的闡述。事實上學生有可能已經(jīng)遺忘了相關(guān)內(nèi)容，因此相應的復習還是必要的。通過多媒體簡略地展示下相關(guān)推導過程可能是一個比較好的選擇。
三、結(jié)論
前面我們分別討論了在《量子力學》課程中使用多媒體教學中存在著的優(yōu)缺點。為了有效提高教學效果，筆者認為應當綜合的使用傳統(tǒng)板書教學和多媒體教學，在講授基本概念和有較多的圖表時，可多使用多媒體教學，但應適當使用，而在講數(shù)學推導時仍應使用傳統(tǒng)板書，少用甚至不使用多媒體。
參考文獻
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關(guān)鍵詞：熱力學與統(tǒng)計物理學；國家精品課程；統(tǒng)計熱力學體系
“熱力學與統(tǒng)計物理學”（簡稱“熱統(tǒng)”）是我國高等院校本科物理專業(yè)的一門必修課程，是研究物質(zhì)有關(guān)熱現(xiàn)象（即宏觀過程）規(guī)律的理論物理課，也是普通物理“熱學”的后續(xù)課。內(nèi)蒙古大學“熱統(tǒng)”教學組在20多年教學實踐中，不斷更新教育觀念，探索課程教學體系的改革，逐步建立了以微觀理論為主線的教學體系，建設(shè)了首門“熱統(tǒng)”國家精品課程（2004年）——“統(tǒng)計熱力學”，陸續(xù)出版了配套教材[1]和學習輔導書[2]。
一、關(guān)于“熱統(tǒng)”教學體系的思考
關(guān)于熱現(xiàn)象的理論包括兩部分，即宏觀理論——“熱力學”和微觀理論——“統(tǒng)計物理學”。我國目前的“熱統(tǒng)”課程由早年設(shè)置的 “熱力學”和“統(tǒng)計物理學”兩門課程合并而成，一直沿襲“熱”、“統(tǒng)”相對獨立的“一分為二”教學體系[3-5]。教學內(nèi)容安排大體以學科發(fā)展歷史和認識層次為序，由唯象到唯理，由宏觀到微觀。這種體系十分成熟，在多年教學實踐中獲得很大成功。隨著科學技術(shù)和人類現(xiàn)代文明的飛速發(fā)展，人們認識世界的條件、增長知識的方式和獲取信息的渠道發(fā)生了質(zhì)的變化：昔日深奧難解的名詞，今天已可聞之于街巷；諸多科學概念的理解，逐漸變得不很困難。在這種知識氛圍和學習環(huán)境下，從中學到大學的物理教學內(nèi)容均在不斷地改革和深化。同時，現(xiàn)代科學成就在高新技術(shù)中的廣泛應用向21世紀人才培養(yǎng)提出更高的要求。這一切，催動著大學物理課程改革的進程，也激發(fā)起我們對傳統(tǒng)體系的思考。
從“熱物理”系列課程改革現(xiàn)狀來看，一方面，普通物理“熱學”課程的內(nèi)容已進行了必要的深化和后延，原有“熱統(tǒng)”課程與現(xiàn)行“熱學”課程內(nèi)容出現(xiàn)較多重復。僅以汪志誠著《熱力學 · 統(tǒng)計物理》[5]和秦允豪著《熱學》[6]為例，二者內(nèi)容重疊約為1/3。過多重復造成學習時間與精力的浪費，甚至引發(fā)學生的厭學情緒，使學習效益降低。另一方面，飛速發(fā)展的高新技術(shù)拉近了基礎(chǔ)理論與應用技術(shù)的距離，就熱物理而言，無論實際工作中的應用，還是繼續(xù)深造時的基礎(chǔ)，都對“熱統(tǒng)”課程教學提出更高的要求。增加課程的統(tǒng)計物理比重，深化微觀理論的系統(tǒng)理解勢在必然。此外，改革開放以來，我國高等教育從學制到專業(yè)及課程設(shè)置均有較大幅度的變動，“熱統(tǒng)”課教學時數(shù)多次削減（1208672、64），課堂教學的信息量和效益問題變得更加突出。面對這種形勢，各校對“熱統(tǒng)”課程的內(nèi)容進行了不斷的改革，逐步增加統(tǒng)計物理比重，努力減少和避免與“熱學”的重復。然而，由于沒有觸動“一分為二”的體系，大量的簡單重復難以避免，“熱力學”內(nèi)容仍然偏多，實際教學中統(tǒng)計物理的系統(tǒng)性難以保證。
針對上述問題，我們從體系結(jié)構(gòu)著眼，對“熱統(tǒng)”課程進行了較大力度的改革[1]。我們的改革思路是：打通“熱物理”宏觀與微觀理論的壁壘，融二者為一體，削減學時、充實內(nèi)容，有效地避免與普通物理的簡單重復，提高教學效益；以微觀理論為主導，確保統(tǒng)計物理體系的完整性與系統(tǒng)性，增加課程的先進性與適用性。在上述思想指導下，構(gòu)建了“熱統(tǒng)”課程的“統(tǒng)計熱力學”體系。新體系從根本上解決了熱物理課程中理論物理與普通物理之間層次交疊、內(nèi)容重復的問題；大幅增加統(tǒng)計物理比重，使其理論及應用內(nèi)容在總學時中占到3/4以上。
二、統(tǒng)計熱力學體系的特色
統(tǒng)計熱力學教學體系的主要特色是：熱物理學以微觀理論為框架；微觀理論以系綜理論為主線；系綜理論以量子論為基礎(chǔ)。體系知識結(jié)構(gòu)框如上圖所示。
1．以微觀理論為框架，融微觀與宏觀一體
“統(tǒng)計熱力學”以微觀理論——統(tǒng)計物理為主導，建立了從微觀到宏觀、完整自恰的理論體系。
在傳統(tǒng)的“一分為二”體系下，學生往往將過多精力用于熱力學計算，不能很好地理解統(tǒng)計物理的理論體系，容易將熱現(xiàn)象的宏觀和微觀理論割裂開來。本體系從微觀理論出發(fā)，用統(tǒng)計物理理論導出熱力學基本定律，討論體系熱力學性質(zhì)，給出統(tǒng)計物理概念與宏觀現(xiàn)象的對應，融熱現(xiàn)象的微觀、宏觀理論于一體，結(jié)束了兩種理論割裂的傳統(tǒng)教學格局，提高了認識層次。同時，使理論物理與普通物理的分工更趨合理，便于解決傳統(tǒng)體系難以避免的“熱統(tǒng)”與“熱學”過多重復問題。
本體系按照統(tǒng)計物理學的知識框架，將主要知識點劃分為孤立系、封閉系和開放系等三個模塊（參見上圖）。各塊均首先給出相應的統(tǒng)計分布，進而引入熱力學勢（特性函數(shù)），導出熱力學基本定律，再用微觀和宏觀理論相結(jié)合的方法研究具體系統(tǒng)的熱力學性質(zhì)。例如：在孤立系一章，從等概率基本假設(shè)出發(fā)，引入統(tǒng)計物理的熵，導出熱力學第一、第二定律，進而研究理想氣體的平衡性質(zhì)。在討論封閉系時，從正則分布出發(fā)，引入熱力學勢——自由能，給出均勻系熱力學基本微分式，進而導出麥克斯韋關(guān)系，介紹用熱力學理論研究均勻物質(zhì)宏觀性質(zhì)的方法，再具體討論電、磁介質(zhì)熱力學、焦-湯效應等典型實例。同時用正則分布研究近獨立子系構(gòu)成的體系，導出麥-玻分布，介紹最概然法；進一步導出能均分定理，介紹運用統(tǒng)計理論研究半導體缺陷、負溫度、理想和非理想氣體等問題的方法。對于開放系，首先導出巨正則分布，再引入巨勢，給出描述開放系的熱力學微分式，研究多元復相系的平衡性質(zhì)，討論相變和化學熱力學問題；用量子統(tǒng)計理論導出熱力學第三定律，討論低溫化學反應的性質(zhì)。另一方面，考慮全同性原理，用巨正則分布導出玻色、費密兩種量子統(tǒng)計分布，給出它們的準經(jīng)典極限——麥-玻統(tǒng)計分布，并運用獲得的量子統(tǒng)計分布分別討論電子氣、半導體載流子、光子系的統(tǒng)計性質(zhì)和玻色—愛因斯坦凝聚等應用實例。
2．以系綜理論為主線，完善統(tǒng)計物理體系
與國內(nèi)現(xiàn)流行體系不同，“統(tǒng)計熱力學”的統(tǒng)計物理以“系綜理論”為基礎(chǔ)，具有更強的系統(tǒng)性。
現(xiàn)流行體系為便于學生理解，大多先避開系綜理論，講解統(tǒng)計物理中常用的分布和計算方法，如近獨立粒子的最概然分布、玻耳茲曼統(tǒng)計、玻色統(tǒng)計和費米統(tǒng)計及其應用等，而在課程的最后介紹系綜理論有關(guān)知識[5]。這種體系除內(nèi)容不可避免地出現(xiàn)重復外，還在一定程度上犧牲了統(tǒng)計物理的系統(tǒng)性。在實際教學中，為了闡明有關(guān)分布和統(tǒng)計法，往往不可避免地運用如等概率假設(shè)、配分函數(shù)、巨配分函數(shù)等系綜理論的基本概念，難免出現(xiàn)生吞活剝、“消化不良”的弊端。從體系實施現(xiàn)狀來看，不少院校因?qū)W時有限，在熱力學和基本統(tǒng)計方法的教學之后，對系綜理論的介紹只能一帶而過，學生難以完整掌握統(tǒng)計物理理論。
我們多年采用系綜理論為主線的教學實踐表明，“統(tǒng)計分布”與“系綜”的“分割”是不必要的。本體系首先引入“系綜”概念，將整個“統(tǒng)計熱力學”的基礎(chǔ)建立在系綜理論之上，從一個基本假設(shè)——等概率假設(shè)（微正則系綜）入手，漸次導出各種宏觀條件下的系綜分布，建立配分函數(shù)、巨配分函數(shù)等基本概念，給出相應的熱力學勢和熱力學基本微分公式；同時，順暢地導出如最概然分布、玻耳茲曼統(tǒng)計、玻色統(tǒng)計和費米統(tǒng)計法等常用分布和計算方法，并用于實際問題。在教學過程中，力求循序漸進地闡明統(tǒng)計物理的基本理論，使學生準確、清晰地掌握統(tǒng)計物理的基本概念，對熱物理理論有完整系統(tǒng)的理解，能夠全面、靈活地運用，為進一步學習更高深的知識和了解物理學的最新成果奠定扎實的基礎(chǔ)。
3. 以量子理論為基礎(chǔ)，認識微觀運動本質(zhì)
為使學生準確認識微觀運動本質(zhì)，“統(tǒng)計熱力學”將系綜理論建立在量子論的基礎(chǔ)上，而經(jīng)典統(tǒng)計則作為量子統(tǒng)計的極限給出。
傳統(tǒng)體系多從經(jīng)典統(tǒng)計入手，然后進入量子統(tǒng)計。我們教學實踐的體會是，物理學歷史上由經(jīng)典論到量子論的認識過程沒有必要在統(tǒng)計物理教學中重演。通過現(xiàn)設(shè)“普通物理學”課程的學習，學生已理解微觀運動遵從量子力學規(guī)律，并具備了一定的量子論知識基礎(chǔ)，在量子論基礎(chǔ)上建立統(tǒng)計物理理論順理成章。事實上，微觀運動的正確描述須用量子理論，而量子統(tǒng)計與經(jīng)典統(tǒng)計就統(tǒng)計規(guī)律性而言并無本質(zhì)區(qū)別，經(jīng)典統(tǒng)計只是量子統(tǒng)計的極限情形而已。以量子論為基礎(chǔ)構(gòu)建統(tǒng)計物理體系，更有利于學生盡快認識事物的本質(zhì)，迅速進入對前沿科學的學習。
三、關(guān)于體系的兼容性——幾個共同關(guān)注的問題
“統(tǒng)計熱力學”以系綜理論為主線，以量子論為基礎(chǔ),大幅提高統(tǒng)計物理比重，適當?shù)卦黾恿苏n程深度。在課時縮減，招生規(guī)模擴大的形勢下,實施上述改革更有一定風險和難度。另一方面，新體系能否與流行體系兼容，也是國內(nèi)同行普遍關(guān)注，需要在優(yōu)化改革方案過程中解決的問題。為化解難度，提高兼容性，在體系建立和教學實踐中，我們著力解決了以下幾個問題：
問題之一：量子理論與系綜理論理解困難問題。如前所述，學習本體系前應具備一定的量子論知識。目前國內(nèi)物理專業(yè)的“熱統(tǒng)”課程多排在“量子力學”之前。這就不可避免地出現(xiàn)了“前量子力學”困難。為解決這一問題，我們在課程引論中安排了量子論基本知識的講授，介紹量子態(tài)、能級、簡并、全同性、對應關(guān)系等概念。如此處理，再結(jié)合普通物理“原子物理學”中學到的量子力學初步知識，學生就能夠較好地接受“量子統(tǒng)計”有關(guān)概念。此外，我們將“量子態(tài)”和“量子統(tǒng)計法”兩個初學者較難理解的概念做分散處理：分別在第1章引入“系綜”概念之前和第6章巨正則系綜概念之后講授，既分散了難點，又使概念和運用銜接緊密，有利于及時消化。
系綜理論是統(tǒng)計物理中最核心、最抽象的內(nèi)容，也是統(tǒng)計物理教學的難點。國內(nèi)流行體系將系綜理論與常用統(tǒng)計分布及計算方法分離，安排在課程最后集中單獨介紹。我們實踐的體會是，這種處理將多個難點（三種系綜及相應熱力學關(guān)系）集中，增加了學生的理解困難；加之系綜概念孤立于基本統(tǒng)計方法和應用之外，更顯抽象枯燥。學生學后或覺不知所云，或難縱觀全局，終致應用乏力。鑒于此，我們遵循由表及里、由淺入深、循序漸進、層層推進的認識規(guī)律，將系綜的基本概念和三個系綜分散在七章中穿插講授、逐步深入，并及時運用理論對相應系統(tǒng)的性質(zhì)加以討論。這樣做，可分散認知難點，并及時結(jié)合應用，實現(xiàn)宏觀微觀的交錯，避免枯燥無味的困惑，既保證了熱物理理論的系統(tǒng)性和完整性，又解決了系綜理論為主線的教學困難。
問題之二：關(guān)于最概然法與麥-玻統(tǒng)計問題。最概然（可幾）法與麥克斯韋-玻爾茲曼（麥-玻）統(tǒng)計法，是統(tǒng)計物理中應用較廣的兩個方法。采用系綜理論為主線的教學體系，是否會影響這兩種方法的學習和運用？這也是國內(nèi)同仁關(guān)注的問題之一。在新體系課程改革和教材編寫中，對這兩部分內(nèi)容均給予充分的注意。在第三章（封閉系）導出正則分布和相應熱力學公式之后，用兩種方法導出麥-玻分布：一是作為近獨立子系的平均分布，由正則分布導出；二是從微正則系綜出發(fā)，用最概然法導出。同時還由麥-玻分布給出熱力學公式，并討論幾種分布之間的關(guān)系，給出分布的應用實例。實踐表明，這種處理模式能全面深化學生對最概然法與麥-玻分布的理解，以致在應用中得心應手；還能強化對系綜理論和統(tǒng)計物理體系的理解。
問題之三：熱力學基本方法掌握問題。熱力學作為一種可靠的宏觀理論，從基本定律出發(fā)，通過嚴格的數(shù)學推演，系統(tǒng)地給出熱力學函數(shù)之間的有機聯(lián)系，將其用于實際問題。深入理解熱力學定律的主要推論和熱力學關(guān)系，熟悉它們的應用，掌握熱力學演繹推理方法，是“熱統(tǒng)”課程不可或缺的內(nèi)容。“統(tǒng)計熱力學”體系以微觀理論為框架組織教學，是否會削弱學生在熱力學理論的理解和應用方面的訓練？對這個問題，國內(nèi)同行關(guān)注有加，各見仁智，也是我們在課程改革中始終注意的問題。我們的處理模式是：打通熱物理宏觀與微觀理論的壁壘，針對不同宏觀條件，在相應章節(jié)給出各種系綜分布，然后導出熱力學公式，并插入相應的熱力學理論訓練內(nèi)容，確保足夠篇幅討論平衡態(tài)的熱力學性質(zhì)。例如：在建立封閉系的正則系綜理論后，插入“均勻物質(zhì)熱力學性質(zhì)”一章，集中講授麥克斯韋關(guān)系、基本熱力學函數(shù)和關(guān)系、特性函數(shù)等概念，介紹熱力學基本方法和對典型實例的應用。建立開放系的巨正則系綜理論后，又集中介紹與之相關(guān)的相平衡、化學平衡等問題的宏觀理論。事實上，熱物理的微觀和宏觀理論相得益彰、不可分割。在學習運用統(tǒng)計物理研究宏觀過程的規(guī)律時，勢必也會反復地運用熱力學函數(shù)、公式和相應方法，使學習者得到相應訓練。此外，再提供一定數(shù)量的習題，輔之以課外練習，以達到“學而時習之”的效果。這樣，新體系雖然大量削減純粹“熱力學”內(nèi)容，并未削弱對熱力學理論的理解和方法的訓練，相反可使其得到加強和升華。
內(nèi)蒙古大學“熱統(tǒng)”教學組近20年的課程改革和教學實踐證明，用“統(tǒng)計熱力學”體系組織本科物理專業(yè)“熱統(tǒng)”課教學是可行的。采用同樣的體系和教材，適當取舍內(nèi)容，在應用物理和電子科學技術(shù)專業(yè)組織2學分“統(tǒng)計物理”教學，亦取得一定的經(jīng)驗，其效果令人欣慰。毋庸置疑，筆者主張統(tǒng)計熱力學體系，絲毫無意否定“熱統(tǒng)分治”的傳統(tǒng)教學體系。兩種體系，各有千秋，互補互鑒。究竟采用何種體系組織教學，還應視培養(yǎng)目標、師資力量、學生狀況等，因地制宜地選擇。
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Mirco A.Mannucci The University of Queensland,Australia
Quantum Computing for
Computer Scientists
2008, 384pp.
Hardcover
ISBN 9780521879965
N.S.揚諾夫斯基等著
量子計算是計算機科學、數(shù)學和物理學的交叉學科。在跨學科研究領(lǐng)域中,量子計算開創(chuàng)了量子力學的許多出人意料的新方向,并拓展了人類的計算能力。本書直接引領(lǐng)讀者進入量子計算領(lǐng)域的前沿,給出了量子計算中最新研究成果。該書從必要的預備知識出發(fā),然后從計算機科學的角度來介紹量子計算,包括計算機體系結(jié)構(gòu)、編程語言、理論計算機科學、密碼學、信息論和硬件。
全書由11章組成。1.復數(shù),給出了復數(shù)的基本概念、復數(shù)代數(shù)和復數(shù)幾何;2.復向量空間,以最基本的例子Cn空間引入,介紹了復向量空間的定義、性質(zhì)和例子,給出了向量空間的基和維數(shù)、內(nèi)積和希爾伯特空間、特征值和特征向量、厄米特矩陣和酉矩陣、張量積的向量空間;3.從古典到量子的飛躍,主要內(nèi)容有古典的確定性系統(tǒng)、概率性系統(tǒng)、量子系統(tǒng)、集成系統(tǒng);4.基本量子理論,主要有量子態(tài)、可觀測性、度量和集成量子系統(tǒng);5.結(jié)構(gòu)框架,主要包括比特和量子比特、古典門、可逆門和量子門;6.算法,包括Deutsch算法、Deutsch-Jozsa算法、Simon的周期算法、Grover搜索算法和Shor因子分解算法;7.程序設(shè)計,包括量子世界的程序設(shè)計、量子匯編程序設(shè)計、面向高級量子程序設(shè)計和先于量子計算機的量子計算;8.理論計算科學,包括確定和非確定計算、概率性計算和量子計算;9.密碼學,包括古典密碼學、量子密鑰交換的三個協(xié)議(BB84協(xié)議、B92協(xié)議和EPR協(xié)議)、量子電子傳輸;10.信息論,主要內(nèi)容有古典信息和Shannon熵值、量子信息和馮•諾依曼熵值、古典和量子數(shù)據(jù)壓縮、錯誤更新碼;11.硬件,主要包括量子硬件的目標和挑戰(zhàn)、量子計算機的實現(xiàn)、離子捕集器、線性光學、NMR與超導體和量子器件的未來。最后給出了5個附錄,附錄A量子計算的歷史,介紹了量子計算領(lǐng)域中的重要文獻;附錄B習題解答;附錄C 使用MATLAB進行量子計算實驗;附錄D 了解量子最新進展的途徑:量子計算的網(wǎng)站和文獻;附錄E選題報告。
本書適合計算機科學的本科學生和相關(guān)研究人員,也適合各級科研人員自學。
陳濤,碩士
(中國傳媒大學理學院)
Chen Tao,Master
關(guān)鍵詞：熱力學與統(tǒng)計物理 教學內(nèi)容 教學方法 考核方式 材料物理專業(yè)
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（c）-0170-02
材料物理專業(yè)是材料科學與物理學的一個交叉學科，專業(yè)特點要求在課程設(shè)置上既有材料科學方面的課程又要有物理類課程。安徽工業(yè)大學材料物理專業(yè)于2003年開始進行籌劃建設(shè)，2005年實現(xiàn)了首次招生。經(jīng)過幾年的探索、規(guī)劃和實踐，基本完成了專業(yè)定位和課程體系設(shè)置[1]，正逐步完善專業(yè)建設(shè)。現(xiàn)階段，保留了量子力學，熱力學與統(tǒng)計物理（以下簡稱熱統(tǒng)）和固體物理學作為本專業(yè)的物理類必修課程。其中，熱力學與統(tǒng)計物理是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，無論對后續(xù)的物理類還是材料類課程的學習都起到承上啟下的知識連接作用。本課程的設(shè)置目的使學生能夠熟練掌握熱力學和統(tǒng)計力學的基本原理和研究方法，逐步建立分析微觀世界的思路和方法，訓練學生嚴格的邏輯思維能力，培養(yǎng)演繹推理能力，提高解決具體問題的能力。
1 熱力學與統(tǒng)計物理課程教學中存在的主要問題
熱統(tǒng)課程內(nèi)容由熱力學和統(tǒng)計物理兩部分組成。其中，熱力學是研究熱現(xiàn)象的宏觀理論，它從若干經(jīng)驗定律出發(fā)，通過嚴密的邏輯演繹方法，最終給出系統(tǒng)的宏觀熱性質(zhì)；而統(tǒng)計物理則是研究熱現(xiàn)象的微觀理論，它從微觀粒子的力學規(guī)律出發(fā)，加上統(tǒng)計假設(shè)，獲得系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。從內(nèi)容上來看，熱統(tǒng)課程的理論性強，教學內(nèi)容繁雜。尤其，在當前高校推行素質(zhì)教育和培養(yǎng)應用型人才的指導下，基礎(chǔ)理論課課程教學學時均有不同程度的壓縮。我校熱統(tǒng)課程安排為40個學時，由此帶來了教學學識少和教學內(nèi)容多的嚴重矛盾。我們根據(jù)我校材料物理專業(yè)特色方向和后續(xù)課程，在熱統(tǒng)教學內(nèi)容上做出了適當?shù)恼{(diào)整。
現(xiàn)行的熱統(tǒng)教材理論性強，較適合理科生使用，缺乏較合適的工科材料類學生使用的熱統(tǒng)教材。在組織教學中，我們以汪志誠編寫的《熱力學?統(tǒng)計物理（第四版）》作為主要參考教材[2]，同時綜合了多本經(jīng)典教材，如：胡承正編著的《熱力學與統(tǒng)計物理學》，包景東編著的《熱力學與統(tǒng)計物理簡明教程》等[3～4]。根據(jù)我校材料物理專業(yè)培養(yǎng)目標和專業(yè)特色方向，本著“先進、有效、有用”的原則，對熱統(tǒng)課程的教學內(nèi)容應該進行認真清理與重構(gòu)，形成適合本校實際的課程講義。
在教學方法和考核方式上也應根據(jù)我校實際進行相應的改革。熱統(tǒng)課程是一個理論性強的課程，其中的物理概念抽象，物理公式繁雜。安徽工業(yè)大學材料物理專業(yè)是在工科背景下成立并發(fā)展起來的，學生的數(shù)理基礎(chǔ)相對薄弱，在學習的過程中會有些吃力。長期的教學實踐告訴我們，如果采取傳統(tǒng)的灌輸式教學方法，只能使熱統(tǒng)課堂教學枯燥無味，學生被動的接受知識，失去了學習興趣，甚至對后續(xù)的專業(yè)課學習產(chǎn)生抵觸情緒。另外，傳統(tǒng)的閉卷考試常造成學生不重視平時的學習過程，期末復習只看教學課件，期待老師劃重點，搞突擊記憶。
針對上述現(xiàn)狀，我們嘗試著進行了教學內(nèi)容，教學方法和考核方式的改革和實踐。
2 教學內(nèi)容的改革
2.1 優(yōu)化教學內(nèi)容
熱統(tǒng)課程的熱力學部分與先修課程，如大學物理、物理化學和工程化學基礎(chǔ)的部分內(nèi)容重復率較高。我們在充分了解本專業(yè)學生的先修課程和后續(xù)課程的教學內(nèi)容后，對與其他課程有交叉重疊的部分進行了壓縮和刪減。比如：熱力學部分的熱力學基本定律，熱力學函數(shù)，化學平衡條件，理想氣體的化學平衡等都在先修課程里面作為重點內(nèi)容進行講授的。在實際教學時，只作復習性的簡述或以學生自學的方式完成。但為保證熱力學基本概念與規(guī)律的嚴格性與系統(tǒng)性，對重要的基本概念和定律還是進行重點講解。通過這樣的調(diào)整，節(jié)省了熱力學部分的教學學時，加大了統(tǒng)計物理部分的學時講授。統(tǒng)計物理是從宏觀系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手，從內(nèi)容上與量子力學和固體物理課程聯(lián)系緊密，也為后續(xù)的計算材料學課程，甚至可為本科畢業(yè)論文工作提供前期的知識準備。在統(tǒng)計物理教學部分，將在先修課程中學習過的麥克斯韋速度分布率和能均分定理略講；固體的熱容量的德拜理論是固體物理課程的重點教學內(nèi)容，在熱統(tǒng)教學中，這部分只簡單提及。經(jīng)過這樣的教學內(nèi)容優(yōu)化后，節(jié)省了課時，加強了課程之間的聯(lián)系，提高了教學效率。
2.2 適當引入材料學科前沿內(nèi)容
創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求課程內(nèi)容要體現(xiàn)先進性和現(xiàn)代化。通過合理的補充與熱統(tǒng)課程相關(guān)的材料學和物理學最新的學術(shù)成就與進展，有意識的突出課程的廣度，豐富和具體化基本理論內(nèi)容。增加學科前沿內(nèi)容，我們從兩個方面進行。一方面是在講授基礎(chǔ)理論知識的同時，引入與該知識密切相關(guān)的科學技術(shù)發(fā)展的介紹。例如：在對溫度和溫標作復習簡述的時候，介紹測溫儀表和測溫技術(shù)。電阻溫度計，熱電偶測溫技術(shù)，紅外測溫技術(shù)等在后續(xù)的材料類課程學習，課程設(shè)計和實驗及畢業(yè)論文工作是非常重要的一部分。在講授氣體的節(jié)流和膨脹過程一節(jié)時，介紹了獲得低溫的技術(shù)，以及與低溫有關(guān)的材料性能的變化，超導電現(xiàn)象的發(fā)展歷史及科研現(xiàn)狀等；在講授單元系的相變時，加強了對二級相變和臨界現(xiàn)象的講授，介紹了磁性材料，超導材料，超流體等方面的最新研究進展；在統(tǒng)計物理部分，介紹玻色-愛因斯坦凝聚的新進展，講授統(tǒng)計物理部分的金屬中的自由電子時，適當介紹計算材料學和計算物理方面的研究現(xiàn)狀等。另一方面是通過鼓勵學生現(xiàn)場聽取相關(guān)的學術(shù)報告，或者觀看相關(guān)報告的視頻。通過前沿知識的適當引進，開闊了學生的視野，激發(fā)了學生的學習和科研興趣，獲得了較好的教學效果。
2.3 注重理論聯(lián)系實際
材料類專業(yè)是應用性很強的專業(yè)，要求熱統(tǒng)課程教學內(nèi)容要體現(xiàn)實用性，加強理論與實際的聯(lián)系。我們鼓勵學生通過本科生科研訓練計劃（SRTP）和大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃的方式參與相關(guān)教師的課題研究，或者開設(shè)課程設(shè)計和實驗。如在講授相變的章節(jié)時，為了讓學生加深對二級相變的理解，開設(shè)了高溫超導轉(zhuǎn)變的實驗，巨磁電阻材料的相變實驗等。組織學生參觀學校相關(guān)的實驗室，如參觀計算材料實驗室，使學生了解相圖的理論計算方法，第一性原理計算及材料設(shè)計方法。經(jīng)過這樣的訓練，學生對物理概念有了深入的理解，提高學生的應用能力，研究能力和創(chuàng)新能力。
3 教學方法和考核方式的改革
3.1 學生為主體，教師為主導
在組織課堂教學時，認真貫徹以學生為主體，教師為主導的教學思想，加強師生互動，爭取使學生由被動接受知識變?yōu)橹鲃犹剿髦R。在課前，給學生預留思考題進行課前預習，讓學生帶著問題去聽課，做到有的放矢。在組織教學時，對重點章節(jié)進行精講，適時開展物理基本概念和基本問題的討論，啟發(fā)學生思考和推理。對相對容易理解的章節(jié)組織學生自學，或者制作成ppt課件，在課堂上講解，教師在做總結(jié)式講授。課后，要求學生獨立完成作業(yè)和習題，以期加深對基本概念的理解和應用。
3.2 重物理思想 簡化數(shù)學推導
在組織教學的過程中，重點講解基本概念，突出物理思想。借助于多媒體教學，對于較抽象、難理解的概念和原理，可通過制作圖文并茂的課件，或者觀看相關(guān)視頻的方式，使抽象的概念形象化，增強學生的感性認識。適當補充基本概念辨析題和思考題以促進學生對基本概念的深入理解和掌握。對于必要的數(shù)學推導，使用板書的方式進行詳解和推導，留給學生足夠的時間思考并跟上教師的思路。
3.3 考核方式的改革
考核是教學過程的主要環(huán)節(jié)之一，應具有實用性和針對性，并能體現(xiàn)學生的綜合素質(zhì)。我們在考核方面，加大了平時成績的比例，增加了課堂回答問題，課堂討論，撰寫科研小論文等環(huán)節(jié)的考核。在期末的閉卷考試中，減少死記硬背的概念題和公式，把考核重點放在學生對基本物理概念的理解和基本理論知識的實際應用上。
4 實踐效果
在教學實踐中逐步形成了適合我校材料物理專業(yè)實際的熱統(tǒng)課程講義。實踐證明，改革措施在緩解授課學時與教學內(nèi)容的矛盾，拓寬學生知識面等方面效果顯著。尤其，熱統(tǒng)課程作為材料物理專業(yè)的前期先修基礎(chǔ)課，對后續(xù)的課程學習起著承上啟下的重要作用。通過上述的教學改革后，學生的學習積極性大大提高，熱愛本專業(yè)的學習，踴躍參加SRTP和大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的計劃，甚至部分同學提前加入教師團隊的課題組，對未來的工作或者繼續(xù)深造充滿信心。
參考文獻
[1] 方道來，童六牛，夏愛林，等.材料物理專業(yè)定位及課程體系設(shè)置的探索[J].安徽工業(yè)大學學報：社會科學版，2011（23）：104-105.
[2] 汪志誠.熱力學?統(tǒng)計物理[M].北京：高等教育出版社，2010.
二十世紀即將結(jié)，二十一世紀即將來臨，二十世紀是光輝燦爛的一個世紀，是個類社會發(fā)展最迅速的一個世紀，是科學技術(shù)發(fā)展最迅速的一個世紀，也是物理學發(fā)展最迅速的一個世紀。在這一百年中發(fā)生了物理學革命，建立了相對信紙和量子力學，完成了從經(jīng)典物理學到現(xiàn)代物理學的轉(zhuǎn)變。在二十世紀二、三十年代以后，現(xiàn)代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了一系列的新學科的交叉學科、邊緣學科，人類對物質(zhì)世界的規(guī)律有了更深刻的認識，物理學理論達到了一個新高度，現(xiàn)代物理學達到了成熟的階段。
在此世紀之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀物理學的發(fā)展前景，探索今后物理學發(fā)展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先，我們來回顧一下上一個世紀之交物理學發(fā)展的情況，把當前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀物理學發(fā)展的方向是很有幫助的。
一、歷史的回顧
十九世紀末二十世紀初，經(jīng)典物物學的各個分支學科均發(fā)展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統(tǒng)計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經(jīng)典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統(tǒng)的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經(jīng)觀察到的物理現(xiàn)象。由于經(jīng)典物理學的巨大成就，當時不少物理學家產(chǎn)生了這樣一種思想：認為物理學的大廈已經(jīng)建成，物理學的發(fā)展基本上已經(jīng)完成，人們對物理世界的解釋已經(jīng)達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經(jīng)解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節(jié)上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數(shù)測得更精確一些。
然而，在十九世紀末二十世紀初，正當物理學家在慶賀物理學大廈落成之際，科學實驗卻發(fā)現(xiàn)了許多經(jīng)典物理學無法解釋的事實。首先是世紀之交物理學的三大發(fā)現(xiàn)：電子、X射線和放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。其次是經(jīng)典物理學的萬里晴空中出現(xiàn)了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結(jié)果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結(jié)果與經(jīng)典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經(jīng)典物理學的傳統(tǒng)觀念受到巨大的沖擊，經(jīng)典物理發(fā)生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦創(chuàng)立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創(chuàng)立了量子力學。現(xiàn)代物理學誕生了！
把物理學發(fā)展的現(xiàn)狀與上一個世紀之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。
在相對論和量子力學建立起來以后，現(xiàn)代物理學經(jīng)過七十多年的發(fā)展，已經(jīng)達到了成熟的階段。人類對物質(zhì)世界規(guī)律的認識達到了空前的高度，用現(xiàn)有的理論幾乎能夠很好地解釋現(xiàn)在已知的一切物理現(xiàn)象。可以說，現(xiàn)代物理學的大廈已經(jīng)建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀之交的情況很相似。因此，有少數(shù)物理學家認為今后物理學不會有革命性的進展了，物理學的根本性的問題、原則問題都已經(jīng)解決了，今后能做到的只是在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上在深度和廣度兩方面發(fā)展現(xiàn)代物理學，對現(xiàn)有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經(jīng)驗，多數(shù)物理學家并不贊成這種觀點，他們相信物理學遲早會有突破性的發(fā)展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學領(lǐng)域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經(jīng)典物理學發(fā)生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現(xiàn)代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學革命的條件似乎尚不成熟。
雖然在微觀世界和宇宙學領(lǐng)域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經(jīng)典物理學發(fā)生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現(xiàn)代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學革命的條件似乎尚不成熟。客觀物質(zhì)世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構(gòu)成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統(tǒng)構(gòu)成。物質(zhì)世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學研究的目的包括：探索各層次的運動規(guī)律和探索各層次間的聯(lián)系。
回顧二十世紀物理學的發(fā)展，是在三個方向上前進的。在二十一世紀，物理學也將在這三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展。
1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經(jīng)了解了原子核的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了大量的基本粒子及其運規(guī)律，建立了核物理學和粒子物理學，認識到強子是由夸克構(gòu)成的。今后可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現(xiàn)象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務，所以我認為近期內(nèi)在這個方向上難以有突破性的進展。
2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結(jié)果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據(jù)，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創(chuàng)生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續(xù)有所發(fā)展。從根本上來說，現(xiàn)代宇宙學的繼續(xù)發(fā)展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠處觀測的新結(jié)果，這需要人類制造出比哈勃望遠鏡性能更優(yōu)越得多的、各個波段的太空天文望遠鏡，這是很艱巨的任務。
我個人對于近年來提出的宇宙創(chuàng)生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現(xiàn)在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內(nèi)的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數(shù)個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的。現(xiàn)代宇宙學只研究我們這個“宇宙”，當然只能得到近似的結(jié)果，把他們的延伸到“宇宙”創(chuàng)生了初及遙遠的未來，則失誤更大。
3）深入探索各層次間的聯(lián)系。
這正是統(tǒng)計物理學研究的主要內(nèi)容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態(tài)統(tǒng)計物理學有了得大的發(fā)展，然后建立了“耗散結(jié)構(gòu)”理論、協(xié)同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發(fā)展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發(fā)展有廣闊的前景。
上述的物理學的發(fā)展依然現(xiàn)代物理學現(xiàn)有的基本理論的框架內(nèi)。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發(fā)展呢？有一些物理學家在追求“超統(tǒng)一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統(tǒng)一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統(tǒng)一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學家正在探索加上強力的“大統(tǒng)一理論”以及再加上引力把四種力都統(tǒng)一起來的“超統(tǒng)一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。
愛因斯坦當初探索“統(tǒng)一場論”是基于他的“物理世界統(tǒng)一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據(jù)辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質(zhì)世界是既統(tǒng)一，又多樣化的”。且莫論追求“超統(tǒng)一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發(fā)展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發(fā)展過程中，各個具體過程的發(fā)展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發(fā)展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數(shù)相對的真理之總和，就是絕對的真理。”“人們在實踐中對于真理的認識也就永遠沒有完結(jié)。”[5]
現(xiàn)代物理學的革命將怎樣發(fā)生呢？我認為可能有兩個方面值得考試：
1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現(xiàn)在我們不知道。我的直覺是：將來最早發(fā)現(xiàn)的第五種力可能存在于生命現(xiàn)象中。物質(zhì)構(gòu)成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學業(yè)與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發(fā)展的方向之一，與此有關(guān)的最關(guān)于復雜性研究的非線性科學的發(fā)展。
2）現(xiàn)代物理學理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應該通過審思現(xiàn)代物理學理論基礎(chǔ)的不完善性來探尋現(xiàn)代物理學革命的突破口，在下一節(jié)中將介紹我的觀點。
三、現(xiàn)代物理學的理論基礎(chǔ)是完美的嗎？
相對論和量子力學是現(xiàn)代物理學的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎(chǔ)是否十全十美的
呢？我們來審思一下這個問題。
1）對相對論的審思
當年愛因斯坦就是從關(guān)于光速和關(guān)于時間要領(lǐng)的思考開始，創(chuàng)立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現(xiàn)代物理學革命的突破口，也應該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護坦創(chuàng)立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規(guī)定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導出了洛侖茲變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護擔提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。
時間、空間是物質(zhì)運動的表現(xiàn)形式，不能脫離物理質(zhì)運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關(guān)于什么運動的時空。現(xiàn)代物理學認為超距作用是不存在的，A處發(fā)生的“事件”影響B(tài)處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關(guān)的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關(guān)于由電磁相互作用引起的物質(zhì)運動的時空，適用于描述這種運動。
愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質(zhì)運動，實際上就暗含了這樣的假設(shè)：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質(zhì)世界統(tǒng)一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質(zhì)世界既統(tǒng)一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數(shù)量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關(guān)于由電磁力引起的物質(zhì)運動的四維時空（x，y，z，ict）和關(guān)于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現(xiàn)在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數(shù)c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導出c＇的數(shù)值。
我在二十多年前開始形成上述觀點，當時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結(jié)果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經(jīng)過長斯的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結(jié)果，隨后這項工作冷下去了。根據(jù)愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現(xiàn)代實驗技術(shù)能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，這樣弱的引力波應該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結(jié)果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導出引力波的強度比根據(jù)愛因勞動保護坦理論預言的強度弱得多的結(jié)果。
弱力、強力與引力、電磁力有本質(zhì)的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現(xiàn)的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規(guī)范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質(zhì)量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質(zhì)量和能量有關(guān)，因而其傳遞速度是多種多樣的。
在研究由弱或強相互作用引起的物質(zhì)運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應該用弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學和粒子物理學是外行，不想貿(mào)然回答這個問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關(guān)于由弱力或強力引起的物質(zhì)運動的時空和關(guān)于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關(guān)于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）
有很大的不同。設(shè)弱或強相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數(shù)，而是可變的，則關(guān)于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數(shù)。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關(guān)于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規(guī)范粒子的靜質(zhì)量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統(tǒng)一起來了，因此有可能c1=c，則關(guān)于由弱力引起的運動的時空和關(guān)于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關(guān)于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質(zhì)量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質(zhì)量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關(guān)于由強力引起的運動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質(zhì)世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質(zhì)運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學和新的粒子物理學等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。
1）對量子力學的審思
從量子力學發(fā)展到量子場論的時候，遇到了“發(fā)散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發(fā)散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難。“發(fā)散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。
現(xiàn)在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統(tǒng)的德布羅意關(guān)系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關(guān)系，就必須面對使新的理論滿足相對論協(xié)變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關(guān)。現(xiàn)在的量子力學理論中時寬人的定義實質(zhì)上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規(guī)律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領(lǐng)不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應考慮相關(guān)的物質(zhì)運動的類別。模糊數(shù)學已經(jīng)發(fā)展得相當成熟了，把這個數(shù)學工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。
1）在二十一世紀物理學將在三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯(lián)系，進一步發(fā)展非線性科學。
2）可能應該從兩方面去控尋現(xiàn)代物理學革命的突破口。（1）發(fā)現(xiàn)客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學的理論基礎(chǔ)，重新定義時間、空間，建立新的理論
關(guān)鍵詞：大學物理教學；趣味教學；教學效果
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）18-0190-02
大學物理是理工科院校的一門重要基礎(chǔ)課，歷來是學校教學比較重視的部分，但現(xiàn)實的情況是教學效果往往不盡如人意。學生抱怨枯燥，不想學，以致于上課沒興趣學，課下不會做作業(yè)，考試不及格，重修后有的學生還不及格。這樣的結(jié)果對教師的教學積極性影響很大，讓教師有一種出力不得好的感覺。如何改變這種現(xiàn)狀呢？作者根據(jù)多年的大學物理教學經(jīng)驗，嘗試著在教學過程中引入趣味教學，結(jié)合具體生活中的實例，讓學生帶著疑問去聽課，聽課的過程中通過講解的內(nèi)容來解釋學生的好奇心理，逐漸把學生的學習興趣提高上來，取得了不錯的效果。下面就從典型的近代物理部分說明這種方法的具體操作。
一、從神話故事“天上一天、地上一年”引出相對論部分的教學
大學物理教學中，大家都聽說過愛因斯坦的相對論，但相對論究竟是怎么一回事，學生是比較陌生的。并且這一部分內(nèi)容學習起來，對于工科院校的學生又是比較難的。每每講到這個地方，筆者都在想如何讓學生帶著興趣學習這部分內(nèi)容呢？這個時候就可以這樣處理，大家從小就喜歡看《西游記》，《西游記》里有一種思想就是“天上一天、地上一年”，那么這種說法對嗎？如果不對，為什么古人會產(chǎn)生這種思想呢？如果對，那科學依據(jù)在哪里呢？讓學生帶著這種疑問來學習，學習氛圍一下子就活躍起來了。下面我們就從愛因斯坦狹義相對論的時空觀來解決這個問題：
愛因斯坦在1905年提出了兩個基本假設(shè)：相對性原理和光速不變原理。并且利用這兩個基本假設(shè)推出了狹義相對論的時空觀[1]。
1.同時的相對性。如圖1，火車相對于地面的速度為u。取地面為k系，火車為k′系。在車廂中間放一閃光燈M。假設(shè)某一時刻閃光燈突然閃了一下，在火車看來，由于MA=MB，且光線左右傳播的速度都是c，所以光線到達A和B是同時的，即在火車看來，光線到達A和到達B這兩件事是同時發(fā)生的。若在A、B兩處放上已校對好的鐘，則閃光到達A、B兩處時兩鐘的讀數(shù)一樣。
同樣兩件事，在地面看來怎么樣呢？在地面看來，光在傳播時，車也要運動。在光由M到達A、B的過程中，A要迎著光走一段距離，B要背離光走一段距離。而相對地面光向左、右的速度應是相等的，因此，光必定先到達A，后到達B。即在地面看來，光線到達A和到達B這兩件事是不同時發(fā)生的。同樣兩件事，在一個慣性系內(nèi)同時發(fā)生，而在另一個慣性系內(nèi)卻不同時發(fā)生，這就是同時的相對性。
同樣的兩件事，相對于不同的慣性系，它們的時間間隔是不同的。這就是時間量度的相對性。
這兩件事在k′系看來是發(fā)生在同一地點（M點）的。我們就把發(fā)生在同一地點的兩件事的時間間隔叫作固有時間，顯然相對于觀察者靜止的鐘顯示的時間就是固有時間。在k系看來，這兩件事發(fā)生在不同的地點（M點和M′），相應的時間間隔叫非固有時間。固有時間是最短的。即地面上靜止的人看到車上的鐘變慢了。這個現(xiàn)象叫作鐘慢效應。鐘慢效應被普遍的作為科幻或神話小說的題材。如“天上一天，地下一年”等。
講到這里，就可以告訴學生，如果一個物體的運動速度達到光速時，理論上是可能出現(xiàn)“天上一天、地上一年”的現(xiàn)象的，但實際上是實現(xiàn)不了的，牽涉的復雜因素我們在后續(xù)的課堂上會詳細講解。
二、從“哥本哈根之謎”引出量子力學部分的教學
大學物理的教學中，近代物理中的量子力學部分一直是學生比較難學的地方，很多學生的反映都是抽象，難理解，以至于課堂上很快就不想聽了。對這部分筆者是這樣做的，首先給學生介紹一部在世界范圍內(nèi)都著名的話劇“哥本哈根”。話劇“哥本哈根”里的人物有三位，分別是海森堡、玻爾以及玻爾的妻子。對于海森堡和玻爾要對學生有個簡短的介紹：
海森堡：德國物理學家，量子力學的奠基人。1932年獲諾貝爾物理學獎。海森堡在學術(shù)上的成就是1925年創(chuàng)立了矩陣力學，后來證明和薛定諤波動力學的本質(zhì)是一致的。海森堡提出了不確定原理，揭示了微觀世界混沌的本性。海森堡還完成了核反應堆理論，二戰(zhàn)期間主持希特勒的原子彈計劃，但他并不認同希特勒。他甚至想由各國科學家之間達成默契以制止原子彈的生產(chǎn)。所以二戰(zhàn)之后，海森堡宣稱自己是一位英雄，是自己憑科學界的良知抵制并挫敗了希特勒的原子彈計劃。但科學家對海森堡有兩種意見，一種是他不想造原子彈；一種是他沒有能力造原子彈。
玻爾：丹麥的物理學家，哥本哈根學派的創(chuàng)始人，1922年獲諾貝爾物理學獎，提出了玻爾模型，成功解釋了氫原子光譜；利用互補原理和哥本哈根詮釋來解釋量子力學。后來致力于原子核的研究，提出核裂變并釋放巨大能量的“核反應模型”。二戰(zhàn)爆發(fā)不久，加入美國的“曼哈頓計劃”，與費米、奧本海默等科學家一起投入原子彈的研究，并成功研制成世界上第一顆原子彈。二戰(zhàn)后極力反對發(fā)展核武器。玻爾與海森堡的關(guān)系既是師生，又情同父子，由于二戰(zhàn)期間分別身處兩大敵對陣營，于1941年的“哥本哈根會談”之后友誼逐漸冷淡。
而話劇“哥本哈根”描述的是1941年海森堡和玻爾之間的談話，當時海森堡乘火車去哥本哈根找到了玻爾。兩人在晚餐后為了避開竊聽，選擇了在室外談話，當然談話的內(nèi)容至今是個謎。海森堡到底向玻爾談了什么，有沒有向玻爾透漏德國的原子彈計劃，有沒有向玻爾透漏自己核裂變的進展，有沒有向玻爾打聽盟軍原子彈計劃的進展等等。當然，今天這些都無從得知，但不可否認的是“哥本哈根之謎”不僅是科學史，也是“二戰(zhàn)”史上的一個謎團，至今仍令科學家們撲朔迷離。
課堂上介紹到這里，學生已經(jīng)有了足夠的好奇心，這個時候再給學生強調(diào)，如果想看懂話劇“哥本哈根”，如果想了解這段歷史，你就必須要懂普朗克的能量子假說、愛因斯坦的光的波粒二象性、玻爾的定態(tài)假設(shè)、德布羅意的物質(zhì)波、薛定鄂的波動力學、玻恩的波函數(shù)的統(tǒng)計假設(shè)、海森堡的矩陣力學、狄拉克的相對論量子力學、泡利的不相容原理等等[2]。你還要理解量子力學中的基本概念，比如薛定諤方程、算符、波函數(shù)、展開假定及全同性原理等等。而所有的這些將在我們隨后的課堂中學到。只有懂了這些，將來有機會你看話劇“哥本哈根”的時候，你才會發(fā)現(xiàn)那是一種享受，而不是一種煎熬。
通過這樣的辦法，讓學生對要學的內(nèi)容感興趣，讓學生帶著好奇心去學習，往往能夠起到事半功倍的效果。
三、結(jié)語
工科大學物理的教學，歷來是比較難的地方，通過在課堂教學中引入具體的典故、事例，往往可以激發(fā)學生的學習興趣，讓學生帶著疑問、帶著好奇心去學習，逐步把學生的學習興趣提高上來，經(jīng)常可以起到事半功倍的效果。
參考文獻：
關(guān)鍵詞：Gaussian程序；教學實踐；應用教學
中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）27-0162-02
Gaussian程序起源于上世紀七八十年代，當時計算機硬件條件很差，只能計算比較簡單的分子，且計算級別較低，所以幾乎不能應用于解決化學問題。隨著計算機硬件技術(shù)的發(fā)展和計算方法的不斷優(yōu)化改良，到上世紀八九十年代，人們已經(jīng)逐漸可以借助量子化學計算程序去對實驗中的化學體系進行模擬和研究。值得一提的是，1998年諾貝爾化學獎授予科恩和波普爾，以表彰他們在理論化學領(lǐng)域做出的重大貢獻。他們的工作使實驗和理論能夠共同協(xié)力探討分子體系的性質(zhì)，引起整個化學領(lǐng)域經(jīng)歷一場革命的變化，使化學不再是一門純粹的實驗科學。其中，波普爾正是Gaussian程序的原創(chuàng)者之一，此次得獎也是為Gaussian程序在世界范圍內(nèi)被接受和認可奠定了基礎(chǔ)。Gaussian的版本從上世紀開始有Gaussian 70、Gaussian 80、Gaussian 90、Gaussian 98等一系列程序。進入21世紀，隨著Gaussian 98、Gaussian 03、Gaussian 09[1]等版本的持續(xù)更新和改進，Gaussian程序的功能也越來越強大，應用范圍也越來越廣。目前，Gaussian的主要功能包括：過渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)、反應路徑、熱力學性質(zhì)、分子軌道、鍵和反應能量、原子電荷和電勢、核磁性質(zhì)、紅外和拉曼光譜、振動頻率、極化率和超極化率等，計算不僅可以對具體體系的基態(tài)進行計算，還可以對其激發(fā)態(tài)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進行研究。另外，它還可以用來預測周期體系的能量、結(jié)構(gòu)和分子軌道。因此，Gaussian可以作為功能強大的工具，用于研究許多化學領(lǐng)域的課題，例如取代基的影響，化學反應機理，勢能曲面和激發(fā)能等。該程序近年來的高速發(fā)展和廣泛應用使其成為化學學科的科研教學人員必須掌握的工具之一。目前國內(nèi)很多知名高校和科研院所都已經(jīng)開展了Gaussian程序應用這門課程，并且作為相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的必修課程。鑒于此，我院于2014年也開展了Gaussian程序應用作為研究生選修課程，這對于提高我院研究生專業(yè)素養(yǎng)和科研水平具有重要的意義。
一、Gaussian程序應用的參考教材選取
有很多關(guān)于Gaussian程序應用方面的書籍，包括中文的和英文的。針對這門課來說，我選擇的參考教材主要是Foresman和Frisch編著的《Exploring chemistry with electronic structure methods》[2]以及可在Gaussian官網(wǎng)下載的與其配套的例子。該書分為三個部分，分別是基本概念和技術(shù)（包括第一章計算模型、第二章單點能計算、第三章幾何優(yōu)化、第四章 頻率分析）、計算化學方法（包括第五章基族的影響、第六章理論方法的選擇、第七章高精度計算）和應用部分（包括第八章研究反應和反應性、第九章激發(fā)態(tài)、第十章溶液中的反應）。我選擇此書的出發(fā)點是：它的內(nèi)容從基礎(chǔ)到應用、從淺至深地介紹了Gaussian程序的主要功能和應用。書中的例子涉及分子能量和結(jié)構(gòu)研究、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)研究、化學鍵以及反應的能量、振動頻率、分子軌道、偶極矩和多極矩、原子電荷和電勢、紅外和拉曼光譜、核磁、極化率和超極化率、熱力學性質(zhì)、IRC反應途徑等計算，另外還舉例模擬了在氣相和溶液中的體系、模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)分子的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。這些具體例子能夠幫助從事化學及其相關(guān)領(lǐng)域的科研工作人員、教師和研究生等從不同的視角把握分子模型設(shè)計和計算模擬的策略、原則和方法，從而能夠讓研究人員全面了解Gaussian程序計算的模擬方法和應用實例。
二、Gaussian教學內(nèi)容的選取
Gaussian程序主要是以分子力學和量子力學等為理論依據(jù)，借助計算機模擬進行化學問題研究的一門交叉學科。該課程教學涉及內(nèi)容多、范圍廣，這就要求學生具有良好的數(shù)學、計算化學、結(jié)構(gòu)化學、物理化學、有機化學、無機化學和計算機科學等眾多專業(yè)知識的積累。學習這門課有助于拓寬學生的知識面，培養(yǎng)學生綜合多種學科知識，解決實際復雜的化學問題的能力。然而這門課理論概念抽象，學生理解起來非常困難，教學難度也較大。選修這門課的學生主要來自物理化學專業(yè)和有機化學專業(yè)。對于物理化學專業(yè)的學生來說，他們的結(jié)構(gòu)化學、計算化學和物理化學知識基礎(chǔ)較好，這門課的學習不是非常困難。然而對于有機化學專業(yè)的學生來說，這門課學起來就比較困難了，因為他們的計算化學、結(jié)構(gòu)化學和計算機科學知識比較薄弱。如何將抽象的化學知識簡單化，形象化，幫助學生理解復雜的有機反應機理，提高學習積極性，這對老師的教學方法和方式有很高的要求。
針對不同化學專業(yè)學生的特點和他們將來要從事的職業(yè)，我更加注重實踐教學而不是抽象概念的講解和公式的推導。對于量子化學計算中涉及的一些算法學生只需了解，如果有學生對于基礎(chǔ)知識非常感興趣，我建議他們?nèi)ヂ犃孔恿W和結(jié)構(gòu)化學課程。在課堂上，我重點講解Gaussian程序的常用計算方法、思路和一些典型案例，以及如何運用這些方法解決科研中碰到的實際問題。比如講解什么是半經(jīng)驗計算、什么是Hartree-Fock近似、什么是密度泛函理論、什么是分子力學算法等，講解他們的區(qū)別以及在不同情況下如何選擇不同的算法。此外，我還重點講解基于量化計算的分子結(jié)構(gòu)（包括穩(wěn)定態(tài)和過渡態(tài)）的優(yōu)化，分子光譜的計算和反應機理研究。這些內(nèi)容對于化學專業(yè)的學生來說都是非常有意義的，可以幫助他們后續(xù)的科研工作。為了激發(fā)學生的學習興趣，調(diào)動學生的自主性，讓學生積極參與到課堂的專題實驗交流活動，提高課堂教學的效果，我會教學生使用一些軟件圖形界面如Gaussview等，直接生動地展示和分析一些分子的三維結(jié)構(gòu)，將抽象的化學分子通過色彩鮮艷的三維立體形象界面予以展示，并教會他們?nèi)绾问褂肎aussview建立分子模型和分析計算結(jié)果。在用Gaussview軟件建立模型的過程中，我首先對主工具欄里邊的元素工具和環(huán)工具等建模工具做了講解，然后再對編輯工具即鍵長、鍵角和二面角工具做了使用演示，另外還講了加H工具和原子消除工具的使用。事實上，上述的這幾個工具如果能掌握好，學生們基本上就能根據(jù)所學化學知識來建立相應的分子的三維結(jié)構(gòu)模型。隨后，在課堂上我再演示如何用鼠標操作來旋轉(zhuǎn)、移動、縮放和疊加結(jié)構(gòu)，如何用鼠標操作來改變分子的顯示形式和顏色，如何查看結(jié)果如能量數(shù)據(jù)，以及如何顯示分子的原子電荷和分子軌道性質(zhì)等。等學生基本掌握了Gaussview的模型建立和結(jié)果分析工具，我會給他們講解如何將分子模型通過設(shè)置不同的關(guān)鍵詞來提交相應任務給Gaussian程序去執(zhí)行，如結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵詞是OPT，頻率計算的關(guān)鍵詞是FREQ等。由于Gaussian的功能強大，授課時間有限，我們只介紹一些基本操作和簡單例子給學生。例如讓學生對鄰位、間位和對位的二取代苯進行在不同計算級別（如HF/6-31G（d，p）水平下）進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬，然后對其能量比較分析哪個異構(gòu)體在氣相和液相下最穩(wěn)定。對于反應機理，我會讓學生通過尋找一些簡單的常見化學反應如Diels-Alder反應、SN2親核取代反應的過渡態(tài)的構(gòu)型來加深對反應通道的理解，通過IRC計算直觀的看出化學反應中分子結(jié)構(gòu)的變化。此外，我還會講一些實例介紹光譜的預測，比如首先我們會在基態(tài)下用DFT方法優(yōu)化發(fā)光分子的結(jié)構(gòu)，然后對其進行TDDFT計算來預測其紫外吸收光譜和熒光光譜等發(fā)光性質(zhì)，從而為功能分子的設(shè)計提供便利。最后，根據(jù)本院實際科研需要，我們會適當進行一些應用教學來滿足不同專業(yè)學生的需求。
三、開展Gaussian程序應用課程的前景展望
自然科學發(fā)展的歷史和規(guī)律表明，多學科的優(yōu)勢交叉促進了最基本的微觀過程和最復雜的宏觀過程的統(tǒng)一認識。在這個信息大爆炸的時代，Gaussian這一量子化學計算程序應運而生并被廣泛認可和應用。它既要求使用者有一定的量子力學等數(shù)理基礎(chǔ)來理解計算流程，而且要求他們對于化學問題有深刻認識和獨特見解，屬于一門高度交叉的新興方法和工具，涉及應用化學、理論化學和計算機科學等眾多領(lǐng)域。目前，Gaussian程序已經(jīng)成為理論化學計算中的常規(guī)方法之一，開展此門課程可以使科學研究人將其用于未來的反應機理研究、反應的立體和化學選擇性的解釋、化合物結(jié)構(gòu)及其光譜等性質(zhì)預測，并可指導設(shè)計小分子催化劑甚至新型催化反應，減少實驗上的盲目性和偶然性，從而達到節(jié)省人力、物力和財力的最終目的。
理論計算化學在近幾十年來取得了實質(zhì)性進展，已從根本上改變了人們對于化學只是一門實驗科學的認知，它已經(jīng)成為化學學科的一個重要組成部分。我國的理論計算研究發(fā)展迅速，化學學科正處于從單純實驗到以實驗和理論計算相輔相成轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期，從專業(yè)發(fā)展的角度而言，開展理論計算化學相關(guān)課程如Gaussian程序應用具有非常廣闊的應用前景和發(fā)展空間。
參考文獻：
[關(guān)鍵詞]體物理；教學；心得體會
[中圖分類號] G64 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）12-0129-02
固體物理是物理學專業(yè)和材料專業(yè)的一門必修課程，主要研究固體的微觀結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和固體中的粒子運動，涉及力、熱、電、光、磁和聲等領(lǐng)域。當今所取得重大進展的納米材料、超導、半導體等現(xiàn)代技術(shù)都以固體理論為基礎(chǔ)。固體是包含眾多粒子的復雜的多體體系，種類繁多，內(nèi)容異常豐富。因為知識面廣，用到的理論多，在學習過程中，學生普遍反映這門課程較難掌握，和剛學完的理論脈絡(luò)清晰的四大力學比較起來，常常理不清頭緒，總感覺亂成一團。大部分學生都有一個習慣，他們在學過理論物理課程之后，喜歡欣賞從基本定理、定律出發(fā)進行數(shù)學推導演繹的過程，實際上這不是固體物理的主要部分。對學生來說，清晰的物理圖像和想象力對學好固體物理課程是至關(guān)重要的。這就要求老師不要讓學生沉陷于繁瑣冗長的推導計算之中，而要選擇絕大多數(shù)學生易于接受的方法進行講解，盡可能地把物理圖像和基本概念講述透徹清楚，一些高難度的數(shù)學推導過程可以讓學生在課后完成。讓學生對物理概念、原理和物理模型的掌握、理解和運用是固體物理課程教學中的側(cè)重點。在進行推導過程復雜但是結(jié)論又非常重要的內(nèi)容教學時，教師可以直接給出結(jié)果，這種做法是多數(shù)學生都能接納的。對于那些極少數(shù)需要更深層次學習的學生，我們可以將具體的數(shù)學物理推導過程放在課下，盡量讓這些學有余力的學生自主探究，遇到不能解決的問題再與老師進行探索與討論。另外，教師對于較為詳細的固體器件所涉及的技術(shù)問題也要盡量減少描述。筆者從平時的教學中總結(jié)了一些心得體會，希望有助于學生吸收新知識和新內(nèi)容，不至于迷失和困惑。
一、分塊教學內(nèi)容，重視章節(jié)聯(lián)系
任何一門教材都有它的系統(tǒng)性，同時又包括很多的知識板塊，通過不同的章節(jié)闡述。固體物理教材也不例外，其中很多知識點相對獨立。鑒于這種特點，教師在教學過程中可以把教學內(nèi)容分塊，以模塊的形式來講授。以黃昆《固體物理》教材為例來說明。在本科階段主要講前七章，整體模塊大致包括：晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合、晶格振動、能帶理論、電子論。其中，每個大的模塊又可以分為若干個子模塊。如電子論部分還可分為四個子模塊：金屬電子論、絕緣體電子論、半導體電子論以及電子在外場（電場、磁場）中的運動。這樣既有利于教師對教學內(nèi)容的取舍，又有利于學生對各知識點的掌握。
盡管各個知識板塊涉及不同的內(nèi)容，但它們之間又有著一定的聯(lián)系。還是以黃昆《固體物理》為例。周期性“晶體結(jié)構(gòu)”形成的內(nèi)在因素與粒子間的相互作用有關(guān)，這樣就引出“晶體結(jié)合”的問題。構(gòu)成晶體的原子之間既吸引又排斥，這些相反性質(zhì)的作用力決定晶格在各自的平衡位置附近振動，由此引出“晶格振動”內(nèi)容。晶體中還包括電子，它們的狀態(tài)由“能帶理論”描述。導體、半導體和絕緣體能帶結(jié)構(gòu)的不同，引出“電子論”部分。在平時教學中，以模塊為主線，能讓學生容易把握知識體系；將不同章節(jié)內(nèi)容串聯(lián)好，能讓學生容易貫通不同內(nèi)容與知識點。另外布置一些討論題讓學生們課下準備，也可以加強前后知識聯(lián)系。例如，在一次討論課前，筆者布置了“聲子和光子的比較” 一題。由于準備充分，學生們進行了熱烈的討論，把心中容易混淆的概念搞清楚了。通過在不同知識領(lǐng)域中找聯(lián)系，在相近的概念中找區(qū)別，有力擴大和增強了不同知識點間的縱橫聯(lián)系。
二、優(yōu)化傳統(tǒng)模式，巧用信息技術(shù)
晶格和電子是固體物理研究的主旋律，從晶格振動到電子能帶論，既要用到深奧的量子力學，又要運用到抽象的倒格矢空間。如果僅僅憑著一塊黑板教學，很難傳授更多知識和取得良好效果。隨著當今信息技術(shù)的快速發(fā)展，多媒體授課已成為不可缺少的一種教學手段。計算機可以靈活地把物理過程和物理圖像進行逼真的模擬，將難懂的物理過程栩栩如生的展現(xiàn)給學生，將抽象內(nèi)容變?yōu)橹庇^形象的物理圖像。國內(nèi)多數(shù)固體物理教材，如黃昆的《固體物理》一開始就討論晶體的周期性結(jié)構(gòu)，這需要學生具有良好的空間想象能力和立體感。多媒體教學的運用，有助于學生對固體微觀結(jié)構(gòu)的理解。通過視頻可以直觀展現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)、原胞形狀、倒格子、能帶結(jié)構(gòu)、晶格振動等，使學生能進行想象空間模型的構(gòu)造，更直觀的理解教學內(nèi)容。同傳統(tǒng)教學相比較，多媒體教學能夠增加課堂教學容量，既省時又省力，同時有助于學生對固體物理的學習產(chǎn)生濃厚的興趣，培養(yǎng)學生養(yǎng)成良好的學習品質(zhì)，從而有利于學生對知識的理解和掌握。
多媒體教學也有不足之處。因為多媒體畫面容易一晃而過，學生來不及思考，造成記憶模糊。在概念的講解和公式的推導等方面，學生還是比較喜歡板書，因此必須恰當使用多媒體課件。筆者的體會是，使用多媒體但不依賴多媒體，將課件與板書有機結(jié)合，進行優(yōu)勢互補。同時要求課件內(nèi)容必須精粹，不能是書本的復制，更不能對著多媒體照本宣科。與多媒體教學相比，當教師邊板書邊講解時，學生容易跟上老師上課的節(jié)奏，有充分的時間來理解知識點，梳理要點和做好筆記，師生間可以有較多的互動。因此，多媒體教學還需適當?shù)嘏c傳統(tǒng)板書相結(jié)合才能達到較好的教學效果。
關(guān)鍵詞：固體物理；教學內(nèi)容；教學改革；教學方法；雙語教學
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0072-02
自20世紀50年代以來，以固體物理的能帶理論為基礎(chǔ)，固體物理學得到了飛速發(fā)展。科學家在磁學半導體、超導、激光等現(xiàn)代科學研究領(lǐng)域獲得了重大進展，相關(guān)研究成果已經(jīng)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H生產(chǎn)力，并帶動了相關(guān)信息科學技術(shù)群的高速發(fā)展。在20世紀50年代末，“固體物理”被采納為我國物理專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，是在物理專業(yè)課程設(shè)置上最為顯著的一項改革。[1]
固體物理學通過研究固體的結(jié)構(gòu)，及組成固體的粒子之間相互作用與運動規(guī)律來闡明其性能和用途。固體物理學涉及的內(nèi)容包括固體中的原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)合規(guī)律、固體電子運動方程及能帶結(jié)構(gòu)、金屬導體的導電機制、半導體的基本原理、超導性的基本規(guī)律等，因此，“固體物理”已成為物理學科和材料學科的專業(yè)主干課之一。中國石油大學（華東）為教育部直屬的行業(yè)特色鮮明的工科重點大學，目前“固體物理”課程已在材料物理、材料科學與工程、光信息科學與技術(shù)三個專業(yè)開設(shè)，并擬在應用物理學專業(yè)開設(shè)。
本文從中國石油大學（華東）（以下簡稱“我校”）目前的固體物理本科教學實際情況出發(fā)，針對不同專業(yè)對固體物理知識需求的不同，對課堂教學內(nèi)容進行優(yōu)化整合，并結(jié)合現(xiàn)代多媒體技術(shù)對教學手段和方法提出合理改革措施并在授課過程中進行了實踐。
一、教學內(nèi)容的改革與實踐―― “一個平臺，三個知識模塊”教學模式的建立
“固體物理”課程內(nèi)容豐富，體系龐大，涉及到“普通物理”“理論力學”“量子力學”“熱力學統(tǒng)計物理”等多門課程，而目前國內(nèi)各個高校“固體物理”課程的授課學時受到了總學時的限制。因此如何在有限的學時內(nèi)把固體物理的精髓講授給學生，需要針對學生的不同專業(yè)特點和對固體物理的要求來精選授課內(nèi)容。
我校有三個專業(yè)開設(shè)“固體物理”課程，分別為材料物理專業(yè)（64學時專業(yè)必修課）、材料科學與工程專業(yè)（32學時專業(yè)限選課）、光信息科學與技術(shù)（32學時專業(yè)限選課）。由于各個專業(yè)的特點及對固體物理的要求不同，因此在授課過程中授課內(nèi)容必定有所差異。
我校材料物理專業(yè)的學生畢業(yè)后一部分在企事業(yè)單位從事材料分析與檢測或材料制備工作，一部分繼續(xù)讀研深造。學生在大學前兩年的學習中已系統(tǒng)學過“普通物理”“量子力學”“熱力學統(tǒng)計物理”等課程，物理背景明顯，物理知識扎實，并且在以后的學習和工作中對固體物理要求較高。根據(jù)這一實際情況，筆者選用山東大學出版的物理基地班教材，在對材料物理專業(yè)講授時主要包含以下六部分內(nèi)容：一是晶體的結(jié)構(gòu)，在這部分中主要講授固體物理的基本概念，如晶體的共性、堆積模型、布拉菲點陣等內(nèi)容；二是晶體的結(jié)合類型，主要從晶體結(jié)合的物理本質(zhì)出發(fā)闡述導致不同結(jié)合類型的原因；三是晶格振動與晶體熱學性質(zhì)，在該部分中主要有簡單到復雜的講解一維晶格振動、三位晶格振動及晶格振動的熱容理論；四是晶體的缺陷，主要講晶體缺陷的基本量類型、性質(zhì)及缺陷的擴散和缺陷的統(tǒng)計；五是晶體中的電子能帶理論，主要講布洛赫波、一維晶格中近自由電子的近似、能帶理論等，并由此講解導體、半導體、絕緣體形成的本質(zhì)和差異；六是自由電子論和電子的輸運性質(zhì)，主要講電子氣的費米統(tǒng)計，利用費米統(tǒng)計理論和能帶理論對金屬的電導、熱導等電子輸運特性進行系統(tǒng)分析。該六部分內(nèi)容基本包含了晶體物理學的主要內(nèi)容，就后期學生深造所需的表面物理、非晶態(tài)物理等很少涉及。該內(nèi)容已在材料物理專業(yè)2004～2008級5屆學生中講授過，學生反映良好。
針對材料科學與工程專業(yè)學生開設(shè)“固體物理”課程，其為32學時專業(yè)限選課。考慮到該專業(yè)學生沒有系統(tǒng)學習過“理論物理”“熱力學統(tǒng)計物理”“量子力學”等課程，物理背景相對較弱，但在先修課程中已學過“材料科學基礎(chǔ)”“材料工程基礎(chǔ)”“材料力學性能”等課程，因此筆者在講授“固體物理”課程時從學生實際知識背景和學時要求出發(fā)，弱化課程涉及到的具體理論推導，強化模型思想對部分推導直接得到結(jié)論。從學生本身知識背景考慮，在課程教授時主要講解以下三部分內(nèi)容：一是晶體的結(jié)合類型，該部分內(nèi)容與材料物理專業(yè)一致；二是晶格振動與晶體熱學性質(zhì)，在該部分中筆者弱化理論推導，而是通過近似的思想給出熱容的愛因斯坦模型和德拜模型；三是晶體中的電子能帶理論，講解內(nèi)容與材料物理專業(yè)一致，但在授課過程中涉及到量子力學的內(nèi)容直接給出結(jié)論而略掉具體推導過程。與材料物理專業(yè)相比，材料科學與工程專業(yè)學生的授課內(nèi)容和授課學時均有所減少。比如對于晶體結(jié)構(gòu)和晶體的缺陷等內(nèi)容直接略掉，這是由于學生在先修課程材料科學基礎(chǔ)中已經(jīng)講解過，這樣就避免了不同學院在授課過程中的內(nèi)容交叉。對于想繼續(xù)考研深造的學生，筆者一般建議跟隨材料物理專業(yè)學生上64學時課程。該部分內(nèi)容在2002～2008級7屆學生中講授過，學生反應較好。
光信息科學與技術(shù)專業(yè)隸屬中國石油大學（華東）理學院，該專業(yè)學生的物理知識較材料科學與工程專業(yè)學生教深，其專業(yè)就業(yè)領(lǐng)域為光電子產(chǎn)品與技術(shù)領(lǐng)域。光信息科學與技術(shù)專業(yè)開設(shè)32學時“固體物理”專業(yè)限選課。與材料科學與工程專業(yè)相比，開設(shè)課程學時雖然相同，但學生的專業(yè)知識背景和對固體物理的要求并不相同。該課程主要教授以下內(nèi)容：一是晶體的結(jié)構(gòu)，該部分內(nèi)容與材料物理專業(yè)一致；二是晶體的結(jié)合，主要講晶體結(jié)合的物理本質(zhì)，并因此而導致的不同晶體結(jié)合類型，應力和應變的內(nèi)容因涉及到矩陣推導而去掉；三是晶格振動與晶體熱學性質(zhì)，該部分內(nèi)容與材料專業(yè)大概一致，但弱化具體推導，比如晶格振動的長波近似等內(nèi)容，直接給出結(jié)論；四是晶體的缺陷，主要講晶體缺陷的基本量類型、性質(zhì)，而缺陷的擴散和缺陷的統(tǒng)計只做定性分析。與材料物理專業(yè)相比，受到客觀原因限制，光信息科學與技術(shù)專業(yè)學生的授課深度有所降低，授課內(nèi)容和授課學時均有所減少。該部分內(nèi)容已在光信息科學與技術(shù)2006～2011級6屆學生中講授過，學生反應良好。
通過對課程內(nèi)容的認真分析，并針對我校三個不同專業(yè)的課程特點及對固體物理的需求，筆者在多年實踐的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了“固體物理”教學“一個平臺，三個知識模塊”的教學模式，為其他相似課程的建設(shè)提供了一定的借鑒意義。
二、教學方法和手段的改革與實踐
“固體物理”課在授課過程中涉及到較多的理論推導，一般采用傳統(tǒng)的板書授課形式。板書授課可以保證學生與教師思維的同步，加深學生對知識點的理解。但板書在課堂教學過程中會占用相當?shù)恼n堂時間，降低課堂學習效率和信息量，且長時間板書會導致學生課堂注意力下降，主動參與學習的積極性降低。從課程特點來看，某些教學內(nèi)容單靠板書學生理解難度較大，比如晶體周期性結(jié)構(gòu)、密堆積模型的六角密排和立方密排、倒格矢、倒格空間等。傳統(tǒng)的課堂板書教學方式在“固體物理”教學時遇到了極大的困難。鑒于此，傳統(tǒng)的板書教學方法需要改革。
自20世紀90年代以來，隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，多媒體技術(shù)已成為“固體物理”教學現(xiàn)代化教學手段的重要組成部分。在“固體物理”教學過程中晶格振動、固體、能帶理論、電子輸運等內(nèi)容，要用到量子理論、理論力學、熱力學統(tǒng)計物理等知識，且要用到高度抽象的波矢空間，該部分知識點一直是教師上課的重點和學生學習的難點。借助計算機技術(shù)可以把圖片、文本、聲音、視頻等諸多要素集成在一起來改變教學信息的包裝形式，直觀地用動態(tài)的畫面解釋晶體的微觀及宏觀結(jié)構(gòu)和有關(guān)的物理規(guī)律，從而提高教學內(nèi)容的表現(xiàn)力和增強教學過程中的直觀感染力。而且可以方便現(xiàn)在常用“固體物理”教學模式設(shè)計，提高現(xiàn)有教學模式的教學效率和質(zhì)量，以達到優(yōu)化固體物理教學的目的。[2]如在講到晶體的密堆積模型時，學生對六角密排和立方密排感到難以理解，筆者利用3DS MAX動畫制作軟件及MS、CASTEP等計算軟件的繪圖功能制作了晶體結(jié)構(gòu)的三維圖像及視頻，從而充分向?qū)W生展示其堆積方式及堆積過程，學生反映良好，收到了較好的教學效果。
多媒體技術(shù)授課方式同傳統(tǒng)的板書教學相比有其自身的先進性，如教師提前制作多媒體課件可節(jié)省大量的板書時間，可提高課堂效率、增加課堂教學內(nèi)容的信息量；多媒體課件的直觀性、新穎性特點，可提高學生的課堂興趣。但“固體物理”課程理論性很強，如果課堂教學完全依賴多媒體課件會導致學生忽略課程內(nèi)容學習，而把注意力轉(zhuǎn)移到課件本身上去；多媒體課件可節(jié)省課堂板書時間，增加課堂內(nèi)容的信息量，但同時導致課堂進度緊湊，學生在課堂學習過程中思維緊張，沒有充分的時間對知識點深入理解和吸收。因此，通過多年的教學實踐，在教學過程中筆者采用了課堂“板書教學+多媒體教學”相結(jié)合的教學模式。如在講解晶體結(jié)構(gòu)時，筆者通過板書提示類型，但具體結(jié)構(gòu)通過多媒體課件展示；對于晶體熱容的模型、能帶理論等內(nèi)容，通過多媒體課件給出主要推導步驟，但具體推導過程利用板書進行，從而增加學生的理解時間等。在多年的教學實踐中，筆者對課堂板書教學+多媒體課件教學的比例進行了探討，但得出的結(jié)論是：由于專業(yè)的不同和面對學生的不同，其比例關(guān)系不能一概而論，教師仍為課堂教學的主導，應根據(jù)課堂教學的實際情況來調(diào)整其比例關(guān)系，充分發(fā)揮板書和多媒體課件的優(yōu)勢，達到最佳教學效果。
三、網(wǎng)絡(luò)資源及“課堂教學+網(wǎng)絡(luò)自學”立體化教學模式的研究與實踐
在多年的“固體物理”教學實踐過程中，由于專業(yè)課的性質(zhì)，課堂教學具有難以重復性，因此學生課堂聽課的效果很大程度上決定了學生掌握知識的程度。借助中國石油大學（華東）“固體物理”校級精品課培育項目的進行，筆者嘗試進行網(wǎng)站建設(shè)，制定了“固體物理”教學資料的上網(wǎng)計劃。目前“固體物理”課程已具備教材、教學大綱、教案、講稿、試題庫等教學輔助資料。網(wǎng)站一旦運行，即可形成“課堂教學+網(wǎng)上自學”的立體化教學模式，從而擺脫學生僅依賴課堂學習的傳統(tǒng)學習方式。
四、結(jié)束語
隨著21世紀固體物理學科的發(fā)展及現(xiàn)代化技術(shù)的進步，對高等教育提出了巨大挑戰(zhàn)，“固體物理”教學的改革勢在必行。通過多年教學實踐和研究，在我校的“固體物理”課程教學內(nèi)容中實現(xiàn)了“一個平臺+三個知識模塊”的教學模式，對“固體物理”的教學方法和手段的改革及新的學習模式進行了一些有意義的探索和實踐，并取得了良好的效果。
參考文獻：
[1]黃昆，韓汝琦.固體物理學[M].北京：高等教育出版社，1997.
