量子力学的重要性

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量子力学的重要性范文第1篇

关键词 量子力学 教学内容 教学方法

中图分类号：G420 文献标识码：A

Teaching Methods and Practice of Quantum Mechanics of

Materials Physics Professional

FU Ping

(College of Materials Science and Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan, Hubei 430073)

Abstract For the difficulties faced by students in Materials professional to learn quantum mechanics physics course, by a summary of teaching practice in recent years, from the teaching content, teaching methods and means of exploration and practice, students mobilize the enthusiasm and initiative, and achieved good teaching results.

Key words quantum mechanics; teaching content; teaching methods

0 引言

量子力学是研究微观粒子（如原子、分子、原子核和基本粒子等）运动规律的物理学分支学科，它和相对论是矗立在20世纪之初的两座科学丰碑，一起构成了现代物理学的两块理论基石。相对论和量子力学彻底改变了经典物理学的世界观，并且深化了人类对自然界的认识，改造了人类的宇宙观和思想方法，它使人们对物质存在的方式及其运动形态等的认识产生了一个质的飞跃。

量子力学是材料物理专业一门承前启后的专业基础必修课：量子力学的教学必须以数学为基础，包括线性代数、概率论、高等数学、数理方法等，其又是后续课程材料科学基础、固体物理、材料物理、纳米材料等的理论基础。可见，量子力学课程在材料物理专业的课程体系中占有非常重要的地位，学生掌握的程度直接影响后续专业课程的学习。作者近年来一直从事量子力学的教学工作，针对量子力学课程教学过程中存在的现象和问题，进行了较深入细致的思考与探讨，在实际教学过程中对本课程的教学方法进行了探索与实践，收到了较好的教学效果。

1 量子力学教学面临的难点

量子力学研究的是微观粒子的运动规律，微观粒子同宏观粒子不同，看不见，摸不着，只有借助于探测器才能察觉它的存在和属性。材料物理专业学生之前学习的基本上是经典物理，而量子力学理论无法用经典理论进行解释，学生对此感到难于理解。因此，经典物理的传统观念对学生思想的束缚，构成了学生学习量子力学的思想障碍；量子力学可以说无处不“数学”， 由于材料物理专业学生在数学基础方面与物理专业学生相比较为薄弱，在学习过程中普遍感到数学计算繁难，对大段的数学推导表现出畏难情绪。可见，量子力学对数学的精彩诠释却构成了学生学习量子力学的心理障碍。这两大障碍势必会影响量子力学和后续课程的学习。在这种情况下，我们应当怎样开展量子力学教学从而使学生重视并努力学好该课程就成了一个严峻的挑战。

2 明确教学重点和难点、有的放矢

要讲授一门课程，首先应该对课程内容有一个清晰的认识。量子力学的内容可以包括三个方面：一是介绍产生新概念的历史背景及一些重要实验；二是提出一系列不同于经典物理学的基本概念与原理，如波函数、算符等概念和相关原理，是该课程的核心；三是给出解决具体实际问题的方法。三部分内容相互联系，层层推进，形成完整的知识体系。作为引导者，教师应在这三部分内容的教学过程中帮助学生成功地突破两大束缚。第一部分内容教师应考虑如何引导学生入门，从习惯古典概念转而接受量子概念。在讲授这部分内容时要将重点放在“经典”向“量子”的过渡上，引出量子力学与经典力学在研究方法上的显著不同：经典力学是将其研究对象作为连续的不间断的整体对待，而量子力学将其研究对象看成的间断的、不连续的。学生在学习这部分时应仔细“品尝”其中的“滋味”，以便启发自己的思维自然地产生一个飞跃，完成思想的突破。第二、三部分是量子力学学习的重点与难点，并且涉及大量的数学推导，教师应采取适当的教学手段，突出重点，强调难点。在物理学研究中，数学只是用来表达物理思想并在此基础上进行逻辑演算的工具，不能将物理内容淹没在复杂的数学形式当中。通过数学推导才能得到的结论，只需告诉学生，从数学上可以得到这样的结果就可以了，无需将重点放在繁难的数学推导上，否则会使学生本末倒置，忽略了对量子力学思想的理解。这样的教学可以帮助学生突破心理障碍，不会一提量子力学就想到复杂的数学推导，从而产生抵触情绪。成功地突破这两大障碍，是学习量子力学的关键。

3 教学方法的改革

3.1 利用现代技术改进教学手段

传统的板书教学能够形成系统性的知识框架，教师在板书推导的过程中，学生有时间反应和思考，紧跟教师的思路，从而可以详细、循序渐进地吸收所学知识，并培养了良好的思维习惯。但全程板书会导致上课节奏慢，授课内容有限。目前随着高校教学改革的推进，授课学时相继减少，对于传统教学方式来讲，要完成教学任务比较困难。这就要借助现代科技手段进行教学改革，包括多媒体课件的使用和网络教学。但是在量子力学教学中，一些繁杂公式的推导，如果使用多媒体课件，节奏会较快，导致学生目不暇接，来不及做笔记，更来不及思考，不利于讲授内容的消化吸收。鉴于此，对于量子力学课程，教学过程应采用板书和多媒体技术相结合的方式，充分发挥二者的优势，调动学生的学习积极性。

3.2 建设习题库

量子力学课程理论抽象，要深入理解这些理论，在熟练掌握教材基本知识的基础上，需要通过大量习题的演练，循序渐近，才能检验自己理解的程度，真正学好这门课程。因此在教学过程中，强调做习题的重要性。有针对性地根据材料物理专业量子力学的教学大纲和教学内容，参考多本量子力学教材和习题集，利用计算机技术建设量子力学习题库，题型包括选择、填空、证明、简答和计算题等，内容涵盖各知识点，从简到繁、由浅至深。题库操作方便，学生可自行操作，并对所做结果进行实时检查，从而清楚自己掌握本课程的程度。这一方式在近几年的教学中取得了良好的教学效果。

3.3 加强与学生互动，调动学生的学习积极性

教学是一个师生互动的过程，应让学生始终处于主动学习的位置而不是被动的接受。量子力学课程的学习更应积极调动学生的积极性，因此教师应在教学过程中加强与学生的互动。增设课前提问、课后讨论环节，认真批改作业，积极发现学生学习过程中存在的问题，并及时对问题进行深入讲解，解决问题。另外，由于量子力学是建立在一系列基本假定基础之上的，抽象难懂，鉴于学生难接受的情况，在授课时注意理论联系实际，尽可能进行知识的渗透和迁移，将量子力学在实际中的应用穿插于教学之中，丰富教学内容，开拓学生视野，从而调动学生的学习兴趣和积极性。

4 结语

通过近年来教学经验的总结和探索，形成了一套适合材料物理专业量子力学课程教学的方法，该方法教学效果良好。在近几年的研究生入学考试中，学生量子力学课程的成绩优秀，说明采用这样的教学方法是成功的。

资助项目：武汉工程大学2010年校级教学研究项目（X201037）

量子力学的重要性范文第2篇

（集宁师范学院 物理系，内蒙古 乌兰察布 012000）

摘 要：在物理学的各个分支中，不同事物的量度有着不同的数量级.比如空间尺度（即长度）跨越了42个数量级，时间、速度也都跨越了几十个数量级.不论理论还是实验，往往都需要对有关物理量进行估计，以确定各个可能效应的相对重要性，判断物理现象的主要机制.本文先是简单估算了宇宙的引力半径，而后对微观层面普朗克常数的存在意义，以及电子的运动机制作了简单讨论.

关键词 ：数量级；普朗克常数；玻尔半径

中图分类号：O4 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2015）01-0004-03

理论物理学家们在进行详细计算之前，为了恰当的选择和建立数学和物理模型，要估计各物理量的各种可能效应相对重要性，用以判断哪个物理量是决定现象的主要机制.实验物理学家们在着手准备精密测量之前，为了选择合适的仪器和测量方法，也需要对各有关物理量的数量级先做一番估计.由此我们可以看出，掌握特征量的数量级对我们物理学习来说至关重要.在分析物理效应的过程中，我们应注意尺度大小的改变所产生的影响，并把这种做法养成习惯，久而久之我们对现象的理解就会更加深刻，这种习惯很可能会帮助我们洞察事物的本质.

数量级的估计本无一定之规，我们在用的时候要灵活应用，因此本文主要对几个典型的范例进行讨论.

1 由经典力学估算宇宙的半径

要摆脱一个质量M，半径为R的星球，所需速度为

这个速度也叫做“第二宇宙速度”.其中G是引力常数.若星球的质量M大到使v=c，这时连光子也不能克服其引力的作用而发射出来，以至于在外界看不到这个星体，这类星体就被称为“黑洞”.我们把v=c带入上式得

即“席瓦西（Schwarzschild）半径”，或“引力半径”，反一个过来说，一个质量为M的星球，当它的半径缩小到R0一下时，它就会成为黑洞.

根据天文观测证明，宇宙在大尺度上物质分布是相当均匀的[1].我们考虑一个均匀的球体，其半径R，密度?籽，则

如果这个体系的半径R恰好达到自己的引力半径R0

那么在这种情况下,该球内部就不会有光子逃脱R0的范围.我们将宇宙的平均密度为?籽=5×10-30g/cm3（临界密度）代入上式，就可以估算出宇宙的引力半径R0≈1028cm=1026m，我们姑且认为，这就是“宇宙的半径”[2].

2 普朗克常数的存在意义

前面我们讨论了宇宙的“至大无外”，那么下面我们来到微观领域，来看看“至小无内”，就是没有内部结构的最小单元.

如果说宇宙间有什么东西是无法再分割的，那只能是一些普适的物理常数，他们往往代表着一些无法逾越的界限.二十世纪初，经典理论受到了前所未有的巨大冲击，一些新的实验事实，比如电子荷质比的测定等等，已经完全无法用经典理论进行合理的解释.而正是这一时期，物理学理论发生了重大变革，相对论和量子力学诞生.这两个理论分别提出了一个普适的物理常数.相对论提出真空光速c是一切物体和信号不可超越的最大速度，量子理论提出，普朗克常数h是不可分割的最小作用量子.

当我们掌握了近代物理基本知识以后，我们就感觉到如此违反常识的两个理论其实是很自然的事.下面我们就来看看普朗克常数h存在的必要性.

卢瑟福的实验证明了原子中有核存在以后，原子的稳定性就出现了问题.与万有引力维系的天体运动不同，按照经典电磁理论，由库仑力维系的原子中，电子将在加速运动中不断辐射电磁波，其自身的能量就会不断减少，以至于电子的轨道半径就会越来越小，最后掉进原子核里，进而正负电荷中和，原子塌缩.按照电动力学计算[3]，原子塌缩时间的数量级在10-9s.

1913年，玻尔为电子轨道加上了量子化条件，让它们在定态轨道里作稳定运动而不辐射能量，后面我们会看到，定态轨道正比于h2，而如果普朗克常数h0，定态轨道的半径也就趋向于0，原子塌缩.由此可见，支撑原子稳定结构的正是普朗克常数.

3 原子

3.1 由玻尔理论基本假设求玻尔半径

在早期，量子力学的发展十分艰苦曲折，而氢原子的量子化研究作为一个突破口起到了至关重要的作用，于是便有了氢原子构造的早期量子理论，也就是玻尔理论.

由玻尔理论的基本假设，电子以速度vn在半径rn的稳定轨道上作圆周运动，其向心力由库仑力提供，即

用这种方法求出的r1是由经典理论和量子理论结合得到的，他把电子看成经典力学中的质点，又有量子化的特征，是不严谨不彻底的量子论[4].而对于玻尔理论所遇到的困难，后面在波粒二象性基础上建立的量子力学给出了圆满的解释.

3.2 不确定关系求玻尔半径

作为粗略估计，电子运行在半径为r的圆形轨道上，动量为p，总能量

可以看到其中的r近似于前面我们求的r1（Bohr半径）[5].

3.3 氢原子电子运动的非相对论性

我们对电子电荷e，电子静质量m，普朗克常数h，光速c四个基本常数用量纲法作一下粗略分析，找到一个无量纲的组合，也就是通常所说的“精细结构常数”：

可以看出，电子的静能要高出?琢2/2=2.7×105倍，所以氢原子中电子的运动的非相对论性.光速c没有出现在aB和Ry的表达式中这一事实，也是反映出这一点.

3.4 通过氢原子基态能量的粗略算法求氦原子基态电离能

在只考虑圆轨道的情况下，对于高激发态，轨道半径rn要乘以n2，能量要除以n2；对于重的元素，半径要除以Z，能量要乘以Z2，即

其中p1，p2分别为两电子的动量，r1，r2分别为两电子到核的距离，r12为两电子之间的距离.

这样我们就可以认为，能量的极小值应发生在两电子相对于氦核处于对称状态的时候，这时p1=p2p，r1=r2p，r12=r1+r2=2r，则

式中的E取绝对值代表剥离两个电子所需的能量，当第一个电子被剥离后，剩下的是个Z=2的类氢离子，其能量为-Z2Ry，即第一个电子的电离能为

与精确值24.6eV相比，数量级是没有问题，绝对数量是偏大了很多，由此看来，这种粗糙的求极值法只能做出一个估计，而氢原子那样求出两个精确的公式，可以说是非常的巧合.

原子中的能量，主要是静电子的动能和电势能，按照位力定理，二者绝对值差一半，处在同一数量级上.用价电子电离能除以原子半径时可作为价电子处电子强度大小的量度.对于氦原子我们可以简单估算一下，数量级应该在1011V/m左右，相比于现在的实验室所能达到的场强恐怕还要多出几个数量级.

这也正是玻尔的量子化条件.

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参考文献：

〔1〕朱杏芬,褚耀泉.宇宙在大尺度上是均匀的吗[J].天文学进展,2000,18(2):172-176.

〔2〕卡里布努尔·库尔班,高建功.星体结构计算中的数量级估计[N].新疆大学学报(理工版),2001(4).

〔3〕赵凯华.定性与半定量物理学[M].北京：高等教育出版社，1991.101-116.

量子力学的重要性范文第3篇

[关键词] 电子商务 破解 量子加密

众所周知，在电子商务系统运行的过程中，商务数据的机密性和安全性非常重要，这些数据在网络上传送或存储的过程中要保证不能被他人窃取，不能被泄露或披露给未经授权的个人或组织。通常情况下网上购物需要网上银行来支付，网上银行已越来越深入百姓的日常生活，但网上银行的安全问题也是大家所关心的，目前各银行的网上银行都具备符合标准的安全系统及措施，传送的数据使用了复杂的加密技术，确保客户权益能得到充分保障，网上银行的防范措施是很严密的，但到目前，无论哪家银行都不能保证自己的网络系统是永远百分之百安全的。

在现代社会，不管是日常生活还是商业运营，加密技术越发凸显其重要性。目前可以实现的常见加密算法有DES、3DES、IDEA、RSA、DSA、AES、BLOWFISH、MD5等。由于计算机技术以及网络技术的快速发展，大量的信息需要通过网络传输，这给目前常用的加密技术带来了新的挑战，量子计算机可以轻易的破译以往认为非常难以破译的加密，所以发展新的加密技术就显得格外重要，量子加密就是在这样的背景下应运而生的。

1989年在IBM的实验室里，班奈特和他的同事根据量子力学的原理，展示了一种新的密码技术：量子加密。他们让光子在一个盒子里走了30公分，光子偏振化的方向，代表一连串的0和1。根据量子力学的海森堡测不准原理，当我们在测量光子的某个性质时，会使光子的其它性质受到扰动。在量子密码系统里，任何窃取者在偷看光子束时都会扰动到它，从而被发送者或接收者察觉到。原则上，这种技术可以做出无法破解的数据。

从2003年起，瑞士日内瓦的id Quantique以及美国纽约市的神奇量子科技，都发表了可以传送量子加密数据的商品，除此之外，IBM、富士通以及东芝等也正在加紧研发。这些上市的产品，借着一条光纤便可将数据传送到几十公里以外的地方。神奇量子科技的产品每个售价7万美元～10万美元。

密码专家希望最终能够研制出某种形式的量子中继器，它本质上就是量子电脑的一种基本型式,可以克服距离的限制。中继器能运作，靠的是爱因斯坦著名的“幽灵般的超距作用”。在2004年8月19日的《自然》杂志上，奥地利维也纳实验物理研究院的柴林格和同事发表了中继器的初步成果，他们在多瑙河底的下水道里拉了一条光纤,两端则放置了“缠结”的光子。测量其中一个光子的偏振状态，会使另一端的光子立即产生一模一样的偏振方向。

美国西北大学和BBN科技公司合作，试验成功了世界上第一个真实的量子密码数据网络。科学家们结合了量子数据加密术（QDE）和量子密钥分配术（QKD），建成了一套完整的数据通信系统，它对窃听具有极高的保密性。此通信系统的试验成功依赖于传统的算法和物理原理。QDE方法，也称为αη，利用了激光中固有的不可消除的量子噪声来加强系统的安全性，并且使窃听变得非常困难。αη与其他的物理加密术方法不同，它保留了传统的通讯系统的性能，而且能与标准的光纤网络兼容。西北大学的研究人员们以前研究了很多量子密码术与传统光学通讯系统的兼容性，最终在传统的分波多元光学网络中发明了αη系统。但是在αη系统中，需要事先在通讯双方之间约定密钥。

2007 年10月12日，瑞士日内瓦州政府表示，为确保该州选举投票结果的公正性，选举结束后，投票结果将使用量子加密技术于10月21日传送到日内瓦市。工作人员将使用由id Quantique公司提供的一台电脑来击打光子，并沿着一条光缆线路传送到62英里之外的接收器中。如果有人想窃听这条线路，必须在中途拦截光子，即意味着被拦截光子不能到达目的地，工作人员便可了解已经有人在窃听。

量子密码技术至今已经有了长足的进展。现在美国国防部和联邦储备银行已经在小范围内使用了量子密码系统，不过目前的量子密码技术仅限在地区性的网路上，以后可能会有更大的推广使用。未来，从加密领域诞生的终极技术可能是量子电脑，它将具有超强的解码能力，而要避免密码遭破解的惟一方法，就是使用量子加密技术。

量子加密技术是一种新的技术，也是一个正在发展的技术，它吸引了很多科学家，包括物理学家、化学家，还有信息处理，包括计算机科学的专家来研究这个领域的问题，因为它是比较新的技术，最终这门学科发展到怎样的地步还不清楚。如果我们把量子加密和公共钥匙加密（一种加密体制）比较一下的话，显然量子加密，远远赶不上现在公共钥匙加密系统那样成熟，量子加密的解决方案还不像公共钥匙加密这么多。我们在量子加密方面进展不大，是因为量子加密涉及到的数学问题极其复杂，比我们传统的数据计算问题要复杂得多。

这样来看,如果将量子加密技术应用在目前的实用的电子商务的系统中,显然从技术上还不够成熟，还没有一种成熟的接口可以用量子加密完全替换原来的加密方案，很多关键技术环节还处在研究阶段。况且量子加密需要特殊硬件设备的支持,这些设备的费用是普通的客户无法承受的。但我们也应该对未来充满信心,因为我们毕竟找到了一种绝对安全的加密技术,即使它还不够完美和实用，它起码是一个需要好好研究的有一定希望的方向之一。

参考文献:

[1]王辉著:《光纤通讯》，电于工业出版社，2004年

量子力学的重要性范文第4篇

[关键词]结构化学；教学改革；互动教学

结构化学课程是我国高等学校化学专业的必修课程，内容涉及量子化学，分子对称性，配位化学和晶体学基础等部分。该课程内容抽象，知识系统庞杂，数理推导较多，学习曲线陡峭，不少学生因此存在着畏难情绪。然而正如诗词所言，无限风光在险峰，学好这门课程不仅有助于理解其它化学课程的内容，也是为进一步在本专业深造打下坚实的基础。[1]在当前深化本科教育教学改革的背景下，如何将结构化学课程上好，真正做到让老师强起来，学生忙起来，效果实起来，笔者在此对授课以来的问题和解决方法进行总结。

1重视数理，夯实基础

结构化学课程的一大难点在于数学推导较多，譬如量子化学部分完全使用数学语言描述核心知识，而对于化学专业的同学，数学一直是软肋，于是极容易产生厌学和畏难情绪。[2-4]针对这个问题，很多老师采取的解决方法是淡化数学推导，重点介绍推导后的结论和意义，但我们在授课过程中，发现这样的授课方式效果欠佳，因为基础不牢，课程的学习只能是空中楼阁、风中沙塔，很多同学在课程结束后还是无法对物理图像有一个正确的认识和把握。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，笔者认为与其淡化数学，不如严格要求，把数学学到位。伟大的思想家恩格斯说过：“任何一门科学的真正完善在于数学工具的广泛应用。”正是因为数学和物理的引入，才让化学摆脱了炼金术的桎梏而成为一门科学。因此我们在授课时自始至终强调数学的重要性，在涉及数学内容较多的章节，提前讲授将要用到的数学工具并布置作业，每章节结束后将重要的公式和结论进行串讲并配合习题进行强化训练，要求所以学生每学完一个章节就做思维导图及时总结复习，将重要公式进行总结归纳制作公式索引表格。尽管提升了学习的难度，但学生对于推导的结果和物理意义理解的更加准确和深入，记忆也更加牢固，锻炼了学生的逻辑思维和严谨认真的科学态度。

2理清主线，合理增负

结构化学课程内容主要涉及量子化学基础，分子对称性，配位化学以及晶体学基础。尽管这四个部分知识彼此之间较为独立，但所表达的核心思想是一致的，即结构决定性质，性质也反映着结构。目前授课内容主要存在问题是：量子化学部分各章节之间主线不够明确；配位化学部分和专业无机化学课程内容有重叠；晶体学基础部分，结构相关的内容介绍较多而相关的性质介绍较少。针对这些问题，我们对课程的授课内容进行了合理的补充和删减。首先，对于量子化学部分，我们在授课一开始给出课程的故事主线，即量子力学的诞生背景，量子力学基本假设，简单模型的量子力学处理方法，氢原子薛定谔方程的求解过程及解的物理意义，以及针对于多电子原子和多原子分子的近似方法。这条主线清晰明确，在每一章节开始时，我们对之前的内容进行简要回顾，帮助学生理清了各章节的逻辑关系，在学期末复习课时对每一个知识点进行展开复习，进行巩固。配位化学部分，对于和无机化学有重叠的部分，我们通过翻转课堂的方式简要复习，同时突出结构化学的重点，即分子轨道理论在配位化学的应用，着重介绍了配体群轨道这个新概念，以及不同配位几何构型下配体群轨道和中心原子如何依据对称性进行线性组合的方式，同时介绍了金属配合物作为均相催化剂催化反应的常见机理。在此基础上，我们还将科研中的一些问题引入课堂讨论，如金属氮宾体和金属氧化物的电子结构，让学生通过知识解决实际科研问题，真正做到科研反哺教学。晶体学部分除了介绍基本知识以外，补充介绍了能带理论，态密度等概念，并介绍了导体，半导体，绝缘体在电子结构上的差异，这些基础知识有利于化学专业的同学在材料化学方向进行科研工作打下基础。尽管课程在深度和广度上都有所增加，但不少同学都表示感受到了挑战性学习所带来获得感和高阶乐趣。

3反客为主，多元考核

传统理论课授课方式，采用幻灯片讲述授课，学生被动填鸭式学习，效果较差，也不利于学生培养综合能力。针对这些问题，我们开始尝试翻转课堂教学方法来提高学生参与性，重点培养学生的学习能力，表达能力，独立思考，发现问题，解决问题的能力，这些都是未来创新型人才所具有的重要特质。翻转课堂的内容主要涉及三个方面，一个是结构化学课程中难度较低的几个章节，如双原子分子电子结构，分子对称性，配位化学基础知识等章节，各章节的总结复习以及研究性课题，教师提供慕课资源，书籍资料和分子建模软件，让所有学生统一准备，课堂上抽签进行讲解，在授课过程中，要求其他小组必须提问，教师在课程结束时对各小组所准备的课件进行补充点评，我们也将翻转课堂教学纳入了考核评价，提高了课程总结笔记，课堂提问，翻转课堂课件等分数项的比例。翻转课堂授课方式有效的活跃了课堂气氛，提高了课堂参与度，也增强了学生的学习能力和思辨精神。

量子力学的重要性范文第5篇

关键词：固体物理;课程教学;教学方法;教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）43-0158-02

固体物理，作为高等学校本科课程计划中一门重要的基础理论课程。它是以固体的组成结构以及组成粒子（原子、离子、电子等）之间相互作用与运动规律为主要研究对象，阐明其各自相关的性能与用途[1]，是材料相关学科的理论基础，同时也在当代科学研究中起着重要的基础理论作用。材料学科专业的学生掌握一定的固体物理知识及其研究方法，有助于开阔科学视野，为今后的发展奠定知识基础。因此，国内综合性大学、师范院校以及许多工科院校的理工科专业均普遍开设了这门课程。以此认识为出发点，笔者围绕材料学科各专业固体物理教学的特点，结合固体物理课堂教学的经验和体会，对其教学内容、教学方法和手段等方面提出了一些改革措施与探索，以期待为推动高等学校固体物理课程教学的改革、提高教学质量发挥积极的促进作用。

一、材料学科固体物理教学现状

高等学校材料学科相关专业要求培养学生具有扎实的基础理论知识和系统的专业知识，能够了解材料相关学科最新的发展趋势，具有从事科学研究工作和专业技术工作的基本能力。因此，在材料学科的培养计划中，要求学生应当学习基本的基础知识和基本技能。固体物理课程就是其中一门重要的课程，它要求学生初步具备高等数学、普通物理、热力学与统计物理学和量子力学等相关的基础知识作为固体物理课程学习的前提，其主要目的是研究固体物质（主要以晶态物质为主）的基本物理性质、构成物质的各种粒子的运动形式及其相互关系[2]。作为工科材料学科的固体物理课程，其教学方式、教学内容与高等师范院校有明显的差别。固体物理与材料学科的其他课程既有联系又有区别。一方面，工科学生虽然经过部分专业课程的学习，具有大学物理和材料科学基础等方面的知识，但是固体物理课程开设的前提要求学生具备有扎实的高等数学、统计物理、量子力学、以及分析力学和群论的基础知识，这些基础是工科学生没有学到也不具备的。另一方面，工科材料学科在固体物理教学的学时方面安排的较少，一般为32学时或40学时，因此，不可能在有限课堂上系统补习该方面的内容，学生也更没有更多的时间和精力去自学，更何况统计物理、量子力学等本身就有相当的难度[3]。综合以上各方面的原因与现状，工科材料学专业的本科学生的固体物理课，容易导致学生因基础知识的不具备而跟不上固体物理的理论推导过程，造成教师很难顺利将课程的主要内容进行完整而系统的讲授，学生也听不懂，产生厌学情绪。因此，在选择教学内容、教学方式和制定教学计划等方面时，必须考虑学生对本课程的接受能力。

二、固体物理教学内容与教学方法的改革措施

针对上述工科材料学科专业学生的基础知识储备情况和现状，以及考虑到固体物理课程的特点，笔者结合近几年工科材料学科固体物理课程教学的经验和体会，对固体物理课程的教学进行探索，提出以下关于本课程的改革措施。

（一）结合学生基础，选用与本学科相适应的教材

选择一本好的教材，是学生学好一门课程的基础。对于固体物理来说，不乏经典的教材，如黄昆先生的教材[1]。但是，固体物理教材基本上是为物理专业的本科生和研究生而编写的，现有的教材鲜有专门为工科材料等学科编写的教材，对只有学习过普通物理和材料科学基础等的工科本科生来说，本课程难度非常大。因此，对于工科材料学科的固体物理课程，在选择教材时，尽量选择能系统地包含固体物理的经典内容，同时要求容易理解和知识程度较浅的。选择好一本教材时，还要对教材内容进行筛选，选择适合本专业章节，同时也要兼顾固体物理的系统性。

（二）制定符合本专业的教学大纲，合理选取教学内容

固体物理内容庞大，针对工科材料专业的特点，在制定教学大纲和选取教学内容方面，保证固体物理教材系统性的基础上增强与工科材料学科的联系，在有限的学时内将固体物理实用而且精髓的部分讲授给学生，就必须精选教学内容。学习固体物理最重要的是清楚基本概念，物理原理和物理模型。针对材料学科学生固体物理基础知识薄弱的特点，尽量避免过于烦琐的公式推导，如必须公式推导，要针对本专业学生所具备的基础，讲清公式的来龙去脉，细化推导过程，让学生真正理解并掌握相关知识。

此外，还有考虑材料专业其他学科的内容与固体物理相关章节的联系性。像晶体结构、晶体缺陷等虽属于固体物理的内容，但该部分内容已在材料科学基础等专业课程中涉及到，没有必须再去重复讲述。对于一些涉及量子力学的基础知识的章节，如能带理论部分，是必须要讲清楚，学时重点掌握的内容，但是，仍要在有限的学时中抽出时间补习这方面的基础知识。

（三）传统板书与现代多媒体结合，选择最佳教学方式

多媒体技术是指使用计算机技术，对文字、数据、图形、图像、动画、声音等多种媒体信息进行综合处理和管理，使用户可以通过多种感官与计算机进行实时信息交互的技术，可以有效的地利用到课程教学当中。同传统教学方式相比，多媒体教学方式具有直观性、图文声像并茂、动态性等特点，能帮助学生多角度地理解掌握基本概念和方法，调动学生的注意力、学习兴趣、学习积极性等，有助于突破教学难点。现代多媒体技术的运用，使得课堂教学手段多样化、现代化。例如，使用Diamond或Flash软件，对晶体结构进行三维动画模拟，立体展示晶体的结构特点。

然而，并不意味使用多媒体进行教学这是万能的，多媒体教学在某些方面也存在着局限性，它并非适合固体物理的所有章节和内容，而是有一定的范围的，每一部分内容对多媒体教学的要求是不同的。如，固体物理的晶体结构、能带结构等部分，使用多媒体可以直观、形象演示其内容，学生也容易理解和掌握，但对于理论较强的部分，如倒格空间、晶格振动、能带理论等，需要黑板板书与多媒体课件相结合，板书推导为主，多媒体演示为辅。因此，传统的“板书的固体物理教学方式并不过时，而先进的现代化多媒体教学亦非万能，它们是优势互补的，只有当我们把这两种教学方式巧妙的捏合在一起的时候，课堂教学效果才能达到最佳状态。这对于别的课程教学也具有借鉴意义。

（四）教学过程引入学科前沿知识

固体物理学虽是一门基础理论很强的课程，同时也是一门应用性很强的课程，它与当今最活跃的凝聚态物理以及新型材料科学紧密联系在一起。固体物理其内容丰富、体系庞大、理论性较强，同时，在教学和学习中，还要求学生能够理论联系实际，对所学知识进行理论方面的解释。但是，该方面也是最容易出现理论知识与实际应用相脱节的状况。针对这一方面的问题，在传统的固体物理教学中，将固体物理中相关的知识与本专业的其他课程相互联系，也非常重要。

这就要在讲授传统固体物理教学内容的基础之上，适当地把与本学科知识相关的前沿动态和研究热点引入课堂教学，巩固已学过的知识。本学科相关前沿知识的引入，一面强化了固体物理的基础知识，拓宽了学生的专业基础知识结构，开阔了科学研究的视野;另一方面也可以因材施教，满足不同知识程度的学生学习的需要。

（五）重视课后作业

固体物理是一门专业性很强的基础理论课程，绝大部分学生尚不能在课堂上理解并掌握所学知识，这就需要课后作业。课后作业是对课堂教学内容加深理解和掌握的有效手段之一。课后作业同时也是课程教学的一个重要组成环节，是学生对所学新知识进行巩固发展的有效途径，也是课堂教学的一个延续。如果学生能认真对待课后作业，就会很好地巩固、理解、运用所学知识;如果课后作业没有充分发挥作用，则会直接影响到教学效果。对于材料专业的本科生来说，固体物理是一门基础理论与实际应用相结合的课程。在布置课后作业时，一方面要考虑到教材的习题中相对应的题目作为学生的课后作业;另一方面，为了加深课程中公式的推导的理解，可以将部分的公式推导安排在作业中，加深对课堂教学的理解。此外，针对某一些研究热点，通过撰写小论文，让学生从固体物理的角度发表自己的看法，增强学生的自主学习的兴趣，可以提高学生的自学能力、研究能力和创新能力。

三、结语

本文主要从固体物理课程的课堂内容选择、教学方式、教学形式以及课后作业等方面进行了探索。材料学科的固体物理课程有其自己的特点，应做到精选教学内容，重点突出，有的放矢。只要我们不断改进教学手段和教学方法，鼓励学生主观能动性的发挥，就能大大提高固体物理的教学手段和教学质量。

参考文献：

[1]黄昆，韩汝琦，固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1997.