农林专业量子力学知识的教学尝试

赵新丽 张金波

(扬州大学物理科学与技术学院 江苏 扬州 225002)

在农林专业开设大学物理课的作用，不仅在于为学生后续课程较系统地打好必要的物理基础，更重要的是让学生学会科学的思维方法和研究问题的方法，这对开阔学生的思路、激发探索和创新精神、增强适应能力、提高科学素质都将起到非常重要的作用[1]. 量子力学是20世纪物理学的主要进展之一[2]，对现代物理学和人类物质文明有着非常深远的影响[3].因此，这一章内容的讲授也是农林专业物理教学的一个极为重要的组成部分．笔者在调研中发现，学生普遍反映量子力学难，太抽象，听不懂，而且对于农林类专业，物理课时少，学生更是不知道量子力学是研究什么的学科.近年来，结合农林专业教学实际，我们对该课程教学方法进行了探索性尝试,收到了很好的教学效果，现总结如下.

1 讲述理论背后故事 激发求知欲望 感染教育学生

笔者在讲课前先放映了一段纪录片“爱因斯坦未竟之篇章”，该片记录了爱因斯坦深信宇宙的本质是美丽而简单的，一定有一个统一理论能阐释宇宙间所有的物理现象，在这份信念的支撑下，即使晚年卧病在床，他依旧孜孜不倦地推演计算着.遗憾的是，尽管爱因斯坦耗尽了后半生，但依旧没有找到这样的理论.正当爱因斯坦在寻找统一理论的道路上屡屡受挫的时候，一群年轻的科学家夺走了爱因斯坦的光芒，引领了物理的主流.他们创立了一个描述微观世界的物理理论——量子力学，这个理论让我们知道，微观世界与我们肉眼看到的宏观世界完全不同，它如此的神奇魔幻，超越了当时所有科幻作者的想像力.

这段量子理论背后的故事放映完毕之后，同学们七嘴八舌，有的谈论着爱因斯坦之伟大，有的惊叹物理界天才之可敬，还有的谈论着量子理论之神奇，极大地活跃了课堂气氛.这段故事不仅激发了学生学习量子理论中创新思想、创新方法的兴趣、热情、求知的欲望，而且科学家对科学的不懈追求的精神以及他们的光辉业绩也深深地感染和教育着学生，帮助学生树立正确的人生观和价值观.

2 使用类比方法引导学生探索

运用类比思维可以把陌生的对象和熟悉的对象进行比较，从而激发学生探索的意向，引导学生进行探索，使学习成为学生自觉积极的活动，发展学生的思维能力[4]．正如前苏联学者瓦赫罗夫所说：“类比像闪电一样，可以照亮学生所学学科的黑暗角落”.课堂上我们先简单介绍爱因斯坦的光的波粒二象性，然后告诉大家德布罗意受到爱因斯坦光的波粒二象性的启发后，提出一个大胆假设：运动着的实物粒子也具有波粒二象性.因为光的波粒二象性已被同学们所熟知，在这基础上实物粒子波粒二象性的提出较易被学生掌握.然后对大家提出这样的问题：如果微观粒子具有波动性，怎么来验证呢？通过上面的类比，同学很容易想到：通过光的单缝(双缝)衍射(干涉)和X射线在晶体上的衍射这两个例子证明了光的波动性，那么要验证微观粒子的波动性，以电子为例，可以让电子通过双缝或晶体来验证其波动性.微观粒子的波动性被验证之后，人们又提出问题：这种“物质波”是一种什么性质的波函数呢？同样，同学们能不能通过类比受到启发给出答案呢？为了理解“物质波”概念，而把电子波类比为光波，从描述光波E的叠加性和光的强度正比于光振动振幅的平方来理解电子波函数的迭加原理和统计意义．这样以光波的引入，类比展开说明微观粒子的性质.当然这种方法只能起到使学生初步理解概念的辅助作用，毕竟物质波和光波的物理实质还是不太一样的．

实践证明，在启发的基础上恰当地运用类比，增强了学生的学习兴趣, 加强了师生间的互动，使得学生对知识容易理解和接受。不仅如此，更重要的一点是学生同时还学会了一种物理的思维方法和接受、理解知识的一种方式.

3 强调量子力学与经典力学的不同

对经典理论学生已经很熟悉，而量子力学从研究规律到描述方式和经典物理完全不同，所以初学者不易接受。在教学中将二者进行比较, 找出差异,效果很好。例如，经典力学质点状态用质点的坐标和速度描写，量子力学微观粒子状态用波函数描写；经典力学用牛顿第二定律描述状态变化，量子力学用薛定谔方程描述状态的变化.另外对于量子力学中波粒二象性概念、统计原理等都与经典力学中的相关概念区分开，阐明清楚其真正内涵.

总之，面对课时短、数学和物理基础比较薄弱的农林专业学生的物理教学，不可能面面俱到，只能是“蜻蜓点水”，但我们更重要的任务是让学生学会科学的思维方法和研究问题的方法.

参考文献

1 林智群.将物理学史引入农科类专业物理课程教学的思考与尝试.西南农业大学学报，2010，8(5)：243～245

2 曾谨言.量子力学:卷Ⅰ(第2版).北京:科学出版社,1997.35～278

3 潘桂侠.浅谈如何学好量子力学.科技信息，2010(17)：645

4 曹锦.巧用“类比”方法，提高初中科学教学质量. 新校园(理论版)，2011(5):89～91