量子力学的基本知识范文

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[关键词] 地方院校；量子力学；精品课程建设

[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 1005-4634（2014）01-0057-04

0 引言

我国本科高校按隶属对象不同，分为部委属和省属两大类别，省属高校又分为省属国家“211”重点高校、省部共建高校、地方性直属高校三类，本文“地方院校”指省属高校中的地方性直属本科高校，这些院校大多采取省市共建、以市为主的管理体制，多数建校时间短或由专科升格。

随着我国高等教育大众化进程的不断深入，生源质量降低，教学资源日趋紧张，高等院校的教学压力逐渐加大，引发了社会对高等教育质量的担忧。2003年4月《教育部关于启动高等学校教学质量与教学改革工程精品课程建设工作的通知》（教高[2003]1号），引起了全国范围内建设国家、省、校三级精品课程的热潮。量子力学精品课程也同其他课程一样，经历了精品课程建设的热潮，截至2013年9月，共有四校建成国家精品课程，分别是兰州大学（2004年）、复旦大学（2004年）、清华大学（2007年）、北京大学（2008年）；两校建成湖北省精品课程，分别是华中师范大学（2003年）和湖北大学（2003年）；两校建成湖北省地方院校校级精品课程，分别是黄冈师范学院（2007年）、湖北师范学院（2011年）。可见，量子力学国家精品课程全部由985重点大学建设，湖北省精品课程也由211重点大学和省属重点大学建设，地方院校只有两校建成校级精品课程，只占湖北省27所地方院校的7.4%，大多数地方院校并未开展量子力学精品课程建设，这与量子力学课程的重要地位极不相称。量子力学是近代物理学的两大支柱之一，也是现代工业技术的重要理论基础，其教学质量的重要性不言而喻，但量子力学又是一门高度抽象的理论物理课程，远离日常经验，教与学都有一定的难度。地方院校由于师资力量薄弱，学术资源匮乏，生源素质不理想，教学与科研脱节，导致这些院校的量子力学精品课程大多处于有心无力、举步维艰的状态。

地方院校占我国高校总数的90%左右，担负着服务地方社会经济建设、培养千百万专门人才的重任。地方院校是我国高等教育金字塔的塔基，塔基不稳，必然影响我国高等教育的健康发展，因此研究地方院校量子力学精品课程建设，提高人才培养质量是迫在眉睫的重要问题，令人惋惜的是这方面的研究成果太少，难以指导地方院校量子力学精品课程的建设。

1 地方院校视角下量子力学精品课程建设 的内涵

精品课程的评价标准是“五个一流”，即一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教材、一流教学管理。精品课程建设研究大多围绕“五个一流”展开，但精品课程建设应该是分层次的，不同类型的高校应有不同的标准。每个学校都是在自己的层次上、自己的类型上来办出最高水平的课程，各个学校是不一样的，精品课定位不一样，寻找精品课群体也不一样[1]。地方高校应从自己的办学定位、培养规格和生源情况来考虑量子力学精品课程建设，基于地方院校视角来理解“五个一流”，扬长避短，不盲目攀比，也不妄自菲薄。

1.1 一流教师队伍

地方院校普遍存在教师整体水平不高的问题，教师的学历、职称、学术水平和重点大学相比有较大差距，教学任务重，技术应用能力不强。重点大学承担培养拔尖人才的任务，必然要求教师具有较高的学术水平和科研能力，地方院校承担培养千百万专门人才，即应用型技能型人才的任务，对教师的学术水平要求不是太高，但要求教师具有较强的技术应用能力。地方院校教师不宜与重点大学的教师比学术水平，但要关注学科前沿，尽快掌握与本学科相关的最新技术，提高重点大学教师并不擅长的技术应用能力，体现地方院校“双师”型师资的鲜明特色。

地方院校量子力学精品课程的一流教师队伍，就是要建设一支与应用型人才培养相适应的，具有一定的学术水平、较高的教学水平、较强的技术应用能力的“双师型”教师队伍。

1.2 一流教学内容

应用型人才培养的定位，决定了量子力学精品课程的教学内容有别于重点大学，教学内容的核心是量子力学的基本理论、基本知识、基本技能，不求教学内容的高度完整性，适当降低内容的深度和应用数学解题的难度，保持教学内容的前沿性和时代性，满足学生了解学科发展前沿及其技术应用的强烈愿望。前沿知识不仅可以开阔学生的眼界，而且能够潜移默化地影响学生未来的发展。

地方院校量子力学精品课程的一流教学内容可以理解为，量子力学基本理论、基本知识、基本技能等学科有效知识与专业发展密切相关的前沿知识及其技术应用的有机整合。有效知识，就是今后能对在该领域继续学习、继续研究、开辟新的领域、学习新的知识发挥作用的、最关键、最基础性的东西[1]。

1.3 一流教学方法

重点大学普遍重视讨论式、研究式教学方法，基于量子力学学科特点和地方院校学生水平，讨论式和研究式的教学方法要慎重使用，如果准备不充分，极有可能出现学生讨论时言之无物和研究时无从着手的难堪局面，反而挫伤学生的学习积极性。采用讨论式和研究式教学方法，一要内容难度适宜，二要前期准备充分，三要教师循循善诱。量子力学内容高度抽象，学生自学困难较大，因此对教学方法和手段的要求较高。无论选择什么样的教学方法，采用什么样的教学手段，都是为了学生能够更好地理解和掌握知识，都要适合学生的实际认知水平，不能为了讨论而讨论，为了研究而研究，应以实际教学效果来评价教学方法的优劣。

地方院校量子力学精品课程的一流教学方法，即以启发式讲授为主，结合课程内容适当采取讨论式和研究式教学，传统教学手段与多媒体技术手段有机结合，集多种方法与手段于一体的教学方法体系。

1.4 一流教材

量子力学教材的选用，国内一般主要选用曾谨言版（重点大学）和周世勋版（地方院校），另有苏汝铿版、张永德版、钱伯初版、关洪版等多种教材，也有多种国外优秀教材。鉴于量子力学的某些基本问题至今仍有争议，甚至国内权威教材中的部分内容仍受质疑，地方院校不宜盲目自编教材，避免对某些问题的不当阐述误导学生，宜选用国内经典的简明教材，辅以优秀教材作为参考书，以满足不同学生的学习要求，通过立体化、一体化教材建设，补充量子力学的最新进展和实际应用，更好地为地方院校培养应用型人才服务。

地方院校量子力学精品课程的一流教材，即在选用国内经典简明教材的基础上，选择国内外优秀教材作参考书，着力打造包括电子教案、PPT、习题答案、试题库、仿真实验、网络课堂等资源在内的立体化、一体化教材。

1.5 一流教学管理

精品课程需要通过科学的管理为其提供制度保证。科学的教学管理和规范的管理机制，是精品课程的重要条件。精品课程的教学管理既包括对课堂教学的组织、实践教学的安排、学习成绩的评定等教学环节的管理，还包括师资队伍的配备、课程建设过程的管理、教学保证条件的建设等[2]。

地方院校作为教学型大学，科研上处于劣势，教学管理上更应加强，应将一流教学管理作为量子力学精品课程的重要特色来建设。

地方院校量子力学精品课程的一流教学管理，即建立健全与应用型人才培养目标相适应的教学管理制度，包括编、备、教、辅、改、考各教学环节的管理制度，以及经费投入、师资配备、用人机制和激励机制、课程评价等教学质量保障制度，认真落实各项教学管理制度并切实做好教学质量监控，保证课程建设的可持续发展。

2 地方院校视角下量子力学精品课程建设 的对策

2.1 建设一支与应用型人才培养适应的师资队伍

地方院校培养应用型人才的定位，客观上要求教师应具有教师和工程师（或技能师）的双重身份。量子力学精品课程的师资队伍建设，除引进高层次人才、抓好现有教师的转型提升、开展与课程相关的教研和科研等常规措施之外，尤其要重视师资队伍的技术水平和能力的培养，通过产学研用结合切实提高教师的技术操作能力、应用能力和转化能力。加强学校与科研机构、企业的合作，聘请经验丰富的科研人员和工程师作为兼职教师，提高教师队伍整体的科研水平和技术实力。

2.2 精选课程有效知识构建学科基础，实现理论 与应用、基础与前沿的完美结合

夯实基础、关注前沿、了解应用、激发兴趣是一流教学内容的必然要求。在教学内容的选择和安排上，要注意与知识的实际应用相联系，找准最佳结合点，融入学科前沿的理论知识和学科发展的最新成果。

量子力学的有效知识包括量子力学的发展历史、量子力学的五大公设、定态问题求解、表象变换理论、微扰理论、电子自旋等，有效知识构成课程的核心知识；学科前沿知识、量子力学在现代科技和其它学科中的应用等内容构成课程的补充知识；散射等相对困难的内容构成课程的知识。核心知识具有相对稳定性，要求熟练掌握；补充知识具有时代性，要求学生了解而不求掌握；知识具有可选性，建议有能力的学生选学。核心知识和补充知识属于第一层次的教学内容，面向全体学生；知识属第二层次的教学内容，面向部分学生。教学内容的分类既有利于实现教学的层次化，又有利于实现理论与应用、基础与前沿的有机结合。

2.3 构建教学理念先进、与学生水平相适应的教 学方法体系

以教师为主导，以学生为主体。变单一教学方式为多样化教学方式构成的有机体系，变以教为主为以学为主或学教并重，变传统课堂教学为传统课堂教学和网络课堂教学相结合。基于量子力学的抽象性，讲授仍是主要的教学方法，但应注重启发学生积极思考，采取课内、课外、网络等多种形式增强师生互动，结合适当的内容开展讨论和研究。

可以组织学生讨论如量子力学相关实验的解释、量子力学基本原理的各种理解、一维定态问题的求解方法等；也可讨论量子力学的某些新进展和新的技术应用，要求学生就“量子纠缠”、“EPR佯谬”、“量子计算机原理”等内容展开调研，撰写文献综述报告，将讨论和初步的研究结合起来，培养学生从事科学研究的基本素质；也可建议能力较强的学生对“密度矩阵表示量子态”、“路径积分量子化”、“自由粒子的狄拉克方程”等较新的内容进行一些初级的理论探讨，通过写小论文的方式总结研究结果等。

讨论和探究的关键在于培养学生的参与意识、问题意识和批判意识，不奢望毕其功于一役，长期坚持一定会有收获。

2.4 选择适宜的教材和教学参考书，建设立体化、 一体化教材

选择周世勋版《量子力学教程》作为教材，因为它比较简明，适合初学者和地方院校生源的实际水平；选择曾谨言版《量子力学教程》作为主要参考书，因为它是全国大多数高校指定的考研参考用书，要照顾部分考研学生的需要；还可选择其他国内外优秀教材作为参考书，以兼收并蓄、博采众长。

教材是教学内容的载体，一流教材必然要展现一流教学内容。立体化、一体化教材不是简单的教材和教参搬家，应将学科最新的研究成果、成功的教改经验和教师自己的教科研成果及时地反映出来。一流教材除电子教案、PPT、全程教学录像、习题解答、试题库、网络互动答疑、在线测试等内容外，还要自编学习辅导用书，内容大致可包括学习内容辅导、考研辅导、阅读材料三大部分。学习内容辅导应梳理各章知识点及联系、重点难点的学习经验，补充典型习题；考研辅导可提供各类院校近年来的量子力学考研试卷，分析考试内容涵盖的知识点和相关的考核要求；阅读材料可介绍量子力学的最新进展、与量子力学有关的各交叉学科、量子力学的发展历史以及逸闻趣事等。

2.5 抓紧抓实全方位全过程的教学管理

精品课程建设是一个综合系统工程，只有扎扎实实、认认真真、持之以恒地努力工作，才能把事情做好[3]。一流教学管理是精品课程建设的重要方面，建章立制是基础，教学各环节的过程管理是纵线，教学保障条件建设管理是横线，教学质量监控、反馈和改进是保障。教学管理不必标新立异，抓紧、抓实、抓细、抓出成效，就是教学管理的最大特色。

教学各环节的管理制度中，重点要改变学业成绩评价标准，变结果评价为过程评价，正确把握考试导向，降低期末考试比重，加大平时考核比重，将考勤、作业、提问、小论文、课程设计纳入平时考核。

教学质量保障制度的建设和落实要抓好以下几个方面：学校要加大对精品课程建设的经费投入；选择学术水平较高、教学效果得到师生公认的优秀教师担任课程负责人，组建由课程负责人负总责、主讲教师分工与合作的教学队伍；对参与精品课程建设的教师，在评优评先、晋升职称等方面优先考虑；抓实教学过程的质量监控，完善同行评教、学生评教、毕业生评教和评教意见的及时反馈及改进制度；抓住一切校内外的交流机会，博采众长，不断更新充实网上资源，确保精品课程建设的可持续发展。

3 地方院校视角下量子力学精品课程建设 的初步成果

2011年起，荆楚理工学院应用物理学专业开设量子力学课程。三年来，量子力学教学团队坚持以建设校级精品课程为目标，始终追求精品境界，目前量子力学精品课程的基本资料已准备就绪，拟申报校级精品课程，并计划在校级精品课程基础上，力争申报省级及以上精品课程，最终转型升级成为精品资源共享课。

教学团队坚持教学和科研相结合，重视研究解决教学过程中存在的突出问题，以教科研水平的提高带动教学水平的提高。三年共主持完成湖北省教育科学“十一五”规划课题“理工类本科生物理学习障碍归因及对策研究”一项，此课题于2013年5月被湖北省教科规划办批准结题，鉴定结论为：课题研究整体设计规范，研究路线科学，课题组成员分工合理，研究成果丰富且有实效；正主持湖北省教育科学“十二五”规划课题一项：“地方院校应用物理学专业人才培养模式研究”。在学术研究方面，教学团队围绕量子纠缠态、量子点、反应微分截面等方向进行了比较深入地研究，取得了一些成果，近几年在国外英文期刊和国际学术会议上发表了6篇英文学术论文，其中4篇被EI收录，2篇被INSPECT收录，并在原子与分子物理学报、重庆大学学报、量子光学学报等中文核心期刊上发表了8篇学术论文。

科学研究提高了教师的学术水平，加深了对量子力学课程内容的深刻理解，促进了教学的深入浅出，实现了理论与应用、基础与前沿的有机结合，量子力学课程教学质量逐年稳步提高：三年来师生评教均分都在95分以上，教学效果得到师生认可；学生学习量子力学的积极性明显提高，学业成绩的统计结果表明，大部分学生较好地掌握了量子力学的基本理论、基本知识和基本技能，并对量子力学知识的有关应用和学科发展前沿产生了浓厚兴趣，越来越多的学生开始选择以量子力学的有关研究作为毕业论文选题，其中2009级两名学生的毕业论文荣获学校优秀毕业论文；不少学生考研时量子力学科目也取得了135分以上的较好成绩。荆楚理工学院量子力学精品课程建设取得的初步成效，从理论和实践两方面证明了建设具有地方院校特色的量子力学精品课程是可行的。

4 结束语

精品课程不应千课一面，不同类型的院校应该有不同类型的精品课程，量子力学精品课程建设也不应该成为重点大学的专利，地方院校完全可以根据自己的培养目标、培养规格、生源状况，正确地理解“一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教材、一流教学管理”，建设具有应用型人才培养特色的量子力学精品课程，在精品课程建设上实现与重点大学的错位发展。

参考文献

[1]袁德宁.精品课建设及课程支撑理念的转变[J].清华大学教育研究，2004，25（3）：53-57.

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在建立科学理论体系的过程中，往往需要以一系列巨量的、通常是至为复杂的实验、归纳和演绎工作为基础。而且人们一般相信科学知识就是在这个基础上产生和累积起来的。但只要这种认识活动过程是为一个协调一致的目标所固有，只要它真正属于科学研究自我累进的进程，则不论其如何复杂，仍只是过程性的，而不从根本上规定科学的性质、程序，乃至结论。这就使我们在考察复杂的科学认识活动时，可以抽取出高于具体手段的，基本上只属于人类心智与外在世界相联络的东西，即科学语言，来作为认识的中介物。

要说明科学语言何以能成为这样的中介，需要先对科学的认识结构加以分析。

作为一种形式化理论的近现代科学，其目的是力图摹写客观实在。这种摹写的认识论前提是一个外在的、自为的客体和作为其思维对立面的内在的主体间的双重存在。这一认识论前提在科学认识方面衍生出一个更实用的前提，就是把客体看作是一种自在的“像”或者“结构”（包括动态结构，比如动力学所概括的各种关系和过程）。

这一自在的实在具有由它的“自明性”所保证的严格规范性。这种自明性只在涉及存在与意识的根本关系时才可能引起怀疑。而科学是以承认这种自明性为前提的。因此科学实际就是关于具有自明性的实在的思维重构。它必须限于处理自在的实在，因为科学的严格规范性（主要表现为逻辑性）是由实在的自明性所保证的，任何超越实在的描述都会破坏这种描述的前提。这一点对稍后关于量子力学的讨论非常重要。

上述分析表明，科学的严格规范性并非如有唯理论倾向的观点所认为的那样，是来自思维，也并非如经验论观点所认为的来自具体手段对经验表象的操作，也并不象当代某些科学哲学家所认为的纯粹出于主体间的共同约定。科学的最高规范是存在在客观实在中的，是来自客体的自明性。一切具体手段只是以这种规范为目标而去企及它。

在科学认识活动中，不论是一个思维过程还是一个实验过程，如果其中缺失了语言过程，那就什么意义都不会有。科学语言与人类思维形态固然有很大的关系，但是它们可能在一个很高的层次上有着共同的根源。就认识的高度而言，思维形态作为人类的一种意识现象，对它进行本质的追究，至少目前还不能完全放在客观实在的背景上。因此，在科学认识的层次上，思维形态完全可以被视为相对独立的东西。而科学语言则是明确地被置于实在自身这一背景之中的。这就使我们实际上可以把科学语言看作一种知识，它与系统的科学知识具有完全相同的确切性，即它首先是与实在自身相谐合，然后才以这种特殊性成为思维与对象之间的中介。这才能保证，既使科学语言所述说的科学是关于实在的确切图景，又使思维活动具备与实在相联络的手段。

科学语言作为一种知识所具备的上述特殊性，使它成为客观实在图景构成的基本要素，或科学知识的“基元”。思维形态不能独立地形成知识，但思维形态却提供某种方式，使科学语言所包含的知识基元获得某种特定的加成和组合，从而构成一种系统化的理论。这就是语言在认识中的中介作用。由于任何事物都必须“观念地”存乎人的意识中，才能为人的心智所把握，所以，在这个意义上，一个认识过程就是一个运用语言的过程。

二、数学语言

数学语言常常几乎就是科学语言的同义词。但实际上，科学语言所指的范围远比数学语言的范围大，否则就不会出现量子力学公式的解释问题。在自然科学发生以前，数学所起的作用也还不是后世的那种对科学的叙录。只是由于精密推理的要求所导致的语言理想化，才推进了数学的应用。但归根究底，数学与前面说的那种合乎客观实在的知识基元是不同的。将数学用作科学的语言，必须满足一个条件，即数学结构应当与实在的结构相关，但这一点并不是显然成立的。

爱因斯坦曾分析过数学的公理学本质。他说，对一条几何学公理而言，古老的解释是，它是自明的，是某一先验知识的表述，而近代的解释是，公理是思想的自由创造，它无须与经验知识或直觉有关，而只对逻辑上的公理有效性负责。爱因斯坦因此指出，现代公理学意义上的数学，不能对实在客体作出任何断言。如果把欧几里德几何作现代公理学意义上的理解，那么，要使几何学对客体的行为作出断言，就必须加上这样一个命题：固体之间的可能的排列关系，就象三维欧几里德几何里的形体的关系一样。〔1〕只有这样， 欧几里德几何学才成为对刚体行为的一种描述。

爱因斯坦的这种看法与上文对科学语言的分析是基本上相通的。它可以说明，数学为什么会一贯作为科学的抽象和叙录工具，或者它为什么看上去似乎具有作为科学语言的“先天”合理性。

首先，作为科学的推理和记载工具的数学，实际上是从思维对实在的一些很基本的把握之上增长起来的。欧几里得几何学中的“点”、“直线”这样一些概念本身就是我们以某种方式看世界的知识。之所以能用这些概念和它们之间的关系去描绘实在，是因为这些“基元”已经包含了关于实在的信息（如刚体的实际行为）。

其次，数学体系的那种严密性其实主要是与人类思维的属性有关，尽管思维的严密性并不是一开始就注入了数学之中。如前所述，思维的严密性是由实在的自明性来决定的，是习得的。这就是说，数学之所以与实在的结构相关，只是因为数学的基础确切地说来自这种结构；而数学体系的自洽性是思维的翻版，因而是与实在的自明性同源的。

由此可见，数学与自然科学的不同仅表现在对于它们的结果的可靠性（或真实性）的验证上。也就是说，科学和数学同样作为思维与实在相互介定的产物，都有可能成为对实在结构的某种描述或“伪述”，并且都具有由实在的自明性所规定的严密性。但数学基本上只为逻辑自治负责，而科学却仅仅为描述的真实性负责。

事实正是如此。数学自身并不代表真实的世界。它要成为物理学的叙录，就必须为物理学关于实在结构的真实信息所重组。而用于重组实在图景的每一个单元，实际上是与物理学的基本知识相一致的。如果在几何光学中，欧几里德几何学不被“光线”及其传播行为有关的概念重组，它就只是一个纯粹的形式体系，而对光线的行为“不能作出断言”。非欧几何在现代物理学中的应用也同样说明了这一点。

三、物理学语言

虽然物理学是严格数学化的典范，但物理学语言的历史却比数学应用于物理学的历史要久远得多。

在认识的逻辑起点上，仅当认识论关系上一个外在的、恒常的（相对于主体的运动变化而言）对象被提炼和廓清时，才能保证一种仅仅与对象自身的内在规定性有关的语言描述系统成为可能。对此，人类凭着最初的直觉而有了“外部世界”、“空间”、“时间”、“质料”、“运动”等观念。显然，这些观念并非来自逻辑的推导或数学计算，它是人类世代传承的关于世界的知识的基元。

然后，需要对客观实在进行某种方式的剥离，才能使之通过语言进入我们的观念。一个客观实在，比如说，一个电子，当我们说“它”的时候，既指出了它作为离散的一个点（即它本身），又指出了它身处时空中的那个属性。而后一点很重要，因为我们正是在广延中才把握了它的存在，即从“它”与“其它”的关系中“找”出它来。

当我们按照古希腊人（比如亚里士多德）的方式问“它为什么是它”时，我们正在试图剥离“它”之所以为“它”的属性。但这个属性因其离散的本质，在时空中必为一个“奇点”，因而不能得到更多的东西。这说明，我们的语言与时空的广延性合若符节，而对离散性，即时空中的奇点，则无法说什么。如果我们按照伽利略的方式问“它是怎样的”时，我们正是在描绘它与广延有关的性质，即它与其它的关系。这在时空中呈现为一种结构和过程。对此我们有足够的手段（和语言）进行摹写。因为我们的语言，大多来自对时空中事物的经验。我们运用语言的主要方式，即逻辑思维，也就是时空经验的抽象和提升。

可见，近现代物理学语言是一种关于客观实在的时空形式及过程的语言，是一种广延性语言。几何学之所以在科学史上扮演着至为重要的角色，首先不在于它的严格的形式化，而在于它是关于实在的时空形式及过程的一个有效而简洁的概括，在于与物理学在面对实在时有着共同的切入点。

上述讨论表明了近现代物理学语言格式包含着它的基本用法和一个根深蒂固的传统，这是由客观实在和复杂的历史因素所规定的。至为关键的是，它必须而且只是关于实在的时空形式及过程的描述。可以想象，离开了这种用法和传统，“另外的描述”是不可能在这种语言中获得意义的。而这正是量子力学碰到的问题。

四、量子力学的语言问题

上文说明，在描摹实在时，人类本是缺乏固有的丰富语言的。西方自古希腊以来，由于主、客体间的某种相互介定而实现了有关实在的时空形式和过程的观念及相应的逻辑思维方式。任何一种特定的语言，随着时代的变迁和认识的深入，某些概念的含义会发生变化，并且还会产生新的语言基元。有时，这样的变化和增长是革命性的。但不可忽视的是，任何有革命性的新观念首先必须在与传统语言的关系中获得意义，才能成为“革命性的”。在自然科学中，一种新理论不论提出多么“新”的描述，它都必须仍然是关于时空形式及过程的，才能在整体的科学语言中获得意义。例如，相对论放弃了绝对时空、进而放弃了粒子的观念，但代之而起的那种连续区概念仍然是时空实在性的描述并与三维空间中的经验有着直接联系。

量子力学的情况则不同。微观粒子从一个态跃迁到另一个态的中间过程没有时空形式；客体的时空形式（波或粒子）取决于实验安排；在不观测的情况下，其时空形式是空缺的；并且，观测所得的客体的时空形式并不表示客体在观测之前的状态。这意味着，要么微观实在并不总是具有独立存在的时空形式，要么是人类无法从认识的角度构成关于实在的时空形式的描述。这两种选择都将超出现有的物理学语言本身，而使经典物理学语言在用于解释公式和实验结果时受到限制。

量子力学的这个语言问题是众所周知的。波尔试图通过互补原理和并协原理把这种限制本身上升为新观念的基础。他多次强调，即使古典物理学的语言是不精确的、有局限性的，我们仍然不得不使用这种语言，因为我们没有别的语言。对科学理论的理解，意味着在客观地有规律地发生的事情上，取得一致看法。而观测和交流的全过程，是要用古典物理学来表达的。〔2〕

量子力学的反对者爱因斯坦同样清楚这里的语言问题。他把玻尔等人尽力把量子力学与实验语言沟通起来所作的种种附加解释称之为“绥靖哲学”（Beruhigunsphilosophie）〔3〕或“文学”〔4〕， 这实际上指明了互补原理等观念是在与时空经验相关的科学语言之外的。爱因斯坦拒绝承认量子力学是关于实在的完备描述，所以并不以为这些附加解释会在将来成为科学语言的新的有机内容。

薛定谔和玻姆等人从另一个角度作出的考虑，反映了他们以为玻尔、海森堡、泡利和玻恩等人的观点回避了经典语言与实在之间的深刻矛盾，而囿于语言限制并为之作种种辩解。薛定谔说：“我只希望了解在原子内部发生了什么事情。我确实不介意您（指玻尔）选用什么语言去描述它。”〔5〕薛定谔认为，为了赋予波函数一种实在的解释， 一种全新的语言是可以考虑的。他建议将N 个粒子组成的体系的波函数解释为3N维空间中的波群，而所谓“粒子”则是干涉波的共振现象，从而彻底抛弃“粒子”的概念，使量子力学方程描述的对象具有连续的、确定的时空状态。

固然，几率波的解释使得理论的数学结构不能对应于实在的时空结构，如果让几率成为实验观察中首要的东西，就会让客观实在在描述中成了一种“隐喻”。然而薛定谔的解释由于与三维空间中的经验没有明显的联系，也成了另一种隐喻，仍然无法作为一种科学语言而获得充分的意义。

玻姆的隐序观念与薛定谔的解释在语言问题上是相似的。他所说的“机械序”〔6 〕其实就是以笛卡尔坐标为代表的关于广延性空间的描述。这种描述由于经典物理学的某些限定而表现出明显的局限性。玻姆认为量子力学并未对这种序作出真正的挑战，在一定程度上指出了量子力学的保守性。他企图建立一种“隐序物理学”，将量子解释为多维实在的投影。他以全息摄影和其它一些思想实验为比喻，试图将客观实在的物质形态、时空属性和运动形式作全新的构造。但由于其基础的薄弱，仍然只是导致了另一种脱离经验的描述，也就是一种形而上学。

这里所说的“基础”指的是，一种全新的语言涉及主客体间完全不同的相互介定。它涉及对客体的完全不同的剥离方式，也就是说，现行科学语言及其相关思维方式的整个基础都将改变。然而，现实地说，这不是某一具有特定对象和方法的学科所能为的。

可见，试图通过一种全新的语言来解决量子力学的语言问题是行不通的。这个问题比通常所能想象的要无可奈何得多。

五、量子力学何种程度上是“革命性”的

量子力学固然在解决微观客体的问题方面，是迄今最成功的理论，然而这种应用上的重要性使人们有时相信，它在观念上的革命也是成功的。其实，上述语言与实在图景的冲突并未解决。量子力学的种种解释无法在科学语言的基础上必然过渡到那种非因果、非决定论观念所暗示的宇宙图景。这就使我们有必要对量子力学“革命性”的程度作审慎的认识。

正统的量子力学学者们都意识到应该通过发展思维的丰富性来解决面临的困难。他们作出的重要努力的一个方面是提出了很多与经典物理学不同的新观念，并希望这些新观念能逐渐溶入人类的思想和语言。其中玻恩用大量的论述建议几率的观念应该取代严格因果律的概念。〔7〕测不准原理以及其中的广义坐标、广义动量都是为粒子而设想的，却又不能描述粒子在时空中的行为，薛定谔认为应该放弃受限制的旧概念，而玻尔却认为不能放弃，可以用互补原理来解决。玻尔还希望，波函数这样的“新的不变量”将逐渐被人的直觉所把握，从而进入一般知识的范围。〔8〕这相当于说，希望产生新的语言基元。

另一方面，海森堡等人提出，问题应该通过放弃“时空的客观过程”这种思想来解决。〔9〕这又引起了量子力学的客观性问题。

这些努力在很大程度上是具有保守性的。

我们试把量子力学与相对论作比较。相对论的革命性主要表现在，通过对时间和空间的相对性的分析，建立起时间、空间和运动的协变关系，从而推翻了绝对时空、绝对同时性等旧观念，并代之以新的时空观。重要的是，在这里，绝对时空和绝对同时性是从理论上作为逻辑必然而排除掉的。四维时空不变量对三维空间和一维时间的性质依赖于观察者的情形作了简洁的概括，既不引起客观性危机，又与人类的时空经验有着直接关联。相对论排除了物理学内部由于历史和偶然因素形成的一些含混概念，并给出了更加准确明晰的时空图景。它因此而在科学语言的范围内进入了一般知识。

量子力学的情况则不同。它的保守性主要表现在：

第一，严格因果律并不是从理论的内部结构中逻辑地排除的。只是为了保护几率波解释，才不得不放弃严格因果律，这只是一种人为地避免逻辑矛盾的处理。

第二，不完全连续性、非完全决定论等观念并没有构成与人类的时空经验相关联的自洽的实在图景。互补原理和并协原理并没有从理论内部挽救出独立存在于时空的客体的概念，又没有证明这种概念是不必要的（如相对论之于“以太”那样）。因此，量子力学的有关哲学解释看似抛弃旧观念，建立新观念，实际上，却由于这些从理论结构上说是附加的解释超出了关于实在的描述，因而破坏了以实在的自明性为保证的描述的前提。所以它实际上对观念的丰富和发展所作的贡献是有限的。

第三，量子力学内在地不能过渡到关于个别客体的时空形式及过程的模型，使得它的反对者指责说这意味着位置和动量这样的两个性质不能同时是实在的。而为了保护客观性，它的支持者说，粒子图像和波动图象并不表示客体的变化，而是表示关于对象的统计知识的变化。〔10〕这在关于实在的时空形式及过程的科学语言中，多少有不可知论的味道。

第四，人们必须习惯地设想一种新的“实在”观念以便把充满矛盾的经验现象统一起来。在对客体的时空形式作抽象时，这种方法是有效的。而由于波函数对应的不是个别客体的行为，所以大多新的“实在”几乎都是形而上学的构想。薛定谔和玻姆的多维实在、玻姆在阐释哥本哈根学派观点时提出的那种包含了无限潜在可能性的“第三客体”〔11〕，都属于这种构想。玻恩也曾表示，量子力学描述的是同一实在的排斥而又互补的多个影像。〔12〕这有点象是在物理学语言中谈论“混元”或“太极”一样，很难说对观念有积极的建设。

本文从科学语言的角度，对量子力学尤其是它的哲学基础的保守性作出一些分析，这并不是在相对论和量子力学之间作价值上的优劣判断。也许量子力学的真正价值恰恰在于它所碰到的困难是根本性的。

海森堡等人与新康德主义哲学家G·赫尔曼进行讨论时， 赫尔曼提出，在科学赖以发生的文化中，“客体”一词之所以有意义，正在于它被实质、因果律等范畴所规定，放弃这些范畴和它们的决定作用，就是在总体上不承认经验的可能性。〔13〕我们应该注意到，赫尔曼所使用的“经验”一词，实际上是人类对客观事物的广延性和分立性的经验。这种经验是科学的实在图景成立的基础或真实性的保证，逻辑是它的抽象和提升。

在本文的前三节已经谈到，自从古希腊人力图把日常语言理想化而创立了逻辑语言以来，西方的科学语言就一直是在实在的广延性和分立性的介定下发展起来的。我们也许可以就此推测，对于人的认识而言，世界是广延优势的，但如果因此认为实在仅限于广延性方面，却是缺乏理由的。广延性优势在语言上的表现之一是几何优势。西方传统中的代数学思想是代数几何化，即借助空间想象来理解数的。不论毕达哥拉斯定理还是笛卡尔坐标都一样。直角三角形的斜边是直观的，而根号2不是。我们可以用前者表明后者，而不能反过来。可是一个离散的数量本身究竟是什么呢？它是否与实在的另一方面或另一部分（非广延的）相应？也许在微观领域里不再是广延优势而量子力学的困难与此有关？

如果量子力学面临的是实在的无限可能性向语言的有限性的挑战，那么问题的解决就不单单是语言问题，甚至不单单是目前形态的物理学的问题。它将涉及整个认识活动的基础。玻尔似乎是深刻地意识到这一点的。他说“要做比这些更多的事情完全是在我们目前的手段之外。”〔14〕他还有一句格言；“同一个正确的陈述相对立的必是一个错误的陈述；但是同一个深奥的真理相对立的则可能是另一个深奥的真理。”〔15〕

参考文献和注释

〔1〕〔3〕〔4〕《爱因斯坦文集》第一卷，商务印书馆，1994，第137、241、304页。

〔2〕〔5〕〔9〕〔13〕〔14〕〔15 〕海森堡：《原子物理学的发展和社会》，中国社会科学出版社，1985，第141、84、82、131、47、112页。

〔6〕玻姆：《卷入——展出的宇宙和意识》，载于罗嘉昌、 郑家栋主编：《场与有——中外哲学的比较与融通（一）》，东方出版社，1994年。

〔7〕玻恩：《关于因果和机遇的自然哲学》，商务印书馆， 1964年。

篇3

关键词：热力学与统计物理学；国家精品课程；统计热力学体系

“热力学与统计物理学”（简称“热统”）是我国高等院校本科物理专业的一门必修课程，是研究物质有关热现象（即宏观过程）规律的理论物理课，也是普通物理“热学”的后续课。内蒙古大学“热统”教学组在20多年教学实践中，不断更新教育观念，探索课程教学体系的改革，逐步建立了以微观理论为主线的教学体系，建设了首门“热统”国家精品课程（2004年）——“统计热力学”，陆续出版了配套教材[1]和学习辅导书[2]。

一、关于“热统”教学体系的思考

关于热现象的理论包括两部分，即宏观理论——“热力学”和微观理论——“统计物理学”。我国目前的“热统”课程由早年设置的 “热力学”和“统计物理学”两门课程合并而成，一直沿袭“热”、“统”相对独立的“一分为二”教学体系[3-5]。教学内容安排大体以学科发展历史和认识层次为序，由唯象到唯理，由宏观到微观。这种体系十分成熟，在多年教学实践中获得很大成功。随着科学技术和人类现代文明的飞速发展，人们认识世界的条件、增长知识的方式和获取信息的渠道发生了质的变化：昔日深奥难解的名词，今天已可闻之于街巷；诸多科学概念的理解，逐渐变得不很困难。在这种知识氛围和学习环境下，从中学到大学的物理教学内容均在不断地改革和深化。同时，现代科学成就在高新技术中的广泛应用向21世纪人才培养提出更高的要求。这一切，催动着大学物理课程改革的进程，也激发起我们对传统体系的思考。

从“热物理”系列课程改革现状来看，一方面，普通物理“热学”课程的内容已进行了必要的深化和后延，原有“热统”课程与现行“热学”课程内容出现较多重复。仅以汪志诚著《热力学 · 统计物理》[5]和秦允豪著《热学》[6]为例，二者内容重叠约为1/3。过多重复造成学习时间与精力的浪费，甚至引发学生的厌学情绪，使学习效益降低。另一方面，飞速发展的高新技术拉近了基础理论与应用技术的距离，就热物理而言，无论实际工作中的应用，还是继续深造时的基础，都对“热统”课程教学提出更高的要求。增加课程的统计物理比重，深化微观理论的系统理解势在必然。此外，改革开放以来，我国高等教育从学制到专业及课程设置均有较大幅度的变动，“热统”课教学时数多次削减（1208672、64），课堂教学的信息量和效益问题变得更加突出。面对这种形势，各校对“热统”课程的内容进行了不断的改革，逐步增加统计物理比重，努力减少和避免与“热学”的重复。然而，由于没有触动“一分为二”的体系，大量的简单重复难以避免，“热力学”内容仍然偏多，实际教学中统计物理的系统性难以保证。

针对上述问题，我们从体系结构着眼，对“热统”课程进行了较大力度的改革[1]。我们的改革思路是：打通“热物理”宏观与微观理论的壁垒，融二者为一体，削减学时、充实内容，有效地避免与普通物理的简单重复，提高教学效益；以微观理论为主导，确保统计物理体系的完整性与系统性，增加课程的先进性与适用性。在上述思想指导下，构建了“热统”课程的“统计热力学”体系。新体系从根本上解决了热物理课程中理论物理与普通物理之间层次交叠、内容重复的问题；大幅增加统计物理比重，使其理论及应用内容在总学时中占到3/4以上。

二、统计热力学体系的特色

统计热力学教学体系的主要特色是：热物理学以微观理论为框架；微观理论以系综理论为主线；系综理论以量子论为基础。体系知识结构框如上图所示。

1．以微观理论为框架，融微观与宏观一体

“统计热力学”以微观理论——统计物理为主导，建立了从微观到宏观、完整自恰的理论体系。

在传统的“一分为二”体系下，学生往往将过多精力用于热力学计算，不能很好地理解统计物理的理论体系，容易将热现象的宏观和微观理论割裂开来。本体系从微观理论出发，用统计物理理论导出热力学基本定律，讨论体系热力学性质，给出统计物理概念与宏观现象的对应，融热现象的微观、宏观理论于一体，结束了两种理论割裂的传统教学格局，提高了认识层次。同时，使理论物理与普通物理的分工更趋合理，便于解决传统体系难以避免的“热统”与“热学”过多重复问题。

本体系按照统计物理学的知识框架，将主要知识点划分为孤立系、封闭系和开放系等三个模块（参见上图）。各块均首先给出相应的统计分布，进而引入热力学势（特性函数），导出热力学基本定律，再用微观和宏观理论相结合的方法研究具体系统的热力学性质。例如：在孤立系一章，从等概率基本假设出发，引入统计物理的熵，导出热力学第一、第二定律，进而研究理想气体的平衡性质。在讨论封闭系时，从正则分布出发，引入热力学势——自由能，给出均匀系热力学基本微分式，进而导出麦克斯韦关系，介绍用热力学理论研究均匀物质宏观性质的方法，再具体讨论电、磁介质热力学、焦-汤效应等典型实例。同时用正则分布研究近独立子系构成的体系，导出麦-玻分布，介绍最概然法；进一步导出能均分定理，介绍运用统计理论研究半导体缺陷、负温度、理想和非理想气体等问题的方法。对于开放系，首先导出巨正则分布，再引入巨势，给出描述开放系的热力学微分式，研究多元复相系的平衡性质，讨论相变和化学热力学问题；用量子统计理论导出热力学第三定律，讨论低温化学反应的性质。另一方面，考虑全同性原理，用巨正则分布导出玻色、费密两种量子统计分布，给出它们的准经典极限——麦-玻统计分布，并运用获得的量子统计分布分别讨论电子气、半导体载流子、光子系的统计性质和玻色—爱因斯坦凝聚等应用实例。

2．以系综理论为主线，完善统计物理体系

与国内现流行体系不同，“统计热力学”的统计物理以“系综理论”为基础，具有更强的系统性。

现流行体系为便于学生理解，大多先避开系综理论，讲解统计物理中常用的分布和计算方法，如近独立粒子的最概然分布、玻耳兹曼统计、玻色统计和费米统计及其应用等，而在课程的最后介绍系综理论有关知识[5]。这种体系除内容不可避免地出现重复外，还在一定程度上牺牲了统计物理的系统性。在实际教学中，为了阐明有关分布和统计法，往往不可避免地运用如等概率假设、配分函数、巨配分函数等系综理论的基本概念，难免出现生吞活剥、“消化不良”的弊端。从体系实施现状来看，不少院校因学时有限，在热力学和基本统计方法的教学之后，对系综理论的介绍只能一带而过，学生难以完整掌握统计物理理论。

我们多年采用系综理论为主线的教学实践表明，“统计分布”与“系综”的“分割”是不必要的。本体系首先引入“系综”概念，将整个“统计热力学”的基础建立在系综理论之上，从一个基本假设——等概率假设（微正则系综）入手，渐次导出各种宏观条件下的系综分布，建立配分函数、巨配分函数等基本概念，给出相应的热力学势和热力学基本微分公式；同时，顺畅地导出如最概然分布、玻耳兹曼统计、玻色统计和费米统计法等常用分布和计算方法，并用于实际问题。在教学过程中，力求循序渐进地阐明统计物理的基本理论，使学生准确、清晰地掌握统计物理的基本概念，对热物理理论有完整系统的理解，能够全面、灵活地运用，为进一步学习更高深的知识和了解物理学的最新成果奠定扎实的基础。

3. 以量子理论为基础，认识微观运动本质

为使学生准确认识微观运动本质，“统计热力学”将系综理论建立在量子论的基础上，而经典统计则作为量子统计的极限给出。

传统体系多从经典统计入手，然后进入量子统计。我们教学实践的体会是，物理学历史上由经典论到量子论的认识过程没有必要在统计物理教学中重演。通过现设“普通物理学”课程的学习，学生已理解微观运动遵从量子力学规律，并具备了一定的量子论知识基础，在量子论基础上建立统计物理理论顺理成章。事实上，微观运动的正确描述须用量子理论，而量子统计与经典统计就统计规律性而言并无本质区别，经典统计只是量子统计的极限情形而已。以量子论为基础构建统计物理体系，更有利于学生尽快认识事物的本质，迅速进入对前沿科学的学习。

三、关于体系的兼容性——几个共同关注的问题

“统计热力学”以系综理论为主线，以量子论为基础,大幅提高统计物理比重，适当地增加了课程深度。在课时缩减，招生规模扩大的形势下,实施上述改革更有一定风险和难度。另一方面，新体系能否与流行体系兼容，也是国内同行普遍关注，需要在优化改革方案过程中解决的问题。为化解难度，提高兼容性，在体系建立和教学实践中，我们着力解决了以下几个问题：

问题之一：量子理论与系综理论理解困难问题。如前所述，学习本体系前应具备一定的量子论知识。目前国内物理专业的“热统”课程多排在“量子力学”之前。这就不可避免地出现了“前量子力学”困难。为解决这一问题，我们在课程引论中安排了量子论基本知识的讲授，介绍量子态、能级、简并、全同性、对应关系等概念。如此处理，再结合普通物理“原子物理学”中学到的量子力学初步知识，学生就能够较好地接受“量子统计”有关概念。此外，我们将“量子态”和“量子统计法”两个初学者较难理解的概念做分散处理：分别在第1章引入“系综”概念之前和第6章巨正则系综概念之后讲授，既分散了难点，又使概念和运用衔接紧密，有利于及时消化。

系综理论是统计物理中最核心、最抽象的内容，也是统计物理教学的难点。国内流行体系将系综理论与常用统计分布及计算方法分离，安排在课程最后集中单独介绍。我们实践的体会是，这种处理将多个难点（三种系综及相应热力学关系）集中，增加了学生的理解困难；加之系综概念孤立于基本统计方法和应用之外，更显抽象枯燥。学生学后或觉不知所云，或难纵观全局，终致应用乏力。鉴于此，我们遵循由表及里、由浅入深、循序渐进、层层推进的认识规律，将系综的基本概念和三个系综分散在七章中穿插讲授、逐步深入，并及时运用理论对相应系统的性质加以讨论。这样做，可分散认知难点，并及时结合应用，实现宏观微观的交错，避免枯燥无味的困惑，既保证了热物理理论的系统性和完整性，又解决了系综理论为主线的教学困难。

问题之二：关于最概然法与麦-玻统计问题。最概然（可几）法与麦克斯韦-玻尔兹曼（麦-玻）统计法，是统计物理中应用较广的两个方法。采用系综理论为主线的教学体系，是否会影响这两种方法的学习和运用？这也是国内同仁关注的问题之一。在新体系课程改革和教材编写中，对这两部分内容均给予充分的注意。在第三章（封闭系）导出正则分布和相应热力学公式之后，用两种方法导出麦-玻分布：一是作为近独立子系的平均分布，由正则分布导出；二是从微正则系综出发，用最概然法导出。同时还由麦-玻分布给出热力学公式，并讨论几种分布之间的关系，给出分布的应用实例。实践表明，这种处理模式能全面深化学生对最概然法与麦-玻分布的理解，以致在应用中得心应手；还能强化对系综理论和统计物理体系的理解。

问题之三：热力学基本方法掌握问题。热力学作为一种可靠的宏观理论，从基本定律出发，通过严格的数学推演，系统地给出热力学函数之间的有机联系，将其用于实际问题。深入理解热力学定律的主要推论和热力学关系，熟悉它们的应用，掌握热力学演绎推理方法，是“热统”课程不可或缺的内容。“统计热力学”体系以微观理论为框架组织教学，是否会削弱学生在热力学理论的理解和应用方面的训练？对这个问题，国内同行关注有加，各见仁智，也是我们在课程改革中始终注意的问题。我们的处理模式是：打通热物理宏观与微观理论的壁垒，针对不同宏观条件，在相应章节给出各种系综分布，然后导出热力学公式，并插入相应的热力学理论训练内容，确保足够篇幅讨论平衡态的热力学性质。例如：在建立封闭系的正则系综理论后，插入“均匀物质热力学性质”一章，集中讲授麦克斯韦关系、基本热力学函数和关系、特性函数等概念，介绍热力学基本方法和对典型实例的应用。建立开放系的巨正则系综理论后，又集中介绍与之相关的相平衡、化学平衡等问题的宏观理论。事实上，热物理的微观和宏观理论相得益彰、不可分割。在学习运用统计物理研究宏观过程的规律时，势必也会反复地运用热力学函数、公式和相应方法，使学习者得到相应训练。此外，再提供一定数量的习题，辅之以课外练习，以达到“学而时习之”的效果。这样，新体系虽然大量削减纯粹“热力学”内容，并未削弱对热力学理论的理解和方法的训练，相反可使其得到加强和升华。

内蒙古大学“热统”教学组近20年的课程改革和教学实践证明，用“统计热力学”体系组织本科物理专业“热统”课教学是可行的。采用同样的体系和教材，适当取舍内容，在应用物理和电子科学技术专业组织2学分“统计物理”教学，亦取得一定的经验，其效果令人欣慰。毋庸置疑，笔者主张统计热力学体系，丝毫无意否定“热统分治”的传统教学体系。两种体系，各有千秋，互补互鉴。究竟采用何种体系组织教学，还应视培养目标、师资力量、学生状况等，因地制宜地选择。

参考文献：

[1] 梁希侠，班士良. 统计热力学[M]. 呼和浩特：内蒙古大学出版社，2000.

梁希侠，班士良. 统计热力学(第二版)[M]. 北京：科学出版社，2008.

[2] 梁希侠，班士良，宫箭，崔鑫. 统计热力学（第二版）学习辅导[M]. 北京：科学出版社，2010.

[3] 王竹溪. 热力学简程[M]. 北京：高等教育出版社，1964.

[4] 王竹溪. 统计物理学导论[M]. 北京：高等教育出版社，1965.

篇4

关键词：科学活动观；结构化学；课程教学

一、问题的提出

“结构化学”是高等院校化学专业的主干基础课程。它从微观视角阐明原子、分子和晶体的结构、性能和应用，主要包括量子力学基本原理及其在原子与分子体系中的应用和原子、分子与晶体结构的实验表征两大部分。后者又可根据被表征物质的形态及理论基础的不同，划分为谱学和晶体学两个不同体系[1]。

由于“结构化学”课程涉及面广、内容抽象、理论性强，要求学生具备较强的空间思维能力，严密的逻辑推理能力和扎实的数理功底；同时由于“结构化学”通常不作为考研基础科目，因此许多教师对教学有效性缺乏足够重视，大量采用灌输式教学或简化教学内容。这样看似在短时间内完成了课程内容的教学，但实际上产生了诸多问题，这些问题恰恰制约着课程目标的达成。

（1）学生难以形成对知识的整体性认识。教师将结构化学知识作为一种结果和定论传授给学生，从表面上看，学生能够机械记忆基本知识，能进行简单的运用和拓展。但由于没有经历和体验知识获得的过程，无法从本质上、整体上理解结构化学的知识体系的来龙去脉、因果关系。

（2）学生关于理论与计算化学的学习和研究能力非常欠缺。由于结构化学涉及许多微观物质的结构和抽象的概念，如果没有科学的方法支撑去解决问题、发现规律，学生难以理解理论与计算化学的核心观念并运用理论与计算化学的核心方法。

（3）学生的情感体验不足。由于结构化学本身具备较高的难度，学生容易产生抵触、焦虑等一系列不良情绪。仅仅将知识作为一种工具和经验传授给学生，他们将无法体验和感受在知识形成中的愉悦感和合作、会话、交流的过程，进而难以得到需要的满足和被尊重、被接纳的情感体验。

基于以上“结构化学”教学的问题，有必要探索、建立新的教学观念以改革“结构化学”课程教学。由于科学知识从本源来讲恰恰是在科学活动中产生的，因此将“结构化学”的教学活动和科学活动做适当的融合，通过深入探索化学科学活动的基本特点和形式，研究科学活动与“结构化学”教学的相互关系，进而探索以科学活动为中心的“结构化学”课程教学途径，不失为一种恰如其分的改革视角。

二、科学活动观——“结构化学”课程教学的新理念

人们对科学本质的认识是一个不断深化的过程。从动态的和生成性的观点看，科学作为“系统化的实证知识”的观点引起了人们高度反思。有人认为科学的本质是获得知识的活动，例如，保加利亚学者T. H. 伏尔科夫曾提到，科学的本质，不在于已经认识的真理，而在于探索真理；科学本身不是知识，而是产生知识的社会活动，是一种科学生产[2]。我国学者刘大椿曾将科学更多地看成是活动的过程，指出科学是人类特有的活动形式，是人类特定的社会活动成果；虽离不开独特的物质手段，但本质上是精神的、智力的活动[3]。这种以动态的角度认识科学本质的思想，能够使人们对科学的理解更加丰富、深刻和全面。

对科学本质的理解，决定着科学教育实践价值取向。以科学活动观指导“结构化学”课程改革，对于提高教学质量，让学生建立自己的“结构化学”乃至整个化学一级学科的知识框架体系，培养学生终身学习、自主学习的能力，引导学生掌握分子模拟研究的初步技能，有着显著的优势。

（1）科学活动观视角下的“结构化学”教学是为科学知识的获得服务的。学生获得的系统性的、基础性的结构化学知识大多是结构化学已有的成果，是科学家多年来积累的理论与计算化学的经验、概念、理论、技能和方法。将知识的获得过程还原于科学活动，符合结构化学教学活动和科学活动在知识形成过程中的本质共同性，有利于学生建立并巩固系统的结构化学知识体系。

（2）科学活动观视角下的“结构化学”教学为学生能力的培养带来了良机。体验结构化学研究过程、掌握结构化学研究方法，对学生走入结构化学研究、形成理论与计算化学的研究能力并进而发展对整个化学一级学科的研究能力都有着重要的意义。学生在以科学活动为背景的学习中感受科学研究的全过程，习得科学研究方法，感受科研的意义和价值，在获得结构化学知识的同时形成与提高科研能力。

（3）科学活动观视角下的“结构化学”教学给予学生体验科研情感的平台。科学活动创造了真实的结构化学科研情境，而科学情感等隐性目标都是在情境中通过感悟获得的。学生在对结构化学问题的研究过程中提高学习兴趣、产生学习热情、发扬团队精神，这就有效解决了因知识灌输式教学而带来的学生情感体验不足的问题。

三、“结构化学”课程教学——“知识学习与能力培养”并重

1.以挑战性问题为学习驱动，构建“结构化学”学习活动

基于挑战性问题的探究式教学方法是为了设计合理的科学活动、有效实施“结构化学”教学而设计的。所谓的挑战性问题是指教师提出的一些与教学内容相关的、具有探索意义和探究价值的问题，供学生小组根据自己的兴趣和思维特点进行选择，以此作为科学活动的一个驱动性引导。在学习过程中，学生通过查找资料、相互讨论、动手实践等多种形式，采用合理的结构化学研究方法对这个问题进行深入研究，完成研究报告。

在“量子力学基本原理及其在平动、振动、转动、原子与分子轨道理论中的应用”模块的教学过程中，教师选择了从简单到复杂的系列自主学习内容，组织学生开展了以挑战性问题为驱动的自主研究性学习。

例如，教师在过去的教学过程中发现，学生对类氢原子结构的球谐波函数和径向波函数的图像理解有难度，不清楚图像的来源和图像节点的性质。为此，教师向学生介绍matlab软件，并提出挑战性问题：如何利用matlab软件编写程序语言作图，帮助理解原子与分子轨道图像。并根据这个问题，分别提出了一套由简入深的系列问题：（1）利用matlab 软件将谐振子振动波函数数字图形化，并与教材上的图形进行对比分析，以此为例说明表层理解信息（naming something）和深层理解信息（knowing something）的区别。（2）利用matlab软件将粒子围绕球面转动的球谐波函数Y及其|Y|2数字图形化。（3）利用matlab软件将类氢原子的径向函数、径向分布函数、原子轨道（径向函数R与球谐函数Y之积）数字图形化并讨论其节点问题。（4）利用matlab软件将氢分子离子的分子轨道（分子轨道理论框架下的单电子波函数近似解）数字图形化并讨论其节点与成键与反键性质。（5）设计一个程序将矩阵对角化，为共轭体系的休克尔经验分子轨道理论的近似解提供一套矩阵算法（HC=SCE在休克尔近似下变为HC=CE），并重点理解分子轨道理论的核心在于变分原理——将不可能完成的精确求解多体薛定谔方程的任务转化为近似求解体系能量函数（尝试波函数的线性组合系数为变量）的条件极值问题。

该系列挑战性问题由若干不同难度的小问题组成，根据学生的认知特点和水平逐渐提高，既防止问题太宽泛而无从下手，又逐渐向学生发出挑战以激发学生求知欲。另外，该问题的解决方法不固定，解答结果也不唯一。它允许学生运用不同的方法来解决问题，并且将分子模拟技术融入理论课程之中，通过体验编写程序的过程，获得结构化学研究的思路，深化对理论知识的理解和掌握。在学习过程中，教师作为学生学习的主导者，对学生学习过程进行观察、把握和调配，当学生学习出现困难时，提供必要的指导和点拨。

学生通过分工合作、查找资料、熟悉软件、编写程序、运行程序、优化程序，逐渐解决了每一个子问题。在这个过程中，学生在原有知识经验基础上主动构建对知识的理解，充分将知识内化为自己的认知。比如对球谐函数图像的认识，不再是机械地“记忆”每一个函数对应的图像，而是充分理解其本质，将原理融入图像的绘制过程，整体把握“数-形”关系，在理解的层面上深刻记忆图像的性质和形状。不仅如此，学生在学习过程中熟悉了结构化学学习与研究的基本方法，充分将结构化学的理论知识与分子模拟实践相结合，体验了以科研的视角去分析问题、解决问题、获得新知的过程。更加难能可贵的是，有学生通过自己绘制一维谐振子振动波函数示意图，发现了教材附图中的一处印刷错误[4]。

科学的发展是建立在继承前人的研究结果，并在科学实践过程中不断地对已有认识形成批判而发展的。例如，原子结构理论模型正是一代又一代科学家在继承、借鉴、批判前人研究成果，并在孜孜不倦地分析与探索过程中逐步建立的。这种科学精神和科学意识的形成必须依赖于科学活动。如果仅仅是读书、聆听教师的讲授，思维往往会被局限，实证意识往往会变得淡漠；相反，学生通过审慎地思考、缜密地分析、严谨的践行，不仅能够让学生认识到科学的学习不能唯书唯上，还需自己亲历躬行。

2.以知识框架图为学习工具，建立“结构化学”学科网络

要具备良好的理论与计算化学的学习与研究能力，必须具备系统化的结构化学基础知识和基本技能，从整体上、宏观上驾驭整个学科体系。学生需要将自己在科学活动中所获得的知识与经验加以总结、提炼与提升，构建自己的知识网络。在以教师讲授为主的“结构化学”教学过程中，这一点做得很不够，不是忽视知识的系统化处理过程，就是将教师自我头脑中已经构建好的体系直接传递给学生，供学生直接借鉴、吸取，而缺乏探索和整理的过程，缺失个性。

在“结构化学”的课程教学过程中，通过学生自主根据自己的知识理解状况绘制知识框架图（Schema），以图形而非文字的形式将结构化学知识加以梳理。在具体的实施过程中，教师要求学生将结构化学知识进行梳理、归类，根据具体的内容绘制相应的知识框架图，不仅仅要全面涵盖该内容内所有的知识点，同时要呈现出各知识点之间的逻辑关系，清晰地表明知识的结构属性和形成方式，使知识逐渐从“点”向“线、面”过渡。学生在绘制知识框架图的时候，不需要根据课本上的章节顺序来设计，也没有固定的思路，更希望学生能够呈现出自己对知识结构的理解。

以量子力学基本原理一章为例，学生绘制了该章的知识框架图，展现出了量子力学基本原理所包括五方面内容。这种教学方式不仅有助于帮助学生梳理结构化学知识的来龙去脉，建立科学的结构化学知识体系，形成全面的关于结构化学基本学科逻辑结构和基本学习与研究思路的认识；更有助于学生反思科学研究活动过程和结果，总结开展科学学习与研究的视角和途径，探索有待进一步学习和研究的盲点和解决策略，最终建立起清晰的化学学科体系框架，并在具体知识基础上形成化学观念。

3.以多种形式呈现学习结果，提升能力同时以评促学

所谓“研而不发则囿”，在科学活动中，通过书面报告（论文）和口头汇报（学术报告）等形式，科学生动地、多样化地展示科学活动成果，是科学工作者必须具备的能力和素质。学生在实践中解决了挑战性问题，绘制了知识框架图之后，需要完成关于学习与研究过程与结果的书面报告，同时在课堂中将自己的学习与研究过程与结果通过口头汇报的形式向教师和同学展示。这样能够让教师了解学生的学习研究过程，让同学学习与借鉴研究方法和研究结果，同时也能够接受教师与同学的批评指正，认识到自己的研究不足之处，为今后开展深入的结构化学学习与研究工作启迪思维、创设条件、打好基础。

利用书面报告和口头汇报等形式表达学习和研究过程与结果，在提高学生的基本科学研究素养的同时，也有助于从过程的角度、从个性化的角度、从个人全面发展的角度来开展并落实过程评价、全员评价，将过程评价与终结性评价相结合。传统的以平时成绩和期末考试成绩为唯一评价指标的评价方式，过多地局限于知识点的掌握，却不能很好地考查学生的个性化学习能力和学习方式，更难以评价学生的科学研究基本素养。利用书面报告和口头汇报则有效地弥补了单一评价方式的不足之处，最终达到以评促学的根本目的。这种以多个评价者从多个角度对学习者进行评价的机制，关注学习者学习过程中所表现出来的各方面能力和素质而并非简单的学习结果，有效促进了学习者学习的积极性，体现了过程评价与终结性评价相结合的现代教育评价理念。

通过“活动-提炼-总结”方式的“结构化学”课程学习，学生能够在科学活动中找到自己的长处，发现自己的潜能，体验到相互合作的乐趣以及自己的想法被他人肯定和接纳时的成功愉悦感。学生在自主学习过程中收获的不仅仅是知识和能力，还有对自我的肯定，对他人的赞许，以及对学习、对科学研究的积极态度。同时，最难能可贵的是学生的学习能力普遍得到了提高，自主学习意识明显增强，为他们今后更好地开展分子模拟研究乃至从事化学理论与实验相结合的研究打下了良好的基础。

参考文献：

[1] 万坚等. “结构化学”课程内容体系与教学方法的研究与实践[A]//大学化学化工基础课程报告论坛论文集[C]. 北京：高等教育出版社，2007：264-267.

[2] 夏禹龙. 科学学基础[M]. 北京：科学出版社，1983：45.

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1专业知识体系的调整

2006年教育部全国高等学校教学研究中心、材料科学与工程教学指导委员会联合制定的《高等学校材料化学专业规范(讨论稿)》(以下简称“规范”)中所制定的专业知识体系对于我校应用型人才培养来说，显得内容偏多，理论偏深，要求偏理，工程意识不强，因此，结合我校应用型人才办学实际，对“规范”中所界定的专业知识体系中内容做了相应的调整，从而形成了我校材料化学专业发展的专业知识体系。该体系内容调整的思路和原则是:精简内容，保证基本理论和必要的基本知识，降低难度，突出应用特色，体现学科进展;达到学生具备继续学习的理论基础和应用所学知识于工程实践的能力，适于培养应用型、创新型人才的要求。如“规范”中的量子力学基础、计算化学、电子论、材料科学中的数学等理论性强的内容一律删除。调整后，体系由化学基础知识、材料科学基础知识、专业方向知识三个部分所组成，其中化学基础知识包括基本的化学知识，化学原理、化学方法;材料科学基础知识包括材料的结构、材料的化学制备，材料的分析测试、材料的物理性质以及材料的成型加工等;专业方向知识包括高分子材料的制备、结构、性能、加工以及应用等，详见表1。

2课程体系的设置

设置什么样的课程来贯彻实施上述专业知识是我们一直以来探索的一个重要的教学改革问题。课程设置不同所获得的教育效果也就不同。在这方面各学校办学情况不同其做法也不一样［2－4］。经过几年的教学实践，我们认为，材料化学既然是研究材料的化学问题的科学，材料化学专业人才培养理当强调化学基础的学习，只有具备厚实的化学基础，才有可能弄清材料的化学问题，并用化学方法去研究和解决材料的化学以及其他问题，未来发展才有后劲;另外，化学基础好更有利于学生就业。因此，我们设置了无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、化工原理、高分子化学、材料化学和材料科学基础、高分子材料等9门核心课程来完成化学基础、材料学基础和专业方向等三部分知识，并做到统一考虑内容取舍、不重叠，处理好课程的相对完整与课程间融合衔接;精简繁多的数学推导和叙述性的内容，做到“简明”而不弱化基本理论，以满足材料化学专业本科教育专业认证的基本要求;引进学科近展的新内容，反映学科发展的方向。在教学内容上，无机化学、有机化学、化工原理、高分子化学和高分子材料等都紧密联系工业生产实际，渗透工程意念;分析化学以仪器分析方法为主;物理化学强化热力学基础和界面与胶体化学及其在材料化学中的应用;材料化学注重材料制备和分析测试;材料科学基础主要介绍材料的物理性质和材料的成型与加工(如表1所示)。

3课程标准的制定

教学的规范化、标准化是课程实施质量的保障，为此，我们陆续制定了上述核心课程的课程标准。在课程标准中规定了各门课程的性质、课程目标、课程内容，以及学生在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等方面的基本要求，全面体现素质教育、创新教育的理念和课程功能。课程标准是教材编写、教学及其评估的依据，同时也是管理和评价课程、加强课程建设的基础，它的制定和实施，将全面推动教学质量的提高，这对于培养素质全面、富有应用型、创新型人才具有深远意义［5］。

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电子信息类专业涵盖较广，主要的专业有电子信息工程、电子科学与技术、电子信息科学与技术、通信工程、光信息科学与技术。这些专业看上去近似，又不尽相同，下面我们通过各专业的课程设置、培养方向、就业方向来进行了解。

电子信息工程、电子科学与技术、电子信息科学与技术：傻傻分不清楚

不少同学面对“电子信息工程”“电子科学与技术”“电子信息科学与技术”这三个非常相近的专业名词时，会感到迷惑。作为“电子”相关的专业，就像是三胞胎一样，在一些院校被俗称为“三电”。相对于通信工程和光信息科学与技术而言，它们都是较宽口径专业，所学的专业知识更广，当然就业面也会更广。通信工程和光信息科学与技术专业，所学的专业知识更有针对性，更加深入，也比较精细。现如今，高校开设“三电”专业的大学非常多，一般的理工类院校和综合性大学几乎都有，甚至一些文科类大学也开始尝试开设。那么这三个专业到底有什么区别呢？

首先，从教授的课程来看，这三个专业在大一、大二、大三上学期所学的基础课程基本一样，只是在大三下学期、大四开设的专业课程有不同的侧重点――电子信息工程重“信息”，即信号处理，学习硬件电路、软件编程；电子科学与技术重“电子”，即硬件电路设计，学习物理电子、光电子和微电子学；电子信息科学与技术重电路设计，跟电子科学与技术专业最为接近，它作为后者的子专业，学习范围更广，包括电子、计算机、信息技术三大知识板块，可以说是集电子信息工程、电子科学与技术于一体。

其次，从就业来看，电子信息工程专业的学生毕业以后可以当软件工程师（设计开发各种软件）、电子工程设计师（设计开发一些电子、通信器件）。电子科学与技术专业的学生毕业以后可以从事开发计算机硬件工作，当电路设计工程师（这个专业主要有两个就业方向，一是集成电路生产企业，二是集成电路设计企业）。电子信息科学与技术专业的学生就业口径最宽，有着“万金油”之称，电子方面，可以做电路设计工程师；信息方面，可以做电信工程师；计算机方面，可以开发软件、硬件。

【推荐院校】清华大学、北京大学、南京大学、复旦大学、南开大学、上海交通大学、华南理工大学、北京邮电大学、南京邮电大学、西安电子科技大学、杭州电子科技大学、中国科学技术大学

通信工程：“信息”中的王牌专业

通信工程具有极广阔的发展前景，也是人才严重短缺的专业之一。通信行业涉及领域广，可以说是横跨了电子和计算机行业。而通信工程专业跟前文介绍的“三电”专业不同之处在于，通信工程专业知识更加有针对性，侧重于“信息”，理论学习更加深入，课程难度大，可以达到“基本掌握”。而同样是侧重于“信息”的电子信息工程专业，只能说是“基本了解”。主干课程中，如程控交换技术、移动通讯、计算机网络通讯、光纤通讯等，都是“三电”专业不会开设的。该专业要求毕业生掌握通讯技术和计算机技术的基本理论与设计方法及程控交换技术、光纤通讯、移动通讯和计算机网络通讯的基本原理及应用方法。

通信工程专业在本文提及的所有专业中，开设最早，招生的分数线最高，得益于通信行业的高速发展，一直是非常热门的“王牌专业”。因为其在信息、信号处理方面专业知识学习比较深入，毕业生选择考研，特别是报考信号处理、无线电波等方向优势会比较明显。当然，就业也非常不错，在通信领域中从事研究、设计、制造、运营的工作及在国民经济各部门和国防工业中从事开发、应用通信技术与设备的高级工程技术的工作。比如选择去电子信息类技术研发的相关科研院所，中兴、华为、大唐、富士康等设备制造商，摩托罗拉、三星、贝尔等外资企业；也可以去通信运营商，如中国电信、中国移动、中国联通等，从事信号处理类的研发、设计工作。随着现在国家大力推广的3G移动通信技术，通信工程专业的毕业生专业优势明显，专业对口，相信在就业时，可以得到更多被青睐的机会。

【推荐院校】清华大学、北京大学、北京邮电大学、北京航空航天大学、北京理工大学、上海交通大学、东南大学、国防科学技术大学、哈尔滨工业大学、西安电子科技大学

光信息科学与技术：徜徉在光的海洋

光信息科学与技术，这个名字听起来很抽象，其实却实实在在地存在于你我的日常生活之中：我们同美国亲友之间的越洋电话联系，依靠的是太平洋海底长长的光纤；我们上网所用的宽带、用超大规模彩色LED（液晶）显示器欣赏色彩艳丽的画面，都是对光信息技术最直接的体验。

本专业培养具备光信息科学与技术的基本理论、基本知识和基本技能，能在应用光学、光电子学及相关的电子信息科学、计算机科学等领域（特别是光机电算一体化产业）从事科学研究、教学、产品设计、生产技术或管理工作的光信息科学与技术高级人才。本专业学生主要学习光信息科学与技术的基本理论和技术，熟悉光学、电子学技术和计算机技术。

光信息科学与技术专业一般设在电子工程系或通信工程系。随着光电子技术的发展与兴起，一些院校已逐步将这一专业单独分出成系，这也充分显示了该专业良好的发展前景。不过，对物理学、量子力学、波动光学等几科的要求都相当高。如果你对物理、数学很感兴趣，有比较好的逻辑思维和抽象思维能力，以及比较强的理解力，不妨报考这个专业，光的海洋会让你受益匪浅。

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摘要：半导体物理课程是应用物理专业非常重要的专业必修课，这门课程比较抽象，理论性、逻辑性较强，对半导体物理教学内容和方式的整合和讲授有一定难度。本论文依据西部地区理工科院校的培养方案和国内外先进的教育理念，培养学生创新意识和探索精神，提高教学质量以及学生综合利用知识的能力。

关键词：半导体物理；教学效果；教学方法

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）13-0167-02

半体物理是固体物理学的一个重要分支，主要阐述半导体的基本物理理论和基本物理性质以及当前各种半导体器件内部电子输运过程的学科，是应用物理学的新器件和新材料技术方面的基础学科，现已成为现代新器件、新材料的基本物理理论基础，为后人研制半导体新器件和新材料实现特殊性能提供解释物理机理和指导方法，将物理的基本理论和实际应用之间建立桥梁。半导体物理课程的开设为以后学生从事电子行业提供了基本理论知识。相对于西部落后地区一般本科院校的学生来说，他们的专业基础相对薄弱。但是，学习这门课程需要较强的基础功底，《量子力学》、《固体物理》这些比较难学的课程必须学好，因此出现学生课堂不愿上课，这极大地影响到教师的积极性，增加了教学的难度。为了更好地讲授半导体物理课程，让学生对这门课程知识的理解和掌握达到教学目的的要求，笔者结合西部落后地区一般本科院校学生的实际情况，并针对在应用物理专业的半导体物理课程教学实践中发现的问题浅谈自己的看法。

一、构建合理的教学内容，提高课程教学的有效性研究

1.修订教学大纲。根据光电子、微电子两个专业方向后续课程的需要及参加研究生入学资格考试应掌握的基本知识，两个专业方向的教学内容及学时分配有所不同，选择适合学生特点的教材以及教学大纲。在半导体物理学的教学内容包括半导体的晶体结构、载流子和非平衡载流子、半导体PN结器件等相关重点、难点、概念，以及一些参考资料、作业题和思考题，需要合理安排教学计划及对应学时的分配。针对半导体的教学内容，需要开展该课程教学研讨活动，着重强调半导体物理理论用在实践中。授课教师应根据该学科发展的方向、教学改革和实践的变化等情况，不定期修订教学大纲。针对半导体物理学课程的教学上，由于该课程的理论分析（包括能带理论、半导体的电子传输理论等）非常深奥，公式的推导比较多，对于基础相对较差的学生来说，学习起来非常吃力，而且枯燥乏味。我们经过比较分析现有众多半导体物理教材后，采用高等学校工科电子类（电子信息类）规划教材《半导体物理学》，由西安交通大学刘恩科等编写。该教材半导体物理的基础知识比较全面体现突出物理概念，强调基本分析方法，没有很多烦琐的公式推导，可读性强，便于自学。目前很多高校都在使用该教材[1]。

2.激发学生的科研兴趣，培养学生的科研素质。采用研究型课堂教学为学生提供了发现问题、研究和解决问题的基本程序，并提供了实践机会，丰富了学生的实践经验，为学生在今后工作中开拓创新奠定了坚实的基础，因为学生将来希望从事IT行业，比如太阳能电池、超大规模集成电路、LED显示等，因此，在课程起始阶段，教师介绍半导体的学科发展，结合半导体在太阳能电池、超大规模集成电路、LED显示等方面的应用，给学生提供学习思路框架，用简单的逻辑关系指明各个学习点和概念的相互关系，使学生知识的来龙去脉有整体的把握，使他们了解课程的重要性以及提高对这门课程的兴趣。做到较快地掌握教材中给出的很多结论，达到良好的学习的效果[2]。

3.合理使用现代化教学手段。在教育现代化、信息化的今天，以多媒体与计算机网络技术为核心的信息技术是当代教育改革的制高点，多媒体技术以图文并茂、声像俱佳、动静皆宜的表现形式走进课堂，所以运用多媒体技术教学可以很好地对解决常规课堂教学中难以解决的难点[3]。但在半导体物理教学中，如果一味地使用多媒体课件，尽管很多图片都非常的逼真、形象，让学生能够更好地理解。如第一章中学习有关载流子浓度的计算，对掌握晶体的能带结构，熟悉硅、锗、砷化镓等传统半导体的能带结构特征，包括禁带、导带、价带等基本概念的理解来说都非常形象，利用多媒体动画，就可以清楚地展示出原子排列结构如何从一个原子到多个原子的公有化运动形成能带，但是多媒体教学忽略了学生的感受和接受能力，违背了教学规律。针对这些问题，在课堂教学中必须先启发学生的对半导体物理思维，在学生建立对半导体的求知欲之后，适当运用多媒体技术图文并茂、声像俱佳、动静皆宜的优势，将教学过程中的难点和重点概念传授给学生。如在讲解半导体能带结构时，通过多媒体课件展示并结合板书，这样学生更容易接受相关理论的精髓。只有将教师在课堂中的板书与多媒体技术结合起来，才能获得非常好的教学效果。

二、紧跟学科前沿，结合科研实际适当把前沿知识引入课堂

在半导体物理教学组织管理方面，采用传统的理论讲述、练习习题课、实验实践相结合的形式，理论讲授课由主讲教师讲授半导体物理的基本概念和基本分析方法。专门开设习题课，负责复习和巩固理论课讲授的内容，并通过综合练习提高学生的分析问题的能力。但是不能单纯讲解理论知识，而是要结合教师和学生的科研实践对理论知识进行深入的解析，这样有助于培养学生的科研思维。将教学与科研相结合，让学生了解半导体物理学科的研究前沿。比如在讲解能带论与半导体相关器件时，可以引入现代科技进展，结合自己主持的半导体器件相关科研项目，如电阻式随机存储器（RRAM）作为一种新型的非易失性存储器，其原理是过渡金属氧化物在不同极性的外电压脉冲作用下诱导出不同电阻态的效应。由于电阻式随机存储器拥有高速、高密度、低功耗、制备简单、半导体工艺兼容性好等优秀的性能，引起人们广泛的关注，有望替代目前市面上的磁存贮器，成为下一代的通用存储器，其热点集中在性能及机理的研究上。另外一些研究通过设计成pn结器件，制备成十字交叉结构忆阻器件，以实现高的器件密度以及解决读写误读的想象。从众多的有关半导体中基本的晶体结构知识、能带理论和半导体的电子输运性质，提出了不同的模型来解释这一电阻开关现象，相应的机理包含传导灯丝导通模型，空间电荷束缚模型，电致氧空位迁移机制，肖特基势垒模型等，而电极效应是指电极与薄膜材料的界面处由表面态导致的电阻转变的机理。另外在讲解半导体发光，以及光电效应时，可以引入到目前太阳能发光，LED发光等应用非常广的领域，从而激发学生的科研能力，促进学生素质的全面提高，为学生以后从事科研或者相关工作打下一定的基础。

三、加强实验教学

实验实践教学是应用性人才培养的重要保证，针对半导体物理实践课来说，其实是半导体课程的最重要部分，通过实践实验教学，使学生掌握和体会半导体物理理论对现代半导体产业和半导体知识的理解，让学生树立理论联系实际的学风和工作作风，提高学生综合分析解决问题的能力。在传统实验课中，因内容过分偏重于基础训练，所以在方法和手段上很单调，主要以模仿为主，缺少设计性、创新性。在教学内容上，适当增加了综合性、设计性和创新性实验，如果恰当地使用直观、形象物理图像，使学生获得感性认识，缩小理论与实际的差距，缩短学生的认识过程，会提高课堂教学质量。这样也可以调动学生的学习积极性，推进学生的自主实验和合作实验。自主设计实验，测量半导体体电阻率、MOS结构C-V测量、为霍尔效应及半导体相关参数测量，通过这些实验，使学生掌握几种基本量测量方法以及数据处理的方法；熟悉基本的分析问题和解决问题方法及常用仪器的使用；在实验中综合运用所学的半导体物理学基本知识以及其他相关知识，提高学生的实际操作以及综合实验的能力，使科学研究的方法和探索解决问题的能力得到更好的培养，进而达到良好的实验教学效果。

四、结束语

半导体物理作为应用物理、光电子和微电子专业重要的专业基础课，半导体物理教学改革是一个庞大而又复杂的系统工程，我们通过对半导体物理教学模式、内容、方法和手段的改革进行了一些有意义的整合与改进，同时不断提高自身的能力，可以逐渐形成适应应用型本科院校办学定位的新的教学模式。

参考文献：

[1]耿莉，徐友龙，张瑞智，创新型人才培养模式下的半导体物理教学研究[J].电气电子教学学报，2009，（31）：85-89.

[2]刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学[M].北京：电子工业出版社，2008：156-168.

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关键词 教学改革；案例教学法；多媒体教学

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2012）33-0014-03

无机非金属材料测试方法（以下简称“测试方法”）是无机非金属材料工程专业的一门专业基础课，课程中主要介绍了有关材料科学分析测试仪器的原理与使用、无机材料的表征以及测试数据的处理与分析等内容[1]。本课程的目的是通过教学使学生了解无机非金属材料领域常用的测试方法，了解相关仪器的结构和功能，掌握仪器的基本操作以及如何选用合理的测试方法检测、表征材料的组成和结构，再对所获得的信息进行正确的处理和解释等。

这门课程的学习对该专业的本科生构建相应的知识结构体系起了重要的作用，也为他们以后开展生产实践、毕业论文和材料专业的研究等奠定必要的基础，但是课程内容涵盖面大，涉及的知识十分零散，课程整体缺乏系统性，导致学生学习起来比较困难。因此，如何组织教学内容，理清知识的内在联系，把握好讲授内容的深度和广度，选用恰当的方法进行教学，将决定本课程教学效果的好坏。鉴于此，为进一步提高该门课的教学质量，有必要对课程教学进行改革，包括教学内容、教学方法、教学手段和教学实践等方面的探索和改进，以期获得更好的教学效果。

1 教学内容和教学要求的改进

材料的分析测试方法已经发展有五六十种之多，它们的原理不尽相同，其实多数各自独立，在当前出版的教材中也多是一个章节介绍一种方法，这种相互间缺乏逻辑性联系的知识给学生的学习带来一定的障碍。为此，首先，根据学校的具体情况和非金属专业的要求，选择合适并且必要的测试方法作为教学内容；其次，将这些零散且宽泛的知识进行系统总结和分类，将这些看似相互独立的测试手段通过一定的方式联系起来；最后，在教学中还要轻重分明，详略得当，将重点突出，以便于学生的理解和掌握。

在实际教学中，将这些材料分析方法按其功能进行分类，主要有物相分析、成分分析、形貌分析及组织结构分析四部分。这种分类让学生一开始就对每一种测试方法的用途有所了解，增强了教师教学和学生学习的针对性。下一步是对每一类分析方法在教学过程中再安排三级教学目标，第一级为对基本原理和设备结构的了解，第二级为对使用技术的掌握，第三级为对所得结果的分析和运用[2]。教学中通过对仪器工作原理和结构的介绍，让其了解仪器是如何工作的，实验数据是如何得来的；通过对样品制备和仪器操作的介绍，让学生掌握材料表征的基本技术；通过研究实例的分析，让学生掌握分析方法的原理，学会基本的数据处理技术，进而得出实验结论。

分析测试使用到多种仪器，它们的工作原理往往不同，涉及量子力学、晶体学、电学、磁学、光学、声学等多种知识。对于材料科学与工程专业的学生而言，学习这门课程的主要目的是学会利用仪器测出数据和结果，再对其进行一定的分析。因此，在具体的教学内容上，对每种仪器的原理和结构只作一般性了解，其目的是让学生不仅知其然，还要知其所以然，即测出的数据和结果是如何得到的；而教学的重点则放在各种仪器的使用、样品的制备以及如何处理和分析实验数据上，让教学目标由一般的“以仪器为中心”真正转到“以材料为中心”上。

2 案例教学法的实施

所谓案例教学，就是在教师的指导下，根据教学目的和教学要求，组织学生通过对案例的调查、阅读、思考、分析、讨论和交流等活动，教给学生分析问题和解决问题的方法或道理，进而提高他们分析问题和解决问题的能力，加深对基本概念和原理的理解的一种特定的教学方法[3]。

“测试方法”这门课程虽然涉及的知识和理论很多，但实践性很强，所以采用案例教学方式可能会取得更好的教学效果，为此做了一定的探索和尝试。比如在讲授X射线荧光分析的应用时，有意选取贴近生活的案例：如何确定购买的金戒指是24K。这个案例突出X射线荧光分析的元素定性定量分析和无损检测特点，同时也激起学生学习的兴趣。在学生学完全部测试方法之后，结合本院教师的科研课题，拿出一个综合案例来进行教学。例如，取出一种新制备的纳米粉体，向学生发问：如何确定它的成分和物相？怎么确定该粉体颗粒的粒度、形貌和结构？让学生开动脑筋，灵活应用所学的分析测试手段，通过分组讨论，设计实验方案，仔细进行测试，进行合理分析，最后得出实验结论。又如，拿出一种陶瓷块体材料，要求分析影响其力学性能的因素。这个案例要结合“无机材料的物理性能”等其他学科的知识，首先要知道通常影响材料力学性能的因素有哪些，比如物相、成分以及组织断口形貌等；其次是设计方案利用相应的仪器对这些因素进行检测，再进行系统分析，以得出正确的结论。

实践证明，通过案例教学，充分调动了学生学习的积极性和主动性：通过对所学知识的运用，深化了对理论的理解；通过对实际问题的解决，培养了他们的创新能力；通过学生间、师生间的相互交流和讨论，还培养了他们与人沟通的能力以及团队合作的精神。在案例教学中，学生还了解了材料研究的一般性思维与方法，锻炼了综合运用无机材料的基本知识和分析方法进行科学研究的能力。

当然在实施这种教学方法时，需要注意师生角色的变化。学生是教学活动的主体，由他们独立查阅资料和思考问题，也由他们集体讨论，相互交流，最后拿出最优方案；教师只是在各个环节中起着启发指导的作用。另外要注意案例教学与举例教学的区别，案例教学是一个学生运用知识、培养能力的过程，而举例只是辅助教师说明问题的一种手段。

3 多媒体教学手段的运用

多媒体教学是利用多种媒体设备和软件对文本、声音、图形、图像、动画等信息进行综合处理，教师在授课时配合屏幕上文字、图片的显示，动画、视频以及声音的播放，利用形、声、色、动、实等手法，将教学内容用丰富多彩的形式表现出来的一种教学手段。

“测试方法”是一门具有多学科交叉性的学科，其教学内容庞杂、信息量大，既有抽象的微观理论需要介绍，又有复杂具体的分析仪器需要呈现。为适应在有限的课时内达到更好的教学效果，有必要采用多媒体这种表现力强的现代教育技术装备来进行教学。

多媒体教学的好处是易于调动人的多种感官来接受信息，该设备能在很短的时间内将大量的内容以图文并茂、有声有色的形式展现出来，大大增加了课堂教学的信息量，也容易激发学生的学习兴趣。对于复杂仪器的介绍，多媒体具有独特的优势，可以把无法拆卸的大型精密仪器通过PPT电子幻灯片或Flas的形式，直观形象地显示出内部结构以及它的工作原理；对于仪器操作流程的教学，则可以播放事先制作的视频资料，放在公共网络平台上，学生可以随时下载观看。显然，这比课堂上教师的文字描述甚至到实地观看的效果也要好。

此外，多媒体还可以使微观模型宏观化、抽象概念具体化。例如，在讲解电子束与物质的相互作用时，对于二次电子、背散射电子、透射电子、特征X射线和俄歇电子等各种信号产生的原理，如果仅仅口述，学生很难理解；但通过Flash形式，将每种信号的产生过程演示出来，整个过程将变得直观明了[2]。教学中，在讲授透射电镜、扫描电镜时，还涉及很多材料的电镜照片；学习X射线衍射、热分析以及红外光谱、拉曼光谱时，要用到一些材料的图谱，有了多媒体，则可以直接把它们显示在屏幕上，教师就可以很方便地引领学生去观看和分析。

当然，多媒体教学并不万能。例如，在讲解X射线衍射的基本原理时，涉及一些公式的推导，这时最好的教学方法还是传统的板书，因为在板书的间隙学生刚好可以思考；若将公式直接闪现，学生难以跟上节奏。因此，在使用多媒体时还要间或运用传统式教学，将两者有机地结合起来，才能取得最佳的教学效果。另外，在使用多媒体教学时，容易造成教师站在操作台前操作鼠标而不动，变成“播放员”，也容易造成照屏宣读，变成“播音员”，从而忽视与学生的互动和交流，同时也限制了教师形体语言的运用；学生方面，更易被屏幕吸引，这是好事，但容易忽视教师的形体和表情，结果是师生间在课堂上缺乏情感上的交流，这些都势必对教学效果造成一定的影响。因此，在使用多媒体教学时，为避免这种情况的出现，教师首先要熟悉教学内容，其次是要使用翻页激光笔，让教师摆脱鼠标，从操作台前站出来，必要时还要走到学生中去。

4 理论与实验教学的联系

“测试方法”是一门理论与实际联系紧密的课程。实践证明，课程内容仅仅通过口头讲解，很难达到好的教学效果。如果在介绍每一种仪器的基本结构和工作原理的基础上，再去观察真正的仪器，并且上机操作，学生的积极性将会变得更加高涨，印象也会更为深刻。为此，根据学院和学校的现有条件设立X射线衍射、扫描电镜、粒度分析、热分析及红外光谱等实验教学内容，让理论去指导实践，由实践来强化对理论的理解。

实验教学可以先安排针对某个测试方法的验证性实验，其目的是让学生了解每种仪器的构造和原理，掌握仪器的操作，学会对实验结果的分析；然后在此基础上再设置一些综合性、设计性实验。后者在具体操作时可以结合一些教师的科研课题，样品由教师提供，而如何去表征是在教师的指导下由学生分组讨论，自行拟定实验方案，分别对所测样品的物相、成分、形貌及结构进行测试，并对结果进行分析[4]。通过这种综合性实验的锻炼，让学生了解到各种测试手段既相互独立又有机联系，它们往往具有互验性，前一个实验的结果可能就是下一个实验的佐证；通过设计性实验的练习，让他们体会到实验不只是验证，更多的是探索、创造和发现，而各种测试的最终目的是去了解材料的内部成分和微观构造以及它们与宏观性能的联系，找出其中的规律，从而为进一步设计合成具有更优性能的材料奠定基础。同时，这些实验过程的完成也是理论知识加深理解和灵活运用的过程，而这正是“测试方法”课程的教学目的。

5 结语

在“测试方法”课程的教学中，首先要根据现有的条件和专业的要求精心选择教学内容，然后对其合理编排，让庞杂的知识变得更有逻辑性和系统性。针对理论性较深同时实践性又较强的课程特点，采用案例教学法结合实验教学，尤其是设计性实验教学的进行，辅之以多媒体教学手段的运用，让难以理解的内容变得易被接受，让枯燥抽象的理论变得形象生动，让学生由被动接受知识转化为自觉主动地学习。在学习知识的同时，更注重理论在实践中的灵活应用；在技能得到培训的同时，更注重研究性思维和创新能力的培养，以期真正实现大学生知识、能力、素质三者的协调发展。

参考文献

[1]杨南如.无机非金属材料测试方法[M].武汉：武汉工业大学出版社，1993.

[2]杨英歌，陈飞，曾冬梅，等.“现代材料分析方法”教学改革探讨[J].新课程研究，2011（8）：75-76.

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关键词：农科物理实验；实验教学改革；机遇和挑战

中图分类号：G647 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）35-0252-02

物理学作为一门实验科学，伴随着现代物理农业的迅速发展，物理学技术、物理实验、物理学理论、物理学思维方式等知识在生物学领域中的应用逐渐扩大。其中物理实验是科学实验中的重要组成部分，是学生进入大学后接受系统实验方法和实验技能训练的开端，也是高校物理教学的重要环节，在农科物理实验教学中对培养学生的理论与实践相结合的能力有着重要的促进作用，对学生综合能力的提高有着重要的意义。农科院校学生就业面对的是农业生产及如何为农业生产服务等工作，在校学习物理实验时，应侧重于如何将物理知识应用于农业生产中。应用特定的物理技术处理农作物，能促进作物生长，控制病虫害，绿色无污染。它是一种新兴的农业生产技术，与化学农业相比，现代物理农业具有许多明显的优势，可在减少化肥和农药使用量的同时，达到增产、优质、抗病和高效的目的。与化学农业相比，现代物理农业具有许多明显的优势，既可以减少化肥农药的投入，节约生产成本，有利于农民增收，又可以生产出优质、无公害的农产品来满足人们生活的需要。但因物理方法见效慢，不如化学方法直接。物理技术大多只应用于科技园区或农业示范园区，物理技术的应用普及率偏低。这需要农科院校的学生通过在校期间对物理知识的学习和实验，在就业后面临的生产实践中不断开发、完善新技术，普及推广这一新技术。

鉴于北京农学院对农科普通物理实验的课时安排较少（20学时），物理实验教学目前均以基础性、验证性实验教学为主，这种实验教学安排阻碍了学生学习的主动性，更谈不上对学生创新能力的培养。针对北京农学院的农科普通物理实验教学改革和管理，谈谈自己的几点思考。

1.验证性实验进行演示实验教学。充分利用实验课时，将需要保留的验证性实验在实验课内进行演示，既使大家能更多地了解物理理论的发展过程和物理理论的获得过程，又可节约时间。

2.基本性实验注重基本实验技能、基础实验方法和基本实验仪器使用的学习。所选实验特点应能反映物理思想、注重基础操作技能和运用经典实验方法。培养学生的实验观察能力，学习常见的数据处理方法，掌握误差理论的基本知识，学习对实验结果进行分析。重视在实验动手过程中贯穿讨论和交流，实验过程设计为先讨论、再实验、再讨论的步骤，重视学生的口头报告和实验报告。

3.综合性、设计性实验要重视对学生解决问题能力的培养。实验室为学生提供足够的实验条件，除了通用仪器（如示波器、信号源等）外，尽量不采用集成化仪器，以便在实验过程中充分发挥学生的主观能动性，使学生置身于一种富有探索和创造性的环境中，积极主动地思考、分析问题，既培养了学生的创造能力和实验技能，又能使学生在实验研究方法、实验设计思想等科学素质方面得到锻炼和提高。

4.仿真物理实验可以丰富和深化物理实验教学内容。在物理实验中，很多物理概念实际存在却无法看到，如电场、磁场等，很多物理实验现象出现时间极短，难以看见或看清等，这些问题在计算机、多媒体网络技术广泛使用推广后得到了有效解决。仿真物理实验的模拟场景可以很多，能够自己通过实验要求自己来创建相应的实验对象，这样可以通过这些实验对象和实验环境来进行自己的模拟实验，可以实现大部分物理理论知识的验证，如相对论、量子力学等。这种实验不仅能加深学生对物理现象的印象，提供空间让学生发挥自己的想象力和创造力，还能使学生不受时间、空间的制约。

5.自编的实验教材更能适应本校的实验教学内容、仪器的不断更新和新技术的应用。目前，为了适用于各院校大学物理实验教学，一般大学物理实验教材覆盖面很广，将所有可能要做的大学物理实验均罗列在上，实验目录中实验数量很多，但因我校实验课时少，能开出的实验相应也少，学生对所购买的教材使用率意见较大。自编实验教材会根据学校的专业要求、课时安排和学校已有的实验仪器设定所要开出的各类实验，针对性强，并能由浅入深，循序渐进，既能吸收传统实验的精华，又能突出现代实验的特点，还能做到物理实验和农业各专业的有机结合，学习如何将物理知识应用于农业生产中。

6.加强实验室建设。一支责任心强、业务水平高的专职实验技术人员队伍是实验室最宝贵、最重要的资源，是实验室正常、有效运转的有力保证。实验技术人员应具有很强的业务能力和很高的实验室管理水平，能及时将科研成果转化为新实验。重视实验队伍的建设，加强对实验人员的培养，才能使实验室焕发出生机与活力，使实验教学能更好地为教学科研服务。

7.引入现代化教育设备为物理实验教学提供一个崭新的平台。在物理实验教学中引进信息技术，不但充实了实验教学的需要，弥补了一些实验仪器的不足，对物理实验教学的改革和物理实验仪器的更新起到了重要的促进作用。信息技术结合物理教材，可以通过互联网技术在校网上利用Flas模拟实验、利用PPT课件进行课堂知识教学、利用Excel表格对物理实验数据进行处理等，学生还可以在课余时间利用学校局域网查找各类文献资料，撰写实验论文等，在一定程度上提高了学生独立自主学习的能力和创新实践能力，使得学生的整体素质进一步提升。

以传授知识为主的传统教学方法已不能适应新的教学体系，现有物理实验课程设置不能适应时代的发展和要求，建立新的物理实验教学新体系迫在眉睫，而建立物理实验新体系的核心应以培养学生的实践能力、解决实际问题的能力和创新精神为出发点，以农业物理产业为依托，打破物理技术、生物技术、农业生产的界限，实现各学科的有机结合。在有限的时间里，将原有的物理实验重新整合，形成从基础到前沿、从接受知识型到具有独立解决实际问题能力型的物理实验课程新体系。

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