量子力学基础理论范文

导语：如何才能写好一篇量子力学基础理论，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

量子力学是在20世纪初由马克斯·普朗克、尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡、埃尔温·薛定谔、沃尔夫冈·泡利、路易·德布罗意、马克斯·玻恩、恩里科·费米、保罗·狄拉克、阿尔伯特·爱因斯坦、康普顿等一大批物理学家共同创立的。

量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。许多物理学理论和科学如原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学以及其它相关的学科都是以量子力学为基础所进行的。

（来源：文章屋网 ）

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[关键词]量子；特性；意识；应用

中图分类号：O413.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）25-0298-01

一、量子的基本知识

1、量子

我们在物理学中提到“量子”时，实际上指的是微观世界的一种行为倾向，也就是可观测的物理量都在不连续地变化。？比如，我们说一个“光量子”，是因为单个光量子的能量是光能变化的最小单位，光的能量是以单个光量子的能量为单位一份一份地变化的。对于量子的种种特性，连不少科学家都为之迷惑，对于我们普通人来说自然更加高深。今天我就试着走近它，来发现她“幽灵”般的的魅力。

2、量子的特性

量子的奇妙之处首先在于它的奇妙特性――量子叠加和量子纠缠。

量子叠加就是说量子有多个可能状态的叠加态，只有在被观测或测量时，才会随机地呈现出某种确定的状态，因此，对物质的测量意味着扰动，会改变被测量物质的状态。好比孙悟空的分身术， 孙悟空可能同时出现在几个地方，他的各个分身就像是他的叠加态。在日常生活中，我们不可能在不同的地方同时出现，但在量子世界里它却可以同时出现在多个不同的地方。”

而所谓的量子纠缠，则意味着两个纠缠在一起的量子就像有心电感应的双胞胎，不管两个人的距离有多远，当哥哥的状态发生变化时，弟弟的状态也跟着发生一样的变化。“如果这两个光量子呈纠缠态的话，哪怕是千公里量级或者更远的距离，还是会出现遥远的点之间的诡异互动，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。科学家就可以利用这种效应将甲地某一粒子的未知量子态，在乙地的另一粒子上还原出来。量子纠缠的广泛应用将会改变我们的生活，真正地突破时空的局限，交通、物流也就不再会有时间与空间的阻碍了。我国发射的“墨子号”量子卫星昭示着我国在量子通信领域已处于世界领先的地位。

二、意识是量子力学现象

人们的意识一直都没有搞清楚，用经典物理学的电学、磁学及力学方法去测量意识是测量不出来的，科学家们现在已经开始认识到了意识是种量子力学的现象，意识的念头像量子力学的测量。为什么这么说呢？比如我们面前出现了一座房子，这时有两种可能的状态：一个没有任何心思的人会看房非房，他的意识处于自由的状态，没看到房子是石头的还是木头的，他根本就不动念头。意识也是这样，如果你看到这座房子，一下子动念头了，动念头实质上就是作了测量。

客观世界是一系列复杂念头造成的。有一本非常著名的书叫《皇帝新脑》， 就是研究意识，他认为计算机仅仅是逻辑运算，不会产生直觉，直觉只能是量子系统才能够产生，意识是种量子力学现象，意识的念头像量子力学的测量。而人的大脑有直觉，也就是说人的意识不仅存在于大脑之中，也存在于宇宙之中，量子纠缠告诉我们，一定有个地方存在着人的意识。

三、量子技术的应用

科学家认为，量子纠缠是一种 “神奇的力量”，可成为具有超级计算能力的量子计算机和量子保密系统的基础。实际上，量子纠缠还有很多奇妙的应用，可以在许多领域中突破传统技术的极限。量子技术已经成为一个新兴的、快速发展中的技术领域。这其中，量子通信、量子计算、量子成像、量子生物学是目前的方向。

1、量子通信

量子通信就是通过把量子物理与信息技术相结合，利用量子调控技术，确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度。 广义地说，量子通信是指把量子态从一个地方传送到另一个地方，它的内容包含量子隐形传态，量子纠缠交换和量子密钥分配。狭义地说，实际上只是指量子密钥分配或者基于量子密钥分配的密码通信，解决了以往用微电子技术为基础的计算机信息技术极易遭遇泄密的问题。

2、量子计算

量子计算是量子物理学向我们展示的又一种强大的能力，源自于对真实物理系统的模拟。模拟多粒子系统的行为时，当需要模拟的粒子数目很多时，一个足够精确的模拟所需的运算时间则变得相当漫长。而如果用量子系统所构成的量子计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少，从此量子计算机的概念诞生。

3、量子成像

量子成像是从利用量子纠缠原理开始发展起来的一种新的成像技术，有一种比较奇妙的现象称之为“鬼成像”。比如将纠缠的双光子分别输入两个不同的光学系统中，在其中一个系统里放入待成像的物体，通过双光子关联测量，在另一个光学系统中能再现物体的空间分布信息。即与经典光学成像只能在同一光路中得到物体的像不同，鬼成像可以在另一条并未放置物体的光路上再现该物体的成像。

4、量子生物学

量子生物学是利用量子力学的概念、原理及方法来研究生命物质和生命过程的学科。薛定谔在《生命是什么》一书中对这一观点进行了详尽的阐述，提出遗传物质是一种有机分子，遗传性状以“密码”形式通过染色体而传递等设想。这些设想由脱氧核糖核酸双螺旋结构模型而得到极大的发展，从而奠定了分子生物学的基础。分子的相互作用必然涉及其电子的行为，而能够精确描述电子行为的手段就是量子力学。因此量子生物学是分子生物学深入发展的必然趋势，是量子力学与分子生物学发展到一定阶段之后相互结合的产物。

爱因斯坦相对论指出：相互作用的传播速度不会大于光速，可是对于分开很远距离的两个处于纠缠态中的粒子，当对一个粒子进行测量时，另一个粒子的状态受到关联关系已经发生了变化，这种传输的理论速度可以远远超过光速。这一现象被爱因斯坦称为“诡异的互动性”。量子纠缠是量子物理学里最稀奇古怪的东西，即使脑洞大开我们还是很难领会它，另外从常识角度来看，量子理论描述的自然界很荒谬，许多解释还涉及到哲学问题。但另一方面，量子物理学有很广泛的应用，它的发展可能带来行业面貌的改变，所涉及的范围从量子计算机到人工智能，无所不含，这也正是我们深入学习、研究量子物理的动力所在啊！

参考文献

[1] 薛定谔，生命是什么.

[2] 舒娜，量子纠缠技术与量子通信.

[3] 尼古拉.吉桑著，周荣庭译，跨越时空的骰子.

[4] 中国科普博览.

[5] 科普中国.

篇3

关键词：微电子；半导体物理；教学质量；教学方法

作者简介：汤乃云（1976-），女，江苏盐城人，上海电力学院计算机与信息工程学院，副教授。（上海200090）

基金项目：本文系上海自然科学基金（编号：B10ZR1412400）、上海市科技创新行动计划地方院校能力建设项目（编号：10110502200）的研究成果。

中图分类号：G642.0     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）13-0059-02

随着半导体和集成电路的迅猛发展，微电子技术已经渗透到电子信息学科的各个领域，电子、通信、控制等诸多学科都融合了微电子科学的基础知识。[1]作为微电子技术的理论基础，半导体物理研究、半导体材料和器件的基本性能和内在机理是研究集成电路工艺、设计及应用的重要理论基础；作为微电子学相关专业的特色课程及后续课程的理论基础，“半导体物理”的教学直接影响了后续专业理论及实践的教学。目前，对以工程能力培养为目标的微电子类相关专业，如电子科学与技术、微电子、集成电路设计等，均强调培养学生的电路设计能力，注重学生的工程实践能力的培养，在课程设置及教学上轻视基础理论课程。由于“半导体物理”的理论较为深奥，知识点多，涉及范围广，理论推导复杂，学科性很强，对于学生的数学物理的基础要求较高。对于没有固体物理、量子力学、统计物理等基础知识背景的微电子学专业的学生来说，在半导体物理的学习和理解上都存在一定的难度。因此需要针对目前教学过程中存在的问题与不足，优化和整合教学内容，探索形象化教学手段，结合科技发展热点问题，激发学生的学习兴趣，提高半导体物理课程的教学质量。

一、循序渐进，有增有减，构建合理的教学内容

目前，国内微电子专业大部分选用了电子工业出版社刘恩科等编写的《半导体物理学》，[2]教材知识内容体系完善，涉及内容范围广、知识点多、理论推导复杂、学科交叉性强。该教材的学习需要学生有扎实的固体物理、量子力学、统计物理以及数学物理方法等多门前置学科的基础知识。但是在以培养工程技术人员为目标的微电子学类专业中，国内大部分高校均未开设量子力学、统计物理学及固体物理学等相应的前置课程。学生缺少相应固体物理、统计物理与量子力学等背景知识，没有掌握相关理论基础，对半导体物理的学习感到头绪繁多，难以理解，容易产生畏学和厌学情绪。

在课程教学中教师必须根据学生的数理基础，把握好课程的内容安排，抓住重点和难点，对原有的教材进行补充更新，注意将部分量子力学、统计物理学、固体物理学等相关知识融合贯穿在教学中，避免学生在认识上产生跳跃。例如在讲解导体晶格结构内容前，可以增加2-3个学时的量子力学和固体物理学中基础知识，让学生在课程开展前熟悉晶体的结构，了解晶格、晶胞、晶向、晶面、晶格常数等基本概念，掌握晶向指数、晶面指数的求法，了解微观粒子的基本运动规律。在讲解半导体能带结构前，增加两个学时量子力学知识，使学生了解粒子的波粒二象性，掌握晶体中薛定谔方程及其求解的基本方法。在进行一些复杂的公式推导时，随时复习或补充一些重要的高等数学定理及公式，如泰勒级数展开等。这些都是学习“半导体物理学”必备的知识，只有在透彻理解这些基本概念的前提下，才能对半导体课程知识进行深入地学习和掌握。

另一方面，对于微电子学专业来讲，侧重培养学生的工程意识，“半导体物理”课程中的部分教学内容对于工科本科学生来说过于艰深，因此在满足本学科知识的连贯性、系统性与后续专业课需要的前提下，大量删减了涉及艰深物理理论及复杂数学公式推导的内容，如在讲述载流子在电场中的加速以及散射时，可忽略载流子热运动速度的区别及各向异性散射效应，即玻耳兹曼方程的引入，推导及应用可省略不讲。

二、丰富教学手段，施行多样化教学方法，使教学形象化

半导体物理的特点是概念多、理论多、物理模型抽象，不易理解，如非平衡载流子的一维飘移和扩散，载流子的各种复合机理，金属和半导体接触的能带图等。这些物理概念和理论模型单一从课本上学习，学生会感觉内容枯燥，缺少直观性和形象性，学习起来比较困难。为了让学生能较好地掌握这些模型和理论，需要采用多样化的教学方法，充分利用PPT、Flash等多媒体软件、实物模型、生产录像等多种信息化教学手段，模拟微观过程，使教学信息具体化，逻辑思维形象化，增强教学的直观性和主动性。同时，教师除开展启发式、讨论式等教学方法调动学生学习的主动性、积极性外，[3，4]还可以应用类比方法帮助他们理解物理概念或模型。如讲半导体材料中的缺陷及跃迁机制时，为了帮助学生理解，可以做一个类比：将阶梯教师里单位面积的座位数比做晶格各能级上的电子能态密度，把学生当作电子，一个学生坐在某一排的某个座位上，即认为这个电子被晶格束缚。当有外来学生进入教室，在教室过道上走动时，可类比为间隙式缺陷；而当外来学生取代现有学生的座位时，可类比为填隙式缺陷等等。通过类比，学生对半导体内部的点缺陷的概念的理解就清楚形象多了。

三、结合微电子行业领域的迅速发展，以市场为导向，培养学生兴趣

微电子技术的发展历史，实际上就是固体物理与半导体物理不断发展和创新的过程，[5]1947年发明点接触型晶体管、1948年发明结型场效应晶体管以及以后的硅平面工艺、集成电路、CMOS技术、半导体随机存储器、CPU、非挥发存储器等微电子领域的重大发明，都与一系列的固体物理、[6]半导体物理及材料科学的重大突破有关。纵观微电子工业的发展，究竟是哪些半导体理论推动了微电子技术的发展，哪些科学家推导并得出了这些理论？他们在理论推导的同时遇到了哪些困难？这些理论规律又起源于哪些实验？到了21世纪，也就是今后50年微电子技术的发展趋势和主要的创新领域，[5，6]即以硅基CMOS电路为主流工艺，系统芯片SOC（System On A Chip）为发展重点，量子电子器件和以分子（原子）自组装技术为基础的纳米电子学；[7]与其他学科的结合诞生新的技术增长点，如MEMS，DNA Chip等，也都于半导体科学相关。这些新的微电子发展趋势主要涉及半导体物理中的哪些知识？涉及哪些领域等？

针对以上问题，教师在讲授半导体物理的基础上，对教材进行补充更新。在保持基础知识体系完整性的同时，避免面面俱到，删减课本中一些不必要的内容，大量加入近几十年来发展成熟的新理论、新知识，突出研究热点问题，力求做到基础性和前瞻性的紧密结合，使学生在掌握基础知识的同时对微电子发展历史中半导体技术的发展趋势有一个清晰地认识，让学生能从中掌握事物的本质，促进思维的发展，形成技能；同时注重与信息化技术相结合，将近几年半导体技术的最新研究成果，如太阳能电池等半导体光伏发电技术在国家绿色能源战略上的地位，半导体光电探测器在国家航天战略上的应用等，使学生能及时掌握半导体技术前沿发展趋势。将这些问题分成若干个相关的专题分派给学生，学生自行查阅和搜集资料，他们在课堂上讲述该专题，教师加以引导和帮助。这种方式不仅充分调动课堂气氛，加深他们对所学知识的理解，同时也让学生学习了半导体物理课程在微电子专业中课程体系的作用，在科学意识上加深了半导体物理课程的重要性，激发学习兴趣和欲望。

同时，为帮助学生了解学术前沿，培养专业兴趣，还可邀请校内外的专家做讲座，学生可以利用课余时间，根据自己的兴趣选择听取，加深对半导体物理课程的了解，培养专业学习兴趣。

四、总结

总之，“半导体物理学”是微电子技术专业重要的专业基础课，为后续专业课程的学习打下理论基础。在“半导体物理”教学过程中，应积极采用现代化教学手段提高学生积极性，在教学过程中合理安排教学内容，与时俱进引入科技热点，削弱传统的课本知识与市场需求的鸿沟，培养适应社会需求的微电子人才。

参考文献：

[1]张兴,黄如,刘晓彦.微电子学概论[M].北京:北京大学出版社,2000.

[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.

[3]陈国英.《半导体器件物理基础》课程教学的思考[J].常州信息职业技术学院学报,2007,(6):56-57.

[4]王印月,赵猛.改革半导体课程教学融入研究性学习思想[J].高等理科教育,2003,(1):69-71.

[5]王阳元,张兴.面向21世纪的微电子技术[J].世界科技研究与发展,

1999,(4):4-11.

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关键词 物理学 分析 前景

中图分类号：G642.0文献标识码：A

Physics Professional Analysis

ZENG Daimin[1], LI Yong[2]

([1]Physics Department, Physics College, Chongqing University, Chongqing 400040;

[2]State Intellectual Property Bureau Patent Examination Coordination Center, Beijing 100190)

AbstractThis paper combine with the cultivation of students in Physics professional, takes a professional analysis on Physics major, including Physics professional direction settings, course setting, and cultivating specification as well as employment prospects of the students.

Key wordsPhysics; analyse; prospects

物理学是研究物质运动和相互作用的规律的科学，是除数学外最基本的一门学科。物理运动是自然界最普遍的一种现象，因此物理学研究的对象和内容就是宇宙间各种物质的性质、存在状态、各种物理运动形式及其转化现象、物质的内部结构及这些内部结构的组成部分，物理领域的各种基本相互作用及其规律。由于一切物理现象都在时间、空间中表现出来和发生运动和转化，所以物理学也要研究时间和空间的性质、联系等。 进行物理学研究，首先是观察各种客观物理现象，再从许多表象性的现象中，揭示基本规律，建立较为系统的理论。物理学研究除了要依靠好的科学方法外，还要取决于认知工具。工具越先进，研究效率越高，成果越显著。 物理学在发展过程中形成了一套完整的科学方法，它对其他学科的研究，乃至哲学发展，都有重要意义。①重庆大学物理学专业从2008年开始正式招生，到现在，第一届学生即将进入大四。通过这几年对物理学专业学生的培养，我们有一些体会，与同行共勉。

1 专业方向设置

1.1 理论物理方向

理论物理学从各类物理现象的普遍规律出发，运用数学理论和方法，系统深入的阐述有关概念，现象及其应用。理论物理是从理论上探索自然界未知的物质结构、相互作用和物质运动的基本规律的学科。理论物理的研究领域涉及物理学所有分支的基本理论问题。理论物理是在实验现象的基础上，以理论的方法和模型研究基本粒子、原子核、原子、分子等物质运动的基本规律，从而解决学科本身和在高科技探索中提出的基本理论问题。重庆大学物理学院理论物理方向目前包括：高能物理、引力波、天体物理、量子信息与量子通信等几个分支。

1.2 凝聚态物理方向

凝聚态物理学是从微观角度出发，研究由大量粒子（原子、分子、离子、电子）组成的凝聚态的结构、动力学过程及其与宏观物理性质之间的联系的一门学科。凝聚态物理是以固体物理为基础的外向延拓。凝聚态物理的研究对象除晶体、非晶体与准晶体等固相物质外还包括从稠密气体、液体以及介于液态和固态之间的各类居间凝聚相，例如液氦、液晶、熔盐、液态金属、电解液、玻璃、凝胶等。经过半个世纪的发展，目前已形成了比固体物理学更广泛更深入的理论体系。特别是上世纪八十年代以来，凝聚态物理学取得了巨大进展，研究对象日益扩展，更为复杂。一方面传统的固体物理各个分支如金属物理、半导体物理、磁学、低温物理和电介质物理等的研究更深入，各分支之间的联系更趋密切；另一方面许 多新的分支不断涌现，如强关联电子体系物理学、无序体系物理学、准晶物理学、介观物理与团簇物理等。从而使凝聚态物理学成为当前物理学中最重要的分支学科之一。由于凝聚态物理的基础性研究往往与实际的技术应用有着紧密的联系，凝聚态物理学的成果是一系列新技术、新材料和新器件，在当今世界的高新科技领域起着关键性的不可替代的作用。

2 主干课程设置

重庆大学物理学专业的主干课程有力学：使学生比较系统地掌握力学基础知识，且能比较灵活加以应用。培养学生独立分析问题与解决问题能力，初步培养学生的唯物主义世界观。主要内容有质点运动学、牛顿运动定律、动量守恒定律和动量定理、功和能与碰撞问题、角动量、刚体力学、振动和波。热学：使学生掌握物质热运动形态的规律性和热运动与机械运动，电磁运动等其它基本运动形式之间转化的规律性。掌握统计规律性和统计的方法以及物性方面的知识，培养学生分析问题和解决问题的能力。主要内容有热力学第零、第一、第二定律和熵、分子运动论、输运过程、固体和液体及相变。电磁学：使学生全面地、系统地了解和掌握电磁运动的基本现象、基本概念和基本规律，具有一定的分析和解决电磁问题的能力，为后继课程奠定必要的基础。主要内容有静电场、静电场中导体和电介质。稳恒电流、稳恒磁场、电磁感应、磁介质、交流电初步、麦克斯韦电磁理论和电磁波、电磁单位制。光学：使学生比较系统地掌握光学的基本知识，主要讲授几何光学、波动光学、量子光学初步和光学应用。原子物理学：使学生掌握原子结构的性质和一般规律，掌握和了解核的性质与核能利用，了解粒子的基本性质。讲授卢瑟福模型、氢原子的玻尔理论、量子力学初步、原子的精细结构、多电子原子、X射线、原子核物理概论。理论力学：使学生掌握力学的基本理论，培养学生理性思维能力。讲授质点力学、质点组力学、刚体力学、非惯性系动力学与分析力学等基本理论。热力学与统计物理：使学生掌握物质的热运动规律及热运动对物质宏观性质的影响。讲授热力学的基本定律，热力学函数、平衡及稳定条件，相平衡及化学平衡，不可逆过程热力学，最可几统计法――玻尔兹曼分布、费米分布、玻色分布，气体和固体的热容量理论，金属中的电子气体、平衡辐射，系统理论，热力学的统计表达式，非理想气体态式，涨落理论，非平衡态统计物理简介。电动力学：使学生掌握电磁场的基本属性及运动规律以及它和带电物质之间的相互作用。讲授电磁现象的普遍规律，静电场和稳定电流磁场，电磁波的传播，电磁波的辐射，狭义相对论及带电粒子和电磁场的相互作用。量子力学：了解微观客体运动特点，初步掌握量子力学的基本原理和方法。课程内容包括波函数、薛定鄂方程，量子力学中的力学量，态和表象理论，微扰理论等。固体物理：初步掌握固体物理的基本原理和特点。课程内容包括晶体、晶体的缺陷和扩散、晶体振动、相图、能带论、金属和半导体电子论、固体的磁性和介电性等。数学物理方法：掌握有关复变函数、复变函数的积分、幂级数展开、留数定理、傅里叶级数、积分变换、数学物理方程定解问题、分离变数法、二阶常微分方程的级数解法、本征值问题、球函数、柱函数、格林函数、积分变换法等数学物理方法的基本知识。

3 培养规格及要求

通过四年的物理学专业学习，要求学生掌握数学的基本理论和基本方法，具有较高的数学修养；掌握坚实的、系统的物理学基础理论及较广泛的物理学基本知识和基本实验方法，具有一定的基础科学研究能力和应用开发能力；了解相近专业的一般原理和知识；了解物理学发展的前沿和科学发展的总体趋势；了解国家科学技术、知识产权等有关政策和法规；掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；具有一定的实验设计，创造实验条件，归纳、整理、分析实验结果，撰写论文，参与学术交流的能力。具有计算机应用的基本技能。较熟练地掌握一门外国语言，具有良好的听、读、写作和会话能力，能够较顺利地阅读本专业的外文资料。

4 学生就业前景分析

重庆大学物理学专业的培养目标是：培养具有宽厚扎实的物理学基础、综合素质优秀，并且具有良好数学基础和实验技能，能在物理学或相关科学技术领域中从事科研、教学、技术和相关管理工作的高素质专门人才；培养良好的创新意识和科学的思维方式，以及分析和解决实际问题的能力以适应学科交叉和社会的各种需要。

物理学专业学生毕业后主要从事以下一些行业：（1）继续物理方向的深造，成为一名物理学家、物理教师。（2）从事与物理相关的一些工作，如技术工程师、发明家、研究助理等。（3）与物理关系不大的一些行业，如公务员、管理人员等。就业领域主要是：科研院所、高等院校、企事业单位、政府机关等。

总之，重庆大学成立物理学专业的主要目的是发现与培养真正热爱物理的好苗子，让他们打好基础，再继续深造，为物理学的发展做出贡献。在学习的过程中，有部分同学发现自己并不是很适合学物理，可以申请转专业，找到适合自己发展的方向。最后留下来的绝大部分同学都会继续读研深造，向着他们心中神圣的物理殿堂继续努力。实践表明，物理学专业的学生物理基础打得非常坚实，为将来的继续深造做好了准备，即将毕业的学生将有部分保送到中国科学院及各大高校，其余的同学也成为了本校硕士生导师争抢的对象。物理学专业的培养是成功的，并且也已经成为重庆大学的一个优势特色专业，它将为全国培养和输送更多、更好的物理方面人才。

基金项目：重庆大学人才引进科研启动基金（0903005104675）资助

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一、物理化学课程在课程体系中的地位

物理化学在两阶段工科化学(化工类)课程体系中处于枢纽地位。第一阶段由化学原理(基础物理化学)、无机化学、有机化学、分析化学等课程组成。化学原理作为理论教学内容,在对中学化学知识总结提炼上升到理性认识高度的基础上,对后继无机化学、有机化学作为应用教学内容提供理论基础。第二阶段由物理化学加后继专业或专业基础课程、选修课程组成。物理化学作为理论教学内容,既将先前所学无机化学、有机化学等知识从理性上加以认识提高,又为后继课程提供理论基础。[2]在专业教育的范畴内,物理化学是工科,尤其是化工、冶金、轻工等各专业必备的化学理论基础,它衔接基础理论和相关的专业课程,是一门专业基础课程。

二、物理化学课程的教学内容

物理化学提供应用于所有化学以及相关领域的基本概念和原理,严格和详细地阐释化学中普适的核心概念,以数学模型提供定量的预测。因此,物理化学是分析化学、无机化学、有机化学和生物化学课程,以及其他相关前沿课题的概念的理论基础。总体而言,物理化学理论课程可能涉及的教学内容如下:[3]

1.热力学与平衡

标准热力学函数(焓、熵、吉氏函数等)及其应用。熵的微观解释。化学势在化学和相平衡中的应用。非理想系统、标准状态、活度、德拜-休克尔极限公式。吉布斯相律、相平衡、相图。电化学池的热力学。

2.气体分子运动学说

麦克斯韦-玻耳兹曼分布。碰撞频率、隙流速度。能量均分定律、热容。传递过程、扩散系数、黏度。

3.化学动力学

反应速率的微分和积分表达式。弛豫过程。微观可逆性。反应机理与速率方程。稳定态近似。碰撞理论、绝对速率理论、过渡状态理论。同位素效应。分子反应动力学含分子束、反应轨迹和激光。

4.量子力学

薛定谔方程的假定和导出。算符和矩阵元素。势箱中的粒子。简谐振子。刚性转子、角动量。氢原子、类氢离子波函数。自旋、保里原理。近似方法。氦原子。氢分子离子、氢分子、双原子分子。LCAO方法。计算化学。量子化学应用。

5.光谱

光-物质相互作用、偶极选律。线型分子的转动光谱。振动光谱。光谱项。原子和分子的电子光谱。磁共振谱。拉曼光谱、多光子选律。激光。

6.统计热力学

系综。配分函数表示的标准热力学函数。原子、刚性转子、谐振子的配分函数。爱因斯坦晶体、德拜晶体。

7.跨学科的应用

生物物理化学、材料化学、环境化学、药学、大气化学等。物理化学实验课程培养学生用物理化学原理联系定量模型与观察到的化学现象的能力,深化学生对模型定性假设和局限的理解,锻炼他们采用模型定量预测化学现象的基本技能。

学生应能记录正确的测量值,估算原始数据的误差。学生需要理解电子仪器的原理和使用方法,操作现代仪器测量物理性质和化学变化,积累用这些仪器解决实验问题的经验。物理化学实验应含有结合若干实验方法和理论概念的综合实验教学内容。适用于工科化学(化工类)课程体系的物理化学实验教学内容大体如下:

1.热化学实验

计算机联用测定无机盐溶解热。计算机联用测定有机物燃烧热。温度滴定法测定弱酸离解热。差热分析。

2.相平衡化学平衡实验

不同外压下液体沸点的测定。环己烷-乙醇恒压气液平衡相图绘制。液-固平衡相图绘制。凝固点下降法测定物质摩尔质量。沸点升高法测定物质摩尔质量。热重分析。氨基甲酸铵分解平衡常数的测定。

3.表面化学实验

溶液表面张力测定。沉降法测定粒度分布。BET容量法测定固体比表面积。

4.化学动力学实验

量气法测定过氧化氢催化分解反应速率系数。蔗糖转化反应速率系数测定。酯皂化反应动力学。一氧化碳催化氧化反应动力学。甲酸液相氧化反应动力学方程式的建立。可燃气-氧气-氮气三元系爆炸极限的测定。计算机联用研究BZ化学振荡反应。

5.电化学实验

强电解质溶液无限稀释摩尔电导的测定。离子迁移数测定。原电池反应电动势及其温度系数的测定。金属钝化曲线测定。

6.结构化学实验

磁化率测定。分子介电常数和偶极矩的测定。

三、面向专业的物理化学教学内容建设

当然,一个工科类专业的物理化学教学不可能也不必要包含上列的所有内容。因此,各学科专业教学指导委员会根据专业的培养目标和规格,在已经或即将公布的各学科专业的指导性专业规范中,制订了包括物理化学在内的化学课程教学基本内容作为最低要求。如化学工程与工艺专业的规范(研究型)中规定:物理化学可分为两部分,物理化学(I)主要内容为化学热力学和反应动力学等,作为化工主干课的基础,应注意与化工热力学课程和化学反应工程课程的衔接和分界(一些内容可在化工热力学课程和化学反应工程课程中展开,以加强工程背景);物理化学(II)主要内容为溶液理论、统计力学、量子力学等方面的概要以及近展等。各专业的物理化学教学基本内容充分体现了本专业的学科特点,是在保障人才培养质量的前提下,兼顾国内各相关学校的教学条件提出的基本要求。因此,它体现的是该专业人才的知识体系的共性。由于各校的学科背景和教学条件的优势不同,要培养具有特色的专业人才,需要在教学中研究如何在满足各专业的教学基本内容要求的基础上开展物理化学教学。我们认为在教学内容建设中应坚持贯彻下列原则,才能切实发挥物理化学这一门专业基础课程的作用。[4]

1.承前启后,发挥枢纽作用。了解授课对象的先修和后继课程与物理化学的联系,深化化学原理课程中的物理化学理论,介绍其在后继专业课程中的应用,以开阔视野并兼顾系统性和趣味性。

2.少而精和博而通。传统的基础内容要突出重点,讲深讲透,体现学科框架;选择介绍相关前沿的内容以扩大知识面。

3.提倡内容侧重的多样化。针对不同专业时要不拘一格,倡导内容侧重的多样化;即便面对同一专业,内容侧重亦应有宽松的选择余地。

4.体现工科特色,强调应用性和实践性。引入研究型实践项目,使学生加深对理论的理解,提高应用水平。

四、建设物理化学教学内容的措施

华东理工大学物理化学教研室在国家精品课程和国家级教学团队建设过程中,以提高专业人才的教育质量为目标,采取了一系列措施,提高物理化学课程的教学水平和质量,促进相关专业的课程体系建设。

1.根据授课专业的先修、后继课程,研读相关教材,如化学工程与工艺专业的现代基础化学、化工热力学、化工原理、化学反应工程、化工过程分析与合成教材,了解其改革动向和内容变革,并且请有关学科的学术带头人做物理化学在学科领域应用介绍的报告,提出教学内容改革建议。这样做的结果一方面可以避免教学内容上不必要的重复,另一方面可以合理地选择教学内容侧重,实现化学基础课程与专业课程的合理衔接。

2.编写教材和教学参考书,保障教学基本内容的教学质量,介绍物理化学学科发展、在交叉领域的应用;介绍溶液模型、线性自由能关系等半经验方法,以衔接后继课程。近年来编写或修订出版了《物理化学参考》、《物理化学》(第五版)、《物理化学导读》、《物理化学释疑》、《物理化学教学与学习指南》。开展教学研讨,提高教师队伍的学识水平和在教学中贯彻少而精、博而通教学思想的能力。

3.制作相关前沿课题和理论应用实例,如“正、负离子混合表面活性剂双水相系统及其微观结构”、“温室气体CO2的捕集和封存(CCS)技术”、“复杂材料的微相平衡和结构演化的数学模拟”、“离子液体的合成、性质和应用”等教学素材,进行教学资源的储备。

4.由科学研究项目提炼研究型教学实验,如“界面上聚乳酸PLA膜的结构特性研究”、“生物柴油中脂肪酸甲酯的GC-MS测定”、“MCM-41介孔氧化硅材料的合成和表征”等;形成各类研究性课题,如“生物柴油的制备及性能检测”、“Gem-ini表面活性剂连接基团对合成硅基介孔材料结构的影响”等。

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摘要：随着分子理论研究的需要和计算机技术的飞速发展，一门模拟或仿真分子运动的微观行为的科学-分子模拟应运而生，并广泛的应用于化学、生物学、材料科学等领域，成为理论研究的必修课，各大高校相关专业纷纷开设相应课程。本文结合教学实践，针对分子模拟课程教学中出现的问题，从教师素质、教学内容、教学策略等方面提供经验心得，旨在提高该课程教学质量。

关键词：分子模拟 教学效果 教学策略

理论分析、实验测定及模拟计算已成为现代科学研究的三种主要方法。分子模拟即是模拟计算方法中的一种，它是指利用理论方法与计算技术，模拟或仿真分子运动的微观行为[1]。它广泛的应用于物理、化学、生物、材料等领域，小至单个化学分子，大至复杂生物体系或材料体系都可以是它用来研究的对象[1]。因而对科学与技术研究，尤其是基础理论研究，是一门得力而又必备的工具。由于计算机科学和技术的飞速发展，分子模拟研究与预测的地位日渐突显。在新材料的研究和开发中，采用分子模拟技术，从分子的微观性质推算及预测产品材料的介观、宏观性质，已成为新兴发展方向[2]。各大高校和研究机构纷纷开设相应课程。作为这个领域的教学者，面临着特殊的挑战，我们必须培养既具有艰深化学理论基础又有较强数学基础、还要有很强计算机操作能力的学生，以满足能运用理论分析，借助分子模拟软件工具来对基础理论研究进行分析和提供指导的要求。为了顺应课程教学发展的需要，笔者结合教学实践，针对非分子模拟课程教学中出现的问题，提出几点建议，旨在提高教学效果和质量。

一、刻苦专研课程，打好扎实基础

分子模拟技术涉及量子化学、统计力学、数值分析、数理统计、计算机科学等一系列非常难学的课程，此外它还集现代计算化学之大成，包括蒙特卡洛法、分子力学法、量子力学法及分子动态法，还有众多的不同方向的应用包含的学科[2]。知识范围非常大，理论层次非常深，学习难度相当大。对学习的人来说，是一个很大的挑战。这就给老师提出特殊要求，首先老师要先自己学好这些课程，然后还要做到深入浅出，这样才有可能去教学生，使学生能够接受。而要达到更好的教学效果，老师必需刻苦专研课程，打好扎实基础，打铁先要自身硬，才能游刃有余。

二、紧跟学科前沿，丰富教学内容

分子模拟的迅猛发展要求我们不断学习新的理论和实践知识，更新教学内容以拓宽学生的视野。近年来分子模拟技术发展迅速并在多个学科领域得到了广泛的应用[2]。在化学领域，可用于研究表面催化及机理等；在药物设计领域，可用于研究药物、病毒的作用机理等；在生物科学领域，可用于预测蛋白质的多级结构与性质[3]；在材料学领域，可用于研究材料的力学性能与结构、优化设计等；在石油化工领域，可用于催化剂合成设计、结构表征、扩散吸附等。此外，随着研究水平的提高，相应的新信息、新要求及网络资源都在不断更新，很多教材中的概念、讲解实例都已经不再是当前最普遍、最实用的了，因此很多学生在查阅文献时发现课堂所学的内容与最新研究有出入，从而产生了迷茫和困惑。这就要求我们教师要紧跟学科发展前沿，了解最新研究进展，及时更新并丰富教学内容，以适应学习的要求。

三、经典案例操作，改善教学策略

分子模拟的很多基础知识和理论非常抽象，老师在教学过程中一味推演复杂公式，学生学起来可能会非常乏味，也很难学好。分子模拟的工作可分为两类：预测型和解释型。预测型工作是对物质或材料进行性能预测、对过程进行优化筛选，进而为实验提供可行性方案设计。解释型工作即通过模拟解释现象、建立理论、探讨机理，从而为实验奠定理论基础。人们在从事这些工作的长期过程中，已积累了很多经典案例，这为教学提供了很好的素材。而这些都是随着计算机在科研中的应用而发展起来的，是基础科学与计算机科学相结合的产物。他们的工作，通常在计算机上借助分子模拟软件工具实现，通常可重复操作演示[2，4]。因此在教学的过程中可先利用这些经典案例，利用计算机进行演示，使学生先得到感性认识，然后在此基础再对所涉及的抽象知识和概念进行解释，这样可减少学习的难度，提高学生的兴趣，达到好的教学效果。

上述是本人在分子模拟课程教学实践的一些粗浅经验。分子模拟是一门较难学习的课程，但又是一门重要且处于快速发展中的交叉学科。教师要提高实际教学效果，必须降低学习过程的难度。而紧跟学科发展前沿，完善知识体系，采用灵活多样、切实有效地教学策略，不断丰富教学内容，进一步提高分子模拟教学质量，还有很多方面有待探索。

参考文献：

[1]陈敏伯. 计算化学-从理论化学到分子模拟 [M]. 北京： 科学出版社， 2009.3.

[2]Frenkel，Smit著；汪文川等译. 分子模拟-从算法到应用[M]. 北京：化学工业出版社， 2002. 9.

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1983年出生，2006年获南京大学物理系学士学位，随后进入中国科学院理论物理研究所学习。2008年赴英国留学，进入剑桥大学三一学院，在剑桥大学天文和宇宙学研究所攻读博士学位。

如果，我们能够找到一个可以描述宇宙起源的完整理论，它应该可以被所有的人所理解和掌握，而不仅仅是这个领域的科学家。它也意味着，人类理性获得的巨大成功，和人类透析上帝思考的伟大智慧。

――斯蒂芬・霍金《时间简史》

浩渺的宇宙，总是激起人们无限的遐想与追问：宇宙从何而来，宇宙如何演化，宇宙将走向何方，在宇宙中我们是否是孤独的人类？要找出这些神秘问题的答案，只能诉诸于复杂和抽象的物理理论，以及精确的实验技术。当我在灿烂的星空下仰望苍穹，心中升起种种猜想和疑惑时，一条世界重大科技新闻，将我的目光和兴趣聚焦到了天体物理学和宇宙学。

在南大确定研究方向

1998年，美国加州大学伯克利分校和约翰・霍普金斯大学的2个研究组，通过对超新星光度距离的研究，发现了宇宙暗能量的存在。通过分析，他们发现，距离太阳系远处的超新星，正加速向我们离去。从1929年起，哈勃(Edwin Hubble)就告诉人们，远处的星系正向我们退行，即宇宙在膨胀。然而由于万有引力，物质之间会不断地吸引，以及塌缩。因此，人们认为宇宙即使膨胀，也应该减速膨胀。然而，1998年的发现却彻底改变了人们的预期：星系正在加速向我们离去，宇宙在加速膨胀!

那么，是什么神秘的物质驱动宇宙加速膨胀的呢？这便是举世闻名的“暗能量问题”。

2002年，我进入南京大学学习。南大的学风很好，较少受到社会上浮躁之风的影响。上大学期间，物理系组织的针对本科生的报告，我基本上每一次都去。南大物理系的优势在于凝聚态物理和微电子物理（应用物理），所以报告基本上都是围绕这两方面的内容。但对于天体物理和基本粒子物理学方面的报告，却非常少。

凝聚态物理的报告，比如纳米科学、晶体生长、磁性材料等等，其实很有意思。坦率地说，我也学到了不少东西，但我总感觉这不是我想要研究的。直到2004年，一次报告将我的视野一下子打开了。这一年，美国宇航局和普林斯顿大学的WMAP卫星实验组，了该卫星测量宇宙学基本常数的数据，确定了宇宙中暗能量占74%，暗物质占22%，可见物质只占4%。中国科学院理论物理研究所的李小源研究员和高能物理研究所的杜东生研究员作了一个“时间、空间、物质和能量的科学”的报告，介绍了国际上这方面的前沿进展。他们将微观世界的基本粒子和整个宇宙的演化相联系，解释当今宇宙的星系、星系团结构是如何和宇宙及早期的微观世界的动力学相联系的。那个晚上精彩的演讲，我至今记忆犹新。

我于是便认准了我感兴趣的领域。南京大学离紫金山天文台（办公楼在南京市的北京西路，观测站在紫金山上）不远，陆院士领导的天体物理研究组每周都有讨论，我争取每周都前往参加讨论，虽然那时候对宇宙中结构形成还不是很清楚，但对于暗物质和暗能量问题已有一定的了解。

我决定在毕业以后去中国科学院理论物理研究所（以下简称“理论所”）去攻读理论天体物理学研究生。让我感到庆幸的是两件事：（1）我在大学第四年期间，已经把研究生的理论物理学课程全部跟班学习了一遍，并且参加了考试，其中有一门还得了满分。这让我在之后的研究过程中有了一定的基础；（2）由于当时成绩还可以，我被保送进入理论所读硕士研究生，这使得我有了大量的时间去研究和思考一些专业问题。如果没被保送而需要参加统考的话，我会花费很多时间去准备“考研”。我面试的时候，理论所在全国一共招收20名学生，如果我没记错，我当时面试总成绩是99分，排名第一。我后来见到了李淼教授（弦理论专家），我还跟他讨论过一个面试时我遇到的量子力学的问题。

难忘中国科学院

我到了中科院理论所之后，并没有直接进入暗物质和暗能量的研究，而是花了很长的一段时间，学习广义相对论的唯一性定理的知识。后来事实证明，这部分时间花得不是很值当，因为该理论的发展已经比较成熟，没有太多可以开拓的空间。我还在宇宙的扰动理论方面花了很多的时间，成效也不是很大。因为这些东西都已经被人们非常好地发展起来了，可做的新东西不多。这时我开始逐渐地思考，以后的研究该怎样定位，怎样才能做一些有新意，比较独特的研究。

暗能量的理论问题，人们尚未把它搞清楚，主要的原因是，人们对于真空能(Vacuum Energy)的本质还不甚了解，不知道究竟是哪一种基本的量子场，或者是由某种时空几何决定的。这其实是当今国际理论物理学界的头号难题。因此，在没有基础理论上取得根本进展的前提下，人们试图去构造一些唯象（即现象学上的解释）上的模型，去解释宇宙的加速膨胀。当然，这些模型目前都只是唯象上的近似，并非已经得到公认的基础理论。但是研究它们，对于天文观测也是一种促进，因为你知道了不同的模型会有一些不一样的宇宙观测的预言，可以期待着在天文的一些观测上得到验证或排除。

我花了一段时间研究了全息暗能量，探讨了它在观测上的一些可能的预言，以及利用当时最新的天文观测数据（超新星、微波背景辐射等）去限制了这个模型，并且首先用统计学上的贝页斯证据(Bayesian Evidence) 去计算了它与宇宙常熟模型的之差等等。后来，在美国洛杉矶2008年初举办的“暗物质与暗能量”会议上，我应邀报告了这方面的一些工作。

随着研究的深入，我逐渐感觉到，要真正地探究这些宇宙中的神秘物质，找到宇宙的起源与结构形成的一些实验上的关键证据，必须掌握丰富的天文观测资料，并具备强大的数据分析方法。在这方面，国内的研究实力很有限；应该说，不仅是中国，整个亚洲在这方面的研究都非常薄弱；于是，当2008年初我拿到一笔剑桥大学的奖学金时，我决定赴剑桥大学留学。

英国的留学生活

能来剑桥大学，实属幸运。剑桥有一个研究实力很强的天文研究所（我现在所在的研究所），几乎在相关的领域，研究所都有世界著名的科学家，比如唐纳德・耶丹・贝尔（Donald Lyden-Bell）（星系、黑洞、广义相对论）、马丁・里斯（Martin Rees）(宇宙学、星系)、安德鲁・费边（Andrew Fabian）（X射线与黑洞）、罗伯・肯尼卡特（Rob Kennicutt）(恒星形成)，以及我后来的导师乔治・艾夫斯塔修（George Efstathiou）(宇宙学)。就算是一些资历较浅的研究员也相当知名。另外，离研究所不远，还有另外2个研究所：霍金的“理论宇宙学中心”，以相对论和宇宙弦(Cosmic String)的研究而出名；卡文迪许实验室(Cavendish Laboratory)的天体物理研究组，以发现脉冲星和开创射电天文学而闻名。这些单位之间经常会有一些讨论。

这几年天体物理学的研究方向，主要是宇宙微波背景的研究(Cosmic Microwave Background)，以及星系和星系团等宇宙中大尺度结构的形成的研究。为什么人们要研究这些东西呢？主要的原因在于，人们试图去了解宇宙中结构的形成，即我们所观察到的星系团、星系、恒星系统，究竟是如何演化来的，即动力学上是如何形成的。因此，要想回答这个问题，有两个要素是必须要了解的：星系和恒星体统形成的初条件是如何，以及动力学方程是怎样的？而宇宙之所以复杂，就是在于动力学上，有一些很复杂的、尚未被科学家搞清楚的物理学过程（比如重子物质如何与暗物质发生相互作用等等），这会给研究结构形成的动力学带来很多的不确定性。人们所采取的办法主要有2个：一是观测上要掌握大量的实验资料，尤其是对不同种的星系和恒星系统的资料都要掌握；另外，在理论上，通过数值模拟，可以计算那些不同的微观机制(比如上面提到的相互作用)，究竟会对最后形成的星系和恒星系统有多大的影响，从而通过与观测对比，确定下来可能的机制。在攻读博士学位阶段，我的一些对星系的速度场的研究，主要遵循的是这个思路。

另外，对于结构形成初条件的观测，也是非常的重要，因为这方面的观测量，会直接影响到对早期宇宙初条件的限制。它所发生的物理学过程是这样的：宇宙在极早期由于量子效应会产生一些时空上的量子涨落，而这些涨落经过宇宙的演化会“进化”为宇宙中不同物质密度的涨落（比如光子、可见物质，以及暗物质等等）。那么通过对于这些物质涨落能谱的观测，我们就可以推测在宇宙的极早期，究竟是哪些量子效应在起作用，从而对宇宙的起源问题给出一些有意义的启示。这对于理论物理学家会是非常感兴趣的内容，因为理论物理学面临的最大问题，即“大统一”问题（Grand Unification Theory），就是要去寻找能够统一电磁力、弱相互作用、强相互作用力，以及引力的基本理论，而这种理论描述能量极高的物理，而通常的地面的加速器提供不了这么高的能量。但现在天文学家和宇宙学家却有可能在宇宙中，找到验证这些理论的办法，这当然是非常重要的研究方法。沿着这条线，我也持续在做一些研究工作。

由于卫星、地面望远镜等天文观测手段的不断加强，有一些领域不断地受到人们的重视，因为它们有可能在未来提供一些解答难题的关键性的实验证据，比如：

1.再电离（Reionization）：宇宙中的原初星系是如何形成的。

2.引力波（Gravitational Waves）：验证广义相对论，寻找引力在早期宇宙的效应。

3.太阳系外行星问题（Extra-solar Planet）：太阳系外的行星，它们的环境如何，有没有生命的存在等等。

这些问题，每一个都很宏大，都不是人们在几年内就能够轻易弄明白的，因为其中任何一个问题如果能够被观测到，都意味着天文学领域的重大突破。因此我认为，我们应该时刻思考着宏伟的物理图像，并且时刻注意这方面的观测和实验上的突破与新的证据，以及理论方面的进展。

我时常在想，怎么样才能真正地认识大自然，了解大自然。我逐渐找到了一条方法论，就是去认识大自然的结构，认识大自然的动力学过程。浩渺的星空，就给了我们无穷无尽的探索的空间，给了人们以“重新发现”大自然的机会。从这个意义上来说，天文学是一门有着无穷宝藏的的学科，而人类就像是在捡着贝壳的孩子，去试图勾勒一片大海的美丽图景。

篇8

这其中的根本原因在于，传统理论物理教学偏重“纯”理论讲解和公式推导，常使学生感到枯燥无味，甚至存在“用处不大”、“无任何实用性”等误解，因此理论物理被师生公认为“难学也难教”，总体教学效果相对不甚如意，这也是其它理工类的理论课面临的问题。但不能把理论物理教学的这种困境完全归因于其本身的抽象和深奥等客观因素，实际在教学思想和教学方法等主观因素上，目前仍存在不少弊端。调查发现，目前理论物理教学模式普遍单一，大都采用灌输式的传统教学，注重理论推导，这虽适宜传授知识，但缺乏教学应有的直观性和启发性，并鲜能涉及前沿领域，知识面窄，与实际脱节，不重能力培养，束缚了学生的学习主动性与个性发展。

放眼到国外，我们也不难发现，最近三、四十年国外理论物理教学的变化和发展相当惊人，主要体现在以下几方面：1.教材出发点显著提高，深度和难点都远超我国现有教材；2.教学内容涉及范围更为广泛，包含许多与科研、生产和生活密切联系的知识内容，使人耳目一新；3.真正实现“精讲多练”，对基本概念和基础理论只作简要介绍，而以大量经过详细分析和解答并与实际密切联系的例题作为主线，不仅大大开阔了学生的眼界和思路，并且还为培养学生进行独立思考和独立解决问题的能力进行了富有成效的示范；4.部分习题要求学生利用计算机求解，使学生的计算机知识和编程能力经受考验并有实际用武之地。

以上这些都是我国现行的理论物理教学所无法比拟的。由于受传统教学大纲和学时数的限制，国内高校的理论物理各门课程往往只能在搭起基本理论框架后就已接近尾声，应用内容相当贫乏或干脆没有，至于介绍物理学最新成就更是“凤毛麟角”，至多也只能点到为止，丝毫体现不出理论物理在培养科学思维方法和解决实际问题的威力所在。因此，绝大多数学生反映不仅学起来十分费劲，并且学完了也不知道究竟有何用处。

如何使学生不要忽略理论物理的基础性和重要性，即如何将“理论”物理的“应用”性价值充分体现，是“知行合一”的物理专业人才培养目标所要求的。因此，理论物理教学需改革旧的教学模式，探索一条克服弊端、走出困境的新路。就大学本科阶段的物理教学而言，实验是最能体现理论和实践相结合的，也是培养学生实验动手能力和创新能力的最重要环节。但调查发现，当前我国很多高校中实验与理论授课结合不紧密，实验的辅助作用没有得到有效发挥，西方科技发达国家则非常重视物理实验教学和研究问题的方法。科学素质教育的核心是培养学生的实践能力和创新精神，因此，将物理实验教学与理论教学两个相对独立的教学体系有机结合，是目前教学改革的重点和时代的必然要求。

在近几年的教学实践中，笔者及其课程组成员积极尝试，将形式灵活多样的实验与实践环节引入到电动力学、理论力学等系列理论物理课程，极大地激发了学生的学习兴趣和热情，初步摸索出一条针对“纯”理论物理课程教学的新路子。例如针对电动力学，目前绝大多数院校的电动力学仍采取纯粹的理论讲授形式，我们则大胆地在理论教学之外引入了实验教学，在近代物理实验中精心挑选了4个与课程理论内容结合紧密、同时具有科学前沿性与应用广泛性的实验：高温超导材料电温特性测试、微波的传输特性和基本测量、微波分光、光拍法光速测量实验等，供光信息科学与技术专业的学生选做，实验成绩计入平时成绩。该措施得到了学生的普遍赞誉和积极响应，使他们在理论之外得到实践锻炼，加深了对理论的理解，提高了思考和解决问题的能力。在实验中还鼓励学生以已有仪器为基础进行实验创新。例如，在微波分光仪上，学生利用自制的模具，做了二维物体的微波衍射效应实验，加深了对相关基本理论的理解，培养了学生科学研究的意识和实践动手能力。

此外，课程组教师还有意识地引导学生善于发现、记录与课堂知识有关的问题或疑点，鼓励他们对这些问题进行讨论。同时教师也在课堂上主动加入一些小课题，这些课题不一定要有重大意义或科学价值（如课本上未加详细讨论的内容），也不一定非要学生如搞科研般埋头苦钻。一般学生只要能尝试写出研究性或综述性报告，就能达到培养基本科研素质，提高思维方法的教育目的。而对于那些肯钻研的学生，则可根据其特点，鼓励其参与教师的科研活动。一旦学生经过自己的钻研获得成功，就会得到身心的愉悦。

上述工作不但需要学生掌握好相关的课内知识点，而且需要查阅大量课外资料和文献，从而达到了培养学生科研能力的目的。经近几年的实践，上述措施效果显著。

总之，在针对如何有效地改革理论物理系列课程的教学模式这一问题上，广大物理教师应积极思考和探索，尝试将开放的、研究性的实验与实践环节灵活引入教学，使学生在有限时间内能更有效地接受知识，帮助其真正理解理论物理的“美”和“应用性”，并力图与学生的专业知识相结合，激发其学习动机和兴趣，大大提高学生的创新精神和创造力，为最终培养成为有知识、有能力、适应社会发展需要的应用型大学本科人才而打下坚实的基础。

参考文献:

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关键词：化工专业；无机化学；教学改革

无机化学是化工专业的一门主干专业基础课[ 1]。我们的授课对象是刚刚进入大学的朝气蓬勃的大学新生。本课程立足于学生有着深刻印象的中学化学知识基础，教学时间涵盖两学期[ 2] ，64学时涉及广泛的内容，既有基础理论部分，又有涵盖重要化合物组成，结构，代表性规律的元素部分[ 3] 。因此，课程的教学质量和教学效果显得尤为重要，它直接影响大学生对专业的看法及学习兴趣，学习方法和能力的培养，还为后续相关课程打下良好的基础。

近年来，随着高校教育改革的深化，我们结合学生的情况和化工专业的特点在教学理念和教学形式上进行了一系列探索和改进，有效提升了教学质量，建立了和谐的师生关系。现从以下几个方面来简要阐述。

一、精选基本教学内容

如上所述，无机化学的内容包含基本原理和元素化学两部分。本课程是新生接触到的第一门专业基础课，要充分考虑到学生对新知识的渴求和已有的基础知识，避免内容庞杂。所以，我们对教材内容进行了归纳和充实，对于中学化学里讲述过的知识，例如化学平衡的特征、溶液的酸碱性的表征、氧化还原反应等基本化学原理的定性部分只做大概回顾，在本课程里着重讨论他们的定量计算；而对于配合物的分步解离平衡、化学热力学和动力学等内容在后续分析化学和物理化学课程中会详述，在无机化学中则以定性讲述为主。我们将教学基本内容概括为以溶液（电解质溶液，缓冲溶液）为基础，结构（原子结构、分子结构、晶体结构）为主线，平衡（酸碱平衡、化学平衡、沉淀―溶解平衡、氧化还原平衡）为重点，分区（s区，p区，d区，ds区）讲述，重点分明，条理清楚。特别是元素无机化学部分，具有“内容丰富、体系繁杂、历史悠久”的特点[ 4] ，讲好和学好元素化学对培养学生分析问题、解决问题和独立创新的能力至关重要。

在备课的过程中，教师也在反复研究教材、查阅资料、精选内容，这样才能做到高屋建瓴，视野开阔。如果讲课过程中始终局限于课本，只会把课上得枯燥乏味，不能激发学生的兴趣，因此，在授课内容中要注意引进补充内容，增加例题，使教学内容以课本为主又高于课本，体现教师的水平和特色。同时，某些知识点也应该根据学生的专业特点和学生实际适当进行调整。例如，在讲述碳族元素的时候可以给化工专业的学生增加煤化工的基本知识为他们的后续课程做铺垫，主族元素的性质递变可以要求学生通过查阅资料自己总结。

二、有针对性地强化教学重难点 无机化学课程内容多，学时少，不可能使学生牢记所有物质的性质和代表性反应。因此，教学中我们尽量突出重点即基本原理的阐述，培养学生分析问题的能力。这样即使到高年级，学生遗忘了本课程的具体内容，解决问题的方法和能力也能受用终身。教学的难点包括抽象难懂的内容和容易出错的地方。

例如，核外电子的运动状态是历届学生公认的难点。我们在教学中从回顾电子的波粒二象性开始引进薛定谔方程，结合传统的轨道含义和学生在高中了解的电子云引进量子力学中电子的运动状态。对相关的4个量子数的取值和应用增加大量示例，并形象地和学生所在寝室结合分析，层层深入，使学生建立核外电子运动状态的正确概念。而配位化合物的计算这样容易出错的地方，我们会预先给出错误的实例，加深学生印象，有助于内容的强化记忆。实践证明：有针对性地攻破难点、突出重点取得了很好的教学效果。

三、因材施教，适当引申，注重激发学生兴趣 不可否认，学生的基础、能力和知识的掌握程度有着很大的差异。所以我们也注重了教学过程中的针对性特点。对优生、学困生、中等生做到心中有数，充分考虑到他们在接受知识和技能时方式和速度的不同，在教学过程中因材施教，激发学生的兴趣和自信心，达到理想的教学效果。

同时，在元素无机化学的教学过程中，要充分考虑到学生对知识的渴求，采取适当变革的态度在教学内容上创新，适当地加入现代化学的重大发现或教师的科研项目，开阔学生的眼界，启迪思维，避免死记硬背。通过改进教学方法，学生对自然界存在的元素及主要化合物的性质及反应规律有了一个总体了解，也了解了一些在当今环境、能源、生命、材料等领域中采用的新技术，新方法和新材料。

例如，在讲配合物的应用时从人体血红蛋白结构入手，衍生出与配合物密切相关的生物无机化学的发展、人造血液、人体微量元素、抗癌药物及机理；在碳族元素中加入温室效应、全球气候变暖及钻石的相关知识；在硼族元素中加入各种宝石的图片及铊元素的中毒示例等。从学生渴望求知的眼神中可以看出他们很接受这些新的“窗口”，通过这些知识与公式原理的相互渗透，使课堂教学变得生机勃勃、面目一新，并为学生在今后专业知识的学习和工作中的“临窗远眺”乃至“破窗而出”打了一个很好的基础。

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关键词：多媒体；物理教学；高中

一、引言

随着科技的发展，教学的过程也不再因循守旧。将现代科技应用到传统教学过程，是对原有教学模式的改革，能够提高教学效率。包括高中物理在内，高中大多数学科在不同程度上都利用了多媒体教学技术，从而解决了困扰教育界的许多问题。在物理教学中，多媒体可以实现各种实验的演示，还能对预期实验结果进行模拟，并且分析实验数据，这一系列的优点，将物理过程与物理原理以更为有效和直观的方法展现给高中生。

二、应用案例———多媒体教学

《法拉第电磁感应定律》人教版物理教材选修3－2中的第四章第4节中，“法拉第电磁感应定律”是电磁学最为基础和重要的内容，它巧妙地将电、磁间的相感应联系起来，在物理学中同“牛顿三大运动定律”一样重要。因此，让学生能够充分地掌握这节课的内容对于今后电磁学的学习至关重要。但是电磁感应非常抽象，又是一个动态变化过程，仅仅依靠图片和文字讲解无法使学生有效掌握相关知识。多媒体课件的应用，形象而又准确地将电磁感应定律展现给学生，能够收到比较好的教学效果。本节多媒体课程教学是在学生已经了解了一些电磁感应基础理论知识的前提下展开的，这节课要让学生全面掌握电磁感应规律，通过教师的组织和帮助，在多媒体课件的辅助下让学生主动参与，自己去发现问题，寻找方法解决问题，最终理解知识。第一步是教师将PPT上的电路图播放给学生，如图1所示：让学生观察两个电路存在的不同，通过对比了解感应出的电流产生的条件，寻找感应电动势同磁通量之间的关系。再进行相应的理论讲解，引出感应电动势的变化同磁通量的变化快慢之间关系的问题。以动画的形式演示给学生，使学生有直观的感受，如图2所示。观察完现象后，让学生分成小组展开探讨，试着对所发现的问题进行解答。让学生知道电流表发生偏转是由于感应电流的产生，即产生了感应电动势，电流表发生偏转的幅度与感应电动势大小对应。以及，插入线圈的速度越快就能使指针产生越明显的变化，就能产生越大的感应电动势。最后在教师的帮助下得出以下结论，并将结论使用多媒体展示给学生。让高中生利用观察到的实验现象展开思考，在小组讨论中，寻找出E和Δφ之间的关系，再使用类比的方法展开猜想。最后进行总结，得出结论。课后布置例题：在如图所示的闭合电路中，导体ab在匀强磁场B中，ab长度已知，以匀速切割磁感线，求感应电动势。通过多媒体教学，能够化抽象为形象，使学生学习艰涩难懂的物理知识过程中充满乐趣，能够提高课堂效率。

三、应用案例———《核裂变》多媒体教学

教学过程中可以先给学生利用多媒体播放《核裂变过程》的视频，让学生能够“看”到反应发生的过程。让学生结合核裂变的动画和比结合能的图片，思考有什么特点的原子核可以发生裂变反应。然后通过课堂讨论，总结核裂变的特点，如图3所示。然后以视频的方式讲述中国物理学家钱三强与何泽慧对三分裂和四分裂现象的研究过程。这样能将高中物理涉及的最难的量子力学部分的核裂变课程讲得非常生动，让学生产生学习的兴趣。视频播放后，老师开始讲解比结合能的理论知识，使用比结合能来引出重核裂变的反应过程，既复习了前一节知识又串联起来本次课程。

四、总结

多媒体技术在高中物理教学中广泛使用是教育与现代科技的完美结合，能够有效改善以往枯燥乏味的物理课堂学习活动，使物理教学方式更为多样化，能够给学生的学习带来许多乐趣，使学生的学习变被动为主动。

参考文献：

［1］沙文霞．多媒体技术在高中物理教学中的应用研究［J］．无线互联科技，2015，（21）：98－99．