对量子力学的理解范文

导语：如何才能写好一篇对量子力学的理解，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。

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关键词：量子力学；经典科学世界图景；非机械决定论；整体论；复杂性；主客体互动

Abstract:Asoneofthreerevolutionsofphysicsin20thcentury,quantummechanicshasgreatlytransformedtheworldviewofclassicalscienceinmanyaspects.Quantummechanicsbreaksthoughthemechanicaldeterminisminclassicalscience,transformingitintononmechanicaldeterminism;itchangesscientificcognitiveprocessfromthetheoryofreductionismtothetheoryofwholism;itshiftsthewayofthinkingfrompursuingsimplicitytoexploringthecomplexity;italsoestablishestheinteractionbetweensubjectandobjectinscientificresearches.

Keywords:quantummechanics;worldviewofclassicalscience;nonmechanicaldeterminism;wholism;complexity;interactionbetweensubjectandobject

经典科学基本上是指由培根、牛顿、笛卡儿等开创的，近三百年内发展起来的一整套观点、方法、学说。经典科学世界图景的最大特征是机械论和还原论，片面强调分解而忽视综合。以玻尔、海森伯、玻恩、泡利、诺伊曼等为代表的哥本哈根学派的量子力学理论三部曲：统计解释—测不准原理—互补原理所反映的主要观点是：微观粒子的各种力学量（位置、动量、能量等）的出现都是几率性的；量子力学对微观粒子运动的几率性描述是完备的，对几率性的原因不需要也不可能有更深的解释；决定论不适用于量子力学领域；仪器的作用同观察对象具有不可分割性，确立了科学活动中主客体互动关系。[1]量子力学的发展从根本上改变了经典科学世界图景。

一、量子力学突破了经典科学的机械决定论，遵循因果加统计的非机械决定论

经典力学是关于机械运动的科学，机械运动是自然界最简单也是最普遍的运动。说它最简单，因为机械运动比较容易认识，牛顿等人又采取高度简化的方法研究力学，获得了空前成功；说它最普遍，因为机械力学有广泛的用途，容易把它绝对化。[2]机械决定论是建立在经典力学的因果观之上，解释原因和结果的存在方式和联系方式的理论。机械决定论认为因和果之间的联系具有确定性，无论从因到果的轨迹多么复杂，沿着轨迹寻找总能确定出原因或结果；机械决定论的核心在于只要初始状态一定，则未来状态可以由因果法则进行准确预测。[3]其实，机械决定论仅仅适用于宏观物体，而对于微观领域以及客观世界中大量存在的偶然现象的研究就产生了统计决定论。[4]

量子力学是对经典物理学在微观领域的一次革命。量子力学所揭示的微观世界的运动规律以及以玻尔为代表的哥本哈根学派对量子力学的理解，同物理学机械决定论是根本相悖的。[5]按照量子理论，微观粒子运动遵守统计规律，我们不能说某个电子一定在什么地方出现，而只能说它在某处出现的几率有多大。

玻恩的统计解释指出，因果性是表示事件关系之中一种必然性观念，而机遇则恰恰相反地意味着完全不确定性，自然界同时受到因果律和机遇律的某种混合方式的支配。在量子力学中，几率性是基本概念，统计规律是基本规律。物理学原理的方向发生了质的改变：统计描述代替了严格的因果描述，非机械决定论代替了机械决定论的统治。

经典统计力学虽然也提出了几率的概念，但未能从根本上动摇严格决定论，量子力学的冲击则使机械决定论的大厦坍塌了。量子力学揭示并论证了人们对微观世界的认识具有不可避免的随机性，它不遵循严格的因果律。任何微观事件的测定都要受到测不准关系的限定，不可能确切地知道它们的位置和动量、时间和能量，只能描述和预言微观对象的可能的行为。因此，量子力学必须是几率的、统计的。而且，随着认识的发展，人们发现量子统计的随机性，不是由于我们知识和手段的不完备性造成的，而是由微观世界本身的必然性（主客体相互作用）所注定。

二、量子力学使得科学认识方法由还原论转化为整体论

还原论作为一种认识方法，是指把高级运动形式归结为低级运动形式，用研究低级运动形式所得出的结论代替对高级运动形式的本质认识的观点。它用已分析得出的客观世界中的主要的、稳定的观点和规律去解释、说明要研究的对象。其目的是简化、缩小客体的多样性。这种方法在人类认识处于初级水平上无疑是有效的。如牛顿将开普勒和伽利略的定律成功地还原为他的重力定律。但是还原论形而上学的本质，以及完全还原是不可能的，决定了还原论不能揭示世界的全貌。

量子力学认为整体与部分的划分只有相对意义，整体的特征绝非部分的叠加，而是部分包含着整体。部分作为一个单元，具有与整体同等甚至还要大的复杂性。部分不仅与周围环境发生一定的外在联系，同时还要表现出“主体性”，可将自身的内在联系传递到周边，并直接参与整体的变化。因而，部分与整体呈现了有机的自觉因果关系。在特定的临界状态，部分的少许变化将引起整体的突变。[6]

波粒二象性是微观世界的本质特征，也是量子论、量子力学理论思想的灵魂。用经典观点来看，也就是按照还原论的思想，粒子与波毫无共同之处，二者难以形成直观的统一图案，这是经典物理学通过部分还原认识整体的方法，是“向上的原因”。可是微观粒子在某些实验条件下，只表现波动性；而在另一些实验条件下，只表现粒子性。这两种实验结果不能同时在一次实验中出现。于是，玻尔的互补原理就在客观上揭示了微观世界的矛盾和我们关于微观世界认识的矛盾，并试图寻找一种解决矛盾的方法，这就是微观粒子既具有粒子性又具有波动性，即波粒二象性。这就是整体论观点强调的“向下的原因”，即从整体到部分。同样，海森伯的测不准原理说明不能同时测量微观粒子的动量和位置，这也说明绝不能把宏观物体的可观测量简单盲目地还原到微观。由此我们可以看出，造成经典科学观与现代科学观认识论和方法论不同的根本在于思考和观察问题的层面不同。经典科学一味地强调外在联系观，而量子力学则更强调关注事物内部的有机联系。所以，量子力学把内在联系作为原因从根本上动摇了还原论观点。

三、量子力学使得科学思维方式由追求简单性发展到探索复杂性

从经典科学思维方式来看，世界在本质上是简单的。牛顿就说过，自然界喜欢简单化，而不喜欢用什么多余的原因以夸耀自己。追求简单性是经典科学奋斗的目标，也是推动它获取成功的动力。开普勒以三条简明的定律揭示了看似复杂的太阳系行星运动，牛顿更是用单一的万有引力说明了千变万化的天体行为。因而现代科学是用简单性解释复杂性，这就隐去了自然界的丰富多样性。

量子力学初步揭示了客观世界的复杂性。经典科学的简单性是与把物理世界理想化相联系的。经典物理学所研究的是理想的物质客体。它不但用理想化的“质点”、“刚体”、“理想气体”来描述物体，而且把研究对象的条件理想化，使研究的视野仅仅局限于人们自己制定的范围之内。而客观世界并不是如此，特别是进入微观领域，微观粒子运动的几率性、随机性；观测对象和观测主体不可分割性等都足以说明自然界本身并不是我们想象的那么简单。

在现代科学中，牛顿的经典力学成了相对论的低速现象的特例，成为非线性科学中交互作用近似为零的情况，在量子力学中是测不准关系可以忽略时的理论表述。复杂性的提出并不是要消灭简单性，而是为了打破简单性独占的一统地位。复杂性是把简单性作为一个特例包含其中，正如莫兰所说的，复杂性是简单性和复杂性的统一。复杂性比简单性更基本，可能性比现实性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科学思维方式，不是以现实来限制可能，而是从可能中选择现实；不是以既存的实体来确定演化，而是在演化中认识和把握实体。复杂性主张考察被研究对象的复杂性，在对其作出层次与类别上的区分之后再进行沟通，而不是仅仅限于孤立和分离，它强调的是一种整体的协同。

四、量子力学使科学活动中主客体分离迈向主客互动

经典科学思维方式的一个指导观念就是，认为科学应该客观地、不附加任何主观成分地获取“照本来样子的”世界知识。玻尔告诉人们，根本不存在所谓的“真实”，除非你首先描述测量物理量的方式，否则谈论任何物理量都是没有意义的！测量，这一不被经典物理学考虑的问题，在面对量子世界如此微小的测量对象时，成为一个难以把握的手段。因为研究者的介入对量子世界产生了致命的干扰，使得测量中充满了不确定性。在海森伯看来，在我们的研究工作由宏观领域进入微观领域时，我们就会遇到一个矛盾：我们的观测仪器是宏观的，可是研究对象却是微观的；宏观仪器必然要对微观粒子产生干扰，这种干扰本身又对我们的认识产生了干扰；人只能用反映宏观世界的经典概念来描述宏观仪器所观测到的结果，可是这种经典概念在描述微观客体时又不能不加以限制。这突破了经典科学完全可以在不影响客体自然存在的状态下进行观测的假定，从而建立了科学活动中主客体互动的关系。

例如，关于光到底是粒子还是波，辩论了三百多年。玻尔认为这完全取决于我们如何去观察它。一种实验安排，人们可以看到光的波现象；另一种实验安排，人们又可以看到光的粒子现象。但就光子这个整体概念而言，它却表现出波粒二象性。因此，海森伯就说，我们观测的不是自然本身，而是由我们用来探索问题的方法所揭示的自然。[8]

量子力学的发展表明，不存在一个客观的、绝对的世界。唯一存在的，就是我们能够观测到的世界。物理学的全部意义，不在于它能够描述出自然“是什么”，而在于它能够明确，关于自然我们能够“说什么”。

参考文献：

[1]林德宏.科学思想史[M].第2版.南京：江苏科学技术出版社，2004：270-271.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].第2版.北京：清华大学出版社，1993：1-2.

[3]刘敏，董华.从经典科学到系统科学[J].科学管理研究，2006，24(2)：44-47.

[4]宋伟.因果性、决定论与科学规律[J].自然辩证法研究，1995,11(9)：25-30.

[5]彭桓武.量子力学80寿诞[J].大学物理，2006，25(8)：1-2.

[6]疏礼兵，姜巍.近现代科学观的演进及其启示[J].科学管理研究，2004,22(5)：56-58.

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作者认为量子和量子化是20世纪物理学中最伟大的发现。尽管量子力学现象并没有对仍为经典物理学所支配的我们的意识世界构成直接冲击，但量子力学已经成了物质和辐射的所有现象的理论基础，而且也将是21世纪文明的一切方面的基础。作为大学物理学中的主要学科，量子力学的卓越教科书并不鲜见，许多成功的教材采用公理化方法，从一组基本公理出发建立量子力学的理论体系，然后借助于一系列数学步骤发展它的全部推论。但是量子力学究竟是怎么来的？我们能够理解对于这样一种抽象形式所对应的解释吗？近几十年来关于这些问题的详细讨论有许多著作面世，特别值得一提的是1967年出版的“量子力学起源”（Source of Quantum Mechanics，B.L.van der Waerden 著）和1992年-2001年出版的6卷集“量子理论的历史发展”（The Historical Development of Quantum Theory，Mehra and Rechenberg 著）等，都得到了广泛的好评。但作者认为这些优秀著作通常内容很深，需要读者具有很强的经典与量子物理的基础。

作者曾于2003年撰写了“物理学中的理论概念”（Theoretical Concepts in Physics）一书，从历史角度重新思考物理学的基础，讨论了到量子发现与被物理学界接受为止的经典物理学和相对论理论概念的发展。本书是作者对于量子物理继续作出的努力。作者假定读者熟悉不超过大学二年级水平的物理与数学知识，力求采用的数学不失严格性而尽可能简单，使最后一年的大学生在阅读时不会遇到麻烦。

全书内容分成3个部分，共18章：第1部分 量子的发现，含第1-3章：1.1895年的物理学与理论物理学；2.普朗克和黑体辐射；3.爱因斯坦和量子，1900-1911。第2部分 氢原子的波尔模型，含第4-8章：4.Sommerfeld 和Ehrenfest-推广的波尔模型；5.爱因斯坦系数，波尔对应原理和第一个选择定则；6.理解原子光谱——可加量子数；周期表的波尔模型和自旋起源；7.波尔的元素周期表模型和自旋的起源；8.波粒二象性。第3部分 量子力学的发现，含第9-17章：9.旧量子论的失败及其重生的原因；10.海森伯的突破性进展；11.矩阵力学；12.狄拉克的量子力学；13.薛定谔和波动力学；14.矩阵力学与波动力学的殊途同归；15.自旋和量子统计；16.量子力学的解释；17.一个时代结束之后。

作者特别强调本书不是一部量子力学的教科书，而是专为高年级大学生、物理学家、历史学家和物理哲学家撰写的一部专著，可以看作是标准教材的补充，可以增强对于量子物理学的理解和欣赏。本书对浩瀚的物理学史的文献与专著进行了汇总，通过引人注目的叙述，提供了物理学家和数学家实际工作的许多范例。与其他教科书相比，本书特别赞赏在数学、理论与实验之间的交流，并在这种思想指导下对于帮助读者深入理解量子力学的发展做了最大的努力。

丁亦兵，教授

（中国科学院大学）

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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）

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Introductionto Quantum Mechanics

Schrodinger Equation and Path Integral，

2nd Edition

2012，950 p

Hardcover

ISBN9789814397735

Harald J W MüllerKirsten著

薛定谔在1926年建立了以他的名字命名的方程，开创了量子力学进入严格的和近似定量计算的新局面，促进量子力学迅速扩展了应用能力和范围。20年之后费曼提出了量子力学的路径积分形式，并证明了与薛定谔方程的等价性。它不仅能够解决量子力学中的一般的定量计算问题，而且在随后几十年的量子场论和规范场论的发展过程中起了不可替代的重要作用。这两种定量处理方法各有优劣，薛定谔方程对于量子力学问题的处理无疑具有极大的优点，其图像清晰而且在数学上有许多为物理学家熟悉的成熟处理方法，受到物理学家的普遍欢迎。相比之下，路径积分方法的使用要麻烦得多。但近年来，人们越来越发现路径积分方法在很多应用中有着独特的优越性。对于这两种方法，已经有许多优秀的量子力学教科书以及专著分别给出了非常详细的讨论。但是将两种方法对同一问题的解决办法进行相互对照与比较，从而对于各自的优点和特定的应用范畴有更深刻的理解的著作还十分罕见，本书填补了这一空白。

这是一部量子力学的教科书，它涵盖了作为导论性课程所有的主要内容，不但详述了各种位势下薛定谔方程的微扰解，介绍并算出了对应的路径积分的解，而且还详细地考虑了微扰展开的高阶行为，这在其他类似的书籍中很少见到。本书的另一特点是没有提供习题，而是结合课文的内容选用了大量例题，给出了非常详细的计算细节，对于读者的学习十分有利。

本书的第1版出版于2006年。第2版中，添加了许多重要的应用和很多实例。特别是关于Coulomb势的一章被扩充到包含了化学键的介绍，而周期势的一章补充了关于金属和半导体能带论的一节，而在高阶行为的一章添加了关于渐进展开中成功地计算收敛因子的例证。

全书共分成29章：1.导言；2.哈密顿量子力学； 3.量子力学的数学基础；4.狄拉克的右矢和左矢形式体系； 5.Schrdinger方程和Liouville定理；6.谐振子的量子力学； 7.Green函数；8.时间无关微扰论； 9.密度矩阵和极化现象； 10.量子理论：一般形式体系； 11.Coulomb 相互作用； 12.量子力学穿透；13.线性势； 14.经典极限和WKB法； 15.幂次势； 16.屏蔽Coulomb势； 17.周期势； 18.非简谐振子势； 19.奇异势；20.微扰展开的高阶行为；21.路径积分形式； 22.经典场组态； 23.路径积分和瞬子； 24.路径积分与沿一条线上的弹跳； 25.周期性的经典组态； 26.路径积分和周期性的经典组态；27.约束系统量子化；28.量子-经典跨接作为相变；29.结束语。

本书对物理系的大学生和研究生以及数学和粒子物理的研究人员非常适用。对希望扩大自己量子力学技巧的理论物理学家和想要更进一步钻研量子力学的其他专业的研究生以及所有对微扰方法、路径积分及其在经典场伦中的应用感兴趣的读者都具参考价值。

丁亦兵，教授

（中国科学院大学）

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理论物理作为大学物理系本科的必修课，在大学生用一年到两年的时间学完普通物理之后开始学习。传统的所谓四大力学，即理论力学、热力学和统计力学、电动力学、量子力学，应该在第三年和第四年学完。这四门课的分量都很重，用到的数学知识很多超过基础的高等数学的范围。因此，合适的教材对于师生都很重要。著名教材为数不少，最著名的像兰道和他的助手撰写的大部头巨著，堪称经典；但其难度通常超过一般大学生的接受水平，因而一些导论性的教程更受欢迎。而随着现论物理学不断向着更高水平、更深层次和更为广泛的领域的发展，教材的内容也不断地更新。本书正是在这种思想指导下编写而成的。

作者从事大学理论物理学位课程教学30多年，积累了丰富的经验，对传统的理论物理的讲授模式形成了自己一些独特的看法。他尝试以5个模块形式，把他认为应该掌握的理论物理内容以一种统一的和自成体系的形式纳入到单独的一卷教程之中。这5个模块涵盖了20世纪理论物理学的所有重要分支，包括非相对论量子力学，热与统计物理、多体理论，经典场论（包括狭义相对论和电磁学）以及相对论量子力学和夸克与轻子的相互作用的规范理论。

本书把这5个模块分成20章。第一模块为非相对论量子力学，含第1-4章： 1. 量子力学的基本概念；2.表象理论；3. 近似方法；4.散射理论。第二模块为热与统计物理，含第5-12章：5. 热力学基础；6. 量子态和温度；7. 微观状态的概率和熵； 8.单原子理想气体； 9. 经典热力学的应用； 10. 热力学势及导数； 11.物质转换和相图； 12. FermiDirac和BoseEinstein统计。第三模块为多体理论，含第13-16章：13. 多粒子系统量子力学和低温热力学； 14. 二次量子化； 15. 相互作用电子气； 16. 超导。第四模块为经典场论和广义相对论.含第17-18章：17. 场的经典理论；18. 广义相对论。第五模块为相对论量子力学和规范理论，含第19-20章：19. 相对论量子力学；20. 夸克和轻子相互作用的规范理论。

本书的一个突出特点是完整地给出了所有重要结果的详细数学证明，使一个完成了高中数学课程和大学第一年物理学学位课程的学生能够理解和欣赏理论物理很多重要结果的导出过程。只要是完成了较高一点水平的数学课程，读者都会发现，书中的每一部分都是他们所需要的。

本书描写的理论概念和方法通常包含在一年级研究生的课程中。本书附录中列出了一份推荐阅读的书目清单，以便读者参考。

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关键词：科学史；近代物理；教学改革；高等教育

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）50-0072-03

近代物理是高等学府物理类、化学类和电子类学科的一门必修课，通常放在讲授完大学物理之后。大学物理的内容主要是理论力学、电动力学、热力学和统计物理。近代物理的内容主要是相对论和量子力学。由于相对论和量子力学离我们的日常生活经验比较远，所以学起来比较晦涩难懂。本文介绍了笔者如何通过讲授近代物理知识和对应的近代物理科学史相接合，来提高同学们对近代物理的理解和兴趣。

一、近代物理科学史简介

近代物理的科学史是一部十分生动活泼的历史，时间跨度大概是从1900年到现代。这段时间可以说是十分不平凡和波澜壮阔的一百多年。这期间发生了人类历史上仅有的二次世界大战，其中涌现的具有极高才华和贡献的科学家数量差不多抵得上人类历史上前五千年的科学家数量总合。而人物传记作家也多对他们的人生经历极为感兴趣，出了很多关于他们的传记[1-3]。另外这些近代物理学家们很多本身也颇博学多才，具有良好的文学才能和修养，因此很多人他们自己也出自传。这些传记和自传都能给《近代物理》课堂上的科学史教学提供丰富的素材和参考。相对论和量子力学的理论和公式虽然比较高深难懂，但是它们解释的现象由于跟人们的日常经验相悖，所以还是会引起人们广泛的兴趣。比如时间和空间是不可分的，物体的动量和时间不能同时精确测量，光速是宇宙中最快的速度，这些一般人凭经验的确很难理解。进而人们也会对提出和发现这些理论的科学家们（如爱因斯坦）感兴趣。图1为作者按照时间顺序出场依次在课堂上介绍的量子力学史上各个重要的历史人物。这些科学人物大多数彼此交往比较密切，在学术上好像切磋和影响，进而也加速了思想火花的碰撞和创新性理论的诞生。

在课堂上讲述近代物理科学史的过程中，还可以帮助同学们了解在学术研究过程中需要注意的问题。比如搞科研不能囿于自己的私密空间，而要鼓励多做学术交流。学术交流的好处是：（1）可以了解最新的研究动态；象在近代物理史上著名的哥本哈根学派就是个很好的例子。1921年，在著名量子物理学家波尔的倡议下，成立了哥本哈根大学理论物理学研究所，由此形成哥本哈根学派。其中波恩、海森堡、泡利以及狄拉克等都是这个学派的主要成员。由于哥本哈根学派提供了很好的学术交流环境和学术氛围，在这个学派里鼓励发表不同的观点，不迷信权威，所以涌现出了很多重要的量子力学成果。（2）可以发现自己的不足；比如爱因斯坦于1919年在刚开始推导广义相对论的时候，在公式里人为增加了一个常数项，从而得出他起先所认为的静态宇宙模型。不过1922年亚历山大・弗里德曼摒弃了这个常数项，从而得出相应的宇宙膨胀理论。比利时牧师勒梅特应用这些解构造了宇宙大爆炸的最早模型，模型预言宇宙是从一个高温致密的状态演化而来。到1929年，哈勃等人又用实际的观测证明我们的宇宙的确处于膨胀状态。通过学术交流，爱因斯坦终于接受了宇宙膨胀理论，并承认添加宇宙常数项是他一生中犯下的最大错误。（3）可以激发自己的灵感；比如波尔在1911年从丹麦哥本哈根大学获得博士学位后去英国学习，先在剑桥汤姆逊主持的卡文迪许实验室工作，几个月后又去曼彻斯特在卢瑟福的手下搞科研，这使得他对汤姆逊关于原子的西瓜模型和卢瑟福的核式原子模型了如指掌，同时他又很熟悉普朗克和爱因斯坦的量子学说，这些学术交流活动激发了他的灵感，使得他最终于1913年初创造性地把普朗克的量子说和卢瑟福的原子核概念结合起来，提出了自己的波尔原子模型。（4）可以激励自己不断进步和成长。比如薛定谔在1925年受到爱因斯坦关于单原子理想气体的量子理论和德布罗意的物质波的假说的启发，从经典力学和几何光学间的类比提出了对应于波动光学的波动力学方程，从而奠定了波动力学的基础。但是他一开始并不清楚他自己建立的波动方程中的波具体代表什么物理概念。起初他试图把波函数解释为三维空间中的振动，把振幅解释为电荷密度，把粒子解释为波包，但他无法解决“波包扩散”的问题。最终经过他与波恩的多次学术交流，他逐渐认识到波函数其实是代表粒子在某时某个位置出现的几率，是一种几率波。

二、近代物理知识简介

近代物理的知识主要分为两大类：相对论和量子力学。相对论分为狭义相对论和广义相对论，内容包括伽利略坐标系、迈克尔逊-莫雷实验、洛伦兹变换、闵可夫斯基空间、质能关系式和相对论能量-动量关系式等。量子力学知识包括黑体辐射、光电效应、波尔原子模型、康普顿效应、德布罗意波、戴维逊和革末实验证实了电子的波动性、不确定性原理和薛定谔方程等。这些近代物理理论的公式通常比较复杂，需要用到高等数学的知识，比如薛定谔方程是一个偏微分方程，狄拉克方程里包含矩阵。因而对于近代物理公式的求解就变得十分困难，也不太直观。图2罗列了按时间顺序出现的课堂上需要讲授的量子力学公式。

黑体辐射公式描述的是频谱（单色能密度）u（v，T）和温度以及频率的关系式。光电效应是指每种金属存在截止频率。当照射在金属上的频率小于截止频率时，不管光强多大，照射时间多长，也不会有光电子产生。而当照射在金属上的频率大于截止频率时，不管光强多小，也会产生光电子，且响应时间小于1纳秒。光电子具有各种初速度，其最大初动能与光辐射频率成线性关系，而与光辐射强度无关。当频率在截止频率之上时，单位时间内发射出来的电子数目即光电流强度与光辐射强度成正比。在光电效应理论中，光的能量和光的频率成正比，光的动量和光的波长成反比。

波尔的原子模型给出了电子在分立轨道上的能量公式。能量和电荷的四次方成正比，跟定态的平方成反比。电子在定态具有分立的能量，在定态运动时不辐射电磁能量；但电子可以从一个定态能级跃迁到另一个能量低的定态能级，相应于两个能级差的能量将作为光子被释放出来。德布罗意公式则是给出了物体的能量和动量与其说对应的物质波的波长和频率之间的关系。动量和波长成反比，而能量和频率成正比。薛定谔方程精确地给出了物质波函数的表现形式。微观粒子的量子态可用波函数表示。当波函数确定，粒子的任何一个力学量及它们的各种可能的测量值的几率就完全确定。波函数跟粒子的质量和势能相关。波函数的自变量中包含空间坐标和时间坐标。由于薛定谔方程中出现虚数i，所以波函数原则上应是复数。它同时满足能量守恒，是线性的、单值解的。它给出的自由粒子解与简单的德布罗意波相一致，满足因果律。相对于薛定谔方程之于非相对论量子力学，狄拉克方程[4]是相对论量子力学的一项描述自旋-1/2粒子的波函数方程，不带矛盾地同时遵守了狭义相对论与量子力学两者的原理，实则为薛定谔方程的洛伦兹协变式。这个方程预言了反粒子的存在。

三、近代物理科学史和近代物理知识的结合讲解

近代物理课如果只是讲解近代物理知识，往往显得枯燥无味，难以理解。其实任何科学知识都不是凭空产生的，往往经历了好几代人的不懈努力，最终从量变到质变，导致相对论或量子力学的建立。薛定谔方程也不是一蹴而就，而是经过很多科学家几十年的努力。如果一开始就讲解薛定谔方程，同学们通常很难理解。而如果采用循序渐进的方法并结合科学史来讲，抽丝剥茧，逐渐揭开真理的面纱，那么同学们不光饶有兴趣，而且更容易理解。图3列出了结合科学史和科学人物的近代物理讲解流程。在讲解科学史的过程中，重点讲解科学人物和他们的研究方法，以及这些近代物理公式是怎么一步步得来的。通过近代物理知识和科学史的结合讲解，可以启发同学，让他们了解任何知识都是建立在前人知识和研究的基础上。比如普朗克的黑体辐射公式来自于瑞利-金斯定律和维恩位移定律的启发。瑞利-金斯定律能够解释低频率下的结果，却无法解释高频率下的测量结果。而维恩位移定律能够解释高频率下的结果，却无法解释低频率下的测量结果。而普朗克公式是把这两种定律公式进行一下内插。通过这种历史背景的介绍，同学们就对普朗克公式的来龙去脉知道得一清二楚，对此公式也就理解得更深刻。普朗克公式其实一开始是一个不得已而为之的公式，然后普朗克对此公式进行反推，发现只有认为能量是量子化的，才能得出跟实验结果相吻合的普朗克公式。能量是非连续而是分立的，即使这个想法在当时是多么背离人的日常经验和惊世骇俗，由于它是唯一的解释，普朗克也就不得不接受了这个能量量子化思想。

而能量量子化这个理论不管在当时看上去多么荒谬，还是有人慧眼识珠的。5年之后的1905年，爱因斯坦凭着他对物理学的敏锐欣然接受了能量量子化这个观点，并在此基础上解释了光电效应。近代物理的科学史是一环扣一环，十分引人入胜。在课堂上授课时通过人物->公式->人物…->公式的顺序把所有近代物理的公式合理地衔接起来，自成一个整体，同学们学习起来就会思路清晰，公式也会记得牢，进而对公式能活学活用。普朗克和爱因斯坦彼此惺惺相惜，而普朗克也是少数很快发现爱因斯坦狭义相对论重要性的人之一。在爱因斯坦发表光电效应的8年之后，波尔也接受了能量量子化这个观点，并进而创新性地提出了三个假设：（1）定态假设，即电子只能在一系列分立的轨道上绕核运动，这些轨道对应确定能量值的稳定态，电子在这些状态（轨道）上不辐射电磁波；（2）跃迁假设，即原子在不同定态之间跃迁，以电磁辐射形式吸收或发射能量；（3）角动量量子化假设，即电子轨道角动量是分立的，首尾位相相同的环波才能稳定存在。波尔根据这三种假设成功推导出了氢原子的光谱公式，和实验结果完全吻合。

接下来就轮到德布罗意登场。在波尔提出原子模型的10年之后，1923年德布罗意创新性地在他的博士论文里提出了波粒二象性的观点。以前的量子论观点都是围绕光和能量，没有触及实际的物质或粒子。而德布罗意破天荒地提出任何物体都具有波粒二象性，既包括光，也包括电子、原子甚至人体等所有宇宙中的物体。德布罗意当时的博士生导师朗之万不认可这个观点，但是他比较有责任心，没有直接否决掉德布罗意的博士论文，而是把论文寄给爱因斯坦定夺。而爱因斯坦对物理的理解十分透彻，他马上承认了德布罗意的博士论文的正确性，并且将论文送去柏林科学院，使此理论在物理学界广为传播。1924年，德布罗意又提出可以用晶体作光栅观察电子束的衍射来验证他的波粒二象性理论，因为电子的波长和晶格间距处于同一个数量级。很快就有人响应了德布罗意的实验设想，1927年，克林顿・戴维森和雷斯特・革末用电子轰击镍晶体，果然发现电子的衍射图谱，和布拉格定律预测的一模一样，这证实了德布罗意的波粒二象性理论正确无误。既然电子是一个波，那就应该有个波动方程。所以德布罗意的理论极大地启发了海森堡和薛定谔，导致这两位科学家同时在1925年分别发表了薛定谔方程和矩阵力学，两者可以得到同样的结果。薛定谔随后证明，两者在数学上是等效的。薛定谔方程使用微分方程的形式，比矩阵力学容易理解，所以近代物理的授课一般只讲薛定谔方程。薛定谔提出了薛定谔方程之后，又有个新问题，就是此方程不符合相对论协变性原理，即物理规律的形式在任何的惯性参考系中应该是相同的。所以需要有另外一个量子力学方程来满足相对论。这个任务最终是3年之后（即1928年）由狄拉克来完成的。至此，在讲述有趣的近代物理科学史的同时同学们也掌握了丰富的近代物理知识。

总而言之，在近代物理的教学过程中结合近代物理科学史进行授课，提高了同学们对于近代物理知识的理解和兴趣，避免了填鸭式的教育，让同学们在掌握知识的同时更了解了科学家们科学的研究方法，“授之以渔不如授之以鱼”。该教改收到了十分良好的效果。

参考文献：

[1]格雷克.牛顿传[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]艾萨克森.爱因斯坦传[M].长沙：湖南科技出版社，2012.

篇7

[关键词] 原子物理学 教学改革 实践教学

随着科技的飞速发展,原子物理学已经成为21世纪重要科学技术的共同基础之一,它在高新科技中的基础地位和重要作用日益显现。同时它在培养学生的创新精神和科研能力方面也有着不可替代的作用,所以原子物理学成为了物理学专业的基础课程之一,也成为了其他理工科专业的必修课程之一。

一、原子物理学课程的性质与我系开设的历史回顾

原子物理学为物理学专业的基础课。它上承经典物理,下接量子力学,属于近代物理的范畴,是学习理论物理和从事材料科学、信息科学、光学、激光技术、化学、生命科学、能源科学、环境科学以及空间科学研究的基础。在内容体系的描述上,原子物理学采用了普通物理的描述风格,讲述量子物理的基本概念和物理图象以及支配物质运动和变化的基本相互作用,并在此基础上讨论物质结构在原子、原子核以及基本粒子等层次的性质、特点和规律。我院在上个世纪80年代就开设原子物理学课程,在90年代中期,为了全面讲解近代物理学的知识,我们曾经以近代物理学代替了原子物理学。到20世纪90年代末,又把原子物理学作为一门独立课程进行了设置。2002年,我院开始招收物理学专业本科学生,原子物理学成为一门专业基础课。为了提高原子物理学教学的效果,我们从2003级学生开始着手对原子物理学课程进行教学改革,2003级和2004级是探索阶段,在2005级、2006级、2007级加大了改革的力度。

二、原子物理学课程教学改革的实践

1.调整课程结构,整合教学内容,增加现代化的知识

调整课程结构,整合教学内容是教学改革的核心工作。在原子物理学的教学改革中,我们始终坚持把调整结构整合内容作为教改的中心工作。我们在教学中发现,随着科技的迅猛发展,许多高新科技都用到了原子物理学的基本理论,而我们大部分院校使用的教材是圣麟先生编写,1979年,出版的《原子物理学》,该教材虽然是1987年获国家教委一等奖的优秀教材,但是由于编写时间较早,缺少一些新知识、新技术的介绍,教学内容需要整合和充实。我们本着“加强基础,结合前沿,促进创新”的精神,对原子物理学的教学内容进行了大胆的调整和整合,重新编写了教学大纲和考试大纲,加强了科学前沿和高新技术的引进。精简和整合了传统教学内容,如旧量子论和中学物理已经涉及到的东西;大量引入了科技前沿和新成果,如里德堡原子、μ原子、反原子、反物质、粒子加速器、新粒子的探索、电子自旋成像等;引入多学科综合性问题,如隧道扫描显微镜,纳米科技,激光技术、原子的冷却等;引入应用领域问题,如激光技术,X射线造影,核磁共振,核电站的建设、太阳能的利用、中子弹的研制等;引入我们自己的科研工作,如纳米晶丝的磁性、铁磁非晶丝的磁化、磁晶各向异性等,介绍近些年诺贝尔物理学奖获得者的学术成就等。同时,我们还尝试了原子物理学和量子力学打通的工作,与量子力学课程组进行了研究。这样经调整整合后,其教学内容在已知与未知、过去与未来、基础与前沿等之间保持了一种恰当的张力,以针对性、应用性、实践性和满足后续课程(量子力学、固体物理等)学习需要为前提,既保留了该门课程的基本知识框架、知识间的内在联系,又反映了本学科领域最新科技成果和研究前沿方向,构建了支持学生终身学习的知识平台,促进了学生创新意识、实践能力和综合素质的培养,充分体现了教学内容的先进性和现代化,经过几年的实践,收到了良好的效果。

2.改革教学方法,培养学生的学习能力

有了先进的教学内容,如何让学生接受消化成了我们要研究的一个突出问题。按照学校的总体培养方案,原子物理学课程的教学时数越来越少,从每学期的72学时,减少到了54学时,48学时,再考虑到法定节日耽误的课时,一个学期48个学时都难以保证。而原子物理学是一个从经典物理到现代物理的一个过渡课程,有时用旧量子论处理问题,有时又必须用量子力学理论处理问题,这样就给学生造成了一个接受和理解的难度,有时甚至是造成了混乱和困惑,学生无所适从。为此我们对教学方法进行了研究。

第一,树立研究型教学思想,培养学生的学习能力,体现先进的课程理念。在原子物理学的教学中,我们首先更新观念,树立“以人为本,以学生为中心”的现代教育教学理念和以素质教育为主的研究型教学思想,以满足社会需要、学习者个人发展以及学科自身特殊性为前提,强调基本素质、基本知识、基本能力和基本技能并重,强化了课程理念的先进性。

第二,在教学方法上,一改过去“教师唱主角满堂灌”的“注入式知识教育”为适应培养学生学习能力的“研究式素质教育”。正好我系2005级以后物理学专业学生的班容量不是很大,给我们改革教学方法提供了方便。我们采用了精讲式、启发式、研究式、探索式、渗透式等多种教学方法,增加了讨论课、学习报告的学习形式。对一些奠定基础的、在历史上起到重要作用的、在知识体系中不可或缺的内容必须精讲、启发;对一些前沿性的、应用性的、综合性的、没有定论的东西则采用研究、探索、渗透的方式;每学期设置2次讨论课,1次学习报告课,把学生在学习中遇到的感兴趣的、通过查阅资料能够解决的问题以及没有定论需要继续研究的问题在讨论和报告中处理;而有些知识则是采用不讲的方式,由学生自学,由连续型细节式授课转变为跳跃型平台式授课。这些教学方法的改进,极大地拓宽了学生的视野,提高了学生的学习积极性,促进了学生学习的主动性,培养了学生的学习能力和创新精神。

第三,在教学手段上,跳出了“一支粉笔一块黑板一张嘴”的填鸭式,编制了多媒体课件、电子教案等,利用现代化的网络技术来辅助教学,同时也注意纠正了“以机代人、人机共灌”的极端多媒体教学方式,这样由过去单一的课堂教学转化为多形式的互动交流,既解决了课程容量与教学时间的矛盾,同时又激发了学生的学习兴趣。培养了学生的学习能力和研究能力。

3.把原子物理学的教学与学生的毕业论文有机结合

为了激发学生的学习兴趣,我们把原子物理学的教学与学生的毕业论到了有机结合。近几届学生的毕业论文都有选自原子物理学课程的。有一些综述型的题目,如:原子物理学与量子力学的衔接、物质的结构层次、组成物质的最小单元、里德堡原子与μ原子、反原子与反物质等;有一些应用型的题目,如太阳能与我市太阳能利用、核电与我国的核电站、现代医疗与原子物理学等;也有一些研究型的题目,如:兰姆位移的实质、电子自旋对原子光谱的影响、纳米晶丝的磁性与原子磁矩、铁磁性物质参杂后的磁性等。

4.把近代物理实验与原子物理学课程打通

我系也和其他大部分院校一样,在开设原子物理学课程的同时,开设的另一门独立实验课程是近代物理实验,它由实验老师独立完成。在原子物理学进行教改的时候,我们发现近代物理实验许多都是和原子物理学有关系的,许多就是原子物理学理论的一个验证或是应用。为使原子物理学的理论和实验更加紧密地结合,增强学生对原子物理学理论的感性认识,经过系领导的同意,我们和近代物理实验老师合作,共同组成了原子物理学课程组,实现了原子物理学的理论教学和实验教学的同步,既深化了学生对理论的理解,也降低了实验课程的难度。效果颇佳。

5.编制了一些课程扩充资料

为了帮助学生理解课程内容,我们参考其他院校的做法,编制了作业题解答、课外习题集、考试试题库、卷库,并且选定了一些科技期刊和阅读材料提供给学生阅读和学习,开宽学生的眼界。

三、对原子物理学课程教学改革的思考

虽然对原子物理学课程的教学改革,我们取得了一些效果,但是总感觉教学改革进行的还不彻底,还有许多不尽如人意的地方,还有许多工作要做,关于这些我们做了如下思考。

第一,对原子物理学教学内容体系能不能来一个大的改革。首先,旧量子论的内容跳过不讲,直接用量子力学的理论来讲原子物理学。既在光谱的实验规律、弗兰克-赫兹实验、史特恩-盖拉赫实验、黑体辐射实验、康普顿效应等的基础上给出量子力学,然后用量子力学理论去研究原子的能级、光谱、电子自旋、原子核结构等问题。而把玻尔的旧量子论作为一个历史情节介绍,降低旧量子论的比重。其次,增加前沿动态。因为我们没有后续的原子核物理、粒子物理,所以特别应该增加原子核的方面的知识;增加粒子物理方面的知识;增加应用性的知识;增加外场中原子的行为和现象的介绍,增加新核素、新粒子的观察与探索等内容。

第二,一定要把原子物理学与量子力学打通,整合成一门理论课,并且把原子物理学、量子力学、固体物理学、近代物理实验组合成一个课程群。使之在培养学生的科研能力、学习能力和创新能力上做出更大的贡献。首先,原子物理学和量子力学必须打通,因为目前的分工看,原子物理学是量子力学的先行课程,成为了量子力学的基础,而量子力学又是处理原子问题的有力工具,二者相互渗透,没有先后。如果能够把原子物理学和量子力学打通成一门理论课程,那样既可以完善原子物理学中的理论,又可以增强学生对量子力学的感性认识,使得两门课程的体系更加完整,学习难度会自然降低。其次,要认真研究如何实现原子物理学、量子力学、固体物理学、近代物理实验这一课程群,并以此为依托申报省级以上的教改立项课题。这几门课程的理论是相通的,只是适用对象不同,所以会衍生出许多不同的知识,这个课程群建成后,能够使学生的知识体系更加紧凑和完善,使几门课程的知识互通,能够降低学习难度,能够使学生方便地接触到科技前沿,激发学习兴趣,对毕业后从事高新科技或是教授大中学的相关课程都是大有裨益的。

第三,如何进行考试改革。学生成绩的考核方式直接决定着学生的学习态度,我们要改传统的“结果性”考核为“过程性”考核。加强对学生学习过程的监测,注意发现那些有创新精神、勤奋刻苦的学生,注意发现那些有一定特长、有潜力、不循规蹈矩的学生,加强培养,加强引导。

第四,如何进行实践性教学内容的改革。实践性的教学在培养学生创新精神和创造能力方面具有不可替代的作用。如何充分发挥实践性教学的作用一直是我们努力探索的一个课题。我们要使实践性教学走出实验室,使实验课程走出验证的初级阶段,开设综合性、开放性、创新性实验,这一点需要一定的物质基础,值得我们去研究。

第五,关于教材的选择与处理。教材可以说是教学的抓手,是最为重要的教学资源。就目前看,比较通用的原子物理学教材是圣麟先生编写的《原子物理学》和杨福家院士编写的《原子物理学》,这两个版本的教材各有自己的优点。我们的观念是“教学是用教材教,而不是教教材”,今后,我们计划改以前固定一种版本教材为两种版本交替使用。这样有一个好处是上下连续两届学生可以互相借阅,使学生在学习时基本上都能够有两本教材,方便了学习。

以上这些只是我们在原子物理学课程改革中的一些做法和想法,有的甚至可能还很不成熟,希望得到各位同仁的支持和帮助。

参考文献:

篇8

1985年秋天，我免试进入南京大学物理系开始本科学习，从此与物理结下不解之缘.我们那一届南大物理系招了约120人，其中女生16人.进校时就分了专业，我们晶体物理专业有20人，其中女生4人.记得刚进校时，系里就安排了几场报告会介绍学校和物理系的概况.聆听着从1920年以来南大物理系发展和不断壮大的历史，感悟着从这里走出来的一位位名家的故事，我这才意识到自己能进入南大物理系学习是多么幸运.

物理系学生的课程学习是紧张的，从力学、光学、电磁学和热学等普通物理开始，再到理论力学、量子力学、电动力学和统计力学等理论物理，最后再学固体物理，一环套一环，层层深入.虽说基础物理中的绝大部分概念在中学已经提及，但实际上到了大学，需要在新的层次上重新认识和理解诸如动量、温度、熵等基本概念；同时课程学习更是思维方法和习惯的训练过程，比如我们通过力学的学习培养代数思维，学会抓主要矛盾进行近似处理，而思维的培养往往比纯粹的知识获得更为重要.在理论物理中，我对量子力学的学习最有印象.我们在系统学习量子力学之前，有“物理学史”和“近代物理基础”作先导课程，对物质波、波粒二象性等概念已有了些许认识，然后有“数学物理方法”做数学后盾，学习量子力学时觉得非常有意思，值得思考的概念多，初想不通的物理过程也多，但当一个个貌似困难的问题被攻克后，那种兴奋和享受真是令人难忘.在量子力学的学习中，我觉得自己真的是可以学物理的.从大一到大三，我们绝大部分课是在能容纳二百人的大教室上的，记得那时我们十几个女生常常坐在教室的前两排，这样除了听课的效果特别好以外，据说还构成一道亮丽的风景.我们的老师大都很有教学经验，丝丝入扣，循循善诱，我习惯于笔头勤一点，在课堂上跟着老师完成公式推导，课后翻阅一些参考书进一步理解概念，然后做一些习题，有时还做一些小论文，大部分课程学得比较自如.

大学里物理实验的教学让我们受益匪浅.那时实验课大都安排在晚上，每周有两到三次.每逢有实验课，大家都早早吃过晚饭，急匆匆往物理楼赶，然后三三两两地等在实验室的门口，生怕来迟会影响当晚的实验进展.实验时也都很专注，常常是两个人合作，因为实验预习时就分工明确，合作起来一般都很协调，也很愉快.记得起初，我们总以抢先测得当日实验结果为荣，实验时难免慌慌张张、毛手毛脚；后来，知道应该围绕实验目的，做好每一步调试和测量；慢慢地，开始享受每一次的实验过程，享受对每一次实验结果的处理与分析……从大一到大三，从普通物理实验做到近代物理实验，每每带着满脸的兴奋离开物理楼，按理说，忙碌了一个晚上应该也是辛苦的，但大家都乐此不疲.

（本文原载《物理》2010年第3期，有删节）

篇9

[关键词] 自我管理计划；家庭氧疗；慢性阻塞性肺病；血液流变学

[中图分类号] R473 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2016）01（a）-0176-05

Effect of self-management program combined with home oxygen therapy on hemorheology and survival quality of patients with COPD

JIN Ling

Department of Respiratory Medicine， the Central Hospital of Fushun City， Liaoning Province， Fushun 113006， China

[Abstract] Objective To investigate the effect of self-management program combined with home oxygen therapy on hemorheology and survival quality of patients with COPD. Methods A retrospective analysis of clinical data of 50 patients with stable COPD in Central Hospital of Fushun City （“our hospital” for short） from January 2012 to January 2013 were selected as control group. Retrospective analysis of clinical data of 50 patients with stable COPD in our hospital from February 2013 to January 2014 were selected as observation group. The control group of patients received long-term home oxygen therapy after discharge. The observation group of patients received self-management plans based on long-term home oxygen therapy after discharged， and implement self-management intervention. Before intervention and 3， 6 months after intervention， St. George's Respiratory Questionnaire （SGRQ） was used for evaluation and comparison of the quality of life of patients in the two groups. Before intervention and 6 months after intervention， the hemorheology and SAS， SDS scores were compared between the two groups. Results Compared with before intervention， each dimension of SGRQ scores and the total scores of 3， 6 months after intervention in the two groups were significantly lower （P < 0.05）， which in the observation group were significantly lower than those in the control group （P < 0.05）. Compared with before intervention， the hemorheology index （whole blood low shear viscosity， plasma viscosity， hematocrit and fibrinogen） of 6 months after intervention in the two groups were significantly lower （P < 0.05）， which in the observation group were significantly lower than those in the control group （P < 0.05）. Compared with before intervention， the SAS， SDS scores of 6 months after intervention in the two groups were significantly lower （P < 0.05）， which in the observation group were significantly lower than those in the control group （P < 0.05）. Conclusion The treatment effect of self-management program combined with home oxygen therapy for COPD patients is significant， not only improve the quality of life of COPD patients， but also significantly improve hemorheology of COPD patients， prevent the pulmonary heart disease. It is worthy of clinical application.

分别于干预前、干预后3、6个月采用圣乔治呼吸问卷[6]（St George's Respiratory Questionnaire，SGRQ）测评患者的生存质量情况，由患者本人填写问卷，阅读障碍不能填写者，可由专职护士及家属口头询问患者各项问题并根据患者的回答代为填写。SGRQ调查问卷包括症状、活动能力和临床影响3个维度，共有50个问题，每个维度的总分为100分，得分越高，提示生存质量越差。

于干预前、干预后6个月时清晨抽取患者静脉血5 mL，并采用EDTA进行抗凝处理，抗凝后3 h内对血液流变学各项指标进行检测，其中，全血低切黏度、血浆黏度的检测采用NXE-1型锥板式黏度计（成都仪器厂生产），血细胞比容的检测采用微型红细胞压积仪，纤维蛋白原的检测采用比浊法。

于干预前、干预后6个月采用焦虑自评量表（SAS）、抑郁自评量表（SDS）[7]对两组患者的焦虑、抑郁情绪进行评分，其中SAS≥50分，表示存在焦虑症状；SDS≥53分，表示存在抑郁症状。

1.4 统计学方法

采用SPSS 13.0统计学软件进行数据分析，计量资料数据用均数±标准差（x±s）表示，两组间比较采用t检验；以P < 0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组患者干预前后生存质量评分比较

干预前，两组患者SGRQ量表各维度评分及总分比较，差异无统计学意义（P > 0.05）；与干预前比较，两组患者干预后3、6个月的SGRQ各维度评分及总分均明显降低（P < 0.05），且干预后观察组患者各项评分明显低于对照组（P < 0.05）。见表1

2.2 两组患者干预前后血液流变学指标比较

干预前，两组患者的各项血液流变学指标比较，差异无统计学意义（P > 0.05）；两组患者干预后6个月的血液流变学指标（全血低切黏度、血浆黏度、血细胞比容、纤维蛋白原）均较干预前明显降低，且干预后观察组各项指标水平明显低于对照组（P < 0.05）。见表2。

表2 两组患者干预前后血液流变学指标比较（x±s）

注：与同组干预前相比，*P < 0.05；与对照组干预后6个月比较，#P < 0.05

2.3 两组患者干预前后焦虑、抑郁评分比较

对照组干预前SAS、SDS评分分别为（62.57±7.12）、（65.23±6.61）分；观察组干预前SAS、SDS评分分别为（63.92±6.56）、（64.34±6.19）分，两组干预前SAS、SDS评分比较，差异无统计学意义（P > 0.05）。干预后6个月，对照组SAS、SDS评分分别为（56.43±5.04）、（57.33±5.78）分；观察组SAS、SDS评分分别为（50.16±4.53）、（51.47±5.12）分，两组患者干预后的SAS、SDS评分均较干预前明显降低，且观察组患者干预后SAS、SDS评分均明显低于对照组，差异有统计学意义（P < 0.05）。见图1、2。

3 讨论

COPD是慢性呼吸系统疾病中的一种，具有病程迁延的特点，在临床上难以完全治愈。COPD患者常伴有体重下降、营养障碍、骨质疏松、心血管疾病、贫血、糖尿病等肺外表现，并存在焦虑、抑郁等精神症状，生存质量较正常老年人明显降低。营养状况、心理状态、肺功能等多种因素均可影响COPD患者的生存质量，生存质量的下降又进一步促进病情的进展，故临床上对CODP患者治疗的重点在于延缓病情发展及提高患者的生存质量[8]。目前，医护人员开始密切关注对COPD患者的监督管理，如何有效提高COPD患者的生存质量已成为目前临床上工作的重点[9-10]。近年来，大量国内外学者的研究证实，自我管理干预是改善COPD患者生存质量的一种有效途径，通过对稳定期COPD患者实施多方面的应对技巧，如疾病知识、健康教育、肺康复技能指导、健康行为指导、情感支持、疾病管理等，使患者对疾病的认识提高，并规范用药及呼吸锻炼，从而明显改善患者的症状及生存质量[11]。暨铭坚等[12]的研究中对COPD患者开展自我管理干预，以小组为单位，包括面对面指导、电话督导、短信提醒、加强社会支持及对患者的关心、定期检查和督促等干预形式。通过自我管理计划的实施，医护人员可有效掌握患者出院期间的家庭护理状况，同时医护人员可对患者在家期间的自我管理情况进行定期监督和指导，有利于患者自我管理行为依从性的提高，从而使患者的生存质量得到改善，利于病情的延缓[13]。朱杰敏等[14]研究发现，对COPD患者制订自我管理计划并实施自我管理干预后患者对疾病的认知以及肺康复训练、疾病管理和生活管理均得到明显提高，且参与疾病自我管理的积极性大大增加，生存质量明显改善。COPD患者多伴有低氧血症，长期低氧血症可损伤患者的肺上皮细胞，导致气道重塑、肺动脉高压的形成，使患者的生存质量受到严重的影响。家庭氧疗能有效的纠正患者的低氧血症，氧疗主要通过增加氧输入量、减少心脏做功而纠正低氧血症，还能使COPD患者的肺血流动力学得到有效改善，有利于缓解肺功能恶化并延缓肺心病的进展[15-16]。

SGRQ是一项对生存质量十分敏感的指标，近年来，开始在生存质量评估中得到广泛的应用[17]。本研究中对两组患者干预前、干预后3、6个月的生存质量采用SGRQ进行测评，结果显示，干预后3、6个月两组患者症状、活动能力、临床影响3个维度的评分及总得分均较干预前明显降低，尤以观察组降低更为明显，表明自我管理计划结合家庭氧疗对COPD患者生存质量的改善效果更佳，这与于书慧等[18]的研究结果一致。本研究对两组患者干预前及干预后6个月的血液流变学指标进行检测，结果显示，观察组干预后6个月的全血低切黏度、血浆黏度、血细胞比容、纤维蛋白原水平均较对照组明显改善，与干预前相比显著降低，这与家庭氧疗纠正COPD患者的低氧血症，改善组织器官缺氧情况密切相关，提示自我管理计划结合家庭氧疗对COPD患者血液流变学指标的改善效果较单独家庭氧疗更为理想，有助于血栓形成的预防及脏器供血的改善。苏定伟等[19]的研究中也证实了这一点。研究显示，干预后两组患者的SAS、SDS评分均低于干预前，且观察组患者干预后6个月的SAS、SDS评分低于对照组，表明自我管理计划结合家庭氧疗对患者焦虑、抑郁情况的改善效果更好，更有利于消除患者的心理情绪障碍，这与许建红等[20]的研究报道结果相似。

综上所述，自我管理计划结合家庭氧疗是提高COPD患者生存质量及改善血液流变学的有效手段，能有效消除患者的心理情绪障碍，延缓病情进展，值得在临床应用。

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关键词：课程改革；创新精神；创新能力；原子物理学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）03-0103-02

原子物理学在材料物理专业学生基础课程的教学中占有十分重要的地位。它不仅是经典物理和微观物理（量子力学、粒子物理和核物理）连接的纽带与桥梁，更是现代高新尖端技术（光谱学、激光、磁共振等）应用的基础。原子物理学是于20世纪初开始形成的一门分支学科，它主要研究物质结构的其中一个层次，具体介于分子和原子核之间，其主要内容是原子光谱和原子结构。原子物理学是近代物理学的重要组成部分，如何对原子物理学课程教学进行现代化改革，提高该课程的教学质量的同时使之更好地培养学生的创新精神和能力已经成为当前材料物理专业课程教学改革研究中的一个热点。

一、原子物理学课程现代化改革的背景

目前高等院校的教师讲授在原子物理学这门专业课时，选用的教材大多都是褚圣麟或杨福家先生编写的《原子物理学》，其中有些院校已将原子物理学更名为近代物理学，这样改革的目的是为了实现该门课程的现代化，使其不局限在传统意义的原子物理学课程上。面对该课程的教学现状和其特殊地位，如何结合近代物理学的发展，发挥该课程的教育功能，培养学生的创新精神和能力，对原子物理学课程改革的呼声越来越高。目前我校也逐步将原有的原子物理学课程进行了现代化改革，做了一些有益的探讨和实践。

二、整合知识体系，实现原子物理学课程教学内容的现代化，培养学生的创新精神

传统的原子物理学教科书大多按照历史发展的时间顺序，即按照人类认识原子世界的具体过程，从“光谱”这一概念入手组织教学。这种教学的特点是以光谱实验事实为主线，以玻尔的旧量子论为重点，用半经典半量子论的方法讲授课程。但是对于这样的教学内容和教学安排，学生并不容易掌握，而且让学生花费大量的时间掌握这些不易理解最终又要被量子论修正的理论，看起来确实是没有必要的。因此传统的教学内容有些陈旧并且不易理解，也不能及时反映现代物理理论和科学技术发展的最新水平，因此必须用新观点和新思想重新组织教学内容，以全新的角度构建这门课程的知识体系。在材料物理专业学生原子物理学的教学中，可直接用量子力学的理论研究原子结构及其运动变化规律。原子中电子的运动都遵循着量子力学的理论，而传统教学中以学生不好理解的旧量子论为基础，再用量子力学修正的做法并不符合学生的认知规律。因此可以直接用量子力学的理论来研究原子结构及其规律[1]，而将旧量子论仅仅作为一种铺垫。实际教学中，可以先简明扼要地介绍旧量子论的核心内容，而不必过多讲授轨道的概念。可以删除椭圆轨道理论和碱金属原子的原子实极化和轨道贯穿等内容。这样就实现了原子物理学课程知识体系现代化的第一步，用最新的量子力学理论成果讲述原子中电子的行为。量子力学理论是从特有的波函数、哈密顿算符以及薛定谔方程等形式化的理论，以高度浓缩的数学形式借鉴了各学科的研究成果，从而形成了一套独特的理论体系。实际讲授中可以薛定谔方程为主线，由薛定谔方程引入微观粒子的波函数，建立二阶偏微分方程，从而定量描述微观粒子客体的运动规律。一方面，根据不同的势能表达，建立各种原子的薛定谔方程并求解，向学生阐述这些解的物理意义，并与实验事实相对照，从而加深学生对原子结构的认识，进而把握原子内部结构的变化规律。另一方面，要突出德布罗意物质波的统计解释。传统教学内容总是先从经典物理学的角度和观点看“粒子”和“波”这两个概念，指出二者之间的相互排斥性，然后再引出微观粒子的波粒二象性，并强调波粒二象性是微观粒子客体区别于宏观客体的一种属性。这种讲法常常会使学生产生困惑，觉得微观客体很不可思议，超过了他们的认知和理解范围。因此在讲授时可以直接给出对德布罗意波的正确解释，阐明微观粒子的波动性并非指粒子和波一样弥漫到整个空间，它本质上是粒子位置分布的一种概率波。为了更好实现教学内容的现代化，还应当在教学中穿插关于物理学前沿知识的专题，介绍近代物理学中和原子物理相关的最新发展和高新技术。在讲授某些概念和原理时，可适当介绍最新应用成果和科技前沿。例如在讲授原子的能级和激发时，可以详细介绍激光产生的原理、特性以及应用等；在讲到隧道效应时，可以介绍扫描隧道显微镜的原理及其发展；在讲授X射线的吸收和透射时，可以介绍在医学诊断和治疗中具有广泛应用的CT技术。增设这些前沿内容，一方面是为了加强理论知识与实际的联系，使内容变得生动，提高学生的学习兴趣，另一方面可以让学生体会到当今科学与技术、生活的高度融合，开扩他们的视野，激发他们的创新热情。原子物理学的发展伴随了20世纪物理学的发展，并且随着新的实验发现、新模型新理论的建立而不断深入[2]。从历史上看，原子物理学的每次重大突破，都经历着非常复杂曲折的过程，同时闪耀着物理学家创新精神的光芒。在课堂教学中，教师可以结合现代化的教学内容，抓住典型的历史案例进行教学，让学生了解到科学探究过程的艰辛，体会创新精神的可贵性，并学习科学家们为了探求客观世界真理不畏艰辛、执着追求的科学品质和创新精神。

三、实现教学方法的现代化，突出学生的主观能动性，培养学生的创新能力

教师教学的主要任务是传授知识同时引导学生入门，为了更好地突出学生的主观能动性和培养学生的创新能力，教师有必要改进原有的教学方法。除了教师讲授、学生听讲的传统教学方式外，还必须引入更加现代化的教学方式进行有益的补充[3，4]。在原子物理学课程的教学中，近代物理实验应当占有举足轻重的地位，很多重要的理论和结论都是由实验直接引出的。因此要特别重视近代物理实验，课堂教学时可以结合近代物理实验，如夫兰克―赫兹实验、塞曼效应等。在实验演示中，可以增强学生对微观世界的认识，为他们提供更好的认识微观世界的途径。同时，在现有的实验条件允许时，可以让学生先动手做实验，然后针对实验结果进行分析，总结规律，从理论上给予解释，从而加深学生对书本知识的认识和理解。在此过程中，可以给学生创造机会重现当年物理学家们探究的过程，让学生能够亲身参与科学实验与探究的过程，从而培养学生的创新思维能力。另外可以指导学生撰写与课程相关的小论文，帮助培养学生的创新能力。学生撰写的小论文，作为平时成绩的一部分，计入学生的总评成绩。论文的题目可以围绕原子物理学的基本规律和应用，由学生自己选题、搜索资料并独立撰写。不仅可以激发学生的主观能动性，拓宽他们的知识面，还可以培养学生独立思考、勇于创新的品质。在这种教学过程中，可以充分体现教师引导、学生为主体的教学理念和方法，加强学生在专业课程学习中的主观能动性，同时有意识地培养他们的创新能力。

四、实现教学手段的现代化，为学生创新精神和能力的培养创造情境条件

原子物理学课程的内容包含的信息量较大，尤其是需要运用深奥的数学公式处理问题，因此计算量大，而且物理图像也比较抽象，学生往往受此困扰对该课程的学习产生畏难情绪。如果学生有畏难情绪，那么会缺乏学习的主观能动性，这对学生的学习、创新精神和能力的培养都是非常不利的。为了解决这一问题，可以利用现代化的教学手段，编辑图文、声音、视频并茂的多媒体辅助课件，使抽象的物理过程和物理图像能够形象化[5]，并且可以通过交互式的教学方法，增进师生之间的互动与交流。制作电子教案，采用多媒体手段辅助课堂教学，可以在教师讲授时创造相关物理情境，让学生可以畅游在物理学的海洋中，从中汲取有益的信息。例如在讲到卢瑟福散射实验时可以介绍散射技术的背景和仪器设备；介绍隧道扫描显微镜，可以用多媒体课件展示最早的排列原子的“IBM”图片。通过这种直观的展示，能够让学生在课堂随时感受科学的魅力，增强他们学习的兴趣，也增强他们对创新的渴望和动力。另外可以建立课程的教学网站，作为对课堂教学的补充，在课堂之外提供给学生更多和更生动的学习资源[6]，同时可以增设留言板，进一步加强师生之间的互动和交流。在这些现代化的教学辅助手段下，学生有机会接触更多的知识，更多地思考与课程相关的内容，为学生创新精神和能力的培养创造客观条件。

原子物理学是20世纪物理学中最重要的组成部分之一，它的发展是众多物理学家的思想结晶，其中包含着十分丰富的物理文化内涵。任课教师在传授知识的同时，应充分开发原子物理学作为一门专业基础课程对学生的教育功能，通过课程教学内容、教学方法、教学手段的现代化更好地培养材料物理专业学生的创新精神和创新能力。

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