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量子力學基本知識范文1
[關鍵詞] 原子物理學 教學改革 實踐教學
隨著科技的飛速發展,原子物理學已經成為21世紀重要科學技術的共同基礎之一,它在高新科技中的基礎地位和重要作用日益顯現。同時它在培養學生的創新精神和科研能力方面也有著不可替代的作用,所以原子物理學成為了物理學專業的基礎課程之一,也成為了其他理工科專業的必修課程之一。
一、原子物理學課程的性質與我系開設的歷史回顧
原子物理學為物理學專業的基礎課。它上承經典物理,下接量子力學,屬于近代物理的范疇,是學習理論物理和從事材料科學、信息科學、光學、激光技術、化學、生命科學、能源科學、環境科學以及空間科學研究的基礎。在內容體系的描述上,原子物理學采用了普通物理的描述風格,講述量子物理的基本概念和物理圖象以及支配物質運動和變化的基本相互作用,并在此基礎上討論物質結構在原子、原子核以及基本粒子等層次的性質、特點和規律。我院在上個世紀80年代就開設原子物理學課程,在90年代中期,為了全面講解近代物理學的知識,我們曾經以近代物理學代替了原子物理學。到20世紀90年代末,又把原子物理學作為一門獨立課程進行了設置。2002年,我院開始招收物理學專業本科學生,原子物理學成為一門專業基礎課。為了提高原子物理學教學的效果,我們從2003級學生開始著手對原子物理學課程進行教學改革,2003級和2004級是探索階段,在2005級、2006級、2007級加大了改革的力度。
二、原子物理學課程教學改革的實踐
1.調整課程結構,整合教學內容,增加現代化的知識
調整課程結構,整合教學內容是教學改革的核心工作。在原子物理學的教學改革中,我們始終堅持把調整結構整合內容作為教改的中心工作。我們在教學中發現,隨著科技的迅猛發展,許多高新科技都用到了原子物理學的基本理論,而我們大部分院校使用的教材是圣麟先生編寫,1979年,出版的《原子物理學》,該教材雖然是1987年獲國家教委一等獎的優秀教材,但是由于編寫時間較早,缺少一些新知識、新技術的介紹,教學內容需要整合和充實。我們本著“加強基礎,結合前沿,促進創新”的精神,對原子物理學的教學內容進行了大膽的調整和整合,重新編寫了教學大綱和考試大綱,加強了科學前沿和高新技術的引進。精簡和整合了傳統教學內容,如舊量子論和中學物理已經涉及到的東西;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、反物質、粒子加速器、新粒子的探索、電子自旋成像等;引入多學科綜合性問題,如隧道掃描顯微鏡,納米科技,激光技術、原子的冷卻等;引入應用領域問題,如激光技術,X射線造影,核磁共振,核電站的建設、太陽能的利用、中子彈的研制等;引入我們自己的科研工作,如納米晶絲的磁性、鐵磁非晶絲的磁化、磁晶各向異性等,介紹近些年諾貝爾物理學獎獲得者的學術成就等。同時,我們還嘗試了原子物理學和量子力學打通的工作,與量子力學課程組進行了研究。這樣經調整整合后,其教學內容在已知與未知、過去與未來、基礎與前沿等之間保持了一種恰當的張力,以針對性、應用性、實踐性和滿足后續課程(量子力學、固體物理等)學習需要為前提,既保留了該門課程的基本知識框架、知識間的內在聯系,又反映了本學科領域最新科技成果和研究前沿方向,構建了支持學生終身學習的知識平臺,促進了學生創新意識、實踐能力和綜合素質的培養,充分體現了教學內容的先進性和現代化,經過幾年的實踐,收到了良好的效果。
2.改革教學方法,培養學生的學習能力
有了先進的教學內容,如何讓學生接受消化成了我們要研究的一個突出問題。按照學校的總體培養方案,原子物理學課程的教學時數越來越少,從每學期的72學時,減少到了54學時,48學時,再考慮到法定節日耽誤的課時,一個學期48個學時都難以保證。而原子物理學是一個從經典物理到現代物理的一個過渡課程,有時用舊量子論處理問題,有時又必須用量子力學理論處理問題,這樣就給學生造成了一個接受和理解的難度,有時甚至是造成了混亂和困惑,學生無所適從。為此我們對教學方法進行了研究。
第一,樹立研究型教學思想,培養學生的學習能力,體現先進的課程理念。在原子物理學的教學中,我們首先更新觀念,樹立“以人為本,以學生為中心”的現代教育教學理念和以素質教育為主的研究型教學思想,以滿足社會需要、學習者個人發展以及學科自身特殊性為前提,強調基本素質、基本知識、基本能力和基本技能并重,強化了課程理念的先進性。
第二,在教學方法上,一改過去“教師唱主角滿堂灌”的“注入式知識教育”為適應培養學生學習能力的“研究式素質教育”。正好我系2005級以后物理學專業學生的班容量不是很大,給我們改革教學方法提供了方便。我們采用了精講式、啟發式、研究式、探索式、滲透式等多種教學方法,增加了討論課、學習報告的學習形式。對一些奠定基礎的、在歷史上起到重要作用的、在知識體系中不可或缺的內容必須精講、啟發;對一些前沿性的、應用性的、綜合性的、沒有定論的東西則采用研究、探索、滲透的方式;每學期設置2次討論課,1次學習報告課,把學生在學習中遇到的感興趣的、通過查閱資料能夠解決的問題以及沒有定論需要繼續研究的問題在討論和報告中處理;而有些知識則是采用不講的方式,由學生自學,由連續型細節式授課轉變為跳躍型平臺式授課。這些教學方法的改進,極大地拓寬了學生的視野,提高了學生的學習積極性,促進了學生學習的主動性,培養了學生的學習能力和創新精神。
第三,在教學手段上,跳出了“一支粉筆一塊黑板一張嘴”的填鴨式,編制了多媒體課件、電子教案等,利用現代化的網絡技術來輔助教學,同時也注意糾正了“以機代人、人機共灌”的極端多媒體教學方式,這樣由過去單一的課堂教學轉化為多形式的互動交流,既解決了課程容量與教學時間的矛盾,同時又激發了學生的學習興趣。培養了學生的學習能力和研究能力。
3.把原子物理學的教學與學生的畢業論文有機結合
為了激發學生的學習興趣,我們把原子物理學的教學與學生的畢業論到了有機結合。近幾屆學生的畢業論文都有選自原子物理學課程的。有一些綜述型的題目,如:原子物理學與量子力學的銜接、物質的結構層次、組成物質的最小單元、里德堡原子與μ原子、反原子與反物質等;有一些應用型的題目,如太陽能與我市太陽能利用、核電與我國的核電站、現代醫療與原子物理學等;也有一些研究型的題目,如:蘭姆位移的實質、電子自旋對原子光譜的影響、納米晶絲的磁性與原子磁矩、鐵磁性物質參雜后的磁性等。
4.把近代物理實驗與原子物理學課程打通
我系也和其他大部分院校一樣,在開設原子物理學課程的同時,開設的另一門獨立實驗課程是近代物理實驗,它由實驗老師獨立完成。在原子物理學進行教改的時候,我們發現近代物理實驗許多都是和原子物理學有關系的,許多就是原子物理學理論的一個驗證或是應用。為使原子物理學的理論和實驗更加緊密地結合,增強學生對原子物理學理論的感性認識,經過系領導的同意,我們和近代物理實驗老師合作,共同組成了原子物理學課程組,實現了原子物理學的理論教學和實驗教學的同步,既深化了學生對理論的理解,也降低了實驗課程的難度。效果頗佳。
5.編制了一些課程擴充資料
為了幫助學生理解課程內容,我們參考其他院校的做法,編制了作業題解答、課外習題集、考試試題庫、卷庫,并且選定了一些科技期刊和閱讀材料提供給學生閱讀和學習,開寬學生的眼界。
三、對原子物理學課程教學改革的思考
雖然對原子物理學課程的教學改革,我們取得了一些效果,但是總感覺教學改革進行的還不徹底,還有許多不盡如人意的地方,還有許多工作要做,關于這些我們做了如下思考。
第一,對原子物理學教學內容體系能不能來一個大的改革。首先,舊量子論的內容跳過不講,直接用量子力學的理論來講原子物理學。既在光譜的實驗規律、弗蘭克-赫茲實驗、史特恩-蓋拉赫實驗、黑體輻射實驗、康普頓效應等的基礎上給出量子力學,然后用量子力學理論去研究原子的能級、光譜、電子自旋、原子核結構等問題。而把玻爾的舊量子論作為一個歷史情節介紹,降低舊量子論的比重。其次,增加前沿動態。因為我們沒有后續的原子核物理、粒子物理,所以特別應該增加原子核的方面的知識;增加粒子物理方面的知識;增加應用性的知識;增加外場中原子的行為和現象的介紹,增加新核素、新粒子的觀察與探索等內容。
第二,一定要把原子物理學與量子力學打通,整合成一門理論課,并且把原子物理學、量子力學、固體物理學、近代物理實驗組合成一個課程群。使之在培養學生的科研能力、學習能力和創新能力上做出更大的貢獻。首先,原子物理學和量子力學必須打通,因為目前的分工看,原子物理學是量子力學的先行課程,成為了量子力學的基礎,而量子力學又是處理原子問題的有力工具,二者相互滲透,沒有先后。如果能夠把原子物理學和量子力學打通成一門理論課程,那樣既可以完善原子物理學中的理論,又可以增強學生對量子力學的感性認識,使得兩門課程的體系更加完整,學習難度會自然降低。其次,要認真研究如何實現原子物理學、量子力學、固體物理學、近代物理實驗這一課程群,并以此為依托申報省級以上的教改立項課題。這幾門課程的理論是相通的,只是適用對象不同,所以會衍生出許多不同的知識,這個課程群建成后,能夠使學生的知識體系更加緊湊和完善,使幾門課程的知識互通,能夠降低學習難度,能夠使學生方便地接觸到科技前沿,激發學習興趣,對畢業后從事高新科技或是教授大中學的相關課程都是大有裨益的。
第三,如何進行考試改革。學生成績的考核方式直接決定著學生的學習態度,我們要改傳統的“結果性”考核為“過程性”考核。加強對學生學習過程的監測,注意發現那些有創新精神、勤奮刻苦的學生,注意發現那些有一定特長、有潛力、不循規蹈矩的學生,加強培養,加強引導。
第四,如何進行實踐性教學內容的改革。實踐性的教學在培養學生創新精神和創造能力方面具有不可替代的作用。如何充分發揮實踐性教學的作用一直是我們努力探索的一個課題。我們要使實踐性教學走出實驗室,使實驗課程走出驗證的初級階段,開設綜合性、開放性、創新性實驗,這一點需要一定的物質基礎,值得我們去研究。
第五,關于教材的選擇與處理。教材可以說是教學的抓手,是最為重要的教學資源。就目前看,比較通用的原子物理學教材是圣麟先生編寫的《原子物理學》和楊福家院士編寫的《原子物理學》,這兩個版本的教材各有自己的優點。我們的觀念是“教學是用教材教,而不是教教材”,今后,我們計劃改以前固定一種版本教材為兩種版本交替使用。這樣有一個好處是上下連續兩屆學生可以互相借閱,使學生在學習時基本上都能夠有兩本教材,方便了學習。
以上這些只是我們在原子物理學課程改革中的一些做法和想法,有的甚至可能還很不成熟,希望得到各位同仁的支持和幫助。
參考文獻:
量子力學基本知識范文2
自從 Thompson 于100多年前發現了作為第一個基本粒子的電子以來,粒子物理逐漸成為現代科學的前沿,受到了普遍的關注,吸引了越來越多的實驗家和理論家投入其中。他們企圖發現物質的最深層結構,探究這些最基本組分之間的作用力,并致力于這些作用力的統一描述的實驗和理論研究。粒子物理實驗家和理論家們當前還面對許多需要進一步努力解決的難題。比如,到底有多少代夸克和輕子存在?費米子質量是怎么來的?“上帝的粒子”Higgs粒子究竟有沒有?CP破壞來源是什么?為什么物質與反物質如此的不平衡?引力怎樣才能與其它相互作用統一起來?
本書不僅涵蓋了幾乎所有重要的基本概念和最新的發展,還詳細地介紹了天體物理學、宇宙學與粒子物理之間的新的交叉學科,即所謂的天體粒子物理學的基本知識。
本書的兩位作者(兄弟二人)都是巴基斯坦著名的理論粒子物理學家、諾獎得主Salam 的學生,從事粒子物理研究幾十年。本書是他們在世界多所大學講授粒子物理的講義發展而成的。第1版出版于1992年,2000年出版了第2版,對于原書做了很多修改和補充。本書是2012年出版的第3版。它對于原書做了大量的更新和擴充。有7章徹底改寫了。添加了許多新的內容和大量習題。
全書內容共分成18章:1. 導論; 2. 散射和粒子的相互作用; 3. 時空對稱性;4. 內部對稱性;5. U-群和SU(3);6. SU(6)和夸克模型;7. 色、規范原理和量子色動力學;8. 重味; 9. 重夸克等效理論; 10. 弱相互作用;11. 強子弱流的性質和手征對稱性;12. 中微子; 13. 弱電統一; 14. 深度非彈性散射; 15.重味的弱衰變; 16. 粒子的混合與CP-破壞; 17. 大統一、超對稱和弦; 18. 宇宙學和天體粒子物理學。書末有兩個附錄,分別簡要地介紹了量子場論和重整化群與運行耦合常數的基本知識。
本書對于粒子物理的介紹非常豐富,推導很詳細,而且盡量不用形式化的量子場論而更多地依靠量子力學知識。因此適合于廣泛的讀者,諸如高能物理、粒子物理、原子核物理學、天文學和天體粒子物理學等領域的研究生和研究人員,選做粒子物理的教材和重要的參考書。
量子力學基本知識范文3
【關鍵詞】工程化學;教學改革;興趣教學
針對非化學化工專業的工科大學本科生開設的《工程化學》課程,具有課時較少(我校限制在26~40學時內),而涵蓋內容卻很豐富的特點。目前所用教材[1]不但涵蓋了無機化學和物理化學的一般化學原理,還適當介紹了當今科技前沿和熱點的一些內容,涉及到材料、能源和生命科學等諸多領域。因此在教學中面臨的首要問題,是如何處理好學時少與內容多這一矛盾。另外在教學過程中還會遇到的一個問題就是,部分學生對于這一課程的學習熱情不高,甚至提出“我們非化學化工專業的學生為什么要學化學”這樣的問題。
因此在講課過程中照本宣科、面面俱到顯然是行不通的。課程內容多課時少,什么都講等于什么都沒有講,而學生們對化學的認知程度本來就比化學化工專業的學生薄弱得多,造成了學生聽不懂而不想聽,不想聽更聽不懂的惡性循環。
實際上《工程化學》的設置是有其必要性的,這體現了中學“數理化”三大課程在大學中的延續深化。在大學中“高等數學”和“大學物理”是必修的重要課程,而《工科化學》可以看成是“大學化學”(在部分院校的課程設置中確實有這樣的名稱),是理工科學生構筑自然科學知識體系的重要基石。因此現在可以回答學生在前面提出的問題了:缺少了化學基本知識和基本理論學習環節的理工科大學生,是知識不扎實、思維不全面的“跛子”人才。
明白了這一點,不妨將本課程的教學目標設定為:培養學生用化學的思維方法去認識世界。根據這一出發點,在教學過程中內容應當有所取舍,側重于基本知識的掌握和基本方法的訓練,內容不宜過深過難,切忌枯燥無味的課堂氣氛,逐步培養學生對化學的興趣。根據多年的教學經驗和教學效果,我認為課程中有三個部分的內容可以適當闡發,作為興趣教學開展的突破口。
一、原子結構
原子作為化學研究中的最小單位,其結構知識是基礎中的基礎,但由于涉及的內容比較艱深,在具體的介紹中要深入淺出,即避免相對復雜的數學推導,但在思考問題方面卻要引學生往深處去想??梢詫⒘孔恿W的發展史話作為介紹的切入點,因為上個世紀初期對于原子結構的突破性研究成果是量子力學建立和發展的重要階段[2],諸多科學巨擘得以一展他們天才的光芒,這里面包含的曲折與成就、趣聞和佳話,對學生來說是一個難得的啟發教育機會。另外在學習這一章節始終要對學生強調的是,原子內部的結構屬于微觀世界,與我們一般接觸的宏觀世界,其尺度差距當在1010以上,可用天壤之別來形容。所以在微觀世界中很多方面,比如“波粒二象性”、“測不準關系”等量子力學的基本概念,是很難被一般人理解的,因為它們在宏觀世界里沒有對應的參照物,學習在一個完全不同的世界里去認識問題、思考問題,是一個挑戰。聽了這樣的介紹后,學生既感覺有挑戰性而提高了學習熱情,也不會死鉆牛角尖非用宏觀的情景來聯系微觀而不能理解、難以自拔。
比如說“物質波”這一微觀粒子的存在方式,實際上是“波粒二象性”的另外一種表達,介紹的時候往往以宏觀世界的“機械波”舉例來幫助學生對于諸如“波長”、“干涉”等概念的理解,但同時一定要強調,此“(物質)波”非彼“(機械)波”,從本質上它們是不同的,比如前者不但傳遞能量而且也輸送物質本身,即不需要介質就可以傳播,而后者僅僅是傳遞能量(暫不考慮能量本身也是抽象意義上的物質)。通過這個例子,同學們可以體會到類比這一方法的長處和局限性,再進一步舉例說明玻爾的原子模型為什么較先被提出,而最后卻不能自圓其說,就是因為這一模型實際上是帶著“先入為主”的想法,比擬了宏觀世界中恒星行星體系,而最終為微觀世界所不相容。這樣帶有實例的啟發,會使得學生們在思維方法上的眼界有所拓寬。
二、熵
作為熱力學重要函數的熵,在課堂學習中若是光介紹其計算公式,未免過于枯燥。而作為對當代科學有所了解的教師,都會知道這一概念在化學、物理、生命科學以至于社會、經濟等非理工學科中的重要性[3]。熵就是混亂度的量衡,熵值越高,系統越趨向于混亂和無秩序化,這是熵這一概念的核心。為何在萬物變化中總有不可逆過程,什么過程又是自發的?孤立體系的熵值不會減少這一判據的重要性,揭示了萬事萬物錯綜復雜變化表象下一條內在的本質規律。為什么“水往低處流,人往高處走”,因為人不是一個孤立體系,不但每天攝入營養、排棄廢物,而且還通過接受教育,不斷提高自身文化素養,這是一個大學生不但應該懂得而且應該努力做得更好的事情。
轉貼于 再比如現在為什么要提倡“節約型社會”?用熱力學的觀點來看,社會的發展是一個熵減少的有序化過程,所以人類社會也一定是個開發性的社會,在發展的同時一定伴隨著能源的利用、對自然的開發這樣一個破壞性的過程。因此不能幻想一種對生態沒有影響沒有破壞的社會發展模式,科學的發展觀當然不是“殺雞取蛋”式的破壞性開發,也不是說要“不吃不喝不發展”這樣不現實的極端做法,而是盡可能減少環境破壞的“節約型社會”發展模式。
通過這些介紹,學生們會發現化學中蘊藏的知識實踐在化學之外,不但覺得聽課不枯燥,更完善了自身的知識體系,開闊了思維空間,對于一個大學生的綜合素質培養是有益處的。
三、手性現象
在有機化學中,具有不少手性的化合物,其不同對應異構體生化活性往往迥異,因此對手性物質的合成和分離是生化和制藥學科的熱點研究方向。而人體內存在的天然氨基酸都是L型的這一迷題,目前尚未得到合理的解釋,由此引發的研究自然界中某一對應異構體占優的外在誘因更是基礎科學研究的重大課題[4]。在課堂上向學生們介紹這些科學研究中的難題謎團,不但學生感覺不枯燥,而且激發了他們對未知事物的好奇心,而這正是科學研究前進的最大動力所在。
在緊接著的教學過程中,還應當向學生們指出,不但有機物質有手性,而且無機物質也存在手性,比如[Cr(C2O4)3]3-這樣的配位化合物離子,存在Δ型和Λ型的對應異構體,它們之間存在鏡像關系。進一步闡明判斷一個化合物是否具有手性的依據是其鏡像和原物是否能夠重合,不能重合則說明它們是手性的對應異構體關系。隨后借助這一判據,將手性的概念擴展到宏觀物體中去,比如左手和右手,鞋子的左腳和右腳,最后將手性歸納為一種現象,即不但有手性物質,還有手性規則,比如左手直角坐標系和右手直角坐標系,左手螺旋法則和右手螺旋法則。課堂上最后可以當場進行小測驗,讓學生們列出所能想到的手性現象,不限于化學物質。最后的效果是出乎意料的,學生們充分拓展了自己的想象力,舉出的例子豐富多彩,有的是教師也沒有想到過的,這說明興趣能夠引起多么大的學習動力。試舉一些精彩答案如下:人與水中的倒影,印章上的字與其印在紙上的字,左旋的DNA和右旋的DNA,環形跑道上順時針與逆時針跑步……
總結
從實際情況出發,制訂以激發學生學習熱情的興趣教學法在實踐中收到了良好的效果。當然根據不同教師對教材的理解不同,自身的知識面層次不同,在開展教學中能夠有所闡發的具體內容也可能是有所不同而相互補充的。當然在這里也還是應當說明,活躍課堂氣氛,提高學習興趣還是要首先和課程內容緊密相聯系,不是一味追求現場氣氛,而是做到有所聯系有所側重,把目的牢牢地收在前面說過的“培養學生用化學的思維方法去認識世界”這一核心上來。應該說,其實任何的課程都存在一個將枯燥的課本內容轉化為生動的課堂教學這樣的問題,這一問題的解決首先要求老師有扎實的基本功,將課本內容吃透才能做到教學方法上的升華,才能更好地組織教學素材;其次要求學生對課程有興趣,一定要做到老師自己對課程有鉆研的興趣,這樣平時才能更多地搜集相關信息,多看“閑書”,多發“閑想”,點點滴滴累積下來,才能在講課過程中左右逢源,有話可說,有例可舉,切合課本內容,貼近現實,起到良好的教學效果。
參考文獻
[1] 陳林根等編. 工程化學基礎(第二版). 北京:高等教育出版社, 2005.
[2] 曹天元. 上帝擲骰子嗎——量子物理史話. 沈陽:遼寧教育出版社,2006.
量子力學基本知識范文4
關鍵詞 結構化學 教學方法 教學質量 興趣
中圖分類號:G642 文獻標識碼:A
結構化學是從微觀的角度研究原子、分子和晶體結構的運動規律以及物質微觀結構與其性能關系的科學。本課程是基礎化學的后續和深化,具有知識面廣、內容抽象、理論性強等特點,要求學生具有較多的數理知識和較強的邏輯思維能力以及豐富的空間想象能力,同時還要努力擺脫宏觀現象的傳統概念的束縛。因此,在教學過程中出現了教師感覺難教,學生感覺難學的現象,那么如何激發學生學習興趣和求知欲,提高教學效果,便成為每一位教師必須研究的課題。本文就從教師的教學過程,學生的學習過程以及如何提高結構化學教學等方面進行了積極的思考和探索。
1 關于教師教學過程中的思考
1.1教材的選擇
鑒于各個高校化學及相關專業的培養方案和教學內容都有很大差別,在結構化學課程教材的選擇上,需要根據本校專業實際的特點,我們選擇了由周公度、段連運編著的《結構化學基礎》作為教材。本書更加注重介紹結構化學的基本原理,同時也反映結構化學的新成就、新進展以及作者在教學中的經驗和體會,全書系統性和連貫性較強,層次分明,講解清晰,便于教學。本教材共編10章,約60萬字,主要包括量子力學基礎知識、原子的結構和性質、各類物質的結構化學、化學鍵理論、晶體化學、研究結構的實驗方法等內容。但由于課時有限而課程的內容較多,教師只能對具有代表性的重要章節進行講解和輔導。根據我校實際和專業設置,結合學生的實際水平和往年教學實踐的體會,我們主要講解第1、2、3、5、6、7、8章,其余章節由同學們自學完成。
1.2教師應精通專業學科,具有扎實而淵博的知識
結構化學課程內容涉及面廣、內容抽象、理論性強、教學難度大,教師如果沒有過硬的專業理論水平和邏輯思維能力,是很難深刻理解并掌握結構化學的基本概念和基本理論。因此,教師應精通自己所教的專業學科,時刻學習,做一個知識淵博的教師。同時教師要備課充分,思路清晰,對知識的重、難點分析講解透徹,學會舉一反三,融會貫通。
1.3教學方法要靈活多樣
單一的教學方法是乏味的,為使整個課堂教學過程充滿情趣和活力,這就要求教師要采取靈活多樣的教學方法來處理課堂教學。首先,充滿激情、幽默生動、嚴謹標準的教學語言能夠調動學生的學習興趣。其次,教師可以根據不同的教學內容采用不同的教學方法,啟發學生思維,提升課堂教學效果。比如啟發式教學、互動式教學、討論式教學和類比式教學等等。比如“物質波”和“機械波”的異同,“波函數”和“電子云”的聯系等采用類比的方法加以解釋和說明,使課堂教學效果能夠得到較大提高。再者,在課堂教學中適當的展示實物模型,可以激發學生的學習興趣,提高教學質量。
1.4教學中重視科研,以科研促進教學
高校教師既要從事教學,又要進行科研,二者的有機結合有利于提高教學質量。因此,教師應該精心選擇有關結構化學方面的一些新成就和新進展、新文獻融入課堂教學,豐富課堂教學內容,從而激發學生的學習熱情。同時,在教學中滲入化學史教育,像普朗克、薛定諤、德布羅意、R.B.伍德沃德等科學家堅持不懈地對真理的追求及其奮斗歷史,不僅可以陶冶學生的情操,激發他們的學習興趣,還可以培養他們的科學思想、科學精神、優秀的思想品質以及科學探究能力。
1.5教學中充分利用多媒體輔助教學,提高教學效果
多媒體教學存在直觀、形象、生動、信息量大的優點,具有傳統教學無法比擬的優勢。多媒體的合理應用能突破教學重難點,豐富結構化學課堂教學的形式,通過圖、文、聲、像等手段,能把抽象的理論知識轉化成具體、形象、直觀、真實的語言材料,啟迪學生思維,加深學生對理論知識的理解。例如Pauling的雜化軌道及價鍵理論、分子對稱性及點群、等徑圓球密堆積結構、晶體結構周期性與點陣等內容都比較抽象,采用多媒體軟件輔助教學可將這些抽象、微觀、枯燥的理論知識形象化、具體化、感性化,易于學生理解,有利于激發學生學習興趣,提高學習效率。
1.6理論與實踐相結合,重視實驗教學
教師在強調理論知識學習的同時,應該把實驗教學滲透到結構化學教學中,使其不再是純粹的理論,真正做到理論與實踐相結合。因此,教師在教學中可以適當地安排一些實驗,也可以鼓勵學生積極參與教師的研究課題,這樣可以加深學生對理論知識的理解,培養學生的理論聯系實踐的能力,進而提高教學質量。比如磁化率的測定,偶極距的測定,在X射線粉末衍射儀上測定晶體的結構等等。
2 關于學生學習過程中的思考
2.1加強自主學習
結構化學課程是化學學生本科階段初次接觸的理論課程,內容廣泛,涉及到較多的高等數學、物理學及量子力學等基本知識。因此,學生學習結構化學時感覺很費力,致使學生對該課程產生排斥心理。所以,學生應加強自主學習,提前預習,上課注意聽講,不懂就學,不懂就問,學會分析和歸納總結,真正做到學有所思、思有所得、得有所成,從心理上不再害怕結構化學。
2.2抓住重點,建立完整知識體系
本科階段的結構化學課程主要包括三種理論(量子理論、化學鍵理論和點陣理論),三種結構(原子結構、分子結構和點陣結構),三個基礎(量子力學基礎、對稱性基礎和晶體學基礎)。在學習結構化學過程中一定不要過于深究其數學推導過程,需要分清主次,明確重點,做到抓重點、抓中心、抓關鍵,建立完整知識體系。只有這樣才能做到不本末倒置,才能把握住問題的關鍵,才能體現學習達到學深、學透的效果。
2.3充分利用網絡教學資源
當今社會,網絡資源豐富多彩,各種信息以多媒體化――文字、圖像、聲音、視頻圖像、動畫等呈現,使結構化學抽象的內容生動化、形象化、多樣化。因此,學生除了學習教材外,要善于合理利用校園網、國際互聯網中豐富的教學資源,這樣,不但激發了其探索新知的欲望,而且使他們對課堂的知識有了更深刻、更全面的理解。
2.4多閱讀相關科技文獻,了解最新發展動態
當今世界各國科學技術迅猛發展,每時每刻都有大量的科技文獻產生,學生通過閱讀科技文獻可以了解國內外結構化學相關領域的發展動態和成果、跟蹤國內外某個領域的研究進展。所以學生要多搜集和閱讀一些前沿的科技文獻資料,有利于專業知識的鞏固、深化以及綜合能力和創造思維的提高。這樣他們就可以變被動學習為主動學習,激發了學習潛能,提高了學習積極性。
2.5 學會溝通和交流
在傳統教學過程中,學生學習方式單一、被動,學生只是被動地接受知識,缺少自主探索、合作交流、獨立獲取知識的機會。因此,學生與學生之間,學生與老師之間應該加強溝通和交流,從而產生生生之間、師生之間情感的交融,促進學生學習能力提高。
2.6 重視理論聯系實踐
學生除了學習基本理論知識外,應該充分利用課余時間參加大學生科技創新活動、參與教師科研課題、撰寫科研專題報告、發表學術論文等,培養自主學習與創新思維能力,提高分析與解決問題的能力。只有做到理論與實踐的有機結合,才能把自己所學的理論知識轉化為認識和分析、解決問題的能力。
3 結論
“教學有法,但無定法,貴在得法”,只有通過授課教師不斷的改進教學方法,更新教學理念,探索教學規律,創新教學模式,避免教學方法上和學習方法的單一化,不斷強化學生學習興趣,真正做到教與學的和諧統一,充分調動學生的學習積極性,才能提高教學質量。
基金項目:周口師范學院教育教學改革研究項目(J201421)。
參考文獻
[1] 潘道皚,趙成大,鄭載興.物質結構(第2版) [M].高等教育出版社出版,2004.
量子力學基本知識范文5
關鍵詞:非經典計算;算法設計與分析;智能科學與技術
1背景
智能科學與技術是人工智能方向的重點交叉學科,是一個包含了認知科學、腦科學、計算機科學的新興學科。按照教育部學科專業目錄,智能科學與技術是一級學科計算機科學與技術下的二級學科。如何在4年的本科教學過程中,既立足于計算機學科內容,又突出智能專業的特點,體現該專業區別于計算機科學專業的特色,培養一流的智能人才,是眾多智能專業積極探索的問題。
本著幫助學生建立寬廣厚實的知識基礎,使學生將來能向本專業任何一個分支方向發展,并能掌握本學科發展的最新動態和發展趨勢,深刻領會本學科與其他相關學科區別的目標,廈門大學智能科學與技術系于2012年合理調整了專業培養方案,制定了一套突出專業特色和個性的教學大綱,課程體系分為學科通修課程、專業必修課程、專業選修課程。其中,專業必修課程細分為智能基礎類課程、軟件理論類課程及硬件基礎類課程3個不同類別。在智能基礎類課程中,開設非經典計算課程。該課程是廈門大學智能科學與設計系最具特色的課程。
該課程以軟件理論類課程算法設計與分析為先導課程,在本科三年級的第一學期先講授算法知識,在同一學年度第三學期講授非經典計算的內容。教師首先介紹經典算法設計與分析中的各種傳統算法,借由經典算法發展過程中遇到的困境問題引出非經典計算的內容,前后呼應,有助于學生在智能計算上獲得完整的系統學習。
2非經典計算在智能科學與技術專業本科教學算法體系中的地位
算法設計是智能科學與技術專業中的核心內容。本科專業4年的專業教學計劃由4門核心課程構成算法體系的主線,包括高級語言程序設計(本科一年級學科通修課程)、數據結構(本科二年級方向必修課程)、算法設計與分析(本科三年級方向必修課程)、非經典計算(本科三年級方向限選課程)。這4門課程的教學內容和組織結構完整地構成了算法體系結構。以圖靈獎獲得者、pascal之父Niklaus Wirth提出的著名公式為參照,即Algorithm+Data Structures=Programs,算法體系以培訓計算機方向學生掌握編程能力,獨立完成分析問題、設計方案、解決問題的綜合能力為主要目標;在這個體系中,程序語言是基礎,數據結構是內涵,算法是框架。
在算法體系中,這4門課程以循序漸進的方式展開,注重對學生算法思維的培訓。
(1)高級語言程序設計講授的是c語言程序設計,通過對C語言的詳細介紹,讓學生掌握程序設計方法和編程技巧。作為初始啟蒙課程,選擇C語言作為程序教學語言,是因為C語言的使用廣泛,擁有嚴格完整的語法結構,適合教學。
(2)數據結構重點講授各種常用的數據表示邏輯結構、存儲結構及其基本的運算操作,并介紹相關算法及效率分析。教師通過在一年級對包括C語言在內的其他程序設計過程的訓練,加人對數據結構中各種數據的邏輯、存儲結構的表示和運算操作,從數據結構的角度闡述典型算法,并簡單介紹算法的效率分析,這是對程序設計訓練的進階內容。
(3)算法設計和分析主要介紹算法設計與分析的基本方法以及算法復雜性理論基礎。我們在本科三年級引入算法設計與分析課程,從算法的抽象角度總結和歸納各種算法思想,包括遞歸與分治法、貪心法、動態規劃法、回溯法、分支定界法、高級圖論算法、線性規劃算法等,最后闡述算法復雜性的分析方法、NP完全性理論基礎等計算復雜性的基本知識及完備性證明概要,重點闡述算法思想,從復雜性角度比較和分析不同的算法。上述(1)、(2)和(3)的內容構成了計算機學科通用算法體系的教學過程。
(4)非經典計算主要討論何為計算的本質以及經典計算在計算能力上遇到的困境,以此為契機討論自然計算――生物計算、集群計算、量子計算等內容。算法設計和分析的最后一個章節是對算法復雜性的分析方法及NP完全性理論基礎的介紹,不可避免地會討論到現代電子數字計算機體系在計算能力上的瓶頸以及由NP完全問題(Non-deterministic Polynomial),號稱世界七大數學難題之一的經典問題,引出對經典計算機體系的深層思考,進一步引導學生思考如何解決計算能力的瓶頸問題。這是教師設計非經典計算課程的出發點,也是對算法體系更完整的補充和更深層次的探討。
此外,我們還需要對授課學期選擇進行考慮。廈門大學實行三學期制度,在第三學期內開設的課程大多是實踐類課程及前沿技術介紹課程。在本科三年級的小學期階段,學生基本完成了智能專業大部分必修課程的學習,擁有了一定的計算機基礎和學科素養。這時,依賴學生已經具有的數據結構與算法的基本知識,可以將學生的學習引向如何理解計算的本質;再從計算本質出發,由易到難,介紹采用非計算機的不同計算媒介和方法,例如DNA計算、元胞自動機、集群計算等知識,結合計算機模擬程序加深認識。在逐步加深學生對非經典方法計算的理解之后,再引入量子信息與量子計算。至此,智能專業關于算法體系的整體構建已基本完成。
3非經典計算課程內容大綱
非經典計算課程的主體課程內容以專題形式展開,分為5個部分。
第一部分:計算本質。從什么是計算人手,列舉各種計算的形式,由數字的計算到命題的證明,由數值計算到符號推導,引出計算本質的廣義定義,“計算是從一個符號串f變換成另一個符號串g”,即從已知符號(串)開始,一步一步地改變符號(串),經過有限步驟,最后得到一個滿足預先規定的符號(串)的變換過程;進一步展開對什么是計算、什么是可計算性的討論,展開介紹計算理論上4個著名的計算模型――般遞歸函數、λ可計算函數、圖靈機和波斯特系統;最后歸結到丘奇?圖靈論點。以上是第一條主線,第二條主線從計算復雜性角度人手,討論在經典算法中難解決的NP完全問題,提出在經典計算體系中隨著輸入數據規模增大而難以計算的瓶頸,從而引發學生對于經典計算的思考。
第二部分:智能計算機的發展。這個部分主要討論計算機硬件的發展歷史,即從原始時期的計算工具,到現代計算機的4個發展階段:史前期、機械式計算機、機電式計算機、電子計算機。教師從模擬型計算機到數字型計算機,闡述馮?諾依曼關于計算機五大基本組成對現代計算機體系結構的影響及其帶來的限制;從硬件角度提出非經典計算機的討論,鼓勵學生對現代智能計算機硬件進行調查。
第三部分:DNA計算。主要闡述DNA計算的基本原理,并以旅行商問題為引子,展開經典計算難解決問題的討論,重點介紹第一個由DNA計算模型解決的問題――L.Adleman構建的7個節點的DHP,并著重指出DNA計算潛在的巨大并行性和待研究的問題;然后介紹R.Lipton用DNA實驗解決的另一個NP問題――可滿足性問題(SAT);最后將DNA計算與軟計算結合,闡述粘貼模型以及DNA的軟計算模擬與遺傳算法的對比。對于DNA計算強大的并行性,以具體的算法實例加以詳細闡述和說明,教師應指出分子計算的優缺點以及在計算能力上的巨大潛力。
第四部分:細胞自動機和集群計算。這個部分主要討論群體計算,一方面,從細胞自動機的形式化闡述及其所帶來的哲學意義出發,描述細胞自動機在計算機交叉學科上的運用;另一方面,介紹集群計算,以歐盟“藍腦計劃”為出發點,闡述如何從硬件體系和軟件體系上用計算機架構類神經元的協同合作方式。
第五部分:量子計算。從基本的量子力學知識開始,完整闡述量子計算的基本概念、量子信息、量子計算機和量子通信。量子計算機的構建除了要包含最基本的操作外,還需要介紹基本的量子計算機體系結構、計算載體等知識,加深對量子計算的理解,最后介紹的量子通信。這種已經應用在實際生活中的量子計算,更貼合實際。
以上5個專題,結構清晰,分工明確。第一部分討論經典計算的困境,第二部分討論經典計算機的發展瓶頸,從第三部分開始,引入非經典計算模型,分別從生物學和計算機科學的交叉學科DNA計算、細胞自動機和集群計算、量子計算3個方面進行學習。5個專題,完成了對非經典計算中前沿熱門計算模式的闡述,引導了學生對于前沿學科的認識和思考。
4非經典計算課程授課方式
本課程屬于本科三年級第三學期的課程,授課除了上文提到的內容之外,另一個更重要的方面是引導學生對學科前沿以及熱點內容的跟蹤和思考。因此在教學方式上,我們采取了教師授課及學生調查報告相結合的形式。教師上課對應課程的基本內容,學生調查報告對應學科前沿跟蹤與思考。
5個專題內容的授課經過了如下設計。在每個專題的授課結束后,布置相關專題內的一些熱點、難點問題供學生課后查閱、討論和思考。每個專題由學生自主報名,學生需要對相關內容進行跟蹤,查閱近5年的科技文獻,總結出論文綜述,并準備10分鐘左右的課堂報告,教師針對課堂報告指出相關的問題,由學生課后進行進一步的思考和再次的文獻查閱,形成最終報告后提交課程論文。
這樣的課程設計安排,可以很好地實現教學相長。在學生方面,促使學生除了上課聽課,必須主動參與文獻的查詢過程,主動對授課內容或延展部分的概念進行思考。由于提供給學生選擇專題的自由,所以也可以大大提高學生的積極性,讓學生可以從感興趣的角度對本門課程涵蓋的內容進行調查,從而獲得更加深刻的上課體驗。最后,由于每個學生選擇的題目必須提前匯總,不能與別人重復,所以在其聽取其他學生的報告過程中,學生可以更廣地拓展自己的知識面。對于授課教師而言,能夠保持對該門課程研究現狀的實時性跟蹤,更加全面地更新課程內容,還可以將學生查閱的重要理論和知識補充到課程基本內容中,同時促進教師與學生之間的互動,活躍課堂氣氛,提高教學質量。
5關于非經典計算課程的幾點思考
課程從廈門大學智能科學與技術系建系之初開始構思和授課,在授課過程中不斷調整教學內容和課程設計,緊緊圍繞學生的反饋完善課程建設。關于非經典計算課程的幾點教學經驗可以總結如下。
1)增加課時,優化對課程設計的安排。
2015年開始,由于學科教學計劃的調整,非經典計算課程由最初的20課時拓展為30課時,集中在本科三年級第三學期進行講授,一共5周,每周6課時。課時安排上,除了增加教學內容,更加強了對學生的文獻查閱和報告部分的考查。在論文報告環節,爭取做到有目標、有指導、有結論、有總結。學生所做的報告除了在初始選題階段要有區別之外,還要求有一定的文獻查閱難度。從選題確定,到針對報告指出具體的問題,要求學生根據教師指出的問題進行進一步的思考和資料查閱,最后形成論文。這樣的安排貫穿整個課程的全過程,學生的參與度獲得了極大的提高。對于教師而言,在學期末總結學生所做的報告內容,并增加本門課的知識點覆蓋程度,對教學也有比較大的促進作用。
2)課程考核方式上的設計。
非經典課程屬于必修課程,在考核方式上除了提交論文外,也必須要有必要的考試環節。在考試環節中,主要考查學生對教師上課內容的理解。在具體授課中,教師從經典計算到非經典計算進行講解,也從算法角度給出了非經典計算強大計算力帶來的改變,既延續了經典算法課程中對算法的介紹和討論方式,又對比了典型問題在經典算法和非經典算法中的不同解決方式。這樣的授課內容作為對算法體系基本知識點的考查,以閉卷考試內容來設計,是十分合適的。課程延展部分的開放知識點由學生的論文及報告內容進行評分衡量。最后,我們將兩個部分的成績作為本門課程的最終成績。
3)課程教材的選定。
由于本門課程是廈門大學智能系的特色課程,所以國內并沒有合適的教材作為授課使用。在積累了幾年的教學經驗后,我們準備著手進行教材的編寫。如何選定更加合理的專題、更為廣泛而前沿的知識,這關系到智能專業對這門課和教材的全局考量。
量子力學基本知識范文6
關鍵詞:熱力學統計物理;教學改革;教學實踐
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2013)08-0105-02
《熱力學與統計物理》屬理論物理課程,是高等院校物理學專業本科學生在修完《熱學》課程之后必修的一門基礎理論課程,它對于后續課程的學習以及從事相關科研都具有重要的意義?!稛崃W與統計物理》語言嚴謹但枯燥,包含大量的公式和推導,教學中容易忽視科學思維訓練和科學思想方法的培養。經過調查發現,大部分同學學完《熱力學與統計物理》后,對涉及到的概念、規律和處理方法都感覺比較模糊,實際應用困難。在教學方法上,目前普遍采用的教學方法是老師推導公式,學生聽講,使學生整體感覺模糊。熱力學是一大堆偏微商,偏來偏去;統計物理是這分布那分布。教師在講臺上講的是口干舌燥,筋疲力盡,學生在臺下卻無精打采,昏昏欲睡。如何實現在教學中師生的互動,知識的傳遞、信息的交流和思維的碰撞在《熱力學與統計物理》課堂教學中顯得尤為重要。筆者在近幾年的教學中,針對《熱力與學統計物理》的現狀進行了教學內容和教學方法的改革,在一定程度上調動了學生的學習興趣和積極性,并收到了較好的效果。
一、教學內容改革
1.深化物理概念。由于《熱力學與統計物理》教材中有很多理論的堆積和繁雜的推導過程,而對課程中蘊含的思維訓練和科學思想、科學方法等內容很少涉及,在傳統的教學中,大部分時間都是花在推導公式上,忽視了應用人才的培養。在《熱力學統計物理》教學中,盡量做到從最普遍的基本原理出發,運用歸納、演繹的方法導出實驗規律,然后培養學生運用物理理論解決一些典型實際問題的方法和能力。同時強調對物理概念和意義、物理意義的理解,簡化數學推導,使學生形成較完整的物理學圖像。
2.優化課程結構。根據《熱力學與統計物理》和《熱學》、《量子力學》、《固體物理》等課程的關系,盡量減少與《熱學》、《固體物理》等相應課程內容的重復。例如對于熱力學中的內容(如平衡態、溫度、物態方程、熱力學第一定律、功、熱量與焓、理想氣體、熱力學第二定律、熵、卡諾定理等)和統計物理中的內容(如等概率原理、玻耳茲曼統計、能均分定理、麥克斯韋分布)與《熱學》的重復率高,在教學時適量減少課時。例如德拜理論等內容可以放在《固體物理》中并且要重點講授。通過教學內容的整合,提高了教學效率,優化了課程結構,緩解了授課學時和教學內容的矛盾,從而明確了課程的主線。
3.增加前沿知識。在講授課本知識的同時,適當增加前沿內容。例如講解獲得低溫的方法時,增加介紹3He、4He稀釋致冷和激光致冷;對于非線性不可逆過程熱力學,重點介紹耗散結構的概念和應用;補充相變中朗道連續相變理論和臨界點附近漲落與關聯的理論;增加介紹統計物理中玻色愛因斯坦凝聚的新進展;介紹朗之萬方程在光學粘膠、多普勒致冷和磁光陷阱等方面的應用。通過增加前沿知識的學習和介紹,加深學生對基本內容的理解,開闊學生的視野,引起學生的興趣并有利于科學思維的培養。
4.注重實踐環節。在講授理論知識課的同時,注重實踐性教學環節和課程設計環節。由于《熱力學與統計物理》是理論性很強的課程,在教學中往往重視理論教學而忽視實踐環節,這不利于應用性人才的培養。需要在教學中增加實踐性教學環節和課程設計環節。例如熵變的計算、鐵磁—順磁相變、粒子輸運問題、平衡態的確定、半透薄等知識和問題,結合Ising模型,郎之萬方程,Monte Carlo、Random Walking等計算方法,有針對性的進行課程設計。通過實踐教學,既加深了學生對物理學過程、物理概念的理解,又鍛煉了學生計算機程序設計能力,從而增強了學生解決實際問題的能力。
二、教學方法改革
1.對比法的應用。由于《熱力學與統計物理》存在大量的物理意義相同或相近的物理概念、物理量、物理規律和處理方法等,通過增加對比讓學生掌握該門課的主線,培養學生的科學思想和方法。例如對于內能、自由能、吉布斯函數、焓的概念;麥氏關系;熵、自由能、焓、吉布斯、內能等的各種判據和條件;微正則分布、正則分布、巨正則分布;玻爾茲曼統計、玻色統計、費米統計等內容,教學時主要講授部分內容,引導學生對比分析物理概念和研究方法的區別和聯系。通過對比教學,既加深了學生對基本感念、基本研究方法的理解,又能起到舉一反三的教學效果。
2.互動式教學的應用。教學中適當地應用互動式的教學方法,改變以往課堂教學的傳統模式。激發學生主動學習的積極性和自我學習的能力。在教學中,增加一些基本概念、定律和處理方法的討論。例如討論熱力學溫標和理想氣體溫標的異同點;討論理想氣體狀態方程和焦耳定律的獨立性;討論分析熱力學第二定律的微分表達式和熱力學基本微分關系的不同之處;討論熵的概念以及不可逆過程中熵變的計算方法比較。根據熵增原理討論了宇宙的起源、宇宙的形成、宇宙的未來和宇宙的演化等。在相變中除了物體的固、液、氣三相變化,討論自然界還存在許許多多的相變現象,例如物質從金屬變成超導體的超導相變;液態氦從正常液體變成超流體的λ相變;磁鐵在居里溫度從鐵磁性變成順磁性等。通過討論進一步明確了概念、規律的適用條件和一般處理方法等,并在互動過程中逐步培養學生自學意識、參與意識、群體意識和問題意識,提高了學生的積極性和主動性。
三、其他方面工作
在《熱力學與統計物理》教學中我們還進行了其他方面的改革和實踐。在考核方面,采用閉卷考試、一頁開卷、課程設計、論文等多種考核方式。為適應教學的需要,針對教學內容作了完整的習題解答和復習資料,并作為教材配套的教學參考書。在保證本學科的基本理論、基本知識和基本技能的全面性,以及在精選內容時注意知識的科學性和系統性的前提下,制作了圖文并茂、引人入勝的課件。在課堂上運用多媒體,VCD、DVD,教學軟件、音像制品等這種直觀的、形象化的演示,有利于學生增強感性認識,便于理解和記憶。
四、結論
在教學改革的指導思想下,針對《熱力與學統計物理》教學中存在的問題,進行了教學內容和教學方法等方面的改革和嘗試。實踐證明,這些改革和實踐緩解了授課學時和教學內容的矛盾,增加了學生的學習興趣,拓展了學生的知識面和自主實踐課的空間,增強了學生解決實際問題的能力,從而有利于人才的培養。
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