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量子力學的基本知識范文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:
量子力學的基本知識范文2
Concepts and Methods of 2D
Infrared Spectroscopy
2011,296pp
Hardback
ISBN9781107000056
本書介紹了二維紅外（IR）光譜這一前沿技術，以及在能源科學、生物物理學和物理化學等不同學科的應用。這本書帶領讀者對二維紅外光譜的基本概念一步一步建立起直觀的認識，并深入進行了解。該書用深入淺出的方法，介紹了復雜的數學概念，同時結合了實驗室實際操作的條件，對實驗的方法進行設計。為幫助讀者更好理解書中所涉及的概念，本書還為讀者提供了用來模擬二維紅外光譜的計算機代碼和相關練習。通過此書，讀者將掌握如何準確分析解釋二維紅外光譜，獨立設計自己的光譜儀，建立自己的脈沖序列。
書中內容具體包含二維紅外光譜的基本原理、紅外光譜的多脈沖實驗設計、微擾密度矩陣展開、偏振控制、分子耦合、二維紅外光譜線形狀、二維紅外光譜動態交叉峰，以及具體的實驗設計、數據收集和處理；最后，還介紹了若干實用的模擬方法，并提供了有關脈沖序列設計的一些例子。其中，書中第二章和第三章主要介紹了密度數學方法，包括布洛赫矢量、密度矩陣和費曼圖等；第八章和第九章介紹了二維紅外光譜線形狀和動態交叉峰等實驗方面的知識。為了進一步幫助讀者理解相關內容，書中每一章的結尾均附有練習，所需的計算機代碼和練習答案均可以從作者的網站省略/9781107000056下載。
本書的作者是瑞士蘇黎世大學的彼得•哈姆和美國威斯康星大學麥迪遜分校的馬丁•扎寧。作者依據自己多年的研究，系統描述了二維紅外光譜的應用范圍，以及對科學研究所起到的重要作用，還提供了進行二維紅外光譜實驗的多種方法，包括研究飛秒脈沖序列相互作用過程中的密度矩陣方法。并且，作者通過介紹非線性光學和量子力學、統計力學的相關知識，使讀者充分理解二維紅外光譜的原理，并能利用二維紅外光譜技術進行相關實驗設計，開展相關研究。
本書對于剛進入二維紅外（IR）光譜研究領域的研究生和研究人員非常有幫助。閱讀本書，需要讀者具有非線性光學的基礎，以及量子力學和統計力學的基本知識。
楊盈瑩，
助理研究員
（中國科學院半導體研究所）
量子力學的基本知識范文3
材料的計算模擬方法介紹
材料的計算模擬研究是近年來飛速發展的一門新興學科和交叉學科．它綜合凝聚態物理學、理論化學、材料物理學和計算機算法等多個相關學科．它的目的是利用現代高速計算機，模擬材料的各種物理化學性質，深入理解材料從微觀到宏觀多個尺度的各類現象與性能，并對材料的結構和物性進行理論預言，從而達到設計和開發新材料的目的．材料的多尺度計算模擬方法主要有以下幾種:
(1)第一性原理計算方法(First－principlesMethods)基于密度泛函理論的第一性原理計算方法是目前研究微觀電子結構最主要的理論方法．第一性原理計算方法只用到普朗克常數(h)，玻爾茲曼常數(kB)，光速(c)，電子靜態質量(m0)和電子電荷電量(e)這5個基本物理變量和研究體系的基本結構．從量子力學出發，通過數值求解薛定諤方程，計算材料的物理性質．在密度泛函理論，局域密度近似(LDA)和廣義梯度近似(GGA)框架下的計算已廣泛應用于第一性原理的電子結構研究中，并已經取得很大的成功．結合一些能帶結構計算的方法，對于半導體和一些金屬基態性質，如晶格常數，晶體結合能，晶體力學性質都能夠給出與實驗符合得很好的結果，同時能夠比較精確地描述很多體系的電子結構(如能帶結構、電子態密度、電荷密度、差分電荷密度和鍵布局等)、光學性質(介電函數、復折射率、光吸收系數、反射光譜及光電導等)和磁性質，從微觀理論角度分析和揭示材料物理性質的起源，使實驗者主動對材料進行結構和功能的控制，以便按照需求制備新材料．
(2)分子動力學方法(MolecularDynamicsMethods)分子動力學是一種確定性方法，是按照該體系內部的內稟動力學規律來確定位形的轉變，跟蹤系統中每個粒子的個體運動，然后根據統計物理規律，給出微觀量(分子的坐標、速度)與宏觀可觀測量(壓力、溫度、比熱容、彈性模量等)的關系來研究材料性能的一種方法[5]．分子動力學方法首先需要建立系統內一組分子的運動方程，通過求解所有分子的運動方程，來研究該體系與微觀量相關的基本過程．對于這種多體問題的嚴格求解，需要建立并求解體系的薛定諤方程．根據波恩－奧本海默近似，將電子的運動與原子核的運動分開來處理，電子的運動利用量子力學的方法處理，而原子核的運動則使用經典動力學方法處理．此時原子核的運動滿足經典力學規律，用牛頓定律來描述，這對于大多數材料來說是一個很好的近似．只有處理一些較輕的原子和分子的平動、轉動或振動頻率γ滿足hγ＞kBT時，才需要考慮量子效應．
(3)蒙特卡洛方法(MonteCarloMethods)蒙特卡洛方法是在簡單的理論準則基礎上(如簡單的物質與物質或者物質與環境相互作用)，采用反復隨機抽樣的手段，解決復雜系統的問題．該方法采用隨機抽樣的手法，可以模擬對象的概率與統計的問題．通過設計適當的概率模型，該方法還可以解決確定性問題，如定積分等．隨著計算機的迅速發展，蒙特卡洛方法已在材料、固體物理、應用物理、化學等領域得到廣泛的應用[6]．蒙特卡洛方法可以通過隨機抽樣的方法模擬材料構成基本粒子原子和分子的狀態，省去量子力學和分子動力學的復雜計算，可以模擬很大的體系．結合統計物理的方法，蒙特卡洛方法能夠建立基本粒子的狀態與材料宏觀性能的關系，是研究材料性能及其影響因素的本質的重要手段．
材料專業引入計算模擬教學的探索
材料計算的目的在于理解和發現新的材料性能及其物理本質．計算已經與實驗和形式理論一樣成為材料研究的3大支柱之一．為學生將來能夠有更高的起點研究材料科學，適應新形勢下材料研究方法，培養具有寬廣材料科學基礎，掌握材料現代研究手段的“寬口徑、厚基礎、強能力、高素質”的材料科學專業人才．我們在本科教學階段就應該有計劃的引入和加強計算模擬方法的教學．采用的教學形式可以結合實際情況，靈活的應用．近年來我們采取的教學方式主要有以下3種方式:(1)開設計算材料學類課程在2006年物理與電子信息學院材料物理與化學專業培養方案中已經確定《計算機在材料科學中的應用》和《計算物理》課程為專業選修課程，學時分別為36學時和54學時．《計算機在材料科學中的應用》課程偏重實踐教學，通過上機操作學習計算軟件的基本原理和使用方法．主要教學內容包括:材料學的發展現狀及計算機在材料科學與工程中的應用;材料科學研究中的數學模型;材料科學研究中常用的數值分析方法;材料科學研究中主要物理場的數值模擬;材料科學與行為工藝的計算機模擬;材料數據庫和新材料、新合金的設計;材料加工過程的計算機控制;計算機在材料檢測中的應用;材料研究科學中的數據和圖像處理;互聯網在材料科學研究中的應用等9部分內容，基本涵蓋當今計算機技術在材料科學研究中應用的各個方面．《計算物理》課程則以理論教學為主，偏重物理基本原理的介紹．主要教學內容包括:計算物理學發展的最新狀況;蒙特卡洛方法及其若干應用;有限差分方法;分子動力學方法;密度泛函理論;計算機代數;高性能計算和并行算法等8部分內容．計算材料類課程的開設注重理論和實踐并重的原則，在講解基本原理的同時加強學生動手上機實踐能力的培養，因此，經過課程的學習，學生已經初步具備利用計算機進行材料模擬的能力．部分選修計算材料類課程的同學在學習中對計算模擬產生了極大的興趣，在大四時選擇材料計算相關課題作為本科畢業論文選題．例如，08屆學生的畢業論文《ZnS摻雜Cu光學性質的第一性原理研究》和《布朗運動的蒙特卡洛模擬》，09屆學生的畢業論文《ZnO電子結構和光學性質的研究》，11屆學生的畢業論文《晶格熱容的理論計算》和《簡立方晶體結構能量分布的理論模擬》等均為材料計算和模擬相關課題，并且有多人的畢業論文被評為優秀畢業論文．個別優秀的學生讀研后繼續從事材料的計算模擬相關研究．通過幾年的教學實踐，計算材料相關課程的開設對于擴大學生的知識面，提高學生的理論分析能力有極大地幫助．(2)在材料相關的理論課程中加入計算模擬方法介紹雖然已經在材料專業開設《計算機在材料科學中的應用》和《計算物理》等材料計算相關的課程，但這兩門課均為專業選修課，只有選修相關課程的學生才能得到相應的計算模擬培訓，受眾面還比較窄．因此，為使更多的學生了解到材料模擬計算的相關理論和知識，在材料專業主干課的教學中也適時地加入相關的計算模擬方法的介紹，從而擴大計算模擬知識的普及面．例如，在《固體物理》課程中，當講解到能帶理論一章時，我們會在本章結束時，加入一次課，著重介紹基于第一性原理的平面波贗勢計算方法計算材料的能帶結構、電子態密度等以及第一性原理計算的常用軟件(CASTEP、VASP等)．一方面，對學生學習的理論知識加以直觀化和適度的擴展，另一方面也進一步普及第一性原理計算的相關知識．在《材料科學基礎》教學中講解到相平衡與相圖一章時，我們會在本章內容結束后介紹相圖計算近年來的發展現狀，包括CALPHAD(CalculationofPhaseDiagram)計算方法、熱力學與動力學的結合、第一性原理與相圖計算方法的結合，并簡要介紹今后相圖計算可能的發展方向[7]．在晶體缺陷內容的教學中，穿插介紹利用分子動力學計算面心立方金屬空位和間隙原子點缺陷的形成能的方法．通過在課程教學中穿插入計算模擬方法的介紹，一方面也加深了學生對所學內容的理解，另一方面開闊了學生的眼界．(3)舉辦計算模擬相關的學術講座．自從2009年以來，物理與電子信息學院從事計算模擬研究的教師每學期都結合自身的科研情況舉辦面向全院學生的學術講座．例如在2011至2012學年第二學期，我們舉辦兩場學術講座，分別是《氧化鋅晶體及其摻雜的第一性原理研究》以及《可見光響應半導體光催化材料的結構和能帶設計》，教師在講座中介紹自己的科研情況，同時也使學生了解到如何把學到的計算模擬知識應用到科研實踐中去，讓學生體會到如何利用計算模擬預測材料的物理性質以及指導材料設計的研究方式，提高學生自覺學習計算模擬方法的積極性．
結束語
量子力學的基本知識范文4
關鍵詞：理論力學;公式推導;工程案例教學
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）20-0169-02
一、引言
理論力學是研究物體機械運動一般規律的科學。這門課程研究的內容是速度遠小于光速的宏觀物體的機械運動，它以伽利略和牛頓總結的基本定律為基礎，屬于古典力學范疇。經過長期的實踐證明，一般工程中所遇到的大量動力學問題，用古典力學來解決，既方便又能夠保證足夠的精確性。力學是從物理學中分離出來的，與“數、理、化、天、地、生”并列為七大基礎學科。物理學是研究一切自然現象的科學，而研究物質運動是力學的定義。因此，力學從物理學中分離出來已是很長一個時期了。理論力學與電動力學、統計力學、量子力學在力學界稱為四大力學。理論力學是牛頓力學，即所謂經典力學，現代力學包括經典力學、量子力學和相對論力學。力學是一門應用性極強的基礎學科，又是一門理論性很強的技術基礎課。[1]
國際理論與應用力學學會把力學分成基礎力學和應用力學。上世紀30年代蘇聯建立了突出基礎力學教育的教育體系。同時期，歐美建立了強調應用力學教育的教育體系。我國力學教育在解放后的十年間，受蘇聯力學教育體系的影響比較大，多數高等學校使用的理論力學教材都是從俄文翻譯過來的。70年代末，歐美的理論力學教材進入我國高等教育界。直到80年代，理論力學還以120學時作為四年制機械類等專業課程的設置原則。
1980年5月，在南京召開高等學校工科力學教材編審委員擴大會，通過了教育部委托西北工業大學等高校提出的120學時機械類專業試用的“理論力學教學大綱”。二十多年來，隨著高等教育教學體制改革的深化，理論力學課程在教學內容、教學方法、教學手段、教學思想和觀念上都發生了很大變化。現在我院為機械類設置的理論力學課程只有70學時，而教學基本要求與20年前的差別不大。由于學時急劇減少，迫使教師采用多媒體現代化教學手段，增大信息量，強化知識點，通過精講多練，使學生能夠比較牢固地掌握理論力學的基本知識。建設理論力學精品課程的要求正是在這樣的教學改革背景下應運而生的。
理論力學是理工科院校的一門重要技術基礎課。但對許多理工科學校的學生來講，學習理論力學并不是一個輕松的過程。普遍反映“課堂能聽懂，一做作業就無從下手”，甚至有人將之稱為“頭疼力學、煩人力學”。究其原因，主要還是由于很多學生對于理論力學的基本概念、基本理論和分析方法等總是處于一種似懂非懂的狀態，沒有對所學內容進行深刻理解。理論力學的學習具有很強的邏輯性，前后章節的關系環環相扣。前面章節沒學好，后面章節自然就學不好，越到后面越是緊密聯系前面章節的知識點。再者，理論力學的定理、公式往往是“非構造性”的，不能用簡單代公式的方法來計算，而是必須要有分析的過程，沒有清晰的概念就無從下手[2]?？梢哉f，對理論力學問題的求解非常鍛煉人的宏觀把握能力。因此，迫切需要對現行的理論力學教學方法及內容進行改革?；诖耍こ贪咐虒W方法應用而生。
二、工程案例教學
伴隨著擴招，生源質量也有所下降，顯得參差不齊。上同一門課，有些學生學習能力比較強，課堂不能滿足需求，顯得“吃不飽”;另外有些學生又不能跟上課堂教學的進度，學習比較吃力。因此，理論力學課堂改革就顯得很有必要。學生學習新知識，第一印象――感性認識是很重要的。只有通過感性認識抓住學生的好奇心，才能有興趣把相關的內容學習好，甚至于通過自學來滿足自身對知識的渴望。而通過工程案例教學不但可以激發學習基礎較差的學生的積極性，還可以通過大量工程案例的引入滿足學有余力的學生對課堂外知識的渴求。工程案例的教學主要通過以下幾個方面來實現。
1.工程案例的整理及提煉。和力學相關的案例可以說是隨處可見，小到日常生活，大到航空航天。怎樣選擇合適的工程案例就顯得比較關鍵。好的工程案例既能引導學生快速理解工程背景，又能提煉工程當中的力學原理，達到實踐和理論有機結合的效果。因此，工程案例的收集整理就很有必要了。比如理論力學當中的力矩問題，就可以用常見的吊車起吊重物來舉例說明：某事故現場，吊車起吊出事的卡車，結果卡車沒吊上來，吊車反而由于起吊位置選擇的不合適而翻倒了。這個實例可以很好的說明力矩，通過這個實例學生也能快速的將力矩理論與工程實際結合起來。又比如裂紋和斷裂，這兩個概念相對而言比較抽象。只有比較專業的課程才會談到與裂紋有關的斷裂問題。裂紋和斷裂也可以通過生活當中的實例來說明：乘坐公交車應該是很多人都有過的生活經歷，而公交車的安全錘就可以很好的說明裂紋和斷裂。公交車上的紅色安全錘是為了在緊急情況下讓乘客逃生用的。當公交車出現緊急情況時，乘客只需要用安全錘敲擊鋼化玻璃的四個角。由于安全錘錘頭很尖，接觸面積小，手握安全錘大約用兩千克的力就可以砸開玻璃的邊角。對鋼化玻璃而言，一點點的開裂就意味著玻璃內部的應力分布受到了破壞，從而在瞬間產生無數蜘蛛網狀裂紋，此時只需用錘子輕輕的再砸幾下就能將整面玻璃砸開。用這個實例不但可以講清楚裂紋和斷裂，還可以闡明應力和應力集中，可以將學生的理論學習與實踐緊密相連。
2.工程案例的講授。有了好的工程案例，還需要有好的教師在合適的章節恰如其分的引入。這就對教師的綜合素質提出了較高的要求[3]。毋庸諱言，力學尤其是基礎力學，上課教師的數量偏少，質量也略顯不足。針對很多二本院校，基礎力學的上課學生比較多，教師的教學任務相對較重，這也使得很多教師沒法精心研究工程案例在教學當中的運用。另外，有些高校的基礎力學教師并非“科班”出身，這也使得教師自身對有些課程的理解還不是特別深刻，當然也就不能更好的促進課堂教學的完善和發展。
三、工程案例教學的實踐
從工程實踐以及日常生活當中整理提煉了大量典型的工程案例，通過教學經驗豐富的教師進行課堂教學，能否達到預期的效果，這也是一個很現實的問題。為了驗證工程案例教學的實際教學效果，本文選擇機電一體化及車輛工程兩個專業進行對比。機電一體化4個班進行工程案例教學，而車輛工程3個班采用常規教學。經過一個學期的學習，從平時的課堂問答到期末考試都反映出，工程案例教學要優于常規教學。采用工程案例教學的機電一體化班最高分比車輛班高出10分，最低分高出15分，平均分高出12分。
四、結語
基礎力學特別是理論力學課程的工程案例教學是一項長期、艱巨的任務，需要投入大量的人力、物力和時間。學生通過案例教學的學習可以快速地掌握理論知識在實際工程中的運用，從而更好的將理論與實踐結合起來。案例教學還可以培養、訓練學生從工程實踐中抽象力學模型繼而求解優化工程問題的能力，因此從該意義上來說，工程案例教學的作用可以說絲毫不亞于數學建模的功效[4]。再者，工程案例教學還可以培養學生動手和動腦的能力。比如講到桁架部分，通過桁架橋梁的案例講解，激發學生的學習興趣。人們常說“興趣是最好的老師”，一旦學生對桁架充滿興趣，就會在課堂外富有興趣的動手制木制桁架，還會通過傳感器等來測量桁架中的桿件是否為二力桿等。這樣一來，學生對桁架的理解就會相當深刻。另外，工程案例教學還可以促進計算機軟件如MATLAB、ANSYS等在教學中的應用。通過工程案例教學還可以培養學生的社會責任感，從學習階段開始就以嚴謹的態度對待工程實際。最后，工程案例教學也可以提高教師的綜合素質，豐富教師的課堂教學素材，使原本相對枯燥的課堂教學一下變得豐富有趣起來[5]。
工程案例教學使得師生都能很好的將理論與實踐結合起來，實現課堂教學的最初目的：從實踐中來，到實踐中去。
參考文獻：
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量子力學的基本知識范文5
以“陀螺的進動”為例，從課程內容的設計，教學策略的優化和教學過程的實施與評估，討論了研究型教學模式在軍校大學物理課程中的應用，并就研究型教學模式對軍校學員研究能力、創新意識與團隊合作精神的培養做了初步探討。
關鍵詞:
研究型教學;陀螺效應;軍校;創新能力
一、引言
研究型教學模式已經在國內外大學課程中被廣泛運用并取得了顯著成效，受到越來越多教育工作者特別是大學基礎課程老師的認可與推崇。所謂研究型教學，其基本內涵可以概括為［1］:以知識為載體，以能力培養為主要內容，將學習、研究和實踐三者有機結合，充分調動學員的主觀能動性，引導學員高度參與，達到培養學員分析問題、解決問題的能力和創新精神的目標。與傳統教學模式相比，研究型教學模式通常采用討論式、啟發式教學和基于問題的教學方式來開展教學工作。因為這種教學模式變教師為引導者，學員為主體，同時教學內容豐富多樣，教學方法靈活多變，因此極大地提高了學員的學習興趣，有效培養了學員的綜合素質，提高了學員的研究能力，受到諸多大學特別是工科院校的青睞。在軍?；A課程中開展研究型教學非常必要。目前我軍正處于新軍革和跨越式發展的關鍵時期，要培養未來高素質新型軍事人才，必須對軍?，F有教學方法進行適當改進。以“大學物理”等基礎課程為例，這就要求教員必須針對原有教學模式，在教學內容、教學方法以及教學環節的設計和教學效果的評估等方面做出相應調整。研究型教學模式強調以學員為中心、教師為引導，教學內容注重研究的深度，在強調學員個性化思想的同時，特別注重學員發散性思維和研究能力的培養，因此也逐漸成為軍事院校新型高素質軍事人才培養的有效手段和拔尖創新人才培養的重要途徑。
二、“大學物理”研究型教學的基本策略
大學物理是培養軍事院校生長技術軍官和指揮軍官的一門重要基礎課程，是學員后續專業課程學習的理論基礎，在學員知識結構的構建過程中起著不可替代的關鍵作用［2］。從目前國內大部分工科院校所采用的《大學物理》教學大綱看，其涵蓋的知識模塊多，從普通物理學的力、熱、光、電到量子力學，再到相對論，公式推導多，理論性強，是歷年來本科學員心中“始終不可逾越”的一座大山。在大學物理傳統教學模式［3］中，我們在教學過程中過分突出了知識的傳授、注重打牢基礎，缺乏軍事應用教育，這與目前所強調的“要堅持面向戰場、面向部隊，圍繞實戰搞教學、著眼打贏育人才，使培養的學員符合部隊建設和未來戰爭的需要［4］”是有所偏離的。因此，傳統的大學物理教學模式已經不能滿足新形勢的發展，需要在教學形式、教學內容和教學評價等諸多方面做進一步改革［5］。大學物理有其鮮明的課程特點，即物理圖像清晰，內在邏輯嚴密，基本物理規律大多來源于生活等，這為我們在大學物理課程中開展研究型教學提供了很好的切入點。當然，我們也必須注意到，整個大學物理課程也面臨很多問題諸如課時多、內容多、學員人數多并且基礎參差不齊等，如何開展研究型教學是一個巨大挑戰。特別是在軍校，學員軍事訓練任務重，課余時間不足，活動場所受限，學習資源(如網絡)有限等不利因素較多的情況下，如何有效開展具有軍校特色的大學物理研究型教學是值得廣大基礎課教員思考的緊迫問題。針對這些實際情況，同時考慮到學員各專業的特點和未來學習的需要，我們近年來在大學物理研究型教學方面做了一些初步嘗試。首先，我們根據大學物理知識點較多的實際情況，依據學員的專業方向合理選取部分內容開展有針對性的研究型教學。例如，在《力學》中剛體力學部分，我們選擇“陀螺的進動”開展研究型教學，在相對論力學中選擇“尺縮效應與動鐘邊慢”開展研究型教學，再比如電磁學中的導體部分、力學中的碰撞問題、熱學中的多方過程以及光學中的折射衍射等等。這些知識點蘊含的物理與生活實際息息相關，很容易切入并被學員接受。這樣，大學物理每一個知識模塊都可以選取1～2次課(2～4學時)來開展研究型教學，原來被“耽誤”的內容可作為選講或者略講，將主要時間和精力放在學員創新能力培養上。這種教學模式要求在課程的評價和學員的最終考核上不能以偏概全，因此要在頂層上作進一步設計，如將研究型教學中學員的互動和學習報告甚至學員的某些奇思妙想納入最終考核，同時在閉卷考試部分加入對開放性問題的討論，減少對純粹知識點的考核，注重對學員創新能力的考察。下面，我們就以力學中“陀螺的進動”為例，探討如何在軍校大學物理課程中開展有針對性的研究型教學。
三、“陀螺的進動”研究型教學設計
“陀螺的進動”是大學物理“剛體力學”部分的重要組成部分，是將大學物理的基礎理論與軍事高新技術緊密結合的具有重要軍事應用前景的知識點，對于軍事院校部分專業如導航、定位和激光陀螺等學員具有承上啟下的橋梁作用。
(一)教學對象與教學目標
授課對象為光電科學與工程學院軍用光電和信息光學兩個專業的全體本科生，掌握好“剛體的進動”基本知識對于這批學員后續專業課程的學習具有重要意義。此外，電子科學與工程學院及理學院部分專業也從事慣性導航相關基礎研究，努力學好這部分內容對于學員未來從事相關科學研究和熟悉相關武器裝備十分必要。本節課的教學目標可以從三個方面概述:知識的獲取、能力的培養和素質的提升。首先我們可以通過行進中的自行車和陀螺傾而不倒的生活案例出發，在知識獲取上使學員能了解剛體進動(旋進)和定向性的基本知識，理解進動角速度公式的推導方法，讓學員進一步掌握對抽象物理問題做簡化模型選取的研究方法，這是在知識層面學員要達到的目標。其次，在學員創新能力培養上，我們希望通過“陀螺的進動”的學習，使學員能夠靈活運用進動的知識來解決實際問題，比如解釋摩托車轉彎的問題、槍膛來復線的問題等等，培養學員獨立思考的習慣、分析和解決物理問題的能力。最后在軍校學員基本素質的拓展上，我們希望通過這部分內容的學習，讓學員針對一些前沿開放性研究課題，特別是武器裝備如直升機旋翼的問題、導彈定位和慣性導航等問題，開展探究性學習，進一步拓寬軍校學員的知識面，培養他們理論聯系實際的能力和團隊合作精神等。在具體教學環節中，我們始終注意對學員嚴肅的科學態度，嚴格的科學作風和科學思維方法的訓練，使學員在領會基本知識的同時，掌握科學的學習方法，真正實現從“學會”到“會學”再到“會用”。
(二)教學內容與實施
考慮到學員已經在前面系統學習了剛體的基本知識，具有較好的基礎，在學習“剛體的進動”及陀螺的定向性等內容時，我們力求將重點放在進動的應用上。同時，作為研究型教學的課程內容，必須將教學內容與學員的生活體驗、專業特點等密切結合才能讓生硬的物理知識充滿“靈氣”，構成能夠看得見摸得著的整體。因此，筆者在教學過程中遵循“接地氣、重思考，挖本質、學能力”的原則來設計教學內容:
1．生活案例引入。自行車行進和陀螺傾而不倒的問題。首先通過行進中自行車不倒而靜止的自行車很容易倒下的生活實例，逐步引導學員思考內在原因，從而引出陀螺的進動基本概念。在講授陀螺的進動時，可以采用演示實驗和視頻播放的方法，讓學員親眼看到高速轉動的陀螺傾而不倒的神奇之處。
2．基本知識傳授。陀螺的旋進。不考慮空氣阻力，由剛體定軸轉動的角動量定理得出陀螺的重力矩和角動量垂直。然后與勻速圓周運動作類比，自然引出結論:與角動量垂直的力矩并不改變角動量的大小，但會引起角動量方向的變化，從而產生剛體的旋進現象，即進動。
3．思維拓展訓練。摩托車轉彎問題。這部分內容是對上述知識點的應用和有效拓展，要引導學員理論聯系實際，培養他們利用已有知識分析問題、解決問題的能力。為進一步提高學員對科研的興趣，我們給出美國《Science》上發表的有關自行車進動與穩定性的科研論文［6］，讓學員瞬間感受到生活中的物理竟然如此“高、大、上”，只要注意觀察，身邊處處皆物理。這部分教學內容在歷屆學員中反映效果良好，可以讓他們對看似枯燥無味的力學知識產生強烈的求知欲和濃厚的興趣。
4．軍事高科技應用。槍管中的來復線、響尾蛇導彈、三軸陀螺儀和激光陀螺。這部分內容與軍事裝備密切相關，是針對軍校部分專業學員量身定做的。一方面，陀螺的進動會提高子彈精準度;另一方面，陀螺的定向性在軍事上有重要應用。同時，作為拓展思維的重要組成部分，還要讓學員知道，陀螺慣性導航系統的轉子轉速高達每分鐘數萬轉，如果轉子稍不對稱就會對各個支撐軸產生巨大的作用力而使其損壞。在此基礎上自然引出無轉子陀螺如激光陀螺等高科技前沿，進一步拓展學員的科學視野。
5．探究性學習。通過前面基礎知識的學習和案例的講解，我們列出一些前沿開放式研究課題供學員分組討論，這些課題包括但不限于:地面摩擦力、空氣阻力和輪胎變形等對自行車穩定性的影響;陀螺效應在直升機飛行過程中的作用;陀螺進動的同時伴隨的章動及其應用等。這些研究課題緊扣生活實際和軍事前沿，既結合了學員專業特點，又有著濃厚的軍校特色，不但可以進一步鞏固學員對基本知識的掌握，還可以培養他們的發散性思維。在具體實施過程中，我們將每次課題討論分為藍方和紅方，針對課題研討內容互相提問，共同提高。對于研討后的論文和報告，我們要求學員通過學校圖書館、軍網MOOC平臺、互聯網等廣泛調閱資料，分工合作，一個小組就是一個團隊，隊長由成績較好、具有一定組織和協調能力的學員擔任，并與教員保持密切溝通，隨時報告學員反映的問題和存在的困難并盡快解決。
(三)研究型教學的成效與評估
為了對比研究型教學的實際效果，筆者在2015年兩個教學班做了對比實驗。這兩個教學班都采用相同的教材，學員基礎相近，入學成績和生源分布都基本一致。其中一個教學班我們采用的是傳統的教學模式，以教師講解為主，學員主要是“預習、聽課、練習、考試”;另一個教學班針對部分課程內容開展了有針對性的研究型教學，以學員討論和回答問題為主，教師引導學員主動學習。筆者在施教的過程中很明顯地感覺到，研究型教學班的學員學習興趣被極大的調動起來，課堂氣氛十分活躍，學員回答問題絡繹不絕，基本沒有瞌睡的現象。一個學期下來，初步統計有25%的學員課堂回答問題超過30次，約80%的學員一個學期回答問題超過15次，全班所有學員至少參加了一次課題討論、調研和實驗設計。這與傳統教學班完全不同———回答問題基本靠點名，上課有相當部分同學注意力不集中或者打瞌睡，期末考試部分同學靠突擊。此外，值得一提的是，通過開展研究型教學，學員廣泛閱讀資料，調研文獻，知識面得到了拓展，同時分析問題、解決實際問題的能力有了顯著提高。對于一些前沿科學問題和新概念武器問題，部分學員思維十分活躍，提出了一些“奇思妙想”，極大地豐富了課堂教學，令督導組專家和教員本身深受啟發。誰又能否認，未來戰場上這些“奇思妙想”不會實現呢?這不正是我們軍校需要培養的科學素養嗎!最后，對于如何評價研究型教學，我們在施教過程中也做了初步嘗試。首先，在平時成績的考核部分，我們采用積分制，將學員的討論和發言包括回答問題做統計納入平時成績。同時，每次課題討論包括論文都按照等級打分，納入考核。在期末考試部分，我們力求增加開放性課題作為附加分。實踐表明，通過開展研究型教學，極大地調動了學員的積極性和參與度，學員分析問題和解決問題的能力得到了提高，初步具備了從事科學研究所必需的團隊精神和創新能力。這種研究型教學的初步嘗試雖然還存在或多或少的實際問題，比如，某些知識點講解不夠透徹，理論推導不夠詳細，部分內容還有刪略，學員課余時間占用過多等等，還需要在以后的實際教學過程中做進一步優化。
四、結束語
研究型教學對于新型高科技軍事人才和拔尖創新人才的培養至關重要。本文以“陀螺的進動”為例，從課程內容的設計，教學策略的優化和教學過程的實施與評估，討論了研究型教學模式在軍校大學物理課程中的應用。實踐表明，這種有針對性的研究型教學模式可有效培養學員的研究能力、創新意識與團隊合作精神。
作者：余同普 鄒德濱 銀燕 邵福球 黃明球 單位：國防科學技術大學理學院
參考文獻:
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量子力學的基本知識范文6
一：改進教學方法，誘發創造興趣
我國教育家孔子曾說：“知之者不如好之者，好之者不好樂之者?！边@個“樂”就是樂趣。興趣是求知的動力，是激發創造力、開發智力的催化劑。因此，在化學課教學中培養學生的創造力，首先就要改進教學方法，培養學生對化學課的興趣。
1． 巧妙運用化學史。在化學教學過程中，適當地穿插化學史，可以使教學不局限于現成知識的本身的靜態結論，而可以追溯到它的來源和動態演變，使學生從發展的高度全面的把握知識。例如：講原子結構時可以聯系人們對原子的結構的歷史，其中經典力學與量子力學的爭論，從多種假設，到最后確定原子結構，都是同學感興趣的生動的史實。這不僅可以幫助學生逐步建立發展的觀點，而且能使他們在認識理論的形成和發展中得到一定的啟迪。例如：講硝酸時，引入《是什么力量支持第二次世界大戰》的故事。早在1913年之前，人們就發現德國有發動世界的可能，便開始限制德國進口硝石，這樣滿以為世界會太平事了，1914年德國發動戰爭后，人們又錯誤的估計，戰爭最多打半年，原因是德國的硝石不足，火藥生產受到限制。然而，戰爭卻打了四年多，德國為什么能打這么久的戰爭呢？這就是化學。原來，德國在大戰之前，已經掌握合成硝酸的技術。串講這些小故事，不僅活躍了課堂氣氛，而且大大激發學生學習化學的興趣。
2． 創設實驗美，增強學生興趣?；瘜W實驗教學是創造化學美的源泉，經常讓學生實驗教學過程中，欣賞與感受化學美，就會激發他們探索化學的濃厚興趣。例如：講授氯氣性質時，而是設計一個有趣的演示實驗，將一朵帶著露珠并發出淡淡清香的花朵，放在預先收集好的集氣瓶中，瓶中放有潮濕的氯氣，一會兒，鮮艷的花朵失去了應有的色彩。實驗引起了他們的興趣，這時同學們很安靜，很想知道這是為什么。在水到渠成的時候，我講：“要解開這個謎底，答案就在課本的某頁里。”同學們爭先恐后的打開課本，比平時認真百倍的看著，之后，加上老師的適當點撥，最終找到了答案。學生在輕松快樂的情緒下，把“強制性”的教學活動變成主動參與的學習活動。
3． 介紹生活小常識。平時我搜集了大量的材料，授課時穿插一些生活小常識，同學們是特濃，往往是過“耳”不忘。例如，講重金屬的危害時，告訴大家，不應常吃油條，因為專家告誡我們，油條中含有大量的鋁；也不要使用鋁制品，在發達國家，鋁制品已銷聲匿跡，因為鋁制品能引起小孩多動，注意力不集中智力與免疫力下降，老年后能引起老年癡呆；應常打掃房間，因為灰塵中含有大量的鉛，由于鉛塵常離地面1米遠的地方，帶幼兒上街應將孩子抱在身上，購買書本、陶瓷制品，一定要先用正品，避免鉛含量太高。有了生活化教學，學生怎能能記不住化學的好處呢！
4． 現代教學媒體演示法。多媒體教學形象逼真，具有聲、光、形、色同時再現的特點，能變枯燥為生動，變靜態為動態，能夠對知識加以形象化展示，就可以讓學生在輕松愉快的氛圍中掌握難點，在培養學生思維能力方面起著獨特的作用。例如：我在講“氯化氫分子的形成”時，我就精心制作了這么一個課件：用兩個可愛的“卡通人物”分別代表氯原子和氫原子，他們周圍分別環繞著7個和1個頑皮的小電子，在“找呀，找呀，找朋友”的兒歌聲中，他們蹦蹦跳跳地走出來，當他們彼此看到對方時，機靈的大眼睛轉了轉，而后，他們各有一對小電子伸出了可可愛的小手，于是，兩個小卡通手拉手、肩并肩站在一起，成了一對好朋友。此時，再配以氯化氫分子的電子式及分子模型，使整個教學過程科學嚴謹，又充滿趣味。
二．鼓勵質疑求異，激活創造思維
實踐證明，老師在教學中創設問題情景，引導并鼓勵學生獨立思考、標新立異，有助于培養學生思維的深刻性與獨創性。
值得強調的是，情景問題的設置要把握好“度”既不能過高，也不能過低，要把學生能在“跳一跳”的努力下摘到果子，視為理想境界。具體說來就是把握好幾個度――“難度”：把問題設置在“最近發展區”（現有水平和潛在水平之間）；“跨度”：問題的設置應有主次、輕重之分，緊扣教學內容和教學環節，注意問題的內在聯系及知識的前后銜接；“坡度”：問題的設置要由易到難，層層推進，步步深入；“參差度”：面向多數學生，兼顧兩頭。只有這樣才能激活學生的思維，更好地培養學生的質疑意識和求異創新能力。
三．營造空間，激發創造潛能
在學習過程中，學生體驗到的最大快樂，莫過于自己發現問題，又經獨立思考解決了問題。為了讓學生多體驗創造的快樂，筆者在教學中堅持為學生營造自由的創造的氣氛
1．營造寬松的創造心理空間。教師如果正言厲聲，學生就會噤若寒蟬，在這種情況下，學生心理閉鎖，創造潛力就難以開掘。在課堂教學中，我精心設計了，激勵學生參與教學活動，啟發學生從思維障礙中沖出來，為學生創造力提供表現和發展的機會。
