前言：中文期刊網精心挑選了量子力學基礎知識范文供你參考和學習，希望我們的參考范文能激發你的文章創作靈感，歡迎閱讀。
量子力學基礎知識范文1
關鍵詞：量子力學；教學改革；物理思想
作者簡介：王永強（1980-），男，山西河曲人，鄭州輕工業學院技術物理系，講師。（河南?鄭州?450002）
基金項目：本文系鄭州輕工業學院第九批教學改革項目“《量子力學》課程體系與教學內容的綜合改革和實踐”資助的研究成果。
中圖分類號：G642.0?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）20-0070-02
“量子力學”是20世紀物理學對科學研究和人類文明進步的兩大標志性貢獻之一，已經成為物理學專業及部分工科專業最重要的基礎課程之一，是學習“固體物理”、“材料科學”、“材料物理與化學”和“激光原理”等課程的重要基礎。通過這門課程的學習，學生能熟練掌握量子力學的基本概念和基本理論，具備利用量子力學理論分析問題和解決問題的能力。同時，這門課程對培養學生的探索精神和創新意識及科學素養亦具有十分重要的意義。然而，“量子力學”本身是一門非常抽象的課程，眾多學生談“量子”色變，教學效果可想而知。如何激發學生學習本課程的熱情，充分調動學生的積極性和主動性，提高量子力學的教學水平和教學質量，已經成為擺在教師面前的重要課題。近年來，筆者在借鑒前人經驗的基礎上，結合鄭州輕工業學院（以下簡稱“我校”）教學實際，在“量子力學”的教學內容和教學方法方面做了一些有益的改革嘗試，取得了較好的效果。
一、“量子力學”教學內容的改革
量子力學理論與學生長期以來接觸到的經典物理體系相去甚遠，尤其是處理問題的思路和手段與經典物理截然不同，但它們之間又不無關聯，許多量子力學中的基本概念和基本理論是類比經典物理中的相關內容得出的。因此，在“量子力學”教學中，一方面需要學生摒棄在經典物理學習中形成的固有觀念和認識，另一方面在學習某些基本概念和基本理論時又要求學生建立起與經典物理之間的聯系以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導致學生在學習這門課程時困惑不堪。此外，這門課程理論性較強，眾多學生陷于煩瑣的數學推導之中，導致學習興趣缺失。針對以上教學中發現的問題，筆者對“量子力學”課程的教學內容作了一些有益的調整。
1.理清脈絡，強化知識背景
從經典物理所面臨的困難出發，到半經典半量子理論的形成，最終到量子理論的建立，對量子力學的發展脈絡進行細致的、實事求是的分析，特別是對量子理論早期的概念發展有一個準確清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已經證明為正確并得到公認的，還存在哪些不完善的地方。這樣一方面可使學生對量子力學中基本概念和基本理論的形成和建立的科學歷史背景有一深刻了解，有助于學生理清經典物理與量子理論之間的界限和區別，加深他們對這些基本概念和基本理論的理解；另一方面，可使學生對蘊藏在這一歷程中的智慧火花和科學思維方法有一全面的了解，有助于培養學生的創新意識及科學素養。比如：對于玻爾理論，由于對量子化假設很難用已經成形的經典理論來解釋，學生往往會覺得不可思議，難以理解。為此，在講解這部分內容時，很有必要介紹一下玻爾理論產生的歷史背景，告訴學生在玻爾的量子化假設之前就已經出現了普朗克的量子論和愛因斯坦的光量子概念，且大量關于原子光譜的實驗數據也已經被掌握，之前盧瑟福提出的簡單行星模型卻與經典物理理論及實驗事實存在嚴重背離。為了解決這些問題，玻爾理論才應運而生。在用量子力學求解氫原子定態波函數時，還可以通過定態波函數的概率分布圖，向學生介紹所謂的玻爾軌道并不是真實存在的，只是電子出現幾率比較大的區域。通過這樣講述，學生可以清晰地體會到玻爾理論的承上啟下的作用，而又不至于將其與量子力學中的概念混為一談。
2.重在物理思想，壓縮數學推導
在物理學研究中，數學只是用來表述物理思想并在此基礎上進行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒在復雜的數學形式之中。因此，在教學過程中，教師要著重于加強基本概念和基本理論的講授，把握這些概念和理論中所蘊含的物理實質。對一些涉及繁難數學推導的內容，在教學中刻意忽略具體數學推導過程，著重于使學生掌握其中的思想方法。例如：在一維線性諧振子問題的教學中，對于數學方面的問題，只要求學生能正確寫出薛定諤方程、記住其結論即可，重點放在該類問題所蘊含的物理意義及對現成結論的應用上。這樣，學生就不會感到枯燥無味，而能始終保持較高的學習熱情。
二、教學方法改革
傳統的“填鴨式”教學法把課堂變成了教師的“一言堂”，使得學生在教學活動中始終處于被動接受地位，極大地壓制了學生學習的主觀能動性，十分不利于知識的獲取以及對學生創新能力及科學思維的培養。而且，“量子力學”這門課程本身實驗基礎薄弱、理論性較強，物理圖像不夠直觀，一味采取灌輸式教學，學生勢必感到枯燥，甚至厭煩。長期以往，學習積極性必然受挫，學習效果自然大打折扣。為了提高學生學習興趣，激發其學習的積極性，培養其科學探索精神及創新能力，筆者在教學方法上進行了一些有益的探索。
1.發揮學生主體作用
除卻必要的教學內容講解外，每節課都留出一定的師生互動時間。教師通過創設問題情景，引導學生進行研究討論，或者針對已講授內容，使學生對已學內容進行復習、總結、辨析，以加深理解；或者針對未講授內容，激發學生學習新知識的興趣（比如，在講授完一維無限深方勢阱和一維線性諧振子這兩個典型的束縛態問題后就可引導學生思考“非束縛態下微觀粒子又將表現出什么樣的行為”），[1]這樣學生就會積極地預習下節內容；或者選擇一些有代表性的習題，讓學生提出不同的解決辦法，培養學生的創新能力。對于在課堂上不能解決的問題，積極鼓勵學生利用圖書館及網絡資源等尋求解決，培養學生的科學探索精神。此外，還可使學生自由組合，挑選他們感興趣的與課程有關的題目進行討論、調研并完成小組論文，這一方面激發學生的自主學習積極性，另一方面使其接受初步的科研訓練，一舉兩得。
2.注重構建物理圖像
在實際教學中著重注意物理圖像的構建，使學生對一些難以理解的概念和理論形成較為直觀的印象，從而形成深刻的記憶和理解。例如：借助電子束衍射實驗，通過三個不同的實驗過程（強電子束、弱電子束及弱電子束長時間曝光），即可為實物粒子的波粒二象性構建出一幅清晰的物理圖像；借助電子束衍射實驗圖像，再以光波類比電子波，即可凝練出波函數的統計解釋；[2]借助電子雙縫衍射實驗圖像，可使學生更易接受和理解態疊加原理；借助解析幾何中的坐標系，可很好地為學生建立起表象的物理圖像。盡管這其中光波和電子波、坐標系和表象這些概念之間有本質上的區別，但借助這些學生已經熟知和深刻理解的概念，可使學生非常容易地接受和理解量子力學中難以言明的概念和理論，同時，也可使學生掌握這種物理圖像的構建能力，對培養學生的創新思維具有非常積極地作用。
三、教學手段和考核方式改革
1.課程教學采用多種先進的教學方式
如安排小組討論課，對難于理解的概念和規律進行討論。先是各小組內討論，再是小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點進行評述和指正。例如，在講到微觀粒子的波函數時，有的學生認為是全部粒子組成波函數，有的學生認為是經典物理學的波。這些問題的討論激發了學生的求知欲望，從而進一步激發了學生對一些不易理解的概念和量子原理進行深入理解，直至最后充分理解這些內容。另外課程作業布置小論文，邀請國內外專家開展系列量子力學講座等都是不錯的方式。
2.堅持研究型教學方式[3]
把課程教學和科研相結合，在教學過程中針對教學內容，吸取科研中的研究成果，通過結合最新的科研動態，向學生講授在相關領域的應用以培養學生學習興趣。在量子力學誕生后，作為現代物理學的兩大支柱之一的現代物理學的每一個分支及相關的邊緣學科都離不開量子力學這個基礎，量子理論與其他學科的交叉越來越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚態物理到中子星、黑洞各個層次的研究以量子力學為基礎；量子力學在通信和納米技術中的應用；量子理論在生物學中的應用；量子力學與正在研究的量子計算機的關系等，在教學中適當地穿插這些知識，擴大學生的知識面，消除學生對量子力學的片面認識，提高學生學習興趣和主動性。
3.利用量子力學課程將人文教育與專業教學相結合
量子力學從誕生到發展的物理學史所包含的創新思維是迄今為止哪一門學科都難以比擬的。在19世紀末至20世紀初，經典物理學晴空萬里，然而黑體輻射、光電效應、原子光譜等物理現象的實驗結果嚴重沖擊經典物理學理論，讓經典物理學陷入危機四伏的境地。1900年，德國物理學家普朗克創造性地引入了能量子的概念，成功地解釋了黑體輻射現象，量子概念誕生。1905年，愛因斯坦進一步完善了量子化觀念，指出能量不僅在吸收和輻射時是不連續的（普朗克假設），而且在物質相互作用中也是不連續的。1913年，玻爾將量子化概念引入到原子中，成功解釋了有近30年歷史的巴爾末經驗光譜公式。泡利突破玻爾半經典、半量子論的局限，給予了令玻爾理論不安的反常塞曼效應以合理解釋。1924年，德布羅意突破普朗克能量子觀念提出微觀粒子具有波粒二象性，開始與經典理論分庭抗禮。[4]和學生一起重溫量子力學史的發展之路，在教學過程中展現量子力學數學形式之美，使學生在科學海洋中得到美的享受，從精神上熏陶他們的創新精神。
4.考試方式改革
在本課程的教學中采用了教考分離，通過小考題的形式復習章節內容，根據學生的實際水平適當輔導答疑，注重學生對量子力學基礎知識理解的考核。對于評價系統的建立，其中平時成績（包括作業、討論、綜合表現等）占30％，期末考試占70％。從實施的效果來看，督促了學生的學習，收到了較好的效果，受到學生的歡迎。
四、結論
通過近年來的改革嘗試，我校的“量子力學”教學水平穩步提高，加速了專業建設。2009年，我?！傲孔恿W”被評為校級精品課程，教學改革成果初現。然而，關于這門課程的教學仍存在不少問題，如教學手段單一、與生產實踐結合不夠緊密等等，這些都需要教師在今后教學中進一步改進。
參考文獻：
[1]周世勛.量子力學教程(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2009.
[2]呂增建.從量子力學的建立看類比思維的創新作用[J].力學與實踐,
2009,(4).
量子力學基礎知識范文2
關鍵詞：結構化學；創新精神；高等教育；教育改革
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）02-0083-02
結構化學是高等院校化學、材料等相關專業的一門專業基礎課，是理論化學的一個重要分支。它是探究原子、分子、晶體結構的微觀結構，原子和分子中電子的運動規律，及原子和分子結構和性質之間關系的一門科學[1-3]。開設結構化學課程的目的是使相關專業的學生對微觀世界的結構和運動規律有所了解，初步掌握結構與性質的相互關系；從而使學生更進一步地從更深的層次上理解其他化學相關的專業課程，包括無機化學、有機化學、分析化學、物理化學等。
一、結構化學課程的特點
結構化學這門課程特點明顯，如下：（1）綜合程度高；（2）理論性強；（3）內容抽象。由于這一系列的特點，初學者在開始接觸這門課程時，常有聽“天書”無從下手的感覺；作者在教學過程中也因此遇到了一些問題。下面將遇到的問題做一概括：
1.綜合程度高。結構化學這門課程不是建立在經典力學體系下的課程，而是一門以量子力學為基礎的課程[4]。因此在此門課程的學習開始，就要求學生們鞏固好大一、大二所學的四大化學（無機化學、有機化學、分析化學、物理化學）課程以及其他學過的化學理論基礎知識，并在腦海中建立起一套完善的量子力學體系。此外量子力學論還是近代物理的重要組成部分，因此同學還要兼備一定的物理知識基礎。只有綜合掌握了物理和化學的相關基礎知識后，才能從本質上理解微觀化學領域各個粒子的結構與性能的特征，學懂結構化學這門課程。由此可見，該課程不管是教還是學，兩方面都存在著較大的難度。
2.理論性強。結構化學授課困難的一個重要原因就是課本中含有大量的公式推導過程，復雜的數學模型和大段的文字敘述求解過程。公式推導過程用到比較多的包括微積分、線性代數等高等數學知識。而高等數學方面向來是化學專業學生們的弱點，一步步的推導過程枯燥乏味，讓學生感覺云里霧里般，進而忙于應付求解過程忽略了公式中各個變量的深層次含義。
3.內容抽象。微觀粒子的結構和運動規律是結構化學的主要研究內容，而看不見摸不著的微觀粒子的運動給同學們學的過程帶來了一定的困難，文字敘述無法直觀表達，只能靠學生的憑空想象。因此這門課程對學生的邏輯思維能力和空間想象能力都有較高的要求。
二、結構化學課程授課過程中存在的問題及改革建議
本文作者根據自己多年的教學授課經驗，結合學生課后的反饋意見，對改革結構化學的教學方式提出了一些建議，旨在激發學生的學習興趣充分調動學生的學習積極性，活躍課堂氣氛提高課上學生的吸收率。
1.重視引導。結構化學是一門化學專業類的理論基礎課，學生們看到教材上大段的文字敘述還有繁雜的數學公式推導過程，往往還沒有開始學習就對此門課程失去了興趣。所以，在上第一節課的時候就應對學生進行正確的引導，在緒論課上給大家講述一些結構化學發展史。首先便是1900年，普朗克提出了量子假說，勇敢地打破了能量必須連續變化的經典理論，規定了以間斷形式存在的能量，電磁場中的能量和物質交換間的能量，能量子的大小同輻射頻率成正比，用普朗克常數作為二者之間的比例常數，從而得出黑體輻射能量分布公式，完美地詮釋了黑體輻射現象。其次在1905年，愛因斯坦意識到了量子化概念在微觀領域的重要性，引進了光子的概念，從而解釋了光電效應，開啟了量子力學的新篇章。學生們在聽故事的同時，會不知不覺地克服恐懼心理，激發學習的興趣。最后順著教學大綱的思路，引導大家用量子力學體系的思維去思考分析結構化學中所遇到的問題，讓同學們處于愉快的氣氛中，帶著笑容下課。
2.充分利用多媒體教學手段輔助教學。結構化學在教學內容上涉及一些相對抽象的模型，如原子軌道形狀、多原子分子的組合方式、配位化合物的配位形式、晶體的點陣結構等都涉及原子和分子的空間排布規律，這些內容要求學生具備較強的空間想象能力。傳統的板書教學方式很難將結構化學中較為抽象的理論以直觀的形式表現給同學們，大段大段的純文字描述也使得學生感到晦澀難懂。多媒體技術可以將授課內容動態化、立體化[5]，絕大多數的分子、晶體結構都可以用3D軟件結合FLASH等做成可360°觀看，任意縮放、平移、旋轉的模型，同學們可任意角度觀看，有利于鞏固加深記憶。
3.注重理論與實際的聯系。由于結構化學是一門理論基礎學科，因此學生們理解起來可能會有一定的難度，容易學過即忘，在教學過程中應讓學生通過理論聯系實際中所熟知或已學過的現象，通過類比的方法鞏固加深記憶。比如，在講晶體的宏觀對稱性時，聯系大自然，啟發學生思考：大自然雖然講究對稱美，但為什么很少有五邊形和七邊形的物體呢？由此引入晶體的空間點陣結構、對稱元素、對稱操作的概念并對對稱軸次加以證明，得出結論：晶體結構中的對稱軸次只允許存在1、2、3、4、6這五種不存在5和7，這與大自然世界的對稱美是相呼應的。而講到離域鍵的共軛效應時，以堿性條件下酚酞會變成紅色為例，結合學生高中所學知識讓學生理解酚酞變色的根本原因，主要過程是酚酞與堿性溶液發生反應，形成了離域鍵，產生了共軛效應，酚酞-堿性溶液體系能量下降，能級間隔變小，光譜偏移至可見光區，因此我們看到無色的酚酞變成了紅色。通過這種由外至內、循序漸進的引導方式使學生轉變對結構化學這門課程的印象，說明這門課程不是憑空想象漫無邊際地研究我們用不到的東西，而是服務于實踐，解釋著實踐中所遇到的問題，從而使他們樹立起學習信心，增加學習動力，真正做到課上講過的東西當堂就吸收理解掌握。
4.弱化公式推導。結構化學教學的目的就是讓同學們理解掌握結論和推導過程中各符號的物理意義及這些符號在化學中起到了什么樣的作用，有什么應用。結構化學中的公式推導過程用到的高等數學的課程知識比較多，包括微積分的多重積分求解，線性代數中的行列式求值等。而數學功底普遍是化學專業學生們的弱項，大部分所用到的數學知識又都是在大一學習的可能已經被忘到了腦后，因此在講述結構化學課本中的公式時應盡可能弱化公式推導過程，強化學生對整體大局和結論的理解，不再單獨強調詳細的求解過程。因此在講到公式部分時，首先要明確每個符號所代表的物理意義，從本質上理解結構化學這門課程，引導學生們如何去解決問題，解決問題后又能得出怎樣的結論，所得結論的實際意義是什么，然后再回到研究數學推導求解過程上。讓學生抓住該課程的主線厘清學習這門課程的基本思路，順著大綱學下去，把握住主要的大方向，這樣繼續向后面章節學習就不會出現斷層。反之如果從數學公式推導出發，進行煩瑣的化簡計算，就容易忽略需要解決的問題的主體，不知道這些純數學求解過程是要干什么，得出的結果有什么意義，事倍功半。
5.科學的完善考核機制?？荚囀墙虒W活動不可缺少的一部分，也是衡量教師授課成果和學生掌握課程情況的主要方法?，F代大學是以培養綜合創新型人才為目的的，因此在教學考核過程中，應該用科學的、多元的方式去綜合評價每個學生，拒絕一考定終身的制度，取代傳統的單一閉卷考試方法，轉變學生們認為只要死記硬背課本就能取得好成績的慣性思維。將最終成績定為三部分之和，其中，平時成績占30%；期中成績30%；期末成績40%。平時成績的30%包括課堂表現（10%）、習題作業（10%）和專業課小論文（10%）。課堂上教師有針對性地提出問題并根據學生的回答情況給出分數，既能隨時掌握學生們的學習狀況還能根據學生們的整體掌握情況隨時調整課程安排。有利于增強師生課上的互動、改變課堂沉悶的授課氛圍，培養學生們獨立自主的思考問題，討論問題，解決問題的能力，同時還可以鍛煉他們的語言表達能力和應變能力。課后的習題作業主要是引導學生正確地復習所學內容。專業小論文則偏重于考查學生查閱相關文獻、獲取知識的能力。這樣靈活的考試機制有利于引導學生改變突擊復習期末考試的方法，樹立正確的學習觀，從平時開始做到課后即復習，查漏補缺，也只有這樣才能真正達到結構化學的教學目的。
根據筆者多年來對結構化學課程改革的摸索，使用上述方法學生們學習結構化學課程的積極性明顯提高，課堂氣氛也活躍起來了，學生們愛聽了，授課效率明顯提高。
總之，結構化學是一門其中理論在實際生活中接觸較少，學習的知識內容相對抽象，老師和同學們在教與學的過程都感到較為困難的理論基礎課。教師們應精心備課，認真設計教學內容，研究課程改革，由淺入深的教學，消除學生們對課程的恐懼心理。通過一系列的改革過程，改變課堂環境，活躍課堂氣氛，讓學生體會到獨立自主創新和團隊合作精神的重要性，培養他們對問題分析和解決的能力；最后引入科學合理的考核機制對學生進行綜合評價，引導學生樹立正確的學習觀，不斷充實結構化學理論基礎知識，提高主動獲取知識、綜合運用知識的能力，培養多能創新型優秀人才。
參考文獻：
[1]楊志廣，彭鵬，石曉明，周凱.如何激發學生學習結構化學的興趣[J].教育教學論壇，2014，（20）：118-120.
[2]令狐文生，董華平.結構化學課程建設的實踐與思考[J].教育教學論壇，2011，（35）：214-215.
[3]韓波.結構化學教學實踐與初探――引導啟發式教學[J].科技信息，2013，（25）：218，259.
量子力學基礎知識范文3
摘要:
物理概念作為物理學知識體系的支柱，對其理解和掌握的程度直接影響到教學質量。對物理概念教學的實施原則和方式進行了探討:實施要求在知識傳授過程中不僅僅停留在概念本身，更需要從物理概念的需求背景、本質內涵和外延、適用范圍、缺陷和改進等諸多方面進行講解，使學生形成一個完整清晰的物理圖像。實施方式要求創造好的學習環境來激發學生的興趣以及調動學生的主觀能動性和創造力。通過有效啟發學生的思考，并使其受到科學精神的感染，達到有效理解和掌握物理概念的目的。
關鍵詞:
物理學概念;科學素質;科學精神;教學方法;教學效果
物理學是研究宇宙中存在的各種基本物質結構及其運動和相互作用規律的學科，是人類認識自然和改造自然的工具。大學開設的物理基礎課，可培養學生的科學素質和品質，也為后續專業課程學習奠定基礎［1］。物理基本概念用于概括、歸納、表述事物變化的基本規律，是學科基礎，對其深入學習可培養學生物理學的研究方法和思維［2］。
1物理概念教學的意義
大學物理通過向學生傳授基礎物理知識，培養學生基本的物理思維能力、科學品質以及物理學研究方法［3］。物理學概念(包括原理、定理、定律)是針對學科發展需要，在實驗和理論基礎上，通過反復的概括、抽象和歸納得到的，體現了學科的思維和發展方向，相應的學習和掌握至關重要［2］。
1．1培養解決和分析問題的能力
物理概念是物理學發展的支柱，任何一門物理學分支的發展都離不開特有物理概念的引入。如力學的發展，離不開力、力矩、動量、能量等基本物理概念的支撐。為了描述阻止物體的力，引入摩擦力，根據物體運動方式不同，又分為滾動和滑動摩擦力;為了研究物體的形變特性，引入了壓力、剪切力等概念［4］。
1．2培養物理學的辯證和統一研究思維
有些物理概念是矛盾的結合體，如光的本質，即“波粒二象性”，對其認識一波三折。最早笛卡爾、牛頓的微粒學說，成功解釋了光的直線傳播現象。波動學說起源于胡克，認為光是類似水波振動，惠更斯提出光是縱波。“牛頓環”體現了光的波動性，卻以微粒和以太進行解釋。隨著托馬斯•楊干涉、菲涅耳衍射、麥克斯韋電磁場理論研究，以及赫茲(Hertz)對光的電磁波本質實驗證明，人們逐步接受了光的波動性。直到19世紀末，在光電效應研究基礎上，愛因斯坦提出了光的“波粒二象性”［5］，為新學說奠定了基礎，如康普頓效應，德布羅意物質波、測不準原理、薛定諤波動方程等。
1．3培養融會貫通、觸類旁通能力
很多物理概念會經歷提出、實驗或理論證實，逐步推廣和深化，甚至擴展到其他領域的過程。這說明該概念的思維反映事物本質，精確描述了對象特征。如熱學里“熵”概念，最先由克勞修斯(Clausius)基于描述熱機循環狀態的需要而提出，后來分子運動論將其解釋為不可逆熱力學過程是趨向于概論增加的態變化(波耳茲曼熵)。經過多年沉淀，又被控制論、數論、概率論、生命科學、天體物理等領域引入并應用，說明其思維方式被認同［6］。教學中可以把熵作為專題進行講解，從不同學科集中闡述物理思維。
2物理概念教學的方法
大學物理學的教學目的如下:
1)通過掌握基礎物理知識，為學習后續專業知識打好基礎;
2)全面了解物理學研究方法、基本概念、物理圖像以及歷史淵源、發展等;
3)培養和提高大學生科學素質、思想、品質、精神等，通過了解科學發展的曲折和艱辛，科學研究的合作和樂趣等，培養學生科學思維方法、求真務實的科學品格，使其初步具備科學研究能力［1，7］。下面結合物理學特點以及教育理論和實踐，對物理概念教學方法進行探討。
2．1引入物理概念背景的教育需求
介紹物理學概念背景幫助學生充分理解概念引入的意義和作用。在此基礎上，設計問題引導學生進行自我思考，如:若你們在此背景下引入新概念，應該采用什么概念來描述物質特性或規律，它與現有概念相比有哪些優缺點?通過學生的深入思考和討論，使其充分認識和理解所引物理學概念的意義和重要性。這也是啟發式教學的常用方式［8］。如講解微粒比表面時，根據背景提問:對于一個物體而言，表面原子存在大量斷鍵而很不穩定，表現為較強活性，是不是體積越大活性越強?通過討論發現單純的體積特征不合理，體積越大，內部包含原子數越多。進一步提問:如何描述微?；钚裕⑦M行相應對比?這會激發學生的興趣，出現類似單位質量的物質表面等答案。最后，指出微觀粒子的尺寸效應最為重要，引出單位體積的表面積概念，即比表面積。
2．2講清物理概念的本質內涵和外延物理概念的發展
體現在內涵不斷豐富和外延在不同領域的擴展。溫度概念的發展就體現了內涵的豐富，從表征“環境的冷熱程度”到“分子平均平動動能的量度”，再到“物體內部分子的無規則熱運動劇烈程度”，最后推廣到“粒子集居數的反轉現象”，也就是“系統處于總能量高于平均能量的狀態”，并提出負溫度的概念。折射率的概念則體現了其外延的擴展，最初表征不同材料之間的偏折，后表征傳播速度。其實光傳輸的速度決定于材料原子之間電場的大小，也體現了原子結合力的高低，所以所承載的外延信息很多，包括光學、原子物理以及物質結構等不同學科。一些物理學概念是聯系不同領域的紐帶，如阿伏伽德羅常數是聯系宏觀與微觀的橋梁，對其內涵的理解比單純數值更有意義。
2．3循序漸進和系統性的教學
有些概念貫穿于整個物理學體系中，需要多學科的共同學習才能深入和系統地認識。以物理學中極其重要的“場”的概念為例，最先由法拉第(Faraday)基于電磁相互作用的超距觀點提出并進行直觀描述;隨后麥克斯韋從數學上推導了電場和磁場強度的波動方程，深刻地闡述了電磁場能量的分布［9］;列別捷夫(Lebedev)通過對光壓的觀測證明了電磁場動量特性;愛因斯坦狹義相對論的創立，證明場是物質存在的一種形式，具有能量、動量和質量;量子力學體現了場的“波粒二象性”;電磁場量子理論證明光子是電磁場的基本微粒，可與正負電子對相互轉化，具有實物轉化性，豐富了場的物理本質和內涵［10］?！皥觥痹陔姶艑W、力學、相對論、量子力學等領域都有體現。教學中要從“場”的基本特性、規律和共性出發，逐步深入:最初通過力學中重力(萬有引力)引入重力場強、重力勢能(引力場強、引力勢函數)，初步建立場的概念;電磁學或電動力學則通過電荷庫侖力場引入庫侖場強和庫侖勢，通過場矢量的通量分析和環流分析分別得到高斯定理和安培環路定理;相對論和量子力學通過波函數分析進一步加深對場的理解。
2．4引入必要的物理學史教育
物理學的發展過程是科學家為了解決自然界遇到的新問題而不斷探索的過程，所提物理概念是對所描述對象的高度概括［11］。新概念的提出、完善和修正需要科學檢驗和論證，錯誤的被或修正，正確的被采用或推廣，這體現了物理學思維方式。結合物理學史，對成功或失敗的物理概念進行分析和對比，有助于培養學生理性思維。成功實例:原子物理中“紫外災難”催生了普朗克(planck)的量子概念，后來愛因斯坦的光量子說，成功地解釋了光電效應，開啟了量子力學新篇章;描述基本粒子單元的夸克(quark)概念，被逐漸證實。失敗實例:描述光傳輸的“以太”概念被實驗否定。當前還有很多概念亟待進一步論證，波爾(Bohr)與愛因斯坦關于量子力學的著名論戰就是一個很好的證明。這可以培養學生思辨的習慣、求實的精神和相互包容的優良品質。
2．5構建清晰物理圖像
很多概念的提出都基于不同的研究思路和思維，需要建立完整清晰的物理圖像再現其物理思維和描述意義［12］。以麥克斯韋方程組為例，它體現了電磁學基本研究思路:對電場和磁場進行曲面和曲線積分，得到相應的源。學科適用范圍體現了不同思維，如電磁學規律是基于宏觀的分析，量子力學是處理微觀世界的規律，具有完全不同的研究思路和適用范圍。以電磁波發射為例，電動力學基于LC振蕩，量子力學電子躍遷。對比講解對構建知識體系和正確應用很有益。形象化表述是構建物理圖像的主要方法之一，如在光學中講述菲尼爾圓孔衍射的光強空間分布規律時，可以采用半波帶法、矢量圖解法等進行分解，達到獲得清晰物理圖像的目的［13］。加強實驗教學有助于構建物理圖像，可分為重建性和探究性，通過實驗再現物理知識或根據預設要求通過實驗得到結果。
3教學措施和效果
為了有效開展物理概念教學，我們對教學方法進行了改革，主要涉及到:分組討論式教學、改革考試方式、推行非標準化答案、重建基本概念、推薦內容豐富的教材和參考書、加強實驗教學等。分組討論式教學是創造機會使學生對物理概念的提出背景、必要性、可以解決的問題進行深入討論，在爭論中增強對概念本質的認識。典型問題有:物理概念需求背景、自我設想和構建、解決問題程度和預期目標、現有物理概念對比等。通過以上教學，學生在考試中對基本概念的描述正確率大大增加，平均得分率由72%提高到83%。非標準化答案旨在鍛煉學生想象力和發散性思維，圍繞物理概念進行問題設計，采用多種表述方式進行分析。采用撰寫論文形式進行考試，要求學生通過文獻查詢、收集信息等方式來闡述物理概念的內涵和外延等，全面鍛煉學生能力:信息查詢、歸納總結以及寫作表述能力等。考試成績比重由原來的15%增加到30%，更能體現學生能力水平。隨著學習不斷深入，需要通過擴展物理概念的內涵或外延對新事物及其特性規律進行描述。如隨著激光光強的增加，對材料的光電離會由單光子電離擴展到多光子電離，由線性光學擴展到非線性光學以及激光等離子體物理［14］。推薦內容豐富的教材和參考書也是一種很好的方式。如原子物理教學中可推薦楊福家的《原子物理學》［15］，該書圖文并茂，有很多經典故事，同時設計了很多啟發式問題，使用者反映良好。光學教學中可推薦馮國英、周壽桓編寫的《波動光學》［16］，該書內容豐富，主要物理概念和定律后面附有Matlab應用實例，有利于學生學以致用和形象化理解物理概念。另外，美國學者ArtHobson編寫的《物理學的概念與文化素養》等，都能為物理學概念的學習提供很好的參考。
4結語
物理學概念是物理學發展和前進的基石，體現了研究過程中遇到的新問題，反映了為了解決問題提出的新思維和方法，表征了物理學發展的趨勢和方向。物理學概念學習主要體現在基礎知識的掌握、科學品質和精神的培養、科學素質的鍛煉等方面。從教學方法上需要從構建物理圖像出發，結合物理學史的引入，激發學生主動性，達到全面掌握物理概念內涵和外延的目的。具體實施方式上，可以結合考試改革、非標準化答案、推薦優秀教材等來實現。
參考文獻:
［1］包景東．理論物理教學應在培養學生批判性思維能力上發揮作用［J］．大學物理，2014，33(1):1－5．
［2］張玉峰，郭玉英．圍繞學科核心概念建構物理概念的若干思考［J］．課程•教材•教法，2015，5(35):99－102．
［3］秦吉紅，梁穎．在大學物理教學中應加強科學素養的案例剖析:紀念黃祖洽先生［J］．大學物理，2015，34(2):15－18．
［4］喬通．科學教育中重要概念教學的國際比較研究:以“力學”概念教學為例［J］．全球教育展望，2015，5(44):118－124.
［5］甘永超．波粒二象性研究中的歷史學與方法論思考［J］．湖北大學學報(哲學社會科學版)，2002，29(3):90－95．
［6］孫會娟．熵原理及其在生命和社會發展中的應用［J］．北京聯合大學學報(自然科學版)，2007，21(3):1－4．
［7］濮春英，周大偉．大學物理教學中學生創新素質的培養［J］．南陽師范學院學報，2014，13(3):47－48．
［8］吳波．物理概念教學的改革與發展研究［J］．上饒師范學院學報，2003，23(6):23－28．
［9］楊振寧，汪忠．麥克斯韋方程和規范理論的觀念起源［J］．物理，2014，43(12):780－786．
［10］雷蒙德•塞爾維，克萊門特•摩西．近代物理學［M］．3版．北京:清華大學出版社，2008:65－106．
［11］申先甲，李艷平，劉樹勇，等．談談物理學史在素質教育中的作用［J］．大學物理，2000，19(11):36－40．
［12］李明．對加強和改進大學物理教學中多媒體技術的探討［J］．大學物理，2005，24(12):48－50．
［13］吳穎，徐恩生，羅宏超．振幅矢量法與半波帶法分析光柵衍射的比較［J］．沈陽航空工業學院學報，2005，22(1):70－73．
［15］楊福家．原子物理學［M］．2版．北京:高等教育出版社，1985:218－219．
量子力學基礎知識范文4
關鍵詞：科學素養；科學方法；科學意識；科學精神；大學物理
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）03-0110-02
“為什么我們的學校總是培養不出杰出人才？”這個被稱為“錢學森之問”的問題，已引起上至國務院總理下至普通學生的深思。中國學生雖在國際奧林匹克競賽中屢屢獲獎，卻一直與諾貝爾科學獎無緣。2010年11月第八次中國公民科學素養調查結果顯示，2010年具備基本科學素養的公民比例為3.27%，僅相當于主要發達國家和地區20世紀80年代末、90年代初的水平[1]。面對這些事實，我們不能不對現行的學?？茖W教育進行深刻反思。學校和社會一直倡導素質教育，但是素質教育就是多搞文體活動和多學琴棋書畫嗎？這是誤解，更是誤導。其實，素質教育的一個重要內容，就是提高科學素養。
一、什么是科學素養
“科學素養”這一概念是伴隨著20世紀五六十年代美國“課程改革運動”而系統確立起來[2]。盡管對這一概念的內涵尚未達成共識，但是，把科學素養作為科學教育的目標，已在世界各國取得共識。明確提出科學素養包含三個維度，并給出測評指標進行測度的主要有以下幾種。第一種是美國J?米勒教授提出的公民科學素養概念[3]。J?米勒的科學素養模型維度概括為：科學知識；科學方法；科學意識。自1979年以來，該指標體系及其測評結果一直為美國國家自然基金會所采用。第二種是世界經濟合作與發展組織開發的國際學生測評項目（PISA）提出的科學素養概念。PISA將科學素養定義為“15歲學生為了理解自然界及人類活動引起的自然界變化并有助于相關決策，而使用科學知識、識別科學問題、得出有根據的結論的能力”，該定義包含“科學方法或技能”、“科學概念與內容”及“語境”等三個維度[4]。雖然以上兩種科學素養概念的維度有所不同，但是可以看出，科學知識、科學方法、科學能力、科學精神和科學意識都屬于科學素養教育的范疇。
二、《物理》課程在培養科學素養中的重要性
《物理》、《化學》、《生物》等課程都是學校教育中培養學生科學素養的重要課程，而《物理學》又是一切自然科學和工程技術的基礎。2007年第10期青年科學《測測你的科學素養有多高》中判斷16個科學觀點的對錯。其中有10個觀點都可以在《物理》課程中找到答案，可見，《物理》課程在科學教育中的重要性。
三、大學《物理》教學中如何培養學生的科學素養
大學《物理》課程是高等學校理工科各專業學生的一門重要的通識性必修基礎課，在培養學生的科學素養方面，具有其他課程不能替代的重要作用。下面談談大學《物理》課程對培養學生科學素養，尤其是科學方法、意識和精神等方面筆者的一些思考和做法。
1.科學方法的培養?！笆谥贼~”不如“授之以漁”，方法對學生的終身發展至關重要。物理學中有許多科學方法。觀察法、實驗法、理想化方法、類比方法、假設方法和數學方法等是物理學的基本研究方法，不僅適用于自然科學的研究，也適用于其他科學技術領域和各種工作領域。分析、綜合、抽象、概括、歸納、演繹、類比等普通的邏輯方法是《物理》學科中常用的邏輯思維方法，更是普遍應用于人的各種思維活動。如果學生掌握了這些方法，就會在以后的工作中自覺地運用這些物理方法思考問題、解決問題，并具備實事求是，嚴謹科學的意識。也就是說，掌握了科學的方法，就有了在未來從事各項工作的“武器”。筆者在大學《物理》教學中，非常重視物理方法的介紹。①重視物理方法的提煉和總結。自然界發生的一切物理現象和物理過程，一般都是比較復雜的，為了降低研究的難度，在物理研究中產生了理想化方法，就有了質點、剛體、彈簧振子、理想氣體、點電荷等理想模型。在講解這些概念時重點講解這些模型形成的必要性和這種方法的重要性，讓學生知道這是處理自然界復雜問題的常用的科學抽象的方法，是一種重要的科學研究方法，在自然科學研究中占有重要地位。②通過物理學史的引入，加強科學方法的教學。牛頓在伽利略、開普勒等前人成果的基礎上，用歸納法獲得了經典力學的基本概念和力學三大定律，又用演繹的方法獲得了萬有引力定律并發明了微積分。在量子力學中，從黑體輻射問題的研究中出現的“紫外災難”到普朗克的量子假說，到愛因斯坦“光量子假說”，到玻爾的舊量子論，到海森伯、薛定諤提出的量子力學，再應用愛因斯坦相對論提出相對論量子力學的整個量子理論的發展史無不體現了假說―理論―新假說―新理論的循環發展模式；在提出假說階段常常運用歸納和類比的推理方法，在驗證和確立假說階段的演繹推理方法又時時出現。介紹這些歷史，不但讓學生學到了物理知識，而且讓學生用物理學家的方法和思路研究這些《物理》內容，無形中會受到良好的科學方法教育。
2.重視介紹物理的應用，培養學生良好的科學意識?？茖W意識就是從科學的角度理解問題、分析問題和解決問題的思想觀念及其行為。學生只有知道了科學的應用，才會在生活和工作中有科學的意識。《物理》課程是一門實用性很強的科學，所以在教學中就要多介紹物理知識的廣泛應用，尤其是最新的應用。例如，在電磁感應部分，除了介紹常見的渦流加熱和制動、微波加熱、電子感應加速器外，再介紹機場安檢處的金屬探測器（或棒）以及交通部門的交通探測器、銀行卡信息的存儲和讀取原理等；介紹這些實用知識不但會引起學生極大的興趣，也會引起學生主動思考生活中的問題，樹立良好的科學意識。
3.科學精神的培養?？茖W精神包括求實精神、創新精神、懷疑精神、寬容精神等幾個方面，其中最主要的是求實與創新。如何培養學生的科學精神？在授課中要注意啟發式教學，多提出問題，多質疑，啟發學生思考和發現，培養他們的主動參與的意識和創新意識。適當增加物理學史，讓物理學家們的不怕困難、無私奉獻，敢于質疑以及開拓創新的科學精神感染學生。
總之，在大學《物理》教學中要利用一切可能的途徑向學生傳授科學的基礎知識，培養科學的分析問題和解決問題的能力，培養學生用科學的觀點理解自然界現象并能作出決斷以及辨識真偽的能力，同時擁有良好的科學態度和科學精神。
參考文獻：
[1]中國科學技術協會.第八次中國公民科學素養調查結果.[EB/OL].
[2]李雁冰.科學探究、科學素養與科學教育[J].全球教育展望，2008.（12）：14-18.
量子力學基礎知識范文5
(一)簡介材料計算模擬軟件Materialsstudio是美國Accelrys公司為材料科學領域開發的一款科學研究軟件，用于幫助用戶解決當今材料科學中的一些重要問題。MaterialsStudio軟件包集成了Visual-izer、CASTEP、Dmol3、Reflex等二十幾個計算模擬模塊，是一款強有力的計算模擬工具。用戶可以通過Visualizer可視化模塊進行一些簡單的界面操作來建立材料分子的三維結構模型，之后通過軟件包中相應的計算模塊，對材料分子的構型優化、性質預測、X射線衍射分析及量子力學方面進行計算。通過計算得到的結果可以對各種晶體、無定型與高分子材料的性質及相關過程進行深入的分析和研究，其計算的結果精確可靠。CASTEP是CambridgeSequentialTotalEnergyPackage的縮寫，最早由英國劍橋大學的一個凝聚態理論小組開發，是廣泛用于計算周期性體系性質的一個先進量子力學程序。它可用于金屬、半導體、陶瓷等多種材料的相關計算，可研究晶體材料的光學性質（折射率，反射率，吸收及發射光譜等）、缺陷性質（如空位、間隙或取代摻雜）、電子結構（能帶及態密度）、體系的三維電荷密度及波函數等。
（二）教學環節設計1.知識點的設置。在材料科學的專業課中，如晶體物理、固體物理、半導體物理學、硅材料科學與技術等課程中,都會涉及材料的晶體結構，能帶結構，帶隙的分類，X射線衍射、缺陷，摻雜等知識點，也會涉及到材料的反射率、折射率、介電常數等材料的光學或化學性質。在完成這些基礎知識點的講解后，可以利用Mate-rialsStudio軟件進行計算和演示，為這些基礎理論給出直觀形象的解釋，把材料的宏觀性質與微觀機理銜接上，這樣學生對材料科學的知識體系就會有一個整體的認識和了解。2.密度泛函理論及波函數的介紹。密度泛函理論是一種研究多電子體系電子結構的量子力學方法，其本質是以電子密度分布函數為變量代替波函數中的自變量來求解薛定諤方程，使求解復雜體系波函數的本征值成為可能。目前，密度泛函理論已廣泛應用于物理、化學及材料相關領域，特別是用來研究分子和凝聚態的性質。目前密度泛函理論DFT（DensityFunctionalTheory縮寫）被廣泛應用到計算模擬軟件中來求解薛定諤方程，可對材料的結構、性質、光譜、能量、過渡態結構和活化勢壘等方面的進行計算研究。在與分子動力學結合后，在材料設計、合成、模擬計算等方面有明顯進展，成為計算材料科學的重要基礎和核心技術。3.軟件的操作及相關內容的演示。MaterialsStudio程序包中的二十多個計算模塊是通過Visualizer這個可視化核心模塊整合在一起的，用戶可以很方便地應用Visualizer模塊構建有機、無極、聚合物、金屬等材料分子、及周期性的晶體材料、表面、層結構等模型，通過鼠標控制這些分子構型，可從不同角度查看并分析體系結構，容易形成直觀的概念。MaterialsStudio自帶的數據庫中的晶體結構可以用于教學演示，如在硅材料科學與技術和半導體物理等課程的教學過程中，需要用到單晶硅的晶體結構，可以很方便地從MaterialsStudio軟件的Structures/semiconductors數據庫文件夾中導入Si這個晶體數據文件，在課堂上為學生們演示，從（100）、（110）、（111）不同的晶面來進行展示（如圖1），以說明硅單晶的晶體結構。也可以通過Visualizer模塊中的菜單選項Build->Sym-metry->Supercell建立n×n超胞結構，通過調整角度，可以從不同晶向觀察晶體的晶面，通過超胞結構也可以演示各種晶體的密堆積結構。這樣就給學生一個生動、形象、直觀動態的概念，使其易于在頭腦中建立空間模型，理解所學知識點。通過Visualizer模塊對硅單晶的元胞進行演示，我們可以知道每個硅原子至多與另外四個硅原子相連，借此可以說明硅原子的共價鍵取向及硅晶體屬于金剛石型結構，源于硅原子的sp3雜化，形成了四個共價鍵。通過CASTEP模塊對硅單晶的元胞進行計算，可以得出其能帶結構和態密度，通過對計算結果的分析，可以得出硅單晶材料的帶隙特點。在稀土化學的教學過程中，可以通過CCDC英國劍橋晶體數據庫及WebofScience網站來獲取稀土配合物的晶體結構，然后通過MaterialsStudioVisualizer讀出晶體結構，用于課堂演示，有助于學生理解復雜的稀土配合物結構。在固體物理教學過程中，可以利用MaterialsStudio中的Re-flex模塊模擬粉晶體材料的X光、中子以及電子等多種衍射圖譜,可用于驗證實驗結果及演示教學。4.知識點的拓展。對于缺陷、雜質摻雜、空位等對晶體材料的影響，可以通過MaterialsStudio中Visualizer模塊建立相應的模型，然后通過CASTEP計算模塊進行計算。通過對計算結果的分析，說明這些因素對半導體材料性質的影響。MaterialsStudio軟件同樣可以計算材料的折射率、反射率、介電常數等性質。其計算的結果數據和圖表可以與教科書或文獻上的數據圖表進行對比，來說明計算方法的正確性，以此為支點，采用同樣的計算方法，我們可以嘗試設計更多的新型材料并進行計算。通過這些詳實的計算實例我們可以更生動地說明教學中的知識點，學生可以根據自己的興趣愛好，嘗試進行材料分子模型的設計并進行模擬計算。通過計算結果的對比，可以初步探討晶體中缺陷、雜質、空位等因素對材料性質的影響，在此過程中增加了學生的學習自主性和興趣。
二、GaussianView和Gaussian軟件在教學中的應用
（一）簡介Gaussian是一個功能強大的量子化學綜合軟件包。應用它可以計算分子能量和結構、過渡態的能量和結構、化學鍵以及反應能量、分子軌道、熱力學性質、反應路徑等等，功能非常強大。計算可以模擬氣相和溶液中的體系,模擬基態和激發態，進而通過含時密度泛函研究材料分子體系的激發態，算出吸收和發射光譜。Gaussian擴展了化學體系的研究范圍，可以對周期邊界體系進行計算，例如聚合物和晶體。周期性邊界條件的方法(PBC)技術把體系作為重復的單元進行模擬，以確定化合物的結構和整體性質。而GaussianView是一款為Gaussian設計的配套軟件，其主要作用有兩個：1.構建Gaussian的輸入分子模型，2.以圖形顯示Gaussian程序的運算結果。
（二）知識點的設置1.在材料科學有機電致發光材料及稀土化學課程的教學過程中，會涉及到有機或稀土發光材料的吸收及發射機理。通過把Gaussian軟件教學過程，我們可以很好結合這些算例講解三重態，單重態發射過程，給出與發射過程相關的分子最高占據軌道HOMO和最低非占據軌道LUMO的電子密度圖，這樣就可以很形象地解釋發射過程中的電子轉移過程，對低能吸收和發射過程的電子躍遷性質進行判斷。2.軟件的操作及相關內容的演示。(1)通過CCDC晶體數據庫或者WebofScience網站獲得相應的配合物或者稀土配合物晶體的晶體結構（通常為cif文件）。(2)應用Mercury軟件或者MaterialsStudio軟件讀取相應的晶體結構，轉存為GaussianView程序可以讀取的格式（一般選用*.cif、*.pdb、*.mol2格式）,通過Gaussian-View轉存為Gaussian輸入程序（*.gif-Gaussianinputfile)。(3)采用Gaussian程序進行計算。(4)通過GaussianView程序讀入Gaussian03/09計算結果，通常為log文件，或者fchk文件，GaussianView可以很方便地讀取Gaussian的計算結果并且以圖形的形式顯示出來，并可應用它對計算結果進行分析。(5)通過GaussianView對計算結果的進行處理，通過它顯示出發光材料的分子軌道電子云密度分布情況，吸收光譜，發射光譜等情況，結合這些圖形信息，我們可以對有機電致發光材料或者稀土發光材料的發光機理進行教學。3.知識點的拓展。GaussianView是由Gaussian公司開發的一款非常好的分子建模及顯示工具，學生可以通過對它的使用，很方便地進行分子設計并輸入到高斯程序中進行計算?？梢园才艑W生在基礎發光材料分子的基礎上，在分子配體的添加取代基或者改變配體，進行嘗試，進行配合物分子的設計，增強其動手能力，為今后走進實驗室進行有機合成做準備。
三、預期的效果
量子力學基礎知識范文6
關鍵詞：材料科學；結構化學；教學內容
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）18-0032-02
湘潭大學目前除了化學專業、應用化學專業開設結構化學之外，材料物理、材料化學、材料科學與工程這3個材料科學類的專業也開設結構化學課程，5個專業使用的教材均為周公度、段連運先生編著，北京大學出版社出版的結構化學基礎（第4版）一書。根據近幾年來材料科學類結構化學的教學實踐情況，考慮到材料科學學科與化學學科之間的差異，根據材料科學與工程教學指導委員會制訂的高等學校材料物理、材料化學專業規范，優化適合于材料科學類3個專業的結構化學課程的教學內容實有必要。
一、結構化學的內容和課程的任務
結構化學是研究原子在空間相互結合成分子或化學實體的方式（結構）、依據（化學鍵本質）、規律及結構與性能間的聯系，它是聯系材料宏觀與微觀的橋梁，是材料設計的基礎。結構化學以在分子水平上研究自然科學問題為其主要目標與特征，這決定了它不僅是研究化學反應機制、化學的內在規律性、各類化學體系立體構型、鍵型及構效關系的指南，而且已成為材料科學、分子生物學、金屬有機化學等新興、邊緣或綜合學科發展的支柱。結構化學不僅與化學各分支學科，而且與材料科學、物理學、地學、生命科學、冶金學等學科有廣泛的橫向聯系與交叉。結構化學的另一個重要內容就是與合成化學、理論化學以及材料科學、生命科學、固體物理等相鄰學科一起，建立分子工程學、晶體工程學等學科。
結構化學課程是材料科學類的一門基礎課，其任務是使學生深刻掌握微觀物質運動的基本規律，獲得原子、分子和晶體結構的基本理論、基礎知識，深入掌握物質結構和性能的相互關系，牢固樹立結構決定性能的觀點，了解研究分子和晶體結構的近代物理方法。通過這門課程的學習，培養學生的創新精神和實踐能力，進一步培養學生從結構的觀點分析問題和解決問題的能力。結構化學的教學對于鍛煉學生思維、開發學生智力、發展學生能力、提高學生綜合素質有著極其重要的作用。凡具有較好理論基礎的大學畢業生，適應能力強，后勁足，結構化學的教學起著十分重要的作用。
二、材料科學的特征
材料科學與工程正在發生深刻的變化，其研究已深入到原子尺度，突出特征表現在3個方面。第一，材料科學技術化，材料技術科學化，材料科學與工程技術日益融合，相互促進；第二，新材料、新技術、新工藝相互結合，為各個工程領域開拓了新的研究內容，帶來了新的生命力和發展前景；最后，學科之間的相互交叉滲透，使得各學科之間的關系日益密切，難以分割。基礎科學與現代技術的新成果也和材料科學與工程的發展交織在一起。
從教材角度看材料科學，具有3個特征：基礎性、前沿性和應用性?；A性，一方面指材料科學的研究是建立在物理、化學的基礎上，沒有扎實的理化基礎從事材料研究與開發是難以想象的。另一方面，當前材料科學研究顯示出突出的交叉性和綜合性，學科內容及規模不僅體系龐大而且紛繁蕪雜，沒有扎實的基礎就難以抓住要害，不能適應學科的變化和發展，這就要求教材毫不含糊地重視基礎。前沿性是指材料科學的發展速度迅猛，只有在教材中恰當地反映這些變化，才能使學生適應日后的研究工作。應用性是指材料研究的目的而言，是為了實際應用。當今材料研究從實驗室到工業化的時間大大縮短，材料研究與開發已成為高科技的重要組成部分，要求在教材中有意識地體現這一特征。
三、結構化學課程教學的主要內容與基本要求
根據結構化學的研究內容和材料科學學科的特征，材料科學類的結構化學課程不僅要兼顧物理系的材料物理和化學系的材料化學2個專業，包含適當的量子力學基礎、固體理論和表面結構化學，還要適當地介紹一些的功能材料，不能“有理無物”，而且既要與材料物理課程和材料化學課程緊密地相聯系，又要區別開來，既要與計算物理課程和計算化學課程相聯系，又要區別開來，突出材料結構與性能的關系，簡要介紹分子設計學。遵循加強基礎、強化能力、整體優化、精選內容、更新知識、突出應用、反映前沿及簡明扼要的原則，進行教材編寫。
在內容的選取上，首先把握更新與精選，處理好“新”與“基”的關系。在加強基本教學內容的前提下適當反映新內容，拓寬知識面，體現“少而精”、“精而新”的原則。不僅要反映現代科學的發展趨勢和學科的前沿理論，而且應注重結構化學課程對其他課程和學科的滲透，提高綜合度。其次充分重視理論聯系實際。在不同部分側重點不同，力求加強宏觀與微觀的聯系，掌握規律。第三，注意演繹法和歸納法2種方法的應用。RHoffmann曾說：“化學理論的最主要作用是提供一種思維方式，以總結更新知識”。結構化學作為理論化學的重要組成部分，要求該課程使學生在2種思維模式即演繹法和歸納法方面均得到較好的訓練。中國傳統教學偏重演繹，優點是嚴謹，但缺乏創新意識，而美國等國家在教學上側重歸納，優點是獨立思考和創造能力強，缺點是基礎不夠扎實。因此，我們力求將2種思維模式在各個章節都有所體現，期望學生受到全面的訓練。第四，充分注意習題的作用。習題是鍛煉思維的體操，是學習過程中的重要一環，做習題不僅是理解、掌握知識，而且是學會如何運用知識。雖然做習題本身不是科學研究，但對研究能力的養成有重要作用。許多科學大師都曾津津樂道于他們早年在習題中的受益。A Sommerfeld曾寫信給他的學生W Heisenberg，告誡他：要勤奮地去做練習，只有這樣，你才會發現，哪些你理解了，哪些你還沒有理解。楊振寧也曾回憶他的大學學習：西南聯大教學風氣是非常認真的，我們那時念的課，一般老師準備得很好，學生習題做得很多。的確，“勤奮地去做練習”，“習題做得很多”，往往是達到成功的一個階梯。因此例題習題選編的恰當與否直接影響教學效果，這在內容多、學時少、提倡自學的當今時代顯得尤為重要，對于結構化學課程而言更是如此。習題不能全部簡單化，我們編寫了一定數量的綜合訓練題。最后，注意課外讀物的作用。課外讀物有利于拓寬學生的知識面，培養學生的自學能力。閱讀原始研究論文能夠培養學生良好的思維能力和思考問題的方法，提高他們分析問題和解決問題的能力。在結構化學中，每一個基本原理或理論大都對應一位科學大師，學習他們的研究方法及寫作技巧，對學生將來從事科研等工作十分有益。
因此，材料科學類的結構化學課程教學內容應包括下列6部分內容，各部分的基本要求如下：
1.量子力學基礎和原子結構。這部分內容在第1、2章中講授。要求了解量子力學的基本假設，掌握氫原子和類氫離子的薛定諤方程及求解要點，提高對原子結構的認識，深入理解原子軌道的意義、性質和空間圖象。了解多電子原子的自恰場方法及中心力場近似法，了解核外電子布居的依據，了解角動量的偶合及原子光譜項的意義。
2.化學鍵理論和分子結構。這部分內容主要在第3、5、6、10章中講授。要求重點掌握化學鍵的三個基本理論：分子軌道理論、價鍵理論和配位場理論。其中第3章要求了解線性變分法處理H2+和H2，了解共價鍵本質及典型的雙原子分子的電子排布。第5章要求掌握價鍵理論在多原子分子結構中的應用，掌握s-p雜化軌道的造法及鍵角公式。要求掌握HMO方法及其在共軛分子中的應用，掌握前線軌道理論和能量相關圖及其應用。第6章要求掌握配位場理論在配位化合物結構中的應用，π-σ配鍵化合物和過度金屬簇合物的電子結構或成鍵特征與性能。了解分子光譜、電子能譜原理。掌握現代化學鍵理論在討論非金屬化合物成鍵特征及結構與性能關系方面的應用。
3.點陣理論和晶體結構。這部分內容主要在第4、7、8、9章中講授。要求根據分子的幾何構型確定分子所屬的點群，初步了解群的表示和特征表的意義。了解偶極矩、旋光性與分子結構的關系。要求著重了解X射線衍射等方法所依據的基本原理，以及在測定結構中的作用和應用范圍，為了解與掌握現代化學中的重要實驗方法打下初步的理論基礎。掌握描述晶體結構的表達方法，掌握金屬、離子化合物的晶體結構與性能。了解用結構化學理論研究固體表面的結構和性能的方法。
4.功能材料結構與性能。這部分內容在11章中講授。初步了解幾類重要的功能材料，加深理解結構決定性能的觀點，初步了解功能材料結構與性能的關系。
5.分子設計基礎。這部分內容在12章中講授。初步了解分子設計的基本原理及其應用。
