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現代量子力學教程范文1
【關鍵詞】量子力學；教學方法；物理思想
“量子力學”是20世紀物理學對人類科學研究兩大標志性貢獻之一，已經成為理工科專業最重要的基礎課程之一，學生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。對提高學生科學素，養培養學生的探索精神和創新意識及亦具有十分重要的意義。但是，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。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。針對這些教學中的問題，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，已經成為擺在教師面前的重要課題。對“量子力學”課程的教學內容應作一些合理的調整。
1 合理安排教學內容
1.1 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。
1.2 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。
2 改進教學方法
“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，一味采取傳統的灌輸式教學，學生勢必感到枯燥，甚至厭煩。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，在教學方法上應進行積極的探索。
2.1 發揮學生主體作用
在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”），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。
2.2 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；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。
3 教學手段和考核方式改革
3.1 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，有的學生會認為是全部粒子組成波函數，有的學生會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。
3.2 堅持研究型教學方式
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。
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。量子力學的誕生，開啟了人類科學發展的新思維。開展好量子力學的教學活動，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，有利于極大的提高學生的科學素養，從精神上熏陶他們的創新精神。
【參考文獻】
[1]周世勛.量子力學教程[m].高教出版社，1979.
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關鍵詞：熱力學與統計物理學；國家精品課程；統計熱力學體系
“熱力學與統計物理學”（簡稱“熱統”）是我國高等院校本科物理專業的一門必修課程，是研究物質有關熱現象（即宏觀過程）規律的理論物理課，也是普通物理“熱學”的后續課。內蒙古大學“熱統”教學組在20多年教學實踐中，不斷更新教育觀念，探索課程教學體系的改革，逐步建立了以微觀理論為主線的教學體系，建設了首門“熱統”國家精品課程（2004年）——“統計熱力學”，陸續出版了配套教材[1]和學習輔導書[2]。
一、關于“熱統”教學體系的思考
關于熱現象的理論包括兩部分，即宏觀理論——“熱力學”和微觀理論——“統計物理學”。我國目前的“熱統”課程由早年設置的 “熱力學”和“統計物理學”兩門課程合并而成，一直沿襲“熱”、“統”相對獨立的“一分為二”教學體系[3-5]。教學內容安排大體以學科發展歷史和認識層次為序，由唯象到唯理，由宏觀到微觀。這種體系十分成熟，在多年教學實踐中獲得很大成功。隨著科學技術和人類現代文明的飛速發展，人們認識世界的條件、增長知識的方式和獲取信息的渠道發生了質的變化：昔日深奧難解的名詞，今天已可聞之于街巷；諸多科學概念的理解，逐漸變得不很困難。在這種知識氛圍和學習環境下，從中學到大學的物理教學內容均在不斷地改革和深化。同時，現代科學成就在高新技術中的廣泛應用向21世紀人才培養提出更高的要求。這一切，催動著大學物理課程改革的進程，也激發起我們對傳統體系的思考。
從“熱物理”系列課程改革現狀來看，一方面，普通物理“熱學”課程的內容已進行了必要的深化和后延，原有“熱統”課程與現行“熱學”課程內容出現較多重復。僅以汪志誠著《熱力學 · 統計物理》[5]和秦允豪著《熱學》[6]為例，二者內容重疊約為1/3。過多重復造成學習時間與精力的浪費，甚至引發學生的厭學情緒，使學習效益降低。另一方面，飛速發展的高新技術拉近了基礎理論與應用技術的距離，就熱物理而言，無論實際工作中的應用，還是繼續深造時的基礎，都對“熱統”課程教學提出更高的要求。增加課程的統計物理比重，深化微觀理論的系統理解勢在必然。此外，改革開放以來，我國高等教育從學制到專業及課程設置均有較大幅度的變動，“熱統”課教學時數多次削減（1208672、64），課堂教學的信息量和效益問題變得更加突出。面對這種形勢，各校對“熱統”課程的內容進行了不斷的改革，逐步增加統計物理比重，努力減少和避免與“熱學”的重復。然而，由于沒有觸動“一分為二”的體系，大量的簡單重復難以避免，“熱力學”內容仍然偏多，實際教學中統計物理的系統性難以保證。
針對上述問題，我們從體系結構著眼，對“熱統”課程進行了較大力度的改革[1]。我們的改革思路是：打通“熱物理”宏觀與微觀理論的壁壘，融二者為一體，削減學時、充實內容，有效地避免與普通物理的簡單重復，提高教學效益；以微觀理論為主導，確保統計物理體系的完整性與系統性，增加課程的先進性與適用性。在上述思想指導下，構建了“熱統”課程的“統計熱力學”體系。新體系從根本上解決了熱物理課程中理論物理與普通物理之間層次交疊、內容重復的問題；大幅增加統計物理比重，使其理論及應用內容在總學時中占到3/4以上。
二、統計熱力學體系的特色
統計熱力學教學體系的主要特色是：熱物理學以微觀理論為框架；微觀理論以系綜理論為主線；系綜理論以量子論為基礎。體系知識結構框如上圖所示。
1．以微觀理論為框架，融微觀與宏觀一體
“統計熱力學”以微觀理論——統計物理為主導，建立了從微觀到宏觀、完整自恰的理論體系。
在傳統的“一分為二”體系下，學生往往將過多精力用于熱力學計算，不能很好地理解統計物理的理論體系，容易將熱現象的宏觀和微觀理論割裂開來。本體系從微觀理論出發，用統計物理理論導出熱力學基本定律，討論體系熱力學性質，給出統計物理概念與宏觀現象的對應，融熱現象的微觀、宏觀理論于一體，結束了兩種理論割裂的傳統教學格局，提高了認識層次。同時，使理論物理與普通物理的分工更趨合理，便于解決傳統體系難以避免的“熱統”與“熱學”過多重復問題。
本體系按照統計物理學的知識框架，將主要知識點劃分為孤立系、封閉系和開放系等三個模塊（參見上圖）。各塊均首先給出相應的統計分布，進而引入熱力學勢（特性函數），導出熱力學基本定律，再用微觀和宏觀理論相結合的方法研究具體系統的熱力學性質。例如：在孤立系一章，從等概率基本假設出發，引入統計物理的熵，導出熱力學第一、第二定律，進而研究理想氣體的平衡性質。在討論封閉系時，從正則分布出發，引入熱力學勢——自由能，給出均勻系熱力學基本微分式，進而導出麥克斯韋關系，介紹用熱力學理論研究均勻物質宏觀性質的方法，再具體討論電、磁介質熱力學、焦-湯效應等典型實例。同時用正則分布研究近獨立子系構成的體系，導出麥-玻分布，介紹最概然法；進一步導出能均分定理，介紹運用統計理論研究半導體缺陷、負溫度、理想和非理想氣體等問題的方法。對于開放系，首先導出巨正則分布，再引入巨勢，給出描述開放系的熱力學微分式，研究多元復相系的平衡性質，討論相變和化學熱力學問題；用量子統計理論導出熱力學第三定律，討論低溫化學反應的性質。另一方面，考慮全同性原理，用巨正則分布導出玻色、費密兩種量子統計分布，給出它們的準經典極限——麥-玻統計分布，并運用獲得的量子統計分布分別討論電子氣、半導體載流子、光子系的統計性質和玻色—愛因斯坦凝聚等應用實例。
2．以系綜理論為主線，完善統計物理體系
與國內現流行體系不同，“統計熱力學”的統計物理以“系綜理論”為基礎，具有更強的系統性。
現流行體系為便于學生理解，大多先避開系綜理論，講解統計物理中常用的分布和計算方法，如近獨立粒子的最概然分布、玻耳茲曼統計、玻色統計和費米統計及其應用等，而在課程的最后介紹系綜理論有關知識[5]。這種體系除內容不可避免地出現重復外，還在一定程度上犧牲了統計物理的系統性。在實際教學中，為了闡明有關分布和統計法，往往不可避免地運用如等概率假設、配分函數、巨配分函數等系綜理論的基本概念，難免出現生吞活剝、“消化不良”的弊端。從體系實施現狀來看，不少院校因學時有限，在熱力學和基本統計方法的教學之后，對系綜理論的介紹只能一帶而過，學生難以完整掌握統計物理理論。
我們多年采用系綜理論為主線的教學實踐表明，“統計分布”與“系綜”的“分割”是不必要的。本體系首先引入“系綜”概念，將整個“統計熱力學”的基礎建立在系綜理論之上，從一個基本假設——等概率假設（微正則系綜）入手，漸次導出各種宏觀條件下的系綜分布，建立配分函數、巨配分函數等基本概念，給出相應的熱力學勢和熱力學基本微分公式；同時，順暢地導出如最概然分布、玻耳茲曼統計、玻色統計和費米統計法等常用分布和計算方法，并用于實際問題。在教學過程中，力求循序漸進地闡明統計物理的基本理論，使學生準確、清晰地掌握統計物理的基本概念，對熱物理理論有完整系統的理解，能夠全面、靈活地運用，為進一步學習更高深的知識和了解物理學的最新成果奠定扎實的基礎。
3. 以量子理論為基礎，認識微觀運動本質
為使學生準確認識微觀運動本質，“統計熱力學”將系綜理論建立在量子論的基礎上，而經典統計則作為量子統計的極限給出。
傳統體系多從經典統計入手，然后進入量子統計。我們教學實踐的體會是，物理學歷史上由經典論到量子論的認識過程沒有必要在統計物理教學中重演。通過現設“普通物理學”課程的學習，學生已理解微觀運動遵從量子力學規律，并具備了一定的量子論知識基礎，在量子論基礎上建立統計物理理論順理成章。事實上，微觀運動的正確描述須用量子理論，而量子統計與經典統計就統計規律性而言并無本質區別，經典統計只是量子統計的極限情形而已。以量子論為基礎構建統計物理體系，更有利于學生盡快認識事物的本質，迅速進入對前沿科學的學習。
三、關于體系的兼容性——幾個共同關注的問題
“統計熱力學”以系綜理論為主線，以量子論為基礎,大幅提高統計物理比重，適當地增加了課程深度。在課時縮減，招生規模擴大的形勢下,實施上述改革更有一定風險和難度。另一方面，新體系能否與流行體系兼容，也是國內同行普遍關注，需要在優化改革方案過程中解決的問題。為化解難度，提高兼容性，在體系建立和教學實踐中，我們著力解決了以下幾個問題：
問題之一：量子理論與系綜理論理解困難問題。如前所述，學習本體系前應具備一定的量子論知識。目前國內物理專業的“熱統”課程多排在“量子力學”之前。這就不可避免地出現了“前量子力學”困難。為解決這一問題，我們在課程引論中安排了量子論基本知識的講授，介紹量子態、能級、簡并、全同性、對應關系等概念。如此處理，再結合普通物理“原子物理學”中學到的量子力學初步知識，學生就能夠較好地接受“量子統計”有關概念。此外，我們將“量子態”和“量子統計法”兩個初學者較難理解的概念做分散處理：分別在第1章引入“系綜”概念之前和第6章巨正則系綜概念之后講授，既分散了難點，又使概念和運用銜接緊密，有利于及時消化。
系綜理論是統計物理中最核心、最抽象的內容，也是統計物理教學的難點。國內流行體系將系綜理論與常用統計分布及計算方法分離，安排在課程最后集中單獨介紹。我們實踐的體會是，這種處理將多個難點（三種系綜及相應熱力學關系）集中，增加了學生的理解困難；加之系綜概念孤立于基本統計方法和應用之外，更顯抽象枯燥。學生學后或覺不知所云，或難縱觀全局，終致應用乏力。鑒于此，我們遵循由表及里、由淺入深、循序漸進、層層推進的認識規律，將系綜的基本概念和三個系綜分散在七章中穿插講授、逐步深入，并及時運用理論對相應系統的性質加以討論。這樣做，可分散認知難點，并及時結合應用，實現宏觀微觀的交錯，避免枯燥無味的困惑，既保證了熱物理理論的系統性和完整性，又解決了系綜理論為主線的教學困難。
問題之二：關于最概然法與麥-玻統計問題。最概然（可幾）法與麥克斯韋-玻爾茲曼（麥-玻）統計法，是統計物理中應用較廣的兩個方法。采用系綜理論為主線的教學體系，是否會影響這兩種方法的學習和運用？這也是國內同仁關注的問題之一。在新體系課程改革和教材編寫中，對這兩部分內容均給予充分的注意。在第三章（封閉系）導出正則分布和相應熱力學公式之后，用兩種方法導出麥-玻分布：一是作為近獨立子系的平均分布，由正則分布導出；二是從微正則系綜出發，用最概然法導出。同時還由麥-玻分布給出熱力學公式，并討論幾種分布之間的關系，給出分布的應用實例。實踐表明，這種處理模式能全面深化學生對最概然法與麥-玻分布的理解，以致在應用中得心應手；還能強化對系綜理論和統計物理體系的理解。
問題之三：熱力學基本方法掌握問題。熱力學作為一種可靠的宏觀理論，從基本定律出發，通過嚴格的數學推演，系統地給出熱力學函數之間的有機聯系，將其用于實際問題。深入理解熱力學定律的主要推論和熱力學關系，熟悉它們的應用，掌握熱力學演繹推理方法，是“熱統”課程不可或缺的內容。“統計熱力學”體系以微觀理論為框架組織教學，是否會削弱學生在熱力學理論的理解和應用方面的訓練？對這個問題，國內同行關注有加，各見仁智，也是我們在課程改革中始終注意的問題。我們的處理模式是：打通熱物理宏觀與微觀理論的壁壘，針對不同宏觀條件，在相應章節給出各種系綜分布，然后導出熱力學公式，并插入相應的熱力學理論訓練內容，確保足夠篇幅討論平衡態的熱力學性質。例如：在建立封閉系的正則系綜理論后，插入“均勻物質熱力學性質”一章，集中講授麥克斯韋關系、基本熱力學函數和關系、特性函數等概念，介紹熱力學基本方法和對典型實例的應用。建立開放系的巨正則系綜理論后，又集中介紹與之相關的相平衡、化學平衡等問題的宏觀理論。事實上，熱物理的微觀和宏觀理論相得益彰、不可分割。在學習運用統計物理研究宏觀過程的規律時，勢必也會反復地運用熱力學函數、公式和相應方法，使學習者得到相應訓練。此外，再提供一定數量的習題，輔之以課外練習，以達到“學而時習之”的效果。這樣，新體系雖然大量削減純粹“熱力學”內容，并未削弱對熱力學理論的理解和方法的訓練，相反可使其得到加強和升華。
內蒙古大學“熱統”教學組近20年的課程改革和教學實踐證明，用“統計熱力學”體系組織本科物理專業“熱統”課教學是可行的。采用同樣的體系和教材，適當取舍內容，在應用物理和電子科學技術專業組織2學分“統計物理”教學，亦取得一定的經驗，其效果令人欣慰。毋庸置疑，筆者主張統計熱力學體系，絲毫無意否定“熱統分治”的傳統教學體系。兩種體系，各有千秋，互補互鑒。究竟采用何種體系組織教學，還應視培養目標、師資力量、學生狀況等，因地制宜地選擇。
參考文獻：
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[3] 王竹溪. 熱力學簡程[M]. 北京：高等教育出版社，1964.
[4] 王竹溪. 統計物理學導論[M]. 北京：高等教育出版社，1965.
現代量子力學教程范文3
關鍵詞：材料專業；普通化學；緒論課；教學
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）51-0134-02
普通化學是高等學校材料專業的一門重要的理論基礎課。但由于授課對象是大一新生，學生們對于這門課程在材料專業中的基礎地位與重要性，以及與所學專業的內在聯系缺乏了解或認識不足。如何能讓學生迅速了解化學與材料科學之間的密切聯系，從而激發他們學習化學的興趣，調動他們學習的積極性，是普通化學教學過程中面臨的首要課題。
緒論課是普通化學課堂教學的第一課，在引導學生認識化學的重要性、激發學生學習化學的興趣方面起著非常重要的作用[1，2]。對于材料專業的學生來說，最感興趣的莫過于各類材料對人類文明、社會發展所起的重要作用。通過講解化學發展簡史、材料在社會發展中所起的作用，增加學生學習化學的興趣，激發學生的學習熱情。近幾年，筆者通過對緒論課內容的不斷更新完善，以及對多媒體課件的精心設計，使學生及時認識到學習化學的必要性和重要性，取得了良好的教學效果?，F就緒論課的教學實踐做幾點總結。
一、從材料發展對社會進步的巨大作用講述材料發展史，增強學生的專業自豪感和自信心
材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，一種新材料的應用往往成為人類進步的重要里程碑。例如，歷史上的石器時代、青銅器時代、鐵器時代都是以材料作為時代特征標志的。一種新型材料的研制成功，可以引起社會生活的新變化。如石器、陶瓷、鐵、銅、玻璃、水泥、單晶材料、有機高分子材料等的發明與創造，都曾為社會進步提供了重要的物質基礎。因此，可以說，沒有半導體材料，就不可能有計算機技術；沒有耐高溫、高強度的特殊結構材料，便沒有宇航工業；沒有低損耗的光導纖維，也就沒有現代光通訊；沒有有機高分子材料，人們的生活也不可能這樣豐富多彩。特別是到了現代，國際競爭日趨激烈，各國都想在生物、信息、空間、能源、海洋等技術領域占有一席之地。而開發這些高新技術的關鍵往往與材料的發展有關。
通過一個個生動鮮明的事例，讓學生了解不同材料在人類文明進程中所起的巨大推動作用，增加他們對自己所學專業的自豪感；通過介紹材料在高新技術領域的價值及應用前景，激發學生學習材料科學的興趣。同時，結合筆者的科研經歷、科研體會，講述一些新型材料設計合成的案例，激發學生的求知欲，增強學生的自信心。
二、介紹化學發展史，激發學生的學習興趣，培養學生正確的價值觀
人類化學知識的獲得，是從認識自然現象開始的：動植物的腐爛、火山爆發、空氣和水對物質的侵蝕等。遠古時代人類通過摩擦生火和鉆木取火等方法學會了利用火，不僅增進了健康，發展了智力，而且利用火能產生各種化學反應這個特點，開始了制陶工藝。制陶過程實際上就是在高溫下，使粘土中的二氧化硅、三氧化二鋁、碳酸鈣、氧化鎂等成分發生一系列的化學變化。制陶工藝不僅提供生活必需品，改進農耕工具，而且改善了人類的居住條件。人們逐漸走出巖洞，住進了磚瓦房，并用陶制農具開展農業生產。同時，人們從燒陶工藝中掌握了高溫技術，并該項技術應用于冶煉銅礦和鐵礦。如將銅礦石和木炭混合加熱得到了金屬銅；但純銅質地較軟，不利于制造工具和兵器。在冶煉銅時摻入錫、鉛，可制得硬度很高的青銅。青銅器如銅幣、編鐘、青銅鼎的出現，推動了當時農業、兵器、金融、藝術等方面的發展，把社會文明向前推進了一大步。除了冶煉銅以外，人們用木炭不完全燃燒產生的一氧化碳，還原鐵礦石中的氧化鐵為金屬鐵。戰國時期鐵制工具如犁鏵、鐵D、鐵錛等農具得到廣泛應用，帶動了農業和手工業的發展。這樣，隨著冶金技術的不斷進步，生產工具的不斷革新，在人類歷史上相繼出現了青銅器時代和鐵器時代[4]。
此后到了煉丹術和煉金術時期。雖然煉丹家和術士的目的沒能達到，但他們為化學學科的建立積累了豐富的經驗。通過做原始的化學實驗，發明了大批實驗器具，制造出很多化學藥劑，記錄了大量的實驗方法，寫下了許多煉金著作。正是這些理論、實驗方法、化學儀器以及丹術著作，開創了化學學科的先河。與此同時，人們對物質結構本質的探索與論證也從未停息過。但直到1661年英國化學家波義耳給元素下了明確的定義、1803年英國化學家道爾頓創立原子學說、1811年意大利化學家阿伏加德羅提出分子學說，人們才逐步認識到物質的組成、結構以及發生的化學變化，逐漸形成了完整的化學體系，化學才真正成為一門科學。
到了19世紀末，隨著X射線和電子的發現，人們對物質結構的認識逐漸深入，打破了道爾頓原子不可分割的觀念。此后，隨著建立在盧瑟福有核原子模型、普朗克量子理論和愛因斯坦光子學說基礎之上的波爾原子結構理論的提出，標志著現代化學的興起；薛定諤方程的建立，更直接揭示了微觀世界微粒運動的深層奧秘；而在量子力學基礎上發展起來的化學鍵理論，使人類進一步了解到分子結構與性能之間的關系，大大地促進了化學與材料科學的聯系，為發展材料科學提供了理論依據。通過化學發展史的介紹，使學生豐富化學歷史知識，了解各個時期化學發展的標志性成果及對社會發展所起的巨大作用，由此激發學生學習普通化學的興趣，為以后的專業課學習打下堅實的基礎。
除了激發學習興趣，化學史的講授還可以給人以智慧，即尊重事實、追求真理的科學情感和態度，百折不回、鍥而不舍的科學品德和情操，勇于探索、勤奮創新的科學精神和方法。如講述諾貝爾這樣的偉大科學家的奮斗歷程、學術成就、品德修養，描繪科學家實事求是、一絲不茍的科學態度，鍥而不舍、持之以恒的拼搏精神，對提高學生的科學素養會起到潛移默化的作用，更為重要的是，在這個過程中還可以培養學生優良的道德品質，以及正確的人生觀和價值觀[5]。
三、闡明材料專業只有以化學為基礎，方能引領科技的發展，進一步激發學生的學習熱情
材料是人類生存、社會發展、科技進步的堅實基礎，是現代化革命的先導，人們把信息、材料、能源作為社會文明的支柱。如今，材料已成為與國民經濟、國防建設和人民生活息息相關的重要組成部分。通過功能材料的設計合成，如超導材料、微電子材料、光子材料、信息材料、能源轉換及儲能材料、生態環境材料、生物醫用材料等，制造各種高科技功能元器件。發展功能材料正在成為國家提高國際競爭力，增強經濟實力，甚至是強化軍事優勢的重要手段。
當前，化學在推動人類進步和科技發展中起到了核心作用。化學首先是基礎的核心科學，它不僅可以制造或創造出自然界已有的或不存在的物質，提供分析手段，還可以預測、裁剪、設計分子，揭示物質結構、性質和功能之間的關系；其次化學還在相關學科的發展中起了牽頭作用，化學研究不僅帶動了其他學科的過程研究（工業、農業、環保、能源），而且極大地帶動了材料科學的發展。材料學科的發展、功能材料的設計，只有以化學為基礎，才能合成出具有特殊物理性能、化學性能、力學性能等的功能材料。通過講解材料領域的前沿知識，使學生了解材料與化學之間的密切聯系，提高學生對學習化學重要性的認識，激發學生學習化學的熱情，為材料專業課的學習奠定扎實的理論基礎。
四、多種教學手段的綜合運用，進一步改善教學效果
興趣是學好知識的基礎和保障，也是學生學習的源動力。為吸引注意力，提高興趣，在課堂教學中，筆者運用多種教學技巧提高教學質量，改善教學效果。首先是充分發揮多媒體教學的優勢。多媒體課件可以綜合多種教學藝術效果，根據緒論課的特點，結合學生的專業特色，通過精心設計，恰當使用圖片、文字、聲音、動畫等形式，充分發揮多媒體形象、直觀、交互性強的優勢，創造生動的教學氛圍，增強趣味性，激發學習興趣，達到最佳教學效果。其次，通過查閱相關歷史及文獻資料，以材料知識為主線，以化學知識為背景，通過講授化學史上的中國人及中國化學史上的世界第一，激發學生的學習熱情。最后，結合自己的科研方向和研究成果，講授材料領域的前沿學科進展，讓學生產生共鳴，拉近師生間的距離，提高他們學習的主動性。總之，通過多種教學技巧的運用，增加課堂表現力和感染力，從而有效地激發學生的興趣。
普通化學基礎理論教學是材料專業學生學習的一項必修課程，是培養專業人才的一個關鍵環節。培養高素質的合格人才，激發學生的求知欲，增強學生的自信心，培養學生正確的人生觀和價值觀，做好緒論課教學，至關重要。俗話說，“良好的開端是成功的一半”，“學貴刻苦、教貴善誘”。教師通過不斷充實教學內容、滲透科研前沿、總結教學經驗，講授一堂重點突出、條理清晰、內容翔實，集科學性、歷史性、趣味性、藝術性于一體的生動的緒論課，不僅可以培養學生對普通化學的學習興趣，還將對學生專業課的學習以及綜合素質的提高打下良好的基礎。
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現代量子力學教程范文4
[關鍵詞]物理學史 物理學美 價值
中學物理教育不僅要對學生進行物理知識的教育,還應在教學過程中對學生進行審美教育。物理學的發展史集中體現了人類探索和認識客觀世界的現象、特性、規律和本質的歷程。物理學史告訴人們,每一個物理概念和規律的形成,都是匯集著許多人艱辛的努力,常常需要幾十年乃至上百年的努力,才能邁出有意義的幾步。物理學美不僅體現在物理知識的形式上、內容上、結構上、物理學的研究方法上,而且體現在科學探索的過程中,體現在物理學家們的非凡的想象力,探索精神和高尚的思想品德上;通過物理學史展示物理學家求真、求美的過程,讓學生感受科學家探索未知世界的過程,感受他們尊重自然、尊重客觀意志的“真”,體會他們推動發展的動機的“善”,不屈不饒的科學精神,高尚的人格,堅強的毅力等,達到以美感人,以美育人的目的,引導學生自己去追求和創造物理美,并將美的認識轉化為追求美的自覺行動。
一、通過物理學史,感受經典實驗的美妙,體會科學方法美
科學方法是人類智慧的結晶,是人們在認識和改造世界的實踐活動中總結出來的正確思維和行動方式。物理學史證明科學理論的重大突破,必然伴隨著新的科學方法的誕生。在物理學史上有很多精美的物理實驗,不但在實驗設計上極具創造性,而且實驗裝置設計上非常具有新穎性和實驗技術上具有藝術性,經過艱辛的過程,通過長時間的努力,克服無數困難,才做出物理學上的重大發現或技術上的偉大發明。在教學中充分展示這些精湛優美的實驗可以使學生發現和體驗物理實驗的精彩和美妙。例如:引力常數的測量,在牛頓發現萬有引力定律一百年后,卡文笛許設計出扭秤實驗,通過三次巧妙放大,將力的測量變換為力矩的測量;又將力矩的測量轉變為石英絲轉動角度的測量;再將轉動角度的測量轉變為光點移動距離的測量。這一精妙設計終于獲得了歷史性的突破,測出了這一微小的引力常量。著名的伽利略“斜面圓球滾動實驗”,就給人一種簡潔的美,它的美體現在對實物形態實驗的超越,使實驗條件、實驗過程在思維中以理想化的方式表現出來,通過猜想、設計、推理,由有限個實驗歸納出一般的結論,沒有考證所有可能的情況。講述這段物理學史,使學生了解到伽利略開創了把物理實驗與科學思維相結合的物理學研究方法,是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標志著物理學的真正開端。伽里略在物理學史上占有重要地位。被后世譽為“近代科學之父”,這不僅與他在科學上的偉大成就有關、而且與他在科學方法上的革命性轉變分不開。正是由于他在科學方法上的創新、引導自然科學走上了正確的道路。
二、通過物理學史,感受科學家的精神美、人格美、毅力美
在物理教材中涉及到許多中外著名物理學家。他們生平大量動人的事跡,尤其是不怕挫折的拼搏精神、愛國奉獻的敬業精神和相互協作的精神都是—部絕好的美育教才,能激起學生心靈的震動。教學過程中,若能讓學生了解物理學家勇于探索,實事求是的科學精神;以苦為樂,頑強拼搏的不屈精神;只圖貢獻,不求索取的奉獻精神;堅持真理,并為捍衛真理不怕犧牲的獻身精神等。這無疑是最理想、最成功的情感教育。
物理學史表明,物理學大廈并不都是成功者創造的,它是成功者與失敗者共同創造的。焦耳為準確測得各種情況下熱功當量值,歷經40年,進行了400多次實驗。法拉第“磁生電”經過十年的研究;居里夫人為了從瀝青鈾礦中提煉出純凈的鐳,經過近一千三百五十個日日夜夜的奮戰,從8噸鈾瀝青礦渣中提煉出0. 12克純氯化鐳,開普勒在困境中還是堅持對行星運動的研究,從大量的觀測數據中,花了近十年的時間,計算出了行星運動的三大定律等等;愛迪生為了尋找一種合適的燈絲,試用了一千六百多種材料。所以愛迪生說:“失敗也有我需要的……”。還有許許多多的物理學家,他們堅持不懈地探索的科學精神和獻身科學、捍衛真理的感人事跡,光輝的言行和高尚的品格,為人處世和愛國主義的熱情,無不顯示了物理學家的精神美。因此在教學中引入物理學史的實例,通過講述這些物理學史來培養學生嚴肅認真、實事求是的科學態度和銳意進取、百折不撓、不斷創新的科學精神,激勵學生以科學家在創造偉大業績所表現的人格力量為楷模,樹立科學的世界觀和人生觀,確立為科學真理而獻身的崇高品質。
三、通過物理學史,激發學生科學審美情趣和提高對科學美的審美能力
自然界本身是一個簡單、和諧、統一的整體,作為描述和揭示自然現象和規律的物理科學也應是簡單、和諧和統一的?！岸鄻咏y一”是人類追求的永恒主題。整個物理學史,在某種程度上也可以說是物理學大師們為建立統一的物理理論的奮斗史,也是物理學家追求美的歷史。牛頓為追求天體運動和地面物體運動的完美統一發現了萬有引力定律;焦耳為追求熱與功的完美統一測出了熱功當量;法拉第為追求電和磁的完美統一發現了電磁感應現象;愛因斯坦為追求時間與空間的完美統一發現了相對論、為追求質量與能量的完美統一發現了質能方程等等。作為支撐經典物理大廈的牛頓運動定律,在宏觀低速領域,實實在在地展現其簡潔和完美;而作為現代物理大廈支柱的相對論和量子力學,又從更廣闊領域描繪了一幅極其簡潔的物質組構和運動的生動圖像。科學的美,還體現在科學技術的巨大進步上,海王星與冥王星的發現、人造衛星的升空、原子彈的制造等等,這些無不叫人驚嘆科學的偉大。在物理教學中滲透科學家追求科學完美的典型事例能促進學生對科學美的認識轉化為對科學美的追求。
四、利用物理學史,激發學生的愛國熱情
物理學史是一部科學文明的發展史,在物理教學中,結合教學內容介紹我國古代在物理學方面對世界的卓越貢獻和我國現代物理學相關技術的飛速發展及成就,這既能使學生了解祖國燦爛輝煌的文化,培養學生民族自尊心和自豪感,又能增強學生的民族自信心,激發學生愛祖國愛民族的熱情;介紹物理學的前沿知識,了解當前我國現代物理學相關技術與世界科技發展存在的差距,這樣不僅能使學生開闊眼界,領略了知識的巨大力量和科學技術的日新月異,還能使學生感受物理學美和人類智慧美。從而激發學生的求知欲,喚起學生的時代責任感與使命感,有勇氣肩負祖國賦予的使命,樹立為提高我國科技水平而勤奮學習、刻苦鉆研、勇于探索、獻身科學的信念。
例如,我們講述“聲波”時,就要講講北京天壇絕妙建筑;在學習“原子和原子核”時,就應提到在現代物理前沿領域所作的巨大成就的李政道、楊振寧、丁肇中等科學家;在講“超導”時,應介紹我國在超導材料方面所做出的巨大貢獻;我們在講述“天體運動”時,不能不介紹“神五”、“神六”、“神七”“嫦娥一號”的發射,介紹我國航天技術的現狀和發展,介紹平均年齡只有三十歲的航天人。學生會為自己的祖國感到自豪,為這樣一群年輕人而感到自豪。這不但能激起學生的學習興趣、民族自豪感、使命感和責任感,還能激發學生愛國熱情,報國之心。
五、通過物理學史,滲透概念形成的歷史背景和過程,挖掘美育因素
在物理學史上,每一個科學上的新發現,都為后繼者提供了寶貴的經驗和啟迪。中學物理中一些概念、定律和理論建立的過程凝練、升華了科學思維方式和科學研究方法,也包含了豐富的育人因素,展示這些科學過程有利于學生對知識全面正確的理解和建構,讓學生得到前輩科學家科學思維和研究方法滋養,認識到物理學每前進一小步,都伴隨深刻的物理思想和觀念的變革。使學生受到生動的情感、態度、價值觀的熏陶和感染,有利于健全人格的培養。例如:人們對原子結構的認識,就經歷了一個發現、認識、否認、再認識過程。j·j·湯姆生發現電子后,曾提出關于原子的“棗糕式模型”。 1910年,盧瑟福建議用a粒子轟擊金箔片。實驗表明a粒子能穿透很薄的金箔片。這一實驗事實使湯姆生棗糕模型遇到了無法解決的矛盾。因a粒子是失去兩個電子的氦原子,猶如一塊掉落兩顆棗子的小棗糕,小棗糕打在大棗糕上,氦原子無論速度多么大,也很難想像它能穿透出去。但是1908年盧瑟福用a粒子轟擊原子時,有大約八千分之一的幾率被反射回來。這一事實使盧瑟福驚奇,他說:“這是我一生中最不可想像的事,真如用一枚重型炮彈轟擊一張卷煙紙,而炮彈竟然被卷煙紙彈回來又打中了我自己一樣的不可思議?！?。盧瑟福用不同金屬箔片進行了多次實驗,并經過三個多星期的認真思考,指出湯姆生的原子模型不會使a粒子發生大角度偏轉。盧瑟福以豐富的想象力提出,原子是一個很“空”的,中間是一個很小但質量很大的硬核。盧瑟福在實驗的基礎上經過嚴謹的推理,提出了原子的“核式結構模型”。
在物理教學中應該反映這種迭起波瀾壯闊的發展過程,使學生的科學思維和科學方法得到啟迪,讓學生從知識的完善和演變中認識它的條件性和局限性,使凝固的物理知識變得生動,學習仿佛是一次與科學創造者的對話;適當分析科學家的成功和失誤,體會科學探索者的困惑、沉思、試探和創新智慧之光,讓學生用發展的觀點,辯證地看問題,認識到物理學知識的相對性,有效地消除學生對物理學知識來源的神秘感,消除對已有知識的僵化認識,為今后的學習和生活樹立信心。
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現代量子力學教程范文5
二、中學生創新教育的內涵和內容：1、創新精神主要表現為創新意識和“質疑”精神。2、培養創新能力，主要表現為課堂教學的創新思維能力和實驗教學中的創造能力的培養。3、培養學生創新人格和協同合作的精神。
三、創新教育的探索與實踐：1、教學中培養學生創新精神。2、挖掘學科特點，培養創新能力。3、培養學生創新人格和協作精神
【關鍵詞】創新探索實踐
一、創新教育在新世紀教育中的重要意義
現代社會是知識經濟社會，而知識經濟的核心是創新。當今世界的科技競爭、綜合國力競爭越來越表現為創新型人才的水平和數量的競爭。創新教育是當今世界許多國家教育改革的焦點和核心，中華民族要實現偉大復興，要矗立于世界優秀民族之林，必須要有全民族整體素質、科學水平的提高。學校教育是培養民族創新精神、創新能力的主渠道。教師要明確創新教育思想、創新教育培養目標和實施方案，在教學過程中才能喚醒學生的創新意識，培養學生的創新精神，提高學生的創新能力，使他們想創新、敢創新、會創新。
二、中學生創新教育的內涵和內容
創新是民族的靈魂，創新是科學發展的動力，是技術革命的生命。中學生創新教育的內涵應是：通過創新教育使學生對已有的經驗和知識進行分解與組合后，產生某種新的、獨特的思想觀點、思路設計、途徑方法……的活動過程。
1、創新精神主要表現為創新意識和“質疑”精神。要千方百計培養學生形成推崇創新、追求創新的觀點和意識。只有在強烈的創新意識的引導下，學生才可能產生強烈的創新動機，樹立創新目標，充分發揮創新潛力，釋放創新激情。創新的產品是獨出心裁、前所未有的。因此創新是超越，而不是跟隨。只有大膽向傳統挑戰，才可能創新。
2、培養創新能力，主要表現為課堂教學的創新思維能力和實驗教學中的創造能力的培養。
創新思維的主要形式有：①聯想思維。②直覺思維。③靈感思維。
物理實驗是人類研究自然現象和規律的重要途徑，也是人類發明創造的重要手段。物理實驗教學，可以驗證書本知識，然而更重要的是重溫前人創造的思維的過程，從中受到啟發，同時也培養學生的動手實踐能力。
3、培養學生創新人格和協同合作的精神。健全的人格是個體順利發展的內在因素，是個人創新能力得以發揮的支柱，主要包括愛國主義情感、獻身科學的精神、勇于面對失敗，百折不撓的意志，求實勤奮的治學態度和較強的自信心。
協同合作精神是新世紀對人材的基本要求。新技術革命，使人類在已經到來的21世紀相互影響，相互依存。重大的發明創造，需要眾多人才共同去探索、開發、創造。因此我們必須培養學生的協同合作精神，以滿足未來社會對人材的需求。
三、創新教育的探索與實踐
1、教學中培養學生創新精神
創新精神包括：創新的意識、熱情、進取心、自信心、創新的膽略；敢于質疑堅韌不拔的毅力等等。在教學中，我們一方面要培養學生推崇創新、追求創新的觀念和意識，鼓勵學生解放思想、獨立思考；另一方面要根據不同的教學內容啟發、培養學生敢于質疑、善于質疑的創新精神。
首先，教師的教學過程要具有創新意識，為學生樹立創新的表率。無論教材提供的知識多么完整，由于各種原因總會留下縫隙，只要我們積極思考，善于“鉆空子”，就會有所發現，有所創新。例如，在動量守恒的驗證實驗中，落點為什么會有較大的離散，原因應在碰撞的過程中被碰小球所處的支座與等大的入射小球軌道的末端不能嚴格在一直線上，兩球不是對心正碰。要減小誤差怎么辦？教學過程要引導學生觀察這一現象，分析其原因，再由學生提出減小誤差的方案，選出最佳的方案表揚。只要事事處處做有心人，善于思考，就會設計出靈活多變的教學方案，培養學生的創新意識。
其次，教學活動要使學生保持旺盛的好奇心和求知欲，腦海中經常出現“為什么”三個字?！霸铝翞槭裁床粫w走？”“蘋果熟了為什么會從樹上掉到地面上”，牛頓對這些自然現象的觀察，引發思考研究，得出了十六世紀自然科學最偉大的發現——萬有引力定律。教師要在教學過程中，使學生養成多問“為什么”的習慣。例如：物理概念為什么要這樣定義？物理規律如何來的？實驗為什么要這樣設計？做錯習題時更要問為什么會錯？知識聯系實際的“為什么”是創新意識的升華。例如：為什么我們乘車時會看到遠處的太陽向前走而近處的樹木會向后走？雨后的天空為什么會出現彩虹？為什么彩虹呈圓弧形等等，堅持不懈地尋根問底就會激發創新意識。
然后，在教學中要培養學生的“質疑”精神。人的思維活動起始于問題，有疑問才會去思考。有疑問是學習新知識、產生新思想、發現新觀點的起點，教師要營造一個寬松的教學環境，也就要創造一個和諧、平等的教學環境，使學生勇于發現問題，敢于提出問題，渴求解決問題，他們的創新意識就會得到培養和發揮。
①提倡學生向教師的教學過程、教學內容質疑。教師的知識結構和教育教學模式都在迅速地老化，只有不斷地“充氧”才能趕上時代的步伐。教師在教學中的言行舉止對學生有潛移默化的影響，教師若能實事求是地但陳不足，和學生一起研究問題，就能成為學生培養質疑精神的好榜樣、好朋友，好老師。學生敢于質疑的精神非常寶貴，要鼓勵和提倡。
②鼓勵學生對教材質疑。高中學生對知識、現象、實驗等有旺盛的求知欲，對新異的事物，特別感興趣，他們對學習的知識愛提出一些疑問，例如：在滑動摩擦力的教學中，有學生提出教材上給出的動摩擦因數都小于1，有沒有大于1的呢？在演示分子間有空隙的實驗中，得到酒精與水混和總體積縮小的現象。有學生提出所有兩種液體混和的體積都縮小嗎？有增大的嗎？在光電效應的教學中，有學生提出入射光的頻率增大，光電子數目增加否？在透鏡的教學中，有學生提出反射光是在人射光區域相消的，透射光應不變，為什么還會增強呢？等等。說明了學生存著強烈的質疑意識，孕育著可貴的創新精神。
③大力提倡學生爭辯。通過爭辯活動可以提高學生質疑的敏捷性、靈活性。量子力學中的測不準原理就是海森堡與愛因斯坦等人長期激烈的爭論后，在海森堡的腦海驟然出現的。長期引導學生進行爭辯、互相質疑無疑會大大增強學生質疑的意識，使學生在質疑辯論中，搞清原來模糊的概念，更重要的是培養學生會持質疑的態度上課，鍛煉思維的準確性、開放性，也提高了流暢表達自己的觀點的能力。
2、挖掘學科特點，培養創新能力
每個人都具有天生的創造力。對于每個正常人來說，創新能力只有大小之差，沒有有無之別?？茖W家與普通人的差別，不在其大腦聰明與否，而是在其創造潛能能否得到培養與開發。物理課堂教學的重點是培養創新思維，實驗教學的重點培養動手創造能力。
⑴、培養學生創新思維能力。創新思維是一種具有主動性、靈活性、求異性、獨創性和靈感性的思維方式，它往往能突破習慣思維的束縛，在解決問題的過程中，其觀點富有創意。心理學研究表明：中學生熱情奔放，充滿對新世界、新事物的好奇，不畏艱難，勇于探索，對他們進行創新思維的培養，具備心理發展基礎和可能牲。
①在物理教學過程中，從知識的傳授、解題的思維等，都要加強聯想思維的培養。聯想思維主要是指在大量的經驗知識的基礎上，在創造激情的推動下，通過形象類比聯想，把記憶中能反映事物特征的那些映象加以選擇、提煉，重新組合成新的映象的過程。威爾遜發明的、被盧瑟福稱為“科學史上最新最精彩的儀器”——“云霧室”，是與他在蘇格蘭群山的最高峰尼維斯峰度過幾個星期，對山間云霧繚繞的瑰麗的光學現象的觀察、思考分不開的。例如在講解分子勢能、電勢能時，應啟發學生聯想彈簧的彈性勢能、重力勢能與分子勢能、電勢能之間的共性，比較它們的異性，從而使“機械”勢能——“分子”勢能——“電”勢能形成一條鏈。又如：學習玻爾原子能級時，引導學生把核外電子在不同軌道上繞氫核運轉的情況與人運地球衛星在不同軌道上繞地球運轉的情況類比聯想，從而掌握電子繞行的動能、勢能、速度、周期等變化規律。應用類比聯想將知識系統化是創新思維的基礎。
聯想思維將抽象的問題形象化，把復雜的問題簡單化。盧瑟福在α粒子散射實驗的啟發下，在數字計算和邏輯推理的基礎上，以豐富的想象力提出原子的核式結構模型。盧瑟福的腦海里浮現出這樣的圖景，反彈回來的粒子如此稀少，而速率又幾乎和射擊時相等，這不像子彈打在茫茫草原上的核桃上又反彈回來一樣嗎？這是何等生動的想象力。在教學中培養想象力是聯想思維訓練的重要方法。如子彈以一定的速度射擊固定的相同厚度的木板，其阻力恒定，恰好能射穿五塊木板，求子彈穿過各木塊的時間比。從勻減速運動來思考這問題較難，可想象成讓恒定牽引力作用下汽車從靜止開始作勻加速直線運動，在相等位移內的時間比，再將比值關系反向排列為所求。
②直覺思維不遵循一般邏輯規則，不局限于傳統的思維模式。因而具有創造性、靈活快捷的特點。直覺思維作為一種心理現象，必有其自身規律，從本質上講是一種認識的突變，其機理是許多知識因素與思維活動能量積累到一定程度時迅速結合形成認識上的飛躍。這種飛躍產生基礎有兩個方面，合理而清晰的知識結構，是形成思維的內在因素；嫻熟的專項技能是產生直覺思維的外部條件。
直覺思維產生機理告訴我們，結合物理知識與技能教學，追尋思維活動的路徑，創設情境，能有效地誘發直覺思維。物理教學中，學生有扎實知識基礎，理解各部分知識關系，優化知識結構，使學生對所學內容融會貫通，才能起到居高臨下，高瞻遠矚的作用。面臨物理問題就能迅速作出取舍，產生直覺。精選習題，系統地培訓解決物理問題的專項技能，如整體與隔離法、觀察聯想、類比法、假設法、等效法、圖象法、數列、極限法等，建立合理模式，熟練各項技能，提高思維的快捷性、靈活性，有助于直覺思維能力的發現。在中學物理教學中，要引導學生動手搞小制作、小實驗、小發明、寫小論文和科幻文章，培養他們的理論聯系實際的直覺思維能力和創新意識。例如：學生遙控汽車在一平板小車上“進、停、追”平板車就會退、停、進，演示人在船上行走滿足動量守恒定律的現象模似，使抽象的思維直覺化。再如用“超級特技飛行”玩具代替小球在脫離軌道運動，演示圓周運動向心力與速度的關系。用懸掛旋轉飛機驗證一維圓錐擺運動等，這樣既培養了學生的創造思維，又使更多的學生用直覺靈感思維來分析和感知物理現象和規律。
③靈感思維的養成是個逐步積淀的過程，對中學生靈感思維的培養，主要是培養設想、猜想思維能力。布魯納說過：“在自然科學和普通生活中，我們常常被迫根據不完善的知識去行動，我們不得不去猜想?！敝性f：“沒有大膽的猜想，就做不出偉大的發現”。物理學史上的大量事例都是揭示科學創新這一本質的歷史，讓學生了解科學家打破常規思路的科學創新過程，往往會在學生的記憶中留下深刻的印象，久久不會淡忘。這對提高學生的創新能力是非常有益的。
科學創新來自于創造性的猜想。因此我們在教學中應重視發掘教材中有效因素。變換常規的教學方法，放開束縛學生思路的枷鎖，有意識地引導學生進行合理的猜想。例如：在學習牛頓第二定律時，可引導學生從一些日常生活中的現象提出猜想：物體獲得的加速度的大小可能與那些因素有關？是什么關系？然后再進行實驗定量研究來得出結論。在講等溫變化的玻意定律時，由學生初中的熱現象和生活經驗，先猜想一定質量氣體，在溫度不變的情況下，壓強和體積可能是什么關系？再通過實驗來驗證。又如在“原子核的人工轉變”α粒子轟擊氮核的教學中，α粒子轟擊氮核產生了新的粒子是質子。這一現象發生是α粒子將氮核中的質子打出來的，還是氮核獲得α粒子后形成新的原子核，再衰變產生的呢？允許同學們提出猜想，再引導同學們觀察分析布拉凱特云霧室拍攝的照片。由照片中得到的三條徑跡的事實，論證你的猜想是否正確。教材中有很多知識涉及科學猜想的思維，教師要充分挖掘教材的潛力，培養學生靈感思維，提高創新能力。
⑵、在物理實驗教學中培養學生的創新能力。在物理實驗教學中，重視實驗的創新與探索，設計問題的情境，顯示知識獲取的過程，實施“實驗、啟迪、引導”的教學模式，充分發揮物理實驗在培養學生創新精神、探究能力、創造能力的特殊功效。
①、由學生自行設計小實驗。例如：讓學生自行設計不同物體與小木板之間的動摩擦因數的實驗。同學們設計了不同的測定動摩擦擦因數的方案，有水平平面滑動，有斜面上滑動；有用橡皮筋伸長量比值法，也有彈簧秤讀數法；有勻速平衡法，也有勻加速方法求解。又如：在自由落體運動的教學中，教師可讓學生觀察一些落體運動后，由學生分析這些運動的共同特征。提出“這些落體是否是重的落的快，輕的落的慢”，由學生設計簡單的實驗來說明。同學們議論紛紛地設計了很多的方案，最簡單的是將質量差異較大的兩石塊從同一高度，同時釋放。聽落在桌上的聲音是否有先后之差。再提出自由落體是什么性質的運動？你可以設計實驗來驗證嗎？同學們積極思考，共同商量，設計出了用打點的方法來測；有用光電計時方法來測；有用閃光照相方法來測；最有創意而又簡單的方法是“外報法”，物體從光滑斜面上加速下滑是勻變速運動，（這是已有的經驗事實）增大角度物體的運動性質不變，只是加速度的值增大。當角度增大到90o時，就是自由落體運動，且只有重力作用，運動性質還應是勻變速直線運動。教學中使學生動腦，動手的實踐中，感受“創新”成功的滋味，培養創新意識，提高創新能力。
②、學生的心靈深處都存在著使自己成為發現者、研究者、探索者的愿望，如果教師在教學過程中，重視把教學與學生的這種愿望相結合，注意為學生提供發現問題和運用知識的機會、創造解決問題的條件，學生的創新能力就會得到培養和發展，并能在研究過程中親身體驗到人類駕馭知識、改造現實的自豪感，這種內在的情感體驗，會反過來激勵學生再探索、再創新。例如：測電阻的實驗中，給出學生足夠的電學器材，讓學生測小燈泡伏安特性曲線的實驗，要求從零電壓開始逐漸到額定電壓為止。從器材的選擇，電路的設計，測量記錄到作出圖象，分析圖象的意義等都由學生自行設計。最后評比交流，使同學們相互學習，取長補短。再如單擺教學完成后，給出設計題目：提供一定容積的可樂瓶一只（瓶底有一小孔）、細線一根、米尺一把、小石子一塊和盛水的桶一只。試估測水從此瓶底小孔連續流出的平均流量。較多的同學開始很茫然，因水的體積和水流時間都有連續性，通過同學們認真思考、觀察，將已學的知識結合起來，多數同學能完成這個實驗。從標簽上讀出水的體積。用細線與石子組成單擺測時間。這些實驗與知識結合較好，又有較好的創意性，是培養學生創新能力的好方法。
③結合物理知識進行科技制作，如：電學知識學完后，布置學生作一個小型的風力發電機?？梢杂矛F成的發電機零件組裝，也可用磁鐵、線圈等制作發電機，自制風輪，讓學生在制作過程中去探索怎樣使輪轉動得最快，怎樣檢測發電機的電流的大小等。最后在相同條件下對比發電量大小。再如：講完全反射教學內容后，安排學生制作蜃景現象的模擬。同學們首先想解決的是有折射梯度的氣層，經同學們的討論研究，認為液體折射梯度容易實現，由不同液體接觸面上的分子擴散來實現。學生在科技活動中，做了大量的小制作。如水位報答器，搖控航模，光控和聲控繼電電路等等。培養了學生的動手能力和解決問題的創新能力。
3、培養學生創新人格和協作精神
人們的價值觀念正經歷著從重視人的創造物的價值到重視人自身的價值的轉變，面對人的品質評價已趨向于提倡人的創造型、開拓型的性格。因此，我們最終應把創新能力的培養落實到學生創新人格的塑造上，凡是有利于創新活動的個性品質，都是創新需要，稱為創新個性，創新個性具有相當的完整性和持久性，對學生今后的發展將產生積極的和決定性的影響。
創新人格表現為：良好的思維品質、獨立的個性特征。如質疑精神、創新意識；優良的意志品質；強烈的求知欲；不竭的進取精神。為塑造學生的創新人格，在教學中，應保護學生的好奇心，解除學生對錯誤的恐懼心理，鼓勵獨創性與多樣性，鼓勵幻想，鼓勵向有創新精神的人學習和接觸。
培養學生勇于面對失敗的精神。在創造活動中，錯誤和失敗遠遠多于成功。愛迪生發明電燈，瓦特發明蒸汽機，萊特兄弟把飛機送上天，都是建立在成千上萬次失敗的基礎上的，事實證明，失敗會使人聰明，“失敗是成功之母”，在物理教學中要將科學家們可歌可泣的百折不撓的意志，獻身科學的精神融合在知識傳授中，增強學生的愛國主義精神、為人類的進步獻身科學的責任心和勇于創新的頑強意志。
物理教師可利用靈活的形式，由學生組合成不同的物理興趣小組，開展各種科技小制作、小發明、小論文等活動，舉辦物理知識競賽，實驗創新能手的評比等，辦好科技板報、手抄報，使班內形成以創新為核心的班級輿論。教師要經常與學生交流創新體會，鼓勵學生之間的適度競爭、相互合作交流相互了解和相互寬容，使全體學生的創造力和每個學生的創新能力相互激勵同步增強。
創新教育的探索與實踐使我們認識到，二十一世紀創新人材的培養是世界教育發展的主流。創新教育既關系到學生個人的可持續發展，更是國家和民族發展和進步的需要，所以我們必須樹立正確的教育觀念，真正地從應試教育轉變為素質教育。努力提高自身創新能力。明確課堂教學是學生獲取知識的主渠道，也是培養學生創新素質的主要途徑。教學中貫徹創新意識是先導，創新精神是源頭，創新思維是關鍵，觀察、實踐是途徑，創新能力和創新人及協作為目標的教學原則。堅定方向，不斷努力，一定能夠培養出優秀的、具有創新能力的棟梁之材。
主要參考文獻資料：
1、《創造學教程》：中國建材工業出版社，魯克成等編著。ISBN7-80090-627-2/G•2；
