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關鍵詞：量子力學；經典科學世界圖景；非機械決定論；整體論；復雜性；主客體互動

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

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

經典科學基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開創的，近三百年內發展起來的一整套觀點、方法、學說。經典科學世界圖景的最大特征是機械論和還原論，片面強調分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學派的量子力學理論三部曲：統計解釋—測不準原理—互補原理所反映的主要觀點是：微觀粒子的各種力學量（位置、動量、能量等）的出現都是幾率性的；量子力學對微觀粒子運動的幾率性描述是完備的，對幾率性的原因不需要也不可能有更深的解釋；決定論不適用于量子力學領域；儀器的作用同觀察對象具有不可分割性，確立了科學活動中主客體互動關系。[1]量子力學的發展從根本上改變了經典科學世界圖景。

一、量子力學突破了經典科學的機械決定論，遵循因果加統計的非機械決定論

經典力學是關于機械運動的科學，機械運動是自然界最簡單也是最普遍的運動。說它最簡單，因為機械運動比較容易認識，牛頓等人又采取高度簡化的方法研究力學，獲得了空前成功；說它最普遍，因為機械力學有廣泛的用途，容易把它絕對化。[2]機械決定論是建立在經典力學的因果觀之上，解釋原因和結果的存在方式和聯系方式的理論。機械決定論認為因和果之間的聯系具有確定性，無論從因到果的軌跡多么復雜，沿著軌跡尋找總能確定出原因或結果；機械決定論的核心在于只要初始狀態一定，則未來狀態可以由因果法則進行準確預測。[3]其實，機械決定論僅僅適用于宏觀物體，而對于微觀領域以及客觀世界中大量存在的偶然現象的研究就產生了統計決定論。[4]

量子力學是對經典物理學在微觀領域的一次革命。量子力學所揭示的微觀世界的運動規律以及以玻爾為代表的哥本哈根學派對量子力學的理解，同物理學機械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論，微觀粒子運動遵守統計規律，我們不能說某個電子一定在什么地方出現，而只能說它在某處出現的幾率有多大。

玻恩的統計解釋指出，因果性是表示事件關系之中一種必然性觀念，而機遇則恰恰相反地意味著完全不確定性，自然界同時受到因果律和機遇律的某種混合方式的支配。在量子力學中，幾率性是基本概念，統計規律是基本規律。物理學原理的方向發生了質的改變：統計描述代替了嚴格的因果描述，非機械決定論代替了機械決定論的統治。

經典統計力學雖然也提出了幾率的概念，但未能從根本上動搖嚴格決定論，量子力學的沖擊則使機械決定論的大廈坍塌了。量子力學揭示并論證了人們對微觀世界的認識具有不可避免的隨機性，它不遵循嚴格的因果律。任何微觀事件的測定都要受到測不準關系的限定，不可能確切地知道它們的位置和動量、時間和能量，只能描述和預言微觀對象的可能的行為。因此，量子力學必須是幾率的、統計的。而且，隨著認識的發展，人們發現量子統計的隨機性，不是由于我們知識和手段的不完備性造成的，而是由微觀世界本身的必然性（主客體相互作用）所注定。

二、量子力學使得科學認識方法由還原論轉化為整體論

還原論作為一種認識方法，是指把高級運動形式歸結為低級運動形式，用研究低級運動形式所得出的結論代替對高級運動形式的本質認識的觀點。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩定的觀點和規律去解釋、說明要研究的對象。其目的是簡化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類認識處于初級水平上無疑是有效的。如牛頓將開普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學的本質，以及完全還原是不可能的，決定了還原論不能揭示世界的全貌。

量子力學認為整體與部分的劃分只有相對意義，整體的特征絕非部分的疊加，而是部分包含著整體。部分作為一個單元，具有與整體同等甚至還要大的復雜性。部分不僅與周圍環境發生一定的外在聯系，同時還要表現出“主體性”，可將自身的內在聯系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現了有機的自覺因果關系。在特定的臨界狀態，部分的少許變化將引起整體的突變。[6]

波粒二象性是微觀世界的本質特征，也是量子論、量子力學理論思想的靈魂。用經典觀點來看，也就是按照還原論的思想，粒子與波毫無共同之處，二者難以形成直觀的統一圖案，這是經典物理學通過部分還原認識整體的方法，是“向上的原因”。可是微觀粒子在某些實驗條件下，只表現波動性；而在另一些實驗條件下，只表現粒子性。這兩種實驗結果不能同時在一次實驗中出現。于是，玻爾的互補原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關于微觀世界認識的矛盾，并試圖尋找一種解決矛盾的方法，這就是微觀粒子既具有粒子性又具有波動性，即波粒二象性。這就是整體論觀點強調的“向下的原因”，即從整體到部分。同樣，海森伯的測不準原理說明不能同時測量微觀粒子的動量和位置，這也說明絕不能把宏觀物體的可觀測量簡單盲目地還原到微觀。由此我們可以看出，造成經典科學觀與現代科學觀認識論和方法論不同的根本在于思考和觀察問題的層面不同。經典科學一味地強調外在聯系觀，而量子力學則更強調關注事物內部的有機聯系。所以，量子力學把內在聯系作為原因從根本上動搖了還原論觀點。

三、量子力學使得科學思維方式由追求簡單性發展到探索復雜性

從經典科學思維方式來看，世界在本質上是簡單的。牛頓就說過，自然界喜歡簡單化，而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡單性是經典科學奮斗的目標，也是推動它獲取成功的動力。開普勒以三條簡明的定律揭示了看似復雜的太陽系行星運動，牛頓更是用單一的萬有引力說明了千變萬化的天體行為。因而現代科學是用簡單性解釋復雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。

量子力學初步揭示了客觀世界的復雜性。經典科學的簡單性是與把物理世界理想化相聯系的。經典物理學所研究的是理想的物質客體。它不但用理想化的“質點”、“剛體”、“理想氣體”來描述物體，而且把研究對象的條件理想化，使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內。而客觀世界并不是如此，特別是進入微觀領域，微觀粒子運動的幾率性、隨機性；觀測對象和觀測主體不可分割性等都足以說明自然界本身并不是我們想象的那么簡單。

在現代科學中，牛頓的經典力學成了相對論的低速現象的特例，成為非線性科學中交互作用近似為零的情況，在量子力學中是測不準關系可以忽略時的理論表述。復雜性的提出并不是要消滅簡單性，而是為了打破簡單性獨占的一統地位。復雜性是把簡單性作為一個特例包含其中，正如莫蘭所說的，復雜性是簡單性和復雜性的統一。復雜性比簡單性更基本，可能性比現實性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學思維方式，不是以現實來限制可能，而是從可能中選擇現實；不是以既存的實體來確定演化，而是在演化中認識和把握實體。復雜性主張考察被研究對象的復雜性，在對其作出層次與類別上的區分之后再進行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強調的是一種整體的協同。

四、量子力學使科學活動中主客體分離邁向主客互動

經典科學思維方式的一個指導觀念就是，認為科學應該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來樣子的”世界知識。玻爾告訴人們，根本不存在所謂的“真實”，除非你首先描述測量物理量的方式，否則談論任何物理量都是沒有意義的！測量，這一不被經典物理學考慮的問題，在面對量子世界如此微小的測量對象時，成為一個難以把握的手段。因為研究者的介入對量子世界產生了致命的干擾，使得測量中充滿了不確定性。在海森伯看來，在我們的研究工作由宏觀領域進入微觀領域時，我們就會遇到一個矛盾：我們的觀測儀器是宏觀的，可是研究對象卻是微觀的；宏觀儀器必然要對微觀粒子產生干擾，這種干擾本身又對我們的認識產生了干擾；人只能用反映宏觀世界的經典概念來描述宏觀儀器所觀測到的結果，可是這種經典概念在描述微觀客體時又不能不加以限制。這突破了經典科學完全可以在不影響客體自然存在的狀態下進行觀測的假定，從而建立了科學活動中主客體互動的關系。

例如，關于光到底是粒子還是波，辯論了三百多年。玻爾認為這完全取決于我們如何去觀察它。一種實驗安排，人們可以看到光的波現象；另一種實驗安排，人們又可以看到光的粒子現象。但就光子這個整體概念而言，它卻表現出波粒二象性。因此，海森伯就說，我們觀測的不是自然本身，而是由我們用來探索問題的方法所揭示的自然。[8]

量子力學的發展表明，不存在一個客觀的、絕對的世界。唯一存在的，就是我們能夠觀測到的世界。物理學的全部意義，不在于它能夠描述出自然“是什么”，而在于它能夠明確，關于自然我們能夠“說什么”。

參考文獻：

[1]林德宏.科學思想史[M].第2版.南京：江蘇科學技術出版社，2004：270-271.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理學史[M].第2版.北京：清華大學出版社，1993：1-2.

[3]劉敏，董華.從經典科學到系統科學[J].科學管理研究，2006，24(2)：44-47.

[4]宋偉.因果性、決定論與科學規律[J].自然辯證法研究，1995,11(9)：25-30.

[5]彭桓武.量子力學80壽誕[J].大學物理，2006，25(8)：1-2.

[6]疏禮兵，姜巍.近現代科學觀的演進及其啟示[J].科學管理研究，2004,22(5)：56-58.

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作者認為量子和量子化是20世紀物理學中最偉大的發現。盡管量子力學現象并沒有對仍為經典物理學所支配的我們的意識世界構成直接沖擊，但量子力學已經成了物質和輻射的所有現象的理論基礎，而且也將是21世紀文明的一切方面的基礎。作為大學物理學中的主要學科，量子力學的卓越教科書并不鮮見，許多成功的教材采用公理化方法，從一組基本公理出發建立量子力學的理論體系，然后借助于一系列數學步驟發展它的全部推論。但是量子力學究竟是怎么來的？我們能夠理解對于這樣一種抽象形式所對應的解釋嗎？近幾十年來關于這些問題的詳細討論有許多著作面世，特別值得一提的是1967年出版的“量子力學起源”（Source of Quantum Mechanics，B.L.van der Waerden 著）和1992年-2001年出版的6卷集“量子理論的歷史發展”（The Historical Development of Quantum Theory，Mehra and Rechenberg 著）等，都得到了廣泛的好評。但作者認為這些優秀著作通常內容很深，需要讀者具有很強的經典與量子物理的基礎。

作者曾于2003年撰寫了“物理學中的理論概念”（Theoretical Concepts in Physics）一書，從歷史角度重新思考物理學的基礎，討論了到量子發現與被物理學界接受為止的經典物理學和相對論理論概念的發展。本書是作者對于量子物理繼續作出的努力。作者假定讀者熟悉不超過大學二年級水平的物理與數學知識，力求采用的數學不失嚴格性而盡可能簡單，使最后一年的大學生在閱讀時不會遇到麻煩。

全書內容分成3個部分，共18章：第1部分 量子的發現，含第1-3章：1.1895年的物理學與理論物理學；2.普朗克和黑體輻射；3.愛因斯坦和量子，1900-1911。第2部分 氫原子的波爾模型，含第4-8章：4.Sommerfeld 和Ehrenfest-推廣的波爾模型；5.愛因斯坦系數，波爾對應原理和第一個選擇定則；6.理解原子光譜——可加量子數；周期表的波爾模型和自旋起源；7.波爾的元素周期表模型和自旋的起源；8.波粒二象性。第3部分 量子力學的發現，含第9-17章：9.舊量子論的失敗及其重生的原因；10.海森伯的突破性進展；11.矩陣力學；12.狄拉克的量子力學；13.薛定諤和波動力學；14.矩陣力學與波動力學的殊途同歸；15.自旋和量子統計；16.量子力學的解釋；17.一個時代結束之后。

作者特別強調本書不是一部量子力學的教科書，而是專為高年級大學生、物理學家、歷史學家和物理哲學家撰寫的一部專著，可以看作是標準教材的補充，可以增強對于量子物理學的理解和欣賞。本書對浩瀚的物理學史的文獻與專著進行了匯總，通過引人注目的敘述，提供了物理學家和數學家實際工作的許多范例。與其他教科書相比，本書特別贊賞在數學、理論與實驗之間的交流，并在這種思想指導下對于幫助讀者深入理解量子力學的發展做了最大的努力。

丁亦兵，教授

（中國科學院大學）

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關鍵詞 量子力學 教學內容 教學方法

中圖分類號：G420 文獻標識碼：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

量子力學是研究微觀粒子（如原子、分子、原子核和基本粒子等）運動規律的物理學分支學科，它和相對論是矗立在20世紀之初的兩座科學豐碑，一起構成了現代物理學的兩塊理論基石。相對論和量子力學徹底改變了經典物理學的世界觀，并且深化了人類對自然界的認識，改造了人類的宇宙觀和思想方法，它使人們對物質存在的方式及其運動形態等的認識產生了一個質的飛躍。

量子力學是材料物理專業一門承前啟后的專業基礎必修課：量子力學的教學必須以數學為基礎，包括線性代數、概率論、高等數學、數理方法等，其又是后續課程材料科學基礎、固體物理、材料物理、納米材料等的理論基礎。可見，量子力學課程在材料物理專業的課程體系中占有非常重要的地位，學生掌握的程度直接影響后續專業課程的學習。作者近年來一直從事量子力學的教學工作，針對量子力學課程教學過程中存在的現象和問題，進行了較深入細致的思考與探討，在實際教學過程中對本課程的教學方法進行了探索與實踐，收到了較好的教學效果。

1 量子力學教學面臨的難點

量子力學研究的是微觀粒子的運動規律，微觀粒子同宏觀粒子不同，看不見，摸不著，只有借助于探測器才能察覺它的存在和屬性。材料物理專業學生之前學習的基本上是經典物理，而量子力學理論無法用經典理論進行解釋，學生對此感到難于理解。因此，經典物理的傳統觀念對學生思想的束縛，構成了學生學習量子力學的思想障礙；量子力學可以說無處不“數學”， 由于材料物理專業學生在數學基礎方面與物理專業學生相比較為薄弱，在學習過程中普遍感到數學計算繁難，對大段的數學推導表現出畏難情緒。可見，量子力學對數學的精彩詮釋卻構成了學生學習量子力學的心理障礙。這兩大障礙勢必會影響量子力學和后續課程的學習。在這種情況下，我們應當怎樣開展量子力學教學從而使學生重視并努力學好該課程就成了一個嚴峻的挑戰。

2 明確教學重點和難點、有的放矢

要講授一門課程，首先應該對課程內容有一個清晰的認識。量子力學的內容可以包括三個方面：一是介紹產生新概念的歷史背景及一些重要實驗；二是提出一系列不同于經典物理學的基本概念與原理，如波函數、算符等概念和相關原理，是該課程的核心；三是給出解決具體實際問題的方法。三部分內容相互聯系，層層推進，形成完整的知識體系。作為引導者，教師應在這三部分內容的教學過程中幫助學生成功地突破兩大束縛。第一部分內容教師應考慮如何引導學生入門，從習慣古典概念轉而接受量子概念。在講授這部分內容時要將重點放在“經典”向“量子”的過渡上，引出量子力學與經典力學在研究方法上的顯著不同：經典力學是將其研究對象作為連續的不間斷的整體對待，而量子力學將其研究對象看成的間斷的、不連續的。學生在學習這部分時應仔細“品嘗”其中的“滋味”，以便啟發自己的思維自然地產生一個飛躍，完成思想的突破。第二、三部分是量子力學學習的重點與難點，并且涉及大量的數學推導，教師應采取適當的教學手段，突出重點，強調難點。在物理學研究中，數學只是用來表達物理思想并在此基礎上進行邏輯演算的工具，不能將物理內容淹沒在復雜的數學形式當中。通過數學推導才能得到的結論，只需告訴學生，從數學上可以得到這樣的結果就可以了，無需將重點放在繁難的數學推導上，否則會使學生本末倒置，忽略了對量子力學思想的理解。這樣的教學可以幫助學生突破心理障礙，不會一提量子力學就想到復雜的數學推導，從而產生抵觸情緒。成功地突破這兩大障礙，是學習量子力學的關鍵。

3 教學方法的改革

3.1 利用現代技術改進教學手段

傳統的板書教學能夠形成系統性的知識框架，教師在板書推導的過程中，學生有時間反應和思考，緊跟教師的思路，從而可以詳細、循序漸進地吸收所學知識，并培養了良好的思維習慣。但全程板書會導致上課節奏慢，授課內容有限。目前隨著高校教學改革的推進，授課學時相繼減少，對于傳統教學方式來講，要完成教學任務比較困難。這就要借助現代科技手段進行教學改革，包括多媒體課件的使用和網絡教學。但是在量子力學教學中，一些繁雜公式的推導，如果使用多媒體課件，節奏會較快，導致學生目不暇接，來不及做筆記，更來不及思考，不利于講授內容的消化吸收。鑒于此，對于量子力學課程，教學過程應采用板書和多媒體技術相結合的方式，充分發揮二者的優勢，調動學生的學習積極性。

3.2 建設習題庫

量子力學課程理論抽象，要深入理解這些理論，在熟練掌握教材基本知識的基礎上，需要通過大量習題的演練，循序漸近，才能檢驗自己理解的程度，真正學好這門課程。因此在教學過程中，強調做習題的重要性。有針對性地根據材料物理專業量子力學的教學大綱和教學內容，參考多本量子力學教材和習題集，利用計算機技術建設量子力學習題庫，題型包括選擇、填空、證明、簡答和計算題等，內容涵蓋各知識點，從簡到繁、由淺至深。題庫操作方便，學生可自行操作，并對所做結果進行實時檢查，從而清楚自己掌握本課程的程度。這一方式在近幾年的教學中取得了良好的教學效果。

3.3 加強與學生互動，調動學生的學習積極性

教學是一個師生互動的過程，應讓學生始終處于主動學習的位置而不是被動的接受。量子力學課程的學習更應積極調動學生的積極性，因此教師應在教學過程中加強與學生的互動。增設課前提問、課后討論環節，認真批改作業，積極發現學生學習過程中存在的問題，并及時對問題進行深入講解，解決問題。另外，由于量子力學是建立在一系列基本假定基礎之上的，抽象難懂，鑒于學生難接受的情況，在授課時注意理論聯系實際，盡可能進行知識的滲透和遷移，將量子力學在實際中的應用穿插于教學之中，豐富教學內容，開拓學生視野，從而調動學生的學習興趣和積極性。

4 結語

通過近年來教學經驗的總結和探索，形成了一套適合材料物理專業量子力學課程教學的方法，該方法教學效果良好。在近幾年的研究生入學考試中，學生量子力學課程的成績優秀，說明采用這樣的教學方法是成功的。

資助項目：武漢工程大學2010年校級教學研究項目（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

薛定諤在1926年建立了以他的名字命名的方程，開創了量子力學進入嚴格的和近似定量計算的新局面，促進量子力學迅速擴展了應用能力和范圍。20年之后費曼提出了量子力學的路徑積分形式，并證明了與薛定諤方程的等價性。它不僅能夠解決量子力學中的一般的定量計算問題，而且在隨后幾十年的量子場論和規范場論的發展過程中起了不可替代的重要作用。這兩種定量處理方法各有優劣，薛定諤方程對于量子力學問題的處理無疑具有極大的優點，其圖像清晰而且在數學上有許多為物理學家熟悉的成熟處理方法，受到物理學家的普遍歡迎。相比之下，路徑積分方法的使用要麻煩得多。但近年來，人們越來越發現路徑積分方法在很多應用中有著獨特的優越性。對于這兩種方法，已經有許多優秀的量子力學教科書以及專著分別給出了非常詳細的討論。但是將兩種方法對同一問題的解決辦法進行相互對照與比較，從而對于各自的優點和特定的應用范疇有更深刻的理解的著作還十分罕見，本書填補了這一空白。

這是一部量子力學的教科書，它涵蓋了作為導論性課程所有的主要內容，不但詳述了各種位勢下薛定諤方程的微擾解，介紹并算出了對應的路徑積分的解，而且還詳細地考慮了微擾展開的高階行為，這在其他類似的書籍中很少見到。本書的另一特點是沒有提供習題，而是結合課文的內容選用了大量例題，給出了非常詳細的計算細節，對于讀者的學習十分有利。

本書的第1版出版于2006年。第2版中，添加了許多重要的應用和很多實例。特別是關于Coulomb勢的一章被擴充到包含了化學鍵的介紹，而周期勢的一章補充了關于金屬和半導體能帶論的一節，而在高階行為的一章添加了關于漸進展開中成功地計算收斂因子的例證。

全書共分成29章：1.導言；2.哈密頓量子力學； 3.量子力學的數學基礎；4.狄拉克的右矢和左矢形式體系； 5.Schrdinger方程和Liouville定理；6.諧振子的量子力學； 7.Green函數；8.時間無關微擾論； 9.密度矩陣和極化現象； 10.量子理論：一般形式體系； 11.Coulomb 相互作用； 12.量子力學穿透；13.線性勢； 14.經典極限和WKB法； 15.冪次勢； 16.屏蔽Coulomb勢； 17.周期勢； 18.非簡諧振子勢； 19.奇異勢；20.微擾展開的高階行為；21.路徑積分形式； 22.經典場組態； 23.路徑積分和瞬子； 24.路徑積分與沿一條線上的彈跳； 25.周期性的經典組態； 26.路徑積分和周期性的經典組態；27.約束系統量子化；28.量子-經典跨接作為相變；29.結束語。

本書對物理系的大學生和研究生以及數學和粒子物理的研究人員非常適用。對希望擴大自己量子力學技巧的理論物理學家和想要更進一步鉆研量子力學的其他專業的研究生以及所有對微擾方法、路徑積分及其在經典場倫中的應用感興趣的讀者都具參考價值。

丁亦兵，教授

（中國科學院大學）

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理論物理作為大學物理系本科的必修課，在大學生用一年到兩年的時間學完普通物理之后開始學習。傳統的所謂四大力學，即理論力學、熱力學和統計力學、電動力學、量子力學，應該在第三年和第四年學完。這四門課的分量都很重，用到的數學知識很多超過基礎的高等數學的范圍。因此，合適的教材對于師生都很重要。著名教材為數不少，最著名的像蘭道和他的助手撰寫的大部頭巨著，堪稱經典；但其難度通常超過一般大學生的接受水平，因而一些導論性的教程更受歡迎。而隨著現論物理學不斷向著更高水平、更深層次和更為廣泛的領域的發展，教材的內容也不斷地更新。本書正是在這種思想指導下編寫而成的。

作者從事大學理論物理學位課程教學30多年，積累了豐富的經驗，對傳統的理論物理的講授模式形成了自己一些獨特的看法。他嘗試以5個模塊形式，把他認為應該掌握的理論物理內容以一種統一的和自成體系的形式納入到單獨的一卷教程之中。這5個模塊涵蓋了20世紀理論物理學的所有重要分支，包括非相對論量子力學，熱與統計物理、多體理論，經典場論（包括狹義相對論和電磁學）以及相對論量子力學和夸克與輕子的相互作用的規范理論。

本書把這5個模塊分成20章。第一模塊為非相對論量子力學，含第1-4章： 1. 量子力學的基本概念；2.表象理論；3. 近似方法；4.散射理論。第二模塊為熱與統計物理，含第5-12章：5. 熱力學基礎；6. 量子態和溫度；7. 微觀狀態的概率和熵； 8.單原子理想氣體； 9. 經典熱力學的應用； 10. 熱力學勢及導數； 11.物質轉換和相圖； 12. FermiDirac和BoseEinstein統計。第三模塊為多體理論，含第13-16章：13. 多粒子系統量子力學和低溫熱力學； 14. 二次量子化； 15. 相互作用電子氣； 16. 超導。第四模塊為經典場論和廣義相對論.含第17-18章：17. 場的經典理論；18. 廣義相對論。第五模塊為相對論量子力學和規范理論，含第19-20章：19. 相對論量子力學；20. 夸克和輕子相互作用的規范理論。

本書的一個突出特點是完整地給出了所有重要結果的詳細數學證明，使一個完成了高中數學課程和大學第一年物理學學位課程的學生能夠理解和欣賞理論物理很多重要結果的導出過程。只要是完成了較高一點水平的數學課程，讀者都會發現，書中的每一部分都是他們所需要的。

本書描寫的理論概念和方法通常包含在一年級研究生的課程中。本書附錄中列出了一份推薦閱讀的書目清單，以便讀者參考。

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關鍵詞：科學史；近代物理；教學改革；高等教育

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）50-0072-03

近代物理是高等學府物理類、化學類和電子類學科的一門必修課，通常放在講授完大學物理之后。大學物理的內容主要是理論力學、電動力學、熱力學和統計物理。近代物理的內容主要是相對論和量子力學。由于相對論和量子力學離我們的日常生活經驗比較遠，所以學起來比較晦澀難懂。本文介紹了筆者如何通過講授近代物理知識和對應的近代物理科學史相接合，來提高同學們對近代物理的理解和興趣。

一、近代物理科學史簡介

近代物理的科學史是一部十分生動活潑的歷史，時間跨度大概是從1900年到現代。這段時間可以說是十分不平凡和波瀾壯闊的一百多年。這期間發生了人類歷史上僅有的二次世界大戰，其中涌現的具有極高才華和貢獻的科學家數量差不多抵得上人類歷史上前五千年的科學家數量總合。而人物傳記作家也多對他們的人生經歷極為感興趣，出了很多關于他們的傳記[1-3]。另外這些近代物理學家們很多本身也頗博學多才，具有良好的文學才能和修養，因此很多人他們自己也出自傳。這些傳記和自傳都能給《近代物理》課堂上的科學史教學提供豐富的素材和參考。相對論和量子力學的理論和公式雖然比較高深難懂，但是它們解釋的現象由于跟人們的日常經驗相悖，所以還是會引起人們廣泛的興趣。比如時間和空間是不可分的，物體的動量和時間不能同時精確測量，光速是宇宙中最快的速度，這些一般人憑經驗的確很難理解。進而人們也會對提出和發現這些理論的科學家們（如愛因斯坦）感興趣。圖1為作者按照時間順序出場依次在課堂上介紹的量子力學史上各個重要的歷史人物。這些科學人物大多數彼此交往比較密切，在學術上好像切磋和影響，進而也加速了思想火花的碰撞和創新性理論的誕生。

在課堂上講述近代物理科學史的過程中，還可以幫助同學們了解在學術研究過程中需要注意的問題。比如搞科研不能囿于自己的私密空間，而要鼓勵多做學術交流。學術交流的好處是：（1）可以了解最新的研究動態；象在近代物理史上著名的哥本哈根學派就是個很好的例子。1921年，在著名量子物理學家波爾的倡議下，成立了哥本哈根大學理論物理學研究所，由此形成哥本哈根學派。其中波恩、海森堡、泡利以及狄拉克等都是這個學派的主要成員。由于哥本哈根學派提供了很好的學術交流環境和學術氛圍，在這個學派里鼓勵發表不同的觀點，不迷信權威，所以涌現出了很多重要的量子力學成果。（2）可以發現自己的不足；比如愛因斯坦于1919年在剛開始推導廣義相對論的時候，在公式里人為增加了一個常數項，從而得出他起先所認為的靜態宇宙模型。不過1922年亞歷山大?弗里德曼摒棄了這個常數項，從而得出相應的宇宙膨脹理論。比利時牧師勒梅特應用這些解構造了宇宙大爆炸的最早模型，模型預言宇宙是從一個高溫致密的狀態演化而來。到1929年，哈勃等人又用實際的觀測證明我們的宇宙的確處于膨脹狀態。通過學術交流，愛因斯坦終于接受了宇宙膨脹理論，并承認添加宇宙常數項是他一生中犯下的最大錯誤。（3）可以激發自己的靈感；比如波爾在1911年從丹麥哥本哈根大學獲得博士學位后去英國學習，先在劍橋湯姆遜主持的卡文迪許實驗室工作，幾個月后又去曼徹斯特在盧瑟福的手下搞科研，這使得他對湯姆遜關于原子的西瓜模型和盧瑟福的核式原子模型了如指掌，同時他又很熟悉普朗克和愛因斯坦的量子學說，這些學術交流活動激發了他的靈感，使得他最終于1913年初創造性地把普朗克的量子說和盧瑟福的原子核概念結合起來，提出了自己的波爾原子模型。（4）可以激勵自己不斷進步和成長。比如薛定諤在1925年受到愛因斯坦關于單原子理想氣體的量子理論和德布羅意的物質波的假說的啟發，從經典力學和幾何光學間的類比提出了對應于波動光學的波動力學方程，從而奠定了波動力學的基礎。但是他一開始并不清楚他自己建立的波動方程中的波具體代表什么物理概念。起初他試圖把波函數解釋為三維空間中的振動，把振幅解釋為電荷密度，把粒子解釋為波包，但他無法解決“波包擴散”的問題。最終經過他與波恩的多次學術交流，他逐漸認識到波函數其實是代表粒子在某時某個位置出現的幾率，是一種幾率波。

二、近代物理知識簡介

近代物理的知識主要分為兩大類：相對論和量子力學。相對論分為狹義相對論和廣義相對論，內容包括伽利略坐標系、邁克爾遜-莫雷實驗、洛倫茲變換、閔可夫斯基空間、質能關系式和相對論能量-動量關系式等。量子力學知識包括黑體輻射、光電效應、波爾原子模型、康普頓效應、德布羅意波、戴維遜和革末實驗證實了電子的波動性、不確定性原理和薛定諤方程等。這些近代物理理論的公式通常比較復雜，需要用到高等數學的知識，比如薛定諤方程是一個偏微分方程，狄拉克方程里包含矩陣。因而對于近代物理公式的求解就變得十分困難，也不太直觀。圖2羅列了按時間順序出現的課堂上需要講授的量子力學公式。

黑體輻射公式描述的是頻譜（單色能密度）u（v，T）和溫度以及頻率的關系式。光電效應是指每種金屬存在截止頻率。當照射在金屬上的頻率小于截止頻率時，不管光強多大，照射時間多長，也不會有光電子產生。而當照射在金屬上的頻率大于截止頻率時，不管光強多小，也會產生光電子，且響應時間小于1納秒。光電子具有各種初速度，其最大初動能與光輻射頻率成線性關系，而與光輻射強度無關。當頻率在截止頻率之上時，單位時間內發射出來的電子數目即光電流強度與光輻射強度成正比。在光電效應理論中，光的能量和光的頻率成正比，光的動量和光的波長成反比。

波爾的原子模型給出了電子在分立軌道上的能量公式。能量和電荷的四次方成正比，跟定態的平方成反比。電子在定態具有分立的能量，在定態運動時不輻射電磁能量；但電子可以從一個定態能級躍遷到另一個能量低的定態能級，相應于兩個能級差的能量將作為光子被釋放出來。德布羅意公式則是給出了物體的能量和動量與其說對應的物質波的波長和頻率之間的關系。動量和波長成反比，而能量和頻率成正比。薛定諤方程精確地給出了物質波函數的表現形式。微觀粒子的量子態可用波函數表示。當波函數確定，粒子的任何一個力學量及它們的各種可能的測量值的幾率就完全確定。波函數跟粒子的質量和勢能相關。波函數的自變量中包含空間坐標和時間坐標。由于薛定諤方程中出現虛數i，所以波函數原則上應是復數。它同時滿足能量守恒，是線性的、單值解的。它給出的自由粒子解與簡單的德布羅意波相一致，滿足因果律。相對于薛定諤方程之于非相對論量子力學，狄拉克方程[4]是相對論量子力學的一項描述自旋-1/2粒子的波函數方程，不帶矛盾地同時遵守了狹義相對論與量子力學兩者的原理，實則為薛定諤方程的洛倫茲協變式。這個方程預言了反粒子的存在。

三、近代物理科學史和近代物理知識的結合講解

近代物理課如果只是講解近代物理知識，往往顯得枯燥無味，難以理解。其實任何科學知識都不是憑空產生的，往往經歷了好幾代人的不懈努力，最終從量變到質變，導致相對論或量子力學的建立。薛定諤方程也不是一蹴而就，而是經過很多科學家幾十年的努力。如果一開始就講解薛定諤方程，同學們通常很難理解。而如果采用循序漸進的方法并結合科學史來講，抽絲剝繭，逐漸揭開真理的面紗，那么同學們不光饒有興趣，而且更容易理解。圖3列出了結合科學史和科學人物的近代物理講解流程。在講解科學史的過程中，重點講解科學人物和他們的研究方法，以及這些近代物理公式是怎么一步步得來的。通過近代物理知識和科學史的結合講解，可以啟發同學，讓他們了解任何知識都是建立在前人知識和研究的基礎上。比如普朗克的黑體輻射公式來自于瑞利-金斯定律和維恩位移定律的啟發。瑞利-金斯定律能夠解釋低頻率下的結果，卻無法解釋高頻率下的測量結果。而維恩位移定律能夠解釋高頻率下的結果，卻無法解釋低頻率下的測量結果。而普朗克公式是把這兩種定律公式進行一下內插。通過這種歷史背景的介紹，同學們就對普朗克公式的來龍去脈知道得一清二楚，對此公式也就理解得更深刻。普朗克公式其實一開始是一個不得已而為之的公式，然后普朗克對此公式進行反推，發現只有認為能量是量子化的，才能得出跟實驗結果相吻合的普朗克公式。能量是非連續而是分立的，即使這個想法在當時是多么背離人的日常經驗和驚世駭俗，由于它是唯一的解釋，普朗克也就不得不接受了這個能量量子化思想。

而能量量子化這個理論不管在當時看上去多么荒謬，還是有人慧眼識珠的。5年之后的1905年，愛因斯坦憑著他對物理學的敏銳欣然接受了能量量子化這個觀點，并在此基礎上解釋了光電效應。近代物理的科學史是一環扣一環，十分引人入勝。在課堂上授課時通過人物->公式->人物…->公式的順序把所有近代物理的公式合理地銜接起來，自成一個整體，同學們學習起來就會思路清晰，公式也會記得牢，進而對公式能活學活用。普朗克和愛因斯坦彼此惺惺相惜，而普朗克也是少數很快發現愛因斯坦狹義相對論重要性的人之一。在愛因斯坦發表光電效應的8年之后，波爾也接受了能量量子化這個觀點，并進而創新性地提出了三個假設：（1）定態假設，即電子只能在一系列分立的軌道上繞核運動，這些軌道對應確定能量值的穩定態，電子在這些狀態（軌道）上不輻射電磁波；（2）躍遷假設，即原子在不同定態之間躍遷，以電磁輻射形式吸收或發射能量；（3）角動量量子化假設，即電子軌道角動量是分立的，首尾位相相同的環波才能穩定存在。波爾根據這三種假設成功推導出了氫原子的光譜公式，和實驗結果完全吻合。

接下來就輪到德布羅意登場。在波爾提出原子模型的10年之后，1923年德布羅意創新性地在他的博士論文里提出了波粒二象性的觀點。以前的量子論觀點都是圍繞光和能量，沒有觸及實際的物質或粒子。而德布羅意破天荒地提出任何物體都具有波粒二象性，既包括光，也包括電子、原子甚至人體等所有宇宙中的物體。德布羅意當時的博士生導師朗之萬不認可這個觀點，但是他比較有責任心，沒有直接否決掉德布羅意的博士論文，而是把論文寄給愛因斯坦定奪。而愛因斯坦對物理的理解十分透徹，他馬上承認了德布羅意的博士論文的正確性，并且將論文送去柏林科學院，使此理論在物理學界廣為傳播。1924年，德布羅意又提出可以用晶體作光柵觀察電子束的衍射來驗證他的波粒二象性理論，因為電子的波長和晶格間距處于同一個數量級。很快就有人響應了德布羅意的實驗設想，1927年，克林頓?戴維森和雷斯特?革末用電子轟擊鎳晶體，果然發現電子的衍射圖譜，和布拉格定律預測的一模一樣，這證實了德布羅意的波粒二象性理論正確無誤。既然電子是一個波，那就應該有個波動方程。所以德布羅意的理論極大地啟發了海森堡和薛定諤，導致這兩位科學家同時在1925年分別發表了薛定諤方程和矩陣力學，兩者可以得到同樣的結果。薛定諤隨后證明，兩者在數學上是等效的。薛定諤方程使用微分方程的形式，比矩陣力學容易理解，所以近代物理的授課一般只講薛定諤方程。薛定諤提出了薛定諤方程之后，又有個新問題，就是此方程不符合相對論協變性原理，即物理規律的形式在任何的慣性參考系中應該是相同的。所以需要有另外一個量子力學方程來滿足相對論。這個任務最終是3年之后（即1928年）由狄拉克來完成的。至此，在講述有趣的近代物理科學史的同時同學們也掌握了豐富的近代物理知識。

總而言之，在近代物理的教學過程中結合近代物理科學史進行授課，提高了同學們對于近代物理知識的理解和興趣，避免了填鴨式的教育，讓同學們在掌握知識的同時更了解了科學家們科學的研究方法，“授之以漁不如授之以魚”。該教改收到了十分良好的效果。

參考文獻：

[1]格雷克.牛頓傳[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]艾薩克森.愛因斯坦傳[M].長沙：湖南科技出版社，2012.

篇7

[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:

篇8

1985年秋天，我免試進入南京大學物理系開始本科學習，從此與物理結下不解之緣.我們那一屆南大物理系招了約120人，其中女生16人.進校時就分了專業，我們晶體物理專業有20人，其中女生4人.記得剛進校時，系里就安排了幾場報告會介紹學校和物理系的概況.聆聽著從1920年以來南大物理系發展和不斷壯大的歷史，感悟著從這里走出來的一位位名家的故事，我這才意識到自己能進入南大物理系學習是多么幸運.

物理系學生的課程學習是緊張的，從力學、光學、電磁學和熱學等普通物理開始，再到理論力學、量子力學、電動力學和統計力學等理論物理，最后再學固體物理，一環套一環，層層深入.雖說基礎物理中的絕大部分概念在中學已經提及，但實際上到了大學，需要在新的層次上重新認識和理解諸如動量、溫度、熵等基本概念；同時課程學習更是思維方法和習慣的訓練過程，比如我們通過力學的學習培養代數思維，學會抓主要矛盾進行近似處理，而思維的培養往往比純粹的知識獲得更為重要.在理論物理中，我對量子力學的學習最有印象.我們在系統學習量子力學之前，有“物理學史”和“近代物理基礎”作先導課程，對物質波、波粒二象性等概念已有了些許認識，然后有“數學物理方法”做數學后盾，學習量子力學時覺得非常有意思，值得思考的概念多，初想不通的物理過程也多，但當一個個貌似困難的問題被攻克后，那種興奮和享受真是令人難忘.在量子力學的學習中，我覺得自己真的是可以學物理的.從大一到大三，我們絕大部分課是在能容納二百人的大教室上的，記得那時我們十幾個女生常常坐在教室的前兩排，這樣除了聽課的效果特別好以外，據說還構成一道亮麗的風景.我們的老師大都很有教學經驗，絲絲入扣，循循善誘，我習慣于筆頭勤一點，在課堂上跟著老師完成公式推導，課后翻閱一些參考書進一步理解概念，然后做一些習題，有時還做一些小論文，大部分課程學得比較自如.

大學里物理實驗的教學讓我們受益匪淺.那時實驗課大都安排在晚上，每周有兩到三次.每逢有實驗課，大家都早早吃過晚飯，急匆匆往物理樓趕，然后三三兩兩地等在實驗室的門口，生怕來遲會影響當晚的實驗進展.實驗時也都很專注，常常是兩個人合作，因為實驗預習時就分工明確，合作起來一般都很協調，也很愉快.記得起初，我們總以搶先測得當日實驗結果為榮，實驗時難免慌慌張張、毛手毛腳；后來，知道應該圍繞實驗目的，做好每一步調試和測量；慢慢地，開始享受每一次的實驗過程，享受對每一次實驗結果的處理與分析……從大一到大三，從普通物理實驗做到近代物理實驗，每每帶著滿臉的興奮離開物理樓，按理說，忙碌了一個晚上應該也是辛苦的，但大家都樂此不疲.

（本文原載《物理》2010年第3期，有刪節）

篇9

[關鍵詞] 自我管理計劃；家庭氧療；慢性阻塞性肺病；血液流變學

[中圖分類號] R473 [文獻標識碼] A [文章編號] 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.

分別于干預前、干預后3、6個月采用圣喬治呼吸問卷[6]（St George's Respiratory Questionnaire，SGRQ）測評患者的生存質量情況，由患者本人填寫問卷，閱讀障礙不能填寫者，可由專職護士及家屬口頭詢問患者各項問題并根據患者的回答代為填寫。SGRQ調查問卷包括癥狀、活動能力和臨床影響3個維度，共有50個問題，每個維度的總分為100分，得分越高，提示生存質量越差。

于干預前、干預后6個月時清晨抽取患者靜脈血5 mL，并采用EDTA進行抗凝處理，抗凝后3 h內對血液流變學各項指標進行檢測，其中，全血低切黏度、血漿黏度的檢測采用NXE-1型錐板式黏度計（成都儀器廠生產），血細胞比容的檢測采用微型紅細胞壓積儀，纖維蛋白原的檢測采用比濁法。

于干預前、干預后6個月采用焦慮自評量表（SAS）、抑郁自評量表（SDS）[7]對兩組患者的焦慮、抑郁情緒進行評分，其中SAS≥50分，表示存在焦慮癥狀；SDS≥53分，表示存在抑郁癥狀。

1.4 統計學方法

采用SPSS 13.0統計學軟件進行數據分析，計量資料數據用均數±標準差（x±s）表示，兩組間比較采用t檢驗；以P < 0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組患者干預前后生存質量評分比較

干預前，兩組患者SGRQ量表各維度評分及總分比較，差異無統計學意義（P > 0.05）；與干預前比較，兩組患者干預后3、6個月的SGRQ各維度評分及總分均明顯降低（P < 0.05），且干預后觀察組患者各項評分明顯低于對照組（P < 0.05）。見表1

2.2 兩組患者干預前后血液流變學指標比較

干預前，兩組患者的各項血液流變學指標比較，差異無統計學意義（P > 0.05）；兩組患者干預后6個月的血液流變學指標（全血低切黏度、血漿黏度、血細胞比容、纖維蛋白原）均較干預前明顯降低，且干預后觀察組各項指標水平明顯低于對照組（P < 0.05）。見表2。

表2 兩組患者干預前后血液流變學指標比較（x±s）

注：與同組干預前相比，*P < 0.05；與對照組干預后6個月比較，#P < 0.05

2.3 兩組患者干預前后焦慮、抑郁評分比較

對照組干預前SAS、SDS評分分別為（62.57±7.12）、（65.23±6.61）分；觀察組干預前SAS、SDS評分分別為（63.92±6.56）、（64.34±6.19）分，兩組干預前SAS、SDS評分比較，差異無統計學意義（P > 0.05）。干預后6個月，對照組SAS、SDS評分分別為（56.43±5.04）、（57.33±5.78）分；觀察組SAS、SDS評分分別為（50.16±4.53）、（51.47±5.12）分，兩組患者干預后的SAS、SDS評分均較干預前明顯降低，且觀察組患者干預后SAS、SDS評分均明顯低于對照組，差異有統計學意義（P < 0.05）。見圖1、2。

3 討論

COPD是慢性呼吸系統疾病中的一種，具有病程遷延的特點，在臨床上難以完全治愈。COPD患者常伴有體重下降、營養障礙、骨質疏松、心血管疾病、貧血、糖尿病等肺外表現，并存在焦慮、抑郁等精神癥狀，生存質量較正常老年人明顯降低。營養狀況、心理狀態、肺功能等多種因素均可影響COPD患者的生存質量，生存質量的下降又進一步促進病情的進展，故臨床上對CODP患者治療的重點在于延緩病情發展及提高患者的生存質量[8]。目前，醫護人員開始密切關注對COPD患者的監督管理，如何有效提高COPD患者的生存質量已成為目前臨床上工作的重點[9-10]。近年來，大量國內外學者的研究證實，自我管理干預是改善COPD患者生存質量的一種有效途徑，通過對穩定期COPD患者實施多方面的應對技巧，如疾病知識、健康教育、肺康復技能指導、健康行為指導、情感支持、疾病管理等，使患者對疾病的認識提高，并規范用藥及呼吸鍛煉，從而明顯改善患者的癥狀及生存質量[11]。暨銘堅等[12]的研究中對COPD患者開展自我管理干預，以小組為單位，包括面對面指導、電話督導、短信提醒、加強社會支持及對患者的關心、定期檢查和督促等干預形式。通過自我管理計劃的實施，醫護人員可有效掌握患者出院期間的家庭護理狀況，同時醫護人員可對患者在家期間的自我管理情況進行定期監督和指導，有利于患者自我管理行為依從性的提高，從而使患者的生存質量得到改善，利于病情的延緩[13]。朱杰敏等[14]研究發現，對COPD患者制訂自我管理計劃并實施自我管理干預后患者對疾病的認知以及肺康復訓練、疾病管理和生活管理均得到明顯提高，且參與疾病自我管理的積極性大大增加，生存質量明顯改善。COPD患者多伴有低氧血癥，長期低氧血癥可損傷患者的肺上皮細胞，導致氣道重塑、肺動脈高壓的形成，使患者的生存質量受到嚴重的影響。家庭氧療能有效的糾正患者的低氧血癥，氧療主要通過增加氧輸入量、減少心臟做功而糾正低氧血癥，還能使COPD患者的肺血流動力學得到有效改善，有利于緩解肺功能惡化并延緩肺心病的進展[15-16]。

SGRQ是一項對生存質量十分敏感的指標，近年來，開始在生存質量評估中得到廣泛的應用[17]。本研究中對兩組患者干預前、干預后3、6個月的生存質量采用SGRQ進行測評，結果顯示，干預后3、6個月兩組患者癥狀、活動能力、臨床影響3個維度的評分及總得分均較干預前明顯降低，尤以觀察組降低更為明顯，表明自我管理計劃結合家庭氧療對COPD患者生存質量的改善效果更佳，這與于書慧等[18]的研究結果一致。本研究對兩組患者干預前及干預后6個月的血液流變學指標進行檢測，結果顯示，觀察組干預后6個月的全血低切黏度、血漿黏度、血細胞比容、纖維蛋白原水平均較對照組明顯改善，與干預前相比顯著降低，這與家庭氧療糾正COPD患者的低氧血癥，改善組織器官缺氧情況密切相關，提示自我管理計劃結合家庭氧療對COPD患者血液流變學指標的改善效果較單獨家庭氧療更為理想，有助于血栓形成的預防及臟器供血的改善。蘇定偉等[19]的研究中也證實了這一點。研究顯示，干預后兩組患者的SAS、SDS評分均低于干預前，且觀察組患者干預后6個月的SAS、SDS評分低于對照組，表明自我管理計劃結合家庭氧療對患者焦慮、抑郁情況的改善效果更好，更有利于消除患者的心理情緒障礙，這與許建紅等[20]的研究報道結果相似。

綜上所述，自我管理計劃結合家庭氧療是提高COPD患者生存質量及改善血液流變學的有效手段，能有效消除患者的心理情緒障礙，延緩病情進展，值得在臨床應用。

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篇10

關鍵詞：課程改革；創新精神；創新能力；原子物理學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）03-0103-02

原子物理學在材料物理專業學生基礎課程的教學中占有十分重要的地位。它不僅是經典物理和微觀物理（量子力學、粒子物理和核物理）連接的紐帶與橋梁，更是現代高新尖端技術（光譜學、激光、磁共振等）應用的基礎。原子物理學是于20世紀初開始形成的一門分支學科，它主要研究物質結構的其中一個層次，具體介于分子和原子核之間，其主要內容是原子光譜和原子結構。原子物理學是近代物理學的重要組成部分，如何對原子物理學課程教學進行現代化改革，提高該課程的教學質量的同時使之更好地培養學生的創新精神和能力已經成為當前材料物理專業課程教學改革研究中的一個熱點。

一、原子物理學課程現代化改革的背景

目前高等院校的教師講授在原子物理學這門專業課時，選用的教材大多都是褚圣麟或楊福家先生編寫的《原子物理學》，其中有些院校已將原子物理學更名為近代物理學，這樣改革的目的是為了實現該門課程的現代化，使其不局限在傳統意義的原子物理學課程上。面對該課程的教學現狀和其特殊地位，如何結合近代物理學的發展，發揮該課程的教育功能，培養學生的創新精神和能力，對原子物理學課程改革的呼聲越來越高。目前我校也逐步將原有的原子物理學課程進行了現代化改革，做了一些有益的探討和實踐。

二、整合知識體系，實現原子物理學課程教學內容的現代化，培養學生的創新精神

傳統的原子物理學教科書大多按照歷史發展的時間順序，即按照人類認識原子世界的具體過程，從“光譜”這一概念入手組織教學。這種教學的特點是以光譜實驗事實為主線，以玻爾的舊量子論為重點，用半經典半量子論的方法講授課程。但是對于這樣的教學內容和教學安排，學生并不容易掌握，而且讓學生花費大量的時間掌握這些不易理解最終又要被量子論修正的理論，看起來確實是沒有必要的。因此傳統的教學內容有些陳舊并且不易理解，也不能及時反映現代物理理論和科學技術發展的最新水平，因此必須用新觀點和新思想重新組織教學內容，以全新的角度構建這門課程的知識體系。在材料物理專業學生原子物理學的教學中，可直接用量子力學的理論研究原子結構及其運動變化規律。原子中電子的運動都遵循著量子力學的理論，而傳統教學中以學生不好理解的舊量子論為基礎，再用量子力學修正的做法并不符合學生的認知規律。因此可以直接用量子力學的理論來研究原子結構及其規律[1]，而將舊量子論僅僅作為一種鋪墊。實際教學中，可以先簡明扼要地介紹舊量子論的核心內容，而不必過多講授軌道的概念。可以刪除橢圓軌道理論和堿金屬原子的原子實極化和軌道貫穿等內容。這樣就實現了原子物理學課程知識體系現代化的第一步，用最新的量子力學理論成果講述原子中電子的行為。量子力學理論是從特有的波函數、哈密頓算符以及薛定諤方程等形式化的理論，以高度濃縮的數學形式借鑒了各學科的研究成果，從而形成了一套獨特的理論體系。實際講授中可以薛定諤方程為主線，由薛定諤方程引入微觀粒子的波函數，建立二階偏微分方程，從而定量描述微觀粒子客體的運動規律。一方面，根據不同的勢能表達，建立各種原子的薛定諤方程并求解，向學生闡述這些解的物理意義，并與實驗事實相對照，從而加深學生對原子結構的認識，進而把握原子內部結構的變化規律。另一方面，要突出德布羅意物質波的統計解釋。傳統教學內容總是先從經典物理學的角度和觀點看“粒子”和“波”這兩個概念，指出二者之間的相互排斥性，然后再引出微觀粒子的波粒二象性，并強調波粒二象性是微觀粒子客體區別于宏觀客體的一種屬性。這種講法常常會使學生產生困惑，覺得微觀客體很不可思議，超過了他們的認知和理解范圍。因此在講授時可以直接給出對德布羅意波的正確解釋，闡明微觀粒子的波動性并非指粒子和波一樣彌漫到整個空間，它本質上是粒子位置分布的一種概率波。為了更好實現教學內容的現代化，還應當在教學中穿插關于物理學前沿知識的專題，介紹近代物理學中和原子物理相關的最新發展和高新技術。在講授某些概念和原理時，可適當介紹最新應用成果和科技前沿。例如在講授原子的能級和激發時，可以詳細介紹激光產生的原理、特性以及應用等；在講到隧道效應時，可以介紹掃描隧道顯微鏡的原理及其發展；在講授X射線的吸收和透射時，可以介紹在醫學診斷和治療中具有廣泛應用的CT技術。增設這些前沿內容，一方面是為了加強理論知識與實際的聯系，使內容變得生動，提高學生的學習興趣，另一方面可以讓學生體會到當今科學與技術、生活的高度融合，開擴他們的視野，激發他們的創新熱情。原子物理學的發展伴隨了20世紀物理學的發展，并且隨著新的實驗發現、新模型新理論的建立而不斷深入[2]。從歷史上看，原子物理學的每次重大突破，都經歷著非常復雜曲折的過程，同時閃耀著物理學家創新精神的光芒。在課堂教學中，教師可以結合現代化的教學內容，抓住典型的歷史案例進行教學，讓學生了解到科學探究過程的艱辛，體會創新精神的可貴性，并學習科學家們為了探求客觀世界真理不畏艱辛、執著追求的科學品質和創新精神。

三、實現教學方法的現代化，突出學生的主觀能動性，培養學生的創新能力

教師教學的主要任務是傳授知識同時引導學生入門，為了更好地突出學生的主觀能動性和培養學生的創新能力，教師有必要改進原有的教學方法。除了教師講授、學生聽講的傳統教學方式外，還必須引入更加現代化的教學方式進行有益的補充[3，4]。在原子物理學課程的教學中，近代物理實驗應當占有舉足輕重的地位，很多重要的理論和結論都是由實驗直接引出的。因此要特別重視近代物理實驗，課堂教學時可以結合近代物理實驗，如夫蘭克―赫茲實驗、塞曼效應等。在實驗演示中，可以增強學生對微觀世界的認識，為他們提供更好的認識微觀世界的途徑。同時，在現有的實驗條件允許時，可以讓學生先動手做實驗，然后針對實驗結果進行分析，總結規律，從理論上給予解釋，從而加深學生對書本知識的認識和理解。在此過程中，可以給學生創造機會重現當年物理學家們探究的過程，讓學生能夠親身參與科學實驗與探究的過程，從而培養學生的創新思維能力。另外可以指導學生撰寫與課程相關的小論文，幫助培養學生的創新能力。學生撰寫的小論文，作為平時成績的一部分，計入學生的總評成績。論文的題目可以圍繞原子物理學的基本規律和應用，由學生自己選題、搜索資料并獨立撰寫。不僅可以激發學生的主觀能動性，拓寬他們的知識面，還可以培養學生獨立思考、勇于創新的品質。在這種教學過程中，可以充分體現教師引導、學生為主體的教學理念和方法，加強學生在專業課程學習中的主觀能動性，同時有意識地培養他們的創新能力。

四、實現教學手段的現代化，為學生創新精神和能力的培養創造情境條件

原子物理學課程的內容包含的信息量較大，尤其是需要運用深奧的數學公式處理問題，因此計算量大，而且物理圖像也比較抽象，學生往往受此困擾對該課程的學習產生畏難情緒。如果學生有畏難情緒，那么會缺乏學習的主觀能動性，這對學生的學習、創新精神和能力的培養都是非常不利的。為了解決這一問題，可以利用現代化的教學手段，編輯圖文、聲音、視頻并茂的多媒體輔助課件，使抽象的物理過程和物理圖像能夠形象化[5]，并且可以通過交互式的教學方法，增進師生之間的互動與交流。制作電子教案，采用多媒體手段輔助課堂教學，可以在教師講授時創造相關物理情境，讓學生可以暢游在物理學的海洋中，從中汲取有益的信息。例如在講到盧瑟福散射實驗時可以介紹散射技術的背景和儀器設備；介紹隧道掃描顯微鏡，可以用多媒體課件展示最早的排列原子的“IBM”圖片。通過這種直觀的展示，能夠讓學生在課堂隨時感受科學的魅力，增強他們學習的興趣，也增強他們對創新的渴望和動力。另外可以建立課程的教學網站，作為對課堂教學的補充，在課堂之外提供給學生更多和更生動的學習資源[6]，同時可以增設留言板，進一步加強師生之間的互動和交流。在這些現代化的教學輔助手段下，學生有機會接觸更多的知識，更多地思考與課程相關的內容，為學生創新精神和能力的培養創造客觀條件。

原子物理學是20世紀物理學中最重要的組成部分之一，它的發展是眾多物理學家的思想結晶，其中包含著十分豐富的物理文化內涵。任課教師在傳授知識的同時，應充分開發原子物理學作為一門專業基礎課程對學生的教育功能，通過課程教學內容、教學方法、教學手段的現代化更好地培養材料物理專業學生的創新精神和創新能力。

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