量子力學(xué)知識全文(5篇)

摘要：量子力學(xué)是自然科學(xué)史上被實驗證明最精確的一個理論，但是量子力學(xué)的概念及原理，甚至連量子力學(xué)的創(chuàng)始人都不能理解。著名物理學(xué)家理查德•費曼曾經(jīng)在康奈爾大學(xué)的一個講座上說道：“我想我可以有把握地說，沒有人真正理解量子力學(xué)?！币虼?，必須轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，探索出符合本校學(xué)生的教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：五大基本假設(shè)；概念及原理；數(shù)學(xué)模型；興趣培養(yǎng)

一、目前“量子力學(xué)”教學(xué)的現(xiàn)狀和主要問題

我校《量子力學(xué)》這門課程是安排在第四學(xué)期（即大二下學(xué)期），學(xué)生已經(jīng)修完大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、數(shù)理方法以及其他一些課程基礎(chǔ)上，以教師的講授為主的教學(xué)模式。然而，不同于其他學(xué)科，量子力學(xué)需要很深的數(shù)學(xué)功底，尤其是數(shù)學(xué)物理方法方面的知識[11-13]，例如，求解一維諧振子的波函數(shù)和能級，需要學(xué)生會用冪級數(shù)的思想來求解，需要知道厄米函數(shù)的特性；學(xué)習(xí)氫原子的波函數(shù)和能級，需要學(xué)生會用Legendre函數(shù)等，此外，進行空間轉(zhuǎn)換時，需要靈活運用傅里葉變換，平面波歸一化時要用到δ函數(shù)以及其特性等，這些內(nèi)容即使放在數(shù)學(xué)里面都屬于重點、難點的方面，如果要進一步靈活運用到《量子力學(xué)》這門課程的學(xué)習(xí)中，這就加深了學(xué)生對這門課的恐懼，以及學(xué)好這門課的困難。另一方面，不同于一般本科院校的物理類以及電科類專業(yè)，我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生需要學(xué)習(xí)的課程較多，學(xué)生的基礎(chǔ)，尤其是大學(xué)物理基礎(chǔ)以及數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對較為薄弱。這樣就導(dǎo)致我校學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的困難劇增，積極性也不高。即使有部分學(xué)生非常想學(xué)好這門課程，也是心有余而力不足。此外，智能手機的普及已經(jīng)完全深入我們的校園生活，宿舍、自習(xí)室、甚至課堂，隨處可見“低頭族”。學(xué)生上課不帶課本，但是卻必帶充電寶，每隔幾分鐘就刷微信、朋友圈已成為大學(xué)生的常規(guī)動作。由于上課聽不懂，又缺乏興趣，大學(xué)課堂的“低頭族”數(shù)量激增。本次課堂教學(xué)模式改革是為了探究適合我校學(xué)生學(xué)習(xí)《量子力學(xué)》的教學(xué)模式和學(xué)習(xí)模式。調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)《量子力學(xué)》的積極性、主動性，為我校培養(yǎng)綜合應(yīng)用型人才出力。對我校《量子力學(xué)》課程的教學(xué)總體目標(biāo)的實現(xiàn)具有重要的意義。

二、“量子力學(xué)”教學(xué)改革內(nèi)容與具體方法

針對上述存在的問題，結(jié)合自己的教學(xué)體會主要從以下幾個方面談?wù)劇傲孔恿W(xué)”有效教學(xué)的可行方法：（一）精簡教學(xué)內(nèi)容，圍繞量子力學(xué)的理論框架、五大基本假設(shè)開展教學(xué)，即：①微觀體系的運動狀態(tài)由相應(yīng)的歸一化波函數(shù)描述；②微觀體系的運動狀態(tài)波函數(shù)隨時間變化的規(guī)律遵從薛定諤方程；③力學(xué)量由相應(yīng)的線性厄米算符表示；④力學(xué)量算符之間有確定的對易關(guān)系，稱為量子條件；⑤全同的多粒子體系的波函數(shù)對于任意一對粒子交換而言具有對稱性（全同性原理）。同時，與五大基本假設(shè)相對應(yīng)，授課過程分成五個相應(yīng)的專題來進行教學(xué)。這樣即便學(xué)生真有不懂的地方，也不會造成后面的學(xué)習(xí)完全聽不懂。（二）強化概念，淡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，注重思維的培養(yǎng)。《量子力學(xué)》是一門很抽象，并且很依賴數(shù)學(xué)的學(xué)科。因此，很多初學(xué)者為了學(xué)好這門課程往往陷入題海戰(zhàn)術(shù)。教師在授課過程一定要強調(diào)概念的重要性，跳出會做題就學(xué)會了《量子力學(xué)》，這種錯誤的思想。每節(jié)都給學(xué)生一個重點概念，定理。一定要學(xué)生牢記公式的推導(dǎo)以及習(xí)題練習(xí)只是深化概念的理解，拓展思維。（三）注重興趣的培養(yǎng)。能量是量子化的，這個概念的出現(xiàn)雖然才一百多年，但它的基本的原理和思想已經(jīng)用到量子通信、量子計算機的研發(fā)之中，成了炙手可熱的一個研究方向。學(xué)生原本對新奇的事物都有很強的好奇心，教師要進一步加強和引導(dǎo)，使學(xué)生產(chǎn)生強大的學(xué)習(xí)興趣。（四）督促學(xué)生記筆記。隨著科技的飛速發(fā)展，多媒體教學(xué)模式廣泛應(yīng)用于教學(xué)之中，傳統(tǒng)的教學(xué)方式漸漸淡出人們的視野。但是經(jīng)過幾年的教學(xué)發(fā)現(xiàn)，要使學(xué)生能夠跟上教師的思維，只有興趣和毅力是不夠的，還需要掌握方法，其中，督促學(xué)生記筆記，及時將自己的難點記下來起到了意想不到的效果。（五）課堂總結(jié)、討論與課后復(fù)習(xí)。不同于其他學(xué)科，《量子力學(xué)》這門課一節(jié)課的時間大概講述一兩個知識點，比如力學(xué)量是厄米算符這個知識點的講述，首先給出厄米算符的定義，然后舉一些例子證明力學(xué)量確實是厄米算符。及時總結(jié)有助于學(xué)生掌握本節(jié)課的重點，難點，以及有目的有機會的進行課后復(fù)習(xí)。（六）多樣化的考核方式。將學(xué)生的輸出成果納入課程總評，避免以前評判學(xué)生能力的單一考試標(biāo)準，更全面、更科學(xué)、更合理地評價學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用《量子力學(xué)》原理解決問題的能力。

三、結(jié)束語

摘要：高校學(xué)生管理隊伍量子力學(xué)動力機制以10個核心動力要素作為動力指標(biāo)體系的依托，逐層分解為40個二級指標(biāo)，引入層次分析法（AHP）對高校學(xué)生管理隊伍進行定量與定性相結(jié)合的分析比較并研究構(gòu)建動力機制指標(biāo)體系（M），內(nèi)外動力要素合力構(gòu)成學(xué)生管理隊伍動力機制總體框架結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)部的激勵約束機制、教育提升機制、共情暖心機制，與外部的價值評價機制、服務(wù)支持機制等，為新時代學(xué)生管理隊伍建設(shè)提供一個新的互動的動力模型框架和提升有效性思考范例。

關(guān)鍵詞：量子思維；“量子-AHP”分析法；學(xué)生管理隊伍；動力指標(biāo)體系

量子力學(xué)作為近代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論，很多理論和方法與新時代組織變革以及人才發(fā)展十分契合，新時代中國大學(xué)將量子力學(xué)理論運用到學(xué)生管理隊伍的人才管理創(chuàng)新符合新時代的發(fā)展和環(huán)境的變化。目前學(xué)界以量子力學(xué)理論視角探索組織機制創(chuàng)新和人才管理發(fā)展的文獻主要有聶作坤[1]的《基于動力效能理論的基層公安隊伍動力機制研究》、王楚鴻[2]的《群體→團體→集體——高校科研隊伍的“高能級躍遷”》和李鴻燦[3]的《試論中學(xué)生能級躍遷的條件》；以量子力學(xué)理論視角構(gòu)建組織發(fā)展模型的文獻主要有高錫榮等[4]的《基于能級躍遷的創(chuàng)新轉(zhuǎn)型激發(fā)模型》、張鐵男等[5]的《組織知識創(chuàng)造的能級躍遷模型研究》、李柏洲等[6]的《基于能級躍遷的組織學(xué)習(xí)—知識創(chuàng)造過程動態(tài)模型研究》和杜永杰[7]的《中國建筑業(yè)農(nóng)民工轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)工人的動力機制研究》等。這些對于學(xué)生管理隊伍動力機制“能級躍遷”創(chuàng)新研究極具借鑒意義，為學(xué)生管理隊伍動力指標(biāo)建設(shè)提供了一個新的互動動力模型和提升有效性的思考范例，學(xué)生管理隊伍動力指標(biāo)體系構(gòu)建是完善學(xué)生管理隊伍管理長效機制的重要內(nèi)容，更是積極適應(yīng)新時代、擔(dān)負歷史使命的必然要求。

1高校學(xué)生管理隊伍動力機制問題的量子思維分析

一切社會經(jīng)濟活動都是由人參與的活動，而“人是生產(chǎn)力諸因素中最活躍、最積極的生產(chǎn)要素”。因此，要提高社會經(jīng)濟活動運行效率，就必須認真研究調(diào)動人們積極性的動力問題。新時代中國大學(xué)的新人才培養(yǎng)要求呼喚一支動力十足并且活力無限的學(xué)生管理隊伍，研究學(xué)生管理隊伍的動力問題要以現(xiàn)實問題為中心，要緊跟新時代新變化、內(nèi)化新人才的新要求。前期充分調(diào)研了學(xué)生管理隊伍中輔導(dǎo)員、班主任以及宿舍管理人員等職責(zé)特性和多元化內(nèi)在需求，運用科學(xué)系統(tǒng)開放的量子化思維方法，不斷探索增強學(xué)生管理隊伍整體動力效能的動力指標(biāo)體系。任何一支學(xué)生管理隊伍動力機制都擁有向高能級躍遷的潛質(zhì)，但能級躍遷的幅度較大程度上取決于內(nèi)外動力的合力產(chǎn)生的能量值E總。經(jīng)逐步回歸分析確定了10個關(guān)鍵內(nèi)外部動力要素F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)10。合力E總的大小由10種內(nèi)外部動力要素的值F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)10及其對應(yīng)的權(quán)重a1，a2，…，a10共同決定，即：E總=f（a1F1，a2F2，…，a10F10）（1）式（1）中：F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)10分別表示內(nèi)在需求的原動力、目標(biāo)認同的牽引力、工作愿景的驅(qū)動力、價值實現(xiàn)的能動力、身心健康的調(diào)適力、教育培訓(xùn)的提升力、優(yōu)秀典范的帶動力、校園文化的凝聚力、環(huán)境保障的助推力和管理監(jiān)督的約束力；a1，a2，…，a10分別表示10個動力要素在該學(xué)生管理隊伍動力系統(tǒng)中所占權(quán)重[8]。量子概念作為動力機制的一個新的基礎(chǔ)進行考察，積極調(diào)動、科學(xué)整合各種動力要素，累積能量推動學(xué)生管理隊伍動力效能發(fā)生“能級躍遷”（E1→En），而實現(xiàn)這一“量子化躍遷”關(guān)鍵就是構(gòu)建科學(xué)的動力機制。為了更科學(xué)、客觀、全面地反映某學(xué)生管理隊伍動力的現(xiàn)狀，以量子力學(xué)動力機制10個核心動力要素作為指標(biāo)體系為依托，引入層次分析法（AHP）進行定量與定性相結(jié)合地分析比較和研究構(gòu)建學(xué)生管理隊伍動力指標(biāo)體系（M），從而實現(xiàn)了量子力學(xué)與AHP的科學(xué)嫁接的“量子-AHP”分析法。量子力學(xué)動力機制本身是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)，將學(xué)生管理隊伍動力機制指標(biāo)體系（M）分解為多個目標(biāo)元素基于該分析法將上一層目標(biāo)元素逐層分解為多指標(biāo)的若干層次，通過定性指標(biāo)模糊量化方法對此各個層次中每一層中元素的相對重要性進行判斷、綜合，計算出各個層次的單排序和總排序，為學(xué)生管理隊伍動力機制構(gòu)建給出多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法，這便是“量子-AHP”法分析學(xué)生管理隊伍動力機制問題的基本思路。

2高校學(xué)生管理隊伍動力指標(biāo)體系分解

新時代高校學(xué)生管理隊伍想要在更高層次上激發(fā)活力，推動學(xué)生管理事業(yè)創(chuàng)新發(fā)展等方面仍顯乏力。沒有給力的動力機制的良好運行，整個組織也因此不能實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)?！傲孔?AHP”分析法運用分解、比較判斷和綜合思維方式進行決策，將定性分析和定量分析結(jié)合起來。該方法所需定量信息較少，更講求定性的分析和判斷，這些適合于學(xué)生管理隊伍動力機制一些目標(biāo)元素難于定量描述卻適合分層交錯評價的特點，特別適合這類目標(biāo)層下定性因素起主導(dǎo)作用的決策問題。運用該方法將判斷要素重要性的過程化為簡單的權(quán)重進行計算，一方面用實際數(shù)據(jù)說話，另一方面也考慮到了管理決策中的主觀判斷特性，適合用來對高校學(xué)生管理隊伍動力機制系統(tǒng)進行量子化測評。學(xué)生管理隊伍動力機制指標(biāo)體系（M）細分了10個核心內(nèi)外部動力要素，這一總目標(biāo)層是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)的能量增強過程，更是內(nèi)外部10種動力要素相互配合協(xié)調(diào)的結(jié)果。學(xué)生管理隊伍內(nèi)部動力機制的10個為核心內(nèi)部動力元素，即一級指標(biāo)F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)10，將其簡化表述為：A，B，…，J，逐層分解的40個二級指標(biāo)簡化表述為L1，L2，…，L40，如表1所示。

1結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要性

只有讓學(xué)生深刻認識結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要性，才能使他們產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)起學(xué)習(xí)的動力，充分發(fā)揮其主觀能動性，使教學(xué)達到事半功倍的效果。

(1)結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)各學(xué)科的理論基礎(chǔ)。

結(jié)構(gòu)化學(xué)為化學(xué)各學(xué)科提供理論指導(dǎo)，是聯(lián)系基礎(chǔ)化學(xué)與高等化學(xué)的階梯。結(jié)構(gòu)化學(xué)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代化學(xué)的各個領(lǐng)域。以學(xué)生學(xué)習(xí)過的課程為例，無機化學(xué)中涉及了原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和配合物結(jié)構(gòu)等方面的內(nèi)容;有機化學(xué)中運用雜化軌道理論和分子軌道理論說明有機物的結(jié)構(gòu)，使用分子對稱性理論描述分子空間結(jié)構(gòu)，利用前線軌道理論解釋化學(xué)反應(yīng)機理等;儀器分析中紫外光譜中的電子躍遷、紅外光譜中的簡正振動、X射線衍射等，都與結(jié)構(gòu)化學(xué)知識緊密相關(guān)。從這些學(xué)生熟悉的課程入手，可使他們很快體會到結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要基礎(chǔ)地位。

(2)結(jié)構(gòu)化學(xué)是分子設(shè)計的理論基礎(chǔ)。

“結(jié)構(gòu)決定性能，性能反映結(jié)構(gòu)”。如果找到某類具有特殊性質(zhì)的物質(zhì)的規(guī)律性，就能設(shè)計出性能更好的分子。結(jié)構(gòu)化學(xué)及在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計算化學(xué)、分子模擬等對分子設(shè)計起理論指導(dǎo)作用。為了讓學(xué)生了解這方面的內(nèi)容，可用如下實例進行說明。首先以石墨烯為例。碳元素是自然界中分布廣泛并且與人類社會發(fā)展關(guān)系密切的重要元素。碳單質(zhì)有多種存在形式，主要有石墨、金剛石、富勒烯、碳納米管等，其中石墨烯由于其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性質(zhì)而成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。在教學(xué)中可先向?qū)W生提出問題:石墨烯的結(jié)構(gòu)是怎樣的呢?這就要從石墨的結(jié)構(gòu)談起。石墨為層狀結(jié)構(gòu)，同層的碳原子間以sp2雜化形成平面共價鍵，每個碳原子剩余一個p軌道未參與雜化，上面各有一個電子，這些p軌道互相平行且與sp2雜化軌道所在平面垂直，相互重疊形成離域大π鍵。π電子在整個碳原子平面方向運動，所以石墨可以導(dǎo)電和導(dǎo)熱，可以用來制作電極和坩堝。而石墨的層與層之間以微弱的范德華力相結(jié)合，容易斷開而滑動，所以石墨具有潤滑性，可以用來制作潤滑劑。石墨烯可以看做是只有一個原子層厚度的單層石墨片。2004年，石墨烯由英國曼徹斯特大學(xué)的海姆和諾沃肖洛夫通過微機械力剝離法制得，二人因在二維空間材料石墨烯方面的開創(chuàng)性實驗而獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。從結(jié)構(gòu)上來看，石墨烯可以看做是構(gòu)成富勒烯、碳納米管和石墨的基本組成單元。將其包裹成球得到富勒烯，沿著固定軸卷曲得到碳納米管，多層堆疊在一起就形成了石墨。由于石墨烯獨特的結(jié)構(gòu)，決定了其具有多種優(yōu)異特性，如低密度、高強度、良好的導(dǎo)熱性、室溫下較高的電子遷移率等，這些特性決定了它在半導(dǎo)體工業(yè)、材料、力學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力。例如，石墨烯被分割時其基本物理性能并不改變，而硅不能分割成小于10nm的小片，否則將失去其電子性能。因此，石墨烯極有可能成為硅的替代品推動電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。研究者正在不斷對石墨烯的結(jié)構(gòu)進行修飾和改造，以挖掘和發(fā)揮其優(yōu)良性質(zhì)，優(yōu)化使用效果，擴大應(yīng)用范圍。通過這個例子，可以讓學(xué)生深刻感受到結(jié)構(gòu)化學(xué)與科技前沿領(lǐng)域的聯(lián)系，意識到結(jié)構(gòu)、性能、用途三者間的辯證關(guān)系。然后以計算機輔助藥物設(shè)計為例進行講解。作為在結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興交叉學(xué)科，計算化學(xué)正在科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)逐漸嶄露頭角。計算化學(xué)基于三維分子結(jié)構(gòu)，以量子力學(xué)或經(jīng)典力學(xué)原理為指導(dǎo)，確定算法并實現(xiàn)程序，再通過計算機運算來模擬和預(yù)測分子體系的性質(zhì);計算化學(xué)在實際生產(chǎn)中的一個重要應(yīng)用就是計算機輔助藥物設(shè)計。例如研究者通過生物學(xué)方面的研究，發(fā)現(xiàn)了與某類疾病相關(guān)的大分子如蛋白質(zhì)，將其作為靶標(biāo)(受體)，并且通過X射線晶體衍射或核磁共振等方法測定了其三維結(jié)構(gòu)，尤其是得到其作用(活性)位點的結(jié)構(gòu)。這時就可以通過計算機模擬的方式，在數(shù)據(jù)庫里尋找分子形狀和理化性質(zhì)與受體作用位點相匹配的小分子(配體)，研究受體與配體的詳細相互作用信息(包括結(jié)構(gòu)信息和能量信息)，合成并測試這些分子的生物活性，這樣就有可能發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物，開發(fā)出治愈疾病的藥物分子［。這就是基于受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計方法，可為藥物開發(fā)節(jié)省大量時間和資金，已在藥物設(shè)計方面取得了巨大成功。如HIV-1蛋白酶抑制劑的設(shè)計就是一個典型的成功案例，標(biāo)志著計算機輔助藥物設(shè)計從方法研究過渡到實際應(yīng)用階段。2013年的諾貝爾化學(xué)獎授予美國科學(xué)家卡普拉斯，萊維特和瓦謝爾，以表彰他們“為復(fù)雜化學(xué)體系發(fā)展多尺度模型”。這個獎項是對計算化學(xué)進步的認可，強調(diào)了計算化學(xué)在科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)越來越大的作用。在計算化學(xué)領(lǐng)域有兩種主要的計算方法，一種是基于量子力學(xué)原理的量子力學(xué)計算方法，另一種是基于牛頓力學(xué)的分子力學(xué)/分子動力學(xué)模擬方法。將這兩種方法有機結(jié)合、取長補短而建立起來的量子力學(xué)/分子力學(xué)方法已獲得巨大成功。例如在研究藥物分子與蛋白質(zhì)結(jié)合時，對藥物及與藥物相作用的蛋白部分采取精確的量子力學(xué)計算，對蛋白的剩余部分采取快速的分子力學(xué)計算，這樣就兼顧了準確性和計算量，取得了很好的結(jié)果。計算機作為當(dāng)今化學(xué)家的工具就像試管一樣重要，模擬是如此真實以至于傳統(tǒng)實驗的結(jié)果也能被計算機預(yù)測出來。萊維特曾經(jīng)這樣描述他的一個夢想:利用計算機處理復(fù)雜化學(xué)過程的能力，實現(xiàn)在分子水平上模擬一個完整生物，構(gòu)建“數(shù)字生命”。通過這個例子，使學(xué)生認識到結(jié)構(gòu)化學(xué)并非只是“紙上談兵”，而是具有重要的實際應(yīng)用，可以激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。最后，向?qū)W生介紹結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展歷史，將其發(fā)展史與諾貝爾獎緊密聯(lián)系在一起，進一步突出其重要性。在結(jié)構(gòu)化學(xué)中的一些重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和理論突破基本上都獲得了諾貝爾獎。例如在開創(chuàng)量子力學(xué)的過程中，普朗克、愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森堡、薛定諤、狄拉克、泡利、波恩等都獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。另外，在研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的實驗方法方面，如在X射線衍射法、核磁技術(shù)和應(yīng)用、質(zhì)譜技術(shù)、電子顯微鏡技術(shù)等領(lǐng)域，都有很多科學(xué)家獲得諾貝爾獎。而且還有很多科學(xué)家因在結(jié)構(gòu)方面的研究而獲獎，如克里克、沃森和威爾金斯發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，科爾、克羅托和斯莫利發(fā)現(xiàn)富勒烯，謝克特曼發(fā)現(xiàn)準晶體等。將結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展史與化學(xué)史尤其是諾貝爾獎聯(lián)系起來，能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和素養(yǎng)，促使他們樹立遠大的科學(xué)理想，使他們獲得強大的學(xué)習(xí)動力。

2結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)方法

[摘要]結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)專業(yè)的核心課程，在各個專業(yè)課程中起著承上啟下的作用。在當(dāng)前深化本科教育教學(xué)改革，全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的政策背景下，本文針對目前結(jié)構(gòu)化學(xué)課程內(nèi)容和授課方式存在的一些問題，進行了思考和探索并提出了一些針對性的解決辦法。

[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)化學(xué)；教學(xué)改革；互動教學(xué)

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程是我國高等學(xué)校化學(xué)專業(yè)的必修課程，內(nèi)容涉及量子化學(xué)，分子對稱性，配位化學(xué)和晶體學(xué)基礎(chǔ)等部分。該課程內(nèi)容抽象，知識系統(tǒng)龐雜，數(shù)理推導(dǎo)較多，學(xué)習(xí)曲線陡峭，不少學(xué)生因此存在著畏難情緒。然而正如詩詞所言，無限風(fēng)光在險峰，學(xué)好這門課程不僅有助于理解其它化學(xué)課程的內(nèi)容，也是為進一步在本專業(yè)深造打下堅實的基礎(chǔ)。[1]在當(dāng)前深化本科教育教學(xué)改革的背景下，如何將結(jié)構(gòu)化學(xué)課程上好，真正做到讓老師強起來，學(xué)生忙起來，效果實起來，筆者在此對授課以來的問題和解決方法進行總結(jié)。

1重視數(shù)理，夯實基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的一大難點在于數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，譬如量子化學(xué)部分完全使用數(shù)學(xué)語言描述核心知識，而對于化學(xué)專業(yè)的同學(xué)，數(shù)學(xué)一直是軟肋，于是極容易產(chǎn)生厭學(xué)和畏難情緒。[2-4]針對這個問題，很多老師采取的解決方法是淡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，重點介紹推導(dǎo)后的結(jié)論和意義，但我們在授課過程中，發(fā)現(xiàn)這樣的授課方式效果欠佳，因為基礎(chǔ)不牢，課程的學(xué)習(xí)只能是空中樓閣、風(fēng)中沙塔，很多同學(xué)在課程結(jié)束后還是無法對物理圖像有一個正確的認識和把握。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，筆者認為與其淡化數(shù)學(xué)，不如嚴格要求，把數(shù)學(xué)學(xué)到位。偉大的思想家恩格斯說過：“任何一門科學(xué)的真正完善在于數(shù)學(xué)工具的廣泛應(yīng)用?！闭且驗閿?shù)學(xué)和物理的引入，才讓化學(xué)擺脫了煉金術(shù)的桎梏而成為一門科學(xué)。因此我們在授課時自始至終強調(diào)數(shù)學(xué)的重要性，在涉及數(shù)學(xué)內(nèi)容較多的章節(jié)，提前講授將要用到的數(shù)學(xué)工具并布置作業(yè)，每章節(jié)結(jié)束后將重要的公式和結(jié)論進行串講并配合習(xí)題進行強化訓(xùn)練，要求所以學(xué)生每學(xué)完一個章節(jié)就做思維導(dǎo)圖及時總結(jié)復(fù)習(xí)，將重要公式進行總結(jié)歸納制作公式索引表格。盡管提升了學(xué)習(xí)的難度，但學(xué)生對于推導(dǎo)的結(jié)果和物理意義理解的更加準確和深入，記憶也更加牢固，鍛煉了學(xué)生的邏輯思維和嚴謹認真的科學(xué)態(tài)度。

2理清主線，合理增負

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程內(nèi)容主要涉及量子化學(xué)基礎(chǔ)，分子對稱性，配位化學(xué)以及晶體學(xué)基礎(chǔ)。盡管這四個部分知識彼此之間較為獨立，但所表達的核心思想是一致的，即結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)也反映著結(jié)構(gòu)。目前授課內(nèi)容主要存在問題是：量子化學(xué)部分各章節(jié)之間主線不夠明確；配位化學(xué)部分和專業(yè)無機化學(xué)課程內(nèi)容有重疊；晶體學(xué)基礎(chǔ)部分，結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)容介紹較多而相關(guān)的性質(zhì)介紹較少。針對這些問題，我們對課程的授課內(nèi)容進行了合理的補充和刪減。首先，對于量子化學(xué)部分，我們在授課一開始給出課程的故事主線，即量子力學(xué)的誕生背景，量子力學(xué)基本假設(shè)，簡單模型的量子力學(xué)處理方法，氫原子薛定諤方程的求解過程及解的物理意義，以及針對于多電子原子和多原子分子的近似方法。這條主線清晰明確，在每一章節(jié)開始時，我們對之前的內(nèi)容進行簡要回顧，幫助學(xué)生理清了各章節(jié)的邏輯關(guān)系，在學(xué)期末復(fù)習(xí)課時對每一個知識點進行展開復(fù)習(xí)，進行鞏固。配位化學(xué)部分，對于和無機化學(xué)有重疊的部分，我們通過翻轉(zhuǎn)課堂的方式簡要復(fù)習(xí)，同時突出結(jié)構(gòu)化學(xué)的重點，即分子軌道理論在配位化學(xué)的應(yīng)用，著重介紹了配體群軌道這個新概念，以及不同配位幾何構(gòu)型下配體群軌道和中心原子如何依據(jù)對稱性進行線性組合的方式，同時介紹了金屬配合物作為均相催化劑催化反應(yīng)的常見機理。在此基礎(chǔ)上，我們還將科研中的一些問題引入課堂討論，如金屬氮賓體和金屬氧化物的電子結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生通過知識解決實際科研問題，真正做到科研反哺教學(xué)。晶體學(xué)部分除了介紹基本知識以外，補充介紹了能帶理論，態(tài)密度等概念，并介紹了導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體在電子結(jié)構(gòu)上的差異，這些基礎(chǔ)知識有利于化學(xué)專業(yè)的同學(xué)在材料化學(xué)方向進行科研工作打下基礎(chǔ)。盡管課程在深度和廣度上都有所增加，但不少同學(xué)都表示感受到了挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)所帶來獲得感和高階樂趣。

摘要：大學(xué)物理在理工科高校扮演重要角色，是眾多理工科基礎(chǔ)。本文針對新時期理工科專業(yè)大學(xué)物理教學(xué)中的現(xiàn)狀，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)形式等方面淺析教學(xué)改革舉措，促進大學(xué)物理學(xué)科發(fā)展，同時培養(yǎng)本科生邏輯思維、科學(xué)思維能力，更好的促進大學(xué)生全面發(fā)展。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；教學(xué)改革；教學(xué)手段

引言

《大學(xué)物理》是高等院校、理工科專業(yè)學(xué)生所必修的一門公共基礎(chǔ)課。主要內(nèi)容包括力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)及量子物理部分[1]。涉及內(nèi)容較多，覆蓋面較廣，同時要求嚴密的邏輯推導(dǎo)能力與數(shù)學(xué)運算能力。因此理工科專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中面臨較大困難。同時，很多理工學(xué)科的學(xué)生往往對大學(xué)物理重視程度不夠，視其為一般大學(xué)公共課程。此外，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，大學(xué)生往往被形形色色的網(wǎng)絡(luò)所吸引，相對枯燥的大學(xué)物理往往缺少足夠的趣味性以致不能激發(fā)大學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。以上種種因素造成大學(xué)物理學(xué)科發(fā)展緩慢。而事實上，大學(xué)物理不單單是理工專業(yè)公共基礎(chǔ)課，同時是其他學(xué)科如材料科學(xué)與工程、機械工程、通信工程、熱能與動力工程、土木工程等學(xué)科的基礎(chǔ)。此外，面對日益發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，物理學(xué)科往往承載著重要作用。環(huán)顧三次工業(yè)革命，無一不一隨著物理學(xué)科發(fā)展而發(fā)生[2]。第四次工業(yè)革命也可能隨著量子通信、量子計算機、可控核聚變等物理技術(shù)的發(fā)展而發(fā)生。因此，新時期下《大學(xué)物理》教學(xué)改革非常必要，不但有利于促進物理學(xué)科的發(fā)展，同時有利于為社會培養(yǎng)高技能理工科專業(yè)人才。本文將從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)形式等方面淺析教學(xué)改革舉措，以此提高大學(xué)物理教學(xué)水平。

1教學(xué)內(nèi)容改革

新時期下，理工專業(yè)對物理學(xué)科重視程度越來越低。由于課程較難、不及格學(xué)生較多，一些院校將大學(xué)物理的課程由通常的140學(xué)時，逐步減少至120學(xué)時、96學(xué)時甚至80學(xué)時[3]。因此，在有限授課時間內(nèi)，對教學(xué)內(nèi)容及時調(diào)整尤為重要。

（1）因材施教、依據(jù)專業(yè)性質(zhì)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容：由于大學(xué)物理涉及內(nèi)容廣泛，而理工專業(yè)學(xué)科眾多。在有限的教學(xué)課時內(nèi)，如若兼顧所有物理學(xué)研究內(nèi)容，一是學(xué)而不精，二是容易造成顧此失彼。因此，按照專業(yè)相近程度，劃分不同大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容，做到合理的取舍。如對材料科學(xué)與工程、化學(xué)與工程、環(huán)境與工程等學(xué)科，加重?zé)釋W(xué)、量子物理部分教學(xué)講解；對機械工程、土木工程、建筑環(huán)境與設(shè)備工程等學(xué)科，適當(dāng)增加牛頓力學(xué)部分教學(xué)；對通信工程、電子信息與工程等學(xué)科，增加電磁學(xué)比重。這樣，即使在有限的教學(xué)課時內(nèi)，突出重點，仍然能夠使學(xué)生掌握本科學(xué)所需的物理專業(yè)知識。