導語：如何才能寫好一篇量子力學的基本知識，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

[關鍵詞] 地方院校；量子力學；精品課程建設

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）01-0057-04

0 引言

我國本科高校按隸屬對象不同，分為部委屬和省屬兩大類別，省屬高校又分為省屬國家“211”重點高校、省部共建高校、地方性直屬高校三類，本文“地方院?！敝甘俑咝Ｖ械牡胤叫灾睂俦究聘咝?，這些院校大多采取省市共建、以市為主的管理體制，多數(shù)建校時間短或由專科升格。

隨著我國高等教育大眾化進程的不斷深入，生源質(zhì)量降低，教學資源日趨緊張，高等院校的教學壓力逐漸加大，引發(fā)了社會對高等教育質(zhì)量的擔憂。2003年4月《教育部關于啟動高等學校教學質(zhì)量與教學改革工程精品課程建設工作的通知》（教高[2003]1號），引起了全國范圍內(nèi)建設國家、省、校三級精品課程的熱潮。量子力學精品課程也同其他課程一樣，經(jīng)歷了精品課程建設的熱潮，截至2013年9月，共有四校建成國家精品課程，分別是蘭州大學（2004年）、復旦大學（2004年）、清華大學（2007年）、北京大學（2008年）；兩校建成湖北省精品課程，分別是華中師范大學（2003年）和湖北大學（2003年）；兩校建成湖北省地方院校校級精品課程，分別是黃岡師范學院（2007年）、湖北師范學院（2011年）?？梢?，量子力學國家精品課程全部由985重點大學建設，湖北省精品課程也由211重點大學和省屬重點大學建設，地方院校只有兩校建成校級精品課程，只占湖北省27所地方院校的7.4%，大多數(shù)地方院校并未開展量子力學精品課程建設，這與量子力學課程的重要地位極不相稱。量子力學是近代物理學的兩大支柱之一，也是現(xiàn)代工業(yè)技術的重要理論基礎，其教學質(zhì)量的重要性不言而喻，但量子力學又是一門高度抽象的理論物理課程，遠離日常經(jīng)驗，教與學都有一定的難度。地方院校由于師資力量薄弱，學術資源匱乏，生源素質(zhì)不理想，教學與科研脫節(jié)，導致這些院校的量子力學精品課程大多處于有心無力、舉步維艱的狀態(tài)。

地方院校占我國高?？倲?shù)的90%左右，擔負著服務地方社會經(jīng)濟建設、培養(yǎng)千百萬專門人才的重任。地方院校是我國高等教育金字塔的塔基，塔基不穩(wěn)，必然影響我國高等教育的健康發(fā)展，因此研究地方院校量子力學精品課程建設，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量是迫在眉睫的重要問題，令人惋惜的是這方面的研究成果太少，難以指導地方院校量子力學精品課程的建設。

1 地方院校視角下量子力學精品課程建設 的內(nèi)涵

精品課程的評價標準是“五個一流”，即一流教師隊伍、一流教學內(nèi)容、一流教學方法、一流教材、一流教學管理。精品課程建設研究大多圍繞“五個一流”展開，但精品課程建設應該是分層次的，不同類型的高校應有不同的標準。每個學校都是在自己的層次上、自己的類型上來辦出最高水平的課程，各個學校是不一樣的，精品課定位不一樣，尋找精品課群體也不一樣[1]。地方高校應從自己的辦學定位、培養(yǎng)規(guī)格和生源情況來考慮量子力學精品課程建設，基于地方院校視角來理解“五個一流”，揚長避短，不盲目攀比，也不妄自菲薄。

1.1 一流教師隊伍

地方院校普遍存在教師整體水平不高的問題，教師的學歷、職稱、學術水平和重點大學相比有較大差距，教學任務重，技術應用能力不強。重點大學承擔培養(yǎng)拔尖人才的任務，必然要求教師具有較高的學術水平和科研能力，地方院校承擔培養(yǎng)千百萬專門人才，即應用型技能型人才的任務，對教師的學術水平要求不是太高，但要求教師具有較強的技術應用能力。地方院校教師不宜與重點大學的教師比學術水平，但要關注學科前沿，盡快掌握與本學科相關的最新技術，提高重點大學教師并不擅長的技術應用能力，體現(xiàn)地方院?！半p師”型師資的鮮明特色。

地方院校量子力學精品課程的一流教師隊伍，就是要建設一支與應用型人才培養(yǎng)相適應的，具有一定的學術水平、較高的教學水平、較強的技術應用能力的“雙師型”教師隊伍。

1.2 一流教學內(nèi)容

應用型人才培養(yǎng)的定位，決定了量子力學精品課程的教學內(nèi)容有別于重點大學，教學內(nèi)容的核心是量子力學的基本理論、基本知識、基本技能，不求教學內(nèi)容的高度完整性，適當降低內(nèi)容的深度和應用數(shù)學解題的難度，保持教學內(nèi)容的前沿性和時代性，滿足學生了解學科發(fā)展前沿及其技術應用的強烈愿望。前沿知識不僅可以開闊學生的眼界，而且能夠潛移默化地影響學生未來的發(fā)展。

地方院校量子力學精品課程的一流教學內(nèi)容可以理解為，量子力學基本理論、基本知識、基本技能等學科有效知識與專業(yè)發(fā)展密切相關的前沿知識及其技術應用的有機整合。有效知識，就是今后能對在該領域繼續(xù)學習、繼續(xù)研究、開辟新的領域、學習新的知識發(fā)揮作用的、最關鍵、最基礎性的東西[1]。

1.3 一流教學方法

重點大學普遍重視討論式、研究式教學方法，基于量子力學學科特點和地方院校學生水平，討論式和研究式的教學方法要慎重使用，如果準備不充分，極有可能出現(xiàn)學生討論時言之無物和研究時無從著手的難堪局面，反而挫傷學生的學習積極性。采用討論式和研究式教學方法，一要內(nèi)容難度適宜，二要前期準備充分，三要教師循循善誘。量子力學內(nèi)容高度抽象，學生自學困難較大，因此對教學方法和手段的要求較高。無論選擇什么樣的教學方法，采用什么樣的教學手段，都是為了學生能夠更好地理解和掌握知識，都要適合學生的實際認知水平，不能為了討論而討論，為了研究而研究，應以實際教學效果來評價教學方法的優(yōu)劣。

地方院校量子力學精品課程的一流教學方法，即以啟發(fā)式講授為主，結合課程內(nèi)容適當采取討論式和研究式教學，傳統(tǒng)教學手段與多媒體技術手段有機結合，集多種方法與手段于一體的教學方法體系。

1.4 一流教材

量子力學教材的選用，國內(nèi)一般主要選用曾謹言版（重點大學）和周世勛版（地方院校），另有蘇汝鏗版、張永德版、錢伯初版、關洪版等多種教材，也有多種國外優(yōu)秀教材。鑒于量子力學的某些基本問題至今仍有爭議，甚至國內(nèi)權威教材中的部分內(nèi)容仍受質(zhì)疑，地方院校不宜盲目自編教材，避免對某些問題的不當闡述誤導學生，宜選用國內(nèi)經(jīng)典的簡明教材，輔以優(yōu)秀教材作為參考書，以滿足不同學生的學習要求，通過立體化、一體化教材建設，補充量子力學的最新進展和實際應用，更好地為地方院校培養(yǎng)應用型人才服務。

地方院校量子力學精品課程的一流教材，即在選用國內(nèi)經(jīng)典簡明教材的基礎上，選擇國內(nèi)外優(yōu)秀教材作參考書，著力打造包括電子教案、PPT、習題答案、試題庫、仿真實驗、網(wǎng)絡課堂等資源在內(nèi)的立體化、一體化教材。

1.5 一流教學管理

精品課程需要通過科學的管理為其提供制度保證?？茖W的教學管理和規(guī)范的管理機制，是精品課程的重要條件。精品課程的教學管理既包括對課堂教學的組織、實踐教學的安排、學習成績的評定等教學環(huán)節(jié)的管理，還包括師資隊伍的配備、課程建設過程的管理、教學保證條件的建設等[2]。

地方院校作為教學型大學，科研上處于劣勢，教學管理上更應加強，應將一流教學管理作為量子力學精品課程的重要特色來建設。

地方院校量子力學精品課程的一流教學管理，即建立健全與應用型人才培養(yǎng)目標相適應的教學管理制度，包括編、備、教、輔、改、考各教學環(huán)節(jié)的管理制度，以及經(jīng)費投入、師資配備、用人機制和激勵機制、課程評價等教學質(zhì)量保障制度，認真落實各項教學管理制度并切實做好教學質(zhì)量監(jiān)控，保證課程建設的可持續(xù)發(fā)展。

2 地方院校視角下量子力學精品課程建設 的對策

2.1 建設一支與應用型人才培養(yǎng)適應的師資隊伍

地方院校培養(yǎng)應用型人才的定位，客觀上要求教師應具有教師和工程師（或技能師）的雙重身份。量子力學精品課程的師資隊伍建設，除引進高層次人才、抓好現(xiàn)有教師的轉型提升、開展與課程相關的教研和科研等常規(guī)措施之外，尤其要重視師資隊伍的技術水平和能力的培養(yǎng)，通過產(chǎn)學研用結合切實提高教師的技術操作能力、應用能力和轉化能力。加強學校與科研機構、企業(yè)的合作，聘請經(jīng)驗豐富的科研人員和工程師作為兼職教師，提高教師隊伍整體的科研水平和技術實力。

2.2 精選課程有效知識構建學科基礎，實現(xiàn)理論 與應用、基礎與前沿的完美結合

夯實基礎、關注前沿、了解應用、激發(fā)興趣是一流教學內(nèi)容的必然要求。在教學內(nèi)容的選擇和安排上，要注意與知識的實際應用相聯(lián)系，找準最佳結合點，融入學科前沿的理論知識和學科發(fā)展的最新成果。

量子力學的有效知識包括量子力學的發(fā)展歷史、量子力學的五大公設、定態(tài)問題求解、表象變換理論、微擾理論、電子自旋等，有效知識構成課程的核心知識；學科前沿知識、量子力學在現(xiàn)代科技和其它學科中的應用等內(nèi)容構成課程的補充知識；散射等相對困難的內(nèi)容構成課程的知識。核心知識具有相對穩(wěn)定性，要求熟練掌握；補充知識具有時代性，要求學生了解而不求掌握；知識具有可選性，建議有能力的學生選學。核心知識和補充知識屬于第一層次的教學內(nèi)容，面向全體學生；知識屬第二層次的教學內(nèi)容，面向部分學生。教學內(nèi)容的分類既有利于實現(xiàn)教學的層次化，又有利于實現(xiàn)理論與應用、基礎與前沿的有機結合。

2.3 構建教學理念先進、與學生水平相適應的教 學方法體系

以教師為主導，以學生為主體。變單一教學方式為多樣化教學方式構成的有機體系，變以教為主為以學為主或?qū)W教并重，變傳統(tǒng)課堂教學為傳統(tǒng)課堂教學和網(wǎng)絡課堂教學相結合?；诹孔恿W的抽象性，講授仍是主要的教學方法，但應注重啟發(fā)學生積極思考，采取課內(nèi)、課外、網(wǎng)絡等多種形式增強師生互動，結合適當?shù)膬?nèi)容開展討論和研究。

可以組織學生討論如量子力學相關實驗的解釋、量子力學基本原理的各種理解、一維定態(tài)問題的求解方法等；也可討論量子力學的某些新進展和新的技術應用，要求學生就“量子糾纏”、“EPR佯謬”、“量子計算機原理”等內(nèi)容展開調(diào)研，撰寫文獻綜述報告，將討論和初步的研究結合起來，培養(yǎng)學生從事科學研究的基本素質(zhì)；也可建議能力較強的學生對“密度矩陣表示量子態(tài)”、“路徑積分量子化”、“自由粒子的狄拉克方程”等較新的內(nèi)容進行一些初級的理論探討，通過寫小論文的方式總結研究結果等。

討論和探究的關鍵在于培養(yǎng)學生的參與意識、問題意識和批判意識，不奢望畢其功于一役，長期堅持一定會有收獲。

2.4 選擇適宜的教材和教學參考書，建設立體化、 一體化教材

選擇周世勛版《量子力學教程》作為教材，因為它比較簡明，適合初學者和地方院校生源的實際水平；選擇曾謹言版《量子力學教程》作為主要參考書，因為它是全國大多數(shù)高校指定的考研參考用書，要照顧部分考研學生的需要；還可選擇其他國內(nèi)外優(yōu)秀教材作為參考書，以兼收并蓄、博采眾長。

教材是教學內(nèi)容的載體，一流教材必然要展現(xiàn)一流教學內(nèi)容。立體化、一體化教材不是簡單的教材和教參搬家，應將學科最新的研究成果、成功的教改經(jīng)驗和教師自己的教科研成果及時地反映出來。一流教材除電子教案、PPT、全程教學錄像、習題解答、試題庫、網(wǎng)絡互動答疑、在線測試等內(nèi)容外，還要自編學習輔導用書，內(nèi)容大致可包括學習內(nèi)容輔導、考研輔導、閱讀材料三大部分。學習內(nèi)容輔導應梳理各章知識點及聯(lián)系、重點難點的學習經(jīng)驗，補充典型習題；考研輔導可提供各類院校近年來的量子力學考研試卷，分析考試內(nèi)容涵蓋的知識點和相關的考核要求；閱讀材料可介紹量子力學的最新進展、與量子力學有關的各交叉學科、量子力學的發(fā)展歷史以及逸聞趣事等。

2.5 抓緊抓實全方位全過程的教學管理

精品課程建設是一個綜合系統(tǒng)工程，只有扎扎實實、認認真真、持之以恒地努力工作，才能把事情做好[3]。一流教學管理是精品課程建設的重要方面，建章立制是基礎，教學各環(huán)節(jié)的過程管理是縱線，教學保障條件建設管理是橫線，教學質(zhì)量監(jiān)控、反饋和改進是保障。教學管理不必標新立異，抓緊、抓實、抓細、抓出成效，就是教學管理的最大特色。

教學各環(huán)節(jié)的管理制度中，重點要改變學業(yè)成績評價標準，變結果評價為過程評價，正確把握考試導向，降低期末考試比重，加大平時考核比重，將考勤、作業(yè)、提問、小論文、課程設計納入平時考核。

教學質(zhì)量保障制度的建設和落實要抓好以下幾個方面：學校要加大對精品課程建設的經(jīng)費投入；選擇學術水平較高、教學效果得到師生公認的優(yōu)秀教師擔任課程負責人，組建由課程負責人負總責、主講教師分工與合作的教學隊伍；對參與精品課程建設的教師，在評優(yōu)評先、晉升職稱等方面優(yōu)先考慮；抓實教學過程的質(zhì)量監(jiān)控，完善同行評教、學生評教、畢業(yè)生評教和評教意見的及時反饋及改進制度；抓住一切校內(nèi)外的交流機會，博采眾長，不斷更新充實網(wǎng)上資源，確保精品課程建設的可持續(xù)發(fā)展。

3 地方院校視角下量子力學精品課程建設 的初步成果

2011年起，荊楚理工學院應用物理學專業(yè)開設量子力學課程。三年來，量子力學教學團隊堅持以建設校級精品課程為目標，始終追求精品境界，目前量子力學精品課程的基本資料已準備就緒，擬申報校級精品課程，并計劃在校級精品課程基礎上，力爭申報省級及以上精品課程，最終轉型升級成為精品資源共享課。

教學團隊堅持教學和科研相結合，重視研究解決教學過程中存在的突出問題，以教科研水平的提高帶動教學水平的提高。三年共主持完成湖北省教育科學“十一五”規(guī)劃課題“理工類本科生物理學習障礙歸因及對策研究”一項，此課題于2013年5月被湖北省教科規(guī)劃辦批準結題，鑒定結論為：課題研究整體設計規(guī)范，研究路線科學，課題組成員分工合理，研究成果豐富且有實效；正主持湖北省教育科學“十二五”規(guī)劃課題一項：“地方院校應用物理學專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究”。在學術研究方面，教學團隊圍繞量子糾纏態(tài)、量子點、反應微分截面等方向進行了比較深入地研究，取得了一些成果，近幾年在國外英文期刊和國際學術會議上發(fā)表了6篇英文學術論文，其中4篇被EI收錄，2篇被INSPECT收錄，并在原子與分子物理學報、重慶大學學報、量子光學學報等中文核心期刊上發(fā)表了8篇學術論文。

科學研究提高了教師的學術水平，加深了對量子力學課程內(nèi)容的深刻理解，促進了教學的深入淺出，實現(xiàn)了理論與應用、基礎與前沿的有機結合，量子力學課程教學質(zhì)量逐年穩(wěn)步提高：三年來師生評教均分都在95分以上，教學效果得到師生認可；學生學習量子力學的積極性明顯提高，學業(yè)成績的統(tǒng)計結果表明，大部分學生較好地掌握了量子力學的基本理論、基本知識和基本技能，并對量子力學知識的有關應用和學科發(fā)展前沿產(chǎn)生了濃厚興趣，越來越多的學生開始選擇以量子力學的有關研究作為畢業(yè)論文選題，其中2009級兩名學生的畢業(yè)論文榮獲學校優(yōu)秀畢業(yè)論文；不少學生考研時量子力學科目也取得了135分以上的較好成績。荊楚理工學院量子力學精品課程建設取得的初步成效，從理論和實踐兩方面證明了建設具有地方院校特色的量子力學精品課程是可行的。

4 結束語

精品課程不應千課一面，不同類型的院校應該有不同類型的精品課程，量子力學精品課程建設也不應該成為重點大學的專利，地方院校完全可以根據(jù)自己的培養(yǎng)目標、培養(yǎng)規(guī)格、生源狀況，正確地理解“一流教師隊伍、一流教學內(nèi)容、一流教學方法、一流教材、一流教學管理”，建設具有應用型人才培養(yǎng)特色的量子力學精品課程，在精品課程建設上實現(xiàn)與重點大學的錯位發(fā)展。

參考文獻

[1]袁德寧.精品課建設及課程支撐理念的轉變[J].清華大學教育研究，2004，25（3）：53-57.

篇2

在建立科學理論體系的過程中，往往需要以一系列巨量的、通常是至為復雜的實驗、歸納和演繹工作為基礎。而且人們一般相信科學知識就是在這個基礎上產(chǎn)生和累積起來的。但只要這種認識活動過程是為一個協(xié)調(diào)一致的目標所固有，只要它真正屬于科學研究自我累進的進程，則不論其如何復雜，仍只是過程性的，而不從根本上規(guī)定科學的性質(zhì)、程序，乃至結論。這就使我們在考察復雜的科學認識活動時，可以抽取出高于具體手段的，基本上只屬于人類心智與外在世界相聯(lián)絡的東西，即科學語言，來作為認識的中介物。

要說明科學語言何以能成為這樣的中介，需要先對科學的認識結構加以分析。

作為一種形式化理論的近現(xiàn)代科學，其目的是力圖摹寫客觀實在。這種摹寫的認識論前提是一個外在的、自為的客體和作為其思維對立面的內(nèi)在的主體間的雙重存在。這一認識論前提在科學認識方面衍生出一個更實用的前提，就是把客體看作是一種自在的“像”或者“結構”（包括動態(tài)結構，比如動力學所概括的各種關系和過程）。

這一自在的實在具有由它的“自明性”所保證的嚴格規(guī)范性。這種自明性只在涉及存在與意識的根本關系時才可能引起懷疑。而科學是以承認這種自明性為前提的。因此科學實際就是關于具有自明性的實在的思維重構。它必須限于處理自在的實在，因為科學的嚴格規(guī)范性（主要表現(xiàn)為邏輯性）是由實在的自明性所保證的，任何超越實在的描述都會破壞這種描述的前提。這一點對稍后關于量子力學的討論非常重要。

上述分析表明，科學的嚴格規(guī)范性并非如有唯理論傾向的觀點所認為的那樣，是來自思維，也并非如經(jīng)驗論觀點所認為的來自具體手段對經(jīng)驗表象的操作，也并不象當代某些科學哲學家所認為的純粹出于主體間的共同約定。科學的最高規(guī)范是存在在客觀實在中的，是來自客體的自明性。一切具體手段只是以這種規(guī)范為目標而去企及它。

在科學認識活動中，不論是一個思維過程還是一個實驗過程，如果其中缺失了語言過程，那就什么意義都不會有?？茖W語言與人類思維形態(tài)固然有很大的關系，但是它們可能在一個很高的層次上有著共同的根源。就認識的高度而言，思維形態(tài)作為人類的一種意識現(xiàn)象，對它進行本質(zhì)的追究，至少目前還不能完全放在客觀實在的背景上。因此，在科學認識的層次上，思維形態(tài)完全可以被視為相對獨立的東西。而科學語言則是明確地被置于實在自身這一背景之中的。這就使我們實際上可以把科學語言看作一種知識，它與系統(tǒng)的科學知識具有完全相同的確切性，即它首先是與實在自身相諧合，然后才以這種特殊性成為思維與對象之間的中介。這才能保證，既使科學語言所述說的科學是關于實在的確切圖景，又使思維活動具備與實在相聯(lián)絡的手段。

科學語言作為一種知識所具備的上述特殊性，使它成為客觀實在圖景構成的基本要素，或科學知識的“基元”。思維形態(tài)不能獨立地形成知識，但思維形態(tài)卻提供某種方式，使科學語言所包含的知識基元獲得某種特定的加成和組合，從而構成一種系統(tǒng)化的理論。這就是語言在認識中的中介作用。由于任何事物都必須“觀念地”存乎人的意識中，才能為人的心智所把握，所以，在這個意義上，一個認識過程就是一個運用語言的過程。

二、數(shù)學語言

數(shù)學語言常常幾乎就是科學語言的同義詞。但實際上，科學語言所指的范圍遠比數(shù)學語言的范圍大，否則就不會出現(xiàn)量子力學公式的解釋問題。在自然科學發(fā)生以前，數(shù)學所起的作用也還不是后世的那種對科學的敘錄。只是由于精密推理的要求所導致的語言理想化，才推進了數(shù)學的應用。但歸根究底，數(shù)學與前面說的那種合乎客觀實在的知識基元是不同的。將數(shù)學用作科學的語言，必須滿足一個條件，即數(shù)學結構應當與實在的結構相關，但這一點并不是顯然成立的。

愛因斯坦曾分析過數(shù)學的公理學本質(zhì)。他說，對一條幾何學公理而言，古老的解釋是，它是自明的，是某一先驗知識的表述，而近代的解釋是，公理是思想的自由創(chuàng)造，它無須與經(jīng)驗知識或直覺有關，而只對邏輯上的公理有效性負責。愛因斯坦因此指出，現(xiàn)代公理學意義上的數(shù)學，不能對實在客體作出任何斷言。如果把歐幾里德幾何作現(xiàn)代公理學意義上的理解，那么，要使幾何學對客體的行為作出斷言，就必須加上這樣一個命題：固體之間的可能的排列關系，就象三維歐幾里德幾何里的形體的關系一樣?！?〕只有這樣， 歐幾里德幾何學才成為對剛體行為的一種描述。

愛因斯坦的這種看法與上文對科學語言的分析是基本上相通的。它可以說明，數(shù)學為什么會一貫作為科學的抽象和敘錄工具，或者它為什么看上去似乎具有作為科學語言的“先天”合理性。

首先，作為科學的推理和記載工具的數(shù)學，實際上是從思維對實在的一些很基本的把握之上增長起來的。歐幾里得幾何學中的“點”、“直線”這樣一些概念本身就是我們以某種方式看世界的知識。之所以能用這些概念和它們之間的關系去描繪實在，是因為這些“基元”已經(jīng)包含了關于實在的信息（如剛體的實際行為）。

其次，數(shù)學體系的那種嚴密性其實主要是與人類思維的屬性有關，盡管思維的嚴密性并不是一開始就注入了數(shù)學之中。如前所述，思維的嚴密性是由實在的自明性來決定的，是習得的。這就是說，數(shù)學之所以與實在的結構相關，只是因為數(shù)學的基礎確切地說來自這種結構；而數(shù)學體系的自洽性是思維的翻版，因而是與實在的自明性同源的。

由此可見，數(shù)學與自然科學的不同僅表現(xiàn)在對于它們的結果的可靠性（或真實性）的驗證上。也就是說，科學和數(shù)學同樣作為思維與實在相互介定的產(chǎn)物，都有可能成為對實在結構的某種描述或“偽述”，并且都具有由實在的自明性所規(guī)定的嚴密性。但數(shù)學基本上只為邏輯自治負責，而科學卻僅僅為描述的真實性負責。

事實正是如此。數(shù)學自身并不代表真實的世界。它要成為物理學的敘錄，就必須為物理學關于實在結構的真實信息所重組。而用于重組實在圖景的每一個單元，實際上是與物理學的基本知識相一致的。如果在幾何光學中，歐幾里德幾何學不被“光線”及其傳播行為有關的概念重組，它就只是一個純粹的形式體系，而對光線的行為“不能作出斷言”。非歐幾何在現(xiàn)代物理學中的應用也同樣說明了這一點。

三、物理學語言

雖然物理學是嚴格數(shù)學化的典范，但物理學語言的歷史卻比數(shù)學應用于物理學的歷史要久遠得多。

在認識的邏輯起點上，僅當認識論關系上一個外在的、恒常的（相對于主體的運動變化而言）對象被提煉和廓清時，才能保證一種僅僅與對象自身的內(nèi)在規(guī)定性有關的語言描述系統(tǒng)成為可能。對此，人類憑著最初的直覺而有了“外部世界”、“空間”、“時間”、“質(zhì)料”、“運動”等觀念。顯然，這些觀念并非來自邏輯的推導或數(shù)學計算，它是人類世代傳承的關于世界的知識的基元。

然后，需要對客觀實在進行某種方式的剝離，才能使之通過語言進入我們的觀念。一個客觀實在，比如說，一個電子，當我們說“它”的時候，既指出了它作為離散的一個點（即它本身），又指出了它身處時空中的那個屬性。而后一點很重要，因為我們正是在廣延中才把握了它的存在，即從“它”與“其它”的關系中“找”出它來。

當我們按照古希臘人（比如亞里士多德）的方式問“它為什么是它”時，我們正在試圖剝離“它”之所以為“它”的屬性。但這個屬性因其離散的本質(zhì)，在時空中必為一個“奇點”，因而不能得到更多的東西。這說明，我們的語言與時空的廣延性合若符節(jié)，而對離散性，即時空中的奇點，則無法說什么。如果我們按照伽利略的方式問“它是怎樣的”時，我們正是在描繪它與廣延有關的性質(zhì)，即它與其它的關系。這在時空中呈現(xiàn)為一種結構和過程。對此我們有足夠的手段（和語言）進行摹寫。因為我們的語言，大多來自對時空中事物的經(jīng)驗。我們運用語言的主要方式，即邏輯思維，也就是時空經(jīng)驗的抽象和提升。

可見，近現(xiàn)代物理學語言是一種關于客觀實在的時空形式及過程的語言，是一種廣延性語言。幾何學之所以在科學史上扮演著至為重要的角色，首先不在于它的嚴格的形式化，而在于它是關于實在的時空形式及過程的一個有效而簡潔的概括，在于與物理學在面對實在時有著共同的切入點。

上述討論表明了近現(xiàn)代物理學語言格式包含著它的基本用法和一個根深蒂固的傳統(tǒng)，這是由客觀實在和復雜的歷史因素所規(guī)定的。至為關鍵的是，它必須而且只是關于實在的時空形式及過程的描述。可以想象，離開了這種用法和傳統(tǒng)，“另外的描述”是不可能在這種語言中獲得意義的。而這正是量子力學碰到的問題。

四、量子力學的語言問題

上文說明，在描摹實在時，人類本是缺乏固有的豐富語言的。西方自古希臘以來，由于主、客體間的某種相互介定而實現(xiàn)了有關實在的時空形式和過程的觀念及相應的邏輯思維方式。任何一種特定的語言，隨著時代的變遷和認識的深入，某些概念的含義會發(fā)生變化，并且還會產(chǎn)生新的語言基元。有時，這樣的變化和增長是革命性的。但不可忽視的是，任何有革命性的新觀念首先必須在與傳統(tǒng)語言的關系中獲得意義，才能成為“革命性的”。在自然科學中，一種新理論不論提出多么“新”的描述，它都必須仍然是關于時空形式及過程的，才能在整體的科學語言中獲得意義。例如，相對論放棄了絕對時空、進而放棄了粒子的觀念，但代之而起的那種連續(xù)區(qū)概念仍然是時空實在性的描述并與三維空間中的經(jīng)驗有著直接聯(lián)系。

量子力學的情況則不同。微觀粒子從一個態(tài)躍遷到另一個態(tài)的中間過程沒有時空形式；客體的時空形式（波或粒子）取決于實驗安排；在不觀測的情況下，其時空形式是空缺的；并且，觀測所得的客體的時空形式并不表示客體在觀測之前的狀態(tài)。這意味著，要么微觀實在并不總是具有獨立存在的時空形式，要么是人類無法從認識的角度構成關于實在的時空形式的描述。這兩種選擇都將超出現(xiàn)有的物理學語言本身，而使經(jīng)典物理學語言在用于解釋公式和實驗結果時受到限制。

量子力學的這個語言問題是眾所周知的。波爾試圖通過互補原理和并協(xié)原理把這種限制本身上升為新觀念的基礎。他多次強調(diào)，即使古典物理學的語言是不精確的、有局限性的，我們?nèi)匀徊坏貌皇褂眠@種語言，因為我們沒有別的語言。對科學理論的理解，意味著在客觀地有規(guī)律地發(fā)生的事情上，取得一致看法。而觀測和交流的全過程，是要用古典物理學來表達的?！?〕

量子力學的反對者愛因斯坦同樣清楚這里的語言問題。他把玻爾等人盡力把量子力學與實驗語言溝通起來所作的種種附加解釋稱之為“綏靖哲學”（Beruhigunsphilosophie）〔3〕或“文學”〔4〕， 這實際上指明了互補原理等觀念是在與時空經(jīng)驗相關的科學語言之外的。愛因斯坦拒絕承認量子力學是關于實在的完備描述，所以并不以為這些附加解釋會在將來成為科學語言的新的有機內(nèi)容。

薛定諤和玻姆等人從另一個角度作出的考慮，反映了他們以為玻爾、海森堡、泡利和玻恩等人的觀點回避了經(jīng)典語言與實在之間的深刻矛盾，而囿于語言限制并為之作種種辯解。薛定諤說：“我只希望了解在原子內(nèi)部發(fā)生了什么事情。我確實不介意您（指玻爾）選用什么語言去描述它?！薄?〕薛定諤認為，為了賦予波函數(shù)一種實在的解釋， 一種全新的語言是可以考慮的。他建議將N 個粒子組成的體系的波函數(shù)解釋為3N維空間中的波群，而所謂“粒子”則是干涉波的共振現(xiàn)象，從而徹底拋棄“粒子”的概念，使量子力學方程描述的對象具有連續(xù)的、確定的時空狀態(tài)。

固然，幾率波的解釋使得理論的數(shù)學結構不能對應于實在的時空結構，如果讓幾率成為實驗觀察中首要的東西，就會讓客觀實在在描述中成了一種“隱喻”。然而薛定諤的解釋由于與三維空間中的經(jīng)驗沒有明顯的聯(lián)系，也成了另一種隱喻，仍然無法作為一種科學語言而獲得充分的意義。

玻姆的隱序觀念與薛定諤的解釋在語言問題上是相似的。他所說的“機械序”〔6 〕其實就是以笛卡爾坐標為代表的關于廣延性空間的描述。這種描述由于經(jīng)典物理學的某些限定而表現(xiàn)出明顯的局限性。玻姆認為量子力學并未對這種序作出真正的挑戰(zhàn)，在一定程度上指出了量子力學的保守性。他企圖建立一種“隱序物理學”，將量子解釋為多維實在的投影。他以全息攝影和其它一些思想實驗為比喻，試圖將客觀實在的物質(zhì)形態(tài)、時空屬性和運動形式作全新的構造。但由于其基礎的薄弱，仍然只是導致了另一種脫離經(jīng)驗的描述，也就是一種形而上學。

這里所說的“基礎”指的是，一種全新的語言涉及主客體間完全不同的相互介定。它涉及對客體的完全不同的剝離方式，也就是說，現(xiàn)行科學語言及其相關思維方式的整個基礎都將改變。然而，現(xiàn)實地說，這不是某一具有特定對象和方法的學科所能為的。

可見，試圖通過一種全新的語言來解決量子力學的語言問題是行不通的。這個問題比通常所能想象的要無可奈何得多。

五、量子力學何種程度上是“革命性”的

量子力學固然在解決微觀客體的問題方面，是迄今最成功的理論，然而這種應用上的重要性使人們有時相信，它在觀念上的革命也是成功的。其實，上述語言與實在圖景的沖突并未解決。量子力學的種種解釋無法在科學語言的基礎上必然過渡到那種非因果、非決定論觀念所暗示的宇宙圖景。這就使我們有必要對量子力學“革命性”的程度作審慎的認識。

正統(tǒng)的量子力學學者們都意識到應該通過發(fā)展思維的豐富性來解決面臨的困難。他們作出的重要努力的一個方面是提出了很多與經(jīng)典物理學不同的新觀念，并希望這些新觀念能逐漸溶入人類的思想和語言。其中玻恩用大量的論述建議幾率的觀念應該取代嚴格因果律的概念?！?〕測不準原理以及其中的廣義坐標、廣義動量都是為粒子而設想的，卻又不能描述粒子在時空中的行為，薛定諤認為應該放棄受限制的舊概念，而玻爾卻認為不能放棄，可以用互補原理來解決。玻爾還希望，波函數(shù)這樣的“新的不變量”將逐漸被人的直覺所把握，從而進入一般知識的范圍?！?〕這相當于說，希望產(chǎn)生新的語言基元。

另一方面，海森堡等人提出，問題應該通過放棄“時空的客觀過程”這種思想來解決?！?〕這又引起了量子力學的客觀性問題。

這些努力在很大程度上是具有保守性的。

我們試把量子力學與相對論作比較。相對論的革命性主要表現(xiàn)在，通過對時間和空間的相對性的分析，建立起時間、空間和運動的協(xié)變關系，從而推翻了絕對時空、絕對同時性等舊觀念，并代之以新的時空觀。重要的是，在這里，絕對時空和絕對同時性是從理論上作為邏輯必然而排除掉的。四維時空不變量對三維空間和一維時間的性質(zhì)依賴于觀察者的情形作了簡潔的概括，既不引起客觀性危機，又與人類的時空經(jīng)驗有著直接關聯(lián)。相對論排除了物理學內(nèi)部由于歷史和偶然因素形成的一些含混概念，并給出了更加準確明晰的時空圖景。它因此而在科學語言的范圍內(nèi)進入了一般知識。

量子力學的情況則不同。它的保守性主要表現(xiàn)在：

第一，嚴格因果律并不是從理論的內(nèi)部結構中邏輯地排除的。只是為了保護幾率波解釋，才不得不放棄嚴格因果律，這只是一種人為地避免邏輯矛盾的處理。

第二，不完全連續(xù)性、非完全決定論等觀念并沒有構成與人類的時空經(jīng)驗相關聯(lián)的自洽的實在圖景。互補原理和并協(xié)原理并沒有從理論內(nèi)部挽救出獨立存在于時空的客體的概念，又沒有證明這種概念是不必要的（如相對論之于“以太”那樣）。因此，量子力學的有關哲學解釋看似拋棄舊觀念，建立新觀念，實際上，卻由于這些從理論結構上說是附加的解釋超出了關于實在的描述，因而破壞了以實在的自明性為保證的描述的前提。所以它實際上對觀念的豐富和發(fā)展所作的貢獻是有限的。

第三，量子力學內(nèi)在地不能過渡到關于個別客體的時空形式及過程的模型，使得它的反對者指責說這意味著位置和動量這樣的兩個性質(zhì)不能同時是實在的。而為了保護客觀性，它的支持者說，粒子圖像和波動圖象并不表示客體的變化，而是表示關于對象的統(tǒng)計知識的變化?！?0〕這在關于實在的時空形式及過程的科學語言中，多少有不可知論的味道。

第四，人們必須習慣地設想一種新的“實在”觀念以便把充滿矛盾的經(jīng)驗現(xiàn)象統(tǒng)一起來。在對客體的時空形式作抽象時，這種方法是有效的。而由于波函數(shù)對應的不是個別客體的行為，所以大多新的“實在”幾乎都是形而上學的構想。薛定諤和玻姆的多維實在、玻姆在闡釋哥本哈根學派觀點時提出的那種包含了無限潛在可能性的“第三客體”〔11〕，都屬于這種構想。玻恩也曾表示，量子力學描述的是同一實在的排斥而又互補的多個影像?！?2〕這有點象是在物理學語言中談論“混元”或“太極”一樣，很難說對觀念有積極的建設。

本文從科學語言的角度，對量子力學尤其是它的哲學基礎的保守性作出一些分析，這并不是在相對論和量子力學之間作價值上的優(yōu)劣判斷。也許量子力學的真正價值恰恰在于它所碰到的困難是根本性的。

海森堡等人與新康德主義哲學家G·赫爾曼進行討論時， 赫爾曼提出，在科學賴以發(fā)生的文化中，“客體”一詞之所以有意義，正在于它被實質(zhì)、因果律等范疇所規(guī)定，放棄這些范疇和它們的決定作用，就是在總體上不承認經(jīng)驗的可能性?！?3〕我們應該注意到，赫爾曼所使用的“經(jīng)驗”一詞，實際上是人類對客觀事物的廣延性和分立性的經(jīng)驗。這種經(jīng)驗是科學的實在圖景成立的基礎或真實性的保證，邏輯是它的抽象和提升。

在本文的前三節(jié)已經(jīng)談到，自從古希臘人力圖把日常語言理想化而創(chuàng)立了邏輯語言以來，西方的科學語言就一直是在實在的廣延性和分立性的介定下發(fā)展起來的。我們也許可以就此推測，對于人的認識而言，世界是廣延優(yōu)勢的，但如果因此認為實在僅限于廣延性方面，卻是缺乏理由的。廣延性優(yōu)勢在語言上的表現(xiàn)之一是幾何優(yōu)勢。西方傳統(tǒng)中的代數(shù)學思想是代數(shù)幾何化，即借助空間想象來理解數(shù)的。不論畢達哥拉斯定理還是笛卡爾坐標都一樣。直角三角形的斜邊是直觀的，而根號2不是。我們可以用前者表明后者，而不能反過來?？墒且粋€離散的數(shù)量本身究竟是什么呢？它是否與實在的另一方面或另一部分（非廣延的）相應？也許在微觀領域里不再是廣延優(yōu)勢而量子力學的困難與此有關？

如果量子力學面臨的是實在的無限可能性向語言的有限性的挑戰(zhàn)，那么問題的解決就不單單是語言問題，甚至不單單是目前形態(tài)的物理學的問題。它將涉及整個認識活動的基礎。玻爾似乎是深刻地意識到這一點的。他說“要做比這些更多的事情完全是在我們目前的手段之外。”〔14〕他還有一句格言；“同一個正確的陳述相對立的必是一個錯誤的陳述；但是同一個深奧的真理相對立的則可能是另一個深奧的真理?！薄?5〕

參考文獻和注釋

〔1〕〔3〕〔4〕《愛因斯坦文集》第一卷，商務印書館，1994，第137、241、304頁。

〔2〕〔5〕〔9〕〔13〕〔14〕〔15 〕海森堡：《原子物理學的發(fā)展和社會》，中國社會科學出版社，1985，第141、84、82、131、47、112頁。

〔6〕玻姆：《卷入——展出的宇宙和意識》，載于羅嘉昌、 鄭家棟主編：《場與有——中外哲學的比較與融通（一）》，東方出版社，1994年。

〔7〕玻恩：《關于因果和機遇的自然哲學》，商務印書館， 1964年。

篇3

關鍵詞：熱力學與統(tǒng)計物理學；國家精品課程；統(tǒng)計熱力學體系

“熱力學與統(tǒng)計物理學”（簡稱“熱統(tǒng)”）是我國高等院校本科物理專業(yè)的一門必修課程，是研究物質(zhì)有關熱現(xiàn)象（即宏觀過程）規(guī)律的理論物理課，也是普通物理“熱學”的后續(xù)課。內(nèi)蒙古大學“熱統(tǒng)”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(tǒng)”國家精品課程（2004年）——“統(tǒng)計熱力學”，陸續(xù)出版了配套教材[1]和學習輔導書[2]。

一、關于“熱統(tǒng)”教學體系的思考

關于熱現(xiàn)象的理論包括兩部分，即宏觀理論——“熱力學”和微觀理論——“統(tǒng)計物理學”。我國目前的“熱統(tǒng)”課程由早年設置的 “熱力學”和“統(tǒng)計物理學”兩門課程合并而成，一直沿襲“熱”、“統(tǒng)”相對獨立的“一分為二”教學體系[3-5]。教學內(nèi)容安排大體以學科發(fā)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(xiàn)代文明的飛速發(fā)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(fā)生了質(zhì)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(huán)境下，從中學到大學的物理教學內(nèi)容均在不斷地改革和深化。同時，現(xiàn)代科學成就在高新技術中的廣泛應用向21世紀人才培養(yǎng)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(fā)起我們對傳統(tǒng)體系的思考。

從“熱物理”系列課程改革現(xiàn)狀來看，一方面，普通物理“熱學”課程的內(nèi)容已進行了必要的深化和后延，原有“熱統(tǒng)”課程與現(xiàn)行“熱學”課程內(nèi)容出現(xiàn)較多重復。僅以汪志誠著《熱力學 · 統(tǒng)計物理》[5]和秦允豪著《熱學》[6]為例，二者內(nèi)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(fā)學生的厭學情緒，使學習效益降低。另一方面，飛速發(fā)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(xù)深造時的基礎，都對“熱統(tǒng)”課程教學提出更高的要求。增加課程的統(tǒng)計物理比重，深化微觀理論的系統(tǒng)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(yè)及課程設置均有較大幅度的變動，“熱統(tǒng)”課教學時數(shù)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(tǒng)”課程的內(nèi)容進行了不斷的改革，逐步增加統(tǒng)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(nèi)容仍然偏多，實際教學中統(tǒng)計物理的系統(tǒng)性難以保證。

針對上述問題，我們從體系結構著眼，對“熱統(tǒng)”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(nèi)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(tǒng)計物理體系的完整性與系統(tǒng)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(tǒng)”課程的“統(tǒng)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(nèi)容重復的問題；大幅增加統(tǒng)計物理比重，使其理論及應用內(nèi)容在總學時中占到3/4以上。

二、統(tǒng)計熱力學體系的特色

統(tǒng)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(tǒng)計熱力學”以微觀理論——統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)計物理的理論體系，容易將熱現(xiàn)象的宏觀和微觀理論割裂開來。本體系從微觀理論出發(fā)，用統(tǒng)計物理理論導出熱力學基本定律，討論體系熱力學性質(zhì)，給出統(tǒng)計物理概念與宏觀現(xiàn)象的對應，融熱現(xiàn)象的微觀、宏觀理論于一體，結束了兩種理論割裂的傳統(tǒng)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(tǒng)體系難以避免的“熱統(tǒng)”與“熱學”過多重復問題。

本體系按照統(tǒng)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(tǒng)計分布，進而引入熱力學勢（特性函數(shù)），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(tǒng)的熱力學性質(zhì)。例如：在孤立系一章，從等概率基本假設出發(fā)，引入統(tǒng)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(zhì)。在討論封閉系時，從正則分布出發(fā)，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(zhì)宏觀性質(zhì)的方法，再具體討論電、磁介質(zhì)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(tǒng)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(zhì)，討論相變和化學熱力學問題；用量子統(tǒng)計理論導出熱力學第三定律，討論低溫化學反應的性質(zhì)。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(tǒng)計分布，給出它們的準經(jīng)典極限——麥-玻統(tǒng)計分布，并運用獲得的量子統(tǒng)計分布分別討論電子氣、半導體載流子、光子系的統(tǒng)計性質(zhì)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(tǒng)計物理體系

與國內(nèi)現(xiàn)流行體系不同，“統(tǒng)計熱力學”的統(tǒng)計物理以“系綜理論”為基礎，具有更強的系統(tǒng)性。

現(xiàn)流行體系為便于學生理解，大多先避開系綜理論，講解統(tǒng)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(tǒng)計、玻色統(tǒng)計和費米統(tǒng)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(nèi)容不可避免地出現(xiàn)重復外，還在一定程度上犧牲了統(tǒng)計物理的系統(tǒng)性。在實際教學中，為了闡明有關分布和統(tǒng)計法，往往不可避免地運用如等概率假設、配分函數(shù)、巨配分函數(shù)等系綜理論的基本概念，難免出現(xiàn)生吞活剝、“消化不良”的弊端。從體系實施現(xiàn)狀來看，不少院校因?qū)W時有限，在熱力學和基本統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)、巨配分函數(shù)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(tǒng)計、玻色統(tǒng)計和費米統(tǒng)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(tǒng)計物理的基本理論，使學生準確、清晰地掌握統(tǒng)計物理的基本概念，對熱物理理論有完整系統(tǒng)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(zhì)

為使學生準確認識微觀運動本質(zhì)，“統(tǒng)計熱力學”將系綜理論建立在量子論的基礎上，而經(jīng)典統(tǒng)計則作為量子統(tǒng)計的極限給出。

傳統(tǒng)體系多從經(jīng)典統(tǒng)計入手，然后進入量子統(tǒng)計。我們教學實踐的體會是，物理學歷史上由經(jīng)典論到量子論的認識過程沒有必要在統(tǒng)計物理教學中重演。通過現(xiàn)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(guī)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(tǒng)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(tǒng)計與經(jīng)典統(tǒng)計就統(tǒng)計規(guī)律性而言并無本質(zhì)區(qū)別，經(jīng)典統(tǒng)計只是量子統(tǒng)計的極限情形而已。以量子論為基礎構建統(tǒng)計物理體系，更有利于學生盡快認識事物的本質(zhì)，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(tǒng)計熱力學”以系綜理論為主線，以量子論為基礎,大幅提高統(tǒng)計物理比重，適當?shù)卦黾恿苏n程深度。在課時縮減，招生規(guī)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(nèi)同行普遍關注，需要在優(yōu)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(nèi)物理專業(yè)的“熱統(tǒng)”課程多排在“量子力學”之前。這就不可避免地出現(xiàn)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(tài)、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(tǒng)計”有關概念。此外，我們將“量子態(tài)”和“量子統(tǒng)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(tǒng)計物理中最核心、最抽象的內(nèi)容，也是統(tǒng)計物理教學的難點。國內(nèi)流行體系將系綜理論與常用統(tǒng)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(tǒng)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(guī)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(tǒng)的性質(zhì)加以討論。這樣做，可分散認知難點，并及時結合應用，實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)計問題。最概然（可幾）法與麥克斯韋-玻爾茲曼（麥-玻）統(tǒng)計法，是統(tǒng)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(nèi)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(nèi)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(fā)，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(tǒng)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(fā)，通過嚴格的數(shù)學推演，系統(tǒng)地給出熱力學函數(shù)之間的有機聯(lián)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(tǒng)”課程不可或缺的內(nèi)容。“統(tǒng)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(nèi)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(jié)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(nèi)容，確保足夠篇幅討論平衡態(tài)的熱力學性質(zhì)。例如：在建立封閉系的正則系綜理論后，插入“均勻物質(zhì)熱力學性質(zhì)”一章，集中講授麥克斯韋關系、基本熱力學函數(shù)和關系、特性函數(shù)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(tǒng)計物理研究宏觀過程的規(guī)律時，勢必也會反復地運用熱力學函數(shù)、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(shù)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(nèi)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(nèi)蒙古大學“熱統(tǒng)”教學組近20年的課程改革和教學實踐證明，用“統(tǒng)計熱力學”體系組織本科物理專業(yè)“熱統(tǒng)”課教學是可行的。采用同樣的體系和教材，適當取舍內(nèi)容，在應用物理和電子科學技術專業(yè)組織2學分“統(tǒng)計物理”教學，亦取得一定的經(jīng)驗，其效果令人欣慰。毋庸置疑，筆者主張統(tǒng)計熱力學體系，絲毫無意否定“熱統(tǒng)分治”的傳統(tǒng)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(yǎng)目標、師資力量、學生狀況等，因地制宜地選擇。

參考文獻：

[1] 梁希俠，班士良. 統(tǒng)計熱力學[M]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古大學出版社，2000.

梁希俠，班士良. 統(tǒng)計熱力學(第二版)[M]. 北京：科學出版社，2008.

[2] 梁希俠，班士良，宮箭，崔鑫. 統(tǒng)計熱力學（第二版）學習輔導[M]. 北京：科學出版社，2010.

[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(tǒng)計物理學導論[M]. 北京：高等教育出版社，1965.

篇4

關鍵詞：科學活動觀；結構化學；課程教學

一、問題的提出

“結構化學”是高等院?；瘜W專業(yè)的主干基礎課程。它從微觀視角闡明原子、分子和晶體的結構、性能和應用，主要包括量子力學基本原理及其在原子與分子體系中的應用和原子、分子與晶體結構的實驗表征兩大部分。后者又可根據(jù)被表征物質(zhì)的形態(tài)及理論基礎的不同，劃分為譜學和晶體學兩個不同體系[1]。

由于“結構化學”課程涉及面廣、內(nèi)容抽象、理論性強，要求學生具備較強的空間思維能力，嚴密的邏輯推理能力和扎實的數(shù)理功底；同時由于“結構化學”通常不作為考研基礎科目，因此許多教師對教學有效性缺乏足夠重視，大量采用灌輸式教學或簡化教學內(nèi)容。這樣看似在短時間內(nèi)完成了課程內(nèi)容的教學，但實際上產(chǎn)生了諸多問題，這些問題恰恰制約著課程目標的達成。

（1）學生難以形成對知識的整體性認識。教師將結構化學知識作為一種結果和定論傳授給學生，從表面上看，學生能夠機械記憶基本知識，能進行簡單的運用和拓展。但由于沒有經(jīng)歷和體驗知識獲得的過程，無法從本質(zhì)上、整體上理解結構化學的知識體系的來龍去脈、因果關系。

（2）學生關于理論與計算化學的學習和研究能力非常欠缺。由于結構化學涉及許多微觀物質(zhì)的結構和抽象的概念，如果沒有科學的方法支撐去解決問題、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，學生難以理解理論與計算化學的核心觀念并運用理論與計算化學的核心方法。

（3）學生的情感體驗不足。由于結構化學本身具備較高的難度，學生容易產(chǎn)生抵觸、焦慮等一系列不良情緒。僅僅將知識作為一種工具和經(jīng)驗傳授給學生，他們將無法體驗和感受在知識形成中的愉悅感和合作、會話、交流的過程，進而難以得到需要的滿足和被尊重、被接納的情感體驗。

基于以上“結構化學”教學的問題，有必要探索、建立新的教學觀念以改革“結構化學”課程教學。由于科學知識從本源來講恰恰是在科學活動中產(chǎn)生的，因此將“結構化學”的教學活動和科學活動做適當?shù)娜诤?，通過深入探索化學科學活動的基本特點和形式，研究科學活動與“結構化學”教學的相互關系，進而探索以科學活動為中心的“結構化學”課程教學途徑，不失為一種恰如其分的改革視角。

二、科學活動觀——“結構化學”課程教學的新理念

人們對科學本質(zhì)的認識是一個不斷深化的過程。從動態(tài)的和生成性的觀點看，科學作為“系統(tǒng)化的實證知識”的觀點引起了人們高度反思。有人認為科學的本質(zhì)是獲得知識的活動，例如，保加利亞學者T. H. 伏爾科夫曾提到，科學的本質(zhì)，不在于已經(jīng)認識的真理，而在于探索真理；科學本身不是知識，而是產(chǎn)生知識的社會活動，是一種科學生產(chǎn)[2]。我國學者劉大椿曾將科學更多地看成是活動的過程，指出科學是人類特有的活動形式，是人類特定的社會活動成果；雖離不開獨特的物質(zhì)手段，但本質(zhì)上是精神的、智力的活動[3]。這種以動態(tài)的角度認識科學本質(zhì)的思想，能夠使人們對科學的理解更加豐富、深刻和全面。

對科學本質(zhì)的理解，決定著科學教育實踐價值取向。以科學活動觀指導“結構化學”課程改革，對于提高教學質(zhì)量，讓學生建立自己的“結構化學”乃至整個化學一級學科的知識框架體系，培養(yǎng)學生終身學習、自主學習的能力，引導學生掌握分子模擬研究的初步技能，有著顯著的優(yōu)勢。

（1）科學活動觀視角下的“結構化學”教學是為科學知識的獲得服務的。學生獲得的系統(tǒng)性的、基礎性的結構化學知識大多是結構化學已有的成果，是科學家多年來積累的理論與計算化學的經(jīng)驗、概念、理論、技能和方法。將知識的獲得過程還原于科學活動，符合結構化學教學活動和科學活動在知識形成過程中的本質(zhì)共同性，有利于學生建立并鞏固系統(tǒng)的結構化學知識體系。

（2）科學活動觀視角下的“結構化學”教學為學生能力的培養(yǎng)帶來了良機。體驗結構化學研究過程、掌握結構化學研究方法，對學生走入結構化學研究、形成理論與計算化學的研究能力并進而發(fā)展對整個化學一級學科的研究能力都有著重要的意義。學生在以科學活動為背景的學習中感受科學研究的全過程，習得科學研究方法，感受科研的意義和價值，在獲得結構化學知識的同時形成與提高科研能力。

（3）科學活動觀視角下的“結構化學”教學給予學生體驗科研情感的平臺?？茖W活動創(chuàng)造了真實的結構化學科研情境，而科學情感等隱性目標都是在情境中通過感悟獲得的。學生在對結構化學問題的研究過程中提高學習興趣、產(chǎn)生學習熱情、發(fā)揚團隊精神，這就有效解決了因知識灌輸式教學而帶來的學生情感體驗不足的問題。

三、“結構化學”課程教學——“知識學習與能力培養(yǎng)”并重

1.以挑戰(zhàn)性問題為學習驅(qū)動，構建“結構化學”學習活動

基于挑戰(zhàn)性問題的探究式教學方法是為了設計合理的科學活動、有效實施“結構化學”教學而設計的。所謂的挑戰(zhàn)性問題是指教師提出的一些與教學內(nèi)容相關的、具有探索意義和探究價值的問題，供學生小組根據(jù)自己的興趣和思維特點進行選擇，以此作為科學活動的一個驅(qū)動性引導。在學習過程中，學生通過查找資料、相互討論、動手實踐等多種形式，采用合理的結構化學研究方法對這個問題進行深入研究，完成研究報告。

在“量子力學基本原理及其在平動、振動、轉動、原子與分子軌道理論中的應用”模塊的教學過程中，教師選擇了從簡單到復雜的系列自主學習內(nèi)容，組織學生開展了以挑戰(zhàn)性問題為驅(qū)動的自主研究性學習。

例如，教師在過去的教學過程中發(fā)現(xiàn)，學生對類氫原子結構的球諧波函數(shù)和徑向波函數(shù)的圖像理解有難度，不清楚圖像的來源和圖像節(jié)點的性質(zhì)。為此，教師向?qū)W生介紹matlab軟件，并提出挑戰(zhàn)性問題：如何利用matlab軟件編寫程序語言作圖，幫助理解原子與分子軌道圖像。并根據(jù)這個問題，分別提出了一套由簡入深的系列問題：（1）利用matlab 軟件將諧振子振動波函數(shù)數(shù)字圖形化，并與教材上的圖形進行對比分析，以此為例說明表層理解信息（naming something）和深層理解信息（knowing something）的區(qū)別。（2）利用matlab軟件將粒子圍繞球面轉動的球諧波函數(shù)Y及其|Y|2數(shù)字圖形化。（3）利用matlab軟件將類氫原子的徑向函數(shù)、徑向分布函數(shù)、原子軌道（徑向函數(shù)R與球諧函數(shù)Y之積）數(shù)字圖形化并討論其節(jié)點問題。（4）利用matlab軟件將氫分子離子的分子軌道（分子軌道理論框架下的單電子波函數(shù)近似解）數(shù)字圖形化并討論其節(jié)點與成鍵與反鍵性質(zhì)。（5）設計一個程序?qū)⒕仃噷腔瑸楣曹楏w系的休克爾經(jīng)驗分子軌道理論的近似解提供一套矩陣算法（HC=SCE在休克爾近似下變?yōu)镠C=CE），并重點理解分子軌道理論的核心在于變分原理——將不可能完成的精確求解多體薛定諤方程的任務轉化為近似求解體系能量函數(shù)（嘗試波函數(shù)的線性組合系數(shù)為變量）的條件極值問題。

該系列挑戰(zhàn)性問題由若干不同難度的小問題組成，根據(jù)學生的認知特點和水平逐漸提高，既防止問題太寬泛而無從下手，又逐漸向?qū)W生發(fā)出挑戰(zhàn)以激發(fā)學生求知欲。另外，該問題的解決方法不固定，解答結果也不唯一。它允許學生運用不同的方法來解決問題，并且將分子模擬技術融入理論課程之中，通過體驗編寫程序的過程，獲得結構化學研究的思路，深化對理論知識的理解和掌握。在學習過程中，教師作為學生學習的主導者，對學生學習過程進行觀察、把握和調(diào)配，當學生學習出現(xiàn)困難時，提供必要的指導和點撥。

學生通過分工合作、查找資料、熟悉軟件、編寫程序、運行程序、優(yōu)化程序，逐漸解決了每一個子問題。在這個過程中，學生在原有知識經(jīng)驗基礎上主動構建對知識的理解，充分將知識內(nèi)化為自己的認知。比如對球諧函數(shù)圖像的認識，不再是機械地“記憶”每一個函數(shù)對應的圖像，而是充分理解其本質(zhì)，將原理融入圖像的繪制過程，整體把握“數(shù)-形”關系，在理解的層面上深刻記憶圖像的性質(zhì)和形狀。不僅如此，學生在學習過程中熟悉了結構化學學習與研究的基本方法，充分將結構化學的理論知識與分子模擬實踐相結合，體驗了以科研的視角去分析問題、解決問題、獲得新知的過程。更加難能可貴的是，有學生通過自己繪制一維諧振子振動波函數(shù)示意圖，發(fā)現(xiàn)了教材附圖中的一處印刷錯誤[4]。

科學的發(fā)展是建立在繼承前人的研究結果，并在科學實踐過程中不斷地對已有認識形成批判而發(fā)展的。例如，原子結構理論模型正是一代又一代科學家在繼承、借鑒、批判前人研究成果，并在孜孜不倦地分析與探索過程中逐步建立的。這種科學精神和科學意識的形成必須依賴于科學活動。如果僅僅是讀書、聆聽教師的講授，思維往往會被局限，實證意識往往會變得淡漠；相反，學生通過審慎地思考、縝密地分析、嚴謹?shù)嫩`行，不僅能夠讓學生認識到科學的學習不能唯書唯上，還需自己親歷躬行。

2.以知識框架圖為學習工具，建立“結構化學”學科網(wǎng)絡

要具備良好的理論與計算化學的學習與研究能力，必須具備系統(tǒng)化的結構化學基礎知識和基本技能，從整體上、宏觀上駕馭整個學科體系。學生需要將自己在科學活動中所獲得的知識與經(jīng)驗加以總結、提煉與提升，構建自己的知識網(wǎng)絡。在以教師講授為主的“結構化學”教學過程中，這一點做得很不夠，不是忽視知識的系統(tǒng)化處理過程，就是將教師自我頭腦中已經(jīng)構建好的體系直接傳遞給學生，供學生直接借鑒、吸取，而缺乏探索和整理的過程，缺失個性。

在“結構化學”的課程教學過程中，通過學生自主根據(jù)自己的知識理解狀況繪制知識框架圖（Schema），以圖形而非文字的形式將結構化學知識加以梳理。在具體的實施過程中，教師要求學生將結構化學知識進行梳理、歸類，根據(jù)具體的內(nèi)容繪制相應的知識框架圖，不僅僅要全面涵蓋該內(nèi)容內(nèi)所有的知識點，同時要呈現(xiàn)出各知識點之間的邏輯關系，清晰地表明知識的結構屬性和形成方式，使知識逐漸從“點”向“線、面”過渡。學生在繪制知識框架圖的時候，不需要根據(jù)課本上的章節(jié)順序來設計，也沒有固定的思路，更希望學生能夠呈現(xiàn)出自己對知識結構的理解。

以量子力學基本原理一章為例，學生繪制了該章的知識框架圖，展現(xiàn)出了量子力學基本原理所包括五方面內(nèi)容。這種教學方式不僅有助于幫助學生梳理結構化學知識的來龍去脈，建立科學的結構化學知識體系，形成全面的關于結構化學基本學科邏輯結構和基本學習與研究思路的認識；更有助于學生反思科學研究活動過程和結果，總結開展科學學習與研究的視角和途徑，探索有待進一步學習和研究的盲點和解決策略，最終建立起清晰的化學學科體系框架，并在具體知識基礎上形成化學觀念。

3.以多種形式呈現(xiàn)學習結果，提升能力同時以評促學

所謂“研而不發(fā)則囿”，在科學活動中，通過書面報告（論文）和口頭匯報（學術報告）等形式，科學生動地、多樣化地展示科學活動成果，是科學工作者必須具備的能力和素質(zhì)。學生在實踐中解決了挑戰(zhàn)性問題，繪制了知識框架圖之后，需要完成關于學習與研究過程與結果的書面報告，同時在課堂中將自己的學習與研究過程與結果通過口頭匯報的形式向教師和同學展示。這樣能夠讓教師了解學生的學習研究過程，讓同學學習與借鑒研究方法和研究結果，同時也能夠接受教師與同學的批評指正，認識到自己的研究不足之處，為今后開展深入的結構化學學習與研究工作啟迪思維、創(chuàng)設條件、打好基礎。

利用書面報告和口頭匯報等形式表達學習和研究過程與結果，在提高學生的基本科學研究素養(yǎng)的同時，也有助于從過程的角度、從個性化的角度、從個人全面發(fā)展的角度來開展并落實過程評價、全員評價，將過程評價與終結性評價相結合。傳統(tǒng)的以平時成績和期末考試成績?yōu)槲ㄒ辉u價指標的評價方式，過多地局限于知識點的掌握，卻不能很好地考查學生的個性化學習能力和學習方式，更難以評價學生的科學研究基本素養(yǎng)。利用書面報告和口頭匯報則有效地彌補了單一評價方式的不足之處，最終達到以評促學的根本目的。這種以多個評價者從多個角度對學習者進行評價的機制，關注學習者學習過程中所表現(xiàn)出來的各方面能力和素質(zhì)而并非簡單的學習結果，有效促進了學習者學習的積極性，體現(xiàn)了過程評價與終結性評價相結合的現(xiàn)代教育評價理念。

通過“活動-提煉-總結”方式的“結構化學”課程學習，學生能夠在科學活動中找到自己的長處，發(fā)現(xiàn)自己的潛能，體驗到相互合作的樂趣以及自己的想法被他人肯定和接納時的成功愉悅感。學生在自主學習過程中收獲的不僅僅是知識和能力，還有對自我的肯定，對他人的贊許，以及對學習、對科學研究的積極態(tài)度。同時，最難能可貴的是學生的學習能力普遍得到了提高，自主學習意識明顯增強，為他們今后更好地開展分子模擬研究乃至從事化學理論與實驗相結合的研究打下了良好的基礎。

參考文獻：

[1] 萬堅等. “結構化學”課程內(nèi)容體系與教學方法的研究與實踐[A]//大學化學化工基礎課程報告論壇論文集[C]. 北京：高等教育出版社，2007：264-267.

[2] 夏禹龍. 科學學基礎[M]. 北京：科學出版社，1983：45.

篇5

1專業(yè)知識體系的調(diào)整

2006年教育部全國高等學校教學研究中心、材料科學與工程教學指導委員會聯(lián)合制定的《高等學校材料化學專業(yè)規(guī)范(討論稿)》(以下簡稱“規(guī)范”)中所制定的專業(yè)知識體系對于我校應用型人才培養(yǎng)來說，顯得內(nèi)容偏多，理論偏深，要求偏理，工程意識不強，因此，結合我校應用型人才辦學實際，對“規(guī)范”中所界定的專業(yè)知識體系中內(nèi)容做了相應的調(diào)整，從而形成了我校材料化學專業(yè)發(fā)展的專業(yè)知識體系。該體系內(nèi)容調(diào)整的思路和原則是:精簡內(nèi)容，保證基本理論和必要的基本知識，降低難度，突出應用特色，體現(xiàn)學科進展;達到學生具備繼續(xù)學習的理論基礎和應用所學知識于工程實踐的能力，適于培養(yǎng)應用型、創(chuàng)新型人才的要求。如“規(guī)范”中的量子力學基礎、計算化學、電子論、材料科學中的數(shù)學等理論性強的內(nèi)容一律刪除。調(diào)整后，體系由化學基礎知識、材料科學基礎知識、專業(yè)方向知識三個部分所組成，其中化學基礎知識包括基本的化學知識，化學原理、化學方法;材料科學基礎知識包括材料的結構、材料的化學制備，材料的分析測試、材料的物理性質(zhì)以及材料的成型加工等;專業(yè)方向知識包括高分子材料的制備、結構、性能、加工以及應用等，詳見表1。

2課程體系的設置

設置什么樣的課程來貫徹實施上述專業(yè)知識是我們一直以來探索的一個重要的教學改革問題。課程設置不同所獲得的教育效果也就不同。在這方面各學校辦學情況不同其做法也不一樣［2－4］。經(jīng)過幾年的教學實踐，我們認為，材料化學既然是研究材料的化學問題的科學，材料化學專業(yè)人才培養(yǎng)理當強調(diào)化學基礎的學習，只有具備厚實的化學基礎，才有可能弄清材料的化學問題，并用化學方法去研究和解決材料的化學以及其他問題，未來發(fā)展才有后勁;另外，化學基礎好更有利于學生就業(yè)。因此，我們設置了無機化學、有機化學、分析化學、物理化學、化工原理、高分子化學、材料化學和材料科學基礎、高分子材料等9門核心課程來完成化學基礎、材料學基礎和專業(yè)方向等三部分知識，并做到統(tǒng)一考慮內(nèi)容取舍、不重疊，處理好課程的相對完整與課程間融合銜接;精簡繁多的數(shù)學推導和敘述性的內(nèi)容，做到“簡明”而不弱化基本理論，以滿足材料化學專業(yè)本科教育專業(yè)認證的基本要求;引進學科近展的新內(nèi)容，反映學科發(fā)展的方向。在教學內(nèi)容上，無機化學、有機化學、化工原理、高分子化學和高分子材料等都緊密聯(lián)系工業(yè)生產(chǎn)實際，滲透工程意念;分析化學以儀器分析方法為主;物理化學強化熱力學基礎和界面與膠體化學及其在材料化學中的應用;材料化學注重材料制備和分析測試;材料科學基礎主要介紹材料的物理性質(zhì)和材料的成型與加工(如表1所示)。

3課程標準的制定

教學的規(guī)范化、標準化是課程實施質(zhì)量的保障，為此，我們陸續(xù)制定了上述核心課程的課程標準。在課程標準中規(guī)定了各門課程的性質(zhì)、課程目標、課程內(nèi)容，以及學生在知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀等方面的基本要求，全面體現(xiàn)素質(zhì)教育、創(chuàng)新教育的理念和課程功能。課程標準是教材編寫、教學及其評估的依據(jù)，同時也是管理和評價課程、加強課程建設的基礎，它的制定和實施，將全面推動教學質(zhì)量的提高，這對于培養(yǎng)素質(zhì)全面、富有應用型、創(chuàng)新型人才具有深遠意義［5］。

篇6

電子信息類專業(yè)涵蓋較廣，主要的專業(yè)有電子信息工程、電子科學與技術、電子信息科學與技術、通信工程、光信息科學與技術。這些專業(yè)看上去近似，又不盡相同，下面我們通過各專業(yè)的課程設置、培養(yǎng)方向、就業(yè)方向來進行了解。

電子信息工程、電子科學與技術、電子信息科學與技術：傻傻分不清楚

不少同學面對“電子信息工程”“電子科學與技術”“電子信息科學與技術”這三個非常相近的專業(yè)名詞時，會感到迷惑。作為“電子”相關的專業(yè)，就像是三胞胎一樣，在一些院校被俗稱為“三電”。相對于通信工程和光信息科學與技術而言，它們都是較寬口徑專業(yè)，所學的專業(yè)知識更廣，當然就業(yè)面也會更廣。通信工程和光信息科學與技術專業(yè)，所學的專業(yè)知識更有針對性，更加深入，也比較精細?，F(xiàn)如今，高校開設“三電”專業(yè)的大學非常多，一般的理工類院校和綜合性大學幾乎都有，甚至一些文科類大學也開始嘗試開設。那么這三個專業(yè)到底有什么區(qū)別呢？

首先，從教授的課程來看，這三個專業(yè)在大一、大二、大三上學期所學的基礎課程基本一樣，只是在大三下學期、大四開設的專業(yè)課程有不同的側重點――電子信息工程重“信息”，即信號處理，學習硬件電路、軟件編程；電子科學與技術重“電子”，即硬件電路設計，學習物理電子、光電子和微電子學；電子信息科學與技術重電路設計，跟電子科學與技術專業(yè)最為接近，它作為后者的子專業(yè)，學習范圍更廣，包括電子、計算機、信息技術三大知識板塊，可以說是集電子信息工程、電子科學與技術于一體。

其次，從就業(yè)來看，電子信息工程專業(yè)的學生畢業(yè)以后可以當軟件工程師（設計開發(fā)各種軟件）、電子工程設計師（設計開發(fā)一些電子、通信器件）。電子科學與技術專業(yè)的學生畢業(yè)以后可以從事開發(fā)計算機硬件工作，當電路設計工程師（這個專業(yè)主要有兩個就業(yè)方向，一是集成電路生產(chǎn)企業(yè)，二是集成電路設計企業(yè)）。電子信息科學與技術專業(yè)的學生就業(yè)口徑最寬，有著“萬金油”之稱，電子方面，可以做電路設計工程師；信息方面，可以做電信工程師；計算機方面，可以開發(fā)軟件、硬件。

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通信工程：“信息”中的王牌專業(yè)

通信工程具有極廣闊的發(fā)展前景，也是人才嚴重短缺的專業(yè)之一。通信行業(yè)涉及領域廣，可以說是橫跨了電子和計算機行業(yè)。而通信工程專業(yè)跟前文介紹的“三電”專業(yè)不同之處在于，通信工程專業(yè)知識更加有針對性，側重于“信息”，理論學習更加深入，課程難度大，可以達到“基本掌握”。而同樣是側重于“信息”的電子信息工程專業(yè)，只能說是“基本了解”。主干課程中，如程控交換技術、移動通訊、計算機網(wǎng)絡通訊、光纖通訊等，都是“三電”專業(yè)不會開設的。該專業(yè)要求畢業(yè)生掌握通訊技術和計算機技術的基本理論與設計方法及程控交換技術、光纖通訊、移動通訊和計算機網(wǎng)絡通訊的基本原理及應用方法。

通信工程專業(yè)在本文提及的所有專業(yè)中，開設最早，招生的分數(shù)線最高，得益于通信行業(yè)的高速發(fā)展，一直是非常熱門的“王牌專業(yè)”。因為其在信息、信號處理方面專業(yè)知識學習比較深入，畢業(yè)生選擇考研，特別是報考信號處理、無線電波等方向優(yōu)勢會比較明顯。當然，就業(yè)也非常不錯，在通信領域中從事研究、設計、制造、運營的工作及在國民經(jīng)濟各部門和國防工業(yè)中從事開發(fā)、應用通信技術與設備的高級工程技術的工作。比如選擇去電子信息類技術研發(fā)的相關科研院所，中興、華為、大唐、富士康等設備制造商，摩托羅拉、三星、貝爾等外資企業(yè)；也可以去通信運營商，如中國電信、中國移動、中國聯(lián)通等，從事信號處理類的研發(fā)、設計工作。隨著現(xiàn)在國家大力推廣的3G移動通信技術，通信工程專業(yè)的畢業(yè)生專業(yè)優(yōu)勢明顯，專業(yè)對口，相信在就業(yè)時，可以得到更多被青睞的機會。

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光信息科學與技術：徜徉在光的海洋

光信息科學與技術，這個名字聽起來很抽象，其實卻實實在在地存在于你我的日常生活之中：我們同美國親友之間的越洋電話聯(lián)系，依靠的是太平洋海底長長的光纖；我們上網(wǎng)所用的寬帶、用超大規(guī)模彩色LED（液晶）顯示器欣賞色彩艷麗的畫面，都是對光信息技術最直接的體驗。

本專業(yè)培養(yǎng)具備光信息科學與技術的基本理論、基本知識和基本技能，能在應用光學、光電子學及相關的電子信息科學、計算機科學等領域（特別是光機電算一體化產(chǎn)業(yè)）從事科學研究、教學、產(chǎn)品設計、生產(chǎn)技術或管理工作的光信息科學與技術高級人才。本專業(yè)學生主要學習光信息科學與技術的基本理論和技術，熟悉光學、電子學技術和計算機技術。

光信息科學與技術專業(yè)一般設在電子工程系或通信工程系。隨著光電子技術的發(fā)展與興起，一些院校已逐步將這一專業(yè)單獨分出成系，這也充分顯示了該專業(yè)良好的發(fā)展前景。不過，對物理學、量子力學、波動光學等幾科的要求都相當高。如果你對物理、數(shù)學很感興趣，有比較好的邏輯思維和抽象思維能力，以及比較強的理解力，不妨報考這個專業(yè)，光的海洋會讓你受益匪淺。

篇7

摘要：半導體物理課程是應用物理專業(yè)非常重要的專業(yè)必修課，這門課程比較抽象，理論性、邏輯性較強，對半導體物理教學內(nèi)容和方式的整合和講授有一定難度。本論文依據(jù)西部地區(qū)理工科院校的培養(yǎng)方案和國內(nèi)外先進的教育理念，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和探索精神，提高教學質(zhì)量以及學生綜合利用知識的能力。

關鍵詞：半導體物理；教學效果；教學方法

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）13-0167-02

半體物理是固體物理學的一個重要分支，主要闡述半導體的基本物理理論和基本物理性質(zhì)以及當前各種半導體器件內(nèi)部電子輸運過程的學科，是應用物理學的新器件和新材料技術方面的基礎學科，現(xiàn)已成為現(xiàn)代新器件、新材料的基本物理理論基礎，為后人研制半導體新器件和新材料實現(xiàn)特殊性能提供解釋物理機理和指導方法，將物理的基本理論和實際應用之間建立橋梁。半導體物理課程的開設為以后學生從事電子行業(yè)提供了基本理論知識。相對于西部落后地區(qū)一般本科院校的學生來說，他們的專業(yè)基礎相對薄弱。但是，學習這門課程需要較強的基礎功底，《量子力學》、《固體物理》這些比較難學的課程必須學好，因此出現(xiàn)學生課堂不愿上課，這極大地影響到教師的積極性，增加了教學的難度。為了更好地講授半導體物理課程，讓學生對這門課程知識的理解和掌握達到教學目的的要求，筆者結合西部落后地區(qū)一般本科院校學生的實際情況，并針對在應用物理專業(yè)的半導體物理課程教學實踐中發(fā)現(xiàn)的問題淺談自己的看法。

一、構建合理的教學內(nèi)容，提高課程教學的有效性研究

1.修訂教學大綱。根據(jù)光電子、微電子兩個專業(yè)方向后續(xù)課程的需要及參加研究生入學資格考試應掌握的基本知識，兩個專業(yè)方向的教學內(nèi)容及學時分配有所不同，選擇適合學生特點的教材以及教學大綱。在半導體物理學的教學內(nèi)容包括半導體的晶體結構、載流子和非平衡載流子、半導體PN結器件等相關重點、難點、概念，以及一些參考資料、作業(yè)題和思考題，需要合理安排教學計劃及對應學時的分配。針對半導體的教學內(nèi)容，需要開展該課程教學研討活動，著重強調(diào)半導體物理理論用在實踐中。授課教師應根據(jù)該學科發(fā)展的方向、教學改革和實踐的變化等情況，不定期修訂教學大綱。針對半導體物理學課程的教學上，由于該課程的理論分析（包括能帶理論、半導體的電子傳輸理論等）非常深奧，公式的推導比較多，對于基礎相對較差的學生來說，學習起來非常吃力，而且枯燥乏味。我們經(jīng)過比較分析現(xiàn)有眾多半導體物理教材后，采用高等學校工科電子類（電子信息類）規(guī)劃教材《半導體物理學》，由西安交通大學劉恩科等編寫。該教材半導體物理的基礎知識比較全面體現(xiàn)突出物理概念，強調(diào)基本分析方法，沒有很多煩瑣的公式推導，可讀性強，便于自學。目前很多高校都在使用該教材[1]。

2.激發(fā)學生的科研興趣，培養(yǎng)學生的科研素質(zhì)。采用研究型課堂教學為學生提供了發(fā)現(xiàn)問題、研究和解決問題的基本程序，并提供了實踐機會，豐富了學生的實踐經(jīng)驗，為學生在今后工作中開拓創(chuàng)新奠定了堅實的基礎，因為學生將來希望從事IT行業(yè)，比如太陽能電池、超大規(guī)模集成電路、LED顯示等，因此，在課程起始階段，教師介紹半導體的學科發(fā)展，結合半導體在太陽能電池、超大規(guī)模集成電路、LED顯示等方面的應用，給學生提供學習思路框架，用簡單的邏輯關系指明各個學習點和概念的相互關系，使學生知識的來龍去脈有整體的把握，使他們了解課程的重要性以及提高對這門課程的興趣。做到較快地掌握教材中給出的很多結論，達到良好的學習的效果[2]。

3.合理使用現(xiàn)代化教學手段。在教育現(xiàn)代化、信息化的今天，以多媒體與計算機網(wǎng)絡技術為核心的信息技術是當代教育改革的制高點，多媒體技術以圖文并茂、聲像俱佳、動靜皆宜的表現(xiàn)形式走進課堂，所以運用多媒體技術教學可以很好地對解決常規(guī)課堂教學中難以解決的難點[3]。但在半導體物理教學中，如果一味地使用多媒體課件，盡管很多圖片都非常的逼真、形象，讓學生能夠更好地理解。如第一章中學習有關載流子濃度的計算，對掌握晶體的能帶結構，熟悉硅、鍺、砷化鎵等傳統(tǒng)半導體的能帶結構特征，包括禁帶、導帶、價帶等基本概念的理解來說都非常形象，利用多媒體動畫，就可以清楚地展示出原子排列結構如何從一個原子到多個原子的公有化運動形成能帶，但是多媒體教學忽略了學生的感受和接受能力，違背了教學規(guī)律。針對這些問題，在課堂教學中必須先啟發(fā)學生的對半導體物理思維，在學生建立對半導體的求知欲之后，適當運用多媒體技術圖文并茂、聲像俱佳、動靜皆宜的優(yōu)勢，將教學過程中的難點和重點概念傳授給學生。如在講解半導體能帶結構時，通過多媒體課件展示并結合板書，這樣學生更容易接受相關理論的精髓。只有將教師在課堂中的板書與多媒體技術結合起來，才能獲得非常好的教學效果。

二、緊跟學科前沿，結合科研實際適當把前沿知識引入課堂

在半導體物理教學組織管理方面，采用傳統(tǒng)的理論講述、練習習題課、實驗實踐相結合的形式，理論講授課由主講教師講授半導體物理的基本概念和基本分析方法。專門開設習題課，負責復習和鞏固理論課講授的內(nèi)容，并通過綜合練習提高學生的分析問題的能力。但是不能單純講解理論知識，而是要結合教師和學生的科研實踐對理論知識進行深入的解析，這樣有助于培養(yǎng)學生的科研思維。將教學與科研相結合，讓學生了解半導體物理學科的研究前沿。比如在講解能帶論與半導體相關器件時，可以引入現(xiàn)代科技進展，結合自己主持的半導體器件相關科研項目，如電阻式隨機存儲器（RRAM）作為一種新型的非易失性存儲器，其原理是過渡金屬氧化物在不同極性的外電壓脈沖作用下誘導出不同電阻態(tài)的效應。由于電阻式隨機存儲器擁有高速、高密度、低功耗、制備簡單、半導體工藝兼容性好等優(yōu)秀的性能，引起人們廣泛的關注，有望替代目前市面上的磁存貯器，成為下一代的通用存儲器，其熱點集中在性能及機理的研究上。另外一些研究通過設計成pn結器件，制備成十字交叉結構憶阻器件，以實現(xiàn)高的器件密度以及解決讀寫誤讀的想象。從眾多的有關半導體中基本的晶體結構知識、能帶理論和半導體的電子輸運性質(zhì)，提出了不同的模型來解釋這一電阻開關現(xiàn)象，相應的機理包含傳導燈絲導通模型，空間電荷束縛模型，電致氧空位遷移機制，肖特基勢壘模型等，而電極效應是指電極與薄膜材料的界面處由表面態(tài)導致的電阻轉變的機理。另外在講解半導體發(fā)光，以及光電效應時，可以引入到目前太陽能發(fā)光，LED發(fā)光等應用非常廣的領域，從而激發(fā)學生的科研能力，促進學生素質(zhì)的全面提高，為學生以后從事科研或者相關工作打下一定的基礎。

三、加強實驗教學

實驗實踐教學是應用性人才培養(yǎng)的重要保證，針對半導體物理實踐課來說，其實是半導體課程的最重要部分，通過實踐實驗教學，使學生掌握和體會半導體物理理論對現(xiàn)代半導體產(chǎn)業(yè)和半導體知識的理解，讓學生樹立理論聯(lián)系實際的學風和工作作風，提高學生綜合分析解決問題的能力。在傳統(tǒng)實驗課中，因內(nèi)容過分偏重于基礎訓練，所以在方法和手段上很單調(diào)，主要以模仿為主，缺少設計性、創(chuàng)新性。在教學內(nèi)容上，適當增加了綜合性、設計性和創(chuàng)新性實驗，如果恰當?shù)厥褂弥庇^、形象物理圖像，使學生獲得感性認識，縮小理論與實際的差距，縮短學生的認識過程，會提高課堂教學質(zhì)量。這樣也可以調(diào)動學生的學習積極性，推進學生的自主實驗和合作實驗。自主設計實驗，測量半導體體電阻率、MOS結構C-V測量、為霍爾效應及半導體相關參數(shù)測量，通過這些實驗，使學生掌握幾種基本量測量方法以及數(shù)據(jù)處理的方法；熟悉基本的分析問題和解決問題方法及常用儀器的使用；在實驗中綜合運用所學的半導體物理學基本知識以及其他相關知識，提高學生的實際操作以及綜合實驗的能力，使科學研究的方法和探索解決問題的能力得到更好的培養(yǎng)，進而達到良好的實驗教學效果。

四、結束語

半導體物理作為應用物理、光電子和微電子專業(yè)重要的專業(yè)基礎課，半導體物理教學改革是一個龐大而又復雜的系統(tǒng)工程，我們通過對半導體物理教學模式、內(nèi)容、方法和手段的改革進行了一些有意義的整合與改進，同時不斷提高自身的能力，可以逐漸形成適應應用型本科院校辦學定位的新的教學模式。

參考文獻：

[1]耿莉，徐友龍，張瑞智，創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式下的半導體物理教學研究[J].電氣電子教學學報，2009，（31）：85-89.

[2]劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導體物理學[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：156-168.

篇8

關鍵詞 教學改革；案例教學法；多媒體教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1671-489X（2012）33-0014-03

無機非金屬材料測試方法（以下簡稱“測試方法”）是無機非金屬材料工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，課程中主要介紹了有關材料科學分析測試儀器的原理與使用、無機材料的表征以及測試數(shù)據(jù)的處理與分析等內(nèi)容[1]。本課程的目的是通過教學使學生了解無機非金屬材料領域常用的測試方法，了解相關儀器的結構和功能，掌握儀器的基本操作以及如何選用合理的測試方法檢測、表征材料的組成和結構，再對所獲得的信息進行正確的處理和解釋等。

這門課程的學習對該專業(yè)的本科生構建相應的知識結構體系起了重要的作用，也為他們以后開展生產(chǎn)實踐、畢業(yè)論文和材料專業(yè)的研究等奠定必要的基礎，但是課程內(nèi)容涵蓋面大，涉及的知識十分零散，課程整體缺乏系統(tǒng)性，導致學生學習起來比較困難。因此，如何組織教學內(nèi)容，理清知識的內(nèi)在聯(lián)系，把握好講授內(nèi)容的深度和廣度，選用恰當?shù)姆椒ㄟM行教學，將決定本課程教學效果的好壞。鑒于此，為進一步提高該門課的教學質(zhì)量，有必要對課程教學進行改革，包括教學內(nèi)容、教學方法、教學手段和教學實踐等方面的探索和改進，以期獲得更好的教學效果。

1 教學內(nèi)容和教學要求的改進

材料的分析測試方法已經(jīng)發(fā)展有五六十種之多，它們的原理不盡相同，其實多數(shù)各自獨立，在當前出版的教材中也多是一個章節(jié)介紹一種方法，這種相互間缺乏邏輯性聯(lián)系的知識給學生的學習帶來一定的障礙。為此，首先，根據(jù)學校的具體情況和非金屬專業(yè)的要求，選擇合適并且必要的測試方法作為教學內(nèi)容；其次，將這些零散且寬泛的知識進行系統(tǒng)總結和分類，將這些看似相互獨立的測試手段通過一定的方式聯(lián)系起來；最后，在教學中還要輕重分明，詳略得當，將重點突出，以便于學生的理解和掌握。

在實際教學中，將這些材料分析方法按其功能進行分類，主要有物相分析、成分分析、形貌分析及組織結構分析四部分。這種分類讓學生一開始就對每一種測試方法的用途有所了解，增強了教師教學和學生學習的針對性。下一步是對每一類分析方法在教學過程中再安排三級教學目標，第一級為對基本原理和設備結構的了解，第二級為對使用技術的掌握，第三級為對所得結果的分析和運用[2]。教學中通過對儀器工作原理和結構的介紹，讓其了解儀器是如何工作的，實驗數(shù)據(jù)是如何得來的；通過對樣品制備和儀器操作的介紹，讓學生掌握材料表征的基本技術；通過研究實例的分析，讓學生掌握分析方法的原理，學會基本的數(shù)據(jù)處理技術，進而得出實驗結論。

分析測試使用到多種儀器，它們的工作原理往往不同，涉及量子力學、晶體學、電學、磁學、光學、聲學等多種知識。對于材料科學與工程專業(yè)的學生而言，學習這門課程的主要目的是學會利用儀器測出數(shù)據(jù)和結果，再對其進行一定的分析。因此，在具體的教學內(nèi)容上，對每種儀器的原理和結構只作一般性了解，其目的是讓學生不僅知其然，還要知其所以然，即測出的數(shù)據(jù)和結果是如何得到的；而教學的重點則放在各種儀器的使用、樣品的制備以及如何處理和分析實驗數(shù)據(jù)上，讓教學目標由一般的“以儀器為中心”真正轉到“以材料為中心”上。

2 案例教學法的實施

所謂案例教學，就是在教師的指導下，根據(jù)教學目的和教學要求，組織學生通過對案例的調(diào)查、閱讀、思考、分析、討論和交流等活動，教給學生分析問題和解決問題的方法或道理，進而提高他們分析問題和解決問題的能力，加深對基本概念和原理的理解的一種特定的教學方法[3]。

“測試方法”這門課程雖然涉及的知識和理論很多，但實踐性很強，所以采用案例教學方式可能會取得更好的教學效果，為此做了一定的探索和嘗試。比如在講授X射線熒光分析的應用時，有意選取貼近生活的案例：如何確定購買的金戒指是24K。這個案例突出X射線熒光分析的元素定性定量分析和無損檢測特點，同時也激起學生學習的興趣。在學生學完全部測試方法之后，結合本院教師的科研課題，拿出一個綜合案例來進行教學。例如，取出一種新制備的納米粉體，向?qū)W生發(fā)問：如何確定它的成分和物相？怎么確定該粉體顆粒的粒度、形貌和結構？讓學生開動腦筋，靈活應用所學的分析測試手段，通過分組討論，設計實驗方案，仔細進行測試，進行合理分析，最后得出實驗結論。又如，拿出一種陶瓷塊體材料，要求分析影響其力學性能的因素。這個案例要結合“無機材料的物理性能”等其他學科的知識，首先要知道通常影響材料力學性能的因素有哪些，比如物相、成分以及組織斷口形貌等；其次是設計方案利用相應的儀器對這些因素進行檢測，再進行系統(tǒng)分析，以得出正確的結論。

實踐證明，通過案例教學，充分調(diào)動了學生學習的積極性和主動性：通過對所學知識的運用，深化了對理論的理解；通過對實際問題的解決，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力；通過學生間、師生間的相互交流和討論，還培養(yǎng)了他們與人溝通的能力以及團隊合作的精神。在案例教學中，學生還了解了材料研究的一般性思維與方法，鍛煉了綜合運用無機材料的基本知識和分析方法進行科學研究的能力。

當然在實施這種教學方法時，需要注意師生角色的變化。學生是教學活動的主體，由他們獨立查閱資料和思考問題，也由他們集體討論，相互交流，最后拿出最優(yōu)方案；教師只是在各個環(huán)節(jié)中起著啟發(fā)指導的作用。另外要注意案例教學與舉例教學的區(qū)別，案例教學是一個學生運用知識、培養(yǎng)能力的過程，而舉例只是輔助教師說明問題的一種手段。

3 多媒體教學手段的運用

多媒體教學是利用多種媒體設備和軟件對文本、聲音、圖形、圖像、動畫等信息進行綜合處理，教師在授課時配合屏幕上文字、圖片的顯示，動畫、視頻以及聲音的播放，利用形、聲、色、動、實等手法，將教學內(nèi)容用豐富多彩的形式表現(xiàn)出來的一種教學手段。

“測試方法”是一門具有多學科交叉性的學科，其教學內(nèi)容龐雜、信息量大，既有抽象的微觀理論需要介紹，又有復雜具體的分析儀器需要呈現(xiàn)。為適應在有限的課時內(nèi)達到更好的教學效果，有必要采用多媒體這種表現(xiàn)力強的現(xiàn)代教育技術裝備來進行教學。

多媒體教學的好處是易于調(diào)動人的多種感官來接受信息，該設備能在很短的時間內(nèi)將大量的內(nèi)容以圖文并茂、有聲有色的形式展現(xiàn)出來，大大增加了課堂教學的信息量，也容易激發(fā)學生的學習興趣。對于復雜儀器的介紹，多媒體具有獨特的優(yōu)勢，可以把無法拆卸的大型精密儀器通過PPT電子幻燈片或Flas的形式，直觀形象地顯示出內(nèi)部結構以及它的工作原理；對于儀器操作流程的教學，則可以播放事先制作的視頻資料，放在公共網(wǎng)絡平臺上，學生可以隨時下載觀看。顯然，這比課堂上教師的文字描述甚至到實地觀看的效果也要好。

此外，多媒體還可以使微觀模型宏觀化、抽象概念具體化。例如，在講解電子束與物質(zhì)的相互作用時，對于二次電子、背散射電子、透射電子、特征X射線和俄歇電子等各種信號產(chǎn)生的原理，如果僅僅口述，學生很難理解；但通過Flash形式，將每種信號的產(chǎn)生過程演示出來，整個過程將變得直觀明了[2]。教學中，在講授透射電鏡、掃描電鏡時，還涉及很多材料的電鏡照片；學習X射線衍射、熱分析以及紅外光譜、拉曼光譜時，要用到一些材料的圖譜，有了多媒體，則可以直接把它們顯示在屏幕上，教師就可以很方便地引領學生去觀看和分析。

當然，多媒體教學并不萬能。例如，在講解X射線衍射的基本原理時，涉及一些公式的推導，這時最好的教學方法還是傳統(tǒng)的板書，因為在板書的間隙學生剛好可以思考；若將公式直接閃現(xiàn)，學生難以跟上節(jié)奏。因此，在使用多媒體時還要間或運用傳統(tǒng)式教學，將兩者有機地結合起來，才能取得最佳的教學效果。另外，在使用多媒體教學時，容易造成教師站在操作臺前操作鼠標而不動，變成“播放員”，也容易造成照屏宣讀，變成“播音員”，從而忽視與學生的互動和交流，同時也限制了教師形體語言的運用；學生方面，更易被屏幕吸引，這是好事，但容易忽視教師的形體和表情，結果是師生間在課堂上缺乏情感上的交流，這些都勢必對教學效果造成一定的影響。因此，在使用多媒體教學時，為避免這種情況的出現(xiàn)，教師首先要熟悉教學內(nèi)容，其次是要使用翻頁激光筆，讓教師擺脫鼠標，從操作臺前站出來，必要時還要走到學生中去。

4 理論與實驗教學的聯(lián)系

“測試方法”是一門理論與實際聯(lián)系緊密的課程。實踐證明，課程內(nèi)容僅僅通過口頭講解，很難達到好的教學效果。如果在介紹每一種儀器的基本結構和工作原理的基礎上，再去觀察真正的儀器，并且上機操作，學生的積極性將會變得更加高漲，印象也會更為深刻。為此，根據(jù)學院和學校的現(xiàn)有條件設立X射線衍射、掃描電鏡、粒度分析、熱分析及紅外光譜等實驗教學內(nèi)容，讓理論去指導實踐，由實踐來強化對理論的理解。

實驗教學可以先安排針對某個測試方法的驗證性實驗，其目的是讓學生了解每種儀器的構造和原理，掌握儀器的操作，學會對實驗結果的分析；然后在此基礎上再設置一些綜合性、設計性實驗。后者在具體操作時可以結合一些教師的科研課題，樣品由教師提供，而如何去表征是在教師的指導下由學生分組討論，自行擬定實驗方案，分別對所測樣品的物相、成分、形貌及結構進行測試，并對結果進行分析[4]。通過這種綜合性實驗的鍛煉，讓學生了解到各種測試手段既相互獨立又有機聯(lián)系，它們往往具有互驗性，前一個實驗的結果可能就是下一個實驗的佐證；通過設計性實驗的練習，讓他們體會到實驗不只是驗證，更多的是探索、創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)，而各種測試的最終目的是去了解材料的內(nèi)部成分和微觀構造以及它們與宏觀性能的聯(lián)系，找出其中的規(guī)律，從而為進一步設計合成具有更優(yōu)性能的材料奠定基礎。同時，這些實驗過程的完成也是理論知識加深理解和靈活運用的過程，而這正是“測試方法”課程的教學目的。

5 結語

在“測試方法”課程的教學中，首先要根據(jù)現(xiàn)有的條件和專業(yè)的要求精心選擇教學內(nèi)容，然后對其合理編排，讓龐雜的知識變得更有邏輯性和系統(tǒng)性。針對理論性較深同時實踐性又較強的課程特點，采用案例教學法結合實驗教學，尤其是設計性實驗教學的進行，輔之以多媒體教學手段的運用，讓難以理解的內(nèi)容變得易被接受，讓枯燥抽象的理論變得形象生動，讓學生由被動接受知識轉化為自覺主動地學習。在學習知識的同時，更注重理論在實踐中的靈活應用；在技能得到培訓的同時，更注重研究性思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以期真正實現(xiàn)大學生知識、能力、素質(zhì)三者的協(xié)調(diào)發(fā)展。

參考文獻

[1]楊南如.無機非金屬材料測試方法[M].武漢：武漢工業(yè)大學出版社，1993.

[2]楊英歌，陳飛，曾冬梅，等.“現(xiàn)代材料分析方法”教學改革探討[J].新課程研究，2011（8）：75-76.

篇9

關鍵詞：農(nóng)科物理實驗；實驗教學改革；機遇和挑戰(zhàn)

中圖分類號：G647 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）35-0252-02

物理學作為一門實驗科學，伴隨著現(xiàn)代物理農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，物理學技術、物理實驗、物理學理論、物理學思維方式等知識在生物學領域中的應用逐漸擴大。其中物理實驗是科學實驗中的重要組成部分，是學生進入大學后接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓練的開端，也是高校物理教學的重要環(huán)節(jié)，在農(nóng)科物理實驗教學中對培養(yǎng)學生的理論與實踐相結合的能力有著重要的促進作用，對學生綜合能力的提高有著重要的意義。農(nóng)科院校學生就業(yè)面對的是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及如何為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務等工作，在校學習物理實驗時，應側重于如何將物理知識應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。應用特定的物理技術處理農(nóng)作物，能促進作物生長，控制病蟲害，綠色無污染。它是一種新興的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術，與化學農(nóng)業(yè)相比，現(xiàn)代物理農(nóng)業(yè)具有許多明顯的優(yōu)勢，可在減少化肥和農(nóng)藥使用量的同時，達到增產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病和高效的目的。與化學農(nóng)業(yè)相比，現(xiàn)代物理農(nóng)業(yè)具有許多明顯的優(yōu)勢，既可以減少化肥農(nóng)藥的投入，節(jié)約生產(chǎn)成本，有利于農(nóng)民增收，又可以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)、無公害的農(nóng)產(chǎn)品來滿足人們生活的需要。但因物理方法見效慢，不如化學方法直接。物理技術大多只應用于科技園區(qū)或農(nóng)業(yè)示范園區(qū)，物理技術的應用普及率偏低。這需要農(nóng)科院校的學生通過在校期間對物理知識的學習和實驗，在就業(yè)后面臨的生產(chǎn)實踐中不斷開發(fā)、完善新技術，普及推廣這一新技術。

鑒于北京農(nóng)學院對農(nóng)科普通物理實驗的課時安排較少（20學時），物理實驗教學目前均以基礎性、驗證性實驗教學為主，這種實驗教學安排阻礙了學生學習的主動性，更談不上對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。針對北京農(nóng)學院的農(nóng)科普通物理實驗教學改革和管理，談談自己的幾點思考。

1.驗證性實驗進行演示實驗教學。充分利用實驗課時，將需要保留的驗證性實驗在實驗課內(nèi)進行演示，既使大家能更多地了解物理理論的發(fā)展過程和物理理論的獲得過程，又可節(jié)約時間。

2.基本性實驗注重基本實驗技能、基礎實驗方法和基本實驗儀器使用的學習。所選實驗特點應能反映物理思想、注重基礎操作技能和運用經(jīng)典實驗方法。培養(yǎng)學生的實驗觀察能力，學習常見的數(shù)據(jù)處理方法，掌握誤差理論的基本知識，學習對實驗結果進行分析。重視在實驗動手過程中貫穿討論和交流，實驗過程設計為先討論、再實驗、再討論的步驟，重視學生的口頭報告和實驗報告。

3.綜合性、設計性實驗要重視對學生解決問題能力的培養(yǎng)。實驗室為學生提供足夠的實驗條件，除了通用儀器（如示波器、信號源等）外，盡量不采用集成化儀器，以便在實驗過程中充分發(fā)揮學生的主觀能動性，使學生置身于一種富有探索和創(chuàng)造性的環(huán)境中，積極主動地思考、分析問題，既培養(yǎng)了學生的創(chuàng)造能力和實驗技能，又能使學生在實驗研究方法、實驗設計思想等科學素質(zhì)方面得到鍛煉和提高。

4.仿真物理實驗可以豐富和深化物理實驗教學內(nèi)容。在物理實驗中，很多物理概念實際存在卻無法看到，如電場、磁場等，很多物理實驗現(xiàn)象出現(xiàn)時間極短，難以看見或看清等，這些問題在計算機、多媒體網(wǎng)絡技術廣泛使用推廣后得到了有效解決。仿真物理實驗的模擬場景可以很多，能夠自己通過實驗要求自己來創(chuàng)建相應的實驗對象，這樣可以通過這些實驗對象和實驗環(huán)境來進行自己的模擬實驗，可以實現(xiàn)大部分物理理論知識的驗證，如相對論、量子力學等。這種實驗不僅能加深學生對物理現(xiàn)象的印象，提供空間讓學生發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力，還能使學生不受時間、空間的制約。

5.自編的實驗教材更能適應本校的實驗教學內(nèi)容、儀器的不斷更新和新技術的應用。目前，為了適用于各院校大學物理實驗教學，一般大學物理實驗教材覆蓋面很廣，將所有可能要做的大學物理實驗均羅列在上，實驗目錄中實驗數(shù)量很多，但因我校實驗課時少，能開出的實驗相應也少，學生對所購買的教材使用率意見較大。自編實驗教材會根據(jù)學校的專業(yè)要求、課時安排和學校已有的實驗儀器設定所要開出的各類實驗，針對性強，并能由淺入深，循序漸進，既能吸收傳統(tǒng)實驗的精華，又能突出現(xiàn)代實驗的特點，還能做到物理實驗和農(nóng)業(yè)各專業(yè)的有機結合，學習如何將物理知識應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

6.加強實驗室建設。一支責任心強、業(yè)務水平高的專職實驗技術人員隊伍是實驗室最寶貴、最重要的資源，是實驗室正常、有效運轉的有力保證。實驗技術人員應具有很強的業(yè)務能力和很高的實驗室管理水平，能及時將科研成果轉化為新實驗。重視實驗隊伍的建設，加強對實驗人員的培養(yǎng)，才能使實驗室煥發(fā)出生機與活力，使實驗教學能更好地為教學科研服務。

7.引入現(xiàn)代化教育設備為物理實驗教學提供一個嶄新的平臺。在物理實驗教學中引進信息技術，不但充實了實驗教學的需要，彌補了一些實驗儀器的不足，對物理實驗教學的改革和物理實驗儀器的更新起到了重要的促進作用。信息技術結合物理教材，可以通過互聯(lián)網(wǎng)技術在校網(wǎng)上利用Flas模擬實驗、利用PPT課件進行課堂知識教學、利用Excel表格對物理實驗數(shù)據(jù)進行處理等，學生還可以在課余時間利用學校局域網(wǎng)查找各類文獻資料，撰寫實驗論文等，在一定程度上提高了學生獨立自主學習的能力和創(chuàng)新實踐能力，使得學生的整體素質(zhì)進一步提升。

以傳授知識為主的傳統(tǒng)教學方法已不能適應新的教學體系，現(xiàn)有物理實驗課程設置不能適應時代的發(fā)展和要求，建立新的物理實驗教學新體系迫在眉睫，而建立物理實驗新體系的核心應以培養(yǎng)學生的實踐能力、解決實際問題的能力和創(chuàng)新精神為出發(fā)點，以農(nóng)業(yè)物理產(chǎn)業(yè)為依托，打破物理技術、生物技術、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的界限，實現(xiàn)各學科的有機結合。在有限的時間里，將原有的物理實驗重新整合，形成從基礎到前沿、從接受知識型到具有獨立解決實際問題能力型的物理實驗課程新體系。

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