發(fā)布時(shí)間：2022-04-17 05:10:03
序言：寫作是分享個(gè)人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了1篇的量子力學(xué)論文樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
量子力學(xué)是20世紀(jì)物理學(xué)取得的最偉大成就之一，也是物理類專業(yè)標(biāo)志性課程。量子力學(xué)主要研究對象是原子、分子等微觀客體的運(yùn)行規(guī)律，由于它的出現(xiàn)，材料學(xué)在導(dǎo)電性、超導(dǎo)性、磁性領(lǐng)域都有了突破性的進(jìn)展，除此之外它還對化學(xué)、生物學(xué)、天文等學(xué)科和許多近現(xiàn)代技術(shù)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
量子力學(xué)不同于以往力、熱、光、電這些經(jīng)典物理，它有自己獨(dú)特而全新的理論框架體系，初次接觸該課程的學(xué)生很難接受，量子力學(xué)的創(chuàng)建者之一波爾就曾說過“如果誰在第一次學(xué)習(xí)量子概念時(shí)不覺得糊涂，他就一點(diǎn)也沒有懂”。本人從2011年開始講授《量子力學(xué)》課程，先后教過5屆學(xué)生，對于如何教好普通地方工科院校的學(xué)生，有一些體會(huì)。
1 講授量子力學(xué)建立背景很重要
對于任何一門課程，只掌握書本里相關(guān)的公式、定律，能熟練地做課后題是不夠的，這些只能讓學(xué)生知其然而不知所以然。更何況正如波爾所說，初次接觸量子力學(xué)的人本身就很困惑，如果剛開學(xué)直接講授物質(zhì)波、波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋、不確定性原理，用薛定諤方程計(jì)算能級和波函數(shù)，學(xué)生會(huì)一頭霧水，不知道這些知識是什么，有什么用？如果我們回顧一下量子力學(xué)產(chǎn)生過程：開爾文的“兩朵烏云”、普朗克解釋“黑體輻射”、愛因斯坦解釋“光電效應(yīng)”（包括康普頓散射實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證）、波爾的氫原子理論，物理學(xué)的發(fā)展還是有規(guī)可循的，有這些前期成果作鋪墊，德布羅意物質(zhì)波理論、薛定諤方程、波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋容易被接受，再告訴學(xué)生勢阱看做簡化的原子模型，得到的能級與原子發(fā)光機(jī)理相聯(lián)系，學(xué)生學(xué)起來就會(huì)明白一些。這樣適當(dāng)增加量子力學(xué)建立背景，使學(xué)生明白它不是憑空產(chǎn)生的，是人類認(rèn)識世界到了微觀層次，由實(shí)驗(yàn)和理論相互促進(jìn)的必然結(jié)果，教學(xué)效果會(huì)好很多。
2 講授數(shù)學(xué)知識儲備和課本的組織框架很重要
量子力學(xué)中微觀體系的狀態(tài)用波函數(shù)來描述，每一個(gè)狀態(tài)可以看成數(shù)學(xué)中的希爾伯特空間的一個(gè)矢量，線性代數(shù)中所學(xué)的矢量運(yùn)算法則（如矢量的加法、數(shù)乘、內(nèi)積等）成了量子力學(xué)中基本運(yùn)算。在矩陣力學(xué)中，態(tài)和力學(xué)量又可以用一個(gè)矩陣來表示，矩陣的運(yùn)算法則及相關(guān)概念也是掌握量子力學(xué)所必須的。薛定諤方程本身就是一個(gè)偏微分方程，量子力學(xué)中的期望值也需要與概率相關(guān)的知識。《量子力學(xué)》課程一般開設(shè)在本科大三年級，所有數(shù)學(xué)知識都已學(xué)過，同時(shí)學(xué)生也有所遺忘，如果在正式授課前帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)一下相關(guān)數(shù)學(xué)知識，不僅使學(xué)生學(xué)習(xí)更輕松，也有助于一些考研同學(xué)的復(fù)習(xí)，起到事半功倍的效果。
學(xué)生在接觸一門新課時(shí)，隨著學(xué)習(xí)的深入很容易陷入“只見樹木不見森林”的困境，所以講授一些書本的理論框架也比較重要。我們使用的是周世勛的《量子力學(xué)教程》，該書淺顯易懂，邏輯清晰，適合普通地方工科院校的學(xué)生作為量子力學(xué)的入門課本。如果學(xué)生明白課本的安排，包括這么幾部分：描述一個(gè)狀態(tài)及狀態(tài)隨時(shí)空的演化法則、狀態(tài)中物理量的獲取、微擾理論、自旋及多體，外加一獨(dú)立成章的矩陣力學(xué)，學(xué)習(xí)起來會(huì)清晰許多，明白自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度，前后章節(jié)的聯(lián)系，教學(xué)效果自然會(huì)得到提升。
3 講授名人軼事，聯(lián)系學(xué)科最新進(jìn)展
和其他理論課程一樣，《量子力學(xué)》抽象難懂、推導(dǎo)過程復(fù)雜，講授會(huì)枯燥乏味。所幸量子力學(xué)建立的年代是上世界物理學(xué)發(fā)展的黃金時(shí)代，英雄輩出，群星璀璨。量子力學(xué)的締造者如普朗克、愛因斯坦、波爾、德布羅意、薛定諤、海森堡、狄拉克、泡利等人身上都充滿了傳奇，從他們身上不僅可以學(xué)到知識、啟迪智慧，每一個(gè)物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)背后的故事、名人之間的師承門派還可以作為調(diào)節(jié)課堂氛圍的資料，讓學(xué)生感受到量子力學(xué)也是有血有肉的活生生的誕生在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中，而不是如天外飛仙那般突然現(xiàn)世。學(xué)生有了這種親近感，學(xué)習(xí)起來也會(huì)有動(dòng)力。
盡管量子力學(xué)理論框架于20世紀(jì)30年代已經(jīng)基本建立，成功的解釋了很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也影響了諸如化學(xué)、生物、材料等諸多學(xué)科的發(fā)展，但圍繞量子力學(xué)基本概念、原理、物理圖像的理解一直爭論不斷，隨著實(shí)驗(yàn)手段的進(jìn)步，諸如量子通訊、量子計(jì)算、拓?fù)浣^緣體、量子霍爾效應(yīng)、外爾半金屬等許多新成果不斷涌現(xiàn)，成為當(dāng)今世界一個(gè)又一個(gè)的研究熱點(diǎn)，不斷提升人類認(rèn)識物質(zhì)世界的高度和深度。課堂上介紹這些學(xué)科的前沿進(jìn)展，讓學(xué)生感受量子力學(xué)的魅力和生命力，能極大的促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。
4 合理實(shí)用多媒體課件教學(xué)
隨著網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，多媒體課件豐富了教學(xué)手段和內(nèi)容，為教學(xué)帶來了諸多便利。在講授氫原子的量子理論時(shí)，公式繁瑣、推導(dǎo)冗長，如果一一板書講授，學(xué)生很容易聽到后面忘了前面，如果提前做好課件，推導(dǎo)過程以幻燈片的形式播放，重點(diǎn)講授推導(dǎo)邏輯和幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，這樣學(xué)生學(xué)習(xí)起來會(huì)省力很多。還有如果把電子衍射圖像形成過程用動(dòng)畫演示的方式播放，學(xué)生對波函數(shù)統(tǒng)計(jì)解釋的理解會(huì)加深很多。
多媒體教學(xué)會(huì)加強(qiáng)課堂上教學(xué)的交流、提高學(xué)生信息獲取量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，但事物都具有兩面性，多媒體課件能為教學(xué)引入很多便利，也有一些不足。如過分的使用多媒體課件，一張張的過幻燈片，除了信息量太多，學(xué)生還會(huì)被課件中動(dòng)畫、視頻所吸引，忽視其中公式推導(dǎo)，及和老師的交流，這樣學(xué)習(xí)層次很容易流于表面，不能深入；反之如果教授板書講授，物理過程仔細(xì)推導(dǎo)，關(guān)鍵處點(diǎn)評交流，學(xué)生有時(shí)間去思考和參與討論，能夠加深對知識的理解，有利于構(gòu)建他們的知識體系?？傊俺哂兴檀缬兴L”，只有傳統(tǒng)板書教學(xué)與多媒體教學(xué)有機(jī)結(jié)合，才能達(dá)到提高教學(xué)效果這一根本目標(biāo)。
《量子力學(xué)》在物理專業(yè)的課程體系中占有重要的地位，對學(xué)生的發(fā)展更為重要，讓學(xué)生更容易的認(rèn)識、接收、理解、應(yīng)用相關(guān)知識，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中加深對物理學(xué)的熱愛，是我們教學(xué)的最終目標(biāo)，也是我們教師的責(zé)任。希望這些粗淺的思考能為其他地方工科院校的教學(xué)提供一些參考。
摘要：電子科學(xué)與技術(shù)是光電信息產(chǎn)業(yè)的支柱和基礎(chǔ)，量子力學(xué)作為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)最重要的必修課，其體現(xiàn)出的研究和對待新事物的思想和方法，對培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識具有十分重要的啟迪作用。論文圍繞“科研融入教學(xué)、教學(xué)提升科研”的理念，提出拓展和更新量子力學(xué)理論課的教學(xué)內(nèi)容，科研是充實(shí)教學(xué)內(nèi)容、提高教學(xué)質(zhì)量的源泉。同時(shí)，教師在提升教學(xué)效果的同時(shí)需要不斷充實(shí)提升自己的科研水平，形成科研教學(xué)雙促進(jìn)，從而推動(dòng)人才的培養(yǎng)和教學(xué)水平的提高。
關(guān)鍵詞：電子科學(xué)與技術(shù)；量子力學(xué)；理論教學(xué)；科研實(shí)踐
現(xiàn)代信息技術(shù)即將步入光子學(xué)新階段，光子作為信息和能量的載體，迅速推動(dòng)建立了一個(gè)前所未有的現(xiàn)代光電子交叉學(xué)科和信息產(chǎn)業(yè)。電子科學(xué)與技術(shù)是光電信息產(chǎn)業(yè)的支柱和基礎(chǔ)，是多學(xué)科相互滲透而形成的交叉學(xué)科。量子力學(xué)在近代物理中的地位如此之重，但在實(shí)際教學(xué)中學(xué)生普遍感到量子力學(xué)理論性太強(qiáng)，公式眾多，邏輯推理嚴(yán)密，太過抽象，難以理解，特別是跟實(shí)際生活聯(lián)系不緊密，從而導(dǎo)致缺乏學(xué)習(xí)興趣。作者在多年量子力學(xué)專業(yè)課程教學(xué)過程中，總結(jié)教學(xué)心得，提出了“科研與教學(xué)互進(jìn)互促”的教學(xué)理念，建立了教學(xué)內(nèi)容與科研課題相結(jié)合的量子力學(xué)專業(yè)課程教學(xué)模式。
一、介紹量子力學(xué)理論在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的實(shí)際應(yīng)用，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的熱情
興趣是學(xué)習(xí)一切知識的源動(dòng)力，在緒論講述中通過大量多媒體資源向?qū)W生們展示現(xiàn)代科技革命與量子力學(xué)息息相關(guān)，量子力學(xué)滲透到現(xiàn)代科技的方方面面，從電腦、手機(jī)到航天、核能，從科幻電影到工業(yè)4.0，幾乎沒有哪個(gè)領(lǐng)域不依賴于量子論。同時(shí)針對學(xué)生們的喜好，科普《星際穿越》、《生活大爆炸》、《源代碼》等熱門影視中黑洞、蟲洞、平行宇宙等量子物理的基本思想，以激發(fā)學(xué)生對量子論的求知欲，并向他們介紹一些關(guān)于量子力學(xué)的科普書籍，如曹天元的《上帝執(zhí)骰子嗎――量子力學(xué)史話》、霍金的《大設(shè)計(jì)》以及羅杰的《神奇的粒子世界》，并引用《上帝執(zhí)骰子嗎》中優(yōu)美的開場向?qū)W生引出量子力學(xué)這一神秘和優(yōu)美的故事，用生動(dòng)有趣的方式講述量子力學(xué)的發(fā)展史話，穿插每一個(gè)具有革命性大事記形成和建立的歷史背景，相關(guān)科學(xué)家的簡史和名人逸事，如德布羅意如何從一個(gè)紈绔子弟成長為諾貝爾獎(jiǎng)獲得者；牛頓和胡克還有其他科學(xué)家之間關(guān)于理論歸屬問題的爭執(zhí)；一個(gè)早期不受大家認(rèn)可的愛因斯坦；二戰(zhàn)期間參與研制原子彈，二戰(zhàn)結(jié)束后大力促進(jìn)核能和平利用的“哥本哈根學(xué)派”代表人物玻爾；以嚴(yán)謹(jǐn)、博學(xué)而著稱，同時(shí)又以尖刻和愛挑刺而聞名的天才少年泡利；在建筑領(lǐng)域同樣杰出的胡爾；愛打賭的霍金；等等。這些偶像級的人物在物理發(fā)展中就像一個(gè)個(gè)明星，你方唱罷我登場，一起連接起物理發(fā)展的恢弘歷史，循序漸進(jìn)地消除學(xué)生對量子力學(xué)的恐懼感，并且對于培養(yǎng)他們的科研品質(zhì)有很大啟迪。
量子理論的出現(xiàn)徹底地改變了世界的科技面貌，引發(fā)了許多的技術(shù)革命。用多媒體將最新的科技知識和高新技術(shù)全面融入到教學(xué)課程中，可以形象直觀地表述量子力學(xué)與科學(xué)前沿的緊密聯(lián)系，擴(kuò)充學(xué)生們的知識和視野。如講述電子自旋有兩個(gè)取向這部分內(nèi)容時(shí)，正好與計(jì)算機(jī)存儲中二進(jìn)制0和1相對應(yīng)，這也正是量子計(jì)算機(jī)的基本原理，并展開介紹量子信息、量子通訊、量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)理論均是遵從量子力學(xué)變量的分立特性疊加原理和量子相干原理。機(jī)械硬盤的原理是巨磁電阻效應(yīng)，其本質(zhì)是電子自旋相交的量子現(xiàn)象，醫(yī)院里最先進(jìn)的診斷技術(shù)――核磁共振，就是核自旋效應(yīng)的典型應(yīng)用。CPU邏輯單元CMOS中的核心部件――場效應(yīng)晶體管，是量子力學(xué)在固體中的應(yīng)用；集成電路生產(chǎn)用到的光刻機(jī)――其光源激光，航天領(lǐng)域?qū)τ贕PS的系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)以及尤其重要的衛(wèi)星鐘，也是量子力學(xué)的應(yīng)用。沒有量子力學(xué)，就沒有以半導(dǎo)體占主導(dǎo)地位的現(xiàn)代化工業(yè)。讓學(xué)生們切身感受到量子力學(xué)已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面，其影響巨大是以往所不能想象的。
二、根據(jù)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和方法
教師在教學(xué)過程中，一方面給學(xué)生講授了教材上的基本內(nèi)容，另一方面通過PPT和視頻的方式將國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)和研究成果固化到教學(xué)中來，以保證教學(xué)內(nèi)容總是站在專業(yè)學(xué)科前沿。通過這種融入方式，形成理論水平高、實(shí)用性強(qiáng)、特色鮮明的課堂教學(xué)，理論聯(lián)系實(shí)際，擴(kuò)大學(xué)生的知識面，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。例如講述微觀粒子波動(dòng)性中波長公式λ=h/時(shí)，通過比較電子和經(jīng)典粒子的波長，說明為什么在日常生活中難以觀測到粒子的波動(dòng)性，并拓展引入透射電子顯微鏡的工作原理，當(dāng)加速電壓達(dá)到200kV時(shí)，電子的波長達(dá)到在0.1納米量級，和原子的大小相比，由于透過樣品后的電子束攜帶有樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，通過分析電子束的成像可以得到顆粒形貌、大小、位錯(cuò)、缺陷、成分和相組成等微觀特性，進(jìn)而介紹電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)、成像原理及電子衍射原理，加深學(xué)生對微觀粒子波粒二象性的理解和掌握。同時(shí)，還鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手制作相關(guān)動(dòng)畫，提升他們的動(dòng)手能力和參與性，并通過保齡球視頻類比描述雙縫衍射實(shí)驗(yàn)，形象直觀。
講述一維薛定諤方程求解例題――一維勢壘貫穿時(shí)，引入隧穿效應(yīng)概念，并且引用一張經(jīng)典的獅子“穿墻”追到墻對面高枕無憂人的配圖，這在經(jīng)典物理中完全不可能想象，形象的例子可以更好地理解量子遂穿效應(yīng)，并且強(qiáng)調(diào)了量子論與經(jīng)典物理的不同之處，進(jìn)而向?qū)W生介紹隧穿效應(yīng)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的實(shí)際應(yīng)用――掃描隧道顯微鏡，用視頻和多媒體向?qū)W生們展示掃描隧道顯微鏡的工作原理及分辨率的影響因素，并與課本上遂穿透射系數(shù)公式相互驗(yàn)證，并給大家介紹用掃描隧道顯微鏡的最新研究進(jìn)展以及自己科研工作中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
通過讓學(xué)生們接觸這些儀器的工作原理，等同于提前接觸了科研工作，對研究工作有了切身體會(huì)和形象了解，同時(shí)對課程的理論知識有了現(xiàn)實(shí)認(rèn)識。教學(xué)中不斷滲透專業(yè)前沿科學(xué)知識，不僅可以使量子力學(xué)富有生命力和時(shí)代感，而且培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，讓學(xué)習(xí)目標(biāo)更明確，這些都對學(xué)生今后的工作和考研打下了一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。另一方面，活躍課堂教學(xué)氣氛和建立討論環(huán)節(jié)在教學(xué)中是十分必要的。課堂教學(xué)一定不能讓教師唱獨(dú)角戲，要充分引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題，這樣有助于激發(fā)學(xué)生的思維能力，形成新的思維方式。同時(shí)要讓學(xué)生占主導(dǎo)地位，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生，可以鼓勵(lì)學(xué)生分享量子力學(xué)理論在現(xiàn)代技術(shù)中的應(yīng)用實(shí)例，通過查閱資料，動(dòng)手制作多媒體的過程，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)自主能動(dòng)性，以及增強(qiáng)學(xué)生探索性學(xué)習(xí)的能力和搜集信息的能力。
三、科研融入教學(xué)，教學(xué)提升科研
在課堂上，要想真正提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深對量子力學(xué)理論的認(rèn)識，教師只講授課本上的知識體系是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，特別是新知識日新月異，這些均需要授課教師不斷吸取養(yǎng)分和了解本專業(yè)的前沿科學(xué)動(dòng)態(tài)和研究進(jìn)展，不斷加強(qiáng)自身的科研水平，讓教學(xué)和科研相輔相成，相互促進(jìn)。
圍繞“科研融入教學(xué)、教學(xué)提升科研”的理念，拓展和更新量子力學(xué)理論課的教學(xué)內(nèi)容，在實(shí)施過程中，緊跟學(xué)科前沿發(fā)展，將自身的科研經(jīng)歷和成果，以及量子力學(xué)理論相關(guān)的學(xué)科前沿實(shí)例靈活融入教學(xué)內(nèi)容的各個(gè)環(huán)節(jié)，形成水平高、前沿性強(qiáng)、內(nèi)容豐富的課堂教學(xué)內(nèi)容，這將會(huì)大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比如講述海森伯測不準(zhǔn)關(guān)系Δx?Δp≥？捩/2時(shí)，引入衍射極限這一物理問題，衍射極限本質(zhì)上來源于量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)關(guān)系限制，是量子特性的一種宏觀體現(xiàn)。
由于衍射極限限制了器件最小特征尺寸和加工分辨率，必須突破光學(xué)衍射極限才能進(jìn)一步發(fā)展納米光學(xué)和光子學(xué)，表面等離子體激元是目前解決這一瓶頸的唯一方案。進(jìn)而系統(tǒng)地介紹表面等離子激元的基本原理，及其在光探測器、傳感器、發(fā)光二極管及太陽能電池方面的應(yīng)用。講述電子自旋這一章節(jié)時(shí)，向同學(xué)們介紹材料界的新寵――電阻率超低、電子遷移速度極快，可以有效傳導(dǎo)電子自旋的石墨烯，該材料卓越的性能令科學(xué)界普遍期待它能引領(lǐng)新一輪的電子元器件革命。引入科技巨頭IBM公司制作的《一個(gè)男孩和他的原子》的微電影視頻形象講述自旋電子施法大數(shù)據(jù)存儲，電子自旋的自由度得以被操控。當(dāng)自旋電子學(xué)施展“魔法”，存儲介質(zhì)的體積將變得越來越小，而存儲的容量卻越來越大，甚至無限延展，真正一粒沙中存儲一個(gè)世界。這種通過實(shí)實(shí)在在的研究案例讓學(xué)生們清楚研究方法，加深對新知識點(diǎn)的理解，讓枯燥的公式轉(zhuǎn)換成形象的材料和器件，教學(xué)效果生動(dòng)而富有啟發(fā)性。
科研是充實(shí)教學(xué)內(nèi)容、提高教學(xué)質(zhì)量的源泉，同時(shí)也是培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的必然需求。同時(shí)，教師在提升教學(xué)效果的同時(shí)，需要不斷充實(shí)提升自己的科研水平，形成科研教學(xué)雙促進(jìn)，從而推動(dòng)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)和教學(xué)水平的提高。
如果理性的科學(xué)家和有志于探索宇宙奧秘的人愿意拋開權(quán)威和傳統(tǒng)的成見，冷靜地思索以下內(nèi)容，這將引爆人類科技時(shí)代的新思維且達(dá)到人類思想文明的大遷躍，這是歷史的選擇！當(dāng)然了，追名逐利的人類從來就不缺少狂妄之徒，在網(wǎng)絡(luò)和信息大爆炸的時(shí)代，一切都可能是幌子。拿什么來換取世人的理解呢？――天道自在人心。
量子力學(xué)和相對論是當(dāng)代物理研究最尖端同時(shí)又是不可調(diào)和的兩大理論。很多嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家和科技探索者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)目前世界最科學(xué)的物理學(xué)理論和實(shí)際的物理現(xiàn)象是格格不入的，甚至破綻百出。連牛頓和愛因斯坦這樣的科學(xué)巨擘最終都陷入不可知論，在其學(xué)術(shù)后期都懷疑自己的理論并渴望從上帝那里獲得最終解釋?？陀^地講，不僅相對論和量子力學(xué)，當(dāng)今物理學(xué)絕大部分的科學(xué)懸疑，我都能夠找到解密的突破口！幾乎所有的讀者都以為我在吹大牛，這是可以理解的。本人的物理學(xué)水平就是普通高中階段甚至沒有專業(yè)的學(xué)習(xí)背景。（曾經(jīng)在跨學(xué)科的學(xué)術(shù)期刊發(fā)表過各類專業(yè)文章，都是如此）這一切是為什么呢？擁有一個(gè)嶄新的宇宙觀重新來審視我們的世界，一切就會(huì)變得簡簡單單。
現(xiàn)在切入本文的話題，量子力學(xué)的奧秘到底在哪里呢？一百多年前，自從普朗克提出光量子假說以來，世界上頂級的科學(xué)家們都在苦苦思索，量子現(xiàn)象的奇特性讓所有的物理學(xué)家們不可思議，也無法解釋。許多科學(xué)家提出不同的方案來解釋這一切，如超玄理論、平行世界等等，都無法徹底圓融和貫通量子現(xiàn)象。更加有意思的是，一些科學(xué)人士借用佛學(xué)理論來解釋所謂的量子現(xiàn)象，讓佛學(xué)和量子力學(xué)越來越變的高度神秘和費(fèi)解。哎！這到底是科學(xué)的無奈還是上帝的愚弄呢？
以下，開解量子力學(xué)之答案。量子為什么有諸多神奇呢？只要知道量子的運(yùn)行軌跡，所有的量子現(xiàn)象將會(huì)不攻自破。這可以讓任何一個(gè)物理學(xué)愛好者立即明白。（真正的知識一定具有普適性）也就是說，量子現(xiàn)象非常之簡單。我常常思考，為什么世界上那么多頂級的物理學(xué)家們都想不到呢？原因之一就是人類思維的固化，對前輩知識的盲目相信，潛意識里的思維定勢導(dǎo)致無法認(rèn)識到物質(zhì)的真相到底是什么。還是感嘆一句，量子現(xiàn)象一旦解密，物理學(xué)理論將會(huì)出現(xiàn)大面積的塌方，取而帶之的是人類科技的日新月異。（曾經(jīng)在【卷宗】（國家級科技期刊）上發(fā)表一篇文章“UFO的物理學(xué)原理和未來的發(fā)展空間”，并沒有引起學(xué)者們的關(guān)注，實(shí)際上用新一輪的認(rèn)識理論能夠找到人類未來的新動(dòng)力源以及宇宙飛船的動(dòng)力核心。）
所謂量子只是一個(gè)物質(zhì)微粒的表現(xiàn)體?？茖W(xué)家看到的量子只是一個(gè)顯型模式，說到底量子的存在只是一種物質(zhì)形式的存在表達(dá)，用微粒的說法只是更形象的接近觀察到的現(xiàn)象。實(shí)際上說量子是微粒本身就是一個(gè)錯(cuò)誤的概念誘導(dǎo)。（量子這個(gè)名稱會(huì)讓科學(xué)工作者潛意識中不自覺的帶上思維定勢，這也是量子力學(xué)的現(xiàn)象無法解釋的原因。用既定的模式去尋找物質(zhì)的真相，永遠(yuǎn)是死胡同。）
我們看到的量子運(yùn)動(dòng)，請注意了！到現(xiàn)在為至，人類物理學(xué)研究者都認(rèn)為量子形成之后（或者說一個(gè)量子/光子被激發(fā)出來之后），在傳導(dǎo)媒介里或者真空中繼續(xù)以量子/光子的微粒-或者（微粒波）形式前進(jìn)，而這就是所有科學(xué)家和物理學(xué)家的盲點(diǎn)。表面上看，科學(xué)儀器檢測出來的現(xiàn)象是單個(gè)量子（或微粒波）在前進(jìn)。是的，似乎看起來是單個(gè)量子在前進(jìn)，而實(shí)際上根本不是！這就是顛倒乾坤的突破口。 膠片電影上的動(dòng)畫是連續(xù)的，而實(shí)際上是大量的膠片連接而成。檢測到的單個(gè)量子現(xiàn)象在前進(jìn)，其實(shí)是由不同的量子點(diǎn)組成的?。ǘ嗝春唵蔚氖聦?shí)?。?
物理學(xué)家意識中一旦理解這個(gè)角度，量子力學(xué)的所有現(xiàn)象都會(huì)勢如破竹。重點(diǎn)提示一下，實(shí)驗(yàn)中看到的量子現(xiàn)象都是被表現(xiàn)出來的，其實(shí)只是量子點(diǎn)的連貫狀態(tài)。那么，量子是如何行進(jìn)的呢？就像多米諾骨牌，量子也是一個(gè)個(gè)疊加出來的前進(jìn)路線。無論量子和光子，在微觀世界里都是統(tǒng)一的前進(jìn)方式，這是宇宙變化的核心密碼之一。（在天文學(xué)的宏觀世界里呢？可怕的統(tǒng)一性還是存在的，只是時(shí)空的背景不同，變化也會(huì)不同）。
這里已經(jīng)解開了量子力學(xué)的本質(zhì)奧秘，余下的只是簡單地和神奇現(xiàn)象一一對應(yīng)。
量子和光子都是瞬間產(chǎn)生和瞬間消失的?。。?？？光速是如何得來的呢？就是正負(fù)電子的撞擊之后，產(chǎn)生一個(gè)能量波。而這個(gè)能量波可以推動(dòng)下一個(gè)正負(fù)電子的撞擊。（光子的形成有很多原因，但是都是被能量波沖擊下的能量聚合反應(yīng)。無論是正負(fù)電子撞擊還是其它的原因，如當(dāng)原子核電子外層電子從高能級躍遷到低能級輻射出來的光子，也是能量沖擊波的效果。微粒世界的本質(zhì)都是能量波的物理學(xué)語言的顯示，而不是所謂的固態(tài)物質(zhì)體的存在。也就是說無論正負(fù)電子、質(zhì)子、中字、原子核都是物理學(xué)語言，而不是絕對量化存在。這個(gè)思維點(diǎn)要重新的認(rèn)識）這么一假設(shè)，天大的物理學(xué)奧妙就解開了。其一 、光子之所以可以保持勻速運(yùn)動(dòng)的根本原因就破解了。其二 、光子的速度取決于兩個(gè)光子之間的影響，所以才會(huì)有量子的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光子的速度。量子的速度取決于單個(gè)量子形成模式，而絕不是和光子保持同樣的速度。
一言以蔽之，所謂光速（或量子速度）取決于前一個(gè)光子/量子與第二個(gè)光子/量子之間的聚合速度。當(dāng)然這種極其超短距離的聚合是無法檢測出來的，但是可以從現(xiàn)象中推導(dǎo)出來。 愛因斯坦說光速是不變的和直線行走的，這都是假設(shè)出來的理論坐標(biāo)。愛因斯坦無法想象光線的行進(jìn)方式，無法解釋光線在太空的彎曲現(xiàn)象，才利用時(shí)間彎曲而替代光線彎曲的說法。（愛因斯坦曾經(jīng)說過引力會(huì)造成時(shí)空扭曲，光束接近高質(zhì)量恒星就會(huì)發(fā)生彎曲。這里的只能先稍微說一點(diǎn)，所謂的引力不同就是物質(zhì)的存在不同。引力既可以是波動(dòng)的表達(dá)，也可以是物質(zhì)的一種表達(dá)。實(shí)際上從愛因斯坦的質(zhì)能守恒公式就可以看出來，物質(zhì)本身就是一種引力。這個(gè)概念就是愛因斯坦本人和很多的科學(xué)家們沒有意識到的思維轉(zhuǎn)化，也是最需要體會(huì)之處――物質(zhì)存在的真相）其實(shí)只要空間的密度不相同，或者光線行走的媒質(zhì)不一樣，光線的速度和方向就很有可能會(huì)改變。光速為什么在不同的媒介中速度不一樣？是因?yàn)樵诓煌膶?dǎo)體中光子的聚合難度和方式不一樣，光纖中的光子路徑就是明證。很多學(xué)者沒有思考這些現(xiàn)象的根源，只是根據(jù)前人的思維來判定現(xiàn)象的合理性，當(dāng)然無法給出確切答案。（物理學(xué)很多概念已經(jīng)不適應(yīng)未來科技的發(fā)展，這才是桎梏科技的最大瓶頸。）
光子/量子為什么有干涉現(xiàn)象，只有根據(jù)這樣的推斷才能夠清清楚楚地解釋出來。估計(jì)科學(xué)家們冷靜地從這個(gè)角度去想一想，量子現(xiàn)象的神秘性都不需要更多的去解釋了。
很多科學(xué)家和宗教家都在借用量子的隨機(jī)性來神話量子的存在，似乎量子受自由意識支配，認(rèn)為量子可以在任何一個(gè)點(diǎn)都有出現(xiàn)的可能。這是一個(gè)大錯(cuò)特錯(cuò)的邏輯無奈！量子出現(xiàn)在任何一個(gè)位置，絕不是取決于人腦的意識也不是取決于量子的自由意識，而是取決于觀察者所給定的位置。如果給出量子可以到達(dá)的位置，量子就會(huì)以同樣的狀態(tài)出現(xiàn)，請注意了！這個(gè)量子是經(jīng)過N個(gè)聚合生滅之后的量子，而不是剛剛被激發(fā)出來的量子。只要檢測的位置到哪里，量子就會(huì)出現(xiàn)在哪里。再次重申??！檢測位置是量子可以到達(dá)的位置，所以只要哪里檢測，那里就會(huì)有量子！
量子為什么有糾纏現(xiàn)象？量子糾纏就是量子波的形式對稱，絕不是異想天開的意識控制。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)量子形成的時(shí)候，就已經(jīng)決定最后一個(gè)量子的形成模式了。只要這個(gè)量子能量存在，就會(huì)永遠(yuǎn)糾纏。
量子為什么自旋？自旋是微粒沖擊波聚合后的現(xiàn)象，微粒只有通過自旋才可以控制或者說被控制。（自旋可以改變量子波的狀態(tài)，不同能量等級波之間會(huì)有引力大小區(qū)別）量子只有自旋才可以保持與其他微粒的距離和引力。任何的物質(zhì)只有自旋才可以存在！其實(shí)一切存在都是自旋的。地球上的人也是自旋的，只不過跟著地球一起自轉(zhuǎn)。而量子現(xiàn)象是一個(gè)終極的宇宙存在模式，不過是縮小板塊而已。強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，任何物體只有自旋才可能存在，才可以在宇宙中保持和其它物質(zhì)的區(qū)別。自旋的速度不同，才可以保持與其它微粒子之間的距離。通過這個(gè)現(xiàn)象，就能夠輕而易舉的揭開天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。
再說個(gè)似乎天方夜譚式的假設(shè)――只要改變自旋的狀態(tài)，就可以改變物質(zhì)的存在形式。舉個(gè)例子，任何物質(zhì)只要靠近太陽，一切都會(huì)灰飛煙滅（太陽里的物質(zhì)也只是檢測出來的能量波形式）。這說明什么？一切的存在只是一種形式的組合，而絕不是物質(zhì)的永恒不變性。無中生有的變化模式產(chǎn)生了一切。自旋的這種物理學(xué)意義一旦被關(guān)注，發(fā)明比導(dǎo)彈更快的飛行器只是個(gè)時(shí)間問題。自旋現(xiàn)象將又是一個(gè)科技的亮點(diǎn)，通過自旋還可以推導(dǎo)出物質(zhì)存在的更多奧秘，這里就不多說了。
還要鄭重說明一點(diǎn)，量子描述的微粒絕不是實(shí)際的物質(zhì)，而是一種推算出來的現(xiàn)象點(diǎn)，也就是說量子世界到底是什么樣的存在形式，我們?nèi)祟愂菬o法用感知覺直接觀察出來的，而只是通過儀器檢測出來的現(xiàn)象描述。這說明什么呢？所謂的量子（任何微觀世界的微粒）只是存在（或者稱為存在波）的運(yùn)動(dòng)凸顯狀態(tài)。量子是否可以再細(xì)分呢？當(dāng)然是可以的，只要人類的科技不斷的向前發(fā)展，一定還有更加細(xì)微的存在。（這與宇宙的邊界有關(guān)）?，F(xiàn)當(dāng)代的物理學(xué)家們在思考問題中，無意識地以為量子是個(gè)物質(zhì)化的點(diǎn)，這是潛意識的思維定勢。如果看懂以上的意思，就會(huì)徹底解開量子/光子的波粒二象性問題。（任何現(xiàn)象都要有不同的時(shí)空背景來認(rèn)識，才可以找到最終的解釋）
任何微粒都是波動(dòng)的形式，實(shí)際上地球上的物體乃至宇宙上的任何物體都是波動(dòng)的形式。大家可能會(huì)笑話我，眼前的物體如果是波動(dòng)的，一切不都混亂了嗎？眼前物體的靜止是因?yàn)槲覀兺教幵诘厍蛏?，如果將眼前的物體放大到宇宙的星系上去觀察自己，我們就會(huì)跟隨地球一起呈現(xiàn)波動(dòng)的狀態(tài)。（在時(shí)間和空間的大背景下，地球也會(huì)發(fā)生聚合生滅的。從這個(gè)點(diǎn)上說，地球的生命是可以推算出來的。常常異想天開，若是有科學(xué)家愿意同我合作，就能夠推導(dǎo)出很多的物理法則來服務(wù)于全人類）量子力學(xué)的偉大在于可以觀察到宇宙的核心秘密，因?yàn)榱孔討B(tài)已經(jīng)可以將宇宙的運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)述出來。不過，量子是瞬間消失和瞬間產(chǎn)生的，眼前的物質(zhì)是相對穩(wěn)定的狀態(tài)。
再到微觀的量子世界里去觀察，所謂量子就是波動(dòng)聚合的剎那生滅的過程。產(chǎn)生一個(gè)量子/光子，必須產(chǎn)生一個(gè)能量波來維持下一個(gè)量子的形成。從這一點(diǎn)說，佛學(xué)的宇宙理論和量子現(xiàn)象是契合的。但量子絕不會(huì)簡單地受我們的意識控制。（意識是什么？需要看我寫的書【宇宙的裂縫】，那里有簡潔直白的體現(xiàn)）
客觀地說，本人的物理知識是非常有限的，同時(shí)只要我看懂的量子現(xiàn)象基本都可以解釋。其實(shí)只要理解上面所演示的量子形成模式和運(yùn)行機(jī)制，這些問題科學(xué)家們一定可以比我有更加精準(zhǔn)的認(rèn)識。如著名的電子雙夾縫試驗(yàn)，這是物理學(xué)歷史以來最不可思議的現(xiàn)象。如果看懂以上的內(nèi)容，就可以解開這個(gè)世紀(jì)之謎。任何內(nèi)行的研究者一看就會(huì)明白！這里就不贅述了。（量子的特性告訴我們，量子只會(huì)自動(dòng)用波動(dòng)的形式尋找可行進(jìn)的最近途徑，與量子的隨機(jī)性是一個(gè)道理。）
量子還有一些現(xiàn)象，比如說，對一個(gè)粒子的測量，可以導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的波包立刻塌縮，因此也影響到另一個(gè)、遙遠(yuǎn)的、與被測量的粒子糾纏的粒子，是需要解構(gòu)物質(zhì)存在的根本原理才可以更加精細(xì)的表達(dá)出來。這里只說明一點(diǎn)，微粒是系統(tǒng)的存在表達(dá)，只有波動(dòng)形式的變化顯示，而不存在單個(gè)量子的物質(zhì)形態(tài)。提示一點(diǎn)，量子本身就是一種波的顯示方式，所以任何的單個(gè)量子必須和周圍系統(tǒng)狀態(tài)保持統(tǒng)一場關(guān)系。一旦對單個(gè)量子測量，就會(huì)干擾到此量子的周圍場力，自然立馬塌縮的。（譬如，地球上的任何物體都受到磁場力的影響，只是這種作用明顯和不明顯而已。而量子之間有強(qiáng)大的影響力，是必須相互作用的。）
本文到現(xiàn)在為止，只是破解出一部分的量子現(xiàn)象，而更多的量子力學(xué)需要更加深層的理論基礎(chǔ)的構(gòu)思和重建，這里是不敢多說的。如果繼續(xù)剖析下去，將顛覆所有的物理學(xué)概念。當(dāng)然了，或許有很多人以為我在胡說八道，更多的科學(xué)家不屑于去認(rèn)識這種新的宇宙觀。可是這一種新的宇宙觀能夠解釋幾乎所有的物理現(xiàn)象乃至生命、文化，政治社會(huì)等等。如果有更大的講臺，我將從宇宙大爆炸的第一動(dòng)力開始，推導(dǎo)出宇宙的邊界，萬有引力的理解，時(shí)間和空間的終極奧秘是什么？（本人更加希望可以直接面對科學(xué)家的提問和質(zhì)疑），超越時(shí)空的認(rèn)識能夠?yàn)槿澜绲娜祟悗硪惠喰碌囊庾R流并在科技界帶來翻天覆地的發(fā)展。舉一個(gè)例子，如果知道地球的重力是什么？重力最終回歸到哪里去？順藤摸瓜地思考這些問題，就會(huì)推導(dǎo)出磁場力就是天然的反重力，而人類就可以找到和太陽能一樣的取之不盡用之不竭的自然能。（這就是永動(dòng)機(jī)的核心秘密）
不置可否，每個(gè)人的認(rèn)識都有局限性，即便如此，也有理由相信以上有關(guān)量子力學(xué)部分的解析足以給科學(xué)界帶來嶄新的思路。為什么我可以推導(dǎo)出這么多奇怪的物理現(xiàn)象？或者有哪位科學(xué)家和宇宙探索者也想同樣獲得通天的啟悟呢？這必須從宇宙的本質(zhì)開始來分析，所有的答案才會(huì)有終結(jié)的解釋。宇宙到底是什么真相呢？宇宙是意識的宇宙，宇宙是趨于和諧的宇宙，從這兩個(gè)點(diǎn)出發(fā)，這個(gè)理論基礎(chǔ)可以推導(dǎo)出宇宙和人類一切的奧秘。
摘要：掌握《量子力學(xué)》課程的基本理論和基本方法，是學(xué)生進(jìn)入物理學(xué)前言問題研究和高新科學(xué)技術(shù)探索不可或缺的基礎(chǔ)。文章結(jié)合這門課的特點(diǎn)以及人才培養(yǎng)的需求，在教學(xué)過程以“問題導(dǎo)向”作為切入口，將案例教學(xué)、視頻、科研成果等融入教學(xué)過程，強(qiáng)化課堂小組討論，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改進(jìn)考核辦法，從而為培養(yǎng)創(chuàng)新型物理電子應(yīng)用人才打下良好基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；教學(xué)探討；能力提高
1 引言
生產(chǎn)力的發(fā)展客觀需要，推動(dòng)人們探索微觀世界的奧妙，掐指算來，量子概念的誕生已經(jīng)超過整整100年。但隨著科技日新月異的發(fā)展，可以毫不夸張地說，沒有量子物理，就沒有人們今天的生活方式。量子物理的應(yīng)用已經(jīng)滲透到現(xiàn)代化生產(chǎn)的許多方面，如半導(dǎo)體材料與器件，磁性材料與器件，原子能技術(shù)、激光技術(shù)等等?！读孔恿W(xué)》課程的學(xué)習(xí)已成為國內(nèi)高等理工科院?！皯?yīng)用物理”“電子科學(xué)與技術(shù)”“光信息科學(xué)與技術(shù)”等專業(yè)的必修學(xué)科基礎(chǔ)課。通過該課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物主義世界觀，獨(dú)立分析問題和解決問題的科學(xué)素養(yǎng)，并為“固體電子導(dǎo)論”“光電子學(xué)”等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。
2 對《量子力學(xué)》課程的探討
《量子力學(xué)》涵蓋了基礎(chǔ)物理、數(shù)學(xué)物理方法、概率論、線性代數(shù)、矩陣等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的內(nèi)容，特別是基本概念、規(guī)律與方法與經(jīng)典物理截然不同，不能憑借我們所熟悉的經(jīng)典概念去證明。這些現(xiàn)狀導(dǎo)致學(xué)生在該課程學(xué)習(xí)中感覺到難度更大。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)容易陷入純粹的數(shù)學(xué)推導(dǎo)而忽略物理情景的建立。
種種現(xiàn)象表明，現(xiàn)存的“單純授課式”教學(xué)方式不符合本課程的教學(xué)規(guī)律，無法實(shí)現(xiàn)其預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)，必須在各方面加以充分改進(jìn)。目前，國內(nèi)外對《量子力學(xué)》課程的教學(xué)方法已經(jīng)作了大量的嘗試和研究，提出了多種教學(xué)方法，如開發(fā)生動(dòng)的多媒體課件、課堂分組討論、模塊化教學(xué)等。如何讓學(xué)生在偏微分方程為主線的教學(xué)體系中，理解抽象的量子物理基本框架，并激發(fā)和保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是任課教師需要探索和實(shí)踐的重要課題，值得花力氣去研究。此外，隨著時(shí)代的發(fā)展，量子物理所帶來的新技術(shù)又層出不窮，大量前言研究成果脫穎而出，如量子通信，量子糾纏，量子密碼等。如何將這些最近量子應(yīng)用技術(shù)融入到日常課堂教學(xué)中，無疑對教師的教學(xué)能力、教學(xué)方法和綜合素質(zhì)以及學(xué)生的課程學(xué)習(xí)方式等都提出了更高要求。
問題既是學(xué)習(xí)的起源，也是選擇知識的依據(jù)，又是掌握知識的手段，因此在教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，可以嘗試以“問題導(dǎo)向”作為切入口，將案例教學(xué)、視頻教學(xué)、科研成果等融入《量子力學(xué)》的教學(xué)過程，克服抽象的物理圖景給學(xué)生帶來的困擾，增強(qiáng)學(xué)生利用所學(xué)知識解釋現(xiàn)實(shí)、分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)思考和實(shí)踐創(chuàng)新能力，進(jìn)而提高教學(xué)效果。鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自己的興趣與基礎(chǔ)，在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行專題研究，用現(xiàn)有的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室條件，針對課程理論知識帶著問題和專業(yè)的實(shí)踐應(yīng)用問題，在科研實(shí)踐中加深知識的理解和運(yùn)用，逐步提高其創(chuàng)新能力。
3 《量子力學(xué)》課程問題導(dǎo)向型教學(xué)實(shí)施建議
3.1 學(xué)習(xí)狀態(tài)的調(diào)查與分析
量子力學(xué)可謂無處不數(shù)學(xué)，因此需要以無記名答卷調(diào)查和課間交談方式，對學(xué)生的之前數(shù)學(xué)物理知識基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)興趣等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，從而為制定合適的教學(xué)計(jì)劃、選取恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式打下基礎(chǔ)。如果沒有對具體問題進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，就無法真正深刻理解基本原理，量子物理的實(shí)際應(yīng)用也就更無從談起。課程系統(tǒng)學(xué)習(xí)之前，教師應(yīng)該把知識點(diǎn)中可能運(yùn)用到的數(shù)學(xué)知識梳理后作為參考資料發(fā)給學(xué)生，便于學(xué)生在平時(shí)練習(xí)中使用。
3.2 建立“問題為導(dǎo)向的交互式教學(xué)模式”
《量子力學(xué)》建立在眾多假設(shè)基礎(chǔ)上，抽象難懂，研究的是微觀世界物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，與現(xiàn)實(shí)宏觀世界差距較大，特別是一些規(guī)律與日常經(jīng)驗(yàn)完全不同。不少同學(xué)甚至認(rèn)為這門課程與今后自己的工作聯(lián)系不大，毫無用武之地，因而在學(xué)習(xí)上沒有積極性。這一情況的解決很大程度上取得于教師的問題引導(dǎo)設(shè)置是否有新意，是否足夠吸引學(xué)生。教師需要精心設(shè)計(jì)，注重理論聯(lián)系實(shí)際，強(qiáng)化知識的滲透和遷移。如從大家所熟悉的歌星周杰倫的成名曲《愛在西元前》改編版過渡到量子物理的發(fā)展，從太陽能電池過渡到知識點(diǎn)“光電效應(yīng)”，從量子計(jì)算機(jī)過渡到知識點(diǎn)“態(tài)疊加原理”，從氫原子的斯塔克效應(yīng)過渡到“微擾理論”等等。這些課堂問題的精心設(shè)計(jì)和引導(dǎo)從理性的角度讓學(xué)生接受量子物理的基本思想，激發(fā)對課程的學(xué)習(xí)興趣，在無形中培養(yǎng)他們理性思維、邏輯思維、創(chuàng)新意識和推理能力，也勢必會(huì)加深學(xué)生對知識模塊的理解。
采用提示啟發(fā)與組織學(xué)生小組討論相結(jié)合的方法，對本課程中重要的概念和有爭議的問題進(jìn)行研討，多為學(xué)生提供自由表達(dá)、質(zhì)疑、探究、討論問題的機(jī)會(huì)，有利于學(xué)生知識框架的自我構(gòu)建。教師在講解過程中需要注重物理思想的闡述
【摘 要】以培養(yǎng)具有科學(xué)探索精神的創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，結(jié)合我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的實(shí)際問題，分析了工科專業(yè)量子力學(xué)課程的教學(xué)特點(diǎn)，提出了基于“PBL教學(xué)法”的教學(xué)改革設(shè)計(jì)方案，討論了量子力學(xué)課程教學(xué)改革方面所作的一些有益的改革嘗試，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)課程的積極性，由過去的被動(dòng)學(xué)習(xí)逐漸改為自主學(xué)習(xí)，并有效地提高了學(xué)生結(jié)合理論知識解決實(shí)際問題的能力。對于理論性較強(qiáng)的其他課程也可以起到示范作用，具有較強(qiáng)的理論指導(dǎo)意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】PBL教學(xué)法；量子力學(xué)；電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)；教學(xué)改革
量子力學(xué)與相對論的提出，被稱為20世紀(jì)物理學(xué)的兩個(gè)劃時(shí)代的里程碑。特別是量子力學(xué)的創(chuàng)立，揭示了微觀物質(zhì)世界中物質(zhì)屬性及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，造就了20世紀(jì)人類科學(xué)技術(shù)的輝煌，推動(dòng)了原子能技術(shù)、航天航空技術(shù)、電子技術(shù)等方面的發(fā)展，并開辟了光子技術(shù)的誕生之路，將人類社會(huì)推進(jìn)了信息時(shí)代。通過量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生掌握量子力學(xué)的基本概念和基本理論，具有利用理論知識分析和解決實(shí)際問題的能力。量子力學(xué)課程的突出特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、抽象難懂，在課程教學(xué)中需要特別把握好這些抽象理論知識的“入門教育”，把握得當(dāng)，會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。
根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的文件精神，提高質(zhì)量是高等教育發(fā)展的核心任務(wù)，是建設(shè)高等教育強(qiáng)國的基本要求。應(yīng)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步的要求，推進(jìn)課程改革，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。因此，在近幾年量子力學(xué)課程的教學(xué)改革實(shí)踐中，針對量子力學(xué)教學(xué)中出現(xiàn)的學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情不高的現(xiàn)狀，結(jié)合量子力學(xué)的課程特點(diǎn)，立足于提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索精神及創(chuàng)新能力，提出了基于“PBL教學(xué)法”，即基于問題學(xué)習(xí)（Problem-Based Learning）、以學(xué)生為主體的量子力學(xué)課程教學(xué)改革的研究，摸索出一套行之有效的教學(xué)方案。
1 “PBL教學(xué)法”設(shè)計(jì)方案
“PBL教學(xué)法”是一種基于問題學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，將學(xué)習(xí)置于復(fù)雜的有意義的問題情境中，激勵(lì)學(xué)生積極探索隱含于問題背后的科學(xué)知識，實(shí)現(xiàn)知識體系的建構(gòu)和轉(zhuǎn)化，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容展開討論、反思，教師則以提問的方式推進(jìn)這一過程，最終使學(xué)生在一個(gè)螺旋式上升的良性循環(huán)過程中理解知識，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的不斷延續(xù)，以促進(jìn)學(xué)生解決問題、自主學(xué)習(xí)能力的發(fā)展，以及創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的提高。具體設(shè)計(jì)模式如圖1所示。
圖1 “PBL”教學(xué)法設(shè)計(jì)模式框圖
與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，“PBL教學(xué)法”對教師備課和教學(xué)實(shí)施過程提出了更高要求。
1.1 PBL教師備課
（1）確定問題。問題是PBL的起點(diǎn)和焦點(diǎn)。問題的產(chǎn)生可以是學(xué)生自己在生活中發(fā)現(xiàn)的有意義、需要解決的實(shí)際問題，也可以是在教師的幫助指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)的問題，還可以是教師根據(jù)實(shí)際生活問題、學(xué)生認(rèn)知水平、學(xué)習(xí)內(nèi)容等相關(guān)方面提出的問題。
（2）提供豐富的教學(xué)資源。教學(xué)資源是實(shí)施PBL的根本保障。隨著網(wǎng)絡(luò)課程、精品課程體系的建設(shè)，教師可以利用網(wǎng)絡(luò)課程為學(xué)生解決問題提供多種媒體形式和豐富的教學(xué)資源。
（3）對學(xué)習(xí)成果提出要求，給學(xué)生提供一個(gè)明確的目標(biāo)和必須達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。
1.2 PBL教學(xué)實(shí)施
（1）學(xué)生分組。學(xué)生分組后，要讓每個(gè)小組清楚地知道自己所要承擔(dān)的任務(wù)，問題解決所要達(dá)到的目標(biāo)，也要確定好小組內(nèi)每個(gè)成員具體的任務(wù)分工。
（2）創(chuàng)設(shè)問題情境、呈現(xiàn)問題。布朗、科林斯等學(xué)者認(rèn)為，認(rèn)知是以情境為基礎(chǔ)的，發(fā)生在認(rèn)知過程中的活動(dòng)是學(xué)習(xí)的組成部分之一，通過創(chuàng)設(shè)問題情境可吸引學(xué)習(xí)者。
1.3 PBL案例分析
例如，在講到微觀粒子的波函數(shù)時(shí)，有學(xué)生認(rèn)為波函數(shù)是經(jīng)典物理學(xué)的波，也有學(xué)生認(rèn)為波函數(shù)由全部粒子組成。這些問題的討論激發(fā)了學(xué)生的求知欲望，可以通過分組進(jìn)行小組內(nèi)討論，再將討論結(jié)果進(jìn)行小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點(diǎn)進(jìn)行評述和指正，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對一些不易理解的量子概念和原理的深入理解。
2 用量子物理發(fā)展的淵源吸引學(xué)生
量子力學(xué)理論與學(xué)生長期以來接觸到的經(jīng)典物理體系相距甚遠(yuǎn)，尤其是處理問題的思路和手段與經(jīng)典物理截然不同，但它們之間又不無關(guān)聯(lián)，許多量子力學(xué)中的基本概念和基本理論是類比經(jīng)典物理中的相關(guān)內(nèi)容得出的。因此，在量子力學(xué)教學(xué)中，一方面需要學(xué)生摒棄在經(jīng)典物理學(xué)習(xí)中形成的固有觀念和認(rèn)識；另一方面在學(xué)習(xí)某些基本概念和基本理論時(shí)，又要求學(xué)生建立起與經(jīng)典物理之間的聯(lián)系以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時(shí)困惑不堪。此外，這門課程理論性較強(qiáng)，眾多學(xué)生陷于煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)之中，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣缺失。教學(xué)實(shí)踐證明，針對以上教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題，應(yīng)特別注意用學(xué)科理論自身的魅力吸引學(xué)生，通過盡可能還原量子力學(xué)早期的發(fā)展過程，讓學(xué)生自己去體會(huì)量子力學(xué)的基本概念是如何建立并逐步完善的，最大限度地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的熱情，也有助于學(xué)生深入理解教學(xué)內(nèi)容。
3 抽象理論形象化，與學(xué)生深入探討
量子力學(xué)課程的突出特點(diǎn)是抽象難懂，對此我們進(jìn)行了探索。例如在量子力學(xué)教學(xué)中，“任何實(shí)物粒子都具有波粒二象性”是教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。如何理解波粒二象性？我們可以先從光的波粒二象性入手，通過“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)引出問題，通過總結(jié)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)與經(jīng)典理論之間的嚴(yán)重矛盾，并通過諸多矛盾引出了愛因斯坦的光量子理論和光電方程，進(jìn)而深入探討光的本性和實(shí)質(zhì)。隨著內(nèi)容的深入，我們可以進(jìn)一步提出：波粒二象性是光子和一切實(shí)物粒子的共同本質(zhì)，而且波動(dòng)性和粒子性這兩方面必有某種關(guān)系相聯(lián)系。并順理成章的指出物質(zhì)波的概念和德布羅意關(guān)系式，從最基本的假定出發(fā)作出類比推理，理論的獨(dú)創(chuàng)性給人深刻的印象。
在此，還可以以學(xué)生的口吻提出兩個(gè)問題。
問題1）物質(zhì)粒子既然是波，為什么人們在過去長期實(shí)踐中把它們看成經(jīng)典粒子并沒有犯什么錯(cuò)誤？
我們可以通過實(shí)物粒子子彈的德布羅意波長的求解找到答案，這是由于普朗克常數(shù)h是個(gè)小量，一般實(shí)物粒子的德布羅意波長λ=h/p很短，短到可以忽略不計(jì)。
問題2）在什么情況下可以近似的用經(jīng)典理論來處理問題？在什么情況下又必須顧及運(yùn)動(dòng)粒子的波粒二象性？
進(jìn)而作出解答，一般來說，當(dāng)運(yùn)動(dòng)粒子的德布羅意波長遠(yuǎn)小于該粒子本身的尺寸時(shí)，可以近似的用經(jīng)典理論來處理；否則，需要用量子理論來處理。
這種層層深入，帶著問題尋找答案的教學(xué)方法符合邏輯思維，學(xué)生很容易接受，將抽象而復(fù)雜的問題形象化、簡單化。
4 聯(lián)系量子力學(xué)的未來發(fā)展激發(fā)學(xué)生求知的渴望
盡管量子力學(xué)是以微觀世界為研究對象，但它對我們?nèi)粘Ｉ畹挠绊憛s非常大。例如，在當(dāng)今科學(xué)界還提出了量子通信的新概念，是實(shí)現(xiàn)完全保密的最佳通信方式，直接導(dǎo)致引領(lǐng)現(xiàn)今量子信息理論和研究的熱潮，代表著21世紀(jì)信息技術(shù)革命―量子通信技術(shù)的發(fā)展方向。教師可以鼓勵(lì)學(xué)生對與量子力學(xué)緊密相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行調(diào)研，打消學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)“無用化”的顧慮，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情。
5 結(jié)束語
近幾年，針對量子力學(xué)教學(xué)中出現(xiàn)的實(shí)際問題，結(jié)合量子力學(xué)的課程特點(diǎn)，我們提出了基于“PBL教學(xué)法”的量子力學(xué)課程教學(xué)改革的研究，取得了一些成效，對于理論性較強(qiáng)的其他課程也具有較強(qiáng)的理論指導(dǎo)意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。
本書作者長期從事量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究。不同于傳統(tǒng)量子力學(xué)教材中正規(guī)、抽象的講述，作者傾向于進(jìn)行生動(dòng)、具體的物理學(xué)講解，以便滿足不同學(xué)科學(xué)生的需要和興趣。作者善于使用直白的語言來解釋一些難懂的概念。他考察了量子物理學(xué)的近展，包括貝爾不等式、位置、光子偏振的相關(guān)性、物質(zhì)的穩(wěn)定性、宇宙力、幾何相、AharonovBohm和AharonovCasher效應(yīng)、磁的單極、中微子振蕩、中子的干涉測量、Higgs原理以及弱電標(biāo)準(zhǔn)模型等。本書自成一體，內(nèi)容包括量子力學(xué)傳統(tǒng)的課題，也包含了必要的原子和分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識。本書的主要內(nèi)容來自作者在加州大學(xué)伯克利分校給一年級研究生講課時(shí)編寫的教材，該教材后來成為加州大學(xué)的通用教材，它包含了160多個(gè)具有挑戰(zhàn)性的習(xí)題，通過這些習(xí)題闡明了一些物理概念，也向?qū)W生提供了檢驗(yàn)他們知識和理解能力的機(jī)會(huì)，習(xí)題答案可以在網(wǎng)上（/commins）查到。
本書共25章：1. 引言；2. 數(shù)學(xué)綜述；3. 量子力學(xué)的規(guī)則；4. 基本定律與和波動(dòng)力學(xué)間的關(guān)聯(lián)；5.量子力學(xué)規(guī)律的進(jìn)一步說明；6. 一維波動(dòng)力學(xué)的后續(xù)發(fā)展；7. 角動(dòng)量的理論；8. 三維波動(dòng)力學(xué)：氫原子；9. 對束縛態(tài)問題的時(shí)間無關(guān)近似；10. 微擾理論的應(yīng)用：氫原子的束縛態(tài)；11. 相同粒子；12. 原子的結(jié)構(gòu)；13. 分子；14. 物質(zhì)的穩(wěn)定性；15. 光子；16. 非相對論帶電粒子與輻射間的相互作用；17. 微擾理論中的其它課題；18. 散射；19. 特殊相對論和量子力學(xué)：KleinGordon方程；20. 狄拉克方程；21. 相對論自旋-1/2粒子與外部電磁場的相互作用；22. 狄拉克場；23. 相對論電子、正電子和光子之間的相互作用；24. 弱相互作用的量子力學(xué)；25. 量子測量問題。每章的結(jié)尾有練習(xí)題。書的末尾有3個(gè)附錄、引文的出處、參考書目和主題索引。
本書著者Eugene D. Commins是美國加州大學(xué)伯克利分校物理系的退休教授，是該校優(yōu)秀的研究生導(dǎo)師。他的主要研究領(lǐng)域是實(shí)驗(yàn)原子物理學(xué)。他是美國國家科學(xué)院（NAS）院士，美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）成員，美國物理學(xué)會(huì)（APS）成員。他曾多次獲得教學(xué)獎(jiǎng)，包括2005年美國物理學(xué)教師協(xié)會(huì)頒發(fā)的奧斯卡金獎(jiǎng)，這是對有杰出貢獻(xiàn)的物理教師的最高獎(jiǎng)。他發(fā)表過不少論著。不幸的是，本書出版后不久，作者去世了（1932-2015）。
本書的內(nèi)容在許多方面與其它的量子力學(xué)教科書不同。傳統(tǒng)的量子力學(xué)大多是在直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)中討論或展開量子力學(xué)問題，而本書較多地在希爾伯特（Hilbert）矢量空間探索量子力學(xué)問題，還利用了與傳統(tǒng)量子力學(xué)的對應(yīng)關(guān)系，數(shù)學(xué)工具不同，因此對量子力學(xué)各種關(guān)系的表征也不同。本書是物理系大學(xué)生和研究生的教科書和參考書。也是物理學(xué)家有價(jià)值的參考書。
劉克玲，退休研究員
（中國科學(xué)院過程工程研究所）
摘 要 量子力學(xué)與意識之間具有復(fù)雜的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，在量子力學(xué)中，意識被賦予了引發(fā)波函數(shù)塌縮的因果效力，并作為測量過程的初始條件由始至終地影響著對物理對象的客觀描述。在意識研究中，建立在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)研究路徑遭遇到無法擺脫的困境，需要引入量子力學(xué)來為自身提供全新的科學(xué)說明，這些說明形成了量子力學(xué)視域中的意識研究的三條主要路徑。
關(guān)鍵詞 意識 量子測量 波函數(shù)塌縮 神經(jīng)活動(dòng)
意識與量子力學(xué)原本分屬于兩個(gè)完全不同的學(xué)科，前者是心靈哲學(xué)與認(rèn)知科學(xué)研究的對象，后者是物理學(xué)的前沿領(lǐng)域。隨著意識問題在當(dāng)代科學(xué)背景下，已經(jīng)成為了哲學(xué)、心理學(xué)、物理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)等分科科學(xué)共同關(guān)注的焦點(diǎn)，意識問題的跨學(xué)科特征也日益突顯。運(yùn)用不同的學(xué)科方法來解釋和說明意識問題，成為一種研究的必然趨勢。許多的心靈哲學(xué)家和物理學(xué)家認(rèn)為，意識和量子力學(xué)之間有著密切的關(guān)系。他們主張，不僅量子力學(xué)需要意識的參與以保證描述物理世界的完整性，意識研究也需要引入量子力學(xué)來突破現(xiàn)有的困境。
1 意識在量子力學(xué)中的位置
意識在量子力學(xué)中的作用主要表現(xiàn)兩個(gè)方面，一是在量子測量中，意識作為測量過程的初始條件，由始至終地影響著對物理對象的描述，二是意識引發(fā)波函數(shù)塌縮理論。
第一，意識與量子測量。經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為，只要在測量過程中，具備明確的初始值，根據(jù)一系列基本粒子的初始位置和速度，就可以實(shí)現(xiàn)對事件的準(zhǔn)確預(yù)測，揭示出世界的真實(shí)狀態(tài)，并且，其測量結(jié)果不會(huì)受到觀察者意識的影響。因此，就某種程度而言，經(jīng)典力學(xué)中觀察者的行為同樣是被決定和可準(zhǔn)確預(yù)測的，觀察者的心靈與觀察者本身的原子構(gòu)成的經(jīng)典態(tài)被視為相等同。但是，在量子測量的過程中，這種測量過程和結(jié)果的客觀嚴(yán)格決定性和確定性會(huì)發(fā)生改變。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的量子力學(xué)思考，以玻爾、海森堡等人為代表的哥本哈根學(xué)派認(rèn)為，測量和觀察在描述物理實(shí)在的過程中具有十分重要的作用。在量子測量的過程中，測量的結(jié)果會(huì)表現(xiàn)出一定的不確定性，即每一次的測量結(jié)果都不相同。這種不確定性主要來自觀察者的意識和測量工具在每一次測量過程中所產(chǎn)生的差異性影響?！傲孔恿W(xué)并不描述物理實(shí)在本身，而是描述物理實(shí)在出現(xiàn)的概率，而這種概率取決于觀察者的觀察?！雹倭孔恿W(xué)的產(chǎn)生從根本上改變了觀察者在測量過程中的地位。
測量問題研究的是一個(gè)處于經(jīng)典態(tài)的觀察者是怎樣在一個(gè)量子世界里存在的問題，量子世界描述了不同態(tài)的疊加，但是人類主體對世界的知覺和描述卻屬于宏觀層次上的經(jīng)典態(tài)。所以，在維格納、斯塔普（Henry Stapp）等物理學(xué)家看來，人類主體對經(jīng)典世界的經(jīng)驗(yàn)為什么以及怎樣從量子世界中突現(xiàn)中出來，是量子理論要解決的根本問題之一。在量子理論中，人與微觀領(lǐng)域的物質(zhì)和能量同處于一個(gè)測量過程，觀察者的意識會(huì)對測量的結(jié)果產(chǎn)生直接的影響，使測量結(jié)果表現(xiàn)出一種主客體不可分割的特征，正如海森堡所說，“自然科學(xué)不是自然界本身，而是人和自然界關(guān)系的一部分，因而就依順于人?！雹诹孔恿W(xué)所揭示出的物理實(shí)在以幾率波的形式呈現(xiàn)，并且只有在觀察者的意識參與到測量過程進(jìn)行觀察時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。在測量過程中，觀察者的意識是量子力學(xué)所描述的物理實(shí)在本身的基本前提，自始至終都決定著測量的結(jié)果。因此，量子理論不是關(guān)于描述客觀物理實(shí)在本身的知識，它從一開始就包含了觀察者意識這一因素。量子理論實(shí)際上是由人類主體意識通過對物理對象的觀察得到、并經(jīng)過認(rèn)知加工的知識。但是在經(jīng)典力學(xué)中，情況則恰恰相反，人類主體同測量過程和測量結(jié)果截然分離，有意識的主體與客體對象之間有明確的邊界。
第二，意識引發(fā)塌縮理論。馮?諾依曼在其1932年的著作《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》中首次提出“意識引發(fā)塌縮”理論（consciousness cause collapse proposal，簡稱CCCP），受到維格納和斯塔普的支持。該理論認(rèn)為，“測量”僅僅發(fā)生在有意識的觀察者和波函數(shù)相互作用的基礎(chǔ)上，所以僅從量子力學(xué)的角度來描述世界是不完整的，一個(gè)完整、科學(xué)、系統(tǒng)的描述應(yīng)該包含意識狀態(tài)對量子力學(xué)的影響，而塌縮就是在有意識的觀察者的心靈同其它系統(tǒng)的糾纏中發(fā)生的。“量子力學(xué)的規(guī)律是正確的，但是有一個(gè)系統(tǒng)有可能要用量子力學(xué)來說明，這個(gè)系統(tǒng)就是整個(gè)物質(zhì)世界。有一個(gè)不在量子力學(xué)之內(nèi)的外部的觀察者，這個(gè)觀察者就是人類（和動(dòng)物）的心靈，它在大腦上執(zhí)行測量并導(dǎo)致波函數(shù)的塌縮?！雹鄢诌@種觀點(diǎn)的哲學(xué)家和物理學(xué)家，如查爾默斯（David Chalmers）和洛克伍德（Michael Lockwood）認(rèn)為，“塌縮動(dòng)力學(xué)為交互論說明敞開了大門”。④同時(shí)，他們也認(rèn)為意識能夠從某種復(fù)雜的大腦物理狀態(tài)中突現(xiàn)出來，從而具有引發(fā)波函數(shù)塌縮的因果效力。
當(dāng)然，“意識引發(fā)塌縮”理論實(shí)際上還面臨許多問題。例如，意識引發(fā)塌縮是在什么時(shí)候發(fā)生的？是否僅在有意識的觀察者參與的測量過程中，意識才會(huì)引發(fā)塌縮？根據(jù)現(xiàn)有的宇宙知識，早期宇宙的量子狀態(tài)并不是一個(gè)意識的本征態(tài)（eigenstate），在宇宙產(chǎn)生的最初的三分鐘里，也沒有一個(gè)有意識的觀察者在觀察一切的發(fā)生。如果宇宙最初的那個(gè)狀態(tài)是根據(jù)薛定諤所提出的規(guī)律而演化出的早期宇宙狀態(tài)，那么一個(gè)與有意識的觀察者的存在相關(guān)聯(lián)的本征態(tài)就不可能產(chǎn)生。第一次的塌縮需要有意識的觀察者出現(xiàn)才能產(chǎn)生，但是有意識的觀察者的出現(xiàn)則需要更早狀態(tài)的塌縮才能產(chǎn)生，塌縮與有意識觀察者出現(xiàn)的先后順序問題的不確定，直接導(dǎo)致意識引發(fā)塌縮不可能開始的結(jié)論。盡管，“意識引發(fā)塌縮”理論受到了許多科學(xué)性和哲學(xué)家的支持，但是他們并沒有為該觀點(diǎn)提供一種可靠的論證。并且，這一理論和作為主流說明的多世界理論相悖。多世界理論認(rèn)為，波函數(shù)是對于整個(gè)宇宙的完備描述，它是一種基本的物理實(shí)體，從不塌縮;并且，量子測量不需要意識的參與，把意識引入到物理說明中，只會(huì)使實(shí)在論遭遇到危機(jī)。
盡管對于意識在量子力學(xué)中的位置尚無定論，但是已經(jīng)有越來越多的物理學(xué)家和哲學(xué)家參與到這一爭論中去，比如維格納、斯塔普、查爾默斯等人，他們關(guān)于意識在量子力學(xué)研究中的作用的積極討論，已經(jīng)表明，意識是量子力學(xué)研究中不可忽視的一個(gè)重要問題。
2 量子力學(xué)視域中的意識研究
早期的量子力學(xué)研究者如普朗克、玻爾、薛定諤等人主張，意識研究應(yīng)該引入量子隨機(jī)性來解決與決定論之間的矛盾，此后，量子力學(xué)視域中的意識研究開始興起。我們將首先說明為什么意識研究要引入量子力學(xué)，然后論述用量子力學(xué)研究意識的三條主要路徑。
2.1 為什么意識研究需要引入量子力學(xué)
還原的唯物主義的觀點(diǎn)以經(jīng)典力學(xué)的決定論、還原論等原則為立論的基礎(chǔ)。決定論認(rèn)為，質(zhì)點(diǎn)是真正的實(shí)在，只要給出質(zhì)點(diǎn)的位置和動(dòng)量，那么，依據(jù)一定的初始值，自然和人的行為就可以被準(zhǔn)確地預(yù)測。還原論主張，一切高級運(yùn)動(dòng)形式都可以還原為低級、基本的活動(dòng)形式，把這種方法運(yùn)用到意識研究中就是把意識這種大腦的高級活動(dòng)形式還原為最基本的大腦神經(jīng)活動(dòng)，以達(dá)到揭示意識本質(zhì)的目的。傳統(tǒng)的意識研究建立在這種理論基礎(chǔ)之上，而意識問題的關(guān)鍵在于，意識的主觀特征該如何進(jìn)行有效的還原，并且使被還原為神經(jīng)活動(dòng)的意識仍然能夠具有說明主觀感受的完備性呢？這一問題被查爾默斯稱為著名的“意識困難問題”。
“在經(jīng)典力學(xué)中沒有任何支持‘感受’存在的邏輯上的依據(jù)。它是一個(gè)理性封閉的概念系統(tǒng)，它的原則只有在決定事物的位置和運(yùn)動(dòng)的時(shí)候起作用，這個(gè)系統(tǒng)局限于一個(gè)狹小的數(shù)學(xué)框架內(nèi)，不涉及任何現(xiàn)象性的性質(zhì)。”⑤這就是說，在以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的認(rèn)識論框架內(nèi)，并沒有人的主觀感受的存在地位，經(jīng)典力學(xué)以排除意識問題來實(shí)現(xiàn)自身體系的完整性。一種排除了意識存在地位的理論如何能夠解決意識問題？這顯然是令人懷疑的。
因此，彭羅斯（Roger Penrose）、斯塔普等物理學(xué)家認(rèn)為，如果對意識的研究仍局限在經(jīng)典力學(xué)的框架內(nèi)，意識問題永遠(yuǎn)不可能得到解決，我們必須在一個(gè)全新的框架內(nèi)說明意識和大腦活動(dòng)之間的關(guān)系，而量子力學(xué)的引入，能夠?yàn)槲覀兲峁┬碌难芯恳暯恰?
2.2 量子力學(xué)視域中意識研究的三條路徑
意識是由大腦神經(jīng)活動(dòng)基于某種動(dòng)力學(xué)而實(shí)現(xiàn)的過程，由于它涉及到微觀層面的化學(xué)和電子現(xiàn)象，因此，對它的描述必然要涉及到量子理論。從而，我們可以把意識看成是一個(gè)發(fā)生在大腦微觀世界中的特殊的量子力學(xué)現(xiàn)象。持這種觀點(diǎn)的物理學(xué)家和心靈哲學(xué)家認(rèn)為，“意識是一種對神經(jīng)反射的直接認(rèn)識，這種神經(jīng)反射是通過已知的量子事件突然實(shí)現(xiàn)的?！雹薷鶕?jù)目前的研究，量子力學(xué)對意識的說明可以分為三條路徑。
第一條路徑是運(yùn)用相關(guān)的量子力學(xué)概念，如量子疊加、塌縮等原理與意識活動(dòng)進(jìn)行類比來達(dá)到說明意識的目的。在說明的過程中，不需要涉及復(fù)雜的運(yùn)算，也不需要將具體的概念運(yùn)用到具體的情境中。這種方式的說明僅僅是一種概念上相似性的類比，因此本質(zhì)上不是對意識過程的科學(xué)表征，并不能真正揭示意識的本質(zhì)。
第二條路徑是運(yùn)用具體的量子力學(xué)概念來揭示神經(jīng)生理學(xué)的過程。通過這條途徑，量子力學(xué)對意識的相關(guān)特征做出了說明。
第一，用玻色―愛因斯坦凝聚態(tài)說明意識的高度整合性。個(gè)體在反觀當(dāng)下的意識狀態(tài)的時(shí)候，大腦中會(huì)呈現(xiàn)一幅統(tǒng)一和諧的意識場景。例如，當(dāng)某人在上課的時(shí)候，因?yàn)槁牭酱巴獾囊魳范肫鹆四巢侩娨晞〉那楣?jié)、大腦中會(huì)浮現(xiàn)電視劇的場景和人物、甚至是當(dāng)時(shí)的天氣，同時(shí)，他的耳邊又傳來老師的講課聲，同時(shí)他的右手正在做著筆記。于是，他所有的感官都被調(diào)動(dòng)起來，在大腦中形成了一幅統(tǒng)一但富有情節(jié)跳躍性的場景。這幅場景完整且豐富，個(gè)體無法把它自行分割，也就是說，大腦中所呈現(xiàn)的統(tǒng)一和諧的意識場景不能被分割成他正在聽音樂或者他正在做筆記這些構(gòu)成意識內(nèi)容的元素而獨(dú)立存在。同時(shí)，隨著老師的突然提問，他形成的意識場景被打破，繼而思考老師提問的意識場景，或者隨著窗外音樂聲的停止，他的意識場景轉(zhuǎn)換成了另一幅圖像呈現(xiàn)在大腦中。不論意識的內(nèi)容如何改變，他的意識狀態(tài)總是統(tǒng)一且不可分割的整體。
玻色―愛因斯坦凝聚態(tài)是一種全新的物質(zhì)狀態(tài)，即不同活動(dòng)水平的原子在溫度極低的條件下會(huì)凝聚在一起而具有統(tǒng)一的特征。當(dāng)這些原子處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，它們以無序的方式排列，一旦它們受到外界的刺激，并且細(xì)胞的能量因刺激而達(dá)到某個(gè)臨界水平時(shí)，它們就會(huì)一致性地被激活。這種神經(jīng)元的激活能夠波及整個(gè)大腦，并產(chǎn)生一致的量子電場。玻色―愛因斯坦凝聚態(tài)的過程機(jī)制恰好能夠說明，分布在不同腦區(qū)且活動(dòng)水平各異的神經(jīng)元活動(dòng)怎樣能夠協(xié)同行動(dòng)，以支持一個(gè)完整統(tǒng)一的意識場景的產(chǎn)生。
第二，用測不準(zhǔn)原理說明思維的量子化特征。EEG （Electro Encephalo Gram）實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，思維過程在本質(zhì)上具有量子化的特征。思維過程與量子過程的變化有諸多相同點(diǎn)。例如，當(dāng)一個(gè)人在回憶多年前，在某節(jié)印象深刻的課堂上被老師提問自己所做的回答時(shí)，大腦中許多與當(dāng)時(shí)場景相關(guān)的模糊要素都處在被調(diào)動(dòng)的潛在狀態(tài)中，例如當(dāng)時(shí)的天氣、情緒狀態(tài)、問題的內(nèi)容、他的回答、同學(xué)們的反應(yīng)等。當(dāng)他把注意力刻意集中到其中一個(gè)記憶片段，如當(dāng)時(shí)回答問題的緊張狀態(tài)上，準(zhǔn)備仔細(xì)回想和再現(xiàn)曾經(jīng)回答過的內(nèi)容時(shí)，他會(huì)發(fā)現(xiàn)在回憶的過程中常常會(huì)遇到困難。對當(dāng)時(shí)所回答內(nèi)容的記憶會(huì)變得不如刻意集中注意力之前那樣清晰和完整，甚至試圖回憶起來的思路也會(huì)消失而被其它的思路所取代。在未刻意回憶時(shí)本來清晰完整的回答，反而在集中注意力之后變得模糊，甚至原先的回憶思路也被打亂，最終導(dǎo)致意識場景發(fā)生改變。這一特征能夠用海森堡在1927年所提出的“測不準(zhǔn)原理”來說明。
“測不準(zhǔn)原理”表明，一個(gè)微觀粒子的物理量，如位置和動(dòng)量、時(shí)間與能量等不可能同時(shí)具有確定的數(shù)值，如果在一對物理量中，其中一個(gè)量的值越確定，那么另一個(gè)量的值就越難以確定。就思維的特征而言，被刻意關(guān)注的回憶類似于電子的二象性中的粒子性而具有“位置”，在刻意集中注意力之前的潛伏性的整體思路，就像電子的二象性中的波而具有“動(dòng)量”。兩者不能同時(shí)清晰或者同時(shí)確定，而只能確定一個(gè)。
第三條路徑是一種關(guān)于量子力學(xué)的普遍性理論，其代表人物是玻姆（David Bohm）和斯塔普。玻姆等人提出一種“新實(shí)在論”的觀點(diǎn)。他們認(rèn)為，意識和物質(zhì)不是兩個(gè)根本性的實(shí)在，物質(zhì)和意識只是從隱序的基本實(shí)在中投射到顯序中的投射物。斯塔普持類似的觀點(diǎn)，并提出了建立在過程本體論上的意識觀點(diǎn)，即最本質(zhì)的實(shí)在元素是現(xiàn)實(shí)場合（actual occasion），而不是物質(zhì)或者心靈?，F(xiàn)實(shí)場合可以把心理的和物理的特征緊密地聯(lián)系起來。這樣，心物直接互動(dòng)的觀點(diǎn)就被他在更為深層次的基礎(chǔ)上提出的心物關(guān)聯(lián)的約束集合（constraint set）所取代。
3 結(jié)論
量子力學(xué)與意識看似毫不相關(guān)，但實(shí)際上卻是一對具有多重內(nèi)在關(guān)聯(lián)性的奇妙的搭檔，兩者的交叉研究極大地拓展了彼此的理論視域，其背后的形而上學(xué)基礎(chǔ)是一種交互二元論。從交互二元論的角度出發(fā)，意識被賦予了引發(fā)波函數(shù)塌縮的因果效力，并作為一種測量過程的初始條件由始至終影響著對物理對象的客觀描述。并且，意識研究中量子力學(xué)的引入，突破了長期以來用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律說明意識問題所遭遇到的瓶頸，為意識的高度整合性等特征提供了有力的科學(xué)說明。隨著交叉學(xué)科的縱深發(fā)展，意識與量子力學(xué)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性將會(huì)得到更多的揭示。
本書以完整和自成一體的方式詳細(xì)闡述了非相對論量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和它們所需要的數(shù)學(xué)理論，它們是為了使量子力學(xué)系統(tǒng)化而由David Hilbert， John von Neumann 及其他的一些數(shù)學(xué)家所開創(chuàng)的數(shù)學(xué)物理分支。
自量子力學(xué)誕生以來，該領(lǐng)域的許多先驅(qū)都曾向Hilbert請教有關(guān)數(shù)學(xué)問題。Hilbert從1926年開始系統(tǒng)研究量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，并在1926-27年曾經(jīng)講授過“量子理論的數(shù)學(xué)方法”。按照他和他的助手Johnvon Neumann等的觀點(diǎn)，適用于量子力學(xué)的數(shù)學(xué)框架就是在1927年由一種抽象的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)所確定的空間。1926-1932年von Neumann證明了Hilbert空間算符的許多定理，于1932年撰寫成非常著名的 “量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)”一書，Hilbert空間中的線性算符作為量子力學(xué)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)得到了公認(rèn)。
量子力學(xué)和Hilbert空間算符是物理和數(shù)學(xué)概念之間完全對應(yīng)的罕見實(shí)例之一。不幸的是，量子力學(xué)許多教科書中關(guān)于這一方面的內(nèi)容幾乎被完全忽視了。發(fā)生這種情況的主要原因是，在物理學(xué)家群體中，Dirac的量子力學(xué)遠(yuǎn)比Johnvon Neumann的量子力學(xué)流行。 Dirac的方法幾乎不需要多少數(shù)學(xué)，很多概念缺少嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義。實(shí)際上，處理量子力學(xué)要求比Hilbert空間更普遍的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。但是在Hilbert空間中量子力學(xué)更迷人，因?yàn)閺闹锌梢愿逦乜吹綌?shù)學(xué)結(jié)構(gòu)如何以一種必然方式與物理理論聯(lián)系在一起。
很多關(guān)于基礎(chǔ)量子力學(xué)的著作不加證明地使用Hilbert空間算符理論的結(jié)果，而許多關(guān)于Hilbert空間算符的著作不處理量子力學(xué)。本書的目的不是完整地處理Hilbert空間算符，而是在完全的數(shù)學(xué)精度下討論量子力學(xué)原理，并盡力追溯它們所賴以建立的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。對于量子力學(xué)的處理是公理化的，其定義都是從以數(shù)學(xué)方式所證明的命題得到。本書不要求讀者具備量子力學(xué)知識，僅從初等分析出發(fā)發(fā)展數(shù)學(xué)理論，詳細(xì)給出了涉及的所有的證明，使本書很容易被僅有大學(xué)數(shù)學(xué)和物理知識的讀者接受。對于自學(xué)也是非常理想的。
本書是一部純理論著作，可以被分成幾個(gè)部分用于多種課程。
全書內(nèi)容分成20章：1. 集合、映射、群；2. 度規(guī)空間；3.線性空間中的線性算符； 4. 正規(guī)空間中的線性算符； 5. 擴(kuò)充實(shí)線； 6. 可測集合與可測函數(shù)； 7. 測度； 8. 積分；9. Lebesgue測度； 10. Hilbert空間； 11. L2 Hilbert空間；12. 伴算符；， 13. 正交投影與投影值測度；14. 對投影值測度積分；15. 譜定理；16. 單參量幺正群和Stone定理；17. 對易算符和約化自同構(gòu)；18. 跡族和統(tǒng)計(jì)算符；19. Hilbert 空間中的量子力學(xué)； 20. 非相對論中的位置與動(dòng)量。
與量子力學(xué)密切相關(guān)的數(shù)學(xué)領(lǐng)域或物理類高年級大學(xué)生和研究生、泛函分析的研究人員和研究生以及物理學(xué)家會(huì)對本書感興趣，他們可以看到抽象的泛函分析預(yù)言如何把量子理論所用的明顯不同的方法引向統(tǒng)一。
丁亦兵，教授
（中國科學(xué)院大學(xué)）
摘 要 本文主要針對微電子科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的數(shù)學(xué)和普通物理基礎(chǔ)通常比較薄弱情況，對“量子力學(xué)”課程教學(xué)進(jìn)行初步探討，以求激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞 微電子科學(xué)與工程 量子力學(xué) 教學(xué)探討
量子力學(xué)作為當(dāng)代科學(xué)發(fā)展最成功的理論之一，它主要研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，與相對論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。量子力學(xué)是學(xué)習(xí)固體物理、半導(dǎo)體物理和微電子技術(shù)等專業(yè)課程的重要基礎(chǔ)，已經(jīng)成為很多理工科專業(yè)最重要的必修基礎(chǔ)課程之一。其體現(xiàn)出的研究和對待新事物的思想和方法，對學(xué)生學(xué)習(xí)其他學(xué)科和畢業(yè)后從事其工作均有很好的指導(dǎo)和啟迪作用，對培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識及科學(xué)素養(yǎng)亦具有十分重要的意義。
量子力學(xué)理論與學(xué)生長期以來接觸到的經(jīng)典物理體系和日常生活常識相距甚遠(yuǎn)，尤其是處理問題的思路和手段與經(jīng)典物理更是截然不同，但二者又是科學(xué)上的繼承和創(chuàng)新的關(guān)系，許多量子力學(xué)中的基本概念和基本理論是從經(jīng)典物理中的相關(guān)內(nèi)容類比而來的。因此，在教學(xué)中一方面需要徹底打破學(xué)生在經(jīng)典物理學(xué)習(xí)中已經(jīng)形成的固有觀念和認(rèn)識，另一方面在學(xué)習(xí)量子力學(xué)某些基本概念和基本理論時(shí)又要求學(xué)生建立起與經(jīng)典物理之間的聯(lián)系，以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時(shí)困惑不堪。同時(shí)，微電子科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生由于數(shù)學(xué)和普通物理基礎(chǔ)比較薄弱，眾多學(xué)生陷于煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)之中，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣缺失。那么，在教學(xué)量子力學(xué)時(shí)，應(yīng)如何激發(fā)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量呢？
一、學(xué)習(xí)量子力學(xué)發(fā)展史，激發(fā)學(xué)生的求知欲
興趣是最好的老師，量子力學(xué)課程的第一節(jié)課講授效果對學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣影響很大，所以量子力學(xué)緒論課的講解直接影響到學(xué)生對學(xué)習(xí)量子力學(xué)這門課程的態(tài)度。作者主要通過列舉早期與量子力學(xué)相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以及量子力學(xué)中奇特的現(xiàn)象來抓住學(xué)生的興趣。諾貝爾獎(jiǎng)得主歷來都是世人矚目的人物，處于網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的學(xué)生當(dāng)然也會(huì)有所關(guān)心和理解，而且他們的主要工作在量子力學(xué)這門課程中都將會(huì)一一介紹，這樣通過舉例子的方法強(qiáng)調(diào)了量子力學(xué)在自然科學(xué)中的重要地位。同時(shí)也為學(xué)生探索什么樣的工作才可以拿到諾貝爾獎(jiǎng)留下懸念，逐漸消除學(xué)生對量子力學(xué)的恐懼感。通過介紹四大經(jīng)典力學(xué)，引導(dǎo)出量子力學(xué)和大家熟悉的經(jīng)典物理學(xué)的關(guān)系，并結(jié)合經(jīng)典物理學(xué)史上出現(xiàn)的困難和解決過程，讓學(xué)生深入了解量子力學(xué)發(fā)展史。這樣一方面可使學(xué)生對量子力學(xué)的形成和建立的科學(xué)歷史背景有深刻了解，有助于學(xué)生厘清經(jīng)典物理與量子理論之間的界限和區(qū)別，加深他們對量子力學(xué)基本概念和基本理論的理解；另一方面，可使學(xué)生對蘊(yùn)藏在這一歷程中的智慧火花和科學(xué)思維方法有一全面的了解，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識及科學(xué)素養(yǎng)。
在授課過程中，在介紹量子力學(xué)發(fā)展史上一些著名科學(xué)家的簡歷，如愛因斯坦，海森伯，薛定諤等的同時(shí)，適當(dāng)?shù)亓孔恿W(xué)發(fā)展史上的大事記，比如第一顆原子彈爆炸，第一個(gè)晶體管的發(fā)明等。通過介紹這些學(xué)生熟悉的人物及相關(guān)事件，有助于促進(jìn)學(xué)生對量子力學(xué)課程的興趣，在聽故事的過程中了解量子力學(xué)的誕生，通過講述量子力學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的關(guān)系，讓學(xué)生明白量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)之一，在微電子科學(xué)與工程后續(xù)課程固體物理、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的發(fā)展中它都有重要的意義和應(yīng)用。
二、加深對物理概念的把握，幫助學(xué)生找尋學(xué)習(xí)方法
量子力學(xué)課程的教學(xué)和學(xué)習(xí)需要線性代數(shù)、概率論、高等數(shù)學(xué)、數(shù)理方法等數(shù)學(xué)課程作為的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，而在微電子科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)比較薄弱，從而對量子力學(xué)產(chǎn)生畏懼心理，影響對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。在物理學(xué)中，數(shù)學(xué)只是用來表述物理思想并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒在復(fù)雜的數(shù)學(xué)形式之中。因此，在教學(xué)過程中，教師要著重于加強(qiáng)基本概念和基本理論的講授，把握這些概念和理論中所蘊(yùn)含的物理實(shí)質(zhì)。對一些涉及繁難數(shù)學(xué)推導(dǎo)的內(nèi)容，在教學(xué)中刻意忽略具體數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，著重于使學(xué)生掌握其中的思想方法。例如：在一維勢壘問題的教學(xué)中，對于數(shù)學(xué)方面的問題，只要求學(xué)生能正確寫出入射粒子能量和勢壘高度不同關(guān)系情形下三個(gè)區(qū)域薛定諤方程、記住其結(jié)論即可，重點(diǎn)放在該類問題所蘊(yùn)含的物理意義及對現(xiàn)成結(jié)論的應(yīng)用上。
三、改革教學(xué)方法和手段，加深學(xué)生的理解
“量子力學(xué)”課程本身實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)薄弱、理論性較強(qiáng)，物理圖像不夠直觀，一味采取灌輸式教學(xué)方法和長時(shí)間的板書推導(dǎo)，學(xué)生勢必感到枯燥，甚至厭煩。長期以往，必然挫敗學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使得學(xué)習(xí)效果大打折扣。作者在教學(xué)過程中通過采用類比的方法構(gòu)建物理圖像使學(xué)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。取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。結(jié)合圖形、影像等多媒體手段，模擬實(shí)驗(yàn)全過程。借助有關(guān)的教學(xué)軟件，通過對真實(shí)情景的再現(xiàn)和模擬，可以讓學(xué)生重復(fù)觀察模擬實(shí)驗(yàn)過程，增加師生之間的互動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解。例如：在講述微光粒子的波動(dòng)性，借助電子衍射實(shí)驗(yàn)圖像類比講解波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋和態(tài)疊加原理時(shí)，使用多媒體動(dòng)畫，我們可形象地展現(xiàn)電子一個(gè)一個(gè)打到屏幕上最后得到衍射圖樣的過程。通過減弱電子流強(qiáng)度使粒子一個(gè)一個(gè)地被衍射，粒子一個(gè)個(gè)隨機(jī)的被打到屏幕各處，顯示電子的粒子性；但經(jīng)過足夠長的時(shí)間，所得衍射圖樣和大量電子同時(shí)衍射所得圖樣一樣，顯示電子的波動(dòng)性以及波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋，可以加深學(xué)生的印象，理解其物理意義，同時(shí)也容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。通過比較電子和經(jīng)典粒子的波長，說明為什么在日常生活中難以觀測到粒子的波動(dòng)性，加深學(xué)生對微觀粒子波粒二象性的理解和掌握。若使用傳統(tǒng)板書手工繪制，不僅速度慢而且不準(zhǔn)確，直接影響教學(xué)效果。
四、結(jié)束語
微電子科學(xué)與工程作為電子學(xué)的一門分支學(xué)科，主要是研究電子或離子在固體材料中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)微米和納米尺寸下電路和系統(tǒng)的集成為目的。針對這種情況，在授課時(shí)應(yīng)注意介紹量子力學(xué)和微電子科學(xué)與工程的聯(lián)系，盡可能進(jìn)行知識的滲透和遷移。課堂教學(xué)過程是一個(gè)不斷探索、總結(jié)和創(chuàng)新的過程。要實(shí)現(xiàn)量子力學(xué)這門課程的全面深入的改革，還有待與同仁一道共同努力。
摘 要 研究生階段既是知識深化的學(xué)習(xí)過程，也是科研能力培養(yǎng)的過程，學(xué)習(xí)知識為科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。本文從現(xiàn)階段研究生授課模式存在的問題出發(fā)，探討了高校研究生高等量子力學(xué)教學(xué)的必要性，在教學(xué)過程中引入研究性教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生在掌握量子力學(xué)基本原理的基礎(chǔ)上，綜合素質(zhì)能力、科研創(chuàng)新能力得到極大的提高。
關(guān)鍵詞 量子力學(xué) 教學(xué)改革 創(chuàng)新能力 研究性教學(xué)
自上個(gè)世紀(jì)80年初期恢復(fù)研究生教育，我國的研究生教育進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的時(shí)期。①隨著我國高等教育的發(fā)展，研究生教育規(guī)模的也迅速擴(kuò)大，研究生教育質(zhì)量已成為一個(gè)全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)問題。我國研究生的素質(zhì)關(guān)系到國家的未來發(fā)展，研究生教育是為國家培養(yǎng)現(xiàn)代化建設(shè)、發(fā)展科技培養(yǎng)高水平、高層次人才;研究生教育是我國站上世界知識經(jīng)濟(jì)高點(diǎn)的重要支持;同時(shí)也是高校實(shí)現(xiàn)由教學(xué)型向研究型轉(zhuǎn)變的重要基礎(chǔ)。研究生教育不同于本科生教育，研究生教育不僅包含課程教學(xué)，同時(shí)包含了社會(huì)實(shí)踐、學(xué)位論文等諸多環(huán)節(jié)。②然而作為科研能力、自主創(chuàng)新能力發(fā)展的基礎(chǔ)――課程教學(xué)不僅要傳授知識，更重要的是要指導(dǎo)研究生思考，是提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量的根本。
研究生教學(xué)質(zhì)量是整個(gè)研究生教育的一個(gè)重要部分，如何合理利用現(xiàn)有教學(xué)資源條件，使得研究生教學(xué)質(zhì)量能夠穩(wěn)步提高，則成為研究生管理的首要解決問題之一。自上個(gè)世紀(jì)80年代以來，高等教育改革逐漸興起，其主要目標(biāo)就是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，教育界越來越多地關(guān)注教學(xué)方法創(chuàng)新研究。首先，研究性教學(xué)，是一種能有效引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探究、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)方式，引起全世界各地的教育及其相關(guān)部門的關(guān)注。目前，教育部實(shí)施研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目研究計(jì)劃， 現(xiàn)在全國已有100多所大學(xué)參加這項(xiàng)計(jì)劃。其次，在過去的幾十年中，國內(nèi)外在總結(jié)以前高等教育成果與不足的基礎(chǔ)上，以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為教育主要目標(biāo)，對原有的傳統(tǒng)高等教育模式進(jìn)行了改革。
自從20世紀(jì)50年代美國施瓦布教授首先提出學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和科學(xué)家的研究過程是一致的以來，研究性學(xué)習(xí)引起了人們的廣泛關(guān)注，提出了各種相關(guān)的理論。③④⑤ 然而，現(xiàn)在國內(nèi)的高校課堂教學(xué)大部分都是基于傳統(tǒng)教學(xué)模式：教師教學(xué)――課堂講授為主的教學(xué)模式。而研究性學(xué)習(xí)，則主要是以研究問題為基礎(chǔ)、由學(xué)生主動(dòng)提出問題、并設(shè)計(jì)解決方案、解決問題，并在這一過程中獲得知識、培養(yǎng)相應(yīng)的能力，基于此中方式來展開教學(xué)與研究的教學(xué)模式在國內(nèi)現(xiàn)有的教學(xué)理念與教學(xué)資源條件下，應(yīng)用并不廣泛。尤其是在相對較為抽象難懂的理工類課程如量子力學(xué)課程教學(xué)中應(yīng)用更是甚少。⑥研究生教育主要是培養(yǎng)學(xué)生的科研能力與素養(yǎng)，首先要在“研究”的培養(yǎng)上下功夫，而研究生課程教學(xué)正好提供了這一平臺。在本文中主要以高等量子力學(xué)課程教學(xué)為主要研究內(nèi)容，探討如何進(jìn)行課堂教學(xué)改革。
自1978年國內(nèi)恢復(fù)研究生招生制度以來，高等量子力學(xué)就被列為物理系各專業(yè)研究生必修的學(xué)位課程之一，同時(shí)高等量子力學(xué)也是報(bào)考博士研究生的考試科目之一，在原來本科階段“量子力學(xué)”的基礎(chǔ)上進(jìn)行深化和拓展，主要是提供學(xué)生在后學(xué)研究工作中要用的一些知識和方法。量子理論已經(jīng)成為解決物理學(xué)、生命科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)等理論問題的關(guān)鍵。
量子力學(xué)作為一門微觀物理課程，與經(jīng)典物理學(xué)相比，有一個(gè)很明顯的差異：其中很多理論很難與日常生活和經(jīng)驗(yàn)對應(yīng)，涉及的理論、概念非常抽象，同時(shí)涉及非常多的數(shù)學(xué)知識，如（線性代數(shù)、Hilbert 空間、群論、數(shù)學(xué)物理方法和復(fù)變函數(shù)等），內(nèi)容繁多，知識結(jié)構(gòu)廣泛，使得學(xué)生理解起來有非常大的困難，同時(shí)容易誘使學(xué)生陷入復(fù)雜繁瑣的計(jì)算，而失去對量子力學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。目前，從我校物理系碩士研究生的實(shí)際情況來看，學(xué)生的量子力學(xué)知識水平參差不齊，有的學(xué)生以前沒有學(xué)習(xí)過量子力學(xué)，有的學(xué)生學(xué)量子力學(xué)學(xué)時(shí)非常短，同時(shí)每個(gè)研究方向?qū)α孔恿W(xué)的需求也不盡相同。 因此，量子力學(xué)成為教師公認(rèn)難教的課程、學(xué)生公認(rèn)難學(xué)的課程。 高等量子力學(xué)的教學(xué)效果將直接影響學(xué)生以后的科學(xué)研究創(chuàng)新能力與論文水平。為了培養(yǎng)研究生日后的科研能力，我們主要從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上進(jìn)行了改革探討。
在教學(xué)內(nèi)容上，結(jié)合本校教學(xué)時(shí)限（48學(xué)時(shí)）和本校學(xué)生的特點(diǎn)、學(xué)生的研究方向，主要目標(biāo)是將量子力學(xué)的知識應(yīng)用到其它領(lǐng)域，避免冗長的理論計(jì)算，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情。重點(diǎn)學(xué)習(xí)量子力學(xué)的形式理論、微擾理論、對稱性和守恒定律、量子散射理論等。
在教學(xué)方法上，根據(jù)學(xué)生的知識基礎(chǔ)和教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，采用學(xué)生為主的教學(xué)方式。傳統(tǒng)的教學(xué)方式主要是以教師講授為主的灌輸式、填充式，由于量子力學(xué)本身的特點(diǎn)，這些教學(xué)方法對量子力學(xué)的教學(xué)實(shí)效非常有限。一方面，一個(gè)主角的表演使得本身比較枯燥的量子力學(xué)課堂毫無生氣，學(xué)生面對復(fù)雜繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，思維跟不上教師的節(jié)奏，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情下降。另一方面，學(xué)生本身的角色沒有改變，自主學(xué)習(xí)、自主思考沒有可鍛煉的平臺。教師考慮到自然科學(xué)的特點(diǎn)，一定要從知識的傳承角度出發(fā)，這樣教師要去貫徹啟發(fā)式的教學(xué)方式。學(xué)生學(xué)一門課，學(xué)的是前人從實(shí)踐中總結(jié)出來的間接知識。一個(gè)好的教師，應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生設(shè)身處地去思考，自己是否也能根據(jù)一定的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過分析和推理去得出前人已認(rèn)識到的規(guī)律？自然科學(xué)中任何一個(gè)新的概念和原理，總是在舊概念和原理與新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的矛盾中誕生的。⑦作為教師，要充分利用新舊理論的矛盾提出問題，讓學(xué)生思考問題，并設(shè)計(jì)一套完成的解決方案。在量子力學(xué)的課堂教學(xué)中，筆者結(jié)合實(shí)際情況，主要采取的是學(xué)生講授為主、教師輔導(dǎo)的方式。盡管學(xué)生對量子力學(xué)知識的理解有限，但是一方面可以促使學(xué)生在課前預(yù)習(xí);另一方面學(xué)生為了準(zhǔn)備一堂課，要查閱相關(guān)資料，這樣就可以極大地提高學(xué)生查找資料的能力，拓展學(xué)生知識面。作為教師，從學(xué)生講授中也可以得到一些啟發(fā)，諸如學(xué)生對一個(gè)問題理解的切入點(diǎn)與教師理解的不同，從而教師可以調(diào)整日后的課堂教學(xué)，使得課堂教學(xué)的內(nèi)容從抽象化為通俗。
將科學(xué)研究融入到課堂教學(xué)，也是實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)改革的有效方式之一。研究生不僅要學(xué)習(xí)知識，更要的是做科學(xué)研究，寓教于研同樣可以提高教學(xué)效果。在課題教學(xué)中，針對一個(gè)主題，在講授基本知識的同時(shí)，更多的引入與之相關(guān)的前沿知識，并要求學(xué)生設(shè)計(jì)相關(guān)的問題，展開調(diào)查研究，以論文、學(xué)術(shù)報(bào)告的方式提交研究成果。通過此種方式，研究生的科學(xué)研究能力得到鍛煉，創(chuàng)新思維能力得到培養(yǎng)，符合我們培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標(biāo)。
本文結(jié)合本校研究生的實(shí)際情況以及量子力學(xué)學(xué)科特色，我們主要從從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法兩方面探討高等量子力學(xué)課程的教學(xué)改革。隨著我國高等教育的發(fā)展，研究生課程教學(xué)改革還有待進(jìn)一步地深化，這樣才能提升我國研究生教育的整體水平，為祖國的發(fā)展培養(yǎng)更多的人才，日益增強(qiáng)國家的綜合國力。
