梅菲 周遠(yuǎn)明 徐進(jìn)霞 張威

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(shí)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

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）24-0229-02

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(shí)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(shí)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(shí)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(chǔ)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(shí)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(shí)有了現(xiàn)實(shí)認(rèn)識(shí)。教學(xué)中不斷滲透專業(yè)前沿科學(xué)知識(shí)，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(shí)，教師只講授課本上的知識(shí)體系是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，特別是新知識(shí)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(chǔ)，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(chǔ)介質(zhì)的體積將變得越來越小，而存儲(chǔ)的容量卻越來越大，甚至無限延展，真正一粒沙中存儲(chǔ)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(shí)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]王振，王巍.工科非物理專業(yè)“量子力學(xué)”教學(xué)初探[J].讀寫算-素質(zhì)教育論壇，2015，（7）：4-5.

[2]李春芝.創(chuàng)新人才培養(yǎng)視域下的量子力學(xué)教學(xué)改革探究[J].課程教育研究（新教師教學(xué)），2014，（21）：168.

[3]金亞旭，田玉明.以科研促進(jìn)《材料物理》課程本科教學(xué)的思考與實(shí)踐[J].湖北函授大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，（26）：73-74.

[4]周正，陳澤軍.科研成果在材料工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2014，（21）：6-7.