量子力學(xué)知識(shí)全文(5篇)

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

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

一、目前“量子力學(xué)”教學(xué)的現(xiàn)狀和主要問(wèn)題

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

二、“量子力學(xué)”教學(xué)改革內(nèi)容與具體方法

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

三、結(jié)束語(yǔ)

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

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

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

1高校學(xué)生管理隊(duì)伍動(dòng)力機(jī)制問(wèn)題的量子思維分析

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

2高校學(xué)生管理隊(duì)伍動(dòng)力指標(biāo)體系分解

新時(shí)代高校學(xué)生管理隊(duì)伍想要在更高層次上激發(fā)活力，推動(dòng)學(xué)生管理事業(yè)創(chuàng)新發(fā)展等方面仍顯乏力。沒(méi)有給力的動(dòng)力機(jī)制的良好運(yùn)行，整個(gè)組織也因此不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)?！傲孔?AHP”分析法運(yùn)用分解、比較判斷和綜合思維方式進(jìn)行決策，將定性分析和定量分析結(jié)合起來(lái)。該方法所需定量信息較少，更講求定性的分析和判斷，這些適合于學(xué)生管理隊(duì)伍動(dòng)力機(jī)制一些目標(biāo)元素難于定量描述卻適合分層交錯(cuò)評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，特別適合這類目標(biāo)層下定性因素起主導(dǎo)作用的決策問(wèn)題。運(yùn)用該方法將判斷要素重要性的過(guò)程化為簡(jiǎn)單的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，一方面用實(shí)際數(shù)據(jù)說(shuō)話，另一方面也考慮到了管理決策中的主觀判斷特性，適合用來(lái)對(duì)高校學(xué)生管理隊(duì)伍動(dòng)力機(jī)制系統(tǒng)進(jìn)行量子化測(cè)評(píng)。學(xué)生管理隊(duì)伍動(dòng)力機(jī)制指標(biāo)體系（M）細(xì)分了10個(gè)核心內(nèi)外部動(dòng)力要素，這一總目標(biāo)層是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)的能量增強(qiáng)過(guò)程，更是內(nèi)外部10種動(dòng)力要素相互配合協(xié)調(diào)的結(jié)果。學(xué)生管理隊(duì)伍內(nèi)部動(dòng)力機(jī)制的10個(gè)為核心內(nèi)部動(dòng)力元素，即一級(jí)指標(biāo)F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)10，將其簡(jiǎn)化表述為：A，B，…，J，逐層分解的40個(gè)二級(jí)指標(biāo)簡(jiǎn)化表述為L(zhǎng)1，L2，…，L40，如表1所示。

1結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要性

只有讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要性，才能使他們產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)起學(xué)習(xí)的動(dòng)力，充分發(fā)揮其主觀能動(dòng)性，使教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果。

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

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

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

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

2結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)方法

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

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

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

1重視數(shù)理，夯實(shí)基礎(chǔ)

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

2理清主線，合理增負(fù)

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

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

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

引言

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

1教學(xué)內(nèi)容改革

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

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