关键词：大学生；量子物理；物理学史
作者简介：丁艳丽（1979-），女，回族，辽宁辽阳人，沈阳化工大学数理系，讲师；母继荣（1964-），女，河北乐亭人，沈阳化工大学数理系，副教授。（辽宁沈阳110142）
一、非物理专业大学生学习量子物理的需要
从整体上介绍量子物理的发展史可以使学生掌握量子物理的核心，从整体上把握量子物理的基石，即波恩的概率解释、海森堡的不确定性原理和玻尔的互补原理。[2]这三大核心原理中，前两者摧毁了经典世界的因果性理论，互补原理和不确定原理又合力捣毁了世界的客观性和客观实在性理论。一些实验和理论斗争的介绍不仅可以吸引学生的学习兴趣，还可以培养学生的科学思维方法。19世纪末20世纪初，好多物理学家认为物理学大厦已经基本建成，后辈的工作只是做些细枝末节的修补和完善。但当时物理学天空漂浮着两朵小乌云，一朵是“以太的绝对参考系”，另一朵是“黑体辐射的紫外线灾难”。前者导致了相对论的建立，后者导致了量子物理的建立。
对量子物理三大基石的掌握，即波恩的概率解释、海森堡的不确定性和玻尔的“互补原理”是量子物理的三大支柱。大学所学的量子物理学是基于这三个支柱的。这就像数学中的公理一样，对于大学生而言不能去讨论为什么，只能是是什么。
二、大学生素质教育的需要
大学物理的量子部分教学不同于物理专业学生的量子物理教学。大学物理教学的目的主要是增强学生分析问题和解决问题的能力，培养学生科学的思维方法、辩证唯物主义观等素质教育，重在方法而非纯理论教学。因此，大学物理的教学目的与任务是使学生对物理学的基本概念、基本理论和基本方法有比较系统的认识和正确的理解，为进一步学习打下坚实的基础。更为重要的是，在大学物理课程的各个教学环节中，都应在传授知识的同时注重培养学生分析问题和解决问题能力，注重培养学生科研探索精神和辩证唯物主义世界观的形成。量子物理发展史的介绍和讲解有助于培养学生这方面的能力。
1.辩证唯物主义世界观的培养
在大学物理的教学过程中融入物理学史的内容有利于培养学生的辩证唯物主义世界观。如关于光的本性的争论持续了300年，光的波动理论和微粒理论艰苦卓绝地斗争了300年。量子论就是在这种斗争中逐渐建立起来的。托马斯·杨的双缝干涉实验、菲涅尔的圆盘衍射等实验形象的描述可使学生体会到光的波动性；而光电效应实验、康普顿的X射线散射实验等实验的介绍可使学生深刻体会光的粒子性；德布罗意电子波及实物粒子波理论的介绍及戴维逊和革末关于电子的实验，电子通过镍块时展现了X射线衍射图案，证明了电子具有波动性，由此人们认识到了光及实物粒子的波粒二象性。这部分的教学可使学生领悟到看似毫不相干的量实际上存在着深刻的联系，波动性和粒子性原来是不可分割的一个整体。就像漫画中教皇善与恶的两面，虽然在每个确定的时刻只有一面能够体现出来，但它们确实集中在一个人的身上。从中学生们可以深刻体会到任何事物都存在两面性，人们要辩证地看待问题。这部分历史的简单介绍还可以使学生深刻体会到人们对真理的认识是随着科技的发展而不断完善的过程，也是一个艰苦长期的斗争过程。对光的波粒二象性的认识有利于培养学生辩证唯物主义世界观。
2.分析问题和解决问题能力的培养
3.求实精神的培养
通过大学物理量子史部分的教学，介绍科学家严谨的治学态度、勇于追求真理的精神，培养学生追求真理的勇气、严谨求实的科学态度和刻苦钻研的作风。
4.科学观察和思维能力的培养
在教学的过程中适当融入量子发展史的内容有利于培养学生科学观察和思维能力。如玻尔的互补原理的提出过程。当海森堡完成“不确定原理”后向玻尔请教，两人就“不确定原理”是从粒子性而来还是波动性而来展开了论战，从而提出了互补原理：波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们却在一个更高的层次上统一在一起，作为电子的两面性被纳入一个整体概念中。这就是玻尔的“互补原理”。它连同波恩的概率解释、海森堡的不确定性共同构成了量子论“哥本哈根解释”的核心，至今仍然深刻地影响人们对于整个宇宙的终极认识。讲解过程中应形象生动地描述海森堡和玻尔的讨论过程及他的思维过程，使学生有种身临其境的感觉，从而培养科学观察和思维的能力。在教学过程中适当介绍思维实验有利于培养学生的思维能力及科学分析能力。如海森堡不确定性原理的提出过程就借助了思维实验及1935年爱因斯坦提出EPR思维实验等。[3]
5.创新意识的培养
通过学学物理学的研究方法、量子物理的发展史以及物理学家的成长经历等，引导学生树立科学的世界观，激发学生的求知热情、探索精神、创新欲望以及敢于向旧观念挑战的精神。如普朗克能量子假设的提出体现了敢于向旧观念、权威学家挑战的精神。而创新意识对一个学生来说是非常重要的，对社会生产力的发展也起着重要作用的。
6.科学美感的培养
以麦克斯韦方程组为例，描述麦氏方程所表现出的深刻、对称、优美，使得每一个科学家都陶醉在其中，玻尔兹曼情不自禁地引用歌德的诗句“难道是上帝写的这些吗？”描述麦克斯韦方程组的美。[2]一直到今天，麦氏方程组仍然被公认为科学美的典范。许多伟大的科学家都为它的魅力折服，并受它深深的影响，有着对于科学美的坚定信仰，甚至认为：对于一个科学理论来说，简洁优美要比实验数据的准确来得更为重要。依此引导学生认识物理学所具有的明快简洁、均衡对称、奇异相对、和谐统一等美学特征，培养学生的科学审美观，使学生学会用美学的观点欣赏和发掘科学的内在规律，逐步增强认识和掌握自然科学规律的能力。
7.科学探索精神的培养
物理学在追求着大统一。许多科学家献身于这项伟大的事业，比如弦理论的提出。讲述其发展过程可激发学生的科学探索精神。
三、科学发展的需要
科学发展到今天，是建立在前人取得成就的基础上的。牛顿都说：“我站在了巨人的肩上。”以史为鉴，才能少走弯路。物理学发展到今天只剩下了最后一个分歧，但也很可能是最难以调和和统一的分歧，即量子物理和引力理论。只有了解和掌握了前辈所创造的财富，才能找到解决物理大统一的有效道路，才能实现物理学的梦想。这需要几代人的共同努力，可能需要几十年甚至几百年才有可能实现。很多人正在为之不断努力，这也是人们不断追求的科学理想。
大学生量子物理的学习需要适当引入物理学史，这既有利于学生学好大学物理，培养学生的辩证唯物主义世界观、分析问题和解决解决问题的能力、求实精神、科学观察和思维的能力、创新意识及科学探索精神，又有助于启发式教学。
参考文献：
[1]周世勋.量子力学教程[M].第1版.北京：高等教育出版社，2002.
[2]曹天元.上帝掷骰子么：量子物理史话[M].沈阳：辽宁教育出版社，
[关键词]计算材料学；综合教学；课程起源
一、前言
计算材料学是一门正快速发展的材料科学与计算机科学交叉的新兴学科，它能够利用相应计算方法对材料的组成、结构、性能进行设计与模拟；广泛涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。[1]可以说，计算材料学是材料学理论和实验的桥梁连接。[2]学习计算材料学能让学生进行模拟实验，使学生养成在制备材料前从理论上设计新材料并预测其性质的良好思路。
作为材料类专业的重要课程，我们在教学过程中存在着不少的问题：1.具有计算材料学研究背景的师资力量欠缺；2.授课方法单一、枯燥，课堂效果不好；3.实践条件的欠缺很难保证教学效果。为了提高计算材料学课程的教学质量，使学生更好地掌握材料设计和性能预测的基本能力，我们结合存在的问题和教学改革的实践，对计算材料学的课程教学提出一些改革方法。
二、了解起源，培养兴趣
计算材料学是一门十分抽象、理论性极强的课程，书中理论众多并伴随着数不清的陌生的符号、公式和注释，这往往让学生在学习过程中望而却步。传统的计算材料学教学通常是让学生在课后反复操练习题，以至可以灵活应用这些公式定律来解题。结果不言而喻，学生往往知其然，而不知其所以然，很难提起学习的兴趣。因此，授之以鱼，还得授之以渔，在教学过程中追本溯源，将理论的来龙去脉讲述清楚，教给学生创造的思维和方法显得更为重要。
计算材料学不仅蕴含着复杂的变量、方程和实验方法等知识，而且还充满了疑问，这些疑问把学生带入充满曲折的探索之旅。所以，在计算材料教学中将课程重点和难点融为一体，可以在不知不觉中起到“润物细无声”的独特效果。
三、引入抛锚式教学模式，提高课堂质量
抛锚式教学也称实例式教学，是由美国温特贝尔特大学匹波迪教育学院开发的一种教学模式。其要求学生在某种类型个案的实际环境中去感受和体验问题，而不是听经验的间接介绍和讲解。真实的感受案例或情境，可以激发学生兴趣，引导学生观察和思考，形成一种探索与研究的习惯。
以本课程中的量子力学基础为例，详细介绍量子力学的发展历程可以让学生更好地理解量子力学的基本意义和它对于学好计算材料学的重要作用。如利用信息技术创设一个量子力学发展历程的故事或一段经历，用一根主线将求解量子力学波函数问题融入情境故事或经历中，使学生趟着主线求解复杂的问题。见表1：[3][4]
四、以史为鉴，培养科学精神
科学精神包括探索精神、求真精神、民主精神、实践精神和怀疑批判精神等等。中国的应试教育使得广大学生太相信书本和教师，摧残了学生批判性思维能力，因此在教学中可结合一些计算材料学的历史，加强学生批判思维能力的培养。
例如，在计算材料学课堂中引入爱因斯坦对薛定谔、德布罗意等的观点提出质疑的案例。[5]
爱因斯坦对“量子力学仅可建立在可观察量的基础上”这一观点也提出异议。1926年春天，他在海森堡的一次谈话中，提出了“是理论决定我们能够观察到的东西”的观点。
通过学习计算材科料学史，可以引导学生去发现和认识公式、方程的产生。如引导学生思考：从薛定谔方程产生到解决过程中真正创造了些什么？哪些思想、方法代表着薛定谔方程相对于以往的实质进步？科学工作者在求解薛定谔方程遇到瓶颈时，成功创造了近似求解的方法，这种方法可以从微扰理论到变分理论再到密度泛函理论，这不仅体现了量子力学理论的一大进步，更体现科学工作者对寻求真理的孜孜不倦的精神。[6]通过对计算材料科学史的学习，可以锻炼学生的创造性思维，同时学习薛定谔为追求真理，而百折不挠、义无反顾、献身科学的精神，感受薛定谔治学严谨、刚正真诚、淡泊名利的风范和人格魅力。
五、结论
计算材料学作为一门新兴科学，是材料类专业人才培养中的重要基础课程。然而在教学过程中由于师资力量薄弱、教学方法单一、研究对象复杂、实践条件有限等问题，使学生的学习兴趣低下、教学效果不明显。我们在教学过程中应运用科学发展过程中蕴藏的丰富的教育资源，通过讲授学科起源、发展以及应用的案例，使学生了解知识的形成过程，同时引入抛锚式教学模式将一个个真实生动的科学形象，融入日常课堂教学之中，从而提高课堂教学质量。同时，应有意识地加强计算材料学发展史的讲授，使知识、原理和规律变得生动而鲜活，更使学生的科学思想、科研方法、科学精神、科学态度和科学素养等得到熏陶和培养。
[注释]
[1]张跃，谷景华，尚家香.计算材料学基础[M].北京：航空航天大学出版社，2007.
[2]（德）D罗伯，项金钟，吴兴惠.计算材料学[M].北京：化学工业出版社，2002.
[3]许良英.爱因斯坦文集[M].北京：商务印书馆，1977（1）.
[4]（美）J梅拉H雷琴堡.量子理论的历史发展[M].北京：科学出版社，1990.
一、数学科学是人类社会发展的精神产物
人类是动物进化的产物，最初也完全没有数量的概念．但人类发达的大脑对客观世界的认识已经达到更加理性和抽象的地步．这样，在漫长的生活实践中，由于记事和分配生活用品等方面的需要，才逐渐产生了数的概念．比如捕获了一头野兽，就用1块石子代表；捕获了3头，就放3块石子．“结绳记事”也是地球上许多相隔很近的古代人类共同做过的事．我国古书《易经》中有"结绳而治"的记载．传说古代波斯王打仗时也常用绳子打结来计算天数．用利器在树皮上或兽皮上刻痕，或用小棍摆在地上计数也都是古人常用的办法．这些办法用得多了，就逐渐形成数的概念和记数的符号．
数的概念最初不论在哪个地区都是1、2、3、4…这样的自然数开始的．随着人们活动范围的增广，认识自然利用自然能力的提高，数学在不断的向纵深和多元化发展，现在一些数学知识很难在现实生活中找到它的原型．
二、数学科学是人类社会发展的力量
三、数学科学可以提高劳动者的素质，促进生产力的飞跃
人类文明的进步还体现在民族素质的提高．生产力的决定因素是人，人类素质的提高促进生产力的进一步发展，一个民族的强弱在很大程度上取决于全体公民数学素质的高低．
21世纪的世界,科学技术突飞猛进,国力竞争激烈,这一切实质是国与国之间的人才竞争。为了适应新时代的需要,培养大批高素质人才的任务已迫在眉睫,而要培养出适应新时代需要的具有较高科学文化素质和能力素质的人才,必须从基础教育到高等教育全面推进素质教育。实施素质教育的核心是培养学生的创新意识、创新思维和创新能力。大学作为培养高级人才的场所,作为新的知识诞生、获得和传播之地,对人才的培养更多地要着眼于具有创造性综合能力素质上。正如物理学家劳厄所说的:“重要的不是获得知识,而是发展思维能力,教育无非是一切已学过的东西都遗忘掉的时候所剩下的东西。”因此,随着素质教育的全面推行和发展,提高大学生的科学素质的素质教育日益受到教育界的重视。结合原子物理的教学内容,笔者谈一下培养学生创新精神的一些体会。
一、原子物理学在物理学中有着特殊的地位
物理学是自然科学中一门最基本、最重要的基础学科,物理学是研究物质的基本结构、相互作用和物质最基本的、最普遍的运动形式及其相互转化的规律的科学。物理学几百年的发展积累了丰富的科学思想和科学方法。原子物理学是师范院校物理专业必修的一门重要的基础课程,是研究原子内部的微观结构及其运动规律的一门科学,其中的玻尔的理论起到了由经典物理通往近代物理的过渡桥梁作用。原子物理学的建立与发展集中体现了丰富的物理思想和物理方法,是培养学生的科学态度、科学思想和科学方法不可多得的范例。
二、原子物理学课程展现了丰富的物理方法
科学方法是人们在认识和改造世界活动中遵循和运用的以科学为基础的各种方法和手段的总称,是人们在实践活动中总结出来的正确的思维方法和行为方法,包括有:1.观察和实验方法:有意观察、单因子实验法、实验数据处理方法等;2.分析和综合方法:定性分析、定量分析、因果分析、综合等;3.比较和分类方法:异中求同、同中求异、分类等;4.假说方法;5.归纳和演绎方法:简单枚举归纳、三段论、演绎等;6.数学方法:用比值定义物理量、表达物理规律的形式化语言、运用图象描述物理现象和规律;7.理想化方法:理想实验、理想模型;8.类比方法:简单共存类比、因果类比;9.推理方法;10.分析和解决问题的具体方法:等效方法、近似处理方法等;11.非逻辑思维方法:直觉、灵感、想象、猜测等。原子物理课程中可展现的物理方法相当丰富,主要有“模型法”、“科学假说法”、“理想实验法”、“综合类比法”、“实验法”等,具体如下:
1.模型法
物理模型,是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本身而对研究对象所作的一种简化描述,是以观察和实验为基础,采用理想化的办法所创造的、能再现事物本质和内在特性的一种简化模型,模型法是物理学最常用、最有效的一种方法。由于微观原子体系既看不见,又摸不到,没有“形”,人们为了更直观更形象地反映原子结构,不断地提出了汤姆逊的“葡萄干模型”、卢瑟福的“核式模型”、玻尔的分立能级模型,随着研究的深入,理想模型还要不断改进、不断完善,使其更加接近真实原型,最终提出了量子力学的原子模型。同样,对原子核的研究现有很多结构模型,如:“液滴模型”、“费米气体模型”、“壳层模型”、“集体模型”。
2.科学假说法
科学假说法是指根据已知的科学事实和科学原理,对所研究的问题提出一种假定性的推测和说明,是科学研究的一种重要的方法,量子论的产生和发展就是科学假说法在应用上的一个典范。1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难,提出了能量子假说,为量子理论奠下了基石。随后1905年,爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾,提出了光量子假说,并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念,为量子理论的发展打开了局面。1913年,玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子假说概念,提出玻尔的原子理论,对氢光谱作出了满意的解释,使量子论取得了初步胜利。1923年,德布罗意提出了物质波假说,将波粒二象性运用于电子之类的粒子束,把量子论发展到一个新的高度。
3.类比法
类比法是根据两个或两类事物在某些属性上相同或相似,而推出它们在其他属性上也相同或相似的推理方法,它是一种从特殊到特殊的推理方法。从物理学发展史我们可知,在很多关键时刻,科学家巧妙地运用了类比推理,提出科学假说,从而获得巨大成功。卢瑟福通过将太阳系与原子相类比,提出了原子结构是电子绕核运动的这一原子核式模型。德布罗意通过将电子与质子等微观粒子与光相类比,在光的波粒二象
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性基础上指出微观粒子具有波粒二象性的假设,提出了物质波的思想。
三、原子物理学教学可培养学生的创新精神
创新是一个民族的灵魂,是一个国家兴旺发达的不竭动力,是实施素质教育的重点。创新精神就是一种勇于抛弃旧思想旧事物、创立新思想新事物的精神。创新就要不墨守成规,敢于打破原有框框,探索新的规律,新的方法。因此,在物理教学中要高度重视培养学生的创新意识和创新能力。创新教育是以培养人的创新精神和创新能力为基本价值取向,使学生在系统地掌握学科知识的同时发展其创新能力。从经典物理学到量子力学的发展过程,就是物理学家不墨守成规,不抱住现成的理论不放,而是勇于创新的过程,在原子物理课程中就包含有许多具有许多创新精神的典型人物和典型事例。
1.卢瑟福的“核式模型”的建立
卢瑟福和他的助手们通过a粒子散射实验发现,a粒子散射绝大多数a粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,少数a粒子却发生了较大的偏转,极少数a粒子的偏转角超过了90°,个别的a粒子甚至被弹回。实验结果不能用汤姆逊的原子模型进行解释,但卢瑟福敢于对当时的原子物理学的权威——自己的老师汤姆逊的观点产生了怀疑,提出了全新的原子核式结构模型,很好地解释了实验现象,取得了重大突破,发展了原子物理学的理论。
2.玻尔理论的建立
卢瑟福的原子核式结构模型虽然能很好地解释了粒子大角度的偏转问题,但却跟经典的电磁理论发生了很大的矛盾。第一是不能解释原子的相对稳定性问题,第二是不能解释氢光谱的不连续性问题。玻尔面对自己的老师卢瑟福的原子模型的缺陷,敢于质疑、敢于提出新设想,大胆地将普朗克的量子观点运用到原子系统上,提出了三大假设:
(1)定态假设。原子存在着某些定态,在这些定态中不发射也不吸收电磁波。原子定态能量只能取某些分立的值:el,e2,e3,e4……这些定态能量叫作能级。
(2)频率条件。如果原子从能量为en的定态跃迁到em的稳定态,其能量差与发射或吸收光子的频率ν的关系为:en-em=hv,这是玻尔理论最基本的量子假设也是最核心、最富有独创性的内容。
(3)角动量量子化条件。在符合经典力学规律的一切可能轨道中,只有那些角动量l等于h整数倍的轨道才能实际存在并形成定态,这称为量子化条件。即:l=nη,n=1,2,3,…
这三大假设,确立了玻尔的原子结构模型,较好的解决了卢瑟福的模型所面临的困难。
3.电子自旋概念的提出。玻尔理论提出之后,人们对不能够比较满意地解释原子光谱的精细结构及反常塞曼效应规律感到十分困惑,引起了物理学界广泛的注意。1925年在荷兰莱登大学攻读学位的两位博士生乌伦贝克和古兹密特受到泡利不相容原理的启发,分析了原子光谱的一些实验结果,大胆地提出了前所未有的电子自旋假设:电子除了围绕原子核运动以外,还具有角动量量子数为半整数的自旋运动。电子自旋的提出,使困扰人们多年的光谱精细结构、历史遗留的元素周期表结构和反常塞曼效应等重大问题都获得了圆满的解释。
一个人只要肯努力，就没有不成功的事情。一定要相信自己啊，加油。
说个书中的小细节：大爆炸理论的重要依据就是天文学家观察到几乎所有星球都在加速离开我们，那这是怎么观测到的呢其实就是基于很简单的波源在运动中频率的变化(火车由远而近向你驶来时汽笛的声音会变尖)，又叫多普勒效应来判断的。既然星球都在加速离开我们，那是不是说明地球是宇宙的中心了呢作者给了一个很形象比喻：一个正在充气膨胀的气球，在气球上每一个点上看，其他点都在远离自己。
霍金的后半生只能坐在轮椅上靠着机器合成的声音向人们发表些他的见解和预言，比如警告人们不要以向外太空发射电波的方式试图跟外星人联络(中国科幻作家获奖作品《三体》就描述了类似宇宙丛林法则和这样做的后果);还警告机器人的进化远远超出了生物进化的节奏，可能会最终取代人类。。。。
而今，霍金走了，大概上帝怕他泄漏太多天机。
首先是书里面提到的思想，这种思想对于现代物理学的进步有重大的意义，既将经典广义相对论与量子理论的结合。现代物理学近百年的发展史来看，许多人都在做类似的尝试，包括爱因斯坦他自己也在做与量子理论相和谐的相对论的延伸理论，不过他知难而退了，最后他把目光又放在了宇宙常数上，这是这个天才的失败之处。不少人为了量子理论和相对论的和谐，做了许多边缘学科，但我个人认为，都不如霍金大师做的那么彻底——量子引力论，量子是物质粒子的非连续运动，而所有的量子困惑都起源于这种非连续运动。量子理论与引力的结合，即量子引力理论，目前还处于研究阶段。这种理论的历史说来话长，着名的广义相对论家彭罗斯在昌德拉塞卡解出Dirac方程后，和霍金一道证明了黑洞的面积定理，随后霍金做出了黑洞热辐射定理，既从黑洞面积的非减性能让人自然而然的想起叫做熵的物理量，黑洞处也具有熵的特性。
从数学角度来看，不管量子引力论是不是大统一理论，但它有它的意义，对物理学有很好的影响。
说它单调是因为它没有平平仄仄的语调，没有风花雪月的场景，没有催人泪写的辞藻，但他，却拥有极严谨的的探索科学的态度，以一种严谨的口吻向我们叙述着蔚蓝的宇宙，神秘的黑洞。爸爸不止一次的提醒我说我再也看不懂这么深奥的著作，开始我还不以为然，渐渐的我发现我只能读懂其中一点，而绝大部分仍是懵懵懂懂。
斯蒂芬·威廉·霍金，一个极平凡的人，他因为在21岁时不幸患上了会使肌肉萎缩的卢伽雷氏症，所以被禁锢在轮椅上，只有三根手指可以活动。1985年，因患肺炎做了穿气管手术，彻底被剥夺了说话的功能，演讲和问答只能通过语音合成器来完成。但他的智慧弥补了先天的不足，轮椅上的他还是可爱的，值得我敬佩的。30岁，他考查黑洞附近的量子效应，发现黑洞会像黑体一样发出辐射，其辐射的温度和黑洞质量成反比，这样黑洞就会因为辐射而慢慢变小，而温度却越变越高，最后以爆炸而告终。黑洞辐射的发现具有极其基本的意义，它将引力、量子力学和统计力学统一在一起。