梅菲 周遠明 徐進霞 張威

摘要：電子科學與技術是光電信息產(chǎn)業(yè)的支柱和基礎，量子力學作為電子科學與技術專業(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、教學提升科研”的理念，提出拓展和更新量子力學理論課的教學內容，科研是充實教學內容、提高教學質量的源泉。同時，教師在提升教學效果的同時需要不斷充實提升自己的科研水平，形成科研教學雙促進，從而推動人才的培養(yǎng)和教學水平的提高。

關鍵詞：電子科學與技術；量子力學；理論教學；科研實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）24-0229-02

現(xiàn)代信息技術即將步入光子學新階段，光子作為信息和能量的載體，迅速推動建立了一個前所未有的現(xiàn)代光電子交叉學科和信息產(chǎn)業(yè)。電子科學與技術是光電信息產(chǎn)業(yè)的支柱和基礎，是多學科相互滲透而形成的交叉學科。量子力學在近代物理中的地位如此之重，但在實際教學中學生普遍感到量子力學理論性太強，公式眾多，邏輯推理嚴密，太過抽象，難以理解，特別是跟實際生活聯(lián)系不緊密，從而導致缺乏學習興趣。作者在多年量子力學專業(yè)課程教學過程中，總結教學心得，提出了“科研與教學互進互促”的教學理念，建立了教學內容與科研課題相結合的量子力學專業(yè)課程教學模式。

一、介紹量子力學理論在現(xiàn)代科學技術中的實際應用，調動學生學習量子力學的熱情

興趣是學習一切知識的源動力，在緒論講述中通過大量多媒體資源向學生們展示現(xiàn)代科技革命與量子力學息息相關，量子力學滲透到現(xiàn)代科技的方方面面，從電腦、手機到航天、核能，從科幻電影到工業(yè)4.0，幾乎沒有哪個領域不依賴于量子論。同時針對學生們的喜好，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)學生對量子論的求知欲，并向他們介紹一些關于量子力學的科普書籍，如曹天元的《上帝執(zhí)骰子嗎——量子力學史話》、霍金的《大設計》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)美的開場向學生引出量子力學這一神秘和優(yōu)美的故事，用生動有趣的方式講述量子力學的發(fā)展史話，穿插每一個具有革命性大事記形成和建立的歷史背景，相關科學家的簡史和名人逸事，如德布羅意如何從一個紈绔子弟成長為諾貝爾獎獲得者；牛頓和胡克還有其他科學家之間關于理論歸屬問題的爭執(zhí)；一個早期不受大家認可的愛因斯坦；二戰(zhàn)期間參與研制原子彈，二戰(zhàn)結束后大力促進核能和平利用的“哥本哈根學派”代表人物玻爾；以嚴謹、博學而著稱，同時又以尖刻和愛挑刺而聞名的天才少年泡利；在建筑領域同樣杰出的胡爾；愛打賭的霍金；等等。這些偶像級的人物在物理發(fā)展中就像一個個明星，你方唱罷我登場，一起連接起物理發(fā)展的恢弘歷史，循序漸進地消除學生對量子力學的恐懼感，并且對于培養(yǎng)他們的科研品質有很大啟迪。

量子理論的出現(xiàn)徹底地改變了世界的科技面貌，引發(fā)了許多的技術革命。用多媒體將最新的科技知識和高新技術全面融入到教學課程中，可以形象直觀地表述量子力學與科學前沿的緊密聯(lián)系，擴充學生們的知識和視野。如講述電子自旋有兩個取向這部分內容時，正好與計算機存儲中二進制0和1相對應，這也正是量子計算機的基本原理，并展開介紹量子信息、量子通訊、量子計算機的基礎理論均是遵從量子力學變量的分立特性疊加原理和量子相干原理。機械硬盤的原理是巨磁電阻效應，其本質是電子自旋相交的量子現(xiàn)象，醫(yī)院里最先進的診斷技術——核磁共振，就是核自旋效應的典型應用。CPU邏輯單元CMOS中的核心部件——場效應晶體管，是量子力學在固體中的應用；集成電路生產(chǎn)用到的光刻機——其光源激光，航天領域對于GPS的系統(tǒng)誤差校準以及尤其重要的衛(wèi)星鐘，也是量子力學的應用。沒有量子力學，就沒有以半導體占主導地位的現(xiàn)代化工業(yè)。讓學生們切身感受到量子力學已經(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)電子科學與技術專業(yè)，優(yōu)化教學內容和方法

教師在教學過程中，一方面給學生講授了教材上的基本內容，另一方面通過PPT和視頻的方式將國內外研究動態(tài)和研究成果固化到教學中來，以保證教學內容總是站在專業(yè)學科前沿。通過這種融入方式，形成理論水平高、實用性強、特色鮮明的課堂教學，理論聯(lián)系實際，擴大學生的知識面，從而提高學生的學習興趣和主動性。例如講述微觀粒子波動性中波長公式λ=h/時，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性，并拓展引入透射電子顯微鏡的工作原理，當加速電壓達到200kV時，電子的波長達到在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部的結構信息，通過分析電子束的成像可以得到顆粒形貌、大小、位錯、缺陷、成分和相組成等微觀特性，進而介紹電子顯微鏡的結構、成像原理及電子衍射原理，加深學生對微觀粒子波粒二象性的理解和掌握。同時，還鼓勵學生自己動手制作相關動畫，提升他們的動手能力和參與性，并通過保齡球視頻類比描述雙縫衍射實驗，形象直觀。

講述一維薛定諤方程求解例題——一維勢壘貫穿時，引入隧穿效應概念，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，并且強調了量子論與經(jīng)典物理的不同之處，進而向學生介紹隧穿效應在現(xiàn)代科學技術中的實際應用——掃描隧道顯微鏡，用視頻和多媒體向學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)公式相互驗證，并給大家介紹用掃描隧道顯微鏡的最新研究進展以及自己科研工作中的相關實驗結果。

通過讓學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和形象了解，同時對課程的理論知識有了現(xiàn)實認識。教學中不斷滲透專業(yè)前沿科學知識，不僅可以使量子力學富有生命力和時代感，而且培養(yǎng)了學生的科學素質，讓學習目標更明確，這些都對學生今后的工作和考研打下了一定的實踐基礎。另一方面，活躍課堂教學氣氛和建立討論環(huán)節(jié)在教學中是十分必要的。課堂教學一定不能讓教師唱獨角戲，要充分引導和鼓勵學生提出問題、分析問題和解決問題，這樣有助于激發(fā)學生的思維能力，形成新的思維方式。同時要讓學生占主導地位，將學習的決定權從教師轉移給學生，可以鼓勵學生分享量子力學理論在現(xiàn)代技術中的應用實例，通過查閱資料，動手制作多媒體的過程，充分發(fā)揮學生的學習自主能動性，以及增強學生探索性學習的能力和搜集信息的能力。

三、科研融入教學，教學提升科研

在課堂上，要想真正提高學生的學習積極性，加深對量子力學理論的認識，教師只講授課本上的知識體系是遠遠不夠的，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)的前沿科學動態(tài)和研究進展，不斷加強自身的科研水平，讓教學和科研相輔相成，相互促進。

圍繞“科研融入教學、教學提升科研”的理念，拓展和更新量子力學理論課的教學內容，在實施過程中，緊跟學科前沿發(fā)展，將自身的科研經(jīng)歷和成果，以及量子力學理論相關的學科前沿實例靈活融入教學內容的各個環(huán)節(jié)，形成水平高、前沿性強、內容豐富的課堂教學內容，這將會大大提高學生的學習興趣。比如講述海森伯測不準關系Δx·Δp≥？捩/2時，引入衍射極限這一物理問題，衍射極限本質上來源于量子力學中的測不準關系限制，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，必須突破光學衍射極限才能進一步發(fā)展納米光學和光子學，表面等離子體激元是目前解決這一瓶頸的唯一方案。進而系統(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用。講述電子自旋這一章節(jié)時，向同學們介紹材料界的新寵——電阻率超低、電子遷移速度極快，可以有效傳導電子自旋的石墨烯，該材料卓越的性能令科學界普遍期待它能引領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。當自旋電子學施展“魔法”，存儲介質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世界。這種通過實實在在的研究案例讓學生們清楚研究方法，加深對新知識點的理解，讓枯燥的公式轉換成形象的材料和器件，教學效果生動而富有啟發(fā)性。

科研是充實教學內容、提高教學質量的源泉，同時也是培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的必然需求。同時，教師在提升教學效果的同時，需要不斷充實提升自己的科研水平，形成科研教學雙促進，從而推動創(chuàng)新人才的培養(yǎng)和教學水平的提高。

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