量子力学教学方法研讨（精选6篇）
量子力学教学方法研讨 篇1
量子力学是近代物理的两大支柱之一, 它的建立是20世纪划时代的成就之一, 可以毫不夸张地说没有量子力学的建立, 就没有人类的现代物质文明[1]。大批优秀的物理学家对原子物理的深入研究打开了量子力学的大门, 这一人类新的认知很快延伸并运用到很多物理学领域, 并且, 导致了很多物理分支的诞生, 如:核物理、粒子物理、凝聚态物理和激光物理等[2]。量子力学在近代物理中的地位如此之重, 所以成为物理专业学生最重要的课程之一。但在实际教学过程中, 学生普遍感到量子力学太过抽象、难以掌握。如何改革教学内容, 将量子力学的基本观点由浅入深, 使学生易于理解;如何改革教学手段, 培养学生兴趣, 使学生由被动学习变为主动学习。这是量子力学教学中遇到的主要问题。作者从几年的教学中摸索到一些经验, 供大家参考。
一、教学内容和方法的改革
传统的本科量子力学教学一般包括了三大部分:第一部分是关于粒子的波粒二象性, 正是因为微观粒子同时具有波动性和粒子性, 才造成了一些牛顿力学无法解释的新现象, 例如测不准关系、量子隧道效应等等;第二部分是介绍量子力学的基本原理, 这部分是量子力学的核心内容, 如波函数的统计解释、态叠加原理、电子自旋等;第三部分是量子力学的一些应用, 如定态薛定谔方程的求解, 微扰方法。以上三个部分相互联系构成了量子力学的整体框架[3]。随着量子力学的进一步发展, 产生了很多新的现象和成果。例如量子通讯、量子计算机等等。许多学生对量子力学的兴趣就是从这些点点滴滴的新成果中得到的。如果我们仍按传统的内容授课, 学生学完了这门课程发现感兴趣的那点东西完全没有接触到, 就会对所学的量子力学感到怀疑, 而且极大地挫伤了学习自然科学的兴趣。所以作者建议在教学过程中适当添加一些量子力学的新成果和新现象, 来激发学生的学习兴趣[4]。在教学方法上也应该按照量子力学的特点有所改革。由于量子力学的许多观点和经典力学完全不同, 如果我们还是按照经典力学的方法来讲, 就会引起学生思维上的混乱, 所以建议从一开始就建立全新的量子观点。例如轨道是一经典概念, 在讲授玻尔的氢原子模型时仍然采用了轨道的概念, 但在讲到后面又说轨道的概念是不对的, 这样学生就会怀疑老师讲错误的内容教给了他们, 形成逻辑上的混乱。我们应该从一开始就建立量子的观点, 淡化轨道的概念, 这样学生更容易接受。
二、重视绪论课的教学
兴趣是最好的老师。作为量子力学课程的第一节课, 绪论课的讲授效果对学生学习量子力学的兴趣影响很大, 所以绪论课直接影响到学生对学习量子力学这门课程的态度。当然很多学生非常重视这门课程, 但学这门课的主要目的是为将来参加研究生入学考试, 仅仅只是在行动上重视, 而没有从思想上重视起来。如何使这部分学生从被动的学习量子力学变为主动地学习, 这就要从第一节课开始培养。在上绪论课时作者主要通过以下几点来抓住学生的兴趣。首先列举早期与量子力学相关的诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖得主历来都是万众瞩目的人物, 学生当然也会有所关心, 而且这些诺贝尔奖获得者的主要工作在量子力学这门课程中都会一一介绍, 这样一方面通过举例子的方法强调了量子力学在自然科学中的重要地位, 另一方面为学生探索什么样的工作才可以拿到诺贝尔奖留下悬念。抓住学生兴趣的第二个主要方法是列举一些量子力学中奇特的现象, 激发学生探索奥秘的动力, 例如波粒二象性带来的“穿墙术”、量子通讯、如何测量太阳表面温度等等, 这些都很能激发学生学习量子力学的兴趣。综上所述, 绪论课的教学在整个教学过程中至关重要, 是引导学生打开量子力学广阔天地的一把钥匙。
三、重视物理学史的引入
随着量子力学学习的深入, 学生会接触到越来越多的数学公式以及数学物理方法的内容, 虽然学生会对量子力学的博大精深以及人类认知能力惊叹不已, 但在学习过程中感觉越来越枯燥乏味。并且, 学生学习量子力学的兴趣和信息在这个时候受到很大的考验, 想要把丰硕的量子力学成果以及博大精深的内涵传达给学生, 就得在适当的时候增加学生的学习兴趣。实际上, 很多学生对量子力学的发展史有很浓厚的兴趣, 甚至成为学生闲聊的素材, 因此, 在适当的时候讲述量子力学发展史可以增加学生学习量子力学的学习兴趣和热情。在讲授过程中, 可以结合教学内容, 融入量子力学发展史中的名人逸事和照片, 如:索尔维会议上的大量有趣争论和物理学界智慧之脑的“明星照”, 或用简单的方法用板书的形式推导量子力学公式。例如在讲到黑体辐射时, 作者讲到普朗克仅仅用了插值的方法, 就给出了一个完美的黑体辐射公式。而插值的方法普通的本科生都能熟练掌握, 这一方面鼓励学生:看起来很高深的学问, 其实都是由很简单的一系列知识组成, 我们每个人都有可能在科学的发展过程中做出自己的贡献;另一方面教导学生, 不要看不起很细微的东西, 伟大的成就往往就是从这些地方开始。在讲到普朗克为了自己提出的理论感到后悔, 甚至想尽一切的办法推翻自己的理论时, 告诉学生科研的道路并不是一帆风顺的, 坚持自己的信念有时候比学习更多的知识还要重要。在讲到德布罗意如何从一个纨绔子弟成长为诺贝尔奖获得者;在讲到薛定谔如何在不被导师重视的条件下建立了波动力学;在讲到海森堡如何为了重获玻尔的青睐, 而建立了测不准关系;在讲到乌伦贝尔和古兹米特两个年轻人如何大胆“猜测”, 提出了电子自旋假设, 这些学生都听得津津有味。这些小故事不仅让学生从中掌握的量子力学的基本观点和发展过程, 而且对培养学生的思维方法和科研品质都有很大帮助。
四、教学手段的改革
量子力学中有很多比较抽象原理、概念、推导过程和现象, 这增加了学生理解的难度。而且在授课过程中有大量的公式推导过程, 非常的枯燥。所以在教学过程中穿插一些多媒体的教学形式, 多媒体的应用能够弥补传统教学的不足, 比如:把瞬间的过程随意地延长和缩短, 把复杂的难以用语言描述的过程用动画或图片的形式分解成详细的直观的步骤表达清楚[5]。相对于经典物理来说, 量子力学课程的实验并不多, 在讲解康普顿散射、史特恩-盖拉赫等实验时, 可以运用多媒体技术, 采用图形图像的形式模拟实验的全过程。用合适的教学软件对真实情景再现和模拟, 让学生多册观察模拟实验的全过程。量子力学的一些东西不容易用语言表达清楚, 在头脑中想象也不是简单的事情, 多媒体的应用可以弥补传统教学的这块短板, 形象地模拟实验, 帮助学生理解和记忆。比如电子衍射的实验, 我们不仅可以用语言和书本上的图片描述这个过程, 还可以通过多媒体用动画的形式表现出来, 让电子通过动画的形式一个一个打到屏幕上, 形成一个一个单独的点来显示出电子的粒子性;在快进的形式描述足够长时间之后的情况, 也就是得出电子的衍射图样, 从而给出电子波动性的结论和波函数的统计解释, 经过这样的教学形式, 相信学生能够更加深刻地理解微观粒子的波粒二象性[6]。但在具体授课过程中不能完全地依赖于多媒体教学, 例如在公式的推导过程中, 传统的板书就非常接近人本身的思维模式, 容易让学生掌握, 如果用多媒体一带而过, 往往效果非常的不好。所以教学过程中应该传统教学和多媒体教学并重, 对于一些现象的东西多媒体表现更为出色;而一些理论方面的东西传统的板书更为有利, 两者相互结合可以大大提高教学效率, 增强课堂教学效果和调动学生的学习积极性[7]。
五、加强教学过程的管理
教学过程包括课前、课上和课后, 在学生学习量子力学的过程中可以重点利用课堂上的引导和启发, 促进学生课前和课后对量子力学的学习。预习是对于学习任何一门学科都很重要, 当然, 量子力学也不例外, 预习是一个提前自我学习的过程, 能够大概了解将要学习内容的大概, 这样不仅能够更正理解有偏差的部分和加强正确理解部分的记忆, 还能够有重点地听课, 对于学习量子力学是很重要的。预习也是一个学生独立学习思考的过程, 对于增强学生接受新事物的能力、形成自己的观点以及以后学生的终身事业的建立都是很重要的[8]。由于量子力学在理解上难度较大, 很难激起学生的学习兴趣, 这就要求课堂上教师用更好的上课方式对学生加以引导和启发。活跃的课堂教学气氛和充分的讨论在教学中是必须的, 量子力学的课堂一定要避免成为一言堂, 要适当地引导和鼓励学生提出问题, 这样有助于激发学生的思维能力, 帮助学生形成新的思维方式, 比如:逆向思维和非规范性思维等, 然后在教师的引导下结合实际进行讨论, 让学生充分意识到量子力学与我们的生活息息相关, 因此, 教师可以多介绍一些近代物理、生命科学、化学、现代分析技术和材料科学等学科中量子力学的应用部分, 让学生可以真切地感受到量子力学对我们生活的影响, 此外, 课上可以分配小组每节课前讲述量子力学的最新发展动态, 分组的时候可以根据不同基础和不同学习能力的学生来分组, 这样增强学生探索性学习的能力和搜集信息的能力[9]。另外, 作者建议, 引入商业上的PK机制, 下课之前教师分配章节, 并且对学生加以引导, 让相同程度的学生之间进行量子力学认知上的小竞赛, 对赢的同学进行奖励, 或者输的同学上讲台唱歌, 这样做不仅能够活跃课堂氛围, 效果好的话能够激发学生对量子力学的极大兴趣。
量子力学的教学不仅仅只是因为它是近代物理的一大基础, 更主要的价值是在学习过程中培养出来的从事科学研究的方法和对自然科学的兴趣, 这些是其他课程所不能替代的。希望能通过我们广大物理教师的不断摸索, 对教学的内容和方法进行改革, 使学生更好地掌握这门认识世界和改造世界的武器。
参考文献
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[5]邹艳.浅谈量子力学的教学改革[J].物理与工程, 2009, 19 (4) :40-41.
[6]游善红, 王明湘.工科专业的量子力学教学方法探索[M].大学物理, 2012, 31 (3) :60-65.
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量子力学教学方法研讨 篇2
量子力学是近代物理的两大支柱之一, 它的建立是20世纪划时代的成就之一, 可以毫不夸张的说没有量子力学的建立, 就没有人类的现代物质文明[1,2]。量子力学在近代物理中的地位如此之重, 成为物理本科专业学生最重要的课程之一, 也是大多数学校招考物理专业研究生的必考科目之一。但在实际教学过程中, 学生普遍感到量子力学难学, 其抽象的思维方式和学生长期受到的牛顿力学思维方式格格不入, 造成学生无所适从。在笔者几年的教学活动中, 尤其在讲授“表象变换”一节时, 学生更是感到无从着手、难于理解, 所以笔者认为有必要对表象变换的教学方法进行研讨。
笔者认为量子力学的难, 主要在于以下几点。
1. 量子力学中的能量、动量、角动量量子化问题, 相对于经典力学有很大不同。例如电子从一条经典轨道瞬时跃迁到另一条经典轨道, 按牛顿力学来说完全无法解释。
2. 微观粒子的波粒二象性, 带来很多新的物理现象, 例如隧道效应、纠缠态等, 也是经典物理无法想象的事情。经典物理中的决定论演化成了量子力学基金中的概率论。
3. 态叠加原理, 几种量子态共存, 很好地反映了微观粒子的波动—粒子两象性的特点, 而与经典粒子运动状态用每一时刻的坐标和动量描述有根本的区别, 造成薛定谔猫的悖论, 于是有了量子力学中的猫非死非活的状态与宏观世界的矛盾。
针对以上的难点, 我们要以正确的态度看待量子力学, 众所周知, 经典力学规律很接近我们的现实生活, 很容易被我们接受, 且被证实是相当正确的, 而量子力学给我们的印象只适用于微观世界, 其实不然, 它不仅适用于微观世界也同样支配着宏观世界, 所以我们要以物理的角度理解量子力学。物理专业的学生经过几年经典物理的熏陶, 思想上已经认可了经典物理的基本观点, 而量子力学推翻了部分经典力学的观点, 让学生不知道哪种观点才是正确的。本文从大家熟知的牛顿力学中坐标变换的方法出发, 讲述量子力学中的表象变换问题, 力图为学生揭开表象变换的神秘面纱, 才能让学生更容易从经典力学思维转换到量子力学的思维模式。
量子力学中的表象就是用物理量的概率分布表示微观体系中的状态, 它可以类比经典力学中的坐标, 同样其表象变换和经典力学的坐标变换有一定的相似度, 所以接下来, 先从牛顿力学中的坐标变换深入态叠加原理及表象变换, 就可以使学者更易理解量子力学。
二、牛顿力学中的坐标变换
为了描述三维空间中一个质点的运动, 我们常采用直角坐标系的方法。标记为A (x, y, z, t) , 也可写为矢量的形式。
这里分别为X、Y、Z三个方向的单位矢量 (坐标基矢) , 都满足归一化条件:。而x (t) 、y (t) 、z (t) 分别是三个方向的分量大小。式 (1) 表明, 任何一个质点的复杂运动都可以分解为三个简单的一维运动, 这是牛顿力学中的运动叠加原理。而这三个方向的选取并不是任意的, 而是要求两两正交, 相互独立, 即:, 这样如果质点在方向上运动发生变化, 不会改变方向的运动状态。另外对于空间任意一点都可以表示成公式 (1) 的形式, 说明三个坐标基矢是完备的。采用这样的正交归一完备的坐标系后, 对于三维牛顿力学的求解大为简化, 以此引出速度的合成分解、力的合成分解等方法。
如果这个质点在一球壳上运动, 那么采用球坐标计算比较简单, 质点的位置可记作 (r, θ, φ) , 其运动方程可写为:, 当然这里的三个单位矢量也为两两正交, 相互独立, 组成完备体系。如果一个质点做圆周运动, 坐标矢量可简写为r (t) =θ (t) , 经过位移和角位移的变换, 速度和角速度的变换, 加速度和角加速度的变换后, 直线运动的公式完全转化为圆周运动的公式, 可见经过简单的坐标变换, 原本非常复杂的圆周运动和一维直线运动本质上得到了统一。
直角坐标系和球坐标系之间的转换关系如公式 (2) 所示, 相应的两组坐标系的基矢之间总可以写成下列形式的关系。
由公式 (2) 我们可以得到同一位置矢量r (x, y, z) 或r (r (r, θ, φ) 在不同的坐标系中坐标转换公式 (3) , 也就是说我们只要求得了坐标变换矩阵S, 就很容易在不同坐标系中任意变换。
由上述分析我们可以知道, 针对不同的问题, 采用合适的坐标系可以使问题的处理大大简化, 复杂的二维、三维问题可以当作一维问题处理。为此我们创造了各种的坐标系, 例如直角坐标系、球坐标、柱坐标、极坐标等。而坐标系的选取最重要的原则是每个坐标的单位矢量两两正交, 相互独立, 组成完备系统。
三、态叠加原理
态叠加原理是量子力学中最重要的观点, 表述如下:如果Ψ1和Ψ2都是量子体系的可能状态, 那么它们的线性叠加Ψ=c1ψ1+c2ψ2也是体系的一个可能状态, 推广到更一般的情况态可以表示为许多态的线性叠加[3,4]:
态叠加原理的本质是由微观物质的波粒二象性所带来的。
对照前一节表述和公式 (1) , 我们可以给出态叠加的一种解释:任何一个复杂运动可以分解为三个简单的一维运动的线性叠加;相应的任何一个复杂的量子态, 可以分解为若干个相对简单状态的线性叠加。这里ψn表示这一系列简单的状态 (基矢) 。但态叠加原理中并没有对基矢做出限制, 例如要求基矢间两两正交, 这样一种简单状态 (ψk) 发生了改变, 其他相关状态前的系数也要相应改变。说明这不是一个好的坐标系, 不是一组好的坐标基矢。我们需要在这个问题上进一步深入研究。
量子力学基本假设指出, 力学量算符的本征函数组成正交完备系。而任意量子状态可以由这组正交完备系线性展开。这说明以力学量的本征函数系作为基矢是一组好的坐标系, 坐标系的基矢之间两两正交、相互独立。量子态用力学量算符的本征函数线性展开还有更深刻的物理含义。对照第二节内容, 我们可以这样理解:在一个选定的坐标系条件下 (例如选定坐标基矢为动量的本征函数系) , 一个质点运动是由三方向运动组合而成, 相应的一个量子态是由各种不同动量的状态组合而成, 这里的每条坐标轴基矢代表不同的动量取值。根据波函数的统计解释, 每次观测这个量子态, 都只能测量到它的某一个可能值, 所以每次观测值不一定相同;但是量子态投影到各个方向上的分量大小不同, 分量大的观测到的几率就大, 所以有了量子力学的又一个假设:结合 (4) 、 (5) 式, 在Ψ态中测量力学量F得到结果为λn的几率为
对应于牛顿力学中的坐标体系, 矢量在各个坐标轴上的投影分别为, x, y, z分别表示矢量r在各个方向上所占的比重, 比重越大这个矢量方向越偏向那根坐标轴。
这里需要注意一点:一个量子态并不是已经按照给定的坐标系分布好了, 等着我们测量, 而是我们人为对测量结果的一种预期。前面表述只是为了理解上的方便。
四、表象变换
前节所述每个力学量算符的本征函数都组成正交完备系, 都构成一组好的坐标系。这样我们就有了无数种的坐标系可供选择, 在解决具体的量子力学问题中, 究竟应该选择什么样的坐标系才能使问题最简化?前面牛顿力学中的坐标变换已经给出了好的答案, 按照所求问题的形状、运动轨迹等选取坐标系;所以在量子力学中, 我们应该按照所求问题的物理量确定坐标系, 例如我们要观测一个量子态的动量, 那就应该选取动量的本征函数系作为基矢, 展开该量子态, 这样每次的测量值、测量值出现的几率大小、测量的平均值等结果一目了然[5]。
一般描述量子态都习惯用坐标表象, 由前面分析得知, 对于具体的问题, 我们需要将坐标表象转换到相应的表象。这样自然出现了表象变换, 可以看出表象变换也就是坐标变换。
假设有F和G两个力学量算符它们的本征值方程分别为。
ψn, φn分别构成完备的坐标基矢, 任意的波函数Ψ可在不同表象中展开。
F表象中:, 其中ψn为F表象基矢。
G表象中:, 其中φn为G表象基矢。
上面两种表象表示的是同一量子态, 只是选取的坐标系不同, 而且坐标系之间可以相互转化。由前面的 (1) (2) 两式可以知道。
即坐标表象中的每个基矢都可以由G表象中的基矢展开。它的物理含义是, ψ1量子态下每次测量坐标的值都为F1, 而这种状态下测量力学量G的值时, 不一定有确定的值, 可能测量结果为G、G2、G3…, 其中隐含着测不准关系。本来在坐标表象下ψ1的状态非常简单, 可比作一维运动, 而变到了G表象中, 状态就非常复杂了, 变成了多维运动。同样观测G力学量时, G表象就非常简单。这就好比圆周运动用角描述非常简单, 而用直角坐标描述非常复杂一样。
由 (6) 式我们可以得到两表象变换的幺正矩阵
幺正变换矩阵的物理含义也非常清楚了, 就是一组坐标系基矢, 在另一组坐标系基矢上的投影。有了幺正变换矩阵后, 就很容易将一组坐标系变换为另一组坐标系:
五、小结
本文通过与牛顿力学中的坐标变换相对比的方法, 阐述了量子力学中表象变换的基本原理和物理意义。人类认识世界和改造世界向来都是从简单到复杂, 在牛顿力学中, 我们通过运动的分解和坐标系的变换, 将复杂的机械运动编程简单的一维运动, 使求解的难度大为降低。而量子力学中同样遵从了这样的原理, 表象变换的主要目的之一, 就是化繁为简, 对于具体的量子力学问题采用合适的参照系 (坐标系) , 使该问题大大简化, 便于求解。但表象变换和坐标变换虽有很多相同点, 也有一些不同点, 在具体运用时应有所区别, 而在学习的时候可以将表象变换类比于坐标变换进行学习, 在此基础上可以更容易地理解表象变换。
参考文献
[1]周世勋.量子力学教程[M].北京:高等教育出版社, 1979.
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[4]陆培森.量子力学中的态叠加原理[J].四川师院学报, 1982, (4) .
量子力学教学方法研讨 篇3
从世界著名大学的教学经验来看,所谓创新人才培养并非一门课程所为,而是通过本科四年时间的一系列课程和实践完成的,其中以通识课程和专业课程最为重要,并辅以贯穿始终的各种实践教学活动.课程教学作为大学教学活动的主体,深入探讨教学模式的改革至关重要.通过长期的教学活动,美国等发达国家的著名大学课程教学比较重视研讨课程的教学活动,分为新生研讨课程和专业研讨课程.其中,专业研讨课,重点不在于系统厘清学科线索、基本知识和基本理论,而是关注人们对于基本问题的理解和解决过程,因此研讨课程的建设以基本问题为主题,以解决这些问题的思想和方法为主线,教学方式突出问题提出、实验与讨论等.其次,按照麻省理工学院的克劳雷教授提出的工程教育CDIO模式,即以构思(conceive)、设计(design)、实施(implement)、运行(operate)为主线,用于解决工程教育和工程实践相脱节的问题,培养学生的工程基础知识、个人能力、团队能力和工程系统能力.在美国的很多研究型大学,如哈佛大学、斯坦福大学、麻省理工学院等,本科生有参与科研的机会,能够实际动手做研发的工作,从而掌握科学研究的程序和方法.让学生密切参与大学的研究活动,能够发展他们对于科学基本问题的认识和理解,培养他们开放的心智和浓厚的兴趣,激励他们将最新知识转化为创新活动.美国大学这种教学模式来源于杜威的“从做中学”思想.让学生通过做而学,是一种需要多种感官参与、多种能力配合的学习,不仅仅可以训练动手能力,而且也可以训练思维能力和陶冶道德情操,是促进学生综合发展的有效方式.由此可见,研讨式的创新实践教学活动对于现代大学课程教学改革是非常重要的.
相对而言,我国大学的本科教学课程改革比较缓慢,特别是2005年以前对实践教学活动重视不够.自从2005年,我国著名科学家钱学森先生向国人发出“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才?回过头来看,我国解放后培养的人才不及民国时期培养的人才成就大”之问后,国人对此进行了深刻反思,各高校在育人理念和方法上进行着大胆的尝试与实践.实际上钱学森之问不仅使我们从宏观上思考今后中国大学之路如何走,也促使我们从具体育人方法上思考现在大学里的主流教学方法是否需要改进,我们长期以来所奉行的那种知识传承式的满堂灌的教学方法是否适合,我们似乎已经习惯了以循规蹈矩的培训模式完成专业技术人才的培养,培训活动已成为大学课堂教学的主体活动,而忽视了对人才的真正培育.这种将培训视为培育的理念有碍教学改革的深入,实际上两者是完全不同的概念,创新人才需要长时间地培育,而非有培训就够啦.确实培训可以很好完成知识和技术的传承,但却有扼杀学生的创新活动和创新思考之嫌.这就要求大学本科的课程教学改革必须重视创新实践的培养,在课程教学活动中减弱课堂教学从理论到理论的传授,以理论-实验-应用的秩序传承着可知的知识.而是要依据人类创造知识的真实过程,加强创新实践的教学活动,重视从实际的物理现象和实验中获取感性认识,通过人脑加工分析形成理论,从而上升到理性认识的人类的认知过程的教学实践活动非常重要.相对而言,我国清华、北大、北航等国内著名高校,有相当数量的本科生提前进入实验室进行研究活动,起到了示范教学效果.
2 空气动力学研讨课建设理念与实践
依据上述分析,在我校国家级空气动力学研讨课建设中,突出创新实践教学的构建,打破常规传承知识的教学理念,遵循“由问题而来(发端于问题),到问题而去(终结于问题),实现在思考解决问题的过程中激发学习兴趣、传授新知识、提高新认识,在探讨问题中学会发现规律、提出理论并指导实践和应用.”的创新实践教学原则,按照知识创新的认知过程,从观察鸟飞行过程和姿态、自然界中的特殊流动现象和实验室典型流动问题的实验结果入手(感性认识过程),分析这些现象的演变过程、影响和控制流动的各主要物理量之间的定量关系,继而达到探索可能建立的理论(理性认识),并提出改进理论研究成果的可能性,及理论对实际的指导作用和工程应用前景.
为此,本文作者通过深思熟虑,并经过研讨,选择了5个空气动力学中的典型流动问题作为研讨课的主题,在课程教学实践中,不是按照传统教科书的章节秩序进行全程讲授,而是针对这些问题,通过启发、实验、研讨和探索的教学实践活动,将新的知识展示给学生,引导学生在思考问题的过程中,自我获取新知识,建立新概念,产生新思想,变被动学习为主动探索,将大量的课堂教学内容留给学生自学获取,通过分组研讨、提炼问题、动手试验,完成获取和探索新知识的过程.具体研讨内容如下:
(1)问题一:如何从观察鸟的飞行过程和姿态中获取灵感?
学习空气动力学,最好从观察鸟的飞行过程和姿态开始,重点观察鸟的巡航姿态、起飞、着陆、外挂物飞行姿态,并重点结合机翼、机身、起落架、机头、尾翼等部件进行观察.学会从自然界中获取灵感,从观察鸟的飞行过程和姿态中提出问题,带着问题学习,在思考问题中激发学习兴趣,在解决问题中学会自行获取新知识、建立新理论、发现新规律.根据所提供的鸟飞行的大量视频资料,要求学生通过细致观看,提出至少10个以上的关于鸟飞行中感兴趣的问题.
(2)问题二:从观察雨燕等大鸟翱翔姿态思考固定翼飞机的飞行原理?
雨燕等大鸟在翱翔飞行时,翅膀和身体是相对固定的,翅膀向展向尽可能舒展,能够在高空中自由翱翔.要求学生通过细致观察,思考固定翼飞机的飞行原理,并通过水槽试验演示特定飞机模型的流动现象和风洞测力试验,建立机翼和翼型绕流的物理概念,结合测力试验结果分析和研讨,提出升力、阻力和力矩,以及飞行中飞机的平衡与稳定性问题等概念和知识,引导学生带着问题和思考进行课外大量文献和有用知识的阅读,完成对物理机制和理论的认知,同时通过实践教学中研讨活动,探索机翼产生升力和阻力的各种理论和适应性,以及对实践和工程的指导意义.
(3)问题三:如何认识现代大型运输机高亚声速后掠翼的升阻特性?
以A380,A350,B747,B787等现代大型飞机为对象,通过观察和了解这些飞机的布局特点和几何尺寸、飞行速度、飞行高度、飞行航程等,通过研讨飞行速度接近声速时机翼绕流的物理现象,深入思考空气压缩性对流动的影响,引出低速、亚声速和超声速飞机的物理概念,并结合风洞试验的视频资料,以高亚声速后掠翼绕流现象为背景,重点探索空气压缩性对高亚声速后掠翼升力和阻力的影响规律,并通过与同尺寸模型低速风洞试验结果对比,引出压缩性修正的物理概念.同时以进一步提高大涵道比涡轮风扇发动机飞机的飞行速度为目的,引出超临界机翼的物理概念和由此产生的空气动力学效果.过去这些满堂灌的知识,现在2/3的知识全部下放给学生自学获得,而且通过考试、考查、提问等形式,发现学生在启发教学下对自我获取的知识更加扎实和灵活.
(4)问题四:如何认识现代战斗机大后掠三角翼布局的气动机理?
通过细致观察现代战斗机F16、F18、苏27、歼10、苏35等布局特点,聚焦关键问题,通过重点思考和讨论大后掠三角翼在现代战斗机布局中的优势,从而引出大后掠角三角绕流出现的前缘分离涡新概念,并在水槽中通过对三角翼不同迎角下的绕流观察,提出对前缘涡的演变与破裂、鸭翼涡与主翼涡的相互作用等复杂问题的思考,达到认知前缘涡流产生和演变的物理机制.并针对F16战斗机模型,通过风洞测力试验获取不同迎角下的气动力数据,建立气动力与迎角的实验关系曲线,在流动显示定性认识的基础上,提出前缘涡吸力比拟的预测方法及其与实验结果的比较.这些连贯的知识主要通过研讨和两次试验,大部分不是在课堂上传授,而是在问题研讨和试验的基础上,由学生自学获取.
(5)问题五:如何降低大型飞机起飞着陆的气动噪声?
随着近年来人们对生存环境的保护,对飞机的气动噪声污染提出了越来越苛刻的限制,这就要求飞机设计者在降噪方面引起足够的重视.飞机在起飞和着陆过程中的气动噪声主要由起落架和增升装置绕流引起,为了对此问题有足够的感性认识,首先在北航D5风洞中完成了增升装置和前起落架气动噪声试验,通过研讨和分析试验数据,引入增升装置和起落架产生气动噪声的物理机制探索,凝练科学问题,结合试验数据启发学生对理论的思考,继而引出气动声学比拟理论、气动噪声降噪机制和方法等新知识和概念,要求学生通过课外自学完成新知识的系统学习.
3空气动力学研讨课实践经验总结
经过上述研讨课的教学实践,可以得到以下几点经验.
(1)以问题为主线,是开展研讨课程的关键,也是调动学生学习兴趣和激发学生学习热情的主要手段.在课程安排上,真正体现以学生为本(教师学生角色互换),以学为主体讲为辅助的原则,通过观察现象、实验活动、问题引导,将传统灌输式课堂教育的2/3知识转为课外,鼓励学生以思考和主动学习的方式,通过自学获取,在整个课程的教学活动中教师讲授的内容不到原来的1/3,不仅达到事半功倍之效果,而且学生获得的知识更为扎实.
(2)问题导引、现象观察、实验测试、启发讨论、探索实践等方式的教学合理安排是研讨课成功的关键,通过各种实践活动,引导学生积极主动思考,从自然现象和实验结果中获取灵感、凝练问题、探索未知等,对提高学生学习兴趣、自我获取新知识和创新实践能力的培养具有重要的作用.
(3)启发式课堂教学实践,不是无序获取知识的放羊式管理,也不是无计划的教学活动.从美国一些著名理工类大学的研讨课成功经验来看,要想让学生通过启发研讨形式获取系统知识,必须精心设计课程计划,教师的工作在幕后导演,各项教学实践活动安排和问题的提出,均是针对本课程的知识重点和难点进行的,学生在这样的教学活动指导下变被动听课为主动自学获取知识,教师职能变课堂主讲为课堂辅导.
参考文献
[1]徐华舫.空气动力学基础(上下册).北京:北京航空航天大学出版社,1987
[2] Anderson JD Jr.Fundamentals of Aerodynamics(3rd Edn,International Edition,Mechanical Engineering Series).New York:McGaw-Hill,2001
量子力学教学方法研讨 篇4
本次大会是全国第一个召开的纪念汶川地震一周年学术研讨会。大会开幕式由中国水电顾问集团成都勘测设计院宋胜武院长主持，大会开幕之际，全体代表起立，为在5.12汶川地震中死难者默哀。
本次大会共分汶川地震地质灾害调查分析；汶川地震水电、铁道、公路、建筑及其他岩土工程震害分析；桥梁、隧道工程动力稳定及新抗震结构研究；重大基础工程动力稳定及新抗震结构研究；边坡动力稳定及新型抗震支档结构研究及抗震减灾的其他重大决策、措施和建议六个专题。
大会组织了4个特邀报告、9个主题报告并共有35位专家在地震地质、地质灾害与堰塞湖（坝）；水利水电工程、工民建震害调查与分析及公路、铁路工程震害调查与分析3个小组的分组讨论中做了分组报告。这些报告从各个侧面反映了工程震害、地质次生灾害的真实情况，分析研究了机理，总结了地震与工程相互作用的规律，为灾区重建提出了很好的建议。
中国岩石力学与工程学会理事长钱七虎院士任大会主席，谢和平院士、郑颖人院士、唐春安副理事长、黄润秋教授任大会副主席，宋胜武院长任组织委员会主席。来自政府部门、管理部门、科研、学校、设计、施工单位以及曾经战斗在汶川地震抗震救灾第一线的科研人员240多名代表参加了大会。
量子力学教学方法研讨 篇5
会议期间, 有20余位国际专家学者做了大会报告, 介绍了在量子信息处理、量子光学、纳米尺度空间灵敏探测等实验和理论领域方向的国际前沿科研进展, 并分享交流了近期取得的重要科研成果。
氮-空位中心 (NV色心) 是金刚石中的一种特殊顺磁发光中心, 其在室温下具有毫秒量级的超长相干时间, 并可以通过光探测磁共振的方式进行单自旋的调控和探测。这些特性使NV色心成为一个非常好的量子信固体单自旋基质材料。基于NV色心发展的全新的技术方法在纳米尺度空间中磁场、电场以及温度的灵敏探测等相关领域具有广泛的应用前景。
量子力学教学方法研讨 篇6
首先, 学会理事长胡海岩院士阐述了郑哲敏先生一直倡导和践行的工程科学思想, 回顾了郑先生对我国力学事业与中国力学学会的创建和发展做出的重要贡献, 介绍了郑先生对中国力学学会未来发展的期望和要求.
会上, 8位老中青力学家从不同角度畅谈了力学学科发展趋势和重点方向.国家自然科学基金委员会主任杨卫院士提出了力学学科今后应该特别关注的若干研究领域;李家春院士、樊菁研究员、郑泉水教授、周哲玮教授分别从学科发展、力学学科评价、人才培养、产学研结合等方面对力学学科的发展提出了见解;杜善义院士、陈十一教授、卢天健教授分别结合自己在高超声速飞行器热防护结构、湍流研究、超轻多孔材料方面的科研工作体会, 对力学学科应如何更好地围绕国家需求、积极参与国家重大工程等问题提出了建议.
与会学者, 尤其是郑先生的同事和学生还回忆了与郑先生共同从事学术工作的点滴往事, 感谢郑先生曾经给予的指导与教诲, 向郑先生获得国家最高科学技术奖表示衷心的祝贺, 并献上美好的祝福.
最后, 郑哲敏先生结合自己的科研工作经历, 就力学科技工作者应如何围绕国家重大需求从事科学研究和促进自身成长方面谈了体会, 对青年学者投身祖国科技事业给予殷切希望。他指出, 科学家要想做好研究工作, 必须从全局出发, 有层次、有纵深, 考虑周全.