［摘要］文章通过对现代工程特点的分析，提出了以大工程理念为指导具有工程化特点的量子力学普物化教学模式。对该理论物理课程内容进行普物化设计，突出工程特点，注重理论物理思维方式与普通物理思维方式的结合，强调开放互动，实现多种教学手段、教学资源的充分利用、优化，实行综合式考核。实践表明，该教学模式增强了学生学习兴趣，显著提高了教学效果；混合式教学得到全方位体现；丰富了理论物理教学模式；多种教学方式得到优化。
［关键词］物理教学 量子力学普物化 大工程
［作者简介］许世军（1971- ），男，陕西韩城人，西安工业大学数理系副教授，西安交通大学在读博士，研究方向为物理教育。（陕西西安 710032）任小玲（1969- ），女，陕西蒲城人，西安工程大学计算机学院副教授，研究方向为教育技术。（陕西 西安 710048）
［基金项目］本文系西安工业大学教学改革研究重点项目“大学物理课群建设与改革”的阶段性研究成果（项目编号：XKQ0415）。
［中图分类号］642.0［文献标识码］A［文章编号］1004-3985（2007）32-0101-02
“量子力学”课程通常是物理类本科专业的最重要课程之一，是理论物理课程组的最后一门课程，因为该课程对数理逻辑、数学工具要求比较高，物理图像抽象，相应的实验模型比较少，教学手段相对单一，是比较难教学①、学生学习兴趣较难提高的课程之一。
21世纪面临的科学技术高速发展要求高等工程教育要符合现代工程观，在此形势下，众多以工科为主的二类院校设立了许多既强调工程背景又具有理学特色的专业，其中量子力学属于实现专业培养目标的主干课程。实践表明，该专业的量子力学教学不能采用传统的教学方案，需要用大工程理念为指导，进行具有工程化特点的量子力学普物化教学模式改革。
一、大工程观对量子力学的教学要求
1.大工程观的理论描述。现代工程是人们运用现代科学知识和技术手段，在社会、经济和时间等因素的限制内，为满足社会某种需要而创造新的物质产品的过程②。21世纪科技的飞速发展使得现代工程具有明确的社会目标、需要综合运用多种专业知识、讲究经济效益、进行系统综合平衡、智能化和信息化等特点。由此可见，现代工程观有别于工业化时代的工程观，“工程”不再是狭窄的科学与技术含义，而是建立在科技之上的充分体现各个学科综合、交叉的大工程系统。
2.大工程理念的教学要求。大工程观冲击了传统的工程教育观。传统工程教育过分强调专业化、科学化，从而割裂了工程本身，而大工程观要求工程教育提供综合的知识背景，强调工程实践性，培养学生创造性，更加重视工程的系统性及其实践特性。从大工程观念出发，科技工作者在社会中的基本作用是一种综合性质的，其任务大多是构建整体或从整体中考虑局部，因此其必须具备一定深度和广度的科学基础，又要有一定的本专业知识和动手解决实际问题的能力，还必须对于所属环境、公共政策、人际关系、规范和审美有一定的了解与适应能力。众多以工学为主的院校确定的教育和学科发展目标符合现代工程观，例如，西安工业大学的“以工为主，文理为支撑，多学科协调发展，突出现代制造技术和工程应用”。这就要求以大工程理念改革课程体系和课程内容，使数理科学成为工程学科的科学基础之一。因此，这一些二类院校设立了许多强调工程背景又具有理学特色的专业，而量子力学又属于实现专业培养目标的主干课程。因为培养目标和计划与传统的物理类不同，所以该专业的量子力学教学不能采用传统的教学方案，需要用大工程理念为指导，进行具有工程化特点的量子力学普物化教学模式改革。
二、量子力学普物化教学改革的必要性分析
1.普通物理与理论物理（量子力学）教学的三大区别。（1）课程的数学工具不同。普通物理的数学要求不高，一般的高数知识即可；量子力学要求比较高，需要偏微分方程、复变函数、数理方程、矩阵运算、空间变换、群论等知识。（2）物理知识准备不同。普通物理只需要一点相应的知识积累，例如，中学的物理知识；理论物理，尤其是量子力学需要相当多的普通物理知识。（3）思想方法体系不同。普通物理是从实践、实验事实出发，由特殊到一般引出各种概念，由零散的知识、规律构成理论体系（属于一种容易理解的归纳法），该课程比较多地注重形象化、直观性，逻辑的严格性和理论的完整性、系统性要求不高；理论物理（量子力学）是从一系列的假设、公理、概念出发，首先构造理论架构，然后在此架构下，采用演绎的办法来讨论各种微观现象。可见，工科学生若没有足够的数学工具和物理知识铺垫，也没有渐进的理论物理思维方式的训练，而直接地、大跨度地进入到“量子力学”学习，从各方面来讲都较难。
2.选修课程计划与学科要求的矛盾分析。传统“量子力学”的学科要求是先修“高等数学”“复变函数与数理方程”“普通物理”“理论力学”“热力学统计物理学”“电动力学”（后三门课程是理论物理方面的课程）等，而在非物理类专业中，上述选修课程要么缺失，要么弱化，例如代替“普通物理”的是工科少学时的“大学物理”课程。这样若按照传统方法进行量子力学教学会出现数学工具、物理基础和思维方式的困难。
3.教学条件和实际教学效果的分析。若进行传统的“量子力学”教学，在二类院校大规模办学的情况下，学生的知识基础和思维训练程度相对比较薄弱，师资、科研等教学条件也不强，学时偏少，则课程教学目标的实现比较困难。同时教学实践表明，进行传统“量子力学”教学，对于工科学生来说过于抽象、难度较大，导致学生学习兴趣下降，教学效果差。
综上所述，要解决非物理类专业中量子力学教学出现“课程教学与培养计划不适应”“学时少”“学生的知识基础薄弱”“理论物理的学科思维方式训练不够”“学生学习兴趣不浓效果差”等问题，基于大工程理念，进行具有工程化特点的量子力学普物化教学改革是较为可行有效的方案，而且具有推广价值。
三、量子力学普物化教学方案
用大工程理念对偏重数理逻辑的“量子力学”课程进行课程体系、内容、方式和考核改革，并使其发挥“工程学科的数理科学基础之一”的作用。
1.普物化教学改革目标。以“精讲讨论”基础物理教学思想③为指导，在开放互动的分层次基础物理系列课程体系中，使量子力学教学突出工程特点，实现理论物理的普物化教学，注重理论物理思维方式与普通物理思维方式的结合，强调开放互动，实现多种教学手段、教学资源的充分利用、优化，实行综合式考核，从而增强学生的学习兴趣，提高学习能力并最终提高教学效果，形成课程的特色优势。
2.教学内容的普物化设计。该课程教学的基本目标是，使学生了解微观世界矛盾的特殊性和微观粒子的运动规律；初步掌握量子力学的基本概念、原理和方法；了解其在原子、原子核和物质结构研究中的应用，以及在现代科学技术中的广泛应用；提高理论物理素养和多种思维能力，使学生理解量子物理的最基本概念、理论和方法，具有最基本应用能力，形成对于量子力学学科体系、框架的初步认识。因此，教学内容的普物化设计为：先将理论物理的基本概念、原理及其应用进行普物化教学，添加普物化、工程化内容，待学生对主要知识有了基本的理解和足够的兴趣以后，再给学生初步建立理论物理的思想、方法、体系，而非直接从理论物理的一系列假设、概念出发，进行数理逻辑演绎。采用“以普物化风格教学的量子物理+以理论物理风格与普物化风格相结合的量子力学基本框架和概念”的内容安排，两者学时比例为2∶1。具体表现为：以普物化风格为主，以理论物理风格为辅，从比较多的普通物理事实、实验出发引出一些量子力学的概念和规律，再借助简单的数学工具讨论生动、有趣的量子物理现象（波粒二象性、Schrodinger方程、原子中的电子运动、固体中的电子运动、核子的运动）；在此基础上结合一系列假设，形成初步的量子力学理论体系和五大基本公设，并围绕“量子力学中的力学量”，介绍矩阵法对“态的表象”和“算符”的描述，建立“态矢空间”和“表象变换”概念，最后举例说明“微扰理论”这种量子力学的处理方法。前一部分是采用普物化方法完成该课程绝大多数概念和规律的学习，后一部分以演绎方法为主，着重学习量子力学的基本方法，进行理论物理的思维训练，并构建量子力学的理论框架。显然，在前一部分学生对概念、规律有了较好理解的基础上，只需要完成思维方式的转变和新方式的形成，这样后一部分的难点被分散，易于学习，而传统量子力学教学没有前一部分内容。此外，避免过多、过繁的数学知识，增加具体事例，增强知识点的直观性和形象性，并且根据具体专业增减工程化、应用性内容，有效服务了后续课程学习，学习兴趣也相应地得到提高。
3.教学方法与手段的优化。将传统的课堂讲授教学方法与多媒体教学手段、演示实验教学手段以及开放讨论式教学优化整合，并实现课件资源、文字材料和网络课程等资源的优化配置。不采用传统的单一教学方式，而是以“精讲”教学为主，泛讲、讨论式教学和读书报告学习等为辅助，强调师生互动和学生自学能力的培养。教师要精讲难点、重点内容和方法，辅助教学要完成工程性、应用性内容，组织有兴趣学生，围绕个别科技专题进行小组讨论。教学手段以传统的“粉笔+黑板”教学手段为主，科学合理地辅助以多媒体教学和计算机模拟教学。多媒体教学采用工程性、应用性内容的积件库资料和一些科研实物录像。计算机模拟教学是用软件对微观、高速、复杂运动过程的模拟描述，将课后网络学习作为补充手段。
4.综合式考核。综合式考核是实行教学方式与手段优化的必然结果，将原来的“一次考核”变为“平时与期末的多次、多形式考核”④。主要有：多次考试、考查；开卷和闭卷考试；以作业、讨论课、课外小论文展示成绩和多次考试成绩组成最终成绩；期末考试以最基本概念、规律和量子力学思想的考查为重点，避免技巧考查和过多的应用知识考查。该考核模式强调过程考核和目标考核的有机结合，强调学生学习能力的培养，强调师生之间的互动、讨论，强调减轻学生的心理压力、思想压力，强调水平测试和多种方式。
四、实践效果与特色
具有工程化特点的量子力学普物化教学模式得到了三轮的充分实践，学生的学习兴趣、学习能力和教学效果得到显著提高，获得了校级优秀教学成果特等奖，并被推荐为省级优秀教学成果奖。教学改革的成功实践，提升了基础物理课程建设水平，为类似的理论物理课程改革提供了借鉴，为学校的多学科发展提供了基础课教学上的支持。其具有以下三个方面的特色：
1.混合式教学得到全方位体现。普物内容、工程化内容与理论物理内容的混合；传统教学方式与自学讨论教学、读书报告学习的混合；多种考核手段混合。
2.丰富了理论物理教学模式，实现了工程化和普物化。2/3的普物化内容；较多的归纳、综合、举例、联系等普物化教学方式与理论化教学方式得到有机结合；教学内容和过程突出了清晰的物理含义以及工程应用。
3.实践多种教学方式的优化思想。纯粹的理论化教学方式与普物化教学方式的优化；传统的“粉笔+黑板”教学、自学报告学习、学生课堂讨论式教学、平时开卷研讨式测验教学、适当的课件教学等之间的优化。
［注释］
①盛嘉茂，莫文玲，魏环.对突破工科近代物理教学一个瓶颈问题的探讨［J］.大学物理，2006，25（6）：49-51.
②朱高峰.关于中国工程教育的改革与发展问题［J］.高等工程教育研究，2005（2）：1-9.
③许世军，崔觉梅.非重点院校工科大学物理教学模式的研究［J］.纺织高校基础科学学报，2003，16（2）：178-181.
④许世军.工科院校物理系列课程“综合式”考核研究［J］.国际物理教育通讯，2004（33）：11-13.
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