量子力学知识全文(5篇)

摘要：量子力学是自然科学史上被实验证明最精确的一个理论，但是量子力学的概念及原理，甚至连量子力学的创始人都不能理解。著名物理学家理查德•费曼曾经在康奈尔大学的一个讲座上说道：“我想我可以有把握地说，没有人真正理解量子力学。”因此，必须转变传统的教学模式，探索出符合本校学生的教学模式。

关键词：五大基本假设；概念及原理；数学模型；兴趣培养

一、目前“量子力学”教学的现状和主要问题

我校《量子力学》这门课程是安排在第四学期（即大二下学期），学生已经修完大学物理、高等数学、数理方法以及其他一些课程基础上，以教师的讲授为主的教学模式。然而，不同于其他学科，量子力学需要很深的数学功底，尤其是数学物理方法方面的知识[11-13]，例如，求解一维谐振子的波函数和能级，需要学生会用幂级数的思想来求解，需要知道厄米函数的特性；学习氢原子的波函数和能级，需要学生会用Legendre函数等，此外，进行空间转换时，需要灵活运用傅里叶变换，平面波归一化时要用到δ函数以及其特性等，这些内容即使放在数学里面都属于重点、难点的方面，如果要进一步灵活运用到《量子力学》这门课程的学习中，这就加深了学生对这门课的恐惧，以及学好这门课的困难。另一方面，不同于一般本科院校的物理类以及电科类专业，我校电子科学与技术专业的学生需要学习的课程较多，学生的基础，尤其是大学物理基础以及数学基础相对较为薄弱。这样就导致我校学生学习这门课程的困难剧增，积极性也不高。即使有部分学生非常想学好这门课程，也是心有余而力不足。此外，智能手机的普及已经完全深入我们的校园生活，宿舍、自习室、甚至课堂，随处可见“低头族”。学生上课不带课本，但是却必带充电宝，每隔几分钟就刷微信、朋友圈已成为大学生的常规动作。由于上课听不懂，又缺乏兴趣，大学课堂的“低头族”数量激增。本次课堂教学模式改革是为了探究适合我校学生学习《量子力学》的教学模式和学习模式。调动学生学习《量子力学》的积极性、主动性，为我校培养综合应用型人才出力。对我校《量子力学》课程的教学总体目标的实现具有重要的意义。

二、“量子力学”教学改革内容与具体方法

针对上述存在的问题，结合自己的教学体会主要从以下几个方面谈谈“量子力学”有效教学的可行方法：（一）精简教学内容，围绕量子力学的理论框架、五大基本假设开展教学，即：①微观体系的运动状态由相应的归一化波函数描述；②微观体系的运动状态波函数随时间变化的规律遵从薛定谔方程；③力学量由相应的线性厄米算符表示；④力学量算符之间有确定的对易关系，称为量子条件；⑤全同的多粒子体系的波函数对于任意一对粒子交换而言具有对称性（全同性原理）。同时，与五大基本假设相对应，授课过程分成五个相应的专题来进行教学。这样即便学生真有不懂的地方，也不会造成后面的学习完全听不懂。（二）强化概念，淡化数学推导，注重思维的培养。《量子力学》是一门很抽象，并且很依赖数学的学科。因此，很多初学者为了学好这门课程往往陷入题海战术。教师在授课过程一定要强调概念的重要性，跳出会做题就学会了《量子力学》，这种错误的思想。每节都给学生一个重点概念，定理。一定要学生牢记公式的推导以及习题练习只是深化概念的理解，拓展思维。（三）注重兴趣的培养。能量是量子化的，这个概念的出现虽然才一百多年，但它的基本的原理和思想已经用到量子通信、量子计算机的研发之中，成了炙手可热的一个研究方向。学生原本对新奇的事物都有很强的好奇心，教师要进一步加强和引导，使学生产生强大的学习兴趣。（四）督促学生记笔记。随着科技的飞速发展，多媒体教学模式广泛应用于教学之中，传统的教学方式渐渐淡出人们的视野。但是经过几年的教学发现，要使学生能够跟上教师的思维，只有兴趣和毅力是不够的，还需要掌握方法，其中，督促学生记笔记，及时将自己的难点记下来起到了意想不到的效果。（五）课堂总结、讨论与课后复习。不同于其他学科，《量子力学》这门课一节课的时间大概讲述一两个知识点，比如力学量是厄米算符这个知识点的讲述，首先给出厄米算符的定义，然后举一些例子证明力学量确实是厄米算符。及时总结有助于学生掌握本节课的重点，难点，以及有目的有机会的进行课后复习。（六）多样化的考核方式。将学生的输出成果纳入课程总评，避免以前评判学生能力的单一考试标准，更全面、更科学、更合理地评价学生学习和应用《量子力学》原理解决问题的能力。

三、结束语

摘要：高校学生管理队伍量子力学动力机制以10个核心动力要素作为动力指标体系的依托，逐层分解为40个二级指标，引入层次分析法（AHP）对高校学生管理队伍进行定量与定性相结合的分析比较并研究构建动力机制指标体系（M），内外动力要素合力构成学生管理队伍动力机制总体框架结构，包括内部的激励约束机制、教育提升机制、共情暖心机制，与外部的价值评价机制、服务支持机制等，为新时代学生管理队伍建设提供一个新的互动的动力模型框架和提升有效性思考范例。

关键词：量子思维；“量子-AHP”分析法；学生管理队伍；动力指标体系

量子力学作为近代物理学的基础理论，很多理论和方法与新时代组织变革以及人才发展十分契合，新时代中国大学将量子力学理论运用到学生管理队伍的人才管理创新符合新时代的发展和环境的变化。目前学界以量子力学理论视角探索组织机制创新和人才管理发展的文献主要有聂作坤[1]的《基于动力效能理论的基层公安队伍动力机制研究》、王楚鸿[2]的《群体→团体→集体——高校科研队伍的“高能级跃迁”》和李鸿灿[3]的《试论中学生能级跃迁的条件》；以量子力学理论视角构建组织发展模型的文献主要有高锡荣等[4]的《基于能级跃迁的创新转型激发模型》、张铁男等[5]的《组织知识创造的能级跃迁模型研究》、李柏洲等[6]的《基于能级跃迁的组织学习—知识创造过程动态模型研究》和杜永杰[7]的《中国建筑业农民工转化为产业工人的动力机制研究》等。这些对于学生管理队伍动力机制“能级跃迁”创新研究极具借鉴意义，为学生管理队伍动力指标建设提供了一个新的互动动力模型和提升有效性的思考范例，学生管理队伍动力指标体系构建是完善学生管理队伍管理长效机制的重要内容，更是积极适应新时代、担负历史使命的必然要求。

1高校学生管理队伍动力机制问题的量子思维分析

一切社会经济活动都是由人参与的活动，而“人是生产力诸因素中最活跃、最积极的生产要素”。因此，要提高社会经济活动运行效率，就必须认真研究调动人们积极性的动力问题。新时代中国大学的新人才培养要求呼唤一支动力十足并且活力无限的学生管理队伍，研究学生管理队伍的动力问题要以现实问题为中心，要紧跟新时代新变化、内化新人才的新要求。前期充分调研了学生管理队伍中辅导员、班主任以及宿舍管理人员等职责特性和多元化内在需求，运用科学系统开放的量子化思维方法，不断探索增强学生管理队伍整体动力效能的动力指标体系。任何一支学生管理队伍动力机制都拥有向高能级跃迁的潜质，但能级跃迁的幅度较大程度上取决于内外动力的合力产生的能量值E总。经逐步回归分析确定了10个关键内外部动力要素F1，F2，…，F10。合力E总的大小由10种内外部动力要素的值F1，F2，…，F10及其对应的权重a1，a2，…，a10共同决定，即：E总=f（a1F1，a2F2，…，a10F10）（1）式（1）中：F1，F2，…，F10分别表示内在需求的原动力、目标认同的牵引力、工作愿景的驱动力、价值实现的能动力、身心健康的调适力、教育培训的提升力、优秀典范的带动力、校园文化的凝聚力、环境保障的助推力和管理监督的约束力；a1，a2，…，a10分别表示10个动力要素在该学生管理队伍动力系统中所占权重[8]。量子概念作为动力机制的一个新的基础进行考察，积极调动、科学整合各种动力要素，累积能量推动学生管理队伍动力效能发生“能级跃迁”（E1→En），而实现这一“量子化跃迁”关键就是构建科学的动力机制。为了更科学、客观、全面地反映某学生管理队伍动力的现状，以量子力学动力机制10个核心动力要素作为指标体系为依托，引入层次分析法（AHP）进行定量与定性相结合地分析比较和研究构建学生管理队伍动力指标体系（M），从而实现了量子力学与AHP的科学嫁接的“量子-AHP”分析法。量子力学动力机制本身是一个极其复杂的系统，将学生管理队伍动力机制指标体系（M）分解为多个目标元素基于该分析法将上一层目标元素逐层分解为多指标的若干层次，通过定性指标模糊量化方法对此各个层次中每一层中元素的相对重要性进行判断、综合，计算出各个层次的单排序和总排序，为学生管理队伍动力机制构建给出多方案优化决策的系统方法，这便是“量子-AHP”法分析学生管理队伍动力机制问题的基本思路。

2高校学生管理队伍动力指标体系分解

新时代高校学生管理队伍想要在更高层次上激发活力，推动学生管理事业创新发展等方面仍显乏力。没有给力的动力机制的良好运行，整个组织也因此不能实现预期目标。“量子-AHP”分析法运用分解、比较判断和综合思维方式进行决策，将定性分析和定量分析结合起来。该方法所需定量信息较少，更讲求定性的分析和判断，这些适合于学生管理队伍动力机制一些目标元素难于定量描述却适合分层交错评价的特点，特别适合这类目标层下定性因素起主导作用的决策问题。运用该方法将判断要素重要性的过程化为简单的权重进行计算，一方面用实际数据说话，另一方面也考虑到了管理决策中的主观判断特性，适合用来对高校学生管理队伍动力机制系统进行量子化测评。学生管理队伍动力机制指标体系（M）细分了10个核心内外部动力要素，这一总目标层是一个十分复杂的系统的能量增强过程，更是内外部10种动力要素相互配合协调的结果。学生管理队伍内部动力机制的10个为核心内部动力元素，即一级指标F1，F2，…，F10，将其简化表述为：A，B，…，J，逐层分解的40个二级指标简化表述为L1，L2，…，L40，如表1所示。

1结构化学的重要性

只有让学生深刻认识结构化学的重要性，才能使他们产生学习兴趣，激发起学习的动力，充分发挥其主观能动性，使教学达到事半功倍的效果。

(1)结构化学是化学各学科的理论基础。

结构化学为化学各学科提供理论指导，是联系基础化学与高等化学的阶梯。结构化学已经渗透到现代化学的各个领域。以学生学习过的课程为例，无机化学中涉及了原子结构、分子结构、晶体结构和配合物结构等方面的内容;有机化学中运用杂化轨道理论和分子轨道理论说明有机物的结构，使用分子对称性理论描述分子空间结构，利用前线轨道理论解释化学反应机理等;仪器分析中紫外光谱中的电子跃迁、红外光谱中的简正振动、X射线衍射等，都与结构化学知识紧密相关。从这些学生熟悉的课程入手，可使他们很快体会到结构化学的重要基础地位。

(2)结构化学是分子设计的理论基础。

“结构决定性能，性能反映结构”。如果找到某类具有特殊性质的物质的规律性，就能设计出性能更好的分子。结构化学及在其基础上发展起来的计算化学、分子模拟等对分子设计起理论指导作用。为了让学生了解这方面的内容，可用如下实例进行说明。首先以石墨烯为例。碳元素是自然界中分布广泛并且与人类社会发展关系密切的重要元素。碳单质有多种存在形式，主要有石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管等，其中石墨烯由于其优良的结构性质而成为材料科学领域的研究热点。在教学中可先向学生提出问题:石墨烯的结构是怎样的呢?这就要从石墨的结构谈起。石墨为层状结构，同层的碳原子间以sp2杂化形成平面共价键，每个碳原子剩余一个p轨道未参与杂化，上面各有一个电子，这些p轨道互相平行且与sp2杂化轨道所在平面垂直，相互重叠形成离域大π键。π电子在整个碳原子平面方向运动，所以石墨可以导电和导热，可以用来制作电极和坩埚。而石墨的层与层之间以微弱的范德华力相结合，容易断开而滑动，所以石墨具有润滑性，可以用来制作润滑剂。石墨烯可以看做是只有一个原子层厚度的单层石墨片。2004年，石墨烯由英国曼彻斯特大学的海姆和诺沃肖洛夫通过微机械力剥离法制得，二人因在二维空间材料石墨烯方面的开创性实验而获得2010年诺贝尔物理学奖。从结构上来看，石墨烯可以看做是构成富勒烯、碳纳米管和石墨的基本组成单元。将其包裹成球得到富勒烯，沿着固定轴卷曲得到碳纳米管，多层堆叠在一起就形成了石墨。由于石墨烯独特的结构，决定了其具有多种优异特性，如低密度、高强度、良好的导热性、室温下较高的电子迁移率等，这些特性决定了它在半导体工业、材料、力学和光学领域拥有巨大的应用潜力。例如，石墨烯被分割时其基本物理性能并不改变，而硅不能分割成小于10nm的小片，否则将失去其电子性能。因此，石墨烯极有可能成为硅的替代品推动电子信息产业的发展。研究者正在不断对石墨烯的结构进行修饰和改造，以挖掘和发挥其优良性质，优化使用效果，扩大应用范围。通过这个例子，可以让学生深刻感受到结构化学与科技前沿领域的联系，意识到结构、性能、用途三者间的辩证关系。然后以计算机辅助药物设计为例进行讲解。作为在结构化学基础上发展起来的新兴交叉学科，计算化学正在科学领域内逐渐崭露头角。计算化学基于三维分子结构，以量子力学或经典力学原理为指导，确定算法并实现程序，再通过计算机运算来模拟和预测分子体系的性质;计算化学在实际生产中的一个重要应用就是计算机辅助药物设计。例如研究者通过生物学方面的研究，发现了与某类疾病相关的大分子如蛋白质，将其作为靶标(受体)，并且通过X射线晶体衍射或核磁共振等方法测定了其三维结构，尤其是得到其作用(活性)位点的结构。这时就可以通过计算机模拟的方式，在数据库里寻找分子形状和理化性质与受体作用位点相匹配的小分子(配体)，研究受体与配体的详细相互作用信息(包括结构信息和能量信息)，合成并测试这些分子的生物活性，这样就有可能发现新的先导化合物，开发出治愈疾病的药物分子［。这就是基于受体结构的药物设计方法，可为药物开发节省大量时间和资金，已在药物设计方面取得了巨大成功。如HIV-1蛋白酶抑制剂的设计就是一个典型的成功案例，标志着计算机辅助药物设计从方法研究过渡到实际应用阶段。2013年的诺贝尔化学奖授予美国科学家卡普拉斯，莱维特和瓦谢尔，以表彰他们“为复杂化学体系发展多尺度模型”。这个奖项是对计算化学进步的认可，强调了计算化学在科学领域内越来越大的作用。在计算化学领域有两种主要的计算方法，一种是基于量子力学原理的量子力学计算方法，另一种是基于牛顿力学的分子力学/分子动力学模拟方法。将这两种方法有机结合、取长补短而建立起来的量子力学/分子力学方法已获得巨大成功。例如在研究药物分子与蛋白质结合时，对药物及与药物相作用的蛋白部分采取精确的量子力学计算，对蛋白的剩余部分采取快速的分子力学计算，这样就兼顾了准确性和计算量，取得了很好的结果。计算机作为当今化学家的工具就像试管一样重要，模拟是如此真实以至于传统实验的结果也能被计算机预测出来。莱维特曾经这样描述他的一个梦想:利用计算机处理复杂化学过程的能力，实现在分子水平上模拟一个完整生物，构建“数字生命”。通过这个例子，使学生认识到结构化学并非只是“纸上谈兵”，而是具有重要的实际应用，可以激发他们的学习兴趣。最后，向学生介绍结构化学的发展历史，将其发展史与诺贝尔奖紧密联系在一起，进一步突出其重要性。在结构化学中的一些重大科学发现和理论突破基本上都获得了诺贝尔奖。例如在开创量子力学的过程中，普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克、泡利、波恩等都获得了诺贝尔物理学奖。另外，在研究物质结构的实验方法方面，如在X射线衍射法、核磁技术和应用、质谱技术、电子显微镜技术等领域，都有很多科学家获得诺贝尔奖。而且还有很多科学家因在结构方面的研究而获奖，如克里克、沃森和威尔金斯发现DNA双螺旋结构，科尔、克罗托和斯莫利发现富勒烯，谢克特曼发现准晶体等。将结构化学的发展史与化学史尤其是诺贝尔奖联系起来，能够培养学生的科学精神和素养，促使他们树立远大的科学理想，使他们获得强大的学习动力。

2结构化学的学习方法

[摘要]结构化学是化学专业的核心课程，在各个专业课程中起着承上启下的作用。在当前深化本科教育教学改革，全面提高人才培养质量的政策背景下，本文针对目前结构化学课程内容和授课方式存在的一些问题，进行了思考和探索并提出了一些针对性的解决办法。

[关键词]结构化学；教学改革；互动教学

结构化学课程是我国高等学校化学专业的必修课程，内容涉及量子化学，分子对称性，配位化学和晶体学基础等部分。该课程内容抽象，知识系统庞杂，数理推导较多，学习曲线陡峭，不少学生因此存在着畏难情绪。然而正如诗词所言，无限风光在险峰，学好这门课程不仅有助于理解其它化学课程的内容，也是为进一步在本专业深造打下坚实的基础。[1]在当前深化本科教育教学改革的背景下，如何将结构化学课程上好，真正做到让老师强起来，学生忙起来，效果实起来，笔者在此对授课以来的问题和解决方法进行总结。

1重视数理，夯实基础

结构化学课程的一大难点在于数学推导较多，譬如量子化学部分完全使用数学语言描述核心知识，而对于化学专业的同学，数学一直是软肋，于是极容易产生厌学和畏难情绪。[2-4]针对这个问题，很多老师采取的解决方法是淡化数学推导，重点介绍推导后的结论和意义，但我们在授课过程中，发现这样的授课方式效果欠佳，因为基础不牢，课程的学习只能是空中楼阁、风中沙塔，很多同学在课程结束后还是无法对物理图像有一个正确的认识和把握。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，笔者认为与其淡化数学，不如严格要求，把数学学到位。伟大的思想家恩格斯说过：“任何一门科学的真正完善在于数学工具的广泛应用。”正是因为数学和物理的引入，才让化学摆脱了炼金术的桎梏而成为一门科学。因此我们在授课时自始至终强调数学的重要性，在涉及数学内容较多的章节，提前讲授将要用到的数学工具并布置作业，每章节结束后将重要的公式和结论进行串讲并配合习题进行强化训练，要求所以学生每学完一个章节就做思维导图及时总结复习，将重要公式进行总结归纳制作公式索引表格。尽管提升了学习的难度，但学生对于推导的结果和物理意义理解的更加准确和深入，记忆也更加牢固，锻炼了学生的逻辑思维和严谨认真的科学态度。

2理清主线，合理增负

结构化学课程内容主要涉及量子化学基础，分子对称性，配位化学以及晶体学基础。尽管这四个部分知识彼此之间较为独立，但所表达的核心思想是一致的，即结构决定性质，性质也反映着结构。目前授课内容主要存在问题是：量子化学部分各章节之间主线不够明确；配位化学部分和专业无机化学课程内容有重叠；晶体学基础部分，结构相关的内容介绍较多而相关的性质介绍较少。针对这些问题，我们对课程的授课内容进行了合理的补充和删减。首先，对于量子化学部分，我们在授课一开始给出课程的故事主线，即量子力学的诞生背景，量子力学基本假设，简单模型的量子力学处理方法，氢原子薛定谔方程的求解过程及解的物理意义，以及针对于多电子原子和多原子分子的近似方法。这条主线清晰明确，在每一章节开始时，我们对之前的内容进行简要回顾，帮助学生理清了各章节的逻辑关系，在学期末复习课时对每一个知识点进行展开复习，进行巩固。配位化学部分，对于和无机化学有重叠的部分，我们通过翻转课堂的方式简要复习，同时突出结构化学的重点，即分子轨道理论在配位化学的应用，着重介绍了配体群轨道这个新概念，以及不同配位几何构型下配体群轨道和中心原子如何依据对称性进行线性组合的方式，同时介绍了金属配合物作为均相催化剂催化反应的常见机理。在此基础上，我们还将科研中的一些问题引入课堂讨论，如金属氮宾体和金属氧化物的电子结构，让学生通过知识解决实际科研问题，真正做到科研反哺教学。晶体学部分除了介绍基本知识以外，补充介绍了能带理论，态密度等概念，并介绍了导体，半导体，绝缘体在电子结构上的差异，这些基础知识有利于化学专业的同学在材料化学方向进行科研工作打下基础。尽管课程在深度和广度上都有所增加，但不少同学都表示感受到了挑战性学习所带来获得感和高阶乐趣。

摘要：大学物理在理工科高校扮演重要角色，是众多理工科基础。本文针对新时期理工科专业大学物理教学中的现状，从教学内容、教学手段、教学形式等方面浅析教学改革举措，促进大学物理学科发展，同时培养本科生逻辑思维、科学思维能力，更好的促进大学生全面发展。

关键词：大学物理；教学改革；教学手段

引言

《大学物理》是高等院校、理工科专业学生所必修的一门公共基础课。主要内容包括力学、热学、光学、电磁学及量子物理部分[1]。涉及内容较多，覆盖面较广，同时要求严密的逻辑推导能力与数学运算能力。因此理工科专业学生在学习过程中面临较大困难。同时，很多理工学科的学生往往对大学物理重视程度不够，视其为一般大学公共课程。此外，随着互联网技术发展，大学生往往被形形色色的网络所吸引，相对枯燥的大学物理往往缺少足够的趣味性以致不能激发大学生学习物理的兴趣。以上种种因素造成大学物理学科发展缓慢。而事实上，大学物理不单单是理工专业公共基础课，同时是其他学科如材料科学与工程、机械工程、通信工程、热能与动力工程、土木工程等学科的基础。此外，面对日益发展的科学技术，物理学科往往承载着重要作用。环顾三次工业革命，无一不一随着物理学科发展而发生[2]。第四次工业革命也可能随着量子通信、量子计算机、可控核聚变等物理技术的发展而发生。因此，新时期下《大学物理》教学改革非常必要，不但有利于促进物理学科的发展，同时有利于为社会培养高技能理工科专业人才。本文将从教学内容、教学手段、教学形式等方面浅析教学改革举措，以此提高大学物理教学水平。

1教学内容改革

新时期下，理工专业对物理学科重视程度越来越低。由于课程较难、不及格学生较多，一些院校将大学物理的课程由通常的140学时，逐步减少至120学时、96学时甚至80学时[3]。因此，在有限授课时间内，对教学内容及时调整尤为重要。

（1）因材施教、依据专业性质调整教学内容：由于大学物理涉及内容广泛，而理工专业学科众多。在有限的教学课时内，如若兼顾所有物理学研究内容，一是学而不精，二是容易造成顾此失彼。因此，按照专业相近程度，划分不同大学物理教学内容，做到合理的取舍。如对材料科学与工程、化学与工程、环境与工程等学科，加重热学、量子物理部分教学讲解；对机械工程、土木工程、建筑环境与设备工程等学科，适当增加牛顿力学部分教学；对通信工程、电子信息与工程等学科，增加电磁学比重。这样，即使在有限的教学课时内，突出重点，仍然能够使学生掌握本科学所需的物理专业知识。