量子力學基本概念及理解大全11篇

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篇（1）

正如巴特菲爾德和厄爾曼編撰的《物理學哲學》一書所言，近半個世紀以來，物理學哲學充滿活力有兩個重要的原因，第一是與所分析的科學哲學的形成期相關，第二則是近半個世紀以來物理學自身的研究有關。也正因此，在物理學哲學發展的進程中，其研究的論題和研究方法也隨著科學哲學和物理學自身的論題和方法進行著改變。在很長一個歷史時期內，物理學哲學曾經關注經驗物理學領域，物理學哲學的探討與對客觀性、真理性以及科學合理性的辯護分不開。而在當前宇宙學、量子引力發展的前沿時刻，《物理學哲學》一書體現了當代物理學哲學研究的新特點。本書與以往物理學哲學書籍最大的不同之處就在于，在以往物理學哲學著作往往重點討論統計物理學、相對論和量子力學的哲學問題的基礎上，增加了新的領域:“這些支柱的結合”———量子引力，并運用決定論和對稱性這兩個“能架起聯結物理學理論間(甚至三大支柱間)鴻溝的橋梁”的主題，把最終的討論由具體引向一般，從而讓我們看到兩個結論:第一，物理學哲學和物理學之間并不存在清晰的界限。第二，物理學概念的復雜化，想要借由物理學去豐富哲學，并非容易。本文主要就書中的“經典相對論”、“宇宙學中的哲學問題”和“量子引力”等內容進行分析，指出它們所揭示的物理學概念解釋的新特征以及物理學理論理解的新特征。

一相對論、宇宙學和量子引力哲學概要

巴特菲爾德在引言中指出，數學的相對論者在不斷深化我們對廣義相對論基礎的理解。大衛•馬拉蒙特的“經典相對論”［1］一文就明顯具有這樣的特點，并不討論經典相對論的歷史發展及其實驗依據，而是以微分幾何的語言，從概念和形式化的角度對相對論的結構以及相對論引發的一些基礎問題進行了分析和討論。首先從描述相對時空的結構開始，相對論的彎曲時空是一類幾何模型(M，gab)表示的相對時空，其中M為一個平滑的連續的四維流形，gab是M中的一個平滑的半黎曼度規。其中每個模型都代表一個與理論的約束條件相容的可能世界。M可以解釋為世界中點事件的流形，而gab的解釋則關乎四個物理學解釋性原理，由點粒子和光線的行為決定，由此把引力和時空幾何效應等同起來。當粒子只受到引力作用時，它的軌跡為彎曲時空的測地線。而任何質量粒子的加速度即偏離測地線的軌跡，由引力以外的力決定。馬拉蒙特詳細地描述了gab的解釋性原理和限定條件。在此基礎上分析了本征時間、某一點的空間時間分解及粒子動力學、物質場、愛因斯坦方程、類時曲線的匯與“公共空間”、基靈場與守恒量等內容。經典相對論中所有發生的事件都可以用物質場F表示，為時空流形M中的一個或者多個平滑張量或旋量，滿足包含gab的場方程。Tab為與F相關的能量－動量場，時空的彎曲受物質分布的影響，任意區域的時空度規和物質場會發生動力學相互作用，遵循愛因斯坦方程。在專題討論部分，關于閔可夫斯基時空中的相對同時性的地位，試圖還原愛因斯坦定義同時性對標準關系選擇的特定背景;關于牛頓引力理論的幾何化，將引力化的牛頓理論與愛因斯坦相對論進行了結構上的對比;關于時空的整體“因果結構”，關注了什么程度上時空的整體幾何結構能夠從其“因果結構”中得到。“宇宙哲學中的問題”［2］的作者是喬治•F．R．埃利斯。宇宙學哲學的部分在書中起著承上啟下的作用，因為一方面，宇宙學哲學的研究基于愛因斯坦廣義相對論引力理論時空曲率和宇宙的演化由物質決定的思想，用廣義相對論描述宇宙遠古時期之后的演化;另一方面，由于在黑洞以及宇宙大爆炸初期物質高密度狀態下無法忽略引力問題，因而無法避免引力理論。總的來說，整篇文章把當代宇宙學看作是觀測宇宙學、物理宇宙學、天文宇宙學與各種形式的量子宇宙學共生共長、互惠互補的綜合理論系統，想要給出一個“描繪真實宇宙起源和演化的理論”。主要內容分為兩大部分，第一部分為宇宙學概論，包括基本理論、熱大爆炸、宇宙觀測、因果和可視世界、理論的發展、暴脹、極早期宇宙、一致性模型等內容，并澄清了關于宇宙暴脹和超光速等問題的一些誤解。在埃利斯看來，“宇宙學正在由一種猜測性的事業向真正的科學轉變，這不僅帶來了與科學革命相近的多種哲學問題，也使得其他哲學問題更加緊迫，例如關于宇宙學中的說明和方法等問題。”因此文章第二部分進行的問題討論圍繞這些說明和方法問題展開，討論了宇宙的唯一性、宇宙在空間和時間上的巨大尺度、早期宇宙中的無約束能量、宇宙起源的解釋問題、作為背景存在的宇宙、宇宙學明確的哲學基礎、有關人類的問題:生命的精細調節、多元宇宙存在的可能性和存在的本質等九大問題。在此過程中，埃利斯提出了34個論點，關涉到這9個問題的方方面面，包括人擇原理和多重宇宙存在的可能性等。這些論述關乎幾何學、物理學和哲學，它們構成了宇宙學面面臨的哲學問題的環境及其與局域物理學之間的關系。埃利斯期望通過這一系列討論改變人們認為宇宙學只不過是確定一些物理參數的簡單看法。“量子引力”［3］一文的作者是卡羅爾•羅韋利，內容大致可分為四個方面。第一，量子引力的研究方法，包括早期的歷史和方向、目前的主要嘗試性理論等。量子引力的早期思想可以概括為“用一個理論來描述引力的量子特性”。期間出現的第一種方法是羅森菲爾德等人的“協變化”方法，通過引入一個虛構的“平坦空間”來考慮周圍度規的微小漲落，并且運用電磁場中的方法來對這些波進行量子化;第二種是伯格曼等人的“正則化”方法，研究和量子化整個廣義相對論的哈密頓函數，而不只是量子化其圍繞平坦空間的線性化函數;第三種是米斯納等人的路徑積分方法。目前主要的嘗試性理論主要介紹了基于協變化方法發展起來的弦理論和基于正則化方法發展起來的圈量子引力理論以及它們之間的爭論。第二，關于量子引力研究方法論問題。指出量子引力研究的理由包括經驗數據的缺乏和對引力是否應當量子化的思索。分析了當前量子引力研究中的各種態度以及科學知識的累積性和科學哲學的影響。第三，空間和時間的本質，包括廣義相對論的物理意義、背景無關性、時間的本質等。第四，與其他未決問題之間的關系，包括統一、量子引力學的解釋宇宙學常數、量子宇宙學等等。這些章節的詳細內容不是本文的重點，我們想要做的，是分析作者的研究方式所代表的當代物理學哲學研究的視野和方法的轉變。本書的研究方式明顯地具有兩個特征:第一個特征關乎物理學概念的解釋:物理學的概念解釋脫離不開數學形式化下的整體系統;第二個特征關乎新的物理學理論的理解:在理論的發展中處處顯示物理學和形而上學的交織統一。這兩個特征與這些物理學研究領域實驗檢驗的缺乏以及理論構造的特征密切相關。

二物理學概念解釋的新特征:數學形式化整體系統中的關聯解釋

巴特菲爾德相信當前基本物理學中的基礎問題會為物理學哲學提供從最為有趣且最為重要的問題，而我們關注的是本書處理這些基礎問題的方式。雖然從章節上來看，物理哲學的論題被劃分為若干個領域，但從內容上，完全可以看到作者的用心，站在當代數學物理學發展的高度用整體微分幾何等數學語言對物理學系統進行重新形式化和解釋，每一章節的緊密聯系使得物理學作為一個整體系統得以呈現。其中對每一個物理概念解釋的細節，正是物理學哲學追求的基礎問題的答案。可以說，概念解釋居于本書的核心地位，物理學哲學解釋問題的最重要的方式就是處理當代物理學中的概念和解釋問題。

(一)物理學概念的解釋:我們理解世界的基礎

物理學的發展時時刻刻影響著人們對世界的理解方式，其途徑就是物理學概念的解釋。經典物理學、相對論和量子力學曾極大地改變我們對世界的看法，它們在經驗上的有效性曾經強化過我們對科學理論客觀性和真理性的觀點，也曾讓很多物理學家追求理論的實用性而認為有些基礎性的問題毫無意義。但當前宇宙學和量子引力理論的提出，使人們重新注視廣義相對論和量子力學的不相容性的時候，從廣義相對論以來的一些基礎性問題和哲學問題得以重新復興。相對論為我們宇宙的時空結構確定了一類幾何模型，其中每個模型都代表了一個與理論的約束條件相融的可能世界或區域。而我們對時空的理解涉及整體時空結構和愛因斯坦方程的約束條件等等。宇宙學和量子引力的研究則讓我們明白，改變我們對空間和時間的理解的廣義相對論是在可以忽略引力的量子特性時對引力進行描述的場理論，那么真正的空間和時間的本質又是如何呢?我們對宇宙起源的理解繞不開量子引力方法的嘗試，但這種嘗試要受到很多約束，比如成熟量子引力理論的缺乏、量子力學基礎問題，比如測量問題、波函數的塌縮問題等。現在人們期望得到的成功量子引力的路徑基于目前理論的發展，比如惠勒－德維特方程和宇宙波函數思想、來自弦論思想的高維時空方法，或者圈量子引力的應用等。但這些問題是否能真正解決宇宙起源的問題卻并沒有確切的答案，比如維蘭金的創生虛無的真理論的理解要依賴于量子場論的精致框架和粒子物理學標準模型等很多結構，而這些基礎本身也是需要解釋的。可以說，我們理解世界的基礎就在于我們用于理解它的那些概念的意義。

(二)概念解釋的新特點:數學形式化下整體系統中的關聯解釋

巴特菲爾德在經典力學的辛約化中指出，經典力學的核心理論原理已經被歐拉、拉格朗日、哈密頓和雅可比等改寫，“我們已經認不出來了，因此對它們的哲學反思也發生了變化。”因此引入辛幾何、李代數等語言對理論進行形式化，旨在利用辛約化理論使連續對稱和守恒量之間產生聯系的特征，從理論結構上顯現經典力學與量子物理學的聯系，這是運用數學形式化系統展現物理學理論的對稱性本質。相對論、宇宙學和量子引力哲學部分，情況也是如此。整本書是站在當代數學發展的高度，運用拓撲學、群理論和微分幾何等重新形式化物理學的整個體系，并對其概念進行剖析的一個過程。而對基本問題的理解，則建立在概念剖析的基礎之上。在這些文章中，理論發展的歷史狀況和實驗成果，只是系統闡釋整個理論概念和解釋的背景而已。作者們的重點則放在用數學領域的發展和物理學理論形式化的訴求，促進對物理學理論結構的探索，進而把論題轉化為對其哲學問題的探討。理論的形式化體系、概念結構和物理學解釋是有機地結合在一起的。在牛頓引力的幾何化中，也是站在當代物理學和數學發展的高度，重新形式化作為相對論弱場近似的牛頓理論，得到與廣義相對論類似的數學結構，正是在這個意義上，才能夠好地發現兩個理論在何種條件和何種程度上是相符的，又在何種條件和何種程度上是區別的。在這個形式化的整體系統中，對于物理概念的解釋不再是孤立的解釋，而是站在理論的數學結構的高度，成為一個整體系統中的關聯解釋。這在很大程度上突出了物理學哲學中語義分析方法的重要性，因為沒有完全獨立的概念，物理學的概念定義之間互相依賴，只有在一個系統的語義結構中才能理解概念的意義。如普斯洛斯在這套愛思唯爾哲學手冊的《一般科學哲學》一書中所言:“理論解釋的唯一方式就是把它嵌入到同類概念的框架中，并嘗試著解開它們的相互關聯。”［4］

(三)舊概念重新解釋的意義:還原理論創立過

程中概念選擇的特定背景在物理學的發展中，每一次理論創新和進步都伴隨著新概念的提出或舊概念的重新解釋，站在理論發展的角度考慮，這樣的解釋會讓我們更好地理解物理學理論的提出、發展和變遷的合理性。比如蒙特在經典相對論一文中對閔可夫斯基時空環境下相對同時性關系的重新考慮。蒙特指出，當相對于一個四維速度矢量將一點上的矢量分解為“時間”和“空間”分量進行討論時，我們理所當然地相信包含正交性的相對同時性的標準認同。在解釋這種認同的理由時，根據方便在閔可夫斯基時空結構即狹義相對論體系下進行分析。他援引霍華德•斯坦的論述，指出采用相對同時性的標準(ε=1/2)的慣例是需要特定背景的。在他們看來，愛因斯坦是為了解決我們無法檢測到地球相對于以太的運動而采取的解決方案，以一種特定的方式(ε=1/2)來思考同時性，但如果并非從愛因斯坦最初的思路來考慮，而是從一個成功理論的高度來理解它，把相對論視為是針對時空結構不變性的論述時，其意義就完全不同了。這在很大程度上還原了愛因斯坦對同時性做出的“定義”中挑選出來的這種標準關系的實質，它可能并非一種自然的存在，而是理論選擇的特定需要，還原這個過程，對我們更好地理解理論和概念的本質有著重要的意義。

(四)新理論的概念澄清:科學進步的必然現象

物理學史上每一個新理論的誕生都會引起舊的概念的澄清，量子引力就是個很典型的例子。量子引力是對空間和時間本質的探索，它引導我們重新思考關于時間、空間、“在某處”、運動和因果觀測者的地位等很多問題。作為試圖把廣義相對論和量子理論結合的理論，我們需要以歷史的眼光重新追問。我們都知道，廣義相對論改變了我們對牛頓獨立于物質運動的絕對空間和時間的理解。量子力學則用我們關于運動的一般性理論替代了經典力學，并改變了物質、場和因果性的觀念。但量子力學的外在時間變量和量子場論靜止的背景時空都是和廣義相對論不相容的。而廣義相對論中引力場被假設為一個經典決定論的動力學場，無法處理小尺度引力的量子特性。因此，想要把二者進行結合的量子引力就遇到了困難。正因為如此，羅韋利直言盡管基礎物理學在經驗上有效，但它正處于一種深刻的概念混亂的狀態。雖然20世紀后半葉，物理學注重實用而忽略了這些基本問題，但量子引力告訴我們這些基本問題必須得到新的答案。但問題的澄清并沒有一條唯一明確的路可以走，超弦理論和圈量子引力在假設、成就、具體結果以及概念框架上都有著顯著的不同，但它們都有自己的代價，弦理論的思想基礎是為了消除廣義相對論的微擾量子化的困難，保留了量子場論的基本概念結構，其代價之一是放棄廣義相對論的廣義協變性。圈量子引力植根于描述廣義相對論的協變性，但它的代價是忽略了理論的不完備性，放棄了幺正性、時間演化、基本層次上的龐加萊不變性以及物理學對象是在空間中局域化的且在時空中演化的概念。可以看出的是，新理論澄清概念的過程是科學理論進步的必然現象，而這一過程是通過分析在描述世界結構時所產生的概念上的困難來對以往科學的研究框架予以質疑或辯護，這涉及的是對世界本質更深刻的哲學和形而上的思考。

篇（2）

作者簡介：劉德偉（1979-），男，河南濮陽人，鄭州輕工業學院物理與電子工程學院，講師；李濤（1977-），男，河南淮陽人，鄭州輕工業學院物理與電子工程學院，講師。（河南 鄭州 450002）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）34-0085-02

半導體物理是半導體科學的理論基礎，是電子科學與技術、微電子學等專業重要的專業基礎課，其教學質量直接關系到后續課程的學習效果以及學生未來的就業和發展。然而，由于半導體物理的學科性很強，理論較為深奧，涉及知識點多，理論推導繁瑣，學生在學習的過程中存在一定的難度。因此，授課教師必須在充分理解半導體物理，熟悉半導體工藝和集成電路設計的基礎上，結合教學實際中存在的問題，優化整合教學內容，豐富教學手段，探索教學改革措施，培養學生的學習興趣，提高半導體物理課程的教學質量。

一、半導體物理課程特點及教學中存在的主要問題

鄭州輕工業學院采用的教材為劉恩科主編的《半導體物理學》（第七版，電子工業出版社），該教材是電子科學與技術類專業精品教材。[1]結合教材特點與教學實踐，半導體物理課程教學過程中存在的主要問題與不足[2]可歸納如下：

1.教材內容知識點多，理論性強

半導體物理課程前五章為理論基礎部分，主要講述了半導體中的電子狀態、雜質和缺陷能級、載流子的統計分布、半導體的導電性與非平衡載流子，在此基礎上闡述了電子有效質量、費米能級、遷移率、非平衡載流子壽命等基本概念；分析了狀態密度、分布函數、載流子濃度以及遷移率與雜質濃度、溫度的關系。課程涉及理論知識較深，易混淆知識點較多，數學公式推導復雜，很多基本概念及數學公式要求學生掌握量子力學、固體物理、熱力學統計物理和高等數學等多門基礎學科的理論知識。因此，學生在前期學習中，在相關知識點上難以銜接，對相關理論的掌握存在一定困難。

2.傳統教學模式難以理論聯系實際

半導體物理課程后八章主要介紹了半導體基本器件的結構與性能，半導體的光、電、熱、磁等基本性質。如pn結電流電壓特性及電容、擊穿電壓與隧道效應、肖特基接觸與歐姆接觸；半導體表面與MIS結構、表面電場對pn結性能的影響；半導體異質結構及半導體激光器等。由于這部分內容主要闡述半導體的實際應用，僅僅從課本上學習相關知識，難以理論聯系實際，對于沒有接觸過半導體制備工藝的學生而言，就會覺得內容枯燥，課堂乏味。

3.教材內容無法追蹤科技前沿

現代半導體技術日新月異，發展迅速，例如在半導體照明、半導體激光器、探測器、太陽能電池等領域都獲得了重大研究成果，研究領域不斷拓展，新的理論不斷涌現，與化學、醫學、生物等學科之間的交叉和滲透越來越強，極大地豐富了半導體物理的教學內容。而半導體物理教材內容的更新相對較慢，因此，如何在有限的課時內既要講授教材內容，又要穿插相關科技前沿是一個值得深入探討的問題。

二、半導體物理課程教學改革措施

基于以上分析，半導體物理課程對授課教師要求較高，如何在有限的課堂教學過程中將大量的知識講解清楚，需要教師積極探索新的教學模式，針對課程特點與教學現狀，通過不斷實踐克服存在的問題與不足，采用多樣化的教學手段，優化整合教學內容，狠抓教學環節，使學生較好地理解并掌握相關知識，為后續課程的學習打下良好的基礎。[3]

1.優化整合教學內容

由于現代半導體技術發展極為迅速，研究方向不斷拓展，相關知識更新較快。因此，授課教師應與時俱進，關注科技前沿與研究熱點，合理安排教學內容。結合電子科學與技術專業其它課程的教學內容，在保持課程知識結構與整體系統性的同時，對教學內容進行合理取舍，壓縮與其他課程重疊的內容，刪除教材中相對陳舊的知識，密切跟蹤科技前沿與研究熱點，適當增加新的理論，補充重要的半導體技術發展史，激發學生的學習熱情，培養學生的科學精神。例如壓縮教材中第一章固體物理課程已經詳細講解過的能帶理論內容，將授課時間由原來的8學時壓縮至6學時；在講解半導體光學特性時，結合半導體光電子學的研究前沿，增加該部分內容所涉及的研究領域與最新技術，如半導體超晶格、量子阱等方面的內容；在講述MIS結構的C-V特性時，補充C-V特性的研究意義，介紹半導體表面特性對集成芯片性能的影響，鼓勵學生查閱總結利用C-V特性研究半導體表面的方法；在講授半導體元器件的結構及性能時，適當補充半導體器件的制備工藝，播放一些半導體器件的制備視頻，讓學生結合某種半導體器件分析其結構與性能；在講解半導體異質結構時，先讓學生了解pn結種類，然后對比同質結與異質結的異同，最后讓學生掌握異質結的電流電壓特性，通過增加半導體激光器的發展史，即從第一支同質結半導體激光器只能在低溫下發射脈沖激光到現在的異質結激光器的優異性能，讓學生充分認識到半導體物理是現代半導體技術發展的理論基礎，是科技創新的力量源泉。通過介紹科技前沿與研究熱點，指導學生查閱相關文獻，擴大學生的知識面，提高學生學習的積極主動性。

2.突出重點，分化難點，強調基本概念與物理模型

半導體物理課程涉及到的基本概念和物理模型較多，僅憑教材中的定義理解這些概念和模型，學生很難完全掌握。在講解深奧的物理模型時，教師應運用恰當的類比，通過生動形象的事例對比分析，加深學生對物理模型的理解，增加學生的學習興趣。例如教材中半導體載流子濃度的計算既是難點又是重點，學習中涉及到狀態密度、玻爾茲曼分布函數、費密分布函數以及載流子濃度等為較容易混淆的概念。為了幫助學生理解，教師可以通過教學樓里面的學生人數與半導體中的電子數目進行類比：不同樓層的教室對應不同的能帶，教室座位數對應能態的數目，教室的學生人數就相當于半導體中的電子數目，這樣，計算半導體電子濃度的問題就與計算教室單位空間內學生人數的問題非常類似。通過這種生動形象的類比，學生很容易明白半導體中的能態密度就相當于教室單位空間的座位數，而半導體中的電子在能級上的占據幾率就對應于教室內學生的入座情況。半導體中的電子在能級上的占據概率需要滿足波爾茲曼分布函數或費米分布函數，而分布函數的確定取決于費米能級的位置，當分布函數確定后，單位能量間隔內的電子數目就可以通過簡單的微積分計算出來。

另外，半導體物理課程中理論推導和數學上的近似處理較多，繁瑣的公式推導增加了學生對物理模型的理解。如果教師在教學過程中能適當地把物理模型和公式推導分開，正確處理兩者之間的關系，分別從物理和數學兩方面尋找攻克這些難點的途徑，使學生在徹底理解物理模型的基礎上掌握理論推導。例如教材中有關n型半導體載流子濃度的內容安排如下：首先根據雜質半導體的電中性條件，推導出一個包含費米能的表達式，然后根據雜質電離情況分為低溫弱電離區、中間電離區、強電離區、過渡區以及高溫本征激發區，最后再根據不同電離區的特點進行討論與近似處理。所涉及到的物理模型相對簡單，但分區討論和近似處理部分篇幅較長。如果運用傳統教學模式，學生很容易沉浸在復雜的數學公式推導之中，難以透徹理解物理模型。如果教師在授課過程中先讓學生了解該部分內容的整體安排，理解物理模型，再分析各溫區的主要特點，最后總結規律，通過數學推導得出結論，就能很好地提高教學效果。

3.溫故知新，適時比較，加強各章節之間的聯系

對于課堂上剛剛講授過的知識，學生并不一定能夠完全掌握，此時教師應該結合半導體物理課程的特點，在教學過程中做到溫故知新，適時比較，加強不同章節之間知識點的聯系。例如pn結是半導體器件的基本單元，如日常生活中常見的激光器、LED、整流器、調制器、探測器、太陽能電池等。在講授該章內容時，如果教師以pn結為主線將教材中不同章節之間的內容有機聯系起來，學生就會從整體上進一步了解半導體物理課程的教學內容。只有在教學過程中不斷加強各章節知識點之間的聯系，學生才能完全掌握半導體器件的基本原理，為以后從事半導體行業打下堅實的基礎。再如所選教材中有關半導體載流子濃度的計算，分為非簡并半導體和簡并半導體兩種情況。在講述后者時，教師通過對比分析非簡并半導體和簡并半導體在概念上有何異同，再引導學生比較簡并半導體與非簡并半導體載流子濃度的計算公式，學生就會意識到二者的主要區別就是分布函數不同，在計算簡并半導體載流子濃度時，雖然分布函數替換后導致積分變復雜，但只是數學處理的方法不同，兩者的物理思想卻完全一致。通過這樣的比較學習，學生對非簡并半導體與簡并半導體以及玻爾茲曼分布函數與費米分布函數的理解就會更加深入。

三、結束語

通過以上教學改革措施，培養了學生的學習興趣，增加了學生的學習積極性，提高了半導體物理課程的課堂教學效果，為學生后續專業課程的學習奠定了扎實的基礎。

參考文獻：

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《概率論與數理統計》是一門基礎課程，它的應用幾乎遍及到我們生活和工作的各個領域，如自然科學、社會科學、工程技術、軍事和工農業生產等。因此，它也是一門實踐性很強的課程。目前，我國高等院校不僅數學專業開設了此課程，而且理、工、農、醫、經濟和管理等學科門類也都開設了此課程。結合我校對物理師范專業的辦學定位、培養目標和生源情況制定了《概率論與數理統計》課程的教學內容，使其更好的完成學校對物理師范專業學生的培養目標。通過對該課程的學習，為今后學生應用于社會，解決社會經濟、技術問題打下基礎。同時，對該課程的學習，將有助于我校畢業生在今后的物理教學中，可以居高臨下的處理中學物理教材中有關概率和統計的內容[1]。《概率論與數理統計》，首先它是一門數學課程，而數學課程是所有理工科專業的基礎課程。顯然，物理與數學有著千絲萬縷的關系。就該門課程而言，它是物理課程《熱力學與統計物理》和《量子力學》的基礎課程。沒有《概率論與數理統計》的學習，這兩門課程的學習將會變得困難重重。比如：《熱力學與統計物理》，該課程中統計部分的基礎就是《概率論與數理統計》中講述的等概率原理，它是支持整個統計物理的理論框架體系。又如《量子力學》中的幾率密度，它和《概率論與數理統計》中講述的概率密度是一個概念，它們的歸一化條件講述的是一個原理。我們知道，這兩門課程是物理專業非常重要的兩門課程，可這兩門課程的基礎課程是《概率論與數理統計》，其地位對于完成物理專業的人才培養是非常重要的。目前，師范教育的地位處在一種非常尷尬的地位，根據教育部公布的《中小學教師資格考試暫行辦法》，從2015年起，全國所有非師范專業的學生都可以申報教師資格證。因此，物理師范專業為了適應新形勢下的改革，其培養目標也要適應當前的發展趨勢，而培養過程中的課程教學也要做調整。在本文中，我們將結合改革的新形勢下，結合《概率論與數理統計》課程在物理專業的地位出發，從物理師范專業的培養目標、教學手段、教學內容、教學設計、學生成績考核、教學研究和師資隊伍建設等方面入手，對物理師范專業《概率論與數理統計》課程改革進行探析。

一、基于人才培養目標下的課程改革

根據當前國家對中小學教師資格改革的暫行規定，我國全日制本科的學生都可以申請教師資格證，這無疑會對傳統師范院校畢業生的就業產生強烈的沖擊。因此，為了更好的適應政策的變化，提高師范生的就業核心競爭力，師范專業的人才培養計劃也要做一些調整，與之相應的專業課程設計也要做相應的改革。具體到《概率論與數理統計》課程調整為：（1）課程設置、課程內容必須更好的為本專業其他課程服務；（2）教學內容則要注重培養學生解決實際問題的能力，純理論的教學內容則要做相應的調整；（3）壓縮概率論內容，減少概率論課時。同時，加大統計內容，增加統計課時。

二、教學手段的改革

眾所周知，在傳統的教學過程中一切都由教師決定，包括教學內容、教學策略、教學方法和教學步驟。這些都是事先由教師安排好，學生被動的參與其中，處于被灌輸的狀態。這樣的結果會導致學生缺乏學習主動性，遏制學生的創造性，不利于人才的培養。因此，教學手段必須要改革。對此，可以引進多媒體教學，它與傳統教學模式相比，有如下幾個優勢[2]：（1）直觀性，能突破視覺的限制，多角度地觀察對象，并能突出重點，有助于概念的理解和方法的掌握；（2）圖、文、聲并茂，多角度調動學生的情緒、注意力和興趣；（3）動態性，有利于反映概念及過程，能有效地突破教學難點；（4）交互性，學生有更多的參與，學習更為主動，并通過創造反思的環境，有利于學生形成新的認知結構；（5）通過多媒體實驗實現了對普通實驗的擴充，并通過對真實情景的再現和模擬，培養學生的探索和創造力；（6）可重復性，有利于突破教學的難點和克服遺忘；（7）信息量大，節約空間和時間，提高教學效率。

三、教學內容的改革

根據當前社會對應用型人才的需求，教學內容也應向應用性發展，對教學內容的改革應朝如下方向進行：（1）教材內容要突出“厚基礎”、“重應用”的應用型特色。所謂“厚基礎”是指強化基礎理論、基礎知識，拓寬知識面。（2）教學內容要突出基本概念、基本理論和基本方法，在培養學生的數學素質上下功夫。要改變傳統的“重概率、輕統計”的教學思想以及重運算技巧輕數學思想的傾向，突出概率論的基本概念和基本思想的教學。（3）教學內容要注重理論與實際的結合，強化培養學生的應用能力。將“案例”教學貫穿于教學內容的始終，將有利于學生應用能力的培養。（4）教學內容要與計算機應用相結合，為教學手段的現代化構筑平臺。在教學內容中引入數學實驗，把一些傳統的教學內容，如隨機試驗的例子、統計計算等在計算機上通過數學軟件加以展現，并在教師指導下讓學生在計算機上解決一些簡單的實際問題，調動了學生學習的積極性，并為多媒體教學創造了條件[3]。

四、教學設計的改革

教學設計理論主要有兩種，即以教為主的教學設計和以學為主的教學設計。這兩種教學設計理論各有千秋，在教學設計中應將二者有機結合起來，取長補短，形成優勢互補的“學教并重”的教學設計理念，這不僅發揮了教師的主導作用，也充分體現了學生作為學習主體作用的教學體系[4]。在《概率論與數理統計》課程的教學中，靈活而恰當地選用教學方法，注意教學系統五個要素（教師、學生、教材、教學媒體、網絡）的地位與作用。恰當的將教學媒體、計算機軟件、網絡應用于教學，同時采用與之相應的教學表述方式，使知識的呈現形式和生成方式呈現多樣化。例如：復雜的運算結果可以用計算機軟件（如Mathematic軟件）作為輔助進行近似計算、抽象的幾何圖形可以用工具軟件來生成等。總之，在《概率論與數理統計》課程的教學中主要運用“學教并重”的教學方法。以上教學設計的變化主要基于“構建主義”和“主導—主體相結合”的教學理論支撐[1]。

五、學生成績考核的改革

以前的考試制度是通過期末考試來完成，這種制度強調理論知識的考核，不是對學生解決實際問題能力的考核。這種考核制度夸大了考試的作用，不利于創新人才的培養，這必然會影響大學生綜合素質的提高，不適應瞬息萬變的社會發展對人才的需要。因此，我們必須要加強對學生解決實際問題能力的考核。在課程的考核形式上，我們可以采取平時成績與期末成績相結合的方式。如：一般平時成績占到總成績的20%或30%，期末考試卷面成績占總成績的80%或70%。同時，要注意不同教學要求要采取不同的內容來進行考核。這里，我們重點探析平時成績考核。平時成績考核的形勢應分成兩部分：（1）上課出勤率、上課回答問題、平時作業；（2）對一些重點章節和一些實用性很強的章節要額外布置一些題目，這些題目具有一個特點———開放性，最后沒有確定性答案，結果只有更好沒有最好。同時，要將平時成績作為對學生創新能力培養的主要通道。

六、教學研究和師資隊伍建設

在教學過程中，教師占主導地位。因此，教師的教學理念和教師的教學水平不僅關系到課程目標的實現，也關系到課程教學質量的提高，物理師范專業的培養目標要適應當前社會的新要求。隨著社會的不斷發展，高等教育也會不斷進行改革，那么教師的教學理念和知識面也要不斷更新和拓寬。教師不僅要積極從事科學研究，同時也要加強教學研究，包括積極探索本課程的課程體系、教學內容、教學方法和教學手段，以及如何通過對這些內容的改革實現培養目標的“厚基礎”和“重應用”的特點。在《概率論與數理統計》的教學過程中，不僅要了解教學規律，掌握教學方法，而且還要講究授課藝術，從而提高教學水平和教研水平。要實現這個目標，就必須要建設一支高水平的師資隊伍，為課程的可持續發展注入新活力，使之更好的為人才培養的目標服務。

七、結語

社會日新月異，其對于人才素質的要求也逐漸提高，學校教育作為培養社會人才的基地，也應對這種需求做出相應的調整。而課程作為培養人才的訓練內容，也應做出相應的改變，這就是本文探析《概率論與數理統計》課程的改革的根本出發點。筆者希望本文的研究能為今后更好的推進《概率論與數理統計》的教學提供參考。

參考文獻：

[1]韋相龍.《概率論與數理統計》課程教學改革的思考[J].科技信息，2012，（11）：226-227.

[2]所艷華，汪穎軍，羅洪君，等.無機化學課程與實驗教學探索[J].大學化學，2005，13（28）：11.

篇（4）

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）41-0130-02

一、光電子技術與雙語教學

光電子技術是一個非常寬泛的概念，它圍繞著光信號的產生、傳輸、處理和接收，涵蓋了新材料（新型發光感光材料、非線性光學材料、襯底材料、傳輸材料和人工材料的微結構等）、微加工和微機電、器件和系統集成等一系列從基礎到應用的各個領域。光電子技術作為一門專業課程，主要涵蓋光輻射與發光源、光的傳播、光的調制、光電探測、光電顯示與成像、光存儲等內容。光電子技術不僅是一門專業課程，而且已發展成為一門學科，即電子技術與光子技術相結合而形成的一門新興的綜合性的交叉學科，主要研究光與物質中的電子相互作用及其能量相互轉換的相關技術。光電子技術科學是光電信息產業的支柱與基礎，涉及光電子學、光學、電子學、計算機技術等前沿學科理論，是多學科相互滲透、相互交叉而形成的高新技術學科，是未來信息產業的核心技術。雙語教學是運用外語進行的非語言教學，具有如下特征：第一，強調在語言類的專業學科中用外語教學；第二，強調運用外語進行課堂教學的交流與互動。雙語教學與專業外語教學在性質上完全不同。前者外語是一種教學語言，以外語為手段，講授一門課程為目的。后者是一種語言教學，以相關知識為手段，講授外語為目的[1]。因此，在雙語教學中，專業知識與專業外語之間存在相互平衡的關系。在有限的學時條件下，教師既要講授專業知識又要講授專業外語，學生要在專業知識與專業外語兩方面取得進步，二者之間的平衡關系需要根據課程的要求、學生的實際情況在教學過程中不斷調整。同時，專業知識與專業外語之間存在相互促進的關系。扎實的專業知識為課程內容的掌握奠定了基礎，為專業外語的理解與提高提供了知識背景；堅實的專業外語基礎為理解原汁原味的教材內容提供了保障，促進了學生進一步學習專業知識。

隨著知識經濟、信息社會的到來，全球競爭日益激烈，現代科學正以前所未有的速度迅猛發展，不斷引發各個領域深層次的革命。為縮短差距，提高人才的國際競爭力，滿足社會對國際化復合人才的需求，雙語教學的迫切性和重要性日益凸顯。第一，雙語教學是知識經濟發展的形勢需要。國際間競爭不僅表現為產品和市場競爭，更多表現為人力資源的競爭。面對競爭，只有善于抓住機遇，應對挑戰，加速高等教育國際化進程，培養一流的人才，才能促進科學教育的發展和變革，使學生具有參與未來國際活動和國際競爭能力。雙語教學有利于培養符合市場需求的高素質國際化人才，增加就業機會，保證我國科學教育更加開放地面向世界，促進我國科學教育可持續發展，促進我國知識經濟的發展。第二，雙語教學是知識信息交流的客觀需要，加強中外交流，提高我國科學術水平，縮短與世界先進國家的差距，為實踐科教興國的戰略做出貢獻。第三，雙語教學有利于復合型人才的培養。這種既懂外語，又有專業知識的復合型人才無疑提高了人才的競爭力。

二、“光電子技術”雙語課程建設

雙語課程建設內容主要包括：大綱確立，教材選用，講稿教案撰寫，課件制作，課堂講授，課程考試[2]。下面，我們介紹在上述方面的具體工作。

1.“光電子技術”雙語課程教材的選取。西安工程大學理學院物理系自2009年以來開設《光電子技術（雙語）》課程，其定位為物理系各專業的一門平臺課。結合光電子技術的發展、光電子技術雙語課程的定位、物理系學生的具體情況以及就業去向，采用S.O. Kasap編著的“Optoelectronics and Photonics-principles and practices”為教材，并且以相關的中英文教材作為參考書[3-6]。課程以“普通物理”、“光學”、“量子力學”系列課程為基礎，主要講授光的波動理論、介質波導和光纖、半導體科學和發光二極管、光伏器件、激光基本原理與技術、光束的調制、光電探測等基本概念及基本技術。

2.“光電子技術”雙語課程大綱制定。“光電子技術”雙語課程性質為學科基礎課，授課對象為物理系本科三年級學生，48個學時，3個學分。制定課程大綱的宗旨和目標在于，通過課程的學習，學生能夠對光電子技術中的基本概念、基本技術和基本器件有比較全面、系統的認識，提高分析和解決工程技術問題的能力。同時，學生能夠熟悉光電子技術的應用領域，了解目前光電子技術的最新成就，掌握光電子技術的發展方向。采用雙語教學（漢語和英語），提高學生查英文文獻、讀英文著作、寫英文文章，以及專業的口頭交流能力。為了實現課程大綱中提出的目標，將每一章的內容分為四個層次，即熟練掌握、掌握、理解和了解，并配以相應的課時。

3.“光電子技術”雙語課程多媒體課件。考慮課程內容更新速度較快的特點，備課在依據原版教材的基礎上，增加了與教材內容相關的一些嶄新成果。既讓學生感受到原汁原味的英語表達方法，又讓學生開拓了視野，把握學科發展動態和發展方向。課程的教案、講稿以及多媒體課件全部用英語書寫，多媒體課件包含下列特點。第一，內容新穎：除了涵蓋教材的全部內容，在每一章的最后部分增加了與這一章相關的科技新進展，使學生在掌握課程內容的基礎上了解相關領域的動態和最新進展，為提高學生的創新能力提供了切實的幫助。第二，結構合理：由于課程涵蓋了經典光學、波導與光纖、半導體、激光、光電探測、非線性光學等內容，每一章都自成體系，可以進行跳躍式教學。并且，每一章的開頭都有本章的目錄，每一章的結尾部分都進行了小結，做到了首尾呼應，有始有終。第三，圖表豐富：收錄了與本課程相關的光電子領域的一些著名科學家的照片，介紹了他們的簡歷及主要成就。同時加入了相關的動畫和視頻，使學生對抽象概念的理解與掌握變得直觀而容易，并且引用了一些著名科學家的重要話語，為提高學生的學習興趣，開拓學生的視野，豐富學生的思維方式提供了翔實的資料。第四，行文規范：由于是雙語課程，課件的文字敘述與使用教材緊密聯系，并采用規范的科技英語表達方式，使學生在本科階段就能夠接觸相關的專業詞匯以及規范的專業英語，為將來的進一步學習和工作打下良好的專業英語基礎.

4.“光電子技術”雙語課程互動式教學。當前的社會需求對課程的教學方式提出了新的要求，其中包括教學內容的整合，教學內容的拓展，教學手段的更新，教學方法的改革等。在全球步入信息化時代的今天，講課不僅是對己有知識的簡單闡述，而且是教師的一種再創造過程。“一塊黑板加一支粉筆”這樣的傳統教學方法己經不適合現代化的今天了，現今的教學方法應該更趨多元化。不但要注重課程體系的完整性，課程內容之間的有機聯系，而且要豐富教學手段，圖文聲像等多種效果的多媒體課件與板書結合的模式，同時要采用啟發式、互動式的教學方法。在明確教學目標，考慮教學目的和本專業實際情況的條件下，我們采取互動式的授課方式，表現在如下幾個方面：第一，學生之間、師生之間互動行程。在課堂上，首先簡要回顧上次課的主要內容，讓二位同學依次補充細節。其次，講解并翻譯這次課所涉及的專業術語以及重點段落，領讀一遍后，讓一位同學讀一遍，其他同學找不足之處，然后進行課程內容講授，多媒體課件與板書全部用英語書寫，漢語講授為主，英語為輔。其間，教師常常會提出和講授內容相關的問題，并鼓勵學生可隨時提問，收到了非常好的教學效果。第二，教師在課后的反思。互動式教學的主要目的是激發學生獲取知識、提高能力的主動性和積極性。要有效實現這一目標，應將以下幾個方面有機地結合起來：知識的傳授、互動題材、師生之間互動行程、教師的點評。總之，量體裁衣地選用互動模式才能確保教學互動流程的順暢，才能激發學生的積極性和主動性，增強學生的自信心與表達能力。

光電子技術和微電子技術是未來信息領域的兩大支柱。光電子技術的雙語教學不但能夠促進學生對相關學科前沿學科理論的掌握與了解，而且有利于學生外語綜合能力和跨國文化交際能力的培養。在雙語教學中，專業知識與專業外語之間既存在相互平衡的關系，又存在相互促進的關系。雙語課程建設應在大綱確立、教材選用、講稿教案撰寫、課件制作、課堂講授、課程考試等方面加大力度。采用互動式教學方法講授光電子技術，將知識的傳授、互動題材、師生之間互動行程、教師的點評等方面有機地結合起來，有利于激發學生的積極性和主動性，增強學生的自信心與表達能力。

參考文獻：

[1]吳平.五年來的雙語教學研究綜述[J].中國大學教學，2007，（1）：37-45.

[2]趙懿琨，王衛星，王建.光電子技術雙語教學課程的建設[J].教育理論與實踐，2007，（27）：169-170.

[3]安毓英，等.光電子技術（第3版）[M].北京：電子工業出版社，2011.