混合教學(xué)在量子力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

黃旭初

（昌吉學(xué)院物理系　新疆　昌吉　831100）

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混合教學(xué)在量子力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

黃旭初

（昌吉學(xué)院物理系新疆昌吉831100）

摘要：面向當(dāng)前信息環(huán)境下本科生課程教學(xué)改革，分析研究混合教學(xué)模式應(yīng)用到量子力學(xué)課程中的可行性，從教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐中可能遇到的問題等方面給出具體的實(shí)踐方法。本文主要針對物理學(xué)專業(yè)量子力學(xué)課程混合式教學(xué)進(jìn)行初步探索，以求提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；混合教學(xué)模式；教學(xué)質(zhì)量

量子力學(xué)具有高度抽象性，且具有與經(jīng)典物理全然不同的研究方法，這使得這門課程在本科教學(xué)過程中很難讓學(xué)生準(zhǔn)確地理解基本概念和規(guī)律。隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，信息技術(shù)與課程正逐漸成為當(dāng)前教育改革的重要組成部分，尤其是混合學(xué)習(xí)的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)新型人才的培養(yǎng)提供了一條切實(shí)可行的途徑。所謂“混合教學(xué)”就是要把傳統(tǒng)教學(xué)方式的優(yōu)勢和在線教學(xué)的優(yōu)勢結(jié)合起來，這種教學(xué)方式要求老師在課程設(shè)計(jì)和知識傳遞中，將課堂教學(xué)與信息技術(shù)進(jìn)行融合，并根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)達(dá)到一個合理的學(xué)時分配［1］?；旌辖虒W(xué)的本質(zhì)在于利用合適的時間，將合適的技術(shù)與學(xué)習(xí)風(fēng)格有機(jī)地契合，根據(jù)學(xué)生的具體情況傳遞適當(dāng)?shù)哪芰Γ瑥亩鴥?yōu)化學(xué)習(xí)效果。那么，能否利用混合教學(xué)模式來拓展學(xué)生的思維，掌握量子力學(xué)的精髓，從而提高學(xué)生的主觀能動性就成為探索信息技術(shù)支持下的理論物理專業(yè)課程改革的一個重要課題。本文結(jié)合混合學(xué)習(xí)理論，分析和研究混合教學(xué)在量子力學(xué)課程中應(yīng)用的可行性，指出具體的實(shí)踐方法，探討了在量子力學(xué)教學(xué)過程中應(yīng)用混合模式教學(xué)的構(gòu)建思路和實(shí)踐中可能存在的問題。

1　混合教學(xué)模式在量子力學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的可行性

量子力學(xué)在物理學(xué)專業(yè)中占有及其重要的地位，隨著量子力學(xué)的發(fā)展，它也成為其他自然科學(xué)的基礎(chǔ)，它既導(dǎo)致核物理、粒子物理的應(yīng)運(yùn)而生，又促使固體物理、凝聚態(tài)物理、激光物理以及非線性光學(xué)突兀崛起［2］。在量子力學(xué)教學(xué)過程中可以應(yīng)用多種教學(xué)模式，充分考慮到量子力學(xué)的抽象性、數(shù)學(xué)性、科學(xué)性三方面的基本關(guān)系，讓學(xué)生更好地理解、掌握和運(yùn)用量子力學(xué)，以培養(yǎng)量子力學(xué)功底扎實(shí)的學(xué)生。下面根據(jù)教學(xué)過程的三個階段來分析應(yīng)用混合教學(xué)的可行性及具體的實(shí)踐方法。第一個階段是課前預(yù)習(xí)部分，這部分的學(xué)習(xí)可以讓學(xué)生自主地利用網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)。許多老師在這一階段提供學(xué)生每一章節(jié)的教學(xué)大綱，告訴學(xué)生該章節(jié)所需要掌握的重要知識點(diǎn)［3-4］。對于混合式教學(xué)的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的興趣是學(xué)生自主學(xué)習(xí)的源動力，這也是將混合教學(xué)模式應(yīng)用到量子力學(xué)的關(guān)鍵，因此在這里就需要老師將學(xué)生的興趣和書本的基礎(chǔ)知識巧妙地銜接。例如：2016年1月8日新聞聯(lián)播中關(guān)于“2015年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會”的新聞提到潘建偉

2　量子力學(xué)教學(xué)中混合教學(xué)模式的設(shè)計(jì)

對于物理學(xué)專業(yè)的本科生，他們在學(xué)習(xí)量子力學(xué)過程中往往習(xí)慣于用經(jīng)典物理的概念和圖像來理解，老師的作用就是打破學(xué)生的單一思維模式，激發(fā)他們的主觀能動性和創(chuàng)新思維。目前很多老師在量子力學(xué)教學(xué)中引入了多媒體課件輔助教學(xué)，然而對課程的教學(xué)模式?jīng)]有本質(zhì)的變化，教學(xué)效果差強(qiáng)人意。通過引進(jìn)混合教學(xué)模式根據(jù)學(xué)生的要求和進(jìn)展，不斷更新授課內(nèi)容及方式，將多種教學(xué)場景與教學(xué)內(nèi)容結(jié)合起來提高教學(xué)質(zhì)量是教學(xué)模式改革的主要目標(biāo)。改革的混合教學(xué)模式設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）從學(xué)生實(shí)際出發(fā)，緊扣教學(xué)大綱，明確學(xué)習(xí)內(nèi)容。在一般本科院校中量子力學(xué)主要包含三部分的內(nèi)容，關(guān)于粒子的波粒二象性、量子力學(xué)的基本原理和運(yùn)用基本原理解決的基本物理實(shí)際問題及其方法［6-7］。這三部分緊密結(jié)合，粒子的波粒二象性是事實(shí)依據(jù)，量子力學(xué)基本原理是核心，運(yùn)用基本原理解決實(shí)際問題是關(guān)鍵，對這三部分的融會貫通是理解量子力學(xué)整體框架的基礎(chǔ)。（2）構(gòu)建物理圖像，將抽象思維和形象思維有效地結(jié)合。要解決抽象性給學(xué)生帶來的困難，就需要充分發(fā)揮形象思維的作用，根據(jù)相應(yīng)的物理問題構(gòu)建出不同類型的物理圖像。例如，粒子的波粒二象性老師可以從實(shí)驗(yàn)測量的角度出發(fā)，用楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)和光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn)，將清晰的物理圖像逐步過渡到抽象的物理概念。（3）在科研的基礎(chǔ)上啟發(fā)教學(xué)。對于量子力學(xué)這門課程來說，很多問題都是現(xiàn)代科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題，從最基本的量子力學(xué)詮釋到獲得諾貝爾獎的重大問題都值得深入研究［8］。有科研基礎(chǔ)的老師，對量子力學(xué)基本概念的理解往往更為深刻，對量子力學(xué)的歷史發(fā)展和前沿應(yīng)用也更為熟悉，因此在與學(xué)生交流的過程中就能夠把問題的本質(zhì)深入淺出、言簡意賅地傳達(dá)給學(xué)生，同時會在潛移默化中引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)研究的態(tài)度來進(jìn)行學(xué)習(xí)。例如，電子的自旋理論，在大綱中要求是掌握電子自旋的本質(zhì)以及自旋態(tài)的數(shù)學(xué)表述，若老師能夠把自旋態(tài)放到低維量子自旋系統(tǒng)中，通過研究自旋與外磁場耦合、自旋—自旋耦合、自旋—軌道耦合等相互作用給出系統(tǒng)的性質(zhì)，那么這對于學(xué)生理解就更容易從抽象的概念過渡到具體的物理圖像。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式上，很難實(shí)現(xiàn)這種科研與教學(xué)的融合，但通過網(wǎng)絡(luò)信息平臺就可以使學(xué)生參與到一些簡單的科學(xué)研究中來，引導(dǎo)他們自主地思考問題，而不是刻板地接受前人的研究成果。

3　實(shí)踐中可能存在的問題及應(yīng)對方法

將混合教學(xué)模式應(yīng)用到量子力學(xué)教學(xué)中可能存在的問題有以下幾點(diǎn)：（1）學(xué)生預(yù)習(xí)的主動性不足，缺乏學(xué)習(xí)熱情。很多學(xué)生在剛接觸量子力學(xué)思想內(nèi)容時受到經(jīng)典力學(xué)思維定式的影響，感覺接受新的思維方式很困難，從而產(chǎn)生一種恐懼心理，不愿意主動學(xué)習(xí)。對于這個問題一方面老師可以收集或者開發(fā)各種優(yōu)質(zhì)的預(yù)習(xí)資源，包括物理學(xué)史中很多有趣的小故事和最新的科研發(fā)展動態(tài)等，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣；另一方面需要適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，通過淺而易見地講解消除學(xué)生的恐懼心理，樹立信心。（2）量子力學(xué)中繁雜的數(shù)學(xué)公式很容易使學(xué)生沉湎于純粹的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，忽視了物理情景的建立。對于物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生，他們畢業(yè)后很多會到中學(xué)擔(dān)任物理教學(xué)工作，物理概念和原理的理解往往比數(shù)學(xué)上的推演和證明更為重要。因此，在教學(xué)過程中可以著重對物理概念的剖析和物理圖像的描繪，以物理思維替代或者繞過數(shù)學(xué)分析，通過簡化模型、量綱分析、概念拖延等方式來解決大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)的難點(diǎn)，將嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)證明和理論推演通過網(wǎng)絡(luò)信息教學(xué)平臺在老師的啟發(fā)下讓學(xué)生自主完成，使被動灌輸?shù)膶W(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生主動思考的互動式教學(xué)方法，從而最大限度地調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣和自覺性。（3）學(xué)生與老師之間缺乏互動，思考題和作業(yè)不能及時地完成，從而制約學(xué)生的拓展性和創(chuàng)新性。在教學(xué)過程中有效地活躍課堂氣氛和充分地討論是有必要的，同時要鼓勵學(xué)生提問，激發(fā)學(xué)生的逆向思維和非規(guī)范性思維等。為了有效地完成相應(yīng)的思考題和作業(yè)，可以在班里面建立學(xué)習(xí)小組，通過小組共同討論學(xué)習(xí)來完成研究題目，并將研究結(jié)果寫成小論文，給予適當(dāng)?shù)某煽兗臃帧?/p>

4　結(jié)束語

將混合教學(xué)模式應(yīng)用到量子力學(xué)課程教學(xué)，大量配套的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的收集、制作和整合是混合教學(xué)模式的物質(zhì)基礎(chǔ)，之后才可能將各種學(xué)習(xí)方法有機(jī)融合，把學(xué)生看成是知識學(xué)習(xí)的主動建構(gòu)者，外界信息環(huán)境經(jīng)過老師的組織、引導(dǎo)，形成優(yōu)化課堂教學(xué)模式和結(jié)構(gòu)，從而能夠達(dá)到最優(yōu)的學(xué)習(xí)效果，提高教學(xué)質(zhì)量?；旌辖虒W(xué)方式可以克服課程教學(xué)知識點(diǎn)多、學(xué)時少等問題，因此可以逐步應(yīng)用到量子力學(xué)、電動力學(xué)等這類基礎(chǔ)理論課程中，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性、提高綜合能力和創(chuàng)新能力。對于量子力學(xué)教學(xué)改革的應(yīng)用研究是適應(yīng)新世紀(jì)教育的需要，對于全面實(shí)施素質(zhì)教育有著十分重大的意義。

參考文獻(xiàn)：

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［8］孫昌璞.量子力學(xué)若干基本問題研究的新進(jìn)展［J］.物理，2001，30（5）：310-316.

中圖分類號：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-6469（2016）03-0103-03

收稿日期：2016-02-28

作者簡介：黃旭初（1978-），男，四川眉山人，昌吉學(xué)院物理系講師，博士，研究方向：凝聚態(tài)物理。團(tuán)隊(duì)研制的全球首顆量子通信衛(wèi)星在量子通信和安全傳輸方面具有及其重要的作用，這項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)就源于潘建偉團(tuán)隊(duì)在“多光子糾纏干涉”領(lǐng)域的一系列突破［5］。很多學(xué)生看到這則新聞會為中國科學(xué)的迅速發(fā)展而感到驕傲，也會對新聞中的科研問題感到很深奧、難懂，比如什么是量子通信？量子通信為什么和安全傳輸聯(lián)系在一起？多光子糾纏是什么？這些物理問題是學(xué)生的興趣所在，且與量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)緊密相關(guān)。因此，在學(xué)生預(yù)習(xí)階段，我們可以利用信息化網(wǎng)絡(luò)將這些熱點(diǎn)問題作為章節(jié)的切入點(diǎn)，對于容易理解的問題讓學(xué)生自己學(xué)習(xí)，把重要的概念問題留在老師與學(xué)生互動的課堂中完成，這樣就能夠有效調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性。第二個階段是課堂教學(xué)階段。這個階段以老師教學(xué)為主，老師運(yùn)用靈活多樣的方法，把抽象的量子力學(xué)精髓的物理思想向?qū)W生闡述清楚。顯然在有限的課堂中解釋清楚量子力學(xué)的基本知識理論，并解決大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)這對于老師和學(xué)生來說都是有一定的難度。然而利用混合教學(xué)模式，將復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)部分切割下來放到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，老師主要介紹量子力學(xué)的應(yīng)用而不是量子力學(xué)本身，這樣就能使學(xué)生不需要深厚的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)就能夠很好地理解老師所講的內(nèi)容。第三階段是知識的鞏固加深階段，這個階段是通過老師引導(dǎo)，學(xué)生自主思考共同完成。量子力學(xué)與經(jīng)典理論在思維模式上完全不一樣，從而老師可根據(jù)課程的要求給學(xué)生布置適當(dāng)?shù)乃伎碱}，讓學(xué)生自主思考，利用信息化平臺學(xué)習(xí)完成，從思維方式上接受量子力學(xué)的模式。顯然這種學(xué)習(xí)過程比死記硬背更科學(xué)，學(xué)生的理解程度也更深刻，在此基礎(chǔ)上通過一定數(shù)量的答題和老師的解答就能夠讓學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。