量子力學(xué)教學(xué)改革探討

程緒信 李曉霞 趙肇雄

【摘要】量子力學(xué)是物理學(xué)專業(yè)的核心課程之一，也是其他課程的基礎(chǔ)。本文指出了在量子力學(xué)教學(xué)過(guò)程中存在的一些問(wèn)題，分析了這些問(wèn)題的原因，提出了在教學(xué)過(guò)程中要發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和合理地安排教學(xué)內(nèi)容，闡述了問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)方式，以及探討引入慕課和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式來(lái)進(jìn)行教學(xué)，從而激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)出高素質(zhì)的復(fù)合型人才。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)改革 教學(xué)方法 量子力學(xué)

【基金項(xiàng)目】肇慶學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目“量子力學(xué)多層次立體教學(xué)改革與探討”（ZLGC201404）。

【中圖分類號(hào)】G42 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）04-0149-02

量子力學(xué)是物理學(xué)專業(yè)核心課程之一，是學(xué)習(xí)“固體物理”、“天體物理”、“粒子物理學(xué)”、“材料物理”和“量子信息”等課程的基礎(chǔ)[1-3]。它是反映微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門學(xué)科，與相對(duì)論一起稱為20世紀(jì)自然科學(xué)的兩大重大進(jìn)展。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以弄清微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本屬性，掌握微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本原理和一些重要的研究方法，具有解決和分析具體問(wèn)題的能力。然而，這門課是屬于物理學(xué)專業(yè)的四大力學(xué)之一，其理論推導(dǎo)過(guò)程很多，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的推理功底，而且一些理論知識(shí)很抽象，所以學(xué)生對(duì)一些問(wèn)題很難理解地非常透徹。從專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中我們可以知道這門課是屬于一門專業(yè)必修課，同時(shí)也是物理專業(yè)的基礎(chǔ)理論課程，只有學(xué)透了它，才能更好地學(xué)習(xí)后續(xù)的課程。為了更好地完成教學(xué)任務(wù)和達(dá)到預(yù)期的培養(yǎng)目標(biāo)，我們應(yīng)以教學(xué)大綱為基礎(chǔ)，不斷地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，系統(tǒng)地理解和掌握本課程的重點(diǎn)知識(shí)和內(nèi)容，滿足社會(huì)對(duì)該專業(yè)人才的需求，培養(yǎng)出出色的高水平專業(yè)人才和解決問(wèn)題的能力。在實(shí)際的教學(xué)經(jīng)歷和過(guò)程中作者發(fā)現(xiàn)了一些量子力學(xué)教學(xué)問(wèn)題，深入地分析問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)教學(xué)方法和模式可以使教學(xué)效果和質(zhì)量達(dá)到最佳。

一、量子力學(xué)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

量子力學(xué)是物理學(xué)以及其他工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，這門課是比較偏理論性的一門課，在書中有些物理概念和原理是很難理解的并且很抽象。首先，從認(rèn)識(shí)角度來(lái)看，人們對(duì)普通物理學(xué)對(duì)事物的認(rèn)識(shí)可視為感性認(rèn)識(shí)，而對(duì)于量子力學(xué)的認(rèn)識(shí)就應(yīng)該上升為理性認(rèn)識(shí)[4]。在經(jīng)典物理中體系狀態(tài)的力學(xué)量由運(yùn)動(dòng)方程來(lái)確定，而在量子力學(xué)中體系狀態(tài)的物理量無(wú)法求出確定的值，只能測(cè)得該物理量在空間某處出現(xiàn)的幾率。初學(xué)者很容易受到經(jīng)典思維的影響和束縛，因而在學(xué)習(xí)量子力學(xué)時(shí)就感到很吃力。其次，在與學(xué)生交流互動(dòng)的過(guò)程中我發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生都反映量子力學(xué)的公式多和推導(dǎo)難，這就說(shuō)明大家的數(shù)理基礎(chǔ)不夠扎實(shí)。因此，在學(xué)習(xí)量子力學(xué)之前我們應(yīng)該先學(xué)好高等數(shù)學(xué)、普通物理學(xué)、理論力學(xué)、原子物理學(xué)和數(shù)學(xué)物理方法等課程，尤其是我們要熟練地掌握一些微分方程的求解方法。再次，目前高校倡導(dǎo)素質(zhì)教學(xué)和應(yīng)用型人才培養(yǎng)，一些理論課的課時(shí)被不斷地壓縮，而它的教學(xué)內(nèi)容基本不變，這就形成了學(xué)時(shí)少和教學(xué)內(nèi)容多的矛盾。為了保持教學(xué)內(nèi)容的完整性和系統(tǒng)性，一些知識(shí)點(diǎn)就無(wú)法深入地講解，而學(xué)生也難以理解透徹，這就導(dǎo)致了教與學(xué)都難的境地。另外，量子力學(xué)的教學(xué)模式比較陳舊，老師一般采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，學(xué)生只能被動(dòng)地接收，師生無(wú)交流與互動(dòng)，再加上語(yǔ)言表達(dá)很嚴(yán)謹(jǐn)，因而無(wú)法激發(fā)學(xué)生的積極性。還有，量子力學(xué)的考核方式過(guò)于單一，學(xué)生只偏重于課本理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，而忽視了理論應(yīng)用于實(shí)踐能力的培養(yǎng)，難以培養(yǎng)出高素質(zhì)的復(fù)合型人才。

二、教學(xué)方法與模式改革

為了解決上述量子力學(xué)教學(xué)問(wèn)題，我們必須要改進(jìn)教學(xué)方法，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

1.發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

在量子力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中我們要鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，善于思考問(wèn)題、樂(lè)于解決問(wèn)題。首先，預(yù)習(xí)課文時(shí)學(xué)生要理解一些物理概念和基本原理的推導(dǎo)過(guò)程，掌握重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)。此外，我們還可以在網(wǎng)上看國(guó)家精品課程的講課視頻。其次，課后學(xué)生應(yīng)當(dāng)及時(shí)地復(fù)習(xí)、認(rèn)真地完成作業(yè)、做好課后習(xí)題和多向老師請(qǐng)教。

2.合理安排教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法

量子力學(xué)的內(nèi)容是很難的，北京大學(xué)的學(xué)生都覺得“量子力學(xué)不講理”和“量子力學(xué)是從天上掉下來(lái)的”[3]；而且它的課時(shí)也越來(lái)越少，因此我們要合理地安排教學(xué)內(nèi)容。量子力學(xué)處處用到數(shù)學(xué)知識(shí)，如：求解薛定諤方程、微擾理論、態(tài)的表象和自旋等。由于課時(shí)有限，我們無(wú)法詳細(xì)地講解全部數(shù)學(xué)推導(dǎo)，因此我們采用簡(jiǎn)化模型、極限分析等[5]方法注重對(duì)物理模型、物理概念和基本原理的剖析，而跳過(guò)一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。

3.堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)方式

首先，我們將某些章節(jié)內(nèi)容分成幾個(gè)專題，再將學(xué)生也分成幾個(gè)小組，然后每個(gè)小組都必須選擇一個(gè)專題來(lái)學(xué)習(xí)和討論，他們可以學(xué)習(xí)課本，可以去圖書館查閱資料，也可以在網(wǎng)絡(luò)上查資料，接下來(lái)我們?cè)僮尨蠹疫M(jìn)行分組講解。這就是問(wèn)題導(dǎo)向研究性教學(xué)模式[6]。它可以激發(fā)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。提高量子力學(xué)的學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量。其次，在教學(xué)過(guò)程中我們也要善于設(shè)計(jì)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生帶著疑問(wèn)去聽課，并且讓學(xué)生主動(dòng)地回答問(wèn)題。

4.采用多種教學(xué)模式

在量子力學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)模式下老師一般采用板書和講解相結(jié)合的教學(xué)模式，這種教學(xué)模式不能解決上述的問(wèn)題，隨后我們又采用了多媒體教學(xué)模式，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但這兩種教學(xué)模式仍然是以教師為主，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。因此我們又采用基于慕課的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。其中慕課（MOOC）是指大規(guī)模開放的在線課程，我們可以購(gòu)買一些優(yōu)秀的慕課資源；也可以組織老師自制慕課教學(xué)資料?；谶@些慕課平臺(tái)學(xué)生可以利用課外時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)。而翻轉(zhuǎn)課堂是指重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時(shí)間，充分地激發(fā)學(xué)生的積極性，把學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生。

5.物理學(xué)史與專業(yè)教學(xué)相結(jié)合

在教學(xué)過(guò)程中我們要適當(dāng)?shù)夭迦胍稽c(diǎn)量子力學(xué)物理學(xué)史[4]和相關(guān)人物的介紹，調(diào)節(jié)一下課堂的氣氛，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)他們的創(chuàng)新意識(shí)，重溫前人建立量子力學(xué)之路的經(jīng)歷和艱辛，可以激勵(lì)大家更好地學(xué)好這門課。

6.理論聯(lián)系實(shí)際，引入量子信息前沿技術(shù)

近代物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)量子力學(xué)理論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。我們先學(xué)量子力學(xué)的理論知識(shí)，再去做相關(guān)的近代物理實(shí)驗(yàn)，這樣可以加深學(xué)生對(duì)課本理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解。此外，隨著量子力學(xué)在信息技術(shù)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，目前量子信息技術(shù)已成為當(dāng)今的前沿技術(shù)。如：量子密鑰、量子糾纏和量子計(jì)算等，這些量子力學(xué)前沿科技已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一。因此，在教學(xué)過(guò)程中我們也可以把科研融入到教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

三、結(jié)論

實(shí)踐教學(xué)表明，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力是學(xué)好量子力學(xué)的前提，打好數(shù)學(xué)基本功是學(xué)好這門課的基礎(chǔ)，問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)方式可以激發(fā)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，讓學(xué)生善于帶著疑問(wèn)去聽課，從而提高教學(xué)質(zhì)量。此外，我們還闡述了基于慕課的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，這種以學(xué)生為中心的教學(xué)模式可以突破傳統(tǒng)教學(xué)模式的劣勢(shì)。而將物理學(xué)史和最新的量子力學(xué)前沿科研成果帶入到教學(xué)過(guò)程中也可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

參考文獻(xiàn)：

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[3]曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)教學(xué)與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].物理教育，2009，29（7）：436-438.

[4]王祥高，秦松梅，顧運(yùn)廳.物理學(xué)專業(yè)量子力學(xué)教學(xué)探討[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（6）：253-254.

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[6]周萍.量子力學(xué)研究性教學(xué)[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2011，（17）：89-90.

作者簡(jiǎn)介：

程緒信（1980-），男，漢族，安徽廬江人，副教授，從事電子信息功能材料與器件研究。