《量子力學(xué)》雙語教學(xué)實(shí)踐和課程建設(shè)

屈蘇平 宮昊 蔡德歡 魯先洋 程榮龍

摘 要

量子力學(xué)是材料物理專業(yè)本科階段重要的課程之一。《量子力學(xué)》雙語課程的教學(xué)實(shí)踐和課程建設(shè)在蚌埠學(xué)院是一次有益的嘗試，在整個(gè)過程中，有許多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)值得總結(jié)，并對(duì)進(jìn)一步提高雙語教學(xué)質(zhì)量提出了一些建議。

關(guān)鍵詞

雙語教學(xué);經(jīng)典類比;量子力學(xué)

中圖分類號(hào)： O413.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 18 . 25

1 開展《量子力學(xué)》課程雙語教學(xué)的必要性

《量子力學(xué)》課程是工科材料物理專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程[1]，是現(xiàn)代高技術(shù)、新材料的基礎(chǔ)，因此《量子力學(xué)》課程教學(xué)質(zhì)量的好壞直接影響后續(xù)的課程的學(xué)習(xí)，如《固體物理學(xué)》、《半導(dǎo)體物理學(xué)》、《納米電子學(xué)》、《微電子技術(shù)》、《集成電路工藝原理》、《信息功能材料學(xué)》、《光電子學(xué)》等。提倡本科生閱讀并學(xué)習(xí)原汁原味的外國(guó)教材是時(shí)代的需求，而量子力學(xué)的大部分內(nèi)容產(chǎn)生于二十世紀(jì)，量子力學(xué)方面的研究成果大部分是由外國(guó)物理學(xué)家們貢獻(xiàn)的[2]，因此利用英語學(xué)習(xí)和講授《量子力學(xué)》是一個(gè)很好的選擇。但是，由于中西方文化不同和地方院校英語基礎(chǔ)薄弱，直接開展英語課程教學(xué)，對(duì)師生來講存在很大挑戰(zhàn)。因此，利用中英結(jié)合的雙語教學(xué)開展《量子力學(xué)》的教學(xué)和課程建設(shè)顯得很有必要。

2 教學(xué)模式和手段的探索

2.1 采用的教材

選一本適合初學(xué)量子力學(xué)的本科生顯得尤為重要，D.avid J.Griffiths教授所著的Introduction to Quantum Mechanics是一本關(guān)于介紹量子力學(xué)概念和運(yùn)算規(guī)則的基礎(chǔ)性教材[3]，該書作為“時(shí)代教育國(guó)外高校優(yōu)秀教材精選”系列之一，內(nèi)容涵蓋了量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和基本概念等內(nèi)容，適合初學(xué)者使用，是很有特色的一本教材。

2.2 正確看待理論課，穿插故事增加趣味性

量子力學(xué)乍一看好像是數(shù)學(xué)知識(shí)的疊加，學(xué)生一旦被數(shù)學(xué)公式嚇倒，就會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)失去興趣。由于該課程內(nèi)容涉及各個(gè)研究領(lǐng)域，因此授課教師可以結(jié)合量子力學(xué)在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用成果實(shí)例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如態(tài)疊加原理的量子糾纏應(yīng)用到量子計(jì)算機(jī)和量子密碼術(shù)，有限深勢(shì)阱的知識(shí)應(yīng)用到掃描隧道顯微鏡和原子鐘。

另外，讓學(xué)生和專業(yè)課程聯(lián)系起來，激發(fā)學(xué)生對(duì)《量子力學(xué)》學(xué)習(xí)的熱愛。本科階段學(xué)習(xí)的固體物理學(xué)中，弱周期性的勢(shì)能是能帶中的禁帶產(chǎn)生的原因，這正是簡(jiǎn)并微擾論的結(jié)果。然而在實(shí)際的學(xué)習(xí)中，學(xué)生對(duì)于計(jì)算簡(jiǎn)并微擾相關(guān)的應(yīng)用把握不好，因此避免微擾論中的復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算，抽取其中蘊(yùn)含的物理思想和實(shí)際價(jià)值對(duì)于學(xué)生后續(xù)課程學(xué)習(xí)很有受益。

2.3 啟發(fā)互動(dòng)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生自身思考和探索

正確看待書中的數(shù)學(xué)，我們?cè)趯W(xué)習(xí)的過程中會(huì)遇到勒讓德、厄密和拉蓋爾多項(xiàng)式，球諧、貝塞爾函數(shù)，甚至傅里葉變換、希爾伯特空間、厄密算符和格朗日函數(shù)[4]，學(xué)生對(duì)于數(shù)學(xué)物理方法中出現(xiàn)的這些函數(shù)心有余悸，因此在授課的過程中教師要采用中文進(jìn)行講解，避免煩瑣的公式推導(dǎo)，而要把公式來歷的思路講清楚，并讓學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用。

在實(shí)際的課程實(shí)踐教學(xué)中調(diào)整知識(shí)體系，將重點(diǎn)知識(shí)網(wǎng)羅全，還要敦促學(xué)生課后多練習(xí)。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象入手，讓學(xué)生對(duì)物理概念有一定認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生思考，例如講黑體輻射，經(jīng)典物理解釋不了紫外災(zāi)難這個(gè)現(xiàn)象，普朗克將經(jīng)典中能量的連續(xù)改為能量不連續(xù)，在數(shù)學(xué)中處理將積分改為求和，得到的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

關(guān)于波函數(shù)和力學(xué)量算符的形式理論，采用線性代數(shù)表示，引用狄拉克的話來說，量子力學(xué)和相對(duì)論都是變換的理論[5]。因此，學(xué)生具有扎實(shí)的線性代數(shù)運(yùn)算和變換對(duì)于掌握其中的物理思想和幾何意義具有重要意義。

2.4 注重與經(jīng)典物理知識(shí)的對(duì)比，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握

講到微粒的波粒二象性，引導(dǎo)學(xué)生思考和總結(jié)大學(xué)物理中學(xué)過的經(jīng)典的波、經(jīng)典粒子的特點(diǎn)，并引導(dǎo)學(xué)生去理解微觀世界中的粒子的兩種常見的錯(cuò)誤理解，并舉例逐一批判從中總結(jié)出正確的理解方法。

盡管量子力學(xué)和經(jīng)典物理的概念不同，但有許多概念是借鑒經(jīng)典物理，比如束縛態(tài)的定義，力學(xué)量算符的表示形式、對(duì)易關(guān)系用泊松括號(hào)表示。

2.5 課內(nèi)-課外、課堂-網(wǎng)絡(luò)有效結(jié)合，促使學(xué)生探討性學(xué)習(xí)

雙語課程對(duì)學(xué)生也提出了新的要求，要求學(xué)生課前預(yù)習(xí)，掌握常見的英語詞匯，尤其對(duì)“Probability”、“wave function”等經(jīng)常出現(xiàn)的詞匯重點(diǎn)掌握，課堂上認(rèn)真聽講，做好筆記，課后要多練習(xí)，多和老師討論，并針對(duì)自己感興趣的前沿知識(shí)調(diào)研，撰寫小論文等方式來加強(qiáng)對(duì)該門課程的理解。

同時(shí)雙語課程也對(duì)授課老師提出新的要求，授課老師不僅要有扎實(shí)的物理知識(shí)，還要有熟練的中英文表述能力和解釋專業(yè)詞匯的技能，這樣才能準(zhǔn)確地用英語和漢語把《量子力學(xué)》中的概念、原理表述清楚，提高雙語課堂教學(xué)的效率。在改善英語基礎(chǔ)薄弱環(huán)節(jié)上地方院校引進(jìn)了大量博士，對(duì)于專業(yè)性強(qiáng)的專業(yè)必修課《量子力學(xué)》的教學(xué)可由博士擔(dān)任主講教師。老師要在課堂善于啟發(fā)學(xué)生，不搞滿堂灌，留時(shí)間跟學(xué)生互動(dòng)、討論，課后認(rèn)真地進(jìn)行教學(xué)總結(jié)，改善教學(xué)方法，梳理好知識(shí)點(diǎn)，做好網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)，將課內(nèi)-課外、課堂-網(wǎng)絡(luò)有效結(jié)合，促使學(xué)生探討性學(xué)習(xí)。

3 課程建設(shè)

雙語課程建設(shè)能夠補(bǔ)充教材中內(nèi)容方面的短板，豐富教材中知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，拓寬學(xué)生的知識(shí)面。一方面，我們?cè)诔菍W(xué)習(xí)通網(wǎng)站上發(fā)布與教材匹配的雙語教案、雙語教學(xué)講義、雙語PPT、雙語教學(xué)視頻、雙語教學(xué)參考書、配套背景資料、章節(jié)學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)具有系統(tǒng)性和針對(duì)性，并可補(bǔ)充由于課堂上沒理解內(nèi)容帶來的學(xué)習(xí)困惑。另一方面，我們通過建立雙語教學(xué)群的方式讓學(xué)生參與學(xué)習(xí)與討論，并為學(xué)生答疑解惑。多種學(xué)習(xí)方式的綜合應(yīng)用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，并縮短了學(xué)生之間知識(shí)水平的差距。具體規(guī)劃如下：

3.1 教學(xué)改革

在課堂講授中將多媒體教學(xué)和板書結(jié)合起來，還要將MOOC[6]、翻轉(zhuǎn)課堂[7]等新的教學(xué)模式與雙語教學(xué)有機(jī)融合，讓學(xué)生用雙語開展相關(guān)出現(xiàn)的概率、力學(xué)量算符測(cè)量平均值等討論，這樣將教師講授與學(xué)生預(yù)習(xí)、討論和興趣自學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，同時(shí)對(duì)目前“三七制”的考試模式進(jìn)行改革，使現(xiàn)有的教學(xué)方法得到改進(jìn)，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 教學(xué)管理

（1）教師教學(xué)資料管理，包括：教學(xué)大綱、教案、考試試卷、成績(jī)冊(cè)的制定細(xì)則的制定。

（2）制定科學(xué)的、合理的評(píng)價(jià)教師教學(xué)水平的標(biāo)準(zhǔn)。這種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要有利于教師在教學(xué)過程中能大膽地既教書又育人，大膽地重視素質(zhì)教育。

4 教學(xué)效果

我們經(jīng)常和學(xué)生討論課堂內(nèi)外遇到的困難，了解他們對(duì)課程的掌握情況。圖1是蚌埠學(xué)院開設(shè)量子力學(xué)近四年的學(xué)生期末考試成績(jī)，2014-2016級(jí)學(xué)生是中文授課，用的是格里菲斯所著教材的翻譯版，2017級(jí)采用雙語教學(xué)。從最終的教學(xué)效果上看，初修該課程的同學(xué)積極性得到了極大地調(diào)動(dòng)，都能跟上教師課堂教學(xué)進(jìn)度，還有學(xué)生對(duì)量子力學(xué)知識(shí)點(diǎn)和習(xí)題進(jìn)行總結(jié)和整理，發(fā)現(xiàn)了教科書上部分內(nèi)容表述模糊，相較于前三年用中文授課，雙語課的出現(xiàn)給學(xué)生帶來了新鮮感和壓力，現(xiàn)在學(xué)生的出勤率和課前預(yù)習(xí)的比例慢慢增大，從期末考試成績(jī)來看，他們對(duì)該課程的掌握是相當(dāng)好的。

參考文獻(xiàn)

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