量子力學(xué)課程的線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)探索

潘桂俠 王兵 肖瑞杰

摘要：量子力學(xué)是研究微觀物質(zhì)世界的一門重要學(xué)科。對于學(xué)生而言，量子力學(xué)知識(shí)抽象，難以理解;對于教師教學(xué)而言，概念復(fù)雜，難以表述。如何高效地進(jìn)行量子力學(xué)教學(xué)一直是值得探索的課題，尤其是在線上進(jìn)行量子力學(xué)教學(xué)更是值得深思。論文探討了量子力學(xué)線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相較于傳統(tǒng)教學(xué)在教學(xué)組織模式上的改變，教學(xué)方法上的改變并對提升教學(xué)成效進(jìn)行了有益探索。

關(guān)鍵詞：量子力學(xué);在線教學(xué);教學(xué)探索

1.引言

量子力學(xué)研究的是微觀粒子運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，是20世界20年代新發(fā)展起來的一門學(xué)科[1]。眾所周知，學(xué)生從初中就會(huì)接觸物理，學(xué)習(xí)力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，到了高中、大學(xué)，這幾個(gè)方面又重新學(xué)習(xí)了一遍，但難度明顯提高了。例如，在講解運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律時(shí)，初中講解的是勻速直線運(yùn)動(dòng)，而高中講解的就是勻變速運(yùn)動(dòng)，到了大學(xué)，學(xué)習(xí)利用微分求解物體在任意時(shí)刻的速度，顯然大學(xué)知識(shí)更加接近現(xiàn)實(shí)生活。如果說初中、高中是解決“是什么”的問題，那么大學(xué)更注重的是“為什么”的問題。

總之，學(xué)生對于力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)的知識(shí)并不陌生，從初中到大學(xué)是一個(gè)由淺入深的過程。而量子力學(xué)對于本科生來說是一門全新的學(xué)科，研究的是微觀世界的規(guī)律，看不見摸不著，物理概念非常抽象，公式推導(dǎo)比較復(fù)雜，同時(shí)需要扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底。實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生時(shí)常會(huì)出現(xiàn)似懂非懂的情況。2020年初，新冠疫情爆發(fā)后，我們將量子力學(xué)教學(xué)從線下課堂轉(zhuǎn)換到線上，對量子力學(xué)線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)進(jìn)行了有益探索和實(shí)踐，并取得較好成效。

2.量子力學(xué)教學(xué)組織模式的改變

由于新冠疫情的突然爆發(fā)，全面推行線上教學(xué)，量子力學(xué)教學(xué)組織模式也由線下課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。對于量子力學(xué)這門本來就很新奇而抽象的專業(yè)課程而言，更是一次全新的嘗試和挑戰(zhàn)。從線下準(zhǔn)備、線上實(shí)施兩個(gè)階段組織實(shí)施。在開課前線下準(zhǔn)備期間，建立了QQ學(xué)習(xí)交流群，及時(shí)將線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)有關(guān)事項(xiàng)讓學(xué)生有所了解，做到“心中有數(shù)”;線上實(shí)施教學(xué)過程中，為了充分發(fā)揮線上教學(xué)的優(yōu)勢，在體驗(yàn)了騰訊QQ分享屏幕、超星學(xué)習(xí)通、釘釘課堂、騰訊課堂等線上平臺(tái)以后，結(jié)合學(xué)生反饋意見，最終確定騰訊課堂與超星學(xué)習(xí)通兩個(gè)平臺(tái)相互結(jié)合、互為備份的組織模式，取得很好的教學(xué)效果。線上教學(xué)不同于線下教學(xué)，為了保證出勤率，提高教學(xué)質(zhì)量，在上課前一天，先在QQ群里提醒學(xué)生第二天的課，在上課前半小時(shí)會(huì)再次提醒學(xué)生進(jìn)入線上教學(xué)平臺(tái)[2]，做到“全程管控”。

3.量子力學(xué)教學(xué)方法的改變

根據(jù)量子力學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)，內(nèi)容抽象難懂，公式推導(dǎo)過程復(fù)雜，充分發(fā)揮線上教學(xué)的優(yōu)勢，PPT非常直觀清晰，視覺沖擊力比較強(qiáng)，能夠大大節(jié)省公式推導(dǎo)的時(shí)間，可以全局把控整體概念。以量子力學(xué)發(fā)展簡史以及重難點(diǎn)概念的講解為例，首先讓學(xué)生對量子力學(xué)課程感興趣。當(dāng)前，正是量子科學(xué)發(fā)展最好的時(shí)代，我們迎來了歷史性發(fā)展機(jī)遇，緊跟時(shí)代研究前沿，結(jié)合量子力學(xué)在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的應(yīng)用，介紹量子力學(xué)發(fā)展簡史。在十九世紀(jì)末期，經(jīng)典物理學(xué)在發(fā)展比較完善的同時(shí)，也面臨著一些無法解釋的現(xiàn)象，如黑體輻射、光電效應(yīng)、原子的線狀光譜等[3]。重點(diǎn)講解這些現(xiàn)象以及最后利用量子觀念成功解釋這些困難的相關(guān)人物事跡，會(huì)更加激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣。例如在1900年，普朗克首次提出了“能量子”的概念，完美地解釋了黑體輻射問題[4]。而關(guān)于普朗克，搜集了很多關(guān)于他從事理論物理研究的趣事，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣。其余現(xiàn)象與人物也可以作類似處理。講解完量子力學(xué)發(fā)展簡史后，從整體上把握量子力學(xué)這本書，介紹量子力學(xué)的產(chǎn)生過程以及一些全新的概念。在量子力學(xué)中，用波函數(shù)描述微觀粒子所處的狀態(tài)，用算符描述坐標(biāo)、動(dòng)量、能量等力學(xué)量，用薛定諤方程描述粒子遵循的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。講清這些基本概念之后，介紹力學(xué)量在不同表象中的表示以及求解薛定諤方程。

4.提高量子力學(xué)教學(xué)效果

線上教學(xué)存在較大的距離障礙，如何有效確保教學(xué)效果，需要多措并舉，形成合力。例如，在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等客觀條件容許的情況下，盡可能多地讓學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)。課堂上可以不定時(shí)隨機(jī)請學(xué)生表達(dá)自己對學(xué)習(xí)內(nèi)容的看法，也可以圍繞某一問題，組織學(xué)生進(jìn)行線上討論，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對量子力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，有效提高學(xué)生思考、解決問題的能力。課后要充分利用線上網(wǎng)絡(luò)載體平臺(tái)分發(fā)思考題，老師及時(shí)評閱，可以通過QQ、微信等即時(shí)交流工具隨時(shí)解疑釋惑。

5.結(jié)束語

新冠疫情的突然到來，我們嘗試了全時(shí)段的線上網(wǎng)絡(luò)量子力學(xué)教學(xué)。為有效組織好線上教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，充分利用線上教學(xué)資源，我們采取了多種措施。這些方法措施的實(shí)踐也為我們傳統(tǒng)課堂教學(xué)豐富了形式、拓展了空間。當(dāng)前，量子科技發(fā)展突飛猛進(jìn)，成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的前沿領(lǐng)域。量子力學(xué)以其特殊的理論地位成為量子科技發(fā)展的重要基礎(chǔ)性學(xué)科之一。作為量子力學(xué)課程的教學(xué)工作者，我們要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷豐富教學(xué)形式，努力提升教學(xué)成效。

參考文獻(xiàn)：

[1]周世勛.量子力學(xué)教程（第二版）[M].高等教育出版社，2008.

[2]易志軍，段秀銘.面向工科學(xué)生的量力力學(xué)教學(xué)探討[J].時(shí)代教育，2016（5）.

[3]曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)導(dǎo)論（第二版）[M].北京大學(xué)出版社，1998.

[4]張永德.量子力學(xué)[M].科學(xué)出版社，2002.

基金項(xiàng)目：安徽理工大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金，安徽省大學(xué)物理教學(xué)團(tuán)隊(duì)（編號(hào)：2019jxtd046）支持項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：11704042）。

作者簡介：潘桂俠（1979-），女，漢族，安徽蕭縣人，副教授，博士，主要從事量子力學(xué)教學(xué)、量子信息與量子光學(xué)研究。

（1.安徽理工大學(xué) 安徽淮南;2.渤海大學(xué) 遼寧錦州）