以學(xué)生為中心的量子力學(xué)教學(xué)模式設(shè)計和探索*

李學(xué)超 李 洋 高 娟

（安徽理工大學(xué)力學(xué)與光電物理學(xué)院 安徽淮南 232001）

引言：

在全面落實立德樹人教育改革的背景下，高校量子力學(xué)教學(xué)需要加強學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)，圍繞量子力學(xué)課堂進行教學(xué)改革，以學(xué)生為中心優(yōu)化課程教學(xué)模式設(shè)計，以實現(xiàn)量子力學(xué)課程的精品課程建設(shè)。同樣，在量子力學(xué)教學(xué)中，以學(xué)生為中心，通過依托精品課程建設(shè)，從課前、課堂以及課后等三個環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，構(gòu)建量子力學(xué)特色教學(xué)模式，以期推動人才培養(yǎng)模式的更新。同時，對教學(xué)模式的設(shè)計進行實踐探索，以此找到以學(xué)生為中心的教學(xué)途徑，為良好的教學(xué)質(zhì)量提供保障。因此，在高校人才培養(yǎng)戰(zhàn)略下，對量子力學(xué)教學(xué)模式的設(shè)計和探索進行研究分析顯得尤為重要。

一、量子力學(xué)教學(xué)改革的急迫性

量子力學(xué)，作為現(xiàn)代物理教學(xué)中重要的理論之一，通過研究微粒運動和基本規(guī)律的變化，可以對多種自然現(xiàn)象進行科學(xué)解釋。同時，量子力學(xué)是科學(xué)和工程相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程之一，在能源、化學(xué)、材料等相關(guān)學(xué)科和許多現(xiàn)代技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。量子力學(xué)也是學(xué)習(xí)固體物理、材料科學(xué)、材料物理、化學(xué)、激光原理、激光物理和技術(shù)等專業(yè)課程的基礎(chǔ)。在現(xiàn)階段的量子力學(xué)教學(xué)過程中，以學(xué)生為教學(xué)中心，加強學(xué)生的綜合能力，有助于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展，同時有助于學(xué)生的創(chuàng)新能力的提升。通過實際的量子力學(xué)教學(xué)改革下，重視課程教學(xué)的設(shè)計優(yōu)化，加強學(xué)生的量子力學(xué)的學(xué)習(xí)質(zhì)量，促進學(xué)生量子力學(xué)思維與科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，推動高校學(xué)生的全面發(fā)展。同時，量子力學(xué)的教學(xué)改革，不僅使學(xué)生掌握量子力學(xué)的基本理論，運用量子力學(xué)的基本理論進行分析和解決問題，而且使學(xué)生理解豐富的量子力學(xué)基本哲學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力。對于科學(xué)和工程專業(yè)的學(xué)生而言，以學(xué)生為中心的課程教學(xué)設(shè)計，有助于提升課堂教學(xué)質(zhì)量，幫助學(xué)生理解客觀世界，為學(xué)生的全面發(fā)展提供保障[1]。

二、基于學(xué)生為中心的量子力學(xué)教學(xué)模式設(shè)計要點

在量子力學(xué)課程教學(xué)模式的設(shè)計上，以學(xué)生為中心需要注重以下幾點。其一，教風建設(shè)。優(yōu)秀的教學(xué)風格是取得良好教學(xué)效果的重要保證。影響教學(xué)質(zhì)量的三個核心因素是教師、學(xué)生和課程設(shè)置。課程是教育的紐帶，是師生互動的平臺。為了保證教學(xué)效果，量子力學(xué)教學(xué)團隊始終保持著良好的教學(xué)風格，推動著良好的學(xué)習(xí)風格的形成，并嚴格實施集體準備課制度和教學(xué)小組討論制度，以提高量子力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量[2]；其二，備課優(yōu)化。在課程教學(xué)的預(yù)備過程中，認真研究教材，努力準確掌握重點和難點，參閱各種量子力學(xué)參考書，注意弱化難點，強調(diào)重點。為了提高教學(xué)質(zhì)量，在原教學(xué)大綱的基礎(chǔ)上制定量子力學(xué)教學(xué)大綱規(guī)則，認真撰寫教學(xué)計劃，不斷總結(jié)，根據(jù)實際學(xué)生適當增加新的內(nèi)容，如在量子力學(xué)講義的第一版基礎(chǔ)上，修改到第二版，有效促進了教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量的提高。其三，課堂教學(xué)。在多年的教學(xué)過程中，根據(jù)量子力學(xué)概念相對抽象和難以理解的特點，以學(xué)生為主、以教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式，實現(xiàn)了從灌輸向啟發(fā)式教學(xué)的轉(zhuǎn)變。注重激發(fā)學(xué)生對知識的渴望，開展研究性教學(xué)，形成一種師生共同互動、探索真理的教學(xué)氛圍。其四，課后交流。在量子力學(xué)以學(xué)生為主的教學(xué)設(shè)計上，課后交流的輔導(dǎo)，有助于倡導(dǎo)學(xué)生的研究式學(xué)習(xí)模式，讓學(xué)生能夠自主地參與到量子力學(xué)的學(xué)習(xí)上，同時借助師生之間的交流，來調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，以此創(chuàng)新量子力學(xué)人才培養(yǎng)體系[3]。

三、以學(xué)為主的量子力學(xué)教學(xué)設(shè)計優(yōu)化策略

1.以“學(xué)”為主，合理運用現(xiàn)代化教學(xué)手段，讓教學(xué)更加直觀

在量子力學(xué)的教學(xué)設(shè)計上，構(gòu)建特色的教學(xué)模式，突出學(xué)生的主體地位，需要合理運用現(xiàn)代化教學(xué)手段，讓課堂教學(xué)內(nèi)容更加直觀與形象?，F(xiàn)代的教學(xué)方法可以使教學(xué)內(nèi)容直觀。量子力學(xué)描述了微觀粒子的運動行為，它不能列出一些更直觀的現(xiàn)實例子，以便學(xué)生能夠接受學(xué)習(xí)經(jīng)典現(xiàn)實的知識。為了方便學(xué)生理解抽象概念，我們在日常教學(xué)中充分利用現(xiàn)代的教學(xué)方法，并在課堂上采用多媒體課件和黑板書寫相結(jié)合的方法。例如，在教授氫原子的光譜時，我們向?qū)W生展示了從高到低的水平；在氫原子的斯塔克效應(yīng)中，我們展示了氫原子在外部電場中的分裂光譜。

同樣，在以學(xué)為主合理運用現(xiàn)代化教學(xué)方法來優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容上，可以充分利用學(xué)校和物理系的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。我們積極參與了教務(wù)辦公室的建設(shè)，并開展了量子力學(xué)的網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)。同時，在物理系的論壇上，有物理前沿與進展，大學(xué)物理學(xué)習(xí)和討論，在網(wǎng)絡(luò)上與學(xué)生交流，回答他們學(xué)習(xí)中的難題。我們在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布了多媒體課件、教學(xué)大綱、參考書目、本課程的難點、量子力學(xué)學(xué)習(xí)方法等內(nèi)容，讓學(xué)生可以在業(yè)余時間學(xué)習(xí)。這些措施受到了學(xué)生的歡迎，他們對學(xué)習(xí)的興趣和熱情得到了顯著提高[5]。

2.以“學(xué)”為主，加強啟發(fā)與互動教學(xué)方法的運用，提升學(xué)生知識獲取情感體驗

在量子力學(xué)的教學(xué)設(shè)計上，構(gòu)建特色的教學(xué)模式，突出學(xué)生的主體地位，需要加強啟發(fā)與互動教學(xué)方法，以此優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)情感體驗。量子力學(xué)課程的教學(xué)上，可以從實驗事實和觀察到的現(xiàn)象出發(fā)，建立物理模型和物理圖片，努力讓學(xué)生通過簡單的模型理解復(fù)雜現(xiàn)象的本質(zhì)，通過具體的例子理解一般的物理規(guī)律，培養(yǎng)他們的物理直覺。在解釋一些問題時，不要只是進行教材的閱讀，而是解釋問題的根源，解決問題的過程和方法，以培養(yǎng)學(xué)生思考和解決問題的能力。例如，在教授玻爾量子理論時，首先介紹了無法解釋的經(jīng)典物理中的原子穩(wěn)定性、大小和氫原子的光譜，然后介紹了玻爾如何解決這些困難，特別是三個基本的假設(shè)的成功和局限性。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生現(xiàn)有的知識，準備一系列的問題和從一個問題到另一個問題的過渡的細節(jié)。當問題被提出時，我們應(yīng)該善于激勵學(xué)生利用現(xiàn)有的知識和經(jīng)驗來分析、思考和研究問題中的矛盾，同時引導(dǎo)學(xué)生逐步獲取新的知識。對于積極回答問題的學(xué)生，讓全班學(xué)生鼓勵和表揚，活躍課堂氣氛，也調(diào)動學(xué)生提問的熱情。最后，教師對課堂知識體系進行總結(jié)和歸納，糾正學(xué)生的一些錯誤理解，幫助學(xué)生系統(tǒng)、準確地掌握知識[6]。

3.以“生”為主，引導(dǎo)學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)，加強學(xué)生的科學(xué)能力與認知

在量子力學(xué)的教學(xué)設(shè)計上，構(gòu)建特色的教學(xué)模式，突出學(xué)生的主體地位，需要逐步加強學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，讓學(xué)生能夠?qū)α孔訉W(xué)習(xí)有著一個良好的把握。例如，當談?wù)撐⒂^粒子的波粒二象性，首先介紹經(jīng)典粒子的基本特征和經(jīng)典的波動，然后介紹粒子在量子概念和量子概念下的波，強調(diào)它們的相似性和不同之處，加強學(xué)生對這些抽象概念的理解。另一個例子是，在研究一維諧振子的過程中，比較了經(jīng)典諧振子與量子力學(xué)中給出的結(jié)果，并討論了它們之間的差異，使學(xué)生能夠很好地理解量子力學(xué)的本質(zhì)。在傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計上，教師“滿堂灌”地將知識傳授給學(xué)生，而學(xué)生做筆記后就死記硬背地消化知識，更多是處于被動狀態(tài)。出于考試成績和對未來發(fā)展壓力的考慮，學(xué)生只能被迫選擇這種機械的學(xué)習(xí)方式，導(dǎo)致學(xué)生應(yīng)用能力缺乏的情況并不在少數(shù)，嚴重影響了后續(xù)的學(xué)習(xí)。但是，以學(xué)生為中心的教學(xué)設(shè)計上，讓學(xué)生自由掌握學(xué)習(xí)時間，不再有靠著教師監(jiān)督學(xué)習(xí)的依賴心理，開始為自己的學(xué)習(xí)負責任。知識往往是在場景中出現(xiàn)，又被反映在具體場景中，以學(xué)生為中心的教學(xué)設(shè)計，能夠給每個學(xué)生獨立思考的空間，又能使學(xué)生一起討論互動，碰撞出新的知識火花，涌出新的思泉，讓學(xué)生能夠發(fā)揮著自身的創(chuàng)造性，從而為學(xué)生的健康發(fā)展保駕護航[7]。

4.以“生”為主，結(jié)合課內(nèi)課外，構(gòu)建雙師教學(xué)

在量子力學(xué)的教學(xué)設(shè)計上，構(gòu)建特色的教學(xué)模式，突出學(xué)生的主體地位，需要結(jié)合課內(nèi)與課外教學(xué)，營造一個雙師教學(xué)模式。即構(gòu)建雙師課堂，以此降低量子力學(xué)課程教學(xué)設(shè)計難度。雙師課堂中的雙師指的是一位頂級教師外加一名課堂教師，即針對互聯(lián)網(wǎng)上的頂級教師的教學(xué)資源進行運用，教師在課堂進行針對性的教學(xué)補充，以此提升課堂教學(xué)效果。該上課的模式為，頂級教師通過投影儀實現(xiàn)人像與現(xiàn)實的一比一比例進行線上教學(xué)，課堂教師在真實課堂中實現(xiàn)答疑，監(jiān)督學(xué)生的鞏固練習(xí)，對學(xué)生學(xué)習(xí)進行查缺補漏，并做出更具針對性的輔導(dǎo)，學(xué)生也可以參與到課堂討論和課堂活動中去。例如，超星平臺的精品課程運用到量子力學(xué)教學(xué)上，在混合式課程設(shè)計中，超星平臺能夠?qū)崿F(xiàn)良好的課后練習(xí)與課程考核。在課程教學(xué)后，教師通過超星平臺布置課外作業(yè)，讓學(xué)生能夠運用時間進行提交，從而優(yōu)化課后作業(yè)的布置與完成環(huán)節(jié)，通過提升課程教學(xué)后的時間利用效率，方便教師掌握學(xué)生在混合式課程教學(xué)中的學(xué)習(xí)情況，從而針對性地進行復(fù)習(xí)與調(diào)整，為更好地進行課程教學(xué)提供保障。同樣，在課程考核中，借助超星平臺能夠設(shè)置相應(yīng)的考核形式，通過將考核進行細化，提升課堂教學(xué)互動中考核所占比例，以此提升學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生能夠主動參與課堂教學(xué)討論當中，從而提升線上線下混合式課程教學(xué)設(shè)計的科學(xué)合理性?；诔瞧脚_在線上線下混合式課程教學(xué)設(shè)計上的合理運用，能夠有效結(jié)合傳統(tǒng)課堂教學(xué)與在線課程教學(xué)兩者之間的優(yōu)勢，通過將教師的引導(dǎo)啟發(fā)作用得到進一步提升，從而幫助教師能夠解決更多課程學(xué)習(xí)上的問題，實現(xiàn)課程教學(xué)的有效延伸[8]。

5.以學(xué)生為主，開展競賽活動，提升學(xué)生綜合能力

在量子力學(xué)的教學(xué)設(shè)計上，構(gòu)建特色的教學(xué)模式，突出學(xué)生的主體地位，需要開展相應(yīng)的競賽活動，幫助學(xué)生提升綜合能力。我們處理課后練習(xí)的方式是鼓勵學(xué)生在平臺上發(fā)言，鼓勵其他學(xué)生提問和討論，讓學(xué)生和學(xué)生之間的互動，最后老師進行總結(jié)。這可以鍛煉學(xué)生的表達能力，加深對知識的理解，有效地提高學(xué)生分析和解決問題的能力。同時，教師還要聽取學(xué)生的意見，及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，有目的地地指導(dǎo)學(xué)生。鼓勵學(xué)生閱讀大量文獻，積極了解物理前沿知識，鼓勵學(xué)生參加挑戰(zhàn)杯、數(shù)學(xué)建模競賽等課外科技學(xué)術(shù)競賽以提高他們的綜合能力[9]。

結(jié)語

由此可見，在高校綜合性人才的培養(yǎng)上，借助量子力學(xué)教學(xué)模式的優(yōu)化設(shè)計，圍繞學(xué)生建立相應(yīng)的教學(xué)體系，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進師生共同進步發(fā)展，以此提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。同樣，在以學(xué)生為中心的教學(xué)設(shè)計上，需要基于量子力學(xué)課程的課前、課中、課后進行逐一優(yōu)化，以此保障教學(xué)質(zhì)量的落實，為學(xué)生的全面發(fā)展提供保障。