混合教学在量子力学课程教学中的应用研究

黄旭初

（昌吉学院物理系　新疆　昌吉　831100）



混合教学在量子力学课程教学中的应用研究

黄旭初

（昌吉学院物理系新疆昌吉831100）

摘要：面向当前信息环境下本科生课程教学改革，分析研究混合教学模式应用到量子力学课程中的可行性，从教学设计和教学实践中可能遇到的问题等方面给出具体的实践方法。本文主要针对物理学专业量子力学课程混合式教学进行初步探索，以求提高教学质量。

关键词：量子力学；混合教学模式；教学质量

量子力学具有高度抽象性，且具有与经典物理全然不同的研究方法，这使得这门课程在本科教学过程中很难让学生准确地理解基本概念和规律。随着信息技术的迅速发展，信息技术与课程正逐渐成为当前教育改革的重要组成部分，尤其是混合学习的出现，为实现新型人才的培养提供了一条切实可行的途径。所谓“混合教学”就是要把传统教学方式的优势和在线教学的优势结合起来，这种教学方式要求老师在课程设计和知识传递中，将课堂教学与信息技术进行融合，并根据学生特点达到一个合理的学时分配［1］。混合教学的本质在于利用合适的时间，将合适的技术与学习风格有机地契合，根据学生的具体情况传递适当的能力，从而优化学习效果。那么，能否利用混合教学模式来拓展学生的思维，掌握量子力学的精髓，从而提高学生的主观能动性就成为探索信息技术支持下的理论物理专业课程改革的一个重要课题。本文结合混合学习理论，分析和研究混合教学在量子力学课程中应用的可行性，指出具体的实践方法，探讨了在量子力学教学过程中应用混合模式教学的构建思路和实践中可能存在的问题。

1　混合教学模式在量子力学教学中应用的可行性

量子力学在物理学专业中占有及其重要的地位，随着量子力学的发展，它也成为其他自然科学的基础，它既导致核物理、粒子物理的应运而生，又促使固体物理、凝聚态物理、激光物理以及非线性光学突兀崛起［2］。在量子力学教学过程中可以应用多种教学模式，充分考虑到量子力学的抽象性、数学性、科学性三方面的基本关系，让学生更好地理解、掌握和运用量子力学，以培养量子力学功底扎实的学生。下面根据教学过程的三个阶段来分析应用混合教学的可行性及具体的实践方法。第一个阶段是课前预习部分，这部分的学习可以让学生自主地利用网络化学习。许多老师在这一阶段提供学生每一章节的教学大纲，告诉学生该章节所需要掌握的重要知识点［3-4］。对于混合式教学的应用，激发学生的兴趣是学生自主学习的源动力，这也是将混合教学模式应用到量子力学的关键，因此在这里就需要老师将学生的兴趣和书本的基础知识巧妙地衔接。例如：2016年1月8日新闻联播中关于“2015年度国家科学技术奖励大会”的新闻提到潘建伟

2　量子力学教学中混合教学模式的设计

对于物理学专业的本科生，他们在学习量子力学过程中往往习惯于用经典物理的概念和图像来理解，老师的作用就是打破学生的单一思维模式，激发他们的主观能动性和创新思维。目前很多老师在量子力学教学中引入了多媒体课件辅助教学，然而对课程的教学模式没有本质的变化，教学效果差强人意。通过引进混合教学模式根据学生的要求和进展，不断更新授课内容及方式，将多种教学场景与教学内容结合起来提高教学质量是教学模式改革的主要目标。改革的混合教学模式设计主要体现在以下几个方面：（1）从学生实际出发，紧扣教学大纲，明确学习内容。在一般本科院校中量子力学主要包含三部分的内容，关于粒子的波粒二象性、量子力学的基本原理和运用基本原理解决的基本物理实际问题及其方法［6-7］。这三部分紧密结合，粒子的波粒二象性是事实依据，量子力学基本原理是核心，运用基本原理解决实际问题是关键，对这三部分的融会贯通是理解量子力学整体框架的基础。（2）构建物理图像，将抽象思维和形象思维有效地结合。要解决抽象性给学生带来的困难，就需要充分发挥形象思维的作用，根据相应的物理问题构建出不同类型的物理图像。例如，粒子的波粒二象性老师可以从实验测量的角度出发，用杨氏双缝实验和光电效应实验为切入点，将清晰的物理图像逐步过渡到抽象的物理概念。（3）在科研的基础上启发教学。对于量子力学这门课程来说，很多问题都是现代科学研究的热点问题，从最基本的量子力学诠释到获得诺贝尔奖的重大问题都值得深入研究［8］。有科研基础的老师，对量子力学基本概念的理解往往更为深刻，对量子力学的历史发展和前沿应用也更为熟悉，因此在与学生交流的过程中就能够把问题的本质深入浅出、言简意赅地传达给学生，同时会在潜移默化中引导学生用科学研究的态度来进行学习。例如，电子的自旋理论，在大纲中要求是掌握电子自旋的本质以及自旋态的数学表述，若老师能够把自旋态放到低维量子自旋系统中，通过研究自旋与外磁场耦合、自旋—自旋耦合、自旋—轨道耦合等相互作用给出系统的性质，那么这对于学生理解就更容易从抽象的概念过渡到具体的物理图像。在传统的教学模式上，很难实现这种科研与教学的融合，但通过网络信息平台就可以使学生参与到一些简单的科学研究中来，引导他们自主地思考问题，而不是刻板地接受前人的研究成果。

3　实践中可能存在的问题及应对方法

将混合教学模式应用到量子力学教学中可能存在的问题有以下几点：（1）学生预习的主动性不足，缺乏学习热情。很多学生在刚接触量子力学思想内容时受到经典力学思维定式的影响，感觉接受新的思维方式很困难，从而产生一种恐惧心理，不愿意主动学习。对于这个问题一方面老师可以收集或者开发各种优质的预习资源，包括物理学史中很多有趣的小故事和最新的科研发展动态等，激发学生学习量子力学的兴趣；另一方面需要适当的引导，通过浅而易见地讲解消除学生的恐惧心理，树立信心。（2）量子力学中繁杂的数学公式很容易使学生沉湎于纯粹的数学推导，忽视了物理情景的建立。对于物理学专业的学生，他们毕业后很多会到中学担任物理教学工作，物理概念和原理的理解往往比数学上的推演和证明更为重要。因此，在教学过程中可以着重对物理概念的剖析和物理图像的描绘，以物理思维替代或者绕过数学分析，通过简化模型、量纲分析、概念拖延等方式来解决大量的数学公式推导的难点，将严谨的数学证明和理论推演通过网络信息教学平台在老师的启发下让学生自主完成，使被动灌输的学习方式转变为学生主动思考的互动式教学方法，从而最大限度地调动学生主动学习的兴趣和自觉性。（3）学生与老师之间缺乏互动，思考题和作业不能及时地完成，从而制约学生的拓展性和创新性。在教学过程中有效地活跃课堂气氛和充分地讨论是有必要的，同时要鼓励学生提问，激发学生的逆向思维和非规范性思维等。为了有效地完成相应的思考题和作业，可以在班里面建立学习小组，通过小组共同讨论学习来完成研究题目，并将研究结果写成小论文，给予适当的成绩加分。

4　结束语

将混合教学模式应用到量子力学课程教学，大量配套的优质教学资源的收集、制作和整合是混合教学模式的物质基础，之后才可能将各种学习方法有机融合，把学生看成是知识学习的主动建构者，外界信息环境经过老师的组织、引导，形成优化课堂教学模式和结构，从而能够达到最优的学习效果，提高教学质量。混合教学方式可以克服课程教学知识点多、学时少等问题，因此可以逐步应用到量子力学、电动力学等这类基础理论课程中，调动学生学习的主动性和积极性、提高综合能力和创新能力。对于量子力学教学改革的应用研究是适应新世纪教育的需要，对于全面实施素质教育有着十分重大的意义。

参考文献：

［1］何克抗.从Blending Learning看教育技术理论的新发展［J］.电化教育研究，2004，（4）：22-26.

［2］沈葹.量子力学的光辉八十年［J］.世界科学，2006，11（5）：12-17.

［3］金桂，黄小益，蒋纯志，陈亚琦.量子力学教学方法探索与实践［J］.高等理科教育，2011，（2）：100-103.

［4］王祥高，秦松梅，顾运厅.物理学专业量子力学教学探讨［J］.广西大学学报（哲学社会科学版），2011，33（S1）：253-254.

［5］央视网.“2015年度国家科学技术奖励大会”创新引领产业发展服务国家战略［DB/OL］.http：//news.cntv.cn/ 2016/01/08/VIDEl3wymyGPPPDPuyqP3fsC160108.shtml.

［6］曾谨言.量子力学［M］.北京：科学出版社，2000.

［7］周世勋.量子力学［M］.北京：高等教育出版社，1979.

［8］孙昌璞.量子力学若干基本问题研究的新进展［J］.物理，2001，30（5）：310-316.

中图分类号：G642.0

文献标识码：A

文章编号：1671-6469（2016）03-0103-03

收稿日期：2016-02-28

作者简介：黄旭初（1978-），男，四川眉山人，昌吉学院物理系讲师，博士，研究方向：凝聚态物理。团队研制的全球首颗量子通信卫星在量子通信和安全传输方面具有及其重要的作用，这项技术的基础就源于潘建伟团队在“多光子纠缠干涉”领域的一系列突破［5］。很多学生看到这则新闻会为中国科学的迅速发展而感到骄傲，也会对新闻中的科研问题感到很深奥、难懂，比如什么是量子通信？量子通信为什么和安全传输联系在一起？多光子纠缠是什么？这些物理问题是学生的兴趣所在，且与量子力学的理论基础紧密相关。因此，在学生预习阶段，我们可以利用信息化网络将这些热点问题作为章节的切入点，对于容易理解的问题让学生自己学习，把重要的概念问题留在老师与学生互动的课堂中完成，这样就能够有效调动学生的自主学习性。第二个阶段是课堂教学阶段。这个阶段以老师教学为主，老师运用灵活多样的方法，把抽象的量子力学精髓的物理思想向学生阐述清楚。显然在有限的课堂中解释清楚量子力学的基本知识理论，并解决大量的数学公式推导这对于老师和学生来说都是有一定的难度。然而利用混合教学模式，将复杂的数学推导部分切割下来放到网络学习平台，老师主要介绍量子力学的应用而不是量子力学本身，这样就能使学生不需要深厚的数学基础就能够很好地理解老师所讲的内容。第三阶段是知识的巩固加深阶段，这个阶段是通过老师引导，学生自主思考共同完成。量子力学与经典理论在思维模式上完全不一样，从而老师可根据课程的要求给学生布置适当的思考题，让学生自主思考，利用信息化平台学习完成，从思维方式上接受量子力学的模式。显然这种学习过程比死记硬背更科学，学生的理解程度也更深刻，在此基础上通过一定数量的答题和老师的解答就能够让学生打下坚实的基础。