《量子力学》双语教学实践和课程建设

屈苏平 宫昊 蔡德欢 鲁先洋 程荣龙

摘 要

量子力学是材料物理专业本科阶段重要的课程之一。《量子力学》双语课程的教学实践和课程建设在蚌埠学院是一次有益的尝试，在整个过程中，有许多的实践经验值得总结，并对进一步提高双语教学质量提出了一些建议。

关键词

双语教学;经典类比;量子力学

中图分类号： O413.1                    文献标识码： A

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

1 开展《量子力学》课程双语教学的必要性

《量子力学》课程是工科材料物理专业的一门非常重要的专业基础课程[1]，是现代高技术、新材料的基础，因此《量子力学》课程教学质量的好坏直接影响后续的课程的学习，如《固体物理学》、《半导体物理学》、《纳米电子学》、《微电子技术》、《集成电路工艺原理》、《信息功能材料学》、《光电子学》等。提倡本科生阅读并学习原汁原味的外国教材是时代的需求，而量子力学的大部分内容产生于二十世纪，量子力学方面的研究成果大部分是由外国物理学家们贡献的[2]，因此利用英语学习和讲授《量子力学》是一个很好的选择。但是，由于中西方文化不同和地方院校英语基础薄弱，直接开展英语课程教学，对师生来讲存在很大挑战。因此，利用中英结合的双语教学开展《量子力学》的教学和课程建设显得很有必要。

2 教学模式和手段的探索

2.1 采用的教材

选一本适合初学量子力学的本科生显得尤为重要，D.avid J.Griffiths教授所著的Introduction to Quantum Mechanics是一本关于介绍量子力学概念和运算规则的基础性教材[3]，该书作为“时代教育国外高校优秀教材精选”系列之一，内容涵盖了量子力学的实验基础和基本概念等内容，适合初学者使用，是很有特色的一本教材。

2.2 正确看待理论课，穿插故事增加趣味性

量子力学乍一看好像是数学知识的叠加，学生一旦被数学公式吓倒，就会对学习失去兴趣。由于该课程内容涉及各个研究领域，因此授课教师可以结合量子力学在现代科技中的应用成果实例，激发学生的学习兴趣。例如态叠加原理的量子纠缠应用到量子计算机和量子密码术，有限深势阱的知识应用到扫描隧道显微镜和原子钟。

另外，让学生和专业课程联系起来，激发学生对《量子力学》学习的热爱。本科阶段学习的固体物理学中，弱周期性的势能是能带中的禁带产生的原因，这正是简并微扰论的结果。然而在实际的学习中，学生对于计算简并微扰相关的应用把握不好，因此避免微扰论中的复杂数学计算，抽取其中蕴含的物理思想和实际价值对于学生后续课程学习很有受益。

2.3 启发互动式教学，引导学生自身思考和探索

正确看待书中的数学，我们在学习的过程中会遇到勒让德、厄密和拉盖尔多项式，球谐、贝塞尔函数，甚至傅里叶变换、希尔伯特空间、厄密算符和格朗日函数[4]，学生对于数学物理方法中出现的这些函数心有余悸，因此在授课的过程中教师要采用中文进行讲解，避免烦琐的公式推导，而要把公式来历的思路讲清楚，并让学生学会应用。

在实际的课程实践教学中调整知识体系，将重点知识网罗全，还要敦促学生课后多练习。从实验现象入手，让学生对物理概念有一定认识，在此基础上，再进一步启发学生思考，例如讲黑体辐射，经典物理解释不了紫外灾难这个现象，普朗克将经典中能量的连续改为能量不连续，在数学中处理将积分改为求和，得到的理论结果与实验结果相吻合。

关于波函数和力学量算符的形式理论，采用线性代数表示，引用狄拉克的话来说，量子力学和相对论都是变换的理论[5]。因此，学生具有扎实的线性代数运算和变换对于掌握其中的物理思想和几何意义具有重要意义。

2.4 注重与经典物理知识的对比，加深学生对知识点的掌握

讲到微粒的波粒二象性，引导学生思考和总结大学物理中学过的经典的波、经典粒子的特点，并引导学生去理解微观世界中的粒子的两种常见的错误理解，并举例逐一批判从中总结出正确的理解方法。

尽管量子力学和经典物理的概念不同，但有许多概念是借鉴经典物理，比如束缚态的定义，力学量算符的表示形式、对易关系用泊松括号表示。

2.5 课内-课外、课堂-网络有效结合，促使学生探讨性学习

双语课程对学生也提出了新的要求，要求学生课前预习，掌握常见的英语词汇，尤其对“Probability”、“wave function”等经常出现的词汇重点掌握，课堂上认真听讲，做好笔记，课后要多练习，多和老师讨论，并针对自己感兴趣的前沿知识调研，撰写小论文等方式来加强对该门课程的理解。

同时双语课程也对授课老师提出新的要求，授课老师不仅要有扎实的物理知识，还要有熟练的中英文表述能力和解释专业词汇的技能，这样才能准确地用英语和汉语把《量子力学》中的概念、原理表述清楚，提高双语课堂教学的效率。在改善英语基础薄弱环节上地方院校引进了大量博士，对于专业性强的专业必修课《量子力学》的教学可由博士担任主讲教师。老师要在课堂善于启发学生，不搞满堂灌，留时间跟学生互动、讨论，课后认真地进行教学总结，改善教学方法，梳理好知识点，做好网络课程建设，将课内-课外、课堂-网络有效结合，促使学生探讨性学习。

3 课程建设

双语课程建设能够补充教材中内容方面的短板，丰富教材中知识点内容，拓宽学生的知识面。一方面，我们在超星学习通网站上发布与教材匹配的双语教案、双语教學讲义、双语PPT、双语教学视频、双语教学参考书、配套背景资料、章节学习重点和难点，使学生的学习具有系统性和针对性，并可补充由于课堂上没理解内容带来的学习困惑。另一方面，我们通过建立双语教学群的方式让学生参与学习与讨论，并为学生答疑解惑。多种学习方式的综合应用，提高学生的学习效率，并缩短了学生之间知识水平的差距。具体规划如下：

3.1 教学改革

在课堂讲授中将多媒体教学和板书结合起来，还要将MOOC[6]、翻转课堂[7]等新的教学模式与双语教学有机融合，让学生用双语开展相关出现的概率、力学量算符测量平均值等讨论，这样将教师讲授与学生预习、讨论和兴趣自学有机地结合起来，同时对目前“三七制”的考试模式进行改革，使现有的教学方法得到改进，极大地提高学生的学习兴趣。

3.2 教学管理

（1）教师教学资料管理，包括：教学大纲、教案、考试试卷、成绩册的制定细则的制定。

（2）制定科学的、合理的评价教师教学水平的标准。这种评价标准要有利于教师在教学过程中能大胆地既教书又育人，大胆地重视素质教育。

4 教学效果

我们经常和学生讨论课堂内外遇到的困难，了解他们对课程的掌握情况。图1是蚌埠学院开设量子力学近四年的学生期末考试成绩，2014-2016级学生是中文授课，用的是格里菲斯所著教材的翻译版，2017级采用双语教学。从最终的教学效果上看，初修该课程的同学积极性得到了极大地调动，都能跟上教师课堂教学进度，还有学生对量子力学知识点和习题进行总结和整理，发现了教科书上部分内容表述模糊，相较于前三年用中文授课，双语课的出现给学生带来了新鲜感和压力，现在学生的出勤率和课前预习的比例慢慢增大，从期末考试成绩来看，他们对该课程的掌握是相当好的。

参考文献

[1]吴海娜，陈肖慧，张莉.浅谈本科物理专业热学双语教学的可行性[J].大学教育，2015（1）：166-167.

[2]李嵩松.地方高校《量子力学》双语教学探讨[J].南昌师范学院学报， 2017，38（6）：8-10.

[3]David J. Griffiths， Introductiont to Quantum Mechanics [M]. 北京：机械工业出版社， 2007.

[4]曾謹言著， 量子力学教程（第二版）[M].北京：科学出版社， 2008.

[5]凌东波，明燚.量子力学双语教学实践[J].巢湖学院学报，2011，13（3）：132-134.

[6]袁松鹤，刘选.中国大学MOOC 实践现状及共有问题[J].现代远程教育研究，2014（4）：3-22.

[7]郑瑞强，卢宇.高校翻转课堂教学模式优化设计与实践反思[J].高校教育管理，2017，11（1）：97-103.