“量子力学”课程信息化教学改革研究与实践

周如龙 李冬冬 屈冰雁

[摘 要] “量子力学”课程是材料物理专业一门非常重要的专业基础课程，其理论性强、学习难度大的特点，使得课程教学很难达到满意效果。结合学校材料物理专业“量子力学”课程教学实际，对该课程教学中存在的问题进行分析。针对问题，从考核评价方式、教学内容优化、教学方法改革等方面进行研究，结合信息化教学工具进行改革实践，取得了明显的效果。本课程的信息化教学改革研究和实践经验，对于本专业及相关专业其他课程的教学具有重要的借鉴和推广价值。

[关键词] 量子力学;信息化;教学内容;教学方法

[基金项目] 2019年度合肥工业大学信息化教学改革示范项目（KCXX1906）;2020年度合肥工业大学线上线下混合式“金课”示范项目（KCJK2001）;2020年度安徽省教育厅项目“‘量子力学1线上线下混合式和社会实践课程（2020xsxxkc339）

[作者简介] 周如龙（1977—），男，安徽凤阳人，博士，合肥工业大学材料科学与工程学院教授（通信作者），主要从事材料计算与模拟研究。

[中图分类号] G642.0     [文献标识码] A     [文章编号] 1674-9324（2021）38-0050-04    [收稿日期] 2021-03-01

一、引言

量子力学是现代物理科学和材料科学的基石，量子力学原理是解释微观粒子运动的基本原理，是理解材料微观结构和众多物理化学性能的基础，因此“量子力学”课程已成为物理、材料学科相关专业一门重要的专业基础课程[1，2]。本校材料物理专业高度重视学生量子力学基本原理的学习，将“量子力学”课程作为本专业重要的专业基础课程之一，它为本专业后续的核心课程“固体物理学”和“半导体物理学”，以及后续专业特色选修课程（如“光电材料与器件”“半导体材料与器件”“太阳能电池材料与技术”等）奠定基础。鉴于课程的重要性，本课程的教学要求较高。通过这门课的学习，学生要比较扎实地掌握量子力学的基本原理，并能够利用量子力学基本原理分析和解决具体的问题。

“量子力学”课程显著不同于其他物理类课程。量子力学概念和原理显著不同于经典物理学，甚至看似有悖于经典物理学的基本原理，因而初学者学习难度很大，理解和掌握较为困难。“量子力学”课程中公式推导很多，教师在授课过程中往往把大部分时间用在讲解公式推导过程而忽略概念和基本原理的分析、理解，学生学习时也抓不住重点，容易发生只重视计算而忽略基本原理理解的错误。该课程运用到较多的数学，而且变化灵活，对于数学基础较差的学生，学习难度极大。因此，如何让学生更好地理解和掌握量子力学的基本概念和基本原理，一直是本课程教学的难点，改革课程教学方法和教学模式势在必行。近年来，各校教师对量子力学课程的教学改革进行了有益的尝试[3-8]，如以问题为导向的教学模式、案例式教学模式、专题讨论式教学模式等。本文基于多年教学经验，针对量子力学教学中存在的问题，采取了针对性的改革措施，充分利用信息化教学工具进行教学改革，取得了明显的效果。

二、“量子力学”课程教学中存在的问题

根据笔者多年来“量子力学”课程教学经验，本课程主要存在以下影响教学效果的问题。

（一）学生的学习习惯和学习方法不适用于该课程的学习

该课程是本校材料物理专业最早学习的专业课程之一，在大三学年第一学期开设。学生在前两年主要学习公共基础课程，学习任务比较轻，很多学生养成了非常不好的学习习惯，主要表现为平时投入学习时间很少，考前突击;没有自主学习习惯或自主学习能力差;上课没有记笔记的习惯，作业抄袭;只会死记硬背，缺乏独立思考。而“量子力学”课程难度大，前后知识联系紧密，需要平时投入足够精力自主学习，因此，要让学生学好该课程，首先需要解决学生学习态度和学习方法上的问题。

（二）传统的教学模式不能满足该课程的教学要求

长期以来，大学课程教学基本上采用灌输式教学方式，教师在课堂上从头讲到尾，努力把要学生学习的知识讲清楚，而不关心学生是否在认真听讲、是否理解了教师讲解的内容、是否做到了融会贯通。“量子力学”课程难度极大，概念极难理解，计算非常灵活，学习基础好的学生学习该课程仍然存在很大困难，如果不及时了解学生的学习状态，可能会导致大部分学生达不到课程要求的情况。因此，需要对传统的“满堂灌”教学模式进行改革，多采用引导和启发式的教学方法引导学生多思考，教学过程中需要实时关注学生的学习状态，根据学生掌握情况调整教学内容和教学进度。

（三）学生的数学基础较差，理解公式推导和复杂的计算有困难

“量子力学”教材中存在大量的数学公式推导，这些公式推导对于深入理解量子力学基本原理必不可少。然而，本专业的学生数学基础相对比较薄弱，“量子力学”中经常用到的一些数学知识（比如傅里叶变换、幂级数、分离变量法、δ函数等）掌握较差，学习量子力学课程很困难。因此，需要改革教学内容，教学过程中应避免过多的数学推导，做到基本概念和基本原理的讲解与公式推导和计算的更好结合。

（四）课程理论性太强，学生不了解课程用途，对课程学习重视不够

该课程概念抽象，公式多，理论性比较强，大部分量子力学教材主要讲解量子力学的基本原理，很少涉及量子力學的具体应用。学生在学习过程中不清楚为什么要学习这门课，因而学习动力不足，一旦遇到困难就会产生放弃的念头。因此，在教学过程中，需要结合具体应用案例讲解量子力学基本原理，让学生感知量子力学基本原理对于后续专业课程学习以及将来的工作和深造有重要作用。

三、基于信息化教学手段的“量子力学”课程教学改革实践

针对以上问题，我们在“量子力学”课程教学过程中不断总结经验，积极采用信息化教学工具，探索更适合本课程的教学模式和教学方法，从教学内容、考核方式、教学方法等方面对课程教学进行全方位改革。