基于“PBL教學法”的量子力學課程的教學改革初探

劉 蓉 侯宏錄

（西安工業大學光電工程學院，陜西 西安 710021）

量子力學與相對論的提出，被稱為20世紀物理學的兩個劃時代的里程碑。特別是量子力學的創立，揭示了微觀物質世界中物質屬性及其運動規律，造就了20世紀人類科學技術的輝煌，推動了原子能技術、航天航空技術、電子技術等方面的發展，并開辟了光子技術的誕生之路，將人類社會推進了信息時代。通過量子力學課程的學習，可使學生掌握量子力學的基本概念和基本理論，具有利用理論知識分析和解決實際問題的能力。量子力學課程的突出特點是理論性強、抽象難懂，在課程教學中需要特別把握好這些抽象理論知識的“入門教育”，把握得當，會達到事半功倍的效果。

根據《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》的文件精神，提高質量是高等教育發展的核心任務，是建設高等教育強國的基本要求。應適應經濟社會發展和科技進步的要求，推進課程改革，提高課堂教學質量，充分調動學生學習積極性和主動性，提高學生的創新意識和創新能力。因此，在近幾年量子力學課程的教學改革實踐中，針對量子力學教學中出現的學生自主學習熱情不高的現狀，結合量子力學的課程特點，立足于提高學生學習積極性和培養學生科學探索精神及創新能力，提出了基于 “PBL教學法”，即基于問題學習（Problem-Based Learning）、以學生為主體的量子力學課程教學改革的研究，摸索出一套行之有效的教學方案。

1 “PBL教學法”設計方案

“PBL教學法”是一種基于問題學習的教學方法，將學習置于復雜的有意義的問題情境中，激勵學生積極探索隱含于問題背后的科學知識，實現知識體系的建構和轉化，同時鼓勵學生對學習內容展開討論、反思，教師則以提問的方式推進這一過程，最終使學生在一個螺旋式上升的良性循環過程中理解知識，實現學習的不斷延續，以促進學生解決問題、自主學習能力的發展，以及創新意識和創新能力的提高。具體設計模式如圖1所示。

圖1 “PBL”教學法設計模式框圖

與傳統教學方法相比，“PBL教學法”對教師備課和教學實施過程提出了更高要求。

1.1 PBL教師備課

（1）確定問題。問題是PBL的起點和焦點。問題的產生可以是學生自己在生活中發現的有意義、需要解決的實際問題，也可以是在教師的幫助指導下發現的問題，還可以是教師根據實際生活問題、學生認知水平、學習內容等相關方面提出的問題。

（2）提供豐富的教學資源。教學資源是實施PBL的根本保障。隨著網絡課程、精品課程體系的建設，教師可以利用網絡課程為學生解決問題提供多種媒體形式和豐富的教學資源。

（3）對學習成果提出要求，給學生提供一個明確的目標和必須達到的標準。

1.2 PBL教學實施

（1）學生分組。學生分組后，要讓每個小組清楚地知道自己所要承擔的任務，問題解決所要達到的目標，也要確定好小組內每個成員具體的任務分工。

（2）創設問題情境、呈現問題。布朗、科林斯等學者認為，認知是以情境為基礎的，發生在認知過程中的活動是學習的組成部分之一，通過創設問題情境可吸引學習者。

1.3 PBL案例分析

例如，在講到微觀粒子的波函數時，有學生認為波函數是經典物理學的波，也有學生認為波函數由全部粒子組成。這些問題的討論激發了學生的求知欲望，可以通過分組進行小組內討論，再將討論結果進行小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點進行評述和指正，實現學生對一些不易理解的量子概念和原理的深入理解。

2 用量子物理發展的淵源吸引學生

量子力學理論與學生長期以來接觸到的經典物理體系相距甚遠，尤其是處理問題的思路和手段與經典物理截然不同，但它們之間又不無關聯，許多量子力學中的基本概念和基本理論是類比經典物理中的相關內容得出的。因此，在量子力學教學中，一方面需要學生摒棄在經典物理學習中形成的固有觀念和認識；另一方面在學習某些基本概念和基本理論時，又要求學生建立起與經典物理之間的聯系以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導致學生在學習這門課程時困惑不堪。此外，這門課程理論性較強，眾多學生陷于煩瑣的數學推導之中，導致學習興趣缺失。教學實踐證明，針對以上教學中發現的問題，應特別注意用學科理論自身的魅力吸引學生，通過盡可能還原量子力學早期的發展過程，讓學生自己去體會量子力學的基本概念是如何建立并逐步完善的，最大限度地激發學生學習本課程的熱情，也有助于學生深入理解教學內容。

3 抽象理論形象化,與學生深入探討

量子力學課程的突出特點是抽象難懂，對此我們進行了探索。例如在量子力學教學中，“任何實物粒子都具有波粒二象性”是教學中的難點和重點。如何理解波粒二象性？我們可以先從光的波粒二象性入手,通過“光電效應”實驗引出問題，通過總結光電效應實驗的特點，發現與經典理論之間的嚴重矛盾，并通過諸多矛盾引出了愛因斯坦的光量子理論和光電方程，進而深入探討光的本性和實質。隨著內容的深入,我們可以進一步提出：波粒二象性是光子和一切實物粒子的共同本質，而且波動性和粒子性這兩方面必有某種關系相聯系。并順理成章的指出物質波的概念和德布羅意關系式，從最基本的假定出發作出類比推理，理論的獨創性給人深刻的印象。

在此，還可以以學生的口吻提出兩個問題。

問題1）物質粒子既然是波，為什么人們在過去長期實踐中把它們看成經典粒子并沒有犯什么錯誤？

我們可以通過實物粒子子彈的德布羅意波長的求解找到答案,這是由于普朗克常數h是個小量，一般實物粒子的德布羅意波長λ=h/p很短,短到可以忽略不計。

問題2）在什么情況下可以近似的用經典理論來處理問題？在什么情況下又必須顧及運動粒子的波粒二象性？

進而作出解答,一般來說，當運動粒子的德布羅意波長遠小于該粒子本身的尺寸時，可以近似的用經典理論來處理；否則，需要用量子理論來處理。

這種層層深入,帶著問題尋找答案的教學方法符合邏輯思維,學生很容易接受,將抽象而復雜的問題形象化、簡單化。

4 聯系量子力學的未來發展激發學生求知的渴望

盡管量子力學是以微觀世界為研究對象，但它對我們日常生活的影響卻非常大。例如,在當今科學界還提出了量子通信的新概念,是實現完全保密的最佳通信方式,直接導致引領現今量子信息理論和研究的熱潮，代表著21世紀信息技術革命—量子通信技術的發展方向。教師可以鼓勵學生對與量子力學緊密相關的實際應用技術進行調研，打消學生學習量子力學“無用化”的顧慮，激發學生自主學習的熱情。

5 結束語

近幾年，針對量子力學教學中出現的實際問題，結合量子力學的課程特點，我們提出了基于“PBL教學法”的量子力學課程教學改革的研究，取得了一些成效，對于理論性較強的其他課程也具有較強的理論指導意義和推廣應用價值。

［1］國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)[R].2010.

［2］曾謹言.量子力學：卷 1[M].2 版.北京：科學出版社,1997：235-278.

［3］鄒艷.淺談量子力學的教學改革[J].物理與工程,2009,19(4)：40-41.

［4］趙凱華,歲蔚茜.量子物理[M].北京：高等教育出版社,2001：30-45.

［5］范洪義.從量子力學到量子光學—數理進展[M].上海：上海交通人學出版社,2005：50-55.