量子力學課程中問題式教學法的構建與實施

蘇耀恒 王軍 陳愛民 程琳

摘 要：問題法教學模式是一種有效提高大學物理課程學習效果的新型教學改革模式。文章從實施意義、教學流程及實施原則三個方面，詳細討論在量子力學課程教學中如何有效地實施問題式教學法。該探討將有益于在量子力學課程中合理構建問題式教學法，充分發揮問題式教學法的教學優勢，切實提高量子力學課堂教學效果，提升學生自主學習與創新能力。

關鍵詞：問題式教學法；量子力學；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）08-0063-03

Abstract： The question-based teaching approach is a new teaching reform mode which can effectively improve the learning effect of university physics courses. This paper discusses how to effectively implement this approach in the teaching of quantum mechanics from three aspects of implementation meaning， teaching process and implementation principles. The study will be beneficial for the reasonable construction of question-based teaching approach in quantum mechanics， giving full play to the teaching advantage of this approach， effectively improving the teaching effect of quantum mechanics， and promoting students' independent learning and innovation ability.

Keywords： question-based teaching approach； quantum mechanics； teaching reform

量子力學是研究微觀粒子的運動規律的一門科學，而量子力學課程是物理專業學生的一門非常重要的專業基礎課和科學素質教育課。本科的量子力學課程較為系統地介紹了量子力學的發展和建立過程，主要從波動力學的角度介紹了微觀粒子的波粒二象性、描寫粒子狀態的具有統計意義波函數、刻畫粒子運動規律的薛定諤方程、粒子運動過程中各個力學量的測量以及微擾理論以及全同粒子等等。眾所周知，在物理專業的本科理論物理課程中，量子力學是最抽象深奧難學的一門。因為其中涉及的概念和日常生活常識相距甚遠，而且涉及的數學知識比較多，主要有高等數學、數學物理方法、線性代數等。量子力學概念抽象，計算復雜，遠離日常經驗，使其成為一門難學難教的課程[1]。學生通過對量子力學課程的學習，既為其他的專業課程的學習打下了必要的物理基礎，又培養了自身科學的世界觀，增強了分析問題和解決問題的能力，以及提升了自身的探索精神與創新意識等各個方面。毫不夸張的說，它在提升學生認知和學習能力方面，具有其他課程無法比擬的作用和優勢。然而，由于量子力學本身的理論性、抽象性，再加上現有學生基礎參差不齊，都導致傳統的物理教學模式遭遇到了很多困境。主要體現在學習興趣不濃、缺乏主動性與積極性、應用理論知識解決實際問題能力較差等幾個方面。因此，如何破解學生在學習量子力學的困境，對現有量子力學的教學模式進行改革顯得尤為必要。

問題式教學是近年來教學改革者廣泛研究與應用的一種教學改革模式[2]。它是一種以教師設置問題為出發點，以學生思考解決問題，教師重點講解與點撥，當堂訓練后達到掌握新知識的目的的新式教學法。問題式教學的雛形最早可以追溯到古希臘的蘇格拉底，而完整的理論由20世紀50年代美國著名教育學、心理學家布魯納正式提出。該模式通過教師對學生引導，以問題的設計和解決作為主線，對教學的重點和難點層層展開，形成循序漸進、遞進式深入的課堂教學結構。問題式教學法的核心在于，在教學過程中通過問題的提出，充分激發學生的探究欲望與學習興趣，調動學生學習的主動性和積極性。而且在問題的解決過程中，鼓勵學生進行理論與實際問題的聯系與對應，以培養和鍛煉學生應用理論知識解決實際問題的能力。鑒于以上原因，問題式教學模式已逐漸由傳統的醫學教學領域延伸至各類教學領域。

本文將從實施意義、教學流程及實施原則三個方面，詳細討論在量子力學課程教學中如何有效地實施問題式教學法。該探討將有益于在量子力學課程中合理構建問題導向的教學模式，深入挖掘問題式教學法的方法本質，充分發揮問題式教學法的教學優勢，切實提高量子力學教學效果，提升學生自主學習與創新能力。

一、量子力學教學中問題式教學法的實施意義

傳統的量子力學教學多以教師教授為主，其教學內容主要涉及量子力學的建立、微觀粒子的波粒二象性、波函數的統計解釋、薛定諤方程對實際問題的求解、量子力學中的力學量、微擾理論及全同粒子等內容，內容抽象繁雜，但課時較少。因此該課程對學生的自主性及學習方法的科學性要求較高。此外，相比于經典物理，量子力學更多地出現應用數學物理方法中的特殊函數來求解具體的數學問題，內容更加的抽象難懂，因此學生普遍反映學習效果不好。由于問題式教學法本身的開放性，很適合現在正在進行的旨在提高課堂教學效率，培養學生自主學習能力的課堂教學改革。鑒于問題式教學法的優勢和基本特點，若在量子力學中開展問題式教學，將在以下三個方面，展現出重要的意義：

（一）問題式教學能夠極大激發學生的學習興趣

愛因斯坦說過：“興趣是最好的老師。”人一旦對某事物有了濃厚的興趣，就會主動去求知、去探索、去實踐，并在求知、探索、實踐中產生愉快的情緒和體驗。而以“問題”切入新知識，是學生最喜聞樂見的方式。好奇與求知是人類的天性，學生帶著疑問去學習新知識，不僅很大程度上激發了學生的好奇心與求知欲，更為重要的是，問題的提出，讓學生提前了解新知識的用途，從而激發學生學習新知識的學習興趣。

（二）問題式教學能夠調動學生學習的主動性與積極性

比起被動的接收知識，學生更愿意享受自己尋找答案的樂趣。在問題式教學的過程中，提問是非常重要的一個環節，這給學生創造了一個參與知識獲取的機會。當問題被提出后，學生會為盡快解決所提出的問題，借助教科書、圖書館、網絡等各種手段收集相關知識，并加以分析和整理。在這整個過程中，學生處于主導地位，其主動性與積極性得以完全體現。當問題得到部分解決時，學生獲得的成就感又成為學生學習的正反饋，進一步調動其主動性與積極性，因此問題式教學將能在最大程度上促使其主動學習，改善學習效果。

（三）問題式教學能夠提升學生應用理論知識解決實際問題的能力

在量子力學中，由于多數時間在應用高級數學工具講解相應的物理規律與物理模型，學生很容易迷失到枯燥而繁瑣的數學之中而忽略其背后的物理，覺得與實際應用關聯較少。但如果在問題式教學法中合理設置問題，尤其是加入當前各領域研究比較熱門的具有實際應用意義的問題設計，將大大提升量子力學知識的實用性和趣味性。此外，解決此類實際問題，通常需要學生對實際問題進行抽象，并與所學理論知識進行對應，這也在很大程度上培養了學生應用書本知識解決實際問題的能力。

二、量子力學教學中問題式教學法的實施流程

最初的問題式教學法的實施主要分為兩大階段：問題的提出與解決。而在Benjamin等人的研究中則被細化為八個階段[3]。結合量子力學的教學實踐，為了方便操作，本文建議將量子力學教學中的問題式教學大致分為以下三個階段：

（一）問題的設計與提出

問題的設計是問題式教學的核心問題[4]。問題設計得是否合適將直接影響問題式教學法效果的好壞。問題的設計必須從量子力學的教學大綱出發，圍繞疑點和難點來設置問題，特別要對學生容易出錯的地方設疑，讓學生自己發現問題，并通過反復引導讓學生印象深刻對學到知識。在量子力學中，問題的設計既應強調知識性與趣味性，還應兼具實用性與開放性。例如，在講解微觀粒子的波粒二象性這一部分內容時，可以先回顧光的波粒二象性，再提出為什么電子等實物粒子作為微觀粒子卻不具有波動性，從而引出德布羅意關系，給出經典的輻射和粒子這兩類物體在微觀世界統一起來了，都具有了同樣的波粒二象性。此外，需要指出的是，如果對于不同專業的物理系學生講授量子力學課程，還可以根據專業的不同，設置不同的問題。例如，講述隧道效應這一內容時，對于電子類專業設置的問題是集成電路芯片的小型化帶來的問題，而對于應用專業則主要提問掃描隧道顯微鏡的應用。

問題的提出，通常是問題式教學法中較容易忽略的步驟。大多數教學法研究中，會將它與問題的設計混為一談，但其實問題的提出方式及時機對于問題式教學的效果也有較大的影響。量子力學中問題的提出方式及時機較為多樣，具體應依照問題的性質及所用知識的復雜程度來實施。例如，對于前文所提的微觀粒子的波粒二象性這類問題，應在課程開始時提出，這有利于提升學生的學習興趣。而對于綜合性問題，由于涉及到的知識較多，范圍較廣，應在鋪墊好了相應的知識點之后提出，這樣有利于降低問題的解決難度，保持學生的參與熱情，同時幫助學生更好更快地解決問題，從而達到問題式教學的教學目標。

（二）問題的分析與解決

提出問題以后，引導是問題式教學法的基本做法，也是新課程改革對課堂教學模式的基本要求，教師的講解是為了讓學生通過自己的思維活動，更深入地理解知識的內涵，而不是把自己的想法和知識強加給學生。因此，問題的解決過程中主要分為問題的分析和解決兩個步驟。

問題的分析主要是指在具體的問題式教學中，對問題的定義、抽象及相應理論知識的對應。由于學生在量子力學課程之初，受經典物理多年學習所導致的思維束縛，這方面能力較為缺乏，建議以教師為主導。例如，在講解一維無限深勢阱時，教師可以先設置經典的小球在深井里邊運動的問題，再過渡到微觀粒子在勢阱中的運動問題。但由于學生可能由于初次面對真實的物理過程不知道如何著手，這時就需要教師對其過程加以抽象，選取合適的坐標系，寫出每一個區域內的勢能表達式，指導學生運用定態薛定諤方程來解決問題。在這個過程中，教師應循循善誘，盡快幫助學生熟悉抽象實際過程形成物理圖像的思路與技巧，最終使學生具有自主分析問題的能力。

在問題式教學法中，問題的解決階段需要以學生為主導，要求學生從各方面收集信息，推導相關理論，從而使得問題得以解決。在這一階段中，學生不僅需要主動地整合各方面信息，還將應用所學理論解決實際問題，既在該過程完善了理論知識的學習，又鍛煉了分析與解決實際問題的能力。需要注意的是，教師在該階段應充分給予學生選擇解決方案的自主權，在課時允許的前提下，放手讓學生去嘗試，學生在不斷的嘗試過程中，才會深入體會相關理論的奧妙所在。

（三）問題的評價與拓展

在傳統的問題式教學法中，通常并不包含問題的評價與拓展。然而，通過多年的量子力學教學實踐我們了解到，做好問題的評價與拓展，完成問題式教學法的閉環，能極大程度上提升教學改革的效果[5]。當學生解決完問題之后，回歸課本知識，學生在教師的引導下，將會對知識進行重新認識，這樣學生對知識的理解與應用就會變得更加地深入。此外，對問題的解決方案進行拓展，把對一個具體問題的解決思路推廣到某一類問題，并對實際問題進行創新式解決，這勢必將大大提升學生的自主創新能力。例如，在講解勢壘貫穿問題時，提出掃描隧道顯微鏡是如何工作的問題，帶學生對利用隧道效應知識清楚解釋該問題之后，將思路推廣到介觀量子干涉儀中，并讓學生嘗試用勢壘貫穿的有關概念解決電流在其中的流動問題，不但可以讓學生對相關的概念理解地更深刻，還能達到培養學生自主學習及創新的能力的目的。

三、量子力學教學中問題式教學法的重要原則

作為一種新穎的量子力學教學改革模式，問題式教學法除了按照上述三個階段分步進行開展，在具體的實施中，為保證教學效果，還需遵循以下基本原則：

（一）問題應符合教學內容與目標

在量子力學課程中開展問題式教學，應特別注意所提問題應符合教學內容與目標。我們需要注意到，問題式教學法是為了達到特定的教學目標而建立的一種教學方法和手段，是一種為了教學服務的教學工具。因此所提出的問題必須與教學內容密切相關，圍繞某一部分主要內容進行展開。同時也必須將問題的設計與教學目標緊密結合，不能將二者人為地分離，尤其是不能將問題設置的過大過空，否則問題式教學法將失去實際意義。這就要求講授者應十分熟悉量子力學的教學內容，了解每一章節的培養目標，在設計問題時能將量子力學的教學內容隱藏于問題中，使相應內容能夠在問題解決的過程中，逐漸被學生所探索、認知和掌握。

（二）強調教師與學生之間互動性

相比于傳統的以教師講解為主的“填鴨式”教學模式，問題式教學法更加強調學生在學習過程中所起到的主動作用。尤其是在問題的分析與解決階段，學生應充分發揮自身的主觀能動性，積極收集相關知識，應用所學解決實際問題。但這并不意味著教師在該階段可以放任不管。相反，教師應該把握全局，做好引導工作，指導學生從正確的角度進行認知。需要指出的是，教師應清晰認識自身在問題式教學中所處的地位，了解到自己在其中所扮演的角色是導師，絕不可越俎代庖，替代學生給出具體問題解決辦法。

（三）兼顧問題的直觀性與復雜性

相比于抽象的問題，學生更加容易接受直觀性強的問題。因此，在實際的問題式教學中，應運用生動形象的語言給學生描述真實的工作場景中的問題，從而提升學生對問題的興趣，增強學生的認同感，延長學生對所學知識的記憶時間，促使學生進行更深層次的學習。此外，為了培養學生解決復雜問題的能力，在問題式教學的過程中，可以適當加入一些綜合性的問題，這樣將不僅有利于鍛煉學生層層解決問題的能力，有利于提升學生綜合能力的，還能培養學生通過團隊協作來解決問題的能力。但需注意的是，問題越復雜，所需考慮的背景知識就越大，教師應該對其心中有數，合理把控問題的難度，保護學生學習的積極性。

總之，在量子力學教學中，只有正確認識問題式教學法實施意義，合理安排問題式教學法教學流程，遵循問題式教學法基本原則，才能充分發揮問題式教學法的教學，切實提高量子力學的學習效果，有效提升學生自主學習與創新能力。

參考文獻

[1]游善紅，王明湘.工科專業的量子力學教學方法探索[J].大學物理，2012（3）：60-61.

[2]高曉雁.問題式教學模式的創新與實施[J].中國高等教育， 2008（24）：43-44.

[3]Benjamin E M， Schneider M S， Hinchey K T. Implementing practice guidelines for diabetes care using problem-based learning. A prospective controlled trial using firm systems[J]. Diabetes Care，1999，22（10）：1672-8.

[4]俞曉明.精心設計問題提高大學物理教學質量[J].技術物理教學，2010（2）：23-24.

[5]李凌雁.對問題式學習模式的研究與探討[J].大同職業技術學院學報，2006（3）：47-50.