量子力學教學改革探討

程緒信 李曉霞 趙肇雄

【摘要】量子力學是物理學專業的核心課程之一，也是其他課程的基礎。本文指出了在量子力學教學過程中存在的一些問題，分析了這些問題的原因，提出了在教學過程中要發揮學生的自主學習能力和合理地安排教學內容，闡述了問題導向教學方式，以及探討引入慕課和翻轉課堂教學模式來進行教學，從而激發學生的主動性、積極性和學習興趣，培養出高素質的復合型人才。

【關鍵詞】教學改革 教學方法 量子力學

【基金項目】肇慶學院質量工程項目“量子力學多層次立體教學改革與探討”（ZLGC201404）。

【中圖分類號】G42 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）04-0149-02

量子力學是物理學專業核心課程之一，是學習“固體物理”、“天體物理”、“粒子物理學”、“材料物理”和“量子信息”等課程的基礎[1-3]。它是反映微觀粒子運動規律的一門學科，與相對論一起稱為20世紀自然科學的兩大重大進展。通過本課程的學習，學生可以弄清微觀粒子運動的基本屬性，掌握微觀粒子運動的基本原理和一些重要的研究方法，具有解決和分析具體問題的能力。然而，這門課是屬于物理學專業的四大力學之一，其理論推導過程很多，要求學生具有較強的推理功底，而且一些理論知識很抽象，所以學生對一些問題很難理解地非常透徹。從專業培養計劃中我們可以知道這門課是屬于一門專業必修課，同時也是物理專業的基礎理論課程，只有學透了它，才能更好地學習后續的課程。為了更好地完成教學任務和達到預期的培養目標，我們應以教學大綱為基礎，不斷地激發學生的學習興趣，系統地理解和掌握本課程的重點知識和內容，滿足社會對該專業人才的需求，培養出出色的高水平專業人才和解決問題的能力。在實際的教學經歷和過程中作者發現了一些量子力學教學問題，深入地分析問題，通過改進教學方法和模式可以使教學效果和質量達到最佳。

一、量子力學課程教學中存在的問題

量子力學是物理學以及其他工科專業的基礎課程之一，這門課是比較偏理論性的一門課，在書中有些物理概念和原理是很難理解的并且很抽象。首先，從認識角度來看，人們對普通物理學對事物的認識可視為感性認識，而對于量子力學的認識就應該上升為理性認識[4]。在經典物理中體系狀態的力學量由運動方程來確定，而在量子力學中體系狀態的物理量無法求出確定的值，只能測得該物理量在空間某處出現的幾率。初學者很容易受到經典思維的影響和束縛，因而在學習量子力學時就感到很吃力。其次，在與學生交流互動的過程中我發現很多學生都反映量子力學的公式多和推導難，這就說明大家的數理基礎不夠扎實。因此，在學習量子力學之前我們應該先學好高等數學、普通物理學、理論力學、原子物理學和數學物理方法等課程，尤其是我們要熟練地掌握一些微分方程的求解方法。再次，目前高校倡導素質教學和應用型人才培養，一些理論課的課時被不斷地壓縮，而它的教學內容基本不變，這就形成了學時少和教學內容多的矛盾。為了保持教學內容的完整性和系統性，一些知識點就無法深入地講解，而學生也難以理解透徹，這就導致了教與學都難的境地。另外，量子力學的教學模式比較陳舊，老師一般采用傳統的教學方法，學生只能被動地接收，師生無交流與互動，再加上語言表達很嚴謹，因而無法激發學生的積極性。還有，量子力學的考核方式過于單一，學生只偏重于課本理論知識的學習，而忽視了理論應用于實踐能力的培養，難以培養出高素質的復合型人才。

二、教學方法與模式改革

為了解決上述量子力學教學問題，我們必須要改進教學方法，從而提高教學質量。

1.發揮學生自主學習能力

在量子力學的教學過程中我們要鼓勵學生自主學習，善于思考問題、樂于解決問題。首先，預習課文時學生要理解一些物理概念和基本原理的推導過程，掌握重點和難點知識。此外，我們還可以在網上看國家精品課程的講課視頻。其次，課后學生應當及時地復習、認真地完成作業、做好課后習題和多向老師請教。

2.合理安排教學內容，改進教學方法

量子力學的內容是很難的，北京大學的學生都覺得“量子力學不講理”和“量子力學是從天上掉下來的”[3]；而且它的課時也越來越少，因此我們要合理地安排教學內容。量子力學處處用到數學知識，如：求解薛定諤方程、微擾理論、態的表象和自旋等。由于課時有限，我們無法詳細地講解全部數學推導，因此我們采用簡化模型、極限分析等[5]方法注重對物理模型、物理概念和基本原理的剖析，而跳過一些簡單的數學推導。

3.堅持問題導向教學方式

首先，我們將某些章節內容分成幾個專題，再將學生也分成幾個小組，然后每個小組都必須選擇一個專題來學習和討論，他們可以學習課本，可以去圖書館查閱資料，也可以在網絡上查資料，接下來我們再讓大家進行分組講解。這就是問題導向研究性教學模式[6]。它可以激發學生的積極性和主動性。提高量子力學的學習效率和質量。其次，在教學過程中我們也要善于設計問題，引導學生帶著疑問去聽課，并且讓學生主動地回答問題。

4.采用多種教學模式

在量子力學的傳統教學模式下老師一般采用板書和講解相結合的教學模式，這種教學模式不能解決上述的問題，隨后我們又采用了多媒體教學模式，可以激發學生的學習興趣。但這兩種教學模式仍然是以教師為主，難以調動學生的學習主動性。因此我們又采用基于慕課的翻轉課堂教學模式。其中慕課（MOOC）是指大規模開放的在線課程，我們可以購買一些優秀的慕課資源；也可以組織老師自制慕課教學資料。基于這些慕課平臺學生可以利用課外時間來學習。而翻轉課堂是指重新調整課堂內外的時間，充分地激發學生的積極性，把學習的主動權交給學生。

5.物理學史與專業教學相結合

在教學過程中我們要適當地插入一點量子力學物理學史[4]和相關人物的介紹，調節一下課堂的氣氛，提高學生的學習興趣，增強他們的創新意識，重溫前人建立量子力學之路的經歷和艱辛，可以激勵大家更好地學好這門課。

6.理論聯系實際，引入量子信息前沿技術

近代物理實驗是學習量子力學理論的實驗基礎。我們先學量子力學的理論知識，再去做相關的近代物理實驗，這樣可以加深學生對課本理論知識的認識和理解。此外，隨著量子力學在信息技術領域的迅猛發展，目前量子信息技術已成為當今的前沿技術。如：量子密鑰、量子糾纏和量子計算等，這些量子力學前沿科技已成為當今研究的熱點之一。因此，在教學過程中我們也可以把科研融入到教學中，激發學生的學習興趣，提高教學質量。

三、結論

實踐教學表明，激發學生的自主學習能力是學好量子力學的前提，打好數學基本功是學好這門課的基礎，問題導向教學方式可以激發學生的積極性和主動性，讓學生善于帶著疑問去聽課，從而提高教學質量。此外，我們還闡述了基于慕課的翻轉課堂教學模式，這種以學生為中心的教學模式可以突破傳統教學模式的劣勢。而將物理學史和最新的量子力學前沿科研成果帶入到教學過程中也可以提高學生的學習興趣。

參考文獻：

[1]周世勛.量子力學教程（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]曾謹言.量子力學[M].北京：科學出版社，2000.

[3]曾謹言.量子力學教學與創新人才培養[J].物理教育，2009，29（7）：436-438.

[4]王祥高，秦松梅，顧運廳.物理學專業量子力學教學探討[J].廣西大學學報，2011，33（6）：253-254.

[5]金桂，黃小益，蔣純志，陳亞琦.量子力學教學方法探索與實踐[J].高等理科教育，2011，（6）：100-103.

[6]周萍.量子力學研究性教學[J].中國科教創新導刊，2011，（17）：89-90.

作者簡介：

程緒信（1980-），男，漢族，安徽廬江人，副教授，從事電子信息功能材料與器件研究。