《量子力學》雙語教學實踐和課程建設

屈蘇平 宮昊 蔡德歡 魯先洋 程榮龍

摘 要

量子力學是材料物理專業本科階段重要的課程之一。《量子力學》雙語課程的教學實踐和課程建設在蚌埠學院是一次有益的嘗試，在整個過程中，有許多的實踐經驗值得總結，并對進一步提高雙語教學質量提出了一些建議。

關鍵詞

雙語教學;經典類比;量子力學

中圖分類號： O413.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

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

1 開展《量子力學》課程雙語教學的必要性

《量子力學》課程是工科材料物理專業的一門非常重要的專業基礎課程[1]，是現代高技術、新材料的基礎，因此《量子力學》課程教學質量的好壞直接影響后續的課程的學習，如《固體物理學》、《半導體物理學》、《納米電子學》、《微電子技術》、《集成電路工藝原理》、《信息功能材料學》、《光電子學》等。提倡本科生閱讀并學習原汁原味的外國教材是時代的需求，而量子力學的大部分內容產生于二十世紀，量子力學方面的研究成果大部分是由外國物理學家們貢獻的[2]，因此利用英語學習和講授《量子力學》是一個很好的選擇。但是，由于中西方文化不同和地方院校英語基礎薄弱，直接開展英語課程教學，對師生來講存在很大挑戰。因此，利用中英結合的雙語教學開展《量子力學》的教學和課程建設顯得很有必要。

2 教學模式和手段的探索

2.1 采用的教材

選一本適合初學量子力學的本科生顯得尤為重要，D.avid J.Griffiths教授所著的Introduction to Quantum Mechanics是一本關于介紹量子力學概念和運算規則的基礎性教材[3]，該書作為“時代教育國外高校優秀教材精選”系列之一，內容涵蓋了量子力學的實驗基礎和基本概念等內容，適合初學者使用，是很有特色的一本教材。

2.2 正確看待理論課，穿插故事增加趣味性

量子力學乍一看好像是數學知識的疊加，學生一旦被數學公式嚇倒，就會對學習失去興趣。由于該課程內容涉及各個研究領域，因此授課教師可以結合量子力學在現代科技中的應用成果實例，激發學生的學習興趣。例如態疊加原理的量子糾纏應用到量子計算機和量子密碼術，有限深勢阱的知識應用到掃描隧道顯微鏡和原子鐘。

另外，讓學生和專業課程聯系起來，激發學生對《量子力學》學習的熱愛。本科階段學習的固體物理學中，弱周期性的勢能是能帶中的禁帶產生的原因，這正是簡并微擾論的結果。然而在實際的學習中，學生對于計算簡并微擾相關的應用把握不好，因此避免微擾論中的復雜數學計算，抽取其中蘊含的物理思想和實際價值對于學生后續課程學習很有受益。

2.3 啟發互動式教學，引導學生自身思考和探索

正確看待書中的數學，我們在學習的過程中會遇到勒讓德、厄密和拉蓋爾多項式，球諧、貝塞爾函數，甚至傅里葉變換、希爾伯特空間、厄密算符和格朗日函數[4]，學生對于數學物理方法中出現的這些函數心有余悸，因此在授課的過程中教師要采用中文進行講解，避免煩瑣的公式推導，而要把公式來歷的思路講清楚，并讓學生學會應用。

在實際的課程實踐教學中調整知識體系，將重點知識網羅全，還要敦促學生課后多練習。從實驗現象入手，讓學生對物理概念有一定認識，在此基礎上，再進一步啟發學生思考，例如講黑體輻射，經典物理解釋不了紫外災難這個現象，普朗克將經典中能量的連續改為能量不連續，在數學中處理將積分改為求和，得到的理論結果與實驗結果相吻合。

關于波函數和力學量算符的形式理論，采用線性代數表示，引用狄拉克的話來說，量子力學和相對論都是變換的理論[5]。因此，學生具有扎實的線性代數運算和變換對于掌握其中的物理思想和幾何意義具有重要意義。

2.4 注重與經典物理知識的對比，加深學生對知識點的掌握

講到微粒的波粒二象性，引導學生思考和總結大學物理中學過的經典的波、經典粒子的特點，并引導學生去理解微觀世界中的粒子的兩種常見的錯誤理解，并舉例逐一批判從中總結出正確的理解方法。

盡管量子力學和經典物理的概念不同，但有許多概念是借鑒經典物理，比如束縛態的定義，力學量算符的表示形式、對易關系用泊松括號表示。

2.5 課內-課外、課堂-網絡有效結合，促使學生探討性學習

雙語課程對學生也提出了新的要求，要求學生課前預習，掌握常見的英語詞匯，尤其對“Probability”、“wave function”等經常出現的詞匯重點掌握，課堂上認真聽講，做好筆記，課后要多練習，多和老師討論，并針對自己感興趣的前沿知識調研，撰寫小論文等方式來加強對該門課程的理解。

同時雙語課程也對授課老師提出新的要求，授課老師不僅要有扎實的物理知識，還要有熟練的中英文表述能力和解釋專業詞匯的技能，這樣才能準確地用英語和漢語把《量子力學》中的概念、原理表述清楚，提高雙語課堂教學的效率。在改善英語基礎薄弱環節上地方院校引進了大量博士，對于專業性強的專業必修課《量子力學》的教學可由博士擔任主講教師。老師要在課堂善于啟發學生，不搞滿堂灌，留時間跟學生互動、討論，課后認真地進行教學總結，改善教學方法，梳理好知識點，做好網絡課程建設，將課內-課外、課堂-網絡有效結合，促使學生探討性學習。

3 課程建設

雙語課程建設能夠補充教材中內容方面的短板，豐富教材中知識點內容，拓寬學生的知識面。一方面，我們在超星學習通網站上發布與教材匹配的雙語教案、雙語教學講義、雙語PPT、雙語教學視頻、雙語教學參考書、配套背景資料、章節學習重點和難點，使學生的學習具有系統性和針對性，并可補充由于課堂上沒理解內容帶來的學習困惑。另一方面，我們通過建立雙語教學群的方式讓學生參與學習與討論，并為學生答疑解惑。多種學習方式的綜合應用，提高學生的學習效率，并縮短了學生之間知識水平的差距。具體規劃如下：

3.1 教學改革

在課堂講授中將多媒體教學和板書結合起來，還要將MOOC[6]、翻轉課堂[7]等新的教學模式與雙語教學有機融合，讓學生用雙語開展相關出現的概率、力學量算符測量平均值等討論，這樣將教師講授與學生預習、討論和興趣自學有機地結合起來，同時對目前“三七制”的考試模式進行改革，使現有的教學方法得到改進，極大地提高學生的學習興趣。

3.2 教學管理

（1）教師教學資料管理，包括：教學大綱、教案、考試試卷、成績冊的制定細則的制定。

（2）制定科學的、合理的評價教師教學水平的標準。這種評價標準要有利于教師在教學過程中能大膽地既教書又育人，大膽地重視素質教育。

4 教學效果

我們經常和學生討論課堂內外遇到的困難，了解他們對課程的掌握情況。圖1是蚌埠學院開設量子力學近四年的學生期末考試成績，2014-2016級學生是中文授課，用的是格里菲斯所著教材的翻譯版，2017級采用雙語教學。從最終的教學效果上看，初修該課程的同學積極性得到了極大地調動，都能跟上教師課堂教學進度，還有學生對量子力學知識點和習題進行總結和整理，發現了教科書上部分內容表述模糊，相較于前三年用中文授課，雙語課的出現給學生帶來了新鮮感和壓力，現在學生的出勤率和課前預習的比例慢慢增大，從期末考試成績來看，他們對該課程的掌握是相當好的。

參考文獻

[1]吳海娜，陳肖慧，張莉.淺談本科物理專業熱學雙語教學的可行性[J].大學教育，2015（1）：166-167.

[2]李嵩松.地方高校《量子力學》雙語教學探討[J].南昌師范學院學報， 2017，38（6）：8-10.

[3]David J. Griffiths， Introductiont to Quantum Mechanics [M]. 北京：機械工業出版社， 2007.

[4]曾謹言著， 量子力學教程（第二版）[M].北京：科學出版社， 2008.

[5]凌東波，明燚.量子力學雙語教學實踐[J].巢湖學院學報，2011，13（3）：132-134.

[6]袁松鶴，劉選.中國大學MOOC 實踐現狀及共有問題[J].現代遠程教育研究，2014（4）：3-22.

[7]鄭瑞強，盧宇.高校翻轉課堂教學模式優化設計與實踐反思[J].高校教育管理，2017，11（1）：97-103.