量子力學課程的線上網(wǎng)絡教學探索

潘桂俠 王兵 肖瑞杰

摘要：量子力學是研究微觀物質世界的一門重要學科。對于學生而言，量子力學知識抽象，難以理解;對于教師教學而言，概念復雜，難以表述。如何高效地進行量子力學教學一直是值得探索的課題，尤其是在線上進行量子力學教學更是值得深思。論文探討了量子力學線上網(wǎng)絡教學相較于傳統(tǒng)教學在教學組織模式上的改變，教學方法上的改變并對提升教學成效進行了有益探索。

關鍵詞：量子力學;在線教學;教學探索

1.引言

量子力學研究的是微觀粒子運動學規(guī)律，是20世界20年代新發(fā)展起來的一門學科[1]。眾所周知，學生從初中就會接觸物理，學習力學、熱學、光學、電磁學的基礎知識，到了高中、大學，這幾個方面又重新學習了一遍，但難度明顯提高了。例如，在講解運動學規(guī)律時，初中講解的是勻速直線運動，而高中講解的就是勻變速運動，到了大學，學習利用微分求解物體在任意時刻的速度，顯然大學知識更加接近現(xiàn)實生活。如果說初中、高中是解決“是什么”的問題，那么大學更注重的是“為什么”的問題。

總之，學生對于力學、熱學、光學、電磁學的知識并不陌生，從初中到大學是一個由淺入深的過程。而量子力學對于本科生來說是一門全新的學科，研究的是微觀世界的規(guī)律，看不見摸不著，物理概念非常抽象，公式推導比較復雜，同時需要扎實的數(shù)學功底。實際教學中，學生時常會出現(xiàn)似懂非懂的情況。2020年初，新冠疫情爆發(fā)后，我們將量子力學教學從線下課堂轉換到線上，對量子力學線上網(wǎng)絡教學進行了有益探索和實踐，并取得較好成效。

2.量子力學教學組織模式的改變

由于新冠疫情的突然爆發(fā)，全面推行線上教學，量子力學教學組織模式也由線下課堂教學轉變?yōu)榫€上網(wǎng)絡教學。對于量子力學這門本來就很新奇而抽象的專業(yè)課程而言，更是一次全新的嘗試和挑戰(zhàn)。從線下準備、線上實施兩個階段組織實施。在開課前線下準備期間，建立了QQ學習交流群，及時將線上網(wǎng)絡教學有關事項讓學生有所了解，做到“心中有數(shù)”;線上實施教學過程中，為了充分發(fā)揮線上教學的優(yōu)勢，在體驗了騰訊QQ分享屏幕、超星學習通、釘釘課堂、騰訊課堂等線上平臺以后，結合學生反饋意見，最終確定騰訊課堂與超星學習通兩個平臺相互結合、互為備份的組織模式，取得很好的教學效果。線上教學不同于線下教學，為了保證出勤率，提高教學質量，在上課前一天，先在QQ群里提醒學生第二天的課，在上課前半小時會再次提醒學生進入線上教學平臺[2]，做到“全程管控”。

3.量子力學教學方法的改變

根據(jù)量子力學學科的特點，內容抽象難懂，公式推導過程復雜，充分發(fā)揮線上教學的優(yōu)勢，PPT非常直觀清晰，視覺沖擊力比較強，能夠大大節(jié)省公式推導的時間，可以全局把控整體概念。以量子力學發(fā)展簡史以及重難點概念的講解為例，首先讓學生對量子力學課程感興趣。當前，正是量子科學發(fā)展最好的時代，我們迎來了歷史性發(fā)展機遇，緊跟時代研究前沿，結合量子力學在現(xiàn)代社會發(fā)展的應用，介紹量子力學發(fā)展簡史。在十九世紀末期，經典物理學在發(fā)展比較完善的同時，也面臨著一些無法解釋的現(xiàn)象，如黑體輻射、光電效應、原子的線狀光譜等[3]。重點講解這些現(xiàn)象以及最后利用量子觀念成功解釋這些困難的相關人物事跡，會更加激發(fā)學生學習量子力學的興趣。例如在1900年，普朗克首次提出了“能量子”的概念，完美地解釋了黑體輻射問題[4]。而關于普朗克，搜集了很多關于他從事理論物理研究的趣事，大大激發(fā)了學生學習量子力學的興趣。其余現(xiàn)象與人物也可以作類似處理。講解完量子力學發(fā)展簡史后，從整體上把握量子力學這本書，介紹量子力學的產生過程以及一些全新的概念。在量子力學中，用波函數(shù)描述微觀粒子所處的狀態(tài)，用算符描述坐標、動量、能量等力學量，用薛定諤方程描述粒子遵循的運動規(guī)律。講清這些基本概念之后，介紹力學量在不同表象中的表示以及求解薛定諤方程。

4.提高量子力學教學效果

線上教學存在較大的距離障礙，如何有效確保教學效果，需要多措并舉，形成合力。例如，在網(wǎng)絡質量等客觀條件容許的情況下，盡可能多地讓學生參與教學活動。課堂上可以不定時隨機請學生表達自己對學習內容的看法，也可以圍繞某一問題，組織學生進行線上討論，進一步激發(fā)學生對量子力學的學習興趣，有效提高學生思考、解決問題的能力。課后要充分利用線上網(wǎng)絡載體平臺分發(fā)思考題，老師及時評閱，可以通過QQ、微信等即時交流工具隨時解疑釋惑。

5.結束語

新冠疫情的突然到來，我們嘗試了全時段的線上網(wǎng)絡量子力學教學。為有效組織好線上教學，激發(fā)學生學習興趣，充分利用線上教學資源，我們采取了多種措施。這些方法措施的實踐也為我們傳統(tǒng)課堂教學豐富了形式、拓展了空間。當前，量子科技發(fā)展突飛猛進，成為新一輪科技革命和產業(yè)革命的前沿領域。量子力學以其特殊的理論地位成為量子科技發(fā)展的重要基礎性學科之一。作為量子力學課程的教學工作者，我們要不斷總結經驗，不斷豐富教學形式，努力提升教學成效。

參考文獻：

[1]周世勛.量子力學教程（第二版）[M].高等教育出版社，2008.

[2]易志軍，段秀銘.面向工科學生的量力力學教學探討[J].時代教育，2016（5）.

[3]曾謹言.量子力學導論（第二版）[M].北京大學出版社，1998.

[4]張永德.量子力學[M].科學出版社，2002.

基金項目：安徽理工大學引進人才科研啟動基金，安徽省大學物理教學團隊（編號：2019jxtd046）支持項目，國家自然科學基金（編號：11704042）。

作者簡介：潘桂俠（1979-），女，漢族，安徽蕭縣人，副教授，博士，主要從事量子力學教學、量子信息與量子光學研究。

（1.安徽理工大學 安徽淮南;2.渤海大學 遼寧錦州）