“量子力學(xué)”課程信息化教學(xué)改革研究與實(shí)踐

周如龍 李冬冬 屈冰雁

[摘 要] “量子力學(xué)”課程是材料物理專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其理論性強(qiáng)、學(xué)習(xí)難度大的特點(diǎn)，使得課程教學(xué)很難達(dá)到滿意效果。結(jié)合學(xué)校材料物理專業(yè)“量子力學(xué)”課程教學(xué)實(shí)際，對(duì)該課程教學(xué)中存在的問題進(jìn)行分析。針對(duì)問題，從考核評(píng)價(jià)方式、教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)方法改革等方面進(jìn)行研究，結(jié)合信息化教學(xué)工具進(jìn)行改革實(shí)踐，取得了明顯的效果。本課程的信息化教學(xué)改革研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于本專業(yè)及相關(guān)專業(yè)其他課程的教學(xué)具有重要的借鑒和推廣價(jià)值。

[關(guān)鍵詞] 量子力學(xué);信息化;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法

[基金項(xiàng)目] 2019年度合肥工業(yè)大學(xué)信息化教學(xué)改革示范項(xiàng)目（KCXX1906）;2020年度合肥工業(yè)大學(xué)線上線下混合式“金課”示范項(xiàng)目（KCJK2001）;2020年度安徽省教育廳項(xiàng)目“‘量子力學(xué)1線上線下混合式和社會(huì)實(shí)踐課程（2020xsxxkc339）

[作者簡介] 周如龍（1977—），男，安徽鳳陽人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授（通信作者），主要從事材料計(jì)算與模擬研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）38-0050-04? ? [收稿日期] 2021-03-01

一、引言

量子力學(xué)是現(xiàn)代物理科學(xué)和材料科學(xué)的基石，量子力學(xué)原理是解釋微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本原理，是理解材料微觀結(jié)構(gòu)和眾多物理化學(xué)性能的基礎(chǔ)，因此“量子力學(xué)”課程已成為物理、材料學(xué)科相關(guān)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程[1，2]。本校材料物理專業(yè)高度重視學(xué)生量子力學(xué)基本原理的學(xué)習(xí)，將“量子力學(xué)”課程作為本專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，它為本專業(yè)后續(xù)的核心課程“固體物理學(xué)”和“半導(dǎo)體物理學(xué)”，以及后續(xù)專業(yè)特色選修課程（如“光電材料與器件”“半導(dǎo)體材料與器件”“太陽能電池材料與技術(shù)”等）奠定基礎(chǔ)。鑒于課程的重要性，本課程的教學(xué)要求較高。通過這門課的學(xué)習(xí)，學(xué)生要比較扎實(shí)地掌握量子力學(xué)的基本原理，并能夠利用量子力學(xué)基本原理分析和解決具體的問題。

“量子力學(xué)”課程顯著不同于其他物理類課程。量子力學(xué)概念和原理顯著不同于經(jīng)典物理學(xué)，甚至看似有悖于經(jīng)典物理學(xué)的基本原理，因而初學(xué)者學(xué)習(xí)難度很大，理解和掌握較為困難。“量子力學(xué)”課程中公式推導(dǎo)很多，教師在授課過程中往往把大部分時(shí)間用在講解公式推導(dǎo)過程而忽略概念和基本原理的分析、理解，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)也抓不住重點(diǎn)，容易發(fā)生只重視計(jì)算而忽略基本原理理解的錯(cuò)誤。該課程運(yùn)用到較多的數(shù)學(xué)，而且變化靈活，對(duì)于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差的學(xué)生，學(xué)習(xí)難度極大。因此，如何讓學(xué)生更好地理解和掌握量子力學(xué)的基本概念和基本原理，一直是本課程教學(xué)的難點(diǎn)，改革課程教學(xué)方法和教學(xué)模式勢在必行。近年來，各校教師對(duì)量子力學(xué)課程的教學(xué)改革進(jìn)行了有益的嘗試[3-8]，如以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式、案例式教學(xué)模式、專題討論式教學(xué)模式等。本文基于多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)量子力學(xué)教學(xué)中存在的問題，采取了針對(duì)性的改革措施，充分利用信息化教學(xué)工具進(jìn)行教學(xué)改革，取得了明顯的效果。

二、“量子力學(xué)”課程教學(xué)中存在的問題

根據(jù)筆者多年來“量子力學(xué)”課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，本課程主要存在以下影響教學(xué)效果的問題。

（一）學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)方法不適用于該課程的學(xué)習(xí)

該課程是本校材料物理專業(yè)最早學(xué)習(xí)的專業(yè)課程之一，在大三學(xué)年第一學(xué)期開設(shè)。學(xué)生在前兩年主要學(xué)習(xí)公共基礎(chǔ)課程，學(xué)習(xí)任務(wù)比較輕，很多學(xué)生養(yǎng)成了非常不好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，主要表現(xiàn)為平時(shí)投入學(xué)習(xí)時(shí)間很少，考前突擊;沒有自主學(xué)習(xí)習(xí)慣或自主學(xué)習(xí)能力差;上課沒有記筆記的習(xí)慣，作業(yè)抄襲;只會(huì)死記硬背，缺乏獨(dú)立思考。而“量子力學(xué)”課程難度大，前后知識(shí)聯(lián)系緊密，需要平時(shí)投入足夠精力自主學(xué)習(xí)，因此，要讓學(xué)生學(xué)好該課程，首先需要解決學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)方法上的問題。

（二）傳統(tǒng)的教學(xué)模式不能滿足該課程的教學(xué)要求

長期以來，大學(xué)課程教學(xué)基本上采用灌輸式教學(xué)方式，教師在課堂上從頭講到尾，努力把要學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)講清楚，而不關(guān)心學(xué)生是否在認(rèn)真聽講、是否理解了教師講解的內(nèi)容、是否做到了融會(huì)貫通。“量子力學(xué)”課程難度極大，概念極難理解，計(jì)算非常靈活，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)好的學(xué)生學(xué)習(xí)該課程仍然存在很大困難，如果不及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，可能會(huì)導(dǎo)致大部分學(xué)生達(dá)不到課程要求的情況。因此，需要對(duì)傳統(tǒng)的“滿堂灌”教學(xué)模式進(jìn)行改革，多采用引導(dǎo)和啟發(fā)式的教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生多思考，教學(xué)過程中需要實(shí)時(shí)關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，根據(jù)學(xué)生掌握情況調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進(jìn)度。

（三）學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差，理解公式推導(dǎo)和復(fù)雜的計(jì)算有困難

“量子力學(xué)”教材中存在大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，這些公式推導(dǎo)對(duì)于深入理解量子力學(xué)基本原理必不可少。然而，本專業(yè)的學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)比較薄弱，“量子力學(xué)”中經(jīng)常用到的一些數(shù)學(xué)知識(shí)（比如傅里葉變換、冪級(jí)數(shù)、分離變量法、δ函數(shù)等）掌握較差，學(xué)習(xí)量子力學(xué)課程很困難。因此，需要改革教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)過程中應(yīng)避免過多的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，做到基本概念和基本原理的講解與公式推導(dǎo)和計(jì)算的更好結(jié)合。

（四）課程理論性太強(qiáng)，學(xué)生不了解課程用途，對(duì)課程學(xué)習(xí)重視不夠

該課程概念抽象，公式多，理論性比較強(qiáng)，大部分量子力學(xué)教材主要講解量子力學(xué)的基本原理，很少涉及量子力學(xué)的具體應(yīng)用。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不清楚為什么要學(xué)習(xí)這門課，因而學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，一旦遇到困難就會(huì)產(chǎn)生放棄的念頭。因此，在教學(xué)過程中，需要結(jié)合具體應(yīng)用案例講解量子力學(xué)基本原理，讓學(xué)生感知量子力學(xué)基本原理對(duì)于后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)以及將來的工作和深造有重要作用。

三、基于信息化教學(xué)手段的“量子力學(xué)”課程教學(xué)改革實(shí)踐

針對(duì)以上問題，我們在“量子力學(xué)”課程教學(xué)過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，積極采用信息化教學(xué)工具，探索更適合本課程的教學(xué)模式和教學(xué)方法，從教學(xué)內(nèi)容、考核方式、教學(xué)方法等方面對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行全方位改革。