計算機網絡條件下高等量子力學教學改革

摘要：隨著全球經濟的發展，科技創新的日益增長，如何培養研究生的創新意識和創新能力成為研究生教育的一個重要課題，本文結合我國現階段研究生教育的實際情況，針對高等量子力學的教學現狀，提出了相應的改革策略。

項目資助：南華大學2015研究生課程改革項目，2015JG019。

Higher quantum mechanics teaching reform under computer network conditions

Hu Ping

(University of south China institute of mathematical,Hunan Hengyang,421001)

Abstract：With the development of global economy, the increase of scientific and technological innovation, how to cultivate the graduate student's innovation consciousness and innovation ability become an important task of the postgraduate education, this paper combined with the actual situation of graduate education at the present stage in China, according to current situation of higher quantum mechanics teaching, puts forward the corresponding reform strategy.

Keywords：Higher quantum mechanics; The teaching reform; The graduate education

研究生教育是我國目前高等教育發展的一個重要方面，對提升整個民族的創新能力、提高國家的綜合國力，有著非常重要的意義。在目前全球經濟科技發展的形勢下，研究生教育肩負著培養高水平的研究人員和專業技術人員的社會使命，培養具有創新素質和實踐能力的復合型人才是研究生教育的根本任務。為實現我國建設成為創新型社會戰略目標，需要培養大量具備創新素質的人才，才能適應當今時代的巨大挑戰。

網絡教學是近幾年隨著互聯網的出現和發展隨之衍生出來的一種新型的上課的教學模式，目前，在很多高校都已經開始初步的實施并應用了。網絡教學是運用互聯網，使得課程的含量大大增加了，并且可以及時的更新教學中的一些信息，讓課堂更為高效。學生們也有一個相對于獨立的環境來接受知識，這讓網絡課程收到很多高校學子的一致青睞。隨著全球經濟的發展，科技創新的日益增長，如何培養研究生的創新意識和創新能力成為研究生教育的一個重要目標，為實現這一目標，急需進行教學改革。我校正處在由“教學型”向“教學研究型”大學的轉型關鍵時期，盡管研究生招生數量和培養質量都在逐年上升，但受到目前教學資源有限的束縛，教學資源主要分配給了本科生教育教學，而碩士研究生的教育資源則相對較為薄弱。為了提高研究生教育的質量，提高研究生科研、創新能力,應以抓好研究生課程教學作為切入點，深化教學內容改革，改變教學課堂教學方式，采用網絡教學方式，提高課堂教學質量。

目前教學改革主要是改善了教學方法簡單、手段單一、教學模式僵化等問題,，但是部分學校教學部門過分強調形式上的多樣性,忽略了不論是教學方法、教學手段還是教學模式，都是為了學生更好的學習服務這一基本宗旨，無法起到引導學生主動學習、培養學生創造性思維和全面發展的教學手段，多樣的形式也只僅流于表面,難以從根本上改變課堂教學 [1]。

自1978年國內恢復研究生招生制度以來，高等量子力學就被列為物理系各專業研究生必修的學位課程之一，同時高等量子力學也是報考博士研究生的考試科目之一，在原來本科階段《量子力學》的基礎上進行深化和拓展，主要是提供學生在后學研究工作中要用的一些知識和方法。量子理論使出理解關于圍觀問題的基礎理論，它已經成為解決物理學、生命科學、信息科學和材料科學等理論問題的關鍵。量子力學與20世紀以前經典物理理論完全不同的觀點，掀起了一場現代科學技術革命 [2]。到了21世紀，人類充分利用了相對論和量子力學的知識，使得生物、信息科技等多個領域都發生了巨大的變化。基于量子力學發展起來的高科技產業，如激光器、半導體芯片、墊支、電子通訊、電子顯微鏡、核能發電等，其產值在發達國家國民生產總值中所占比重超過40% [3]，足見量子力學對人類社會的貢獻。量子力學知識在目前全球信息化的時代中也體現出了替卓越的貢獻，利用量子密碼技術和量子信息技術實現信息傳遞、存儲、處理，使得人們對于信息和計算得思維方式發生根本的改變，可以說科學技術向高層次新領域發展的后果就是量子技術。

盡管量子力學的理論看起來非常玄妙，但是與我們的生活關系密切， 在整個科技發展中是非常重要的基礎理論。國內外大學無論是在本科教育還是研究生教育的過程中，物理學相關的地專業都開設了這門課程。學生更多的學習和理解相關這方面的知識，能為今后的工作和生活提供更為豐富的材料和經驗。對于物理專業的研究生來說，高等量子力學是一門非常重要的學科，同時也是一門比較難學的課程。而對于高校教師而言，量子力學的教學既是教學重點，也是一個教學難點，高等量子力學教學改革也是一個值得探討與研究的課題。

量子力學作為一門微觀物理課程，有著與經典物理學一個很明顯的差異：其中很多理論很難與日常生活和經驗對應，涉及的理論、概念非常抽象，同時涉及非常多的數學知識，如（線性代數、Hilbert 空間、群論、數學物理方法和復變函數等），內容繁多，知識結構廣泛，使得學生理解起來有非常大的困難，同時容易誘使學生陷入復雜繁瑣的計算，而失去對量子力學學習的興趣。目前，從我校物理系碩士研究生的實際情況來看，學生的量子力學知識水平參差不齊，有的學生以前沒有學習過量子力學，而有的學生所學量子力學學時也非常短，同時每個研究方向對量子力學知識需求層面也不盡相同。高等量子力學的教學效果將直接影響到學生以后的科研創新能力與論文寫作水平。為了提高研究生培養質量，培養研究生日后的科研能力，我們主要從教學內容和教學方法上進行了改革探討。

在教學內容上，結合本校教學時限（48學時）和本校學生的特點，并考慮到學生的研究方向，主要目標是將量子力學的知識應用到其它領域，避免冗長的理論計算，激發學生的創新熱情。重點學習量子力學的形式理論、微擾理論、、量子散射理論、對稱性和守恒定律等。

首先從教學方法上，根據學生的知識基礎和教學內容的特點，改變傳統的教學方式，而采用學生為主的研究性教學方式。傳統的教學方式主要是以教師講授為主的灌輸式、填充式，由于量子力學本身的特點，這些教學方法對量子力學的教學收效非常有限。一方面本身一個主角的表演使得本身比較枯燥的量子力學課堂毫無生氣，學生面對復雜繁瑣的數學推導，思維跟不上教師的節奏，學生的學習熱情下降。另一方面，學生本身的角色沒有改變，自主學習、自主思考沒有可鍛煉的平臺。教師考慮到自然科學的特點，一定要從知識的傳承角度出發，教師需要恰當地、適時地運用啟發式、研究性的教學方式。學生學習任何一門課,學的是前人從實踐中總結出來的間接知識。作為一名合格的教師、一個好的教師，應摒棄填灌式的教學理念，積極引導學生設身處地去思考， 讓學生身臨其境的去感受是否自己也能根據一定的實驗現象,通過分析和推理去得出前人已認識到的規律?自然科學中任何一個新的概念和原理,總是在舊概念和原理與新的實驗現象的矛盾中誕生的 [7]。作為教師，要充分利用新舊理論的矛盾，提出問題，讓學生思考問題，并設計一套完成的解決方案。在量子力學的課堂教學中，筆者結合實際情況，主要采取的是學生講授為主、教師輔導的方式。盡管學生對量子力學知識的理解有限，但是一方面可以促使學生在課前預習；另一方面學生由于要準備一堂課，所以要查閱相關資料，這樣可以極大地提高學生查找資料的能力，也拓展了學生知識面。作為教師，從學生講授中也可以得倒一些啟發，諸如學生對一個問題理解的切入點與教師理解的不同，從而教師可以調整日后的課堂教學，使得課堂教學的內容從抽象化為通俗。

其次，有效地將科學研究融入到課堂教學，也是實現課堂教學改革的有效方式之一。研究生不僅要學習知識，更重要的是做科學研究，“寓教于研”同樣可以提高教學效果。在課題教學中，針對一個主題，將學生分成若干討論小組，在講授基本知識的同時，更多的引入與之相關的前沿知識，并要求學生設計相關的問題，展開調查研究，以論文、學術報告的方式提交研究成果。通過此種方式，研究生的科學研究能力得到鍛煉，創新思維能力得到培養，符合我們培養創新型人才的目標 [4]。

在歐美等發達國家，研究生階段的量子力學的學習都是將教學直接融入到實驗中，讓學生參與探究，這樣更能激發學生的學習興趣，啟迪學生的創新思維，帶動研究生對各個方向知識的理解 [5]。一方面，在課堂做簡單的實驗從而理解量子力學的思想，通過這種方式直觀地將量子論知識呈現出來，讓學生覺得量子世界是可觀測的真實存在。另一方面， 國外能有效地寓教于實用，全球計算普及的風暴中，多媒體被運用到教學實踐中，利用現代技術來模擬一些量子現象加深了對量子力學的概念、定律得理解。再者，將理論知識應用到實際研究中去，量子力學抽象的理論與實際結合起來，有效地提高了學生學習興趣，更能培養學生良好的思維習慣和科學探索精神。國外專家認為，物理教育應盡可能的貼近學生的日常生活 [6]，讓學生能夠運用學到的知識來解釋身邊的現象。英國的Ken Dobson等人 [7]設計了“多路徑”模型，用量子思想來解釋鏡面反射定律，透鏡如何聚光燈現象，取得了較好的效果。

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