量子力學課程的線上網絡教學探索

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絡教學相較于傳統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律，是20世界20年代新發展起來的一門學科[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，同時需要扎實的數學功底。實際教學中，學生時常會出現似懂非懂的情況。2020年初，新冠疫情爆發后，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，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為線上網絡教學。對于量子力學這門本來就很新奇而抽象的專業課程而言，更是一次全新的嘗試和挑戰。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，及時將線上網絡教學有關事項讓學生有所了解，做到“心中有數”;線上實施教學過程中，為了充分發揮線上教學的優勢，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，充分發揮線上教學的優勢，PPT非常直觀清晰，視覺沖擊力比較強，能夠大大節省公式推導的時間，可以全局把控整體概念。以量子力學發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，正是量子科學發展最好的時代，我們迎來了歷史性發展機遇，緊跟時代研究前沿，結合量子力學在現代社會發展的應用，介紹量子力學發展簡史。在十九世紀末期，經典物理學在發展比較完善的同時，也面臨著一些無法解釋的現象，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，大大激發了學生學習量子力學的興趣。其余現象與人物也可以作類似處理。講解完量子力學發展簡史后，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，用波函數描述微觀粒子所處的狀態，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絡載體平臺分發思考題，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絡量子力學教學。為有效組織好線上教學，激發學生學習興趣，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課堂教學豐富了形式、拓展了空間。當前，量子科技發展突飛猛進，成為新一輪科技革命和產業革命的前沿領域。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）