“量子力學”課程信息化教學改革研究與實踐

周如龍 李冬冬 屈冰雁

[摘 要] “量子力學”課程是材料物理專業一門非常重要的專業基礎課程，其理論性強、學習難度大的特點，使得課程教學很難達到滿意效果。結合學校材料物理專業“量子力學”課程教學實際，對該課程教學中存在的問題進行分析。針對問題，從考核評價方式、教學內容優化、教學方法改革等方面進行研究，結合信息化教學工具進行改革實踐，取得了明顯的效果。本課程的信息化教學改革研究和實踐經驗，對于本專業及相關專業其他課程的教學具有重要的借鑒和推廣價值。

[關鍵詞] 量子力學;信息化;教學內容;教學方法

[基金項目] 2019年度合肥工業大學信息化教學改革示范項目（KCXX1906）;2020年度合肥工業大學線上線下混合式“金課”示范項目（KCJK2001）;2020年度安徽省教育廳項目“‘量子力學1線上線下混合式和社會實踐課程（2020xsxxkc339）

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

[中圖分類號] G642.0? ? ?[文獻標識碼] A? ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）38-0050-04? ? [收稿日期] 2021-03-01

一、引言

量子力學是現代物理科學和材料科學的基石，量子力學原理是解釋微觀粒子運動的基本原理，是理解材料微觀結構和眾多物理化學性能的基礎，因此“量子力學”課程已成為物理、材料學科相關專業一門重要的專業基礎課程[1，2]。本校材料物理專業高度重視學生量子力學基本原理的學習，將“量子力學”課程作為本專業重要的專業基礎課程之一，它為本專業后續的核心課程“固體物理學”和“半導體物理學”，以及后續專業特色選修課程（如“光電材料與器件”“半導體材料與器件”“太陽能電池材料與技術”等）奠定基礎。鑒于課程的重要性，本課程的教學要求較高。通過這門課的學習，學生要比較扎實地掌握量子力學的基本原理，并能夠利用量子力學基本原理分析和解決具體的問題。

“量子力學”課程顯著不同于其他物理類課程。量子力學概念和原理顯著不同于經典物理學，甚至看似有悖于經典物理學的基本原理，因而初學者學習難度很大，理解和掌握較為困難。“量子力學”課程中公式推導很多，教師在授課過程中往往把大部分時間用在講解公式推導過程而忽略概念和基本原理的分析、理解，學生學習時也抓不住重點，容易發生只重視計算而忽略基本原理理解的錯誤。該課程運用到較多的數學，而且變化靈活，對于數學基礎較差的學生，學習難度極大。因此，如何讓學生更好地理解和掌握量子力學的基本概念和基本原理，一直是本課程教學的難點，改革課程教學方法和教學模式勢在必行。近年來，各校教師對量子力學課程的教學改革進行了有益的嘗試[3-8]，如以問題為導向的教學模式、案例式教學模式、專題討論式教學模式等。本文基于多年教學經驗，針對量子力學教學中存在的問題，采取了針對性的改革措施，充分利用信息化教學工具進行教學改革，取得了明顯的效果。

二、“量子力學”課程教學中存在的問題

根據筆者多年來“量子力學”課程教學經驗，本課程主要存在以下影響教學效果的問題。

（一）學生的學習習慣和學習方法不適用于該課程的學習

該課程是本校材料物理專業最早學習的專業課程之一，在大三學年第一學期開設。學生在前兩年主要學習公共基礎課程，學習任務比較輕，很多學生養成了非常不好的學習習慣，主要表現為平時投入學習時間很少，考前突擊;沒有自主學習習慣或自主學習能力差;上課沒有記筆記的習慣，作業抄襲;只會死記硬背，缺乏獨立思考。而“量子力學”課程難度大，前后知識聯系緊密，需要平時投入足夠精力自主學習，因此，要讓學生學好該課程，首先需要解決學生學習態度和學習方法上的問題。

（二）傳統的教學模式不能滿足該課程的教學要求

長期以來，大學課程教學基本上采用灌輸式教學方式，教師在課堂上從頭講到尾，努力把要學生學習的知識講清楚，而不關心學生是否在認真聽講、是否理解了教師講解的內容、是否做到了融會貫通。“量子力學”課程難度極大，概念極難理解，計算非常靈活，學習基礎好的學生學習該課程仍然存在很大困難，如果不及時了解學生的學習狀態，可能會導致大部分學生達不到課程要求的情況。因此，需要對傳統的“滿堂灌”教學模式進行改革，多采用引導和啟發式的教學方法引導學生多思考，教學過程中需要實時關注學生的學習狀態，根據學生掌握情況調整教學內容和教學進度。

（三）學生的數學基礎較差，理解公式推導和復雜的計算有困難

“量子力學”教材中存在大量的數學公式推導，這些公式推導對于深入理解量子力學基本原理必不可少。然而，本專業的學生數學基礎相對比較薄弱，“量子力學”中經常用到的一些數學知識（比如傅里葉變換、冪級數、分離變量法、δ函數等）掌握較差，學習量子力學課程很困難。因此，需要改革教學內容，教學過程中應避免過多的數學推導，做到基本概念和基本原理的講解與公式推導和計算的更好結合。

（四）課程理論性太強，學生不了解課程用途，對課程學習重視不夠

該課程概念抽象，公式多，理論性比較強，大部分量子力學教材主要講解量子力學的基本原理，很少涉及量子力學的具體應用。學生在學習過程中不清楚為什么要學習這門課，因而學習動力不足，一旦遇到困難就會產生放棄的念頭。因此，在教學過程中，需要結合具體應用案例講解量子力學基本原理，讓學生感知量子力學基本原理對于后續專業課程學習以及將來的工作和深造有重要作用。

三、基于信息化教學手段的“量子力學”課程教學改革實踐

針對以上問題，我們在“量子力學”課程教學過程中不斷總結經驗，積極采用信息化教學工具，探索更適合本課程的教學模式和教學方法，從教學內容、考核方式、教學方法等方面對課程教學進行全方位改革。