以學生為中心的量子力學教學模式設計和探索*

李學超 李 洋 高 娟

（安徽理工大學力學與光電物理學院 安徽淮南 232001）

引言：

在全面落實立德樹人教育改革的背景下，高校量子力學教學需要加強學生的科學核心素養，圍繞量子力學課堂進行教學改革，以學生為中心優化課程教學模式設計，以實現量子力學課程的精品課程建設。同樣，在量子力學教學中，以學生為中心，通過依托精品課程建設，從課前、課堂以及課后等三個環節進行優化，構建量子力學特色教學模式，以期推動人才培養模式的更新。同時，對教學模式的設計進行實踐探索，以此找到以學生為中心的教學途徑，為良好的教學質量提供保障。因此，在高校人才培養戰略下，對量子力學教學模式的設計和探索進行研究分析顯得尤為重要。

一、量子力學教學改革的急迫性

量子力學，作為現代物理教學中重要的理論之一，通過研究微粒運動和基本規律的變化，可以對多種自然現象進行科學解釋。同時，量子力學是科學和工程相關專業的重要基礎課程之一，在能源、化學、材料等相關學科和許多現代技術得到了廣泛應用。量子力學也是學習固體物理、材料科學、材料物理、化學、激光原理、激光物理和技術等專業課程的基礎。在現階段的量子力學教學過程中，以學生為教學中心，加強學生的綜合能力，有助于學生科學思維的發展，同時有助于學生的創新能力的提升。通過實際的量子力學教學改革下，重視課程教學的設計優化，加強學生的量子力學的學習質量，促進學生量子力學思維與科學素養的培養，推動高校學生的全面發展。同時，量子力學的教學改革，不僅使學生掌握量子力學的基本理論，運用量子力學的基本理論進行分析和解決問題，而且使學生理解豐富的量子力學基本哲學，培養學生的辯證思維能力。對于科學和工程專業的學生而言，以學生為中心的課程教學設計，有助于提升課堂教學質量，幫助學生理解客觀世界，為學生的全面發展提供保障[1]。

二、基于學生為中心的量子力學教學模式設計要點

在量子力學課程教學模式的設計上，以學生為中心需要注重以下幾點。其一，教風建設。優秀的教學風格是取得良好教學效果的重要保證。影響教學質量的三個核心因素是教師、學生和課程設置。課程是教育的紐帶，是師生互動的平臺。為了保證教學效果，量子力學教學團隊始終保持著良好的教學風格，推動著良好的學習風格的形成，并嚴格實施集體準備課制度和教學小組討論制度，以提高量子力學課程的教學質量[2]；其二，備課優化。在課程教學的預備過程中，認真研究教材，努力準確掌握重點和難點，參閱各種量子力學參考書，注意弱化難點，強調重點。為了提高教學質量，在原教學大綱的基礎上制定量子力學教學大綱規則，認真撰寫教學計劃，不斷總結，根據實際學生適當增加新的內容，如在量子力學講義的第一版基礎上，修改到第二版，有效促進了教學水平和教學質量的提高。其三，課堂教學。在多年的教學過程中，根據量子力學概念相對抽象和難以理解的特點，以學生為主、以教師為主導的教學模式，實現了從灌輸向啟發式教學的轉變。注重激發學生對知識的渴望，開展研究性教學，形成一種師生共同互動、探索真理的教學氛圍。其四，課后交流。在量子力學以學生為主的教學設計上，課后交流的輔導，有助于倡導學生的研究式學習模式，讓學生能夠自主地參與到量子力學的學習上，同時借助師生之間的交流，來調動學生的學習積極性，以此創新量子力學人才培養體系[3]。

三、以學為主的量子力學教學設計優化策略

1.以“學”為主，合理運用現代化教學手段，讓教學更加直觀

在量子力學的教學設計上，構建特色的教學模式，突出學生的主體地位，需要合理運用現代化教學手段，讓課堂教學內容更加直觀與形象。現代的教學方法可以使教學內容直觀。量子力學描述了微觀粒子的運動行為，它不能列出一些更直觀的現實例子，以便學生能夠接受學習經典現實的知識。為了方便學生理解抽象概念，我們在日常教學中充分利用現代的教學方法，并在課堂上采用多媒體課件和黑板書寫相結合的方法。例如，在教授氫原子的光譜時，我們向學生展示了從高到低的水平；在氫原子的斯塔克效應中，我們展示了氫原子在外部電場中的分裂光譜。

同樣，在以學為主合理運用現代化教學方法來優化教學內容上，可以充分利用學校和物理系的網絡教學平臺。我們積極參與了教務辦公室的建設，并開展了量子力學的網絡輔助教學。同時，在物理系的論壇上，有物理前沿與進展，大學物理學習和討論，在網絡上與學生交流，回答他們學習中的難題。我們在互聯網上發布了多媒體課件、教學大綱、參考書目、本課程的難點、量子力學學習方法等內容，讓學生可以在業余時間學習。這些措施受到了學生的歡迎，他們對學習的興趣和熱情得到了顯著提高[5]。

2.以“學”為主，加強啟發與互動教學方法的運用，提升學生知識獲取情感體驗

在量子力學的教學設計上，構建特色的教學模式，突出學生的主體地位，需要加強啟發與互動教學方法，以此優化學生的學習情感體驗。量子力學課程的教學上，可以從實驗事實和觀察到的現象出發，建立物理模型和物理圖片，努力讓學生通過簡單的模型理解復雜現象的本質，通過具體的例子理解一般的物理規律，培養他們的物理直覺。在解釋一些問題時，不要只是進行教材的閱讀，而是解釋問題的根源，解決問題的過程和方法，以培養學生思考和解決問題的能力。例如，在教授玻爾量子理論時，首先介紹了無法解釋的經典物理中的原子穩定性、大小和氫原子的光譜，然后介紹了玻爾如何解決這些困難，特別是三個基本的假設的成功和局限性。根據教學內容和學生現有的知識，準備一系列的問題和從一個問題到另一個問題的過渡的細節。當問題被提出時，我們應該善于激勵學生利用現有的知識和經驗來分析、思考和研究問題中的矛盾，同時引導學生逐步獲取新的知識。對于積極回答問題的學生，讓全班學生鼓勵和表揚，活躍課堂氣氛，也調動學生提問的熱情。最后，教師對課堂知識體系進行總結和歸納，糾正學生的一些錯誤理解，幫助學生系統、準確地掌握知識[6]。

3.以“生”為主，引導學生進行自主學習，加強學生的科學能力與認知

在量子力學的教學設計上，構建特色的教學模式，突出學生的主體地位，需要逐步加強學生的自主學習能力，讓學生能夠對量子學習有著一個良好的把握。例如，當談論微觀粒子的波粒二象性，首先介紹經典粒子的基本特征和經典的波動，然后介紹粒子在量子概念和量子概念下的波，強調它們的相似性和不同之處，加強學生對這些抽象概念的理解。另一個例子是，在研究一維諧振子的過程中，比較了經典諧振子與量子力學中給出的結果，并討論了它們之間的差異，使學生能夠很好地理解量子力學的本質。在傳統教學設計上，教師“滿堂灌”地將知識傳授給學生，而學生做筆記后就死記硬背地消化知識，更多是處于被動狀態。出于考試成績和對未來發展壓力的考慮，學生只能被迫選擇這種機械的學習方式，導致學生應用能力缺乏的情況并不在少數，嚴重影響了后續的學習。但是，以學生為中心的教學設計上，讓學生自由掌握學習時間，不再有靠著教師監督學習的依賴心理，開始為自己的學習負責任。知識往往是在場景中出現，又被反映在具體場景中，以學生為中心的教學設計，能夠給每個學生獨立思考的空間，又能使學生一起討論互動，碰撞出新的知識火花，涌出新的思泉，讓學生能夠發揮著自身的創造性，從而為學生的健康發展保駕護航[7]。

4.以“生”為主，結合課內課外，構建雙師教學

在量子力學的教學設計上，構建特色的教學模式，突出學生的主體地位，需要結合課內與課外教學，營造一個雙師教學模式。即構建雙師課堂，以此降低量子力學課程教學設計難度。雙師課堂中的雙師指的是一位頂級教師外加一名課堂教師，即針對互聯網上的頂級教師的教學資源進行運用，教師在課堂進行針對性的教學補充，以此提升課堂教學效果。該上課的模式為，頂級教師通過投影儀實現人像與現實的一比一比例進行線上教學，課堂教師在真實課堂中實現答疑，監督學生的鞏固練習，對學生學習進行查缺補漏，并做出更具針對性的輔導，學生也可以參與到課堂討論和課堂活動中去。例如，超星平臺的精品課程運用到量子力學教學上，在混合式課程設計中，超星平臺能夠實現良好的課后練習與課程考核。在課程教學后，教師通過超星平臺布置課外作業，讓學生能夠運用時間進行提交，從而優化課后作業的布置與完成環節，通過提升課程教學后的時間利用效率，方便教師掌握學生在混合式課程教學中的學習情況，從而針對性地進行復習與調整，為更好地進行課程教學提供保障。同樣，在課程考核中，借助超星平臺能夠設置相應的考核形式，通過將考核進行細化，提升課堂教學互動中考核所占比例，以此提升學生課堂學習的積極性，讓學生能夠主動參與課堂教學討論當中，從而提升線上線下混合式課程教學設計的科學合理性。基于超星平臺在線上線下混合式課程教學設計上的合理運用，能夠有效結合傳統課堂教學與在線課程教學兩者之間的優勢，通過將教師的引導啟發作用得到進一步提升，從而幫助教師能夠解決更多課程學習上的問題，實現課程教學的有效延伸[8]。

5.以學生為主，開展競賽活動，提升學生綜合能力

在量子力學的教學設計上，構建特色的教學模式，突出學生的主體地位，需要開展相應的競賽活動，幫助學生提升綜合能力。我們處理課后練習的方式是鼓勵學生在平臺上發言，鼓勵其他學生提問和討論，讓學生和學生之間的互動，最后老師進行總結。這可以鍛煉學生的表達能力，加深對知識的理解，有效地提高學生分析和解決問題的能力。同時，教師還要聽取學生的意見，及時了解學生的學習情況，有目的地地指導學生。鼓勵學生閱讀大量文獻，積極了解物理前沿知識，鼓勵學生參加挑戰杯、數學建模競賽等課外科技學術競賽以提高他們的綜合能力[9]。

結語

由此可見，在高校綜合性人才的培養上，借助量子力學教學模式的優化設計，圍繞學生建立相應的教學體系，提升學生的學習積極性，促進師生共同進步發展，以此提升學生的科學素養。同樣，在以學生為中心的教學設計上，需要基于量子力學課程的課前、課中、課后進行逐一優化，以此保障教學質量的落實，為學生的全面發展提供保障。