基于“PBL教學(xué)法”的量子力學(xué)課程的教學(xué)改革初探

劉蓉　侯宏錄

【摘 要】以培養(yǎng)具有科學(xué)探索精神的創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，結(jié)合我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的實(shí)際問(wèn)題，分析了工科專業(yè)量子力學(xué)課程的教學(xué)特點(diǎn)，提出了基于“PBL教學(xué)法”的教學(xué)改革設(shè)計(jì)方案，討論了量子力學(xué)課程教學(xué)改革方面所作的一些有益的改革嘗試，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)課程的積極性，由過(guò)去的被動(dòng)學(xué)習(xí)逐漸改為自主學(xué)習(xí)，并有效地提高了學(xué)生結(jié)合理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。對(duì)于理論性較強(qiáng)的其他課程也可以起到示范作用，具有較強(qiáng)的理論指導(dǎo)意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】PBL教學(xué)法；量子力學(xué)；電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)；教學(xué)改革

量子力學(xué)與相對(duì)論的提出，被稱為20世紀(jì)物理學(xué)的兩個(gè)劃時(shí)代的里程碑。特別是量子力學(xué)的創(chuàng)立，揭示了微觀物質(zhì)世界中物質(zhì)屬性及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，造就了20世紀(jì)人類科學(xué)技術(shù)的輝煌，推動(dòng)了原子能技術(shù)、航天航空技術(shù)、電子技術(shù)等方面的發(fā)展，并開(kāi)辟了光子技術(shù)的誕生之路，將人類社會(huì)推進(jìn)了信息時(shí)代。通過(guò)量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生掌握量子力學(xué)的基本概念和基本理論，具有利用理論知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。量子力學(xué)課程的突出特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、抽象難懂，在課程教學(xué)中需要特別把握好這些抽象理論知識(shí)的“入門教育”，把握得當(dāng)，會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。

根據(jù)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的文件精神，提高質(zhì)量是高等教育發(fā)展的核心任務(wù)，是建設(shè)高等教育強(qiáng)國(guó)的基本要求。應(yīng)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步的要求，推進(jìn)課程改革，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。因此，在近幾年量子力學(xué)課程的教學(xué)改革實(shí)踐中，針對(duì)量子力學(xué)教學(xué)中出現(xiàn)的學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情不高的現(xiàn)狀，結(jié)合量子力學(xué)的課程特點(diǎn)，立足于提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索精神及創(chuàng)新能力，提出了基于“PBL教學(xué)法”，即基于問(wèn)題學(xué)習(xí)（Problem-Based Learning）、以學(xué)生為主體的量子力學(xué)課程教學(xué)改革的研究，摸索出一套行之有效的教學(xué)方案。

1 “PBL教學(xué)法”設(shè)計(jì)方案

“PBL教學(xué)法”是一種基于問(wèn)題學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，將學(xué)習(xí)置于復(fù)雜的有意義的問(wèn)題情境中，激勵(lì)學(xué)生積極探索隱含于問(wèn)題背后的科學(xué)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)體系的建構(gòu)和轉(zhuǎn)化，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容展開(kāi)討論、反思，教師則以提問(wèn)的方式推進(jìn)這一過(guò)程，最終使學(xué)生在一個(gè)螺旋式上升的良性循環(huán)過(guò)程中理解知識(shí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的不斷延續(xù)，以促進(jìn)學(xué)生解決問(wèn)題、自主學(xué)習(xí)能力的發(fā)展，以及創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的提高。具體設(shè)計(jì)模式如圖1所示。

圖1 “PBL”教學(xué)法設(shè)計(jì)模式框圖

與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，“PBL教學(xué)法”對(duì)教師備課和教學(xué)實(shí)施過(guò)程提出了更高要求。

1.1 PBL教師備課

（1）確定問(wèn)題。問(wèn)題是PBL的起點(diǎn)和焦點(diǎn)。問(wèn)題的產(chǎn)生可以是學(xué)生自己在生活中發(fā)現(xiàn)的有意義、需要解決的實(shí)際問(wèn)題，也可以是在教師的幫助指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，還可以是教師根據(jù)實(shí)際生活問(wèn)題、學(xué)生認(rèn)知水平、學(xué)習(xí)內(nèi)容等相關(guān)方面提出的問(wèn)題。

（2）提供豐富的教學(xué)資源。教學(xué)資源是實(shí)施PBL的根本保障。隨著網(wǎng)絡(luò)課程、精品課程體系的建設(shè)，教師可以利用網(wǎng)絡(luò)課程為學(xué)生解決問(wèn)題提供多種媒體形式和豐富的教學(xué)資源。

（3）對(duì)學(xué)習(xí)成果提出要求，給學(xué)生提供一個(gè)明確的目標(biāo)和必須達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 PBL教學(xué)實(shí)施

（1）學(xué)生分組。學(xué)生分組后，要讓每個(gè)小組清楚地知道自己所要承擔(dān)的任務(wù)，問(wèn)題解決所要達(dá)到的目標(biāo)，也要確定好小組內(nèi)每個(gè)成員具體的任務(wù)分工。

（2）創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境、呈現(xiàn)問(wèn)題。布朗、科林斯等學(xué)者認(rèn)為，認(rèn)知是以情境為基礎(chǔ)的，發(fā)生在認(rèn)知過(guò)程中的活動(dòng)是學(xué)習(xí)的組成部分之一，通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境可吸引學(xué)習(xí)者。

1.3 PBL案例分析

例如，在講到微觀粒子的波函數(shù)時(shí)，有學(xué)生認(rèn)為波函數(shù)是經(jīng)典物理學(xué)的波，也有學(xué)生認(rèn)為波函數(shù)由全部粒子組成。這些問(wèn)題的討論激發(fā)了學(xué)生的求知欲望，可以通過(guò)分組進(jìn)行小組內(nèi)討論，再將討論結(jié)果進(jìn)行小組間辯論，最后老師對(duì)各小組討論和辯論的觀點(diǎn)進(jìn)行評(píng)述和指正，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)一些不易理解的量子概念和原理的深入理解。

2 用量子物理發(fā)展的淵源吸引學(xué)生

量子力學(xué)理論與學(xué)生長(zhǎng)期以來(lái)接觸到的經(jīng)典物理體系相距甚遠(yuǎn)，尤其是處理問(wèn)題的思路和手段與經(jīng)典物理截然不同，但它們之間又不無(wú)關(guān)聯(lián)，許多量子力學(xué)中的基本概念和基本理論是類比經(jīng)典物理中的相關(guān)內(nèi)容得出的。因此，在量子力學(xué)教學(xué)中，一方面需要學(xué)生摒棄在經(jīng)典物理學(xué)習(xí)中形成的固有觀念和認(rèn)識(shí)；另一方面在學(xué)習(xí)某些基本概念和基本理論時(shí)，又要求學(xué)生建立起與經(jīng)典物理之間的聯(lián)系以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時(shí)困惑不堪。此外，這門課程理論性較強(qiáng)，眾多學(xué)生陷于煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)之中，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣缺失。教學(xué)實(shí)踐證明，針對(duì)以上教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，應(yīng)特別注意用學(xué)科理論自身的魅力吸引學(xué)生，通過(guò)盡可能還原量子力學(xué)早期的發(fā)展過(guò)程，讓學(xué)生自己去體會(huì)量子力學(xué)的基本概念是如何建立并逐步完善的，最大限度地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的熱情，也有助于學(xué)生深入理解教學(xué)內(nèi)容。

3 抽象理論形象化，與學(xué)生深入探討

量子力學(xué)課程的突出特點(diǎn)是抽象難懂，對(duì)此我們進(jìn)行了探索。例如在量子力學(xué)教學(xué)中，“任何實(shí)物粒子都具有波粒二象性”是教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。如何理解波粒二象性？我們可以先從光的波粒二象性入手，通過(guò)“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)引出問(wèn)題，通過(guò)總結(jié)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)與經(jīng)典理論之間的嚴(yán)重矛盾，并通過(guò)諸多矛盾引出了愛(ài)因斯坦的光量子理論和光電方程，進(jìn)而深入探討光的本性和實(shí)質(zhì)。隨著內(nèi)容的深入，我們可以進(jìn)一步提出：波粒二象性是光子和一切實(shí)物粒子的共同本質(zhì)，而且波動(dòng)性和粒子性這兩方面必有某種關(guān)系相聯(lián)系。并順理成章的指出物質(zhì)波的概念和德布羅意關(guān)系式，從最基本的假定出發(fā)作出類比推理，理論的獨(dú)創(chuàng)性給人深刻的印象。

在此，還可以以學(xué)生的口吻提出兩個(gè)問(wèn)題。

問(wèn)題1）物質(zhì)粒子既然是波，為什么人們?cè)谶^(guò)去長(zhǎng)期實(shí)踐中把它們看成經(jīng)典粒子并沒(méi)有犯什么錯(cuò)誤？

我們可以通過(guò)實(shí)物粒子子彈的德布羅意波長(zhǎng)的求解找到答案，這是由于普朗克常數(shù)h是個(gè)小量，一般實(shí)物粒子的德布羅意波長(zhǎng)λ=h/p很短，短到可以忽略不計(jì)。

問(wèn)題2）在什么情況下可以近似的用經(jīng)典理論來(lái)處理問(wèn)題？在什么情況下又必須顧及運(yùn)動(dòng)粒子的波粒二象性？

進(jìn)而作出解答，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)粒子的德布羅意波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于該粒子本身的尺寸時(shí)，可以近似的用經(jīng)典理論來(lái)處理；否則，需要用量子理論來(lái)處理。

這種層層深入，帶著問(wèn)題尋找答案的教學(xué)方法符合邏輯思維，學(xué)生很容易接受，將抽象而復(fù)雜的問(wèn)題形象化、簡(jiǎn)單化。

4 聯(lián)系量子力學(xué)的未來(lái)發(fā)展激發(fā)學(xué)生求知的渴望

盡管量子力學(xué)是以微觀世界為研究對(duì)象，但它對(duì)我們?nèi)粘Ｉ畹挠绊憛s非常大。例如，在當(dāng)今科學(xué)界還提出了量子通信的新概念，是實(shí)現(xiàn)完全保密的最佳通信方式，直接導(dǎo)致引領(lǐng)現(xiàn)今量子信息理論和研究的熱潮，代表著21世紀(jì)信息技術(shù)革命—量子通信技術(shù)的發(fā)展方向。教師可以鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)與量子力學(xué)緊密相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行調(diào)研，打消學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)“無(wú)用化”的顧慮，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情。

5 結(jié)束語(yǔ)

近幾年，針對(duì)量子力學(xué)教學(xué)中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題，結(jié)合量子力學(xué)的課程特點(diǎn)，我們提出了基于“PBL教學(xué)法”的量子力學(xué)課程教學(xué)改革的研究，取得了一些成效，對(duì)于理論性較強(qiáng)的其他課程也具有較強(qiáng)的理論指導(dǎo)意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。

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[責(zé)任編輯：湯靜]