中國科大在量子物理教育研究領(lǐng)域取得新突破

物理教育研究是物理學(xué)的一個新興領(lǐng)域，特別是量子物理方面的教育研究，還處在方興未艾的階段。中國科大物理學(xué)院的涂濤副教授、李傳鋒教授、許金時教授和郭光燦院士等老師組成的團(tuán)隊(duì)，及時的關(guān)注和進(jìn)入到這一新興前沿領(lǐng)域。

物理教育研究領(lǐng)域有一個重要的研究方向：是從復(fù)雜性科學(xué)的視角進(jìn)行分析。如果一個復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)有很多個節(jié)點(diǎn)，不同節(jié)點(diǎn)之間或者有連接，或者沒有連接。只有當(dāng)這些節(jié)點(diǎn)都能以一個連接串聯(lián)起來時，才達(dá)到所謂的渝滲閾值，整個電路網(wǎng)絡(luò)才導(dǎo)通。類似的，一個學(xué)生的思維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也包含不同的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)代表了特定物理領(lǐng)域中的不同知識片段。只有當(dāng)所有的知識節(jié)點(diǎn)都以適當(dāng)?shù)姆绞酵ㄟ^一個正確關(guān)系相互連接時，學(xué)生的思維流程才會達(dá)到一個渝滲閾值，這時學(xué)生才能夠正確的掌握相關(guān)物理知識，并正確的處理相關(guān)物理問題。

(左圖是電路導(dǎo)通的渝滲模型，右圖是學(xué)生思維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的渝滲模型。它們都是一個復(fù)雜性網(wǎng)絡(luò)。)

中國科大的研究團(tuán)隊(duì)綜合運(yùn)用了上述研究模型和方法，通過對物理學(xué)院6年時間周期、466名本科生的樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，研究了學(xué)生對于量子物理中Dirac函數(shù)的思維過程。發(fā)現(xiàn)了有趣的思維流程圖景：學(xué)生們會有激活相關(guān)概念、構(gòu)建方程式、執(zhí)行解析計(jì)算、檢查各個步驟等思維方式，并在三個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上存在著推理困難：(1) 難以建立位置本征態(tài)的正確概念； (2) 難以建立連續(xù)譜本征函數(shù)的正確意義，(3) 難以處理特殊的邊界條件和圖像。這些發(fā)現(xiàn)不但為學(xué)生對這些量子物理問題的思維機(jī)制提供了深刻的認(rèn)識，也為這些量子物理內(nèi)容的教學(xué)提供了豐富的資源。因?yàn)槿绻麕椭鷮W(xué)生在這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上解決困難，那么他們的知識將從一些不相干的小塊，從只具有局部聯(lián)通性，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂腥致?lián)通性，這才是學(xué)生學(xué)習(xí)的正確方式。

這一成果最近發(fā)表于物理教育研究領(lǐng)域的頂尖期刊Physical Review-Physics Education Research上。三位審稿人都對該論文給予了高度評價：“The research study presented here has clear value to the PER community; I very much welcome a careful evaluation of teaching and instruction quantum physics, especially when it is done well as in the present paper.（這里介紹的研究對物理教育研究界有明顯的價值；我非常歡迎對量子物理學(xué)的教學(xué)和指導(dǎo)進(jìn)行仔細(xì)的評估，尤其是像本文這樣做得好的時候）”。

為縮短我國在物理教育研究領(lǐng)域與國際先進(jìn)國家的差距，中國物理學(xué)會一直致力于推動我國在該研究領(lǐng)域的發(fā)展。中國科大的團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)率先取得了一系列突破，就量子物理的教育研究中薛定諤方程、本征態(tài)問題和Dirac函數(shù)，在本領(lǐng)域國際權(quán)威刊物上發(fā)表了多項(xiàng)成果，標(biāo)志著我校在物理教育研究領(lǐng)域的重要突破，在國內(nèi)高等教育研究領(lǐng)域也具有重要影響。