中國科大在量子物理教育研究領域取得新突破

物理教育研究是物理學的一個新興領域，特別是量子物理方面的教育研究，被諾貝爾物理獎得主C.Wieman稱為“只是露出了冰山一角”。中國科大物理學院的涂濤副教授、李傳鋒教授、許金時教授和郭光燦院士等老師組成的團隊，及時地關注和進入到這一新興前沿領域。

物理教育研究領域有兩大研究學派：一派是以諾貝爾物理獎得主G.Parisi為代表，重視數(shù)據(jù)統(tǒng)計，從復雜性科學的視角分析，另一派是以諾貝爾物理獎得主C.Wieman為代表，重視實證調(diào)查，從教育學的視角分析。中國科大的研究團隊綜合運用了上述兩種研究方法，通過對物理學院6年時間周期、406名本科生的樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，研究了學生對于量子物理中束縛態(tài)和散射態(tài)的思維流程圖，成功構建了Activation-Construction-Execution-Reflection的理論框架和基于Overgeneralization的思維機制模型。

形象地講，如果一個復雜的電路網(wǎng)絡有很多個節(jié)點，不同節(jié)點之間或者有連接，或者沒有連接。只有當這些節(jié)點都能以一個連接串聯(lián)起來時，才達到所謂的渝滲閾值，整個電路網(wǎng)絡才導通。

類似的，一個學生的知識記憶也包含不同的節(jié)點，這些節(jié)點代表了特定物理領域中的不同知識片段。學生需要將節(jié)點與其他節(jié)點之間通過這些概念之間的關系相連接。當所有的知識節(jié)點都以適當?shù)姆绞酵ㄟ^一個正確關系相互連接時，學生的思維流程將達到一個渝滲閾值，這時學生才能夠正確的掌握相關物理知識，并處理相關物理問題。

這一研究成果利用上述知識模型，針對學生處理量子束縛態(tài)和散射態(tài)問題，發(fā)現(xiàn)了有趣的學生思維圖景：學生們會有激活相關概念、構建方程式、執(zhí)行解析計算、檢查各個步驟等思維方式，并在三個關鍵節(jié)點上存在推理困難：(1)難以區(qū)分含時薛定諤方程的應用場景，(2)不理解確定能量常數(shù)值的意義，(3)不能夠正確使用疊加態(tài)的條件。這些發(fā)現(xiàn)不但為學生對這些量子物理問題的思維機制提供了深刻的認識，也為這些量子物理內(nèi)容的教學提供了豐富的資源。因為如果幫助學生在這些關鍵節(jié)點上解決困難，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，轉變?yōu)榫哂腥致?lián)通性，這才是學生學習的正確方式。

[attachment=110097]
學生處理散射態(tài)問題的思維流程圖，這是一個復雜性網(wǎng)絡，代表連接不同知識節(jié)點的思維通道，其大小代表相應的幾率和閾值。

這一成果于12月14日在線發(fā)表于物理教育研究領域的知名期刊Physical Review-Physics Education Research上。四位審稿人都對該論文給予了高度評價：“This is a strong manuscript; I thinkthe paper makes an excellent contribution to this particular line of research and to PER in general.（這是一篇強有力的文章，不但對這一特定的領域做出了杰出的貢獻，也是對整個物理教育研究的貢獻）”。