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科研进展

2021年12月17日
中国科大在量子物理教育研究领域取得新突破

物理教育研究是物理学的一个新兴领域,特别是量子物理方面的教育研究,被诺贝尔物理奖得主C.Wieman称为“只是露出了冰山一角”。中国科大物理学院的涂涛副教授、李传锋教授、许金时教授和郭光灿院士等老师组成的团队,及时地关注和进入到这一新兴前沿领域。

物理教育研究领域有两大研究学派:一派是以诺贝尔物理奖得主G.Parisi为代表,重视数据统计,从复杂性科学的视角分析,另一派是以诺贝尔物理奖得主C.Wieman为代表,重视实证调查,从教育学的视角分析。中国科大的研究团队综合运用了上述两种研究方法,通过对物理学院6年时间周期、406名本科生的样本数据的统计分析,研究了学生对于量子物理中束缚态和散射态的思维流程图,成功构建了Activation-Construction-Execution-Reflection的理论框架和基于Overgeneralization的思维机制模型。

形象地讲,如果一个复杂的电路网络有很多个节点,不同节点之间或者有连接,或者没有连接。只有当这些节点都能以一个连接串联起来时,才达到所谓的渝渗阈值,整个电路网络才导通。

类似的,一个学生的知识记忆也包含不同的节点,这些节点代表了特定物理领域中的不同知识片段。学生需要将节点与其他节点之间通过这些概念之间的关系相连接。当所有的知识节点都以适当的方式通过一个正确关系相互连接时,学生的思维流程将达到一个渝渗阈值,这时学生才能够正确的掌握相关物理知识,并处理相关物理问题。

这一研究成果利用上述知识模型,针对学生处理量子束缚态和散射态问题,发现了有趣的学生思维图景:学生们会有激活相关概念、构建方程式、执行解析计算、检查各个步骤等思维方式,并在三个关键节点上存在推理困难:(1)难以区分含时薛定谔方程的应用场景,(2)不理解确定能量常数值的意义,(3)不能够正确使用叠加态的条件。这些发现不但为学生对这些量子物理问题的思维机制提供了深刻的认识,也为这些量子物理内容的教学提供了丰富的资源。因为如果帮助学生在这些关键节点上解决困难,那么他们的知识将从一些不相干的小块,从只具有局部联通性,转变为具有全局联通性,这才是学生学习的正确方式。

(学生处理散射态问题的思维流程图,这是一个复杂性网络,代表连接不同知识节点的思维通道,其大小代表相应的几率和阈值。)

这一成果于12月14日在线发表于物理教育研究领域的知名期刊Physical Review-Physics Education Research上。四位审稿人都对该论文给予了高度评价:“This is a strong manuscript; I thinkthe paper makes an excellent contribution to this particular line of research and to PER in general.(这是一篇强有力的文章,不但对这一特定的领域做出了杰出的贡献,也是对整个物理教育研究的贡献)”。

为缩短我国在物理教育研究领域与国际先进国家的差距,中国物理学会一直致力于推动我国在该领域的发展。为响应学会号召,中国科大的团队在这一领域持续开展了系列研究,继2020年首先在薛定谔方程的教育研究中取得突破(Phys. Rev. Physics Education Research 16, 020163 (2020))后,在量子物理的教育研究中再次取得重要进展。本研究成果在本领域国际知名刊物上发表,是我校在物理教育研究领域的新突破,在国内教育研究领域将产生重要影响。

论文链接: https://journals.aps.org/prper/abstract/10.1103/PhysRevPhysEducRes.17.020142


(物理学院、科研部)

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