形象量子力学在中学物理中的教学
LawrenceT.Escaladaz著
徐政龙译
Abstract
AspectsoftheVisualQuantumMechanicsinstructionalmaterialshavebeenadaptedandimplementedintovarioushighschoolphysicsclassrooms.Thesematerialsutilizealearningcyclepedagogyinvolvinginteractive,simulationcomputerprogramsandinexpensivedevicestointroducebasicquantumphysicsideaswithinthecontextoffundamentalphysicsconcepts.Abriefdescriptionofhowthesematerialsandstrategieswereadaptedandimplementedinhighschoolclassroomswillbeprovided.Theresultsfoundonstudentconceptuallearningandstudent/instructorattitudesandbeliefswillalsobebrieflydiscussed.
摘要
各方面的形象量子力学教材已经改编成为中学物理教材并可以在中学物理课堂中实施教学。这些材料利用了学习循环教学法，包括交互性的、模拟计算机程序和廉价的装置，在物理基本概念的情境中介绍量子物理的基本观点。在此简单描述了这些材料如何得到改编并且这些策略在中学物理中如何实施教学。在学生概念学习基础上建立的结果，学生/教师的态度和信仰也得到简单的讨论。
引言
由于我们的生活标准越来越依赖于科学技术的最新发展，学生的素养必须达到这样的水平，他们至少应该维持在他们父母的生活标准，对与科学技术相关的问题能作出有教养的决策，并能在日常生活中应用科学技术的最新发展。为作出明智的决策，需要学生至少能够基本理解跟20世纪物理学基本原理及其应用相关的物理现象。不幸的是，许多物理教师在中学物理中不予介绍诸如量子力学这样的现代物理课题，而只把重点放在传统的重点--力学和电学上。由于量子力学具有高度的数学形式和抽象性质，使这门科目极难在大多数中学物理教程中得到介绍。
形象量子力学
过去的十五年内，美国堪萨斯州物理教育研究小组，在DeanZollman的指导下，一直致力于把这些问题当作形象量子力学的一部分。他们利用了手把手的活动和计算机形象化设计来向中学和大学低年级学生介绍量子力学原理，这些学生具有有限的物理和数学背景，为使广大学生能够学习量子力学，他们开发了一系列的交互教学单元。这些教学单元利用了修正的学习循环，在此循环中学生在抽象概念的学习之前和之后对具体现象进行探讨。
固体和光----学生利用他们对从固体和气体发出的光的观察，帮助理解原子中的能量为什么是量子化的，一些量子化结果可以在日用装置中看到，例如发光二极管（LED）中。
荧光：—冷光——学生通过观察由荧光材料发出的光来建立能级模型从而解释各种不同的光发射过程。
物质波——通过考查量子物理的应用诸如电子显微镜、StarTrek传送器，学生探讨物质波的性质。
势能图----向学生提供经典的体验，这种体验就是能使他们理解用距离来图示能量，这在理解介绍的量子观念时起十分重要的作用。
固体和光
通过调查发光二极管的电学性质，把这些性质跟白炽灯比较。然后学生观察发光二极管的特殊性质，把这些性质跟气体的性质和白炽等的性质相比较。通过调查后，向学生介绍原子的能级模型，如图1所示。原子的能级、电子跃迁（吸收和发射）和光子之间的关系也得到介绍。
学生再使用一个来自光谱实验室设备的软件包，称之为气体灯发射光谱仪的交互计算机程序，用来开发气体的原子能级模型，这种模型可以用来解释由气体灯发射的光谱，见图2。通过使用其它模拟程序，学生使用气体原子的能级模型为固体原子建立其它模型，用于解释由发光二极管和白炽灯发出的光谱。学生再使用称之为LEDConstructor的计算机程序来演示固体能带如何能够用于解释发光二极管的电学和光谱性质。
图1：—3.8eV能级的电子的能级图
图2:气体灯发射光谱仪计算机程序
荧光:是一种冷光
学生调查各种光源的物理和光谱性质。然后用固体中使用过的相同的方式向他们介绍能级模型的概念。也向学生介绍势能图的概念——用距离来表示原子模型的电势能的形象图。学生使用一个称之为EnergyBandCreator交互计算机程序来表示能级位置和能级数如何受势能图深度和宽度、图线的数量和图线之间相对距离的影响。这个程序允许学生使气体的原子、固体的原子形象化，并使杂质的固体原子用势能图线表示。通过使用这个程序，学生理解了由于把大量杂质原子加到固体原子而如何产生能带。学生再在各种计算机程序中应用这个观念来创造一个能级模型，用于解释荧光灯、磷光牙膏、电视监控器和红外探测卡的发光性质。
在中学里实行教学
形象量子力学材料一直在大量不同的中学、学院和大学物理课堂中在广泛的领域里试教。涉及中学物理课堂的这些领域的试教的结果表明，用手把手的活动、交互计算机程序、廉价材料和焦点集中在对概念的理解，在观察过的课堂中是非常可应用的。我们发现，那些对课题和/或教材的教育目的不熟悉或不舒服的教师将修改这些教材的教学策略的意图。结果就难于确定在实施教材教学中是否是发现困难，由于引入临时课题或由于使用教学策略。结果必须采取二次研究来调查在各类中学物理课堂中实施固体和/或荧光的教学所带来的影响，在这种课堂中，教师已经熟悉和对基于活动的教学法感到舒适。各类仪器包括问卷、评价和非正式观察草案用于收集资料。
在美国爱阿华选送了四名中学教师，在量子力学引进中学教材后的一个秋季学期内，给四位教师提供在课堂实施固体和/或荧光的教学训练和支持。在各类中学环境中任教的教师招了240-1250名学生。参与的教师有7-25年的教学经验。四名教师都经历过用物理资源和教学策略来激励学生。这些物理资源和教学策略激励材料包含着跟中学物理学生真实生活体验相关的高兴趣活动。这些材料也包括利用一种学习循环教学法并把焦点集中在使用廉价资源上。参与的学生和教师都喜欢，对基于活动的学习环境感到舒适。
学生们指出，他们喜欢手把手的活动性质，喜欢使用计算机程序来调查光谱图样和能级之间的关系，喜欢真实生活科学的应用。当要求指出他们学过的东西，作为完成固体和/或荧光的结果，有些学生指出，光的发射和吸收机制——把原子的能量图线跟光谱联系起来，光以不同的方式发射，势能图线如何可以用来描述从气体到固体的各种原子。
当问到会遇到什么困难时，有些学生和教师指出，在冷光中使用的势能图和固体中发现的发光二极管的固态性质的概念的理解存在一些困难。一些学生和教师觉得，关于发光二极管和光，还需要更多的背景。四位教师都指出，他们还将对这些材料实行教学，尤其在力学、能量和光的课题介绍后。
基于学生的评价结果，学生能够认识各种光源的谱线特征。他们能够使用原子的能量模型解释各种光源的光谱性质，尤其是气体灯。然而，学生对应用原子的能量模型于黑暗中的辉光和荧光物体时遇到了困难。学生对用电子跃迁表示的光的发射和吸收之间的区别也有困难。
结论
在中学课堂学习中，也有几个方面使用原子的能量模型，对于学生的学和教师的教都显得有困难。它反映出，能够用于解释气体灯的光谱性质的能量模型，学生有一个基本的理解。这可能是由于固体和冷光都能给学生提供众多的机会来重访和使用这种模型为其它光源的能量模型提供一个基础。然而学生好象需要额外的经验来使用和讨论各种能量模型以便解释固态光源的的光谱性质。学生和教师都受益于应用能量对距离图分析在势能图单元中建立的经典场景的体验。不幸的是，涉及这种学习的教师和学生都不进入此单元。随着在具体体验的情境中能量模型的引入的额外体验，在中学课程中有可能介绍20世纪物理学的观点，在此，以前并不存在热情、兴趣和理解。
References
LawrenceT.Escalada（DepartmentofPhysicsUniversityofNorthernIowaCedarFalls,Iowa）,AnInvestigationontheImpactofImplementingVisualQuantumMechanicsonStudentLearningandStudentInstructorBeliefs,http://piggy.rit.edu/franklin/perc2001
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