物理教育研究是物理學(xué)的一個(gè)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(shí)教授和郭光燦院士等老師組成的團隊，及時(shí)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(gè)重要的研究方向：是從復雜性科學(xué)的視角進(jìn)行分析。如果一個(gè)復雜的電路網(wǎng)絡(luò )有很多個(gè)節點(diǎn)，不同節點(diǎn)之間或者有連接，或者沒(méi)有連接。只有當這些節點(diǎn)都能以一個(gè)連接串聯(lián)起來(lái)時(shí)，才達到所謂的渝滲閾值，整個(gè)電路網(wǎng)絡(luò )才導通。類(lèi)似的，一個(gè)學(xué)生的思維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )也包含不同的節點(diǎn)，這些節點(diǎn)代表了特定物理領(lǐng)域中的不同知識片段。只有當所有的知識節點(diǎn)都以適當的方式通過(guò)一個(gè)正確關(guān)系相互連接時(shí)，學(xué)生的思維流程才會(huì )達到一個(gè)渝滲閾值，這時(shí)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(wèn)題。
(左圖是電路導通的渝滲模型，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(gè)復雜性網(wǎng)絡(luò )。)
中國科大的研究團隊綜合運用了上述研究模型和方法，通過(guò)對物理學(xué)院6年時(shí)間周期、466名本科生的樣本數據的統計分析，研究了學(xué)生對于量子物理中Dirac函數的思維過(guò)程。發(fā)現了有趣的思維流程圖景：學(xué)生們會(huì )有激活相關(guān)概念、構建方程式、執行解析計算、檢查各個(gè)步驟等思維方式，并在三個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)上存在著(zhù)推理困難：(1) 難以建立位置本征態(tài)的正確概念； (2) 難以建立連續譜本征函數的正確意義，(3) 難以處理特殊的邊界條件和圖像。這些發(fā)現不但為學(xué)生對這些量子物理問(wèn)題的思維機制提供了深刻的認識，也為這些量子物理內容的教學(xué)提供了豐富的資源。因為如果幫助學(xué)生在這些關(guān)鍵節點(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，轉變?yōu)榫哂腥致?lián)通性，這才是學(xué)生學(xué)習的正確方式。
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(jià)：“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(jià)值；我非常歡迎對量子物理學(xué)的教學(xué)和指導進(jìn)行仔細的評估，尤其是像本文這樣做得好的時(shí)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(huì )一直致力于推動(dòng)我國在該研究領(lǐng)域的發(fā)展。中國科大的團隊在國內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(wèn)題和Dirac函數，在本領(lǐng)域國際權威刊物上發(fā)表了多項成果，標志著(zhù)我校在物理教育研究領(lǐng)域的重要突破，在國內高等教育研究領(lǐng)域也具有重要影響。
論文鏈接
https://journals.aps.org/prper/abstract/10.1103/PhysRevPhysEducRes.19.010104
（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室、物理學(xué)院）
