中学物理教师量子力学概念调查，本文主要内容关键词为：量子力学论文,概念论文,中学物理论文,教师论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、研究背景
近20多年，物理教育研究迅速发展，已经成为物理研究领域中一个方向。物理教育研究的成果对物理教学改革产生着越来越大的影响。最近几年，有关量子物理的教学研究不断增多，如美国堪萨斯州州立大学的Dean Zollman[1]，马里兰大学的Redish[2]，德国慕尼黑大学的Niedderer，Rainer Muller[3]，澳大利亚的Johnston[4]，英国的Gren Ireson[5]等。一些研究者调查了用传统教学方法教授量子力学的效果，另外一些研究者则采用交互式计算机软件来帮助学生理解量子力学内容，并对其效果进行了研究。人们越来越关注学习者对量子力学概念的理解。
目前，真正理解量子力学概念的人不多，就连大学物理专业的学生也是到大学三年级才比较系统地学习量子力学课程，在这方面教育明显落后于时代的要求。21世纪科技的发展日新月异，对于现代科学工作者来说，量子力学已经成为必备的基础。量子力学的基本思想对于人们认识客观世界有着深远的影响。因此，不仅学物理的人应该研究量子力学，作为一个现代社会的公民，了解量子力学的基本概念和基本思想，知道量子力学有什么作用和已经起了哪些作用都是十分必要的。
早在1961年，诺贝尔物理学奖获得者、美国物理学家霍夫斯塔斯就说过：“我相信任何一个喜欢自然的人都应该学习量子力学，并不是它的数学而是它的思想。”
我国最新制订的全日制普通高级中学《物理课程标准》[6]指出，高中物理课程的培养目标是进一步提高科学素养，满足全体学生发展需要。在必修物理2中，要求学生初步了解微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和微观物体的能量变化特点。体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。在物理选修3—5中则提出了更具体的要求。在有关原子结构的二级主题中要求学生：（1）了解人类探索原子结构的历史以及有关经典实验。（2）通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。在有关波粒二象性的二级主题中，要求学生：（1）了解微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和微观物体的能量变化特点。体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。（2）通过实验了解光电效应；知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。（3）了解康普顿效应。（4）根据实验说明光的波粒二象性；知道光是一种概率波。（5）知道实物粒子具有波动性；知道电子云，初步了解不确定性关系。（6）通过典型事例了解人类直接经验的局限性，体会人类对世界的探究是不断深入的。
由此可见，量子力学中的量子化现象和非确定性的思想已经进入新的高中物理课程。这是提高中学生科学素养的需要，同时也对中学物理教师提出了更高的要求。定性了解量子力学的理论框架、基本概念和基本思想是我国中学物理教师面临的一个重要任务，物理教师头脑中的科学的量子力学概念是保证中学物理课堂教学实施的前提。因此，本文采用测试和问卷调查的方法，研究目前中学物理教师对有关概念的理解和认识，揭示存在的问题，为中学物理教师科学地把握量子力学的基本概念和基本思想提供参考。
二、调查问卷的设计和样本的选取
问卷题目的设计参考了英国Gren Ireson对高中生量子物理理解的调查研究。问卷包括两部分内容。第1部分是问答题，包括8个小题，问题都是围绕量子力学的核心观念所设计。目的是调查测试对象关于量子力学和经典力学根本性质以及原子结构和量子力学非定域问题的理解。第2部分是关于量子现象理解的问卷调查，包含29道陈述题，每一道题对应有5等级，分别表示对此陈述的意见。目的是要了解测试对象对量子现象到底是怎么想的。题目涉及以下几个方面的内容：电磁波谱、电磁辐射的光子模型、光电效应、原子中的电子、电离、激发、能级、光子辐射、波粒二象性。
样本为北师大物理系函授本科生29名（在职中学教师），他们都已经学过原子物理，有些已经学过量子力学。研究生课程班的具有本科学历的中学教师81名，虽然他们在大学时都学过量子力学，但是调查的结果与函授生的结果是很相似的，这说明我们的中学物理教师在对量子物理的理解方面还需要进一步提高。由于两组数据比较相似，因此把两组数据放在一起统计，这也说明测试的结果有一定代表性。
三、调查结果及分析
1.问答题
简要回答下面8个问题，请你尽可能完整做答，必要时可画图表示。
（1）经典物体具有的根本性质有哪些？（如质量、体积……）
质量（45％）；体积（45％）；形状（28％）；密度（24％）；受牛顿力学支配（21％）；速度（17％）；长度（17％）；位置可准确测量（14％）；比热（14％）；轨道（10％）。
（2）微观粒子（如电子）具有的根本性质有哪些？
波粒二象性（41％）；质量（31％）；体积（21％）；测不准关系（17％）；波动性（14％）；轨道（14％）；能级（10％）。
（3）经典物体和微观粒子的主要区别是什么？
经典粒子的质量大、体积大、速度小（21％），微观粒子的质量小、体积小、速度大（14％）。经典粒子受牛顿力学支配（24％），微观粒子受量子力学支配（21％）。经典粒子具有可视性，可精确测量，微观粒子不可用肉眼直接看，要借助仪器观察，且满足测不准关系（21％）。
（4）你认为光子是什么？
光子是电磁波的占7％，光子具有波粒二象性占17％，光子是一种能量存在形式占21％，光子的能量是不连续的占69％。
（5）你如何描述电子在原子中的运动？
电子绕核做高速运动（45％）（其中提到特定轨道的占28％），电子同时做自旋运动（17％）。电子绕核做高速旋转，有些位置出现的几率大，有些地方出现的几率小，不同位置出现的几率不同，呈电子云状分布（24％）；还有人提到电子绕核运动有一定的轨道分布，电子在轨道附近出现的几率较多，非轨道处出现的几率较小（3％）；电子绕原子核像地球绕太阳一样旋转，同时电子又像地球本身一样自转（7％）。可见，大多数教师头脑中的原子模型还是玻尔模型，而且几乎所有的教师都把电子的自旋理解为电子的自转。
（6）原子中的电子是否在每一时刻都具有确定的位置？
没有确定位置但是没有陈述理由（57％）。没有确定位置并陈述理由如下：电子在原子周围的运动是随机的，它在原子周围出现的几率应由电子运动的波动性规律来决定（7％）；电子的运动是随机的，完全偶然的，无法知道每一时刻电子的确切位置（7％）；没有确定位置，但电子出现位置的几率有大有小（3％）；因为电子永不停息地绕核运动（9％）。大部分教师认为不能确定电子每一时刻的位置是因为电子的运动是一种完全的随机行为，可见大部分教师未能给出正确的解释。
有确定位置的（21％），其中陈述的理由是：因为任何物体在任一时刻都应有一个确定的空间位置，只是你不能测准确（14％）。这是一种典型的经典力学观点。
（7）海森堡测不准关系中△x和△p的含义是什么？
认为△x是位置，△p是动量（21％）；△x电子位置的改变量，△p电子动量的改变量（17％）；△x是位置的不确定度，△p是动量的不确定度（17％）；提到△x·△p≤（h/2）（28％），但是没有解释。可见教师对于测不准关系具有很多错误概念。
（8）请你写出头脑中印象最深的量子力学概念。
回答的结果是：波粒二象性（28％）；薛定谔方程（28％）；能量量子化（24％）；微观粒子运动规律（21％）；测不准关系（17％）；几率性（17％）；光电效应（17％）；势阱（10％）；跃迁（10％）；不可测性（7％）。
2.陈述题
下面的调查是想了解你对量子力学的认识。请你尽可能完整做答。本测试有29道陈述题，每一道题对应5个等级，请分别表示对此陈述的意见：①很同意；②较同意；③一般；④较不同意；⑤很不同意；⑥其他，请在你认为能反映你想法的选项上划圈。如以上都不能反映，请你自己陈述看法。由于篇幅的限制，本文只选了一些典型的题目做分析（见图1—图10），其中1=“很同意”；2=“较同意”；3=“一般”；4=“较不同意”；5=“很不同意”；6=“其他”。
图1 教师对“原子结构与行星绕太阳的轨道类似”的回答
图2 教师对“电子可以有一个视觉图像”的回答
图3 教师对“原子的稳定是由于电荷的引力和电子运动的平衡”的回答
图4 教师对“电子总是粒子”的回答
图5 教师对“电子总是波”的回答
图6 教师对“电子围绕原子核沿轨道运动”的回答
图7 教师对“单个电子可以同自己发生相长干涉和相消干涉”的回答
图8 教师对“说电子是‘波’或‘粒子’依赖于所做的特定的实验”的回答
图9 教师对“在电子双缝实验中，如果我们清楚地知道电子的初始条件我们能够预测在屏上哪个位置上可以找到下一个电子”的回答
图10 教师对“原则上说微观粒子可以同时具有确定的位置和动量”的回答
从测试的调查结果可以看出，中学物理教师头脑中存在着相当多的错误概念。如：对于量子力学的波粒二象性、测不准关系、非定域性问题等都缺乏正确的理解。尽管量子力学已建立70多年，但是在大多数中学教师头脑中还是玻尔模型占主要地位，而量子力学的电子云图像却知道的不多。
从“原子中的电子是否在每一时刻都具有确定位置”这一问题的回答来看，教师的头脑中还存在着典型的经典力学观念，也就是电子在每一时刻都应该有确定的位置，只是由于电子运动很快，不能测量它每一时刻到底在哪，这是典型的经典力学决定论的思想。尽管有些教师回答的是不能确定任一时刻电子的位置，但大多认为电子的运动是随机的、完全偶然的，这也不是对量子力学概率性科学的理解。总之，调查结果表明中学物理教师大多数还是采用经典的思维方式来考虑量子力学的问题。
以上调查结果表明，中学物理教师对量子力学概念的理解存在一些普遍性的错误。对他们实施有效的教学指导，帮助他们在头脑中建立起科学的量子力学概念是今后教师培训的一项重要任务，也是一个需要深入研究的重要课题。