我國科研人員在量子物理教育研究中再次取得重要進展

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，被諾貝爾物理學獎得主C.Wieman稱為“只是露出了冰山一角”。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，重視數據統計，從復雜性科學的視角分析，另一派是以諾貝爾物理學獎得主C.Wieman為代表，重視實證調查，從教育學的視角分析。

記者從中國科學技術大學了解到，該校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。中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名本科生的樣本數據的統計分析，研究了學生對于量子物理中束縛態和散射態的思維流程圖，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。他們的這一研究成果于12月14日在線發表于物理教育研究領域的知名期刊《物理評論-物理教育研究》上。四位審稿人都對該論文給予了高度評價：“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”。

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

與此類似，一個學生的知識記憶也包含不同的節點，這些節點代表了特定物理領域中的不同知識片段。學生需要將節點與其他節點之間通過這些概念之間的關系相連接。當所有的知識節點都以適當的方式通過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。

利用上述知識模型，科研人員針對學生處理量子束縛態和散射態問題，發現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、執行解析計算、檢查各個步驟等思維方式，并在三個關鍵節點上存在推理困難：(1)難以區分含時薛定諤方程的應用場景，(2)不理解確定能量常數值的意義，(3)不能夠正確使用疊加態的條件。這些發現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，從只具有局部聯通性，轉變為具有全局聯通性，這才是學生學習的正確方式。

學生處理散射態問題的思維流程圖，這是一個復雜性網絡，代表連接不同知識節點的思維通道，其大小代表相應的幾率和閾值。

為縮短我國在物理教育研究領域與國際先進國家的差距，中國物理學會一直致力于推動我國在該領域的發展。中科大的團隊在這一領域持續開展了系列研究，繼2020年首先在薛定諤方程的教育研究中取得突破后，在量子物理的教育研究中再次取得重要進展。這個研究成果在本領域國際知名刊物上發表，是我國在物理教育研究領域的新突破，在國內教育研究領域將產生重要影響。(科技日報記者 吳長鋒)