Преподавание квантовой механики

Квантовая механика — сложный предмет для преподавания из-за своей противоречивой природы. ^[1] Поскольку этот предмет теперь преподается в старших классах средней школы, преподаватели применили научную методологию к процессу преподавания квантовой механики , чтобы выявить распространенные заблуждения и способы улучшения понимания учащимися.

Заблуждения студентов варьируются от полностью классического физического мышления, смешанных моделей до квазиквантовых идей. ^[1] Например, если концепция, что квантовая механика не описывает путь для электронов или фотонов , неправильно понята, студенты могут полагать, что они следуют определенным траекториям (классические) или синусоидальным путям (смешанные) или являются одновременно волнами и частицами (квазиквантовые: «в которых студенты понимают, что квантовые объекты могут вести себя и как частицы, и как волны, но все еще испытывают трудности с описанием событий недетерминированным образом»). Среди наиболее часто неправильно понимаемых концепций:

• постулаты квантовой механики не дают описания траекторий электронов или фотонов, ^[1]
• Амплитуда волны не является мерой энергии ,
• большинство связанных состояний не имеют соответствующих классических орбит ,
• на практике квантовая механика дает вероятностные , а не детерминированные результаты, ^{[2] [3] [a]}
• внутренняя неопределенность, а не ошибка измерения . ^[2]

Проблемы также возникают из-за неправильного понимания классических концепций, связанных с квантовыми концепциями, такими как разница между световой энергией и интенсивностью света.

Квантовую механику можно преподавать, сосредоточившись на различных интерпретациях, различных моделях или с помощью математических методов. Исследования показали, что сосредоточение на нематематических концепциях может привести к адекватному пониманию. ^[6]

Несмотря на принципиальную невозможность непосредственного просмотра квантовых состояний, мультимедийные визуализации являются важным инструментом в образовании. Интерактивные медиа предоставляют альтернативный опыт за пределами повседневного личного опыта как инструмент для понимания квантовой механики. ^[2] Среди мультимедийных сайтов, которые были изучены с положительными результатами, находятся QuVis ^[7] и Phet. ^[8]

Введение истории как части процесса обучения квантовой механике создает потенциальный конфликт целей: точная история или педагогическая ясность. ^[9] Исследования показали, что преподавание посредством истории помогает студентам осознать, что противоречащие интуиции вопросы являются фундаментальными, а не просто чем-то, чего они не понимают. Конкретное обсуждение исторических дебатов по квантовым концепциям доносит до них идею о том, что квантовое отличается от классического. ^[2] Обсуждение философии науки вводит идею о том, что язык, полученный из повседневного опыта, ограничивает нашу способность описывать квантовые явления.

Мохан ^[10] анализирует два широко используемых репрезентативных учебника по квантовой механике в сравнении с трудностями обучения, о которых сообщают Крийтенбург-Леверисса ^[1] и другие. Оба текста используют язык («волны» и «частицы»), знакомый студентам в других контекстах, без прямого изучения существенных сдвигов в значении, требуемых квантовой механикой. Мохан приписывает некоторые трудности обучения этому неисследованному применению неподходящего языка.

Н. Дэвид Мермин сообщает, что нетрадиционная стратегия, основанная на абстрактных, но простых математических концепциях, достаточна для обучения квантовой механике студентов, интересующихся применением квантовых вычислений, а не физикой. ^[11] Многие из проблем, которые сбивают с толку студентов-физиков, не применимы к этому случаю, а математический фон квантовых вычислений напоминает фон, уже преподаваемый в информатике . Мермин разрабатывает обозначения и операции с классическими битами, а затем вводит квантовые биты как суперпозиции двух классических состояний. Ему никогда не нужно обсуждать даже постоянную Планка , которая, как он предполагает, важна для аппаратного обеспечения квантового компьютера, но не для программного обеспечения.

Филипп Блитценбауэр вовлекает студентов с помощью простых, но по сути квантовых экспериментов с одним фотоном . ^[12] Подход позволяет избежать неоднозначного классического и квантового характера фотонов в экспериментах по оптической интерференции, таких как двойная щель. Студенты, подвергающиеся воздействию квантовой механики таким образом, избегают развития заблуждений, очевидных среди студентов контрольной группы.

• Физическое образование
• Исследования в области физического образования
• Введение в квантовую механику
• Устройство Мермина
• Список учебников по квантовой механике