Преподавание квантовой механики

Квантовая механика — сложный предмет для преподавания из-за ее противоречивого характера. ^[1] Поскольку этот предмет теперь предлагается в средних школах с высшим образованием, преподаватели применили научную методологию к процессу преподавания квантовой механики , чтобы выявить распространенные заблуждения и способы улучшить понимание учениками.

Распространенные трудности в обучении

Заблуждения студентов варьируются от полностью классического физического мышления, смешанных моделей до квазиквантовых идей. ^[1] Например, если концепция о том, что квантовая механика не описывает путь для электронов или фотонов , неправильно понята, студенты могут полагать, что они следуют определенным траекториям (классические) или синусоидальным путям (смеси), или являются одновременно волнами и частицами (квазиквантовые). : «в котором 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 понятий, которые чаще всего понимаются неправильно, можно назвать:

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]^[а]
внутренняя неопределенность, а не ошибка измерения . ^[2]

Проблемы также возникают из-за непонимания классических концепций, связанных с квантовыми концепциями, таких как разница между энергией света и интенсивностью света.

Стратегии преподавания

Математика

Квантовую механику можно преподавать, уделяя особое внимание различным интерпретациям, различным моделям или с помощью математических методов. Исследования показали, что сосредоточение внимания на нематематических концепциях может привести к адекватному пониманию. ^[6]

Цифровые и мультимедийные

Несмотря на принципиальную невозможность прямого просмотра квантовых состояний, мультимедийные визуализации являются важным инструментом в образовании. Интерактивные медиа предоставляют альтернативный опыт, выходящий за рамки повседневного личного опыта, в качестве инструмента для понимания квантовой механики. ^[2] Среди мультимедийных сайтов, изученных с положительными результатами, можно отметить QuVis. ^[7] и Фет . ^[8]

История и философия науки как образовательные пособия

Введение истории в процесс обучения квантовой механике создает потенциальный конфликт целей: точная история или педагогическая ясность. ^[9] Исследования показали, что преподавание истории помогает учащимся осознать, что противоречивые вопросы являются фундаментальными, а не просто чем-то, чего они не понимают. В частности, обсуждение исторических дебатов о квантовых концепциях приводит к мысли, что квант отличается от классического. ^[2] Обсуждение философии науки приводит к идее, что язык, возникший на основе повседневного опыта, ограничивает нашу способность описывать квантовые явления.

Непосредственное обсуждение значений слов

Мохан ^[10] анализирует два широко используемых репрезентативных учебника по квантовой механике на предмет проблем обучения, о которых сообщила Крайтенбург-Леверисса. ^[1] и другие. Оба текста используют язык («волны» и «частицы»), знакомый студентам в других контекстах, без непосредственного исследования значительных сдвигов в значении, требуемых квантовой механикой. Мохан объясняет некоторые проблемы обучения неизведанным применением ненормативной лексики.

Обучение квантовым вычислениям

Н. Дэвид Мермин сообщает, что нетрадиционной стратегии, основанной на абстрактных, но простых математических концепциях, достаточно для преподавания квантовой механики студентам, интересующимся приложениями квантовых вычислений, а не физикой. ^[11] Многие из вопросов, которые сбивают с толку студентов-физиков, не применимы к этому случаю, а математическая основа квантовых вычислений напоминает ту, которую уже преподают 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, по его мнению, важна для аппаратного обеспечения квантового компьютера, но не для программного обеспечения.

Обучение на основе квантовой оптики

Филипп Блитценбауэр привлекает студентов к проведению простых, но по своей сути квантовых однофотонных экспериментов. ^[12] Этот подход позволяет избежать неоднозначного классического и квантового характера фотонов в экспериментах по оптической интерференции, таких как двойная щель. Студенты, изучающие квантовую механику таким образом, избегают развития заблуждений, очевидных среди студентов контрольной группы.

См. также

Примечания

^ Является ли кажущийся недетерминизм квантовой механики действительно фундаментальным, зависит от интерпретации . ^[4]^[5]

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Крийтенбург-Леверисса, К.; Пол, HJ; Бринкман, А.; ван Йолинген, WR (17 февраля 2017 г.). «Особенности преподавания квантовой механики в средних и младших классах высшего образования» . Физический обзор Исследования в области физического образования . 13 (1): 010109. arXiv : 1701.01472 . doi : 10.1103/PhysRevPhysEducRes.13.010109 . ISSN 2469-9896 . S2CID 13446988 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Буше, Т.; де Путтер - Смитс, Л.; Терлингс, М.; Пепин, Б. (3 июля 2022 г.). «На пути к лучшему пониманию концептуальных трудностей вводного курса квантовой физики» . Исследования в области естественнонаучного образования . 58 (2): 183–202. дои : 10.1080/03057267.2021.1963579 . ISSN 0305-7267 . S2CID 239272777 .
^ Маршман, Эмили; Сингх, Чандралеха (01 марта 2017 г.). «Исследование и улучшение понимания студентами распределений вероятностей для измерения физических наблюдаемых в квантовой механике» . Европейский журнал физики . 38 (2): 025705. Бибкод : 2017EJPh...38b5705M . дои : 10.1088/1361-6404/aa57d1 . ISSN 0143-0807 . S2CID 126311599 .
^ Шлоссауэр, Максимилиан; Кофлер, Йоханнес; Цайлингер, Антон (01 августа 2013 г.). «Снимок основополагающих взглядов на квантовую механику». Исследования по истории и философии науки. Часть B: Исследования по истории и философии современной физики . 44 (3): 222–230. arXiv : 1301.1069 . Бибкод : 2013ШПМП..44..222С . дои : 10.1016/j.shpsb.2013.04.004 . ISSN 1355-2198 . S2CID 55537196 .
^ Шаффер, Кэтрин; Баррето Лемос, Габриэла (24 мая 2019 г.). «Уничтожение вещи: введение в «Что» и «И что» квантовой физики». Основы науки . 26 :7–26. arXiv : 1908.07936 . дои : 10.1007/s10699-019-09608-5 . ISSN 1233-1821 . S2CID 182656563 .
^ Дангур, Веред; Аваргиль, Ширли; Пескин, Ури; Дори, Иегудит Джуди (2014). «Изучение квантовой химии с помощью визуально-концептуального подхода: двунаправленное текстовое и визуальное понимание студентами» . хим. Образование. Рез. Практика . 15 (3): 297–310. дои : 10.1039/C4RP00025K . ISSN 1109-4028 .
^ Конле, Антье; Кассеттари, Донателла; Эдвардс, Том Дж.; Фергюсон, Каллум; Гиллис, Аластер Д.; Хули, Кристофер А.; Королькова Наталья; Лама, Джозеф; Синклер, Брюс Д. (01 февраля 2012 г.). «Новый мультимедийный ресурс для обучения концепциям квантовой механики» . Американский журнал физики . 80 (2): 148–153. дои : 10.1119/1.3657800 . ISSN 0002-9505 .
^ МакКаган, Южная Каролина ; Хэндли, В.; Перкинс, К.К.; Виман, CE (1 января 2009 г.). «Научно-исследовательская программа обучения фотоэлектрическому эффекту» . Американский журнал физики . 77 (1): 87–94. arXiv : 0706.2165 . дои : 10.1119/1.2978181 . ISSN 0002-9505 . S2CID 40164976 .
^ Краг, Хельге (1 декабря 1992 г.). «Чувство истории: история науки и преподавание вводной квантовой теории» . Наука и образование . 1 (4): 349–363. дои : 10.1007/BF00430962 . ISSN 0926-7220 .
^ Мохан, Ашвин Кришнан (июнь 2020 г.). «Философские позиции учебников по квантовой механике» . Наука и образование . 29 (3): 549–569. дои : 10.1007/s11191-020-00128-4 . ISSN 0926-7220 .
^ Мермин, Н. Дэвид (1 января 2003 г.). «От сибитов к кубитам: обучение ученых-компьютерщиков квантовой механике». Американский журнал физики . 71 (1): 23–30. arXiv : Quant-ph/0207118 . дои : 10.1119/1.1522741 . ISSN 0002-9505 . S2CID 13068252 .
^ Битценбауэр, Филипп (22 июля 2021 г.). «Влияние вводного курса квантовой физики с использованием экспериментов с заявленными фотонами на представления студентов довузовского возраста о квантовой физике» . Физический обзор Исследования в области физического образования . 17 (2): 020103. doi : 10.1103/PhysRevPhysEducRes.17.020103 . ISSN 2469-9896 . S2CID 237715353 .

[6] Является ли кажущийся недетерминизм квантовой механики действительно фундаментальным, зависит от интерпретации . ^[4]^[5]

[insights-review-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Крийтенбург-Леверисса, К.; Пол, HJ; Бринкман, А.; ван Йолинген, WR (17 февраля 2017 г.). «Особенности преподавания квантовой механики в средних и младших классах высшего образования» . Физический обзор Исследования в области физического образования . 13 (1): 010109. arXiv : 1701.01472 . doi : 10.1103/PhysRevPhysEducRes.13.010109 . ISSN 2469-9896 . S2CID 13446988 .

[bouchee-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Буше, Т.; де Путтер - Смитс, Л.; Терлингс, М.; Пепин, Б. (3 июля 2022 г.). «На пути к лучшему пониманию концептуальных трудностей вводного курса квантовой физики» . Исследования в области естественнонаучного образования . 58 (2): 183–202. дои : 10.1080/03057267.2021.1963579 . ISSN 0305-7267 . S2CID 239272777 .

[3] Маршман, Эмили; Сингх, Чандралеха (01 марта 2017 г.). «Исследование и улучшение понимания студентами распределений вероятностей для измерения физических наблюдаемых в квантовой механике» . Европейский журнал физики . 38 (2): 025705. Бибкод : 2017EJPh...38b5705M . дои : 10.1088/1361-6404/aa57d1 . ISSN 0143-0807 . S2CID 126311599 .

[4] Шлоссауэр, Максимилиан; Кофлер, Йоханнес; Цайлингер, Антон (01 августа 2013 г.). «Снимок основополагающих взглядов на квантовую механику». Исследования по истории и философии науки. Часть B: Исследования по истории и философии современной физики . 44 (3): 222–230. arXiv : 1301.1069 . Бибкод : 2013ШПМП..44..222С . дои : 10.1016/j.shpsb.2013.04.004 . ISSN 1355-2198 . S2CID 55537196 .

[5] Шаффер, Кэтрин; Баррето Лемос, Габриэла (24 мая 2019 г.). «Уничтожение вещи: введение в «Что» и «И что» квантовой физики». Основы науки . 26 :7–26. arXiv : 1908.07936 . дои : 10.1007/s10699-019-09608-5 . ISSN 1233-1821 . S2CID 182656563 .

[7] Дангур, Веред; Аваргиль, Ширли; Пескин, Ури; Дори, Иегудит Джуди (2014). «Изучение квантовой химии с помощью визуально-концептуального подхода: двунаправленное текстовое и визуальное понимание студентами» . хим. Образование. Рез. Практика . 15 (3): 297–310. дои : 10.1039/C4RP00025K . ISSN 1109-4028 .

[8] Конле, Антье; Кассеттари, Донателла; Эдвардс, Том Дж.; Фергюсон, Каллум; Гиллис, Аластер Д.; Хули, Кристофер А.; Королькова Наталья; Лама, Джозеф; Синклер, Брюс Д. (01 февраля 2012 г.). «Новый мультимедийный ресурс для обучения концепциям квантовой механики» . Американский журнал физики . 80 (2): 148–153. дои : 10.1119/1.3657800 . ISSN 0002-9505 .

[9] МакКаган, Южная Каролина ; Хэндли, В.; Перкинс, К.К.; Виман, CE (1 января 2009 г.). «Научно-исследовательская программа обучения фотоэлектрическому эффекту» . Американский журнал физики . 77 (1): 87–94. arXiv : 0706.2165 . дои : 10.1119/1.2978181 . ISSN 0002-9505 . S2CID 40164976 .

[10] Краг, Хельге (1 декабря 1992 г.). «Чувство истории: история науки и преподавание вводной квантовой теории» . Наука и образование . 1 (4): 349–363. дои : 10.1007/BF00430962 . ISSN 0926-7220 .

[11] Мохан, Ашвин Кришнан (июнь 2020 г.). «Философские позиции учебников по квантовой механике» . Наука и образование . 29 (3): 549–569. дои : 10.1007/s11191-020-00128-4 . ISSN 0926-7220 .

[12] Мермин, Н. Дэвид (1 января 2003 г.). «От сибитов к кубитам: обучение ученых-компьютерщиков квантовой механике». Американский журнал физики . 71 (1): 23–30. arXiv : Quant-ph/0207118 . дои : 10.1119/1.1522741 . ISSN 0002-9505 . S2CID 13068252 .

[13] Битценбауэр, Филипп (22 июля 2021 г.). «Влияние вводного курса квантовой физики с использованием экспериментов с заявленными фотонами на представления студентов довузовского возраста о квантовой физике» . Физический обзор Исследования в области физического образования . 17 (2): 020103. doi : 10.1103/PhysRevPhysEducRes.17.020103 . ISSN 2469-9896 . S2CID 237715353 .

[1]

[2]

[3]

[а]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[4]

[5]