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，被諾貝爾物理獎(jiǎng)得主C.Wieman稱為“只是露出了冰山一角”。中國(guó)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(tuán)隊(duì)，及時(shí)地關(guān)注和進(jìn)入到這一新興前沿領(lǐng)域。

物理教育研究領(lǐng)域有兩大研究學(xué)派：一派是以諾貝爾物理獎(jiǎng)得主G.Parisi為代表，重視數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從復(fù)雜性科學(xué)的視角分析，另一派是以諾貝爾物理獎(jiǎng)得主C.Wieman為代表，重視實(shí)證調(diào)查，從教育學(xué)的視角分析。中國(guó)科大的研究團(tuán)隊(duì)綜合運(yùn)用了上述兩種研究方法，通過(guò)對(duì)物理學(xué)院6年時(shí)間周期、406名本科生的樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，研究了學(xué)生對(duì)于量子物理中束縛態(tài)和散射態(tài)的思維流程圖，成功構(gòu)建了Activation-Construction-Execution-Reflection的理論框架和基于Overgeneralization的思維機(jī)制模型。

形象地講，如果一個(gè)復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)有很多個(gè)節(jié)點(diǎn)，不同節(jié)點(diǎn)之間或者有連接，或者沒(méi)有連接。只有當(dāng)這些節(jié)點(diǎn)都能以一個(gè)連接串聯(lián)起來(lái)時(shí)，才達(dá)到所謂的渝滲閾值，整個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)才導(dǎo)通。

類似的，一個(gè)學(xué)生的知識(shí)記憶也包含不同的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)代表了特定物理領(lǐng)域中的不同知識(shí)片段。學(xué)生需要將節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)這些概念之間的關(guān)系相連接。當(dāng)所有的知識(shí)節(jié)點(diǎn)都以適當(dāng)?shù)姆绞酵ㄟ^(guò)一個(gè)正確關(guān)系相互連接時(shí)，學(xué)生的思維流程將達(dá)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(shí)，并處理相關(guān)物理問(wèn)題。

這一研究成果利用上述知識(shí)模型，針對(duì)學(xué)生處理量子束縛態(tài)和散射態(tài)問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)了有趣的學(xué)生思維圖景：學(xué)生們會(huì)有激活相關(guān)概念、構(gòu)建方程式、執(zhí)行解析計(jì)算、檢查各個(gè)步驟等思維方式，并在三個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上存在推理困難：(1)難以區(qū)分含時(shí)薛定諤方程的應(yīng)用場(chǎng)景，(2)不理解確定能量常數(shù)值的意義，(3)不能夠正確使用疊加態(tài)的條件。這些發(fā)現(xiàn)不但為學(xué)生對(duì)這些量子物理問(wèn)題的思維機(jī)制提供了深刻的認(rèn)識(shí)，也為這些量子物理內(nèi)容的教學(xué)提供了豐富的資源。因?yàn)槿绻麕椭鷮W(xué)生在這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上解決困難，那么他們的知識(shí)將從一些不相干的小塊，從只具有局部聯(lián)通性，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂腥致?lián)通性，這才是學(xué)生學(xué)習(xí)的正確方式。

(學(xué)生處理散射態(tài)問(wèn)題的思維流程圖，這是一個(gè)復(fù)雜性網(wǎng)絡(luò)，代表連接不同知識(shí)節(jié)點(diǎn)的思維通道，其大小代表相應(yīng)的幾率和閾值。)

這一成果于12月14日在線發(fā)表于物理教育研究領(lǐng)域的知名期刊Physical Review-Physics Education Research上。四位審稿人都對(duì)該論文給予了高度評(píng)價(jià)：“This is a strong manuscript; I thinkthe paper makes an excellent contribution to this particular line of research and to PER in general.（這是一篇強(qiáng)有力的文章，不但對(duì)這一特定的領(lǐng)域做出了杰出的貢獻(xiàn)，也是對(duì)整個(gè)物理教育研究的貢獻(xiàn)）”。

為縮短我國(guó)在物理教育研究領(lǐng)域與國(guó)際先進(jìn)國(guó)家的差距，中國(guó)物理學(xué)會(huì)一直致力于推動(dòng)我國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)展。為響應(yīng)學(xué)會(huì)號(hào)召，中國(guó)科大的團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域持續(xù)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(Phys. Rev. Physics Education Research 16, 020163 (2020))后，在量子物理的教育研究中再次取得重要進(jìn)展。本研究成果在本領(lǐng)域國(guó)際知名刊物上發(fā)表，是我校在物理教育研究領(lǐng)域的新突破，在國(guó)內(nèi)教育研究領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生重要影響。

論文鏈接: https://journals.aps.org/prper/abstract/10.1103/PhysRevPhysEducRes.17.020142

（物理學(xué)院、科研部）