量子力學(xué)有多難？

波函數(shù)、薛定諤方程……這些聽起來(lái)讓人頭疼的概念，曾經(jīng)讓無(wú)數(shù)理工科學(xué)生“望而生畏”。在傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)模式下，面對(duì)這些抽象深?yuàn)W的理論，很多同學(xué)只能選擇死記硬背，陷入“教師單向灌輸、學(xué)生被動(dòng)接收”的困局。這種教學(xué)困境在電子材料相關(guān)的“硬核”課程中尤為突出。

“以前面對(duì)波函數(shù)、量子態(tài)疊加這些概念，只能死記硬背課本表述，理解錯(cuò)了也沒人糾正。現(xiàn)在通過課堂討論，和老師、同學(xué)碰撞思路，比如分析電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，波粒二象性的概念一下子就清晰了”，這是材料科學(xué)與工程專業(yè)23級(jí)本科生張璐的感慨。

今年春季學(xué)期，一門讓很多學(xué)生頭疼的“硬核”課程——《電子材料理論物理Ⅱ》，迎來(lái)了史無(wú)前例的“逆襲”！

1+1＞2的破局

電子材料創(chuàng)新水平是衡量國(guó)家科技實(shí)力的核心指標(biāo)，更是我國(guó)突破“卡脖子”技術(shù)的關(guān)鍵。這給電子材料人才培養(yǎng)提出了新的要求——既要開展基礎(chǔ)研究，又要推進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化。

為進(jìn)一步強(qiáng)化課程體系與學(xué)科發(fā)展的深度適配，西電先進(jìn)材料與納米科技學(xué)院依托學(xué)校“電子信息特色鮮明、國(guó)防軍工背景深厚”的優(yōu)勢(shì)，在2023級(jí)學(xué)生培養(yǎng)中正式啟用全新培養(yǎng)方案，對(duì)課程進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)：

將原《電動(dòng)力學(xué)》與《統(tǒng)計(jì)物理》整合為《電子材料理論物理I》；原《量子力學(xué)》調(diào)整為《電子材料理論物理Ⅱ》；原《固體物理》與《半導(dǎo)體物理》整合為《固體物理與半導(dǎo)體物理》。

這樣的課程整合實(shí)現(xiàn)了“1+1>2”的效應(yīng)。重新設(shè)計(jì)的課程體系能夯實(shí)理論根基、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，使學(xué)生們逐漸告別了材料研發(fā)中“經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)”的傳統(tǒng)路徑，開始邁向“精準(zhǔn)設(shè)計(jì)”的新階段。如今，這套課程體系發(fā)揮著橋梁作用，推動(dòng)科研成果從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用。

課程整合只是第一步，教學(xué)方法的革新更為關(guān)鍵。傳統(tǒng)“灌輸式”教學(xué)存在明顯局限——學(xué)生習(xí)慣接受標(biāo)準(zhǔn)答案，面對(duì)“無(wú)唯一解”的復(fù)雜問題時(shí)，既不敢質(zhì)疑，也不會(huì)多角度拆解，批判性思維與創(chuàng)新意識(shí)難以培養(yǎng)。

“師－生－研”

三元聯(lián)動(dòng)的創(chuàng)新突破

如何讓抽象的量子力學(xué)概念變得“可討論、可拆解”？如何激發(fā)學(xué)生從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的轉(zhuǎn)變？

先進(jìn)材料與納米科技學(xué)院在原有“師－生”交互式討論教學(xué)法基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地引入“研學(xué)學(xué)長(zhǎng)”作為第三元角色，構(gòu)建起“師－生－研”三元交互式教學(xué)模式。

簡(jiǎn)單來(lái)說，“師－生－研”三元交互式教學(xué)法就是讓教師、學(xué)生和研學(xué)學(xué)長(zhǎng)三方深度互動(dòng)，打破傳統(tǒng)課堂的單向傳輸模式。

在這個(gè)模式中，教師不再是知識(shí)的唯一輸出者，而是討論的引導(dǎo)者；學(xué)生不再是被動(dòng)的接收者，而是知識(shí)的共同建構(gòu)者；研學(xué)學(xué)長(zhǎng)則發(fā)揮著獨(dú)特的“橋梁”作用，他們剛完成課程學(xué)習(xí)，對(duì)重難點(diǎn)、認(rèn)知誤區(qū)及學(xué)習(xí)規(guī)律的理解更貼近當(dāng)前學(xué)生視角，能夠精準(zhǔn)“踩點(diǎn)”。且研學(xué)學(xué)長(zhǎng)與學(xué)生年齡相近，溝通更為順暢。相比面對(duì)嚴(yán)肅的老師，學(xué)生在同齡人面前更敢于表達(dá)觀點(diǎn)，討論氛圍更加活躍。

《電子材料理論物理Ⅱ》課堂

“師－生－研”三元交互式模式的具體實(shí)施分為三個(gè)層次。

第一層是師生互動(dòng)打基礎(chǔ)

教師依據(jù)課程大綱、課本內(nèi)容和學(xué)生認(rèn)知水平設(shè)計(jì)討論框架，通過層層設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生聚焦理論邏輯梳理等關(guān)鍵內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)從“知識(shí)傳授者”向“討論的引導(dǎo)者和啟發(fā)者”的轉(zhuǎn)變；學(xué)生主動(dòng)參與討論，提出疑問并分享理解視角，實(shí)現(xiàn)從“被動(dòng)接受”向“主動(dòng)思考”轉(zhuǎn)變。

第二層是師長(zhǎng)協(xié)同做保障

教師和研學(xué)學(xué)長(zhǎng)提前溝通，針對(duì)學(xué)生的共性問題與知識(shí)薄弱點(diǎn)，明確討論課的核心目標(biāo)；研學(xué)學(xué)長(zhǎng)基于自身學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)提出具體方案，從學(xué)生視角提出具體方案，實(shí)現(xiàn)課程從“枯燥乏味”向“趣味橫生”轉(zhuǎn)變。

第三層是長(zhǎng)生互動(dòng)促深化

研學(xué)學(xué)長(zhǎng)每?jī)芍芙M織一次討論課，與課程同步推進(jìn)。課上采用單人或2-3人協(xié)作的方式抽簽領(lǐng)題，進(jìn)行三十分鐘討論。課堂氛圍輕松自由，學(xué)生可隨意走動(dòng)、提問。討論結(jié)束后，學(xué)生上臺(tái)講題，研學(xué)學(xué)長(zhǎng)給予精準(zhǔn)點(diǎn)評(píng)與細(xì)致補(bǔ)充。在這種平等的互動(dòng)中，研學(xué)學(xué)長(zhǎng)幫助學(xué)生鞏固核心知識(shí)點(diǎn)，并通過引入前沿案例與科研場(chǎng)景，引導(dǎo)學(xué)生將書本知識(shí)與科研實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從“疑難困惑”到“融會(huì)貫通”的轉(zhuǎn)變。

討論課課堂

兩大“法寶”：

科學(xué)思維與情感賦能并重

在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)院摸索出了這種教學(xué)模式的兩大“制勝法寶”。第一個(gè)法寶是貫穿課堂的科學(xué)思維訓(xùn)練。無(wú)論是常規(guī)課程還是討論課，教師都會(huì)引導(dǎo)學(xué)生完成總結(jié)科學(xué)規(guī)律、用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)、驗(yàn)證科學(xué)規(guī)律以及發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)問題這四個(gè)關(guān)鍵步驟。

以波粒二象性為例，教師首先引導(dǎo)學(xué)生從經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與量子世界觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比入手，歸納出波粒二象性的本質(zhì)特征；接著，教師現(xiàn)場(chǎng)演示了如何將這一物理規(guī)律轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)學(xué)形式。隨后，結(jié)合電子雙縫干涉等經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，師生共同闡釋理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后教師提出“如何利用量子相位描述鐵電相變問題”等前沿開放性問題，點(diǎn)燃學(xué)生們的探究熱情。

第二個(gè)法寶是情感賦能的有效運(yùn)用。在課堂教學(xué)中，教師以飽滿的教學(xué)熱情，運(yùn)用生動(dòng)的表達(dá)方式和貼近學(xué)生生活的實(shí)例來(lái)激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，對(duì)學(xué)生的正確思路給予及時(shí)肯定，對(duì)出現(xiàn)的思維偏差進(jìn)行耐心引導(dǎo)。研學(xué)學(xué)長(zhǎng)在討論環(huán)節(jié)中著力營(yíng)造輕松而活躍的學(xué)習(xí)氛圍，當(dāng)學(xué)生思維受阻時(shí)，以肯定代替批評(píng)，隨后提供針對(duì)性的指導(dǎo)建議。通過“課堂激情引導(dǎo)+討論溫情護(hù)航”的情感支持模式，學(xué)生在思維交流碰撞中持續(xù)感受到關(guān)注與尊重，從而保持積極自信的學(xué)習(xí)狀態(tài)。

《電子材料理論物理Ⅱ》課堂

“我看到了一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)變，”研學(xué)學(xué)長(zhǎng)廖麗說道，“以前，學(xué)生們總是等著老師給出標(biāo)準(zhǔn)答案，現(xiàn)在他們會(huì)主動(dòng)去分析問題、尋找解決思路。特別是那些基礎(chǔ)相對(duì)薄弱、平時(shí)比較內(nèi)向的同學(xué)，在小組討論中也開始積極發(fā)言，學(xué)習(xí)成績(jī)也有了明顯進(jìn)步?！?/p>

成效顯著：從“聽天書”到“真理解”

2025年春季學(xué)期，《電子材料理論物理Ⅱ》這門課程的內(nèi)容相比往年大幅擴(kuò)展，從原來(lái)的6章內(nèi)容增加到15章，學(xué)習(xí)的廣度和深度都前所未有。

更改后的《電子材料理論物理Ⅱ》課程內(nèi)容

但本學(xué)期末，《電子材料理論物理Ⅱ》交出了一份亮眼的成績(jī)單。90位學(xué)生的課程考核成績(jī)均分為77.1分，相較于2022-2024年間該課程65分左右的平均成績(jī)，提升了12分，提升幅度達(dá)19%！

《電子材料理論物理Ⅱ》近4年平均分

更令人驚喜的是，以往學(xué)生普遍“丟分重災(zāi)區(qū)”的綜合應(yīng)用題，得分率從往屆平均35%大幅提高至58%。這反映出學(xué)生在知識(shí)運(yùn)用、邏輯分析和實(shí)踐應(yīng)用等核心能力方面的全面提升。

課堂“活”了，學(xué)生“動(dòng)”了。現(xiàn)在，翻開學(xué)生的筆記本，密密麻麻的“疑難標(biāo)注”和“思路備注”筆記占到了65%，而過去這個(gè)比例僅為20%；課后作業(yè)的獨(dú)立完成率也從60%提高到85%。如今再走進(jìn)課堂，不再是“死氣沉沉”，提問聲此起彼伏，提問頻次比往屆增加了2.5倍，問題的質(zhì)量也從單純的“公式是什么”的公式記憶類問題轉(zhuǎn)向了“為什么這樣推理”的邏輯質(zhì)疑類問題。

這種積極的學(xué)習(xí)氛圍還“溢出”了課堂邊界。學(xué)生們?cè)趯嬍依镉懻搶W(xué)術(shù)問題的次數(shù)從每周半次增到每周近3次，無(wú)形中打造出一條“課堂－宿舍”的學(xué)習(xí)生態(tài)鏈。

《電子材料理論物理Ⅱ》各類情況數(shù)據(jù)對(duì)比

這段課程改革并非一帆風(fēng)順。起初，不少學(xué)生課堂參與熱情不高，討論往往浮于表面。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)沒有退縮，而是精準(zhǔn)“把脈”，對(duì)癥下藥——提前發(fā)布討論提綱，幫助學(xué)生預(yù)習(xí)，并根據(jù)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和性格特點(diǎn)重新分組，設(shè)計(jì)包含“基礎(chǔ)問題－延伸問題－前沿問題”的進(jìn)階式問題鏈。這些改進(jìn)帶來(lái)了顯著變化：課堂參與率從55%躍升至85%，學(xué)生的綜合應(yīng)用題得分率進(jìn)一步提高了27%。春季學(xué)期，三個(gè)授課班級(jí)總計(jì)開展21次討論課，累計(jì)時(shí)長(zhǎng)達(dá)60小時(shí)。這種因材施教的精細(xì)化安排，有效打破了“硬核”課程的教學(xué)困境。

任課教師周益春驚喜地發(fā)現(xiàn)，課堂上出現(xiàn)了學(xué)生“反駁式提問”的聲音。“這說明同學(xué)們真的開始獨(dú)立思考了！”聽課教師也紛紛點(diǎn)贊：“這一模式終于告別了‘硬核’課程‘老師講得累、學(xué)生聽得懵’的尷尬局面！”

而學(xué)生們也興奮地分享著自己在這門課程學(xué)習(xí)中的變化：“以前碰到量子力學(xué)難題就頭疼，現(xiàn)在會(huì)自然而然地像課堂討論那樣去拆解、去找依據(jù)，思路一下就清晰多了！”

從點(diǎn)到面：向更多“硬核”課程推廣

基于《電子材料理論物理Ⅱ》的成功實(shí)踐，學(xué)院正著手將這一創(chuàng)新教學(xué)模式向其他“硬核”課程推廣，涵蓋《電子材料理論物理I》和《固體物理與半導(dǎo)體物理》等課程。

要推廣這一模式，核心在于抓住三個(gè)關(guān)鍵：老師引導(dǎo)、學(xué)生參與、研學(xué)學(xué)長(zhǎng)助力。具體而言，可以從三個(gè)方面推進(jìn)：第一，打造一支過硬的師資隊(duì)伍和研學(xué)學(xué)長(zhǎng)團(tuán)隊(duì)，讓教學(xué)有“硬支撐”；第二，緊盯學(xué)生的真實(shí)需求，哪里有學(xué)習(xí)痛點(diǎn)就在哪里設(shè)計(jì)討論話題；第三，深挖每門課程的特色，針對(duì)各科重難點(diǎn)，量身定制討論主題和問題設(shè)計(jì)，讓每堂課都有針對(duì)性突破。

在教育改革的大潮中，每一次創(chuàng)新都是對(duì)未來(lái)的投資。正如量子世界的無(wú)限可能，教育的未來(lái)也充滿著無(wú)限想象。西電這場(chǎng)教學(xué)改革的成功實(shí)踐表明，找準(zhǔn)方法，“硬核”課程也可以變得生動(dòng)有趣。更重要的是，這一模式探索出了從“被動(dòng)接收”到“主動(dòng)求索”的育人新路徑，為培養(yǎng)具備創(chuàng)新思維的高端電子材料人才提供了有益借鑒。

面向未來(lái)，學(xué)院將繼續(xù)繼續(xù)圍繞電子材料人才培養(yǎng)實(shí)際需求，優(yōu)化課程設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容，將理論知識(shí)傳授和創(chuàng)新思維培養(yǎng)有機(jī)融合，深化“師－生－研”三元交互式教學(xué)實(shí)踐，加快拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)步伐，形成可復(fù)制推廣的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，為建設(shè)高水平電子材料人才隊(duì)伍做出貢獻(xiàn)。

注：首屆采用交互式討論式教學(xué)法的《電子材料理論物理Ⅱ》課程團(tuán)隊(duì)由周益春教授、李培咸教授、張東巖副教授、王浩林講師組成，此次課程由周益春教授全程負(fù)責(zé)開展。

記者 / 唐羽琴

排版 / 李玟璐

編輯 / 王冠玉

責(zé)編 / 王 格

出品 / 黨委宣傳部〔融媒體中心〕