VR 技術(shù)在量子力學(xué)研究生教育中的應(yīng)用

VR技術(shù)在量子力學(xué)研究生教育中的應(yīng)用〔〕:

摘要：本文針對量子力學(xué)研究生教育教學(xué)改革這一課題，結(jié)合自身教學(xué)理論，提出基于VR技術(shù)的"量子力學(xué)教學(xué)+";概念，即：在量子力學(xué)理論教學(xué)的根底上增加VR上機(jī)理論。進(jìn)而，在量子力學(xué)的理論課程體系改革和VR設(shè)計(jì)兩方面提出一些設(shè)想和舉措。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；量子力學(xué)研究生教育；教學(xué)改革

本文引用格式：哈斯花,等.VR技術(shù)在量子力學(xué)研究生教育中的應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化,2022,7(32):143-145.

applicationofVRtechnologyinGraduateeducationofquantummechanics

HASi-hua1,ZHuJun2

(1.CollegeofSciences,InnerMongoliauniversityofTechnology,HohhotInnerMongolia;2.CollegeofPhysicalScienceandTechnology,InnerMongoliauniversity,HohhotInnerMongolia)

Abstract:Inthispaper,aimingatthesubjectofteachingreformofquantummechanicsgraduatestudentsandbiningwiththeirownteachingpractice,theconceptof"quantummechanicsteaching+";basedonVRtechnologyisputforward,whichis,onthebasisofquantummechanicstheoryteaching,VRpracticeisadded.Furthermore,someideasandmeasuresareputforwardinthereformofquantummechanicstheorycoursesystemandVRdesign.

Keywords:VRtechnology;graduateeducationofquantummechanics;Teachingreform

一引言

國務(wù)院在2022年2月23日公布的?中國教育現(xiàn)代化2035?明確提出：充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，豐富并創(chuàng)新課程形式。隨著5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等的快速開展，虛擬現(xiàn)實(shí)〔VirtualReality,VR〕作為一種可以使人以沉浸的方式進(jìn)入和體驗(yàn)人為創(chuàng)造的虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，逐漸成為支撐智能學(xué)習(xí)和體驗(yàn)學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)【1】。寧攀等【2】探究了VR在教育中的應(yīng)用前景，指出VR的沉浸性、交互性、想象性、存在感、自由感等重要特征對教育教學(xué)具有重要意義。近來，已有不少教師將VR技術(shù)嵌入到詳細(xì)的專業(yè)課程教學(xué)理論中，比方地理【3】、機(jī)械制圖【4】、高校思想政治理論【5】以及光伏系統(tǒng)原理與技術(shù)【6】等，為VR在數(shù)字化教學(xué)中的應(yīng)用提供可靠根據(jù)。

在量子力學(xué)教學(xué)改革的一系列舉措[7-11]中，圖像化和可視化教學(xué)改良[12]可以幫助學(xué)生，特別是研究生，更直觀和形象地掌握和理解量子力學(xué)中的復(fù)雜繪景，利用量子力學(xué)的根本理論和根本方法解決一些前沿科學(xué)問題。把諸如Mathematica[11]和Matlab[12]等數(shù)值計(jì)算和模擬軟件引入到量子力學(xué)教學(xué)中，一方面有利于教師在教學(xué)過程中簡化理論計(jì)算過程，側(cè)重對物理概念和物理圖像的講解，另一方面可以更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)參與程度，可有效進(jìn)步量子力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。VR較之上述數(shù)值計(jì)算和模擬軟件，在交互式和體驗(yàn)式教學(xué)層面更具優(yōu)勢。假設(shè)將VR技術(shù)應(yīng)用于量子力學(xué)教育理論中，勢必在量子力學(xué)教學(xué)改革中帶來新的思路，使師生獲得更佳的教學(xué)體驗(yàn)。本文基于筆者多年來的量子力學(xué)本科和研究生教學(xué)理論，提出"量子力學(xué)教學(xué)+";的概念，即：在量子力學(xué)理論教學(xué)的根底上增加VR上機(jī)理論，并從量子力學(xué)的理論課程體系改革和VR設(shè)計(jì)兩方面探究基于VR技術(shù)的量子力學(xué)教學(xué)形式改革。

二基于VR技術(shù)的量子力學(xué)課程體系改革

考慮到學(xué)生人數(shù)和平臺(tái)建立本錢等因素，本文僅限討論VR技術(shù)在量子力學(xué)研究生教育中的應(yīng)用。筆者所在單位為欠興隆地區(qū)的工科院校，量子力學(xué)是為物理電子學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)等專業(yè)碩士研究生開設(shè)的一門學(xué)位根底課。在學(xué)校生源數(shù)量及質(zhì)量逐年下降、學(xué)生選課人數(shù)逐年降低且課時(shí)量大幅減少的授背景下，有關(guān)量子力學(xué)的教學(xué)難度進(jìn)一步加大?？紤]到招生生源本科專業(yè)不同，學(xué)生的量子力學(xué)知識程度參差不齊，有的學(xué)生之前沒有接觸量子力學(xué)，有的學(xué)生學(xué)量子力學(xué)的學(xué)時(shí)較短，同時(shí)各個(gè)導(dǎo)師研究方向?qū)α孔恿W(xué)的需求也不盡一樣，因此我們設(shè)定授課學(xué)時(shí)為48學(xué)時(shí)，主要以初等量子力學(xué)的講授為主，適當(dāng)拓展大綱內(nèi)容，引入VR技術(shù)后，教學(xué)內(nèi)容從新安排參見表1。

表1所列教學(xué)內(nèi)容安排主要以理論教學(xué)為主，注重理論教學(xué)與VR理論相結(jié)合，包含16學(xué)時(shí)的上機(jī)理論，學(xué)生理論內(nèi)容涵蓋MATLAB編程和用VR頭盔、VR眼鏡等外設(shè)觀看VR視頻兩個(gè)環(huán)節(jié)。通過MATLAB軟件進(jìn)展數(shù)值計(jì)算和模擬，使學(xué)生結(jié)合量子力學(xué)的根本問題，掌握根本的偏微分、積分的數(shù)值計(jì)算方法；觀看VR視頻，使學(xué)生可以更加形象地掌握微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律和量子力學(xué)的一些根本實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生在腦海中建立更為直觀明晰的物理圖像。

三量子力學(xué)課程的VR設(shè)計(jì)理論

將VR運(yùn)用到量子力學(xué)的課程教學(xué)中，關(guān)鍵在于VR系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如何選題那么成為VR制作的首要關(guān)鍵。一方面，選題要與課程內(nèi)容掛鉤，VR是輔助教學(xué)，也是跟隨教學(xué)，是"量子力學(xué)教學(xué)+";的一種實(shí)現(xiàn)；另一方面，選題要便于VR視頻開發(fā)設(shè)計(jì)，利于VR視頻觀看效果。我們主要從以下兩方面進(jìn)展VR系統(tǒng)設(shè)計(jì)，教師和學(xué)生主要為VR使用用戶，充當(dāng)參與者角色，角色分工見下表2。當(dāng)然，VR設(shè)計(jì)需結(jié)合專業(yè)公司進(jìn)展編程、制作和開發(fā)，至于外設(shè)設(shè)備如頭盔等前期那么屬于筆者私人興趣采購，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足教學(xué)需求，需教改經(jīng)費(fèi)支持統(tǒng)一配置。

〔一〕計(jì)算仿真案例植入VR

以"一維勢場中的粒子";為例，我們首先通過MATLAB編程計(jì)算定態(tài)薛定諤方程，得到不同勢函數(shù)和不同勢函數(shù)中的可調(diào)參數(shù)，與電子波函數(shù)分布或態(tài)密度的關(guān)系，將結(jié)果統(tǒng)一建立數(shù)據(jù)庫，便于VR視頻開發(fā)。

選取的一維勢函數(shù)，比方：

1〕一維無限深方勢阱,可調(diào)參數(shù)為：阱寬a；

2〕一維有限深方勢阱，可調(diào)參數(shù)為：阱寬a和勢壘高度；

3〕拋物勢，可調(diào)參數(shù)為：有效質(zhì)量m和頻率omega;；

4〕高斯勢，可調(diào)參數(shù)包括：、a和b；

5〕庫侖勢，可調(diào)參數(shù)為：a和b；

6〕Kratzer勢，可調(diào)參數(shù)為：和a；

〔二〕實(shí)驗(yàn)案例植入VR

以"堿金屬原子光譜";為例，我們首先查閱文獻(xiàn)資料，建立不同堿金屬元素原子光譜的數(shù)據(jù)庫，內(nèi)容涵蓋：元素周期表，原子構(gòu)造，光譜精細(xì)構(gòu)造，線系公式，電子態(tài)描繪等等各類素材，用于VR視頻開發(fā)。也可衍生將光譜測量的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)過程制作VR視頻，便于學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析兩方面更加深化地掌握電子自旋與軌道運(yùn)動(dòng)互相作用這一抽象理論。

當(dāng)然，設(shè)計(jì)一套VR教學(xué)系統(tǒng)，包含假設(shè)干個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，比方云端系統(tǒng)設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)連接、VR客戶端系統(tǒng)制作與開發(fā)等，沒有相關(guān)專業(yè)技術(shù)支撐人員的參與，僅靠教師個(gè)人完成是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠甚或難以實(shí)現(xiàn)的。

四完畢語

通過將VR技術(shù)應(yīng)用到量子力學(xué)研究生教學(xué)之中，將抽象的理論教學(xué)具像化，為傳統(tǒng)的板書式和PPT式教學(xué)方式注入新的生命力，同時(shí)也為學(xué)生帶來一種更具沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。VR技術(shù)的引入，同時(shí)也為地方普通高校量子力學(xué)教學(xué)改革提供一種全新的考慮角度，對增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)步教師的教學(xué)質(zhì)量起到重要作用。當(dāng)前，限于VR技術(shù)的一些固有技術(shù)問題和開發(fā)本錢，VR在計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)中應(yīng)用還很有限，大多數(shù)只是局限在對呈現(xiàn)技術(shù)和交互功能的使用，在專業(yè)課程建立中也僅僅處于試水階段。隨著VR技術(shù)的進(jìn)步開展，會(huì)有更多更有潛力的VR技術(shù)被應(yīng)用到教學(xué)過程中，它將對傳統(tǒng)教學(xué)產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。

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[10]單傳家,陳入云,