物理教育研究是物理學的一個新興領域,，特別是量子物理方面的教育研究,，還處在方興未艾的階段,。中國科大物理學院的涂濤副教授、李傳鋒教授,、許金時教授和郭光燦院士等老師組成的團隊，及時的關注和進入到這一新興前沿領域,。
物理教育研究領域有一個重要的研究方向：是從復雜性科學的視角進行分析,。如果一個復雜的電路網(wǎng)絡有很多個節(jié)點，不同節(jié)點之間或者有連接，或者沒有連接,。只有當這些節(jié)點都能以一個連接串聯(lián)起來時,，才達到所謂的渝滲閾值，整個電路網(wǎng)絡才導通,。類似的,，一個學生的思維神經(jīng)網(wǎng)絡也包含不同的節(jié)點，這些節(jié)點代表了特定物理領域中的不同知識片段,。只有當所有的知識節(jié)點都以適當?shù)姆绞酵ㄟ^一個正確關系相互連接時,，學生的思維流程才會達到一個渝滲閾值，這時學生才能夠正確的掌握相關物理知識,，并正確的處理相關物理問題,。
(左圖是電路導通的渝滲模型，右圖是學生思維神經(jīng)網(wǎng)絡的渝滲模型,。它們都是一個復雜性網(wǎng)絡,。)
中國科大的研究團隊綜合運用了上述研究模型和方法，通過對物理學院6年時間周期,、466名本科生的樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,，研究了學生對于量子物理中Dirac函數(shù)的思維過程。發(fā)現(xiàn)了有趣的思維流程圖景：學生們會有激活相關概念,、構建方程式,、執(zhí)行解析計算、檢查各個步驟等思維方式,，并在三個關鍵節(jié)點上存在著推理困難：(1) 難以建立位置本征態(tài)的正確概念,； (2) 難以建立連續(xù)譜本征函數(shù)的正確意義，(3) 難以處理特殊的邊界條件和圖像,。這些發(fā)現(xiàn)不但為學生對這些量子物理問題的思維機制提供了深刻的認識,，也為這些量子物理內(nèi)容的教學提供了豐富的資源。因為如果幫助學生在這些關鍵節(jié)點上解決困難,，那么他們的知識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,，這才是學生學習的正確方式,。
這一成果最近發(fā)表于物理教育研究領域的頂尖期刊Physical Review-Physics Education Research上。三位審稿人都對該論文給予了高度評價：“The research study presented here has clear value to the PER community; I very much welcome a careful evaluation of teaching and instruction quantum physics, especially when it is done well as in the present paper.（這里介紹的研究對物理教育研究界有明顯的價值,；我非常歡迎對量子物理學的教學和指導進行仔細的評估,，尤其是像本文這樣做得好的時候）”。
為縮短我國在物理教育研究領域與國際先進國家的差距,，中國物理學會一直致力于推動我國在該研究領域的發(fā)展,。中國科大的團隊在國內(nèi)率先取得了一系列突破，就量子物理的教育研究中薛定諤方程、本征態(tài)問題和Dirac函數(shù),，在本領域國際權威刊物上發(fā)表了多項成果,，標志著我校在物理教育研究領域的重要突破，在國內(nèi)高等教育研究領域也具有重要影響,。
論文鏈接
https://journals.aps.org/prper/abstract/10.1103/PhysRevPhysEducRes.19.010104
（中科院量子信息重點實驗室,、物理學院）
