양자역학 교수법

Teaching quantum mechanics

양자역학은 반직관적인 [1]특성 때문에 가르치기 어려운 과목입니다.이 과목이 현재 고등 중등학교에서 제공되고 있기 때문에, 교육자들은 일반적인 오해와 학생들의 이해를 향상시키는 방법을 식별하기 위해 양자 역학을 가르치는 과정에 과학적 방법론을 적용했습니다.

일반적인 학습 문제

학생들의 잘못된 생각은 완전한 고전 물리학 사고, 혼합 모델, 준양자 [1]아이디어에 이르기까지 다양합니다.예를 들어, 양자역학이 전자나 광자의 경로를 설명하지 않는다는 개념이 오해를 받는다면, 학생들은 그들이 특정한 궤도(고전적인) 또는 사인파 경로(혼합)를 따른다고 믿을 수 있습니다.또는 파동과 입자가 동시에 존재한다("양자 물체가 입자와 파동으로 작용할 수 있지만 사건을 비결정론적인 방식으로 설명하는 데 어려움을 겪는 학생들").가장 자주 오해되는 개념은 다음과 같습니다.

빛 에너지와 빛의 세기의 차이와 같은 양자 개념과 관련된 고전적인 개념을 오해하는 것에서도 문제가 발생합니다.

교육 전략

수학

양자 역학은 다른 해석, 다른 모델에 초점을 맞추거나 수학적 기술을 통해 가르칠 수 있습니다.비수학적 개념에 집중하면 충분한 이해를 할 [6]수 있다는 연구 결과가 나왔습니다.

디지털 및 멀티미디어

양자 상태를 직접 보는 것은 근본적으로 불가능하지만 멀티미디어 시각화는 교육에서 중요한 도구입니다.대화형 미디어는 양자 [2]역학을 이해하기 위한 도구로서 일상적인 개인 경험 이상의 대체 경험을 제공합니다.긍정적인 결과로 연구된 멀티미디어 사이트 중에는 QuVis와 [8]Pet이 있습니다[7].

교육 가이드로서의 과학의 역사와 철학

연구들은 역사를 통해 가르치는 것이 학생들이 단순히 그들이 이해하지 못하는 것이 아니라 직관에 반하는 문제들이 근본적이라는 것을 인식하는 데 도움을 준다는 것을 보여주었습니다.양자 개념에 대한 역사적 논쟁을 구체적으로 논의하는 것은 양자가 [2]고전과 다르다는 생각을 뒷받침합니다.과학의 철학을 논하는 것은 일상적인 경험에서 파생된 언어가 양자 현상을 설명하는 우리의 능력을 제한한다는 생각을 소개합니다.

양자 컴퓨팅 교육

N. 데이비드 머민은 추상적이지만 단순한 수학 개념에 기반한 파격적인 전략은 [9]물리학보다는 양자 컴퓨팅 응용에 관심이 있는 학생들에게 양자 역학을 가르치기에 충분하다고 보고합니다.물리학과 학생들이 이 경우에 적용하지 못하게 하는 많은 문제들과 양자 컴퓨팅의 수학적 배경은 컴퓨터 과학에서 이미 가르쳐진 배경과 유사합니다.머민은 표기법을 개발하고 고전적인 비트로 연산한 다음 양자 비트를 두 고전적인 상태의 중첩으로 도입합니다.그는 플랑크 상수조차도 논의할 필요가 없는데, 플랑크 상수는 양자 컴퓨터 하드웨어에는 중요하지만 소프트웨어에는 중요하지 않다고 제안합니다.

양자광학에 기초한 교육

Philipp Blitzenbauer는 단순하지만 본질적으로 양자 단일 광자 [10]실험을 통해 학생들을 참여시킵니다.이 접근 방식은 이중 슬릿과 같은 광학 간섭 실험에서 광자의 모호한 고전적 대 양자 특성을 피합니다.이러한 방식으로 양자 역학에 노출된 학생들은 대조군 학생들 사이에서 명백한 오해를 일으키는 것을 피합니다.

참고 항목

메모들

  1. ^ 양자 역학의 명백한 비결정론이 진정으로 근본적인지 여부는 [4][5]해석에 달려 있습니다.

레퍼런스

  1. ^ a b c Krijtenburg-Lewerissa, K.; Pol, H. J.; Brinkman, A.; van Joolingen, W. R. (2017-02-17). "Insights into teaching quantum mechanics in secondary and lower undergraduate education". Physical Review Physics Education Research. 13 (1): 010109. doi:10.1103/PhysRevPhysEducRes.13.010109. ISSN 2469-9896. S2CID 13446988.
  2. ^ a b c d Bouchée, T.; de Putter - Smits, L.; Thurlings, M.; Pepin, B. (2022-07-03). "Towards a better understanding of conceptual difficulties in introductory quantum physics courses". Studies in Science Education. 58 (2): 183–202. doi:10.1080/03057267.2021.1963579. ISSN 0305-7267. S2CID 239272777.
  3. ^ Marshman, Emily; Singh, Chandralekha (2017-03-01). "Investigating and improving student understanding of the probability distributions for measuring physical observables in quantum mechanics". European Journal of Physics. 38 (2): 025705. Bibcode:2017EJPh...38b5705M. doi:10.1088/1361-6404/aa57d1. ISSN 0143-0807. S2CID 126311599.
  4. ^ Schlosshauer, Maximilian; Kofler, Johannes; Zeilinger, Anton (2013-08-01). "A snapshot of foundational attitudes toward quantum mechanics". Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics. 44 (3): 222–230. arXiv:1301.1069. Bibcode:2013SHPMP..44..222S. doi:10.1016/j.shpsb.2013.04.004. ISSN 1355-2198. S2CID 55537196.
  5. ^ Schaffer, Kathryn; Barreto Lemos, Gabriela (24 May 2019). "Obliterating Thingness: An Introduction to the "What" and the "So What" of Quantum Physics". Foundations of Science. 26: 7–26. arXiv:1908.07936. doi:10.1007/s10699-019-09608-5. ISSN 1233-1821. S2CID 182656563.
  6. ^ Dangur, Vered; Avargil, Shirly; Peskin, Uri; Dori, Yehudit Judy (2014). "Learning quantum chemistry via a visual-conceptual approach: students' bidirectional textual and visual understanding". Chem. Educ. Res. Pract. 15 (3): 297–310. doi:10.1039/C4RP00025K. ISSN 1109-4028.
  7. ^ Kohnle, Antje; Cassettari, Donatella; Edwards, Tom J.; Ferguson, Callum; Gillies, Alastair D.; Hooley, Christopher A.; Korolkova, Natalia; Llama, Joseph; Sinclair, Bruce D. (2012-02-01). "A new multimedia resource for teaching quantum mechanics concepts". American Journal of Physics. 80 (2): 148–153. doi:10.1119/1.3657800. ISSN 0002-9505.
  8. ^ McKagan, S. B.; Handley, W.; Perkins, K. K.; Wieman, C. E. (2009-01-01). "A research-based curriculum for teaching the photoelectric effect". American Journal of Physics. 77 (1): 87–94. arXiv:0706.2165. doi:10.1119/1.2978181. ISSN 0002-9505. S2CID 40164976.
  9. ^ Mermin, N. David (2003-01-01). "From Cbits to Qbits: Teaching computer scientists quantum mechanics". American Journal of Physics. 71 (1): 23–30. arXiv:quant-ph/0207118. doi:10.1119/1.1522741. ISSN 0002-9505. S2CID 13068252.
  10. ^ Bitzenbauer, Philipp (2021-07-22). "Effect of an introductory quantum physics course using experiments with heralded photons on preuniversity students' conceptions about quantum physics". Physical Review Physics Education Research. 17 (2): 020103. doi:10.1103/PhysRevPhysEducRes.17.020103. ISSN 2469-9896. S2CID 237715353.