VR 技術在量子力學研究生教育中的應用

VR技術在量子力學研究生教育中的應用〔〕:

摘要：本文針對量子力學研究生教育教學改革這一課題，結合自身教學理論，提出基于VR技術的"量子力學教學+";概念，即：在量子力學理論教學的根底上增加VR上機理論。進而，在量子力學的理論課程體系改革和VR設計兩方面提出一些設想和舉措。

關鍵詞：VR技術；量子力學研究生教育；教學改革

本文引用格式：哈斯花,等.VR技術在量子力學研究生教育中的應用[J].教育現代化,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

國務院在2022年2月23日公布的?中國教育現代化2035?明確提出：充分利用現代信息技術，豐富并創(chuàng)新課程形式。隨著5G、人工智能、物聯(lián)網等的快速開展，虛擬現實〔VirtualReality,VR〕作為一種可以使人以沉浸的方式進入和體驗人為創(chuàng)造的虛擬世界的計算機仿真技術，逐漸成為支撐智能學習和體驗學習的重要環(huán)節(jié)【1】。寧攀等【2】探究了VR在教育中的應用前景，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具有重要意義。近來，已有不少教師將VR技術嵌入到詳細的專業(yè)課程教學理論中，比方地理【3】、機械制圖【4】、高校思想政治理論【5】以及光伏系統(tǒng)原理與技術【6】等，為VR在數字化教學中的應用提供可靠根據。

在量子力學教學改革的一系列舉措[7-11]中，圖像化和可視化教學改良[12]可以幫助學生，特別是研究生，更直觀和形象地掌握和理解量子力學中的復雜繪景，利用量子力學的根本理論和根本方法解決一些前沿科學問題。把諸如Mathematica[11]和Matlab[12]等數值計算和模擬軟件引入到量子力學教學中，一方面有利于教師在教學過程中簡化理論計算過程，側重對物理概念和物理圖像的講解，另一方面可以更好地調動學生的積極性和主動參與程度，可有效進步量子力學的教學質量。VR較之上述數值計算和模擬軟件，在交互式和體驗式教學層面更具優(yōu)勢。假設將VR技術應用于量子力學教育理論中，勢必在量子力學教學改革中帶來新的思路，使師生獲得更佳的教學體驗。本文基于筆者多年來的量子力學本科和研究生教學理論，提出"量子力學教學+";的概念，即：在量子力學理論教學的根底上增加VR上機理論，并從量子力學的理論課程體系改革和VR設計兩方面探究基于VR技術的量子力學教學形式改革。

二基于VR技術的量子力學課程體系改革

考慮到學生人數和平臺建立本錢等因素，本文僅限討論VR技術在量子力學研究生教育中的應用。筆者所在單位為欠興隆地區(qū)的工科院校，量子力學是為物理電子學、計算數學等專業(yè)碩士研究生開設的一門學位根底課。在學校生源數量及質量逐年下降、學生選課人數逐年降低且課時量大幅減少的授背景下，有關量子力學的教學難度進一步加大?？紤]到招生生源本科專業(yè)不同，學生的量子力學知識程度參差不齊，有的學生之前沒有接觸量子力學，有的學生學量子力學的學時較短，同時各個導師研究方向對量子力學的需求也不盡一樣，因此我們設定授課學時為48學時，主要以初等量子力學的講授為主，適當拓展大綱內容，引入VR技術后，教學內容從新安排參見表1。

表1所列教學內容安排主要以理論教學為主，注重理論教學與VR理論相結合，包含16學時的上機理論，學生理論內容涵蓋MATLAB編程和用VR頭盔、VR眼鏡等外設觀看VR視頻兩個環(huán)節(jié)。通過MATLAB軟件進展數值計算和模擬，使學生結合量子力學的根本問題，掌握根本的偏微分、積分的數值計算方法；觀看VR視頻，使學生可以更加形象地掌握微觀粒子運動規(guī)律和量子力學的一些根本實驗，幫助學生在腦海中建立更為直觀明晰的物理圖像。

三量子力學課程的VR設計理論

將VR運用到量子力學的課程教學中，關鍵在于VR系統(tǒng)設計，如何選題那么成為VR制作的首要關鍵。一方面，選題要與課程內容掛鉤，VR是輔助教學，也是跟隨教學，是"量子力學教學+";的一種實現；另一方面，選題要便于VR視頻開發(fā)設計，利于VR視頻觀看效果。我們主要從以下兩方面進展VR系統(tǒng)設計，教師和學生主要為VR使用用戶，充當參與者角色，角色分工見下表2。當然，VR設計需結合專業(yè)公司進展編程、制作和開發(fā)，至于外設設備如頭盔等前期那么屬于筆者私人興趣采購，遠遠不能滿足教學需求，需教改經費支持統(tǒng)一配置。

〔一〕計算仿真案例植入VR

以"一維勢場中的粒子";為例，我們首先通過MATLAB編程計算定態(tài)薛定諤方程，得到不同勢函數和不同勢函數中的可調參數，與電子波函數分布或態(tài)密度的關系，將結果統(tǒng)一建立數據庫，便于VR視頻開發(fā)。

選取的一維勢函數，比方：

1〕一維無限深方勢阱,可調參數為：阱寬a；

2〕一維有限深方勢阱，可調參數為：阱寬a和勢壘高度；

3〕拋物勢，可調參數為：有效質量m和頻率omega;；

4〕高斯勢，可調參數包括：、a和b；

5〕庫侖勢，可調參數為：a和b；

6〕Kratzer勢，可調參數為：和a；

〔二〕實驗案例植入VR

以"堿金屬原子光譜";為例，我們首先查閱文獻資料，建立不同堿金屬元素原子光譜的數據庫，內容涵蓋：元素周期表，原子構造，光譜精細構造，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實驗過程制作VR視頻，便于學生通過虛擬實驗和實驗結果分析兩方面更加深化地掌握電子自旋與軌道運動互相作用這一抽象理論。

當然，設計一套VR教學系統(tǒng)，包含假設干個技術環(huán)節(jié)，比方云端系統(tǒng)設計、通信系統(tǒng)連接、VR客戶端系統(tǒng)制作與開發(fā)等，沒有相關專業(yè)技術支撐人員的參與，僅靠教師個人完成是遠遠不夠甚或難以實現的。

四完畢語

通過將VR技術應用到量子力學研究生教學之中，將抽象的理論教學具像化，為傳統(tǒng)的板書式和PPT式教學方式注入新的生命力，同時也為學生帶來一種更具沉浸感的虛擬現實體驗。VR技術的引入，同時也為地方普通高校量子力學教學改革提供一種全新的考慮角度，對增強學生的學習興趣，進步教師的教學質量起到重要作用。當前，限于VR技術的一些固有技術問題和開發(fā)本錢，VR在計算機輔助教學中應用還很有限，大多數只是局限在對呈現技術和交互功能的使用，在專業(yè)課程建立中也僅僅處于試水階段。隨著VR技術的進步開展，會有更多更有潛力的VR技術被應用到教學過程中，它將對傳統(tǒng)教學產生更加深遠的影響。

參考文獻

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[10]單傳家,陳入云,