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摘 要：本文针对量子力学研究生教育教学改革这一课题，结合自身教学实践，提出基于 VR 技术的“量子力学教学 +”概念，即：在量子力学理论教学的基础上增加 VR 上机实践。进而，在量子力学的理论课程体系改革和VR 设计两方面提出一些设想和举措。
关键词：VR 技术；量子力学研究生教育；教学改革
本文引用格式：哈斯花 , 等 .VR 技术在量子力学研究生教育中的应用 [J]. 教育现代化 ,2020,7(32):143-145.
application of VR technology in Graduate education of quantum mechanics
HA Si-hua1, ZHu Jun2
(1. College of Sciences , Inner Mongolia university of Technology, Hohhot Inner Mongolia; 2. College of Physical Science and Technology , Inner Mongolia university, Hohhot Inner Mongolia)
Abstract: In this paper, aiming at the subject of teaching reform of quantum mechanics graduate students and combining with their own teaching practice, the concept of “quantum mechanics teaching +” based on VR technology is put forward, which is, on the basis of quantum mechanics theory teaching, VR practice is added. Furthermore, some ideas and measures are put forward in the reform of quantum mechanics theory course system and VR design.
Key words: VR technology; graduate education of quantum mechanics; Teaching reform
一 引言
国务院在 2019 年 2 月 23 日颁布的《中国教育现代化 2035》明确提出：充分利用现代信息技术， 丰富并创新课程形式。随着 5G、人工智能、物联网等的快速发展，虚拟现实（Virtual Reality, VR）作为一种能够使人以沉浸的方式进入和体验人为创造的虚拟世界的计算机仿真技术，逐渐成为支撑智能学习和体验学习的重要环节 [1]。宁攀等 [2] 探究了 VR 在教育中的应用前景，指出 VR 的沉浸性、交互性、想象性、存在感、自由感等重要特征对教育教学具有重要意义。近来，已有不少教师将 VR 技术嵌入到具体的专业课程教学实践中，比如地理 [3]、机械制图 [4]、高校思想政治理论 [5] 以及光伏系统原理与技术 [6] 等，为VR 在数字化教学中的应用提供可靠依据。
在量子力学教学改革的一系列举措 [7-11] 中，图像化和可视化教学改进 [12] 可以帮助学生，特别是研究生，更直观和形象地掌握和理解量子力学中的复杂绘景，利用量子力学的基本理论和基本方法解决一些前沿科学问题。把诸如 Mathematica[11] 和 Matlab [12] 等数值计算和模拟软件引入到量子力学教学中，一方面有利于教师在教学过程中简化理论计算过程，侧重对物理概念和物理图像的讲解，另一方面能够更好地调动学生的积极性和主动参与程度，可有效提高量子力学的教学质量。VR 较之上述数值计算和模拟软件， 在交互式和体验式教学层面更具优势。若将 VR 技术应用于量子力学教育实践中，势必在量子力学教学改革中带来新的思路，使师生获得更佳的教学体验。本文基于笔者多年来的量子力学本科和研究生教学实践，提出“量子力学教学 +”的概念，即：在量子力学理论教学的基础上增加 VR 上机实践，并从量子力学的理论课程体系改革和 VR 设计两方面探究基于VR 技术的量子力学教学模式改革。
二 基于 VR 技术的量子力学课程体系改革
考虑到学生人数和平台建设成本等因素，本文仅限讨论 VR 技术在量子力学研究生教育中的应用。笔者所在单位为欠发达地区的工科院校，量子力学是为物理电子学、计算数学等专业硕士研究生开设的一门学位基础课。在学校生源数量及质量逐年下降、学生选课人数逐年降低且课时量大幅减少的授背景下，有关量子力学的教学难度进一步加大。考虑到招生生源本科专业不同，学生的量子力学知识水平参差不齐，有的学生之前没有接触量子力学， 有的学生学量子力学的学时较短，同时各个导师研究方向对量子力学的需求也不尽相同，因此我们设定授课学时为 48 学时，主要以初等量子力学的讲授为主，适当拓展大纲内容，引入 VR 技术后，教学内容从新安排参见表 1。
表 1 所列教学内容安排主要以理论教学为主， 注重理论教学与 VR 实践相结合，包含 16 学时的上机实践，学生实践内容涵盖 MATLAB 编程和用 VR 头盔、VR 眼镜等外设观看 VR 视频两个环节。通过MATLAB 软件进行数值计算和模拟，使学生结合量子力学的基本问题，掌握基本的偏微分、积分的数值计算方法；观看 VR 视频，使学生能够更加形象地掌握微观粒子运动规律和量子力学的一些基本实验， 帮助学生在脑海中建立更为直观清晰的物理图像。
三 量子力学课程的 VR 设计实践
将 VR 运用到量子力学的课程教学中，关键在于 VR 系统设计，如何选题则成为 VR 制作的首要关键。一方面，选题要与课程内容挂钩，VR 是辅助教学，也是跟随教学，是“量子力学教学 +”的一种实现； 另一方面，选题要便于 VR 视频开发设计，利于 VR 视频观看效果。我们主要从以下两方面进行 VR 系统设计，教师和学生主要为 VR 使用用户，充当参与者角色，角色分工见下表 2。当然，VR 设计需联合专业公司进行编程、制作和开发，至于外设设备如头盔等前期则属于笔者私人兴趣采购，远远不能满足教学需求，需教改经费支持统一配置。
（一） 计算仿真案例植入 VR
以“一维势场中的粒子”为例，我们首先通过MATLAB 编程计算定态薛定谔方程，得到不同势函数和不同势函数中的可调参数，与电子波函数分布或态密度的关系，将结果统一建立数据库，便于 VR视频开发。
选取的一维势函数，比如：
1）一维无限深方势阱
, 可调参数为：阱宽 a；
2）一维有限深方势阱
，可调参数为：阱宽 a 和势垒高度
；
3） 抛物势
，可调参数为： 有效质量 m 和频率 ω；
4）高斯势
，可调参数包括：
、a 和 b；
5）库仑势
，可调参数为：a 和 b；
6）Kratzer 势
，可调参数为：
和 a；
（二） 实验案例植入 VR
以“碱金属原子光谱”为例，我们首先查阅文 献资料，建立不同碱金属元素原子光谱的数据库， 内容涵盖：元素周期表，原子结构，光谱精细结构， 线系公式，电子态描述等等各类素材，用于 VR 视频开发。也可衍生将光谱测量的具体实验过程制作 VR 视频，便于学生通过虚拟实验和实验结果分析两方面更加深入地掌握电子自旋与轨道运动相互作用这一抽象理论。
当然，设计一套 VR 教学系统，包含若干个技术环节，比如云端系统设计、通信系统连接、VR 客户端系统制作与开发等，没有相关专业技术支撑人员的参与，仅靠教师个人完成是远远不够甚或难以实现的。
四 结 束 语
通过将 VR 技术应用到量子力学研究生教学之中，将抽象的理论教学具像化，为传统的板书式和PPT 式教学方式注入新的生命力，同时也为学生带来一种更具沉浸感的虚拟现实体验。VR 技术的引入， 同时也为地方普通高校量子力学教学改革提供一种全新的思考角度，对增强学生的学习兴趣，提高教师的教学质量起到重要作用。当前，限于 VR 技术的一些固有技术问题和开发成本，VR 在计算机辅助教学中应用还很有限，大多数只是局限在对呈现技术和交互功能的使用，在专业课程建设中也仅仅处于试水阶段。随着 VR 技术的进步发展，会有更多更有潜力的 VR 技术被应用到教学过程中，它将对传统教学产生更加深远的影响。
参考文献
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