VR 技术在量子力学研究生教育中的应用

VR技术在量子力学研究生教育中的应用〔〕:

摘要：本文针对量子力学研究生教育教学改革这一课题，结合自身教学理论，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根底上增加VR上机理论。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,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

国务院在2022年2月23日公布的?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、物联网等的快速开展，虚拟现实〔VirtualReality,VR〕作为一种可以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技术嵌入到详细的专业课程教学理论中，比方地理【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根据。

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良[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，利用量子力学的根本理论和根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，另一方面可以更好地调动学生的积极性和主动参与程度，可有效进步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。假设将VR技术应用于量子力学教育理论中，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理论，提出"量子力学教学+";的概念，即：在量子力学理论教学的根底上增加VR上机理论，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形式改革。

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立本钱等因素，本文仅限讨论VR技术在量子力学研究生教育中的应用。笔者所在单位为欠兴隆地区的工科院校，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根底课。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程度参差不齐，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一样，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理论相结合，包含16学时的上机理论，学生理论内容涵盖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软件进展数值计算和模拟，使学生结合量子力学的根本问题，掌握根本的偏微分、积分的数值计算方法；观看VR视频，使学生可以更加形象地掌握微观粒子运动规律和量子力学的一些根本实验，帮助学生在脑海中建立更为直观明晰的物理图像。

三量子力学课程的VR设计理论

将VR运用到量子力学的课程教学中，关键在于VR系统设计，如何选题那么成为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展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设计需结合专业公司进展编程、制作和开发，至于外设设备如头盔等前期那么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，比方：

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omega;；

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，原子构造，光谱精细构造，线系公式，电子态描绘等等各类素材，用于VR视频开发。也可衍生将光谱测量的详细实验过程制作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化地掌握电子自旋与轨道运动互相作用这一抽象理论。

当然，设计一套VR教学系统，包含假设干个技术环节，比方云端系统设计、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。

四完毕语

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考虑角度，对增强学生的学习兴趣，进步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本钱，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，在专业课程建立中也仅仅处于试水阶段。随着VR技术的进步开展，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

【1】张量,金益,刘媛霞,等.虚拟现实〔VR〕技术与开展研究综述[J].信息与电脑(理论版),2022,31(17):126-128.

【2】宁攀,李丁丁,张炳林.VR技术及其教育应用探究[J].教育现代化,2022,6(62):173-176.

【3】马鑫,吴乐知.VR技术应用于地理教学的研究述评[J].教育教学论坛,2022,30:174-175.

【4】阎汉生,王清辉,刘子桦,等.VR和AR技术在机械制图课程中的应用研究[J].科技视界,2022(21):75-78.

【5】林敏建.VR技术嵌入高校思想政治理论课教学的意义与可能性研究[J].智库时代,2022,40:185-187.

【6】王丽霞,陈礼辉,黄森慰,等.虚拟仿真技术(VR)在"光伏系统原理与技术";教学中的应用研究[J].电子测试,2022(18):135-136.

【7】刘蓉,侯宏录.基于"PBL教学法";的量子力学课程的教学改革初探[J].科技视界,2022,9:135-136.

[8]李小华,李明,郑波,等.类比教学方法在量子力学课程中的教学讨论[J].教育教学论坛,2022(24):100-101.

[9]梅菲,周远明,徐进霞,等.?量子力学?理论教学与科研理论相结合的教学形式的考虑[J].教育教学论坛,2022(24):229-230.

[10]单传家,陈入云,