前言：想要寫出一篇令人眼前一亮的文章嗎？我們特意為您整理了5篇量子力學的基本原理范文，相信會為您的寫作帶來幫助，發現更多的寫作思路和靈感。

量子力學的基本原理范文第1篇

本書是基于作者們在巴基斯坦和沙特阿拉伯等國家多所大學中講授量子力學課程的講義基礎上寫成的。第1版于1999年出版。為了展現當代量子力學日益擴展的應用的最新發展，第2版增添了全新的3章，它們分別為雙態問題、量子計算和1+2維狄拉克方程對于石墨烯的應用。這些問題是當前許多實驗和理論工作都極為關注的典型問題。此外，還有一些章節做了較大改動，有的擴大了篇幅和添加了新的內容，有的經過了改寫變得更簡單和更清晰。各章的習題也均有不同程度的擴充。

全書內容分為21章：1.經典概念的崩潰； 2.量子力學概念；3.量子力學的基本假設； 4.量子力學中一些問題的求解； 5.簡諧振子；6.角動量；7.中心對稱場中的運動；8.碰撞理論；9.算符； 10.海森伯運動方程、不變性原理和路徑積分； 11.角動量和自旋；12.時間無關微擾理論；13.時間相關微擾理論；14.統計與不相容原理； 15.雙態系統；16.量子計算； 17.電磁場誘導的微擾； 18.形式散射理論； 19.S-矩陣和不變性原理； 20.相對論量子力學：狄拉克方程；21.1+2維狄拉克方程：對石墨烯的應用。

本書作者注重教學需要，敘述簡明，推導詳盡，書中給出了許多詳解例題，易懂、易理解和接受，是一部很好的教材。這本書對于數理學科的大學生、研究生和教師都有很好的應用價值。

量子力學的基本原理范文第2篇

【關鍵詞】課程體系 教學內容 優化研究

【中圖分類號】O43；O56 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）08-0181-02

光學與原子物理學是物理類專業的重要的基礎課，其前與力學、電磁學、熱學課程相銜接，其后承載著理論物理以及專業方向課程。由于這兩門課程在課程設置中具體的位置，再考慮課程本身的學術特色，這兩門課程的教學對學生創新能力和理論應用能力的培養有其特殊的作用。工科院校有注重實踐、技術培養的傳統及其較完備的設施，客觀上為這兩門課程的能力培養提供了條件。我們要充分認識工科院校的這種客觀優勢和課程的學術特色，優化課程體系和教學內容，將課程的學術特色、學校的客觀優勢轉化為能力培養的特色和優勢。

一、光學的課程體系及教學內容的設計

光學既是一門重要的基礎性學科，又是一門應用性十分活躍、交叉滲透極其廣泛的物理課程。“在長期的發展過程中，光學形成了一套行之有效的特殊方法和儀器設備”【1】，即數理解析與幾何圖形相結合的理論研究方法、精密測量的設計與應用特征。光學的這種學術特色對學生素質能力的培養有其獨到之處。因此，通過對光學課程體系和教學內容的優化，突出課程的理論研究方法及其實踐性、滲透性【2】，有利于培養學生的交叉綜合性分析能力和依據理論的實驗設計、精密檢測能力，提高學生的創新性思維意識。

1.課程體系的架構

以折射率和位相為核心概念，以費馬原理和惠更斯-菲涅爾原理為基本原理，按照幾何光學、波動光學和量子光學的順序，研究光的傳播特性（波動性）及其粒子性，展示其數理解析與幾何圖像相結合的理論研究方法，突出課程在工程技術中的應用以及與現代光學的滲透【1，3】。

體系框圖：

2.教學內容的組織思路

以體現課程體系為原則，按48課時選取并組織、安排教學內容思路如下【1，2】。

第一章 緒論：突出光學與其他學科的交叉滲透與應用。（2學時）

第二章 幾何光學：以費馬原理為基礎，以常見的光學儀器（單球面、薄透鏡、放大鏡等）成像為載體，展示數理解析與幾何圖像相結合的研究方法、突出光學儀器的設計思。（10學時）

第三章 光的干涉：以波的相干疊加為理論基礎，以等傾和等厚干涉為載體，展示數理解析與幾何圖像相結合的研究方法、突出相干理論在精密測量技術領域的應用。（12學時）

第四章 光的衍射：以惠更斯-菲涅爾原理為基礎，以菲涅爾衍射、夫瑯和費衍射、光柵衍射為載體，展示數理解析與幾何圖像相結合的研究方法、突出其分光特性在現代科學技術中的應用。（10學時）

第五章 光的偏振：以光的偏振理論為基礎，以偏振器件為載體，展示數理解析與幾何圖像相結合的研究方法、注重向磁至旋光及磁光盤滲透。（10學時）

第六章 量子光學：以光的量子論為基礎，以光的輻射和激光為載體，注重向量子光學以及非線性光學滲透。（4學時） 二、原子物理學的課程體系和教學內容的設計

原子物理學是用近似的、不完整的量子力學理論和方法研究原子的運動及其構成的課程。其學術特色是完全以實驗（觀察）事實為依據建立或選取理論模型，對問題做出恰當的解釋。該課程研究對象抽象，理論的系統性、完整性不強。但原子物理學是基礎物理課程中蘊含了創新性思維最多的課程，其研究手段和方法為其它相關領域所通用【4】。因此，通過原子物理課程的教學，主要是培養學生依據研究客體進行理論建模的能力，提高學生創新理論框架、簡化理論處理、取舍運算結果的意識和水平。

1.課程體系的架構

以光譜和德布羅意波為核心概念，采用近似的量子力學方法（經典理論+量子力學）研究原子（氫原子、堿金屬、多電子原子、外場中的原子）與原子核的結構及其運動規律，展示課程的理論創新特色以及在現代科學技術、工程實踐中的多層次應用。

體系框圖：

2.教學內容的組織思路

以體現課程體系為原則，按48課時選取并組織教學內容，思路如下。

序論：突出課程特點與學習中應注意的問題。（2學時）

第一章 原子的結構：以α粒子散射實驗和原子核式結構為載體，突出盧瑟福散射技術在材料分析中的應用。（5學時）

第二章 量子力學基礎：以三個實驗為基礎，依托量子力學的基本原理，突出理論創新的特色、思路和方法。（8學時）

第三章 氫原子：以半經典半量子論為理論基礎，以氫原子為載體，突出理論建模以及光譜分析在科學研究、工程實踐中的應用。（8學時）

第四章 堿金屬原子：以電子的軌道貫穿、極化理論為基礎，以堿金屬原子為載體，展示理論修正方法以及光譜分析在科學研究和精密檢測中的應用。（8學時）

第五章 多電子原子：以泡利不相容原理及Hunt定則為理論基礎，以多電子原子為載體，突出量子規律以及光譜分析在科學研究中的應用。（6學時）

第六章 外場中的原子：以磁場和原子的相互作用為基礎，以Zeeman效應為載體，展示磁效應在材料磁性，磁共振技術中的應用。（5學時）

第七章 原子核物理學：以核結合能為基礎，以核裂變和聚變為載體，突出原子能、核技術的利用以及放射線的探測、防護。（6學時）

參考文獻：

[1]趙凱華.新概念物理教程——光學[M].北京：高等教育出版社，2004：6

[2]吳壽煜，吳大煒.試論21世紀物理專業《光學》之教學改革[J].黑龍江高教研究，2004（6）：101-103

量子力學的基本原理范文第3篇

10月9日，諾貝爾物理學獎答案揭曉，來自巴黎高等師范學院塞爾日?阿羅什（Serge　Haroche）教授以及美國國家標準與技術研究院的大衛?維因蘭德（David　Wineland）教授共同分享了這一殊榮，他們兩人的獲獎理由是分別發明了測量和控制孤立量子系統的實驗方法。

在諾貝爾獎委員會的新聞稿中，兩位獲獎者的成就被稱為“為實現量子計算機奠定了基礎。”一時間，量子計算機也成為了業界關注的焦點。

薛定諤的貓和諾貝爾獎

對于普通人來說，量子力學是個深不可測的概念。不過，隨著最近幾年科幻題材電影電視劇的風靡，“平行宇宙”、“平行世界”之類的詞匯開始被頻頻提及，而它正是出自量子力學的相關概念。

想要了解什么是量子計算機，那么首先需要了解“薛定諤的貓”這個量子力學中的經典假設。

1935年，奧地利著名物理學家，同時也是量子力學創始人之一的薛定諤設想出這樣一個實驗：一只貓被關進一個不透明的箱子里，箱子內事先放置好一個毒氣罐，毒氣罐的開關由一個放射性原子核來控制。當原子核發生衰變時，它會釋放出一個粒子觸發毒氣罐的開關，這樣毒氣釋放，貓就會被毒死。

根據量子力學的理論，在實驗者沒有開箱進行觀測時，原子核處于衰變和未衰變的疊加狀態，換言之，箱子里的貓既是活的也是死的，對于普通人來說，很難理解“既生又死”這樣的狀態，但這正是量子力學研究的領域。量子力學針對的是在微觀環境下的物理現象，在這一環境中，大家中學時候學習的經典物理學中的規律會突然失效，微觀世界是由另一套自然法則在操控，這也是為什么薛定諤的理想實驗中貓既能是活的也能是死的。

不過，一旦打開箱子，微觀實現就會出現“崩塌”，原子核的狀態就會確定下來，此時貓是生是死也隨之揭曉答案。

長期以來，由于不能實際觀測，量子力學僅僅停留在理論之上，而缺乏實踐的驗證。然而，今年兩位諾貝爾獎得主的成就正是在這方面取得了突破。他們各自通過精妙的實驗，使“測量和操控量子系統成為可能”，讓不打開箱子就能觀察貓的生死變成了可能。當然，更重要的是，它也使量子計算機的實現變得不再遙不可及。

不再是空想的量子計算機

所謂量子計算機是基于量子力學基本原理實現信息處理的一項革命性計算技術。1982年，美國物理學家費曼在一次演講中提出利用量子體系實現通用計算的想法，當時他發現，分析模擬量子物理世界所需要的計算能力遠遠超過了經典計算機所能達到的能力，而用實驗室中一個可控的量子系統來模擬和計算另外一個人們感興趣的量子系統會非常高效，量子計算機的概念也應運而生。

量子計算機與經典計算機不同之處在于，對于經典計算機來說，其基本的數據單位就是一個比特，相對應的一個比特不是0就是1，而對于量子計算機來說，一個比特可以同時表示0和1，這就意味著兩個比特就能表示00、01、10、11四種狀態。這樣，只要有300個量子比特，其承載的數據就能是2的300次方，這將超過整個宇宙的原子數量總和。簡而言之，量子計算機的運算能力將是目前經典計算機所無法比擬的。

前面的表述未免抽象，舉一個形象的例子：目前最好的多核處理器能夠解密150位的密碼，如果想要解密一個1000位的密碼，那么需要調用目前全球的計算資源才有可能實現。但是從理論上講，一臺量子計算機在幾個小時內就能解決這一問題。在量子計算機面前，目前世界上最復雜的密碼也會變得不堪一擊，這意味著互聯網上將不再有秘密可言，人類需要重新設立一套與現在完全不同的信息加密系統。

量子計算機的用處當然不只是破譯密碼，在大數據分析的時代，對計算機運算能力的要求正變得愈來愈高，從語義識別到人工智能，都需要倚仗計算機強大的運算能力才能完成，這也讓業界對于量子計算機的誕生充滿了期待。

不過，雖然理論上300個量子比特就能賦予計算機難以想象的運算能力，但現實與想象畢竟還存在不小的差距。根據清華大學交叉信息研究院助理研究員尹章琦的介紹，估算大概需要至少一萬個量子比特才能超越經典計算機的計算能力，“因為我們需要對計算過程進行糾錯，所以需要很多個物理比特才能獲得一個可容錯的邏輯比特。估計需要大概一千個邏輯比特運行Shor算法來超越經典計算機的計算能力，那么物理比特至少要高一個量級，甚至可能要高兩個量級”。尹章琦所從事的正是關于量子信息與量子光學的理論與實驗研究。

商業化的未來

在學界還在探討量子計算機可行性的時候，產業界已經迫不及待開始了實踐。早在2001年，IBM就曾經成功實現利用7個量子比特完成量子計算中的素因子分解法。

2007年，加拿大的D-Wave公司就了號稱全球第一臺商用量子計算機――采用16位量子比特處理器的Orion（獵戶座）。不過，Orion后迅速被業界潑了一盆冷水，業內人士稱，Orion并不是真正意義上的量子計算機，只是具備了一些量子計算的特性。

去年，D-Wave卷土出來，了全新的產品――D-Wave　One，這一次它的處理器達到了128量子比特，比前代產品大大提升，一臺售價高達1000萬美元。但是，由于D-Wave對核心技術三緘其口，學術界無法得知關于其產品的更多信息，質疑之聲再起，因為目前能夠實現10量子比特已經是相當了不起的成就。

不過，即便質疑不斷，D-Wave還是成功拿到了第一張訂單，外國媒體報道，美國知名的軍備制造商洛克希德?馬丁已經購買了D-Wave的產品并且將其用在一些復雜的項目上，比如F-35戰斗機軟件錯誤的自動檢測。

不僅如此，D-Wave還在今年10月得到了來自貝索斯以及美國中情局下屬投資機構In-Q-Tel總計3000萬美元的投資。貝索斯的投資邏輯顯而易見，隨著現實世界的不斷互聯網化，他的野心自然是通過深度挖掘和分析亞馬遜積累的海量數據創造出更大的商業價值，而量子計算機正是實現這一切的基礎。

在D-Wave大出風頭的同時，老牌巨頭IBM也不甘落后，今年2月，IBM宣布在量子計算領域再次取得重大進展。新的技術使得科學家可以在初步計算中減少數據錯誤率，同時在量子比特中保持量子機械屬性的完整性。

量子力學的基本原理范文第4篇

關鍵詞：量子比特；量子力學；量子相干性；并行運算

0　引言

自1946年第一臺電子計算機誕生至今，共經歷了電子管、晶體管、中小規模集成電路和大規模集成電路四個時代。計算機科學日新月異，但其性能卻始終滿足不了人類日益增長的信息處理需求，且存在不可逾越的“兩個極限”。

其一，隨著傳統硅芯片集成度的提高，芯片內部晶體管數與日俱增，相反其尺寸卻越縮越小(如現在的英特爾雙核處理器采用最新45納米制造工藝，在143平方毫米內集成2.91億晶體管)。根據摩爾定律估算，20年后制造工藝將達到幾個原子級大小，甚至更小，從而導致芯片內部微觀粒子性越來越弱，相反其波動性逐漸顯著，傳統宏觀物理學定律因此不再適用，而遵循的是微觀世界煥然一新的量子力學定理。也就是說，20年后傳統計算機將達到它的“物理極限”。

其二，集成度的提高所帶來耗能與散熱的問題反過來制約著芯片集成度的規模，傳統硅芯片集成度的停滯不前將導致計算機發展的“性能極限”。如何解決其發熱問題?研究表明，芯片耗能產生于計算過程中的不可逆過程。如處理器對輸入兩串數據的異或操作而最終結果卻只有一列數據的輸出，這過程是不可逆的，根據能量守恒定律，消失的數據信號必然會產生熱量。倘若輸出時處理器能保留一串無用序列，即把不可逆轉換為可逆過程，則能從根本上解決芯片耗能問題。利用量子力學里的玄正變換把不可逆轉為可逆過程，從而引發了對量子計算的研究。

1　量子計算的基本原理

1.1　傳統計算的存儲方式

首先回顧傳統計算機的工作原理。傳統電子計算機采用比特作為信息存儲單位。從物理學角度，比特是兩態系統，它可保持其中一種可識別狀態，即“1”或者“()”。對于“1”和“0”，可利用電流的通斷或電平的高低兩種方法表示，然后可通過與非門兩種邏輯電路的組合實現加、減、乘、除和邏輯運算。如把0～0個數相加，先輸入“00”，處理后輸入“01”，兩者相“與”再輸入下個數“10”，以此類推直至處理完第n個數，即輸入一次，運算一次，n次輸入，n次運算。這種串行處理方式不可避免地制約著傳統計算機的運算速率，數據越多影響越深，單次運算的時間累積足可達到驚人的數字。例如在1994年共1600個工作站歷時8月才完成對129位(迄今最大長度)因式的分解。倘若分解位數多達1000位，據估算，即使目前最快的計算機也需耗費1025年。而遵循量子力學定理的新一代計算機利用超高速并行運算只需幾秒即可得出結果。現在讓我們打開量子計算的潘多拉魔盒，走進奇妙神秘的量子世界。

1.2　量子計算的存儲方式

量子計算的信息存儲單位是量子比特，其兩態的表示常用以下兩種方式：

(1)利用電子自旋方向。如向左自轉狀態代表“1”，向右自轉狀態代表“0”。電子的自轉方向可通過電磁波照射加以控制。

(2)利用原子的不同能級。原子有基態和激發態兩種能級，規定原子基態時為“0”，激發態時為“1”。其具體狀態可通過辨別原子光譜或核磁共振技術辨別。

量子計算在處理0～n個數相加時，采用的是并行處理方式將“00”、“01”、“10”、“11”等n個數據同時輸入處理器，并在最后做一次運算得出結果。無論有多少數據，量子計算都是同時輸入，運算一次，從而避免了傳統計算機輸入一次運算一次的耗時過程。當對海量數據進行處理時，這種并行處理方式的速率足以讓傳統計算機望塵莫及。

1.3　量子疊加態

量子計算為何能實現并行運算呢?根本原因在于量子比特具有“疊加狀態”的性質。傳統計算機每個比特只能取一種可識別的狀態“0”或“1”，而量子比特不僅可以取“0”或“1”，還可同時取“0”和“1”，即其疊加態。以此類推，n位傳統比特僅能代表2n中的某一態，而n位量子比特卻能同時表示2n個疊加態，這正是量子世界神奇之處。運算時量子計算只須對這2n個量子疊加態處理一次，這就意味著一次同時處理了2n個量子比特(同樣的操作傳統計算機需處理2n次，因此理論上量子計算工作速率可提高2n倍)，從而實現了并行運算。

量子疊加態恐怕讀者一時難以接受，即使當年聰明絕頂的愛因斯坦也頗有微詞。但微觀世界到底有別于我們所處的宏觀世界，存在著既令人驚訝又不得不承認的事實，并取得了多方面驗證。以下用量子力學描述量子疊加態。

現有兩比特存儲單元，經典計算機只能存儲00，01，10，11四位二進制數，但同一時刻只能存儲其中某一位。而量子比特除了能表示“0”或“1”兩態，還可同時表示“0”和“1”的疊加態，量子力學記為：

lφ〉＝al1〉＋blO〉

其中ab分別表示原子處于兩態的幾率，a＝0時只有“0”態，b＝0時只有“1”態，ab都不為0時既可表示“0”，又可表示“1”。因此，兩位量子比特可同時表示4種狀態，即在同一時刻可存儲4個數，量子力學記為：

1.4　量子相干性

量子計算除可并行運算外，還能快速高效地并行運算，這就用到了量子的另外一個特性――量子相干性。

量子相干性是指量子之間的特殊聯系，利用它可從一個或多個量子狀態推出其它量子態。譬如兩電子發生正向碰撞，若觀測到其中一電子是向左自轉的，那么根據動量和能量守恒定律，另外一電子必是向右自轉。這兩電子間所存在的這種聯系就是量子相干性。

可以把量子相干性應用于存儲當中。若某串量子比特是彼此相干的，則可把此串量子比特視為協同運行的同一整體，對其中某一比特的處理就會影響到其它比特的運行狀態，正所謂牽一發而動全身。量子計算之所以能快速高效地運算緣歸于此。然而令人遺憾的是量子相干性很難保持，在外部環境影響下很容易丟失相干性從而導致運算錯誤。雖然采用量子糾錯碼技術可避免出錯，但其也只是發現和糾正錯誤，卻不能從根本上杜絕量子相干性的丟失。因此，到達高效量子計算時代還有一段漫長曲折之路。

2　對傳統密碼學的沖擊

密碼通信源遠流長。早在2500年前，密碼就已廣泛應用于戰爭與外交之中，當今的文學作品也多有涉獵，如漢帝賜董承的衣帶詔，文人墨客的藏頭詩，金庸筆下的蠟丸信等。隨著歷史的發展，密碼和秘密通訊備受關注，密碼學也應運而生。防與攻是一個永恒的活題，當科學家們如火如荼地研究各種加密之策時，破譯之道也得以迅速發展。

傳統理論認為，大數的因式分解是數學界的一道難題，至今也無有效的解決方案和算法。這一點在密碼學有重要應用，現在廣泛應用于互聯網，銀行和金融系統的RSA加密系統就是基于因式難分解而開發出來的。然而，在理論上包括RSA在內的任何加密算法都不是天衣無縫的，利用窮舉法可一一破解，只要衡量破解與所耗費的人力物力和時間相比是否合理。如上文提到傳統計算機需耗費1025年才能對1000位整數進行因式分解，從時間意義上講，RSA加密算法是安全的。但是，精通高速并行運算的量子計算一旦問世，縈繞人類很久的因式分解難題迎刃而解，傳統密碼學將受到前所未有的巨大沖擊。但正所謂有矛必有盾，相信屆時一套更為安全成熟的量子加密體系終會醞釀而出。

3　近期研究成果

目前量子計算的研究仍處于實驗階段，許多科學家都以極大熱忱追尋量子計算的夢想，實現方案雖不少，但以現在的科技水平和實驗條件要找到一種合適的載體存儲量子比特，并操縱和觀測其微觀量子態實在是太困難了，各界科學家歷時多年才略有所獲。

(1)1994年物理學家尼爾和艾薩克子利用丙胺酸制出一臺最為基本的量子計算機，雖然只能做一些像1＋1＝2這樣簡單的運算，但對量子計算的研究具有里程碑的意義。

(2)2000年8月IBM用5個原子作為處理和存儲器制造出當時最為先進的量子計算機，并以傳統計算機無法匹敵的速度完成對密碼學中周期函數的計算。

(3)2000年日本日立公司成功開發出“單電子晶體管”量子元件，它可以控制單個電子的運動，且具有體積小，功耗低的特點(比目前功耗最小的晶體管約低1000倍)。

(4)2001年IBM公司阿曼頓實驗室利用核磁共振技術建構出7位量子比特計算機，其實現思想是用離子兩個自轉狀態作為一個量子比特，用微波脈沖作為地址。但此法還不能存儲15位以上的量子單元。

(5)2003年5月《Nature》雜志發表了克服量子相關性的實驗結果，對克服退相干，實現量子加密、糾錯和傳輸在理論上起到指導作用，從此量子通信振奮人心。

(6)2004年9月，NTT物性科學研究所試制出新一代存儲量子比特的新載體――“超導磁束量子位”。它可通過微波照射大幅度提高對量子比特自由度的控制，其量子態也相對容易保持。

量子力學的基本原理范文第5篇

Reform and Practice of Quantum Mechanics Hybrid Teaching Mode Based on SPOC

LIU Rong HOU Hong-lu DONG Wei LIU Wang-yun HUI Ying-xue

（College of Optoelectronic Engineering， Xi’an University of Technology， Xi’an 710021， China）

【Abstract】With the rapid worldwide rise of open online courses and learning platforms， a hybrid teaching model based on SPOC for small-scale specific learning groups has emerged as a powerful means of truly embodying the concept of “student-centered” education. Based on the training goal of electronic science and technology in our university and the characteristics of quantum mechanics course， this paper explores the reform of teaching mode from “traditional teaching” to “SPOC-based hybrid teaching”， studies the reform of teaching mode based on students， SPOC quantum mechanics course hybrid teaching methods， to further improve the effectiveness and quality of classroom teaching to provide an important guarantee.

【Key words】SPOC； Quantum Mechanics； Electronic Science and Technology； Teaching Mode

1 SPOC的產生

追溯國內外在線課程的發展，從1989年美國鳳凰城大學最先推行在線學位計劃，成為美國第一批被認可的提供網絡學位教育的學校開始，直至2001年美國麻省理工學院OCW（Open Course Ware）項目啟動，再到2008年MOOC（Massive Open Online Course）概念首次提出[1]，并在全球范圍內以迅猛之勢推廣應用，稱為現代教育改革的新興產物。為了順應新世紀的兩大發展趨勢，即全球化和信息化，中國高等教育也迎來了新的機遇和挑戰。2011年教育部出臺了《教育部關于國家精品開放課程建設的實施意見》（教高[2011]8號）、《精品資源共享課建設工作實施辦法》（教高廳[2012]2號）文件，全面啟動精品視頻公開課和精品資源共享課建設。2014年“中國大學MOOC”平臺全面運營。國內在線開放課程平臺日趨成熟，有效支持在線開放課程的建設與運行。大規模在線開放課程等新型在線開放課程和學習平臺在世界范圍迅速興起，不僅拓展了教學時空，實現優質教育資源共享，為學習者提供終身學習條件，而且增強了教學吸引力，激發了學習者的學習積極性和自主性。然而，MOOC缺乏教師的深度參與，脫離實體學校的小班教學，難以完全取代傳統的課堂教學。與此同時，一種將MOOC資源服務于校園內學習者的在線教育形式――SPOC（Small Private Online Course）應運而生。SPOC是一種將MOOC資源用于小規模、特定學習者的教學解決方案，賦予學生更完整、有針對性的學習體驗。采用混合式教學模式，既發揮教師引導、啟發、監控教學過程的主導作用，又能體現學生作為學習過程主體的主動性、積極性與創造性，真正體現“以學生為核心”的教育理念[2]。

致力于建設面向工科專業學生的量子力學在線開放課程，結合我校電子科學與技術專業的培養目標，以及量子力學課程特點，立足于提高學生學習積?O性和培養學生科學探索精神及創新能力，以“微課程”為載體，實現從“傳統課堂教學模式”向“SPOC教學模式”轉變，研究和構建以學生為核心的基于SPOC的量子力學課程教學模式，采取線上視頻教學和線下課堂教學有機結合的混合式教學方法，實現改善課堂教學效果及質量的目標。

2 SPOC教學模式設計

SPOC是線上和線下相結合，采用校內教師的在線資源與校外相關MOOC資源相結合，通過線上教學視頻、教學課間、在線作業、測驗等教學資源，讓學生先自行在線學習，然后在課堂上進行面對面的討論、答疑、實驗等，最后進行線下期末考試環節，至此，整個課程完成。SPOC的核心是教學流程變革所帶來的知識傳授的提前和知識內化的優化[3]。SPOC的教學模式全過程一般由三個環節構成：問題導入環節、線上學習環節和互動跟蹤環節。具體細化過程還包括：微視頻制作與上傳、設置任務單、提供資料庫、組織線上視頻學習、開展在線討論、線下互動教學、跟蹤監測等流程，SPOC教學模式設計流程如圖1所示。

在具體實踐中，結合量子力學的課程特點，做到以下幾方面：

（1）基于SPOC的量子力學課程建設采用以知識點碎片化視頻（10分鐘左右）與交互式練習為基本教學方式的知識點組織模式和學習模式，采取線上視頻教學和線下課堂教學有機結合的混合式教學方法，實現教與學的“翻轉”。

（2）基于SPOC的量子力學課程建設預期形成6-8小時的在線視頻課程，分為10周進行授課，每周授課時數為4節，每節10分鐘左右（即為一個視頻課程單元）。此外，還包含6-8小時的線下教師面授課程，分3-4周進行授課，每周授課時數為2節，每節50分鐘.在線視頻兼顧“快、高效、有趣”的特點。

（3）構建以知識點為單元的視頻課程模塊單元。結合量子力學的課程與內容特點，分解知識單元，構建以知識點為節點的知識架構。通過課程知識點的拆解、遴選和重組形成涵蓋課程基本知識點、基本概念、基本原理、前沿專題和熱點問題的課程體系課程內容。

（4）配備教學大綱、教案或演示文稿、重點難點、作業、試題庫、參考資料、資源庫等完整的課程支撐資源庫。

（5）基于學情分析，預習導學、設置單元作業、在線討論、在線考試等線上教學任務和線下教室討論、交流、答疑等教學活動，以幫助學習者有效進行學習并實現課程制定的目標。教學團隊每周會引領4個知識點的學習，漸進式的推進，配以豐富的案例與實操貼士，大家可以選擇適合的時間來學習、交流與練習。

（6）考核方式：視頻學習完成度+課內表現+期末考試成績。

3 SPOC教學實踐

SPOC采用線上視頻教學和線下課堂教學有機結合的混合式教學方法，以學生為核心，將學習置于復雜的有意義的問題情境中，通過視頻觀看和互動討論，激勵學生積極探索隱含于問題背后的科學知識，實現知識體系的建構和轉化，同時鼓勵學生對學習內容展開討論、反思，教師則以提問的方式推進這一過程，最終使學生在一個螺旋式上升的良性循環過程中理解知識，實現學習的不斷延續，以促進學生解決問題、自主學習能力的發展，以及創新意識和創新能力的提高，實現改善課堂教學效果及質量的目標。

與傳統教學方法相比，基于SPOC的混合式教學模式中，教師與學生的角色和任務發生巨大改變。教師從傳統課堂中的知識傳授者變成了學習的促進者和指導者，這意味著教師不再是知識交互和應用的中心，而是學生應用知識到真實情景的推動者。

教師的主要任務是：

（1）創設問題情境、呈現問題。提出問題是SPOC的起點和焦點。布朗、科林斯等學者認為，認知是以情境為基礎的，發生在認知過程中的活動是學習的組成部分之一，通過創設問題情境可吸引學習者。問題的產生可以是學生自己在生活中發現的有意義、需要解決的實際問題，也可以是在教師的幫助指導下發現的問題，還可以是教師根據實際生活問題、學生認知水平、學習內容等相關方面提出的問題。

（2）提供豐富的教學資源。教學資源是實施SPOC的根本保障。教師可以利用網絡課程為學生解決問題提供多種媒體形式和豐富的教學資源。

（3）對學習成果提出要求，給學生提供一個明確的目標和必須達到的標準。

（4）部分教學內容、難點問題講授。

（5）答疑，論壇主持，實驗，考試組織等。

學生的主要任務是：

（1）通過觀看視頻（任意時間）自主學習；

（2）在線完成作業和測試；

（3）線上論壇討論并相互回答問題；

（4）參與課堂討論和組間辯論。

例如，在講到微觀粒子的波函數時，有學生認為波函數是經典物理學的波，也有學生認為波函數由全部粒子組成。這些問題的討論激發了學生的求知欲望，可以通過線上視頻學習、網絡資源共享，再組織在線討論，最后線下教學互動和老師疑難解答，對各小組討論和辯論的觀點進行評述和指正，實現學生對一些不易理解的量子概念和原理的深入理解[4-6]。

4 SPOC教學設計的關鍵問題

（1）明確學習目標和內容。通常任課教師以整門課程為一個體系進行教學設計，但是這個體系過于龐大，學生往往看這個體系如“盲人摸象”，很難完整理解，甚至使學生產生畏難情緒，很難“留住”學生參與線上學習。所以，建議在設計學生的學習目標時以周為單位，定期視頻學習任務書，該任務書一定是具體的、可量化的，使學生可以在短時間內明確本周的學習目標和內容。

（2）教學內容的設計與教學環節的組織安排。基于SPOC的混合式教學不等同于傳統教學+在線學習，需要詳細設計教學內容，例如哪些內容適合學生在線學習？哪些內容需要課堂講授？設計哪些討論主題既緊密結合課程知識點又能夠激發學生的“好奇心”，有利于培養學生科學探索精神及創新能力？等等。此外，還需要細化各個教學環節的組織安排，確保各環節能夠有機結合。