量子符号在一个学生的头上形成了一个环

这个不会出现在考试中:学习量子化学的新方法

11月. 23, 2022, 11:03 a.m.

在他们创新的量子力学课程中, 两位OPE体育官网教授在期中考试前讲授量子力学的基本原理, 那就放弃习题集和测验,用研讨会式的方式探索量子理论的狂野含义吧.

量子力学. 量子隧道,量子计算. 量子生物学. 量子世界的影响是非同寻常的——对那些试图保持良好GPA的学生来说,这可能是一种威胁.

斯科尔斯教授正在和一名学生交谈

格雷戈里·斯科尔斯将《OPE体育官网》的目标读者定位为化学专业的学生和非化学家. “不管你是未来的小说家,还是要在政府或金融部门工作 ... 我们需要能对任何量子技术做出明智决定的人。.

因此,OPE体育的两位教授采取了一种新的策略:在期中考试前教授量子力学的基本原理, 然后就没有作业了, 测验或测验. “化学305:量子世界”课程的学生在下半学期自由地探索量子理论的狂野含义.

“而不是让一屋子的学生担心, “这个会考吗?,“我希望他们能在感恩节晚餐上兴奋地谈论一些事情,” 格雷戈里·斯科尔斯OPE体育的威廉. 托德,化学系教授,化学系主任.

“我和学生开玩笑说,如果你妈妈问,‘你在OPE体育学了什么?’, 你不会开始推导一个方程, 但是你可以说‘嗯, 我终于知道量子纠缠是什么意思了, 下面用两句话来思考这个问题,’”这位出生于澳大利亚的科学家说.

先数学,再讨论

“所有OPE体育官网的学生都完全有能力学习量子力学. 现在的问题是找到进去的路。 玛丽莎Weichman, 化学助理教授 在过去的三年里谁教的 前半学期所涵盖的关键方程式和其他核心材料. 期中考结束后,斯科尔斯主持研讨会式的讨论.

教授. 玛丽莎Weichman在演讲中演示一个概念

玛丽莎Weichman, 图为在讲座中演示一个概念, 在上半学期教授量子力学的数学基础. “我想让学生们知道,不管他们的数学背景如何, 他们是受欢迎的——不仅仅是受欢迎, 鼓励! ——加入我们的班级。.

“我发现课程的前半部分真的很容易理解, 这是我没有预料到的,高年级学生麦迪·埃斯波西托说, 目前有谁注册了这个班. “‘量子力学’听起来相当吓人, 所以刚开始上这门课的时候我有点担心, 但魏克曼教授真的把一切都分解了,而且很容易理解. 在课程的前半部分结束时, 我开始看到我们所学的东西之间的联系  数学和方程式 ——与 我在以前的化学课上听说过. 我很高兴我们有机会来讨论这些处于前沿的更大的想法.”

魏克曼说,她教授量子力学的秘诀是帮助学生们学会如何相信自己的量子直觉.

“当我教书的时候,我告诉学生,‘不要马上担心概念理解. 你的量子直觉将来自花时间学习规则. 你必须做数学计算,不断练习,直到它几乎成为肌肉记忆.”, 然后 直觉来了,你可以开始谈论概念性的问题,”她解释道.

在课程的前半部分, 信息是, “让我们只做数学计算,尽量不要太担心它的含义,她说. ”,然后, 一旦你觉得舒服了, 我们可以开始讨论真正的研究问题和应用以及它的用处.”

斯科尔斯多年来一直在修改这门课程, 他说,这种没有期末考试的方法给了他一个讨论最令人兴奋的机会, 量子研究的前沿进展.

“纳米科学, 量子点, 碳纳米管——我们可以谈谈它们的特殊之处, 在一个比没有数学知识更深刻的层面上. 上半学期已经上了定量课, 他们会很感激的, 这让它变得更有趣, 我认为. 我也可以告诉他们一些内部故事:是什么突破使得整个纳米科学革命在这个领域? 在麻省理工学院走廊上的对话是什么导致了这些神奇的材料?

“如果你是为了考试而教学的话, 那么你必须非常精确, 甚至把一切都简单化,他说. “你不能留下任何未回答的问题, 因为学生们想要对你可能问他们的任何问题都有非常精确的答案. 但这对真正酷的东西不起作用. 最令人兴奋的事情还没有确切的答案.

“我可以描述研究的前沿, 从我的实验室或其他地方, 在某种程度上,如果没有OPE体育官网这样的研究团队,你就无法在其他学校获得这种效果,斯科尔斯继续说道. “世界上最顶尖、最投入的量子研究人员都在这里. 我想和本科生们分享这种乐趣. 而不是说, ‘Oh, 这是一本教科书,我想让他们了解真正的问题、问题和突破是什么."

萨拉巴德, 曾担任该课程助教的研究生, 说, “当教授讲一些他们真正喜欢的东西时,整个课堂的动态就会发生变化. 这是由世界级研究人员教授的乐趣之一.”

为现代世界做好思想准备

学生们在讲堂里聚精会神地听

“量子世界”的学生在下半学期不参加期末考试或任何小测验, 在此期间,他们了解了量子研究的前沿进展.

而这门课程推荐给化学专业的学生, 斯科尔斯和魏克曼很清楚,他们的大多数学生不会成为物理化学家. 但他们希望为将来的量子问题做出深思熟虑的决定做好准备.

“量子计算和量子安全是巨大的、不断增长的领域,”斯科尔斯说. “我希望那些正在考虑向量子计算机投资5亿美元的投资银行家们知道该问哪些正确的问题. 我希望医生能够听懂量子医疗设备初创公司的销售演讲. 我想让基金管理人员知道一项提案是否有依据,还是应该避开. 仅仅因为某人不会每天坐在桌子前解方程并不意味着他们不需要对这个有深刻的理解.

“如今,量子纠缠甚至出现在小说中. 所以不管你是未来的小说家, 或者在政府或金融部门工作,尤其是金融部门, 因为必须有人向未来的量子技术投入资金——你真的需要被告知.”

的心, 斯科尔斯是一位理论科学家, 但他也知道量子材料对世界的重要性. “这是最完美、最纯粹的科学理论. 太美了,”他说. “而是把它应用到应用中, 转变成能改变人们生活的产品, 我们需要能对任何量子技术做出明智决定的人.”

为此,学生可以选择任何主题,在课程的半部分讨论中提出. 过去的话题范围从鸟类的磁接收-如何 鸟类利用地球磁场来帮助它们迁徙 -量子力学在意识甚至癌症发展中的作用. 

“彻底决裂至关重要”

斯科尔斯在2014年来到OPE体育官网之前就开始教授这门课程了, 他一直在做实验. 这么多年来, 他减少了测验和小测验的次数, 但他表示,最大的转变发生在他取消了期末考试,并将学期的两半部分完全分开之后.

他说:“彻底分手至关重要。. “学生们太多疑了. “如果他真的要把这些东西放到考试里呢??“我只是不想有任何担心. 然后我们就可以自由讨论了.”

一些学生说,他们会更喜欢没有定量基础和习题的课程! ——但大多数人表示,魏克曼提供的强有力的数学基础,对于牢固把握课程后半部分提出的主题至关重要.

“我在数学方面的背景不如班上其他一些学生, 所以我在前半学期非常努力,大三学生莉莉·克伦伯格说. “我认为像量子力学这样的课程的恐惧在于数学可能太难理解, 但我发现情况并非如此. 有了数学上的理解就很好了, 因为我认为如果没有数学基础,研讨班上的任何东西都讲不通.”

“我上了很多STEM课程, 这是第一个给你技术工具的方法然后讨论理论, 以及如何应用它,高年级的Imani Mulrain说. “我喜欢这种方法,因为它给了我更具体的理解. 我认为如果我们从理论开始,就很难把它放在一个框架中.”

埃斯波西托说,没有期末考试是一种自由. “我想我从来没有上过一门只讨论科学的课程, 我们也不会被要求在考试中表现出色,她说. “我的一些同学在我们第一次研讨会后讨论了这个问题, 这是多么令人兴奋,多么罕见.”

在教授这样一个可能令人生畏的话题时,创造一个友好的环境是至关重要的, 说Weichman.

“我正努力让漏斗尽可能大, 把所有人都带入量子和物理化学的行列,她说. “我想让学生们知道,不管他们的数学背景如何, 他们是受欢迎的——不仅仅是受欢迎, 鼓励! -加入我们的班级,这里有人会帮助他们,鼓励他们.”