量子力學課程思政教學改革與實踐

謝羅剛，鄺艷敏，孫 敏，尚 翠，楊 陽，趙承周

（1.鄭州輕工業大學物理與電子工程學院，河南 鄭州 450000；2.河南大學物理與電子學院，河南 開封 475000）

教育部發布的《高等學校課程思政建設指導綱要》指出：對理工類專業的課程，要在課程教學中把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學精神的培養結合起來，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。理學類專業課程，要注重科學思維方法的訓練和科學倫理的教育，培養學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感。量子力學是理工類專業的一門重要的基礎理論課，是學習后續“固體物理”“半導體物理學”“材料科學”“集成電路工藝原理”“量子信息”“量子化學”等專業課程的基礎。學生通過學習量子力學，能夠初步掌握微觀粒子的運動規律和量子力學的基本原理，能夠利用量子力學的基本理論來分析問題和解決問題。本課程的學習不僅為后續的專業課打下堅實的理論基礎，而且因其科學性、人文性、故事性和歷史性等特點，是開展思政教育教學極佳的平臺和載體。在“課程思政”概念提出之初，已經嘗試將課程思政教育理念融入量子力學課程中，現將經驗與大家分享。

1 在教學過程中融入思政教育的方法

1.1 將思政教育納入課程教學大綱

在量子力學原有的知識及能力層次的課程目標基礎上，增加了思想、品質等思政方面的課程目標，從頂層設計方面加強思政教學引導。例如修訂教學大綱時將課程思政目標設定為了解量子力學的發展歷史和現狀，了解我國在量子理論和量子科技方面的成就，能夠把自身的發展與國家需求緊密結合，不怕困難，勇于創新，積極投身國家量子信息、量子技術事業的責任感和使命感。確立了課程思政目標，進一步對整個教學內容進行凝練，挖掘其中的思政元素，形成課程思政案例，從而支撐課程思政目標，做到課程思政有目標、有措施。再如，在講授電子自旋章節時，凝練的思政元素為“創新”。針對許多證明電子具有自旋的實驗事實，烏倫貝克和哥德斯密脫嘗試進行理論解釋[1]，然而當時他們還只是研究生，但是在面對實驗現象與現有理論知識不自洽時，能夠大膽創新，不被傳統的知識所約束，提出了自旋理論，完美解釋了實驗現象。通過此類的案例教學，能夠激發青年學生創新的勇氣，培養學生不怕困難，勇于攀登的科學精神。

1.2 教學過程中多途徑融入思政元素

經過這些年的教學探索和實踐，課程思政主要在各學科的教學過程中融入思想政治教育，與教學包括教師講授、學生技能訓練等環節相結合，在學生的能力培養和知識體系形成的過程中使其能夠樹立正確的核心價值觀和世界觀，培養學生勇于創新、實事求是的科學精神[1]。對于量子力學課程，如何開展思政教育，如何潤物細無聲地融入思政元素，需要找準切入點。

1.2.1 以科學史作為切入點融入思政元素

量子力學的發展過程就是一段波瀾壯闊的科學發展歷史，涌現出眾多現代物理學家，因此量子力學的發展史就是現代物理學家在處理量子力學問題中各顯神通提出多種量子力學觀點的發展史。借此可以在量子力學的教學中，引入科學史的介紹，提高學生的學習興趣和對于量子力學的了解和認識。量子力學中可引入的科學史很多，比如19世紀末光電效應和黑體輻射是物理學界遇到的兩朵烏云，維恩和瑞利、金斯分別以經典物理理論的知識體系去解釋黑體輻射均未獲得成功。然而通過引入能量子的假設，普朗克成功地解釋了黑體輻射的規律。偉大的物理學家愛因斯坦進一步提出了光量子的假設。善于總結的歷史學家德布羅意通過總結光的波粒二象性，大膽提出了所有實物粒子都具有波粒二象性的論點，而后得到實驗驗證。對于氫原子的線狀光譜，玻爾開創性提出了氫原子的量子假設，并解釋了氫原子的結構以及線狀光譜的實驗。隨后，量子力學迎來爆發式的發展：薛定諤提出薛定諤方程，泡利提出了“不相容原理”，海森堡提出了“不確定原理”，并與波恩創建了矩陣力學等等[2]。正是這些偉大的物理學家的努力，量子力學這門嶄新的理論體系建立起來了。在教學過程中，適時引入量子力學的發展史和這些偉大科學家的傳記故事，可以激發學生的學習興趣和熱情。同時也給學生們強調任何新理論的產生都不是一帆風順的，研究新理論需要打破傳統理論和傳統觀點的束縛，要勇于創新。通過教學發現，采用這樣的教學模式可以明顯提升學生的學習興趣。

1.2.2 以哲學思想作為切入點融入思政元素

量子理論自建立以來，許多思想和實驗結果用傳統思維是無法理解的，但卻蘊含著許多哲學思想。因此，可以以哲學思想作為切入點融入思政元素。如著名的“薛定諤貓”佯謬，即當沒有打開密室的蓋子時，根據我們的傳統經驗認為，貓要么死，要么活。但是，根據量子理論，如果沒有打開蓋子進行觀察，永遠不知道貓的死活，那么它將處在“既死又活”的疊加態。顯然，這是荒謬的，這將微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理。“薛定諤貓”佯謬是薛定諤提出旨在否定宏觀世界存在量子疊加態。哥本哈根的量子詮釋在很長的一段時間成了正統的、標準的詮釋。但“既死又活”的貓卻始終困擾著物理學家們。然而，在唯物主義思想的引導下，科學家們繼續研究探索，衍生了多種對“薛定諤貓”現象的解釋，從而進一步補充完善量子力學理論體系。因此，在教學過程中，要點明唯物主義哲學思想對于量子力學理論建立的重要性，同時使學生明白，在生活中唯物主義思想也是避免大家誤入歧途的一個重要前提。

再如對定態微擾理論的講解，該知識點本身是比較枯燥的數學推導。在求解復雜體系薛定諤方程時，體系哈密頓算符通常比較復雜，不能精確求解，只能求近似解，微擾論就是其中一個近似方法，其基本思想就是逐級近似。微擾論方法也就是抓住主要矛盾。因此要強調解決復雜問題學會抓主要矛盾，抓矛盾的主要方面，然后指出學生在將來的學習和工作中，要注意抓住工作重點，分清楚工作主次和輕重緩急。

1.2.3 將最新的科技成果作為切入點融入思政元素

量子力學是一門重要的基礎理論課程，由它而延伸出來的量子信息、量子通訊、量子計算機等學科發展迅速。因此，在對量子力學基礎知識講解以外，需要引入量子力學學科的前沿發展動態。教師可以結合自身的教學和科學研究，將國內外量子科學和量子技術的科研成果融入教學之中，也可以鼓勵學生通過網絡、新媒體等平臺了解量子力學最新的發展動態，進而提升學生的創新能力。

例如，近年來蓬勃發展的量子通訊領域，通過對量子力學的學習，學生對“量子”有了更全面的認識，進而可以引入量子通信的概念。量子通信關系著國家信息和國防安全，發達國家和地區已經搶先占據了信息科技和產業高地。我國在量子通信領域起步較晚，但是經過科學家們的不懈努力，我國的量子技術在通信領域已經實現了“彎道超車”。中國科技大學的潘建偉院士帶領的科技團隊在2007年首次實現安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發，2008年在國際上首次實現全通型量子通信網絡，2012年建成首個規模化的城域量子通信網絡，2016年成功發射全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”。[3]因此，在授課過程，可以將我國科技工作者在量子通信領域內的成就引入課堂，勉勵學生為科技強國而努力學習，同時也要使學生明白科技是第一生產力，關鍵技術要掌握在自己手上。此外，對科技前沿的了解也能幫助學生們對量子力學課程一些基本概念的理解。例如在講授量子態和自旋等概念時，因為很抽象，學生不容易理解。可以通過介紹計算機存儲中二進制0和1與電子的自旋態只有兩個取向相對應，能夠幫助學生理解這些概念。

1.2.4 建立科學的評價體系

積極發揮考核方式在課程改革過程中的指揮棒作用，就需要對考核項目進行多樣化處理，改變期末考試一卷定成績的模式。量子力學相比其他課程是教師難教、學生難學，對于大多數能認真學習量子力學的學生來說，期末考試未必都能考高分，更不用說基礎稍差、學習不認真的學生了，他們可能感覺再怎么努力學習，期末考試也很難及格，從而導致學生喪失信心、失去學習興趣，最終放棄課程。為了改變當前局面，評價方式改革勢在必行，增強教學過程性評價的比重，增強學生參與教學改革的比重，體現德育教學的比重。

目前可采取翻轉課堂的教學模式，讓學生主動預習，去查閱文獻資料，去參與知識點或者專題的講解，做到只要有參與，都會有考核成績。知識點或者專題的講解對學生來講，相對較難，而思政元素是很好的切入口，可以讓學生查閱量子力學理論或者相關實驗現象背后的人文故事。像對波函數的統計詮釋講解時，可以讓學生查閱20世紀初著名的索爾維物理年會中波爾和愛因斯坦的經典爭論，了解事件的來龍去脈，這些能夠更好地吸引學生注意，大大活躍課堂氣氛，增加學生的參與感和獲得感。也可以開展量子力學疑難問題小組討論課，讓學生們分享自己的看法，取長補短，并將學生表現納入期末考核成績。還可以讓學生追蹤最新量子科技進展，通過篩選一些專題讓學生嘗試利用網絡自學，并在指導老師指導下撰寫小論文，在加深基礎知識理解的同時，還能提高其創新能力。

另外，對量子力學課程進行課程思政改革，教師是關鍵。作為高校教師要積極提高自身育人能力和意識，樹立“課程思政”教育教學理念，做好價值引領與知識傳授、能力培養并舉發展。課程組可通過課程研討、集體備課等手段，交流和探討課程思政改革和實施方案，提升教師自身隊伍的德育教學能力。同時，對課程思政工作實施情況進行定期、科學的評價和督查，將課程思政教學效果納入教師的績校考核評價和評優評先，進而推進課程思政教學改革。

2 課程思政教學改革面臨的問題及應對措施

推行課程思政改革，除了對學生進行德育教育外，恰當思政元素的融入還能起到豐富課堂教學內容的作用。實際上，在推行課程思政改革過程中還會碰到各種各樣的問題需要解決。比如，當前學生們對思想政治教育課不感興趣的重要原因就是說教成分較多，在理工類課程中開展課程思政改革，更容易出現這種現象。為了避免這種情況發生，可以根據課程自身特點，有針對性地凝練思政元素，結合課程內容制定思政教學案例，并選擇恰當的切入點，如在本文中提到的三類思政元素切入點進行隱形植入，做到潤物細無聲，避免說教[4]。

其次，避免課程思政融入方式單一。對于有故事背景的思政元素，可以先讓學生調研查閱資料，教師補充完善，最后畫龍點睛指出故事的意義所在。對于馬克思主義哲學思想此類思政元素，可以結合佐證這些哲學思想的內容引入，例如唯物主義、矛盾論等，學生已經熟悉這些內容，在課堂上再次被提出，會引起學生們的思考，并對這些思政觀點有更深刻的認識。對于科技成果這類思政元素，可以通過教師講解，觀看人物專訪、紀錄片，學生查閱文獻資料等形式，讓學生了解特別是國內在量子科技領域方面的進展，增加民族自豪感，激發學生愛國熱情。

另外，通過梳理量子力學課程中的思政元素時，發現緒論部分思政元素較多，比較適合引入思政元素，但是部分章節思政元素較少，像教材中提到的“量子力學中的力學量”以及“態和力學量的表象”此類知識點[5]，內容比較抽象，并且涉及公式推導較多，不宜強行引入思政元素，否則會導致本末倒置，課堂教學與課程教學內容的脫節。

3 結語

課程教學是高校人才培養過程中的關鍵環節，在專業課程中實施思政教育已得到大家的認同。課程思政教學改革的目標是設計受學生歡迎，使學生受益非凡，達到終生難忘的融有“課程思政”的量子力學課程。為實現該目標，通過將課程思政納入量子力學教學大綱，并制定科學的思政培養目標，凝練思政元素，制定思政教學案例，挑選恰當的切入點將思政元素與課程教學融合起來，進而提升課程的吸引力，同時也能增加教師和學生的互動環節，使看似枯燥的知識學習變得更加生動。最后，文章討論了課程思政教育存在的問題及應對辦法。總之，量子力學課程思政改革是一個長期工程，需要學校、教師和學生的共同努力，從而推進量子力學教育更好的發展和創新。