量子物理課程思政教學案例*
——從2008 年諾貝爾物理學獎談起

劉利娟 王曉玉 李德民 王 恩

（鄭州大學物理學院 河南鄭州 450001）

一、課程思政建設及育人目標

為深入貫徹落實習近平總書記關于教育的重要論述和全國教育大會精神，以及中共中央辦公廳、國務院辦公廳《關于深化新時代學校思想政治理論課改革創新的若干意見》[1]，教育部于2020 年5 月28 日印發了《高等學校課程思政建設指導綱要》[2]，旨在把思想政治教育貫穿人才培養體系，全面推進高校課程思政建設，發揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養質量。該文件指出，全面推進課程思政建設是落實立德樹人根本任務的戰略舉措，課程思政建設是全面提高人才培養質量的重要任務，并明確了課程思政建設目標要求和內容重點。

專業課程是課程思政建設的基本載體，對于理學類專業課程，課程思政建設需要注重科學思維方法的訓練和科學倫理的教育，培養學生創新精神、探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感。物理學是整個自然科學發展的基礎，物理學類專業教學旨在培養以提升國家創新能力為使命，具有家國情懷、人文情懷、世界胸懷，能夠勇攀世界科學高峰、引領人類文明進步的未來一流物理學家，這就要求從物理學類專業課程內容中挖掘思政元素，著重訓練學生的科學思維方法，提高學生的創新意識，培養學生著眼世界奉獻國家的人文情懷，以及探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感與使命感。

特別是20 世紀以來，量子物理的建立與蓬勃發展，極大地改變了人類社會的發展進程，影響了國際政治格局。量子物理課程的一大特點就是其蘊含了豐富的思政元素，作為授課教師，需要深入梳理專業課教學內容，結合不同課程特點、思維方法和價值理念，深入挖掘課程思政元素，有機融入課程教學，達到潤物無聲的育人效果。

本文以2008 年諾貝爾物理學獎為典型教學案例，深入挖掘課程思政元素，論述科研創新的重要性，進一步培養學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感，從而探討量子物理課程思政建設的內容與方式方法。

二、教學案例及課程思政教學分析

（一）教學案例

2010 年，意大利著名理論物理學家尼古拉·卡比博（Nicola Cabibbo）去世，尼古拉·卡比博因著名的夸克混合卡比博（Cabibbo）角而聞名于世。眾所周知，描述三代夸克混合與電荷共軛變換及和宇稱變換（簡稱CP）破缺①的幺正矩陣被稱作Cabibbo-Kobayashi-Maskawa（簡稱CKM）矩陣，其主要貢獻者是意大利的尼古拉·卡比博以及日本的小林誠（Makoto Kobayashi）和益川敏英（Toshihide Maskawa）。然而2008 年的諾貝爾物理學獎卻頒給了南部陽一郎（Yoichiro Nambu）、小林誠和益川敏英這三位日本理論物理學家，南部陽一郎因發現亞原子物理的對稱性自發破缺機制獲獎，小林誠和利川敏英則因發現對稱性破缺的來源獲獎（如圖1）。然而，在對稱性破缺領域做出杰出貢獻的尼古拉·卡比博卻未能獲得諾貝爾物理學獎，這也引起來社會的廣泛關注和討論[3]。

圖1 小林誠（左）、益川敏英（中）和南部陽一郎（右）。

（二）課程思政教學分析

我們將選取該授課內容作為課程思政教學的案例主要基于如下兩個方面考慮。

1.知識傳播和人文屬性

該授課內容的知識點清晰，CP 破缺目前依然是高能物理理論和實驗研究的熱點之一，正確理解CP 破缺機制是非常重要的。在授課過程通過講授和剖析該事件，一方面可以活躍課堂氣氛，提高學生的聽課積極性，另一方面可以讓學生更加直觀地了解尼古拉·卡比博未能獲得諾貝爾物理學獎的真實原因，深入理解CP 破缺機制。

雖然尼古拉·卡比博于1963 年在美國《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發表了題為“幺正對稱性與半輕衰變”的學術論文，解釋了當時各種重子的貝塔衰變率的實驗測量值[4]，然而他在該文中提出的想法并非首創，1960 年美國理論物理學家默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和他的法國合作者莫里斯·利維（Maurice Levy）已經提出了類似的想法[5]。其次，1973 年小林誠和益川敏英研究了電弱統一模型產生CP 破壞的動力學機制，發現只有當把二代夸克模型擴展為三代，才可能實現CP 不守恒[6]。尼古拉·卡比博的論文只是解釋當時實驗觀測數據的唯象學工作，而小林誠和益川敏英論文不僅從場論的角度指出了夸克混合與CP 破缺的動力學原因，而且還預言了三種新夸克的存在，最終都被實驗所證實，這也是2008 年諾貝爾物理學獎未授予尼古拉·卡比博的主要原因[3]。

2.價值塑造和能力培養

在講授和剖析該事件過程中，我們將著重強調原創性在科學研究中的重要性，幫助學生塑造正確的價值觀，逐步培養學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感。

如前所述，小林誠和益川敏英研究不僅給出了夸克混合與CP 破壞的動力學原因，其預言三種新夸克的存在也都得到實驗所證實，這也是在科學研究過程中“實踐是檢驗真理的唯一標準”的直接體現。

三、課程思政元素及課堂教學

（一）課程思政元素

通過梳理本節教學內容，相應的思政元素和映射點體現在：

1.原創精神

尼古拉·卡比博關于“卡比博角”的想法雖然解釋了當時各種重子的貝塔衰變率的實驗測量值，但該想法來自“夸克之父”默里·蓋爾曼和莫里斯·利維。更重要的是，默里·蓋爾曼和莫里斯·利維的論文啟發了名古屋學派的牧二郎（Ziro Maki）、中川昌美（Masami Nakagawa）和坂田昌一（Shoichi Sakata）關于兩代中微子之間發生“味混合”的物理圖像[7]，后者就是著名的MNS 輕子混合矩陣的雛形，為日后布魯諾·龐蒂克沃（Bruno Pontecorvo）等人推導中微子振蕩的概率提供了必不可少的先決條件。因此，默里·蓋爾曼和莫里斯·利維的原創想法對于CP 破缺和中微子震蕩都有著深遠的影響。通過該案例學生能夠逐步理解原創精神在科學工作中的重要性，特別是我國目前存在許多卡脖子的科學技術難題，原創性就顯得尤為重要。2021 年5 月習近平在兩院院士大會、中國科協第十次全國代表大會上指出要加強原創性、引領性科技攻關，堅決打贏關鍵核心技術攻堅戰。

2.探索未知、追求真理

雖然尼古拉·卡比博未獲得諾貝爾物理學獎，但是利用“卡比博角”的想法解釋了當時各種重子的貝塔衰變率的實驗測量值，迄今為止，這一歷史性論文引用已達七千余次(參考INSPIRE 數據庫)，其科研工作的價值是非常重要的，其探索未知和追求真理的科學思維方法是值得學生們去學習的。青年時期是科學創新、探索未知的黃金階段，包括楊振寧、李政道等很多科學家都是在年輕的時候做出了重要成果，青年學生也當盡早樹立探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的信念。

3.文化自信

小林誠和益川敏英在1973 年發表的歷史性論文，不僅沒有引用尼古拉·卡比博的論文，甚至連杰拉德·特·胡夫特（Gerard T Hooft）關于標準模型可重整化的論文都沒有引用。他們選擇了在日本國內的期刊《理論物理學進展》（Progress in Theoretical Physics）上發表，保證了重要科研成果快速優先發表以及搶占話語權。近年來我國也在鼓勵和提倡將重要的科研成果發表在國內期刊上，得到了廣大科研工作者的積極響應，這也體現了科技領域的文化自信。

（二）教學方式

在課程授課過程中，我們將采用如下的教學方式，將這些課程思政元素穿插在授課內容中，

1.問題導入法

在課程講授開始時，我們首先介紹尼古拉·卡比博、小林誠和益川敏英在對稱性破缺領域的工作以及2008 年諾貝爾物理學獎，通過引入問題激發起學生的學習興趣，為下一步課程思政教學做好鋪墊。

2.探究學習法

我們將引用對CP 破壞理論做出重要貢獻的物理學家的原始文獻，并搭配上相關人物圖片，在拓展課程的廣度和深度的同時，增加課程的知識性、人文性和趣味性，引導學生探究和總結2008 年諾貝爾物理學獎未授予尼古拉·卡比博的主要原因，以及深入理解夸克混合與CP 破壞這一知識點。

3.小組學習法和翻轉課堂

課堂上同學們以小組的形式根據教師的授課內容進行學習和總結，引導學生深層次挖掘典型案例現象背后的原因，使學生自行發現課程思政元素，采用翻轉課堂的形式由小組代表進行講述，使專業課程思政教育在求“真”的基礎上，求“善”、向“好”，達到潤物細無聲的效果，從而實現課程思政教學目標。

結語

基于教育部于2020 印發了《高等學校課程思政建設指導綱要》，我們選取了2008 年諾貝爾物理學獎教學案例，來闡述量子物理課程思政建設的內容與方式方法。通過梳理授課內容，我們挖掘的思政元素包括：（1）科學工作中的原創精神；（2）探索未知、追求真理、勇攀科學高峰；（3）文化自信。并將這些課程思政元素融入在授課內容中，進而拓展課程的廣度、深度和溫度，讓學生通過課堂聽課、課下思考深層次挖掘典型案例現象背后的原因，使學生自行發現課程思政元素，達到潤物細無聲的效果，從而實現課程思政教學目標。本文所述課程思政案例分析（如圖2 所示）對于在量子物理教學過程中深入開展課程思政建設具有重要的參考意義，對于進一步發揮好量子物理課程的育人作用，提高高校基礎學科理科人才培養質量具有積極意義。

圖2 課程思政案例示意圖

注釋

①所謂的CP 破壞是指CP 聯合變換的不變性被破壞，CP破壞在理解粒子層次結構及其相互作用性質方面非常重要，而且在解釋世界以正物質（而非反物質）為主這一事實方面也是十分必要的。