課程思政融入量子力學教學的研究與設計

趙普琴 姜洪英

摘? 要：以普通高校課程思政總體要求為研究依據，結合量子力學課程的結構和特色，深度研究和挖掘量子力學課程中蘊含的豐富的思政元素，探索在量子力學課程中開展課程思政教學的具體路徑。以課程承載思政，將思政融于課程，達到激發學生的學習興趣、鍛煉學生的思辨能力、培養學生的愛國情懷和勇于追求真理的科學理性精神的目的。

關鍵詞：量子力學；課程特色；思政元素；教學方法；教育價值

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）10-0193-04

Abstract： Based on the general requirements for research， combined with the structure and characteristics of Quantum Mechanics course， this paper deeply researches and excavates the rich ideological and political elements contained in the course of quantum mechanics， explores the specific path to carry out the course ideological and political teaching in the course of Quantum Mechanics， and uses the course to carry ideological and political teaching. In this paper， ideology and politics is integrated into the curriculum to stimulate students' interest in learning， exercise students' critical thinking ability， cultivate students' patriotic feelings and scientific and rational spirit of courage to pursue truth.

Keywords： Quantum Mechanics; curriculum features; ideological and political elements; teaching method; educational value

2016年12月全國高校思想政治工作會議是課程思政認識的新起點，2020年5月教育部關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知是高校課程思政廣泛實施的開始[1-2]，所以到目前為止課程思政建設依然處于探索和發展階段。課程思政的目標在于立德樹人，培根鑄魂；課程思政的追求是要實現知識傳授、能力培養、智慧啟迪和人格養成的多維統一[3]。因此大學教師有責任響應國家的號召，從自己主講的課程和從事的專業角度出發，在課程思政上“守好一段渠、種好責任田”，使專業課程知識和思政元素深度融合，進行高精準的人才培養。然而， 由于大部分理工科課程專業知識深奧、邏輯思維抽象，與思政似乎相距甚遠。為了使理工科課程的設計既能滿足工程教育認證、“金課”建設等對課程本身提出的多重要求，同時又能鼓勵師生做到習近平總書記政治要強、情懷要深、思維要新、視野要廣、自律要嚴、人格要正的“六要”囑托，堅持“六要”標準。那么教師就必須深度研究課程教學內容，從課程發展的歷史意義、技術發展、社會價值等角度挖掘和提煉有效的課程思政元素，重新修訂教學大綱和教學設計，讓思政理念走進課堂，走入學生心田，春風化雨、潤物無聲地引領學生形成正確的世界觀、人生觀、價值觀。

量子力學的誕生，使人類的世界觀受到前所未有的改變。量子力學的研究對象是微觀粒子及其運動規律，是近代理論物理的臺柱之一。量子力學誕生一百多年來，隨著激光、半導體、核能等先進技術的發展，將人類社會引進了繁榮的信息時代。眾所周知，在量子信息領域涌現出諸多新奇的概念、現象、思想；而且在整個量子力學發展的過程中和量子理論體系建立的過程中，毫無疑問蘊含著非常多的值得借鑒的科學精神、科學思想、科學方法，這對于培養未來的科技工作者有著非常重要的指導意義。本文主要結合工科量子力學課程的教學內容，通過精心提煉課程思政元素，并巧妙融入課程教學設計當中，使學生在理解和掌握專業知識和技能的同時，逐漸養成求真務實、敢于創新、勇于奮斗的科學素養和科學精神；同時也激發學生的家國情懷和雄心斗志，從而實現立德育人的目標。

一? 課程思政融入量子力學教學的物理基礎

當下有句流行語，“遇事不決，量子力學”。說明量子力學本身充滿著特殊的魅力，猶如蒙著面紗的琵琶女，令人好奇，使人著迷。下面主要從三個方面討論一下量子力學課程具有的思政育人根源。

（一）? 奇妙的量子世界

眾所周知，在經典世界中，粒子在空間中有準確的位置和確定的運動軌跡，而在量子世界中粒子卻是以某種概率分布在整個空間，當粒子有幾條可能的途徑從某處傳到另一處時，它會同時經由這些途徑傳輸，不具有確定的軌跡。如果一個粒子有幾種可能的狀態，則經典粒子只能處于其中的一種狀態，而量子粒子則處于這些可能狀態疊加的狀態上，這就是所謂的量子態疊加原理。量子粒子的這些奇異特性來源于它的波粒二象性，其行為不遵從經典物理規律。量子力學中描述粒子狀態的量不是可觀測的物理量，而是幾率幅，這就導致量子世界的本質是概率性的。習慣于確定性經典世界的人很難接受概率性量子世界所發生的一切。愛因斯坦曾經發出的著名感嘆“上帝不會擲骰子”代表著眾多地球人的共同疑惑。但是量子力學的發展導致了核能、激光、晶體管等先進技術的誕生，鑄造了人類現代文明的基石。量子世界也不斷涌現出很多新奇的現象，比如愛因斯坦提出的EPR效應，原本是用來挑戰量子力學的完備性而提出的“思辨性”實驗，結果反而進一步揭示了量子世界的非局域性本質，證明了量子糾纏態的存在。科學家們正努力試圖運用量子世界種種奇異性質開拓出適用于經典世界的新技術，比如量子世界中令人煩惱的概率性，一旦開發成技術，其性能是經典世界的確定性的技術所無法比擬的。比如，量子密碼技術具有不可竊聽、不可破譯的絕對安全性；量子計算機具有極其強大的運算能力，可以解決電子計算機難以處理的問題；量子度量學可提供全新原理和方法以提高測量精度，迫近量子力學的海森堡極限，在導航、衛星定位、精密測量等方面將獲得應用[4-5]。不過迄今為止人們所感受到的量子技術只是冰山一角，人類只應用到量子世界的部分基本知識，更深層次的量子特性還尚未可知。量子世界的奧秘有待人類一代又一代的挖掘下去，所以量子世界的奇妙性為后來的學者提供了探索創新的無限動力和源泉。

（二）? 卓越的科學人物

量子力學的創立是一段充滿傳奇英雄和故事的令人心潮澎湃的歷史，其中每個人物都值得后人去頌揚，每個艱難的突破都值得細細回味。量子力學是20世紀初由普朗克和玻爾等一大批物理學家共同創立的智慧結晶。下面簡單回憶一下這些偉人的豐功偉績，從中可以獲得無限能量。

普朗克在物理學上最主要的貢獻是在1900年提出著名的普朗克輻射公式，創立“能量子”概念，并引入普朗克常數，標志著物理學從“經典幼蟲”變成“現代蝴蝶”。“能量子”的大膽假設源于他長久的刻苦工作和深入思考后的靈感。家喻戶曉的愛因斯坦為人類作出了很多貢獻，他勤奮好學，聰明睿智，不拘禁忌，革故鼎新。1905年愛因斯坦通過借用普朗克的“能量子”概念，引進“光量子”概念，完美地詮釋了光電效應，為量子論提供了確鑿的證據。愛因斯坦與玻爾關于量子力學長久的爭論也引起更多人對量子力學的關注，玻爾在科學探索的道路上喜歡批判性思維，鼓勵辯論的學術風格，他是量子力學的擺渡人，作為哥本哈根學派的代表人物，玻爾于1913年在盧瑟福有核模型的基礎上建立起原子的量子理論，并提出了定態的概念，成功地解釋了氫原子的光譜問題和原子的穩定性問題。法國貴族出身，卻沒有紈绔子弟習氣的德布羅意一生勤奮好學，為人謙和。在人們認識到光具有波粒二象性后，德布羅意于1923年提出微觀粒子具有“物質波”的假說，這一假說不久就為戴維森-革末的電子衍射實驗（1927—1928年）所證實，德布羅意的理論無疑是大膽的創新，轟動了當時整個學術界。作為哥本哈根學派的另一位代表性人物海森堡提出了深具影響力的 “測不準原理”，它是對經典的決定論思想的一次重大挑戰，它暗示著科學度量的能力在理論上存在某些局限性。他認為只有在實驗室可觀察的物理量才有意義，而測量這個操作是經典物體和量子物體之間的相互作用，不可避免地影響了被測量粒子的運動狀態，因此產生了不確定性。由于運動軌道無法觀測，于是他專注于電子躍遷，從光離散的輻射頻率和強度的概念出發，創立了矩陣力學。1926年薛定諤基于量子性是微觀體系波動性的反應的認識，找到了微觀體系的運動方程，從而建立起與矩陣力學等價的波動力學。薛定諤因為薛定諤方程和“薛定諤的貓”而聞名天下，他說過很多名言，其中一句是：“創造力最重要的不是發現前人未見的，而是在人人所見到的現象中想到前人所沒有想到的。”他是個典型的書齋里的學者，擁有廣博的知識和驚人的創造力，而且他始終保持著自己的國籍，保持著對祖國的一片濃濃的真情，被稱為“奧地利的驕傲”。

從初等量子力學到相對論量子力學，從高等量子力學到量子電動力學，以及發展到描述各種基本微觀粒子的量子化理論——量子場論[6-7]，量子力學的整個發展過程不是一帆風順的，它有過很多挫折；也不是靜態的，它是一個動態的不斷發展的研究領域；因此深刻地了解每位科學家的故事，學習他們敢于突破傳統觀念的束縛和勇于開拓創新的科學精神，對當代青年學者具有重要的激勵意義。

（三）? 豐富的物理屬性

縱觀整個量子理論體系講述的都是微觀物質世界運動變化的基本道理。然而量子力學也是最不容易講清楚道理的道理，因為量子力學的描述需要有足夠的數理基礎，然而最難理解的還不是它的數學外衣，盡管數學計算也相當復雜，最重要的是理解它的靈魂：物理動機、物理觀念、物理思想、物理圖像、物理本質、物理邏輯、物理分析、物理結論和物理意義等。量子力學中蘊含著諸多的物理屬性，比如除了常說的波粒二象性、不確定性、全同性，還有豐富多彩的其他性質，比如，完備性、可觀測、內稟非線性、相干疊加性、糾纏性和邏輯自洽性等等，這些物理屬性交織衍生，演繹變幻，鑄成量子力學獨特的理論韻味[8]。量子力學的發展也極大地改變了人們對物質結構及其相互作用的認識，并且已經深入到應用物理學許多分支，也廣泛地應用到化學、生物學、材料科學和信息科學等領域。所以在教學過程中，結合量子力學的物理屬性、物理思想、物理邏輯及量子力學的發展過程，通過在每章節里巧妙地設計一些專題性問題的探討，撇開繁瑣的數學推導，著重談談量子力學中的“道”，比如怎樣通過實驗現象看到物理本質，怎樣由宏觀世界過渡到微觀領域，怎樣理解微觀粒子的波粒二象性及不確定關系等；以便為初學量子力學的學生，以及對量子力學有興趣的學生提供一點思考馳騁的空間，除了傳授基礎知識，也鍛煉大家的思辨能力、加深認識、提高見識、活躍思維、增加學習興趣和培養堅定的科學信念[9]。

二? 課程思政融入量子力學教學的具體路徑

明確課程的思政資源后，可以充分發揮課堂教學的作用，將這些思政資源納入教學大綱、教學講義、授課課件中，借助于多媒體、翻轉課堂、微課等現代教學手段和教學方式，融入專業課程的教學過程中，切實做到教學目標與教學內容一致。這樣才能將思政元素恰到好處地融入量子力學教學課堂中，潛移默化地引導學生，讓學生自然而然地從內心接受課程思政的熏陶和教育，下面是課題組在課堂教學中擬采用的具體方案。

（一）? 課程思政明確于教學大綱中

教學大綱是指每門學科的教學要求，通常是根據學科教學計劃，明確規定一門課程的教學內容，其中包括這門課程的教學目的、任務、教學內容的范圍、深度和結構、教學進度及教學法上的基本要求等。但舊版教學大綱很少涉及世界觀和人生價值觀等思政方面內容的明確要求。為了加強專業課程的思政教育，課題組在深入討論并領悟課程思政內涵的基礎上，將課程思政理念引入整個量子力學的教學過程當中，形成符合時代要求的新版教學大綱，其形式見表1。

（二）? 課程思政實踐于教學設計中

基于新的教學大綱，本課題組精心設計了教學內容，深度挖掘量子力學課程中的思政元素，將其恰當地融入到教學全過程，力爭實現課程思政的目標。具體融入點見表2。

（三）? 課程思政體現于教學考核中

教學效果評價是課程思政教育實施過程中的一個重要檢驗環節，而成績評定方式在很大程度上會引導學生的學習行為和態度[10]。本課程擬采用多維評價方式，挖掘具有不同優勢的學生，除了常規的期中期末考試，更多的是要進行過程性評價，比如進行隨堂測試、課件制作比賽、優秀作業展評、挑戰性練習及創新性活動的參與等，使多維度教學效果評價貫穿于整個教學過程中，激發學生的學習興趣，取長補短，優勢互補，并依據學生反饋信息及時調整教學活動和教學方法，真正做到教學相長。詳細規則見表3。

三? 結束語

總之，量子力學的發展向人們提供了一種新的關于自然界的思考方法和表述形式，而課程思政是新時代全新的育人方式，所以在量子力學教學過程中，沖破傳統教學的藩籬，結合課程本身的特點精心設計適應新時代大學生的思政內容正式進行社會主義核心價值觀教育，幫助學生樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀。按照學生的培養計劃和目標不斷探索和調整人才培養新途徑，使得課程思政理念真正落實到課程教學的全過程。通過合理設計課堂內容，使其能敏銳地捕捉和反映當下社會發展的新要求。一方面給學生講授了專業知識；另一方面也培養了學生科學探索、科學研究的理性思維和優良的科學素養，從而使學生學會思考、選擇，擁有信念、自由、責任；真正達到全程育人、全方位育人的教育目的。

參考文獻：

[1] 把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創我國高等教育事業發展新層面[N].人民日報，2016-12-9（01）.

[2] 教育部關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200

603_462437.html.

[3] 龔一鳴.課程思政的知與行[J].中國大學教學，2021（5）：77-84.

[4] 郭光燦.來自量子世界的新技術[J].科學中國人，2011（12）：46-49.

[5] 郭光燦.量子十問之五 量子密碼就是量子通信嗎？[J].物理，2019，48（2）：110-112.

[6] 曹天元.上帝擲骰子嗎？量子物理史話[M].北京：北京聯合出版有限公司，2019.

[7] 曾謹言.量子力學：卷1[M].3版.北京：科學出版社，2001.

[8] 張永德.量子菜根譚[M].北京：清華大學出版社，2016.

[9] 張盈.量子力學思辨式教學初探[J].物理與工程，2022，32（4）：24-29.

[10] 陳保亞，余德江.知其師則知其學：多維成績評定方式的迫切性與必要性[J].中國大學教學，2022（Z1）：9-14.