基于核心素養的量子計算校本課程的開發與實施

收稿日期：2023-10-08

基金項目：華南師范大學附屬中學立項課題“基于量子計算主題的高中量子論科普課程開發研究”（23A003）。

作者簡介：胡金平（1992-），男，中學一級教師，主要從事高中物理教學工作。

摘" "要：量子論知識是高中物理課程的重要組成部分，學習量子論知識的實際應用有助于學生理解量子論知識和概念，構建較為系統的量子論知識框架。基于物理核心素養與“量子計算”校本課程，探討了高中“量子計算”課程開發的背景、目標設置、內容編排、實施與評價、實踐反思等問題。

關鍵詞：量子計算；校本課程；高中；開發；實施

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）4-0077-6

量子論是近代物理的重要組成部分，其理論和實驗結果顛覆了經典物理的一些觀念。通過學習量子論，學生可以更深入地理解物質的本質、微觀粒子的運動規律以及能量的傳遞和轉化等基本物理概念，形成更為完整和深入的物理觀念。量子論中蘊含的科學思維方法對于培養學生的科學思維和探究能力具有重要意義。例如，量子論中的波粒二象性、量子態疊加、量子糾纏等概念可以引導學生思考經典物理與量子物理的差異和聯系，從而進一步拓展他們的科學視野和思維方式。將量子計算引入到高中物理教學，學生在實踐中體驗量子現象，可以提高他們的實驗探究能力。例如，學生親自操作量子計算教學機，觀察和分析實驗結果，可以加深其對量子論的理解。學習量子論也有助于培養學生的科學態度與責任。例如，通過學習量子論的發展歷程，學生能夠體會到科學家的探索精神，可以更好地理解科學的本質和價值，從而增強對科學的興趣和熱愛。同時，也有助于培養他們的創新意識和實踐能力。

１" " 課程開發背景

作為近代物理兩大支柱之一，量子論及相關技術在信息科學、天文、軍事等領域具有廣泛應用。其中，中國科技大學潘建偉教授團隊在量子計算領域走到了世界前沿。２０２１年發布的《中國國民經濟和社會發展“十四五”規劃》指出，要加強量子信息等原創性、引領性科技攻關，前瞻謀劃量子信息等未來產業。

１．１" " 高中階段量子論知識的重要性

《普通高中物理課程標準（２０１７年版）》（以下簡稱“新課標”）將量子論的相關知識作為高中生學習內容之一［１］。粵教版高中物理教材把量子論知識分為兩部分：一部分為必修內容，簡單介紹能量子假說、光電效應、波粒二象性、原子結構的玻爾理論等量子論知識；另一部分為選修內容，在必修內容的基礎上，深入了解光電效應、物質波、不確定性原理、原子結構以及原子核的衰變與聚變等量子論知識。新課標要求學生“初步了解微觀世界的量子化特征，體會量子論的建立對人們認識物質世界的影響”“了解量子概念的建構對人類認識自然的影響”，能夠運用量子論知識解釋物理現象［１］。例如，在選修三的“活動建議”中，要求學生去了解“量子糾纏”“量子計算機”的相關知識。

１．２" " 學生學習量子論面臨的困難

相對于經典物理學，量子論是一個全新的領域，它對學生的數學能力、抽象思維能力、邏輯推理能力提出更高要求。一方面，大部分高中生尚不具備深入學習量子論的知識基礎和相關能力，尤其是數學能力，高中數學工具難以滿足學生學習量子論知識的要求。另一方面，量子論相關內容抽象難懂，量子現象有時嚴重偏離生活經驗，雖然可以通過觀察實驗來理解量子現象，但很多學校缺乏相應的實驗條件。因此，學生需要借助思想實驗或邏輯推理來理解量子論的觀點。

１．３" nbsp; 教師傳授量子論知識的現狀

在高中階段，牛頓力學為主的經典物理是高考考查的重點，量子論課程處于次要地位。因此，教師和學生對量子論知識重視程度不夠，學生對量子論知識接觸不多。教師對教科書中出現的量子論知識比較熟悉，而對量子技術的應用接觸較少，如量子計算、量子通信等。因此，教師在教授量子論知識時，往往只按教科書上的內容教授，即只是簡單介紹量子論發展史及量子理論的基礎知識，沒有進行適當拓展，不利于學生建立系統的量子論知識框架。此外，教科書對量子論相關技術的介紹比較少（僅在“資料活頁”中向學生介紹量子技術的應用），相應科普性的教輔資料匱乏，不利于學生了解量子科學全貌，也不利于學生形成完備的知識框架。這些因素導致學生不僅沒有學好量子論的相關知識，反而失去對這部分內容的原有興趣。因此，在高中階段，為學有余力的學生系統地開設量子論課程是必要的。

２" " 課程內容開發研究

物理學科核心素養是指學生在學習物理過程中應具備的關鍵能力和品質。量子計算校本課程內容應注重培養學生的物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等方面的素養和能力。通過多樣化的課程內容設置，讓學生更好地理解量子計算的原理和應用，也可以提高學生的科學素養和探究能力。

２．１" " 量子計算機架構

量子計算是利用量子力學的原理和量子態的特性，使信息處理能力得到提升的一種計算方法。量子計算利用量子態的狀態進行信息的編碼、處理和讀取等操作，量子計算機則是完成量子計算任務的機器。與經典計算機相比，量子計算機除了經典的邏輯運算（與、非等）操作外，還能進行量子態疊加的操作。所以，量子計算機在原則上至少和經典計算機的運算能力一樣強大［２］。量子計算機強大的運算能力帶來的巨大應用前景，推動著科學家通過研究量子算法去解決實際問題。比如，Ｂｅｌｌ實驗室的Ｌｏｖ Ｇｒｏｖｅｒ提出運用量子計算機解決隨機搜索問題［３］。接著，科學家又提出了量子函數擬合、解線性方程組、量子主成分分析等量子算法［４-６］。目前，量子計算機正處于快速發展階段。從１９８５年牛津大學Ｄａｖｉｄ Ｄｅｕｔｓｃｈ提出第一臺通用量子計算機的概念，到２０２１年騰訊量子實驗室提出超導量子計算機架構，如圖１所示［７-８］。量子比特是量子計算機的基本構成單元，量子邏輯門是控制量子比特的基本控制模式。為了實現量子計算，人們嘗試利用光子、電子作為量子比特，運用超導、量子點、離子阱等技術控制量子比特，構造量子邏輯門，從而達到控制量子電路的目的［９］。

２．２" " 課程內容架構研究

在高中階段引入的量子計算課程，既要與教科書內容銜接，又要適當拓展。因此，課程的內容包括：原子結構發現歷史、玻爾原子結構與薛定諤原子結構（電子云取代玻爾原子結構中的電子軌道）、晶體的能級結構、激光的產生與吸收、光電效應、量子力學發展歷史、量子態的操控、量子邏輯門和線性代數等知識。

課程詳細地介紹人們對原子的認識過程，幫助學生認識并理解原子結構，引導學生體會量子論知識對人們物質觀的影響；介紹原子能級結構并根據原子結構模型計算氫原子能級，加深學生對氫原子結構的理解；通過量子計算教學機在實驗上操控金剛石量子態，促進學生深入了解原子核外電子的排列方式，進一步理解原子結構與原子能級。相對于高中常規課程，量子計算課程能有效幫助學生深入理解原子構成與能級結構，構建物理概念，提升核心素養。

需要指出的是，課程對學生的數學能力要求較高。利用線性代數表示不同的量子態并計算不同量子態之間的轉換，讓學生體會數學工具對物理學習的幫助。學生分組操作量子計算教學機，能夠親身體驗量子態轉變的操控。借助數學工具與分組實驗，教師引導學生從理論視野與實驗操作兩個維度體會量子態的操控，有利于學生理解量子論知識以及量子邏輯門的基本原理。基于量子計算云平臺，運用量子邏輯門搭建不同功能的量子計算線路，引導學生在仿真模擬的過程中深入體會量子計算機與經典計算機在運算能力上的區別。因此，量子計算課程有利于培養學生的邏輯推理能力與科學思維，也能激發學生學習量子論的興趣。

課程內容分為三部分：第一部分為基礎課程，從光的干涉現象開始，到光電效應、電子躍遷，進而介紹量子力學的起源。第二部分為進階課程，引入線性代數，運用線性代數表述量子力學，運用量子論知識解釋量子計算教學機的原理，并實際操作量子計算教學機。第三部分為實際應用，利用量子計算教學機實現Ｄ－Ｊ算法，對比量子算法與經典算法的區別，在量子計算云平臺上模擬多比特量子計算過程，組織學生分組討論。然后，運用量子算法實現四則運算，進一步加強學生對量子論知識的理解。課程內容具體編排如圖２所示。

基礎課程是課程內容的基礎，是學生深入學習量子論知識的基礎，也是對教材內容的補充。通過內容的拓展，幫助學生形成較為系統的量子論知識框架。進階課程分為理論學習與實驗操作，教師引導學生體會理論知識對實踐的指導作用。實際應用課程的主旨是讓學生運用所學知識解決實際問題，從而提高其解決實際問題的能力。由圖２可知，量子計算校本課程內容最大的特色是從實驗和理論兩個維度來介紹量子計算，尤其是基于量子計算教學機的實驗操作與量子計算云平臺的量子計算仿真模擬。量子計算校本課程能夠幫助學生降低認知負荷，構建系統的量子論知識框架，讓學生在實驗操作中提升動手能力與邏輯推理能力。

３" " 課程模式的研究

高中量子計算教學需注重理論與實踐相結合，采用多種教學方法和手段提高學生的興趣和積極性。教師要幫助學生深入理解和應用量子計算的相關知識，培養學生的思維能力、創新能力和團隊協作能力。

３．１" " 課程開發目標

與經典物理相比，量子論是一個正在發展的領域，還有很多理論需要進一步完善。加上高中量子論內容課時不夠，學生在學習量子論知識時，無法形成系統的知識框架。因此，高中階段的量子論知識不夠系統。以課程形式拓展教學內容，將課本上碎片化的理論和關鍵人物系統地聯系起來，能幫助學生形成正確的物理觀念，還能培養學生改變經典物理的思維方式。教師引導學生學習使用量子論觀點來思考、研究問題，課程引入量子技術的應用有助于學生形成物理觀念和正確的科學態度與責任。基于量子創新實驗室，量子計算校本課程設置量子計算實驗，讓學生觀察新奇的量子現象，激發好奇心，引導學生自主探索量子論知識，提高他們的學習興趣，為更好地完成物理學習作準備。

量子計算校本課程具有實踐性和探究性的特點，它以課內知識為基礎，量子計算實驗與仿真模擬為拓展；以具體的物理知識為載體，構建物理概念，搭建系統的物理知識框架。量子計算校本課程開發的目標：（１）通過補充教材中量子論所缺少的部分內容，幫助學生深入理解物理教材中的部分核心概念。教師通過讓學生經歷科學思維和科學探究活動，引導學生改變經典物理的思維方式，學習使用量子論觀點來思考、研究問題；引導學生感受微觀物理的魅力，促進學生深入理解量子論知識，了解量子技術在生活中的應用以及應用前景；引導學生了解國家量子技術發展程度，培養學生學習物理的興趣，激發學生為國成才的責任。（２）探索在高中階段引入先進科學技術話題的教育方法和規律，為教師提供一個探討和實踐新型科普教育方法的平臺。（３）開發量子計算校本課程，并開展量子計算校本課程的教學實踐，總結校本課程開發經驗。

３．２" " 課程開發的模式與程序

國際上較為成熟的課程開發模式有泰勒的目標模式、斯滕豪格的過程模式、施瓦步的實踐模式以及斯基爾貝克的情境模式。隨著校本課程在國內的發展，國內常見的課程開發模式為條件主導模式、需求主導模式和目標主導模式。立足我校辦學宗旨、教師發展與學生求知需求，本課程選擇英國教育學家斯基爾貝克提出的情境模式進行課程開發。該模式指出，課程開發由五個具體階段構成，分別是分析情境、確定目標、設計方案、解釋與實施、檢查—評價—反饋—重建。

結合物理核心素養與情境模式，量子計算校本課程的開發流程如圖３所示。

４" " 課程開發的可行性研究

量子計算作為物理學的一個重要分支，其理論體系和計算方法能夠幫助學生深化對物理世界的理解，提高他們的科學素養和思維能力。然而，量子計算的學習對于高中生來說具有一定的難度和挑戰性。因此，學校、學生與教師都應具備一定的基礎，以確保教學的有效性和可行性。

４．１" " 學校資源

為了讓學生更好地學習物理，學校建設有完備的常規物理實驗室。在實驗室，可以分組的實驗有驗證牛頓第二定律、驗證機械能守恒、用單擺測量重力加速度、測量電源電動勢和內阻等；可以觀察的實驗有借助顯微鏡觀察微粒的布朗運動、小球反沖實驗、觀察原子光譜等。雖然這些經典實驗可以幫助學生很好地理解相應的物理概念，但其采用的技術較為落后，與最新的科技差距較大。為了讓學生能夠接觸到最新的科學技術，滿足其個性化發展的需要，學校根據不同學科特點先后建設了一批先進實驗室，如新能源實驗室、量子計算實驗室等。其中，物理學科的創新實驗室是量子計算實驗室，主題是量子計算。量子計算實驗室包含兩臺量子計算教學機、兩臺臺式電腦、兩臺光電效應演示儀、兩臺光的干涉演示儀。通過分組實驗操作量子計算教學機，學生可以親身體驗量子技術的實際應用，體會量子計算的強大運算能力。通過量子計算校本課程的開發與實施，開闊學生視野，培養學生科學思維，提高教師對量子論知識的掌握程度。

學校在“自華教育”育人理念指導下，經過多年的探索與積累，已開設了１７０余門校本選修課程。這些選修課程中，既有教授開設的天體物理課程、校友開設的經濟學課程，也有校內教師開設的茶藝等課程。為促進優秀人才快速成長，學校還為一批學科基礎扎實的學生開設大學課程先修實驗班，提前開設如微積分、大學英語、微觀經濟學等課程。學校作為新課改示范校，積極推行思維型課堂，合作學習氛圍逐漸濃厚。學校圖書館藏書豐富，每天向學生開放，學生可以自主查詢相關資料解決問題。為滿足校本課程的需要，學校還引入一批博士到校任教，使學生能夠接觸到學科前沿。

４．２" " 學生需求

高中生具有強烈的求知欲，通過經典物理的學習，學生形成追根溯源的科學精神。但是，現階段量子物理仍處于發展階段，部分量子現象還無法解釋，導致學生在學習過程中存在思維障礙，教科書中的量子論教學資源遠遠不能滿足學生的內容需求和實踐需求。

４．３" " 教師能力

筆者作為學校近年來引入的具有“量子計算”背景的理學博士，具有開設這一課程的理論基礎。在高中階段適當引入高層次的量子課程的探索，不僅是普及量子論知識，也是適應時代發展的需要。

５" " 課程的實施與評價

普通高中課程方案指出，課程內容的確定要符合思想性、時代性、基礎性、選擇性以及關聯性［１０］。目前，量子計算校本課程僅限高二物理類學生申報。此階段的學生開始接觸量子論的概念，迫切希望深入理解量子論的相關知識，具有較高的求知欲。校本課程實踐時間為一學年，每周開設一次，每次課為２課時，共８０分鐘，一學年共４０課時。

５．１" " 課程授課模式

量子計算校本課程的教學對象為高中二年級學生，課程計４個學分。高二學生經過一年的高中學習后，已經完成了對力學知識的學習，開始對波的知識的學習，并且已經知道兩列波相遇時可以發生干涉現象。在此基礎上，教師可以利用干涉演示儀與光電效應演示儀向學生展示光的波粒二象性。雖然量子計算校本課程是從學生現有經驗出發，但所接觸的都是新知識，授課方式需要充分調動學生的主觀能動性。因此，該課程主要采用合作學習的模式，這一模式有助于師生之間的交流溝通，有利于學生在團隊中交流成長。由于校本課程的特殊性，課程內容分為三個類型：理論學習、量子計算教學機實踐操作和量子計算仿真模擬。為了讓學生更加充分地參與課堂教學活動，根據不同階段課程的特點，設計了三種不同的教學基本程序，如圖４所示。

５．２" " 課程評價

高中物理學習評價是以學生發展為本，采用主體多元、方法多樣的評價方式，客觀全面地了解學生物理學科核心素養發展狀況，找出存在的問題，明確發展方向，及時有效地反饋評價結果，促進學生全面而有個性的發展。當然，基于物理學科核心素養的評價，也有利于改進教師教學［１］。與之相類似，校本課程評價也應是多元的，應包含對學生的學習評價和對課程的自身評價。量子計算校本課程在國內處于起步階段，做好課程評價有利于挑選合適的課程內容，優化教學模式，收集課程實施效果，反饋學生學習情況，為開設先進技術話題的校本課程積累經驗。

該校本課程的評價是以過程性評價為主、以定性評價和定量評價為補充的綜合評價方式，由課堂表現與實驗操作兩部分組成。課堂表現評價能體現學生在分組討論交流中的表現，主要包含聽課、發言及協調小組成員團結合作，由教師給予定性評價；實驗操作評價由教師根據學生量子計算教學機操作完成情況、量子仿真模擬完成情況給予定量評價。

為了解課程實施的效果，教師在基礎課程、進階課程與實際應用三部分內容講授結束時，與參與課程的學生進行了交流訪談。結果顯示，基礎課程介紹的原子模型發展歷史與量子物理發展歷史，能夠有效幫助學生理解課本知識，尤其是原子結構。但是，少部分學生認為基礎課程安排課時較少，對部分理論知識理解不到位，希望能夠增加課時。進階課程引入的線性代數與量子計算教學機的實際操作，能有效提升學生的數學能力與動手能力。實際應用課程使學生體驗到量子計算強大的運算能力，能有效提升學生運用物理知識解決實際問題的能力。通過訪談，學生一致認為，分組合作的學習形式能有效提高組內成員的交流合作能力，尤其是在實驗操作與仿真模擬方面，每個學生都能夠參與到量子計算教學機的操作中，并仿真模擬量子計算。總的來說，學生對量子計算校本課程的內容設置與教學模式表示認可，認為自己在自主學習、交流溝通、物理核心知識的理解等方面得到顯著提升。

６" " 課程反思與總結

要把學校實際情況、教師發展需求與學生求知需求作為準繩，指導校本課程的開發與實施。校本課程立足于學校硬件設施與育人理念，根據學生需求和教師發展設定課程目標，以培養學生物理核心素養為主旨，著重提升學生的科學素養與科學視野。校本課程以合作學習為主的教學模式，讓學生更加積極主動地參與教學活動，有利于學生高效地學習，精準地把握學習進度，形成求真致知、自主高效的課堂，讓學生學會運用物理知識解決實際問題。校本課程開發是一個長期反復的過程，內容選擇也比較靈活，課程內容與教學模式要隨著學生的改變進行適當調整，要遵循開發—實施—評價—反思—再開發的開發模式。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部． 普通高中物理課程標準（２０１７年版）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０18．

［２］高榮偉．中國量子計算機——“悟空”問世［Ｊ］．初中生必讀，２０２３（6）：４３－４５．

［３］Ｇｒｏｖｅｒ Ｌ Ｋ． Ａ ｆａｓｔ ｑｕａｎｔｕｍ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｄａｔａｂａｓｅ ｓｅａｒｃｈ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｅｎｔｙ－ｅｉｇｈｔｈ ａｎｎｕａｌ ＡＣＭ ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ.New York：IEEE，１９９６：２１２－２１９．

［４］Ｗｉｅｂｅ Ｎ，Ｂｒａｕｎ Ｄ，Ｌｌｏｙｄ Ｓ．Ｑｕａｎｔｕｍ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｄａｔａ ｆｉｔｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａｌ Rｅｖｉｅｗ Lｅｔｔｅｒｓ，２０１２，１０９（５）：０５０５０５．

［５］Ｈａｒｒｏｗ Ａ Ｗ，Ｈａｓｓｉｄｉｍ Ａ，Ｌｌｏｙｄ Ｓ． Ｑｕａｎｔｕｍ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ［Ｊ］． Ｐｈｙｓｉｃａｌ Rｅｖｉｅｗ Lｅｔｔｅｒｓ， ２００９，１０３（１５）：１５０５０２．

［６］Ｌｌｏｙｄ Ｓ，Ｍｏｈｓｅｎｉ Ｍ，Ｒｅｂｅｎｔｒｏｓｔ Ｐ． Ｑｕａｎｔｕｍ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２０１４，１０（９）：６３１－６３３．

［７］Ｚｈａｎｇ M Y，Ｘｉｅ Ｌ，Ｚｈａｎｇ Ｚ X，ｅｔ ａｌ． Ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｅｖｅｌｓ ｏｆ ｐａｒａｌｌｅｌｉｓｍ ｉｎ ｔｈｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｉｃｒｏａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｑｕｂｉｔｓ［Ｃ］. Chicago：５４ｔｈ Ａｎｎｕａｌ ＩＥＥＥ／ＡＣＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｍｉｃｒｏａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，２０２１：８９８－９１１．

［８］Ｐｅｒｅｓ Ａ． Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ａｎｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ［Ｊ］． Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｒｅｖｉｅｗ Ａ，１９８５，３２（６）：３２６６－３２７６．

［９］謝磊，翟季冬．量子計算系統軟件研究綜述［Ｊ］．軟件學報，２０２4，35（1）：１－1８．

［１０］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程方案［Ｓ］． 北京：人民教育出版社，２００３．

（欄目編輯" " 賈偉堯）