基礎教育如何迎接“第二次量子革命”

從量子通信的加密安全到量子計算的超強算力，隨著量子科技領域取得一系列重大突破，量子理論所蘊含的概率性、疊加性和糾纏性等特征，正在重塑人類的認知范式。近年來，量子科學教育逐漸受到國際關注，國內多所中學也開展了相關的先行探索：江蘇省錫山高級中學、浙江省東陽中學等學校，通過開發校本課程及建設實驗室等方式試點量子相關教學內容。同時，量子科學領域的專家學者通過科普講座等形式，助力青少年提升科學素養。在量子力學誕生百年之際，基礎教育有必要給對該領域懷有志趣的學子提供適恰的支持。

概念澄清與教育價值追問

《教育家》：您認為量子力學和經典力學中體現的思維方式有什么區別？在“第二次量子革命”的背景下，將量子相關內容引入中小學的價值何在？

黃國翔：量子力學發展歷經百年，從普朗克、愛因斯坦，到海森堡、薛定諤，科學家們逐步建立起研究微觀物質粒子的量子力學理論體系。基于量子理論，人類發明了激光、晶體管、計算機和互聯網，推動社會進入信息時代，這一過程被稱為“第一次量子革命”。20世紀后期，人們對微觀粒子的理解進一步深化，通過實驗否定了愛因斯坦等人的定域實在論，量子計算和量子通信等技術應運而生，引發了“第二次量子革命”。

量子力學揭示了微觀粒子的量子隨機性和不連續性，其反映的思維方式主要體現為不確定性、非連續性、整體性等典型特征，可簡稱為“概率性思維”，這與經典力學體現的確定性、連續性、定域性的“決定論思維”有很大差別。不過，二者并非相互排斥，后者是前者的一種極限表現形式。

我認為應盡早在中小學補充量子相關教學內容，有利于培養量子領域所需人才，在全球的科技競爭中搶占先機。此外，基于量子力學的概念和原理而得出的一些結論，也有利于人們突破幾千年以來形成的自然觀、哲學觀。如果在中小學只講授經典物理學理論，很多學生難免習慣運用經典思維理解量子力學，進入大學后一時難以接受和理解量子力學背后的思維方式。因此，有必要將量子力學相關內容適當引入中小學，及早告訴他們經典力學的局限性。

量子技術的發展會揭開量子世界的深層奧秘，給人類社會帶來巨大變化。當前，美國、日本等國家十分重視量子科技發展，力爭在新一輪科技競爭中搶占先機。我國也充分認識到推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加大了相關

袁嵐峰：科學進步源于實驗，而非思維差異。量子力學超越經典力學的原因在于它能解釋新實驗現象，而非思維方式不同。過于強調思維方式，實際上是在忽視科學的實證基礎。量子力學的發展過程給我們帶來很多重大啟發，其中最重要的可能是：任何看似堅不可摧的理論都可能被顛覆，科學永遠存在創新空間。正如費曼所言，對理論保持謙卑本身就是一種進步。

“第一次量子革命”以量子力學理論的建立為標志，推動了核能、核磁共振等現代技術的誕生，這一階段的研究對象主要是已有的量子體系，對單個粒子的認識尚不充分。到了20世紀80年代，人們開始設計一些單粒子量子體系來實現特定目標，在密碼學、超強計算能力、超高測量精度方面取得突破，掀起了“第二次量子革命”。2022年諾貝爾物理學獎頒給了三位量子信息科學的奠基人，我國近年來也在該領域取得了許多重要成果，如“墨子號”衛星、京滬干線、“九章”量子計算機等。讓現在的中小學生認識“第二次量子革命”，并對量子領域有一些科普級別的了解，是很有價值的。

事實上，中學物理教材已涉及一些量子力學的基礎內容。如講到原子結構時需對比經典力學的局限性，引入量子力學才能合理解釋，還會提到不確定原理、電子云等概念。不過在實際教學中，許多教師很少展開講這些量子知識。

高鵬：我認為應強調的是量子力學發展背后所體現的敢于突破常規的創造性思維，而不是局限于量子力學中的“疊加態”或“糾纏態”等具體概念。普朗克打破“能量連續”的傳統認知，提出“量子化”概念;愛因斯坦顛覆絕對時空觀，創立相對論。這些突破都源于對固有框架的挑戰，體現了科學家們敢于質疑、創新的價值。

學物理重要的不是記公式、算題，而是構建關于世界運行的物理圖像。比如法拉第用電場線形象描繪了電磁場，“場”的概念因此變得清晰、直觀。量子力學進中小學，最重要的是讓學生借助這一載體，提升學習科學的興趣，豐富對這個世界的認識，形成開放的科學思維。一方面，不同于宏觀世界，量子這個微觀世界是不可見的，只有持續地思考與想象才能構建相關的物理圖像。另一方面，微觀粒子的運動與日常運動規律存在顯著差異，這種認知上的沖突容易激發學生的好奇心，引發思考。這些都有助于他們突破常規，在思辨的過程中突破對標準答案的依賴。實際上，愛因斯坦就是在質疑量子力學的過程中，推動了“量子糾纏”等概念的出現。

爭議與可行性回應

《教育家》：量子力學相關概念抽象、中小學課程資源不足、學生認知基礎有限是客觀事實，因而有學者認為量子力學進中小學并不現實。對此，您怎么看？

袁嵐峰：深入學習量子力學需用到微積分、線性代數等數學知識，如果沒有扎實的數學基礎，基本就是空談。物理專業的不少大學生學習量子力學都時常“一頭包”，更何況是基礎教育階段的學生。所以，沒必要讓中小學生在這個階段徹底搞清楚這些知識的來龍去脈，可以實現的是讓他們了解量子力學和量子信息技術的存在及價值。

現在有許多反對量子的聲音，比如有人認為“量子是偽科學”，這恰恰說明我們的量子科普做得遠遠不夠。量子力學發展了100多年，量子信息技術作為新興領域也有40多年的歷史，并且有研究者獲得過諾貝爾獎，但仍有許多人不了解相關基本事實。另外，現在很多所謂的量子科普其實并不正確。最典型的就是“量子糾纏”，很多人將其曲解為“一種心靈感應”“一種神秘的超級作用”，實際上它是先有理論預言、后經實驗驗證的物理現象。另一個典型問題是，當下對于量子知識的傳播有些過于強調它的巔覆性，讓一些人以為所有科學都可以隨時被推翻，忽略了任何理論的突破都需要堅實的實驗證據支撐。

我給中小學生講量子科普，會談量子力學的由來，它能解決什么問題、發展哪些技術。具體到量子信息領域可以分為量子通信、量子計算和量子精密測量，告訴學生它們分別能做什么、現在發展態勢如何、我國取得了哪些成果。

這些內容很具體，也容易理解，便于促進學生思維的轉變。如介紹量子力學起源時，我會強調它的誕生背景：19世紀末，人們普遍認為物理學大廈已完工，這時邁克爾遜-莫雷實驗催生了相對論，黑體輻射研究引出了量子力學，揭示了經典物理在微觀尺度上的局限性。這表明，科學總能發現新東西，但必須建立在實驗證據的基礎上。

黃國翔：量子力學的抽象概念及其中復雜的數學知識確實給中小學教學帶來了挑戰。在小學和初中可先開展量子啟蒙教育。一是通過模擬實驗和科學故事培養學生的感知能力，利用計算機模擬量子現象，如演示光的雙縫干涉實驗，讓學生觀察電子或光子的干涉圖樣。同時，通過“薛定諤的貓”等趣味科學故事解釋其中的量子現象，幫助學生建立初步認識，并培養他們的好奇心。二是采用類比方法講解核心概念，可以不涉及復雜的數學推導，而是運用生活中的例子解釋波粒二象性等量子領域的核心概念，著重培養學生的概念理解力。三是適當滲透量子測量等基礎知識，即使學生一下子聽不懂，有能力的教師也可以講，給他們留下一些印象，并鼓勵他們提問，培養其質疑精神和開放思維。

學校還可邀請高校和研究機構的專家及經驗豐富的中學教師，開展科普講座或兼職授課；組織學生實地參觀高校量子物理實驗室，通過觀察深化理解；充分利用網絡資源，建設量子物理虛擬實驗平臺，利用AR/VR技術、AI工具模擬量子實驗，讓學生通過遠程操作直觀驗證量子物理現象。需注意的是，在實施過程中要注重實效，做好配套保障，如建立科學的教學評估機制、定期跟蹤教學效果、進行總結反思等。

高鵬：我覺得沒必要在中小學開設專門而系統的量子力學相關課程。未來從事相關研究的是極少數人，深入理解那些具體知識不僅難以引起學生的興趣，也超出了他們的理解能力范圍。建議以量子科普講座、演示實驗等形式，引入量子科技中具有啟發性、趣味性的內容。例如，電子雙縫干涉實驗被譽為“史上最美物理實驗”，量子力學的諸多核心原理皆可從這一實驗中窺見。教師可通過此類實驗向學生展示量子力學的奇妙特性，引發他們的思考或許就夠了。

如果系統開設相關課程，可主要把握兩點。一是以故事為切入點，激發學習興趣。量子力學的發展過程頗具曲折性，普朗克、愛因斯坦、波爾、海森堡等物理學家的科學探索令人好奇，《量子物理史話》等科普書籍中的故事深受中小學生喜愛。教師可借由故事的形式講述量子力學發展史，引導學生理解科學革命中質疑精神與創造性思維的價值。二是以量子力學中“反直覺”的特性為切入點，引發深度思考。量子力學知識固然深奧，其中卻不乏一些有意思的現象和實驗。比如人類無法穿越一堵墻，微觀粒子卻可以“概率性穿透”看似不可逾越的障礙，量子隧道效應直接催生了掃描隧道顯微鏡等成像技術。又如我們踢出的足球在同一時間只有一條運動路徑，電子這一微觀粒子卻能同時通過兩條狹縫并呈現干涉條紋。教師可通過實驗演示或動畫模擬，呈現量子現象與經典物理現象的差異。在引發學生的思考后，教師可講述科學家如何從困惑中逐步建立量子疊加態理論，并最終推動量子計算、量子通信等前沿技術的發展。通過這樣的學習，學生可逐漸從感性上認識量子現象，也會產生進一步探索“微觀粒子運動方式與宏觀物體有何不同？”“為何它們具有不確定性與疊加態？”等話題的興趣。

實施路徑分析

《教育家》：量子力學內容應以何種形式進入中小學，促進學生思維及能力的發展？

高鵬：有關量子科學的教育可遵循“先了解、再認識、后思考”的原則循序漸進地開展：在小學應聚焦興趣激發，教師可通過展示量子世界的神奇現象，讓學生建立“原來還有這樣的現象”這種初步印象，重點在于科學啟蒙；在初中應以物理圖像的認識為主，無須深入探討過于復雜的概念，重點是通過直觀的實驗和動畫等輔助手段，幫助學生自主構建微觀世界的認知框架；在高中應深化科學思維訓練，通過對比經典實驗與量子實驗，探討科學史上的關鍵爭論等，培養其批判性思維和創造性思維。

量子力學相關的科學教育確實難度頗高。費曼曾說：“沒有人能理解量子力學。不要問‘它為什么這樣’，因為沒人知道。我們只能描述它如何行為，并驚嘆于它的精確?！蓖ㄟ^量子現象激發學生思維，核心在于過程而非結果。要想對量子力學有更深的理解，重點是自己去構建物理圖像，思考粒子是如何運動的。對于所有學生來說，這一過程無疑都是有益的。不過，教師應尤其注意避免因自身理解不足導致的信息傳遞偏差，因為這反而會影響科學思維的培養。

袁嵐峰：正式開展量子力學課程很難，可以在現有的科學課中滲透相關內容。目前有公司專門研發適合中小學的量子教具，讓學生觀察、實操這類實物，增強他們對量子的感性認知。學?？梢远嚅_展科普講座。我主講過很多場量子科普活動，學生年級越高，可以講的細節就越多。有時，學生的認知水平還會超出我們的想象。一次，一個四年級學生提問：“我已經讀完了您的《量子信息簡話》，未來如何成為一位量子計算研究者？”還有一次，有個中學生問到奧地利科學家發現大腦可能存在量子過程的研究，這是當時剛發表出來的成果。此外，鼓勵學生自學也很重要。首先打好微積分、線性代數等數學基礎，再接觸量子力學教材。學校還可以開設相關選修課程，配備專業教師指導，給有興趣的學生提供輔導和支持，告訴他們正確的學習路徑。這類課程應當采取自愿參與的原則，而不作為要求普遍推廣。

黃國翔：高中物理教材本就涉及一些量子知識，教師在面向學生滲透量子知識時可重點培養如下三種能力。一是建模能力。充分利用教材中包含的原子光譜、光電效應、電子衍射等內容，引導學生從實驗現象出發，建立初步的量子理論模型。二是數學能力。建議在中學階段適當引入微積分和概率論等知識，使學生能分析、計算簡單的量子問題，提升他們數理結合的能力。三是思維能力。幫助學生突破經典物理思維定式，認識經典力學在微觀領域的局限性，培養他們的批判性思維、概率性思維等。

課程實施之前，需要首先解決師資問題。相關學?？梢詫ξ锢斫處熖岢雒鞔_的專業發展要求，引導他們掌握量子理論背后的思維方式，更新知識體系，將適合學生吸收的知識及時納入教學內容；鼓勵教師開展量子教學研究，在調研基礎上，探索適合面向中小學生講量子的教學方法；選派教師到大學進修，提升他們的量子理論和實驗水平，或在招聘時適當引進具有量子物理專業背景的教師，讓他們帶動提高量子力學方面的教學質量。