“量子力学”教学中的课程思政探索与思考

黄玉梅

(绵阳师范学院数理学院，四川绵阳 621000)

2018年教育部出台了《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》，文件明确提出：“强化课程思政和专业思政，在构建全员、全过程、全方位三全育人大格局过程中，着力推动高校全面加强课程思政建设，做好整体设计，强化每一位教师的立德树人意识，在每一门课程中有机融入思想政治教育元素，推出一批育人效果显著的精品专业课程，打造一批课程思政示范课堂，选树一批课程思政优秀教师，形成专业课教学与思想政治理论课教学紧密结合、同向同行的育人格局。”[1]这一文件对广大高校教师提出了明确要求，专业人才培养不仅是专业知识的传授过程，更应该是立德树人的过程。在教学中，教师应该注重课程思政的建设，找到专业课程知识体系和思想政治教育工作的结合点，从而全面实现全方位教书育人的高校教育目标[2]。

“量子力学”作为物理学专业学生必修的一门基础理论课，在课程体系中占据非常重要的地位，也是与物理学相关的专业研究生入学考试常考的科目，更是很多学生今后进行物理学术研究所需要用到的理论基础。“量子力学”不仅是现代物理学的两大基础理论之一，而且与人们的日常生活也日益接近。很多技术方面的创新都应用了“量子力学”理论，极大地改变了我们的生活，例如激光技术、放射性技术等在医学中的应用，晶体管与信息技术革命的关联，扫描隧道显微镜在纳米技术中起到的重要作用等等，都是和量子理论的进展分不开的。“量子力学”在建立和发展过程中，不断涌现出挑战经典、打破常规的新思想、新观点，因此在这样一门应用广泛同时充满了创新理念的课程中进行课程思政建设显然是很有必要的。

一、在“量子力学”课程中实施思想政治教育的可行性

量子力学理论的建立和发展过程充分展现了科学思想、创新精神和科学态度，其理论和实验与人们对现实世界的普遍认识存在很大的差异，容易引起学生的好奇心和学习兴趣，因此在“量子力学”的课程教学中融入思政元素具有很强的可行性。

1.量子理论从诞生之初就充满了创新思维。普朗克为了解释黑体辐射而提出的能量量子化假说，打破了经典理论中能量连续性的观念，从那以后物理学家们提出了各种新的理论，例如玻尔的角动量量子化、德布罗意的物质波、海森堡的不确定原理等等，因此在“量子力学”课程中培养学生的创新思维和开拓精神是可行的[3]353-356。

2.“量子力学”的发展过程中，可以发现很多理论问题都能够引起哲学上的思考。玻尔的观点是“我们称之为真实的东西都是由不能被视为真实的东西组成的”；爱因斯坦则认为“‘量子力学’本身是不完备的，内心的声音告诉我这还不是真实的事情”；物理学家惠勒提出“只有可以观察到的物理现象才是现象”；“量子力学”里的测量理论也认为物理量应该是可观测量，物理现象之所以存在，是因为我们切实地感知(观察或测量)到它。对学生而言，这些物理理论引发的哲学思考是很有新意的，不但可以促进学生的深入思考，还能提高学生的学习兴趣，并能帮助学生形成正确的科学观和世界观[4]。

因此，在“量子力学”课程教学中进行思想政治教育，可以帮助学生在今后的学习科研中跳出条条框框，勇于创新，还有助于他们保持清醒的头脑，坚定理想和信念。下文就从教学内容和教学态度两个方面谈一下如何在“量子力学”教学中融入思政元素，并探讨一下目前实践中存在的一些问题和思考。

二、将思政元素融入到教学内容中

“量子力学”的建立归功于一大批优秀的物理学家，其发展史就是创造性思维不断发生作用的过程，而量子理论的神秘面纱还没有被彻底揭开，因此对量子力学内容的深入了解能够引发思考，适合于在教学中融入思政元素。

(一)“量子力学”发展史

从普朗克提出量子理论，到爱因斯坦为解释光电效应实验现象提出光量子假说，再到德布罗意提出物质波，然后到玻尔的旧量子论解释了氢原子的分立能谱，海森堡、薛定谔分别提出了矩阵力学和波动力学，狄拉克、泡利、费曼等人也作出了很大的贡献[5]，可见，“量子力学”的发展不是一个人的功劳，发展历程也不是一蹴而就的，这段历史体现了事物波浪式发展的过程。教学中可以联系学生已经学过的马克思主义哲学、经济学的相关知识，讨论一下社会经济的发展历程，社会经济的发展也并不是一蹴而就的，而是波浪式前进、螺旋式上升的。

因此，课堂中讲解量子理论的发展，能够启发学生跨学科思考，帮助学生深刻理解唯物辩证法思想，让他们领会到在错综复杂的形势面前，不应该被表面现象所困扰，也不应该计较一时的得失，而应该透过现象看本质，把握大局大势，厘清事物发展的主要方向[6]。 同时这些讲授可以帮助学生从“量子力学”的发展历程看到事物的波浪式前进、螺旋式上升，始终坚持在继承中创新、在创新中发展[7]。

(二)波粒二象性

波粒二象性(wave-particle duality)是“量子力学”中的一个重要概念，指一切物质同时具备波动性和粒子性，例如电子在不同的实验条件下会表现出类似于经典波或者经典粒子的特点[8]。

在经典物理学中，光的微粒说和波动说可以说是各领风骚数百年，不同的实验展示了光的不同特性，在不同情况下去观察同一个事物可能看到不同的现象，所谓“横看成岭侧成峰”。那时候对光的认识犹如盲人摸象，未能窥得全貌。当光是电磁波的概念深入人心的时候，光电效应实验却又展示出波动说不能解释的现象。直到1905年，爱因斯坦提出了光量子假说，给出了对光电效应现象的解释，让世人重新重视起了光的粒子性，从而承认光既具有波动性又具有粒子性，即“光的波粒二象性”。到了1924年，德布罗意从光的波粒二象性逆向思维，大胆地推测物质和光一样也应该具有波粒二象性，在自己的博士论文中提出“物质波”(也称“德布罗意波”)假说。在博士论文答辩中，德布罗意进一步提出，物质波可以通过电子衍射实验进行验证。后来戴维逊和革末完成了这一实验，证实了电子具有波动性。

在课堂教学中，教师可以结合马克思主义哲学中的对立统一律，也就是对立面的统一和斗争的规律开展教学。对立统一律说明，在任何领域的任何事物以及事物内部、事物之间都包含着矛盾。一切事物都有正反两面性，看问题时既需要看正面也需要看反面，如同一个硬币的正反两面。教学中结合波粒二象性引导学生多角度、全方位看待人或事物，既看到他们的积极方面，也看到消极方面；既要看到有利因素，也要看到不利因素；指导学生用辩证法的眼光去看待世间万物[9]。

另外，教师还可以结合美学对波粒二象性进行解释。我们既不能把光看成经典的波，也不能把光看成经典的粒子。同时，我们对待电子也是一样，电子既不是经典的粒子，也不是经典的波，这体现了自然界的对称统一性，也展示了物理理论中的对称美学。这就可以让学生在理解“科学求真”的同时也领略到科学之美。

(三)微扰论

在“量子力学”的学习中，微扰论和变分法是求解薛定谔方程的两种常用的近似方法。微扰论的主要理念是：一个量子体系，其总哈密顿量的情况多种多样，大多数情况下很难得到薛定谔方程的解析解。但是，如果哈密顿量的主要部分是比较容易精确求解的，或者已经存在现成解的，就可以先不考虑哈密顿量的次要部分，从而求出对应的薛定谔方程精确解；之后再逐级考虑那些次要部分对量子体系的影响，得到与原来问题精确解逐渐接近的各级近似解。可以看出，微扰论先是抓住主要矛盾(哈密顿量主要部分)解决问题(得到精确解)，再处理次要矛盾(微扰)引起的各级影响，逐级考虑这些修正量，从而获取接近真实问题的近似解。

微扰论的思想可以联系到学生的日常生活。学生在校园里可能会遇到很多问题，产生多方面的矛盾，例如和老师之间的教与学的矛盾，和同学之间相处的矛盾，自己的理想和现实有差异的矛盾，勤奋学习知识和参加社团活动的矛盾等等。在“量子力学”课程教学中，教师就可以结合微扰论的思想和唯物辩证法的方法论，引导学生学会分析遇到实际困难，帮助学生思考如何认清自己的主要问题，从而抓住主要矛盾进行处理，细枝末节可以在主要矛盾解决的基础上加以补充处理。

三、将思想政治教育体现在教学态度中

作为一名高校教师，应该做到为人师表，在教学过程中为学生树立正确的学习榜样，以严谨的作风培养人，从而起到潜移默化的思想道德教育作用。

(一)在教学中，应该时刻牢记培养学生的文化自信

事实上，在“量子力学”发展中，有不少实验设计是中国人提出的，但因为种种原因，没有完成实验或者实验没有得到认可，后来外国人做了，获得了诺贝尔物理学奖，青史留名。例如狄拉克提出存在正电子后，赵忠尧首先在实验中观测到了正反物质湮灭，在物理学发展史上，他也是第一个发现了反物质的物理学家，但是因为国际同行没有得到同样的实验结果而未被认可，从而错失诺贝尔奖；又例如，1941我国物理学家王淦昌先生就已经提出可以证实中微子存在的实验方案，后来得到实验验证，这是当时国际物理学领域中相当重要的成就。我国科研工作者能力强、肯吃苦，在20世纪50年代末至70年代初，科技工作者在党中央的正确领导下，仅用了十年左右的时间就依靠自己的力量，取得了“两弹一星”的辉煌成就[10]。

这些真实的事迹充分说明，我国的物理学家们具有很高的学术水平，完全拥有获得高成就的能力，只要努力学习，夯实基础，勇于创新，就可以取得非常大的科学成就。现在我国已经在科学技术上获得了巨大的成就，为科研工作者创造了良好的科学研究条件，正处在一个科技发展创新的新时期。教师可以用这些实例并结合国内取得的最新科技进展(如“墨子号”“天眼”等)来增强学生的民族自信心和自豪感，鼓励学生认真学习，积极思考，坚定信念，为实现中华民族伟大复兴而努力奋斗！

(二)对待争议性问题，教师应坦诚相告

在量子理论中，目前有很多问题还存在争议，教学过程中，学生提出的一些看似平常的问题，可能正好触及到“量子力学”建立的基础或者是量子理论本质争议的核心。当遇到这种回答不上来或者没有确切答案的问题时，教师应该本着实事求是的态度据实以告，而不是不懂装懂或者敷衍了事。对于这类问题，教师还应该向提出问题的学生提供参考书籍或者相关文献，鼓励学生学会自己寻求答案或者形成个人的观点。面对学生的质疑，教师还应营造出和而不同、兼容并包的学术氛围，从而让师生平等讨论、互相启发、互相切磋、互相帮助、互相促进。同时，教师自身对学生实事求是、对待学术不回避争议的态度本身也是以身作则进行思想政治教育的表现。

四、“量子力学”实施课程思政过程中存在的问题及思考

随着时代的发展和高等教育师范专业教学专业化进程的推进，师范类物理学专业的一些核心课程的课时有所减少，例如“量子力学”课程，从72课时降到64课时，还将降至48课时。而同时，由于科学技术研究的进一步发展，不断涌现出新理论、新技术、新成果和新应用，使得教学内容不断丰富，这就出现了课时减少与课程专业知识增加之间的矛盾。因此，在“量子力学”的课程教学中，如何融入思政元素以提高学生对专业课程的认同感和学习积极性，从而实现思想政治教育和专业教学的互相融合和促进，是教师需要认真思考并解决的一个问题。基于打造“金课”、拒绝“水课”的教育思想，笔者进行了如下的解决方案的思考。

(一)利用网络平台，在线上教学中同步进行思想政治教育

由于课时所限，教师在线下教学中可以抓住“量子力学”课程体系的主线，把“量子力学”课程的主要脉络呈现给学生。对一些具体的理论来源的详细证明和推导以及对一些现象的解释和说明，因为学时限制不适合在线下课堂中展开论述或深入讨论，教师就可以利用线上教学，将这部分内容通过网络平台分享给学生，或者通过丰富多彩的微课形式展示给学生，甚至可以采用在线讨论、直播讲座或视频会议等形式和学生共同讨论。

在这种线上教学过程中，教师也应该充分发掘其中的思政元素，并且尽可能多地搜集整理相关的背景知识、文献资料、政策文件等，并思考如何融入到线上的知识教学中去。例如，在讲解隧道效应时，就可以先采用微课的形式展示隧道扫描显微镜的原理和应用，然后让学生参与讨论，将隧穿现象与经典力学中的情况作对比，理解经典世界里不可能发生的现象在量子世界中发生的概率，这可以让学生在掌握知识点的同时，敢于打破自己的思想禁锢，增加敢于面对未来人生中的不确定性的勇气。

(二)激发学生的主观能动性，体会课程中的思政元素

在专业课程中实施思想政治教育，还可以尽量让学生主动参与思政元素的挖掘与运用过程。例如，教师可以启发学生结合所学的辩证唯物主义和历史唯物主义思想，分小组讨论玻尔的旧量子论在“量子力学”理论建立过程中的重要地位，以及在解放思想上起到的重要作用。分小组讨论的方式可以培养学生独立思考的能力，同时培养学生的团队合作精神和服务意识，以及建立集体荣誉感和成就感。

另外，教师布置作业时不要局限于具体的计算、问答等题目，还可以建议学生结合“量子力学”中的一些重要发现或者有争议性的问题撰写课程小论文。例如，可以布置“为什么是普朗克提出了量子假说”这样的题目，要求学生从当时的社会背景、经济状况、学术风气和普朗克的个人经历等方面进行全面论述。这不仅可以让学生进一步理解量子理论的建立过程，还能够使学生深入思考物理研究和社会经济发展之间的联系，同时培养学生的文献检索和分析整理能力、表达能力、写作能力。这样的习题教学方式，使得思想政治教育不再局限于课堂，而是延伸到课堂之外，并调动了学生的积极性和参与性。

(三)鼓励学生参与“量子力学”理论的学术研究，培养学生的科研精神

教师可以在教学中引导学生根据自身的兴趣查询并阅读相关文献，带领部分学有余力的学生关注量子理论中的一些前沿成果，与学生一起经历学术研究、科学探究的过程，让学生从中了解和领悟科学研究方法，逐渐培养科学思维习惯并建构自身的物理图景、科学思维模式，形成科学的探究意识，养成实事求是、精益求精的科学态度和不懈努力、不畏艰难的科研精神。

教师在对学生进行量子理论方面的教学过程中，还可以以个人的求学科研经历激励学生将家国情怀融入到日常的学习及研究中，激发学生的学术志趣和内在动力，鼓励学生做好为祖国的科学事业挑大梁的准备，促进学生形成正确的世界观、人生观、价值观，增强学生服务国家、服务人民的社会责任感和使命感。

五、结语

“量子力学”课程是物理学专业学生重要的专业课程，量子力学发展中的波折起伏、人物事迹以及基本理论中的种种思想突破，都可以和思想政治教育紧密结合。通过在“量子力学”课堂教学中融入思想政治教育，不仅可以加强学生对量子理论知识体系的把握，还可以培养学生正确的科学观，同时还能够培育学生的开放性思维，提升学生的思考能力和创新意识，更可以增强学生的社会责任感和使命感。在今后的教学实践中，应进一步研究“量子力学”教学方法，激发学生的自主学习意识，让学生加入到课程思政建设中来，充分挖掘“量子力学”课程体系中的思想政治教育内容，提高思想政治教育工作效果，达到立德树人的教育目标。