新形势下量子物理课程体系教学改革研究

苟立丹 陈高 王晓茜

摘  要：随着国家科学技术的发展和教育改革的不断深入，量子力学课程教学以及量子知识普及性工作面临着新的挑战。结合长春理工大学学生的实际情况以及学校的办学目标，提出量子物理课程体系的教学改革方案。初步建设以量子力学Ⅰ为核心、量子力学Ⅱ为补充、量子信息物理和量子史话为外延的量子物理课程体系，并对体系中四门课程的教学内容、教学方法和考核评价方式进行深入研究和改革，使整个课程教学更符合当前形势下专业人才培养的需求。

关键词：量子物理；课程体系；教学内容；教学方式；评价标准

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）20-0095-04

Abstract： With the development of science and technology and the deepening of educational reform， the teaching of quantum mechanics and the popularization of quantum knowledge are facing new challenges. Thinking about the actual situation of students and the teaching objectives of Changchun University of Science and Technology， the teaching reform plan of "the system of courses of quantum physics" is put forward. The system of courses of quantum physics has been preliminarily established， taking Quantum Mechanics Ⅰ as the core， Quantum Mechanics Ⅱ as the supplement， Quantum Information physics and Quantum History as the extension. At the same time， the teaching contents， teaching methods and assessment methods of the four courses in the system are deeply studied and reformed. So that the courses teaching is more suited to the requirements of professionals training in the current situation.

Keywords： Quantum Physics; system of courses; teaching contents; teaching methods; assessment methods

基金項目：2021年度长春理工大学高等教育教学改革项目“新形势下量子物理课程体系教学改革研究”（202166）

第一作者简介：苟立丹（1977-），女，汉族，吉林长春人，博士，副教授。研究方向为量子物理。

量子力学是20世纪基础理论的一项重大发现，是近代物理的基础。随着科技的发展和量子力学在各领域的广泛应用，量子力学课程也随之诞生，我国理工科高校已普遍开设量子力学课程。多年来，物理教学工作者们刻苦钻研，不断探索，累积了丰富的教学经验。对于量子力学课程的教学改革也进行了很多有益的尝试，例如，在教学内容方面，开展了精简教学内容、突出重点和简化数学推导的改革[1-2]。在教学方法方面，通过制作生动的多媒体课件使得生涩且难懂的概念和原理变得具体化和形象化，便于学生理解。同时通过采用启发式及互动式的教学方法，引导学生思考和探索新知识[3-4]。在教学手段方面，随着“互联网+教育”的发展，可以利用多种教学平台开展线上线下混合式教学[5]。可以说，通过科学工作者和物理教学工作者的共同努力，量子力学课程的教学质量得到大幅提升。

一  课程教学面临的新形势

量子力学课程教学因以下几方面原因仍然面临着诸多挑战。第一，量子力学是一个不断发展的前沿学科，近些年新现象、新实验、新方法和新技术层出不穷，这些新的成果亟需被引进到量子力学的教学中来。另外，学科的交叉融合进一步得到提升，新的学科不断涌现。例如，量子力学与信息学结合诞生了量子信息学，而量子信息科技已成为当今科学界研究热点之一。第二，国家社会经济的发展对人才培养提出了新的要求。2015年国家开始实施“一流大学和一流学科”建设，即“双一流”建设，大力推动高等教育的发展。之后，“六卓越一拔尖”计划、一流本科专业等政策陆续发布。紧密结合国家发展战略和经济社会发展需求，增强质量意识，重视素质教育是高等教育改革的新趋势。量子力学的教学也不例外。第三，我国在量子通信和量子计算领域取得了突飞猛进的发展。2016 年我国发射了全球首颗量子通信卫星“墨子号”；2020年科学家潘建伟和陆朝阳团队构建量子计算原型机“九章”，这项研究使得我国成功达到了量子计算研究的里程碑。这些重大的科技成果大大激发了高校学生学习和了解量子力学的热情。第四，2020年10月，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。习近平总书记在主持学习时发表了讲话，强调了量子科技的重大科学意义的战略价值。要加快促进量子科技的发展需要的是一大批该领域的高精尖人才，因此需要建立适应量子科技发展的专门培养计划，打造体系化、高层次量子科技人才培养平台。在国家社会经济发展的新形势下，探索适合理工科各专业学生学习的量子力学课程教学新模式是非常必要的。

二  量子物理课程体系初建

量子力学描述微观粒子的运动规律及其特性，为物理学众多分支、信息科学、计算机科学、材料科学、化学、生命科学和医药等科学技术研究与开发领域提供理论基础，是近代科技工作者应具备的知识基础与创新能力基础。历年来，很多研究生培养单位把量子力学列为物理类硕士研究生入学资格考试的必考科目，作为衡量考生物理学知识水平及从事科学研究能力的一大指标。长春理工大学是以理工专业为主的地方重点院校，一直高度重视学生量子力学基本原理的学习，将量子力学课程作为物理学院各专业重要的专业基础课程之一。但是，在新的历史时期，国家对人才的需求和人才培养的理念发生了明显的变化，主要体现在两个方面：①国家对人才需求的多样化；②学生的个性化以及多样化越来越明显。因此，根据学生的具体情况和兴趣，结合国家对各类人才的需求，采取分类培养的方式势在必行。

如何进行分类培养呢？对于物理类专业学生，需要比较扎实地掌握量子力学的基本原理，并能够利用量子力学基本原理分析和解决具体的问题。对于有兴趣从事量子科技研究工作的学生，需要了解量子前沿领域科技成果，掌握一些目前較为成熟的先进理论。对于全校其他理工专业且对量子力学感到好奇的学生，需要了解量子力学的发展历史及应用领域。而在学时缩减的背景下，单一课程难以满足教学需求，需要根据学生的具体情况和兴趣，开设更加丰富多彩的课程。“课程群建设”或“课程体系建设”成为近年来国内高校教学改革方向之一[6-8]。基于这些考虑，结合教学实际，我们提出了“量子物理课程体系”建设方案。

量子物理课程体系的核心课程是量子力学Ⅰ，补充课程是量子力学Ⅱ，外延课程是量子信息物理和量子史话。量子力学Ⅰ是学科基础课程，授课对象为物理学院四个专业本科生；量子力学Ⅱ是专业教育课程，授课对象为物理学院四个专业本科生；量子信息物理是专业教育课程，授课对象为物理学院两个专业的本科生；量子史话是通识教育课程，授课对象为全校其他理工专业的学生。该方案具体情况参见表1。

量子物理课程体系的构建是按照以人为本的思路，以学生为中心，以普及基础、按需选课、体系连贯、结合前沿为基本原则，建立完整系统的量子物理教学体系。学生可以在学习的过程中，逐渐发现自己的优势和劣势，进一步根据自己的兴趣和爱好选择后续课程，从而达到分类培养的目的。课程体系建设的同时，逐步建立了一支量子物理教学团队。课程体系建设及教学工作由团队负责人进行统一的组织和管理。团队中的教师可以根据自身的教学经验和研究领域选择不同的课程，定期进行教学研讨，及时交流教学经验，更新教学内容，编写讲义。因此，量子物理课程体系建设，不仅可以满足学生的学习需求，还可以稳步提升教学质量，形成高水平的教学团队。

量子物理课程体系建设中面临的一些问题：①量子力学Ⅰ课程作为物理学院各专业的学科基础课，理论学时从早期的88学时缩减为2018版培养方案的56学时，如何在学时减少情况下，保证整个量子力学Ⅰ教学的完整性是我们首先需要解决的问题；②量子知识普及性教学过程中，学生由于没有量子力学基础理论的熏陶，在学习过程中会惯性地以宏观世界的思维方式去思考微观世界，造成学生学习过程中出现困惑甚至误解；③传统的大学课堂以讲授知识为主的模式受到了极大的挑战，特别是在互联网高度发达的今天，各类知识通过互联网很容易获取，甚至比大学课堂讲授还要全面准确。因此，针对以上问题，我们从教学内容、教学方式和考核方式等方面对课程教学进行了全方位的改革[9-11]。

三  教学改革措施

（一）  重构教学内容，贯通课程体系

量子力学是以五大基本假设为基础，紧扣近现代史和现代科技前沿的一门课程。因此，需要对原来量子力学课程的教学内容进行梳理和重构。初步将其分为核心知识、补充知识和延展知识。核心知识包括量子理论诞生、五个基本假设、表象、微扰法和自旋。补充知识包括势垒、表象变换、含时微扰、角动量耦合和散射。延展知识包括量子物理基本理论的最新进展和前沿应用。核心知识是第一层次的教学内容，授课对象是物理学院的全体学生。补充知识和延展知识是第二层次的教学内容，为那些有兴趣研究量子物理的学生提供深入学习的机会。教学内容的分类既有利于实现教学的层次化，又有利于学生根据自己的实际需求合理选择。

核心知识作为量子力学Ⅰ的教学内容，是以量子力学五个基本假设为基础的。针对很多学生陷于复杂数学推导中的现状，在教学中更加突出量子力学发展脉络和知识体系的讲授，淡化数学推导。同时注意引导学生根据已知的简单问题的结果分析推测较复杂问题。这样既可以绕开数学推导、又能锻炼学生的科研直觉，而且还节约出时间用于学习更多的内容。

补充知识作为量子力学Ⅱ的教学内容。通过这门课程的学习，学生可以进一步深入学习量子力学的基本概念和原理，了解更多的处理微观粒子运动问题的特有方法，并学会运用这些方法分析解决实际问题。

延展知识是量子信息物理和量子史话两门课程的教学内容。其中量子信息物理主要是在量子力学课程的基础上，进一步讲授量子通信和量子计算的理论，以及目前的科技发展情况。具体包括量子纠缠的描述以及度量，量子保密通信，量子不可克隆定理，量子稠密编码，量子隐形传态，量子纠错码，量子计算机物理实现，Deutsch算法，Shor算法以及Grover搜索等内容。通过这门课程的学习，学生能够掌握量子通信和量子计算的专业知识，为将来从事量子科技研究和工程工作打下基础。

量子史话主要讲授20世纪量子力学发展的历史，详述普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森堡、泡利、薛定谔和狄拉克等物理学家的生平事迹和伟大成就。简略介绍21世纪量子科技和工程进展。通过这门课程的学习，学生能够了解量子力学的产生背景和一些专业术语，了解量子力学的相关研究进展和发展动态，拓展知识，提升视野，为今后的交叉学科研究和协同合作打下基础。

（二）  结合教学内容，更新教学方式

以往的课堂教学采用传统的主讲教师讲授的单一授课模式，改革后我们根据教学内容的不同，选用不同的授课方式。在备课过程中参阅了大量书籍和资料，确定教学内容之后，再探讨哪些内容或问题适合讲授，哪些更适合学生自学和思考，哪些又更适合研讨式教学。针对基础知识理论性、系统性强的特点，主要采用以教师讲授为主，但需注重启发学生积极思考，采取课内、课外、网络等多种形式增强师生互动。针对量子理论前沿应用综合性强的特点，主要采用以学生为主的课外自主学习和专题研究的模式。针对最新科研进展的实时性特点，则需根据知识内容学习情况和事件的时效性，采用教师引导，学生讨论的模式。这样将传统课堂教学和网络课堂教学结合起来，灵活运用讲授式、启发式、研讨式、专题式等多种教学方式，突出重点、突破难点，通过最佳途径使学生高效掌握并领悟出知识点的深刻内涵。

（三）  改革评价机制，突出过程考核

以往所有课程的考核方式都是闭卷考试，现在我们尝试改变学业成绩评价标准，把结果评价变为过程评价。针对不同的教学内容和教学模式，采用多种考核方案。具体情况是量子力学Ⅰ的考核方式是闭卷期末考试（占总成绩50%）、课堂表现（占总成绩10%）、课后作业（占总成绩20%）和随堂测试（占总成绩20%）；量子力学Ⅱ的考核方式是开卷期末考试（占总成绩50%）、課堂表现（占总成绩10%）、课后作业（占总成绩20%）和随堂测试（占总成绩20%）；量子信息物理的考核方式是专题论文（占总成绩60%）、课堂表现（占总成绩20%）和课后作业（占总成绩20%）；量子史话的考核方式是专题论文（占总成绩80%）和课堂表现（占总成绩20%）。

考核方式不仅有期末试卷考试和课堂作业，还有与量子理论前沿应用及最新科研进展相对应的过程考核，不仅有书面考核还有专题论文和课堂表现考核。通过采用不同的考核方式，充分调动学生学习积极性和主动性，全面提高学生知识技能和思想素质水平，促进学生全面发展。

四  问题与成效

量子物理课程体系的建设处于起步阶段，在执行的过程中面临着各种各样的问题需要克服。初步构建的课程体系是由量子力学Ⅰ、量子力学Ⅱ、量子信息物理和量子史话组成的，必然要处理这四门课程教学内容的交叉和衔接问题。针对这个问题教学团队的成立起到了关键作用。团队建立以后，除了必要的行政管理，更多的是一系列相关课程的内容梳理和组织教学，教师之间的互动和讨论非常频繁。例如，对于“态叠加原理”这部分内容，在量子力学Ⅰ、量子信息物理和量子史话中如何讲，如何衔接，这对教师提出了更高的要求。不但要了解基础知识及应用，更要有能力指导学生组织专题学习和讨论。从目前的情况来看，仍然有教师固守之前的教学模式，对新的体系和要求适应慢。这就需要教师安排时间进行教学研究工作，不断学习，融会贯通，提升对新的教学内容的把握能力和教学水平。

量子物理课程体系经过两年的建设取得了一定的成效。特别是面向全校学生开设的量子史话课程，受到了很多学生的欢迎。该课程虽然才开课两年，但是每年选修量子史话课程的人数都在200人左右。量子史话课堂上，老师们似乎是在讲解名人传记，其实在这些奇闻轶事中涵盖了科学成就和量子力学知识，以一种润物细无声的方式使同学们了解量子力学，感受量子力学，使同学们看到量子力学并非传言中的可怕，而是鲜活的，是有温度的。

课后访谈时一位计算机学院的同学表示“大学时本来想学习物理学专业，但是因为某些原因只能选择了计算机专业。当我看到这门课时就有非常浓厚的兴趣，当即选了这门课。事实证明这门课并没有让我失望。从量子力学发展的最初讲起，最终讲到了量子力学的发展和应用。量子力学本身是一门艰涩抽象难以理解的东西，但是老师们的量子史话以一种最简洁易懂的方式向我们科普了量子力学，以一种简单的方式带我们走近了量子力学。回顾量子力学发展史，也让我们感觉到了人类对世界和真理探索的孜孜不倦，感受到了当年开创量子力学的物理学家对探索世界规律的热情”。另一位电信学院的同学表示“曾经那些难以理解的知识在量子历史的梳理下，渐渐在我的脑海中清晰。虽然以我的知识准备来讲，我学到的量子力学依旧浅薄，但量子史话帮我勾勒出了量子力学的轮廓，也让我把握住了量子力学未来的发展领域，尤其于我的专业而言，在通信领域的量子通信、量子密码等会逐渐壮大，成为一个领域的主力军”。同学们的积极反馈给了整个教学团队莫大的鼓励。

五  结束语

国家经济实力的增长和科学技术的发展，对高等教育提出了更高的要求，教育部出台了一系列政策文件，各个高校都在按要求进行各种改革，形成各具特色的教学体系。本校量子物理教学团队正在进行的尝试，是结合长期教学经验和学校发展规划，建立适合于本校人才培养要求的体系，探索进一步提高学生的科学素养和创新能力的教学内容和教学组织形式。

量子物理课程体系是围绕本科生的教学初步构建完成，体系中的四门课程虽然独立开设，实际上是相互关联，互为补充的。而且这是一个开放的有待进一步开发的体系，可以从横向和纵向两个维度进行丰富和发展。从纵向上考虑，可以把研究生教学中与量子物理有关的课程纳入体系建设，例如，高等量子力学、量子场论和量子统计物理等。从横向上考虑，可以通过量子讨论班、量子前沿专题研究等形式进行拓展学习。这些想法的实施涉及方面较多，还需要慢慢开展工作。

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