课程思政融入量子力学教学的研究与设计

赵普琴 姜洪英

摘  要：以普通高校课程思政总体要求为研究依据，结合量子力学课程的结构和特色，深度研究和挖掘量子力学课程中蕴含的丰富的思政元素，探索在量子力学课程中开展课程思政教学的具体路径。以课程承载思政，将思政融于课程，达到激发学生的学习兴趣、锻炼学生的思辨能力、培养学生的爱国情怀和勇于追求真理的科学理性精神的目的。

关键词：量子力学；课程特色；思政元素；教学方法；教育价值

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：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会议是课程思政认识的新起点，2020年5月教育部关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知是高校课程思政广泛实施的开始[1-2]，所以到目前为止课程思政建设依然处于探索和发展阶段。课程思政的目标在于立德树人，培根铸魂；课程思政的追求是要实现知识传授、能力培养、智慧启迪和人格养成的多维统一[3]。因此大学教师有责任响应国家的号召，从自己主讲的课程和从事的专业角度出发，在课程思政上“守好一段渠、种好责任田”，使专业课程知识和思政元素深度融合，进行高精准的人才培养。然而， 由于大部分理工科课程专业知识深奥、逻辑思维抽象，与思政似乎相距甚远。为了使理工科课程的设计既能满足工程教育认证、“金课”建设等对课程本身提出的多重要求，同时又能鼓励师生做到习近平总书记政治要强、情怀要深、思维要新、视野要广、自律要严、人格要正的“六要”嘱托，坚持“六要”标准。那么教师就必须深度研究课程教学内容，从课程发展的历史意义、技术发展、社会价值等角度挖掘和提炼有效的课程思政元素，重新修订教学大纲和教学设计，让思政理念走进课堂，走入学生心田，春风化雨、润物无声地引领学生形成正确的世界观、人生观、价值观。

量子力学的诞生，使人类的世界观受到前所未有的改变。量子力学的研究对象是微观粒子及其运动规律，是近代理论物理的台柱之一。量子力学诞生一百多年来，随着激光、半导体、核能等先进技术的发展，将人类社会引进了繁荣的信息时代。众所周知，在量子信息领域涌现出诸多新奇的概念、现象、思想；而且在整个量子力学发展的过程中和量子理论体系建立的过程中，毫无疑问蕴含着非常多的值得借鉴的科学精神、科学思想、科学方法，这对于培养未来的科技工作者有着非常重要的指导意义。本文主要结合工科量子力学课程的教学内容，通过精心提炼课程思政元素，并巧妙融入课程教学设计当中，使学生在理解和掌握专业知识和技能的同时，逐渐养成求真务实、敢于创新、勇于奋斗的科学素养和科学精神；同时也激发学生的家国情怀和雄心斗志，从而实现立德育人的目标。

一  课程思政融入量子力学教学的物理基础

当下有句流行语，“遇事不决，量子力学”。说明量子力学本身充满着特殊的魅力，犹如蒙着面纱的琵琶女，令人好奇，使人着迷。下面主要从三个方面讨论一下量子力学课程具有的思政育人根源。

（一）  奇妙的量子世界

众所周知，在经典世界中，粒子在空间中有准确的位置和确定的运动轨迹，而在量子世界中粒子却是以某种概率分布在整个空间，当粒子有几条可能的途径从某处传到另一处时，它会同时经由这些途径传输，不具有确定的轨迹。如果一个粒子有几种可能的状态，则经典粒子只能处于其中的一种状态，而量子粒子则处于这些可能状态叠加的状态上，这就是所谓的量子态叠加原理。量子粒子的这些奇异特性来源于它的波粒二象性，其行为不遵从经典物理规律。量子力学中描述粒子状态的量不是可观测的物理量，而是几率幅，这就导致量子世界的本质是概率性的。习惯于确定性经典世界的人很难接受概率性量子世界所发生的一切。爱因斯坦曾经发出的著名感叹“上帝不会掷骰子”代表着众多地球人的共同疑惑。但是量子力学的发展导致了核能、激光、晶体管等先进技术的诞生，铸造了人类现代文明的基石。量子世界也不断涌现出很多新奇的现象，比如爱因斯坦提出的EPR效应，原本是用来挑战量子力学的完备性而提出的“思辨性”实验，结果反而进一步揭示了量子世界的非局域性本质，证明了量子纠缠态的存在。科学家们正努力试图运用量子世界种种奇异性质开拓出适用于经典世界的新技术，比如量子世界中令人烦恼的概率性，一旦开发成技术，其性能是经典世界的确定性的技术所无法比拟的。比如，量子密码技术具有不可窃听、不可破译的绝对安全性；量子计算机具有极其强大的运算能力，可以解决电子计算机难以处理的问题；量子度量学可提供全新原理和方法以提高测量精度，迫近量子力学的海森堡极限，在导航、卫星定位、精密测量等方面将获得应用[4-5]。不过迄今为止人们所感受到的量子技术只是冰山一角，人类只应用到量子世界的部分基本知识，更深层次的量子特性还尚未可知。量子世界的奥秘有待人类一代又一代的挖掘下去，所以量子世界的奇妙性为后来的学者提供了探索创新的无限动力和源泉。

（二）  卓越的科学人物

量子力学的创立是一段充满传奇英雄和故事的令人心潮澎湃的历史，其中每个人物都值得后人去颂扬，每个艰难的突破都值得细细回味。量子力学是20世纪初由普朗克和玻尔等一大批物理学家共同创立的智慧结晶。下面简单回忆一下这些伟人的丰功伟绩，从中可以获得无限能量。

普朗克在物理学上最主要的贡献是在1900年提出著名的普朗克辐射公式，创立“能量子”概念，并引入普朗克常数，标志着物理学从“经典幼虫”变成“现代蝴蝶”。“能量子”的大胆假设源于他长久的刻苦工作和深入思考后的灵感。家喻户晓的爱因斯坦为人类作出了很多贡献，他勤奋好学，聪明睿智，不拘禁忌，革故鼎新。1905年爱因斯坦通过借用普朗克的“能量子”概念，引进“光量子”概念，完美地诠释了光电效应，為量子论提供了确凿的证据。爱因斯坦与玻尔关于量子力学长久的争论也引起更多人对量子力学的关注，玻尔在科学探索的道路上喜欢批判性思维，鼓励辩论的学术风格，他是量子力学的摆渡人，作为哥本哈根学派的代表人物，玻尔于1913年在卢瑟福有核模型的基础上建立起原子的量子理论，并提出了定态的概念，成功地解释了氢原子的光谱问题和原子的稳定性问题。法国贵族出身，却没有纨绔子弟习气的德布罗意一生勤奋好学，为人谦和。在人们认识到光具有波粒二象性后，德布罗意于1923年提出微观粒子具有“物质波”的假说，这一假说不久就为戴维森-革末的电子衍射实验（1927—1928年）所证实，德布罗意的理论无疑是大胆的创新，轰动了当时整个学术界。作为哥本哈根学派的另一位代表性人物海森堡提出了深具影响力的 “测不准原理”，它是对经典的决定论思想的一次重大挑战，它暗示着科学度量的能力在理论上存在某些局限性。他认为只有在实验室可观察的物理量才有意义，而测量这个操作是经典物体和量子物体之间的相互作用，不可避免地影响了被测量粒子的运动状态，因此产生了不确定性。由于运动轨道无法观测，于是他专注于电子跃迁，从光离散的辐射频率和强度的概念出发，创立了矩阵力学。1926年薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反应的认识，找到了微观体系的运动方程，从而建立起与矩阵力学等价的波动力学。薛定谔因为薛定谔方程和“薛定谔的猫”而闻名天下，他说过很多名言，其中一句是：“创造力最重要的不是发现前人未见的，而是在人人所见到的现象中想到前人所没有想到的。”他是个典型的书斋里的学者，拥有广博的知识和惊人的创造力，而且他始终保持着自己的国籍，保持着对祖国的一片浓浓的真情，被称为“奥地利的骄傲”。

从初等量子力学到相对论量子力学，从高等量子力学到量子电动力学，以及发展到描述各种基本微观粒子的量子化理论——量子场论[6-7]，量子力学的整个发展过程不是一帆风顺的，它有过很多挫折；也不是静态的，它是一个动态的不断发展的研究领域；因此深刻地了解每位科学家的故事，学习他们敢于突破传统观念的束缚和勇于开拓创新的科学精神，对当代青年学者具有重要的激励意义。

（三）  丰富的物理属性

纵观整个量子理论体系讲述的都是微观物质世界运动变化的基本道理。然而量子力学也是最不容易讲清楚道理的道理，因为量子力学的描述需要有足够的数理基础，然而最难理解的还不是它的数学外衣，尽管数学计算也相当复杂，最重要的是理解它的灵魂：物理动机、物理观念、物理思想、物理图像、物理本质、物理逻辑、物理分析、物理结论和物理意义等。量子力学中蕴含着诸多的物理属性，比如除了常说的波粒二象性、不确定性、全同性，还有丰富多彩的其他性质，比如，完备性、可观测、内禀非线性、相干叠加性、纠缠性和逻辑自洽性等等，这些物理属性交织衍生，演绎变幻，铸成量子力学独特的理论韵味[8]。量子力学的发展也极大地改变了人们对物质结构及其相互作用的认识，并且已经深入到应用物理学许多分支，也广泛地应用到化学、生物学、材料科学和信息科学等领域。所以在教学过程中，结合量子力学的物理属性、物理思想、物理逻辑及量子力学的发展过程，通过在每章节里巧妙地设计一些专题性问题的探讨，撇开繁琐的数学推导，着重谈谈量子力学中的“道”，比如怎样通过实验现象看到物理本质，怎样由宏观世界过渡到微观领域，怎样理解微观粒子的波粒二象性及不确定关系等；以便为初学量子力学的学生，以及对量子力学有兴趣的学生提供一点思考驰骋的空间，除了传授基础知识，也锻炼大家的思辨能力、加深认识、提高见识、活跃思维、增加学习兴趣和培养坚定的科学信念[9]。

二  课程思政融入量子力学教学的具体路径

明确课程的思政资源后，可以充分发挥课堂教学的作用，将这些思政资源纳入教学大纲、教学讲义、授课课件中，借助于多媒体、翻转课堂、微课等现代教学手段和教学方式，融入专业课程的教学过程中，切实做到教学目标与教学内容一致。这样才能将思政元素恰到好处地融入量子力学教学课堂中，潜移默化地引导学生，让学生自然而然地从内心接受课程思政的熏陶和教育，下面是课题组在课堂教学中拟采用的具体方案。

（一）  课程思政明确于教学大纲中

教学大纲是指每门学科的教学要求，通常是根据学科教学计划，明确规定一门课程的教学内容，其中包括这门课程的教学目的、任务、教学内容的范围、深度和结构、教学进度及教学法上的基本要求等。但旧版教学大纲很少涉及世界观和人生价值观等思政方面内容的明确要求。为了加强专业课程的思政教育，课题组在深入讨论并领悟课程思政内涵的基础上，将课程思政理念引入整个量子力学的教学过程当中，形成符合时代要求的新版教学大纲，其形式见表1。

（二）  课程思政实践于教学设计中

基于新的教学大纲，本课题组精心设计了教学内容，深度挖掘量子力学课程中的思政元素，将其恰当地融入到教学全过程，力争实现课程思政的目标。具体融入点见表2。

（三）  课程思政体现于教学考核中

教学效果评价是课程思政教育实施过程中的一个重要检验环节，而成绩评定方式在很大程度上会引导学生的学习行为和态度[10]。本课程拟采用多维评价方式，挖掘具有不同优势的学生，除了常规的期中期末考试，更多的是要进行过程性评价，比如进行随堂测试、课件制作比赛、优秀作业展评、挑战性练习及创新性活动的参与等，使多维度教学效果评价贯穿于整个教学过程中，激发学生的学习兴趣，取长补短，优势互补，并依据学生反馈信息及时调整教学活动和教学方法，真正做到教学相长。详细规则见表3。

三  结束语

总之，量子力学的发展向人们提供了一种新的关于自然界的思考方法和表述形式，而课程思政是新时代全新的育人方式，所以在量子力学教学过程中，冲破传统教学的藩篱，结合课程本身的特点精心设计适应新时代大学生的思政内容正式进行社会主义核心价值观教育，帮助学生树立正确的世界观、人生观、价值观。按照学生的培养计划和目标不断探索和调整人才培养新途径，使得课程思政理念真正落实到课程教学的全过程。通过合理设计课堂内容，使其能敏锐地捕捉和反映当下社会发展的新要求。一方面给学生讲授了专业知识；另一方面也培养了学生科学探索、科学研究的理性思维和优良的科学素养，从而使学生学会思考、选择，拥有信念、自由、责任；真正达到全程育人、全方位育人的教育目的。

参考文献：

[1] 把思想政治工作貫穿教育教学全过程 开创我国高等教育事业发展新层面[N].人民日报，2016-12-9（01）.

[2] 教育部关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200

603_462437.html.

[3] 龚一鸣.课程思政的知与行[J].中国大学教学，2021（5）：77-84.

[4] 郭光灿.来自量子世界的新技术[J].科学中国人，2011（12）：46-49.

[5] 郭光灿.量子十问之五 量子密码就是量子通信吗？[J].物理，2019，48（2）：110-112.

[6] 曹天元.上帝掷骰子吗？量子物理史话[M].北京：北京联合出版有限公司，2019.

[7] 曾谨言.量子力学：卷1[M].3版.北京：科学出版社，2001.

[8] 张永德.量子菜根谭[M].北京：清华大学出版社，2016.

[9] 张盈.量子力学思辨式教学初探[J].物理与工程，2022，32（4）：24-29.

[10] 陈保亚，余德江.知其师则知其学：多维成绩评定方式的迫切性与必要性[J].中国大学教学，2022（Z1）：9-14.