量子力学通识课程教学实践与思考

扬州大学物理科学与技术学院 许亚芳 席 斌 刘拥军

量子力学是科学史上一次伟大的革命。量子力学一直以晦涩难懂而闻名，量子力学的创始人之一玻尔曾说过：“如果你对量子力学不感到困惑，说明你根本不理解量子力学。”但就是这样一门晦涩难懂的学科，却促进了当前许多科学技术的进步，无论是晶体管的发展、激光技术的应用，还是磁存储设备的不断扩展，都离不开量子力学，量子力学可以说是所有电子设备的基石。量子技术不仅使人类进入全新的量子信息化时代，在推动人类社会文明进步方面也起着关键性作用。

一、课程面向对象和特点

经过调研，我们发现一些农科、医科或者工科的学生除了大学物理课程以外，很少有机会接触更深入的物理学知识。而对于教育学、文学等文科专业或者美术、音乐等艺术专业的学生而言，大学期间都没有开设大学物理这门课程，更是没有机会了解科学技术在物理方面的发展。在全国高等教育通识课程中，人文社科类通识课程占有绝对优势比重。随着我国高校通识课程的快速变革，培养全方位的高素质人才成为首要任务，所以让更多的学生了解量子科技是很有必要的。量子力学通识课程是面向全校有一定高中物理基础的学生开设的公共选修类课程，但也正是由于学生范围的扩大，学生的数学和物理基础参差不齐，为讲授量子力学课程带来了一定的困难。所以，如何通俗而又不涉及一些复杂的数学推导来讲解量子力学的一些概念，是课程教学最大的挑战。

课程以讲授为主，多媒体教学为辅，以量子力学的发展和量子技术的应用为主要内容，采取启发式教学法、问题教学法和探究式教学法等手段将枯燥的量子力学知识转化为形象有趣的科学问题，利用师生互动与生生互动等方法带动课堂，对物理知识进行拓展和延伸。课程旨在让学生了解量子科学技术对社会发展的重要影响，建立学生对量子世界的科学认知，培养正确的科学观和价值观。

二、课程教学内容和教学方式的调整

量子力学一直以来都是物理学相关理科或工科专业的必修课程，理工科专业的学生所学习的内容从量子力学的诞生到薛定谔方程求解，从一维定态问题再到力学量随时间的演化，所涉及的物理概念更加深奥，对高等数学与数理方法的解析推导要求也更高。在量子力学通识课程的讲解中，我们要强化物理概念，淡化甚至忽略数学推导，着重学生逻辑思维的培养，所以在讲授的过程中，内容要有选择性地进行删减或者重构。以扬州大学量子力学通识课程为例，该课程大概分为三个主要部分，第一部分为量子力学的发展简史，第二部分为量子力学的基本概念，第三部分为量子力学在当前科技发展中的应用。

（一）通过量子力学发展史，培养学生严谨的科学态度

在讲授过程中，我们发现学生对于一些物理科学家如何攻克难题、取得最终成果非常感兴趣。回顾量子力学的整个创立过程，每一个突破背后都是一段传奇的英雄史，都可以让人心潮澎湃，回味无穷。例如，出生于知识分子家庭的普朗克在解释黑体辐射时，引入量子化概念，无意间推开了量子世界的大门；天赋异禀的爱因斯坦随后利用光量子化的概念解释了光电效应，将量子力学的大门彻底推开；24 岁的海森堡勇敢地突破旧的量子理论，另辟蹊径，创立了矩阵力学；薛定谔则在另外一条和海森堡完全平行的思路上，创立了波动力学，每一段历史都让我们不得不感慨物理学家思想的伟大和神奇。从这些物理学家不同的家庭背景与人生经历中，我们可以发现，每一个人的成功都没有固定的模式，但他们每一个人都具有锲而不舍、刨根问底和敢于突破的精神。因此，我们要抓住每一个成果背后的主要矛盾，让学生的兴趣大于他们对于这门课的认知难度，引导他们学习物理学家严谨的科学态度。通过这部分的讲授，学生在以后的研究或者工作中，能够有毅力克服困难，像这些物理学家一样勇于突破，即达到了这部分内容的教育目的和思政目的。

在量子力学发展史课程内容中，由于物理概念相对较少，故事性较强，学生也比较好理解，我们会不定期开展小组讨论。现在处于一个高度信息化的时代，学生可以自行搜索一些有趣的知识，对物理学家探索的过程进行多想、多思考、多体会。在上课的过程中会发现，这些非物理专业的学生参与积极性非常高，很愿意分享一些物理学家有趣的小故事，从而加深学生对某位物理学家的认识和了解。这种互动方式不仅可以发挥学生的主观能动性，还可以活跃课堂气氛。

（二）利用类比、举例等方法，激发学生求知欲望

较难的部分是对于量子力学理论框架的构建，这一部分会涉及量子力学最基本的原理，比如量子力学中的量子性、不确定性、态叠加原理、随机性以及全同性等。在这个过程中，理工科专业的学生往往由于很多物理概念的理解、数学的推导、考试分数的高低，会给自己比较大的压力。相反地，在通识课程中，我们可以引导学生把这个作为自己的兴趣爱好来提高他们的积极性，不要用理工科学生的标准来要求每一位选课的学生，但要正视学生在学习过程中的每一个困惑，让学生体会到量子力学和经典力学的区别。例如，在讲解海森堡不确定性原理的时候，可以把课堂上的每一个学生和微观粒子做比较。学生在上课的时候，位置是确定的，速度也是确定的，即为零，而在量子世界中，一个粒子是不可能同时具有完全确定的速度和位置的，但我们为什么感受不到海森堡不确定性原理呢？因为我们在宏观世界中对位置和速度的测量在原子尺度内还非常不精确。在讲授过程中，教师可以多运用举例，将量子世界和经典世界做比较，让学生切实地感受到我们存在的宏观世界和微观世界的区别。这种类比的方式可以引导学生进行探索，激发学生的求知欲。我们还可以在PPT 制作过程中插入一些漫画，比如薛定谔猫、波尔—爱因斯坦的骰子之争等，将枯燥的物理过程和概念图像化，将物理问题展现得更加有趣。

（三）讲述我国量子科技的进步，激发学生民族自豪感

我们在日常生活中，每时每刻都会感受到科学技术的进步，我国科学家在量子科技方面的研究更是实现了从“起步”“追赶”到若干领域“领跑”的迅猛发展。例如，2015 年，潘建伟院士团队的多自由度“量子传态研究”被英国物理学会评为“全球十大科学突破”榜首；2018 年，郭光灿院士团队在国际上首次实现了半导体中的三量子比特逻辑门操控，为我国研制半导体量子芯片奠定了坚实的基础。在第三部分内容中，除了让学生了解中国科学技术的进步之外，还可以增强学生的民族自豪感，使其树立正确的人生观和价值观。在这部分内容讲授中，我们可以引入网络上一些优秀的科普性视频，例如墨子号卫星的发射、量子纠缠、量子通信等，通过这种方式激发学生的好奇心，为枯燥的量子力学课程增加一些趣味。在课后，为了增进与学生的交流和沟通，我们可以建立微信群、QQ 群，方便及时解答学生课后遇到的问题，同时也可以随时随地分享一些公众号的科普文章，拓宽学生的眼界。

三、考核方式的改进

由于该课程属于公共选修课，学生的水平参差不齐，考核方式也有所调整，其中平时成绩占50%，期末成绩占50%。平时成绩主要由出勤情况和课堂表现构成，课堂表现则主要体现在小组讨论、积极表达观点等方面。期末成绩则主要以小论文的形式进行考核，学生可以根据授课内容查阅相关的文献资料进行撰写，选题需要与量子物理相关，例如“量子态及其理解”“量子计算机及其优越性”“量子科技改变生活”“中国科学家在量子科技领域的贡献”等。这种方式除了可以加深学生对量子世界的认识，发挥其能动性，还可以培养学生撰写科技论文的能力，为之后的科学研究打下基础。

量子力学是当前科技发展的重要基础，量子力学通识课程不仅可以拓宽不同专业领域学生的科学视角，还可以培养学生严谨的科学态度。我们希望能够通过不断实践和摸索来提高教学质量，让每一位学生都能切身感受量子物理的魅力，让他们有机会领略和自己专业课完全不同的知识，将量子世界的神奇之处通过通识课的方式传递给每一位感兴趣的学生，增强学生的创新意识和创新思维，帮助学生建立对量子世界新思想、新发现和新技术方面的认知。