量子力学课程思政的解构与反思

闫丽娟

（广东海洋大学电子与信息工程学院,广东湛江 524088）

量子力学是物理学及其相关专业的核心课程之一，诞生于20世纪初期，研究的是物质世界微观粒子的运动规律，涉及原子、分子、凝聚态物质、原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，这门学科的出现彻底改变了人们对物质世界的认识[1]。基于此衍生出许多物理学分支，例如，原子物理学、量子物理学、固体物理学、核物理学、粒子物理学、量子化学等，其基本原理也应用到其他相关的学科。其出现影响到半导体工业、激光及核磁共振等领域，使物理学、工业和人类的生活发生了翻天覆地的变化，正在引发第四次工业技术革命。目前量子通信和量子计算机的研发正如火如荼地进行，若一个国家能够引领量子技术革命，那么就将跻身于世界科技强国之列。可见，量子力学的重要性不言而喻，在教学过程中恰当地融入思政元素不仅有益于培养学生的科学方法、科学精神、科学素养，也有益于坚定其攀登科学高峰的理想信念、厚植家国情怀。

一、量子力学课程思政改革理念

（一）基本教育理念的转变

在现行的人才培养理念下，教学是人才培养的直接环节，遵循“培养学生科学的世界观和方法论”的价值导向，在课堂教学与讨论中，聚焦量子物理的学术研究、科技前沿和热点。教学科研原本是一体的，结束常规的教学，即完成基本的专业课程知识传授，教师可提出一些较深层次的问题，引导学生更前、更深处挖掘、探索，拓展他们的抽象思维能力，加强培养其探索兴趣、科学方法、科学精神和科学素养。与其他课程相比，量子力学这门课程既抽象，又充满趣味性、挑战性，对学生科学观的培养具有得天独厚的优势。

因此，为学生深入思考提供有价值的科学问题，让学生对所学相关知识点进行深入的思考，教师在教学过程中要转变五个基本理念：教学理念从以教师为中心转变到以学生为中心；教学目的从传授知识为主转变为以发展能力为主；教学内容从单纯的知识体系到挖掘内部的问题逻辑；教学方式从教师讲解到学生探究，学生在教师的引导下自学，“带着学生走向知识”，摒弃传统的“带着知识走向学生”；学业评价亦从以知识水平为主转变到以运用能力为主[2]。哈佛大学荣誉校长路登庭就工作报告总结也提到：“大学的基本信念是，如果学生有根据自己的天赋和直觉作出选择的灵活性，他们将会对学习充满兴趣并孜孜以求。”

（二）课程结构解构与重构

传统的量子力学课程是从经典物理学开始，包括新的实验结果引发经典理论困难、新概念和新模型的提出与应用、量子力学理论框架的建立，以理论思维为主导，贯穿有大量繁琐的数学推导，使得学生对这门课程产生恐惧心理，感觉抽象、高深。尤其是存在大量的前提假设且似乎都与经典物理学及日常经验相悖，例如，解释氢原子结构的谱线时，玻尔假设电子在特定轨道运动时处于稳定状态，明显不符合经典电动力学的电子围绕原子核的加速运动，将会不断向外辐射能量等，导致学生在学习、理解量子力学的基本原理时非常吃力。著名物理学家理查德·费曼曾提到：“我想我可以有把握地说，没有人真正理解量子力学。”对这样一门理论性极强、假设性极多、难度极高又无比实用的学科，结合本校电科专业的培养方案、少学时条件（40学时）及学生自身基础情况，教师在实际的教学过程中避免了大量的数学推导，教学内容着重讲授以五个基本假设为主的概念和模型，且将量子力学的课程结构重构为新观念下的实验→量子理论→量子应用，开门见山，基于新实验，创新思维，更注重对学生量子世界观、科学观的培养。

二、量子力学课程思政的实施

秉承润物无声的思政元素融入理念，教师在课堂教学中始终将知识传授、创新能力培养和科学观塑造三者有机结合。然而，这三者的地位并不等同，专业培养目标的要求也不可能在一门课程中全部实现。量子力学课程思政构建的重点是依托其课程内容，聚焦理学类课程思政建设及专业培养目标，从质量和内涵挖掘思政元素，注重培养科学思维方法与科学伦理，帮助学生树立正确的科学观（科学方法、科学精神和科学素养），作为量子力学课程的灵魂，实现铸魂育人[3-4]。

（一）以科学研究背景为切入点

教师在授课的过程中，介绍科学发现、发明的背景，以科学家的科研故事、成长事迹潜移默化影响学生。科学发现、发明过程本身就蕴含着科学思路、科研方法、科研路径且充满曲折性和趣味性，可使学生在相对轻松的环境中学习，便于记忆、理解、吸收。然而，由于篇幅、结构和体系所限，一般量子力学教材只包含科学原理的基本概念、基本模型及定理，其模式可归纳为概念提出、数学推导、公式及原理证明、适用范围及应用举例。逻辑严谨、简洁扼要但过于偏重理性、缺少生活气息。若教师再完全按照教材进行授课，学生会感觉量子力学理论过于高大神圣、超凡脱俗、可望而不可及。

实际上，量子力学理论是科学家们基于实验现象、实验数据或理性思维，立足于时代条件，一步步探索出来的。量子力学发展中存在很多鼓舞人心的地方。物质波理论的创立者德布罗意曾因文学才华出众而在巴黎索邦大学主修历史，并获得文学学士学位。然而，在参加过关于光、辐射、量子性质等热点问题的前沿学术讨论后，他转向理论物理学的研究，进而获得巴黎大学物理学博士学位，并在博士论文中首次提出“物质波”概念，指出微粒的波粒二象性，即“一切物质粒子都具有粒子性和波动性，在一定条件下，表现出粒子性，在另一些条件下体现出波动性”。这样划时代的创新、大胆的理论设想曾导致其博士毕业困难，三年之后才由戴维逊、革末及汤姆逊的电子衍射实验所证实。这是理论先于实验的例子且由原本从事文学的科学家首先发现的。这对于一些入学未能考入理想专业，又犹豫不决、茫然的学生或许是一盏指路灯，激励其前行。

在量子力学教学的过程中穿插相关知识点及科研的研究背景、研究过程、生平事迹等，一方面，可以增强课堂的趣味性，提升学生的学习兴趣；另一方面，了解科学家的真实遭遇、科研过程，学生内心感受到科学原理来源于实验实践、科学研究和探索，有助于破除科研的神秘感，激发探索未知、追求真理的勇气，坚定探索未知、投身科学的决心，培养百折不挠的精神，达到内化于心，外化于行的科研育人目标。

（二）将思政元素融入教学内容

量子力学的理论框架由五个基本假设组成，分别是波函数、薛定谔方程、力学量、量子条件和全同性原理[5]。其中，波函数描述微观粒子运动状态，其随时间演化的规律遵从薛定谔方程；量子力学中的力学量用线性厄米算符表示。教师在教学的过程中，回顾经典力学中描述宏观物体运动状态用坐标、速度，运动状态变化的规律遵从的是牛顿第二定律，指出经典力学是量子力学的极限情况，依据对应原理，当普朗克常数h可忽略时，薛定谔方程过渡到牛顿方程。而从哈密顿原理出发，做正则变换，得到哈密顿-雅可比方程，将哈密顿特征函数应用于氢原子就是薛定谔方程。

教师从物理学科的逻辑性、思辨性及科学研究角度设计课程，解释量子力学的核心原理和思维方法，引领学生主动思考，逐渐使学生建立融宏观与微观于一体的科学观，培养学生从一般到特殊及特殊到一般的科学认知论，从维象推演到维理，总结科学体系（物理规律和理论）形成的过程与科学研究方法的建立，从而融会贯通、举一反三、触类旁通。“一个民族要想站在科学的最高峰，就一刻也不能没有理论思维。”理论思维仅仅是一种天赋能力，必须加以发展和锻炼这种能力。而量子力学这门课程中蕴含的科学方法、批判性思想、科学家追求真理打破桎梏的勇气，可从方法、精神及素养方面塑造学生科学观，铸魂育人。

（三）增强学生民族自信心，建立危机感和国家安全意识

教师可将前沿动态、科技进步引入到量子力学教学中去。以量子力学原理为基础的量子科技被誉为第四次工业革命的引擎，将引爆第四次工业革命。量子科技包括量子通信和量子计算两大领域。在量子通信方面，我们国家于2016年成功发射了墨子号量子卫星，在世界上首次实现了千公里量级的量子纠缠，标志着我们国家的量子通信向实用性迈出一大步。在量子计算方面，潘建伟团队于2017年构建世界上首台光量子计算原型机，超越了早期经典计算机（ENIAC）；于2020年，又成功构建76个光子的“九章”量子计算原型机，使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家，超越美国的谷歌量子计算优越性，使“量子霸权”的地位易主。就我国量子科技的巨大成就，美国加紧对我国量子科技的制裁。在2021年底，美国宣布制裁12家中企，其中8家涉及量子技术。将当代科研与国家量子科技方面的成就植入到量子力学的教学中，不仅使枯燥的量子力学课程更加有趣，也有益于打开学生的视野，激发其学习的积极性、主动性，也能提升学生的民族自豪感和危机感。

（四）多样化教学，培养主动学习的意识

教学是为了传承知识，但最终目的是探索未知。学生不应是知识的储藏器，教师应将其培养成为一个初级的研究者。“授之以鱼不如授之以渔，授人以鱼不如授人以渔。”互联网的崛起使得线上教学比统一内容、难度及进度的大规模集体教学更为灵活。线上线下混合式学习一定会成为教育的新常态[6]。发挥互联网独特优势，将线上线下的课程资源、学习内容、学习方式有效整合可提升学生的学习效果。线上教学的重心在“学”，而不是“教”，是在教的引导下自学。学生通过主动学习，获得必要的基础知识，课堂上在教师的指导下完成知识的内化及迁移，形成自己的知识架构，最大程度地发挥课堂教学效果，可进一步加深理解，培养思考能力。教师可定期开展座谈会，如每周或每两周一次小结，及时调整、规划、指导学生的学习，并依据学生的学习能力及基础的差异，因材施教，完善教学方式，以有利于不同层次学生的发展。

三、实施量子力学课程思政的必然性

课程思政与思政课程的核心内涵都是育人，但二者的侧重点不同。思想政治教育不应仅是思政课程的教育任务，而应是所有课程的教育责任。课程思政并不是简单的课程与思政之和或教学内容的增减或课程体系的调整，它是一种方法[7]。课程思政也不是对思政课程简单的补充，而是在专业背景的基础上对思政课程的深化，是让显性的思政课程内容与专业实习相融合、隐性贯彻、深入感知。专业课程教师与思政课程教师密切协作，同向同行，共同开展思想政治教育，达到内化于心，外化于行的教育目标。这些都是理念层面上的内容，同时也指明了课程实践的方向[8-9]。

量子力学专业课程的老师，要清晰地给自己的教学定位，正确把握二者的关系，既要认识到二者的本质联系，又要明确区分二者，充分发挥各自的思想政治教育功能和育人优势，形成协同效应，增强育人合力。在传授学生专业知识的同时将专业知识融入政治教育中，通过隐性育人与显性育人，课内育人与课外育人相结合的方式，将专业知识传授、人文精神及科学观培养有机融合，使学生热爱祖国、热爱人民、谦卑、感恩、社会责任感强、理想坚定、实事求是、崇尚真理、勇于拼搏，不辜负国家对青年人、大学生的期望要求，成为有理想、有本领、有担当的新时代中国青年。

四、结束语

全面推进课程思政建设是落实立德树人根本任务的战略举措。以思政课程为核心，其他各类课程与思政课程同向同行，是当前推动高校思想政治工作的重要途径，也是党和国家交给我们每位任课老师的重任。量子力学这门学科虽然出现得比较晚，但其发展中包含着大量有趣的思政元素。在教学过程中，知识传授的显性教育和思政教育的隐性教育相统一很容易实现。发明过程是反映认知规律的典型案例，充满趣味性、曲折性，教学中穿插讲解这些内容，有助于提升学生学习的兴趣、开阔视野，让学生以史为鉴，树立正确的科学观，进而实现对学生人生观、价值观的引领。