新工科背景下高等量子力學的課程建設

蓋彥峰，田廣軍，牟從普

（燕山大學理學院 河北 秦皇島 066004）

新工科教育倡導培養(yǎng)具備跨學科能力、實踐導向和創(chuàng)新思維的工程人才，以應對復雜的現(xiàn)實問題和科技挑戰(zhàn)[1]。量子技術作為新工科領域的熱點之一，對高等教育也提出了更高的要求[2]。高等量子力學作為量子技術的基礎和核心課程，亟須進行課程建設的更新和改進，以適應新工科時代的需求。

新工科注重跨學科的整合和應用，旨在培養(yǎng)具備多學科背景和綜合能力的工程師和科學家。在這種背景下，高等量子力學是指將傳統(tǒng)的量子力學理論與新興的工程和技術領域相結合的研究領域：①量子計算和量子信息科學。高等量子力學可以應用于設計和實現(xiàn)量子計算機、量子算法的開發(fā)、量子通信和量子密碼學等領域。②量子材料和納米技術。通過研究和理解材料的量子行為，可以設計和合成具有特定性質的新型材料，如量子點、量子線、量子阱等，用于電子器件、傳感器、能源儲存等應用。③量子光學和量子傳感器。量子光學研究基于量子力學的光子行為，利用量子糾纏和干涉等現(xiàn)象實現(xiàn)更高靈敏度的測量。④量子仿真和優(yōu)化。利用量子計算機或其他模擬器對復雜的物理系統(tǒng)進行模擬和優(yōu)化，例如材料科學中的量子材料設計、化學反應的模擬、優(yōu)化和催化劑設計等。隨著時間的推移，科學技術的進一步進展，我們將會看到更多新工科領域與量子力學的交叉與融合。

1 傳統(tǒng)高等量子力學課程的問題分析

1.1 缺乏跨學科融合，無法與其他學科進行有機結合

傳統(tǒng)高等量子力學課程通常集中于量子力學的理論和數(shù)學基礎，而較少涉及其他學科的內(nèi)容，可能忽視了與量子力學相關的其他學科領域的融合，如計算機科學、電子工程、材料科學等。并且缺乏與其他學科領域結合的實際應用案例，這導致學生在應用高等量子力學的實際工程問題和技術領域時難以將其與其他學科結合，限制了他們的綜合應用能力發(fā)展。此外，傳統(tǒng)高等量子力學課程的教師往往只具有物理學或相關領域的專業(yè)背景，缺乏其他學科領域的知識，這可能導致其教學內(nèi)容過于專業(yè)化，難以涵蓋跨學科融合的廣泛內(nèi)容。

1.2 缺乏實踐導向，學生難以將理論知識應用于解決實際問題

傳統(tǒng)高等量子力學課程通常側重于教授量子力學的理論概念、數(shù)學推導和基本原理，而較少關注實際應用和實驗技術。理論重于實踐導致學生在課堂上只是被動學習，缺乏實踐中積極參與的機會。而且量子力學實驗往往需要復雜的設備和專門的實驗室條件，這使得許多學校無法為學生提供充分的實驗實踐環(huán)節(jié)。因此，學生無法親自觀察和操作與量子力學相關的實驗現(xiàn)象，缺乏直接的實踐體驗。此外，高等量子力學的計算機模擬可以幫助學生更好地理解量子系統(tǒng)的行為和特性，但傳統(tǒng)課程往往未提供相關的計算機工具和指導。

1.3 缺乏創(chuàng)新思維的培養(yǎng)

傳統(tǒng)高等量子力學課程通常重視理論，將重點放在學生對現(xiàn)有理論的理解和應用上。這可能導致學生缺乏創(chuàng)新思維，因為他們過多地關注于掌握已有的知識，而缺乏對新思路和方法的探索?；谝阎睦碚摵湍Ｐ?，學生只需要套用已有的知識進行計算和分析，限制了學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，他們很少面臨真正具有挑戰(zhàn)性和啟發(fā)性的問題，缺乏自主思考和探索的機會。在傳統(tǒng)課程教學中，學生往往是獨立學習和思考，缺乏與同學和教師的交流和合作機會。創(chuàng)新思維往往是通過與他人的討論和合作而得到啟發(fā)和發(fā)展，缺乏這樣的機會可能限制了學生創(chuàng)新潛能的發(fā)揮。

2 新工科背景下高等量子力學課程建設要素

在新工科背景下，為了解決傳統(tǒng)高等量子力學課程的這些問題，幫助學生更好地理解量子力學的實際應用，培養(yǎng)他們在實踐中運用量子力學知識的能力，高等量子力學課程建設需要注重跨學科融合和實踐導向。

首先，在高等量子力學課程中引入涉及其他學科的跨學科模塊，如量子計算、量子通信、量子材料等，這有助于學生理解量子力學在不同學科領域的應用。組建跨學科的教師團隊，包括物理學、化學、計算機學、材料學等，以確保課程內(nèi)容充分涵蓋多個學科領域，促進不同學科教師之間的合作與交流，共同開發(fā)和教授跨學科的高等量子力學課程，將量子力學概念與其他學科的應用相結合。提供與其他學科領域相關的實際應用案例，讓學生將量子力學的概念與實際問題相結合，培養(yǎng)其跨學科解決問題的能力。鼓勵學生參與跨學科的研究項目，與其他學科的學生合作，應用量子力學的知識共同解決實際問題。

其次，引入實驗和實踐環(huán)節(jié)，為學生提供機會參與量子實驗的實際操作，或者通過虛擬實驗和計算機來模擬量子現(xiàn)象和實驗過程。培養(yǎng)學生在實踐中所需的技能，以更好地應用量子力學理論于實際問題的解決。建立與工業(yè)界的合作項目，讓學生參與實際的量子技術研發(fā)和應用項目以獲得實踐經(jīng)驗和了解工業(yè)實際需求。

最后，設計具有啟發(fā)性和挑戰(zhàn)性的問題，鼓勵學生獨立思考、提出新的觀點和解決方案，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和批判性思維。組織學生間的討論、合作和團隊項目，通過交流和合作激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，并從不同角度和觀點中獲得靈感和啟發(fā)。引入實際的創(chuàng)新案例和應用實踐，讓學生了解量子力學在實際應用中的創(chuàng)新和挑戰(zhàn)，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識和實踐能力。教師也應從傳統(tǒng)的知識傳授者轉變?yōu)榇龠M學生創(chuàng)新思維和問題解決能力的引導者和指導者。教師應鼓勵學生提出問題、探索解決方案，并提供必要的支持和反饋。

通過這些措施，傳統(tǒng)高等量子力學課程可以更好地實現(xiàn)跨學科融合，培養(yǎng)具備綜合應用能力和跨學科視野的專業(yè)人才，可以更好地提升高等量子力學課程的實踐導向。學生可以獲得更全面的跨學科教育，更好地理解和應用高等量子力學在不同學科領域中的實際應用。這有助于培養(yǎng)具備跨學科視野和能力的專業(yè)人才，推動科學與技術的交叉創(chuàng)新。

3 新工科背景下的高等量子力學教學改革

將實踐與理論相結合，注重實踐導向的教學方法，為學生提供實驗實踐的機會，讓他們親自操作量子實驗設備、觀察和測量量子現(xiàn)象，從而深化對量子力學概念的理解。這可以通過實驗室實踐、模擬實驗、計算機模擬等方式實現(xiàn)。將量子力學與其他學科融合，例如計算機科學、材料科學、光學等。教授量子計算、量子通信、量子材料等跨學科內(nèi)容，讓學生了解量子力學在不同領域的應用，促進創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。引入項目驅動學習，讓學生在團隊中解決實際問題，將量子力學知識應用于工程、計算機科學、材料科學等領域的實際挑戰(zhàn)。這可以幫助學生將所學的理論知識與實際問題相連接，培養(yǎng)解決復雜問題和創(chuàng)新思維的能力。結合虛擬實驗和模擬工具，讓學生通過計算機模擬和可視化，探索復雜量子系統(tǒng)的行為和特性，從而加深對量子力學的理解。引入實際應用案例和相關問題，通過案例分析和討論，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和批判性思維。學生可以探討現(xiàn)有技術的局限性，提出改進方案，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。通過討論和合作學習，促進學生之間的交流和思想碰撞，培養(yǎng)批判性思維和創(chuàng)新思維。可以組織小組討論、研討會、項目展示等活動[3]，讓學生分享和交流他們的想法和成果。鼓勵學生進行自主探索和發(fā)現(xiàn)，提供學習資源和指導，給予學生一定的自由度和創(chuàng)造空間，激發(fā)學生的好奇心和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)他們的探索和實踐能力。提供導師指導和合作機會，讓學生與專業(yè)人士合作，參與真實的研究項目或工程項目。通過與導師的互動和合作，學生可以獲得實踐經(jīng)驗，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和解決問題的能力。

這些教學方法使高等量子力學課程更好地適應新工科背景，可以幫助學生更好地理解和應用量子力學的知識，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維和實踐能力，將所學的理論知識應用于實際問題的解決，并促進跨學科融合，以應對新工科背景下的挑戰(zhàn)。同時，鼓勵學生自主探索和實踐，提供實踐導向的學習環(huán)境，使其成為具有創(chuàng)新意識和實踐能力的工科專業(yè)人才。

4 高等量子力學課程建設展望

高等量子力學課程在未來的發(fā)展中，有幾個關鍵的展望和趨勢：①融合前沿研究[4-5]：量子力學是一個快速發(fā)展的領域，新的理論和實驗研究不斷涌現(xiàn)。未來的高等量子力學課程應該緊跟前沿研究進展，將最新的理論和實驗結果納入教學內(nèi)容，讓學生能夠了解和理解最新的科學進展。②強調應用和技術：量子技術的發(fā)展正迅猛推進，包括量子計算、量子通信、量子傳感等領域。高等量子力學課程應該強調將量子力學理論應用于實際問題和技術開發(fā)中，培養(yǎng)學生在量子技術領域的應用能力和創(chuàng)新能力。③實踐導向教學：傳統(tǒng)的理論課程應更加注重實踐導向的教學方法。通過實驗實踐、計算機模擬、實際項目等方式，讓學生親自參與量子力學的實踐，從而深入理解和應用量子力學的概念和原理。④跨學科融合：量子力學在許多不同領域都有著廣泛應用，包括計算機科學、材料科學、光學等。未來的高等量子力學課程應該加強與其他學科的融合，培養(yǎng)學生的跨學科思維和解決復雜問題的能力。⑤強化創(chuàng)新思維培養(yǎng)：創(chuàng)新是推動科學和技術進步的重要動力。高等量子力學課程應該注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力，鼓勵學生思考和探索新的研究方向和應用領域。⑥創(chuàng)新教學方法：引入創(chuàng)新的教學方法和教學技術，如虛擬實驗室、在線模擬工具、互動式學習平臺等。這些方法可以增強學生的參與度和學習動力，提供更多樣化的學習體驗。⑦行業(yè)導向：將高等量子力學課程與實際行業(yè)需求相結合，注重培養(yǎng)學生在相關行業(yè)中的應用能力。與行業(yè)合作，開展實際案例研究和實習項目，使學生能夠更好地應對未來的工作挑戰(zhàn)。⑧自主學習和持續(xù)學習：高等量子力學課程將鼓勵學生發(fā)展自主學習和持續(xù)學習的能力。量子力學作為一門前沿科學，不斷發(fā)展演進。培養(yǎng)學生的自主學習能力，使他們能夠跟隨科學進展并不斷更新知識。⑨引入倫理和社會影響：量子技術的發(fā)展也帶來了倫理和社會影響的問題，例如隱私保護、安全性等。高等量子力學課程應該引入倫理和社會影響的討論，讓學生意識到科學發(fā)展對社會的影響，并培養(yǎng)他們的倫理意識和社會責任感。綜上所述，未來的高等量子力學課程建設應該與前沿研究接軌，強調應用和技術，注重實踐導向教學，融合跨學科知識，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，關注倫理和社會影響。這樣的課程將為學生提供更豐富的學習體驗，幫助他們在量子領域取得更好的理解和應用能力，為量子科學和技術的發(fā)展做出貢獻。

5 結語

新工科背景下的高等量子力學課程建設面臨著諸多機遇和挑戰(zhàn)。通過跨學科融合、實踐導向和創(chuàng)新思維培養(yǎng)等關鍵要素的引入，以及項目式學習、虛擬實驗和在線開放課程等教學方法的應用，可以有效地提高高等量子力學課程的質量和教學效果。未來的發(fā)展中，應注重前沿領域內(nèi)容的融入，與產(chǎn)業(yè)需求緊密結合，不斷推動高等量子力學課程建設的創(chuàng)新與發(fā)展。