量子力學(xué)課程思政的解構(gòu)與反思

閆麗娟

（廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,廣東湛江 524088）

量子力學(xué)是物理學(xué)及其相關(guān)專(zhuān)業(yè)的核心課程之一，誕生于20世紀(jì)初期，研究的是物質(zhì)世界微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，涉及原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)、原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論，這門(mén)學(xué)科的出現(xiàn)徹底改變了人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)[1]?；诖搜苌鲈S多物理學(xué)分支，例如，原子物理學(xué)、量子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)、粒子物理學(xué)、量子化學(xué)等，其基本原理也應(yīng)用到其他相關(guān)的學(xué)科。其出現(xiàn)影響到半導(dǎo)體工業(yè)、激光及核磁共振等領(lǐng)域，使物理學(xué)、工業(yè)和人類(lèi)的生活發(fā)生了翻天覆地的變化，正在引發(fā)第四次工業(yè)技術(shù)革命。目前量子通信和量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)正如火如荼地進(jìn)行，若一個(gè)國(guó)家能夠引領(lǐng)量子技術(shù)革命，那么就將躋身于世界科技強(qiáng)國(guó)之列?？梢?jiàn)，量子力學(xué)的重要性不言而喻，在教學(xué)過(guò)程中恰當(dāng)?shù)厝谌胨颊夭粌H有益于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)方法、科學(xué)精神、科學(xué)素養(yǎng)，也有益于堅(jiān)定其攀登科學(xué)高峰的理想信念、厚植家國(guó)情懷。

一、量子力學(xué)課程思政改革理念

（一）基本教育理念的轉(zhuǎn)變

在現(xiàn)行的人才培養(yǎng)理念下，教學(xué)是人才培養(yǎng)的直接環(huán)節(jié)，遵循“培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的世界觀和方法論”的價(jià)值導(dǎo)向，在課堂教學(xué)與討論中，聚焦量子物理的學(xué)術(shù)研究、科技前沿和熱點(diǎn)。教學(xué)科研原本是一體的，結(jié)束常規(guī)的教學(xué)，即完成基本的專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)傳授，教師可提出一些較深層次的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生更前、更深處挖掘、探索，拓展他們的抽象思維能力，加強(qiáng)培養(yǎng)其探索興趣、科學(xué)方法、科學(xué)精神和科學(xué)素養(yǎng)。與其他課程相比，量子力學(xué)這門(mén)課程既抽象，又充滿趣味性、挑戰(zhàn)性，對(duì)學(xué)生科學(xué)觀的培養(yǎng)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

因此，為學(xué)生深入思考提供有價(jià)值的科學(xué)問(wèn)題，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行深入的思考，教師在教學(xué)過(guò)程中要轉(zhuǎn)變五個(gè)基本理念：教學(xué)理念從以教師為中心轉(zhuǎn)變到以學(xué)生為中心；教學(xué)目的從傳授知識(shí)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐园l(fā)展能力為主；教學(xué)內(nèi)容從單純的知識(shí)體系到挖掘內(nèi)部的問(wèn)題邏輯；教學(xué)方式從教師講解到學(xué)生探究，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下自學(xué)，“帶著學(xué)生走向知識(shí)”，摒棄傳統(tǒng)的“帶著知識(shí)走向?qū)W生”；學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)亦從以知識(shí)水平為主轉(zhuǎn)變到以運(yùn)用能力為主[2]。哈佛大學(xué)榮譽(yù)校長(zhǎng)路登庭就工作報(bào)告總結(jié)也提到：“大學(xué)的基本信念是，如果學(xué)生有根據(jù)自己的天賦和直覺(jué)作出選擇的靈活性，他們將會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)充滿興趣并孜孜以求?！?/p>

（二）課程結(jié)構(gòu)解構(gòu)與重構(gòu)

傳統(tǒng)的量子力學(xué)課程是從經(jīng)典物理學(xué)開(kāi)始，包括新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果引發(fā)經(jīng)典理論困難、新概念和新模型的提出與應(yīng)用、量子力學(xué)理論框架的建立，以理論思維為主導(dǎo)，貫穿有大量繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，使得學(xué)生對(duì)這門(mén)課程產(chǎn)生恐懼心理，感覺(jué)抽象、高深。尤其是存在大量的前提假設(shè)且似乎都與經(jīng)典物理學(xué)及日常經(jīng)驗(yàn)相悖，例如，解釋氫原子結(jié)構(gòu)的譜線時(shí)，玻爾假設(shè)電子在特定軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，明顯不符合經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的電子圍繞原子核的加速運(yùn)動(dòng)，將會(huì)不斷向外輻射能量等，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)、理解量子力學(xué)的基本原理時(shí)非常吃力。著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼曾提到：“我想我可以有把握地說(shuō)，沒(méi)有人真正理解量子力學(xué)?！睂?duì)這樣一門(mén)理論性極強(qiáng)、假設(shè)性極多、難度極高又無(wú)比實(shí)用的學(xué)科，結(jié)合本校電科專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)方案、少學(xué)時(shí)條件（40學(xué)時(shí)）及學(xué)生自身基礎(chǔ)情況，教師在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中避免了大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，教學(xué)內(nèi)容著重講授以五個(gè)基本假設(shè)為主的概念和模型，且將量子力學(xué)的課程結(jié)構(gòu)重構(gòu)為新觀念下的實(shí)驗(yàn)→量子理論→量子應(yīng)用，開(kāi)門(mén)見(jiàn)山，基于新實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新思維，更注重對(duì)學(xué)生量子世界觀、科學(xué)觀的培養(yǎng)。

二、量子力學(xué)課程思政的實(shí)施

秉承潤(rùn)物無(wú)聲的思政元素融入理念，教師在課堂教學(xué)中始終將知識(shí)傳授、創(chuàng)新能力培養(yǎng)和科學(xué)觀塑造三者有機(jī)結(jié)合。然而，這三者的地位并不等同，專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求也不可能在一門(mén)課程中全部實(shí)現(xiàn)。量子力學(xué)課程思政構(gòu)建的重點(diǎn)是依托其課程內(nèi)容，聚焦理學(xué)類(lèi)課程思政建設(shè)及專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，從質(zhì)量和內(nèi)涵挖掘思政元素，注重培養(yǎng)科學(xué)思維方法與科學(xué)倫理，幫助學(xué)生樹(shù)立正確的科學(xué)觀（科學(xué)方法、科學(xué)精神和科學(xué)素養(yǎng)），作為量子力學(xué)課程的靈魂，實(shí)現(xiàn)鑄魂育人[3-4]。

（一）以科學(xué)研究背景為切入點(diǎn)

教師在授課的過(guò)程中，介紹科學(xué)發(fā)現(xiàn)、發(fā)明的背景，以科學(xué)家的科研故事、成長(zhǎng)事跡潛移默化影響學(xué)生?？茖W(xué)發(fā)現(xiàn)、發(fā)明過(guò)程本身就蘊(yùn)含著科學(xué)思路、科研方法、科研路徑且充滿曲折性和趣味性，可使學(xué)生在相對(duì)輕松的環(huán)境中學(xué)習(xí)，便于記憶、理解、吸收。然而，由于篇幅、結(jié)構(gòu)和體系所限，一般量子力學(xué)教材只包含科學(xué)原理的基本概念、基本模型及定理，其模式可歸納為概念提出、數(shù)學(xué)推導(dǎo)、公式及原理證明、適用范圍及應(yīng)用舉例。邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、簡(jiǎn)潔扼要但過(guò)于偏重理性、缺少生活氣息。若教師再完全按照教材進(jìn)行授課，學(xué)生會(huì)感覺(jué)量子力學(xué)理論過(guò)于高大神圣、超凡脫俗、可望而不可及。

實(shí)際上，量子力學(xué)理論是科學(xué)家們基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或理性思維，立足于時(shí)代條件，一步步探索出來(lái)的。量子力學(xué)發(fā)展中存在很多鼓舞人心的地方。物質(zhì)波理論的創(chuàng)立者德布羅意曾因文學(xué)才華出眾而在巴黎索邦大學(xué)主修歷史，并獲得文學(xué)學(xué)士學(xué)位。然而，在參加過(guò)關(guān)于光、輻射、量子性質(zhì)等熱點(diǎn)問(wèn)題的前沿學(xué)術(shù)討論后，他轉(zhuǎn)向理論物理學(xué)的研究，進(jìn)而獲得巴黎大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位，并在博士論文中首次提出“物質(zhì)波”概念，指出微粒的波粒二象性，即“一切物質(zhì)粒子都具有粒子性和波動(dòng)性，在一定條件下，表現(xiàn)出粒子性，在另一些條件下體現(xiàn)出波動(dòng)性”。這樣劃時(shí)代的創(chuàng)新、大膽的理論設(shè)想曾導(dǎo)致其博士畢業(yè)困難，三年之后才由戴維遜、革末及湯姆遜的電子衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。這是理論先于實(shí)驗(yàn)的例子且由原本從事文學(xué)的科學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)的。這對(duì)于一些入學(xué)未能考入理想專(zhuān)業(yè)，又猶豫不決、茫然的學(xué)生或許是一盞指路燈，激勵(lì)其前行。

在量子力學(xué)教學(xué)的過(guò)程中穿插相關(guān)知識(shí)點(diǎn)及科研的研究背景、研究過(guò)程、生平事跡等，一方面，可以增強(qiáng)課堂的趣味性，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；另一方面，了解科學(xué)家的真實(shí)遭遇、科研過(guò)程，學(xué)生內(nèi)心感受到科學(xué)原理來(lái)源于實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、科學(xué)研究和探索，有助于破除科研的神秘感，激發(fā)探索未知、追求真理的勇氣，堅(jiān)定探索未知、投身科學(xué)的決心，培養(yǎng)百折不撓的精神，達(dá)到內(nèi)化于心，外化于行的科研育人目標(biāo)。

（二）將思政元素融入教學(xué)內(nèi)容

量子力學(xué)的理論框架由五個(gè)基本假設(shè)組成，分別是波函數(shù)、薛定諤方程、力學(xué)量、量子條件和全同性原理[5]。其中，波函數(shù)描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其隨時(shí)間演化的規(guī)律遵從薛定諤方程；量子力學(xué)中的力學(xué)量用線性厄米算符表示。教師在教學(xué)的過(guò)程中，回顧經(jīng)典力學(xué)中描述宏觀物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用坐標(biāo)、速度，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的規(guī)律遵從的是牛頓第二定律，指出經(jīng)典力學(xué)是量子力學(xué)的極限情況，依據(jù)對(duì)應(yīng)原理，當(dāng)普朗克常數(shù)h可忽略時(shí)，薛定諤方程過(guò)渡到牛頓方程。而從哈密頓原理出發(fā)，做正則變換，得到哈密頓-雅可比方程，將哈密頓特征函數(shù)應(yīng)用于氫原子就是薛定諤方程。

教師從物理學(xué)科的邏輯性、思辨性及科學(xué)研究角度設(shè)計(jì)課程，解釋量子力學(xué)的核心原理和思維方法，引領(lǐng)學(xué)生主動(dòng)思考，逐漸使學(xué)生建立融宏觀與微觀于一體的科學(xué)觀，培養(yǎng)學(xué)生從一般到特殊及特殊到一般的科學(xué)認(rèn)知論，從維象推演到維理，總結(jié)科學(xué)體系（物理規(guī)律和理論）形成的過(guò)程與科學(xué)研究方法的建立，從而融會(huì)貫通、舉一反三、觸類(lèi)旁通?！耙粋€(gè)民族要想站在科學(xué)的最高峰，就一刻也不能沒(méi)有理論思維?！崩碚撍季S僅僅是一種天賦能力，必須加以發(fā)展和鍛煉這種能力。而量子力學(xué)這門(mén)課程中蘊(yùn)含的科學(xué)方法、批判性思想、科學(xué)家追求真理打破桎梏的勇氣，可從方法、精神及素養(yǎng)方面塑造學(xué)生科學(xué)觀，鑄魂育人。

（三）增強(qiáng)學(xué)生民族自信心，建立危機(jī)感和國(guó)家安全意識(shí)

教師可將前沿動(dòng)態(tài)、科技進(jìn)步引入到量子力學(xué)教學(xué)中去。以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)的量子科技被譽(yù)為第四次工業(yè)革命的引擎，將引爆第四次工業(yè)革命。量子科技包括量子通信和量子計(jì)算兩大領(lǐng)域。在量子通信方面，我們國(guó)家于2016年成功發(fā)射了墨子號(hào)量子衛(wèi)星，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了千公里量級(jí)的量子糾纏，標(biāo)志著我們國(guó)家的量子通信向?qū)嵱眯赃~出一大步。在量子計(jì)算方面，潘建偉團(tuán)隊(duì)于2017年構(gòu)建世界上首臺(tái)光量子計(jì)算原型機(jī)，超越了早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)（ENIAC）；于2020年，又成功構(gòu)建76個(gè)光子的“九章”量子計(jì)算原型機(jī)，使我國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家，超越美國(guó)的谷歌量子計(jì)算優(yōu)越性，使“量子霸權(quán)”的地位易主。就我國(guó)量子科技的巨大成就，美國(guó)加緊對(duì)我國(guó)量子科技的制裁。在2021年底，美國(guó)宣布制裁12家中企，其中8家涉及量子技術(shù)。將當(dāng)代科研與國(guó)家量子科技方面的成就植入到量子力學(xué)的教學(xué)中，不僅使枯燥的量子力學(xué)課程更加有趣，也有益于打開(kāi)學(xué)生的視野，激發(fā)其學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，也能提升學(xué)生的民族自豪感和危機(jī)感。

（四）多樣化教學(xué)，培養(yǎng)主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)

教學(xué)是為了傳承知識(shí)，但最終目的是探索未知。學(xué)生不應(yīng)是知識(shí)的儲(chǔ)藏器，教師應(yīng)將其培養(yǎng)成為一個(gè)初級(jí)的研究者。“授之以魚(yú)不如授之以漁，授人以魚(yú)不如授人以漁?！被ヂ?lián)網(wǎng)的崛起使得線上教學(xué)比統(tǒng)一內(nèi)容、難度及進(jìn)度的大規(guī)模集體教學(xué)更為靈活。線上線下混合式學(xué)習(xí)一定會(huì)成為教育的新常態(tài)[6]。發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，將線上線下的課程資源、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方式有效整合可提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。線上教學(xué)的重心在“學(xué)”，而不是“教”，是在教的引導(dǎo)下自學(xué)。學(xué)生通過(guò)主動(dòng)學(xué)習(xí)，獲得必要的基礎(chǔ)知識(shí)，課堂上在教師的指導(dǎo)下完成知識(shí)的內(nèi)化及遷移，形成自己的知識(shí)架構(gòu)，最大程度地發(fā)揮課堂教學(xué)效果，可進(jìn)一步加深理解，培養(yǎng)思考能力。教師可定期開(kāi)展座談會(huì)，如每周或每?jī)芍芤淮涡〗Y(jié)，及時(shí)調(diào)整、規(guī)劃、指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)，并依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力及基礎(chǔ)的差異，因材施教，完善教學(xué)方式，以有利于不同層次學(xué)生的發(fā)展。

三、實(shí)施量子力學(xué)課程思政的必然性

課程思政與思政課程的核心內(nèi)涵都是育人，但二者的側(cè)重點(diǎn)不同。思想政治教育不應(yīng)僅是思政課程的教育任務(wù)，而應(yīng)是所有課程的教育責(zé)任。課程思政并不是簡(jiǎn)單的課程與思政之和或教學(xué)內(nèi)容的增減或課程體系的調(diào)整，它是一種方法[7]。課程思政也不是對(duì)思政課程簡(jiǎn)單的補(bǔ)充，而是在專(zhuān)業(yè)背景的基礎(chǔ)上對(duì)思政課程的深化，是讓顯性的思政課程內(nèi)容與專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)相融合、隱性貫徹、深入感知。專(zhuān)業(yè)課程教師與思政課程教師密切協(xié)作，同向同行，共同開(kāi)展思想政治教育，達(dá)到內(nèi)化于心，外化于行的教育目標(biāo)。這些都是理念層面上的內(nèi)容，同時(shí)也指明了課程實(shí)踐的方向[8-9]。

量子力學(xué)專(zhuān)業(yè)課程的老師，要清晰地給自己的教學(xué)定位，正確把握二者的關(guān)系，既要認(rèn)識(shí)到二者的本質(zhì)聯(lián)系，又要明確區(qū)分二者，充分發(fā)揮各自的思想政治教育功能和育人優(yōu)勢(shì)，形成協(xié)同效應(yīng)，增強(qiáng)育人合力。在傳授學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)的同時(shí)將專(zhuān)業(yè)知識(shí)融入政治教育中，通過(guò)隱性育人與顯性育人，課內(nèi)育人與課外育人相結(jié)合的方式，將專(zhuān)業(yè)知識(shí)傳授、人文精神及科學(xué)觀培養(yǎng)有機(jī)融合，使學(xué)生熱愛(ài)祖國(guó)、熱愛(ài)人民、謙卑、感恩、社會(huì)責(zé)任感強(qiáng)、理想堅(jiān)定、實(shí)事求是、崇尚真理、勇于拼搏，不辜負(fù)國(guó)家對(duì)青年人、大學(xué)生的期望要求，成為有理想、有本領(lǐng)、有擔(dān)當(dāng)?shù)男聲r(shí)代中國(guó)青年。

四、結(jié)束語(yǔ)

全面推進(jìn)課程思政建設(shè)是落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的戰(zhàn)略舉措。以思政課程為核心，其他各類(lèi)課程與思政課程同向同行，是當(dāng)前推動(dòng)高校思想政治工作的重要途徑，也是黨和國(guó)家交給我們每位任課老師的重任。量子力學(xué)這門(mén)學(xué)科雖然出現(xiàn)得比較晚，但其發(fā)展中包含著大量有趣的思政元素。在教學(xué)過(guò)程中，知識(shí)傳授的顯性教育和思政教育的隱性教育相統(tǒng)一很容易實(shí)現(xiàn)。發(fā)明過(guò)程是反映認(rèn)知規(guī)律的典型案例，充滿趣味性、曲折性，教學(xué)中穿插講解這些內(nèi)容，有助于提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、開(kāi)闊視野，讓學(xué)生以史為鑒，樹(shù)立正確的科學(xué)觀，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生人生觀、價(jià)值觀的引領(lǐng)。