美國國家科學基金(NSF)對量子教育的支持方式研究

摘 要 美國政府近年來通過行政命令和預算調整，強化了在量子科學和量子教育方面的投入，了解美國國家科學基金會（NSF）如何支持量子教育，對我國應對全球科技競爭具有深遠意義。本研究搜集了目前NSF所有在研的與量子教育相關的研究項目，對這些項目的研究內容進行了分析。結果顯示，美國的量子教育研究覆蓋了從基礎教育到高等教育的全部學段，研究重點已從“第一次量子革命”的物理理論教學轉為面向“第二次量子革命”的量子信息實際應用教學，并特別強調教育研究與量子信息勞動力市場的直接聯(lián)系。

關鍵詞 量子教育;科研基金;學科教學

近年來國際科技領域的競爭正日益加劇，而量子科學正是這場科技競賽的主賽道之一。2022年，美國總統(tǒng)拜登簽署了一份國家安全備忘錄以及相關的行政命令，旨在加強美國在量子科學領域的領先地位[1]。2023年8月，拜登政府進一步發(fā)布了新的行政命令，對美國企業(yè)在量子計算、先進半導體以及人工智能等敏感技術領域對中國的投資施加了限制[2]。同時，美國政府還將國家量子倡議咨詢委員會（National Quantum InitiativeAdvisory Committee）從美國能源部劃至白宮的直接管轄之下，并批準增加了國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）在量子科學和量子教育方面的預算支出。

在此背景下，深入了解NSF在量子教育領域如何為研究人員和教育者提供支持變得尤為關鍵，對于推動我國量子領域教育改革以應對全球科技競爭具有重要意義。本研究整理了目前NSF所有在研的與量子物理或量子信息教育相關的研究項目，并對其主要研究內容、目標教學對象、教育開展形式等方面進行了分析。

1 量子教育項目篩選方法

本研究中的“量子教育”所指的是在量子物理、量子信息、量子計算等領域的相關課程、培訓、教育活動與教學研究[3]。NSF分為數(shù)學與物質科學、生命科學、地球科學、計算機與信息科學、工程、STEM 教育等多個學部，對量子教育的支持主要來源于數(shù)學與物質科學學部的物理方向（以下簡稱物理方向，代碼PHY）、計算機與信息科學學部（以下簡稱計算機學部，代碼CISE或CSE）、工程學部（代碼ENG），以及STEM 教育學部（以下簡稱教育學部，代碼EDU）。為了篩選量子教育相關的項目，本研究對這四個學部的在研項目（Active Award）進行了檢索。

對于教育學部的在研項目，如果該項目在摘要中提到了Quantum（量子），有很大概率該研究會與量子教育相關。因此我們的篩選策略是直接在NSF教育學部項目摘要中檢索關鍵詞“Quantum”，并逐項人工檢驗，去除了其中一項僅包含短語“a quantum leap”但實際研究內容與量子物理無關的項目（本意為量子躍遷，在文中用來描述變化很大），總計納入研究的教育學部量子教育項目數(shù)為39項。

對于物理方向、計算機學部和工程學部的項目，我們采用了多輪篩選的方法。首先在項目標題中檢索關鍵詞“Education”（教育）、“Student”（學生） 或“Teach（教學）”等詞，選出與物理教育、計算機教育和工程教育直接相關的項目，然后在摘要中檢索“Quantum”，篩選出與量子教育相關的項目。同時，由于標題長度有限，為了避免遺漏重要的量子教育研究項目，我們又對這三個學部包含“Quantum”關鍵詞的在研項目進行了摘要檢索，選取的檢索詞為“Curriculum”（課程）、“Course”（課）、“Teach”（教學）、“K-12”（12年級以下）、“Undergraduate”（本科）等與教育教學直接相關的單詞，對同一篇摘要中多次出現(xiàn)這些檢索詞的項目進行了人工檢驗，確認該項目是直接研究量子相關內容的教育教學，還是在研究量子科學的過程中將相關內容間接的引入到教學中。例如，在物理方向我們初篩出38個項目在摘要中較多的提到了教育或教學等詞匯，逐一分析研究內容后，確定了14項研究與量子教育直接相關，而其余24項為間接相關。多所學校合作研究的同一個NSF項目可能有多個項目號，本研究在處理數(shù)據(jù)時已將這些合作研究合并為一項。最終納入本文研究的NSF各學部量子教育相關項目的數(shù)量如表1所示，其中初篩的項目數(shù)量標記于括號中。

2 NSF量子教育項目研究內容

我們將納入分析的99個NSF量子教育項目的摘要提取出來，逐項分析了這些項目的研究內容，以下根據(jù)學部的不同分別展開討論。

2.1 教育學部項目

在NSF教育學部資助的39項量子教育項目中，有18項由本科教育項目資助的（代碼DUE），有12項是由研究生教育項目資助的（代碼DGE），有3項是由“正式與非正式學習研究（代碼DRL）”資助的，有6項是由STEM 卓越平等計劃（代碼EES）資助的。從這些項目的摘要內容來看，由DUE或DGE資助的量子教育的項目也并非是只針對本科生或只針對研究生設計課程，許多項目都涉及到本科和研究生兩階段課程，也有多個項目針對K-12階段的學生和教師開設了科技活動或量子內容培訓。具體而言，有四個項目明確提到了要對K-12階段的教師開展量子物理或量子信息方面的教學培訓，這四個項目的立項時間、資助金額和面向的學段如表2所示。

在研究內容方面，NSF教育學部的資助項目中有一類是為少數(shù)族裔為主的高校專門開設的STEM 卓越平等計劃（Equity for Excellence inSTEM，EES），這一類的量子教育項目實際上是以量子方面的科學研究為主，在項目負責人開展科研的過程中為本科生或研究生提供研究機會，并將相應的研究內容融入到量子相關的課程教學中。因此我們將其劃分為量子教育的間接研究，而其余各項目為針對量子教育的直接研究。

在針對量子教育的直接研究項目中，有一項屬于教育政策方面的研究，探索如何采用三年本科加兩年碩士的3+2模式加速培養(yǎng)半導體和量子科學方面的專業(yè)人才①;有一項是關于半導體行業(yè)工程師培訓與認證的項目;有兩項是教育技術與物理教學的結合，例如利用VR/AR 學習物理相關知識以及利用3D建模學習化學反應過程，其中涉及了部分量子知識;有四項是STEM 領域涉及多個學科的教學研究，其中包含了量子相關的內容。其他的27個項目則是專門針對量子物理或量子信息等相關內容進行教育研究，這部分項目所具體涵蓋的量子科學內容如表3所示。

2.2 物理學部項目

NSF物理方向所資助的量子教育項目中，有六項是關于量子相關的教育教學研究，如表4所示。這六個項目中，有一個是2023年立項的教育政策方面的項目，“量子信息科學與工程的教育格局：引導教育創(chuàng)新以支持量子職業(yè)發(fā)展路徑”。該項目指出，量子科學將在計算、通信和傳感方面帶來重大改進，現(xiàn)有的勞動力數(shù)據(jù)無法適應量子相關行業(yè)快速擴張的需求，需要更為詳細和全面的量子勞動力分析，并需要將這些知識傳播給現(xiàn)有和未來的量子信息工程的教育者和開發(fā)者。而另外五個項目則是從課程教學方法、學習工具開發(fā)、實驗平臺建設等不同角度開展的量子教育研究。

值得注意的是，上面的這六個項目中，有一個叫做“本科研究經(jīng)驗基地”（Research Experiencefor Undergraduates Site， REU Site）。這是NSF物理方向撥出專項資金給承擔項目的高校，供每所高校每年資助10位左右的學生深度參與到相關的物理研究中。例如表4中我們列出的由蒙大拿州立大學承擔的“量子與材料物理學”本科研究經(jīng)驗基地項目，每年會資助8名本科生在暑期參與10周的量子項目研究。而除了這個直接命名為“量子與材料物理學”的項目之外，目前NSF物理方向還有八個在研的本科研究經(jīng)驗基地項目中專門提到了開展量子科學方面的研究（表5），這八個項目也在本研究中被劃分為量子教育的直接相關項目。

除了本章中討論的14個與量子教育直接相關的項目，NSF物理學科還有許多量子科學相關的科研項目在摘要中著重強調了其研究過程與研究結果將會用于支持量子教育工作。例如，在一項名為“控制空間量子相關性以增強量子網(wǎng)絡”（Control of Spatial Quantum Correlations forEnhanced Quantum Networks）的NSF職業(yè)成就獎（NSF Career Award）項目中，項目主持人就提到要將量子網(wǎng)絡研究與教育計劃相結合，通過讓本科生積極參與研究以及在本科教學實驗室中引入量子光學實驗，來發(fā)展學生的問題解決能力，同時，該項目也將通過讓高中教師參與學習量子光學的演示實驗，為普通公眾提供教育推廣機會。其余的項目也從不同的物理內容層面，將科學研究與教育相結合。

2.3 工程學部與計算機學部項目

NSF的工程學部（ENG）和計算機學部（CSE）都有關于量子教育的項目，本文在這里一并討論。工程學部與計算機學部各有兩個項目與量子教育直接相關，具體如表5所示。

工程學部的是兩項教師研究經(jīng)驗基地項目（Research Experience for Teachers，RET）。這一類項目是由NSF提供資金支持K-14教師（包含K-12學校和社區(qū)大學）在暑期開展真實的工程與信息領域研究，提高這些教師在工程與信息領域的學科知識，并將他們的研究經(jīng)驗轉化為課堂活動和課程，以拓寬他們的學生對相關領域的認識和參與。工程學部與量子教育直接相關的兩個教師研究基地項目分別是“促進俄克拉荷馬州半導體教育的芯片設計教師體驗項目”和“電子束光刻系統(tǒng)在量子工程與納米科學研究、教育和培訓中的應用”。除此之外，工程學部還有多個設計和開發(fā)量子器件的項目在摘要中提到了會開設相關的課程并納入本科生參與項目。

計算機學部的兩個量子教育方面的項目，一項研究利用虛擬現(xiàn)實技術幫助學生理解量子信息中的疊加、測量、糾纏等概念，另一項研究則將開發(fā)量子計算與信息安全方面的課程，供本科生與研究生學習。除此之外，計算機學部的在研項目中，還有八個項目既在標題中提到了“Education”（教育）或“Teaching”（教學），又在摘要中提到了量子。但是在對摘要內容進行人工復核時發(fā)現(xiàn)，這八個項目主要是開發(fā)相關的數(shù)據(jù)可視化設備或計算集群，用于科研與教學開展，量子是其列出的可處理的數(shù)據(jù)內容之一（如量子化學），因此這些項目未被列為量子教育的直接研究項目。

3 美國量子教育研究特點與趨勢。

通過對NSF資助的量子教育相關項目進行逐條分析，本研究總結了美國當前量子教育研究的幾個主要特點與趨勢：

3.1 教學內容主要針對第二次量子革命

量子科學的發(fā)展可以分為“第一次量子革命”和“第二次量子革命”兩個階段[4]?！暗谝淮瘟孔痈锩卑l(fā)生在20世紀初，主要內容是量子力學的基礎理論建立。而正在進行的“第二次量子革命”著重于利用量子現(xiàn)象（如量子糾纏和量子疊加）進行信息處理和通訊，將引發(fā)諸如量子計算機、量子安全通信、高精度量子傳感器等多個領域的技術突破。從研究的趨勢看，美國的量子教育正從“第一次量子革命”的量子力學基礎理論教學轉向“第二次量子革命”的實際應用與培訓。如前文表3所示，在NSF教育學部專門針對量子相關課程教學的在研項目中，27個項目中有23個項目是明確關于量子信息、量子計算、量子器件（量子傳感器）等方面的課程與教學研究。

NSF長期以來對物理教育研究和科學教育研究進行了大量資助[5]。我們也可以通過量子教育領域的專家所獲得的NSF 資助項目情況發(fā)現(xiàn)量子教育趨勢的變化。例如，Chandralekha Singh教授是匹茲堡大學物理與天文學院教授，學科教育研究中心主任，曾任美國物理教師協(xié)會主席，長期從事量子力學教育的研究[6，7]。她在2000年開始，陸續(xù)獲得了六項NSF量子教育項目，之前的項目主要是研究如何利用基于物理教育研究的教學方法和教學工具提升學生對于量子力學基礎知識的理解。而她2023年最新獲批的項目則是“使用基于研究的學習工具幫助學生應對第二次量子革命”。作為量子教育領域的資深專家，她的研究內容一定程度上也可以反映美國量子教育的最新動向。

3.2 面向量子信息產(chǎn)業(yè)的勞動力需求

我們對量子教育項目摘要中的詞匯進行了詞頻分析，詞匯云圖如圖1所示。由于在篩選項目時，篩選條件之一就是在摘要中含有文本“Quantum”，所以在詞匯云圖里我們剔除了Quantum 這個詞。值得注意的一個詞匯是出現(xiàn)在云圖上方的“Workforce”（勞動力）。在本研究初步篩選得到的99個量子教育相關項目中，“勞動力”一詞在45個項目中共出現(xiàn)了95次。

人們往往認為“量子”只是專家學者們需要研究的學術內容。但實際上，要推動量子科研轉化和商業(yè)應用，形成一個更為全面和多元的量子技術生態(tài)系統(tǒng)，必須建設多層次的人才隊伍。而NSF量子教育項目中多次出現(xiàn)的“勞動力”一詞，說明美國政府和研究機構已經(jīng)意識到量子科技形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)需要有大量的人才輸入。前文提到的《量子信息科學與工程的教育格局：引導教育創(chuàng)新以支持量子職業(yè)發(fā)展路徑》（Education Landscapefor Quantum Information Science and Engineering：Guiding Education Innovation to SupportQuantum Career Paths）的NSF 項目，就是要從“量子信息領域勞動力知識與技能需求分析”“向開展量子教育的教師與學校傳遞勞動力需求分析結果”“全面調查美國的量子信息教育開展情況”三個方面展開工作，將量子教育與勞動力市場直接連接，擴大美國的量子信息教育覆蓋范圍，滿足量子信息領域的勞動力需求。

3.3 在量子科學研究項目中強調教育工作

除了本文中列出的這些與量子教育直接相關的項目之外，還有大量的NSF量子科學研究項目中強調了科學研究與教育教學的結合。例如前文中提到的NSF職業(yè)成就獎是一項為期5年的特別資助，該獎項旨在表彰有潛力成為各學科領軍人才的優(yōu)秀青年教授，是NSF為青年學者頒發(fā)的最高榮譽獎項，某種程度上可以類比為國內的“優(yōu)青項目”。在對NSF物理學科的項目初篩后，本研究發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的NSF職業(yè)成就獎項目都會在摘要中強調項目負責人和團隊將會開展與項目相關的教育教學工作。這些與科研項目相關的教學工作形式多樣，既有面向本科生與研究生開展的課程與實驗教學，也有面向學校所在地的中小學的教師培訓和學生實踐工作，還有聯(lián)合博物館等機構開展的面向公眾的科研成果介紹與科普公眾。

科研項目不僅能推動科學和技術的發(fā)展，還可以為教育提供豐富的內容和實踐場景。通過科研項目，教師和學生能夠直接參與到最前沿的研究中，這種參與經(jīng)驗可以極大地提高教學質量和學生的實踐能力。同時，科研項目還可以作為一個平臺，連接不同層次和領域的教育參與者，包括本科生、研究生、中小學教師和學生，甚至是普通公眾。這種多元化的教育教學活動能夠讓更多人受益，實現(xiàn)科學的普及和推廣。

3.4 研究類型與教育對象覆蓋廣泛

NSF資助的量子教育研究項目所涉及的教育研究內容非常廣泛：有關于如何加快培養(yǎng)量子信息產(chǎn)業(yè)勞動力的教育政策研究;有關于量子教育與AR/VR教學結合的教育技術;有關于量子物理基礎內容教學的研究;有關于量子信息和量子計算等專門內容的研究;有量子理論課程設計，有量子實驗平臺搭建，等等。這些研究內容覆蓋了量子教育的各個方面，說明美國正試圖通過立體而全方位的量子教育研究來支撐其量子信息產(chǎn)業(yè)的建設。

同時，這些量子教育項目覆蓋了小學、中心、社區(qū)學院、本科、研究生等全部學段，面向的對象既包含了這些學段的學生，也包含了從事一線教學的中小學教師和社區(qū)學院教師，同時也有針對量子信息等領域從業(yè)者的技術培訓項目。美國的量子教育正從單純的面向大學以上層面的學生，擴展到面向全體學生與公眾。另外，在大多數(shù)量子教育項目的摘要中，項目負責人都會專門提到要面向科學弱勢群體（如女性和少數(shù)族裔）的開展教育，增加量子教育的覆蓋度，也擴展未來量子科學和技術從業(yè)者的多樣性。

4 結語

綜上所述， NSF資助的量子教育項目體現(xiàn)出美國的量子教育正從基礎量子力學理論教學轉向為“第二次量子革命”的實際應用教學研究，強調量子教育與量子信息勞動力市場的直接聯(lián)系。教育對象不僅局限于高等教育，還覆蓋了從小學到研究生所有學段。這些趨勢顯示美國正全面地推動量子科技和教育的發(fā)展。

近年來我國對量子科學研究非常重視，各級科研基金的資助力度很大，但是對于量子教育方面的直接支持還略顯不足。目前對于量子教育的直接支持多來自于高校自身，例如華東師范大學在學校層面設立了一項人文社會科學交叉融合項目對量子教育進行研究（批準號2021JQRH014），華東師大的物理與電子科學學院撥款開發(fā)了真實的本科量子實驗演示裝置，等等。但在國家層面的基金支持上，僅有一項與中學量子物理教學直接相關的全國教育科學規(guī)劃課題青年項目———“基于‘干涉’主題的高中生量子論和相對論科普課程開發(fā)研究”（批準號EHA220569），自然科學基金并沒有量子教育的相關立項。為了提升國家在科技競爭中的可持續(xù)發(fā)展能力，希望各級基金能夠更加重視量子教育，對相應的教育教學研究給予支持。

參 考 文 獻

[1] Memorandum on Improving the Cybersecurity of NationalSecurity， Department of Defense， and Intelligence CommunitySystems[EB/OL]. 2022. https：//www.whitehouse.gov/briefing-room/presidential-actions/2022/01/19/memorandum-on-improving-the-cybersecurity-of-national-security-department- of-defense-and-intelligence-community-systems/

[2] Executive Order on Addressing United States Investments inCertain National Security Technologies and Products inCountries of Concern[EB/OL]. 2023. https：//www.whitehouse.gov/briefing-room/presidential-actions/2023/08/09/executive-order-on-addressing-united-states-investments-in-certain-national-security-technologies-and-products-in-countriesof-concern/

[3] 王思悠，朱廣天. 物理教育研究中的量子力學教學研究簡述[J]. 物理與工程，2020，30（6）：48-55，60.

WANG S Y， ZHU G T. A brief introduction to the researcheson quantum mechanics teaching and learning in physicseducation research[J]. Physics and Engineering， 2020，30（6）：48-55，60. （in Chinese）

[4] 華東師范大學量子思維項目組. 量子思維宣言[J]. 哲學分析，2021，12（5）： 160-168.

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ZHANG P， D. Lin， XU Z. Analysis of funding for physicseducation research by the national science foundation of theUnited States between 2011 and 2020[J]. Bulletin of NationalNatural Science Foundation of China， 2022， 36（3）：7. （in Chinese）。

[6] MARSHMAN E， SINGH C. Framework for understandingthe patterns of student difficulties in quantum mechanics[J].Phys.Rev.ST Phys.Educ.Res.， 2015， 11（2）： 020119.

[7] ZHU G， SINGH C. Surveying students‘ understanding ofquantum mechanics in one spatial dimension[J]. AmericanJournal of Physics， 2012， 80（3）： 252-259.

基金項目： 全國教育科學“十四五”規(guī)劃教育部青年課題（項目編號：EHA220569）。