基礎(chǔ)教育如何迎接“第二次量子革命”

從量子通信的加密安全到量子計(jì)算的超強(qiáng)算力，隨著量子科技領(lǐng)域取得一系列重大突破，量子理論所蘊(yùn)含的概率性、疊加性和糾纏性等特征，正在重塑人類的認(rèn)知范式。近年來，量子科學(xué)教育逐漸受到國(guó)際關(guān)注，國(guó)內(nèi)多所中學(xué)也開展了相關(guān)的先行探索：江蘇省錫山高級(jí)中學(xué)、浙江省東陽中學(xué)等學(xué)校，通過開發(fā)校本課程及建設(shè)實(shí)驗(yàn)室等方式試點(diǎn)量子相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)，量子科學(xué)領(lǐng)域的專家學(xué)者通過科普講座等形式，助力青少年提升科學(xué)素養(yǎng)。在量子力學(xué)誕生百年之際，基礎(chǔ)教育有必要給對(duì)該領(lǐng)域懷有志趣的學(xué)子提供適恰的支持。

概念澄清與教育價(jià)值追問

《教育家》：您認(rèn)為量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)中體現(xiàn)的思維方式有什么區(qū)別？在“第二次量子革命”的背景下，將量子相關(guān)內(nèi)容引入中小學(xué)的價(jià)值何在？

黃國(guó)翔：量子力學(xué)發(fā)展歷經(jīng)百年，從普朗克、愛因斯坦，到海森堡、薛定諤，科學(xué)家們逐步建立起研究微觀物質(zhì)粒子的量子力學(xué)理論體系。基于量子理論，人類發(fā)明了激光、晶體管、計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)，推動(dòng)社會(huì)進(jìn)入信息時(shí)代，這一過程被稱為“第一次量子革命”。20世紀(jì)后期，人們對(duì)微觀粒子的理解進(jìn)一步深化，通過實(shí)驗(yàn)否定了愛因斯坦等人的定域?qū)嵲谡?，量子?jì)算和量子通信等技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，引發(fā)了“第二次量子革命”。

量子力學(xué)揭示了微觀粒子的量子隨機(jī)性和不連續(xù)性，其反映的思維方式主要體現(xiàn)為不確定性、非連續(xù)性、整體性等典型特征，可簡(jiǎn)稱為“概率性思維”，這與經(jīng)典力學(xué)體現(xiàn)的確定性、連續(xù)性、定域性的“決定論思維”有很大差別。不過，二者并非相互排斥，后者是前者的一種極限表現(xiàn)形式。

我認(rèn)為應(yīng)盡早在中小學(xué)補(bǔ)充量子相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，有利于培養(yǎng)量子領(lǐng)域所需人才，在全球的科技競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)。此外，基于量子力學(xué)的概念和原理而得出的一些結(jié)論，也有利于人們突破幾千年以來形成的自然觀、哲學(xué)觀。如果在中小學(xué)只講授經(jīng)典物理學(xué)理論，很多學(xué)生難免習(xí)慣運(yùn)用經(jīng)典思維理解量子力學(xué)，進(jìn)入大學(xué)后一時(shí)難以接受和理解量子力學(xué)背后的思維方式。因此，有必要將量子力學(xué)相關(guān)內(nèi)容適當(dāng)引入中小學(xué)，及早告訴他們經(jīng)典力學(xué)的局限性。

量子技術(shù)的發(fā)展會(huì)揭開量子世界的深層奧秘，給人類社會(huì)帶來巨大變化。當(dāng)前，美國(guó)、日本等國(guó)家十分重視量子科技發(fā)展，力爭(zhēng)在新一輪科技競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)。我國(guó)也充分認(rèn)識(shí)到推動(dòng)量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加大了相關(guān)

袁嵐峰：科學(xué)進(jìn)步源于實(shí)驗(yàn)，而非思維差異。量子力學(xué)超越經(jīng)典力學(xué)的原因在于它能解釋新實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而非思維方式不同。過于強(qiáng)調(diào)思維方式，實(shí)際上是在忽視科學(xué)的實(shí)證基礎(chǔ)。量子力學(xué)的發(fā)展過程給我們帶來很多重大啟發(fā)，其中最重要的可能是：任何看似堅(jiān)不可摧的理論都可能被顛覆，科學(xué)永遠(yuǎn)存在創(chuàng)新空間。正如費(fèi)曼所言，對(duì)理論保持謙卑本身就是一種進(jìn)步。

“第一次量子革命”以量子力學(xué)理論的建立為標(biāo)志，推動(dòng)了核能、核磁共振等現(xiàn)代技術(shù)的誕生，這一階段的研究對(duì)象主要是已有的量子體系，對(duì)單個(gè)粒子的認(rèn)識(shí)尚不充分。到了20世紀(jì)80年代，人們開始設(shè)計(jì)一些單粒子量子體系來實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)，在密碼學(xué)、超強(qiáng)計(jì)算能力、超高測(cè)量精度方面取得突破，掀起了“第二次量子革命”。2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了三位量子信息科學(xué)的奠基人，我國(guó)近年來也在該領(lǐng)域取得了許多重要成果，如“墨子號(hào)”衛(wèi)星、京滬干線、“九章”量子計(jì)算機(jī)等。讓現(xiàn)在的中小學(xué)生認(rèn)識(shí)“第二次量子革命”，并對(duì)量子領(lǐng)域有一些科普級(jí)別的了解，是很有價(jià)值的。

事實(shí)上，中學(xué)物理教材已涉及一些量子力學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容。如講到原子結(jié)構(gòu)時(shí)需對(duì)比經(jīng)典力學(xué)的局限性，引入量子力學(xué)才能合理解釋，還會(huì)提到不確定原理、電子云等概念。不過在實(shí)際教學(xué)中，許多教師很少展開講這些量子知識(shí)。

高鵬：我認(rèn)為應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是量子力學(xué)發(fā)展背后所體現(xiàn)的敢于突破常規(guī)的創(chuàng)造性思維，而不是局限于量子力學(xué)中的“疊加態(tài)”或“糾纏態(tài)”等具體概念。普朗克打破“能量連續(xù)”的傳統(tǒng)認(rèn)知，提出“量子化”概念;愛因斯坦顛覆絕對(duì)時(shí)空觀，創(chuàng)立相對(duì)論。這些突破都源于對(duì)固有框架的挑戰(zhàn)，體現(xiàn)了科學(xué)家們敢于質(zhì)疑、創(chuàng)新的價(jià)值。

學(xué)物理重要的不是記公式、算題，而是構(gòu)建關(guān)于世界運(yùn)行的物理圖像。比如法拉第用電場(chǎng)線形象描繪了電磁場(chǎng)，“場(chǎng)”的概念因此變得清晰、直觀。量子力學(xué)進(jìn)中小學(xué)，最重要的是讓學(xué)生借助這一載體，提升學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，豐富對(duì)這個(gè)世界的認(rèn)識(shí)，形成開放的科學(xué)思維。一方面，不同于宏觀世界，量子這個(gè)微觀世界是不可見的，只有持續(xù)地思考與想象才能構(gòu)建相關(guān)的物理圖像。另一方面，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)與日常運(yùn)動(dòng)規(guī)律存在顯著差異，這種認(rèn)知上的沖突容易激發(fā)學(xué)生的好奇心，引發(fā)思考。這些都有助于他們突破常規(guī)，在思辨的過程中突破對(duì)標(biāo)準(zhǔn)答案的依賴。實(shí)際上，愛因斯坦就是在質(zhì)疑量子力學(xué)的過程中，推動(dòng)了“量子糾纏”等概念的出現(xiàn)。

爭(zhēng)議與可行性回應(yīng)

《教育家》：量子力學(xué)相關(guān)概念抽象、中小學(xué)課程資源不足、學(xué)生認(rèn)知基礎(chǔ)有限是客觀事實(shí)，因而有學(xué)者認(rèn)為量子力學(xué)進(jìn)中小學(xué)并不現(xiàn)實(shí)。對(duì)此，您怎么看？

袁嵐峰：深入學(xué)習(xí)量子力學(xué)需用到微積分、線性代數(shù)等數(shù)學(xué)知識(shí)，如果沒有扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，基本就是空談。物理專業(yè)的不少大學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)都時(shí)?！耙活^包”，更何況是基礎(chǔ)教育階段的學(xué)生。所以，沒必要讓中小學(xué)生在這個(gè)階段徹底搞清楚這些知識(shí)的來龍去脈，可以實(shí)現(xiàn)的是讓他們了解量子力學(xué)和量子信息技術(shù)的存在及價(jià)值。

現(xiàn)在有許多反對(duì)量子的聲音，比如有人認(rèn)為“量子是偽科學(xué)”，這恰恰說明我們的量子科普做得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。量子力學(xué)發(fā)展了100多年，量子信息技術(shù)作為新興領(lǐng)域也有40多年的歷史，并且有研究者獲得過諾貝爾獎(jiǎng)，但仍有許多人不了解相關(guān)基本事實(shí)。另外，現(xiàn)在很多所謂的量子科普其實(shí)并不正確。最典型的就是“量子糾纏”，很多人將其曲解為“一種心靈感應(yīng)”“一種神秘的超級(jí)作用”，實(shí)際上它是先有理論預(yù)言、后經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的物理現(xiàn)象。另一個(gè)典型問題是，當(dāng)下對(duì)于量子知識(shí)的傳播有些過于強(qiáng)調(diào)它的巔覆性，讓一些人以為所有科學(xué)都可以隨時(shí)被推翻，忽略了任何理論的突破都需要堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支撐。

我給中小學(xué)生講量子科普，會(huì)談量子力學(xué)的由來，它能解決什么問題、發(fā)展哪些技術(shù)。具體到量子信息領(lǐng)域可以分為量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量，告訴學(xué)生它們分別能做什么、現(xiàn)在發(fā)展態(tài)勢(shì)如何、我國(guó)取得了哪些成果。

這些內(nèi)容很具體，也容易理解，便于促進(jìn)學(xué)生思維的轉(zhuǎn)變。如介紹量子力學(xué)起源時(shí)，我會(huì)強(qiáng)調(diào)它的誕生背景：19世紀(jì)末，人們普遍認(rèn)為物理學(xué)大廈已完工，這時(shí)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)催生了相對(duì)論，黑體輻射研究引出了量子力學(xué)，揭示了經(jīng)典物理在微觀尺度上的局限性。這表明，科學(xué)總能發(fā)現(xiàn)新東西，但必須建立在實(shí)驗(yàn)證據(jù)的基礎(chǔ)上。

黃國(guó)翔：量子力學(xué)的抽象概念及其中復(fù)雜的數(shù)學(xué)知識(shí)確實(shí)給中小學(xué)教學(xué)帶來了挑戰(zhàn)。在小學(xué)和初中可先開展量子啟蒙教育。一是通過模擬實(shí)驗(yàn)和科學(xué)故事培養(yǎng)學(xué)生的感知能力，利用計(jì)算機(jī)模擬量子現(xiàn)象，如演示光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察電子或光子的干涉圖樣。同時(shí)，通過“薛定諤的貓”等趣味科學(xué)故事解釋其中的量子現(xiàn)象，幫助學(xué)生建立初步認(rèn)識(shí)，并培養(yǎng)他們的好奇心。二是采用類比方法講解核心概念，可以不涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，而是運(yùn)用生活中的例子解釋波粒二象性等量子領(lǐng)域的核心概念，著重培養(yǎng)學(xué)生的概念理解力。三是適當(dāng)滲透量子測(cè)量等基礎(chǔ)知識(shí)，即使學(xué)生一下子聽不懂，有能力的教師也可以講，給他們留下一些印象，并鼓勵(lì)他們提問，培養(yǎng)其質(zhì)疑精神和開放思維。

學(xué)校還可邀請(qǐng)高校和研究機(jī)構(gòu)的專家及經(jīng)驗(yàn)豐富的中學(xué)教師，開展科普講座或兼職授課；組織學(xué)生實(shí)地參觀高校量子物理實(shí)驗(yàn)室，通過觀察深化理解；充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，建設(shè)量子物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用AR/VR技術(shù)、AI工具模擬量子實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過遠(yuǎn)程操作直觀驗(yàn)證量子物理現(xiàn)象。需注意的是，在實(shí)施過程中要注重實(shí)效，做好配套保障，如建立科學(xué)的教學(xué)評(píng)估機(jī)制、定期跟蹤教學(xué)效果、進(jìn)行總結(jié)反思等。

高鵬：我覺得沒必要在中小學(xué)開設(shè)專門而系統(tǒng)的量子力學(xué)相關(guān)課程。未來從事相關(guān)研究的是極少數(shù)人，深入理解那些具體知識(shí)不僅難以引起學(xué)生的興趣，也超出了他們的理解能力范圍。建議以量子科普講座、演示實(shí)驗(yàn)等形式，引入量子科技中具有啟發(fā)性、趣味性的內(nèi)容。例如，電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)被譽(yù)為“史上最美物理實(shí)驗(yàn)”，量子力學(xué)的諸多核心原理皆可從這一實(shí)驗(yàn)中窺見。教師可通過此類實(shí)驗(yàn)向?qū)W生展示量子力學(xué)的奇妙特性，引發(fā)他們的思考或許就夠了。

如果系統(tǒng)開設(shè)相關(guān)課程，可主要把握兩點(diǎn)。一是以故事為切入點(diǎn)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。量子力學(xué)的發(fā)展過程頗具曲折性，普朗克、愛因斯坦、波爾、海森堡等物理學(xué)家的科學(xué)探索令人好奇，《量子物理史話》等科普書籍中的故事深受中小學(xué)生喜愛。教師可借由故事的形式講述量子力學(xué)發(fā)展史，引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)革命中質(zhì)疑精神與創(chuàng)造性思維的價(jià)值。二是以量子力學(xué)中“反直覺”的特性為切入點(diǎn)，引發(fā)深度思考。量子力學(xué)知識(shí)固然深?yuàn)W，其中卻不乏一些有意思的現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)。比如人類無法穿越一堵墻，微觀粒子卻可以“概率性穿透”看似不可逾越的障礙，量子隧道效應(yīng)直接催生了掃描隧道顯微鏡等成像技術(shù)。又如我們踢出的足球在同一時(shí)間只有一條運(yùn)動(dòng)路徑，電子這一微觀粒子卻能同時(shí)通過兩條狹縫并呈現(xiàn)干涉條紋。教師可通過實(shí)驗(yàn)演示或動(dòng)畫模擬，呈現(xiàn)量子現(xiàn)象與經(jīng)典物理現(xiàn)象的差異。在引發(fā)學(xué)生的思考后，教師可講述科學(xué)家如何從困惑中逐步建立量子疊加態(tài)理論，并最終推動(dòng)量子計(jì)算、量子通信等前沿技術(shù)的發(fā)展。通過這樣的學(xué)習(xí)，學(xué)生可逐漸從感性上認(rèn)識(shí)量子現(xiàn)象，也會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步探索“微觀粒子運(yùn)動(dòng)方式與宏觀物體有何不同？”“為何它們具有不確定性與疊加態(tài)？”等話題的興趣。

實(shí)施路徑分析

《教育家》：量子力學(xué)內(nèi)容應(yīng)以何種形式進(jìn)入中小學(xué)，促進(jìn)學(xué)生思維及能力的發(fā)展？

高鵬：有關(guān)量子科學(xué)的教育可遵循“先了解、再認(rèn)識(shí)、后思考”的原則循序漸進(jìn)地開展：在小學(xué)應(yīng)聚焦興趣激發(fā)，教師可通過展示量子世界的神奇現(xiàn)象，讓學(xué)生建立“原來還有這樣的現(xiàn)象”這種初步印象，重點(diǎn)在于科學(xué)啟蒙；在初中應(yīng)以物理圖像的認(rèn)識(shí)為主，無須深入探討過于復(fù)雜的概念，重點(diǎn)是通過直觀的實(shí)驗(yàn)和動(dòng)畫等輔助手段，幫助學(xué)生自主構(gòu)建微觀世界的認(rèn)知框架；在高中應(yīng)深化科學(xué)思維訓(xùn)練，通過對(duì)比經(jīng)典實(shí)驗(yàn)與量子實(shí)驗(yàn)，探討科學(xué)史上的關(guān)鍵爭(zhēng)論等，培養(yǎng)其批判性思維和創(chuàng)造性思維。

量子力學(xué)相關(guān)的科學(xué)教育確實(shí)難度頗高。費(fèi)曼曾說：“沒有人能理解量子力學(xué)。不要問‘它為什么這樣’，因?yàn)闆]人知道。我們只能描述它如何行為，并驚嘆于它的精確?！蓖ㄟ^量子現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生思維，核心在于過程而非結(jié)果。要想對(duì)量子力學(xué)有更深的理解，重點(diǎn)是自己去構(gòu)建物理圖像，思考粒子是如何運(yùn)動(dòng)的。對(duì)于所有學(xué)生來說，這一過程無疑都是有益的。不過，教師應(yīng)尤其注意避免因自身理解不足導(dǎo)致的信息傳遞偏差，因?yàn)檫@反而會(huì)影響科學(xué)思維的培養(yǎng)。

袁嵐峰：正式開展量子力學(xué)課程很難，可以在現(xiàn)有的科學(xué)課中滲透相關(guān)內(nèi)容。目前有公司專門研發(fā)適合中小學(xué)的量子教具，讓學(xué)生觀察、實(shí)操這類實(shí)物，增強(qiáng)他們對(duì)量子的感性認(rèn)知。學(xué)?？梢远嚅_展科普講座。我主講過很多場(chǎng)量子科普活動(dòng)，學(xué)生年級(jí)越高，可以講的細(xì)節(jié)就越多。有時(shí)，學(xué)生的認(rèn)知水平還會(huì)超出我們的想象。一次，一個(gè)四年級(jí)學(xué)生提問：“我已經(jīng)讀完了您的《量子信息簡(jiǎn)話》，未來如何成為一位量子計(jì)算研究者？”還有一次，有個(gè)中學(xué)生問到奧地利科學(xué)家發(fā)現(xiàn)大腦可能存在量子過程的研究，這是當(dāng)時(shí)剛發(fā)表出來的成果。此外，鼓勵(lì)學(xué)生自學(xué)也很重要。首先打好微積分、線性代數(shù)等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，再接觸量子力學(xué)教材。學(xué)校還可以開設(shè)相關(guān)選修課程，配備專業(yè)教師指導(dǎo)，給有興趣的學(xué)生提供輔導(dǎo)和支持，告訴他們正確的學(xué)習(xí)路徑。這類課程應(yīng)當(dāng)采取自愿參與的原則，而不作為要求普遍推廣。

黃國(guó)翔：高中物理教材本就涉及一些量子知識(shí)，教師在面向?qū)W生滲透量子知識(shí)時(shí)可重點(diǎn)培養(yǎng)如下三種能力。一是建模能力。充分利用教材中包含的原子光譜、光電效應(yīng)、電子衍射等內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，建立初步的量子理論模型。二是數(shù)學(xué)能力。建議在中學(xué)階段適當(dāng)引入微積分和概率論等知識(shí)，使學(xué)生能分析、計(jì)算簡(jiǎn)單的量子問題，提升他們數(shù)理結(jié)合的能力。三是思維能力。幫助學(xué)生突破經(jīng)典物理思維定式，認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)在微觀領(lǐng)域的局限性，培養(yǎng)他們的批判性思維、概率性思維等。

課程實(shí)施之前，需要首先解決師資問題。相關(guān)學(xué)?？梢詫?duì)物理教師提出明確的專業(yè)發(fā)展要求，引導(dǎo)他們掌握量子理論背后的思維方式，更新知識(shí)體系，將適合學(xué)生吸收的知識(shí)及時(shí)納入教學(xué)內(nèi)容；鼓勵(lì)教師開展量子教學(xué)研究，在調(diào)研基礎(chǔ)上，探索適合面向中小學(xué)生講量子的教學(xué)方法；選派教師到大學(xué)進(jìn)修，提升他們的量子理論和實(shí)驗(yàn)水平，或在招聘時(shí)適當(dāng)引進(jìn)具有量子物理專業(yè)背景的教師，讓他們帶動(dòng)提高量子力學(xué)方面的教學(xué)質(zhì)量。