量子力學通識課程教學實踐與思考

揚州大學物理科學與技術學院 許亞芳 席 斌 劉擁軍

量子力學是科學史上一次偉大的革命。量子力學一直以晦澀難懂而聞名，量子力學的創(chuàng)始人之一玻爾曾說過：“如果你對量子力學不感到困惑，說明你根本不理解量子力學?！钡褪沁@樣一門晦澀難懂的學科，卻促進了當前許多科學技術的進步，無論是晶體管的發(fā)展、激光技術的應用，還是磁存儲設備的不斷擴展，都離不開量子力學，量子力學可以說是所有電子設備的基石。量子技術不僅使人類進入全新的量子信息化時代，在推動人類社會文明進步方面也起著關鍵性作用。

一、課程面向對象和特點

經(jīng)過調研，我們發(fā)現(xiàn)一些農(nóng)科、醫(yī)科或者工科的學生除了大學物理課程以外，很少有機會接觸更深入的物理學知識。而對于教育學、文學等文科專業(yè)或者美術、音樂等藝術專業(yè)的學生而言，大學期間都沒有開設大學物理這門課程，更是沒有機會了解科學技術在物理方面的發(fā)展。在全國高等教育通識課程中，人文社科類通識課程占有絕對優(yōu)勢比重。隨著我國高校通識課程的快速變革，培養(yǎng)全方位的高素質人才成為首要任務，所以讓更多的學生了解量子科技是很有必要的。量子力學通識課程是面向全校有一定高中物理基礎的學生開設的公共選修類課程，但也正是由于學生范圍的擴大，學生的數(shù)學和物理基礎參差不齊，為講授量子力學課程帶來了一定的困難。所以，如何通俗而又不涉及一些復雜的數(shù)學推導來講解量子力學的一些概念，是課程教學最大的挑戰(zhàn)。

課程以講授為主，多媒體教學為輔，以量子力學的發(fā)展和量子技術的應用為主要內容，采取啟發(fā)式教學法、問題教學法和探究式教學法等手段將枯燥的量子力學知識轉化為形象有趣的科學問題，利用師生互動與生生互動等方法帶動課堂，對物理知識進行拓展和延伸。課程旨在讓學生了解量子科學技術對社會發(fā)展的重要影響，建立學生對量子世界的科學認知，培養(yǎng)正確的科學觀和價值觀。

二、課程教學內容和教學方式的調整

量子力學一直以來都是物理學相關理科或工科專業(yè)的必修課程，理工科專業(yè)的學生所學習的內容從量子力學的誕生到薛定諤方程求解，從一維定態(tài)問題再到力學量隨時間的演化，所涉及的物理概念更加深奧，對高等數(shù)學與數(shù)理方法的解析推導要求也更高。在量子力學通識課程的講解中，我們要強化物理概念，淡化甚至忽略數(shù)學推導，著重學生邏輯思維的培養(yǎng)，所以在講授的過程中，內容要有選擇性地進行刪減或者重構。以揚州大學量子力學通識課程為例，該課程大概分為三個主要部分，第一部分為量子力學的發(fā)展簡史，第二部分為量子力學的基本概念，第三部分為量子力學在當前科技發(fā)展中的應用。

（一）通過量子力學發(fā)展史，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度

在講授過程中，我們發(fā)現(xiàn)學生對于一些物理科學家如何攻克難題、取得最終成果非常感興趣。回顧量子力學的整個創(chuàng)立過程，每一個突破背后都是一段傳奇的英雄史，都可以讓人心潮澎湃，回味無窮。例如，出生于知識分子家庭的普朗克在解釋黑體輻射時，引入量子化概念，無意間推開了量子世界的大門；天賦異稟的愛因斯坦隨后利用光量子化的概念解釋了光電效應，將量子力學的大門徹底推開；24 歲的海森堡勇敢地突破舊的量子理論，另辟蹊徑，創(chuàng)立了矩陣力學；薛定諤則在另外一條和海森堡完全平行的思路上，創(chuàng)立了波動力學，每一段歷史都讓我們不得不感慨物理學家思想的偉大和神奇。從這些物理學家不同的家庭背景與人生經(jīng)歷中，我們可以發(fā)現(xiàn)，每一個人的成功都沒有固定的模式，但他們每一個人都具有鍥而不舍、刨根問底和敢于突破的精神。因此，我們要抓住每一個成果背后的主要矛盾，讓學生的興趣大于他們對于這門課的認知難度，引導他們學習物理學家嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。通過這部分的講授，學生在以后的研究或者工作中，能夠有毅力克服困難，像這些物理學家一樣勇于突破，即達到了這部分內容的教育目的和思政目的。

在量子力學發(fā)展史課程內容中，由于物理概念相對較少，故事性較強，學生也比較好理解，我們會不定期開展小組討論?，F(xiàn)在處于一個高度信息化的時代，學生可以自行搜索一些有趣的知識，對物理學家探索的過程進行多想、多思考、多體會。在上課的過程中會發(fā)現(xiàn)，這些非物理專業(yè)的學生參與積極性非常高，很愿意分享一些物理學家有趣的小故事，從而加深學生對某位物理學家的認識和了解。這種互動方式不僅可以發(fā)揮學生的主觀能動性，還可以活躍課堂氣氛。

（二）利用類比、舉例等方法，激發(fā)學生求知欲望

較難的部分是對于量子力學理論框架的構建，這一部分會涉及量子力學最基本的原理，比如量子力學中的量子性、不確定性、態(tài)疊加原理、隨機性以及全同性等。在這個過程中，理工科專業(yè)的學生往往由于很多物理概念的理解、數(shù)學的推導、考試分數(shù)的高低，會給自己比較大的壓力。相反地，在通識課程中，我們可以引導學生把這個作為自己的興趣愛好來提高他們的積極性，不要用理工科學生的標準來要求每一位選課的學生，但要正視學生在學習過程中的每一個困惑，讓學生體會到量子力學和經(jīng)典力學的區(qū)別。例如，在講解海森堡不確定性原理的時候，可以把課堂上的每一個學生和微觀粒子做比較。學生在上課的時候，位置是確定的，速度也是確定的，即為零，而在量子世界中，一個粒子是不可能同時具有完全確定的速度和位置的，但我們?yōu)槭裁锤惺懿坏胶Ｉげ淮_定性原理呢？因為我們在宏觀世界中對位置和速度的測量在原子尺度內還非常不精確。在講授過程中，教師可以多運用舉例，將量子世界和經(jīng)典世界做比較，讓學生切實地感受到我們存在的宏觀世界和微觀世界的區(qū)別。這種類比的方式可以引導學生進行探索，激發(fā)學生的求知欲。我們還可以在PPT 制作過程中插入一些漫畫，比如薛定諤貓、波爾—愛因斯坦的骰子之爭等，將枯燥的物理過程和概念圖像化，將物理問題展現(xiàn)得更加有趣。

（三）講述我國量子科技的進步，激發(fā)學生民族自豪感

我們在日常生活中，每時每刻都會感受到科學技術的進步，我國科學家在量子科技方面的研究更是實現(xiàn)了從“起步”“追趕”到若干領域“領跑”的迅猛發(fā)展。例如，2015 年，潘建偉院士團隊的多自由度“量子傳態(tài)研究”被英國物理學會評為“全球十大科學突破”榜首；2018 年，郭光燦院士團隊在國際上首次實現(xiàn)了半導體中的三量子比特邏輯門操控，為我國研制半導體量子芯片奠定了堅實的基礎。在第三部分內容中，除了讓學生了解中國科學技術的進步之外，還可以增強學生的民族自豪感，使其樹立正確的人生觀和價值觀。在這部分內容講授中，我們可以引入網(wǎng)絡上一些優(yōu)秀的科普性視頻，例如墨子號衛(wèi)星的發(fā)射、量子糾纏、量子通信等，通過這種方式激發(fā)學生的好奇心，為枯燥的量子力學課程增加一些趣味。在課后，為了增進與學生的交流和溝通，我們可以建立微信群、QQ 群，方便及時解答學生課后遇到的問題，同時也可以隨時隨地分享一些公眾號的科普文章，拓寬學生的眼界。

三、考核方式的改進

由于該課程屬于公共選修課，學生的水平參差不齊，考核方式也有所調整，其中平時成績占50%，期末成績占50%。平時成績主要由出勤情況和課堂表現(xiàn)構成，課堂表現(xiàn)則主要體現(xiàn)在小組討論、積極表達觀點等方面。期末成績則主要以小論文的形式進行考核，學生可以根據(jù)授課內容查閱相關的文獻資料進行撰寫，選題需要與量子物理相關，例如“量子態(tài)及其理解”“量子計算機及其優(yōu)越性”“量子科技改變生活”“中國科學家在量子科技領域的貢獻”等。這種方式除了可以加深學生對量子世界的認識，發(fā)揮其能動性，還可以培養(yǎng)學生撰寫科技論文的能力，為之后的科學研究打下基礎。

量子力學是當前科技發(fā)展的重要基礎，量子力學通識課程不僅可以拓寬不同專業(yè)領域學生的科學視角，還可以培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。我們希望能夠通過不斷實踐和摸索來提高教學質量，讓每一位學生都能切身感受量子物理的魅力，讓他們有機會領略和自己專業(yè)課完全不同的知識，將量子世界的神奇之處通過通識課的方式傳遞給每一位感興趣的學生，增強學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，幫助學生建立對量子世界新思想、新發(fā)現(xiàn)和新技術方面的認知。