“量子力學”教學中的課程思政探索與思考

黃玉梅

(綿陽師范學院數(shù)理學院，四川綿陽 621000)

2018年教育部出臺了《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》，文件明確提出：“強化課程思政和專業(yè)思政，在構建全員、全過程、全方位三全育人大格局過程中，著力推動高校全面加強課程思政建設，做好整體設計，強化每一位教師的立德樹人意識，在每一門課程中有機融入思想政治教育元素，推出一批育人效果顯著的精品專業(yè)課程，打造一批課程思政示范課堂，選樹一批課程思政優(yōu)秀教師，形成專業(yè)課教學與思想政治理論課教學緊密結合、同向同行的育人格局?！盵1]這一文件對廣大高校教師提出了明確要求，專業(yè)人才培養(yǎng)不僅是專業(yè)知識的傳授過程，更應該是立德樹人的過程。在教學中，教師應該注重課程思政的建設，找到專業(yè)課程知識體系和思想政治教育工作的結合點，從而全面實現(xiàn)全方位教書育人的高校教育目標[2]。

“量子力學”作為物理學專業(yè)學生必修的一門基礎理論課，在課程體系中占據(jù)非常重要的地位，也是與物理學相關的專業(yè)研究生入學考試?？嫉目颇?，更是很多學生今后進行物理學術研究所需要用到的理論基礎?！傲孔恿W”不僅是現(xiàn)代物理學的兩大基礎理論之一，而且與人們的日常生活也日益接近。很多技術方面的創(chuàng)新都應用了“量子力學”理論，極大地改變了我們的生活，例如激光技術、放射性技術等在醫(yī)學中的應用，晶體管與信息技術革命的關聯(lián)，掃描隧道顯微鏡在納米技術中起到的重要作用等等，都是和量子理論的進展分不開的。“量子力學”在建立和發(fā)展過程中，不斷涌現(xiàn)出挑戰(zhàn)經典、打破常規(guī)的新思想、新觀點，因此在這樣一門應用廣泛同時充滿了創(chuàng)新理念的課程中進行課程思政建設顯然是很有必要的。

一、在“量子力學”課程中實施思想政治教育的可行性

量子力學理論的建立和發(fā)展過程充分展現(xiàn)了科學思想、創(chuàng)新精神和科學態(tài)度，其理論和實驗與人們對現(xiàn)實世界的普遍認識存在很大的差異，容易引起學生的好奇心和學習興趣，因此在“量子力學”的課程教學中融入思政元素具有很強的可行性。

1.量子理論從誕生之初就充滿了創(chuàng)新思維。普朗克為了解釋黑體輻射而提出的能量量子化假說，打破了經典理論中能量連續(xù)性的觀念，從那以后物理學家們提出了各種新的理論，例如玻爾的角動量量子化、德布羅意的物質波、海森堡的不確定原理等等，因此在“量子力學”課程中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和開拓精神是可行的[3]353-356。

2.“量子力學”的發(fā)展過程中，可以發(fā)現(xiàn)很多理論問題都能夠引起哲學上的思考。玻爾的觀點是“我們稱之為真實的東西都是由不能被視為真實的東西組成的”；愛因斯坦則認為“‘量子力學’本身是不完備的，內心的聲音告訴我這還不是真實的事情”；物理學家惠勒提出“只有可以觀察到的物理現(xiàn)象才是現(xiàn)象”；“量子力學”里的測量理論也認為物理量應該是可觀測量，物理現(xiàn)象之所以存在，是因為我們切實地感知(觀察或測量)到它。對學生而言，這些物理理論引發(fā)的哲學思考是很有新意的，不但可以促進學生的深入思考，還能提高學生的學習興趣，并能幫助學生形成正確的科學觀和世界觀[4]。

因此，在“量子力學”課程教學中進行思想政治教育，可以幫助學生在今后的學習科研中跳出條條框框，勇于創(chuàng)新，還有助于他們保持清醒的頭腦，堅定理想和信念。下文就從教學內容和教學態(tài)度兩個方面談一下如何在“量子力學”教學中融入思政元素，并探討一下目前實踐中存在的一些問題和思考。

二、將思政元素融入到教學內容中

“量子力學”的建立歸功于一大批優(yōu)秀的物理學家，其發(fā)展史就是創(chuàng)造性思維不斷發(fā)生作用的過程，而量子理論的神秘面紗還沒有被徹底揭開，因此對量子力學內容的深入了解能夠引發(fā)思考，適合于在教學中融入思政元素。

(一)“量子力學”發(fā)展史

從普朗克提出量子理論，到愛因斯坦為解釋光電效應實驗現(xiàn)象提出光量子假說，再到德布羅意提出物質波，然后到玻爾的舊量子論解釋了氫原子的分立能譜，海森堡、薛定諤分別提出了矩陣力學和波動力學，狄拉克、泡利、費曼等人也作出了很大的貢獻[5]，可見，“量子力學”的發(fā)展不是一個人的功勞，發(fā)展歷程也不是一蹴而就的，這段歷史體現(xiàn)了事物波浪式發(fā)展的過程。教學中可以聯(lián)系學生已經學過的馬克思主義哲學、經濟學的相關知識，討論一下社會經濟的發(fā)展歷程，社會經濟的發(fā)展也并不是一蹴而就的，而是波浪式前進、螺旋式上升的。

因此，課堂中講解量子理論的發(fā)展，能夠啟發(fā)學生跨學科思考，幫助學生深刻理解唯物辯證法思想，讓他們領會到在錯綜復雜的形勢面前，不應該被表面現(xiàn)象所困擾，也不應該計較一時的得失，而應該透過現(xiàn)象看本質，把握大局大勢，厘清事物發(fā)展的主要方向[6]。 同時這些講授可以幫助學生從“量子力學”的發(fā)展歷程看到事物的波浪式前進、螺旋式上升，始終堅持在繼承中創(chuàng)新、在創(chuàng)新中發(fā)展[7]。

(二)波粒二象性

波粒二象性(wave-particle duality)是“量子力學”中的一個重要概念，指一切物質同時具備波動性和粒子性，例如電子在不同的實驗條件下會表現(xiàn)出類似于經典波或者經典粒子的特點[8]。

在經典物理學中，光的微粒說和波動說可以說是各領風騷數(shù)百年，不同的實驗展示了光的不同特性，在不同情況下去觀察同一個事物可能看到不同的現(xiàn)象，所謂“橫看成嶺側成峰”。那時候對光的認識猶如盲人摸象，未能窺得全貌。當光是電磁波的概念深入人心的時候，光電效應實驗卻又展示出波動說不能解釋的現(xiàn)象。直到1905年，愛因斯坦提出了光量子假說，給出了對光電效應現(xiàn)象的解釋，讓世人重新重視起了光的粒子性，從而承認光既具有波動性又具有粒子性，即“光的波粒二象性”。到了1924年，德布羅意從光的波粒二象性逆向思維，大膽地推測物質和光一樣也應該具有波粒二象性，在自己的博士論文中提出“物質波”(也稱“德布羅意波”)假說。在博士論文答辯中，德布羅意進一步提出，物質波可以通過電子衍射實驗進行驗證。后來戴維遜和革末完成了這一實驗，證實了電子具有波動性。

在課堂教學中，教師可以結合馬克思主義哲學中的對立統(tǒng)一律，也就是對立面的統(tǒng)一和斗爭的規(guī)律開展教學。對立統(tǒng)一律說明，在任何領域的任何事物以及事物內部、事物之間都包含著矛盾。一切事物都有正反兩面性，看問題時既需要看正面也需要看反面，如同一個硬幣的正反兩面。教學中結合波粒二象性引導學生多角度、全方位看待人或事物，既看到他們的積極方面，也看到消極方面；既要看到有利因素，也要看到不利因素；指導學生用辯證法的眼光去看待世間萬物[9]。

另外，教師還可以結合美學對波粒二象性進行解釋。我們既不能把光看成經典的波，也不能把光看成經典的粒子。同時，我們對待電子也是一樣，電子既不是經典的粒子，也不是經典的波，這體現(xiàn)了自然界的對稱統(tǒng)一性，也展示了物理理論中的對稱美學。這就可以讓學生在理解“科學求真”的同時也領略到科學之美。

(三)微擾論

在“量子力學”的學習中，微擾論和變分法是求解薛定諤方程的兩種常用的近似方法。微擾論的主要理念是：一個量子體系，其總哈密頓量的情況多種多樣，大多數(shù)情況下很難得到薛定諤方程的解析解。但是，如果哈密頓量的主要部分是比較容易精確求解的，或者已經存在現(xiàn)成解的，就可以先不考慮哈密頓量的次要部分，從而求出對應的薛定諤方程精確解；之后再逐級考慮那些次要部分對量子體系的影響，得到與原來問題精確解逐漸接近的各級近似解。可以看出，微擾論先是抓住主要矛盾(哈密頓量主要部分)解決問題(得到精確解)，再處理次要矛盾(微擾)引起的各級影響，逐級考慮這些修正量，從而獲取接近真實問題的近似解。

微擾論的思想可以聯(lián)系到學生的日常生活。學生在校園里可能會遇到很多問題，產生多方面的矛盾，例如和老師之間的教與學的矛盾，和同學之間相處的矛盾，自己的理想和現(xiàn)實有差異的矛盾，勤奮學習知識和參加社團活動的矛盾等等。在“量子力學”課程教學中，教師就可以結合微擾論的思想和唯物辯證法的方法論，引導學生學會分析遇到實際困難，幫助學生思考如何認清自己的主要問題，從而抓住主要矛盾進行處理，細枝末節(jié)可以在主要矛盾解決的基礎上加以補充處理。

三、將思想政治教育體現(xiàn)在教學態(tài)度中

作為一名高校教師，應該做到為人師表，在教學過程中為學生樹立正確的學習榜樣，以嚴謹?shù)淖黠L培養(yǎng)人，從而起到潛移默化的思想道德教育作用。

(一)在教學中，應該時刻牢記培養(yǎng)學生的文化自信

事實上，在“量子力學”發(fā)展中，有不少實驗設計是中國人提出的，但因為種種原因，沒有完成實驗或者實驗沒有得到認可，后來外國人做了，獲得了諾貝爾物理學獎，青史留名。例如狄拉克提出存在正電子后，趙忠堯首先在實驗中觀測到了正反物質湮滅，在物理學發(fā)展史上，他也是第一個發(fā)現(xiàn)了反物質的物理學家，但是因為國際同行沒有得到同樣的實驗結果而未被認可，從而錯失諾貝爾獎；又例如，1941我國物理學家王淦昌先生就已經提出可以證實中微子存在的實驗方案，后來得到實驗驗證，這是當時國際物理學領域中相當重要的成就。我國科研工作者能力強、肯吃苦，在20世紀50年代末至70年代初，科技工作者在黨中央的正確領導下，僅用了十年左右的時間就依靠自己的力量，取得了“兩彈一星”的輝煌成就[10]。

這些真實的事跡充分說明，我國的物理學家們具有很高的學術水平，完全擁有獲得高成就的能力，只要努力學習，夯實基礎，勇于創(chuàng)新，就可以取得非常大的科學成就?，F(xiàn)在我國已經在科學技術上獲得了巨大的成就，為科研工作者創(chuàng)造了良好的科學研究條件，正處在一個科技發(fā)展創(chuàng)新的新時期。教師可以用這些實例并結合國內取得的最新科技進展(如“墨子號”“天眼”等)來增強學生的民族自信心和自豪感，鼓勵學生認真學習，積極思考，堅定信念，為實現(xiàn)中華民族偉大復興而努力奮斗！

(二)對待爭議性問題，教師應坦誠相告

在量子理論中，目前有很多問題還存在爭議，教學過程中，學生提出的一些看似平常的問題，可能正好觸及到“量子力學”建立的基礎或者是量子理論本質爭議的核心。當遇到這種回答不上來或者沒有確切答案的問題時，教師應該本著實事求是的態(tài)度據(jù)實以告，而不是不懂裝懂或者敷衍了事。對于這類問題，教師還應該向提出問題的學生提供參考書籍或者相關文獻，鼓勵學生學會自己尋求答案或者形成個人的觀點。面對學生的質疑，教師還應營造出和而不同、兼容并包的學術氛圍，從而讓師生平等討論、互相啟發(fā)、互相切磋、互相幫助、互相促進。同時，教師自身對學生實事求是、對待學術不回避爭議的態(tài)度本身也是以身作則進行思想政治教育的表現(xiàn)。

四、“量子力學”實施課程思政過程中存在的問題及思考

隨著時代的發(fā)展和高等教育師范專業(yè)教學專業(yè)化進程的推進，師范類物理學專業(yè)的一些核心課程的課時有所減少，例如“量子力學”課程，從72課時降到64課時，還將降至48課時。而同時，由于科學技術研究的進一步發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出新理論、新技術、新成果和新應用，使得教學內容不斷豐富，這就出現(xiàn)了課時減少與課程專業(yè)知識增加之間的矛盾。因此，在“量子力學”的課程教學中，如何融入思政元素以提高學生對專業(yè)課程的認同感和學習積極性，從而實現(xiàn)思想政治教育和專業(yè)教學的互相融合和促進，是教師需要認真思考并解決的一個問題?；诖蛟臁敖鹫n”、拒絕“水課”的教育思想，筆者進行了如下的解決方案的思考。

(一)利用網絡平臺，在線上教學中同步進行思想政治教育

由于課時所限，教師在線下教學中可以抓住“量子力學”課程體系的主線，把“量子力學”課程的主要脈絡呈現(xiàn)給學生。對一些具體的理論來源的詳細證明和推導以及對一些現(xiàn)象的解釋和說明，因為學時限制不適合在線下課堂中展開論述或深入討論，教師就可以利用線上教學，將這部分內容通過網絡平臺分享給學生，或者通過豐富多彩的微課形式展示給學生，甚至可以采用在線討論、直播講座或視頻會議等形式和學生共同討論。

在這種線上教學過程中，教師也應該充分發(fā)掘其中的思政元素，并且盡可能多地搜集整理相關的背景知識、文獻資料、政策文件等，并思考如何融入到線上的知識教學中去。例如，在講解隧道效應時，就可以先采用微課的形式展示隧道掃描顯微鏡的原理和應用，然后讓學生參與討論，將隧穿現(xiàn)象與經典力學中的情況作對比，理解經典世界里不可能發(fā)生的現(xiàn)象在量子世界中發(fā)生的概率，這可以讓學生在掌握知識點的同時，敢于打破自己的思想禁錮，增加敢于面對未來人生中的不確定性的勇氣。

(二)激發(fā)學生的主觀能動性，體會課程中的思政元素

在專業(yè)課程中實施思想政治教育，還可以盡量讓學生主動參與思政元素的挖掘與運用過程。例如，教師可以啟發(fā)學生結合所學的辯證唯物主義和歷史唯物主義思想，分小組討論玻爾的舊量子論在“量子力學”理論建立過程中的重要地位，以及在解放思想上起到的重要作用。分小組討論的方式可以培養(yǎng)學生獨立思考的能力，同時培養(yǎng)學生的團隊合作精神和服務意識，以及建立集體榮譽感和成就感。

另外，教師布置作業(yè)時不要局限于具體的計算、問答等題目，還可以建議學生結合“量子力學”中的一些重要發(fā)現(xiàn)或者有爭議性的問題撰寫課程小論文。例如，可以布置“為什么是普朗克提出了量子假說”這樣的題目，要求學生從當時的社會背景、經濟狀況、學術風氣和普朗克的個人經歷等方面進行全面論述。這不僅可以讓學生進一步理解量子理論的建立過程，還能夠使學生深入思考物理研究和社會經濟發(fā)展之間的聯(lián)系，同時培養(yǎng)學生的文獻檢索和分析整理能力、表達能力、寫作能力。這樣的習題教學方式，使得思想政治教育不再局限于課堂，而是延伸到課堂之外，并調動了學生的積極性和參與性。

(三)鼓勵學生參與“量子力學”理論的學術研究，培養(yǎng)學生的科研精神

教師可以在教學中引導學生根據(jù)自身的興趣查詢并閱讀相關文獻，帶領部分學有余力的學生關注量子理論中的一些前沿成果，與學生一起經歷學術研究、科學探究的過程，讓學生從中了解和領悟科學研究方法，逐漸培養(yǎng)科學思維習慣并建構自身的物理圖景、科學思維模式，形成科學的探究意識，養(yǎng)成實事求是、精益求精的科學態(tài)度和不懈努力、不畏艱難的科研精神。

教師在對學生進行量子理論方面的教學過程中，還可以以個人的求學科研經歷激勵學生將家國情懷融入到日常的學習及研究中，激發(fā)學生的學術志趣和內在動力，鼓勵學生做好為祖國的科學事業(yè)挑大梁的準備，促進學生形成正確的世界觀、人生觀、價值觀，增強學生服務國家、服務人民的社會責任感和使命感。

五、結語

“量子力學”課程是物理學專業(yè)學生重要的專業(yè)課程，量子力學發(fā)展中的波折起伏、人物事跡以及基本理論中的種種思想突破，都可以和思想政治教育緊密結合。通過在“量子力學”課堂教學中融入思想政治教育，不僅可以加強學生對量子理論知識體系的把握，還可以培養(yǎng)學生正確的科學觀，同時還能夠培育學生的開放性思維，提升學生的思考能力和創(chuàng)新意識，更可以增強學生的社會責任感和使命感。在今后的教學實踐中，應進一步研究“量子力學”教學方法，激發(fā)學生的自主學習意識，讓學生加入到課程思政建設中來，充分挖掘“量子力學”課程體系中的思想政治教育內容，提高思想政治教育工作效果，達到立德樹人的教育目標。