量子力學(xué)課程思政教學(xué)改革與實(shí)踐

謝羅剛，鄺艷敏，孫 敏，尚 翠，楊 陽(yáng)，趙承周

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.河南大學(xué)物理與電子學(xué)院，河南 開封 475000）

教育部發(fā)布的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指出：對(duì)理工類專業(yè)的課程，要在課程教學(xué)中把馬克思主義立場(chǎng)觀點(diǎn)方法的教育與科學(xué)精神的培養(yǎng)結(jié)合起來，提高學(xué)生正確認(rèn)識(shí)問題、分析問題和解決問題的能力。理學(xué)類專業(yè)課程，要注重科學(xué)思維方法的訓(xùn)練和科學(xué)倫理的教育，培養(yǎng)學(xué)生探索未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感。量子力學(xué)是理工類專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)理論課，是學(xué)習(xí)后續(xù)“固體物理”“半導(dǎo)體物理學(xué)”“材料科學(xué)”“集成電路工藝原理”“量子信息”“量子化學(xué)”等專業(yè)課程的基礎(chǔ)。學(xué)生通過學(xué)習(xí)量子力學(xué)，能夠初步掌握微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和量子力學(xué)的基本原理，能夠利用量子力學(xué)的基本理論來分析問題和解決問題。本課程的學(xué)習(xí)不僅為后續(xù)的專業(yè)課打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且因其科學(xué)性、人文性、故事性和歷史性等特點(diǎn)，是開展思政教育教學(xué)極佳的平臺(tái)和載體。在“課程思政”概念提出之初，已經(jīng)嘗試將課程思政教育理念融入量子力學(xué)課程中，現(xiàn)將經(jīng)驗(yàn)與大家分享。

1 在教學(xué)過程中融入思政教育的方法

1.1 將思政教育納入課程教學(xué)大綱

在量子力學(xué)原有的知識(shí)及能力層次的課程目標(biāo)基礎(chǔ)上，增加了思想、品質(zhì)等思政方面的課程目標(biāo)，從頂層設(shè)計(jì)方面加強(qiáng)思政教學(xué)引導(dǎo)。例如修訂教學(xué)大綱時(shí)將課程思政目標(biāo)設(shè)定為了解量子力學(xué)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，了解我國(guó)在量子理論和量子科技方面的成就，能夠把自身的發(fā)展與國(guó)家需求緊密結(jié)合，不怕困難，勇于創(chuàng)新，積極投身國(guó)家量子信息、量子技術(shù)事業(yè)的責(zé)任感和使命感。確立了課程思政目標(biāo)，進(jìn)一步對(duì)整個(gè)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行凝練，挖掘其中的思政元素，形成課程思政案例，從而支撐課程思政目標(biāo)，做到課程思政有目標(biāo)、有措施。再如，在講授電子自旋章節(jié)時(shí)，凝練的思政元素為“創(chuàng)新”。針對(duì)許多證明電子具有自旋的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，烏倫貝克和哥德斯密脫嘗試進(jìn)行理論解釋[1]，然而當(dāng)時(shí)他們還只是研究生，但是在面對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與現(xiàn)有理論知識(shí)不自洽時(shí)，能夠大膽創(chuàng)新，不被傳統(tǒng)的知識(shí)所約束，提出了自旋理論，完美解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過此類的案例教學(xué)，能夠激發(fā)青年學(xué)生創(chuàng)新的勇氣，培養(yǎng)學(xué)生不怕困難，勇于攀登的科學(xué)精神。

1.2 教學(xué)過程中多途徑融入思政元素

經(jīng)過這些年的教學(xué)探索和實(shí)踐，課程思政主要在各學(xué)科的教學(xué)過程中融入思想政治教育，與教學(xué)包括教師講授、學(xué)生技能訓(xùn)練等環(huán)節(jié)相結(jié)合，在學(xué)生的能力培養(yǎng)和知識(shí)體系形成的過程中使其能夠樹立正確的核心價(jià)值觀和世界觀，培養(yǎng)學(xué)生勇于創(chuàng)新、實(shí)事求是的科學(xué)精神[1]。對(duì)于量子力學(xué)課程，如何開展思政教育，如何潤(rùn)物細(xì)無聲地融入思政元素，需要找準(zhǔn)切入點(diǎn)。

1.2.1 以科學(xué)史作為切入點(diǎn)融入思政元素

量子力學(xué)的發(fā)展過程就是一段波瀾壯闊的科學(xué)發(fā)展歷史，涌現(xiàn)出眾多現(xiàn)代物理學(xué)家，因此量子力學(xué)的發(fā)展史就是現(xiàn)代物理學(xué)家在處理量子力學(xué)問題中各顯神通提出多種量子力學(xué)觀點(diǎn)的發(fā)展史。借此可以在量子力學(xué)的教學(xué)中，引入科學(xué)史的介紹，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對(duì)于量子力學(xué)的了解和認(rèn)識(shí)。量子力學(xué)中可引入的科學(xué)史很多，比如19世紀(jì)末光電效應(yīng)和黑體輻射是物理學(xué)界遇到的兩朵烏云，維恩和瑞利、金斯分別以經(jīng)典物理理論的知識(shí)體系去解釋黑體輻射均未獲得成功。然而通過引入能量子的假設(shè)，普朗克成功地解釋了黑體輻射的規(guī)律。偉大的物理學(xué)家愛因斯坦進(jìn)一步提出了光量子的假設(shè)。善于總結(jié)的歷史學(xué)家德布羅意通過總結(jié)光的波粒二象性，大膽提出了所有實(shí)物粒子都具有波粒二象性的論點(diǎn)，而后得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)于氫原子的線狀光譜，玻爾開創(chuàng)性提出了氫原子的量子假設(shè)，并解釋了氫原子的結(jié)構(gòu)以及線狀光譜的實(shí)驗(yàn)。隨后，量子力學(xué)迎來爆發(fā)式的發(fā)展：薛定諤提出薛定諤方程，泡利提出了“不相容原理”，海森堡提出了“不確定原理”，并與波恩創(chuàng)建了矩陣力學(xué)等等[2]。正是這些偉大的物理學(xué)家的努力，量子力學(xué)這門嶄新的理論體系建立起來了。在教學(xué)過程中，適時(shí)引入量子力學(xué)的發(fā)展史和這些偉大科學(xué)家的傳記故事，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。同時(shí)也給學(xué)生們強(qiáng)調(diào)任何新理論的產(chǎn)生都不是一帆風(fēng)順的，研究新理論需要打破傳統(tǒng)理論和傳統(tǒng)觀點(diǎn)的束縛，要勇于創(chuàng)新。通過教學(xué)發(fā)現(xiàn)，采用這樣的教學(xué)模式可以明顯提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.2.2 以哲學(xué)思想作為切入點(diǎn)融入思政元素

量子理論自建立以來，許多思想和實(shí)驗(yàn)結(jié)果用傳統(tǒng)思維是無法理解的，但卻蘊(yùn)含著許多哲學(xué)思想。因此，可以以哲學(xué)思想作為切入點(diǎn)融入思政元素。如著名的“薛定諤貓”佯謬，即當(dāng)沒有打開密室的蓋子時(shí)，根據(jù)我們的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，貓要么死，要么活。但是，根據(jù)量子理論，如果沒有打開蓋子進(jìn)行觀察，永遠(yuǎn)不知道貓的死活，那么它將處在“既死又活”的疊加態(tài)。顯然，這是荒謬的，這將微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理?！把Χㄖ@貓”佯謬是薛定諤提出旨在否定宏觀世界存在量子疊加態(tài)。哥本哈根的量子詮釋在很長(zhǎng)的一段時(shí)間成了正統(tǒng)的、標(biāo)準(zhǔn)的詮釋。但“既死又活”的貓卻始終困擾著物理學(xué)家們。然而，在唯物主義思想的引導(dǎo)下，科學(xué)家們繼續(xù)研究探索，衍生了多種對(duì)“薛定諤貓”現(xiàn)象的解釋，從而進(jìn)一步補(bǔ)充完善量子力學(xué)理論體系。因此，在教學(xué)過程中，要點(diǎn)明唯物主義哲學(xué)思想對(duì)于量子力學(xué)理論建立的重要性，同時(shí)使學(xué)生明白，在生活中唯物主義思想也是避免大家誤入歧途的一個(gè)重要前提。

再如對(duì)定態(tài)微擾理論的講解，該知識(shí)點(diǎn)本身是比較枯燥的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。在求解復(fù)雜體系薛定諤方程時(shí)，體系哈密頓算符通常比較復(fù)雜，不能精確求解，只能求近似解，微擾論就是其中一個(gè)近似方法，其基本思想就是逐級(jí)近似。微擾論方法也就是抓住主要矛盾。因此要強(qiáng)調(diào)解決復(fù)雜問題學(xué)會(huì)抓主要矛盾，抓矛盾的主要方面，然后指出學(xué)生在將來的學(xué)習(xí)和工作中，要注意抓住工作重點(diǎn)，分清楚工作主次和輕重緩急。

1.2.3 將最新的科技成果作為切入點(diǎn)融入思政元素

量子力學(xué)是一門重要的基礎(chǔ)理論課程，由它而延伸出來的量子信息、量子通訊、量子計(jì)算機(jī)等學(xué)科發(fā)展迅速。因此，在對(duì)量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)講解以外，需要引入量子力學(xué)學(xué)科的前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)。教師可以結(jié)合自身的教學(xué)和科學(xué)研究，將國(guó)內(nèi)外量子科學(xué)和量子技術(shù)的科研成果融入教學(xué)之中，也可以鼓勵(lì)學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)、新媒體等平臺(tái)了解量子力學(xué)最新的發(fā)展動(dòng)態(tài)，進(jìn)而提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

例如，近年來蓬勃發(fā)展的量子通訊領(lǐng)域，通過對(duì)量子力學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)“量子”有了更全面的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而可以引入量子通信的概念。量子通信關(guān)系著國(guó)家信息和國(guó)防安全，發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)搶先占據(jù)了信息科技和產(chǎn)業(yè)高地。我國(guó)在量子通信領(lǐng)域起步較晚，但是經(jīng)過科學(xué)家們的不懈努力，我國(guó)的量子技術(shù)在通信領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“彎道超車”。中國(guó)科技大學(xué)的潘建偉院士帶領(lǐng)的科技團(tuán)隊(duì)在2007年首次實(shí)現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，2008年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，2012年建成首個(gè)規(guī)?；某怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，2016年成功發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。[3]因此，在授課過程，可以將我國(guó)科技工作者在量子通信領(lǐng)域內(nèi)的成就引入課堂，勉勵(lì)學(xué)生為科技強(qiáng)國(guó)而努力學(xué)習(xí)，同時(shí)也要使學(xué)生明白科技是第一生產(chǎn)力，關(guān)鍵技術(shù)要掌握在自己手上。此外，對(duì)科技前沿的了解也能幫助學(xué)生們對(duì)量子力學(xué)課程一些基本概念的理解。例如在講授量子態(tài)和自旋等概念時(shí)，因?yàn)楹艹橄?，學(xué)生不容易理解?？梢酝ㄟ^介紹計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)中二進(jìn)制0和1與電子的自旋態(tài)只有兩個(gè)取向相對(duì)應(yīng)，能夠幫助學(xué)生理解這些概念。

1.2.4 建立科學(xué)的評(píng)價(jià)體系

積極發(fā)揮考核方式在課程改革過程中的指揮棒作用，就需要對(duì)考核項(xiàng)目進(jìn)行多樣化處理，改變期末考試一卷定成績(jī)的模式。量子力學(xué)相比其他課程是教師難教、學(xué)生難學(xué)，對(duì)于大多數(shù)能認(rèn)真學(xué)習(xí)量子力學(xué)的學(xué)生來說，期末考試未必都能考高分，更不用說基礎(chǔ)稍差、學(xué)習(xí)不認(rèn)真的學(xué)生了，他們可能感覺再怎么努力學(xué)習(xí)，期末考試也很難及格，從而導(dǎo)致學(xué)生喪失信心、失去學(xué)習(xí)興趣，最終放棄課程。為了改變當(dāng)前局面，評(píng)價(jià)方式改革勢(shì)在必行，增強(qiáng)教學(xué)過程性評(píng)價(jià)的比重，增強(qiáng)學(xué)生參與教學(xué)改革的比重，體現(xiàn)德育教學(xué)的比重。

目前可采取翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，讓學(xué)生主動(dòng)預(yù)習(xí)，去查閱文獻(xiàn)資料，去參與知識(shí)點(diǎn)或者專題的講解，做到只要有參與，都會(huì)有考核成績(jī)。知識(shí)點(diǎn)或者專題的講解對(duì)學(xué)生來講，相對(duì)較難，而思政元素是很好的切入口，可以讓學(xué)生查閱量子力學(xué)理論或者相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的人文故事。像對(duì)波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)詮釋講解時(shí)，可以讓學(xué)生查閱20世紀(jì)初著名的索爾維物理年會(huì)中波爾和愛因斯坦的經(jīng)典爭(zhēng)論，了解事件的來龍去脈，這些能夠更好地吸引學(xué)生注意，大大活躍課堂氣氛，增加學(xué)生的參與感和獲得感。也可以開展量子力學(xué)疑難問題小組討論課，讓學(xué)生們分享自己的看法，取長(zhǎng)補(bǔ)短，并將學(xué)生表現(xiàn)納入期末考核成績(jī)。還可以讓學(xué)生追蹤最新量子科技進(jìn)展，通過篩選一些專題讓學(xué)生嘗試?yán)镁W(wǎng)絡(luò)自學(xué)，并在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下撰寫小論文，在加深基礎(chǔ)知識(shí)理解的同時(shí)，還能提高其創(chuàng)新能力。

另外，對(duì)量子力學(xué)課程進(jìn)行課程思政改革，教師是關(guān)鍵。作為高校教師要積極提高自身育人能力和意識(shí)，樹立“課程思政”教育教學(xué)理念，做好價(jià)值引領(lǐng)與知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)并舉發(fā)展。課程組可通過課程研討、集體備課等手段，交流和探討課程思政改革和實(shí)施方案，提升教師自身隊(duì)伍的德育教學(xué)能力。同時(shí)，對(duì)課程思政工作實(shí)施情況進(jìn)行定期、科學(xué)的評(píng)價(jià)和督查，將課程思政教學(xué)效果納入教師的績(jī)?？己嗽u(píng)價(jià)和評(píng)優(yōu)評(píng)先，進(jìn)而推進(jìn)課程思政教學(xué)改革。

2 課程思政教學(xué)改革面臨的問題及應(yīng)對(duì)措施

推行課程思政改革，除了對(duì)學(xué)生進(jìn)行德育教育外，恰當(dāng)思政元素的融入還能起到豐富課堂教學(xué)內(nèi)容的作用。實(shí)際上，在推行課程思政改革過程中還會(huì)碰到各種各樣的問題需要解決。比如，當(dāng)前學(xué)生們對(duì)思想政治教育課不感興趣的重要原因就是說教成分較多，在理工類課程中開展課程思政改革，更容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象。為了避免這種情況發(fā)生，可以根據(jù)課程自身特點(diǎn)，有針對(duì)性地凝練思政元素，結(jié)合課程內(nèi)容制定思政教學(xué)案例，并選擇恰當(dāng)?shù)那腥朦c(diǎn)，如在本文中提到的三類思政元素切入點(diǎn)進(jìn)行隱形植入，做到潤(rùn)物細(xì)無聲，避免說教[4]。

其次，避免課程思政融入方式單一。對(duì)于有故事背景的思政元素，可以先讓學(xué)生調(diào)研查閱資料，教師補(bǔ)充完善，最后畫龍點(diǎn)睛指出故事的意義所在。對(duì)于馬克思主義哲學(xué)思想此類思政元素，可以結(jié)合佐證這些哲學(xué)思想的內(nèi)容引入，例如唯物主義、矛盾論等，學(xué)生已經(jīng)熟悉這些內(nèi)容，在課堂上再次被提出，會(huì)引起學(xué)生們的思考，并對(duì)這些思政觀點(diǎn)有更深刻的認(rèn)識(shí)。對(duì)于科技成果這類思政元素，可以通過教師講解，觀看人物專訪、紀(jì)錄片，學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料等形式，讓學(xué)生了解特別是國(guó)內(nèi)在量子科技領(lǐng)域方面的進(jìn)展，增加民族自豪感，激發(fā)學(xué)生愛國(guó)熱情。

另外，通過梳理量子力學(xué)課程中的思政元素時(shí)，發(fā)現(xiàn)緒論部分思政元素較多，比較適合引入思政元素，但是部分章節(jié)思政元素較少，像教材中提到的“量子力學(xué)中的力學(xué)量”以及“態(tài)和力學(xué)量的表象”此類知識(shí)點(diǎn)[5]，內(nèi)容比較抽象，并且涉及公式推導(dǎo)較多，不宜強(qiáng)行引入思政元素，否則會(huì)導(dǎo)致本末倒置，課堂教學(xué)與課程教學(xué)內(nèi)容的脫節(jié)。

3 結(jié)語(yǔ)

課程教學(xué)是高校人才培養(yǎng)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在專業(yè)課程中實(shí)施思政教育已得到大家的認(rèn)同。課程思政教學(xué)改革的目標(biāo)是設(shè)計(jì)受學(xué)生歡迎，使學(xué)生受益非凡，達(dá)到終生難忘的融有“課程思政”的量子力學(xué)課程。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，通過將課程思政納入量子力學(xué)教學(xué)大綱，并制定科學(xué)的思政培養(yǎng)目標(biāo)，凝練思政元素，制定思政教學(xué)案例，挑選恰當(dāng)?shù)那腥朦c(diǎn)將思政元素與課程教學(xué)融合起來，進(jìn)而提升課程的吸引力，同時(shí)也能增加教師和學(xué)生的互動(dòng)環(huán)節(jié)，使看似枯燥的知識(shí)學(xué)習(xí)變得更加生動(dòng)。最后，文章討論了課程思政教育存在的問題及應(yīng)對(duì)辦法?？傊?，量子力學(xué)課程思政改革是一個(gè)長(zhǎng)期工程，需要學(xué)校、教師和學(xué)生的共同努力，從而推進(jìn)量子力學(xué)教育更好的發(fā)展和創(chuàng)新。