蓋彥峰，田廣軍，牟從普

（燕山大學(xué)理學(xué)院 河北 秦皇島 066004）

新工科教育倡導(dǎo)培養(yǎng)具備跨學(xué)科能力、實(shí)踐導(dǎo)向和創(chuàng)新思維的工程人才，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問題和科技挑戰(zhàn)[1]。量子技術(shù)作為新工科領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，對(duì)高等教育也提出了更高的要求[2]。高等量子力學(xué)作為量子技術(shù)的基礎(chǔ)和核心課程，亟須進(jìn)行課程建設(shè)的更新和改進(jìn)，以適應(yīng)新工科時(shí)代的需求。

新工科注重跨學(xué)科的整合和應(yīng)用，旨在培養(yǎng)具備多學(xué)科背景和綜合能力的工程師和科學(xué)家。在這種背景下，高等量子力學(xué)是指將傳統(tǒng)的量子力學(xué)理論與新興的工程和技術(shù)領(lǐng)域相結(jié)合的研究領(lǐng)域：①量子計(jì)算和量子信息科學(xué)。高等量子力學(xué)可以應(yīng)用于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)、量子算法的開發(fā)、量子通信和量子密碼學(xué)等領(lǐng)域。②量子材料和納米技術(shù)。通過研究和理解材料的量子行為，可以設(shè)計(jì)和合成具有特定性質(zhì)的新型材料，如量子點(diǎn)、量子線、量子阱等，用于電子器件、傳感器、能源儲(chǔ)存等應(yīng)用。③量子光學(xué)和量子傳感器。量子光學(xué)研究基于量子力學(xué)的光子行為，利用量子糾纏和干涉等現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)更高靈敏度的測(cè)量。④量子仿真和優(yōu)化。利用量子計(jì)算機(jī)或其他模擬器對(duì)復(fù)雜的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬和優(yōu)化，例如材料科學(xué)中的量子材料設(shè)計(jì)、化學(xué)反應(yīng)的模擬、優(yōu)化和催化劑設(shè)計(jì)等。隨著時(shí)間的推移，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步進(jìn)展，我們將會(huì)看到更多新工科領(lǐng)域與量子力學(xué)的交叉與融合。

1 傳統(tǒng)高等量子力學(xué)課程的問題分析

1.1 缺乏跨學(xué)科融合，無法與其他學(xué)科進(jìn)行有機(jī)結(jié)合

傳統(tǒng)高等量子力學(xué)課程通常集中于量子力學(xué)的理論和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，而較少涉及其他學(xué)科的內(nèi)容，可能忽視了與量子力學(xué)相關(guān)的其他學(xué)科領(lǐng)域的融合，如計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子工程、材料科學(xué)等。并且缺乏與其他學(xué)科領(lǐng)域結(jié)合的實(shí)際應(yīng)用案例，這導(dǎo)致學(xué)生在應(yīng)用高等量子力學(xué)的實(shí)際工程問題和技術(shù)領(lǐng)域時(shí)難以將其與其他學(xué)科結(jié)合，限制了他們的綜合應(yīng)用能力發(fā)展。此外，傳統(tǒng)高等量子力學(xué)課程的教師往往只具有物理學(xué)或相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)背景，缺乏其他學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，這可能導(dǎo)致其教學(xué)內(nèi)容過于專業(yè)化，難以涵蓋跨學(xué)科融合的廣泛內(nèi)容。

1.2 缺乏實(shí)踐導(dǎo)向，學(xué)生難以將理論知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際問題

傳統(tǒng)高等量子力學(xué)課程通常側(cè)重于教授量子力學(xué)的理論概念、數(shù)學(xué)推導(dǎo)和基本原理，而較少關(guān)注實(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。理論重于實(shí)踐導(dǎo)致學(xué)生在課堂上只是被動(dòng)學(xué)習(xí)，缺乏實(shí)踐中積極參與的機(jī)會(huì)。而且量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)往往需要復(fù)雜的設(shè)備和專門的實(shí)驗(yàn)室條件，這使得許多學(xué)校無法為學(xué)生提供充分的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)。因此，學(xué)生無法親自觀察和操作與量子力學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，缺乏直接的實(shí)踐體驗(yàn)。此外，高等量子力學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬可以幫助學(xué)生更好地理解量子系統(tǒng)的行為和特性，但傳統(tǒng)課程往往未提供相關(guān)的計(jì)算機(jī)工具和指導(dǎo)。

1.3 缺乏創(chuàng)新思維的培養(yǎng)

傳統(tǒng)高等量子力學(xué)課程通常重視理論，將重點(diǎn)放在學(xué)生對(duì)現(xiàn)有理論的理解和應(yīng)用上。這可能導(dǎo)致學(xué)生缺乏創(chuàng)新思維，因?yàn)樗麄冞^多地關(guān)注于掌握已有的知識(shí)，而缺乏對(duì)新思路和方法的探索?；谝阎睦碚摵湍Ｐ停瑢W(xué)生只需要套用已有的知識(shí)進(jìn)行計(jì)算和分析，限制了學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，他們很少面臨真正具有挑戰(zhàn)性和啟發(fā)性的問題，缺乏自主思考和探索的機(jī)會(huì)。在傳統(tǒng)課程教學(xué)中，學(xué)生往往是獨(dú)立學(xué)習(xí)和思考，缺乏與同學(xué)和教師的交流和合作機(jī)會(huì)。創(chuàng)新思維往往是通過與他人的討論和合作而得到啟發(fā)和發(fā)展，缺乏這樣的機(jī)會(huì)可能限制了學(xué)生創(chuàng)新潛能的發(fā)揮。

2 新工科背景下高等量子力學(xué)課程建設(shè)要素

在新工科背景下，為了解決傳統(tǒng)高等量子力學(xué)課程的這些問題，幫助學(xué)生更好地理解量子力學(xué)的實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)他們?cè)趯?shí)踐中運(yùn)用量子力學(xué)知識(shí)的能力，高等量子力學(xué)課程建設(shè)需要注重跨學(xué)科融合和實(shí)踐導(dǎo)向。

首先，在高等量子力學(xué)課程中引入涉及其他學(xué)科的跨學(xué)科模塊，如量子計(jì)算、量子通信、量子材料等，這有助于學(xué)生理解量子力學(xué)在不同學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用。組建跨學(xué)科的教師團(tuán)隊(duì)，包括物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、材料學(xué)等，以確保課程內(nèi)容充分涵蓋多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，促進(jìn)不同學(xué)科教師之間的合作與交流，共同開發(fā)和教授跨學(xué)科的高等量子力學(xué)課程，將量子力學(xué)概念與其他學(xué)科的應(yīng)用相結(jié)合。提供與其他學(xué)科領(lǐng)域相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用案例，讓學(xué)生將量子力學(xué)的概念與實(shí)際問題相結(jié)合，培養(yǎng)其跨學(xué)科解決問題的能力。鼓勵(lì)學(xué)生參與跨學(xué)科的研究項(xiàng)目，與其他學(xué)科的學(xué)生合作，應(yīng)用量子力學(xué)的知識(shí)共同解決實(shí)際問題。

其次，引入實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，為學(xué)生提供機(jī)會(huì)參與量子實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作，或者通過虛擬實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)來模擬量子現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)過程。培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐中所需的技能，以更好地應(yīng)用量子力學(xué)理論于實(shí)際問題的解決。建立與工業(yè)界的合作項(xiàng)目，讓學(xué)生參與實(shí)際的量子技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用項(xiàng)目以獲得實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和了解工業(yè)實(shí)際需求。

最后，設(shè)計(jì)具有啟發(fā)性和挑戰(zhàn)性的問題，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考、提出新的觀點(diǎn)和解決方案，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和批判性思維。組織學(xué)生間的討論、合作和團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，通過交流和合作激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，并從不同角度和觀點(diǎn)中獲得靈感和啟發(fā)。引入實(shí)際的創(chuàng)新案例和應(yīng)用實(shí)踐，讓學(xué)生了解量子力學(xué)在實(shí)際應(yīng)用中的創(chuàng)新和挑戰(zhàn)，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。教師也應(yīng)從傳統(tǒng)的知識(shí)傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維和問題解決能力的引導(dǎo)者和指導(dǎo)者。教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生提出問題、探索解決方案，并提供必要的支持和反饋。

通過這些措施，傳統(tǒng)高等量子力學(xué)課程可以更好地實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科融合，培養(yǎng)具備綜合應(yīng)用能力和跨學(xué)科視野的專業(yè)人才，可以更好地提升高等量子力學(xué)課程的實(shí)踐導(dǎo)向。學(xué)生可以獲得更全面的跨學(xué)科教育，更好地理解和應(yīng)用高等量子力學(xué)在不同學(xué)科領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。這有助于培養(yǎng)具備跨學(xué)科視野和能力的專業(yè)人才，推動(dòng)科學(xué)與技術(shù)的交叉創(chuàng)新。

3 新工科背景下的高等量子力學(xué)教學(xué)改革

將實(shí)踐與理論相結(jié)合，注重實(shí)踐導(dǎo)向的教學(xué)方法，為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的機(jī)會(huì)，讓他們親自操作量子實(shí)驗(yàn)設(shè)備、觀察和測(cè)量量子現(xiàn)象，從而深化對(duì)量子力學(xué)概念的理解。這可以通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐、模擬實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬等方式實(shí)現(xiàn)。將量子力學(xué)與其他學(xué)科融合，例如計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)、光學(xué)等。教授量子計(jì)算、量子通信、量子材料等跨學(xué)科內(nèi)容，讓學(xué)生了解量子力學(xué)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，促進(jìn)創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。引入項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中解決實(shí)際問題，將量子力學(xué)知識(shí)應(yīng)用于工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)際挑戰(zhàn)。這可以幫助學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際問題相連接，培養(yǎng)解決復(fù)雜問題和創(chuàng)新思維的能力。結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)和模擬工具，讓學(xué)生通過計(jì)算機(jī)模擬和可視化，探索復(fù)雜量子系統(tǒng)的行為和特性，從而加深對(duì)量子力學(xué)的理解。引入實(shí)際應(yīng)用案例和相關(guān)問題，通過案例分析和討論，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和批判性思維。學(xué)生可以探討現(xiàn)有技術(shù)的局限性，提出改進(jìn)方案，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。通過討論和合作學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生之間的交流和思想碰撞，培養(yǎng)批判性思維和創(chuàng)新思維。可以組織小組討論、研討會(huì)、項(xiàng)目展示等活動(dòng)[3]，讓學(xué)生分享和交流他們的想法和成果。鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自主探索和發(fā)現(xiàn)，提供學(xué)習(xí)資源和指導(dǎo)，給予學(xué)生一定的自由度和創(chuàng)造空間，激發(fā)學(xué)生的好奇心和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)他們的探索和實(shí)踐能力。提供導(dǎo)師指導(dǎo)和合作機(jī)會(huì)，讓學(xué)生與專業(yè)人士合作，參與真實(shí)的研究項(xiàng)目或工程項(xiàng)目。通過與導(dǎo)師的互動(dòng)和合作，學(xué)生可以獲得實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和解決問題的能力。

這些教學(xué)方法使高等量子力學(xué)課程更好地適應(yīng)新工科背景，可以幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用量子力學(xué)的知識(shí)，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問題的解決，并促進(jìn)跨學(xué)科融合，以應(yīng)對(duì)新工科背景下的挑戰(zhàn)。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生自主探索和實(shí)踐，提供實(shí)踐導(dǎo)向的學(xué)習(xí)環(huán)境，使其成為具有創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的工科專業(yè)人才。

4 高等量子力學(xué)課程建設(shè)展望

高等量子力學(xué)課程在未來的發(fā)展中，有幾個(gè)關(guān)鍵的展望和趨勢(shì)：①融合前沿研究[4-5]：量子力學(xué)是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，新的理論和實(shí)驗(yàn)研究不斷涌現(xiàn)。未來的高等量子力學(xué)課程應(yīng)該緊跟前沿研究進(jìn)展，將最新的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果納入教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生能夠了解和理解最新的科學(xué)進(jìn)展。②強(qiáng)調(diào)應(yīng)用和技術(shù)：量子技術(shù)的發(fā)展正迅猛推進(jìn)，包括量子計(jì)算、量子通信、量子傳感等領(lǐng)域。高等量子力學(xué)課程應(yīng)該強(qiáng)調(diào)將量子力學(xué)理論應(yīng)用于實(shí)際問題和技術(shù)開發(fā)中，培養(yǎng)學(xué)生在量子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。③實(shí)踐導(dǎo)向教學(xué)：傳統(tǒng)的理論課程應(yīng)更加注重實(shí)踐導(dǎo)向的教學(xué)方法。通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、計(jì)算機(jī)模擬、實(shí)際項(xiàng)目等方式，讓學(xué)生親自參與量子力學(xué)的實(shí)踐，從而深入理解和應(yīng)用量子力學(xué)的概念和原理。④跨學(xué)科融合：量子力學(xué)在許多不同領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，包括計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)、光學(xué)等。未來的高等量子力學(xué)課程應(yīng)該加強(qiáng)與其他學(xué)科的融合，培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科思維和解決復(fù)雜問題的能力。⑤強(qiáng)化創(chuàng)新思維培養(yǎng)：創(chuàng)新是推動(dòng)科學(xué)和技術(shù)進(jìn)步的重要?jiǎng)恿Α８叩攘孔恿W(xué)課程應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力，鼓勵(lì)學(xué)生思考和探索新的研究方向和應(yīng)用領(lǐng)域。⑥創(chuàng)新教學(xué)方法：引入創(chuàng)新的教學(xué)方法和教學(xué)技術(shù)，如虛擬實(shí)驗(yàn)室、在線模擬工具、互動(dòng)式學(xué)習(xí)平臺(tái)等。這些方法可以增強(qiáng)學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)動(dòng)力，提供更多樣化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。⑦行業(yè)導(dǎo)向：將高等量子力學(xué)課程與實(shí)際行業(yè)需求相結(jié)合，注重培養(yǎng)學(xué)生在相關(guān)行業(yè)中的應(yīng)用能力。與行業(yè)合作，開展實(shí)際案例研究和實(shí)習(xí)項(xiàng)目，使學(xué)生能夠更好地應(yīng)對(duì)未來的工作挑戰(zhàn)。⑧自主學(xué)習(xí)和持續(xù)學(xué)習(xí)：高等量子力學(xué)課程將鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)展自主學(xué)習(xí)和持續(xù)學(xué)習(xí)的能力。量子力學(xué)作為一門前沿科學(xué)，不斷發(fā)展演進(jìn)。培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，使他們能夠跟隨科學(xué)進(jìn)展并不斷更新知識(shí)。⑨引入倫理和社會(huì)影響：量子技術(shù)的發(fā)展也帶來了倫理和社會(huì)影響的問題，例如隱私保護(hù)、安全性等。高等量子力學(xué)課程應(yīng)該引入倫理和社會(huì)影響的討論，讓學(xué)生意識(shí)到科學(xué)發(fā)展對(duì)社會(huì)的影響，并培養(yǎng)他們的倫理意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感。綜上所述，未來的高等量子力學(xué)課程建設(shè)應(yīng)該與前沿研究接軌，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用和技術(shù)，注重實(shí)踐導(dǎo)向教學(xué)，融合跨學(xué)科知識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，關(guān)注倫理和社會(huì)影響。這樣的課程將為學(xué)生提供更豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，幫助他們?cè)诹孔宇I(lǐng)域取得更好的理解和應(yīng)用能力，為量子科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語

新工科背景下的高等量子力學(xué)課程建設(shè)面臨著諸多機(jī)遇和挑戰(zhàn)。通過跨學(xué)科融合、實(shí)踐導(dǎo)向和創(chuàng)新思維培養(yǎng)等關(guān)鍵要素的引入，以及項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、虛擬實(shí)驗(yàn)和在線開放課程等教學(xué)方法的應(yīng)用，可以有效地提高高等量子力學(xué)課程的質(zhì)量和教學(xué)效果。未來的發(fā)展中，應(yīng)注重前沿領(lǐng)域內(nèi)容的融入，與產(chǎn)業(yè)需求緊密結(jié)合，不斷推動(dòng)高等量子力學(xué)課程建設(shè)的創(chuàng)新與發(fā)展。