從量子通信的加密安全到量子計算的超強算力，隨著量子科技領(lǐng)域取得一系列重大突破，量子理論所蘊含的概率性、疊加性和糾纏性等特征，正在重塑人類的認知范式。近年來，量子科學(xué)教育逐漸受到國際關(guān)注，國內(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)實驗室等方式試點量子相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。同時，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。

概念澄清與教育價值追問

《教育家》：您認為量子力學(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)的價值何在？

黃國翔：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?；诹孔永碚摚祟惏l(fā)明了激光、晶體管、計算機和互聯(lián)網(wǎng)，推動社會進入信息時代，這一過程被稱為“第一次量子革命”。20世紀后期，人們對微觀粒子的理解進一步深化，通過實驗否定了愛因斯坦等人的定域?qū)嵲谡?，量子計算和量子通信等技術(shù)應(yīng)運而生，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。

我認為應(yīng)盡早在中小學(xué)補充量子相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，有利于培養(yǎng)量子領(lǐng)域所需人才，在全球的科技競爭中搶占先機。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)慣運用經(jīng)典思維理解量子力學(xué)，進入大學(xué)后一時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)展會揭開量子世界的深層奧秘，給人類社會帶來巨大變化。當(dāng)前，美國、日本等國家十分重視量子科技發(fā)展，力爭在新一輪科技競爭中搶占先機。我國也充分認識到推動量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加大了相關(guān)

袁嵐峰：科學(xué)進步源于實驗，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驗現(xiàn)象，而非思維方式不同。過于強調(diào)思維方式，實際上是在忽視科學(xué)的實證基礎(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：任何看似堅不可摧的理論都可能被顛覆，科學(xué)永遠存在創(chuàng)新空間。正如費曼所言，對理論保持謙卑本身就是一種進步。

“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，這一階段的研究對象主要是已有的量子體系，對單個粒子的認識尚不充分。到了20世紀80年代，人們開始設(shè)計一些單粒子量子體系來實現(xiàn)特定目標(biāo)，在密碼學(xué)、超強計算能力、超高測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)獎頒給了三位量子信息科學(xué)的奠基人，我國近年來也在該領(lǐng)域取得了許多重要成果，如“墨子號”衛(wèi)星、京滬干線、“九章”量子計算機等。讓現(xiàn)在的中小學(xué)生認識“第二次量子革命”，并對量子領(lǐng)域有一些科普級別的了解，是很有價值的。

事實上，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)時需對比經(jīng)典力學(xué)的局限性，引入量子力學(xué)才能合理解釋，還會提到不確定原理、電子云等概念。不過在實際教學(xué)中，許多教師很少展開講這些量子知識。

高鵬：我認為應(yīng)強調(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)認知，提出“量子化”概念;愛因斯坦顛覆絕對時空觀，創(chuàng)立相對論。這些突破都源于對固有框架的挑戰(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)于世界運行的物理圖像。比如法拉第用電場線形象描繪了電磁場，“場”的概念因此變得清晰、直觀。量子力學(xué)進中小學(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，豐富對這個世界的認識，形成開放的科學(xué)思維。一方面，不同于宏觀世界，量子這個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，微觀粒子的運動與日常運動規(guī)律存在顯著差異，這種認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標(biāo)準(zhǔn)答案的依賴。實際上，愛因斯坦就是在質(zhì)疑量子力學(xué)的過程中，推動了“量子糾纏”等概念的出現(xiàn)。

爭議與可行性回應(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)生認知基礎(chǔ)有限是客觀事實，因而有學(xué)者認為量子力學(xué)進中小學(xué)并不現(xiàn)實。對此，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，如果沒有扎實的數(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)都時常“一頭包”，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)生在這個階段徹底搞清楚這些知識的來龍去脈，可以實現(xiàn)的是讓他們了解量子力學(xué)和量子信息技術(shù)的存在及價值。

現(xiàn)在有許多反對量子的聲音，比如有人認為“量子是偽科學(xué)”，這恰恰說明我們的量子科普做得遠遠不夠。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，但仍有許多人不了解相關(guān)基本事實。另外，現(xiàn)在很多所謂的量子科普其實并不正確。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)”“一種神秘的超級作用”，實際上它是先有理論預(yù)言、后經(jīng)實驗驗證的物理現(xiàn)象。另一個典型問題是，當(dāng)下對于量子知識的傳播有些過于強調(diào)它的巔覆性，讓一些人以為所有科學(xué)都可以隨時被推翻，忽略了任何理論的突破都需要堅實的實驗證據(jù)支撐。

我給中小學(xué)生講量子科普，會談量子力學(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、量子計算和量子精密測量，告訴學(xué)生它們分別能做什么、現(xiàn)在發(fā)展態(tài)勢如何、我國取得了哪些成果。

這些內(nèi)容很具體，也容易理解，便于促進學(xué)生思維的轉(zhuǎn)變。如介紹量子力學(xué)起源時，我會強調(diào)它的誕生背景：19世紀末，人們普遍認為物理學(xué)大廈已完工，這時邁克爾遜-莫雷實驗催生了相對論，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，但必須建立在實驗證據(jù)的基礎(chǔ)上。

黃國翔：量子力學(xué)的抽象概念及其中復(fù)雜的數(shù)學(xué)知識確實給中小學(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。一是通過模擬實驗和科學(xué)故事培養(yǎng)學(xué)生的感知能力，利用計算機模擬量子現(xiàn)象，如演示光的雙縫干涉實驗，讓學(xué)生觀察電子或光子的干涉圖樣。同時，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)生建立初步認識，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)滲透量子測量等基礎(chǔ)知識，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)校還可邀請高校和研究機構(gòu)的專家及經(jīng)驗豐富的中學(xué)教師，開展科普講座或兼職授課；組織學(xué)生實地參觀高校量子物理實驗室，通過觀察深化理解；充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，建設(shè)量子物理虛擬實驗平臺，利用AR/VR技術(shù)、AI工具模擬量子實驗，讓學(xué)生通過遠程操作直觀驗證量子物理現(xiàn)象。需注意的是，在實施過程中要注重實效，做好配套保障，如建立科學(xué)的教學(xué)評估機制、定期跟蹤教學(xué)效果、進行總結(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、演示實驗等形式，引入量子科技中具有啟發(fā)性、趣味性的內(nèi)容。例如，電子雙縫干涉實驗被譽為“史上最美物理實驗”，量子力學(xué)的諸多核心原理皆可從這一實驗中窺見。教師可通過此類實驗向?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。一是以故事為切入點，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)造性思維的價值。二是以量子力學(xué)中“反直覺”的特性為切入點，引發(fā)深度思考。量子力學(xué)知識固然深奧，其中卻不乏一些有意思的現(xiàn)象和實驗。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間只有一條運動路徑，電子這一微觀粒子卻能同時通過兩條狹縫并呈現(xiàn)干涉條紋。教師可通過實驗演示或動畫模擬，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，并最終推動量子計算、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識量子現(xiàn)象，也會產(chǎn)生進一步探索“微觀粒子運動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。

實施路徑分析

《教育家》：量子力學(xué)內(nèi)容應(yīng)以何種形式進入中小學(xué)，促進學(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、再認識、后思考”的原則循序漸進地開展：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，重點在于科學(xué)啟蒙；在初中應(yīng)以物理圖像的認識為主，無須深入探討過于復(fù)雜的概念，重點是通過直觀的實驗和動畫等輔助手段，幫助學(xué)生自主構(gòu)建微觀世界的認知框架；在高中應(yīng)深化科學(xué)思維訓(xùn)練，通過對比經(jīng)典實驗與量子實驗，探討科學(xué)史上的關(guān)鍵爭論等，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)教育確實難度頗高。費曼曾說：“沒有人能理解量子力學(xué)。不要問‘它為什么這樣’，因為沒人知道。我們只能描述它如何行為，并驚嘆于它的精確。”通過量子現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生思維，核心在于過程而非結(jié)果。要想對量子力學(xué)有更深的理解，重點是自己去構(gòu)建物理圖像，思考粒子是如何運動的。對于所有學(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，因為這反而會影響科學(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、實操這類實物，增強他們對量子的感性認知。學(xué)?？梢远嚅_展科普講座。我主講過很多場量子科普活動，學(xué)生年級越高，可以講的細節(jié)就越多。有時，學(xué)生的認知水平還會超出我們的想象。一次，一個四年級學(xué)生提問：“我已經(jīng)讀完了您的《量子信息簡話》，未來如何成為一位量子計算研究者？”還有一次，有個中學(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)時剛發(fā)表出來的成果。此外，鼓勵學(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。

黃國翔：高中物理教材本就涉及一些量子知識，教師在面向?qū)W生滲透量子知識時可重點培養(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)生從實驗現(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，使學(xué)生能分析、計算簡單的量子問題，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，認識經(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。

課程實施之前，需要首先解決師資問題。相關(guān)學(xué)?？梢詫ξ锢斫處熖岢雒鞔_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，更新知識體系，將適合學(xué)生吸收的知識及時納入教學(xué)內(nèi)容；鼓勵教師開展量子教學(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)進修，提升他們的量子理論和實驗水平，或在招聘時適當(dāng)引進具有量子物理專業(yè)背景的教師，讓他們帶動提高量子力學(xué)方面的教學(xué)質(zhì)量。