盖彦峰，田广军，牟从普
（燕山大学理学院 河北 秦皇岛 066004）
新工科教育倡导培养具备跨学科能力、实践导向和创新思维的工程人才，以应对复杂的现实问题和科技挑战[1]。量子技术作为新工科领域的热点之一，对高等教育也提出了更高的要求[2]。高等量子力学作为量子技术的基础和核心课程，亟须进行课程建设的更新和改进，以适应新工科时代的需求。
新工科注重跨学科的整合和应用，旨在培养具备多学科背景和综合能力的工程师和科学家。在这种背景下，高等量子力学是指将传统的量子力学理论与新兴的工程和技术领域相结合的研究领域：①量子计算和量子信息科学。高等量子力学可以应用于设计和实现量子计算机、量子算法的开发、量子通信和量子密码学等领域。②量子材料和纳米技术。通过研究和理解材料的量子行为，可以设计和合成具有特定性质的新型材料，如量子点、量子线、量子阱等，用于电子器件、传感器、能源储存等应用。③量子光学和量子传感器。量子光学研究基于量子力学的光子行为，利用量子纠缠和干涉等现象实现更高灵敏度的测量。④量子仿真和优化。利用量子计算机或其他模拟器对复杂的物理系统进行模拟和优化，例如材料科学中的量子材料设计、化学反应的模拟、优化和催化剂设计等。随着时间的推移，科学技术的进一步进展，我们将会看到更多新工科领域与量子力学的交叉与融合。
1 传统高等量子力学课程的问题分析
1.1 缺乏跨学科融合，无法与其他学科进行有机结合
传统高等量子力学课程通常集中于量子力学的理论和数学基础，而较少涉及其他学科的内容，可能忽视了与量子力学相关的其他学科领域的融合，如计算机科学、电子工程、材料科学等。并且缺乏与其他学科领域结合的实际应用案例，这导致学生在应用高等量子力学的实际工程问题和技术领域时难以将其与其他学科结合，限制了他们的综合应用能力发展。此外，传统高等量子力学课程的教师往往只具有物理学或相关领域的专业背景，缺乏其他学科领域的知识，这可能导致其教学内容过于专业化，难以涵盖跨学科融合的广泛内容。
1.2 缺乏实践导向，学生难以将理论知识应用于解决实际问题
传统高等量子力学课程通常侧重于教授量子力学的理论概念、数学推导和基本原理，而较少关注实际应用和实验技术。理论重于实践导致学生在课堂上只是被动学习，缺乏实践中积极参与的机会。而且量子力学实验往往需要复杂的设备和专门的实验室条件，这使得许多学校无法为学生提供充分的实验实践环节。因此，学生无法亲自观察和操作与量子力学相关的实验现象，缺乏直接的实践体验。此外，高等量子力学的计算机模拟可以帮助学生更好地理解量子系统的行为和特性，但传统课程往往未提供相关的计算机工具和指导。
1.3 缺乏创新思维的培养
传统高等量子力学课程通常重视理论，将重点放在学生对现有理论的理解和应用上。这可能导致学生缺乏创新思维，因为他们过多地关注于掌握已有的知识，而缺乏对新思路和方法的探索。基于已知的理论和模型，学生只需要套用已有的知识进行计算和分析，限制了学生创新思维的培养，他们很少面临真正具有挑战性和启发性的问题，缺乏自主思考和探索的机会。在传统课程教学中，学生往往是独立学习和思考，缺乏与同学和教师的交流和合作机会。创新思维往往是通过与他人的讨论和合作而得到启发和发展，缺乏这样的机会可能限制了学生创新潜能的发挥。
2 新工科背景下高等量子力学课程建设要素
在新工科背景下，为了解决传统高等量子力学课程的这些问题，帮助学生更好地理解量子力学的实际应用，培养他们在实践中运用量子力学知识的能力，高等量子力学课程建设需要注重跨学科融合和实践导向。
首先，在高等量子力学课程中引入涉及其他学科的跨学科模块，如量子计算、量子通信、量子材料等，这有助于学生理解量子力学在不同学科领域的应用。组建跨学科的教师团队，包括物理学、化学、计算机学、材料学等，以确保课程内容充分涵盖多个学科领域，促进不同学科教师之间的合作与交流，共同开发和教授跨学科的高等量子力学课程，将量子力学概念与其他学科的应用相结合。提供与其他学科领域相关的实际应用案例，让学生将量子力学的概念与实际问题相结合，培养其跨学科解决问题的能力。鼓励学生参与跨学科的研究项目，与其他学科的学生合作，应用量子力学的知识共同解决实际问题。
其次，引入实验和实践环节，为学生提供机会参与量子实验的实际操作，或者通过虚拟实验和计算机来模拟量子现象和实验过程。培养学生在实践中所需的技能，以更好地应用量子力学理论于实际问题的解决。建立与工业界的合作项目，让学生参与实际的量子技术研发和应用项目以获得实践经验和了解工业实际需求。
最后，设计具有启发性和挑战性的问题，鼓励学生独立思考、提出新的观点和解决方案，培养他们的创新思维和批判性思维。组织学生间的讨论、合作和团队项目，通过交流和合作激发学生的创新思维，并从不同角度和观点中获得灵感和启发。引入实际的创新案例和应用实践，让学生了解量子力学在实际应用中的创新和挑战，培养他们的创新意识和实践能力。教师也应从传统的知识传授者转变为促进学生创新思维和问题解决能力的引导者和指导者。教师应鼓励学生提出问题、探索解决方案，并提供必要的支持和反馈。
通过这些措施，传统高等量子力学课程可以更好地实现跨学科融合，培养具备综合应用能力和跨学科视野的专业人才，可以更好地提升高等量子力学课程的实践导向。学生可以获得更全面的跨学科教育，更好地理解和应用高等量子力学在不同学科领域中的实际应用。这有助于培养具备跨学科视野和能力的专业人才，推动科学与技术的交叉创新。
3 新工科背景下的高等量子力学教学改革
将实践与理论相结合，注重实践导向的教学方法，为学生提供实验实践的机会，让他们亲自操作量子实验设备、观察和测量量子现象，从而深化对量子力学概念的理解。这可以通过实验室实践、模拟实验、计算机模拟等方式实现。将量子力学与其他学科融合，例如计算机科学、材料科学、光学等。教授量子计算、量子通信、量子材料等跨学科内容，让学生了解量子力学在不同领域的应用，促进创新思维的培养。引入项目驱动学习，让学生在团队中解决实际问题，将量子力学知识应用于工程、计算机科学、材料科学等领域的实际挑战。这可以帮助学生将所学的理论知识与实际问题相连接，培养解决复杂问题和创新思维的能力。结合虚拟实验和模拟工具，让学生通过计算机模拟和可视化，探索复杂量子系统的行为和特性，从而加深对量子力学的理解。引入实际应用案例和相关问题，通过案例分析和讨论，激发学生的创新思维和批判性思维。学生可以探讨现有技术的局限性，提出改进方案，培养创新意识。通过讨论和合作学习，促进学生之间的交流和思想碰撞，培养批判性思维和创新思维。可以组织小组讨论、研讨会、项目展示等活动[3]，让学生分享和交流他们的想法和成果。鼓励学生进行自主探索和发现，提供学习资源和指导，给予学生一定的自由度和创造空间，激发学生的好奇心和创新精神，培养他们的探索和实践能力。提供导师指导和合作机会，让学生与专业人士合作，参与真实的研究项目或工程项目。通过与导师的互动和合作，学生可以获得实践经验，培养创新思维和解决问题的能力。
这些教学方法使高等量子力学课程更好地适应新工科背景，可以帮助学生更好地理解和应用量子力学的知识，培养其创新思维和实践能力，将所学的理论知识应用于实际问题的解决，并促进跨学科融合，以应对新工科背景下的挑战。同时，鼓励学生自主探索和实践，提供实践导向的学习环境，使其成为具有创新意识和实践能力的工科专业人才。
4 高等量子力学课程建设展望
高等量子力学课程在未来的发展中，有几个关键的展望和趋势：①融合前沿研究[4-5]：量子力学是一个快速发展的领域，新的理论和实验研究不断涌现。未来的高等量子力学课程应该紧跟前沿研究进展，将最新的理论和实验结果纳入教学内容，让学生能够了解和理解最新的科学进展。②强调应用和技术：量子技术的发展正迅猛推进，包括量子计算、量子通信、量子传感等领域。高等量子力学课程应该强调将量子力学理论应用于实际问题和技术开发中，培养学生在量子技术领域的应用能力和创新能力。③实践导向教学：传统的理论课程应更加注重实践导向的教学方法。通过实验实践、计算机模拟、实际项目等方式，让学生亲自参与量子力学的实践，从而深入理解和应用量子力学的概念和原理。④跨学科融合：量子力学在许多不同领域都有着广泛应用，包括计算机科学、材料科学、光学等。未来的高等量子力学课程应该加强与其他学科的融合，培养学生的跨学科思维和解决复杂问题的能力。⑤强化创新思维培养：创新是推动科学和技术进步的重要动力。高等量子力学课程应该注重培养学生的创新思维和解决问题的能力，鼓励学生思考和探索新的研究方向和应用领域。⑥创新教学方法：引入创新的教学方法和教学技术，如虚拟实验室、在线模拟工具、互动式学习平台等。这些方法可以增强学生的参与度和学习动力，提供更多样化的学习体验。⑦行业导向：将高等量子力学课程与实际行业需求相结合，注重培养学生在相关行业中的应用能力。与行业合作，开展实际案例研究和实习项目，使学生能够更好地应对未来的工作挑战。⑧自主学习和持续学习：高等量子力学课程将鼓励学生发展自主学习和持续学习的能力。量子力学作为一门前沿科学，不断发展演进。培养学生的自主学习能力，使他们能够跟随科学进展并不断更新知识。⑨引入伦理和社会影响：量子技术的发展也带来了伦理和社会影响的问题，例如隐私保护、安全性等。高等量子力学课程应该引入伦理和社会影响的讨论，让学生意识到科学发展对社会的影响，并培养他们的伦理意识和社会责任感。综上所述，未来的高等量子力学课程建设应该与前沿研究接轨，强调应用和技术，注重实践导向教学，融合跨学科知识，培养创新思维，关注伦理和社会影响。这样的课程将为学生提供更丰富的学习体验，帮助他们在量子领域取得更好的理解和应用能力，为量子科学和技术的发展做出贡献。
5 结语
新工科背景下的高等量子力学课程建设面临着诸多机遇和挑战。通过跨学科融合、实践导向和创新思维培养等关键要素的引入，以及项目式学习、虚拟实验和在线开放课程等教学方法的应用，可以有效地提高高等量子力学课程的质量和教学效果。未来的发展中，应注重前沿领域内容的融入，与产业需求紧密结合，不断推动高等量子力学课程建设的创新与发展。
