基于核心素养的量子计算校本课程的开发与实施

收稿日期：2023-10-08

基金项目：华南师范大学附属中学立项课题“基于量子计算主题的高中量子论科普课程开发研究”（23A003）。

作者简介：胡金平（1992-），男，中学一级教师，主要从事高中物理教学工作。

摘   要：量子论知识是高中物理课程的重要组成部分，学习量子论知识的实际应用有助于学生理解量子论知识和概念，构建较为系统的量子论知识框架。基于物理核心素养与“量子计算”校本课程，探讨了高中“量子计算”课程开发的背景、目标设置、内容编排、实施与评价、实践反思等问题。

关键词：量子计算；校本课程；高中；开发；实施

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）4-0077-6

量子论是近代物理的重要组成部分，其理论和实验结果颠覆了经典物理的一些观念。通过学习量子论，学生可以更深入地理解物质的本质、微观粒子的运动规律以及能量的传递和转化等基本物理概念，形成更为完整和深入的物理观念。量子论中蕴含的科学思维方法对于培养学生的科学思维和探究能力具有重要意义。例如，量子论中的波粒二象性、量子态叠加、量子纠缠等概念可以引导学生思考经典物理与量子物理的差异和联系，从而进一步拓展他们的科学视野和思维方式。将量子计算引入到高中物理教学，学生在实践中体验量子现象，可以提高他们的实验探究能力。例如，学生亲自操作量子计算教学机，观察和分析实验结果，可以加深其对量子论的理解。学习量子论也有助于培养学生的科学态度与责任。例如，通过学习量子论的发展历程，学生能够体会到科学家的探索精神，可以更好地理解科学的本质和价值，从而增强对科学的兴趣和热爱。同时，也有助于培养他们的创新意识和实践能力。

１    课程开发背景

作为近代物理两大支柱之一，量子论及相关技术在信息科学、天文、军事等领域具有广泛应用。其中，中国科技大学潘建伟教授团队在量子计算领域走到了世界前沿。２０２１年发布的《中国国民经济和社会发展“十四五”规划》指出，要加强量子信息等原创性、引领性科技攻关，前瞻谋划量子信息等未来产业。

１．１    高中阶段量子论知识的重要性

《普通高中物理课程标准（２０１７年版）》（以下简称“新课标”）将量子论的相关知识作为高中生学习内容之一［１］。粤教版高中物理教材把量子论知识分为两部分：一部分为必修内容，简单介绍能量子假说、光电效应、波粒二象性、原子结构的玻尔理论等量子论知识；另一部分为选修内容，在必修内容的基础上，深入了解光电效应、物质波、不确定性原理、原子结构以及原子核的衰变与聚变等量子论知识。新课标要求学生“初步了解微观世界的量子化特征，体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响”“了解量子概念的建构对人类认识自然的影响”，能够运用量子论知识解释物理现象［１］。例如，在选修三的“活动建议”中，要求学生去了解“量子纠缠”“量子计算机”的相关知识。

１．２    学生学习量子论面临的困难

相对于经典物理学，量子论是一个全新的领域，它对学生的数学能力、抽象思维能力、逻辑推理能力提出更高要求。一方面，大部分高中生尚不具备深入学习量子论的知识基础和相关能力，尤其是数学能力，高中数学工具难以满足学生学习量子论知识的要求。另一方面，量子论相关内容抽象难懂，量子现象有时严重偏离生活经验，虽然可以通过观察实验来理解量子现象，但很多学校缺乏相应的实验条件。因此，学生需要借助思想实验或逻辑推理来理解量子论的观点。

１．３    教师传授量子论知识的现状

在高中阶段，牛顿力学为主的经典物理是高考考查的重点，量子论课程处于次要地位。因此，教师和学生对量子论知识重视程度不够，学生对量子论知识接触不多。教师对教科书中出现的量子论知识比较熟悉，而对量子技术的应用接触较少，如量子计算、量子通信等。因此，教师在教授量子论知识时，往往只按教科书上的内容教授，即只是简单介绍量子论发展史及量子理论的基础知识，没有进行适当拓展，不利于学生建立系统的量子论知识框架。此外，教科书对量子论相关技术的介绍比较少（仅在“资料活页”中向学生介绍量子技术的应用），相应科普性的教辅资料匮乏，不利于学生了解量子科学全貌，也不利于学生形成完备的知识框架。这些因素导致学生不仅没有学好量子论的相关知识，反而失去对这部分内容的原有兴趣。因此，在高中阶段，为学有余力的学生系统地开设量子论课程是必要的。

２    课程内容开发研究

物理学科核心素养是指学生在学习物理过程中应具备的关键能力和品质。量子计算校本课程内容应注重培养学生的物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等方面的素养和能力。通过多样化的课程内容设置，让学生更好地理解量子计算的原理和应用，也可以提高学生的科学素养和探究能力。

２．１    量子计算机架构

量子计算是利用量子力学的原理和量子态的特性，使信息处理能力得到提升的一种计算方法。量子计算利用量子态的状态进行信息的编码、处理和读取等操作，量子计算机则是完成量子计算任务的机器。与经典计算机相比，量子计算机除了经典的逻辑运算（与、非等）操作外，还能进行量子态叠加的操作。所以，量子计算机在原则上至少和经典计算机的运算能力一样强大［２］。量子计算机强大的运算能力带来的巨大应用前景，推动着科学家通过研究量子算法去解决实际问题。比如，Ｂｅｌｌ实验室的Ｌｏｖ Ｇｒｏｖｅｒ提出运用量子计算机解决随机搜索问题［３］。接着，科学家又提出了量子函数拟合、解线性方程组、量子主成分分析等量子算法［４-６］。目前，量子计算机正处于快速发展阶段。从１９８５年牛津大学Ｄａｖｉｄ Ｄｅｕｔｓｃｈ提出第一台通用量子计算机的概念，到２０２１年腾讯量子实验室提出超导量子计算机架构，如图１所示［７-８］。量子比特是量子计算机的基本构成单元，量子逻辑门是控制量子比特的基本控制模式。为了实现量子计算，人们尝试利用光子、电子作为量子比特，运用超导、量子点、离子阱等技术控制量子比特，构造量子逻辑门，从而达到控制量子电路的目的［９］。

２．２    课程内容架构研究

在高中阶段引入的量子计算课程，既要与教科书内容衔接，又要适当拓展。因此，课程的内容包括：原子结构发现历史、玻尔原子结构与薛定谔原子结构（电子云取代玻尔原子结构中的电子轨道）、晶体的能级结构、激光的产生与吸收、光电效应、量子力学发展历史、量子态的操控、量子逻辑门和线性代数等知识。

课程详细地介绍人们对原子的认识过程，帮助学生认识并理解原子结构，引导学生体会量子论知识对人们物质观的影响；介绍原子能级结构并根据原子结构模型计算氢原子能级，加深学生对氢原子结构的理解；通过量子计算教学机在实验上操控金刚石量子态，促进学生深入了解原子核外电子的排列方式，进一步理解原子结构与原子能级。相对于高中常规课程，量子计算课程能有效帮助学生深入理解原子构成与能级结构，构建物理概念，提升核心素养。

需要指出的是，课程对学生的数学能力要求较高。利用线性代数表示不同的量子态并计算不同量子态之间的转换，让学生体会数学工具对物理学习的帮助。学生分组操作量子计算教学机，能够亲身体验量子态转变的操控。借助数学工具与分组实验，教师引导学生从理论视野与实验操作两个维度体会量子态的操控，有利于学生理解量子论知识以及量子逻辑门的基本原理。基于量子计算云平台，运用量子逻辑门搭建不同功能的量子计算线路，引导学生在仿真模拟的过程中深入体会量子计算机与经典计算机在运算能力上的区别。因此，量子计算课程有利于培养学生的逻辑推理能力与科学思维，也能激发学生学习量子论的兴趣。

课程内容分为三部分：第一部分为基础课程，从光的干涉现象开始，到光电效应、电子跃迁，进而介绍量子力学的起源。第二部分为进阶课程，引入线性代数，运用线性代数表述量子力学，运用量子论知识解释量子计算教学机的原理，并实际操作量子计算教学机。第三部分为实际应用，利用量子计算教学机实现Ｄ－Ｊ算法，对比量子算法与经典算法的区别，在量子计算云平台上模拟多比特量子计算过程，组织学生分组讨论。然后，运用量子算法实现四则运算，进一步加强学生对量子论知识的理解。课程内容具体编排如图２所示。

基础课程是课程内容的基础，是学生深入学习量子论知识的基础，也是对教材内容的补充。通过内容的拓展，帮助学生形成较为系统的量子论知识框架。进阶课程分为理论学习与实验操作，教师引导学生体会理论知识对实践的指导作用。实际应用课程的主旨是让学生运用所学知识解决实际问题，从而提高其解决实际问题的能力。由图２可知，量子计算校本课程内容最大的特色是从实验和理论两个维度来介绍量子计算，尤其是基于量子计算教学机的实验操作与量子计算云平台的量子计算仿真模拟。量子计算校本课程能够帮助学生降低认知负荷，构建系统的量子论知识框架，让学生在实验操作中提升动手能力与逻辑推理能力。

３    课程模式的研究

高中量子计算教学需注重理论与实践相结合，采用多种教学方法和手段提高学生的兴趣和积极性。教师要帮助学生深入理解和应用量子计算的相关知识，培养学生的思维能力、创新能力和团队协作能力。

３．１    课程开发目标

与经典物理相比，量子论是一个正在发展的领域，还有很多理论需要进一步完善。加上高中量子论内容课时不够，学生在学习量子论知识时，无法形成系统的知识框架。因此，高中阶段的量子论知识不够系统。以课程形式拓展教学内容，将课本上碎片化的理论和关键人物系统地联系起来，能帮助学生形成正确的物理观念，还能培养学生改变经典物理的思维方式。教师引导学生学习使用量子论观点来思考、研究问题，课程引入量子技术的应用有助于学生形成物理观念和正确的科学态度与责任。基于量子创新实验室，量子计算校本课程设置量子计算实验，让学生观察新奇的量子现象，激发好奇心，引导学生自主探索量子论知识，提高他们的学习兴趣，为更好地完成物理学习作准备。

量子计算校本课程具有实践性和探究性的特点，它以课内知识为基础，量子计算实验与仿真模拟为拓展；以具体的物理知识为载体，构建物理概念，搭建系统的物理知识框架。量子计算校本课程开发的目标：（１）通过补充教材中量子论所缺少的部分内容，帮助学生深入理解物理教材中的部分核心概念。教师通过让学生经历科学思维和科学探究活动，引导学生改变经典物理的思维方式，学习使用量子论观点来思考、研究问题；引导学生感受微观物理的魅力，促进学生深入理解量子论知识，了解量子技术在生活中的应用以及应用前景；引导学生了解国家量子技术发展程度，培养学生学习物理的兴趣，激发学生为国成才的责任。（２）探索在高中阶段引入先进科学技术话题的教育方法和规律，为教师提供一个探讨和实践新型科普教育方法的平台。（３）开发量子计算校本课程，并开展量子计算校本课程的教学实践，总结校本课程开发经验。

３．２    课程开发的模式与程序

国际上较为成熟的课程开发模式有泰勒的目标模式、斯滕豪格的过程模式、施瓦步的实践模式以及斯基尔贝克的情境模式。随着校本课程在国内的发展，国内常见的课程开发模式为条件主导模式、需求主导模式和目标主导模式。立足我校办学宗旨、教师发展与学生求知需求，本课程选择英国教育学家斯基尔贝克提出的情境模式进行课程开发。该模式指出，课程开发由五个具体阶段构成，分别是分析情境、确定目标、设计方案、解释与实施、检查—评价—反馈—重建。

结合物理核心素养与情境模式，量子计算校本课程的开发流程如图３所示。

４    课程开发的可行性研究

量子计算作为物理学的一个重要分支，其理论体系和计算方法能够帮助学生深化对物理世界的理解，提高他们的科学素养和思维能力。然而，量子计算的学习对于高中生来说具有一定的难度和挑战性。因此，学校、学生与教师都应具备一定的基础，以确保教学的有效性和可行性。