李海东，周书焕，王 远，姜国峰

(河南工程学院 a.理学院; b.马克思主义学院，河南 郑州 451191)

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，要坚持把立德树人作为中心环节[1]。要把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，要用好课堂教学渠道，各类课程都要与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。课程思政要求在非思政课程上，通过挖掘或融入思政元素，改革教学方法，实现专业课程的培养与立德树人育人理念的相得益彰[2]。在授课上，实现思政课程与课程思政协同育人的教学形式。让学生在专业课程知识的学习和实践中确立科学的人生观、价值观和世界观，为学生的成长成才奠定思想基础。近年来随着新兴科技革命和产业技术革命的快速发展，行业企业都急需具有市场竞争力的创新型人才，这也对高校的人才培养质量提出了新的要求，因此，国内各理工科高校都在积极探索和推进新工科建设。新工科相较于传统工科，更加注重行业企业需求，更加注重对学生应用实践能力的培养。对教师来说，除了给学生讲授专业理论知识外，还要注重在教学中融入工程和技术的新进展新成果[3,4]。河南工程学院深化教育教学改革，全面提高应用型人才培养质量，增强学生就业创业能力，提升服务行业和地方经济社会发展的能力。在这一背景下，作者所在的应用物理学本科专业在人才培养方案修订中，提出了要在新工科背景下建设理科专业，在育人模式上实现专业教育与课程思政协同育人效应。本文以量子力学课程教学改革为例，阐述课程思政教学模式建构方面所做的改革与探索。

一、改革前《量子力学》课程教学状况

《量子力学》是以微观世界粒子为研究对象，描述微观世界粒子运动规律的基本理论。量子力学课程是应用物理学专业的核心课程之一，是从事当代科学和技术研究的基础课程[5,6]。作为应用物理学本科专业的专业基础课，不仅可以培养学生扎实的物理基本功，又能够为后继课程的学习打好理论基础。通过该课程的学习，不仅有助于培养学生严谨求实的科学学风，锻炼了学生抽象思维和创新能力，也有助于培养学生形成马克思主义的人生观、价值观和世界观。然而，通过近十年的教学实践和学生反馈发现，尽管量子力学教学在整个专业教学体系中起着基础性、先导性作用，但是量子力学课程所涉及的基础理论知识比较多，概念较为深奥抽象，公式推导特别烦琐，对师生的数学功底提出了比较高的要求。课程改革前，2017年和2018年对我校应用物理学专业(2014级50人和2015级48人)共98名学生进行课程问卷调查，共收回有效问卷98份。

有30.6%的学生反映课程比较难、不容易学。有30.61%的学生感觉教材比较抽象，很难自学。通过课下与学生交流，感觉课程比较难的一个主要原因是学生们经过多年的物理学习与训练，已经习惯了用宏观思维去理解物理规律和现象。量子力学研究的是微观粒子的运动规律，课程涉及很多全新的、抽象的物理概念，而且有很多量子现象无法用宏观的物理图像来理解。这就导致在学习量子力学过程中出现理解和认识上的不适应。另一个原因是量子力学本身是一门理论性非常强的课程，很多理论涉及了大量的数学推导过程。作为应用型本科高校，受师资能力、办学条件等多方面因素制约，编写经得起严格科学检验的、适合学校人才培养目标以及学生层次结构的量子力学教材难度较大。加上《量子力学》课程主要采用国家规划教材。这些教材的优势是由国内重点大学或知名教授根据其所在高校的人才培养目标和授课教学大纲编写，具有很强的基础理论性和逻辑严密性。但是对于应用型本科高校学生而言，这类教材涵盖的内容过于理论化、数学化，缺乏一定的可读性，学起来就会比较吃力，导致学生们认为这门课就是数学课。一旦在数学上跟不上教师的授课节奏，就更加难于理解，形成恶性循环，进而导致部分学生在心理上产生了对量子力学的恐惧，影响了学习效果，甚至会失去学习兴趣。有40.82%的学生对量子力学的应用进展比较感兴趣，而对理论推演感兴趣的只有10.2%。这说明学生们对量子力学课是感兴趣的，原因出在我们的教材和授课模式上。通过课题组教师认真的分析，发现在选用的经典量子力学教材中，缺少理论应用于实践的案例描述，看不到量子力学对社会科技发展的积极贡献。受传统量子力学课程教学模式的影响，教师在开展教学活动时，课堂上经常出现教师过于注重数学推导而忽略帮助学生构建物理图像的情况。出现教师过于讲授课程的理论逻辑而忽视讲解课程对当代科技发展的具体应用。导致学生在学习时感受不到量子力学课程应用价值，因此才有学生希望老师多讲授应用实践的建议。有30.61%的学生选择学习量子力学是必须课程的原因，纯粹是为了学分属于被动上课。这说明传统教学模式学生的参与度不高，很多学生并没有从内心认识到学习量子力学课程的重要作用。分析发现主要原因还是出在我们的教学模式没有跟上学校办学定位和人才培养目标的要求。在人才培养方案中，留给量子力学课程的学时有限，经典教材中涉及的量子力学的内容又比较多。教师为了在有限的时间内尽可能多地给学生讲授理论知识，也就很少有时间思考课程的育人效果。甚至就没有思考过如何在课程中融入课程思政育人内容。这也说明，我们以前传统的教学模式，本课程并没有实现人才培养方案中提出的，培养学生形成马克思主义的人生观，价值观和世界观的目的。

基于以上学生反馈和分析并结合我校实际，我们从2019版人才培养方案开始，对量子力学课程进行了教学改革和探索，以期实现课程思政与专业课程协同推进促进学生的成长成才。

二、《量子力学》课程思政教学模式改革与实践

(一)改革课程教学内容，培养学生的实践应用能力

新工科背景下的课程育人理念是注重学生解决实际问题的能力，而传统的课程体系注重的是知识的传承和掌握，这也与应用型本科高校的人才培养目标不相适应。因此，为适应新工科建设和新时代教育发展要求，尤其是当前随着量子力学理论与实践研究的新进展和突破。基于学校的应用型人才培养定位，在2019版的人才培养计划修订中，提出了以OBE理念为行动指南，深入开展应用物理专业课程体系的改革。OBE是一种基于成果产出导向的教育理念(Outcomes Based Education，简称OBE)[7,8]，是工程教育专业认证的核心理念，重点聚焦于学生在学习过程的预期产出结果，并围绕预期成果组织教育教学中的各个环节。对于量子力学课程，我们立足应用物理学专业的学科背景，吸收了近十年的教学经验得失。在教学大纲的设计上，将学生能力培养目标确定为获取知识能力，应用知识能力和创新能力三个方面。也就是通过本课程的学习，要求学生具备利用量子力学知识描述微观粒子运动规律的能力，以及用量子力学基本原理分析和解释实际微电子器件问题的能力。具备就量子物理相关领域专业问题进行陈述和表达的能力，进而达到提高自身的科学抽象思维能力和创新性思维能力。在教学理念上，坚持以学生为中心，以学生成长成才为主体的教育理念。在教学内容上，保留了学生今后从事电子类和光电类专业所需的量子力学基础知识，而将繁杂的数学推导和证明过程作为选学内容，授课时不再详细讲解。在课程中融入课程思政，融入量子科技进展，融入计算机辅助教学等。总体上，我们在教学大纲修改上做到了力求让学生学有所获，学有所得。

(二)融入课程思政元素，培养学生积极的价值观

通过近三年的教学改革实践，《量子力学》课程中蕴含的丰富的辩证唯物主义思想被逐渐挖掘出来，并引起了师生浓厚的探究兴趣。众所周知，马克思主义辩证唯物主义处处体现着世界是物质的，物质是运动的，运动是有规律的基本思想。量子力学理论的应用与转化也充分印证了实践是检验真理的唯一标准。因此，在新的教学改革中，开展课程思政育人模式[9]，具有得天独厚的条件。我们对每一单元都进行了深度挖掘，持续提炼课程思政元素、编写课程思政案例、精心课堂设计，将《量子力学》中所体现的思政元素融入量教学体系中，力争在潜移默化中引导学生思政素养提升，进而达到课程思政与专业课程协同育人效果。例如，在讲授完势垒贯穿内容时，教师组织学生调研透射电子显微镜，以及用它拍摄的新冠病毒照片。让学生在查找资料的过程中深刻感受中国速度、中国力量、中国智慧，深刻认识到伟大抗疫精神的深刻内涵；同时，引导学生进一步认识到我国是唯一同时布局五种疫苗研发的国家，尤其是传统中医在抗疫关键时刻所起的重要作用，深化了对中华民族文化博大精深的理解，有助于进一步增强青年学生的文化自信，以及坚定走中国特色社会主义制度的信心与决心；在教授完明显违反宏观物理规律的“不确定关系”原理中，教师向学生讲述不确定性原理对认识改造客观世界的深远影响。正如物理学家玻尔所指出的“在物理理论中，平常大家总是认为可以不必干涉所研究的对象，就可以观测该对象，但从量子理论看来却不可能，因为对原子体系的任何观测，都将涉及所观测的对象在观测过程中已经有所改变”。通过向学生阐明在追求真理的道路上要实事求是，做到尊重科学、遵守规则、敬畏规则。另一个让学生印象深刻的内容是，在量子力学理论在建立和发展过程中闪耀的都是国外科学家的身影。但再中国科学技术大学潘建伟院士带领的团队实现了世界上最远距离的高速隐态传输，引起了世界科学界的高度关注，凸显了中国科技创新成就。虽然科学没有国界，但科学家有自己的祖国。教师在课堂上讲好这些生动中国故事，既能够使学生了解科技前沿的发展状况，增加量子力学新的知识，又能够以润物无声的方式感染学生，增强学生的社会责任感和历史使命感，将来为实现伟大的中国梦贡献力量。

(三)结合学科发展前沿，拓宽学生知识能力视野

量子力学课程对培养学生严谨的科学作风与科学方法，培养学生形成抽象的逻辑思维与创新能力都起到了十分重要的作用。在新的教学改革中，立足唤起学生求知欲目标，不断优化繁杂的数学证明过程，将更多时间用于扩展和提高学生的知识视野。具体到在教学安排上，主要采用课前引导学生开展充分调研与预习、课上全面讲解与充分讨论、课后有效总结与持续布置任务模式等环节组织教学。为保证教学任务的高质量完成，任课教师在课前充分备课，特别是密切关注量子力学学科前沿。引导学生观看网络视频，收集课程相关资料。授课过程中预留小组讨论时间，与学生一起探讨课前给布置的内容，就相关问题进行答疑解惑，并及时将最新研究成果和进展融入教学过程中。例如，在讲解电子波函数时，要求学生查找电子衍射实验，调研量子力学中薛定谔方程的发现过程，达到提前了解课程内容，锻炼学生自主学习能力的目标。

课堂实施是教学的主体，考虑到量子力学的基本定律都是高度数学化的，很多现象用宏观物理思维难以理解。因此，在实施课堂教学中首先用一节课时间重点讲述当前课程的物理背景、物理概念，以及相关结论。让学生从定性的角度整体上把握相关知识，形成感性认识。学完这些内容后，第二节课会根据学生们的课前调研，一起重温薛定谔方程的产生过程，感受科学家们的创新思维、创新思想。尽管薛定谔方程来源于理论，来源于科学家的天才设想，但是我们要坚信，知识在于沉淀和积累，实践是检验真理的唯一标准。授课结束后再给学生布置新的课后阅读材料，并及时总结学生的调研和掌握情况，形成平时成绩，以此调动学生学习主动性。在学习量子态、自旋等内容时。我们给学生布置了近年来发展迅速的量子信息、量子通信、量子计算机等相关内容。学生通过查找科研文章或相关的网站资料，不但实现了对基础理论知识的理解，更重要的是拓宽学生的视野，让学生感受到了量子力学的应用就在身边，今天的努力，就是储备更好的明天。

(四)计算机辅助教学，培养学生从事科研的能力

在课堂教学中，结合基于量子力学的知识特点，充分运用了多媒体课件，Matlab和Mashmatical软件进行辅助教学。多媒体课件主要是向学生介绍量子力学的基本原理、基本过程，系统讲解经典案例、展示物理结论等。对于复杂的数学证明过程以及推导过程，主要借助计算机软件辅助学习。例如，学习势垒遂穿时，基于教材的理论证明结果，让学生用Matlab软件描绘了单个势垒(图1)和多个势垒的隧穿概率图，以及反射概率图等。学生通过调节入射电子能量，势垒的高度和宽度等参量，让学生可以更直观地感受到了量子隧穿图像。教师再借助图像从科学研究的角度，对量子隧穿过程进行分析和讲解，进一步加强了学生对相关知识理解。

图1 一维势垒的电子遂穿概率图

在讲解氢原子内电子在空间各点的概率时，我们借助Matlab软件，描绘了电子的概率随位置坐标的变化曲线,观察了概率的极值点和节点。图2是描绘的电子概率随角度变化关系三维图，力争使学生清楚地、全方位地观察角量子数和磁量子数对概率分布的调节作用。

图2 氢原子P态电子的角分布概率(l=2，m=0)

另外，对于复杂的数学运算过程，主要借助Mashmatical软件，不仅能实现对方程的求解，也可以完成高精度的数值计算以及复杂的符号演算。例如，求解粒子在一维有限深势阱中的束缚态能级时，最后涉及复杂的三角函数超越方程，很难求出解析解，这时借助Mashmatical命令就可以快速地通过图形化界面描绘出结果。因此，通过计算机辅助教学，让师生从数学上解放出来，学生就可以直观的感受物理图像之美，就有时间和精力来思考和把握研究对象的物理特性。学生通过计算机辅助学习，不仅提升了学习兴趣，也为今后从事科学研究打下了基础。

(五)改革考核评价方式，提升学生的综合素质

考核评价是反映教师教学和学生学习效果的有效手段。在教学改革中，为适应和满足我校应用型人才培养目标要求。我们借助工科专业认证的理念，既考试不仅要评价学生对理论知识的掌握情况，还需要考核学生分析和解决实际问题的应用能力。同时，考核还要全面地反映学生的综合素质，即考察学生的自主学习能力，实践应用能力和创新思维能力等。另外，通过考核还要诊断出教学中存在的问题和不足，为后续教学改革提供参考。为实现以上这些考核目标，在量子力学的考核评价上，首先采用了平时考查与期末考试相结合的办法，即平时考核占30%，侧重考察学生的调研能力，阅读收集材料能力，课堂参与情况，课后作业完成情况等这一部分主要借助学习通平台完成；期末考核占70%，主要是通过闭卷考试的方式进行。实践证明，平时考核有利于调动学生的参与度，开阔学生的知识视野。期末考试试题设定上，除了考核学生对基础理论知识的掌握情况外，重点通过简答题和应用题来考核学生解决实际问题的能力。考试结束后，通过认真分析学生的平时成绩与期末考试结果，得出学生对各个考核点的完成和掌握情况，为深入改革提供重要参考。

通过一系列的改革和实践，不仅提升了学生的学习热情和学习效果，也提高我校应用物理学本科专业的人才培养质量。其中一个明显的指标是该专业考研率逐年提高，尤其是在2021年的研究生入学考试成绩中，应用物理学本科专业的学生考研录取率达到了36.4%，有85%的学生考入了双一流高校，量子力学更是取得了平均124分的好成绩，受到了学校的表扬。

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三、结语

在新工科背景下，基于我校应用型本科高校的办学和人才培养目标定位，对量子力学课程进行了多角度的教学改革与探索，取得了一些成绩。但我们深知，量子力学教学改革与创新将是一项综合性的，持续的改革工程。量子力学的新理论、新知识、新技术仍在迅猛发展，有着无限广阔的应用前景，这为深化教学改革既带来了机遇和挑战，也赋予了新的责任和使命，只有如此，育人教学改成才能取得新的更大成就。