我接受《光明日报》副刊《教育家》的采访：科学进步源于实验，而非思维差异。量子力学超越经典力学的原因在于它能解释新实验现象，而非思维方式不同。过于强调思维方式，实际上是在忽视科学的实证基础
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量子力学进中小学，有必要吗？｜光明社教育家

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从量子通信的加密安全到量子计算的超强算力，随着量子科技领域取得一系列重大突破，量子理论所蕴含的概率性、叠加性和纠缠性等特征，正在重塑人类的认知范式。近年来，量子科学教育逐渐受到国际关注，国内多所中学也开展了相关的先行探索：江苏省锡山高级中学、浙江省东阳中学等学校，通过开发校本课程及建设实验室等方式试点量子相关教学内容。同时，量子科学领域的专家学者通过科普讲座等形式，助力青少年提升科学素养。在量子力学诞生百年之际，基础教育有必要给对该领域怀有志趣的学子提供适恰的支持。

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概念澄清与教育价值追问

《教育家》：您认为量子力学和经典力学中体现的思维方式有什么区别？在“第二次量子革命”的背景下，将量子相关内容引入中小学的价值何在？

黄国翔：量子力学发展历经百年，从普朗克、爱因斯坦，到海森堡、薛定谔，科学家们逐步建立起研究微观物质粒子的量子力学理论体系。基于量子理论，人类发明了激光、晶体管、计算机和互联网，推动社会进入信息时代，这一过程被称为“第一次量子革命”。20世纪后期，人们对微观粒子的理解进一步深化，通过实验否定了爱因斯坦等人的定域实在论，量子计算和量子通信等技术应运而生，引发了“第二次量子革命”。

量子力学揭示了微观粒子的量子随机性和不连续性，其反映的思维方式主要体现为不确定性、非连续性、整体性等典型特征，可简称为“概率性思维”，这与经典力学体现的确定性、连续性、定域性的“决定论思维”有很大差别。不过，二者并非相互排斥，后者是前者的一种极限表现形式。

量子技术的发展会揭开量子世界的深层奥秘，给人类社会带来巨大变化。当前，美国、日本等国家十分重视量子科技发展，力争在新一轮科技竞争中抢占先机。我国也充分认识到推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加大了相关投入，并取得若干具有国际先进水平的成果。

我认为应尽早在中小学补充量子相关教学内容，有利于培养量子领域所需人才，在全球的科技竞争中抢占先机。此外，基于量子力学的概念和原理而得出的一些结论，也有利于人们突破几千年以来形成的自然观、哲学观。如果在中小学只讲授经典物理学理论，很多学生难免习惯运用经典思维理解量子力学，进入大学后一时难以接受和理解量子力学背后的思维方式。因此，有必要将量子力学相关内容适当引入中小学，及早告诉他们经典力学的局限性。

袁岚峰：科学进步源于实验，而非思维差异。量子力学超越经典力学的原因在于它能解释新实验现象，而非思维方式不同。过于强调思维方式，实际上是在忽视科学的实证基础。量子力学的发展过程给我们带来很多重大启发，其中最重要的可能是：任何看似坚不可摧的理论都可能被颠覆，科学永远存在创新空间。正如费曼所言，对理论保持谦卑本身就是一种进步。

“第一次量子革命”以量子力学理论的建立为标志，推动了核能、核磁共振等现代技术的诞生，这一阶段的研究对象主要是已有的量子体系，对单个粒子的认识尚不充分。到了20世纪80年代，人们开始设计一些单粒子量子体系来实现特定目标，在密码学、超强计算能力、超高测量精度方面取得突破，掀起了“第二次量子革命”。2022年诺贝尔物理学奖颁给了三位量子信息科学的奠基人，我国近年来也在该领域取得了许多重要成果，如“墨子号”卫星、京沪干线“九章”量子计算机等。让现在的中小学生认识“第二次量子革命”，并对量子领域有一些科普级别的了解，是很有价值的。

事实上，中学物理教材已涉及一些量子力学的基础内容。如讲到原子结构时需对比经典力学的局限性，引入量子力学才能合理解释，还会提到不确定原理、电子云等概念。不过在实际教学中，许多教师很少展开讲这些量子知识。

高鹏：我认为应强调的是量子力学发展背后所体现的敢于突破常规的创造性思维，而不是局限于量子力学中的“叠加态”或“纠缠态”等具体概念。普朗克打破“能量连续”的传统认知，提出“量子化”概念；爱因斯坦颠覆绝对时空观，创立相对论。这些突破都源于对固有框架的挑战，体现了科学家们敢于质疑、创新的价值。

学物理重要的不是记公式、算题，而是构建关于世界运行的物理图像。比如法拉第用电场线形象描绘了电磁场，“场”的概念因此变得清晰、直观。量子力学进中小学，最重要的是让学生借助这一载体，提升学习科学的兴趣，丰富对这个世界的认识，形成开放的科学思维。一方面，不同于宏观世界，量子这个微观世界是不可见的，只有持续地思考与想象才能构建相关的物理图像。另一方面，微观粒子的运动与日常运动规律存在显著差异，这种认知上的冲突容易激发学生的好奇心，引发思考。这些都有助于他们突破常规，在思辨的过程中突破对标准答案的依赖。实际上，爱因斯坦就是在质疑量子力学的过程中，推动了“量子纠缠”等概念的出现。

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争议与可行性回应

《教育家》：量子力学相关概念抽象、中小学课程资源不足、学生认知基础有限是客观事实，因而有学者认为量子力学进中小学并不现实。对此，您怎么看？

袁岚峰：深入学习量子力学需用到微积分、线性代数等数学知识，如果没有扎实的数学基础，基本就是空谈。物理专业的不少大学生学习量子力学都时常“一头包”，更何况是基础教育阶段的学生。所以，没必要让中小学生在这个阶段彻底搞清楚这些知识的来龙去脉，可以实现的是让他们了解量子力学和量子信息技术的存在及价值。

现在有许多反对量子的声音，比如有人认为“量子是伪科学”，这恰恰说明我们的量子科普做得远远不够。量子力学发展了100多年，量子信息技术作为新兴领域也有40多年的历史，并且有研究者获得过诺贝尔奖，但仍有许多人不了解相关基本事实。另外，现在很多所谓的量子科普其实并不正确。最典型的就是“量子纠缠”，很多人将其曲解为“一种心灵感应”“一种神秘的超级作用”，实际上它是先有理论预言、后经实验验证的物理现象。另一个典型问题是，当下对于量子知识的传播有些过于强调它的颠覆性，让一些人以为所有科学都可以随时被推翻，忽略了任何理论的突破都需要坚实的实验证据支撑。

我给中小学生讲量子科普，会谈量子力学的由来，它能解决什么问题、发展哪些技术。具体到量子信息领域可以分为量子通信、量子计算和量子精密测量，告诉学生它们分别能做什么、现在发展态势如何、我国取得了哪些成果。

这些内容很具体，也容易理解，便于促进学生思维的转变。如介绍量子力学起源时，我会强调它的诞生背景：19世纪末，人们普遍认为物理学大厦已完工，这时迈克尔逊-莫雷实验催生了相对论，黑体辐射研究引出了量子力学，揭示了经典物理在微观尺度上的局限性。这表明，科学总能发现新东西，但必须建立在实验证据的基础上。

黄国翔：量子力学的抽象概念及其中复杂的数学知识确实给中小学教学带来了挑战。在小学和初中可先开展量子启蒙教育。一是通过模拟实验和科学故事培养学生的感知能力，利用计算机模拟量子现象，如演示光的双缝干涉实验，让学生观察电子或光子的干涉图样。同时，通过“薛定谔的猫”等趣味科学故事解释其中的量子现象，帮助学生建立初步认识，并培养他们的好奇心。二是采用类比方法讲解核心概念，可以不涉及复杂的数学推导，而是运用生活中的例子解释波粒二象性等量子领域的核心概念，着重培养学生的概念理解力。三是适当渗透量子测量等基础知识，即使学生一下子听不懂，有能力的教师也可以讲，给他们留下一些印象，并鼓励他们提问，培养其质疑精神和开放思维。

学校还可邀请高校和研究机构的专家及经验丰富的中学教师，开展科普讲座或兼职授课；组织学生实地参观高校量子物理实验室，通过观察深化理解；充分利用网络资源，建设量子物理虚拟实验平台，利用AR/VR技术、AI工具模拟量子实验，让学生通过远程操作直观验证量子物理现象。需注意的是，在实施过程中要注重实效，做好配套保障，如建立科学的教学评估机制、定期跟踪教学效果、进行总结反思等。

高鹏：我觉得没必要在中小学开设专门而系统的量子力学相关课程。未来从事相关研究的是极少数人，深入理解那些具体知识不仅难以引起学生的兴趣，也超出了他们的理解能力范围。建议以量子科普讲座、演示实验等形式，引入量子科技中具有启发性、趣味性的内容。例如，电子双缝干涉实验被誉为“史上最美物理实验”，量子力学的诸多核心原理皆可从这一实验中窥见。教师可通过此类实验向学生展示量子力学的奇妙特性，引发他们的思考或许就够了。

如果系统开设相关课程，可主要把握两点。一是以故事为切入点，激发学习兴趣。量子力学的发展过程颇具曲折性，普朗克、爱因斯坦、波尔、海森堡等物理学家的科学探索令人好奇，《量子物理史话》等科普书籍中的故事深受中小学生喜爱。教师可借由故事的形式讲述量子力学发展史，引导学生理解科学革命中质疑精神与创造性思维的价值。二是以量子力学中“反直觉”的特性为切入点，引发深度思考。量子力学知识固然深奥，其中却不乏一些有意思的现象和实验。比如人类无法穿越一堵墙，微观粒子却可以“概率性穿透”看似不可逾越的障碍，量子隧道效应直接催生了扫描隧道显微镜等成像技术。又如我们踢出的足球在同一时间只有一条运动路径，电子这一微观粒子却能同时通过两条狭缝并呈现干涉条纹。教师可通过实验演示或动画模拟，呈现量子现象与经典物理现象的差异。在引发学生的思考后，教师可讲述科学家如何从困惑中逐步建立量子叠加态理论，并最终推动量子计算、量子通信等前沿技术的发展。通过这样的学习，学生可逐渐从感性上认识量子现象，也会产生进一步探索“微观粒子运动方式与宏观物体有何不同？”“为何它们具有不确定性与叠加态？”等话题的兴趣。

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实施路径分析

《教育家》：量子力学内容应以何种形式进入中小学，促进学生思维及能力的发展？

高鹏：有关量子科学的教育可遵循“先了解、再认识、后思考”的原则循序渐进地开展：在小学应聚焦兴趣激发，教师可通过展示量子世界的神奇现象，让学生建立“原来还有这样的现象”这种初步印象，重点在于科学启蒙；在初中应以物理图像的认识为主，无须深入探讨过于复杂的概念，重点是通过直观的实验和动画等辅助手段，帮助学生自主构建微观世界的认知框架；在高中应深化科学思维训练，通过对比经典实验与量子实验，探讨科学史上的关键争论等，培养其批判性思维和创造性思维。

量子力学相关的科学教育确实难度颇高。费曼曾说“：没有人能理解量子力学。不要问‘它为什么这样’，因为没人知道。我们只能描述它如何行为，并惊叹于它的精确。”通过量子现象激发学生思维，核心在于过程而非结果。要想对量子力学有更深的理解，重点是自己去构建物理图像，思考粒子是如何运动的。对于所有学生来说，这一过程无疑都是有益的。不过，教师应尤其注意避免因自身理解不足导致的信息传递偏差，因为这反而会影响科学思维的培养。

袁岚峰：正式开展量子力学课程很难，可以在现有的科学课中渗透相关内容。目前有公司专门研发适合中小学的量子教具，让学生观察、实操这类实物，增强他们对量子的感性认知。学校可以多开展科普讲座。我主讲过很多场量子科普活动，学生年级越高，可以讲的细节就越多。有时，学生的认知水平还会超出我们的想象。一次，一个四年级学生提问：“我已经读完了您的《量子信息简话》，未来如何成为一位量子计算研究者？”还有一次，有个中学生问到奥地利科学家发现大脑可能存在量子过程的研究，这是当时刚发表出来的成果。此外，鼓励学生自学也很重要。首先打好微积分、线性代数等数学基础，再接触量子力学教材。学校还可以开设相关选修课程，配备专业教师指导，给有兴趣的学生提供辅导和支持，告诉他们正确的学习路径。这类课程应当采取自愿参与的原则，而不作为要求普遍推广。
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