应用案例 | 深圳中学:从零构建量子计算选修课程,基础教育人才培育有“机”可循

2024.06.28 · 应用案例

2024年2月,一节以“量子计算”为主题的高中课程,在深圳中学的教室中展开,老师在讲台上为学生讲解经典计算和量子计算的区别。与理论知识紧密配合,学生可以使用这些能摆在桌面上、迷你打印机大小的核磁量子计算机,在实践中开始量子计算世界的探索。

教室中的这些小型量子计算机,是深圳中学“量子计算”课程的重要组成部分,通过“理论+实践”的模式,快速实现创新人才培养体系从0到1的搭建。

自此,量子计算选修课程正式进入深圳中学的课堂,这不仅是国内中学推行科技教育的一次全新探索,也为基础教育阶段人才培育树立了新的标杆。

深圳中学量子计算课程

 

建设与探索:

适合高中生的量子教室解决方案

作为广东省国家级示范性普通高中,深圳中学的办学定位是“建设中国特色世界一流高中”,致力于“培养具有中华底蕴和国际视野的拔尖创新人才”。在这样的办学理念之下,深圳中学十分注重前沿科学教育

由于近年来的技术突破和快速发展,量子科技成为未来科技竞争的战略重心之一,国家层面也陆续发布相关政策文件,明确指出要将科技教育作为培养创新人才的重要途径

在这样的政策指引下,深圳中学希望通过普及量子计算相关知识,为学生提供一个接触和理解前沿科技的平台,同时探索一条科技创新人才培养的有效路径。

然而,打造一套适合高中阶段学生特点的量子计算课程体系并非易事:正如深圳中学老师所言,由于基本原理的根本差异,任何经典计算机或模拟器等工具,都无法替代真正的量子计算机。仅仅理论授课,也无法让习惯使用经典计算机的学生实际体验到量子计算机的特点。深圳中学与南科大合作共建了“南科大薛其坤院士量子创新实验室”,开展量子计算教学和实践。

传统的量子计算机体积庞大、费用昂贵、使用条件严格,非常不适于中学阶段教学使用。经过调研,量旋科技的教育级量子计算产品——便携式核磁量子计算机进入了深圳中学的视野,由于体积小、室温运行、免维护等特点,契合学校建设量子教室的硬件条件要求。因此,量旋科技的量子计算机成功进入到深圳中学的“南科大薛其坤院士量子创新实验室”,被引入高中课堂。

深圳中学量子计算教室

 

有了教学设备之后,如何有效开展课程,将量子计算的抽象概念引入到高中生的脑海中,成为课程建设的另一个重点。

高中量子计算课程的打造,有别于目前的大学课程体系特点。相较于大学生,基础教育阶段的学生,在高数和物理科目的知识积累比较薄弱,这就为以这些学科为基础的量子计算知识的引入,带来了一定障碍。

在课程建设方面,量旋科技在与深圳市格致中学、桂林市首附实验中学等多所K12学校的合作中,积累了丰富的经验。因此,在量子教室建好之后,双方开始齐力探索适配深中学生特点的教学模式。

 

培训与落地:

“理论+实践”的高中特色量子教学模式

结合深圳中学的具体情况,量旋科技的专家们同校方展开了积极探索与尝试:在正式将量子计算课程加入选修体系之前,先开展一个学期的量子计算兴趣班,学生可以根据自己的时间和兴趣,像参与社团活动一样进行学习。

这样做的好处是让讲师可以与学生充分交流,了解深中学子的学习风格和知识基础,从而调整讲课方式、因材施教,以学生易于接受的方式,实现量子知识的传递。

在量子计算兴趣班的课程内容中,量旋科技的培训讲师从经典计算过渡到量子计算,由基础知识开始,逐步引入量子计算的核心概念,如量子比特、量子叠加、量子纠缠等,并结合生动的实例,引导学生在量子计算机上进行实操,帮助他们理解和掌握这些抽象概念。

量旋科技培训讲师为同学传授量子计算知识

在兴趣班中,学生们展现出了对量子计算领域的浓厚兴趣,同时也从侧面验证了这一授课模式可行性,这也帮助推动量子计算课程,正式进入深圳中学的选修课程体系中

总结分析量子兴趣班的实际操作经验,结合学生知识基础和认知水平,量旋科技的专家们,帮助深圳中学定制了一套“理论+实践”的教学模式

理论教学方面,量子计算课程的设计展现了系统性与渐进性,从基础到深入,每周一节,逐步引导学生进入量子世界。理论课程从概念介绍到算法讲解,每个板块设置了特定的教学目标和内容,构成了完整的量子基础知识体系。此外,在学期中安排了小测,旨在考察学生对所学内容的掌握程度,帮助教师了解学生的学习情况,从而更好地开展后续课程。

深圳中学量子计算选修课课程安排

课程实践方面,教师授课时使用桌面型量子计算机量旋三角座作为授课工具,学生使用便携式量子计算机量旋双子座Mini进行算法设计等操作。学生所用的量旋双子座Mini,将量子计算的强大功能集成于其轻巧的机身内,不仅提供了一个丰富多样的学习平台,同时内置的触摸屏和控制操作系统,也支持学生更为直接进行上手操作,无需连接额外的电脑或其他设备,就可以十分顺畅地承接理论知识的实验验证。

深圳中学量子计算教室中的量旋三角座和量旋双子座Mini

此外,除了可以通过机器进行真机实验外,学生也能通过内置的习题进行当堂练习,还能进行棋牌类游戏体验,多种学习方式帮助学生更好地掌握知识和技能。

深中学生在量旋双子座Mini上进行实验

“理论+实践”的教学模式在量子计算选修课程中取得了显著成效。通过理论教学,学生掌握了量子计算的基本概念和原理;而通过真机教学设备执行量子实验,能让学生直接观察到独特的实验现象和结果,帮助学生加深对量子知识的理解和应用能力。

深圳中学老师对这一教学模式给予了高度评价,他们认为,对于基础相对薄弱的中学生来说,与量子计算机紧密结合的高中量子计算课程,不仅提高了学生的学习兴趣和积极性,更重要的是,鼓励学生主动探索、勇于实践,培养了学生的创新思维和探索精神,为他们的全面发展奠定了坚实的基础。

 

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