教案 单元5 5.2 了解量子信息技术1.docx

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1、单元55.2了解量子信息技术教案课题名称5.2了解量子信息技术授课类型理实一体授课对象一年级学生授课课时2课时所授课程信息技术（基础模块）授课地点多媒体实训室一、学情分析本课程授课对象为高职各专业大一学生，课程开设在大一第一学期，学生情况在知识储备、学习特点和信息素养的情况如下。1 .知识储备学生在高职或高中已经学习了信息技术课程，具备了基础的信息技术知识和技能。2 .学习特点授课对象都是零零后的学生，在学习方面表现出如下特点。（1）喜欢实践动手操作，厌烦枯燥乏味的理论讲解；（2）喜欢任务式引导，情境设定，参与其中，厌烦平淡无极的说教；（3）乐于接受可视化教学资源，反感静态纸质学习材料；（4）

2、偏爱颗粒化、模块化的学习过程，排斥时间冗长的教学过程；（5）对挑战性的题目感兴趣，对基础性题目求知欲偏低；（6）喜好电脑与互联网的应用，线上操作所见即所得可以引发学习兴趣。3 .信息素养学生通过高职或高中信息技术课程的学习，具备了基础的信息技术学科素养，有一定的信息意识和信息社会责任，但是在数字化学习与创新方面仍需加强。二、教学内容本节课选自第5单元新一代信息技术概述-5.2了解量子信息技术，主要介绍量子信息技术的基本概念、发展历程、技术特点、典型应用等内容，具体内容见下图。量子的概念量子信息的定义1_基本概念VH1二3_量子二信息量子信息的发展历程发展历程卜量子到城、量子费加量子并行、量子隐

3、册传态量子通信量子计算.技术物性卜应用领域V三、教学目标1.知识目标（1）了解量子和量子信息的基本概念；（2）了解量子信息发展的主要历程，知道我国量子信息技术的优势；（3）初步理解量子纠缠、量子叠加、量子并行等概念，了解量子隐形传态的基本原理；（4）了解量子信息技术在量子通信和量子计算方面的应用。2.能力目标（1）能够叙述量子和量子信息的基本概念；（2）能初步解释量子纠缠、量子叠加、量子并行等概念，能够叙述量子隐形传态的基本原理；（3）感受量子信息技术的魅力，拓展视野和思维；（4）完成单元考核评价中的相关任务。3.素养目标（1）培养量子信息相关的信息核心素养；（2）培养良好的科学精神和职业道德

4、；（3）培养良好的数字化学习、与人沟通、口才表达等能力。四、教学重难点1 .教学重点（1）量学和量子信息的基本概念：（2）量子信息的主要发展历程和典型应用。2 .教学难点量子纠缠和量子隐形传态的基本原理。教学准备3 .教学环境计算机实训室（计算机、投影仪）。4 .教学用具电子教室相关软件、学习通。5 .教学材料（1）5.2了解量子信息技术教案（2） 5.1了解量子信息技术课件（3）微课5.2.1理解量子信息的基本概念微课5.2.2了解量子信息的发展历程微课5.2.3理解量子信息的技术特点微课5.2.4了解量子信息的应用领域（4）量子信息技术学习笔记（5）考核评价试卷六、教学教法：讲授教学法问题

5、教学法案例分析法讨论法学法：目标学习法听讲学习法自主探究法问题学习法归纳学习法反思学习法合作学习法依托数字化学习资源，指导学生完成学习任务书，通过考核评价习题检测学习成效，通过学习笔记导图梳理总结、巩固提高知识技能。七、教学流程图形意义说明OO开始，结束II教Mi活动准备1_/学生活动O决策判断一粕热空山去八、教学环节教学环节教学内容教学活动策略与意图环节量子信息导入与学习任务（15分钟）1.问题导入：你知道著名的“薛定谤的猫”理论吗？著名的“薛定娉的猫理论曾经形象地表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的“。有一个非常有名的“薛定谓的猫”思维实验。把一只猫和一个放射源一起装进一个看不见内部的盒

6、子，放射源会随机放射出粒子触发盒子里的机关释放出毒气，如果放射源没有放射粒子，猫就是活着的，反之猫就是死的。当我们不打开盒子时，猫是一种不知道生死，即所谓的既死又活的叠加状态，当我们打开盒的那一瞬间，猫的生死才确定下来，如图5-29所示。这个思维实验是对量子叠加状态通俗的比喻，这只不死不活的猫体现出了量子无比怪异的行为（叠加态）。开箱之后，猫由生死叠加的状态坍塌为确定的状态,不是死便是活。2.介绍量子信息技术学科量子信息技术是量子物理与信息技术相结合的战略性前沿科技，主要包括量子计算、量子通信、量子雷达、量子探测等应用领域。量子信息技术学迅速发展成为一门新教师活动1 .通过设问,讨论分析“薛定

7、娉的猫”理论。2 .介绍量子信息技术学科及发展态势。3 .介绍了解量子信息技术小节的学习任务。学生活动1 .认真听取教师讲授内容。2 .积极思考,回答问题O3 .明确本小节的学习任务4 .思考记录1问题教学法，问题导入课程，激发学生对量子信息技术技术的好奇心与学习愿望。2.讲授教学法，介绍量子信息技术概述、本节知识图谱及学习任务，使学生了解本节教学内容的全貌。兴交叉学科，主要是以量子力学基本原理为基础，利用量子系统的各种相干特性进行编码、计算和信息传输的信息科学。量子信息分为量子计算和量子通信，如下图所示。图量子信息学科量子技术正成为近期科技创新的聚焦点之一，人类社会将逐渐走入“量子信息技术”

8、时代。【学习任务】通过本节内容的学习，完成下列学习任务：1在学习过程中认真复习，梳理记录好学习笔记；2 .了解量子和量子信息的基本概念；3 .了解量子信息发展的主要历程，知道我国量子信息技术的优势；4 .初步理解量子纠缠、量子叠加、量子并行等概念，了解量子隐形传态的基本原理；5 .了解量子信息技术在量子通信和量子计算方面的应用；6.感受量子信息技术的魅力，拓展视野和思维；7 .通过小组学习，培养与人沟通、协同工作、口才表达等能力；8 .完成单元考核评价中的相关任务。教学环节教学内容教学活动策略与意图环节理解量子信息的基本概念QO分钟）1什么是量子量子（quantum）是国物理学家M普朗克彳果存

9、在最小的不可分割化的，并把最小单位，quantus,意为“有多少在物理学中常用到量子体。例如，“光的量子能量单位。通俗地说，性的最小单元。您:现代物理的重要概念，最早是t1900年提出的。即一个物理的基本单位，则这个物理量是称为量子。量子一词来自拉一、”，代表“相当数量的某物质的概念，指一个不可分割的基”（光子）是一定频率的光的量子是能表现出某物质或物理由德量如量子丁语基本量特教师活动1 .讲授量子与量子信息的概念、定义及特征知识。2 .通过设问,讨论分析“论除了光量子以外，其它还有那些物理量表现出了量子化现象？”学生活动1 .认真听取教师讲授内容。2 .积极思考1 .讲授教学法，介绍人工智能

10、的定义、算法、分类伦理等概念，。2 .问题教学法，互动讨论除了光量子以外，其它还有那些物理量表现出了量子化现象？促进学生对量子概念的理解O图5-19物理学家普朗克图5-20量子化现象后来的研究表明，不但能量表现出这种不连续的分离化性质，其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别。量子化现象主要表现在微观物理世界。描写微观物理世界的物理理论是量子力学。2.什么是量子信息在量子力学中，量子信息(quantuminformation)是关于量子系统“状态”所带有的物理信息。通过量子系统的各种相干特性(如量子并行、量子纠缠和量子不可克

11、隆等)，进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。量子是一个态.所谓态在物理上不是一个具体的物理量，也不是一个单位，也不是一个实体，而是一个可以观测记录的一组记录(也就是确定组不变量去测量另外一组量)，但是这组记录可以运算.并可以求出某时刻对是已观测的纪录对比十分吻合。,回答问题03.参与互动讨论，理解量子与量子信息的概念O教学环节教学内容教学活动策略与意图环节了解量子信息的发展历程(20分钟)1.1993年，首次提出了量子通信(QuantumTe1eportation)的概念在量子纠缠理论的基础上，1993年，美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信(QuantumTe1eportati

12、on)的概念。量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。f2WiA1iCe短典通道Bob箔图5-21美国科学家C.H.Bennett图5-22量子隐形传送方案1993年，在贝内特提出量子通信概念以后，6位来自不同国家的科学家，基于量子纠缠理论，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案，即将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处，这就是量子通信最初的基本方案。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大

13、容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。2.1997年，首次实现了未知量子态的远程传输1997年在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地教师活动1 .讲授量子通信发展历程的几个重要阶段。2 .讲授中国国内量子通信的快速发展情况。学生活动1 .认真听取教师讲授内容。2 .积极思考,回答问题O3 .记住量子信息发展历程中的代表科学家和标志性成果。1.讲授教学法，通过介绍量子通信发展历程的几个重要阶段，使学生了解量子通信发展各阶段的标志性成果，知道量子通信的发展脉络O2.案例分析法，通过分析世

14、界领先的中国量子通信的试验案例，进一步激发学生爱国情怀。的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。图5-23中国科学院院士潘建伟图5-24量子态的远程传输3.2012年,首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发4.2016年8月16日，世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号成功发射2016年8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。这将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地体化的量子保密通信与科学实验体系。图5-25墨子号发射升空5.2017年，世界首个大型商用量子通信专网在济南测试成功2017年7月13日，世界上首个大型商用量子通信专网目前已在济南完成第一阶段测试，8月底将覆盖济南全城。未来商用量子通信专网还将推广到国防、金融、电力等多个领域。2017年8月10日凌晨，中国科技大学潘建伟、彭承志团队联合中科院上海技物所等单位宣布，“墨子号”在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。6.2017年，全球首条量子通信京沪干线建成世界首条量子保密通信干线一一“京沪干线”2017年9月29日正式开通，如图5-26所示。结合