Пропедевтический курс для обучения квантовому программированию обучающихся физико-математической направленности
|
ВВЕДЕНИЕ 1
ГЛАВА I. КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР В КОНТЕКСТЕ ОСНОВНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ЕДИНИЦЫ БУДУЩЕГО 8
§ 1.1. КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР: УСТРОЙСТВО И БАЗОВЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ 8
§ 1.2. АНАЛИЗ ИНСТРУМЕНТОВ И ЯЗЫКОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ
ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ И ЭМУЛЯЦИИ КВАНТОВЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ .25
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 37
ГЛАВА II. ОСНОВЫ И ПРИНЦИПЫ ОБУЧЕНИЯ КВАНТОВОМУ ПРОГРАММИРОВАНИЮ 38
§1. ОБУЧЕНИЕ КВАНТОВОМУ ПРОГРАММИРОВАНИЮ: ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА И ОСОБЕННОСТИ СОДЕРЖАНИЯ 38
§2. ОБЗОР КУРСА ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ КВАНТОВОМУ ПРОГРАММИРОВАНИЮ ОБУЧАЮЩИХСЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ 51
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 75
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 76
ГЛАВА I. КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР В КОНТЕКСТЕ ОСНОВНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ЕДИНИЦЫ БУДУЩЕГО 8
§ 1.1. КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР: УСТРОЙСТВО И БАЗОВЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ 8
§ 1.2. АНАЛИЗ ИНСТРУМЕНТОВ И ЯЗЫКОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ
ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ И ЭМУЛЯЦИИ КВАНТОВЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ .25
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 37
ГЛАВА II. ОСНОВЫ И ПРИНЦИПЫ ОБУЧЕНИЯ КВАНТОВОМУ ПРОГРАММИРОВАНИЮ 38
§1. ОБУЧЕНИЕ КВАНТОВОМУ ПРОГРАММИРОВАНИЮ: ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА И ОСОБЕННОСТИ СОДЕРЖАНИЯ 38
§2. ОБЗОР КУРСА ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ КВАНТОВОМУ ПРОГРАММИРОВАНИЮ ОБУЧАЮЩИХСЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ 51
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 75
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 76
В современной науке и технологиях все большую роль играет квантовая физика и квантовые вычисления. Как следствие, растет потребность в специалистах, владеющих инструментами квантовой обработки информации. Особенно важным является обучение физиков и математиков квантовому программированию, так как это формирует новое направление их роста в карьере.
Однако обучение квантовому программированию может быть непростым. В первую очередь, это связано с тем, что квантовая физика сильно отличается от классической. Стандартные подходы и интуитивные представления о том, как работает программирование в классических компьютерах, могут не работать в квантовых системах. Кроме того, квантовое программирование использует математические методы, такие как линейная алгебра и теория вероятностей, которые не всегда являются естественными для учащихся физико-математических направлений.
В связи с этим, обучение квантовому программированию должно быть основано на педагогических методах, которые способствуют формированию правильного мышления, позволяющего учащимся понимать квантовые концепции и выполнять квантовые операции. Необходимо привлекать краткосрочные курсы и обучение онлайн, так как это может уменьшить стоимость для обучения.
В современном мире существуют инструменты, которые облегчают обучение квантовому программированию. Например, инструменты Qiskit, Cirq и PyQuil, которые используют язык программирования Python, позволяют создавать квантовые программы и выполнять их на реальных квантовых компьютерах. Однако, учитывая высокий порог входа для этих инструментов, вначале лучше знакомиться с симуляторами квантовых компьютеров, которые позволяют запускать квантовые программы на классических компьютерах.
Важным является тот факт, что не смотря на столь обширный теоретический запас знаний по устройствам квантовых ПК, реальных прототипов не так уж и много. А значит очень важно привлекать к этой работе как можно больше специалистов, завлекая и знакомя их с проблематикой уже со школьной скамьи. На наш взгляд, это соответствует принципам НТИ (Национальной технологической инициативе), заложенных в 2016 году. Квантовое программирование в будущем откроет обширные возможности на рынке IT специалистов. Это видно уже сейчас, так как на рынке квантовых компьютеров уже работают больше 400 компаний. В разработку и выпуск аппаратной (самой дорогой), составляющей инвестируют Amazon, Archer, Atos, Fujitsu, Google.
Кроме этого, стоит отметить, что знание о квантовых вычислениях даст преимущество первопроходца, когда этот вид вычислений приобретет масштабы. Следовательно, именно сейчас нужно вовлекать одаренных детей для изучения данной области. Роль обучения квантовому программированию заключается в том, что в первую очередь развитие потенциала у обучающихся, которые готовы в бушующем связать свою профессию в сфере IT. Тут стоит отметить, что те профессии, которые популярны сегодня могут быть не актуальны через несколько лет, поэтому задача учителя не только обучать детей действующим отраслям наук, но и смотреть в бедующие. Именно для этого стоит развивать способности ребенка в этом направлении. Например, такая профессия как программист, вполне может стать менее популярна, если искусственный интеллект будет доведен до идеала, но такая сфера как квантовое программирование, готова к новым взглядам и предложениям. Кроме этого, для ребят есть хорошая возможность при успешном участии в различных олимпиадах и конкурсах связаться с ученными из других стран, что будет способствовать отличному опыту для новых проектов.
Также, одной из важных причин, по которой необходимо знакомить старшеклассников с квантовым программированием, может стать отсутствие практико-ориентированных задач в области программирование. Не секрет, что старшая школа направлена в первую очередь на сдачу ЕГЭ. Однако, в курсе информатики задачи, связанные с программированием, не имеют ничего общего с реальной жизнью. Обучающиеся, по окончанию школы, не имеют понимания профессии программиста, так как не знакомы с реальными кейсами, которые им придется решать. Квантовое программирование - это конкретный раздел программирования, в котором практико-ориентированные задачу имеют быть, к тому же, это позволит обучающаяся, которые решили связать мир с IT, расширить или сузить область будущей профориентации.
Программы для школьников в данный момент по квантовому программированию нет, можно найти элементы и некоторые советы, которые больше подходят для взрослых людей. Именно поэтому данная тема остается актуальна, самое главное разработать программу, задачи, которые помогут ребят войти в данную тему, для этого необходимо их определённая физико - математическая подготовка. Также ребенок должен обладать хорошими навыками программирования. Только после этого он будет готов приступить к изучению курса по квантовому программированию.
Устройство квантовых компьютеров достаточно сложно и требует значительного бэкграунда в разных научных областях. Большее внимание стоит уделять не столько устройству ПК, сколько его программированию. Этому может способствовать большее количество компиляторов квантовых языков, написанных на C/Python, которые изучаются повсеместно.
В рамках общеобразовательной профилизации, в некоторых школах появлялись профильные классы. Обучение проходит по направлениям, одним из которых является физико-математическое. Степень глубины погружения в математическую науку в подобных классах намного ниже, чем в общих. Некоторые учебные пособия предлагают изучать темы, относящиеся к высшему образованию. Грубо говоря, профильные классы берут не только качеством, но и количеством изучаемого материала.
Возникает следующее противоречие: с одной стороны, заявленная цель профилизации школьного образования заключается в формировании профессиональной самоопределенности обучающихся, с другой стороны, недостаточное количество практико-ориентированных задач и профориентационных мер со стороны преподавателей может привести к профессиональной неуверенности выпускников.
В связи с этим выделим проблему исследования: Профилизация не дает обучающимся четкой осознанности своей будущей профессии. Введение пропедевтических курсов по web-программированию, анализу данных и т.п. помогает обучающимся получить реальный практический опыт от изучаемого на уроках материала, что может благоприятно сказаться на профессиональном самоопределении выпускников. На наш взгляд, одним из таких курсов мог бы стать курс по квантовому программированию.
Таким образом, актуальность настоящего исследования обусловлена, с одной стороны, научным рывком, стимулированным современной государственной политикой и недостаточной готовностью образовательных учреждений к решению этих проблем, с другой стороны.
Объектом работы является процесс обучения обучающихся физико-математической направленности квантовому программированию.
Предметом работы является формирование профессионального самоопределения у обучающихся 10-11 классов физико-математического профиля с помощью пропедевтического курса по квантовому программированию.
Целью данной работы является: разработка и апробация пропедевтического веб-курса по квантовому программированию для обучающихся 10-11 классов в качестве средства повышения профориентационного самоопределения выпускников.
Гипотеза исследования: реализация пропедевтического веб-курса по выбору для обучающихся 10-11 классов «Основы квантового программирования» будет способствовать укреплению профессионального самоопределения обучающихся в контексте физико-математического профиля старшей школы.
В связи с поставленной целью в данной работе решаются следующие задачи:
5. Охарактеризовать базовое устройство квантового компьютера: проанализировать историю, привести сравнение с традиционными вычислительными системы, разобрать основные квантовые алгоритмы.
6. Раскрыть сущность развития межпредметных связи в контексте профильного образования старшей школы.
7. Разработать программу, содержание и основные методические идеи веб-курса «Основы квантового программирования».
8. Разработать и апробировать рекомендации по реализации курса.
Для решения поставленных задач в выпускной квалификационной работе были использованы следующие методы исследования: теоретические (изучение нормативных документов, анализ психолого-педагогической и научно-методической литературы по теме исследования, обобщение методического опыта), эмпирические (сравнение, наблюдение, педагогический эксперимент).
Научная новизна исследования состоит в обосновании возможности использования электронного курса по основам квантового программирования в качестве средства укрепления профессионального самоопределения выпускников.
Практическая значимость работы заключается в методической разработке и внедрении в процесс обучения математике и физике уроков с использованием электронного курса для обучающихся старшей школы.
На защиту выносится следующее положение: укрепление профессиональной ориентации обучающихся 10-11 классов физико-математического профиля успешно осуществляется при помощи пропедевтического курса по основа квантового программирования.
Апробация работы осуществлялась в ходе педагогической деятельности автора исследования в МАОУ СШ № 158 Грани города Красноярск на протяжении всего периода исследования с 2021 года по 2023 год.
Основные результаты были представлены на педагогической конференции КГПУ им В.П. Астафьева, а именно:
• Идиатулин И. Р., Латынцев С.В. РОЛЬ И МЕСТО ОБУЧЕНИЯ КВАНТОВОМУ ПРОГРАММИРОВАНИЮ В ПРОФИЛЬНЫХ КЛАССАХ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ // Образование и наука в XXI веке: математика, физика, информатика и технологии в смарт-мире. - 2023.
Структура выпускной квалификационной работы. Работа состоит из введения, основной части, включающей две главы, заключения, списка используемых источников и приложений.
Во введении обоснована актуальность исследования, сформулирована его цель, объект, предмет, гипотеза и задачи; раскрыта практическая значимость, охарактеризованы методы исследования.
В первой главе были рассмотрены базовые принципы работы квантовых компьютеров и построения квантовых алгоритмов на основе кубитов. Проведен анализ инструментария исполнения квантовых языков программирования в контексте проведения образовательного процесса.
Во второй главе представлены методические разработки, разработан электронный курс по обучению квантовому программированию. В Заключении подведены итоги работы, обозначены перспективы дальнейшего исследования.
Однако обучение квантовому программированию может быть непростым. В первую очередь, это связано с тем, что квантовая физика сильно отличается от классической. Стандартные подходы и интуитивные представления о том, как работает программирование в классических компьютерах, могут не работать в квантовых системах. Кроме того, квантовое программирование использует математические методы, такие как линейная алгебра и теория вероятностей, которые не всегда являются естественными для учащихся физико-математических направлений.
В связи с этим, обучение квантовому программированию должно быть основано на педагогических методах, которые способствуют формированию правильного мышления, позволяющего учащимся понимать квантовые концепции и выполнять квантовые операции. Необходимо привлекать краткосрочные курсы и обучение онлайн, так как это может уменьшить стоимость для обучения.
В современном мире существуют инструменты, которые облегчают обучение квантовому программированию. Например, инструменты Qiskit, Cirq и PyQuil, которые используют язык программирования Python, позволяют создавать квантовые программы и выполнять их на реальных квантовых компьютерах. Однако, учитывая высокий порог входа для этих инструментов, вначале лучше знакомиться с симуляторами квантовых компьютеров, которые позволяют запускать квантовые программы на классических компьютерах.
Важным является тот факт, что не смотря на столь обширный теоретический запас знаний по устройствам квантовых ПК, реальных прототипов не так уж и много. А значит очень важно привлекать к этой работе как можно больше специалистов, завлекая и знакомя их с проблематикой уже со школьной скамьи. На наш взгляд, это соответствует принципам НТИ (Национальной технологической инициативе), заложенных в 2016 году. Квантовое программирование в будущем откроет обширные возможности на рынке IT специалистов. Это видно уже сейчас, так как на рынке квантовых компьютеров уже работают больше 400 компаний. В разработку и выпуск аппаратной (самой дорогой), составляющей инвестируют Amazon, Archer, Atos, Fujitsu, Google.
Кроме этого, стоит отметить, что знание о квантовых вычислениях даст преимущество первопроходца, когда этот вид вычислений приобретет масштабы. Следовательно, именно сейчас нужно вовлекать одаренных детей для изучения данной области. Роль обучения квантовому программированию заключается в том, что в первую очередь развитие потенциала у обучающихся, которые готовы в бушующем связать свою профессию в сфере IT. Тут стоит отметить, что те профессии, которые популярны сегодня могут быть не актуальны через несколько лет, поэтому задача учителя не только обучать детей действующим отраслям наук, но и смотреть в бедующие. Именно для этого стоит развивать способности ребенка в этом направлении. Например, такая профессия как программист, вполне может стать менее популярна, если искусственный интеллект будет доведен до идеала, но такая сфера как квантовое программирование, готова к новым взглядам и предложениям. Кроме этого, для ребят есть хорошая возможность при успешном участии в различных олимпиадах и конкурсах связаться с ученными из других стран, что будет способствовать отличному опыту для новых проектов.
Также, одной из важных причин, по которой необходимо знакомить старшеклассников с квантовым программированием, может стать отсутствие практико-ориентированных задач в области программирование. Не секрет, что старшая школа направлена в первую очередь на сдачу ЕГЭ. Однако, в курсе информатики задачи, связанные с программированием, не имеют ничего общего с реальной жизнью. Обучающиеся, по окончанию школы, не имеют понимания профессии программиста, так как не знакомы с реальными кейсами, которые им придется решать. Квантовое программирование - это конкретный раздел программирования, в котором практико-ориентированные задачу имеют быть, к тому же, это позволит обучающаяся, которые решили связать мир с IT, расширить или сузить область будущей профориентации.
Программы для школьников в данный момент по квантовому программированию нет, можно найти элементы и некоторые советы, которые больше подходят для взрослых людей. Именно поэтому данная тема остается актуальна, самое главное разработать программу, задачи, которые помогут ребят войти в данную тему, для этого необходимо их определённая физико - математическая подготовка. Также ребенок должен обладать хорошими навыками программирования. Только после этого он будет готов приступить к изучению курса по квантовому программированию.
Устройство квантовых компьютеров достаточно сложно и требует значительного бэкграунда в разных научных областях. Большее внимание стоит уделять не столько устройству ПК, сколько его программированию. Этому может способствовать большее количество компиляторов квантовых языков, написанных на C/Python, которые изучаются повсеместно.
В рамках общеобразовательной профилизации, в некоторых школах появлялись профильные классы. Обучение проходит по направлениям, одним из которых является физико-математическое. Степень глубины погружения в математическую науку в подобных классах намного ниже, чем в общих. Некоторые учебные пособия предлагают изучать темы, относящиеся к высшему образованию. Грубо говоря, профильные классы берут не только качеством, но и количеством изучаемого материала.
Возникает следующее противоречие: с одной стороны, заявленная цель профилизации школьного образования заключается в формировании профессиональной самоопределенности обучающихся, с другой стороны, недостаточное количество практико-ориентированных задач и профориентационных мер со стороны преподавателей может привести к профессиональной неуверенности выпускников.
В связи с этим выделим проблему исследования: Профилизация не дает обучающимся четкой осознанности своей будущей профессии. Введение пропедевтических курсов по web-программированию, анализу данных и т.п. помогает обучающимся получить реальный практический опыт от изучаемого на уроках материала, что может благоприятно сказаться на профессиональном самоопределении выпускников. На наш взгляд, одним из таких курсов мог бы стать курс по квантовому программированию.
Таким образом, актуальность настоящего исследования обусловлена, с одной стороны, научным рывком, стимулированным современной государственной политикой и недостаточной готовностью образовательных учреждений к решению этих проблем, с другой стороны.
Объектом работы является процесс обучения обучающихся физико-математической направленности квантовому программированию.
Предметом работы является формирование профессионального самоопределения у обучающихся 10-11 классов физико-математического профиля с помощью пропедевтического курса по квантовому программированию.
Целью данной работы является: разработка и апробация пропедевтического веб-курса по квантовому программированию для обучающихся 10-11 классов в качестве средства повышения профориентационного самоопределения выпускников.
Гипотеза исследования: реализация пропедевтического веб-курса по выбору для обучающихся 10-11 классов «Основы квантового программирования» будет способствовать укреплению профессионального самоопределения обучающихся в контексте физико-математического профиля старшей школы.
В связи с поставленной целью в данной работе решаются следующие задачи:
5. Охарактеризовать базовое устройство квантового компьютера: проанализировать историю, привести сравнение с традиционными вычислительными системы, разобрать основные квантовые алгоритмы.
6. Раскрыть сущность развития межпредметных связи в контексте профильного образования старшей школы.
7. Разработать программу, содержание и основные методические идеи веб-курса «Основы квантового программирования».
8. Разработать и апробировать рекомендации по реализации курса.
Для решения поставленных задач в выпускной квалификационной работе были использованы следующие методы исследования: теоретические (изучение нормативных документов, анализ психолого-педагогической и научно-методической литературы по теме исследования, обобщение методического опыта), эмпирические (сравнение, наблюдение, педагогический эксперимент).
Научная новизна исследования состоит в обосновании возможности использования электронного курса по основам квантового программирования в качестве средства укрепления профессионального самоопределения выпускников.
Практическая значимость работы заключается в методической разработке и внедрении в процесс обучения математике и физике уроков с использованием электронного курса для обучающихся старшей школы.
На защиту выносится следующее положение: укрепление профессиональной ориентации обучающихся 10-11 классов физико-математического профиля успешно осуществляется при помощи пропедевтического курса по основа квантового программирования.
Апробация работы осуществлялась в ходе педагогической деятельности автора исследования в МАОУ СШ № 158 Грани города Красноярск на протяжении всего периода исследования с 2021 года по 2023 год.
Основные результаты были представлены на педагогической конференции КГПУ им В.П. Астафьева, а именно:
• Идиатулин И. Р., Латынцев С.В. РОЛЬ И МЕСТО ОБУЧЕНИЯ КВАНТОВОМУ ПРОГРАММИРОВАНИЮ В ПРОФИЛЬНЫХ КЛАССАХ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ // Образование и наука в XXI веке: математика, физика, информатика и технологии в смарт-мире. - 2023.
Структура выпускной квалификационной работы. Работа состоит из введения, основной части, включающей две главы, заключения, списка используемых источников и приложений.
Во введении обоснована актуальность исследования, сформулирована его цель, объект, предмет, гипотеза и задачи; раскрыта практическая значимость, охарактеризованы методы исследования.
В первой главе были рассмотрены базовые принципы работы квантовых компьютеров и построения квантовых алгоритмов на основе кубитов. Проведен анализ инструментария исполнения квантовых языков программирования в контексте проведения образовательного процесса.
Во второй главе представлены методические разработки, разработан электронный курс по обучению квантовому программированию. В Заключении подведены итоги работы, обозначены перспективы дальнейшего исследования.
В заключении дипломной работы можно сделать вывод, что пропедевтический курс по квантовому программированию является эффективным инструментом для обучения студентов физико-математической направленности. Особенно в свете того, что квантовые вычисления являются областью, которая является технологически значимой и находится в фокусе внимания научной общественности.
В работе было показано, что пропедевтический курс должен иметь интерактивное содержание, включать задачи и упражнения, благодаря чему обучающий процесс становится более эффективным и интересным для студентов. Безусловно, такие курсы должны быть разработаны с учетом рекомендаций как локальных, так и федеральных органов по организации и управлению образованием, а также отвечать современным требованиям и потребностям выпускников физико-математических специальностей.
Данный исследовательский проект также позволил выявить, что помимо содержания курса, важно учитывать индивидуальные особенности и потребности студентов при разработке и реализации учебной программы. Важно подбирать наиболее эффективные методы обучения, которые будут способствовать максимальному усвоению материала студентами.
В целом, данное исследование позволяет сделать вывод, что пропедевтический курс по квантовому программированию является необходимым компонентом образования для учащихся физико-математических специальностей в современном мире. Разработка и внедрение таких курсов должны стать приоритетом для учебных заведений, предоставляющих образование в области квантовых технологий. Такой подход позволит готовить высококвалифицированные кадры, способные эффективно работать в сфере квантовых технологий и вносить свой вклад в развитие этой области науки
В работе было показано, что пропедевтический курс должен иметь интерактивное содержание, включать задачи и упражнения, благодаря чему обучающий процесс становится более эффективным и интересным для студентов. Безусловно, такие курсы должны быть разработаны с учетом рекомендаций как локальных, так и федеральных органов по организации и управлению образованием, а также отвечать современным требованиям и потребностям выпускников физико-математических специальностей.
Данный исследовательский проект также позволил выявить, что помимо содержания курса, важно учитывать индивидуальные особенности и потребности студентов при разработке и реализации учебной программы. Важно подбирать наиболее эффективные методы обучения, которые будут способствовать максимальному усвоению материала студентами.
В целом, данное исследование позволяет сделать вывод, что пропедевтический курс по квантовому программированию является необходимым компонентом образования для учащихся физико-математических специальностей в современном мире. Разработка и внедрение таких курсов должны стать приоритетом для учебных заведений, предоставляющих образование в области квантовых технологий. Такой подход позволит готовить высококвалифицированные кадры, способные эффективно работать в сфере квантовых технологий и вносить свой вклад в развитие этой области науки