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物理学 > 物理教育

arXiv:2508.21321 (physics)
[提交于 2025年8月29日 ]

标题: 基于项目的学习在入门量子计算课程中的应用:医学影像量子算法案例研究

标题: Project-Based Learning in Introductory Quantum Computing Courses: A Case Study on Quantum Algorithms for Medical Imaging

Authors:Nischal Binod Gautam, Keith Evan Schubert, Enrique P. Blair
摘要: 量子计算引入了抽象概念和非直观行为,仅通过传统的讲授式教学,学生可能难以理解。 本文展示了如何利用基于项目的学习(PBL)来弥合这一差距。 这可以通过让学生参与一个结合量子计算与其兴趣领域的现实世界、跨学科任务来实现。 作为类似作业的一部分,我们研究了Harrow-Hassidim-Lloyd(HHL)算法在计算机断层扫描(CT)图像重建中的应用,并将其性能与经典的代数重建技术(ART)进行了基准测试。 通过在小规模问题上实施和分析这两种方法,我们获得了量子算法的实际经验,批判性地评估了它们的局限性,并培养了技术写作和研究技能。 这次经历表明,基于项目的学习不仅增强了概念理解,还鼓励学生通过研究、实施和反思深入接触新兴技术。 我们建议在入门级量子计算课程中整合类似的PBL模块。 如果要求学生撰写并提交一篇会议风格的论文,并得到不同领域教师的指导,该作业效果会更好。 在这样的跨学科课程中,现实世界的问题可以将抽象理论转化为有意义的学习体验,并更好地为学生未来在量子技术方面的进步做好准备。
摘要: Quantum computing introduces abstract concepts and non-intuitive behaviors that can be challenging for students to grasp through traditional lecture-based instruction alone. This paper demonstrates how Project-Based Learning (PBL) can be leveraged to bridge that gap. This can be done by engaging students in a real-world, interdisciplinary task that combines quantum computing with their field of interest. As part of a similar assignment, we investigated the application of the Harrow-Hassidim-Lloyd (HHL) algorithm for computed tomography (CT) image reconstruction and benchmarked its performance against the classical Algebraic Reconstruction Technique (ART). Through implementing and analyzing both methods on a small-scale problem, we gained practical experience with quantum algorithms, critically evaluated their limitations, and developed technical writing and research skills. The experience demonstrated that Project-Based Learning not only enhances conceptual understanding but also encourages students to engage deeply with emerging technologies through research, implementation, and reflection. We recommend the integration of similar PBL modules in introductory quantum computing courses. The assignment also works better if students are required to write and submit a conference-style paper, supported by mentorship from faculty across the different fields. In such course interdisciplinary, real-world problems can transform abstract theory into meaningful learning experiences and better prepare students for future advancements in quantum technologies.
评论: 12页,8图
主题: 物理教育 (physics.ed-ph) ; 图像与视频处理 (eess.IV); 量子物理 (quant-ph)
引用方式: arXiv:2508.21321 [physics.ed-ph]
  (或者 arXiv:2508.21321v1 [physics.ed-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.21321
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Nischal Binod Gautam [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 8 月 29 日 04:24:26 UTC (544 KB)
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