量子科学应用大全11篇

量子科学应用篇（1）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0140-01

量子力学课程是工科电类专业的一门非常重要的专业基础课程。通过该课程的学习，使学生初步掌握量子力学的基本原理和基本方法，认识微观世界的物理图像以及微观粒子的运动规律，了解宏观世界与微观世界的内在联系和本质的区别。量子力学课程教学质量的好坏直接影响后续的如“固体物理学”、“半导体物理学”、“集成电路工艺原理”、“量子电子学”、“纳米电子学”、“微电子技术”等课程的学习。

量子力学课程的学习要求学生具有良好的数学和物理基础，对学生的逻辑思维能力和空间想象能力等要求较高，因此要学好量子力学，在我们教学的过程中，需要充分发挥学生的学习主动性和积极性。同时，随着科学日新月异的发展，对量子力学课程的教学也不断提出新的要求。如何充分激发学生的学习兴趣，充分调动学生的学习主动性和能动性，切实提高量子力学课程的教学质量和教师的教学水平，已经成为摆在高校教师目前的一项重要课题。

该课程组在近几年的教学改革和教学实践中，本着高校应用型人才的培养需求，强调量子力学基本原理、基本思维方法的训练，结合物理学史，充分激发学生的学习积极性；充分利用熟知软件，理解物理图像，激发学生学习主动性；结合现代科学知识，强调理论在实践中的应用，取得了良好的教学效果。

1 当前的现状及存在的主要问题

目前工科电类专业普遍感觉量子力学课程难学，其主要原因在于：第一，量子力学它是一门全新的课程理论体系，其基本理论思想与解决问题的方法都没有经典的对应，而学习量子力学必须完全脱离以前在头脑中根深蒂固的“经典”的观念；第二，量子力学的概念与规律抽象，应用的数学知识比较多，公式推导复杂，计算困难；第三，虽然量子力学问题接近实际，但要学生理解和解决问题，还需要一个过程；由于上述问题的存在，使初学者都感到量子力学课程枯燥无味、晦涩难懂，而且随着学科知识的飞速发展，知识的更新周期空前缩短，在有限的课时情况下，如何使学生在掌握扎实的基础知识的同时，跟上时代的步伐，了解科学的前沿，以适应新世纪人才培养的需求，是摆在我们教育工作者面前的巨大挑战。

2 结合物理学史激发学生学习兴趣

兴趣是最好的老师，在大学物理中，谈到了19世纪末物理学所遇到的“两朵乌云”，光电效应和紫外灾难，1900年，普朗克提出了能量子的概念，解决了黑体辐射的问题；后来，爱因斯坦在普朗克的启发下，提出了光量子的概念，解释了光电效应，并提出了光的波粒二象性；德布罗意又在爱因斯坦的启发下，大胆的提出实物粒子也具有波粒二象性；对于物理学的第三朵乌云“原子的线状光谱，”玻尔提出了关于氢原子的量子假设，解释了氢原子的结构以及线状光谱的实验。后来还有薛定谔、海森堡、狄拉克等伟大的物理学家的努力，建立了一套崭新的理论体系-量子力学。在教学的过程中，适当穿插量子力学的发展历史以及伟大科学家的传记故事，避免了量子力学课程“全是数学的推导”的现状，这样激发学生的学习兴趣和学习热情，通过对伟大科学家的介绍，培养刻苦钻研的精神。实践表明，这样的教学模式大大提高了学生的学习主动性。

3 结合熟知软件化抽象为形象

量子力学内容抽象，对一些典型的结论，可以用软件模拟的方式实现物理图像的重现。很多软件如matlab、c语言等很多学生不是很熟练，而且编程较难，结合物理结论作图较为困难；Excell是学生常用的软件之一，简单易学却功能强大，几乎每位同学都非常熟练，我们充分利用这一点，将Excell软件应用到量子力学的教学过程中，取得了良好的效果。

如在一维无限深势阱中，我们用解析法严格求解得到了波函数和能级的方程。而波函数的模方表示几率密度。我们要求学生用Excell作图，这样得到粒子阱中的几率分布，通过与经典几率的比较（经典粒子在阱中各处出现的几率应该相等）和经典能级的比较（经典的能量分布应该是连续的函数），通过学生的自我参与，充分激发了学生的求知欲望；从简单的作图，学生深刻理解了微观粒子的运动状态的波函数；微观粒子的能量不再是连续的，而是量子化了的能级，当n趋于无穷大时微观趋向于经典的结果，即经典是量子的极限情况；通过学生熟知的软件，直观的再现了物理图像，学生会进一步来深刻思考这个结论的由来，传统的教学中，我们先讲薛定谔方程，然后再解这个方程，再利用边界条件和波函数的标准条件，一步一步推导下来，这样的教学模式有很多学生由于数学的基础较为薄弱，推导过程又比较繁琐，因此会逐步对课程失去了兴趣，这也直接影响了后面章节的学习，而通过学生亲自作图实现的物理图像，改变了传统的“填鸭式”教学，最大限度的使学生参与到课程中，这样的效果也将事半功倍了，大大提高了教学的效果。

4 结合科学发展前沿拓宽学生视野

在课程的教学中，除了注重理论基础知识的讲解和基础知识的应用以外，还需介绍量子力学学科前沿发展的一些动态。结合教师的教学科研工作，将国内外反映量子力学方面的一些最新的成果融入到课程的教学之中，推荐和鼓励学生阅读反映这类问题的优秀网站、科研文章，使学生了解量子力学学科的发展前沿，从而达到拓宽学生视野，培养学生创新能力的目的。例如近年兴起并迅速发展起来的量子信息、量子通讯、量子计算机等学科，其基础理论就是量子力学的应用，了解了这些发展，学生会反过来进一步理解课程中如量子态、自旋等概念，量子态和自旋本身就是非常抽象的物理概念，他们没有经典的对应，通过对实验结果的理解，学生会进一步理解用态矢来表示一个量子态，由于电子的自旋只有两个取向，正好与计算机存储中二进制0和1相对应，这也正是量子计算机的基本原理，通过学生的主动学习，从而达到提高教学质量的目的。另外我们还要介绍量子力学在近代物理学、化学、材料学、生命学等交叉学科中的应用，拓宽学生的视野。

5 结语

该课程组经过多年的教学实践和教学改革，已经逐步形成了一套行之有效的教学方法，在使学生充分理解和掌握量子力学的基本概念和基本思想的基础上，初步具备利用量子力学基本理论进行分析和解决相关实际问题的能力，改革和研究的结果对于推动高校工科电类专业的量子力学课程的教学具有一定的理论和实践指导意义。

参考文献

量子科学应用篇（2）

5月9日，中国科学院院士、中科大常务副校长潘建伟出席“新未来人工智能论坛”时表示，量子通信卫星将按照原定计划在7月份发射。如果此次卫星成功发射，中国将在全球首次实现卫星和地面之间的量子通信，结合地面已有的光纤量子通信网络，将初步构建广域量子通信体系。

美国媒体认为，中国的量子科学实验卫星（QUESS） 并不仅仅是一个科学实验项目，实际上中国已经成为了全球量子通信技术的领先者，量子科学实验卫星将成为把尖端科技转化为中国在全球范围内战略资产的基石。

据潘建伟介绍，2000公里量子保密通信“京沪干线”也将在今年年底建成。3月17日，我国“十三五”规划纲要正式，“量子通信与量子计算机”被列入国家科技创新2030重大科技项目，未来5年，我国将着力构建量子通信网络。

量子通信是什么

作为与相对论并列的现代物理学基石，量子论是20世纪最伟大的理论之一，但其神奇之处也让很多人“难以理解”。“量子世界像骰子一样难以预测，迄今还没有谁敢说了解它，任何科学探险都不如量子之旅惊险和神奇。”中科院自然科学史研究所研究员董光璧说。

量子有很多奇妙的特性，比如在量子通信中起着重要作用的“量子纠缠”，曾被爱因斯坦等科学家称作“幽灵般的超距离作用”。美国科学家、诺贝尔物理学奖获得者弗兰克・维尔切克曾用《格林童话》中《两兄弟》故事打比方：“量子纠缠”就像一对有“心灵感应”的双胞胎，长得分不清彼此；他们也心灵相通，即便天各一方，弟弟有难，哥哥即刻得知。

目前，量子密钥分发和量子隐形传态都被称为量子通信。量子密钥分发可以建立安全的通信密码，通过一次一密的加密方式实现点对点方式的安全经典通信。

具体做法是用弱相干光源发射光子，因为弱相干光源弱到一定程度，光子是一个一个往外蹦的，以此代替单光子源。把一个信息编码在一个光子上，一个光子有着不同的量子态，代表着0和1，把光子通过光纤发射过去，接收方接到密钥后进行解码。

本质上说，量子密钥分发其实依旧依托于光纤通信，而单光子具有不可分割性是量子密码安全性的物理基础，因而量子密钥分配并非颠覆经典通信，更像是给经典通信增加了一把量子密码锁。

现有的量子密钥分发技术可以实现实验室状态下200公里以上的量子通信，再辅以光开关等技术，还可以实现量子密钥分发网络。目前，开始产业化的是量子密钥分配，而不是量子隐形传态，比如北京到上海的量子通信干线、沪杭量子通信干线、陆家嘴量子通信金融网等都属于量子密钥分配。

量子态隐形传输是基于量子纠缠态的分发与量子联合测量（量子纠缠是指两个量子态具有相干性或处于关联状态，量子纠缠态分发是指制备纠缠粒子对，将不同的粒子对发往不同的地方），在经典通信的辅助下实现量子态的空间转移而又不移动量子态的物理载体。

据潘建伟介绍，量子隐形传态技术具备不可分割、不可克隆的特性，可以抵御窃听密钥的分发，确保通过其加密的内容不可破译。2015年，中科大潘建伟团队在世界上首次实现多个自由度的量子隐形传态，成果被评为国际物理学十大突破之首。“如果我们带着一个保险箱去北京开会，而保险箱的钥匙落在合肥，合肥的同事可以通过量子隐形传态将钥匙每一个特征都精确传送到北京，而在此过程中他并不掌握这把钥匙的任何信息。这在经典世界中是不可想象的。”潘建伟说。由于在该领域的杰出贡献，2016年1月，潘建伟团队的“多光子纠缠及干涉度量”获国家自然科学奖一等奖。

早在1997年，潘建伟团队就在世界上首次实现量子态的传输，也正是他们的探索，促使量子科技更快地应用于通信领域。在新中国成立60周年阅兵、纪念抗战胜利70周年阅兵等关键节点，潘建伟团队构建的量子通信热线均为信息传送提供了重要安全保障。

目前，国内主攻量子通信技术的有潘建伟院士带领的团队和郭光灿院士带领的团队，两个团队在研究量子通信方面呈现你追我赶的架势。中国虽然在量子隐形传态技术上走在世界的前列，但现在仅仅是技术突破，离产业化还比较遥远。而量子密钥分发经过近30年的发展，从理论协议到器件系统初步成熟，目前已有小规模的试点应用和初步产业化趋势。以量子密钥分发为基础的量子保密通信成为未来保障网络信息安全的一种非常有潜力的技术手段，是量子通信领域理论和应用研究的热点。

应用前景有多广

作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，未来10年内，量子保密通信有望走向大规模应用，在电子政务、电子商务、电子医疗、国防军事、生物特征传输和智能传输系统等各领域大显身手。

专家预言，随着光量子通信技术的不断发展和完善，该技术将被大量应用于武器装备系统之中，使得战场侦察探测、指挥控制、通信网络、武器控制能力得到全面提升。目前，光量子通信研究已成为各军事大国重点发展的战略性高科技，在军事上有着灿烂前景。

除了国防军事领域，商业应用也用不了多久。潘建伟说，在不久的将来，量子通信就能进入千家万户。希望通过十年左右的努力，将来每个人在互联网上进行的转款、支付等消费行为，都能够享受到量子通信的安全保障。

当然，这还需要其在产业化和广域量子通信网络方面实现进一步突破。郭光灿认为，量子通信极强的保密性是基于量子密钥技术而实现的，密钥也是基于量子的特殊性而研发的，而其他通信方面的技术与传统经典通信差异不大。从目前的实际应用来看，将量子通信网络与现有电子通信网络进行融合是最优的发展战略。

而在构建广域乃至全球范围的量子通信网络体系方面，从各国战略计划看，无论是美国政、企、校联合展开研制的量子互联网，还是欧盟联合12成员国发展的基于量子中继和卫星的自由空间量子通信链路，亦或是日本计划到2040年建成极限容量、无条件安全的量子通信网络，各国誓要抢占量子通信未来制高点的意图已经明朗。

按照计划，2016 年，我国将先于欧美发射全球首颗量子科学实验卫星，2020 年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发，2030 年建成全球化量子通信网络。

据量子卫星工程常务副总工程师兼卫星总指挥、中科院上海技术物理所王建宇研究员介绍，量子卫星将装载我国自主研发的星地量子通信设备。它能产生并发送光子，地面系统则负责接收。这种“发球、接球”需要解决超高精度的瞄准、捕获和跟踪难题，仿佛在空间尺度下、在穿越大气层后“针尖对麦芒”。

城域、广域，再到天地一体，是中国科学家的规划目标。业内人士介绍，量子科学实验卫星上天后，可以实现高速星地量子通信，连接地面的城域量子通信网络，初步构建我国广域量子通信体系；“京沪干线”是连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，中间还有合肥、济南等重要节点。其中，2012年建成的合肥城域量子通信网，4 年来运行良好，通信正确率达99.6%，超过目前的移动通信水平。

量子通信应用前景广阔。2月24日，科技部部长万钢在国新办新闻会上表示，我国新的科技计划体系将对面向未来的量子通信等方面基础研究进行重点支持。市场人士认为，中国在量子通信技术研究、产业应用方面处于国际领先地位，未来一旦实现更多技术突破，其市场空间将非常广阔。

中国科学技术大学科技传播与科技政策系副教授褚建勋表示，中国政府正在加快打通科技与经济结合的通道，让科技成果为社会服务，跟市场接轨，解放科技生产力，帮助解决社会问题。“在包括量子通信在内的先进科技成果转移转化的过程中，中国新的经济增长点将越来越清晰地呈现出来。”褚建勋说。

产业化应用起步

量子密钥分发保密通信的高安全性所蕴含的战略意义和经济价值备受各国政府、学术界与产业界的重视，近年来试点应用和产业化呈现快速发展趋势。

2003年，美国DARPA资助哈佛大学建立了世界首个量子密钥分发实验系统和量子保密通信组网应用。此后，欧美日多国相继建成了瑞士量子、东京QKD和维也纳SECOQC等量子保密通信实验网络，演示和验证了城域组网、量子电话、选举投票保密等方面的应用。2013年，美国独立研究机构Battelle公布了环美量子通信骨干网络项目，计划采用分段量子密钥分发，结合安全授信节点进行密码中继的方式为谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头的数据中心之间的通信提供量子安全保障服务。

国内的量子保密通信试点应用起步稍晚但发展迅速。2007年中科大在北京打通了国内首个光纤量子电话，之后相继在北京、济南、安徽芜湖与合肥等地建立了多个城域量子保密通信示范网、金融信息量子保密通信技术验证专线以及关键部门间的量子通信热线。2014年，量子保密通信京沪干线项目通过评审并开始建设，计划建成北京和上海之间，基于安全授信节点密码中继，距离超2000公里的国际首个长距离光纤量子保密通信骨干线路。

量子通信的试点应用催生了一批由科研机构孵化的科技产业实体。其中具有代表性的包括美国MagiQ公司和瑞士IDQ公司等，能够提供初步商用化的量子密钥分发系统器件、终端设备和整体应用解决方案。在国内，中科大在量子通信产业化方面表现突出，其衍生与合作建立了安徽量子通信技术有限公司、安徽问天量子科技股份有限公司和山东量子科学技术研究院有限公司，进行量子保密通信前沿研究成果向应用技术和商用化产品的转化，国家对于量子通信的专项投入和政策扶持为其快速发展注入了强劲动力。

由于安全高效的特性，量子通信在国防、保密、金融等领域有着巨大需求。兴业证券分析师指出，以国防领域为例，量子通信可以应用于通信密钥生成与分发系统，构成作战区域内机动的安全通信网络，能用于改进光网信息传输保密性，由此提高信息保护和信息对抗能力，也能应用于深海安全通信领域，为远洋深海安全通信开辟新途径。

2015年10月，浙江神州量子网络科技有限公司宣布投入1.7亿元，建设“杭沪量子商用干线”。这是国内首条量子通信商用干线，建成后可实现沪杭区域内政府、企业、金融机构等通信数据的加密传输。

在金融领域，工商银行已成功应用量子通信技术实现其北京分行电子档案信息在同城间的加密传输。这也是量子通信技术在国内银行业的首次成功应用。工商银行相关负责人表示，为进一步提升信息安全水平，工行联合中国科学技术大学实施了“量子保密通信京沪干线技术验证及应用示范项目”，同时开展北京、上海同城及京沪异地千公里级量子通信金融应用落地工作。

阿里巴巴旗下阿里云与中科院旗下国盾量子于2015年10月联合了量子加密通信产品。这也是量子安全通信产品首次落地公共云领域。中信证券分析师陈剑指出，这标志着“云+量”作为基础设置与服务开始面向更广泛领域进行应用。

作为通信技术的未来演进方向，量子通信业终将进入广域网、城域网等公网市场。据陈剑测算，预计2020年国内量子通信市场规模将达210亿元。其中，专网市场105亿元，公网75亿元，其他领域30亿元；预计2020年国内量子通信设备领域市场规模为30亿元，建设运维领域规模为30亿元，运营市场规模将达150亿元。

诱人的市场前景吸引了众多参与者，量子通信产业链生态正在逐渐形成。以三力士为例，公司拟出资6000万元，设立山西三力士量子通信网络有限公司，推动量子保密通信网、云计算等战略新兴产业的落地和产业化。

2015年7月，中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室宣布成立。该实验室结合阿里巴巴在计算算法、架构和云计算方面的技术优势，以及中科院在量子计算和模拟、量子人工智能等方面的优势，探索下一代超快计算技术。

此外，中科院牵头，联合中科大、科大国盾量子技术股份有限公司、阿里巴巴（中国）有限公司、中国铁路网络有限公司、中兴通讯股份有限公司、北方信息技术研究所等单位发起成立了中国量子通信产业联盟。

陈剑指出，量子通信产业链主要包括元器件、设备、建设运维、运营应用四个环节。其中，元器件方面大部分与传统通信所使用的没有太大的差异。但核心器件，如单光子探测器仍主要依赖进口，近距离设备国产可大致代替进口，而长距离设备需要一年或更长时间实现进口替代。

量子科学应用篇（3）

2.操作程序应规范。不管是实验过程的预设、材料的准备还是教师语言的引导，都应注意规范、科学。如在科学活动“神奇的碘酒”中，孩子们通过实验获得了碘酒遇淀粉变色的经验后，教师设置了“羊村遭遇假冒奶粉”的情境，旨在让孩子们利用碘酒检验出所提供的奶粉哪些是假冒的，哪些是合格的，并分别放置食品安全标志和非安全标志。操作时，教师引导孩子们在奶粉中倒进少许的碘酒，通过观察奶粉是否变色来进行辨认。试问：倒进碘酒的奶粉还有人敢食用吗？将这样的奶粉放进贴有食品安全标志的区域是否合适呢？恰当的解决办法应该是：教师在给孩子们出示不同的奶粉时加上“样品”两字。虽然只是加了两个字，其意义却大不一样。

量子科学应用篇（4）

从17世纪到20世纪，这种科学思想经过后人不断的修正、补充和完善，一直为科学家和学者所接受，这种逻辑实证主义的知识增长模式对人类科学发展的进程产生了很大的影响；另一种观点是以波普尔为代表的证伪主义的修正、检验型的知识增长模式。这种知识增长模式认为：科学知识增长“并不是指观察的积累，而是指不断一种科学理论、由另一种更好的或者更合乎要求的理论取而代之[4]”。波普尔认为，知识从本质上都是暂时性的，我们无法证明知识的绝对性，却可以检验证明其存在着某些不合理的因素，科学正是由于这种不确定性，才不断地在证伪、反驳中提高其必然性，才使科学有着强大的生命力。波普尔还用以下公式概括地描述了知识增长的规律：P1TSEEP2[4]。P1表示提出问题，TS表示再找出解决问题的试错方法，EE表示清除错误，P2表示在解决了最初问题的同时又产生了新问题，新问题又进入到解决问题的试错阶段，然后清除了错误，又引发了新问题，一直这样周而复始的发展下去。这个过程是一个反馈的过程，科学进步正是遵循着这样一个反馈机制，科学知识便得到了增长，科学发展于是便没有了终结。这一理论的应用结果就是每个科学家都应尽可能的阐述自己的研究成果，也应尽可能多地吸收别人的研究成果去不断地进行辨伪和反驳，才能使科学走向更进一步的精确。第三种观点是库恩的历史主义科学革命型知识增长模式。库恩认为科学发展具有按一定规则、周期出现的结构，由此而建立起的科学、按照“前科学———常规科学———反常———危机———科学革命———新的常规科学———新的危机……”的逻辑规律而向前发展的模式[5]。以上三种知识增长模式其实代表了三种不同的科学观和哲学观，他们都存在一定的合理因素和借鉴意义，对我们研究学术传播系统的发展有着理论、方法上的指导意义。我们正是在这种理论和方法的指导下研究学术期刊的发展，研究其对知识增长方式变革的贡献，研究学术期刊在学术传播系统中所发挥的作用以及系统反过来对其质量的控制，从而促进学术传播活动的繁荣和最终达到知识增长的目的。

科学知识的增长是有规律可循的。从20世纪70年代开始，就有人对知识增长规律不断的进行探索，最具代表性的人物是美国科学哲学家普赖斯，他通过对物理出版物(主要是英国皇家学会出版的《哲学会刊》)数量增长情况进行定量归纳分析，揭示出了科学文献指数增长规律。从对研究者的数目、科研经费、科学文献数量等计量参数研究中，普赖斯发现，从1665年第一份科学期刊问世以后，每隔100年文献数量就会增加100倍，大体以18年为一个倍增周期，每15年为一次稳定倍增。1962年普赖斯用计量方法提出了科学知识增长规律用指数增长曲线来描绘，称之为“普赖斯曲线”。这一曲线只是知识增长的理想模式，普赖斯并没有从理论上对其知识增长模型进行解释，也没有考虑社会其他复杂因素对知识增长的影响，这方面的不足因科学社会学的兴起而有了很大的改观。因此，要研究知识增长的规律还应当应用科学社会学的知识对知识增长规律作出定量和定性的分析。

从科学哲学对知识增长方式理论和经验的论述可以看出，科学知识的增长与文献数量的增长有着密切的关系，这也是传统图书馆学与文献学研究的理论基础和出发点。但经过更深入的研究发现，知识增长与文献数量关系又不是呈绝对的正比关系，这就需要对影响知识增长的各方面因素在科学交流系统中的相互关系、所形成的层次、结构等进行统合分析，才可能全面的搞清楚知识增长的方式和规律。只有在搞清楚知识增长的方式和规律后，才可能对电子期刊在科学交流系统中的地位、作用以及如何作用与改变原有系统等问题展开深入地研究。

2网络电子期刊的发展方向及策略

电子期刊是学术出版传播的又一次革命，是现代信息社会多元化学术转播的一种发展方向，它有着广阔的发展前景，它的出现不仅仅是增加了一种新的学术传播媒介，更重要的是它改变了现有的学术出版传播模式，引发了传统学术模式的调整和整合，同时使得知识增长方式也发生了根本性的改变。就目前而言，要使电子期刊有效地健康地发展、使之更好的来促进学术传播活动，有必要解决好以下问题。

2.1深化出版管理体制与运行机制的改革

在期刊电子化进程中，一方面，应加快实现期刊管理、运行由出版事业向出版产业的转变，真正确立期刊出版部门和机构的法人地位，在财务、用人制度和经营管理等方面真正拥有企业自，改变发行策略，形成竞争格局。这些变革需政府给予政策、法制上的保障。另一方面，网络电子期刊部门，还应注意建立起规模产业，建立完善的出版企业产业链，从期刊产品开发到服务，从管理到经营，从政策、法制到资金流通等各个方面，要为期刊全面电子化、网络化创造良好条件。第三，应建立以用户为中心的良好的网络运行模式，要引入竞争机制和期刊定量评估指标体系，并应用引文分析法和期刊质量判断法对期刊质量进行定量评估，评选核心期刊和优秀期刊，实行期刊品牌战略，在研究者中形成广泛影响，吸收专家和优秀研究者的注意，将优秀稿件相对集中在核心期刊上，尽快建立起有国际影响力的期刊。

2.2加强网络电子期刊的质量控制

电子期刊质量是制约其发展的重要因素，电子期刊的出现打破了原有格局，期刊质量控制在原有内容数量控制、编辑质量控制、出版质量控制的基础上，又增加了期刊质量控制的新课题。电子期刊的质量评估主要应从数量、质量以及社会影响等方面进行。从数量方面来说，判断期刊质量最典型的是引文分析法，通过期刊论文之间引用和被引用关系来定量判断期刊质量，这种做法具有一定的合理性。从期刊自身情况和刊载论文的学术规范、研究深度和广度来评估期刊质量、则采用的是质量判断方法。期刊的社会影响对期刊社会信誉度的建立、对作者的吸引等也起着十分重要的作用。期刊自身情况的判断标准(包括期刊办刊的宗旨、目的和用户群；期刊出版速度；期刊载文量；论文、评论、时事通讯等的比例和刊期；期刊、出版机构、编辑和编辑部的社会名声；期刊论文的学术质量；期刊的发行数量；期刊的印制和版式质量等)对期刊质量评估也有着很重要的参考价值，这些标准也是期刊出版机构和编辑部门应努力的方向。这里需要强调的是期刊论文的学术标准，因学科内容不同而有所差异，但论文中作者在理论、方法上能提出自己独到的见解，具有很强的操作性，规范化的语言和编辑标准，进而能促进学科的发展和知识的增长等是人们要强调的最重要的学术标准。

2.3走纸质期刊与网络电子期刊并重的发展道路

根据国外以及国内大学图书馆用户对电子资源态度与利用情况的调查研究显示，现阶段用户最喜欢阅读的仍然是印本期刊，阅读习惯以及电子期刊的表现形式是影响电子期刊使用的重要因素。人们希望电子期刊的表现形式与印本期刊基本保持一致，符合印本期刊的阅读习惯，这样就可以减少对电子期刊阅读的不适应感，促进电子期刊用户的可接受性。目前，阅读习惯、计算机网络设备与条件、费用、检索使用能力等因素仍然制约着期刊电子化、网络化的进程。因此，选择印本期刊与电子期刊并重的发展道路是目前期刊发展的最佳选择。当前我们首要的任务是应在提高期刊质量上狠下功夫，为全面实现全程纯电子期刊化、网络化打下良好的基础。

2.4注重培育用户市场，切实建立期刊、作者、用户之间的互动关系

信息传播是人类社会得以维系和发展的重要因素，个别人对于电子期刊的态度也会影响到其他人，甚至是大众的思想、态度及行为。作为信息管理机构、出版机构和部门、以及大学和研究机构应积极创造条件，一方面应培养人们改变对电子期刊的看法，激发和加强研究者对电子期刊使用的欲望，同时培养用户的使用习惯，并加深用户对电子期刊的依赖性。另一方面，应打破单一期刊设立的限止，在作者和用户之间架起沟通的桥梁，让作者的思想、观点、成果等与用户尽量形成实时互动，以加速期刊学术交流的速度，让期刊真正适应学术传播的需要，从而促进知识的增长。

2.5建立期刊出版模式多元化的发展格局

在目前网络环境下，印本期刊的电子化、网络化，作者/编辑型期刊出版的发展已有一定的基础，加之中国教育科研网等网络基础设施的建成，极大的便利了高等院校师生和科研机构人员的上网，大学及科研机构研究手段的现代化、计算机网络技术的广泛应用等等，为作者/编辑型期刊的出版模式打下了坚实的基础。但目前网络电子期刊的流通仍然存在着一些问题，除人们的阅读习惯外，建立期刊多元化的发展格局势在必行，一方面应建立让期刊作者/编辑型期刊和研究者在其上，并对其订购或阅览创造条件，使之真正成为学术传播的媒介和渠道；另一方面，网络电子期刊只有得到研究机构、大学等有关机构的认可，并作为聘任、评级和职称评定等的依据，才能成为学术传播的有效渠道。应当说，只有建立形成印本期刊、电子期刊、作者/编辑型期刊(纯电子期刊)出版模式相互共存的多元化的发展格局，才能重塑学术传播新模式，才能促进电子期刊的可持续发展。

2.6积极促进期刊出版向国际化方向发展

期刊形式的国际化并不等于真正实现国际化。期刊真正实现国际化还在于，以的高质量来参与国外同类期刊的竞争，在寻求合作、资金、外来先进人才和先进管理经验的基础上创新和增强期刊竞争力，在竞争中获得国际社会的承认。目前，尽管我国绝大多数期刊还不具备国际竞争的实力，但我们应该在制订电子期刊发展规划时，考虑到在各方面与国际接轨的问题，树立创新和竞争意识，为具备国际竞争力打下坚实的基础。另外，还要积极创造条件促进期刊出版向国际化方向迈进，只有充分利用国际间的信息资源、人才资源、技术资源，科技期刊才能真正成为国际科技合作与交流的媒介，才能真正提高期刊在国际上的影响力。具体而言，我国期刊编辑委员会中可以聘请国外知名专家担任委员，吸引国外稿源，鼓励国外留学人员及华裔研究者积极投稿。为解决语言障碍问题，在我国积极“创办英文科技期刊，增加中文科技期刊中英文的信息量”[6]，如在我国期刊论文中要求作者提供英文文摘和英文关键词等的做法就是为国际著名检索系统判断论文内容和质量提供一定的依据，为期刊走向世界奠定基础。

量子科学应用篇（5）

该成果已于3月15日在美国《科学》杂志在线发表。该成果的获得是我国科学家长期积累、协同创新、集体攻关的一个成功典范，得到了国家自然科学基金、科技部、教育部和中国科学院等单位的基金资助。

“这是一个‘诺贝尔奖级’的科研成果。”诺贝尔物理学奖获得者、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授这样评价中国科学家首次发现量子反常霍尔效应的科研成果。

量子反常霍尔效应让电子运动服从指挥，不乱跑乱撞，从而降低能耗

“一个直接的应用就是可能对未来电子学的新变革产生重大推动作用。”薛其坤介绍，电子在芯片里的运动基本上可以类比为高级跑车在集市中运动，它们在非常杂乱无章的环境下到处碰撞、改变方向，既走了弯路，也会造成发热，效率因而降低，这也是目前晶体管发热、电脑用久了发烫的重要原因之一。

在量子霍尔效应下，电子就像汽车行驶在高速公路上一样，在运动过程中碰到杂质障碍也会绕过后继续前行，而不是像普通条件下的电子那样因碰撞而改变方向并导致发热。这一特性对开发低能耗电子学器件有非常重要的作用。

既然量子霍尔效应有这么大的意义，为什么一直得不到应用？薛其坤介绍：实现霍尔效应需要外加磁场，强度要比地磁场强20万倍甚至更多，为此需要做一个至少冰箱大小的磁铁。试想，为了实现一张小芯片和集成电路的低能耗运行，却要配套一块巨大的磁铁，不具经济意义。但是如果在不外加磁场的情况下实现量子霍尔效应，即量子反常霍尔效应，就有可能推动新一代低能耗晶体管和电子学器件发展。

四年测量样品超过1000个，率先发现效应，占据信息技术革命制高点

在实验上实现反常霍尔效应的量子化，需要拓扑绝缘体材料同时满足若干非常苛刻的条件。德国、日本、美国的科学家由于无法在材料中同时满足这些条件而未能实现。

量子科学应用篇（6）

化学被科学家誉为“中心科学”，处在其上游的学科有数学、物理学，位于其下游的学科有生物学和医学，化学在中游起着承上启下的作用[1]。化学学科综合性、实践性强，在教学中，化学教师除了要善于应用本学科的专业知识开展教学外，还必须具备丰富的相关学科知识，而且能够根据教学内容灵活穿插使用相关学科知识，使相关学科思想渗透于化学学科教学实践中。这样开展的教学活动形式独特，理解化学原理的思维方式、掌握化学知识的角度和解题技巧的探讨都突破固有的模式。不同的学科知识横向有迁移，学生学习兴趣高，对知识的理解和掌握效果明显，学科思维素养更容易建立，提高了化学课堂教学的有效性。

笔者在多年的教学实践中，针对不同的教学内容，渗透相关学科的学科思想开展风格各异的教学活动，现在做一整理，借此与各位同仁探讨交流。

一、数学思想渗透于化学教学中

数学位于自然科学之首，是学习科学知识的必备工具，在化学教学中，尤其是在习题的教学过程中，如果灵活应用数学知识，把学生的数学思维及时迁移到化学题目中来，用数学思想构建化学科解题的学科素养，在实际教学中，就能收到非常明显的教学效果。

如学生刚上高一，化学必修一模块就涉及“物质的量”，这是一个很抽象的概念，这对于刚入高中的学生来说很难弄懂，接下来是相关的计算，涉及几个基本的公式：n===，学生在应用公式的时候经常搞错，在该用乘法时用了除法，而该用除法时用了乘法。在教学中除了让学生正确理解公式中概念的内涵外，还启发学生联想小学的公式：总量=数量×单位量，引导学生把新公式对号入座：n就是数量，N、m、V就是总量，而N、M、V就是单位量，这样就把高中抽象公式向小学形象公式靠拢，降低了认知的台阶，学生易于接受。在这一章还涉及混合物计算，这是高中化学计算常见的类型，此类题主要渗透了数学的方程思想，其解题过程可分为两个阶段，第一阶段利用化学知识找出题目中各物质或量的关系，第二阶段列出方程计算得出结果。最后，在教学中又和学生共同总结出解题口诀“设出摩尔，列出方程组”，记忆和理解效果更佳。在混合物计算教学中难免涉及十字交叉法，十字交叉法是在化学中应用比较广泛的简化的计算方法，在解决某些二元混合体系所产生的具有线性平均意义的计算问题时，表现出了思路简单，运算简便等优点。学生对十字交叉法理解出现偏差，为什么交叉相减，再相比较，就能得到组分的比？这时可以设出两个未知数，但是只列出一个方程，通过数学推导，得出同样的结果，最后再指出十字交叉法就是简化方程的解法，也是加权平均值的简单解法。例如：在标准状况下，11.2LCO与CO的混合气体的质量为20.4g，求混合气体中CO与CO的体积之比为多少？解析：在标准状况下，11.2LCO与CO的混合气体的物质的量为0.5mol，混合气体的平均摩尔质量为20.4g/0.5mol=40.8g·mol

28 44 40.8 44-40.8=3.2 40.8-28=12.8

V（CO）/V（CO）=3.2/12.8=1/4，即混合气体中CO与CO的体积之比为1：4。解释十指交叉法时，我们可以设CO和CO的物质的量分别为xmol和ymol，根据质量守恒：28x+44y=40.8（x+y），整理得（40.8-28）x=（44-40.8）y，x：y=（44-40.8）：（40.8-28）=1：4，这样的推导解法跟十指交叉法是殊途同归的。通过推导，学生对十字交叉法会欣然接受并且能灵活运用。

又如选修四模块《化学反应原理》中有两个重要的知识点：盖斯定律和原电池，在教学时，指出应用盖斯定律解题就是做数学证明题，根据数学中的代数式相加减的原则，从已知的热化学方程式，通过代数运算处理，注意H也同样进行运算，得出目标方程式，也就证明成功；原电池教学中涉及已知原电池总反应和一个电极反应式，求另外一个电极反应式，也是代数式相减的思想，减完之后再把方程式中带负号的物质移到化学方程式对侧，得出正确的电极反应式。如果题目中给了正极和负极的电极反应式，通过相加也就自然得到原电池的总反应。

再如选修五模块《有机化学》，同分异构体是一个重要的知识点，烃分子的一卤取代物的个数，关键是找出等效氢的个数，这是就需要借助数学上的中心对称、轴对称的知识，先确定对称中心，然后找出等效碳原子，确定等效氢，这样可以使等效氢原子数确定得更准确。如：丙烷的一氯代物有几种？如图所示：HHH，先找出对称轴，对称轴上的碳原子是一种，另外2个端点碳原子位置对称，成为等效碳原子，是第二种碳原子，因此等效氢原子有2种，一氯代物有2种。烃分子的二卤取代物的个数，除了用碳原子之间两两连线的“连线法”确定之外，还可以利用排列组合的知识，用数学的方法将具体问题抽象化，可以简化解题过程，如：丙烷的二氯代物有几种？因为丙烷有2种碳原子，所以可以列式子：C×C=2×2=4，求得有4种二氯代物。有机物分子共线共面问题，由于涉及空间立体的知识，学生单纯从化学角度想象空间结构，认知难度很大。如果应用立体几何的知识，帮助学生借助数学思维思考化学问题，学生站在数学的台阶上接受化学知识就更为得心应手。例如：H-H=H--F分子中6个碳原子可以共面吗？首先根据双键的平面模型，确定一个前1-4号碳原子共面，再根据三键的直线模型确定后3-6号碳原子共线，然后根据几何学公理“一条直线上有2个点（3、4号碳原子）位于一个平面，那么这条直线（包含5、6号碳原子）就在这个平面上”，从而得出6个碳原子可以共面。通过严谨的数学推导得出的结论，教学说服力非常强大，学生对老师的教学和知识的认可度大大提高。求一系列有机物含碳量的最大（最小）值的题目时，先根据同系物的分子式的差别，利用等差数列求出通项公式，再代入极限公式求出结果。如：同系物C1H（萘）、CH（芘）、CH（苯并芘）……中，求碳的最大百分含量。解析：根据萘、芘、苯并芘的分子式发现碳原子数和氢原子数递增呈等差数列。碳原子数：公差为6，首项是10：a=a+（n-1）d=10+（n-1）×6=6n+4，同理可得氢原子数：a=2n+6，因此通式为CH，带入极限公式：ω（C）====97.3%

二、物理学思想渗透于化学教学中

“理化不分家”。物理和化学同样是两门重要的自然科学，学科之间总是存在内在联系，知识体系也是有相通的部分。如在选修四模块《化学反应原理》中的“化学反应速率和化学平衡”教学中，首先引导学生思考，物理上衡量运动快慢的物理量是速度和速率，前者是矢量，既有大小，又有方向，后者是只有大小的标量。再追问学生化学反应的快慢需要有方向吗？自然得出衡量化学反应快慢的物理量应该是只有正值的化学反应速率，而不是化学反应速度。再通过化学反应速率的计算公式v=c/t，联想物理学上的公式v=x/t（v表示平均速率，x表示位移，t表示时间），学生不难得出化学反应速率是一段反应时间内的平均速率，对于化学反应来说，平均速率更具有实际表达意义。物理上v-t图像，图线与时间轴围成的图形面积表示在该时间段的位移x，引导学生迁移到化学上v-t图像，图线与时间轴围成图形的面积表示在该时间段的物质的量浓度的变化量c。

例：在容积固定的4L密闭容器中，进行可逆反应：X（气）+2Y（气）？葑2Z（气）并达到平衡，在此过程中，以Y的浓度改变表示的反应速率υ（正）、υ（逆）与时间t的关系如右图，如图中阴影部分面积表示（ ）

A.X的浓度的减少 B.Y的物质的量的减少

C.Z的浓度的增加 D.X的物质的量的减少

解析：v（正）曲线下围成的图形的面积应该是Y物质浓度的减少值，v（逆）曲线下围成图形的面积应该是Y物质浓度的增加值，图中阴影部分即以上二者之差，也就是Y物质浓度的减少值的净值，因此B项正确。

学习化学平衡时，首先启发学生回忆物理上的不受外力的平衡态：匀速直线运动和静止。然后指出化学平衡不是静止的平衡，而是类似于物理上的匀速直线运动的动态平衡。物理知识进行思维迁移，有助于掌握化学新知。又如，平衡移动原理（勒夏特列原理）中的关键词“减弱改变”，学生很难理解实质，物理上的楞次定律中的关键词“阻碍变化”和“减弱改变”的概念内涵是完全相同的，具有异曲同工的迁移效果，在教学中及时抛出楞次定律中的“阻碍变化”，对“减弱改变”的理解也就毫无悬念。再如，电解池中阴阳离子的运动方向，完全是遵循带电粒子在电场中的运动规律的。物理上金属导体的导电是自由电子的定向移动的结果，对比到电解质溶液的导电，则是阴阳离子的定向运动形成的。在化学教学中有意识渗透物理学思想，学生会领悟到自然科学之间是相互交叉和渗透的，在学习知识的时候才能自觉关注学科之间的联系。

三、哲学思想渗透于化学教学中

哲学上的三个基本的规律：“对立统一规律”、“量变质变规律”、“否定之否定规律”。这三个规律是指导人们认识世界和改造世界的方法论。在化学教学的三维目标中，情感态度与价值观这一维目标也要求教师在教学中不但教授学生学科知识，而且注意培养学生学习知识的学科思维和认识问题的哲学思维。如在教学“氧化还原”时，氧化是失去电子，还原是得到电子，氧化剂氧化了还原剂，还原剂还原了氧化剂，氧化剂和还原剂行为是完全对立的，但是对立的行为统一在同一个氧化还原反应中，密不可分，氧化和还原“既对立，又统一”。氧化还原反应是“对立统一规律”一个很好的例证，在教学氧化还原反应时，要不失时机地培养学生的“对立统一”思想，而且在进行“氧化还原”的概念教学时，初中学习氧化还原反应只是停留于表面的“得氧失氧”，在高中教学中，先通过几个氧化还原反应方程式，总结出氧化还原反应的共同特征是“元素化合价升降”，最后再追溯到氧化还原反应内在本质为“电子转移”，为学生的学习搭建思维平台，通过支架式教学，学生的认知台阶逐渐上升。又如在教学“元素周期律”时，元素的性质随着原子序数的递增到一定的程度，性质就会发生周期性的变化，也就是元素之间不是孤立的，是存在着随着数量的变化而性质发生递变的内在规律——元素周期律。数量积累到一定程度，就会发生质的飞跃，完美地诠释了“量变质变规律”。再如，在进行必修一模块“元素化合物”教学时，对原来初中学习的燃烧概念做了“否定”，指出燃烧不一定要有氧气，只要是有发光发热现象的剧烈的氧化还原反应，就是燃烧。把对燃烧的判断从外在的反应现象和反应的内在实质这两个方面界定，这样修正补充后再重新定义概念，使知识更为科学完整。“否定”不是全盘抛弃，而是为了“肯定”，这也符合事物发展的规律：螺旋式上升，波浪式前进。通过化学概念的动态教学，学生真切地体会到知识乃至真理的生成，是一个不断补充修正的科学发展过程。

四、诗词美学思想渗透于化学教学中

科学是严谨的，也就难免枯燥，然而化学这门自然科学与生活密切相关，如果能够把教学与文学生活中的诗词联系起来，也就在严谨的科学中引入了美学，这样的教学体现了科学与人文内涵的统一，展现了化学教学的艺术美，给学生提供了主动探究知识的美的意境，开启了学生审美的想象和思维，也发挥了化学课程对培养学生人文精神的积极作用。如在教学碳酸盐性质时，明代诗人于谦的《石灰吟》：“千锤万凿出深山，烈火焚烧若等闲。粉身碎骨浑不怕，要留清白在人间。”于谦不经意以自己诗人的视角，用凝练的语言描绘了石灰石分解生产石灰的过程。从科学的角度来解读这首诗，原料的存在，反应的条件，反应的产物一一从诗中体现出来。从艺术的角度来看，这首诗体现了诗人宁折不弯，为追求理想和真理可以献身的可贵品质。在学习中，学生不仅接收了科学知识，还被作者的高贵的人生信仰所打动，教师不仅传授知识，而且完成了育人责任。又如在教学硅酸盐时可选择杜甫诗云“大邑烧瓷轻且坚，扣如哀玉锦城传”，以及唐代陆龟蒙在《秘色瓷器》中的“九秋风露越窑过，夺得千峰翠色来”[2]，让学生在学习知识的同时，感受古代劳动人民的无穷智慧。在教学中引入诗词等文学元素，能够改变沉闷的课堂教学气氛，使课堂氛围变得活跃而富有文学气息，激发学生的学习兴趣，使学生在提高文学素养的同时提高了科学素养。

五、历史学思想渗透于化学教学中

法国著名科学家朗之万说：“在科学教育中，加入历史的观点是有百利而无一弊的。”化学与人文科学从来都是紧密联系的，许多伟大的科学成就都是科学家的科学素养和人文精神的结晶[3]。在教学中，教师应该不拘泥于教科书上的知识和结论，还应该关注知识和结论生成的过程和历史，了解科学家发现科学事实、形成化学概念、建立化学原理和理论的艰辛过程。化学发展史中蕴含的科学思想和科学方法，是难能可贵的课程资源。在教学设计中把握恰当的时机，引入相关的历史事件和历史人物，不仅有利于学科教学的开展，还能在教学中培养学生探索知识的科学品质和爱国奉献的人文精神。

如在教学化学必修二模块苯时，首先介绍了英国化学家法拉第发现了苯之后，后来日拉尔等人确定了苯的分子式为CH，随后在确定苯分子结构时，当时的科学家并没有意识到苯是环状结构，德国化学家凯库勒深入地研究了苯的性质，尝试反推结构，通过精心探索研究，最后提出了苯的结构模型——凯库勒式。据说环状结构的发现是从梦中获得的启发，凯库勒工作很晚就睡着了，在睡梦中出现了一条蛇，蜿蜒盘绕，突然蛇头衔住蛇尾，形成了一个环，凯库勒梦醒后恍然大悟，最后按照环状分子的思想确立了苯的真实结构。介绍完苯分子结构的探索史，学生的课堂气氛马上活跃起来，我又不失时机地抛出问题：做梦真的能解决科学问题吗？学生也就马上回到理性思维的层面，科学问题的解决是科学家成果积累到一定程度的必然结果。

又如在教学碳酸钠时，介绍碳酸钠的俗名有纯碱、口碱等。清末民初，工业所需的碳酸钠主要是从河北、内蒙古盐湖取得的天然碱，并以张家口、古北口为集散地销往全国，故称口碱。但是天然碱远远满足不了民族轻工业的发展需要，只能进口纯碱。而进口纯碱价格很高，且外国技术封锁，国内不能生产。我国近现代化学家侯德榜热爱祖国，献身科学，发明了联合制碱法，并且把制碱技术公布，打破了外国封锁，在国内生产纯碱，满足了民族工业发展的需要。通过这部分历史的介绍，学生深切地感受到：就要挨欺负，要想强国富民，离不开科学技术的掌握，只有努力学习，才能报效祖国。同时，科学家侯德榜的献身科学的伟大爱国精神，增强了学生的民族自尊心和自豪感，实现了对学生的爱国主义的思想教育。

参考文献：

量子科学应用篇（7）

量子力学是研究微观粒子运动规律的科学，自诞生以来它就成功地说明了原子及分子的结构、固体的性质、辐射的吸收与发射、超导等物理现象。作为物理学专业的专业理论课，量子力学在物理学专业中具有极其重要的地位。现代物理学的各个分支，如高能物理、固体物理、核物理、天体物理和激光物理等都是以量子力学为基础，并且已经渗透到化学和生物学等其他学科。同时量子理论还具有巨大的实用价值，半导体器件和材料、激光技术、原子能技术和超导材料等都是以量子力学原理为基础的。

通过对量子力学的学习，学生可以掌握现代科学技术最重要的基础理论，还可以提高科学素质和思想素质，但是量子力学中的概念和解决问题的方法与经典物理有着本质的不同。学生普遍反映量子力学抽象、枯燥、难理解、抓不住重点，学习起来非常困难。针对以上问题，我对教学进行了思考和探讨，采用了一些切实可行的措施，提高了学生的学习兴趣，使学生更好地掌握了量子力学知识，同时培养了学生的创新思维。

一、教学过程中存在的问题

在量子力学的教学过程中，我发现以下几个问题。

1.量子力学是一门十分抽象的课程，其中许多概念、原理都不好理解，并且量子力学从概念到解决问题的方法跟经典物理有着根本性的区别，但是很多学生习惯性地用经典的思想去理解量子力学，这样就不自觉地增加了难度。比如“波粒二象性”，经典物理认为波动性和粒子性是互不相关的、相互独立的，而量子力学认为波动性和粒子性是微观粒子同时具备的两种属性。

2.学习量子力学，数学知识是必不可少的。量子力学中有着繁杂的数学知识，例如，数学分析中的微积分，代数学中的矩阵论，数学物理方程的微分方程，复变函数，等等。在教学过程中发现，不少学生对已学过的数学知识掌握得不是很牢固，在推导公式的过程中忘记了公式所描述的物理内涵，影响了对量子力学知识的理解。

3.由于量子力学的课时紧张，教学过程中采用了传统的教学模式，由教师到学生的“单向传授”的教学形式。学生失去了主体地位，只能被动地接受知识，学习的兴趣和积极性不高，导致教学效率降低。

二、量子力学的教学方法改革

1.采用多种教学手段相结合的教学模式。由于量子力学的内容抽象难懂，又是建立在一系列基本假定的基础之上，不少学生很难接受，甚至认为这门课程没有用处。在量子力学的教学过程中，由单一的教师讲授过渡到板书、录像、课件、演示实验等各种手段相结合的教学模式，将图、文、声、像等信息有机地组合在一起，形象、直观、生动，容易激发学生的学习兴趣。同时，通过网络技术，学生可以享受到本校的教学资源，还可以突破空间的限制，享受到全国高水平的教学资源，从而丰富学生的资料库，也为各学校的师生讨论交流提供一个很好的平台。

随着科学技术的迅速发展，知识更新非常快。在教学中，教师应及时将与量子力学相关的科技前沿和高新技术引入教学中，介绍与量子力学密切相关的课题，阐明科学技术中所蕴含的量子力学原理。如我们在讲解一维无限深势阱时，将其与半导体量子阱和超晶格这一科学前沿相联系；在讲解隧道效应时，将其与扫描隧道显微镜相联系，进而介绍扫描探针操纵单个原子的实验。同时在教学中，我们理论联系实际，多介绍量子力学知识与材料科学、生命科学、环境科学等其他学科之间的密切联系，重点介绍在材料科学中的广泛应用，包括新材料设计、开发新材料、材料成分和结构分析技术等。通过这种方式，学生对这一部分的知识有了直观的认识，从而不再感到量子力学的学习枯燥无味，同时也提高了接受新知识、学习新知识的意识和能力。

2.结合数学知识，把物理情境的建立作为教学的重点。量子力学可以说无处不数学，这门学科对高级数学语言的成功运用，正是它高深与完美的体现。数学虽然加深了物理问题的难度，却维护了理论的严谨性和科学性。当然这不是要求老师从头到尾、长篇冗重地推演计算，合理地修剪枝杈既能让学生抓住重点，又免使学生感到量子力学只是数学公式的推导。对于学习量子力学的同学，可以着重于对物理概念的剖析和物理图像的描绘，绕过数学分析难点，通过简化模型、对称性考虑、极限情形和特例、量纲分析、数量级估计、概念延拓对比等得出结论。定量分析尽量只用简单的高数和微积分、常见的常微分方程，对复杂的数学推导可以不做讲解，只对少数优秀生或感兴趣的同学个别辅导。例如，在求解本征方程时，只介绍动量、定轴转子能量本征值的求解；对无限深势阱情况，薛定谔方程可类比普通物理中的简谐振动方程；对氢原子和谐振子的能量本征值问题，只重点介绍思路、方法和结论，不作详细推导。

3.充分应用类比法，讲述量子力学。经典力学是量子力学的极限情况，在教授过程中，应尽可能找到“经典”对应，应用类比方法讲述量子力学中抽象的概念和物理图像，有助于正确理解量子力学的物理图像。用光的单缝、双缝衍射、干涉说明光的波动性，用光电效应、康普顿散射说明光的粒子性，运用这种方法有利于学生掌握光的波粒二象性。在将量子力学与经典力学类比的同时，还要清楚量子力学与经典力学在观念、概念和方法上的区别。例如，经典力学用位矢、速度描述物体的状态，而量子力学用波函数描述系统状态；经典力学用牛顿第二定律描述状态变化，量子力学用薛定谔方程描述状态的变化。另外对于量子力学中的波粒二象性、态迭加原理、统计原理等都要与经典力学中的相关概念区分开来，类比说明，阐明清楚其真正内涵。

4.改变传统教学模式，采用以学生为主体的教学模式。量子力学的现代教学多以“教师讲授”为主，同时配合多媒体课件辅助教学，教学模式较传统教学有所变化，多媒体课件教学虽然能够在一定程度上激发学生的学习兴趣，但仍然是“填鸭式”的教学法，没能真正地改变传统教学的弊端。因此在教学过程中，要避免课堂成为教师的一言堂，鼓励学生提问，激发学生的逆向思维和非规范性思维等，通过创设问题情境使师生互动起来，提高学生学习量子力学的积极性，加深学生对这门课程的理解。还要组织学生开展相关课题讨论，引导学生自主能动地思考，激发学生的学习兴趣。

三、结语

“量子力学”是物理类专业基础课程中教学的难点和重点，建立新的教学模式，有利于学生学习、理解和掌握这门课程。

参考文献：

［1］曾谨言.量子力学［M］.科学出版社，1997.

［2］周世勋.量子力学教程［M］.高等教育出版社，1979.

量子科学应用篇（8）

关键词： 高校；科研状况；因子分析；聚类分析；评价

Key words： colleges and universities；research status；factor analysis；cluster analysis；evaluate

中图分类号：G463 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）31-0015-04

0 引言

科研能力是衡量一所高校科教水平的重要标志。某高校作为省重点高校有着悠久的办学历史，科研水平在省内也是名列前茅，本文针对该高校20个学院的各项科研指标进行多元统计分析，建立了描述科研水平的各类变量，包括各类科研项目的经费总额、各类论文的发表数量、论著发表数量，投入科研人员数量等。但由于各学院规模不一，各学院科研性质也不尽相同，为了保证研究结果的平衡性，本文采用对科研成果人均贡献率的方式进行研究。然而进行统计分析时，并非变量收集的越多越有利，变量间信息的高度相关、高度重叠会给统计方法的应用带来许多困难，因此本文借助SPSS统计分析软件，采用因子分析方法，在众多变量中提取影响各学院科研状况的主要因子对问题进行分析，最后通过因子变量的聚类分析对评价结果进行验证。国内学者目前主要集中对我国体育事业进行科研状况分析，如贾志强、郑岩平对我国1995-2000年篮球科研状况作了分析。张金、夏秀荣对我国1994-2003年排球科研状况作了分析。在高校科研状况分析方面，孟学英、陈春华利用调查问卷方式对我国部分高职院校教师科研状况做了调查分析。同时国内对多元统计方法的应用也主要集中在医疗、经济方面，如孟莹、谢守祥等利用多元统计分析方法对江苏省经济差异化做了分析。王曦、宋剑南利用多元统计分析方法对影响中医症候的主要因素做了研究。利用多元统计分析方法结合高效科研状况评价分析还鲜有研究。本文结合多元统计分析分析方法对某高校科学地建立高校科研业绩的管理体系及评价体系提供了理论依据。

1 因子分析方法简介

因子分析是利用降维的思想，由研究原始变量相关矩阵内部的依赖关系出发，把一些具有错综复杂关系的变量归结为少数几个综合因子的一种多变量统计分析方法。因子分析的基本思想是根据相关性大小把原始变量分组，使得同组内的变量之间相关性较高，而不同组的变量之间的相关性则较低。每组变量代表一个基本结构，并用一个不可观测的综合变量表示，这个基本结构就称为公共因子。对于所研究问题的某一具体问题，原始变量可以分解成两部分之和的形式，一部分是少数几个不可测的所谓公共因子的线性函数，另一部分是与公共因子无关的特殊因子。进行因子分析的步骤如下：①根据研究问题选取原始变量。②对原始变量进行标准化并求其相关阵，分析变量之间的相关性。③求解初始公共因子及因子载荷矩阵。④因子旋转。⑤因子得分。⑥根据因子得分值进行进一步分析。

2 各学院科研状况的因子分析

2.1 数据分析和指标选取

本文选用的数据来源于某高校2006年至2015年的统计数据。设定数据中8个指标变量分别是X1：2006-2015年横向项目金额人均贡献率（万元/人）；X2：2006-2015年市校级项目金额人均贡献率（万元/人）；X3：2006-2015年省部级项目金额人均贡献率（万元/人）；X4：2006-2015年部级项目金额人均贡献率（万元/人）；X5：A类论文人均贡献率（篇/人）；X6：B类论文人均贡献率（篇/人）；X7：C类论文人均贡献率（篇/人）；X8：论著数量人均贡献率（项/人）。数据详情见表1。

在进行数据分析前，进行KMO检验，P值为0.000，检验结果是显著的，同时KMO值达到0.577，结果见表2，表明数据之间具有一定的相关性，可进行因子分析。

从表3变量共同度表中可以看出因子分析的变量共同度均较高，表明变量中的大部分信息均被因子所提取，说明因子分析的结果是有效的。

2.2 因子提取和因子解释

现应用主成分分析法来进行因子提取和因子个数的确定，从表4中可以看出只有前三个因子特征根大于1，并且前三个因子特征值之和接近80%，故提取前三个因子基本包含了全部测评指标的绝大部分信息，因子分析效果较理想。

由于初始载荷阵结构不够清晰，不便于对因子进行解释，因此对因子载荷矩阵实行旋转，达到简化结构的目的，使各变量在某些因子上有较高载荷，而在其余因子上只有小到中等的载荷。这里采用方差最大正交旋转法进行因子旋转。结果见表5。

从旋转后的因子载荷矩阵来看，第一个主因子在省部级项目金额人均贡献率、部级项目金额人均贡献率、A类论文人均贡献率、B类论文人均贡献率上具有较高载荷，第二个主因子在C类论文人均贡献率、论著数量人均贡献率上具有较高载荷，第三个主因子在横向项目金额人均贡献率、市校级项目金额人均贡献率上具有较高载荷。

2.3 因子得分和因子变量

本文采用回归法估计因子得分系数，并输出因子得分系数矩阵见表6。

根据表6可写出以下因子得分函数：F1=-0.014横向项目金额人均贡献率-0.078市校级项目金额人均贡献率+0.263省部级项目金额人均贡献率+0.293部级项目金额人均贡献率+0.178A类论文人均贡献率+0.508B类论文人均贡献率+0.021C类论文人均贡献率+0.174论著人均贡献率（1）；F2=-0.159横向项目金额人均贡献率+0.065市校级项目金额人均贡献率+0.00省部级项目金额人均贡献率-0.057部级项目金额人均贡献率-0.235A类论文人均贡献率+0.393B类论文人均贡献率+0.328C类论文人均贡献率+0.570论著人均贡献率（2）；F3=0.442横向项目金额人均贡献率+0.582市校级项目金额人均贡献率+0.123省部级项目金额人均贡献率+0.010部级项目金额人均贡献率-0.076A类论文人均贡献率-0.219B类论文人均贡献率+0.384C类论文人均贡献率-0.010论著人均贡献率（3）

通过上述公式（1）、公式（2）和公式（3）可得到各个学院的因子得分。从而获得三个因子变量，由于这三个因子变量是线性无关的。因此，可以利用它们对各个学院的科研状况做统计分析。

3 各学院科研状况的综合评价分析

下面利用三个因子变量对2006年-2015年该高校各学院科研状况做多元统计分析，并对各学院近10年来科研状况进行综合评价。

首先画出三因子变量的散点图，对各学院近10年来科研状况做对比分析。以第一因子变量为横坐标，第二因子变量为纵坐标，第三因子变量为竖坐标的三维散点图如图1所示。

从图1中可以看出P学院、O学院、M学院等的第一因子很高。说明这些学院在部级项目人均贡献率、省部级项目人均贡献率、A类论文人均贡献率、B类论文人均贡献率上成绩突出，但在横向项目人均贡献率上稍显不足，这些学院应该在保持尖端学术科研的前提下，多加强与企业的合作，创造更多产业应用成果。L学院、R学院、N学院等的第二因子很高，说明这些学院在论著人均贡献率、C类论文人均贡献率上成绩突出，这与这些学院的科研性质是密不可分的，第二因子很高的学院可以在保持自己科研特色的前提下，多关注学术前沿的相关信息，争取在尖端科研中有更大的突破。如B学院、I学院等的第三因子很高，说明这些学院在横向项目人均贡献率上成绩突出，这些学院可以在紧密保持与企业的科研联系的基础上，加强自己在学科特色科研中的研究，多出一些基础研究方面的尖端科研学术成果，增强学院在科研创新中的能力。

最后利用系统聚类分析法对各学院科研状况进行聚类分析，即利用三因子变量对20个学院进行聚类，结果如表7所示，M学院、P学院、O学院和J学院为一类，B学院、I学院为一类，其它学院为一类。这个结果与散点图分析的情况基本类似。

4 结束语

本文针对某高校各学院科研状况进行综合评价分析，通过对高校近十年科研指标数据进行因子分析，将八个指标变量分为三个科研因子，分别是高端科研因子、校企合作科研因子、基础科研因子，并给出了因子得分模型，对各学院近十年的科研状况给出了分析，最终的聚类分析结果也对各学院科研状况做了验证说明。论文的研究成果为科学地建立高校科研业绩的管理体系及评价体系提供了理论依据。

从分析结果来看，因学院科研特色不同，导致各个学院在学术科研这个万花筒中所扮演的角色也各不相同，但各学院之间还是应当加强科研合作，取他人之长补己之短，这样才能为该高校向科研大校、科研强校的进军道路上打下坚实的基础。

参考文献：

[1]薛薇.SPSS 统计分析方法及应用[M].二版.北京：电子工业出版社，2006：303-349.

[2]张文彤.SPSS11统计分析教程―高级篇[M].北京：北京希望电子出版社，2002：166-210.

[3]李卫东.应用多元统计分析[M].北京：北京大学出版社，2008：226-240.

[4]阎慈琳.关于主成分分析做综合评价的若干问题[J].数理统计与管理，1998（2）：22-24.

[5]胡永宏，贺思辉.综合评价方法[M].北京：经济科学出版社， 2000.

量子科学应用篇（9）

中图分类号TB383 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)31-0083-02

1 概述

纳米科学技术(nano scale science and technology)作为新兴的学科[1],在人类社会进入世纪之交的关键转变年代,在世界范围兴起,发展迅速,前景诱人,国际竞争已经开始。人类对自然世界的认识始于宏观物体,又逐渐认识到原子,分子等微观粒子,然而对纳米微粒却缺乏深入的研究[2]。原子是自然界的基本组成单元,原子的不同排列方式使自然界物种丰富多样化。1959年,著名的物理学家诺贝尔物理学奖得主查德・费曼说:“如果有一天可以按人的意志安排一个原子,将会产生怎样的奇迹。”纳米科技则使人们能够直接利用原子、分子制备出包含原子的纳米微粒,并把它作为基本构成单元,适当排列成一维的量子线,二维的量子面,三维的纳米固体。纳米材料有一般固体都不具备的优良特性,所以有着广阔的应用前景。钱学森指出:“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点,会是一次技术革命,从而将引起21世纪又一次产业革命。” [3]

1.1 基本概念

纳米(Nanometer)又称毫微米,是一种长度单位。1纳米等于10-9m(十亿分之一米)。上田良二教授于1984年从测试的角度给纳米微粒下了一个定义:用电子显微镜(TEM)能看到的微粒称为纳米微粒[4]。纳米技术是1974年在东京由日本精密工程学会(JSPE)和国际生产工程研究学会(CIRP)联合主持的会议上由日本东京科学大学机械工程教授谷口纪男提出的[5]。纳米科技(Nanost)是一门在0.1nm~100nm范围内对物质和生命进行研究应用的科学。这是一种介观区域(宏观和微观之间的连接区域)进行开发研究的新技术。它使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到分子和原子。纳米科技涉及到物理学、数学、化学、生物学、机械学、信息科学、材料科学、微电子学等众多学科以及计算机技术,电真空技术,扫描隧道显微镜及加工技术,等离子体技术和核分析等各种技术领域,是一门综合性的新兴科学技术。

1.2 纳米科技的发展历史

纳米科技是20世纪科技领域重要突破它的发展经历了孕育萌芽阶段,探索研究阶段和应用开发阶段3个时期。

1)孕育萌芽阶段。费曼设想在原子和分子水平上操纵和控制物质。1860年,胶体化学诞生之日,对粒径约(1~100)nm的胶体粒子开始研究,但由于受研究手段限制,发展缓慢;

2)探索研究阶段。30年后,1990年7月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩召开,同年《纳米生物学》和《纳米科技》专业刊物相继问世。这标志着一门崭新的科学技术-纳米科学技术,在经过30年的曲折道路,终于诞生了。费曼的美妙设想成为现实了[6];

(3)应用阶段。1993年,开始进入蓬勃的发展时期,20世纪末获得许多成果,达到预期目标可能还要经历10~20年的努力。

1.3 纳米固体的基本特征

纳米固体的重要特征,决定了纳米科技具有划时代意义。这些特性有如下4个方面[6] :

1)表面与界面效应。纳米微粒尺寸小,表面积大,所以位于表面的原子比例相对增多。尺寸与表面原子数的关系见表1。当物质粒径小于10nm,将迅速增加表面原子的比例,当粒径降到1nm时,原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于表面原子数增多,使得这些原子易与其它原子相结合而稳定,具有很高化学活性,表面吸附能力强,扩散系数增大,塑性和韧性都大大提高;

表1纳米微粒尺寸与表面原子数的关系

2)小尺寸效应。当纳米微粒的尺寸与光波的波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,电,光,磁,声,热力学等特征均会出现小尺寸效应;

3)宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及应用都有重要的意义;

4)量子尺寸效应。量子尺寸效应是指当粒子尺寸下降到最低值时,费米能级附近的电子能级变为离散能级的现象。而当颗粒中所含原子数随着尺寸减小而降低时,费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级。当能级间距大于静磁能,磁能,热能,静电能,超导态或光子能量的凝聚能时,就导致纳米微粒磁,热,声,光,电以及超导电性与宏观特征显著不同,称为“量子尺寸效应”。例如导电的金属在超细微粒时可以是绝缘的。

表面界面效应,小尺寸效应,宏观量子隧道效应和量子尺寸效应是纳米微粒与纳米固体的基本特征,它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多不同的物化性质。

2 纳米科学研究的分析手段

具有原子分辨率的扫描隧道显微镜(STM),高分辨透射电镜(HRTEM),和原子力显微镜(AFM)等手段[7-9]能直接观察出纳米固体,纳米微粒,和纳米结构特征。

1)扫描隧道显微镜(STM)

扫描隧道显微镜(STM)具有原子级的空间分辨率。主要描绘表面三维的原子结构图。主要用于导电纳米矿物原子级的空间分辨率研究 ,如金属硫化物研究。

2)高分辩透射电镜(HRTEM)

高分辩透射电镜(HRTEM)空间分辨率可达0.1nm～0.2nm。主要用于各种矿物纳米级的成分,形貌,结构的综合研究。如金属硫化物,硅酸盐矿物,矿物中的出溶物以及胶体矿物研究。

3)原子力显微镜(AFM)

以扫描隧道显微镜(STM)为基础发展起来的原子力显微镜(AFM)

能探测针尖和样品之间的相互作用力,达到纳米级的空间分辨率。为了获得绝缘材料原子图像,又出现了原子力显微镜。AFM主要是用于非导电纳米矿物原子级的空间分辨率研究。如硅酸盐矿物,胶体矿物等研究。在纳米材料方面主要是观察纳米材料物质等在矿物物质表面的吸附和沉积,以及天然纳米微粒形状。

3 纳米科技理论在地学上的应用

纳米科技与地学的结合形成了以下3种学科纳米地球化学,纳米矿床学和纳米矿物学。

3.1纳米地球化学

纳米地球化学就是研究地球中纳米微粒分布,分配,集中,分散,迁移规律,以及由纳米微粒的分布及组合特征反映断裂活动,探测石油,天然气,金属矿床等。纳米物质使元素具有新的地球化学活性和新的成岩成矿模式:传统观念认为,温度越高,化学活性越大,元素的迁移能力越强,反之活性就越小,越不容易迁移。为此,作为化学性质很不活泼的金,在较低温度下,理应活性很小,溶解度偏低,很难迁移成矿。事实上却与纳米金的地球化学行为相矛盾。但如果从纳米科技理论的角度考虑,就不难理解了。纳米科技理论认为,当物质的粒度达到纳米级时,由于颗粒极其细小,表面积很大,例如SiO2,其粒径从36nm减少到7nm时,其比表面积由75增加到360m2/g[10]。巨大的表面积使大量的原子处在表面,使元素的化学反应速度和扩散速度增加很多,吸附能力增强,熔点变低,物化性质发生改变。成岩成矿温度低,因而使元素具有低温活性。粒度越小,活性越大。这使纳米级的物质具有成分相同的可见颗粒所没有的特性。产生新的地球化学活性和新的成岩成矿模式。对稀有元素,活性性质不活泼的元素,分散元素和在水中溶解度极低的元素,在低温条件下成岩成矿作用有了不同的解释思路。

3.2 纳米矿床学

相同成分的纳米微粒不同的物化性特性已使地质学家对矿床学理论中有关矿质运移,富集过程有了新的认识。传统理论认为,矿物质的运移以温差,压力差或浓度差为前提条件,而对矿物质的运移和富集又限定其必须有一定的矿化剂为载体,而未意识到同种物质如果其粒度不同则其物化性质的差别非常巨大。传统成矿理论一直认为金矿的形成是由于其离子与一定络合剂结合,在一定的温度条件下迁移到一定部位,经过各种化学反应生成自然金而聚集成矿。纳米科学技术理论认为:源岩中的原子态金只要达到纳米级,其本身首先就由于极大的自扩散系数和吸附性而扩散,迁移合富集成矿。目前为止,地学界一直对砂金为何能在低温条件下甚至使常温态下能够形成“狗头金”的事实没有定论,现在看来,很有可能是纳米级的金自身扩散,迁移,吸附的结果。这种聚集成矿作用,在内生金属成矿作用过程中可能也同样起着不可低估的作用[11]。

3.3 纳米矿物学

目前,由于科技的限制,人类对矿物学的认识,往往注重宏观矿物单体,聚合体的形态及有关特性,注重微观矿物成分及原子排列的情况,而对纳米矿物微粒,纳米矿物结构缺乏深入细致的研究。在传统矿物学研究中,把矿物看成理想的晶体点阵,但在纳米矿物学中则着重研究纳米矿物微粒和矿物结构特征以及与此有关的岩石学,矿床学,构造地质学,地球化学等地质学科。

所谓的纳米矿物就是指晶体粒度细小至纳米量级的矿物颗粒。往往是以集合体形式结合一起[12]。彭同红、万朴等人运用扫描电镜发现以下几种非金属矿晶体,具有纳米尺寸的结构:

1)沸石, 其内通道直径为13nm~113nm;

2)条纹长石、月光石、日光石,其晶间距为2nm;

3)膨润土、高岭土、海泡石,其层间距离为2nm等;

4)鳞片石墨经高温膨化后形成蠕虫石墨,形成网状结构,其孔径直径为10 nm~100nm[13]。

目前,已发现的纳米矿物资源主要分布在大洋底部及陆地。例如:海洋中的“黑烟囱”和陆地上的纳米矿物有氧化物和硅酸盐等。但受限于开采技术,目前仅其中层状结构的黏土矿物并已初步进行开发利用。纳米物质的巨大的比表面积、特殊的界面效应、临界尺寸效应及高能量状态赋其不同于普通物质的特性。例如, 普通金的沸点为2 966℃,而纳米相金则在700℃~800℃条件下熔解、气化[12]。其它纳米相金属也具有此特性。因而纳米级矿物开发利用有着广阔的应用前景。

4 结论

纳米科技的研究是国际当前的研究热点,它使人类在改造自然方面进入了一个新层次,即从微米级层次深入到纳米级层次。也使地质学科学家的认识改造自然界进入一个新层次。HRTEM,STM,AFM等测试方法的在纳米矿物学中的研究运用,一些新概念、新理论、新方法随之孕育而生,使21世纪矿物学的研究将上一个新台阶,这将促进地质科学飞速发展。

参考文献

[1]林鸿溢.北京理工大学学报,14.

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[6]张立德.跨世纪的新领域:纳米材料科学[J].科学,1993(1).

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[9]林海安,郑茫,王林,等.扫描探针电子学[J].大自然探索,1993(3).

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量子科学应用篇（10）

科学本质观即对科学本质的认识。对科学本质的界定众多,每个界定之间都有区别,但许多研究者通过对科学发展的历史和科学研究的对象、过程、方法、科学研究的成果等方面的考察,认为科学本质主要包括“科学知识的本质”,“科学探究的本质”和“科学事业的本质”三个维度。其各维度的特征如下。

1.1 科学知识的本质

(1)客观性。科学是对客观世界认识性的解释。(2)暂定性。科学知识并非绝对真理,会随新证据的出现而发生改变。(3)可检验性。科学的正确性决定于观察和实验的检验。(4)继承性与创造性。科学是人类在已有理论基础上通过合理的推理、想象和创造的。

1.2 科学探究的本质

(1)多样性。科学探究的过程及方法不是按部就班的,对同一问题可能有不同的解决方法。(2)理论渗透。研究者本身的理论渗透于科学探究的过程中。(3)可重复性。(4)观察和推论。科学知识是建立在观察和推论基础之上的。观察是通过人的感官或这些感官的扩展收集的,推论是对这些观察的解释。(5)想象与推理。

1.3 科学事业的本质

(1)道德性。科学研究中有普遍接受的道德规范。(2)科学家研究风格。科学家的社会文化背景会影响其研究风格。(3)科学与技术。科学研究的是“是什么”的问题,技术研究的是“怎么做”的问题,科学的进步推动技术的发展,两者不等同,会相互作用。

2“科学的转折:光的粒子性”一节中体现的科学本质观

本节内容中体现了当代科学本质的九个方面:即科学知识的暂定性、客观性、可验证性、继承性与创新性;科学探究的可重复性,理论渗透,想象与推理;科学与技术,科学家研究风格和科学研究的道德性。

3“科学的转折:光的粒子性”一节教学目标的构建

教学目标对整个教学行为和教学认识活动的设计具有导向作用。已有研究表明,科学本质理解是一种认知性学习结果。因此,将科学本质理解作为显性教学目标是进行科学本质教学的前提[1]。

本节的课的教学目标可确定为以下几个方面。

3.1 知识与技能

(1)通过实验观察,了解是光电效应。(2)了解光电效应的实验规律。(3)知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。(4)了解康普顿效应,了解光子的动量。(5)知道光子的模型的建立过程及对康普顿效应的解释作用。

3.2 过程与方法

对光电子模型的产生方式进行探究、反思和评价其合理性。让学生领略自然界的奇妙与和谐,发展学生对科学的好奇心与求知欲。

3.3 情感态度与价值观

体会假说与模型建立在构建立科学论知识中的作用。让学生体验探索自然规律的艰辛与喜悦,从而提升学生的科学本质观。

4教学过程设计

已有研究表明,在教学活动中通过显性和反思性活动能让学生更近一步的理解科学的本质。故教师在教学中应恰到好处地不断地重现合符科学本质观的语言,使学生渐渐建立科学本质观。例如:教师的教学语言中应该经常含有“观察”、“推论”、“猜测”、“可能是”、“支持”、“提出”等词语。在显性活动中,注意区别观察和推论,注重知识的产生方式。在反思性活动中,要让学生清晰回顾知识学习的过程,对知识的产生方式进行反思,综合评价知识的合理性,使学生对于科学理论的本质有一定的认识[4]。

4.1 引入新课

光的干涉、衍射现象及麦克斯韦的理论都确定了光的电磁波本质。然而,正当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候,又发现了用波动说无法解释的新现象——光电效应现象。这一现象及其相关问题的研究,使得人们对光的又一本质性认识得到了发展,这充分说明了科学理论具有暂定性,只要证据充分,原有的理论将会被修正。

4.2 新课教学

4.2.1 光电效应规律的探究过程

资料(1):1887年,赫兹在研究电磁波的实验中偶尔发现,接收电路的间隙如果收到光照,就更容易发生电火花,这是最早发现的光电效应。

资料(2):1902年,德国物理学家勒纳德通过实验找到了光电效应的两条实验规律:①存在一个照射光的最长波长,只有短于这个波长的光的照射,才能将电子从金属表面打出来;②光的强度只决定打出电子的数目,与打出电子的能量无关。这两条实验规律无论用经典的微粒说还是波动说都无法解释。

资料(3):英国物理学家J.J汤姆孙也做了光电效应的研究,相继证实了照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出。

[显性语言]从光电效应的首次发现直至被许多科学家关注并证实的这一过程充分体现了科学探究的过程的可重复性。但如果只在某一个科学家的实验室里发现了某个现象,那这个探究称不上是科学的探究过程[3]。

4.2.2 探究光电效应的实验规律

[方式]结合试验,通过科学探究方式,让学生体验科学探究过程,进而让学生初步理解科学探究的本质。

[内容]光电效应的实验规律讲解。

[讨论]为什么经典理论无法解释光电效应的实验规律?

[显性语言]在发现光电效应后,光的电磁理论只能部分地解释光电效应。而接受了普朗克能量子假说的爱因斯坦却是从光的粒子性角度来思考光电效应现象,并提出了爱因斯坦光电效应方程,使光电效应中与实验的矛盾迎刃而解。这说明科学家具有的理论背景将在很大程度上影响研究者研究问题的视角和方式。对同一个自然现象,不同的科学家可能会有不同的观察结果,科学探究的过程渗透着理论。

4.2.3 爱因斯坦光电效应方程的建构

资料(4):1900年,普朗克提出能量子假说。

资料(5):1905年,爱因斯坦提出光量子假说,建立光量子理论。

[显性语言]爱因斯坦的“光子假说”是在继承了前人普朗克的“能量子假说”,的基础上进行而提出的,这充分说明了科学知识本质的继承性和创新性。

[内容]光量子假设的内容及爱因斯坦光电效应方程的知识讲解。

[显性语言]爱因斯坦利用光量子理论解释了光的粒子性,是建立在赫兹、勒纳德、汤姆孙等人实验研究的基础上的,这也体现出科学知识的客观性。

资料(6):从1907年起,美国物理学家密立根,花了十年时间做了“光电效应”实验,结果在1915年证实了爱因斯坦光电效应方程,h的值与理论值完全一致,又一次证明了“光量子”理论的正确。

[显性语言]爱因斯坦提出光电效应的解释时,实验测量尚不精确,加上这种观点与以往的观点大相径庭,因此并未立即得到承认。直到密立根通过实验才证明了爱因斯坦对光电效应的解释是合理的,这正体现了科学知识是可以被检验的。而爱因斯坦由于发现了光电效应的规律获得1921年的诺贝尔物理学奖,也说明了科学知识需要接受科学大众的检验。

资料(7):1923年,康普顿做X射线通过物质散射的实验,发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外,还有比入射线波长更长的射线,其波长的改变量与散射角有关,而与入射线波长和散射物质都无关。

[内容]康普顿效应及光子动量的知识讲解。

[显性语言]普朗克的能量子和爱因斯坦的光子并没有被肉眼实际观测到,这些假说的提出完全依赖于这些杰出科学家的想象和对观察到的现象的推理。科学探究并非一定是按提出问题、分析数据等步骤进行,科学家的思维具有跳跃性,想象和推理在科学探究的过程中起了很大的作用。但科学的想象和推理需建立在客观事实的基础上。

4.3 讨论与反思性评价

(1)为什么爱因斯坦对光电效应的解释和康普顿对康普顿效应的解释能为大多数人所接受?

(2)爱因斯坦对光电效应的解释和康普顿对康普顿效应的解释是不是就是完美无缺的呢？

(3)分析光电效应和康普顿效应对光具有粒子性的解释过程,你受到什么启示?

4.4 作业设计

对于学生科学本质理解的评价性作业可以从以下三个方面来进行:(1)评价学生对于科学内容的理解;(2)评价学生对科学知识产生方式的理解;(3)评价学生对于科学知识合理性的理解[1]。按照教学目标,可以设计以下作业。

(1)描述光电效应规律及爱因斯坦光电效应方程;(2)描述康普顿效应和光子的动量;(3)你能观察到普朗克的能量子和爱因斯坦的光子吗？你相信存在能量子和光子吗？请说明理由;(4)你认为光子模型的建立合理吗?请你给出观点;(5)光电效应和康普顿效应对光具有粒子性的解释合理吗？请你给出观点。

4.5 课外知识补充

(1)介绍太阳能电池、光电管、光控继电器的制作原理。让学生体会科学与技术的区别及相互关系;(2)介绍爱因斯坦、密立根及康普顿的相关生活背景,让学生了解他们的科学研究风格。

5结语

基于科学本质理解的教学不仅有助于学生对科学本质的理解,还有助于学生理解科学内容,培养学生的批判精神和创造性思维。为了能在教学中渗透科学本质,提升学生的科学本质观,教师在进行教学设计时可以采用多种教学方法和教学策略,但一堂课中不需要,也不应该涉及科学本质的所有方面,而应该选取最适合这堂课内容的相关方面进行重点引导和阐释。

参考文献

[1] 梁永平.促进学生科学本质理解的教学设计[J].中学化学教与学,2009(1).

量子科学应用篇（11）

一、引言

实践教学是高等教育人才培养的重要环节，对提高学生综合素质，培养学生创新能力，贯彻国家本科教学质量工程起着重要作用[1-2]。进入21世纪后，随着信息技术的飞速发展，电子信息学科所包含的知识体系内涵和外延不断扩大，如何实现电子信息类实践教学体系和内容的吐故纳新，适应学科发展要求和复合型人才培养需要，是目前实验教学面临和需要探索的一个关键问题。当今，科学技术综合化、整体化的发展趋势日益明显，学科交叉与融合成为了优势学科的发展点、新兴学科的生长点、重大创新的突破点，人才培养的制高点。电子信息学科与其他学科之间的交叉集成越来越突显，学科交叉成为一个重要发展趋势[3]。由于综合性大学各专业为完成培养计划规定的教学任务“单兵作战”，实践教学模式缺少宏观性和整体性，实践教学方法陈旧单一，学生思维训练路径程式化、同质化。因此，构建立体交叉的电子信息实践教学模式和平台，对培养具有“厚基础、宽口径、强能力”的研究型、应用型和复合型创新人才具有重要意义。

立体交叉实践教学培养模式充分利用了综合性大学的学科优势，依据学科专业的相关度、知识的交叉性以及综合性大学的特点，使不同专业学生在本专业知识的基础上，开展超越专业界限的具有综合性、实践性、自主性和创造性的实践教学模式，为培养复合型创新人才提供有效途径。

二、构建实验教学新体系

依据学科专业定位和培养目标，按照“基础综合研究”循序渐进的教学理念，优化实践教学内容，构建“分层次、模块化、多元性”电子信息实验教学培养体系[4-5]。

分层次体现在：基础训练层，采用问题设置与背景反思模式，转变实验辅导为实验引导启发。综合设计层，加强模拟仿真实验技能，构建软件仿真和硬件实验相融合的实践教学模式。应用研究层，采取自主、开放、研讨相结合的模式，以科研实践为主题，以学生小组为组织形式，让学生直接参与到教师的各类科研课题当中。

模块化体现在：根据不同专业培养目标要求，按照模块化的方式组建实验教学内容，每个模块中设置必做实验、选做实验，不同专业背景的学生可以选择不同模块实验，不同水平的学生也可以按照实验的难易程度来选择模块，达到因材施教的效果。

多元性体现在：第一，实验课形式的多样性，实验教学由课堂实验、开放实验和校外工程应用实践等多种实验课形式组成；第二，实验要求的多样化，针对电子类、信息类、非电类不同专业实践要求存在差异，在实验不同阶段，包含了必做实验、选做实验、教师科研成果转化实验和自选实验。第三，人才培养的多元化，培养具有“厚基础、宽口径、综合性、强能力”的研究型、应用型和复合型创新人才。对电类学生进行前瞻性、应用性、创新能力的培养，对非电类学生进行厚基础、综合性、高素质培养。

三、整合实验教学内容

按照基础实验、专业综合实验、研究性实验的架构，主要开设电子电路类、通信技术类、计算机应用类、新技术与创新研究类实验课。紧紧围绕电子信息技术应用领域的广泛性、与其它学科的交叉性、技术发展的快速性等特点，优化实验教学内容[6]。

（一）整合不同学科专业的电子类公共实验教学模块

根据电子信息产业对创新人才能力和素质要求，对电子类公共实验教学内容整合优化，形成1个工程基础训练模块、2条学科基础主线实验模块、3个EDA实践模块和4种嵌入式系统应用模块。其中，工程训练模块是理工科类学生应具备的基本电子技能，它包括电路组装调试、电子仪器测量和电子工艺训练，这一模块是所有电类和非电类专业都应熟练掌握的。2个学科基础主线模块即电子电路基础实验、微机软硬件基础实验。电子电路实验包括模拟、数字电路设计和电路综合课程设计；微机软硬件实验主要涉及微机原理与接口设计、C语言程序设计、Matlab应用程序设计。3个EDA实践模块，包括电路仿真与PCB板设计、EDA硬件描述语言设计和集成电路版图设计。4个嵌入式系统应用模块，包括单片机、DSP、FPGA/CPLD和ARM系统应用。这四种集成芯片在智能控制、消费电子、航天国防和移动设备等领域应用广泛，对不同专业可以在四种嵌入式系统中选择其一或其二作为必修实验，使学生掌握嵌入式系统的开发方法，达到触类旁通的效果。

（二）强化电子信息新技术实验

随着现代通信技术发展，不断调整、扩充和更新专业实验内容。在电子信息类专业开设程控交换、移动通信、光纤通信、天线设计等实验基础上，跟随移动通信和网络技术的发展，开设移动业务数据平台分析、物联网应用、虚拟仪器技术实验。实验内容体现模拟与数字结合、软件仿真与硬件实现结合，实验教学与教师科研结合，让学生体会和掌握现代电子技术设计方法学革命带来的变化――科学化和高效化，搭建学生在校学习到就业的衔接平台。

（三）加大交叉创新研究实验力度和覆盖广度

根据山西大学学科优势，依托“量子光学与光量子器件”国家重点实验室，在电子信息与物理交叉学科，开展量子保密通信的交叉研究实验，开展全光纤分离调制的连续变量量子密钥分发设计的创新实验，开展基于光电联合检测的煤质检测仪和痕量气体检测的研究性实验，实现实验教学与科学研究的有机结合。依托“智能信息处理”教育部重点实验室，在电子信息与计算机学科交叉方向，开展脑-机交互与机器人运动系统的交叉研究实验。在电子信息与生物医学交叉方向，开展细胞生物电信号检测、人体生命体征实时监测系统和医学物联网应用等创新研究实验。创新实验覆盖范围从电子类、信息类专业扩展到一些非电类专业的优秀学生，创新研究实验小组由不同专业学生交叉构成，可以起到学科专业互补和广泛交流的作用。

（四）加强综合课程设计、科研训练和工程实习

山西大学为了加强学生的实践教学环节，从2007年实行三学期制，学生在小学期可以完成各类实践活动。根据不同专业课程群体系要求，小学期在非电类专业开设电子技能工程训练，在非电类专业开设电子电路综合课程设计，在电子类专业开设嵌入式系统综合课程设计，在信息类专业开展校外工程应用实习。通过课程设计和工程训练，达到课程内的综合、课程群落间的综合、学科应用的综合，使学生对所学知识更加融会贯通。

四、优化实验教学平台

（一）建设服务地方产业发展的工程应用实践平台

电子类与信息类专业是工程应用较强的专业，同时，与信息产业、煤炭产业、电力产业、环保产业、新能源产业等发展密切关联。为适应地方经济建设和产业发展，着力打造电子工程应用实验平台，建设太阳能光伏发电、煤质在线分析、痕量污染气体检测等应用性较强的工程应用实践教学平台。

（二）建设学科交叉集成的创新研究实验平台

为了更好的服务于学生的研究性实验，结合教师的各类科研项目，建设创新研究实验平台。基于电子信息学科与生物医学交叉集成，建设脑电事件相关电位测量系统、肌电信号检测与机器人开发系统、细胞膜片钳测量实验系统，从事脑-机交互、细胞生物电测量、生物医学信息检测的实验研究。

五、改革实验教学方法和手段

（一）采用导师负责制，全过程开展研究性实验

通过将基础实验、综合设计实验、应用研究实验与科研训练、大学生创新训练紧密结合，从基础到前沿，全过程实施研究性实验教学[5]。将提出问题作为切入点，建立以“问题为驱动”的实验研究思路和方法，把学生的实践活动引入问题之中，并不断扩展问题意识，让学生自然而然走上提出问题、解决问题的研究实践之路，提高学生创新思维意识。

在实验的各个环节中，指导教师充分利用实验中心的教学资源因材施教，给予学生个性化教育与指导。通过组建不同专业学生实验小组，引导学生选题、开展小组讨论、研讨实验方案、撰写研究论文等教学环节，使学生了解科学研究的方法和要求，初步培养科学研究能力。

（二）利用网络化资源平台，拓宽实验教学范围

建设网络化的实验教学平台，向学生提供多媒体实验课件、网络课件、电子教案、EDA软件工具、仪器使用手册、元器件手册、芯片设计应用资料、教学案例录像、电子产品生产工艺录像等网络教学资源。在网络交互平台上，实时实验疑难问题、学生反馈意见、教学情况调查、实验室利用情况等教学辅助工作。通过网络化实验教学平台为学生提供全方位、开放性的实验环境，拓宽实验教学范围和空间。

（三）以学生为实践主体，力求共性与个性培养相结合

教师设计的所有教学活动最终要以学生的掌握为落脚点，转变实验辅导解答为实验引导启发，教师不直接解答学生在实验中遇到的问题，而是给予原理性或方法性的引导与启发，让学生通过动手实践，自行找到问题的答案，变被动学习为主动实践。对于综合应用实验和研究性实验，既要突出实验的共性问题，又要能够与教师的科研背景相结合，让学生既达到基本要求，又开拓眼界，激发学生自主实验和探究的积极性，激励学生的个性发展。

六、结束语

构建科学合理的“四纵三横”立体交叉实验教学新模式，在宽口径专业教育引导下，夯实基础、注重实践、引导创新、实现多学科交叉、软硬件并重、教学与科研有机结合。该实践教学模式已在山西大学2010级、2011级和2012级本科相关专业实践教学中得到实施应用，取得了较好的成效，极大的调动了学生实践的积极性和主动性，实验教学在学生评教中获得了好评，学生获国家和省级大学生创新创业训练项目明显增多，在全国大学生电子设计大赛、挑战杯科技竞赛等各类学科竞赛中取得成绩显著，可为综合性大学电子信息类实践教学改革提供良好的借鉴。

基金项目：山西省高等教育教学改革项目资助（J2011005）；山西大学本科教学改革项目

[参考文献]

[1]于卫.综合性大学卓越工程师培养实践教学模式研究[J].扬州大学学报（高教研究版），2012，16（1）：91-96.

[2]王秋华.电子信息类专业实验教学体系改革[J].高等理科教育，2008，77（1）：64-66.

[3]刘宏.构建创新创业特色的电工电子实验教学体系[J].实验技术与管理，2011，28（1）：137-140.

[4]邓婉玲.电子信息类专业实践性创新人才培养体系的研究和探索{J}.武汉大学学报（理学版），2012，58（S2）：41-46.