量子力学应用举例范文

时间：2023-06-18 10:25:32

引言：寻求写作上的突破？我们特意为您精选了12篇量子力学应用举例范文，希望这些范文能够成为您写作时的参考，帮助您的文章更加丰富和深入。

量子力学应用举例

篇1

中图分类号：O15文献标识码：A文章编号：1671―1580（2015）10―0150―02

一、引言

矩阵的等价标准型是矩阵论中的一种既特殊又重要的形式，它可以解决代数中的许多问题，例如利用矩阵的等价标准型来研究矩阵的一些性质，广义逆矩阵等等。本文是把量子力学和代数中的矩阵联系起来，把矩阵的等价标准型应用在物理学的量子力学中。

矩阵A和B是等价的，如果矩阵B可以由A经过一系列初等变换得到，同样也可以这样表达：两个n×m矩阵，A，B若存在m阶可逆矩阵P，n阶可逆矩阵Q，使得PAQ=B，则称这两个矩阵，A，B是等价的。

矩阵Ir0

00为A的等价标准形是这样定义的：A是一个m×n矩阵，并且A的秩为r，则A等价于矩阵Ir0

00.

二、在物理中关于量子力学的应用

标准形矩阵在量子力学中的应用，这是物理学中比较重要的一个应用。

等价标准形在量子力学中主要应用在线偏振器的表示和密度矩阵的求解中。

在力学中，线偏振器是这样定义的，由入射自然光得到偏振光的器件称为线偏振器，当透振沿X轴的方向时，琼斯矩阵可以很容易得到为10

00，根据上面的定义，我们可以知道它是等价标准形。当入射光E连续通过两个或两个以上偏振器时，输出光是它们的叠加，输出的光可表示为E=MnMn-1…M1E.M1，M2…Mn 为依次通过的各偏振器的琼斯矩阵，那么很容易看出偏正态变为简单的矩阵运算，又回归到数学的运算之中了。

例1设有一条偏线振光满足振幅为A，并且振动方向是X轴，先通过一透振方向与X轴方向的偏振片，再通过一块沿轴X方向45度方向放置的方解石λ4片，求出光偏正态和强度。

对于上式进行分析，不难得出输出光的x，y分量偏振幅均为A2，这两个振动相位差为π2，很容易看出，出射光和左旋圆偏正光的形式是一样的，那么它就为左旋圆偏正光，I=（A2）为出射光的强度，入射光线的强度为π2.

[参考文献]

[1]史荣昌，魏丰.矩阵分析[M].北京：北京理工大学出版社，2003.

[2]苏育才，姜翠波，张跃辉.矩阵理论[M].北京：科学出版社，2007（01）.

[3]曾谨言.量子力学（卷Ⅱ，第三版）[M].北京：科学出版社，2002.

[4]曾祥金，吴华安.矩阵的分析及其应用[M].武汉：武汉大学出版社，2011（01）.

[5]拜伦，富勒.物理中的数学方法（第二卷）[M].北京：科学出版社，2006.

篇2

为获取这些问题的答案，我们邀请到了中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟，并对其进行了专题访问。

尖端科技背后的故事

潘建伟介绍，在量子通信技术的研发过程中，单个光量子的制备和探测是主要的两个技术难题。首先是制备单个光量子的技术难题。潘建伟举了一个非常形象的例子来解释这一关键技术的难度：一个十五瓦左右的普通灯泡每秒钟辐射出的光量子个数可以达到百亿亿个，要想实现单个光量子的制备就如同在瞬间发射出来的百亿亿个光量子中捕捉到其中的一个，技术难度可想而知。另一个难题是单光子的探测。单个光子是光能量的最小单元，能量非常微弱，需要发展出非常精密和高效的单光子探测技术。具备了单个光量子的制备和探测的能力后，我们就可以实现安全的量子通信了。

量子信息的应用除了实现无条件安全的通信外，还可以带来计算能力的飞跃，这就需要把一个个的单量子纠缠起来。量子计算机的能力是随着纠缠粒子数目呈指数增长的，例如，有100个粒子的纠缠，每个粒子可以处于“0”和“1”的相干叠加，100个纠缠的粒子就可以同时处于2100个状态的叠加，这就相当于同时对2100个数进行操纵，计算能力大幅提升。把一个个粒子纠缠起来需要对它们之间的相互作用进行精确的控制，同时还要保证克服环境的干扰。潘建伟团队通过一种名为“光晶格”的实验装置成功攻克了这一技术难题，而“光晶格”捕捉单个原子的技术原理就如同把鸡蛋逐个放入蛋槽的过程，每个光晶格中只能容纳一个原子，再通过人为控制这些原子的相互作用，使得它们纠缠起来。虽然现在的技术水平已经发展到可以操纵数百个原子，但要实现数百个原子之间的量子纠缠态还有很长的路要走。潘建伟解释说，如果将几百个原子纠缠在一起，就能够演示量子计算机的基本功能了。

奥地利―梦开始的地方

据了解，此次“墨子号”量子通信卫星包含了国际合作任务，并选择了奥地利作为首个国际合作伙伴。为何偏偏选择奥地利？这还要从潘建伟的求学经历说起。

潘建伟在中国科学技术大学学习期间，第一次领略到量子世界的奇妙。但随着对量子研究的深入，他越发意识到量子理论中的各种奇特现象需要更加尖端的实验技术和条件才能够得到验证，而当时国内在这方面还相对落后。于是，在1996年潘建伟来到奥地利因斯布鲁克大学，师从奥地利物理学家Anton Zeilinger攻读博士学位。那时Anton Zeilinger教授已经建立了量子实验室，并且是量子物理学领域的国际权威。在奥地利，潘建伟和同事们完成了国际上首次实现光子的量子隐形传态的实验，这被认为是量子信息实验领域的开端。此后几年，潘建伟和同事们又先后实现了一系列量子信息领域的先驱性实验，这些宝贵的经历为以后潘建伟在量子通信领域的突破性贡献奠定了坚实的基础。潘建伟对奥地利的特殊感情还不止于此。潘建伟在奥地利求学期间，一直得到了奥地利外交部和学术交流机构的资助。博士毕业后，潘建伟又继续在维也纳大学实验物理所从事博士后研究，而维也纳大学正是薛定谔等量子力学的奠基人工作过的地方，无疑是量子力学的“圣地”之一。

所以，当昔日的老师主动提出加入我国的量子卫星计划时，奥地利便顺理成章地成了中国量子科学实验卫星项目的第一个国际合作伙伴。潘建伟提到，量子科学实验卫星会向全世界开放，在奥地利之后，德国、意大利、加拿大等国的团队也主动请求加入。

追寻量子通信发展的轨迹

潘建伟在接受采访时谈到，作为量子通信领域的技术强国，中国正从经典信息技术的跟随者，转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者。回顾中国量子通信领域的发展历程，取得的优异成绩离不开先辈科学家们孜孜不倦的奋斗与拼搏。

篇3

1突破传统制造技术的观念

纳米科技研究的内容主要是在原子、分子尺度上构造材料和器件，测量表征其结构和特性，探索、发现新现象、新规律和应用领域。与我们熟悉传统的相比，纳米材料和器件具有显著的维数效应和尺寸效应。近几年来，在纳米材料制造方面做了大量的研究工作，在纳米粒子粉材的制造，以及材料结构和特性测量、表征上取得了显著成果。接下来深入到纳米线、纳米管和纳米带的研究，出现了一些成功有效的制造方法，发现了一些惊人的结构和特性。在此基础上，发展了纳米复合材料的研究，展现了非常有希望的应用前景。近来人们在纳米科技初期成果的基础上挑战某些产品的传统加工技术，比如Al组件的快速加工。

T.B.Sercombe等人报道了快速加工铝(Al)组件的新方法，这个方法的主要特征是用快速成型技术先形成树脂键合件，然后在氮气氛中分解其键和第二次渗入铝合金。在热处理过程中，铝与氮反应形成氮化铝骨架，在渗透过程中得到刚体结构。与传统制造工艺相比，这个过程是简单的快速的，可以制造任何复杂组件，包括聚合物、陶瓷、金属。图1是过程示意和原型样品，(a)是尼龙巾镶嵌铝粒子的SEM像，中心有结构细节的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是为还原氧化铝，它将不是铸件中的成分。在尼龙被烧去时，这个结构基本保持不变。(b)是氮化物骨架，围绕Al粒子的一些环状结构的光学显微镜像，再渗入Al时将形成密实结构。(c)是烧结的氮化铝和渗铝组件，小柱的厚为0.5mm其密度和强度都达到了传统铸造技术的水平。他们还制作了公斤重量多种结构的样品。这是一种冶金技术的探索，开辟了一种新的冶金和制造技术途径。

2纳米材料的完美定律

描述材料结构的常用术语是原子结构和电子结构。原子结构的主要参量是晶格常数、键长、键角；电子结构的主要参量是能带、量子态、分布函数。对于我们熟悉的宏观体系，这些参量多是确定的常数，但对于纳米体系，多数参量随着原子数量的改变而变化。这是纳米材料和器件的典型特征，它决定了纳米材料的多样性。其中有个重要规律，我们称之为纳米材料的完美定律，用简单语言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了纳米晶粒的魔数规则，即含有13、55、147…等数量原子的原子团是稳定的，对于富勒烯碳60和碳70存在的几率最大，而对于碳59或碳71等结构体系根本不存在。这就是为什么斯莫利(Smmolley)他们当初能在大量的富勒烯中首先发现碳60和碳70，从而获得了诺贝尔奖。对于一维纳米结构，包括纳米管和纳米线，存在类似的规则。可以模型上认为是由壳层构成的，每个壳层中更精细的结构称为股，每一股是一条原子链，中心为1股包裹壳层为7股的表示为7-1结构，再外壳层为11股的，表示为11-7-1结构，等等，构成最稳定的结构，这是一维纳米结构的魔数规则。对二维纳米膜存在类似的缺陷熔化规则，即不容许存在很多缺陷，一旦超过临界值，缺陷自发产生，完全破坏二维晶态结构。上述这些低维结构特征是完美定律的具体表述，进步普遍表述理论是正在研究中的课题。

完美定律是我们讨论涂层材料的出发点，因为纳米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造过程中，方法简单、产额高、成本低是最有竞争力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市场，一定是不计成本的特殊需要，有政治背景或短期的社会需求。因此在我们探索纳米材料制造时，首先考虑的应是满足完美定律的技术，如用甲烷电弧法制备纳米金刚石粉技术，电化学沉积法制备金属纳米线阵列技术，以及电炉烧结法制造氧化物纳米带技术等等。

3涂层纳米材料将给我们带来什么?

涂层纳米材料是纳米科技领域具有代表的材料，或是低维纳米材料的有序堆积结构，或者是低维纳米材料填充的复合结构。两者都比传统材料有惊人的结构和特性。如新型高效光电池、各向异性结构材料、新型面光源材料等，这里举例介绍基于热电效应的新型纳米热电变换材料。

热电效应器件的代表是热电偶，即利用不同导体接触的温差电现象进行温度测量的器件。基于热电效应可以制成两类器件：热产生电和电产生温差。前者可以用于制造焦电器件，即用热直接发电，如将焦电材料涂于内燃机缸表面，利用缸体温度高于环境几百度的温差发电，将余热变作电能回收。后者可以做成电致冷器件。这类的直接热电变换器件具有无污染，没有活动部件，长寿命，高可靠性等优点，但块体材料制成器件的效率低，限制了它的应用。纳米科技兴起以后，人们探索利用纳米晶或纳米线结构能否解决热电效应的效率问题。认为用量子点超晶格材料有希望显著提高热电器件的效率，这是由于纳米材料显著的能级分裂，有利于载流子的共振输运和降低晶格热传导，从而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]报告了量子点超晶格结构的热-电效应器件，他们制备了PbSeTe／PbTe量子点超晶格(QDSL)结构，用其制造了热电器件(Thermo-electrics，TE)，图2(a)是纳米超晶格TE致冷器件的结构和电路图，(b)电流-温度曲线。将TE超晶格材料，其宽11mm，长5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于热槽，另一端置于冷槽，为了减小冷槽热传导而形成这同结接触，用一根细金属线与热槽连接。当如图2(a)所示加电流源时，将致冷降温。对于这种纳米线超晶格结构，由于量子限制效应，发生间隔很大的能级分裂，从而得到很高的热电转换效率。图2(b)是TE器件的电流-温度曲线，实验点标明为热与冷端温差(T)与电流(I)关系，电流坐标表示相应通过器件的电流。为热端温度Th与电流I的关系，其温度对于流过器件的电流不敏感。为冷端温度Tc与电流I的关系，其温度对于电流是敏感的。图中A是测得的最大温差，43.7K，B是块体(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大温差，30.8K。从图中可以看出，在较大电流时，冷端温度趋于饱和。采用这种致冷器件由室温降至一般冰箱的冷冻温度是可能的。

电热效应的逆过程的应用就是焦电器件，即利用热源与环境的温差发电。对于内燃机、锅炉、致冷器高温热端等设备的热壁，涂上超晶格纳米结构涂层，利用剩余热能发电，将是人们利用纳米材料和组装技术研究的重要课题。

类似面致冷、取暖，面光源，面环境监测等涂层功能材料，将给家电产业带来革命性的影响，将会极大地改变人类的生活方式和观念。

4含铁碳纳米管薄膜场发射

碳纳米管阵列或含碳纳米管涂层场发射被广泛研究，以其为场发射阴极做成了平板显示器。研究结果表明碳管的前端有较强的场发射能力，因此碳管涂层膜中多数碳管是平放在基底上的，场电子发射能力很差。我们制备了含有铁(Fe)纳米粒子的碳纳米管，它的侧向有更大的场发射能力，有利于用涂层法制造平板场发射阴极。图3(a)是含铁粒子碳纳米的TEM像，碳管外形发生显著改变。(b)是碳管场发射I-V特性曲线，I是CVD生长的竖直排列碳纳米管的场发射曲线，II是含铁粒子碳纳米管竖直阵列的场发射曲线，III是含粒子碳纳米管躺在基底上的场发射曲线，有最强的场发射能力。根据此结果，将含铁的碳纳米管用作涂层场发射阴极，有利于研制平板显示器。

5电子强关联体系和软凝聚态物质

上面所讲到的涂层纳米功能材料和器件是当今国际上研究的热门课题，会很快取得重要成果，甚至有新产品进入市场。当我们在讨论这个纳米科技中的重要方向时，不能不考虑更深层的理论问题和更长远的发展前景。这就涉及到物理学的重要理论问题，即电子强关联体系(electronstrongcorrelationsystem)与软凝聚态物质(softcondensationmatter)。

在量子力学出现之前，金属材料电导的来源是个谜，20世纪初量子力学诞生后，解决了金属导电问题。基于Bloch假设：晶体中原子的外层电子，适应晶格周期调整它们的波长，在整个晶体中传播；电子-电子间没有相互作用。这是量子力学的简化模型，没有考虑电子间的相互作用，特别是在局域态电子的强相互作用。2003年又有人提出了金属导电问题，Phillips和他的同事以“难以琢磨的Bose金属”为题重新讨论了金属导电问题。当计入电子间的相互作用时，可能产生的多体态，超导和巨磁阻就是这种状态。晶体中的缺陷破坏了完善导体，导致电子局域化。电子与核作用的等效结果表现为电子间的吸引作用，导致电荷载流子为Cooper对。但这个对的形成，不是超导的充分条件。当所有Cooper对都成为单量子态时，才能观察到超导性。这样，对于费米子由于包利(Paulii)不相容原则，不可能产生宏观上的单量子态。Cooper对的旋转半径小于通常两个电子相互作用的空间，成为Bose子。宏观上呈现单量子态，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化电子范围内，超导性可能认为是玻色-爱因斯坦凝聚，这个观点现今被很多人接受。从20世纪初至今，对于基本粒子的量子统计有两种，一是Fermi统计，遵从Paulii不相容原理，即每个能量量子态上只能容纳自旋不同的2个电子，而Bose子则不受这个限制。在凝聚态物质中有两个基态：即共有化Bose子呈现超导态，局域化Bose子呈现绝缘态。然而，在几个薄合金膜的实验中，观察到金属相，破坏了超导体和绝缘体之间直接转换。经分析认为这是玻色金属态，参与导电的是Bose子。推断这个金属相可能是涡流玻璃态，这个现象在铜氧化物超导体中得到了验证。

软凝聚态物质研究的对象是原子、分子间不仅存在短程作用力，而且存在长程作用力，表观上呈现的粘稠物质形态，称为软凝聚态。至今，人类对于晶体和原子存在强相互作用的固体已经知道得相当透彻了，但对软凝聚态的很多科学问题还没有深入研究，21世纪以来，引起了科学家的极大兴趣。软凝聚态物质包括流体、离子液体、复合流体、液晶、固体电解、离子导体、有机粘稠体、有机柔性材料、有机复合体，以及生物活体功能材料等。这其中的液晶由于在显示器件上的很大市场需求，是被研究得相当清楚的一种。其他软凝聚态结构和特性的科学问题和应用前景是目前被关注的研究课题。这其中主要有：微流体阀和泵、纳米模板、纳米阵列透镜、有机半导体、有机陶瓷、流体类导体、表面敏感材料、亲水疏水表面、有机晶体、生物材料(人造骨和牙齿)、柔性集成器件，以及他们的复合，统称为分子调控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子结构的多变性和柔性，研究材料的设计、制造、结构和特性的测量、表征，追求特殊功能；理论上探讨原子结构的稳定体系，光、电、热、机械特性，以及载流子及其输运。关于软凝聚态物质，有些早已为人类所用，电解液、液晶等，但对其理论研究处于初期阶段。科学的发展和应用的需求促进深入的理论研究，判断体系稳定存在的依据是自由能最小，体系自由能可表示为F=E-TS，其中S是熵。对于软凝聚态物质体系，S是重要参量。其中更多的缺陷，原子、分子运动的复杂行为，更多的电子强关联，不再是单粒子统计所能描述，需要研究粒子间存在相互作用的统计理论。多样性是这个体系的突出特征，因此其理论涉及广泛、复杂问题。

篇4

1突破传统制造技术的观念

纳米科技研究的内容主要是在原子、分子尺度上构造材料和器件，测量表征其结构和特性，探索、发现新现象、新规律和应用领域。与我们熟悉传统的相比，纳米材料和器件具有显著的维数效应和尺寸效应。近几年来，在纳米材料制造方面做了大量的研究工作，在纳米粒子粉材的制造，以及材料结构和特性测量、表征上取得了显著成果[2～7]。接下来深入到纳米线、纳米管和纳米带的研究[8～14]，出现了一些成功有效的制造方法，发现了一些惊人的结构和特性。在此基础上，发展了纳米复合材料的研究，展现了非常有希望的应用前景[15～17]。近来人们在纳米科技初期成果的基础上挑战某些产品的传统加工技术，比如Al组件的快速加工。

T.B.Sercombe等人报道了快速加工铝(Al)组件的新方法[18]，这个方法的主要特征是用快速成型技术先形成树脂键合件，然后在氮气氛中分解其键和第二次渗入铝合金。在热处理过程中，铝与氮反应形成氮化铝骨架，在渗透过程中得到刚体结构。与传统制造工艺相比，这个过程是简单的快速的，可以制造任何复杂组件，包括聚合物、陶瓷、金属。图1是过程示意和原型样品，(a)是尼龙巾镶嵌铝粒子的SEM像，中心有结构细节的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是为还原氧化铝，它将不是铸件中的成分。在尼龙被烧去时，这个结构基本保持不变。(b)是氮化物骨架，围绕Al粒子的一些环状结构的光学显微镜像，再渗入Al时将形成密实结构。(c)是烧结的氮化铝和渗铝组件，小柱的厚为0.5mm其密度和强度都达到了传统铸造技术的水平。他们还制作了公斤重量多种结构的样品。这是一种冶金技术的探索，开辟了一种新的冶金和制造技术途径。

2纳米材料的完美定律

完美定律是我们讨论涂层材料的出发点，因为纳米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造过程中，方法简单、产额高、成本低是最有竞争力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市场，一定是不计成本的特殊需要，有政治背景或短期的社会需求。因此在我们探索纳米材料制造时，首先考虑的应是满足完美定律的技术，如用甲烷电弧法制备纳米金刚石粉技术[1]，电化学沉积法制备金属纳米线阵列技术[19]，以及电炉烧结法制造氧化物纳米带技术[20]等等。

3涂层纳米材料将给我们带来什么?

涂层纳米材料是纳米科技领域具有代表的材料，或是低维纳米材料的有序堆积结构，或者是低维纳米材料填充的复合结构。两者都比传统材料有惊人的结构和特性。如新型高效光电池[21]、各向异性结构材料[19]、新型面光源材料[22]等，这里举例介绍基于热电效应的新型纳米热电变换材料。

类似面致冷、取暖，面光源，面环境监测等涂层功能材料，将给家电产业带来革命性的影响，将会极大地改变人类的生活方式和观念。

4含铁碳纳米管薄膜场发射

5电子强关联体系和软凝聚态物质

在量子力学出现之前，金属材料电导的来源是个谜，20世纪初量子力学诞生后，解决了金属导电问题。基于Bloch假设：晶体中原子的外层电子，适应晶格周期调整它们的波长，在整个晶体中传播；电子-电子间没有相互作用。这是量子力学的简化模型，没有考虑电子间的相互作用，特别是在局域态电子的强相互作用。2003年又有人提出了金属导电问题，Phillips和他的同事以“难以琢磨的Bose金属”为题重新讨论了金属导电问题[24]。当计入电子间的相互作用时，可能产生的多体态，超导和巨磁阻就是这种状态。晶体中的缺陷破坏了完善导体，导致电子局域化。电子与核作用的等效结果表现为电子间的吸引作用，导致电荷载流子为Cooper对。但这个对的形成，不是超导的充分条件。当所有Cooper对都成为单量子态时，才能观察到超导性。这样，对于费米子由于包利(Paulii)不相容原则，不可能产生宏观上的单量子态。Cooper对的旋转半径小于通常两个电子相互作用的空间，成为Bose子。宏观上呈现单量子态，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化电子范围内，超导性可能认为是玻色-爱因斯坦凝聚，这个观点现今被很多人接受。从20世纪初至今，对于基本粒子的量子统计有两种，一是Fermi统计，遵从Paulii不相容原理，即每个能量量子态上只能容纳自旋不同的2个电子，而Bose子则不受这个限制。在凝聚态物质中有两个基态：即共有化Bose子呈现超导态，局域化Bose子呈现绝缘态。然而，在几个薄合金膜的实验中，观察到金属相，破坏了超导体和绝缘体之间直接转换。经分析认为这是玻色金属态，参与导电的是Bose子。推断这个金属相可能是涡流玻璃态，这个现象在铜氧化物超导体中得到了验证。

篇5

[中图分类号]O48-42 [文献标识码]A

一、引言

固体物理学是研究固体的微观结构、运动状态、物理性质及其相互关系的一门学科[1]。从历史上看，固体物理学的研究引发了晶体管、激光器等多项重大发明，并由此催生了微电子技术、激光技术、计算机技术、光通讯技术等一系列高新技术。这些新技术把人类的历史推进到了原子时代、信息时代、空间时代[2]。因此它不仅是物理系所有专业中的一门非常重要的专业基础课，也是微电子学专业非常重要的专业主干课。

固体物理学的起点是学生已有了热力学与统计物理、量子力学的基础[1]。但是对于三本院校的学生来说，他们的专业基础相对薄弱，这样势必会增加学生的心理负担，使固体物理教学很难达到预期效果。为了讲授这门课程，让学生对固体物理知识的理解和掌握达到教学目的的要求，就成为教研室与授课教师必须经常研究和探讨的问题。笔者结合三本院校学生的实际情况，针对在固体物理课程教学实践中发现的问题浅谈一些自己的看法和见解。

二、三本院校中固体物理学教学现状

在大众化教育的形势下，普通高校生源的知识结构及基本素质有了很大的变化[3]，特别是三本院校的学生。三本院校的学生学习固体物理过程中存在以下问题。

1.基础薄弱：三本院校的学生基础知识较薄弱，更无热力学与统计物理、量子力学基础，使这门课程的学习变得更加难以理解和把握，导致学生兴趣不高。

2.学习质量差：以往在教学的过程中，教师比较注重知识的传授而忽视了对学生学习方法的培养，并且对三本院校的学生来说，学习方法不当，缺乏积极性，导致学习质量差。

3.教学内容抽象：现有的固体物理教学基本上以教师讲解学生听课的模式为主，教学内容较多而且抽象枯燥，提不起学生兴趣。

4.教学方法单一：传统的教学方法往往习惯于以注入式灌输知识，且过于注重理论和书本的内容，缺乏对固体物理实际应用的介绍，不利于培养学生学以致用及创新能力。

综上所述，在教学环节中探求新的教学方法，采用新的教学手段，保证和提高课堂教学质量刻不容缓。

三、三本院校有效教学的探讨

针对三本院校学生的知识基础和心理特点，培养学生对固体物理的兴趣，至关重要。

1.选择适合三本院校学生特点的教学内容：目前的固体物理教材一般都以详细的理论分析为主，数学推导较多。对三本院校学生来说，这样的教材仍然存在部分内容过于深奥的问题，特别是与量子力学有关的内容，学生较难掌握。因此教师在授课时不应照本宣科，应将某些偏重于繁琐数学推导的问题简化。

2.引入前沿课题：采用穿插式方法引入前沿内容。可以使学生们“渗透式”地了解有关前沿进展，从而可以拓宽学生们的视野，激发学生学习固体物理的兴趣[4]。

3.让学生充分参与教学：尽量让学生直接参与到教学活动中，在思想上变被动接受为主动参与，加深对抽象概念的理解。第一，尽量把抽象的概念提取到宏观或熟知的知识点中；通过熟知的知识来提问，引出抽象的结论。如：原子结合成晶体会释放能量，可通过水凝结成冰的过程来进行提问讲解；原子结合成晶体过程中会出现吸引力和排斥力，可举例Na离子和Cl离子的结合过程进行提问讲解。第二，讲解课程的重点难点后，通过例题及习题讲解的个别互动，充分引导、挖掘学生的思维并使其他学生理解。

4.采用板书和多媒体相结合的教学模式：第一，固体物理中，许多抽象理论及晶体结构可采用动画和图示效果以多媒体的形式呈现给学生。不但能使学生在视觉上直观的感受其物理过程所发生的变化，还能进一步加深对该过程中一些物理量的理解。如晶体结构可用图形展示使学生通过视觉的感受加深空间上的理解，使抽象具体化；如点缺陷的形成、一维单原子晶格的振动、晶体的对称性等，传统的教学中只能用静态的图像去展示，学生不易理解其变化过程，利用Flas完全可以把演化过程动态的展示出来，从而调动学生学习的积极性。第二，板书具有思路清晰、逻辑性强、能给学生充分的思考时间，加深对概念理论理解的特点。固体物理中，许多的公式、理论都需尽可能地采用板书的教学模式，其加强了教师和学生互动的同时，又充分体现了教师利用板书对学生的启发和引导的过程。因此，只有将教师在课堂中的主导作用与多媒体技术的辅助作用结合起来才能获得良好的教学效果。

5.以科学史话激励的教学模式：这种教学模式就是将物理学史的内容有机地揉人固体物理教学中，将所教授内容中涉及的科学家的简介、有关此教学内容的发明、发现经历、趣闻逸事，简明扼要地介绍给学生，既能提高学生的学习兴趣，又能起到教书育人的作用。如固体物理学中X射线衍射与晶体结构时，可简明地介绍其科学史话：晶体点阵理论提出时是一种非常超前的理论，当时没有实验手段能证明它。1895年伦琴发现X射线，1899年哈加和温德观测到X射线通过几nm的缝隙后稍有扩展而估计它的波长数量极约为10-10m。1912年劳厄（Laue）产生了一个极妙的想法：假设晶体确实是点阵结构，就可作为天然光栅使X射线发生衍射. 但这种新颖的想法却受到包括伦琴本人在内的一些人嘲笑，并与劳厄打赌，限期一月。劳厄用ZnS屡试不成，交给两个研究生。就在他们感到山穷水尽，进行最后一次实验时，抱着试试看的心理将感光底片从晶体侧面移到后面，衍射图案出现了。这不仅证明了X射线是波长极短的光波，意义更为重大的是开创了一门新学科——X射线晶体学，晶体微观结构的玄妙之门从此逐渐向人类敞开了。众里寻她千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处，科学研究的成功往往在再坚持几步。

四、结束语

三本院校是我国高等教育加快发展的新产物，也是我国高等教育大众化的一种制度创新，从其教育模式的特点及人才培养的目标来看，学生基础薄弱，在课程教学上应与普通本科有所不同。固体物理作为微电子学专业重要的专业基础课，针对在教学过程中存在的一些问题，，笔者以培养学生兴趣为目的从教学内容、教学方法及教学手段上探讨了教学模式。

[参考资料]

[1]曹全喜，雷天民，黄云霞，李桂芳.固体物理学基础.西安：西安电子科技大学出版社.2008：

[2]贺庆丽，杨涛，董庆彦.物理基地班固体物理课程的教学改革实践[J].高等理科教育，2003年第2期（总第48期）：88

篇6

2003年在国际和中国都发生了具有突发性的灾难事件，但中国的GDP仍以9.1％的高速度在增长，达到了人民币11.6万亿元，其中第二产业贡献4万多亿元。中国现今的第二产业主要领域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工厂，也是大市场。在国际竞争中所以有优势是中国的劳动力廉价，这个优势我们能保持多久?我们还注意到与化工有关的产品中，我们的生产效率是国际发达国家的5％，能耗是3倍，环境的破坏是9倍。这就是我们所付出的代价。不论形势如何严峻，21世纪是中华民族振兴的机遇期，制造业绝对是一个极其重要的领域，是个急速发展变化的领域。2003年3月国际真空学会执委会在北京举行，会议上讨论了将原来的冶金专委会改名为“表面工程专委会”，当时也考虑了另一个名字“涂层专委会”，我想用涂层材料更合适，含有继承性和变革性。20世纪70年代曾经说成是塑料年代，此后塑料科技和工业迅速崛起，极大地改变了人类社会。继而是信息时代，通信网、计算机网、万维网、智能网，信息流，日新月异地改变着人类的生活和观念。我们这个时代是高速发展的时代，技术和观念都在与时俱进地改变着。

本世纪初兴起了纳米科技，促进其到来的是由于微电子小型化的发展趋势，推动科技发展进入纳米时代[1]，不仅电子学将进入纳电子学领域，物理学进入介观物理领域，各类科技，包括生物医学等都在探索纳米结构与特性。涂层和表面改性越来越多地增加了纳米科技的内容，这是一种低维材料的制造和加工科技，将是制造技术的主流，将迅速地改变传统制造技术的方法、理论和观念，作为现今国际上的制造大国，世界加工厂，我们更应该注意研究制造技术的发展和未来。

1突破传统制造技术的观念

2纳米材料的完美定律

完美定律是我们讨论涂层材料的出发点，因为纳米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造过程中，方法简单、产额高、成本低是最有竞争力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市场，一定是不计成本的特殊需要，有政治背景或短期的社会需求。因此在我们探索纳米材料制造时，首先考虑的应是满足完美定律的技术，如用甲烷电弧法制备纳米金刚石粉技术[1]，电化学沉积法制备金属纳米线阵列技术[19]，以及电炉烧结法制造氧化物纳米带技术[20]等等。

3涂层纳米材料将给我们带来什么?

热电效应器件的代表是热电偶，即利用不同导体接触的温差电现象进行温度测量的器件。基于热电效应可以制成两类器件：热产生电和电产生温差。前者可以用于制造焦电器件，即用热直接发电，如将焦电材料涂于内燃机缸表面，利用缸体温度高于环境几百度的温差发电，将余热变作电能回收。后者可以做成电致冷器件。这类的直接热电变换器件具有无污染，没有活动部件，长寿命，高可靠性等优点，但块体材料制成器件的效率低，限制了它的应用。纳米科技兴起以后，人们探索利用纳米晶或纳米线结构能否解决热电效应的效率问题。认为用量子点超晶格材料有希望显著提高热电器件的效率，这是由于纳米材料显著的能级分裂，有利于载流子的共振输运和降低晶格热传导，从而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]报告了量子点超晶格结构的热-电效应器件，他们制备了PbSeTe／PbTe量子点超晶格(QDSL)结构，用其制造了热电器件(Thermo-electrics，TE)，图2(a)是纳米超晶格TE致冷器件的结构和电路图，(b)电流-温度曲线。将TE超晶格材料，其宽11mm，长5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于热槽，另一端置于冷槽，为了减小冷槽热传导而形成这同结接触，用一根细金属线与热槽连接。当如图2(a)所示加电流源时，将致冷降温。对于这种纳米线超晶格结构，由于量子限制效应，发生间隔很大的能级分裂，从而得到很高的热电转换效率。图2(b)是TE器件的电流-温度曲线，实验点标明为热与冷端温差(T)与电流(I)关系，电流坐标表示相应通过器件的电流。■为热端温度Th与电流I的关系，其温度对于流过器件的电流不敏感。为冷端温度Tc与电流I的关系，其温度对于电流是敏感的。图中A是测得的最大温差，43.7K，B是块体(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大温差，30.8K。从图中可以看出，在较大电流时，冷端温度趋于饱和。采用这种致冷器件由室温降至一般冰箱的冷冻温度是可能的。

类似面致冷、取暖，面光源，面环境监测等涂层功能材料，将给家电产业带来革命性的影响，将会极大地改变人类的生活方式和观念。

4含铁碳纳米管薄膜场发射

5电子强关联体系和软凝聚态物质

在量子力学出现之前，金属材料电导的来源是个谜，20世纪初量子力学诞生后，解决了金属导电问题。基于Bloch假设：晶体中原子的外层电子，适应晶格周期调整它们的波长，在整个晶体中传播；电子-电子间没有相互作用。这是量子力学的简化模型，没有考虑电子间的相互作用，特别是在局域态电子的强相互作用。2003年又有人提出了金属导电问题，Phillips和他的同事以“难以琢磨的Bose金属”为题重新讨论了金属导电问题[24]。当计入电子间的相互作用时，可能产生的多体态，超导和巨磁阻就是这种状态。晶体中的缺陷破坏了完善导体，导致电子局域化。电子与核作用的等效结果表现为电子间的吸引作用，导致电荷载流子为Cooper对。但这个对的形成，不是超导的充分条件。当所有Cooper对都成为单量子态时，才能观察到超导性。这样，对于费米子由于包利(Paulii)不相容原则，不可能产生宏观上的单量子态。Cooper对的旋转半径小于通常两个电子相互作用的空间，成为Bose子。宏观上呈现单量子态，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化电子范围内，超导性可能认为是玻色-爱因斯坦凝聚，这个观点现今被很多人接受。从20世纪初至今，对于基本粒子的量子统计有两种，一是Fermi统计，遵从Paulii不相容原理，即每个能量量子态上只能容纳自旋不同的2个电子，而Bose子则不受这个限制。在凝聚态物质中有两个基态：即共有化Bose子呈现超导态，局域化Bose子呈现绝缘态。然而，在几个薄合金膜的实验中，观察到金属相，破坏了超导体和绝缘体之间直接转换。经分析认为这是玻色金属态，参与导电的是Bose子。推断这个金属相可能是涡流玻璃态，这个现象在铜氧化物超导体中得到了验证。

物理学是探索物态结构与特性的基础学科，是认识自然和发展科技的基础，其中以原子间有较强作用的稠密物质体系为主要研究对象的凝聚态物理近些年有了迅速进展，研究范围不断扩大，从固体结构、相变、光电磁特性扩展到液晶、复杂流体、聚合物和生物体结构等。几乎每一二十年就有新物质状态被发现，促进了人类对自然的认识和对其规律把握能力，推动了科学和技术的发展。21世纪仍有一些老的科学问题需要深入研究，一些新科学问题已提到人们的面前。特别是低维量子限域体系和极端条件下的基本物理问题。20世纪80年代出现的介观物理，后来发展成为纳米科技所涉及的学科领域。与宏观体系和原子体系相比，低维量子限域体系，还有很多物理问题有待解决，人们熟悉的宏观体系得到的规则和结论有些不再有效，适用于低维量子限域体系的处理方法和理论需要探索，特别是将涉及到多层次多系统问题的描述和表征，将会有更多的新现象、新效应、新规律被发现。在纳米尺度，研究原子、分子组装、测量、表征，涉及有机材料、无机／有机复合材料和生物材料，这将大大的扩展了物理学研究的范围和深度。涉及的重大科学前沿问题和重点发展方向有①强关联和软凝聚态物质，及其他新奇特性凝聚态物质；②低维量子限域体系的结构和量子特性，包括纳米尺度功能材料和器件结构和特性；③粒子物理，描述物质微观结构和基本相互作用的粒子物理标准模型和有关问题，以及复杂系统物理；④极端条件下的物理问题，探索高能过程、核结构、等离子体、新物理现象和核物质新形态等；⑤生命活动中的物理问题，物理学的基本规律、概念、技术引入生命科学中，研究生物大分子体系特征、DNA、蛋白质结构和功能等，其研究关键将在于定量化和系统性，必然是多学科的交叉发展，成为未来科学的重要领域。

6结论

本文讨论了纳米线涂层的结构和特性，重点是纳米线的复合涂层和其电学特性、光电特性。其中包括制造技术新观念，纳米材料的完美定律，纳米涂层的热-电效应，碳纳米管的侧向场发射，以及电子强关联体系和软凝聚态物质，展示了涂层科学与技术的发展前景。

参考文献：

[1]薛增泉，纳米科技探索[M]．北京：清华大学出版社，2002.

[2]Pavlova-VerevkinaOB，Kul’kovaNV，PolitovaED，etal．COLLLOIDJ+2003，65(2)：226．

[3]DattaMS，TINDIANIMETALS2002，55(6)：531．

[4]YamaguchiY，JJPNSOCTRIBOLOGIS2003，48(5)：363．

[5]HayashiN，SakamotoI，ToriyamaT，etal．SURFCOATTECH2003，169：540．

[6]PocsikI，VeresM，FuleM，eta1．VACUUM2003，7l(1-2)：171．

[7]FanQP，WangX，LiYD，CHINESEJINORGCHEM2003，19(5)：521．

[8]ArakiH，FukuokaA，SakamotoY，etal.JMOLCATALA-CHEM2003，199(1-2)：95．

[9]BottiS，CiardiR，CHEMPHYSLETT2003，37l(3-4)：394．

[10]TianML，WangJU，KurtzJ，etal．NANOLETT2003，3(7)：919．

[11]RajeshB，ThampiKR，BonardJM，etal．JPHYSCHEMB2003，107(12)：2701．

[12]FuRW，DresselhausMs，DresselhausG，etal.JNONCRYSTSOLIDS2003，318(3)：223．

[13]KimTW，KawazoeT，SOLIDSTATECOMMUN2003，127(1)：24．

[14]NguyenP，NgHT，KongJ，etal．NANOLETT2003，3(7)：925．

[15]LiQ，WangCR，APPLPHYS．LETT2003，83(2)：359．

[16]ChenYF，KoHJ，HongSK，YaoT，APPLlEDPHYSICSLETTERS，2000,76(5)：559．

[17]JinBJ，BaeSH，LeeSY，ImS，MATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGB，2000，(71)：301．

[18]T.B.SercombeandG.B.Schaffer，SCIENCE，2003，301：1225．

[19]薛增泉，等．新型纳米功能材料[J]．真空，2004，41(1)：1-7．

[20]Z.W.Pan，Z.R.Dai，Z.L.Wang，SCIENCE，200l，(291)：1947．

[21]W.U.Huynh，J.J.Dittmer，A.P.Alivisatos，SCIENCE，2000，(295)：2425．

篇7

随着科学技术带来社会的变革，现代人们逐渐认识到了科学的巨大功用。于是“科学”一词被广泛提及以至于有滥用之势。食品、营养、养生配方等等都冠以科学之名，而工业生产与设计中家家用的都在用“科学方法”，仿佛科学的就是最好的，永远正确的，等同于放之四海而皆准的永恒真理。我们不禁要问什么才是科学？科学的真正内涵是什么？

为明晰科学，此处先讨论什么是真理。真理者，就是事物的本来面目：对客观对象来说，是其属性、性质，也可以说是物自体本身；对事件来说，则为其因果关系及其必然联系。真理的存在性取决于我们认识事物本来自然面目的全面性与正确性。就盲目乐观者来说，这点似乎是毋庸置疑的：我们每天乘坐着飞机、火车、公交，使用着电脑、手机，享受着科学技术带来的一切便利，国家和政府每年也投资相当可观的基金和经费来支持学者们做科技研究…这些都是我们已经并且希望能够继续正确认识世界自然规律运行的证据。然而事实上我们真的正确认识到了吗？人的感性认识由于外物的影响作用才产生的，人们只能认识到外物作用于感官时所产生的表象。即使现在有了先进的仪器，人们也只是通过一些间接的证据来推测如该物质由多少原子和电子构成，性质如何等等。一旦发现了新的不符，人们就去修改其初始认知。就像万有引力被奉为真理200年后被相对论修正，而相对论与物理学另一支柱――量子力学的矛盾百年来一直未被调和，因此未来的物理基础再次被修正也是必然的事。也就是说，此处如果我们不承认感性认知的局限性，就必须去质疑人类的理性思维，相反，如果我们认为自己的理性是可靠的，我们就必须承认只能根据经验作这样那样的假设来局限地推测客观事物某一方面的属性，而不能正确穷尽的认识到客观事物本身的全面自然属性。

对事件因果而言同样没有必然的真理。虽然我们已经习惯于声称某事之所以发生是因为另一件事发生了，即事件间的因果关系。但事实上：我们能观察到一件事物随着另一件事物而来，却观察不到任何两件事物之间的关联，我们对于因果的概念只不过是我们一厢情愿的想法而已，没有任何逻辑基础――逻辑也产生不了新的认知。所以，张三打伞是因为天下雨了――这种因果关系是荒谬的，它只是根据经验作出的联系判断。

从上述论证我们不难发现，真理是个形而上的哲学概念，我们无法确定无误的回答一个哲学问题，也就不能得到必然的真理。而科学则不同，“科学”的英文单词为“science”，其词根原意为学习和感知。历史上在五四时期“科学”被转译引进国内并尊称之为赛先生，它代指西方船坚炮利后的物理机制，也进一步代表人们对经验范围内观察感知到的自然现象的总结与思考推演，比如上文所述的万有引力、相对论与量子力学。经验世界无疑是我们思维认知的基础，也同时构成科学的边界。为何如此？笛卡尔说，我思故我在，这是一个精神实体对其存在的确认。除此以外，经验是我们认识外在世界时判断存在、真假、正误的唯一依据，也是我们制定宇宙的标尺如质量、长度、时间等单位标准的来源。

进一步，为什么我们如此依赖经验？简单地说，在某种意义上除了经验我们一无所有。没有经验意味着冒险，马斯洛人本主义理论告诉我们这是违背人的安全需求的。在一个优胜劣汰适者生存的达尔文进化体系里，一个没有安全需求的生命体在进化和繁衍中是脆弱的。虽然经验不能告诉我们事件间的必然联系，但长期有利的经历以及失败的教训却可以教会我们趋利避害。如天在下雨，张三有伞，那么张三为了自身的安全和生存的利益趋向，出门很可能要打伞。因为他知道，不打伞会被雨林湿，进而有可能得病，而这对生存和繁衍是不利的，这个经验可能来源于是学习或亲身经历，也可能来自于潜移默化的传承、再举例来说，经验教会我们遇到猛兽就要躲避或逃跑，而缺乏这些经验的人在长期生存中就会被吃掉，遗留下来的就是有此类经验的，所以最终我们每个人遇到猛兽都会两股战战。这同样可以解释为什么我们对未知事物如鬼神之类有种敬畏和恐惧之情，对日常生活中突然出现的奇怪事物会心存害怕――这是经验不能有效处理和及时处理的东西，而它们又对我们的生存带来了直接威胁（虽然有时只是心理上的确信）。

另一方面，过于依赖经验却是不利的。一般来说随着年龄的增长我们对新事物的接受能力或者更确切说是接受新事物的意愿越来越差，这是积累的经验禁锢着我们思想的结果，同时我们翻开历史可以看到世界上的重大创新基本都是由年轻人完成的，而那些已经功成名就的伟人却往往对新科技的发展起着阻碍作用――不是因为害怕别人挑战他们的权威和声望，而是害怕别人否定他们一生时间铸就的宝贵经验。

再回到科学。上面论述表明我们的全部知识来源于经验，而只有经验则不足以满足社会的发展与认知的开拓。为了指导未来的实践就需要在经验中提炼大范围适用的规律体系，即为科学。因为经验的实用主义色彩，所以科学也是经世致用的，也就是说科学能被不同时期不同地区的人复用于生产实践，其适用性也会在实践中得到验证。很显然，不能被证实或证伪的宗教玄学不能称为科学，由公理假设和演绎归纳构成自洽的数学体系也不能严格的称为科学。

由于科学源于时代的局限认知，随着实践范围的扩大和时间的延长，曾经的科学往往会被修正或否定。如地心说盛行的时代，受限于观测工具的匮乏，人们只能看到日月星辰围绕地球东升西落，地球是宇宙中心就成了一种很自然的共识。后来哥白尼日心说的兴起尤其更为重要的是伽利略望远镜的发明才使得太阳是宇宙中心成为一种新科学。而近代如哈勃望远镜等大型观测工具的应用，使人们认识到更科学的说法应该是：宇宙是均衡的并且没有中心。因此科学随着时代的进步而与时俱进，伴随着经验世界的拓展与人类实践范围的扩大不断修正，没有一成不变永恒正确的科学。

总之，我们只能在时代积累的经验世界框架内不断总结实践，发现着新科学，修正着旧科学。而那些放之四海而皆准的永恒真理至多只能是人们心中一颗美丽的信仰。

篇8

一、问题的提出

近年来，中学化学教学中化学史的应用逐渐被重视，许多高等师范院校开设了化学史课程。对于中学化学教学中需要应用的化学史实，已有研究都以举例形式呈现，未能系统指出中学化学阶段涉及的化学史实。笔者在中学化学课程内容的基础上，将化学史实分四个部分，下面对化学课程内容涉及的化学史实进行论述。

二、化学学科的形成与奠基者

1.化学学科的形成

人类从用火开始，由野蛮进入文明，开始用化学方法认识和改造物质，人类用火烧制熟食、制作陶瓷、冶炼金属，逐渐学会酿造、染色等。早在公元前四世纪，我国有阴阳五行学说，认为万物的构成以金、木、水、火、土为基础，古希腊人提出的火、风、土、水四元素说，二者是古代朴素的元素观。公元前两世纪，炼丹术在古代中国盛行，后来传入欧洲，演化为炼金术，成为近代化学的雏形。

2.波义耳――把化学确立为科学

化学史学家把1661年作为近代化学的开端，因为这年有本对化学发展产生重大影响的著作问世，这本书是《怀疑派化学家》，它的作者是英国化学家波义耳（1627-1691），波义耳最大的贡献是给化学元素下了科学定义，他的科学成就还有对空气性质的研究、燃烧现象本质的研究、酸碱和指示剂的研究，波义耳被誉称“把化学确立为科学”。

3.拉瓦锡――近代化学之父

拉瓦锡（1743-1794），法国化学家，被称为“近代化学之父”，拉瓦锡的科学研究方法开创化学发展的新纪元，他了统治化学理论达百年之久的燃素说，建立了以氧为中心的燃烧理论，他提出规范的化学命名法，倡导并改进定量分析方法，验证了质量守恒定律，撰写了第一部真正意义的化学教科书《化学基本论述》。

三、原子分子论与元素周期律

1.道尔顿――原子学说

道尔顿（1766-1844），英国化学家，1808年道尔顿提出了原子学说，为近代化学的发展奠定了重要基础，在提出原子论的同时，确定原子量的测定工作，从而成为化学史上测定原子量的第一人，成为这一领域的拓荒者，引起当时欧洲科学界的广泛关注，测定各元素的原子量成为当时热门的课题。

2.阿伏伽德罗――分子学说

阿伏伽德罗（1776-1856），意大利物理学家、化学家，1811年阿伏伽德罗提出分子学说，在之后的50年里分子学说没有受到科学界的重视，尽管阿伏伽德罗做了再三努力，直到他1856年逝世，分子学说仍然没有为大多数化学家所承认，为了纪念阿伏伽德罗，把一摩尔某种微粒集体所含微粒数为阿伏伽德罗常数。

3.康尼查罗――原子分子论

康尼查罗（1826-1910），意大利化学家，1860年在德国卡尔斯鲁厄的国际化学家会议上，他用充分的论据证实了分子学说的正确性，康尼查罗的工作使原子分子论得以确立，当时因为不承认分子的存在，化合物的原子组成难以确定，原子量的测定和数据呈现一片混乱，原子分子论的确立使原子量测定工作走出困境。

4.贝采尼乌斯――元素符号

贝采尼乌斯（1779-1848），瑞典化学家，对化学的突出贡献是测定原子量和制定元素符号，他在近二十年的时间里孜孜不倦地从事原子量的测定工作，在化学发展史上写下光辉的一页，他首先倡导以元素符号代表各种化学元素，用化学元素的拉丁文名表示元素，这就是一直沿用至今的化学元素符号系统，他的元素符号系统公开发表在1813年由汤姆逊主编的《哲学年鉴》上。

5.戴维――发现元素最多者

戴维（1778-1829），英国化学家，19世纪初，戴维用电解法和热还原法制得钾、钠、镁、钙、锶、钡、硼和硅，证明了舍勒发现的黄绿色气体不是所谓的“氧化盐酸”，而是一种化学元素的单质。他将这种元素命名为Chlorine，中文译名为氯，使元素的种类增加了九种，是发现元素种类最多的科学家。

6.门捷列夫――元素周期律

门捷列夫（1834-1907），俄国化学家，于1869年发现元素性质随原子量的递增呈周期变化的规律――元素周期律，他根据元素周期律编制了第一个元素周期表，把当时已经发现的63种元素全部列入表里，从而初步完成使元素系统化的任务，此时还有许多元素没有被发现，他在元素周期表里留下空位，对某些未发现元素的性质作了预言，后来他的预言都得到证实。

四、化学重要原理的提出

1.化学热力学与动力学理论

盖斯（1802-1850），俄国化学家，热化学的奠基人，化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关，而与反应的途径无关，即著名的盖斯定律。吉布斯（1839-1903），美国科学家，他奠定了化学热力学的基础，提出了吉布斯自由能。范特霍夫（1852-1911），荷兰化学家，在化学反应速度、化学平衡和渗透压方面取得了骄人的研究成果，1901年第一个诺贝尔化学奖授予范特霍夫。勒夏特列（1850-1936），法国化学家，1888年他提出了化学平衡移动原理（勒夏特列原理）。哈伯（1868-1934），德国化学家，发明了合成氨的方法，1918年获诺贝尔化学奖。

2.化学酸碱理论

波义耳提出了最初的酸碱理论：能使石蕊试液变红的物质是酸，能使石蕊试液变蓝的物质是碱。阿伦尼乌斯（1859-1927），瑞典科学家，电离理论的创立者，1887年提出了酸碱电离理论（阿伦尼乌斯酸碱理论）：凡在水溶液中电离出的阳离子全部都是H+的物质是酸，电离出的阴离子全部都是OH-的物质是碱，他还研究温度对化学反应速度的影响，得出著名的阿伦尼乌斯公式，提出活化分子理论和盐的水解理论等，获得1903年诺贝尔化学奖。

3.有机化学理论

维勒（1800-1882），德国化学家，1828年他因人工合成了尿素，打破了有机化合物的生命力学说而闻名，使有机化学得到了迅猛发展。李比希（1803-1873），德国化学家，被称为“有机化学之父”，他发明和改进了有机分析的方法，准确地分析了大量有机化合物，提出了化合物基团的概念及多元酸的理论。凯库勒（1829-1896），德国化学家，有机结构理论的奠基人，1857年提出碳原子四价和碳原子间相互成链理论，1890年提出苯分子的结构式，推动了有机化学的发展。

五、化学微观世界的探究

1.原子结构理论

在道尔顿的原子学说基础上，展开了原子结构的研究。汤姆逊（1856-1940），英国物理学家，1903年他在发现电子的基础上提出了原子结构的葡萄干布丁模型。卢瑟福（1871-1937），英国物理学家，他根据α粒子散射实验提出了原子结构的核式模型。波尔（1885-1962），丹麦物理学家，于1913年建立起核外电子分层排布的原子结构模型。20世纪20年代建立的量子力学理论，使人们对于原子结构的认识更深刻，从而有了原子结构的量子力学模型。

2.分子间作用力与化学键理论

范德华（1837-1923），荷兰物理学家，范德华首先研究了分子间作用力，分子间作用力又称范德华力。科塞尔（1888-1956），美国化学家，1916年提出离子键理论。路易斯（1875-1946），美国化学家，提出共价键理论。鲍林（1901-1994），美国化学家，他提出共价半径、离子半径、电负性、杂化轨道等概念和理论，他撰写的《化学键的本质》被认为是化学史上最重要的著作之一，1954年因在化学键方面的工作取得诺贝尔化学奖。

六、结语

上述是中学化学课程内容涉及化学史实的系统总结，由于理论水平和篇幅限制，难免有所遗漏并且未能展开论述。化学史实应用在化学教学中具有极大价值，有利于中学化学和大学化学教学的衔接，对化学课程标准和教科书的编写有启示意义，从学生角度而言，可以激发学生的学习兴趣和探究欲望，使其了解化学学科发展的大致历程，加深学生对科学本质的理解。在实际化学教学中，要依据课程内容要求和学生的认知水平，把握好化学史实涉及知识理论的深度和难度，合理应用化学史进行化学教学。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[2]周公度.化学是什么[M].北京：北京大学出版社，2011.

篇9

中图分类号：B80 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）29-0305-02

游锖腿硕际怯兴嘉功能的生物，外界因素会影响其思维和产生不同应答。大脑是如何工作的，一直引发各界人们思考和科学研究。

一、科学研究证明：人脑思维产生思维波（复合电磁波）

【脑传实验】华裔俄籍科学家姜堪政博士著有《场导发现――生物电磁波揭密》一书。他在沈阳中国医科大学毕业并留校工作，1959-1960年做“脑传脑”实验。他设计并建造一个“两室一厅”式的实验室，以验证他的“脑传”假说（普通人称为心灵沟通，一人脑发射信息，另一个人大脑接收读取），两室各有一小窗与厅相通，他躺在一室，另一个人躺在另一室，这个处于催眠状态后，他见到灯光暗箱上或者想象一个特定的符号图形如，另一个人脑读后记下，脑传成功率为70%，加“聚集器”后，脑传成功率95%。甚至可传爬山场景。角色互换后，实验成果同样不差[1]。该项实验于1963年在中国简要发表。

【实验证明：生物波是电磁波】姜堪政博士几十年后在俄罗斯科学实验证明，“脑传”的载体是复合电磁波。用特殊照相机发现和验证人体、花朵、松树等生物都有电磁波类的辉光现象。姜堪政博士计算并检测证明，生物电磁波频率（9.1×109-3.2×1013Hz）和波长（3.3cm-9.3um）。同时利用仪器检测人体各部发射的波长2cm的生物波功率，同一个人各部生物波强弱程度明显不同，还与年龄、健康状况、不同情绪等密切相关[2]。

实验证明，思维波有电磁波波粒二象性、频率、波长、能量（产生热量）、传递信息、共振、电场、磁场（产生磁力）等属性，还有其自身特性。

【思维波和生物波是复合电磁波】广义物质包括实体物质，能量和信息。狭义物质特指实体物，由原子构成的，而原子又由原子核和核外电子构成的，电子以光速不停地转动，必然产生微弱磁场。

每一种结构固定的大物质和小粒子，也就必然有其相应特征的微弱磁场，同时向外发射电磁波，这类电磁波显然不是只有一个同样的波峰波谷波长的简单的我们常说常用的电磁波，而由很多个不同波峰波谷波长组成的复合电磁波。

生物体或粒子所产生的复合电磁波，称为生物复合电磁波，简称为生物波。

人脑在思维时会产生复合电磁波，我们称为思维类生物复合电磁波，或称为思维类生物波，简称为思维波。生物波没有人为加载信息的复合电磁波，思维波是加载有人“想法”（思维结果信息）的生物波。

二、推论人脑工作原理

电脑工作过程是三步曲：存储数据、加工数据、产生数据，三步反复循环。加工数据系程序软件依托硬件提取数据进行逻辑计算过程，数据以二进制表达的数字代码。电脑存储硬盘可物理分区。程序为分固定程序和人工智能性程序（自我学习提升功能）。

大脑工作过程应该同电脑三步曲，区别在于，大脑加工数据过程，应该是大脑软件（思维软件）依托大脑硬件（神经元、神经介质）提取已有数据（记忆、淡忘、遗忘、联想提醒想起）和新产生数据进行逻辑计算，数据以思维波为信息单元（原料、因子、载体）。大脑产生数据过程是即产即存过程。思维波本质是具有多峰多谷多频的复合电磁波。大脑工作是电磁波处理的过程，或称为量子计算过程。大脑结构分为物理分区和功能分区。

【4种思维方式】

A普通人正联想为主习惯（放射式联想，一点联想到多点），如工作、工资、工人、工厂、工程、工夫等。

B少数人习惯反联想（反向搜索，较难），如木工、电工、钳工、搬运工等。

C个别人喜欢窜联想（接龙式联想、折线式联想），如工会、会议、议事、事件等。

D有人喜欢跳跃联想、换角度思考问题，不依靠原有字词、线索而思考。

【6种思维模式】

大脑思维软件工作模式，或说思维模式、思考模式，6种思维模式=“两向四度”6个参数：

A传统式的正向思维，动物本能性，如流水的顺势思考，以纵向联想和比较为主。

B反传统式的逆向思维，后天训练强度有关，如逆水行舟，逆向思维强的人不仅喜欢纵向还喜欢横向比较分析。

C思考强度，与思考时间、思考深度、纵向思考、横向思考等有关。深思就是深度思考，浮想就是如梦一样乱想，不动脑就是不深入思考，理性指思考程度强，感性就是思考程度弱。

D质疑程度（质疑思维），怀疑现有数据（观点）真实性，寻找相反答案，质疑程度与思辨能力密切相关。质疑原则是“质疑一切，尤其是自己”。不断是质疑、论证、确定、否定已有的观点和自己新形成的观点。

E创新程度（假设程度），假设（猜测）条件多而得出与众不同的结果，或得出令普通人难认同接受的结果=想象力，创新程度强通常指想象力强，想象力强容易产生新猜想、新假说、新知识、新智品（艺术作品、发明实物）。同时，创新与质疑是一体两面，大脑产生新的观点，多角度质疑同时开始，无法，便确信之，再换个角度产生新观点，再质疑、论证和。

F论证能力程度=归纳演绎总结能力程度，大脑对具体问题分析时，都要依靠逻辑关系工作，它具有连续性和因果性，必须关联关系，也是推理过程。分析推理、演绎推理后，要归纳法和总结法得出思考结果和结论。

归纳法=归纳推理法，归纳论证是一种由个别到一般的论证方法。它通过许多个别的事例或分论点，然后归纳出它们所共有的特性，从而得出一个一般性的结论。归纳法可以先举事例，再归纳结论，也可以先提出结论，再举例加以证明，有人称为例证法。

归纳推理，就是对上面言论进行分类概括，起到条理清晰的作用。

演绎推理，就是从一般性的前提出发，通过推导即“演绎”，得出具体陈述或个别结论的过程。演绎推理的逻辑形式对于理性的重要意义在于，它对人的思维保持严密性、一贯性有着不可替代的校正作用。演绎推理是从一般到特殊的推理；演绎推理是前提与结论之间具有充分条件或充分必要条件联系的必然性推理。

精神分裂者思维常会跳跃思维和没有逻辑的推理，思维异常，言行必异常。

弱智者思维模式简单且固化，思维方式也简单，信息量少，不能分析复杂事件，难得出正确结论，言行失态。

总结就是对上面言论做以总体的概括、起一个点睛作用，得出必要的简单结论。

六种思维模式好像6种参数，因人而异，长久使用某一种模式就形成固定思维总模式，即思维习惯，思维习惯长期养成的，与一个人所在人文h境约束或激发有关，也与自我更新能力（人格独立程度、喜欢思辨程度）有关。

思维模式和思维方式互相影响。

显然，一个人思维能力取决于其大脑思维模式和思维方式综合应用程度，6种思维模式和6个参数绝对不是简单的加减法关系，至少是乘积关系。

量子计算机（电脑），是一种全新的基于量子理论的计算机，遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机应用的是量子比特，可以同时处在多个状态，而不像传统计算机那样只能处于0或1的二进制状态。

量子电脑工作原理和大脑工作原理一样，运作机制类似，但也有不同，因为大脑百分之八十以上由水组成，所以说大脑是液态型量子电脑、电磁波型电脑。

揭开大脑工作机制之谜，显然有助人类研制更高级电脑，小空间即可无限存储，更高速，低耗能，无丢损，其功能必会远远超过大脑（受“二向四度”限制）。

三、研究大脑工作机制要点

【大脑通过感知系统录入信息】通过眼睛视觉系统、皮肤感知系统、器官感知系统、听力系统、鼻嗅觉细胞和舌上味觉细胞录入信息。

【信息传输分有线传输和无线传输】有的感知信息单元是复合电磁波，有的是神经介质实物变化，两类信息通过无线（生物波）和有线（神经纤维、神经介质）传输进入大脑后成为大脑思维可用可存（记忆）的思维波。神经介质变化应该会形成生物波=思维波。例如大脑思考怎么说话，是思维波在工作，发出的声音是声波=神经系统指控发声系统，思维波通过神经系统令声带发出声音，反过来，我们耳朵听到声音，应该通过特定转换（神经系统）变成电磁波形式存储，如能记住某些人的声音来判定发声者，听到熟悉的人说话声，我们虽然未见看见其本人，就可知道是谁，由声音辨别人。

人体各器官通过神经系统（有线传输）表达大脑信息，由自主固定程序、思考性“人工”程序处理控制。如同汽车自动驾驶和人工驾驶一样。

人死亡，血液不流动、细胞死亡不工作、经神介质不工作，没有了硬件，也就没有思考了，即死尸无法思考，但思维波还应该存在。

研究人脑如何工作机制，应该考虑至少五大类问题：

1、大脑思维波存储在哪儿？一是实体物质（大脑功能分区、神经元、神经介质变化、生物电变化等），二是水和组织液中（体外尿和血都能检测到人体生物波），三组织缝隙=经络=气体中（向外传输）。研究方向：弄清神经元如何存储思维波。

2、大脑加工思维波的硬件是什么物质？神经介质变化、生物电变化、神经元（细胞）、神经纤维（有形的传导线路）。

3、大脑工作软件（思维软件）如何形成？没有软件的电脑叫机，没有人生下来就有很考能力，即大脑工作软件不可能是与生俱来的，出生时的大脑也是没有软件的机，思维软件那就一定是后天大脑逐渐训练形成的。理论如何具体解释？像电脑人工智能具有自我学习提升功能。

4、思维波如何与神经系统密切合作？思维如何指令神经系统？引起神经介质变化？生物电变化？思维波是复合电磁波能改变蛋白质分子空间构象变化，也应该能引发神经介质变化，或能引起生物电变化……

5、人睡眠时，和电脑休眠一样，主机休息，但“辅机”还在工作，这个“辅机”是人的大脑哪个硬件？“辅机”为何自己“偷偷拼图”造梦？大脑中“主机”和“辅机”有无关联？

篇10

方法，是人们在认识世界和改造世界的一切活动中所运用的各种途径、方式、和手段的总称，科学方法就是指在研究与解决科学问题过程中所运用的策略、程序、办法。在高中物理教材中，渗透了很多科学方法，既有一般的逻辑范畴的归纳方法、推理方法、类比方法、分析方法和综合方法，又有较为特殊的科学范畴的观察方法、实验方法、理想化方法、等效方法、模型方法、科学假设方法、对称（守恒）方法等。物理知识（概念、规律与原理）只是这些方法运用于物理研究后的"形式化"产物，方法活跃在知识获得的过程中，科学方法的教育对改进人的能力结构有着十分重要的作用。伦琴对X射线研究的周密安排，使得这一发现在一周内即被世界所公认，这正是由于他对实验方法的深刻理解与正确应用的结果。

正因为方法是在知识获得过程中起作用，所以为了在教学中不让方法的教育价值流失，就应该特别注意物理概念的归纳过程以及物理规律的研究过程的教学，要充分展开这些过程，以及在这些过程中的思想与方法，让学生能够体验科学方法在研究中的重要作用与价值，从而实现科学方法的独立教学目标。下面就几个重要的方法举例说明。

一、实验方法

这是"人们通过科学仪器和设备在有目的地干预、控制或模拟客观对象的条件下获取科学事实的一种研究方法"。实验方法是提出研究课题、构思科学假说、建立科学理论的重要途径和基本手段。例如，法拉第电磁感应定律的建立；光电效应正是在实现电磁振荡的实验中发现的新课题；玻尔的量子轨道理论正是在氢光谱的实验基础上提出的假说；迈克尔逊的精妙的"以太风"的零结果实验，成为了爱恩斯坦狭义相对论的重要实验依据。

在教学过程中如何展示实验方法在物理研究中的重要地位，是实验方法教学的重点。为此，对实验的目的和作用应该有足够的重视，要使学生知道，每一个演示实验和分组实验究竟要解决什么问题？这些问题的解决能否通过其它办法完成？特别是有些按高中学生的理论知识进行分析判断较难得出正确结论的问题，要注意用实验方法来解决，而不要单纯进行理论分析，因为这正是体验实验重要性的好事例。如在光学部分，光从折射过渡到全反射的现象，这是学生凭直观想象所不能得到的结果，所以在教学过程中不妨先对此进行理论的讨论，揭示矛盾，然后再进行实验，使学生在观察到全反射现象时，能较好地体会到实验的作用。

实验方法，并不仅仅在演示实验或学生分组实验中才用到，应该在物理教学中充分运用实验方法来解决问题。如分析一个力学问题：一个轮轴放在水平地面上，在它的轴上绕着线，当向右拉线时，轮将向哪个方向运动？学生按直接经验，往往会得出轮向左滚动的结论。如果只是对学生进行理论分析，这个题的意义就不大，但如果我们用实验演示一下，当实验显示的结果与学生的判断相反时，这将会给学生留下深刻的印象，使学生体验到实验对解决物理问题的重要作用。

由于高考的影响，在物理实验教学中，教师较为注重的是对实验原理的理解、实验仪器的使用、实验误差的分析等内容，在事实上将冲淡对实验方法在物理研究中的地位和作用的体验，从而使实验方法的重要价值流失。掌握高中物理的具体实验原理、仪器使用方法及实验误差分析等当然有它们的积极意义，但这些主要还只是知识方面的意义，而让学生通过物理实验懂得要获得物理知识，离不开实验，才是实验教学中更具深远意义的目标。可以说，培养学生的动手欲望，比培养学生的动手能力更为迫切和重要。我们的实验教学过分地突出知识性的内容，从而严重地冲淡了实验教学的方法意义，这是一种"系统性"的低效率，至少对科学素质的培养来说是这样。因此，我们的实验教学的目标应有新的定位，不要把有限的教学时间都放在很快就会被遗忘的具体知识内容上，而应该更多地考虑那些有长远意义的教育内容。

二、科学假说方法

是"根据已有的科学理论和新的科学事实对所研究的问题做出猜测性陈述并加以验证的一种科学研究方法"。作为一种科学假说，它必须能说明和解释对象已知的事实；能解释原有理论无法解释的事实，并把原理论作为一个特例包含在自身之中；要使新假说比原理论更具逻辑简单性；并且新假说往往还能演绎出新的结论并能通过（判决性）实验加以检验。假说的提出，既要有一定的经验基础，包括关于研究对象的某些经验事实或其它方面的信息，又要有直觉、灵感等非理性因素的作用。假说是使物理学从经验上升为理论层次的中介和桥梁，是物理学发展的重要形式。惠更斯的光的波动学说、安培的分子电流假说等都是科学假说的典型。又如普朗克在研究"黑体"辐射时提出了"量子"假设，但他的假说只限于光与其它物质发生作用时的特性；而后，爱恩斯坦在解释光电效应时，进一步提出了"光量子"假说，把"量子"假说向前推进到了光的传播过程中；玻尔更把这种假说引入原子领域，建立了量子力学，从而使物理学跨入了一个全新的时期。这个事例生动地注释了"科学假说是科学发展的主要形式"这一论断。

在进行科学假说方法教育时，要特别注重揭示新的事实与旧的理论之间的矛盾。如卢瑟福核式模型的教学过程中，要充分展示α粒子散射实验的结果，要分析实验结果与汤姆逊的"枣糕"模型的不相容的特点，这才能使学生体会到卢瑟福的核式模型的并非是一般猜想，而是建筑在实验事实基础上的一种科学假说。在高中物理教学过程中，要注意给学生创造根据实验结果来推测理论的机会，这既可以活跃课堂气氛，又可以使学生体会怎样根据事实来进行理论构思。

三、理想化方法

这是"运用理想模型在思维中排除次要因素的干扰，从而在理想状态下进行计算和推论的方法"。理想化是个总概念，其中有理想化模型、理想化过程、理想化实验。理想化方法，是物理研究能够得以进行的一种重要方法，因为任何一个事物或现象都不是孤立的、单一的，它们总是多样性的统一，并总是与其它事物有着错综复杂的联系，如果我们在研究某些特定的问题时，要顾及所有的因素，那么就只能一事无成。可以说，没有理想化方法，就不会有今天这样完美的物理学。在高中物理教材中，理想化模型、理想化过程、理想化实验是经常出现的一种方法，如伽利略的斜面实验就是用理想化方法研究自由落体运动的经典，理想气体状态方程的建立又是对气体运用理想化方法（模型）的结果，其它诸如质点、匀变速运动、单摆、点光源、薄透镜、点电荷、理想变压器等等，无一不是理想化方法在物理研究中的运用。在教学中，关键在于要让学生了解，为什么要作理想化处理，由此带来的结果是什么，以使学生能体会到理想化方法的作用。

篇11

［中图分类号］G642.423［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2014）06-0108-03

我校担负着为新疆经济建设与社会发展培养教师和高次专业人才的重要任务，具有涉及专业门类多、规模小、基础相对薄弱的特点，在教育教学水平、师资队伍结构和生源整体素质等方面与内地高校有一定的差距，亟待提高和改善。

一、存在的问题

长期以来，在新疆少数民族教育事业发展中，存在着数量增长较快与质量提高不显著的矛盾。尤其高等学校扩招以来，这个矛盾更加突出。目前在全疆专业技术人员中，少数民族比例已上升到了50%以上，但是高考年招生分数线民汉始终存在150分左右的分差，尤其主要在数学、综合理科成绩方面的差距突出。据调查在全疆初、中、高三级专业技术人员中，少数民族分别占53.04%、43.31%、31.73%。比例依次递减，既说明少数民族高级人才的短缺，也说明少数民族专业人才的发展潜力和后劲不足。

二、改革的目的与思路

（一）全面提高少数民族高等教学质量

面向新世纪的高等教育质量，以素质教育、创新能力培养为特征，因材施教、突出个性培养；针对人才培养与教学体系中的若干问题，围绕涉及人才培养若干方面的根本性、基础性工作，广泛深入地开展教学改革的探索与实践；扎扎实实地进行改革与建设，使人才培养质量跃上新台阶。

（二）坚持理论与实践结合、以立项项目为重点，以点带面

从课程体系和教学内容、教学方法及时间等各个教学环节对本科理科学生教育的整体培养方案进行改革和完善；着力加强重点课程、核心课程及基础课程建设，大胆改革实践教学，广泛深入地开展创新教育；寻找适应本地实际情况、面向新世纪的人才培养体系和模式、办学经验及行之有效的措施，不断寻求提高人才培养的新思路、新方法。

（三）扎实数理基础、拓宽专业口径、重视实践环境、加强应用创新

加强“知识、素质、能力、创新”协调发展与全面提高的理科人才培养目标。培养六种能力：交流与表达的能力；思考与判断的能力；主动获取信息和知识的能力；不断学习的能力；发现并提出、分析、解决问题的能力；实践与创新的能力。树立五种精神：科学和人文精神；紧跟时代，勇于创新的精神；知难而进，一往无前的精神；艰苦奋斗，求真务实的精神；淡泊名利，无私奉献的精神。在培养过程和方法上，奠重教育和人的智力成长规律，根据少数民族学生的特点，确定“低起点、分流培养、体现多层次、多模式”的培养方法。

三、少数民族物理学人才培养模式的构建与实践

现代教育理念强调学生的全面发展，突出对学生独立性、自主性、创新综合性的培养，重视提高学生综合素质和创新实践能力，强调教与学的互动性。着眼培养和训练学生的综合素质，提高学生的独立性、自主性、创新综合性，重视提高学生综合素质和创新实践能力，分析和比较学科建设与人才培养工作中的不足和差距，分析自身的特点、优势和能力，有所为，有所不为。

（一）修订和完善人才培养方案、课程体系

科学地设置物理专业基础课、专业课及选修课。在课程设置上做到科学合理、针对性强，加强实践、突出应用。

（二）改革教学方法和教学手段，打造课程建设平台

引导学生转变观念，变“要我学”为“我要学”，由“被动学”变“主动学”，也就是说把“被动学习”变成“自觉、自动学习”，养成诚信学习，在课堂教学这一主渠道中，坚持摒弃灌输式教学，强调“以问题为纲”，启发学生主动思考和创造性思维，积极探索和寻求启发式、讨论式、参与式等各种不同的教学方法；使学生真正成为教学的主体，从而培养学生分析问题和解决问题的能力，充分调动学生的学习积极性，活跃课堂气氛，进而提高学习能力、拓宽知识面；充分发挥校园网络的资源优势，采用信息技术为特征的现代化教学手段，使教学工作的效率进一步提高。为夯实基础，对物理学专业的重点课程进行教材与内容、方法与手段、组织与考核办法、“教”与“学”的质量评估监督、网络教育资源开发、试题库建设等全方位的完善、改革和建设。

（三）加强基础设施建设，重视实践教学，打造学生实践能力培养平台

实践教学是物理学专业学生基本实践能力训练的重要环节，也成为培养学生创新意识和创新能力的重要途径。实践教学改革的基本思路：完善实践教学环节、优化实验课程体系；对实践教学体系、管理体制的建设也要求系统化和规范化；对实践内容和教学方法、考核方法的改革要求现代化、实用化和多样化。

（四）建立健全了老师辅导制和本科生导师制以及教学质量监控体系

实验班所有专业课程原则上都安排了讲师以上职称的骨干教师任课并进行硕士研究生或任课教师辅导制。学校将为在实验班讲授专业基础课和专业课的任课教师配备一名助教，助教从全校硕士研究生中选拔。根据学校要求，主要专业课都安排了骨干教师上课并研究生或任课教师每周一次辅导（答疑）。力学、热学、热力学与统计物理等课由阿力甫・莎吾提副教授主讲并辅导；电磁学由艾合买提・阿不力孜教授主讲并辅导；光学课由王先明教授主讲并辅导；原子物理学课由秦晨讲师主讲并辅导；理论力学、普通物理研究、量子力学二等课由马晓栋教授主讲并辅导；电动力学课由裴永祥教授主讲并辅导；量子力学课由艾尔肯教授主讲并辅导；高等数学课由穆哈拜提（副教授）、陈莉（副教授）、杨晓英（讲师）、肖冰（讲师）等教师主讲并辅导。日常教学管理由学院承担。实验班实行全封闭管理，正常上课期间实行早自习和晚自习制度，实验班自一年起开设基础英语课程，连续开设三年。实验班可根据学生实际情况利用星期六进行半天或一天补课，补课内容视具体情况由教务处会同学院协调决定。物理学人才培养模式的构建与实践探索学习与研讨面向新世纪的高等教育质量，以素质教育、创新能力培养为特征，因材施教、突出个性培养；针对人才培养与教学体系中的若干问题。

（五）建立良好的师生关系，以帮促学

帮助学生解决学习和生活上遇到的问题，确确实实地做到教书育人。少数民族06物理实验班有26名学生，绝大多数学生家庭经济情况有困难，父母已去世的有2名，父亲已去世的学生有5名，获西部开发基金的学生有2名，另外有南疆平困地区的学生。在大学学习期间，经常遇到学习和生活上困难时，受到任课教师和班主任的帮助。有时学生生活上有困难需要钱时，任课教师和班主任帮助了他们，有时还需要借给他们学费。任课教师和班主任在学习上引导他们，生活上帮助他们，成为学生们的学习和生活上可依靠的人。另外，这些家庭经济有困难的学生，在4年大学学习和生活过程中，受到了国家级助学金和学校各种生活补助，学习成绩优秀学生获得了国家级奖学金、国家级励志奖学金和校级各种奖学金。有了国家的关怀，全部学生成绩优良，即将毕业。

给少数民族实验班学生上课以及做学生工作过程中，根据少数民族学生的特点，只上课，不管学生，不引导学生学习，得不到好的学习结果。实验班实行全封闭管理，正常上课期间实行早自习和晚自习制度，物理实验班进行诚信学习与自觉学习和诚信考试制度，做诚信人，在专业学习方面，实验班指导教师要准确引导学生学习和制订学习计划以及帮助他们顺利完成学业。

四、建立适合少数民族学生的教育教学模式

（一）加强基础课程的学习，积极编写少数民族学生物理基础的辅导材料

少数民族学生的中学理科基础较差，在大学阶段教学中，采用适合于大学生的教学方法，并通过启发式教学调动他们学习的积极性。具体作法：1.用汉语讲课时，注意中学内容与大学内容的衔接，速度要慢，多举例子并详细讲解；2.为了了解学生的学习情况，每门课都必须进行期中考试，题目以基础内容为主，覆盖面广、题量多，这有利于启发学生的学习积极性，如果出难题、怪题，基础差的学生做不出来，调动不了他们学习的积极性，反而导致学生厌倦学习。3.少数民族学生基础较差，为了让学生掌握扎实的基础知识，对物理入门课力学、热学、电磁学等课程都编写了课程补充练习题。即力学补充练习题与解答、热学补充练习题与解答和电磁学补充练习题与解答等。练习题包含单项选择题、多单项选择题、判断题、填空题等并附有标准答案，学生做这些习题集能巩固扎实的基础理论知识，为专业理论课的学习打好基础。

（二）建立适合于少数民族学生的教学模式和方法

在培养过程和方法上，尊重教育与人的智力成长规律相结合，根据少数民族学生的特点，以“低起点、分流培养、体现多层次、多模式”的培养方法，突出因材施教，改进教学方法和教学手段，打造课程建设平台，引导学生转变学习观念，变“要我学”为“我要学”，由“被动学”变“主动学”，也就说把“被动学习”变成“自觉、自主学习”，养成良好的学习习惯，在课堂教学这一主渠道中，坚持摒弃传统的灌输式教学，强调“以问题为纲”，以启发式的指导思想，提高学生的思维能力和创造能力，积极采用讲授法、实验法、讨论法等各种不同的教学方法，是教学方法多元化，从而培养学生分析问题和解决问题的能力，充分调动学生的学习积极性，活跃课堂气氛，努力提高学生的学习能力、拓宽知识面，充分发挥校园网络的资源优势，采用信息技术为特征的现代化教学手段，使教学工作的效率进一步提高。为夯实基础，对物理学专业的重点课程进行教材与内容、方法与手段、组织与考核办法、“教”与“学”的质量评估监督、网络教育资源开发、试题库建设等全方位的完善、改革和建设。

（三）加强少数民族学生的语言能力的培养

为了巩固学生的汉语水平和提高他们的汉语阅读、说和写的能力，坚持对实验班实行完全汉语授课，所有教学要求参照同专业的汉语班教学计划进行教学，并根据实验班具体情况适当修改。经过完全汉语授课和学生的努力，现在学生的HSK考试成绩取得了可喜的成绩。见表1所示：

表1 物理各实验班汉语水平考试统计

■

（四）注重少数民族学生的学习策略，寻找行之有效的学习方法

大学生的学习方法十分重要，而少数民族大学生的学习方法显得尤为重要。我们从开学开始班主任和专业课教师就给学生强调学习方法的重要性，特别强调了大学阶段的学习有其自身的特点，可以说主要以自学为主，不同于中学阶段主要以教为主的学习。作为教师仅起引导和敲门砖的作用，即所谓 “师博领进门，修行在自身”，大量的学习任务将由学生在课余时间自主完成，也正是学习方法将直接影响学生的学习成绩，因此在学习过程中逐步探索，掌握一套行之有效的学习方法是非常必要的。

五、教育教学改革成果

（一）报考硕士研究生学生人数多，并且录取率高

报考参加全国硕士研究生学生人数多，如2006-15实验班中有21名学生报考全国硕士研究生考试。总成绩达到国家分数线的10名（其中少数民族高层次骨干人才计划3名，疆内7名）。复试后被录取的8名，其中中国科学院高能物理所1名，华北电力大学1名，陕西师范大学1名，疆内5名（其中破格1名），全班研究生录取率达到30．77%，参加研究生考试学生的录取率达到38．1%；2007-9实验班中有27名学生报考全国硕士研究生考试。总成绩达到国家分数线的10名（其中少数民族高层次骨干人才计划2名，疆内8名）。复试后被录取的7名，其中华中师范大学1名，南京理工大学1名，疆内5名（其中破格1名），全班研究生录取率达到24．24%，参加研究生考试学生的录取率达到29．63%；2008-9实验班中有36名学生报考全国硕士研究生考试。总成绩达到国家分数线的10名（其中少数民族高层次骨干人才计划6名，疆内4名）。复试后被录取的9名，其中陕西师范大学1名，南京理工大学3名（其中破格1名），山东大学 2名，疆内3名，全班研究生录取率达到25%，参加研究生考试学生的录取率达到25%；2009-10实验班中有34名学生报考全国硕士研究生考试。总成绩达到国家分数线的8名（其中少数民族高层次骨干人才计划3名，疆内5名）。复试后被录取的8名，其中南京理工大学3名，疆内5名（其中破格1名），全班研究生录取率达到23．5%，参加研究生考试学生的录取率达到23．5%。

（二）获得教育教学成果

“少数民族物理实验班的教学实践研究”荣获2010年度新疆师范大学优秀教学成果三等奖。

“进一步深化少数民族物理实验班的教学实践及加强考研复习确保考研录取率”项目荣获2011年度新疆师范大学优秀教学成果三等奖。

总之，在课程改革的大背景下，探索和研究少数民族理工科本科教育教学改革，意义重大，在今后一个相当长的时期里，仍然必须重视少数民族高等教育的数量增加，同时要更加重视教育质量的提高，逐渐走出低质量相互影响的恶性循环，明确少数民族高等教育的发展定位问题。这是个长期性、系统性工作，有待于我们继续的探索与实践。

篇12

引言

科学的发展史，就是以发展中的仪器和仪器使用作为其基础之一的历史，是理论、实验、仪器以彼此匹配的方式演进和相互维护的历史，是包含了各种类型的科学实践活动，并从这些活动以及理论家、实验家、仪器制造者的合作中获得进步的历史。在这样的历史中，科学仪器起着巨大的作用：对科学认识主体的认识能力具有强化作用，对科学认识客体具有激化、纯化、强化作用。由此拉近人类与宏观世界、微观世界、生命世界之间的距离，使人类能够获得对自然的更深刻、广泛、准确的认识。因此，科学认识论者一般将科学仪器独立出来，作为科学认识三要素中的一种，即科学认识的工具来看待。客观地说，这有一定道理。因为科学仪器能够在仪器制造厂以标准化的方式生产，然后从一个研究团体到另一个研究团体转移使用而不需或很少需要对其进行内部调整。此时，科学认识主体只要按规定的程序操作，就能获得令其它科学认识主体确信的结果。其它科学认识主体按照同样的程序进行同样的实验也会获得同样的结果，结果具有可重复性、普遍性。这就使得这一结果几乎没有可能去反驳。这样，在科学认识过程中，科学仪器就能作为“可信的、不成问题的、很难挑战的认识要素使用”，[1]单纯地起着认识工具和认识桥梁的作用，作为达到获得进一步事实的目的的手段。

但是，当全面地、具体的、深入地分析科学仪器在科学认识活动中的地位和作用时，就会发现，将科学仪器看作科学认识的工具和桥梁是片面的、静态的、有局限性的，科学仪器及其使用是具体的、可错的、不充分的、开放的、与客体有着复杂关联的。应将其作为与主体相对的东西、作为主体实践和认识活动的对象、作为客体看待。

一、科学仪器的使用是具体的

科学仪器使用的具体环境，也需将此作为认识客体。因为此时科学仪器与正被研究的现象或与仪器使用相关的条件性，必须将其看作实验室中不确定的因素进行研究。

(1)科学仪器的选择是具体的、有条件的。科学仪器的选择和使用，必须参照所选用的实验方法。方法不同，仪器的选择及其操作就不同，对结果的处理和解释也就不同。如对阿佛加德罗常数的测定，就可选择不同的方法，既可用化学、热力学的方法，又可用电子学的方法。针对每种方法构建不同的仪器，获得相同的结果，然后相应地用有关的化学、热力学、电子学理论对结果进行解释。

(2)科学仪器的装配是具体的、有条件的。实验方法一旦确定后，就要装配仪器进行实验。仪器的装配必须参照所应用的方法，适合运用这一实验方法的具体的实验案例。由于实验方法相对于具体的实验案例来说起着方法论的指导作用，因此，即使实验方法已被使用，并且不成问题，仪器装配也不是固定的。怎样装配仪器以及装配怎样的仪器须由正被研究的实验案例决定，而非由实验者试图实现某种主观特定的装配指导。本世纪二、三十年代化学动力学家们对化学反应速度的研究就说明了这一点。当时可采用的实验方法有静态法和流动法。选定流动法后，对应于气态链烷属烃高温分解反应、甲烷和氧气的反应、光化学反应、烯烃的聚合反应等，Farkas和Melville 给出了七种不同的实验安排和不同的仪器装配，以便实验能够顺利进行。 ([1]，pp.293-296)

因此，对于具体的不同的实验案例，可采用同一种实验方法。但是，所运用的这同一种实验方法并不能充分决定在这些实验案例中的实验仪器装配相同。实验仪器装配的合理性不在仪器装配自身，而在于运用该仪器所进行的实验所选择的实验方法以及涉及到的实验对象和实验现象，只有这几者相互匹配才能保证一个实验的顺利进行。由此，在运用科学仪器进行科学研究的过程中，仪器不是作为绝对能提供正确结果的认识工具被接受，而是有条件地接受并且同时按照实验过程中有可能涉及到的所有因素的要求进行修改。科学仪器使用的条件性不再允许将科学仪器作为稳定的不变的工具使用。

(3)科学仪器的操作是具体的、有条件的。科技的发展已经进入“大仪器操作微观对象”的时代，并正向“微观机械”、“毫微技术”迈进。这时仪器的操作需要科技工作者具备大量的技能，知道去做什么，怎么做，以及恰当解释所获得的结果。因此，从认识论上说，复杂的现代仪器，如高能物理学中的仪器，不能作为实验室中不成问题的、稳定的实验工具使用，而必须在知道它的结构以及它所包含的理论预设的基础上对它恰当地操作。

(4)科学仪器给定的结果是具体的、有条件的。即使方法可行，并且科学仪器装配后正常运行，科学仪器也不能总是作为不成问题的、稳定的工具使用。因为正确的实验结果并非仅仅由于科学仪器正确地运行而产生。仪器给定值是有漏洞的。科学工作者经常不得不进一步校正由仪器给定的值。一个最明显的例子是，当我们用一支水银温度计去测量某物体的温度时，只有当温度计原有的温度与被测物体测量前的温度一致时，即温度计上的刻度在测量某物温度之前和发生能量转移，改变正被测量的物体的热量，导致温度计上的读数只能准确反应测量后被测物体的温度，而不能准确反映测量之前被测物体的温度。对此，需要科学工作者根据具体的情况考虑实验仪器与被观测物质的相互作用对实验结果的影响，校正实验值，获得准确的结果。这也说明，仪器并非总是作为中性的认识工具提供真实的、正确的实验结果，仪器使用的环境往往导致仪器所得结果的不确定性，从而需要将仪器看成成问题的、不确定的认识过程中的一个要素，而非单纯地作为能够稳定使用、获得正确认识结果的工具。

二、科学仪器的呈象是可错的

科学仪器是可错的，对仪器的怀疑与仪器的历史一样久远。仪器自身的缺陷以及仪器的不稳定都可产生假象，[2]前者如“色差”的形成，后者如“N射线”的产生。因此，在科学认识过程中，需要对仪器进行考察和有策略地使用，以确信仪器呈象的真实。这就表明，对科学仪器所获得的新现象的真实性的论证需要将科学仪器作为客体加以研究而不能将其作为任何时候都能提供真实结果的科学认识工具看待。

(1)仪器的理论支持策略。一个好的仪器理论能很好地为仪器的有效性和仪器呈象的真实性辩护。对此，哈金 (Hacking)在“描述与干涉”中结合望远镜的理论给了望远镜呈象视物有效性以很好的说明。[3]

(2)实验的检查与校准策略。这一策略使用的目的是，在产生新现象的同时或前后，使用同样仪器，采用同样操作，产生与新现象具有同质关系的已被确知的现象，那么仪器呈象的真实性得到支持。如在判断所观察到的物质光谱是否有效时，可以通过检查此仪器能否正确再生氢的巴尔末线系而检查该仪器是否正常工作。

(3)干涉的策略。对样品进行宏观处理，如物质着色、注射液体等。如果在仪器下看到事先预见的宏观处理带来的结果，那么强化了所观察到的现象的真实性。如19世纪70年代，用苯胶染料处理染色体以达到观察细胞行为的案例就说明了这一点。

(4)可重复性策略。该策略指的是同一个人或不同的人在相同的或不同的时空，用相同类型的仪器和相同的实验原理重复同一实验，实验结果的一致，是对所观察到的现象真实性的支持。这是判断某一实验是否有效、是否能被科学家集团接受的一条普遍准则。

(5)独立证实策略。这里的独立有两层含义。第一层含义是，仪器的理论独立于被作用的对象的理论。此时仪器对对象作用的有效性超过负荷对象的理论的仪器对该对象作用的有效性。Peter koss 就论证，使用电子显微镜去探查细胞比调查原子更有效。因为，在关于细胞的调查中，仪器的理论、电子物理学的理论是独立于样品的理论的。而在对原子的调查中，不具有这一特点。这既避免了以不成熟理论检验理论的不足，又避免了以某种方式依赖被检验理论的观察检验该理论时，这种内在的“自洽”有可能把本是错误的理论当成正确的理论。第二层含义是实验方法的独立。即同一个人或不同的人在相同或不同的时空，使用不同的实验仪器，[4]采用不同的实验原理，得到相同的实验结果，增强了实验结果的真实性，并且，从不同的实验要比从同一实验的重复中得到对某一假设更多的证实。[5]如在聚合水的案例中，Rousseau 和 Porto 就用电子微探 (eletrie micro probe) 法、火花源质谱法 (Spark source mass spec- troscopy) 证明异常水的奇异性质是由异常水中所含杂质 (Na+ 、 K+ 、 Ca2+ 、 S042 一等 ) 引起，而不是由 Limineott 仅根据红外光谱法确定的水的改变了结构的产物——聚合水(H2O)n 引起。[6]因此，Lippincotz 宣称发现了聚合水是错误的。

(6)间接证实的策略。当只能用一种类型的仪器观察某现象时，为了理性地相信所观察到的对象，可利用此仪器去观察已被其它手段确立的、且与此对象有着类似尺寸大小和类似特征的对象，对后一对象的真实观察支持对前一对象的观察。

这就表明，对科学仪器所获得的新现象的真实性的论证需要将科学仪器作为客体加以研究，而不能将其作为任何时候都能提供真实结果的科学认识工具看待。

三、科学仪器的使用是不充分的

在科学认识过程中，实验科学家必然地要对它们所用仪器进行分析。18世纪，气象学家在气压计和温度计上投入了很大的注意力，但此时的实验家仅偶尔将他们的注意力转向仪器的理论课题。到了19世纪，情况就不一样了，此时变化了的实验操作和实验应用的文化，要求仪器承担与原先不同的任务，这就使得仪器突然变得不充分从而需要实验物理学家开始将其作为严格探索的对象。

这在科学上不足为怪，因为：

(1)科学仪器是科学知识的物化，物化在科学仪器中的科学知识是什么，达到什么程度，具有何等完备性，就制约科学仪器能获得什么样的经验事实材料。由于每一历史时期的科学认识是具体的、现实的、有条件的，因此科学仪器的稳定性、精密性、先进性也是具体的、有局限的，需要研究改进，以便逐渐知道它的不足和可靠性，适应科学实践进一步的需要。如为了满足增加测长的精度和扩大测长领域的需要，人们设计、制造了木工尺、码尺、游标卡尺、移动式显微镜、干涉仪等设备来改进仪器，提高仪器的稳定性、精密性、先进性，减小测量的误差，满足对具体对象认识的需要。然而，误差的减小不可能达到0的程度。一是因为仪器不能无限可用，二是当测量包含原子系统时，limWS 并不趋向0( 这里 S 表明按仪器精度递增序列的第 S 仪器，W表示在误差曲线中的最大值的一半，也称半宽度)。因此，仪器自身并不能使得测量精度达到绝对。

而且，从思辨的角度看，绝对的精度在物理上是不可能的。因为这意味着一个实验产生了一个无限的信息量。而且如果承认绝对精度，那么也就承认了绝对测量的存在，并且这样的结果可无限制的重复，并且完全相同。倘若如此，就抹煞了现实的对象和现象的永久变化和运动。

因此利用科学仪器进行测量是不充分的，绝对的精度是没有的，所有的测量都是不精确的，总有某些误差。被测值不具有与“真值”的同心性，而只有离心性。这就为科学家改进仪器设备、增加仪器的精确度提供了无限可能性。

（2）即使我们假定科学仪器有很高的精确度，对于某些对象的测量也不能获得准确的结果。因为，从被测量对象自身看，存在无理数的量，而科学仪器所测得的数值至多是有理数。由此，对这样一些特殊对象，如两直角边为1米的直角三角形斜边的测量，无论运用多么精确的测量仪器，都不能获得准确的数值。

(3)特定的实验只暴露认识对象的一个方面，不能单义地决定所有的属性。当测量是在过程中而非静态物上进行时，认识对象特别地以众多属性展现。展现的属性与仪器的使用密切关联。相对于一些属性的测量，仪器的使用的恰当性并不总是确定无疑的。仪器不可作为毋庸置疑的提供非偶然性的结论的认识工具。[7]

(4)客观地说，实验对象并不能自主地向实验者展现其实在，只能按照实验者在与仪器的相互作用过程中所获得的经验感受来展现。展现的方式与难题的解决相联系，难题又是由科研背景对我们的影响而产生。背景影响了我们，从而也就产生了被解决的难题。当解决该难题的前提没有阐明时，对难题背景的研究要比解决该难题更加重要。此时，在一些科学家看来，仪器是作为自身内在所具有的目的起作用，而非作为进一步达到目的手段([1]，P-302)，是作为类似于独立存在实体世界的一部分被研究。此时，仪器不仅仅作为器械 (devices)——破坏背景以及人们对这一背景的经验，更是作为事物 (things)——它们是与它们的环境以及我们与它们的交流分不开的。

(5)不渗透理论的科学仪器是没有的，从某种具体的科学仪器的产生看，它是较早期的理论预设的物质体现。随着科学的发展，我们必须对已存在的科学仪器进行研究，赋予它新的理论内涵，使之“老树发新芽”。但是，正如 Peter Gabon 所言，我们“关于科学信念在科学仪器中更新 (recreate) 自身的方式知道得太少”，[8]从而忽视了对仪器的研究，限制了研究的范围。如法国物理学家 Boit 在从事伏打电堆的研究中，由于信奉扭力天平，将他的研究限制在静电学的范围内，只测量电荷的效应，而不可能研究在一封闭线路内由电池产生的电流。

由此可见，仪器的使用是不充分的，对仪器的研究是必要的。这样的研究不仅仅意味着增加仪器的精度，扩大仪器的使用范围，即不仅仅进行与检验和证实相关的研究，而且还意味着将此研究作为进一步发现的渊源，暴露隐藏在仪器背后的理论假设，并且引出新的研究领域去检查这些假设。这就能够使仪器变得“象自然一样，凭其自身成为理论研究的对象；[9]能够意外地指导实验沿着未预期途径进行；能够通过研究实验过程中科学仪器对解决难题的限制，而不是通过它们的测量应用产生新思想。由此使得仪器不只是证实的工具，也是灵感的来源。如19 世纪 30 年代，对扭力天平的研究就具有这一作用。在 Boit 的工作中作为限制因素的扭力天平，在 Weber 的工作中成为研究的客体，引发了新的研究领域——弹力后效研究。[10]

四、科学仪器的使用是开放的

一个设备，就其自身而言不是科学仪器，它只能叫作工具对象 (instrument object)。它要获得科学工具的地位，必须与科学工作者相作用，使得科学工作者获得对周围世界的看法。科学工作者典型地解剖、重组、整合科学认识对象与科学认识仪器系统，把仪器的理论说明(包括仪器理论和现象的理论)及其预测投射到未知领域，通过仪器的潜在能力、测量对象的未知参量与背景理论的关联，揭示被研究对象的多种属性，使研究具体化并获得经验的重建，使“科学家扩展他们被限制的理论理解而进入到先前隐藏的领域，”[11]使科学仪器能超越它的先在继续成为实验操作中的不确定性的来源，从而作为研究客体。考察科学史上的实验案例，不难发现，科学实验过程中所用的仪器、仪器理论说明及其实际应用具有下表所示的相互联系 :

所用仪器种类仪器的理论说明仪器的实际应用仪器举例

(相同或不同) (相同或不同) (相同或不同)

相同相同相同很普遍

相同相同不同用于物理实验或化学

实验上的伏特计

相同不同不同作为气象学再现与作

为粒子检测器的云室

相同不同相同氢液化器[U〕

不同相同相同长臂天平与短臂天平

不同相同不同冰箱与氢液化器

不同不同相同声学显微镜与

光学显微镜

不罔不同不同很普遍上表表明，相同的仪器理论说明的相同的科学仪器，实际应用可以相同也可以不同；不同的仪器理论说明的相同的科学仪器，实际应用可以相同也可以不同；相同的仪器理论说明的不同的科学仪器，其实际应用可以相同也可以不同；不同的仪器理论说明的不同的科学仪器，其实际应用可以相同也可以不同。这就为科学仪器在科学认过程中的应用展现了广阔的前景，这种广阔的前景使我们明了：科学仪器的力量不在于怎样使用它们，而在于使用它们能做什么；科学仪器作为一种存在虽然完成了，但是对它的理论说明以及使用的多种途径并没有完成，它的认识自然的潜力并没有得到充分发挥。为此还必须研究有关仪器和被研究对象的理论文化，因为“理论文化，肯定地，不仅是实验的文化，而且是仪器确立的文化，”[13]还必须将仪器看作是一未完成的对象，其自身带有不断发展的潜力，从而作为研究对象。

五、科学仪器与客体是不可分离的

人类认识客观世界能力的增强与科学仪器对客观世界的作用的增强是同步的。这使得科学仪器与客体世界的距离越来越近，联系越来越紧，它们之间的区别日趋模糊，以致科学仪器自身嵌入到对客观对象的认识内容中，且最终不能将科学仪器从这样的内容中排除。在这种情况下，科学仪器和认识对象一道成为认识对象系统——客体系统，对此客体系统的研究在科学上不可避免。对量子力学中自我参照测量和测不准原理的分析就说明了这一点。

（1）自我测量难题。

测量的过程是仪器与被认识对象相互作用的过程，此作用过程确立了仪器系统与被认识对象之间的一定关系。在经典物理学中，由于从实验技术或从理论分析上能够排除仪器对认识对象的作用，因此，如果用 W 代表整个世界，S 代表被认识对象，A 代表仪器工具系统，R 代表 S 、 A 以外的世界，则认识世界的模式为 W=S+A+Ro。此时科学仪器能完全作为中介而完成工具作用。但是，在量子力学实验中，仪器对微观对象发生了不可控制的作用，这种作用无论在实验技术上，还是在理论分析上都不能排除，从而使得“仪器一微观对象”的作用系统所产生的现象不是单一的纯自然呈象，而是多维的，既包括被认识对象，也包括科学仪器及其相互作用，从而使得科学仪器与被认识对象一道成为客体系统，仪器与被认识对象划不出明显的界限，认识世界的模式转变为 W=Sl+R 。这里的 S1=S+A。( 注意 : 这里的 "+" 不是 S 与 A 的机械叠加，而是相对于实验结果而言的 S 与 A 不可分离的有机结合。

当我们对 S1 系统测量时，我们仍然是从获得的仪器状态的信息来推论被观察系统的信息的。但是，由于仪器包含在被观察的系统中，而且也是参照被观察系统的状态，因此，这时从仪器获得被观察系统的状态的这一参照就是自我参照，这样的测量就是自我测量。对于这种自我测量，Thomas Breuer 论证了“没有一个来自内部自我被测系统的测量能被信息地完成，”[14]即通过测定一可观测量，人们不可能区别所有状态。“准确状态的自我测量是不可能的。”([14]，p.209) 因此，在测量不能区别所有状态的意义上，科学仪器不能看作是与被认识对象相互分离而作为纯粹的认识工具，它既是工具又是客体。

（2）测不准难题。

测不准原理是海森堡1927年从量子力学数学形式中推导出来的，与对所有物质粒子的实验室观察相符合。该原理认为，对一个共轭互补变量的较准确测量是以对另一共轭变量的较不准确测量作为代价的，作为极点，对一共扼变量的完全认识是以对另一变量完全不认识为代价的。即我们不可能同时准确地知道两共轭互补的量，由此形成量子测量的测不准难题。

造成测不准的原因是什么呢 ? 有人认为这是由我们所用的测量方法和仪器的不完备所致，即仪器在获取某共轭量的同时，无法控制地干扰了粒子的运动，使得粒子失去展现另一互补共轭量的能力。如果这一观点正确，测不准难题就不是原则上不可解决的难题，随着人类认识的深入和实验仪器、实验手段的进步，共扼互补量必会准确确定，原则上不可准确知道的东西不存在。然而，量子非破坏性测量理想实验表明，即使在获取某共轭量的同时，保证粒子的运动没有受到不可控制的干扰，即在装置不受不确定关系影响的情况下，仍然不能同时确定另一共扼量，即互补性仍然存在。[15]

这样，不确定难题的存在就与仪器精密度、仪器对微观对象的作用无本质的、必然的关联，而与微观对象的互补性质有本质的关联。即微观对象的不完全确定性是由微观对象的本性决定。照此，粒子的这一本性给人类关于微观对象的认识提出了原则性的限制，即人类原则上不能获得对微观对象的完全认识。因为微观对象的运动、变化、发展要遵循一定的自然规律，受到自身性质、结构的限制，它只能做它能做的事。不仅如此，限制微观对象“能做什么的某些规律也限制人类”。[16]即人类虽然有着伟大的想象力，有着先进的科学仪器，仍然不能按自己的主观愿望去摆布自然，改变自然法则，逼迫自然去做它的性质和结构不允许它做的事。

存在人类原则上不可完全认识的对象，既不意味着世界是完全不可认识的，也不意味着在感觉与对客观世界的客观认识之间没有通道，更不意味着人类认识能力的有限性，而是意味着世界存在不可完全认识的部分，存在着有人类最终无法认识的对象或对象属性。这不是人类认识能力有限所致，而是事物的本性使然。这就在逻辑上为人类认识过程的演进和认识能力的发展提供了无限可能性和不可穷尽性。这就从根本上排除了“不完全的认识是一种人类不充分的、有限的认识，是一种对事物原本确定的性质的不清楚准确的认识，这样的认识不是真知识”的错误信念。

上面的分析说明，在某些现代科学研究过程中，一方面科学仪器与认识对象已经不可分离，两者一道成为科学认识的客体系统。另一方面，在对认识结果进行方法论、认识论和本体论解释时，仪器与认识对象一道成为不可分离的客体系统，进入人们的思维之中。这种新思维必将改变人们对科学的传统观念，使人们认识到：科学知识不只与发现有关，而且还与怎样发现有关；科学理论不只与世界有关，而且还与人类与世界的相互作用有关。鉴此，将科学仪器作为客体进行研究就显得既自然又必要了。

结束语

本文并不否定科学仪器的工具作用，相反地，笔者认为，科学不仅是关于什么的，而且是关于能是什么的。能是什么是通过行动而不是通过沉思所得，是通过仪器与认识对象的作用所得。随着科学的发展，科学仪器的工具化作用必将加强，而且，科学仪器是能够胜任作为工具这一基本角色的。我们有三方面的理由相信这一点：①本体论理由：相信世界与人类的统一性，任何物质都能够通过相互作用引起变化来接收和传递信息；②方法论理由：测量系统是信息的产生者和处理者，人们能够通过输入—输出结构的评价、噪音的控制来达到信号的保真； ③认识论理由：有多种实验认识论策略(理论的、实践的、美学的)保证人们理性地相信仪器呈象的真实。( 此当另文探讨 )

然而，随着科学的技术化趋势增强，老的格言“科学发现，技术创造”已被新的格言“科学发现因为它创造”[17]所代替。创造就必须有仪器。科学仪器有其自身的生命。它既是科学认识活动的产物，又是科学认识活动的要素。作为科学认识活动的要素，它不仅指导着当下的科学认识的追求，并在这样的追求中留下自己的印记。从一定意义上说，一部科学认识史也是一部仪器进步史，科学走到哪里，仪器就发展到哪里，仪器的进步意味着自身作为“科学进步有用单元”。[18]作为科学认识活动的产物，仪器的完成是在将此作为研究对象——客体的情况下完成的，是在追求对世界的科学认识过程中完成的。仪器的设计、制造、使用和知识的追求是一对伙伴，没有其中一个，另一个也不可能。因此，科学仪器的产生是人类认识自然和认识仪器自身的产物，是在科学认识过程中将科学仪器既作为科学认识工具又作为科学认识客体的产物。那种认为科学仪器只是由仪器制造厂生产出来的观念是错误的，它割裂了仪器制造者与实验者之间的联系，忽视了实验室作为科学仪器“孵化器”的作用；那种认为科学仪器在科学认识过程中只是作为科学认识工具要素起作用的观点也是错误的，它将科学仪器从科学认识的其它要素中孤立了出来，忽视了在科学的艰辛探索过程中，科学仪器并非是一个封闭的文本，提供的并非是无可争辩的、正确的事实。要获得正确的事实，必须将科学仪器与理论、实验和技术联系起来，必须将仪器看作是具体的、可错的、不充分的、开放的、且与客体有着复杂关联的认识对象，作为进一步深化和扩张科学知识的物质手段。

总而言之，对于非科学工作者而言，将科学仪器当作科学认识客体既无可能也没必要，只要在实际生活中能用某些仪器就行。然而，对于科学工作者而言，在科学认识过程中，必须将科学仪器既看作工具，又看作客体。表面看来，这好象是对仪器工具化功能的削弱，实际上“降低仪器工具化的功能和作用可以让我们更加完全地将仪器在科学活动中的作用理论化”，([1]， P.303) 可以让我们在促进科学仪器进步的基础上推进科学认识的进步。这点是与科学史相符合的，也是在科学史中确立以自主的实验生命为基础的新趋势所必需的。

参考文献与注释：

[1]Jeffryl Ramsey，On Refusing to be an Epistemologically Black Box:Instruments in Chemical kinesties during the 1920s and 30s，Stud .Hist .Phi1.Sci，Vol.23，No.2，1992，p.286.

[2]对仪器自身所产生的假象要有一个恰当的理解。当我们的视觉是正常的时候，仪器所产生的假象不是不存在的现象，它有着自身产生的基础，在这个意义上说，它是“真象”——真实存在的现象，只不过这样的“真象”或与被研究的对象不相干，或是对对象歪曲的反映，或这样的呈象还没有纳入人类的认识域，因而被研究者拒斥，看作是与对象性认识相对立的“假象”。因此，“假象”也是一种存在，具有本体论意义，只是对科学认识而言，不具有真理性的认识论意义，只具有相对的意义。与人类主观臆想和幻觉不一样，“假象”具有客观现实性，臆想和幻觉不具有。所以，仪器呈象的“虚假”，不在于此现象是否存在，是否是以纯态存在(Hacking就说，实验的主要结果就是现象的创造 )，而在于存在的这一现象是否与被研究的对象有关，且具有什么样的关系。

[3]Ian Hacking，Representing and Intervening，Cambridge University Press，1983，pp.186-209.

[4]实验仪器的不同分为三类：① A、B 两个仪器，根据单一理论操作，这些仪器可依据大小、材料、空间安排、分析步骤等方面不同；② A、B 两个仪器，各自完全依赖于不同的理论，这样的理论可通过它们每个中暗含的陈述集合而区分，如气泡室与火花室；③A、B 两个仪器，部分依赖于相同的理论，部分依赖于不同的理论。

[5] Franklin，A & Howson，C (1984)Why do Scientists Prefer to Vary Their Experiments? Stud.Hist .PhiL Sci 5，pp.51-62.

[6]William J .Mcknney，Experiment on and Experiment with:Polywater and Experiment Realism，Brit.J Phil.Sci.42(1991)，pp.295-307.

[7]非偶然性结论指的是，所获得的结论或是“事实”或是“虚构”。从而将结论所处的认识论状态对立了起来。其实，当科学家使用了能决定性地和单义地确定属性的仪器时，将结论分为“事实”和“虚构”是可行的。但是，当结论嵌入可认识的或明晰的模型中时，“事实”和“虚构”并没有必要对立。

[8] Peter Galison，How Experiments End，Chicago，London:Chicago University Press，1987，pp.252.

[9]Christa Jungnicke and Russell Mccormmach，Intellectual Mastery of Nature，2Vols，Chicago:University Of Chicago Press，1986，V01.2，p.9.

[10]Matthias Dorries，Blances，Spectroscopes，and the Reflexive Nature of Experiment，Stud .Hist.phil.sci，Vol125，No.1，1994，p.17.

[11]Danial Rothbart，the Epistemology of a Spectrometer，phi1.Sci.61(1994)，p.26

[12] 荷兰 kamdingh Omes 的氢液化器与英国 Dewar 的液化器是基于相同原则，并且包含在相同活动中的液化器，但是应该被看作不同仪器。因为前者与后者相比，不仅是一个技术上进步了的仪器，而且也体现了与范德华对应状态规律 (Law of corresponding states) 相关的原理，体现了他的热力学对应操作的思想。这是不同实验文化和理论文化的体现，体现了科学叙述的不同风格。前者导致低温物理学作为一物理分支学科的确立。

[13] Galison P.，1988a，History，Philosophy and the Central Metaphor，Science in Context2，pp.197-212.

[14]Thomas Breuer，The Impossibility of Accurate State Self-Measurements，phil.Sci，62(1995)，p.197.

[15]Berthold-Georg Englert，Marlan 0.Sxully，Herbert Walther，“物质和光的二象性”，《科学》(Scientific American 中文版)，1995，4，pp.30-36.

量子力学应用举例范文

篇1

篇2

篇3

篇4

篇5

篇6

篇7

篇8

篇9

篇10

篇11

篇12

相关精选

量子计算发展

量子通信市场前景

量子力学的基本理论观点

量子计算论文

量子力学结论

相关范文

推荐期刊

量子电子学报