量子力學基本概念的發展范文

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【關鍵詞】量子力學；教學方法；物理思想

“量子力學”是20世紀物理學對人類科學研究兩大標志性貢獻之一，已經成為理工科專業最重要的基礎課程之一，學生熟練掌握量子力學的基本概念和基本理論，具備利用量子力學理論分析問題和解決問題的能力。對提高學生科學素，養培養學生的探索精神和創新意識及亦具有十分重要的意義。但是，量子力學理論與學生長期以來接觸到的經典物理體系相去甚遠，尤其是處理問題的思路和手段與經典物理截然不同，但它們之間又不無關聯，許多量子力學中的基本概念和基本理論是類比經典物理中的相關內容得出的。思維上的沖突導致學生在學習這門課程時困惑不堪。此外，這門課程理論性較強，眾多學生陷于煩瑣的數學推導之中，導致學習興趣缺失。針對這些教學中的問題，如何激發學生學習本課程的熱情，充分調動學生的積極性和主動性，已經成為擺在教師面前的重要課題。對“量子力學”課程的教學內容應作一些合理的調整。

1 合理安排教學內容

1.1 理清脈絡，強化知識背景

從經典物理所面臨的困難出發，到半經典半量子理論的形成，最終到量子理論的建立，對量子力學的發展脈絡進行細致的、實事求是的分析，特別是對量子理論早期的概念發展有一個準確清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已經證明為正確并得到公認的，還存在哪些不完善的地方。這樣一方面可使學生對量子力學中基本概念和基本理論的形成和建立的科學歷史背景有一深刻了解，有助于學生理清經典物理與量子理論之間的界限和區別，加深他們對這些基本概念和基本理論的理解；另一方面，可使學生對蘊藏在這一歷程中的智慧火花和科學思維方法有一全面的了解，有助于培養學生的創新意識及科學素養。比如：對于玻爾理論，由于對量子化假設很難用已經成形的經典理論來解釋，學生往往會覺得不可思議，難以理解。為此，在講解這部分內容時，很有必要介紹一下玻爾理論產生的歷史背景，告訴學生在玻爾的量子化假設之前就已經出現了普朗克的量子論和愛因斯坦的光量子概念，且大量關于原子光譜的實驗數據也已經被掌握，之前盧瑟福提出的簡單行星模型卻與經典物理理論及實驗事實存在嚴重背離。為了解決這些問題，玻爾理論才應運而生。在用量子力學求解氫原子定態波函數時，還可以通過定態波函數的概率分布圖，向學生介紹所謂的玻爾軌道并不是真實存在的，只是電子出現幾率比較大的區域。通過這樣講述，學生可以清晰地體會到玻爾理論的承上啟下的作用，而又不至于將其與量子力學中的概念混為一談。

1.2 重在物理思想，壓縮數學推導

在物理學研究中，數學只是用來表述物理思想并在此基礎上進行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒在復雜的數學形式之中。因此，在教學過程中，教師要著重于加強基本概念和基本理論的講授，把握這些概念和理論中所蘊含的物理實質。對一些涉及繁難數學推導的內容，在教學中刻意忽略具體數學推導過程，著重于使學生掌握其中的思想方法。例如：在一維線性諧振子問題的教學中，對于數學方面的問題，只要求學生能正確寫出薛定諤方程、記住其結論即可，重點放在該類問題所蘊含的物理意義及對現成結論的應用上。這樣，學生就不會感到枯燥無味，而能始終保持較高的學習熱情。

2 改進教學方法

“量子力學”這門課程本身實驗基礎薄弱、理論性較強，物理圖像不夠直觀，一味采取傳統的灌輸式教學，學生勢必感到枯燥，甚至厭煩。學習效果自然大打折扣。為了提高學生學習興趣，激發其學習的積極性，培養其科學探索精神及創新能力，在教學方法上應進行積極的探索。

2.1 發揮學生主體作用

在必要的教學內容講解外，每節課都留出一定的師生互動時間。教師通過創設問題情景，引導學生進行研究討論，或者針對已講授內容，使學生對已學內容進行復習、總結、辨析，以加深理解；或者針對未講授內容，激發學生學習新知識的興趣（比如，在講授完一維無限深方勢阱和一維線性諧振子這

兩個典型的束縛態問題后就可引導學生思考“非束縛態下微觀粒子又將表現出什么樣的行為”），這樣學生就會積極地預習下節內容；或者選擇一些有代表性的習題，讓學生提出不同的解決辦法，培養學生的創新能力。對于在課堂上不能解決的問題，積極鼓勵學生利用圖書館及網絡資源等尋求解決，培養學生的科學探索精神。此外，還可使學生自由組合，挑選他們感興趣的與課程有關的題目進行討論、調研并完成小組論文，這一方面激發學生的自主學習積極性，另一方面使其接受初步的科研訓練，一舉兩得。

2.2 注重構建物理圖像

在實際教學中著重注意物理圖像的構建，使學生對一些難以理解的概念和理論形成較為直觀的印象，從而形成深刻的記憶和理解。例如：借助電子束衍射實驗，通過三個不同的實驗過程（強電子束、弱電子束及弱電子束長時間曝光），即可為實物粒子的波粒二象性構建出一幅清晰的物理圖像；借助電子束衍射實驗圖像，再以光波類比電子波，即可凝練出波函數的統計解釋；借助電子雙縫衍射實驗圖像，可使學生更易接受和理解態疊加原理；借助解析幾何中的坐標系，可很好地為學生建立起表象的物理圖像。盡管這其中光波和電子波、坐標系和表象這些概念之間有本質上的區別，但借助這些學生已經熟知和深刻理解的概念，可使學生非常容易地接受和理解量子力學中難以言明的概念和理論，同時，也可使學生掌握這種物理圖像的構建能力，對培養學生的創新思維具有非常積極地作用。

3 教學手段和考核方式改革

3.1 課程教學采用多種先進的教學方式

如安排小組討論課，對難于理解的概念和規律進行討論。先是各小組內討論，再是小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點進行評述和指正。例如，在講到微觀粒子的波函數時，有的學生會認為是全部粒子組成波函數，有的學生會認為是經典物理學的波。這些問題的討論激發了學生的求知欲望，從而進一步激發了學生對一些不易理解的概念和量子原理進行深入理解，直至最后充分理解這些內容。另外課程作業布置小論文，邀請國內外專家開展系列量子力學講座等都是不錯的方式。

3.2 堅持研究型教學方式

把課程教學和科研相結合，在教學過程中針對教學內容，吸取科研中的研究成果，通過結合最新的科研動態，向學生講授在相關領域的應用以培養學生學習興趣。在量子力學誕生后，作為現代物理學的兩大支柱之一的現代物理學的每一個分支及相關的邊緣學科都離不開量子力學這個基礎，量子理論與其他學科的交叉越來越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚態物理到中子星、黑洞各個層次的研究以量子力學為基礎；量子力學在通信和納米技術中的應用；量子理論在生物學中的應用；量子力學與正在研究的量子計算機的關系等，在教學中適當地穿插這些知識，擴大學生的知識面，消除學生對量子力學的片面認識，提高學生學習興趣和主動性。

量子力學從誕生到發展的物理學史所包含的創新思維是迄今為止哪一門學科都難以比擬的。在20世紀初，經典物理學晴空萬里，然而黑體輻射、光電效應、原子光譜等物理現象的實驗結果嚴重沖擊經典物理學理論，讓經典物理學陷入危機四伏的境地。量子力學的誕生，開啟了人類科學發展的新思維。開展好量子力學的教學活動，在教學過程中展現量子力學數學形式之美，使學生在科學海洋中得到美的享受，有利于極大的提高學生的科學素養，從精神上熏陶他們的創新精神。

【參考文獻】

[1]周世勛.量子力學教程[m].高教出版社，1979.

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這是一部對于量子力學教科書很有價值的補充教材。它對當代物理學的一般理論框架給出了獨特的介紹。這種介紹的焦點集中于概念性的、認識論的和本體論的各個方面的問題。通過追求如下一些問題的答案來發展理論：什么使物質實體一旦形成則既不會坍縮也不會急劇膨脹？什么使得由不“占據空間”的客體（例如粒子物理標準模型中的夸克和膠子）組成的“占據空間”的客體成為穩定的？如此表現出的物質的穩定性成為為什么物理學定律具有它們現有的特殊形式的理由。這些問題是本書關注的中心問題，作者認為這個問題的部分答案是：量子力學。

全書共分3部分23章。第1部分，概述，主要介紹通向薛定諤方程的兩種途徑：歷史的途徑和費曼的路徑積分方法。為理解相關的理論概念，簡略地介紹了一些必要的數學，包括狹義相對論等，力求讓讀者熟悉基礎。含第1-7章：1.概率：基本概念和定理；2. “舊”量子論的簡略歷史；3. 數學的一些插敘；4，“新”量子論的簡略歷史；5. 通向薛定諤的費曼途徑（第一階段）；6. 狹義相對論簡介；7. 通向薛定諤的費曼途徑（第二階段）。第2部分：深度探討，從穩定客體的存在導出量子力學的數學形式。含第8-15章：8. 為什么要量子力學； 9. 經典的力：效果； 10. 經典的力：原因；11. 再談量子力學；12. 自旋；13. 復合系統； 14. 量子統計； 15. 相對論粒子。第三部分：含義，含第16-23章：16. 缺陷； 17. 評價策略；18. 量子世界空間的方方面面； 19. 微觀世界； 20. 物質問題； 21. 表現形式；22. 為什么物理定律恰是如此；23. 量子（quanta）和吠檀多（vedanta）（古代印度哲學中一直發展至今的唯心主義理論）。書末尾有一個附錄，給出了挑選的一些習題的解答。

本書是作者多年來在印度給大學生講授側重于哲學的當代物理學課程的基礎上形成的。本書包括某些概念上新的陳述，盡量做到使這種陳述自成完整的體系，而且盡可能的簡單，以適合廣泛的讀者使用。

這是一部從哲學觀點討論現代物理學諸方面問題的專著，作者敘述的內容范圍非常廣泛，但已經盡可能地簡略。對于從事理論物理的教學及相關方面的研究人員是一本很好的參考書。

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關鍵詞：量子力學；經典科學世界圖景；非機械決定論；整體論；復雜性；主客體互動

Abstract: As one of three revolutions of physics in 20th century， quantum mechanics has greatly transformed the world view of classical science in many aspects. Quantum mechanics breaks though the mechanical determinism in classical science， transforming it into nonmechanical determinism; it changes scientific cognitive process from the theory of reductionism to the theory of wholism; it shifts the way of thinking from pursuing simplicity to exploring the complexity; it also establishes the interaction between subject and object in scientific researches.

Key words: quantum mechanics; world view of classical science; nonmechanical determinism; wholism; complexity; interaction between subject and object

經典科學基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開創的，近三百年內發展起來的一整套觀點、方法、學說。經典科學世界圖景的最大特征是機械論和還原論，片面強調分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學派的量子力學理論三部曲：統計解釋—測不準原理—互補原理所反映的主要觀點是：微觀粒子的各種力學量（位置、動量、能量等）的出現都是幾率性的；量子力學對微觀粒子運動的幾率性描述是完備的，對幾率性的原因不需要也不可能有更深的解釋；決定論不適用于量子力學領域；儀器的作用同觀察對象具有不可分割性，確立了科學活動中主客體互動關系。[1]量子力學的發展從根本上改變了經典科學世界

圖景。

一、量子力學突破了經典科學的機械決定論，遵循因果加統計的非機械決定論

經典力學是關于機械運動的科學，機械運動是自然界最簡單也是最普遍的運動。說它最簡單，因為機械運動比較容易認識，牛頓等人又采取高度簡化的方法研究力學，獲得了空前成功；說它最普遍，因為機械力學有廣泛的用途，容易把它絕對化。[2]機械決定論是建立在經典力學的因果觀之上，解釋原因和結果的存在方式和聯系方式的理論。機械決定論認為因和果之間的聯系具有確定性，無論從因到果的軌跡多么復雜，沿著軌跡尋找總能確定出原因或結果；機械決定論的核心在于只要初始狀態一定，則未來狀態可以由因果法則進行準確預測。[3]其實，機械決定論僅僅適用于宏觀物體，而對于微觀領域以及客觀世界中大量存在的偶然現象的研究就產生了統計決定論。[4]

量子力學是對經典物理學在微觀領域的一次革命。量子力學所揭示的微觀世界的運動規律以及以玻爾為代表的哥本哈根學派對量子力學的理解，同物理學機械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論，微觀粒子運動遵守統計規律，我們不能說某個電子一定在什么地方出現，而只能說它在某處出現的幾率有多大。

玻恩的統計解釋指出，因果性是表示事件關系之中一種必然性觀念，而機遇則恰恰相反地意味著完全不確定性，自然界同時受到因果律和機遇律的某種混合方式的支配。在量子力學中，幾率性是基本概念，統計規律是基本規律。物理學原理的方向發生了質的改變：統計描述代替了嚴格的因果描述，非機械決定論代替了機械決定論的統治。

經典統計力學雖然也提出了幾率的概念，但未能從根本上動搖嚴格決定論，量子力學的沖擊則使機械決定論的大廈坍塌了。量子力學揭示并論證了人們對微觀世界的認識具有不可避免的隨機性，它不遵循嚴格的因果律。任何微觀事件的測定都要受到測不準關系的限定，不可能確切地知道它們的位置和動量、時間和能量，只能描述和預言微觀對象的可能的行為。因此，量子力學必須是幾率的、統計的。而且，隨著認識的發展，人們發現量子統計的隨機性，不是由于我們知識和手段的不完備性造成的，而是由微觀世界本身的必然性（主客體相互作用）所注定。

二、量子力學使得科學認識方法由還原論轉化為整體論

還原論作為一種認識方法，是指把高級運動形式歸結為低級運動形式，用研究低級運動形式所得出的結論代替對高級運動形式的本質認識的觀點。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩定的觀點和規律去解釋、說明要研究的對象。其目的是簡化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類認識處于初級水平上無疑是有效的。如牛頓將開普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學的本質，以及完全還原是不可能的，決定了還原論不能揭示世界的全貌。

量子力學認為整體與部分的劃分只有相對意義，整體的特征絕非部分的疊加，而是部分包含著整體。部分作為一個單元，具有與整體同等甚至還要大的復雜性。部分不僅與周圍環境發生一定的外在聯系，同時還要表現出“主體性”，可將自身的內在聯系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現了有機的自覺因果關系。在特定的臨界狀態，部分的少許變化將引起整體的突變。[6]

波粒二象性是微觀世界的本質特征，也是量子論、量子力學理論思想的靈魂。用經典觀點來看，也就是按照還原論的思想，粒子與波毫無共同之處，二者難以形成直觀的統一圖案，這是經典物理學通過部分還原認識整體的方法，是“向上的原因”。可是微觀粒子在某些實驗條件下，只表現波動性；而在另一些實驗條件下，只表現粒子性。這兩種實驗結果不能同時在一次實驗中出現。于是，玻爾的互補原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關于微觀世界認識的矛盾，并試圖尋找一種解決矛盾的方法，這就是微觀粒子既具有粒子性又具有波動性，即波粒二象性。這就是整體論觀點強調的“向下的原因”，即從整體到部分。同樣，海森伯的測不準原理說明不能同時測量微觀粒子的動量和位置，這也說明絕不能把宏觀物體的可觀測量簡單盲目地還原到微觀。由此我們可以看出，造成經典科學觀與現代科學觀認識論和方法論不同的根本在于思考和觀察問題的層面不同。經典科學一味地強調外在聯系觀，而量子力學則更強調關注事物內部的有機聯系。所以，量子力學把內在聯系作為原因從根本上動搖了還原論觀點。

三、量子力學使得科學思維方式由追求簡單性發展到探索復雜性

從經典科學思維方式來看，世界在本質上是簡單的。牛頓就說過，自然界喜歡簡單化，而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡單性是經典科學奮斗的目標，也是推動它獲取成功的動力。開普勒以三條簡明的定律揭示了看似復雜的太陽系行星運動，牛頓更是用單一的萬有引力說明了千變萬化的天體行為。因而現代科學是用簡單性解釋復雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。

量子力學初步揭示了客觀世界的復雜性。經典科學的簡單性是與把物理世界理想化相聯系的。經典物理學所研究的是理想的物質客體。它不但用理想化的“質點”、“剛體”、“理想氣體”來描述物體，而且把研究對象的條件理想化，使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內。而客觀世界并不是如此，特別是進入微觀領域，微觀粒子運動的幾率性、隨機性；觀測對象和觀測主體不可分割性等都足以說明自然界本身并不是我們想象的那么簡單。

在現代科學中，牛頓的經典力學成了相對論的低速現象的特例，成為非線性科學中交互作用近似為零的情況，在量子力學中是測不準關系可以忽略時的理論表述。復雜性的提出并不是要消滅簡單性，而是為了打破簡單性獨占的一統地位。復雜性是把簡單性作為一個特例包含其中，正如莫蘭所說的，復雜性是簡單性和復雜性的統一。復雜性比簡單性更基本，可能性比現實性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學思維方式，不是以現實來限制可能，而是從可能中選擇現實；不是以既存的實體來確定演化，而是在演化中認識和把握實體。復雜性主張考察被研究對象的復雜性，在對其作出層次與類別上的區分之后再進行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強調的是一種整體的協同。

四、量子力學使科學活動中主客體分離邁向主客互動

經典科學思維方式的一個指導觀念就是，認為科學應該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來樣子的”世界知識。玻爾告訴人們，根本不存在所謂的“真實”，除非你首先描述測量物理量的方式，否則談論任何物理量都是沒有意義的！測量，這一不被經典物理學考慮的問題，在面對量子世界如此微小的測量對象時，成為一個難以把握的手段。因為研究者的介入對量子世界產生了致命的干擾，使得測量中充滿了不確定性。在海森伯看來，在我們的研究工作由宏觀領域進入微觀領域時，我們就會遇到一個矛盾：我們的觀測儀器是宏觀的，可是研究對象卻是微觀的；宏觀儀器必然要對微觀粒子產生干擾，這種干擾本身又對我們的認識產生了干擾；人只能用反映宏觀世界的經典概念來描述宏觀儀器所觀測到的結果，可是這種經典概念在描述微觀客體時又不能不加以限制。這突破了經典科學完全可以在不影響客體自然存在的狀態下進行觀測的假定，從而建立了科學活動中主客體互動的關系。

例如，關于光到底是粒子還是波，辯論了三百多年。玻爾認為這完全取決于我們如何去觀察它。一種實驗安排，人們可以看到光的波現象；另一種實驗安排，人們又可以看到光的粒子現象。但就光子這個整體概念而言，它卻表現出波粒二象性。因此，海森伯就說，我們觀測的不是自然本身，而是由我們用來探索問題的方法所揭示的自然。[8]

量子力學的發展表明，不存在一個客觀的、絕對的世界。唯一存在的，就是我們能夠觀測到的世界。物理學的全部意義，不在于它能夠描述出自然“是什么”，而在于它能夠明確，關于自然我們能夠“說什么”。

參考文獻

[1]林德宏. 科學思想史[M].第2版.南京：江蘇科學技術出版社，2004：270-271.

[2]郭奕玲，沈慧君. 物理學史[M].第2版.北京：清華大學出版社，1993：1-2.

[3]劉敏，董華. 從經典科學到系統科學[J].科學管理研究，2006，24(2)：44-47.

[4]宋偉.因果性、決定論與科學規律[J].自然辯證法研究，1995，11(9)：25-30.

[5]彭桓武. 量子力學80壽誕[J].大學物理，2006，25(8)：1-2.

[6]疏禮兵，姜巍. 近現代科學觀的演進及其啟示[J].科學管理研究，2004，22(5)：56-58.

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隨著高科技的發展，手機、筆記本、平板電腦等小型電子設備在我們的生活中得到了廣泛應用，以晶體管為中心的半導體技術使這些成為可能。固態晶體管的發明已成為人類在過去一個世紀中最重要的科技進步，其影響力遍及我們生活的各個方面。

將電子設備的尺度再降低一個等級，就到了納米層次，在納米維度上理解電流的特性越來越重要。本書力求對從宏觀尺度到原子層次的傳輸現象做一個深入淺出的概述。有兩種方法可以制造納米尺度的設備，一種是自上而下的方法，這種方法在半導體工業中已被成功應用，另一種是自下而上的方法，這種方法正是目前納米科學研究的前沿。自下而上的納米技術并不能完全取代自上而下的技術，兩者往往相輔相成。但無論哪種方法，都需要深刻理解納米尺度的傳輸效應。

本書共分為6章：1.量子力學的基本概念及其與材料電特性的關系，并從量子力學角度對電阻和晶體管中的傳輸效應進行了解釋；2.從量子力學角度闡述了電流、電壓和電阻之間的量子特征關系；3.量子與宏觀區域的邊界，并介紹了幾何、尺寸和微觀結構是如何影響納米尺度下的阻抗特性的；4.用于在納米尺度下探測結構電特性的技術――掃描探針顯微鏡方法；5.電流產生的負面效應――納米線中的熱效應和電子遷移，這些負面效應非常重要，因為微處理器中晶體管的收縮會造成它們之間的連接體也產生收縮，而納米尺度上小線的回彈性與微米尺度上長線的回彈性不同；6.分子電子學，通過對這一領域的研究有望實現新型的電路功能。

本書可作為量子力學、掃描探針顯微鏡法和電子傳輸的入門參考書。

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半導體物理學是以半導體中原子狀態和電子狀態以及各種半導體器件內部電子運動過程為研究對象的學科，是固體物理的一個重要組成部分，凝聚態物理的一個活躍分支[1]。半導體物理學是一門公認的難教、難學的課程，為了提高半導體物理學的教學質量，相關院校的教師們提出了許多有益的建議和有效的方法，如類比學習法[2]、多媒體教學法、市場導向法[3]等。基于提高課堂效率、改善半導體物理學課程的教學效果的目標，作者在樂山師范學院材料科學工程專業（光伏方向）的半導體物理學的教學中，對傳統的課堂教學模式進行改革，在半導體物理學的課堂教學中采用“學案導學”教學模式，該文就“學案導學”教學模式在樂山師范學院材料科學工程專業（光伏方向）的半導體物理學課程教學實踐作一簡述，供同行參考。

1 半導體物理學課程教學模式改革的必要性和迫切性

傳統半導體物理學的主要內容包含半導體的晶格結構、半導體中的電子狀態、雜質和缺陷能級、載流子的統計分布、非平衡載流子及載流子的運動規律、p―n結、異質結、金屬半導體接觸、表面及MIS結構等半導體表面和界面問題以及半導體的光、熱、磁、壓阻等物理現象[4]。但是近年來半導體物理發展迅猛，新現象、新理論、新的研究領域不斷涌現。上世紀50～60年代，屬于以固體能帶理論、晶格動力學理論、金屬―半導體接觸理論、p-n結理論和隧道效應理論為主的晶態半導體物理時代；70～80年代則形成半導體超晶格物理、半導體表面物理和非晶態半導體物理三足鼎立的格局；90 年代以后，隨著多孔硅、C60以及碳納米管、納米團簇、量子線與量子點微結構的興起，納米半導體物理的研究開始出現并深化；現在，以GaN為主的第三代半導體、有機聚合物半導體、光子帶隙晶體以及自旋電子學的研究，使半導體物理研究進入一個新的里程[5]。

半導體物理學是材料科學工程專業（光伏方向）的核心專業課程，是太陽能電池原理等后續專業課程的基礎。它是一門理論性較強同時又和實踐密切結合的課程。要透徹學習半導體物理學，既要求有較強的數學功底，熟悉微積分和數理方程；又要求有深厚的物理理論基礎，需要原子物理、統計物理、量子力學、固體物理等前置課程作為理論基礎。由于材料科學工程（光伏方向）培養目標側重于培養光伏工程專業技術人才，而不是學術型的研究人才，在課程設置方面有自己的獨特要求，學生在學習半導體物理之前，沒有系統學習過數學物理方程、量子力學、固體物體、統計物理等專業課程，所以理論基礎極其薄弱，這給該門課程的教學帶來極大的困難和挑戰。而且半導體物理的理論深奧，概念多，公式多，涉及知識范圍廣，理論推導復雜，沿用“教師講學生聽”的傳統課堂教學模式，學生學習興趣不高，直接的結果就是課程教學質量較低，教學效果不好，學生學習普遍被動。面對發展迅猛的半導體物理和目前教學現狀，如果不對“教師講、學生聽”的半導體物理學的課堂教學模式進行改革，難以跟上形勢的發展。為此教師要在半導體物理學教學中采用了“學案導學”教學模式。

2 “學案導學”導學教學模式在半導體物理課程教學中的實施過程

“學案導學”教學模式由“學、教、練、評”四個模塊構成。“學”，就是學生根據教師出示的教學目標、教學重點、教學難點，通過自學掌握所學內容?！敖獭?，就是教師講重點、難點、講思路等?！熬殹?，就是通過課堂訓練和課后練習相結合，檢驗學習效果?！霸u”，就是通過教師點評方式矯正錯誤，總結方法，揭示規律?！皩W案導學”教學模式相對于傳統教學模式的改革絕不是一蹴而就的課堂教學形式的簡單改變，而是一項復雜的系統工程，包括教學模式的總體目標確定、教學內容的重新構建、導學案的編寫、課堂教學過程的實施。

2.1 半導體物理學“學案導學”教學模式總體目標的確定

半導體物理學課堂教學模式創新的總體目標是：以材料科學工程專業（光伏方向）人才培養方案和半導體物理學課程教學大綱依據，以學生為主體，以訓練為主線，以培養學生的思維方式、創新精神和實踐能力為根本宗旨，倡導自主、合作、探究的新型學習方式，構建自主高效的課堂教學模式；注重學生的主體參與，體現課堂的師生互動和生生互動，關注學生的興趣、動機、情感和態度，突出學生的思維開發和能力培養；針對學生的不同需求，實行差異化教學，面向全體，分層實施。

2.2 根據人才培養方案構建合理有效的教學內容

半導體物理學的教材種類較多，經典教材包括：黃昆、謝希德主編的《半導體物理》（科學出版社出版）；葉修良主編《半導體物理學》（高等教育出版社出版）；劉恩科、朱秉生主編《半導體物理學》（電子工業出版社出版）。該校教研組經過認真分析，選擇劉恩科主編的《半導體物理學》第7版作為教材，該書內容極其豐富，全書共分13章，前五章主要講解晶體半導體的結構、電子的能帶、載流子的統計分布、半導體的導電性、非平衡載流子理論等基礎知識，第6章講PN結理論，第7章講金屬和半導體的接觸性能、第8章講半導體的表面理論、第9章講半導體的異質結構，第10、11、12章講解半導體的光學性質、熱電性質、磁和壓電效應，第13章講解非晶態半導體的結構和性質；該教材理論性很強，有很多繁雜的數學推導，要真正掌握教材所講內容，需要深厚的數學功底和物理理論功底。該校材料科學工程專業（光伏方向）立足于培養光伏工程的應用型人才，學生理論功底較為薄弱，故我們對理論推導不做過高的要求，但對推導的結果要形成定性的理解。具體要求學生掌握半導體物理學的基本理論、晶體半導體材料的基本結構、半導體材料基本參數的測定方法。根據人才培養方案的要求，我們確定的主要理論教學內容有：（1）半導體中的電子狀態；（2）半導體中的雜質和缺陷能級；（3）半導體中載流子的統計分布；（4）半導體的導電性；（5）非平衡載流子理論；（6）PN節；（7）金屬和半導體接觸；（8）半導體表面理論。對半導體的光學性質、熱電性質、磁和壓電效應以及非晶態半導體不做要求。在課程實踐方面我們開設四個實驗：（1）半導體載流子濃度的測定；（2）少數載流子壽命的測量；（3）多晶硅和單晶硅電阻率的測量；（4）PN節正向特性的研究和應用。

2.3 立足學生實際精心編寫導學案

“導學案”是我們指導學生自主學習的綱領性文件，對每個教學內容都精心編寫了“導學案”?！皩W案”主要包括每章節的主要內容、課程重點、課程難點、基本概念、基本要求、思考題等六個方面的內容。以“半導體中的電子狀態”為例，我們編寫的導學案如下：

2.3.1 本節主要內容

原子中的電子狀態：

（1）玻耳的氫原子理論；（2）玻耳氫原子理論的意義；（3）氫原子能級公式及玻耳氫原子軌道半徑；（4）索末菲對玻耳理論的發展；（5）量子力學對半經典理論的修正；（6）原子能級的簡并度。

晶體中的電子狀態：

（1）電子共有化運動；（2）電子共有化運動使能級分裂為能帶。

半導體硅、鍺晶體的能帶：

（1）硅、鍺原子的電子結構；（2）硅、鍺晶體能帶的形成；（3）半導體（硅、鍺）的能帶特點

2.3.2 課程重點

（1）氫原子能級公式，氫原子第一玻耳軌道半徑，這兩個公式還可用于類氫原子。（今后用到）

（2）量子力學認為微觀粒子（如電子）的運動須用波函數來描述，經典意義上的軌道實質上是電子出現幾率最大的地方。電子的狀態可用四個量子數表示。

（3）晶體形成能帶的原因是由于電子共有化運動。

（4）半導體（硅、鍺）能帶的特點：

①存在軌道雜化，失去能級與能帶的對應關系。雜化后能帶重新分開為上能帶和下能帶，上能帶稱為導帶，下能帶稱為價帶。

②低溫下，價帶填滿電子，導帶全空，高溫下價帶中的一部分電子躍遷到導帶，使晶體呈現弱導電性。

③導帶與價帶間的能隙（Energy gap）稱為禁帶（forbidden band），禁帶寬度取決于晶體種類、晶體結構及溫度。

④當原子數很大時，導帶、價帶內能級密度很大，可以認為能級準連續。

課程難點：原子能級的簡并度為（2l+1），若記入自旋，簡并度為2（2l+1）；注意一點，原子是不能簡并的。

基本概念：電子共有化運動是指原子組成晶體后，由于原子殼層的交疊，電子不再局限在某一個原子上，可以由一個原子轉移到另一個原子上去。因而，電子將可以在整個晶體中運動，這種運動稱為電子的共有化運動。但須注意，因為各原子中相似殼層上的電子才有相同的能量，電子只能在相似殼層中轉移。

基本要求：掌握氫原子能級公式和氫原子軌道半徑公式；掌握能帶形成的原因及電子共有化運動的特點；掌握硅、鍺能帶的特點。

思考題：（1）原子中的電子和晶體中電子受勢場作用情況以及運動情況有何不同，原子中內層電子和外層電子參與共有化運動有何不同。（2）晶體體積的大小對能級和能帶有什么影響。

2.4 以學生為主體組織課堂教學

在每次上課的前一周，我們將下周要學習的內容的導學案印發給學生，人手一份，讓學生按照導學案的要求先在課余時間提前預習，對一些基本概念要有初步的理解，對該課內容要形成基本的認識。比如，我們在學習“半導體中的電子狀態”這一內容時，要求學生通過預習要清楚：孤立原子中的電子所處的狀態是怎樣的；晶體中的原子狀態又是怎樣的；半導體硅、鍺的能帶有何特點。在課堂教學中我們的教學組織程序是一問、二討論、三講解、四總結。一問，是指通過提問，抽取個別同學回答問題，了解學生的自主學習情況。二討論是指讓同學們就教師提出的問題開展自主深入的討論。例如就晶體中電子的狀態這一問題，讓學生討論什么是共有化運動；電子的共有化遠動是如何產生的；電子的共有化運動有何特征；電子的共有化運動如何使能級分裂為能帶。讓學生暢所欲言，充分發表自己的意見，教師認真聆聽，發現學生的錯誤認識，為下一步的講解做好準備。三講解是指就三個方面的知識進行講解，其一是就學生討論過程中的錯誤認識和錯誤觀點及時的糾正；其二是對學生不具備的理論知識進行補充講解，例如學生不具備量子力學基礎，就要給學生補充講解量子力學認為微觀粒子（如電子）的運動須用波函數來描述，經典意義上的軌道實質上是電子出現幾率最大的地方，電子的狀態可用四個量子數表示；其三是就難點進行講解，比如原子能級的簡并度，學生理解起來較為困難，就需要教師深入細致地講解；四總結就是歸納本堂課要掌握的重點知識，那些基本概念必須掌握，那些基本公式必須會應用。

篇6

關鍵詞： 結構化學；教學效果；探索與實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）16-0256-02

0 引言

結構化學作為普通高?；瘜W專業的重要基礎理論專業課，此課程是以量子力學和現代分析測試儀器為理論和技術基礎，研究原子、分子以及晶體的微觀結構、運動規律和結構與性質之間的關系的一門學科，這門課的核心內容包含兩部分內容-電子結構和空間結構，前者研究描述電子運動狀態的波函數，后者主要是分子和晶體在空間的排布情況；一條主線為結構決定性質[1-3]。量子化學是結構化學的理論基礎，它有固有的不可避免的數學結構，還有很多復雜抽象的哲學概念，因此很多學生感到難學，容易喪失結構化學學習的興趣。所以，本文針對課程特點，在總結結構化學教學經驗基礎上，探索教學方法，提高學生積極性，提高課堂教學效果。

1 教學與學科發展史相結合

量子力學雖然是結構化學學習的理論基礎，但并不是主要內容，在課程上只是用量子力學引出對結構化學非常重要的新概念，例如原子軌道、分子軌道、能級等，從微觀世界解釋或預言化學問題，但根本不會把課程深入到量子力學的叢林中。所以在課程開篇時讓學生了解量子力學發展史上一些事件，接受量子概念，理解化學問題，從而學到科學方法論。

例如在課程開篇前介紹課程大致框架，介紹結構化學發展史與諾貝爾獎，通過諾貝爾獎獲得者的簡介讓學生了解結構化學發展史，從而吸引學生學習興趣。在介紹19世紀末經典力學時，引入開爾文在新年獻詞中的話-物理學上空飄著兩朵烏云：Michelson-Morley實驗和黑體輻射，吸引學生們的學習興趣。在后期教學中，向學生介紹德布羅意：他大學學習歷史畢業后受哥哥影響對物理發生興趣，一戰后隨朗之萬攻讀博士，在博士論文里面提出的理論揭示了光子和物質粒子之間的對稱性，并得到了愛因斯坦的肯定，在1929年獲得諾貝爾獎。通過德布羅意的簡介告訴學生興趣是最好的老師，學習結構化學也是如此，從而克服學生畏難情緒。

另外，在教學中根據學科發展，適時增加教材中沒有的學科前沿熱點和動態，學生反饋意見表明，通過教學與學科發展史相結合、課堂與學科前沿相結合的講授方式，使學生學到基礎知識同時，又能知道課程知識與科研之間的聯系， 激發了學生們的學習興趣和從事科研的熱情。

2 課堂教學注重準確性和條理性

由于結構化學的課程特點，教師講授過程中如果稍有疏忽，容易導致學生繼續學習的興趣下降。所以，在授課過程中不能照本宣科，不能照著PPT課件念，必須對于基本概念基本理論要有準確的描述和解釋，不能模棱兩可。很多的數理推導貫穿于結構化學課程中，但是對于這些推導過程并不要求學生掌握，但是教師也不能避而不談，必須講清楚詳細的推導過程，讓學生知道來龍去脈，從而學生才能更好的掌握和理解這些結論。例如在講解單電子原子的Schr dinger方程及其解這一節時，先給學生簡單介紹氫原子體系薛定諤方程的處理，在變數分離以后得到三個方程，從而根據方程的邊界條件引入三個量子數，讓學生明白根據三個方程分別得到的是哪些量子數，這樣學生對量子數就有了清晰的認識，再結合無機化學課程里面的知識，對下一節量子數的物理意義就有了很好的認識。

3 理論聯系實際，注重能力培養

結構和性能的關系是結構化學課程的一條主線，雖然本課程理論性很強，但是還是有實驗和技術基礎的支撐。在課本第四章分子的對稱性理論課結束后增加1-2周的模型實習，給出第四章課本出現的分子的球棍模型，讓學生了解其對稱性，讓后將分子拆開后再組裝起來，通過這種練習加深學生對分子對稱性的理解。另外，基于學校的科研平臺，讓學生參與教師的科研課題中來，在儀器的使用實驗過程中，將所學知識用到實際操作中，學會處理數據，將所學知識應用到實踐中，加深對課程知識的理解，加深學生科研能力。實踐表明，化學專業部分學生通過這個過程提高了動手能力，在研究生面試實驗環節以及中學教學中都取得了很好的效果，部分研究生總體面試成績還是名列前茅。

4 充分利用多媒體教學手段輔助教學

隨著科學技術的發展，計算機在各個領域得到了廣泛的應用，各個學校均使用了多媒體教學?？梢园汛罅恐R點列于幻燈片中，通過教師講解框架結構，讓學生充分理解課程知識點之間的聯系，加深對知識的掌握。結構化學是在微觀層面研究原子、分子以及晶體的結構和性質。傳統教學沒有直觀演示，學生會剛拿到枯燥無味，難以理解結構和性質之間的內在關系。因此在教學中我們用Chemwindow6.0，Origin 7.5，Flash等軟件制作原子軌道線性組合成分子軌道動態圖、分子的三維空間結構圖，晶體結構圖，使得抽象變得具體，更直觀更清晰地展示出分子的三維空間結構圖，讓學生在短時間內獲得大量知識，從而提高了教學效率。

5 課程教學與練習同步

在課程教學前，教師可以提前制作結構化學題庫，題庫內容應每章節的知識點，主要題型為選擇題、判斷題、填空題、問答題和計算題。在每一章教學中和結束后，始終貫穿著練習，隨時把握學生掌握情況，及時解決學生出現問題?？己藢W生掌握情況可以包括課堂提問和發問，課后作業以及每章從題庫抽取的練習題測試等多種形式，在教與學中把“過程”和“終結”有機結合起來，例如在講授完量子數意義后，引入一道化學奧賽題：假如某星球的元素量子數服從下面限制：n為正整數；l=0、1、2……；m=±l；ms=+1/2，那么在這個星球上，前4個惰性元素的原子序數各是多少？在解這樣的題中讓學生學會活學活用?？傊?，采用引起學生注意、提供學習的指導、后期反饋等一系列環節，學生的學習興趣提高，學習效果有很大的改善。

6 小結

在結構化學教學中，通過以上幾種方法的有機結合，學生教學評價最多的是學習主動性顯著提高，興趣有很大提高，課堂氣氛活躍。學生自己獲取和應用知識、解決課程問題能力有了很大的提高，學生也不再感覺“結構學習如登天”、“結構不再是噩夢”。

參考文獻：

[1]周公度，段連運.結構化學基礎（第四版）[M].北京：北京大學出版社，2008.

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二十世紀即將結，二十一世紀即將來臨，二十世紀是光輝燦爛的一個世紀，是個類社會發展最迅速的一個世紀，是科學技術發展最迅速的一個世紀，也是物理學發展最迅速的一個世紀。在這一百年中發生了物理學革命，建立了相對信紙和量子力學，完成了從經典物理學到現代物理學的轉變。在二十世紀二、三十年代以后，現代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發展，產生了一系列的新學科的交叉學科、邊緣學科，人類對物質世界的規律有了更深刻的認識，物理學理論達到了一個新高度，現代物理學達到了成熟的階段。

在此世紀之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀物理學的發展前景，探索今后物理學發展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先，我們來回顧一下上一個世紀之交物理學發展的情況，把當前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀物理學發展的方向是很有幫助的。

一、歷史的回顧

十九世紀末二十世紀初，經典物物學的各個分支學科均發展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經觀察到的物理現象。由于經典物理學的巨大成就，當時不少物理學家產生了這樣一種思想：認為物理學的大廈已經建成，物理學的發展基本上已經完成，人們對物理世界的解釋已經達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數測得更精確一些。

然而，在十九世紀末二十世紀初，正當物理學家在慶賀物理學大廈落成之際，科學實驗卻發現了許多經典物理學無法解釋的事實。首先是世紀之交物理學的三大發現：電子、X射線和放射性現象的發現。其次是經典物理學的萬里晴空中出現了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結果與經典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經典物理學的傳統觀念受到巨大的沖擊，經典物理發生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦創立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創立了量子力學。現代物理學誕生了！

把物理學發展的現狀與上一個世紀之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

在相對論和量子力學建立起來以后，現代物理學經過七十多年的發展，已經達到了成熟的階段。人類對物質世界規律的認識達到了空前的高度，用現有的理論幾乎能夠很好地解釋現在已知的一切物理現象?？梢哉f，現代物理學的大廈已經建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀之交的情況很相似。因此，有少數物理學家認為今后物理學不會有革命性的進展了，物理學的根本性的問題、原則問題都已經解決了，今后能做到的只是在現有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發展現代物理學，對現有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經驗，多數物理學家并不贊成這種觀點，他們相信物理學遲早會有突破性的發展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。

雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。客觀物質世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統構成。物質世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學研究的目的包括：探索各層次的運動規律和探索各層次間的聯系。

回顧二十世紀物理學的發展，是在三個方向上前進的。在二十一世紀，物理學也將在這三個方向上繼續向前發展。

1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經了解了原子核的結構，發現了大量的基本粒子及其運規律，建立了核物理學和粒子物理學，認識到強子是由夸克構成的。今后可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務，所以我認為近期內在這個方向上難以有突破性的進展。

2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續有所發展。從根本上來說，現代宇宙學的繼續發展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠處觀測的新結果，這需要人類制造出比哈勃望遠鏡性能更優越得多的、各個波段的太空天文望遠鏡，這是很艱巨的任務。

我個人對于近年來提出的宇宙創生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的?，F代宇宙學只研究我們這個“宇宙”，當然只能得到近似的結果，把他們的延伸到“宇宙”創生了初及遙遠的未來，則失誤更大。

3）深入探索各層次間的聯系。

這正是統計物理學研究的主要內容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態統計物理學有了得大的發展，然后建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發展有廣闊的前景。

上述的物理學的發展依然現代物理學現有的基本理論的框架內。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發展呢？有一些物理學家在追求“超統一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學家正在探索加上強力的“大統一理論”以及再加上引力把四種力都統一起來的“超統一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當初探索“統一場論”是基于他的“物理世界統一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質世界是既統一，又多樣化的”。且莫論追求“超統一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發展過程中，各個具體過程的發展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數相對的真理之總和，就是絕對的真理?！薄叭藗冊趯嵺`中對于真理的認識也就永遠沒有完結。”[5]

現代物理學的革命將怎樣發生呢？我認為可能有兩個方面值得考試：

1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現在我們不知道。我的直覺是：將來最早發現的第五種力可能存在于生命現象中。物質構成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學業與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發展的方向之一，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發展。

2）現代物理學理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應該通過審思現代物理學理論基礎的不完善性來探尋現代物理學革命的突破口，在下一節中將介紹我的觀點。

三、現代物理學的理論基礎是完美的嗎？

相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎是否十全十美的

呢？我們來審思一下這個問題。

1）對相對論的審思

當年愛因斯坦就是從關于光速和關于時間要領的思考開始，創立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現代物理學革命的突破口，也應該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護坦創立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導出了洛侖茲變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護擔提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。

時間、空間是物質運動的表現形式，不能脫離物理質運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關于什么運動的時空?，F代物理學認為超距作用是不存在的，A處發生的“事件”影響B處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關于由電磁相互作用引起的物質運動的時空，適用于描述這種運動。

愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質運動，實際上就暗含了這樣的假設：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質世界統一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質世界既統一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關于由電磁力引起的物質運動的四維時空（x，y，z，ict）和關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導出c＇的數值。

我在二十多年前開始形成上述觀點，當時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經過長斯的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結果，隨后這項工作冷下去了。根據愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現代實驗技術能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，這樣弱的引力波應該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導出引力波的強度比根據愛因勞動保護坦理論預言的強度弱得多的結果。

弱力、強力與引力、電磁力有本質的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質量和能量有關，因而其傳遞速度是多種多樣的。

在研究由弱或強相互作用引起的物質運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應該用弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學和粒子物理學是外行，不想貿然回答這個問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關于由弱力或強力引起的物質運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。設弱或強相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數，而是可變的，則關于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規范粒子的靜質量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統一起來了，因此有可能c1=c，則關于由弱力引起的運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關于由強力引起的運動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學和新的粒子物理學等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。

1）對量子力學的審思

從量子力學發展到量子場論的時候，遇到了“發散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難?！鞍l散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。

現在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統的德布羅意關系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關系，就必須面對使新的理論滿足相對論協變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關?，F在的量子力學理論中時寬人的定義實質上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應考慮相關的物質運動的類別。模糊數學已經發展得相當成熟了，把這個數學工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。

1）在二十一世紀物理學將在三個方向上繼續向前發展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯系，進一步發展非線性科學。

2）可能應該從兩方面去控尋現代物理學革命的突破口。（1）發現客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學的理論基礎，重新定義時間、空間，建立新的理論

篇8

關鍵詞：智能信息處理技術；量子計算智能導論；教學實踐

人類正被數據淹沒，卻饑渴于知識。面臨浩瀚無際而被污染的數據，人們呼喚從數據中來一個去粗取精、去偽存真的技術。而數據挖掘就是從大量數據中識別出有效的、新穎的、潛在有用的，以及最終可理解的知識和模式的高級操作過程，所以數據挖掘也可以說是一個模式識別的過程，因此模式識別領域的許多技術經過一定的改進便可以在數據挖掘中起重要的作用。計算智能(Computational Intelligence-CI)方法是傳統人工智能(Artificial Intelligence，AI)的擴展，它是模式識別技術發展的新階段[1]。

科學家預言：“21世紀，人類將從經典信息時代跨越到量子信息時代”。創立了一個世紀的量子力學隨著20世紀90年代與信息科學交叉融合誕生的量子信息學，已成為量子信息時代來臨的重要標志[2]。量子計算智能導論作為信息科學、計算機科學、智能信息處理、人工智能等相關專業的研究生專業課程，已經在越來越多的高等學校開設。

由于量子計算智能是一門跨越包括物理學、數學、計算機科學、電子機械、通訊、生理學、進化理論和心理學等學科在內的深奧科學，因此量子計算智能導論的教學內容和側重點的安排目前仍處在探索階段，尤其作為研究生課程如何使得學生在掌握深奧理論的基礎上結合實際應用，將理論轉化為技術與工具，從而提高動手能力，這是每個研究生專業課任課老師的核心探索所在，因此就要求老師在授業解惑的同時關注前沿，以該學科的前沿領域為教學指引，進而更好的培養研究生主動探索知識的能力。

1教材選擇

一本好的教材為教學起到了畫龍點睛的作用，因此教材的選擇即是老師對教學內容，教學目標和教學方法的選擇。我們選擇教材，期望該教材由淺入深、深入淺出、可讀性好，具有系統性、交叉性、前沿性等特點。由于量子計算智能導論為全校研究生的專業課程，而量子計算智能是一門多學科交叉的綜合型學科，因此我們要考慮到來自學校不同專業背景，以及在物理，數學，工程優化和進化理論基礎有限的兩難困境，所以首先選擇了一本關于量子計算的英文原版書作為教材之一，Michael Nielsen等人所著的《Quantum Computation and Quantum Information》[3]，2003年高等教育出版社出版，該書全面介紹了量子計算與量子信息學領域的主要思想與技術。到目前為止，該領域的高速進展與學科交叉的特性使得初學者感到困惑而不易對其主要技術與結論有綜合性的認識，而該書特色在于對量子機制和計算機科學給予了指導性介紹，使得那些沒有物理學或計算機科學背景的學生對此也易于接受，為學生提供了詳實的關于量子計算的物理原理和基本概念；另外考慮到這門課程面向研究生，無論將來他們是直接就業還是繼續深造，都要注重實踐動手能力的培養，要能夠將自己所學的書本知識轉化為技術和工具，去解決實際的工程和科研問題，因此我們還選擇了另外一門書，由李士勇教授所著的《量子計算與量子優化算法》[4]，哈爾濱工業大學出版社于2009年出版，該書著重講解了量子優化算法，為實際工程應用提供了新的思路，并啟發大家在量子計算機沒有走出實驗室的今天，如何利用現有的數字式計算機構造具有量子特性的快速算法。當然考慮到全校研究生的專業知識背景不同，我們也推薦了中南大學蔡自興教授等編著，2004年由清華大學出版社出版的《人工智能及其應用：研究生用書(第三版)》[5]，該書是蔡自興為主講教授的國家精品課程人工智能的配套教材，該本書中系統全面的講解了高級知識推理、分布式人工智能與艾真體、計算智能、進化計算、群智能優化、自然計算、免疫計算以及知識發現和數據挖掘等近年的熱點智能方法，從而輔助學生了解人工智能，以及人工智能如何發展到計算智能，使得學生全面認識學科的發展和傳承性，為今后學習量子計算智能打下堅實的理論基礎。

2教學內容

本課程從量子計算的基本概念和原理出發，重點講解量子計算基礎和基本的量子算法；并從量子優化算法拓展開來。該門課程我們安排了46學時，具體安排如下：第1章，量子力學基礎(2學時)；第2章，量子計算基礎(4學時)；第3章，基本量子算法(4學時)；第4章，Grover量子搜索算法的改進(4學時)；第5章，量子遺傳算法(8學時)；第6章，量子群智能優化算法(8學時)；第7章，量子神經網絡模型與算法(8學時)；第8章，量子遺傳算法在模糊神經控制中的應用(8學時)。

3教學方法

3.1理論與實踐相結合的教學方法

量子計算智能導論是一門多學科交叉的綜合型學科。選課的同學來自全校，各個的專業背景不同，但是大家的共同需求是一樣的，就是從課程中掌握一種用于解決實際問題的工程技術，但是工程技術的掌握也需要理論的支撐，因此我們在教學實踐中總結出了一套方法，具體做法是將教學內容劃分為：理論型和實踐型。

理論型教學指的是發展完善的量子計算基本原理和方法。其內容包括：量子位、量子線路、量子Fourier 變換、量子搜索算法和量子計算機的物理實現等。而其中量子位、量子線路以及量子算法都是以量子相對論為基礎的，這也是量子計算的本質原理，而較之我們熟悉的數字式計算機和計算方式有著本質的區別。我們在教學中由淺入深，通過PPT授課，采取理論與實例相結合的講授方式。下面給出了一個我們在教學中的實例：將量子計算問題形象化。具體內容如下。

讓我們想象一下下面這個問題。我們要找一條穿過復雜迷宮的路。每次我們沿著一條路走，很快就會碰到新的岔路。即使知道出去的路，還是容易迷路。換句話說，有一個著名的走迷宮算法就是右手法則――順著右手邊的墻走，直到出去(包括繞過絕路)。這條路也許并不很短，但是至少您不會反復走相同的過道。以計算機術語表述，這條規則也可以稱作遞歸樹下行?，F在讓我們想象另外一種解決方案。站在迷宮入口，釋放足夠數量的著色氣體，以同時充滿迷宮的每條過道。讓一位合作者站在出口處。當她看到一縷著色氣體出來時，就向那些氣體粒子詢問它們走過的路徑。她詢問的第一個粒子走過的路徑最有可能是穿過迷宮的所有可能路徑中最短的一條。當然，氣體顆粒絕不會給我們講述它們的旅行。但是 量子算法以一種同我們的方案非常類似的方式運作。即，量子算法先把整個問題空間填滿，然后只需費心去問問正確的解決方案(把所有的絕路排除在答案空間以外)。這樣以來，一個枯燥晦澀的量子算法就被很形象的解釋，因此增強了學生的記憶也加深了理解，從而提高了學生的學習興趣。

實踐型教學指的是正在發展中的量子計算智能方法的熱點問題。其內容包括：量子遺傳算法，混沌量子免疫算法，量子蟻群算法，量子粒子群算法，量子神經網絡模型與算法，和這些算法在實際工程優化中的應用。這部分內容屬于本學科的前沿，但也是熱點問題，因此這部分我們在教學中忽略理論推導，重點強調實際操作，在PPT課件中增加仿真實例的講解；并在課下布置相應的上機操作習題，配合上機實踐課程，鍛煉學生的動手能力，同時也引導學生去關注這些前沿，從而培養他們的科研素養。

為了體現該門課的教學特點，我們在考核方式上，采取考試與報告相結合的方式，其中理論部分我們采取閉卷考試，占總考評分數的40%；實踐部分采取上機技術報告考核，內容為上機實踐課程布置的大作業，給出詳實的算法流程圖和仿真結果與分析，占總考評分數的40%；出勤率占總考評分數的20%。

3.2科研素養的培養與實踐能力的提高

科研素養的最核心部分，就是一個人對待科研情感態度和價值觀，科研素養的培養不僅使學生獲得知識和技能，更重要的是使其獲得科學思想、科學精神和科學方法的熏陶和培養。正如溫總理說的那樣：“教是為了不教，學是為了會學”，當學生將課本內容遺忘后，遺留下來的東西即是他們所具備的科研素養。因此，在教學中，我們的宗旨也是提高學生的科研素養，量子計算智能導論是一門理論和實踐緊密結合的學科，該學科的發展日新月異，在信息處理領域的關注度也越來越高。在教學實踐中，我們采用了上機實踐和技術報告相結合的教學方式。掌握各種量子計算智能方法的原理和流程是這門課程教學的首要任務，因此學生結合各自研究方向實現量子智能算法在實際科研任務中的優化問題求解。在上機實踐中，學生不僅要掌握該智能算法的流程而且重點關注學生對

自己科研任務的建模，學會系統分析問題，建立合理的數學模型，并給出理論分析。上機實踐驗收中，我們不但考察其結果展示，更增加了上機實踐的技術報告，用來分析模型建立的合理性，從而培養學生對待科研問題的分析素養和建模素養。在技術報告中，我們要求學生給出幾種可供參考的建模模型，并分析各自的優勢，和選擇這一解決方案的依據。由于量子計算智能導論是面向研究生開設的課程，在教學中，我們更佳關注其分析問題的能力，和解決問題的合理性的思考能力，從而培養學生的科研素養。

4結語

把教學當做一門藝術，是我們作為高校老師畢生追求的目標，如何做到重點講透，難點講通，要點講清，這也是我們多年教學中一直關注的關鍵點。我們在教學中反對“灌輸式”，強調“啟發式”，以實際應用先導教學是非?？扇〉?，也收到了良好的效果。量子計算智能導論是一門綜合型交叉學科，且面向研究生開設，因此在教學實踐中，我們十分重視學生科研素養的培養。通過上機實踐和技術報告的形式引導學生積極動手，積極思考。希望這些教學中的點滴供同行們交流探討。

參考文獻：

[1] 焦李成,劉芳,緱水平,等. 智能數據挖掘與知識發現[M]. 西安:西安電子科技大學出版社,2006.

[2] 田新華. 跟蹤國際學術前沿迎接量子信息時代:《量子計算與量子優化算法》評介[J]. 科技導報,2010,28(6):122.

[3]Michael A. Nielsen ,Isaac L. Chuang. Quantum Computation and Quantum Information [M]. 北京:高等教育出版社,2003.

[4] 李士勇,李盼池. 量子計算與量子優化算法[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2009.

[5] 蔡自興,徐光v. 人工智能及其應用:研究生用書[M]. 3版. 北京:清華大學出版社,2004.

Exploration on Introduction to Quantum Computational Intelligence

LI Yangyang, SHANG Ronghua, JIAO Licheng

(School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

篇9

【關鍵詞】工程化學；教學改革；興趣教學

針對非化學化工專業的工科大學本科生開設的《工程化學》課程，具有課時較少(我校限制在26～40學時內)，而涵蓋內容卻很豐富的特點。目前所用教材[1]不但涵蓋了無機化學和物理化學的一般化學原理，還適當介紹了當今科技前沿和熱點的一些內容，涉及到材料、能源和生命科學等諸多領域。因此在教學中面臨的首要問題，是如何處理好學時少與內容多這一矛盾。另外在教學過程中還會遇到的一個問題就是，部分學生對于這一課程的學習熱情不高，甚至提出“我們非化學化工專業的學生為什么要學化學”這樣的問題。

因此在講課過程中照本宣科、面面俱到顯然是行不通的。課程內容多課時少，什么都講等于什么都沒有講，而學生們對化學的認知程度本來就比化學化工專業的學生薄弱得多，造成了學生聽不懂而不想聽，不想聽更聽不懂的惡性循環。

實際上《工程化學》的設置是有其必要性的，這體現了中學“數理化”三大課程在大學中的延續深化。在大學中“高等數學”和“大學物理”是必修的重要課程，而《工科化學》可以看成是“大學化學”（在部分院校的課程設置中確實有這樣的名稱），是理工科學生構筑自然科學知識體系的重要基石。因此現在可以回答學生在前面提出的問題了：缺少了化學基本知識和基本理論學習環節的理工科大學生，是知識不扎實、思維不全面的“跛子”人才。

明白了這一點，不妨將本課程的教學目標設定為：培養學生用化學的思維方法去認識世界。根據這一出發點，在教學過程中內容應當有所取舍，側重于基本知識的掌握和基本方法的訓練，內容不宜過深過難，切忌枯燥無味的課堂氣氛，逐步培養學生對化學的興趣。根據多年的教學經驗和教學效果，我認為課程中有三個部分的內容可以適當闡發，作為興趣教學開展的突破口。

一、原子結構

原子作為化學研究中的最小單位，其結構知識是基礎中的基礎，但由于涉及的內容比較艱深，在具體的介紹中要深入淺出，即避免相對復雜的數學推導，但在思考問題方面卻要引學生往深處去想。可以將量子力學的發展史話作為介紹的切入點，因為上個世紀初期對于原子結構的突破性研究成果是量子力學建立和發展的重要階段[2]，諸多科學巨擘得以一展他們天才的光芒，這里面包含的曲折與成就、趣聞和佳話，對學生來說是一個難得的啟發教育機會。另外在學習這一章節始終要對學生強調的是，原子內部的結構屬于微觀世界，與我們一般接觸的宏觀世界，其尺度差距當在1010以上，可用天壤之別來形容。所以在微觀世界中很多方面，比如“波粒二象性”、“測不準關系”等量子力學的基本概念，是很難被一般人理解的，因為它們在宏觀世界里沒有對應的參照物，學習在一個完全不同的世界里去認識問題、思考問題，是一個挑戰。聽了這樣的介紹后，學生既感覺有挑戰性而提高了學習熱情，也不會死鉆牛角尖非用宏觀的情景來聯系微觀而不能理解、難以自拔。

比如說“物質波”這一微觀粒子的存在方式，實際上是“波粒二象性”的另外一種表達，介紹的時候往往以宏觀世界的“機械波”舉例來幫助學生對于諸如“波長”、“干涉”等概念的理解，但同時一定要強調，此“（物質）波”非彼“（機械）波”，從本質上它們是不同的，比如前者不但傳遞能量而且也輸送物質本身，即不需要介質就可以傳播，而后者僅僅是傳遞能量（暫不考慮能量本身也是抽象意義上的物質）。通過這個例子，同學們可以體會到類比這一方法的長處和局限性，再進一步舉例說明玻爾的原子模型為什么較先被提出，而最后卻不能自圓其說，就是因為這一模型實際上是帶著“先入為主”的想法，比擬了宏觀世界中恒星行星體系，而最終為微觀世界所不相容。這樣帶有實例的啟發，會使得學生們在思維方法上的眼界有所拓寬。

二、熵

作為熱力學重要函數的熵，在課堂學習中若是光介紹其計算公式，未免過于枯燥。而作為對當代科學有所了解的教師，都會知道這一概念在化學、物理、生命科學以至于社會、經濟等非理工學科中的重要性[3]。熵就是混亂度的量衡，熵值越高，系統越趨向于混亂和無秩序化，這是熵這一概念的核心。為何在萬物變化中總有不可逆過程，什么過程又是自發的？孤立體系的熵值不會減少這一判據的重要性，揭示了萬事萬物錯綜復雜變化表象下一條內在的本質規律。為什么“水往低處流，人往高處走”，因為人不是一個孤立體系，不但每天攝入營養、排棄廢物，而且還通過接受教育，不斷提高自身文化素養，這是一個大學生不但應該懂得而且應該努力做得更好的事情。

轉貼于 再比如現在為什么要提倡“節約型社會”？用熱力學的觀點來看，社會的發展是一個熵減少的有序化過程，所以人類社會也一定是個開發性的社會，在發展的同時一定伴隨著能源的利用、對自然的開發這樣一個破壞性的過程。因此不能幻想一種對生態沒有影響沒有破壞的社會發展模式，科學的發展觀當然不是“殺雞取蛋”式的破壞性開發，也不是說要“不吃不喝不發展”這樣不現實的極端做法，而是盡可能減少環境破壞的“節約型社會”發展模式。

通過這些介紹，學生們會發現化學中蘊藏的知識實踐在化學之外，不但覺得聽課不枯燥，更完善了自身的知識體系，開闊了思維空間，對于一個大學生的綜合素質培養是有益處的。

三、手性現象

在有機化學中，具有不少手性的化合物，其不同對應異構體生化活性往往迥異，因此對手性物質的合成和分離是生化和制藥學科的熱點研究方向。而人體內存在的天然氨基酸都是L型的這一迷題，目前尚未得到合理的解釋，由此引發的研究自然界中某一對應異構體占優的外在誘因更是基礎科學研究的重大課題[4]。在課堂上向學生們介紹這些科學研究中的難題謎團，不但學生感覺不枯燥，而且激發了他們對未知事物的好奇心，而這正是科學研究前進的最大動力所在。

在緊接著的教學過程中，還應當向學生們指出，不但有機物質有手性，而且無機物質也存在手性，比如[Cr(C2O4)3]3－這樣的配位化合物離子，存在Δ型和Λ型的對應異構體，它們之間存在鏡像關系。進一步闡明判斷一個化合物是否具有手性的依據是其鏡像和原物是否能夠重合，不能重合則說明它們是手性的對應異構體關系。隨后借助這一判據，將手性的概念擴展到宏觀物體中去，比如左手和右手，鞋子的左腳和右腳，最后將手性歸納為一種現象，即不但有手性物質，還有手性規則，比如左手直角坐標系和右手直角坐標系，左手螺旋法則和右手螺旋法則。課堂上最后可以當場進行小測驗，讓學生們列出所能想到的手性現象，不限于化學物質。最后的效果是出乎意料的，學生們充分拓展了自己的想象力，舉出的例子豐富多彩，有的是教師也沒有想到過的，這說明興趣能夠引起多么大的學習動力。試舉一些精彩答案如下：人與水中的倒影，印章上的字與其印在紙上的字，左旋的DNA和右旋的DNA，環形跑道上順時針與逆時針跑步……

總結

從實際情況出發，制訂以激發學生學習熱情的興趣教學法在實踐中收到了良好的效果。當然根據不同教師對教材的理解不同，自身的知識面層次不同，在開展教學中能夠有所闡發的具體內容也可能是有所不同而相互補充的。當然在這里也還是應當說明，活躍課堂氣氛，提高學習興趣還是要首先和課程內容緊密相聯系，不是一味追求現場氣氛，而是做到有所聯系有所側重，把目的牢牢地收在前面說過的“培養學生用化學的思維方法去認識世界”這一核心上來。應該說，其實任何的課程都存在一個將枯燥的課本內容轉化為生動的課堂教學這樣的問題，這一問題的解決首先要求老師有扎實的基本功，將課本內容吃透才能做到教學方法上的升華，才能更好地組織教學素材；其次要求學生對課程有興趣，一定要做到老師自己對課程有鉆研的興趣，這樣平時才能更多地搜集相關信息，多看“閑書”，多發“閑想”，點點滴滴累積下來，才能在講課過程中左右逢源，有話可說，有例可舉，切合課本內容，貼近現實，起到良好的教學效果。

參考文獻

[1] 陳林根等編. 工程化學基礎(第二版). 北京：高等教育出版社， 2005.

[2] 曹天元. 上帝擲骰子嗎——量子物理史話. 沈陽：遼寧教育出版社，2006.

篇10

因此，了解中考議論文閱讀的命題特點，掌握一些必要的答題要領是非常必要的。本文以2010年中考試題為例，就議論文閱讀的答題技巧略作探討，以拋磚引玉。

一、論點的提取與歸納

題型透視考查對文章論點的提取和歸納，是議論文閱讀中常見的一個考點?？忌仨氁盐諟试囊x，找出凝聚文意的核心段，找準蘊涵文旨的關鍵句，然后篩對篩全所給的信息，作出正確的解答。

真題片段1.（2010年北京燕山卷）《不以人蔽己，不以己蔽人》“‘①不以人蔽己，不以己蔽人’，這句話的意思就是主張以存疑的態度來對待他人的意見和學術觀點，同時又主張客觀看待自己的意見和學術觀點，反對獨斷專行。這種態度對于從事科學研究的人來說尤為重要。……”

問題19. 選文要闡明的中心論點是什么？（答案：不以人蔽己，不以己蔽人。）

2.（2010年浙江東陽卷）《重建奇跡彰顯中國奮進的力量》“① 位于汶川縣映秀鎮的汶川特大地震震中紀念館封頂；汶川地震異地安置區首批“農家樂”開業；四川及甘肅隴南地震災區農房基本完成重建，學生提前搬入新校園……汶川特大地震發生兩周年前夕，紛至沓來的重建喜訊報告著災區的新生，彰顯著中國人民團結奮進的偉大力量?！?/p>

問題13． 本文的中心論點是什么？（答案：紛至沓來的重建喜訊報告著災區的新生，彰顯著中國人民團結奮進的偉大力量。）

3.（2010年浙江義烏卷）《將興趣進行到底》“……有興趣，才會有動力，持久的興趣，才會產生持久的動力。英國人塞繆爾?斯邁爾斯說過：‘一個人對某一方面的興趣越強烈，就越有可能學習這方面的知識，從而在與其興趣有關的領域里采取驚人的舉措，取得巨大的成功！’我國教育家說：‘教育是幫助被教育的人給他能發展自己的能力，完成他的人格?！逃囊x就是要探尋孩子的興趣，培養孩子的興趣，給孩子的興趣發展提供廣袤的空間和強有力的支持，讓興趣引領孩子前行，讓興趣引領孩子成功?！?/p>

問題11. 本文的中心論點是什么？（答案：有興趣，才會有動力，持久的興趣，才會產生持久的動力。）

思路點撥有不少議論文采用“開門見山”式寫作方法，即作者在文中就直接把觀點給亮了出來。閱讀時首先要注意文章的標題，因為有些議論文的標題本身就是論點。有些則是先列舉一些現象，進行分析、闡述之后才在第一自然段的末尾或是第二、三自然段中提出中心論點，然后再圍繞中心論點展開論證。浙江義烏中考卷《將興趣進行到底》的論點則是出現在文章的末尾。作者先列舉大量論據，然后進行分析論證，最后得出結論，這個結論就是文章的中心論點。

真題片段（2010年四川瀘州卷）“…… ② 世博會究竟將給中國帶來什么影響呢？③筆者曾有幸當面向連任兩屆國際展覽局主席、現任國際展覽局名譽主席的著名外交家吳建民討教，他說：“世博會對中國的影響將超過奧運會。因為上海世博會的主題口號是‘城市，讓生活更美好’，而世博會確實能夠做到讓城市的生活更加美好。”不難明白的是，中國的城市化進程正在加速推進，世界城市發展經驗的集中展示，將給中國不少城市帶來改變陳舊面貌、提升自身素養的大好契機。中國的城市人口現已占總人口的近半數，直接能對如此數量的中國人產生直接影響，其影響不可謂不大?！?/p>

問題7. 本文的中心論點是什么？試用一句話概括。（答案：上海世博會將給中國帶來深刻廣泛的影響?！吧羁獭薄皬V泛”有一即可）

思路點撥有的議論文不明確提出論點，需要考生在整體感知的基礎上概括、歸納。概括要全面，文字要簡潔。歸納論點有三個步驟:歸納段意――歸納層意――概括論點。要注意，論點是在文章中體現出來的作者的觀點和看法，其表現形式應該是完整而簡潔的句子。

二、 論據的概括與補充

題型透視針對論據設題，一般要求找出所用論據，這類題只要將論據找出來并扼要概述即可。常見的題型有兩種:一是要求針對某一個論點，找到事實或道理論據后，用簡潔的語言進行概括;二是要求針對某一個論點，為它補充相應的事實論據或道理論據。

真題片段（2010年安徽蕪湖卷）《科學不怕挑戰》“……③ 量子力學理論剛提出時，由于它的基本概念與傳統觀念根本不同，有些科學家一時難以接受。愛因斯坦反對量子力學的幾率解釋，說:‘我不相信上帝在擲骰（tóu）子?！€多次提出‘理想實驗’進行挑戰。玻爾是量子力學的創始人之一，他奮起應戰，據理反駁。愛因斯坦屢敗屢戰，苦思冥想出一個特別刁鉆的‘理想實驗’。玻爾徹夜未眠，苦思不得其解，直到清晨才豁然開朗，利用相對論以其人之道還治其人之身。但愛因斯坦仍然固執己見，以至另一位科學家厄倫費斯特都忍不住說:‘愛因斯坦，你真不像話!你簡直在批判你自己的相對論了。’愛因斯坦挑戰量子力學，雖敗猶榮，他提出的‘理想實驗’，促進了量子力學的發展，還對量子密碼、量子計算機等新技術起到了催生作用。④ 進化論從誕生之日起就被挑戰，從未停止過。創世說從信仰出發頻頻發難，甚至采用行政手段禁止進化論的傳播。結果怎樣呢？進化論身經百戰，越戰越勇，而創世說卻破綻百出，只好以百萬元大獎向科學家頻送秋波求援。……”

問題6． 第③④段運用了事例來論證，請分別概括這兩個事例的內容。（答案：第③段：量子力學曾受到愛因斯坦理想實驗的挑戰；第④段：進化論曾受到創世說者的頻頻發難。）

思路點撥論據是用來證明論點的材料，論據必須和論點一致。分析論據作用一定要和論點聯系起來，答題時要答出直接證明的那個觀點。如果是事實論據，必須運用概述的方法，將筆墨集中在能夠證明觀點的主要情節上。概述事實論據，可采用“人物+概括性事例+簡短評價”的形式。要答好這類題，需要平時留心生活，多讀書，做一些專題積累。要注意，議論文的論據只有事實論據和道理論據兩種。

真題片段1.（2010年湖南長沙卷）《談尊嚴》“……② 自古以來，就有孟子的‘富貴不能，貧賤不能移，威武不能屈’；有李白的‘安能摧眉折腰事帆責，使我不得開心顏’；有李清照的‘生當作人杰，死亦為鬼雄’：有于謙的‘粉身碎骨渾不怕，要留清白在人間’……他們都是活得有尊嚴的人?！?/p>

問題20.仿照第②段畫線句子補充一個論據。（答案示例：有文天祥的“人生自古誰無死，留取丹心照汗青”。）

2.（2010年湖北宜昌卷）《中國人的山水觀》“……②過去中國人談游山，從未見有人說他‘征服’了某個冰封雪凍的高山而引以為傲。中國人游山是欣賞它的深邃幽緲、高不可攀、深不可測的含蓄之美，所以說是‘尋幽探勝’?！畬ぁc‘探’，都意味著一種小心翼翼的贊嘆激賞之情。唐朝詩人常用山林來造境，以表達他們的禪思和對大自然的喜愛。因此，他們筆下的山是‘只在此山中，云深不知處’的幽謐，是‘落葉滿空山，何處尋行跡’的隱逸，是

，所以，中國人游山是純然精神上的快樂與解脫，絕無一絲欲‘征服’而后快的敵意?！?/p>

問題30． 積累鏈接：請順其思路，在第②段中加橫線的句子后仿寫一句。（答案：如：“千山鳥飛絕，萬徑人蹤滅”的空寂?！安删諙|籬下，悠然見南山”的閑適。）

思路點撥補充論據時要明確:無論是補充事實論據還是道理論據，都是用來證明論點的，都要圍繞直接證明的那個觀點來補充。補寫的論據要典型，有代表性，這樣說服力才強。如果是補充道理論據，我們一般要選擇名人名言。 要注意，杜撰的名言或不為人所熟知的警句往往不能得分。

三、 論證方法的分析與理解

題型透視判斷文章所運用的論證方法， 辨識、分析和理解其作用，是議論文閱讀的重要考點。既考查對論證方法的辨析，也考查使用論證方法的好處。目的在于測試考生提取加工信息、調動運用積累、評述見解的能力。此類題型對考生的檢測是多方面的、綜合的，契合了新課標的精神。

真題片段1.（2010年黑龍江省雞西市卷）“……⑤‘淺閱讀’這種閱讀態度導致了閱讀的工具性質，加深了整個社會的浮躁。上海大學社會學教授鄧志偉認為，思想使人進步，思考又往往是沉重的。那些讀來顯得沉重的文字，往往能夠使人更好地了解社會，激發起讀者的感悟和思考。不能僅僅因為‘淺閱讀’的輕松、愉快，而放棄學習積累的機會?！?/p>

問題23.文段⑤中畫線句的論證方法是

，作用 。（答案：道理論證，論證“深閱讀”的重要性，增強文章說服力。）

2.（2010年湖北襄樊卷）《讓優秀成為一種習慣》“…… ⑥優秀作為一種品質，當然離不開客觀環境。但真正優秀的人懂得：命運只有把握在自己手里，才是真正的命運。平庸的人總是把別人的成功歸結為環境好、條件好、人緣好、運氣好，而把自己所有的失敗歸結為外在原因。優秀的人心里明白成功離不開客觀條件，但從不過分依賴客觀條件。他們懂得：環境創造人，人也創造環境。他們成功的時候往往以感恩之心面對社會、面對所有幫助過他們的人，把成功的功勞歸結于客觀條件。他們失敗的時候，往往把原因歸結為自己努力不夠。優秀的人總是說自己不行，認為自己無知；平庸的人總是利用各種機會表白、粉飾自己。在真正優秀的人看來，世界上沒有比這更愚蠢的事情了?！?/p>

問題25． 文章第⑥段主要運用了什么論證方法？有什么作用？（答案：對比論證。答道理論證和對比論證也給分；只答道理論證不給分。其作用：把“優秀的人”與“平庸的人”的不同認識加以對比，強調突出了“優秀的人”不過分依賴客觀條件的觀點。）

思路點撥作答這類試題，要搞清楚論證方法有:舉例論證、道理論證、比喻論證、對比論證。不同的論證方法有不同的作用。舉例論證也叫例證法，用典型的事例來證明論點，能增強文章的說服力。道理論證又叫引證法，用權威性言論證明觀點，具有權威性，論證有力。比喻論證也叫喻證法，是通過形象的比喻來證明論點的方法，可把道理講得通俗形象，容易被人接受。對比論證是用正反兩方面的事實和道理進行對比，從而證明論點的方法，其好處是是非曲直分明，給人印象深刻。答題時，先說某種論證方法的一般作用，再結合具體內容進行解說，分析作用要和論點聯系起來。要注意，分析論證方法的作用時要和文章的論點聯系起來。

四、 開放性題目的探究與解答

題型透視 要求考生談對某觀點的看法，讀某篇文章得到的啟示，探究文章的內容及其深刻的現實意義和思想意義；或要求聯系生活實際和自己的體驗得出相應的啟示。開放性試題既有開放的一面，立足于“靈活”，留給考生廣闊的思維空間，使考生能夠充分張揚個性，顯示自己的聰明才智，也有限制的一面，即關于內容、形式等，提出顯性或隱性的要求，成為評定答案的重要依據。

真題片段（2010年貴州安順卷）《人總得藐視點什么》“① 人生在世，你總得藐視點什么東西，或人或物或事，否則，看什么都偉大，啥子都敬畏，處處低眉順眼，事事謹小慎微，那就會把自已活得唯唯諾諾，可憐巴巴?！?⑦ 打鐵先得本身硬，藐視，也得有點資本才行，要‘目空天下士’，自己就得才高八斗，學富五車；要藐視天下英雄如無物，自己就得是那頂天立地的真英雄；要藐視那些蠅營狗茍之輩，自己就得是冰清玉潔的真君子。而且，要藐視點什么，不論對人還是對物，可能會讓自己吃點虧，受點冷落，‘進步’比別人慢點，‘收益’比別人少點，‘名氣’比別人小點，但卻能使我們抬頭挺胸昂然平視，上不愧天，下不愧地，活得堂堂正正，坦坦蕩蕩?！?/p>

問題28． 結合生活實際，請你談談如何做到“打鐵先得本身硬”。（答案示例：我們要想在今后的社會上有所作為，大顯神通，就必須在學習生活中累積才識，鍛煉分析和解決問題能力，貯藏和消化必備知識。）

問題29．舉例談談你所藐視的人（或物或事），并簡要說說你能夠藐視的理由。（答案示例：1：我藐視那些弄虛作假、謀取個人利益的人，因為我主張實事求是、不謀私利，盡管沒有得到某些利益，但也心安理得。（意思對相近即可）示例2：我藐視那些靠托關系、走門路來謀求私利的人，因為我主張公平、公正、公開，盡管可能失去一些機會，但也無怨無悔。）

思路點撥議論文語言通常具有概括性、邏輯性，準確而嚴密。議論文觀點鮮明，思想深刻，具有很強的針對性和教育作用。就文章的觀點談個人看法、感受時，要緊扣文章論點或內容，聯系作者的看法，結合自己的生活實際，語言要簡潔凝煉，做到立場鮮明，觀點完整，言之有理、有據，條理清晰。要注意，答題時，不能脫離文章，天馬行空；或者忽視“結合自身實際”等剛性要求。

隨著中考語文改革的不斷深入，議論文閱讀的考點也將不斷更新。這就要求我們平時復習時，注重對文章的整體感悟，用議論文的相關知識點去解讀文章，用精讀和略讀的方法，擴大閱讀范圍，拓寬自己的視野。建議同學們在復習中應圍繞“理、讀、練、析”四個字進行。

“理”就是梳理議論文的基本常識，圍繞“三要素”(論點、論據、論證)，關注觀點和材料間的聯系。明確論點的表述形式，辨別論據的種類和分析其作用，熟悉論證方法與論證過程，注意段落間的聯系，理清問題的提出、分析和解決。