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篇1

[關鍵詞]公允價值；計量模式；草原資產

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2016.24.029

1 引 言

我國作為草原資源大國，草原資源覆蓋全國2/5的國土面積，是我國最大的陸地生態系統。草原資源作為重要的可再生資源，是生態環境可持續發展的保障。國內外大多從宏觀經濟層面對草原資源進行價值評估，缺乏從會計核算角度進行微觀層面的計量，并且受傳統經濟理論的影響，“草原資源無價或價值不菲”的觀念深入人心，而對草原資源進行核算，可以建立人們的草原資源有價觀，加強對草原資源的合理利用和保護。本文選用公允價值計量模式從計量單位和計量屬性兩個方面對草原資產進行核算，旨在提高草原資產核算的相關性，為各利益相關者提供決策有用的信息。

2 文獻綜述及相關理論

2.1 公允價值計量的相關研究

公允價值作為重要的計量模式，美國財務會計準則委員會、國際會計準則理事會、我國財政部相繼頒布了有關公允價值計量的準則。黃學敏（2004），葛家澍、徐躍（2006）認為公允價值與歷史成本存在本質的差別，公允價值是以現在實際的交易和事項為參照的估計價格，而歷史成本是現在交易的實際價格。[1][2]自從2008年金融危機的爆發之后，國際會計界對公允價值計量模式產生懷疑，Barth M.（2008）等認為公允價值并沒有給金融危機雪上加霜，反而證明了公允價值計量模式可以增加公司財務報告的透明度，有利于為利益相關者提供決策有用的信息。[3]曹越、伍中信（2009）從決策有用觀的角度分析，公允價值計量相對于歷史成本計量的優勢是能提供最具決策有用和相關性的會計信息。[4]

2.2 草原資產核算的相關研究

20世紀30年代，荷蘭經濟學家Tinbergen提出了影子價格法，但是影子價格法只能靜態反映自然資源的最優配置價格，不能表現資源本身的價值。Costanza（1997）優化了Davis（1963）的市場估價法并提出了生態服務定價模型。[5]Esfahani（2002）基于能源市場的資源定價政治經濟學模型對自然資源定價影響的探討也產生了很大的影響。[6]Harris M.（2002）等認為保持國家自然資源體系的價值并作為國家總資產的一部分，可以將自然資源資產化。[7]王天義（2008）等提出了草原資源資產化的概念，并且將草原資源資產的核算從實物量轉變成價值量，但也只是提出了研究的方向。[8]葛家澍（2011）指出企業的要素項目應該包括企業的環境資產和環境負債，企業的環境資產和環境負債應通過定量或計價從數量上得到反映。[9]

2.3 公允價值計量模式在草原資產核算中的相關研究

美國證券交易委員會（SEC）（1978）提出了一種以價值為基礎的會計計量方法――儲量認可法（RRA），以此確定現行自然資源儲量資產的價值，開辟了公允價值計量模式在自然資源資產核算中的應用。Prudham W.S.（1993）指出自然資源核算首先應該統計自然資源的期初、期末及增減變動量的實物量數據，然后按照一定的估價原則和方法確定相應的價值量指標。[10]易耀華（2009）認為公允價值計量模式必將成為我國自然資源會計計量的主角，實現決策有用的會計目標，提高信息的可靠性和相關性。[11]頡茂華等（2012）提出了草原資產與草原資源的區別，探究了草原資產核算的具體內容，并且提出采用公允價值計量模式核算草原資產的新思路。[12]馬永歡等（2014）結合我國的現實需要，提出自然資源資產化和自然資源價值核算的必要性。[13]

綜上所述，國內外現有的研究大多從統計角度進行宏觀經濟層面草原資源生態系統服務功能的價值評估，從會計核算角度進行微觀層面草原資源核算的研究較少，而具體的應用公允價值計量模式對草原資產核算的研究更少。因此，本文重點介紹了依據草原資產的特性，選取公允價值計量模式，從計量單位和計量屬性這兩個方面對草原資產進行核算，旨在打破人們草原資源無價的觀念，建立草原資源有價觀，更好地保護草原資源。

3 草原資產

3.1 草原資產的定義及特征

我國《草原法》第九條中明確規定“草原屬于國家所有，由法律規定屬于集體所有的除外。國家所有的草原，由國務院代表國家行使所有權”?？梢姡覈菰Y源所有權存在“二元制”的結構。長期以來，我國的草原作為資源管理，只利用了草原的使用價值，而忽略了草原的其他價值，使得“草原資源無價”的觀念深入人心，草原資源的開發利用建立在無償使用的基礎上，造成草原資源的浪費和損失。所以，本文基于產權理論，將草原資源資產化，草原資源資產化的會計主體應是擁有其所有權的國家或集體。

草原資源是指草原、草山及其他一切草類資源的總稱，包括野生和人工種植的草類，是一種生物資源。本文借鑒頡茂華、馬永華等學者的觀點以及我國現行的財務會計準則中資產的定義，草原資產是指在現在技術水平下，由所有者以前的經營交易或事項形成的，由所有者擁有或控制的，預期會給所有者帶來經濟利益的草原資源。當然只有同時具備以下特征的草原資源才可以成為草原資產：草原資源的物質實體具有使用價值，預期會給經營者帶來經濟利益；草原資源歸屬于明確的會計主體，并由該主體擁有或控制；草原資源產生的價值或成本能夠可靠計量。

3.2 草原資產的分類

本文對草原資產的分類標準參考《企業會計準則第5號――生物資產》中將生物資產劃分為消耗性生物資產、生產性生物資產、公益性生物資產，以及將生產性生物資產按照是否具備生產能力分為未成熟和成熟兩類，同時結合草原資產本身的生長特性和功能分類。

本文將草原資產分為實物資產（相當于有形資產）和環境資產（相當于無形資產），其中實物資產分為未成熟生長性草原資產、成熟生長性草原資產、消耗性草原資產三類，環境資產是指公益性草原資產。未成熟生長性草原資產是指為生產相應的產品而持有的未達到生產經營能力的草原資產，如處于禁牧期的牧草；成熟生長性草原資產是指為生產相應的產品而持有具備持續生產經營能力的草原資產，如處于放牧期的牧草；消耗性草原資產是指為出售而持有的處于成熟淘汰期的草原資產，如已停止生長開始枯黃的可食用牧草；公益性草原資產具有調節氣候、涵養水源等功能，雖然不能為企業帶來直接的經濟利益，但有助于企業從其他資產獲得經濟利益。

4 草原資產核算的最優選擇――公允價值計量模式

4.1 選擇公允價值計量模式的影響因素

采用歷史成本還是公允價值是草原資產核算計量模式選擇存在的一個難題，對于草原資產核算選擇公允價值計量模式受多個因素的影響。

4.1.1 草原資產的特征與計量屬性本身的特點相結合

第一，生物多樣性。草原資產大多數是在天然氣候條件下生長的，只有少數是經過人工種植的。歷史成本是指企業在經營過程中實際發生的一切成本，具有客觀性和可驗證性，因此自然條件下形成的草原資產歷史成本為零或非常低，采用歷史成本會低估草原資產的價值；公允價值是指市場參與者在計量日發生的有序交易中，出售一項資產所能收到或轉移一項負債所需支付的價格即脫手價格，具有公允性、虛擬性、未實現性，采用公允價值可以更加合理地計量草原資產的價值。

第二，變化性。草原資產的生長周期較短，每一時刻都會發生變化，其蘊含的內在價值也會不斷隨之生長而發生變化。歷史成本計量無法追蹤這種成長，而公允價值體現的是資產現行交易的實際價格，選用公允價值計量可以更好地記錄不斷生長變化的草原資產的價值。

4.1.2 對資產本質的理解

資產的成本觀和價值觀是對資產本質理解存在的兩種觀點。資產的成本觀是指資產初始取得時的成本，注重資產的客觀性和可計量性，認為資產是剩余成本或未耗用成本，將資產的原始購買成本作為期初余額，對以后的變化不予考慮，因此計量模式是面向過去的，選擇歷史成本計量模式。資產的價值觀是指資產的未來可以為所有者帶來的經濟利益，計量模式是面向未來的，選擇公允價值計量模式。由草原資產具有的生物多樣性、變化性等特征可知應選擇公允價值計量模式。

4.1.3 會計目標的選擇

計量模式的選擇必須考慮計量的目的和所需的前提條件，不同的計量模式對應不同的會計目標。受托責任觀是指從會計信息提供者的利益出發，選擇的計量模式應反映信息提供者對受托者的履行情況，應選擇歷史成本計量模式。決策有用觀是從信息使用者的利益出發，資產計量的結果應與信息使用者的決策相關，應選擇公允價值計量模式。草原資產的計量是為了向各信息使用者提供決策有用的信息，加強對草原資源的合理利用和保護，所以應該選擇公允價值計量模式。

4.1.4 會計信息的可靠性和相關性的權衡

可靠性與相關性是會計信息最重要的兩個特征，在會計核算中應盡可能地達到兩者的統一。會計人員提供的會計信息是為了幫助信息使用者進行決策，應對會計信息的相關性和可靠性進行權衡，如果以可靠性為主，相關性為輔，應選擇歷史成本計量模式；如果以相關性為主，可靠性為輔，應選擇公允價值計量模式。草原資產不斷變化的特性使草原資產計量的可靠性降低，草原資產計量過程中更傾向于相關性，所以選擇公允價值計量模式。

以上的分析結果表明公允價值計量模式是草原資產核算的最優選擇。但是我國沒有完善的經濟市場環境、生產資料市場、產權交易市場、發達的專業評估技術以及講求誠信的評估隊伍等，因此，在使用公允價值計量草原資產時應進行嚴格的限制。

4.2 草原資產核算的計量單位

計量單位是指對計量對象進行計量時具體使用的標準量度。自復式簿記為記賬方法的方式出現以來，貨幣計量被認定為傳統會計本身固有的屬性。對于草原資產的計量單位，其計量單位應以貨幣計量為主的同時兼用實物計量。

一方面，對于草原資產會計信息予以貨幣化是非常有必要的，因為貨幣具有綜合反映的功能，有利于會計信息使用者從財務報告中獲得企業財務狀況、經營成果、現金流量等信息；另一方面，草原資產包含自然環境和人類勞動共同孕育的成果，所以既有商品性又不限于商品性，草原資產不是只單一用貨幣計量就可以概括的，可以對難以用貨幣計量的草原資產進行實物量核算，如“株數”“載畜量”等。

4.3 草原資產核算的計量屬性

本文將公允價值估值技術運用在草原資源實物資產的初始計量和后續計量中，對于草原資源的環境資產現已有較成熟的生態系統服務功能價值核算體系，本文不再贅述。

4.3.1 草原資產的初始計量

按照我國《企業會計準則第39號――公允價值計量》中的規定，公允價值計量模式下的估值技術主要有市場法、收益法、成本法，不同種類的草原資產初始計量適用的估值方法不同。通過對不同種類草原資產特點與不同估值方法特點的分析，對不同種類草原資產的核算如下。

（1）未成熟生長性草原資產

草原資產在具有生產經營能力之前，屬于未成熟生長性草原資產。因為這種類型的草原資產具有投入大、收入低、不存在活躍市場的特點，所以這一階段的草原資產不具備使用市場法或收益法估值技術的條件，具備使用成本法估值技術的條件：被估值資產與重置資產具有相關性，被估值資產歷史資料易得，被估值資產的各種損耗合理，被估值資產可再生。因此，對于未成熟生長性草原資產選擇成本法進行估值。成本法是指在現行的市場條件下，重新種植相同或相似的草原資產所需要的成本減去各種合理損耗作為被估值草原資產的入賬價值，通常是指現行重置成本法。計算公式如下：

（2）成熟生長性草原資產

草原資產具有持續生產能力，屬于成熟生長性草原資產。成熟生長性草原資產具備使用收益法估值技術的條件：估值資產的預期收益、獲得預期收益承擔的風險、獲利時間都是可以預測并且可以用貨幣計量的。因此，對于成熟生長性草原資產選取收益法進行估值。收益法是指在對成熟生長性草原資產預期未來收益額、收益期及折現率估計的基礎上，將每年預期未來收益額折算成現值并加總的估值技術，通常是指現金流量折現法。計算公式如下：

（3）消耗性草原資產

處于成熟淘汰期的草原資產大多擁有活躍的市場，并且市場上可以找到相同或相似資產的價格，因此適用市場法。市場法是指利用與消耗性草原資產相同或相似資產的市場價值估值的技術。計算公式如下：

總之，不同類型的草原資產初始計量時選用的估值方法不同，草原資產公允價值的確定是一項具有較強專業性和特殊性的技術性工作，當草原資產的成本、折舊、增減值等無法衡量時，應該聘請專業的評估人員進行評估協助。

4.3.2 草原資產的后續計量

為及時反映草原資產的增減和結存情況，應該定期估算草原資產的增減值，隨時披露草原資產真實和公允的價值信息，并且考慮其類型是否發生變化，從而改變估值技術。當重新估算的公允價值與賬面價值相差很大時，應將差額計入當期損益。目前，草原資產缺乏活躍的市場，會計操作的成本可能較高和評估價值有效性可能較低，在實行初期可考慮每個月評估一次。

5 結論及建議

本文依據草原資產的特點，應用最新的《企業會計準則第39號――公允價值計量》中的規定來計量草原資產這一相對空白的領域。本文考慮到我國尚不存在完善的資本市場，公允價值計量會成為企業操縱利潤的有效工具，對于草原資產采用公允價值計量可能存在一定的困難。我國目前為與國情相適應，對草原資產核算采用歷史成本為主、公允價值為輔的計量模式。但是，隨著我國經濟的發展、綜合國力的加強以及資本市場和農業產業結構的日漸完善，我國的會計制度日漸與國際會計準則趨同，我國的草原資產計量模式有可能完全轉變為公允價值。為了加強對我國草原資源的管理，早日實現公允價值計量模式在草原資產管理中的應用，提出以下三點建議。

第一，加強我國草原資源的監測，建立草原資源的實時動態信息數據庫。通過我國草原遙感技術的監測，加強數據資源的積累和收集，建立完善的草原資源信息數據庫。

第二，明確權屬界限，做到權、責、利分明。我國草原資源所有權歸屬國家或集體，使用權和經營權可以轉讓、租賃、承包、買賣等，明確草原資源的權屬范圍是實現草原資源資產化管理的前提，應以合同等文本形式明確其權屬，這樣才能做到責、權、利明確。

第三，健全和完善草原資源的資本市場，實現草原資源的正常流轉。建立并逐步完善政府宏觀調控、“經濟人”積極參與、全社會共同監督的草原資源資產市場體系，允許打破行政、行業、所有制界限購買使用權，允許繼承轉讓開發治理成果。

參考文獻：

[1]黃學敏.公允價值――理論內涵與準則運用[J].會計研究，2004（6）.

[2]葛家澍，徐躍.會計計量屬性的探討――市場價格、歷史成本、現行成本與公允價值[J].會計研究，2006（9）.

[3]Barth M.Global Financial Reporting：Implications for U.S.Academic[J].The Accounting Review，2008，83（5）.

[4]曹越，伍中信.產權保護、公允價值與會計改革[J].會計研究，2009（2）.

[5]Costanza R.，dArge R.，Rudolf de Groot，et al.The Value of the Worlds Ecosystem Services and Natural Capital[J].Nature，1997（387）.

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[7]Harris M.，Fraser I..Natural Resource Accounting in Theory and Practice：A Critical Assessment[J].Australian Journal of Agricultural and Resource Economics，2002，46（2）.

[8]王天義，周聰，孫志巖.草原資源資產化管理研究工作的思考[J].吉林畜牧獸醫，2008，244（7）.

[9]葛家澍，林志軍.現代西方會計理論[M].3版.廈門；廈門大學出版社，2011.

[10]Prudham W.S.，Lonergan S..Natural Resource Accounting：A Review of Existing Frameworks[J].Canadian Journal of Regional Science，1993，16（33）.

[11]易耀華.我國自然資源和生物資產會計中的微量元素――公允價值[J].中國商界，2009（4）.

[12]頡茂華，于勝道，吳倩.草原資產核算[J].中國草地學報，2012，34（5）.

篇2

（一）在建筑材料方面的應用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學開始廣泛地應用于許多水泥熟料礦物和水化產物體系的研究中，解決了很多實際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產物相之一，它對水泥石的強度起著關鍵作用。程新等[1,2]在假設材料的力學強度決定于化學鍵強度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學強度的大小差異。計算發現，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級與Sr-O，Ba-O共價鍵級都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級和Ca-O共價鍵級，由此認為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強度高于硫鋁酸鈣的膠凝強度[3]。

將量子化學理論與方法引入水泥化學領域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結構與宏觀性能聯系起來，也為水泥材料的設計提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應用

過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質的超精細場和電子結構，通過量子化學計算表明，含有雜質石原子的磁矩要降低，這與實驗結果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學方法研究了鑭系三氟化物。結果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結合能計算值與實驗值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結構及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結構和光譜也是通過量子化學方法進行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質方面存在的差異[6]。

量子化學方法因其精確度高，計算機時少而廣泛應用于材料科學中，并取得了許多有意義的結果。隨著量子化學方法的不斷完善，同時由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學在材料科學中的應用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學的發展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應用

（一）在煤裂解的反應機理和動力學性質方面的應用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學理論的發展和量子化學計算方法以及計算技術的進步，量子化學方法對于深入探索煤的結構和反應性之間的關系成為可能。

量子化學計算在研究煤的模型分子裂解反應機理和預測反應方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復合材料碳前驅體熱解機理方面的研究已經取得了比較明確的研究結果。由化學知識對所研究的低級芳香烴設想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經驗方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關效應的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設計路徑的熱力學和動力學進行了計算。由理論計算方法所得到的主反應路徑、熱力學變量和表觀活化能等結果與實驗數據對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學基礎的研究有重要意義[7]。

（二）在鋰離子電池研究中的應用

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環壽命長、安全可靠、無記憶效應、重量輕等優點，被人們稱之為“最有前途的化學電源”，被廣泛應用于便攜式電器等小型設備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、航空等領域發展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實際上是Li+離子在正負兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機理對進一步改善鋰離子電池的性能至關重要。Ago等[8]用半經驗分子軌道法以C32H14作為模型碳結構研究了鋰原子在碳層間的插入反應。認為鋰最有可能摻雜在碳環中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預示在較高的摻鋰狀態下有可能存在一種Li-C和具有共價性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計算法，對低結晶度的炭素材料的摻鋰反應進行了研究，研究表明，鋰優先插入到石墨層間反應，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對材料晶體結構的進一步認識和計算機水平的更高發展，相信量子化學原理在鋰離子電池中的應用領域會更廣泛、更深入、更具指導性。

三、在生物大分子體系研究中的應用

生物大分子體系的量子化學計算一直是一個具有挑戰性的研究領域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學可以在分子、電子水平上對體系進行精細的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關酶的催化作用、基因的復制與突變、藥物與受體之間的識別與結合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學的方法對這些生物大分子體系進行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結構、設計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進而調控基因的復制與突變，使之造福于人類；可以根據藥物與受體的結合過程和作用特點設計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學的手段來研究生命現象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學發揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學計算變得更加迅速和方便?？梢灶A言，在不久的將來，量子化學將在更廣泛的領域發揮更加重要的作用。

參考文獻：

[1]程新.[學位論文].武漢:武漢工業大學材料科學與工程學院,1994

[2]程新,馮修吉.武漢工業大學學報,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料學報,1999,2(2):147

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[5]程新,陳亞明.山東建材學院學報,1994,8(2):1

[6]閔新民.化學學報,1992,50(5):449

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[11]麻明友,何則強,熊利芝等.量子化學原理在鋰離子電池研究中的應用.吉首大學學報,2006,27(3):97.

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關鍵詞：基礎量子化學 教學實踐 教學改革

量子化學是高等師范院?；瘜W專業為碩士研究生開設的一門專業基礎課程，其任務是使學生利用量子力學的基本原理和方法掌握微觀物質運動的基本規律，探索物質的結構及結構與性能關系［1，2］。目前，量子化學理論已愈來愈廣泛地應用到化學各個分支學科領域中，并滲透到其他自然學科中，從而使量子化學的教學在整個化學專業教學計劃中的重要性日益增加。但它涉及面廣，內容比較抽象，且具有極強的理論性，同時要求學生具有較強的空間思維能力，因而量子化學教學不僅對教師提出較高的素質要求，而且對教學方法提出新的課題。下面我結合多年來在量子化學教學改革中的探索和嘗試，談談教學感受和體會。

三、開展第二課堂，培養學生計算技能

為了讓學生把學到的量子化學理論運用到研究中，掌握一些專業軟件的計算技巧，教師可利用課余時間開展第二課堂，為學生提供一個學習和實踐的平臺，給他們創造更多的鍛煉機會。例如，搞有機合成的研究生，根據專業需要可以讓這些學生學會過渡態的尋找和優化，通過理論計算探索反應機理，能預測最佳反應通道，為他們的研究方向提供理論支持；研究方向是無機配位化學，可以讓這些學生學習一些金屬配合物的計算方法，學習配合物電子吸收光譜、熒光光譜及磁性的計算，這些計算結果對合成具有特殊性能的配合物都是很有幫助的。在第二課堂中，也可以讓基礎較好的學生參與到自己的科研活動中，承擔一部分力所能及的科研課題，使學生科研能力得到鍛煉，激發他們的科研熱情，拓寬他們的視野，同時自己通過學生的實踐活動，找到自己課堂教學中的不足。第二課堂的開展，不僅把學生所學的理論知識轉化成學生認識和解決實際問題的能力，更重要的是教師身上這些品質能夠言傳身教地影響學生，從而使學生具備創造的興趣和素質。

四、結語

量子化學的教學改革取得了一定的效果，首先學生克服了量子化學難學的畏難心理，激發了學生學習量子化學的激情，可以在有限的教學時間內達到較好的教學效果；其次，通過開展第二課堂，將量子化學理論與科研實例有機地結合起來，培養了學生分析問題、解決問題及科研創新的能力。

參考文獻：

篇4

密碼鑰匙

大家都喜歡看諜戰片吧？科技含量高的諜戰片通常有破解通信密碼的情節。破解通信密碼需要獲得密碼鑰匙。

這里說的密碼鑰匙就是信息的加密方式，因為它和咱們開門用的鑰匙有相似功能，所以被稱為密碼鑰匙，簡稱密鑰。打個比方，甲想向乙傳輸“123”這段信息，先按照將每個數字都加3的方式向乙傳輸“456”，“123”就叫明文，“456”就叫密文，而每個數字都加3就是密碼鑰匙。發送者可用密碼鑰匙加密信息，接收者可用它來解密。

如果第三方沒有密碼鑰匙，又想獲得明文信息，就需要間諜活動了。間諜獲得密碼鑰匙的方法很多，有時靠騙，可以從甲或乙那兒騙來密碼鑰匙；有時靠買，間諜向甲或乙許以報酬，收買密碼鑰匙有時也能成功；有時還靠偷。

無論騙還是偷，都屬于人工方法，獲得密碼鑰匙的效率比較低。現在間諜都愿意用計算機通過計算來獲取密碼鑰匙，就是利用計算機的超強功能，尋找密文信息的變化規律，其中的規律就是加密方式。有了計算機這種機器助手來幫助間諜破解密碼，間諜們很囂張地宣稱：沒有破解不了的密碼鑰匙，破解密碼鑰匙只是個時間問題！

利用計算機破解密碼終究會成功，所以說信息安全只是某一段時間內的相對安全，而不是永久的安全。那么，有沒有永遠不會被解密的通信方式呢？有呀，它就是量子通信。

科學探索

公元前405年，雅典和斯巴達發生了戰爭。斯巴達軍隊捕獲了一名雅典送信人，從他身上除了搜出一條布滿雜亂無章的字母的腰帶之外，別無所獲。情報究竟藏在什么地方呢？斯巴達軍隊統帥萊桑德無意中把腰帶呈螺旋形纏繞在手中的劍鞘上時，奇跡出現了，原來腰帶上那些雜亂無章的字母，竟組成了一段表意清楚的文字，密碼得以破解！腰帶情報，就是世界上最早的密碼情報，具體運用方法是，通信雙方首先約定密碼解讀規則，然后通信一方將腰帶纏繞在約定長度和粗細的木棍上書寫？收信一方接到后，如不把腰帶纏繞在同樣長度和粗細的木棍上，就只能看到一些毫無規則的字母。

趣味鏈接

有人通過破解密碼顯示才能，有人通過設計密碼顯示才能。1977年，數學家李維斯特給出了一個129位數，要求把這個數分解成兩個質數的乘積，得到這個結果，就會發現隱藏的信息。其實這個129位數就是密文，分解質因數就是密碼鑰匙。李維斯特信心滿滿地宣稱，算出他的密碼鑰匙，需要好多億年。誰知17年之后，600名密碼破解愛好者動用了1600臺計算機，只用了6個月的時間就把李維斯特的密碼給破解了，獲得的信息是“挑食的禿鷹”。密碼雖然被破解了，但人們還是很佩服李維斯特：他太厲害了，得600人聯手，用1600臺計算機，花了6個月才打敗他！

量子通信是什么

傳統的通信方式都需要介質，比如寫信你得用信紙，打電話的信號得靠電磁波來傳輸。竊密者通常會侵入介質獲得通信信息，在掌握了密文信息后，再通過計算獲取密碼鑰匙，將密文破解成明文。凡是通過介質傳送信息，必定無密可言，這種破解密碼的方式通常被稱為“截獲”。

量子通信是不需要傳輸介質的，這是為什么呢？

科學家在1900年發現了量子這種微粒，進一步發現了量子糾纏現象。量子糾纏是這樣的：一對量子甲和乙，甲攜帶的信息，可以瞬間在乙身上體現出來！不架天線，不鋪電纜，信息可以在量子之間無形無影地傳輸，這事跟神話中的心靈感應似乎是一個套路呀！

是的，量子通信可以看作是神奇的心理感應術，信息的傳輸端和接收端之間不用連接實線，也不需要電磁波，信息來去很神奇。量子糾纏現象曾經被愛因斯坦淺顯地描述為：兩個物體之間，無論距離多遠，都存在相互感應信息的天然魔力。

量子通信非常神奇，且非常安全，這又是為什么呢？

量子通信的一個特點就是加密速度極快，它可以給數之不盡的每一個信息片段加一個獨立的密碼鑰匙。舉個例子來說，如果把一次通話分割成100億個信息片段來傳輸，則量子通信可以瞬間給這100億個信息片段各加各的密碼鑰匙，這種加密方式被形象地稱為“一次一密”。你可以想象，在通信過程中，信息源源不斷，加密碼鑰匙源源不斷，千變萬化，間諜要破解這么多的密碼鑰匙，簡直是比登天還難。一次一密帶來了天量密碼鑰匙，讓密碼間諜從此失去飯碗！

有人或許會說，讓計算機出場幫著計算嘛！

這主意不錯，不過告訴你吧，現在的計算機雖然有超強的計算能力，但是它們面對無窮無盡的量子通信密碼也是束手無策，算不盡呀！如果硬要一臺計算機來破解量子通信密碼，從理論上說也是可以的，但時間卻需要數億年，甚至是無限久。呵呵，計算機破解量子通信密碼，時間是無限久，其實就是破解不了的意思呀！誰等密碼能等上數億年呢？

還有，量子通信不是不需要傳輸介質嘛，所以，間諜想在半路上截獲信息的想法也破滅。

有人或許又要問了：你在半路上截不到信息，不會直接從傳送端和接收端的量子上獲取信息嗎？

嗯，這想法似乎不錯，但做法也行不通呀，因為量子還有一個特點：只要有人干擾它，想從它身上獲得信息，它立馬就改變原來的信息狀態，把真實信息提前毀掉，讓間諜一無所獲。量子這種干擾即毀信息的特點，封死了間諜想從信息發送端和接收端獲取信息的想法。如果有的間諜“不知趣”，非得要到量子那兒獲取信息，那么信息接收方和信息發送方就可以從量子自毀信息的頻率，判斷是不是有人正在搞竊密，讓間諜行為立馬現形。這么說來，身負通信使命的量子，還是通信警察呀，只要間諜一來，它立即報警，讓間諜無處遁形。

哎，在量子通信時代，間諜要么選擇遠離量子通信網絡，要么掩耳盜鈴卻被人捉，間諜成了超高危無成果的職業，沒有人能做得來了。

量子通信先靠一次一密的加密方式，把間諜淹沒在密碼鑰匙的大海里，還會用自毀信息的方式報警，讓仍舊執迷于截獲信息的間諜無處藏身，基于這兩點，量子通信就成了絕對安全的通訊方式。

科學探索

世界是運動的，但是宏觀世界的運動規律和微觀世界的運動規律并不相同。牛頓提出的物理學說解答了宏觀世界的運動規律，但牛頓的學說一拿到微觀世界來解答微觀世界的運動規律就會“失效”。這種失效促使科學家努力尋找微觀世界的運動規律，于是量子力學就產生了，量子力學是一門年輕的科學，它總共才有一百來年的歷史。

英國有所謂的物理學家提出，人的靈魂是由大腦中的量子物質形成的，當人死亡之后，大腦微管中的量子信息會離開身體進入到宇宙，如果能阻止這些量子向宇宙中散失，就可以阻止人的死亡，如果能把散失在宇宙中的大腦量子收回來，人就能死而復生。量子科學有這么玄乎嗎？人可以不死，可以死而復生，這類“量子理論”誰敢信呀！

為什么發射量子衛星

既然量子之間可以傳輸無限加密的第三者不可破解的信息，那就在地球上建設量子通信網絡就行了，為什么還要發射量子衛星呢？

這得從目前量子信息傳輸的距離來解釋這個問題。

甲量子向乙量子傳送信息，理論上它們之間心靈感應的距離可以無限遠，無論間隔多遠，信息都能由甲傳輸給乙的。但事實上，量子在自由環境里（即地球表面環境），能量會衰減，衰減雖然不影響信息傳遞，但影響我們人類對信息的辨別，你想想，甲雖然最終把信息傳遞給了乙，但信號太弱，弱到目前我們無法辨識，不也是無用嘛。

量子之間信息傳輸距離是無限的，多遠都能傳到。但量子之間保持信息可辨認的傳輸距離卻是有限的，太遠了，它們之間有“對話”，但咱們卻“聽”不清楚了。

1977年，科學家利用量子傳送信息，結果只讓信息傳送了數米遠的距離。這個距離雖然很近，但是驗證了量子傳輸信息的可能性。

隨后，量子通信在“能”的基礎上，不斷進步，傳輸距離從最初的數米，發展到了可以傳輸16千米了：2010年6月6日，中國量子通信實驗小組將信息傳輸了16千米的距離，創造了當時量子通信的新記錄。

量子通信可傳輸16千米，但仍舊不能滿足實用要求。于是在16千米的基礎上，科學家們繼續努力，要讓量子通信的距離越來越遠，可這個期望后來“破滅”了，因為科學家發現在自由環境中，量子通信距離存在一個極限，大約是100千米。100千米的傳輸距離雖然具有實用價值，但是要建設量子通信網絡，需要在地面上每隔100千米建設一個傳輸基站。眾多基站，會降低量子通訊的效率和安全性，因為信號需要不斷在明文和密文之間多次轉換接力，每個基站容易成為信息安全漏洞，所以大量建設基站支持量子通信的方案被認為不可行。

基站方案被否決之后，科學家就把建設量子通信網絡的厚望寄托于量子通信衛星身上。量子衛星可以把量子信息傳輸的距離擴大到數千千米，三顆量子衛星就能滿足在全球建立信號優良、安全無憂的量子信息通信網絡，讓信息高速安全地直達任意地方，所以說發射量子衛星是量子通信網絡建設的關鍵節點，誰擁有了量子衛星傳輸技術，誰就掌握了全球量子通信網絡建設的主動權。

中國發射的“墨子號”，是全世界發射的第一顆量子通信衛星，標志著中國將成為量子通信界的老大，在以后量子通信網絡建設進程中，中國的話語權和支配權都將是至高無上的。別的國家見咱們有了量子衛星，都急紅眼了！

全球首顆量子科學實驗衛星為什么命名為“墨子號”。墨子是我國古代偉大的科學家，被稱為“科圣”。他最早提出光線沿直線傳播的理論，設計了小孔成像實驗，奠定了光通信、量子通信的基礎。用中國古代偉大科學家的名字命名量子衛星，為的是提升我們的文化自信。

主持建造“墨子號”的潘建偉教授是我國量子科學的領頭人，1996年他到奧地利求學量子科學，導師問他的夢想是什么，他說要在中國建世界一流的量子物理實驗室。僅過了一年，他就與同事合作，宣布在實驗中實現了量子態隱形傳輸，這被公認為量子信息實驗領域的開山之作，《科學》雜志將其列為年度全球十大科技進展。這一年，潘建偉僅27歲。后來，潘建偉回國開展量子科學研究，結果理解這門科學的人太少，什么隱形傳輸，什么大變活人的，他的研究項目被稱為偽科學，本人則被誤解為騙子。今天這個“騙子”終于可以向所有人說：看，一切都是真的！

量子傳輸的不僅僅是信息

目前這個階段，中國發射的量子衛星，主要擔負安全傳輸信息的實驗任務。將來，量子衛星的任務不僅僅是傳輸信息，很有可能還會傳輸人。

什么？傳輸人！

是的，就是傳輸人。

前面我們說過，量子是微粒?？梢园盐矬w理解成是由量子組成的，也就是說物體可以分解成一個一個的量子，量子不但可以瞬間傳輸信息，而且可以瞬間傳輸量子。如果用量子傳輸信息，就叫量子通信。如果用量子傳輸量子，那么傳輸人就成為一種可能，這在魔術里叫大變活人吧。

我們用量子傳輸量子，就可以將魔術變成真實的科技項目?？茖W家在用量子傳輸信息的基礎上，還開始研究如何把量子傳輸信息變成量子傳輸實物，這項研究被稱為隱形傳輸。

隱形傳輸技術在科幻電影《星際旅行》中有體現：宇航員在特殊裝置中平靜地說一句：“發送我吧，蘇格蘭人！”他瞬間就被轉移到外星球了。將來，量子機器很可能把科幻電影中的神奇情景變成現實，依靠量子傳輸實物的功能將我們發射到想去的星球上去。

盡管想要達到“發送我吧”這樣的結果，我們還得等上一些年頭，但量子隱形傳輸技術，終將帶我們走進不可思議的量子傳輸情景中，很可能讓我們瞬間到達我們想到達的任意地方。量子傳輸或許將是星際旅行的終極大法――因為，身體是由量子組成的，量子能夠被瞬間傳輸，所以我們的身體，我們的生命也就可能被瞬間傳輸。

天呀，原來大變活人不只是魔術！

科學探索

篇5

[關鍵詞]氮氣-空穴（N-V）中心；量子

中圖分類號：TP313 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）35-0291-02

量子信息和經典信息的基本原理是不相同的。以量子非克隆原理為例[1]，該原理表明，能夠對不明確的純態進行精確的拷貝的裝置，該裝置是不存在的。這個原理的初始文獻[1]顯示該量子非克隆原理是量子態疊加原理的結論。這個原理有重大影響的文獻[2]顯示存在一個通用型量子克隆機，該量子克隆機具有多進程的量子克隆特征。自從文獻[2]首先提出這種通用型的量子克隆機，Milmanetal[3]也提出這么一個原理，它是在QED空腔系統中的通用型量子克隆機的克隆原理。在這個原理中實現通用型量子克隆機的重要障礙的是消相干。為了克服消相干這個難題，Zouetal[4]已提出通過一個空腔輔助碰撞的方案，用于實現通用型QED中的量子克隆機。最近幾年，在研究量子克隆方面，已提出許多不同的方案，如：概率量子克隆[4]，從屬態克隆[5]，協變相位量子克隆[5]，通過空腔輔助相互作用通用型量子克隆[6]，等。在本文中，我們利用一個新的復合固態量子系統證明了單向量子計算的基本操作。此系統包含個氮氣-空穴（N-V）中心與個超導傳輸共振子（TLR）相耦合，它們共同連接于一個約瑟夫森結（CBJJ）超導量子比特。通過交換虛光子，在N-V中心和CBJJ之間產生了有效的相互作用哈密頓量。

1.物理模型

圖1：個NV-TLR對與一個CBJJ耦合的復合量子系統示意圖，其中為耦合電容，為結電容，為偏置電流，為臨界電流。每個TLR中的黑點代表一個N-V中心，個N-V中心顯示了一維的線性結構。

2.CBJJ-TLR大失諧哈密頓量相互作用

裝置原理圖如圖1所示，該系統有四個N-V中心耦合而成的四個TLRs，并且它們的電容耦合成一個共同的CBJJ。其中任何一個TLR的哈密頓量可以寫成（）[9]

（1）

其中，是湮滅算符，頻率，和是TLR的電感和電容。

圖2 傾斜的洗衣板勢能級結構圖。

此CBJJ能夠被模擬成在此洗衣板勢中移動的粒子。通過調節偏置電流，此CBJJ能夠被構建成一個三能級量子系統。

如圖2所示，如果我們假設的能級為零點，那么，頻率分別其中是等離子體振蕩頻率，同時，量子流為，連接電容為，偏流電流為，臨界電流為。我們假設每一個TLR的模是躍遷耦合，但其他躍遷耦合都不存在。使用旋轉波近似，可以使得頻率和頻率相匹配，這時，第個TLR和CBJJ之間的哈密頓量可以寫成：

（2）

其中，是耦合系數，分別是CBJJ和第個TLR的頻率，是躍遷失諧。使用標準量子光學技術，在大失諧條件下，即，第個TLR和CBJJ之間的哈密頓量可以寫成[11，12]

（3）

3.N-V中心-TLR諧振相互作用

圖3：第個N-V中心能級結構圖，其中為此N-V中心和TLR之間的耦合強度。

由圖3所示，N-V中心基態和第一激發態都是電子旋轉三態（）。在該系統中，我們將設定三個基本態中的量子比特分別為：和，這時第個N-V中心的哈密頓量可以寫成：

（4）

其中我們使用旋轉波近似，使得和相匹配。這時，第個N-V-TLR對相互作用的哈密頓量可以寫成：

（5）

其中，和.我們使用為第個N-V-TLR強耦合，第個N-V中心躍遷頻率和第個TLR頻率之間的失諧為。當第個TLR的頻率是第個N-V中心的諧振時，即，.

那么第個N-V-TLR對相互作用的哈密頓量就可以寫成如下形式：

（6）

4.量子克隆機的實現

根據文獻[2]，我們首先簡單回顧一下通用型量子克隆機其轉換過程。如果定義量子比特基矢為，通用型量子克隆機執行幺正變換：

（7）

其中，箭矢左邊的第一個態矢表示輸入量子比特，表示空白拷貝的初始態和任何可能的輔助量子比特。在箭頭右手邊，前兩個態矢是量子克隆的過程，，第三個態矢表示輔助的兩個可能的正交態。

現在，我們給出系統中作用在通用型量子克隆機。為了實現我們的方案，首先介紹該系統中兩量子比特控制相位門，并且該控制相位門將用于實現通用型量子克隆機。假設CBJJ量子比特是控制量子比特，那么，N-V中心量子比特就是目標量子比特。實現需要如下三個步驟：

第一步：讓第個N-V中心和第個TLR在哈密頓量（5）作用下，經過相互作用時間。不失一般性，我們認為所以的N-V中心-TLR強諧振耦合都是相同，即，。以致于經過交換，那么，表示為第個TLR的單光子態。

第二步：調整TLRs（1，2，3，4）的參數，使得每一個N-V中心和其一一對應的TLR不耦合，只需運用方程（3）就可以滿足調整CBJJ和TLRs（1，2，3，4）的參數的條件。經過相互作用時間之后，可以實現的相互交換。

第三步：調整CBJJ的參數，使得它與每一個TLR都不耦合。這樣就可以在相互作用時間內調整TLRs（1，2，3，4）的參數，使得每一個N-V中心與其一一對應的TLR產生諧振，可以實現的相互交換。

這些態經過三次轉換，在最終演化中，輔助量子比特讓第個TLR與其它量子比特不產生耦合。因此，我們在系統里得到了通用型量子克隆機。

5.實驗的可行性分析

文獻[2]對通用型量子克隆機的性質進了討論。因為理想通用型量子克隆機，其保真度為。由文獻[3]知道，在真實的系統中，其保真度應該比0：92更為精確的值。在這些方案中，所有的CBJJ-N-V相互作用和經典脈沖將導致錯誤。如果考慮刪除和制備操作，那么整個操作步驟就是10。因此，如果脈沖的保真度比更好，這個才是合適的必需的精確度。這個值比文獻[3]（）要小很多，這樣就可以大大降低脈沖對實驗設備上的難度。

因此，我們首先要討論方案在實驗上的可行性，在方案中的方法可以在不同條件下實現通用型量子克隆機。

結論

總而言之，這是一個作用于優化通用型量子克隆機的新穎方案。固態量子比特較好單獨從環境中抑制消相干的操作是較容易的。另外，操作步驟很少，而且輔助的量子比特不但可以使量子克隆較容易而且可以降低系統對實驗設備的難度。最后，由于操作時間短，N-V中心、TLRs和CBJJ的消相干時間很長，我們的方案可以在目前現有的實驗條件下得到實現。

參考文獻

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[2] V. Buzek and M. Hillery， Quantum copying： Beyond the no-cloning theorem，Phys. Rev. A 54， 1844 （1996）.

[3] P. Milman， H. Ollivier， and J.M. Raimond，Universal quantum cloning in cavity QED， Phys. Rev. A 67， 012314 （2003）.

[4] X.B. Zou， K. Pahlke， and W. Mathis， Scheme for the implementation of a universal quantum cloning machine via cavity-assisted atomic collisions incavity QED， Phys. Rev. A 67， 024304 （2003）.

[5] L.M. Duan and G.C. Guo， A probabilistic cloning machine for replicating two non-orthogonal states， Phys. Lett. A 243， 261 （1998）.

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[10] J. Clarke et al.， Quantum Mechanics of a Macroscopic Variable： The Phase Difference of a Josephson Junction， Science 239， 992 （1988）.

[11] S.B. Zheng and G.C. Guo， Generation of Schr？dinger cat states via the JaynesCummings model with large detuning， Phys. Lett. A 223， 332 （1996）.

[12] M.J. Holland， D.F. Walls， and P. Zoller，Quantum nondemolition measurements of photon number by atomic beam deflection， Phys. Rev. Lett. 67， 1716（1991）.

基金項目

本文系湖南省研究生創新項目（No.CX2013B221）和國家自然科學基金項目（No.11174100）、（No.1127506）的研究成果之一。

作者簡介

篇6

【關鍵詞】現代；計算機技術；發展；方向；趨勢

0引言

計算機是我們工作生活中一個比較常見的物品，又被人們習慣性地稱為“電腦”，它不僅被應用于高速數據跟邏輯的運算，而且具備強大的存儲與修改功能，是一種現代化的智能電子設備。計算機有兩部分主體結構，一部分是硬件系統，另一部分是軟件系統，共同保障計算機的正常運轉。伴隨著科技水平的不斷提升，計算機技術也在隨之發展，計算機作為一個綜合型的生活辦公工具應用到人們生活工作中的同時，其發展備受人們的關注，相關行業人員也在致力于計算機的發展研究過程中，計算機技術的發展已經逐漸走上了一個越來越成熟的軌道。但是，當前計算機技術的發展也受到了一定的阻礙，人們過于關注對計算機娛樂方面的應用，比如聊天、網絡購物等內容，卻忽視了現代計算機技術的發展與創新，甚至不了解。本文將帶領大家一起去了解一下現代計算機技術的發展歷程以及未來的發展動向。

1計算機的發展歷程

世界上第一臺計算機出現在1946年2月，?？颂睾湍死@兩位美國的發明家在美國的賓夕法尼亞大學共同將它研制出來。世界上第一臺計算機的問世開啟了人類社會發展的新篇章，讓社會發展邁出了一大步，開啟了人們的新生活，帶領人們進入了信息革命時期。世界上第一臺計算機跟我們現在的計算機外形差距較大，那臺計算機有好幾間房子一樣大，但是它的計算速度卻并沒有高于我們現在使用的微型計算機。從世界上第一臺計算機問世到現在我們使用的計算機，無數的計算機研發人員一直在努力，尤其是科學家馮諾依曼在計算機技術的發展進程中發揮了重要的作用，被后人稱為“現代計算機之父”。馮諾依曼開啟了計算機發展的新時代，帶動了廣大科研人員對計算機技術的研究。隨著時間的推移，計算機的發展可以分為四代：

1.1電子計算機

電子計算機時代是計算機發展的第一個時代，從1946年開始，到1957年結束。電子計算機與世界上第一臺計算機有些類似，電子元件是計算機的主要器件，電子計算機也因此得名。電子管具的體積比較大，但是存儲的容量相對較小，因此電子計算機的耗電比較快，不具備穩定性。這類計算機一般應用于科學研究過程中，而且在電子計算機時代，計算機一般使用機器語言或者是匯編語言，并不具備系統軟件。

1．2晶體管計算機

隨著科學技術的不斷發展，量子力學和固體物理能帶論的不斷呈現，開啟了半導體器件的計算機時代，理論研究給半導體器件的發展奠定了理論基礎，提供了實踐的依據。早在20世紀50年代上下，點接觸晶體管就被兩位科學家研制出來。隨著科學的發展，結型晶體管又相繼問世。自此之后，晶體管的發展就步入一個相對成熟的軌道，成功的應用與計算機的發展過程匯總，讓計算機的發展進入了第二個時代，也就是我們所說的晶體管計算機時代。晶體管計算機時代從1958年開始，結束于1964年。晶體管具有相對優勢，它雖然體積較小，但是質量比較輕，而且工作的效率相對較高，散熱比較少，損耗較低，對于電子管的效能發揮到了一定的程度，因此，二代計算機的體積在不斷減少，但是使用的年限卻在增加，這就為計算機的發展奠定了基礎。除此之外，晶體管計算機的創新之處在于它擁有浮點算法這一新應用，對于計算機運算水平是一個大的提升，讓計算機在數據處理以及工業控制方面有了更大的突破。

1．3中小規模集成電路計算機

隨著晶體管的呈現，使得集成電路的發展更加順暢。不久之后，科研人員開始著手于研究晶體管以及其他電學元件，以此來制作更加復雜高端精密的集成電路。在1959年，有位著名的發明學家叫做羅伯特羅伊斯，他發明的集成電路更加復雜化，是通過平面工藝生產出來的，可以應用于商業領域。從那之后，計算機開始利用中小規模集成電路來進行技術發展，也就隨之進入了第三個計算機時代，被人們稱為中小規模集成電路計算機時代。中小規模集成電路計算機時代與之前存在的兩個計算機時代相比，又有所不同，中小規模集成電路計算機的中心部分仍舊是存儲器，但是計算機的體積開始不斷減小，與此同時，計算機的能耗在不斷降低，但是運算的速度以及可靠的程度卻又在不斷提升過程中。除此之外，中小規模集成電路計算機的外部設備得到完善與更新，它的功能組件強化，不僅可以應用于數據處理，還能夠在企業管理、輔助設計、輔助制造跟自動控制領域進行充分的應用。

1．4大規模和超大規模集成電路計算機

伴隨著我國經濟水平的提升，工業制造水平也在逐步提升，集成電路的技術有了新的發展。摩爾定律表明，當價格不變的時候，集成電路上能夠容納的晶體管數目，每隔18個月就能夠增加一倍，在這個過程中，它的性能水平也在提升，計算機的發展進入了一個全新的時代，被人們稱為大規模和超大規模集成電路計算機時代。自從1970年之后，以大規模集成電路和超大規模集成電路為標志的計算機開啟了第四個全新的計算機時代。升級發展之后的第四代計算機的性能有了明顯的優勢，存儲的容量明顯得到了提升，在一個一厘米的圓形芯片上可以容納上百萬的電子元件。在這一時期，第四代計算機時代呈現出一個關鍵性的分化，大規模、超大規模集成電路為依托不斷發展起來的微處理器以及微型計算機。微型計算機的發展可以大致分為四個階段。第一個階段是1971年到1973年，微處理器主要有三種，分別為4004、4040以及8008這個類型。第二個階段是1973年到1977年，這一個時間段是微型計算機的發展以及創新的時期。第三個階段是從1978年開始到1983年結束，在這一時間段里，是十六位微型計算機的發展階段。第四個階段從1983年開始，也是三十二位微型計算機的發展階段。

2計算機技術的新發展方向與趨勢

時代在不斷變革和發展，大規模和超大規模集成電路計算機也處在一個時刻發展與創新的過程中，但是隨著經濟水平以及科技水平的提升，現代各個領域的發展也隨之進行著，無論是生物領域還是物理領域，以及一些新材料的出現，都為新型計算機的發展奠定著前提條件。一系列新型計算機已經在醞釀發展的過程中，比如生物計算機、量子計算機、光子計算機以及納米計算機等。或者這些新型計算機的發展還未成型或者技術發展沒有十分成熟，但是它們的呈現代表著計算機技術發展的新方向與新趨勢。

2.1生物計算機

生物計算機是一種全新的計算機類型，還有一個別名叫做仿生計算機，它的創新之處在于使用了生物芯片替代了原本半導體上大量晶體管。生物計算機主要通過生物工程技術所出現的蛋白質分子來作為主要的原料以及生物芯片，所以被叫做生物計算機。脫氧核糖核苷酸上存在著一些遺傳信息，它是一種雙螺旋結構，因此，它具有強大的存儲優勢，而且運算能力非常強大，與傳統硅片相比更是略勝一籌。數據顯示，一毫克的DNA的存儲能力與一萬片的光碟片差不多大容量。除此之外，DNA還具有超能力，能夠同時進行兆個運算指令。這一系列的優勢因素都給生物計算機的成熟發展奠定了基礎，讓它具備了集成電路所沒有的優勢，大致可以歸結于五點。第一點，生物計算機的體積比較小，但是容量卻比較大。第二，生物計算機具有良好的可靠性，這主要得益于計算機的內部芯片，一旦出現問題，這個內部芯片可以自行進行恢復。第三，生物計算機的存儲量比較大，有關數據顯示，一立方米的生物大分子溶液里大約可以存儲一萬億的二進制數據。第四，生物計算機的運算速度比較快，這主要得益于DNA能夠同時處理兆個指令的特別優勢。第五，生物計算機具有良好的并行性。跟過去的計算機不同的是，生物計算機得益于DNA與蛋白質，因此充分發揮并行功能。生物計算機以它獨特的優勢成為21世紀科學技術發展的一個重要工程，當前，生物計算機的發展方向主要有兩個，一個是研制有機分子元件，利用它來替換半導體元件，為分子計算機的出現提供幫助。另一個是通過不斷探究人腦結構跟思維規律來研究生物計算機的結構，為生物計算機的成熟呈現奠定基礎。

2．2量子計算機

量子計算機也是新型計算機技術發展的產物，它是建立在量子力學規律以及依托量子效應和量子比特而進行的超速運算、強大存儲的一種新型計算機裝置。假如這個裝置處理和運算時使用的是量子信息，那么在進行量子算法的時候，就是所謂的量子計算機。量子計算機與一般計算機的一個不同之處在于它不僅能夠使用0和1進行存儲，還能夠用粒子的量子疊加來進行存儲信息的匯總。有關數據顯示，一個四十位元的量子計算機可以解開一千零二十四位的集成電路計算機需要花費幾十年才能夠解決的問題。量子計算機的運算速度令人驚嘆。到現在為止，全球還沒有呈現出一個成熟意義上的量子計算機，不同國家和地區的科研人員仍然沒有放棄努力，致力于對量子計算機的研究過程中，呈現出許多跟量子計算機相關的科學方案以及科學假設。在實際研究過程中，這一系列的科學方案仍然存在著一些不成熟的地方，但是伴隨著時代的進步，相信量子計算機終究會被攻克，完美地呈現在人們的生活中。

2．3光子計算機

科學技術的發展帶動著光學的發展，科研人員開始著手用光子來替代電子，光運算開始慢慢取代電運算，一系列的光學元件開始取代電子元件與電子設備，不斷應用于電子計算機的發展過程中。光子計算機主要是運用光信號進行數字運算、邏輯測算以及信息的存儲處理等的新型計算機，主要的優勢可以歸納為三個方面：第一，強可靠性，光子沒有電荷，所以就不存在電磁相互作用，具有較強的可靠性。第二，光子計算機的運算速度極高，光子的并行性比較強，因此具有較強的處理能力，加上光子傳播速度很快，進一步提升了光子計算機的運算速度。第三具有超大的存儲容量，光子互聯不受到電磁的干擾，因此具有較高的互聯密度。

2．4納米計算機

納米材料作為一種新型的高科技材料，在薄膜晶體管中的應用解放了傳統意義上的晶體管。納米計算機解決了一些頑固的技術難題，與此同時，由于納米材料研發的芯片具有更低的生產成本，因此，納米計算機的發展前景更加樂觀。作為21世紀科學技術發展的一個重要方向，相信隨著科研人員的不斷探索與發現，納米計算機技術一定可以隨著時間的推移走進我們老百姓的生活中，幫助我們解決日常生活中的一系列問題。

3總結

時代在不斷發展，科學技術水平也在不斷提升。社會的進步和發展對于現代計算機技術的發展要求越來越高，計算機作為人們工作生活中一個必不可少的輔助用品，必將走在不斷發展的路上，微型、智能、多功能發展，生物計算機、量子計算機、光子計算機以及納米計算機等一系列新型計算機，作為現代計算機技術的一個發展方向與趨勢一定可以破除各種技術阻礙，通過科研人員堅持不懈的努力成為老百姓生活中的一部分，為美好生活的構建增添色彩。

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關鍵詞：燃燒學；量子化學；Gaussian軟件；多媒體

中圖分類號：G642?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）19-0041-02

“燃燒學”是熱能與動力工程專業一門十分重要的專業基礎課程，其內容涉及化學動力學、傳熱學、熱力學、流體力學以及熱化學等多門學科知識，是一門典型的交叉學科。由于“傳熱學”、“熱力學”以及“流體力學”是熱能與動力工程專業的基礎課程，通過前期的系統學習，學生對該部分內容較為熟悉。但由于專業的限制，本專業學生在大學期間很少有機會學習化學專業知識，因而對化學動力學和熱化學等內容相對陌生，不少學生在課后反映該部分內容抽象難懂。燃燒過程實質上是耦合了流動、傳熱以及熱力相變的復雜化學反應過程。因此，掌握好化學動力學和熱化學等知識對本課程的學習具有重要意義。筆者根據在科研與教學實踐中的經驗，將量子化學Gaussian軟件應用到燃燒學課程的教學中，取得了良好的效果。

一、量子化學Gaussian軟件介紹

量子化學是應用量子力學的規律和方法來研究化學問題的一門學科。量子化學Gaussian軟件是一個功能強大的量子化學綜合軟件包，是化學領域最著名的軟件之一，可以在Windows、Linux、Unix操作系統中運行，目前最新版本為Gaussian 03。該軟件由量子化學家約翰波普的實驗室開發，可以應用從頭計算方法、半經驗計算方法模擬和計算分子和過渡態能量和結構、化學鍵以及反應能量、分子軌道、偶極矩和多極矩、原子電荷和電勢、振動頻率、紅外和拉曼光譜、極化率和超極化率、熱力學性質以及反應路徑等內容，是目前應用最廣泛的半經驗計算和從頭計算量子化學計算軟件。量子化學Gaussian軟件在教學中可以輕松搭建直觀的分子和原子模型，并且從分子動力學層面展現一個化學反應的內在變化和重組過程。因此，學生可以直觀地了解物質的結構和化學反應內在規律，從而強化對相關知識和規律的認識與掌握。

二、量子化學Gaussian軟件在“燃燒學”教學中的應用實例

量子化學Gaussian軟件的功能非常強大，但本文僅選擇個別功能，并且通過列舉“燃燒學”中最常見的兩個簡單基元反應實例來介紹其在“燃燒學”教學中的應用。

1.實例一

CO和·OH的反應是燃燒過程以及燃燒大氣污染控制化學中的一個重要基元反應。根據分子碰撞理論，兩種物質是通過相互碰撞發生化學反應，但這種說法對于非化學專業的同學來說非常抽象，不易理解。比如兩者是如何發生碰撞的，碰撞后又是如何發生反應的，這些問題都很模糊，通過簡單的文字描述很難講清楚。而通過簡單直觀的圖形講解則可能取得意想不到的效果。圖1顯示的是采用Gaussian軟件中的密度泛函理論（DFT，B3LYP方法）在6-311++ G（d，p）基組水平下全參數優化和模擬反應過程中的各反應物、中間體（IM）、過渡態（TS）以及反應產物的幾何構型示意圖。

圖2顯示的是CO和·OH之間的反應能級示意圖。從圖中結果可以看出，CO和·OH之間的反應實質上是·OH對CO發動進攻，即·OH的O原子去進攻CO中的C原子，得到反應中間體IM1。從中間體IM1出發有兩種裂解方式：一種是經過渡態TS1斷裂其H-O鍵；另一種方式是IM1首先經過一個異構化過渡態TS2異構為另一順式中間體IM2，然后IM2又經過渡態TS3斷裂其H-O鍵生成產物CO2和H?；谝陨夏芗壏治觯磻嬖趦蓷l可能的通道。但通過計算的活化能可知，第一條反應路徑需要的活化能為197.41 kJ/mol，而第二條需要的活化能僅為33.22 kJ/ mol?；瘜W反應進行必須先要克服一定的能量障礙，即活化能才可以發生。從計算結果可以看出，由于通道CO+·OHIM1TS1CO2+·H的活化能比通道CO+·OHIM1+TS2+IM2+TS3+CO2+·H的高得多。因此，第二個通道需要克服的能量障礙更小，即更容易發生，是該反應的主要通道（主要反應路徑）。

2.實例2

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關鍵詞：量子糾纏；特征關聯；認識論；波函數

量子信息研究領域在近幾年發展迅速，并獲得了諸多突破，推動著計算機和信息通信領域的發展，有非常樂觀的應用前景。不同于經典的信息處理方式，量子信息處理利用了粒子的量子力學特性。而量子糾纏理論被認為量子信息處理的重要理論，是區別于經典力學的本質特性[1]。深入認識和理解量子糾纏的構建機制，能夠為量子信息領域的理論和技術研究提供全新的思路，為科技哲學的認識論帶來深層次的理論依據，為信息思維、能力思維、物質思維和客觀世界的復雜性思維提供系統的認識方法。

一、量子糾纏的構建

按照量子糾纏的定義[2]，如果復合系統的純態不能寫成子系統純態的直積，即，那么這個態為糾纏態，即

式中，表示子系統的基本屬性簇；由n個微觀粒子子系統組成復合純態系統

，

其中，為希爾伯特空間的直積態或非糾纏，假設存在

，，…，

使得不成立，那么就稱這n個微觀粒子之間糾纏。

如果存在n個不同的態，當tt0時，假設這些態之間發生相互作用，形成更大的復合系統Hi，Hi =H1H2×…Hn，這一系統的狀態特征可用波函數表征。若無法將獨立的狀態特征分立出來，那么該表征僅僅是描述復合系統的特征概率。這意味著，若發生糾纏態，則至少存在不少于兩個的量子態的疊加，構成一個復合的整體。這種量子糾纏理論說明，發生相互糾纏的量子態之間存在特定的關聯作用，當對某一實在進行操作時，與其發生糾纏的其他實在的特征也會發生變化[3]。這種糾纏關聯關系不僅呈現某一實在的固有屬性，并且描述了糾纏關聯的復合系統的整體特征。

物質實在的本體具有特殊性的物理屬性，物質本體固有屬性的認知過程與物理本體有一定區別。對于微觀物質來說，它除了擁有宏觀物質的基本特性以外，還具有波動性特征，構成微觀物質的雙重屬性。量子力學中的波函數公設認為：“一個微觀粒子的狀態可以用波函數來完全描述”[4]。從認識論來看，微觀粒子的波函數具有兩個維度的涵義：第一，波函數包含了微觀粒子的全部狀態特征信息，操作波函數的過程就是對微觀粒子的現有狀態和固有屬性的認識過程；第二，操作波函數時，不同波函數所表征出來的特性有所區別，只有對波函數進行多次操作，才能得到微觀粒子的全部特征。

大量的實驗研究表明，任何實在本體都具備兩種基本屬性：本體客觀存在的直接屬性和基于或然存在的間接屬性[5]。這兩種基本屬性共同構成實在本體的特征，可通過波函數進行表述。同樣地，復合系統通過糾纏關聯建立系統的整體特征，用復合系統的波函數來描述。對于完全獨立的多個實在本體所組成的復合系統，可以通過波函數來表征每個實在的屬性。當對復合系統進行某種操作后，系統不能將每個實在的屬性孤立地表征出來，此時復合系統的整體特征通過糾纏的實在間的關聯作用來表征。對糾纏系統某個子系統的操作會使得其他子系統的特征發生變化，表明量子糾纏是一個由本體屬性過渡到整體特征的認識過程。

二、量子糾纏的特征關聯

量子信息理論的本質屬于哲學范疇[6]，對量子糾纏的認識，不光要對實在本體產生全新的認識，也要對實在個體到整體關聯運用新的研究思路。

量子糾纏的關聯特性凸顯了復合系統中原獨立實在之間的相互作用關系。狄拉克曾在1931年斷言存在理論上的“磁單極子”[7]，但至今仍未找到足夠的實證。由單極子組成的磁體所體現的實在，對“磁單極子”本體的認識遠遠少于由單極子組成的磁體實在的整體特征的認識。也就是說，量子糾纏在整體表象與特征關聯的關系上，一方面揭示了實在本體的關聯與內在的依存關系，另一方面體現了本體的固有屬性。

為了量測相互糾纏的實在之間的關聯程度，由此出現了糾纏度的概念[8]。從認識論來看，它界定了局域空間的有限性，不同的實在本體在多個空間形成糾纏關聯，從而構建我們的世界觀。相互糾纏的實在之間的糾纏度越大，則邊界越模糊，局域越稀疏，實在特征屬性的描繪就越復雜；反之，糾纏度越小，則邊界越明確，局域越緊促，實在特征描繪越簡單。量子糾纏是非局域的，是客觀實在之間主體介入的間接存在。每個實在本體包含特征信息，利用糾纏操作實現信息的傳遞。所以說，量子糾纏擁有識別和存儲實在本體的特性，體現了對整體關聯的認識，代表了統一認識論觀點的形成過程，是哲學理論在量子信息科技領域的拓展和延伸。

量子糾纏關聯是客觀實體最本質的特征，通過這種關聯，搭建了實在本體與主觀存在之間的關系。從理論技術的角度來說，如果缺少了量子糾纏關聯的研究，那么量子通信只會是現代信息理論技術的簡單發展。量子糾纏的構建機制與特征關聯的研究，向人們展現了經典力學無法描繪的圖景，表明微觀粒子不存在孤立的特征[9]。深入探究量子糾纏的認識論，挖掘新的認知方法，對人類認知思維的進步具有深刻的意義。

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關鍵詞：量子力學；量子理論；矩陣力學；波動力學；測不準原理

量子力學揭示了微觀物質世界的基本規律，為原子物理、固體物理學、核物理學和粒子物理學奠定了基礎。它能很好地解釋原子結構、原子光譜的規律性、化學元素的性質，光的吸收與輻射等等方面。從1900年到1913年量子論的早期提出，到經過許多科學家如玻恩、海森伯、玻爾等人的努力詮釋，量子力學得到了進一步發展。后來遭到愛因斯坦和薛定諤等人的批評，他們不同意對方提出的波函數的幾率解釋、測不準原理和互補原理。雙方展開了一場長達半個世紀的論戰，至今尚未結束。

一、量子論的早期

1 普朗克的能量子假設

普朗克在黑體輻射的維恩公式和瑞利公式之間尋求協調統一，找到了與實際結果符合極好的內插公式，迫使他致力于從理論上推導這一新定律。但是，他經過幾個月的緊張努力也沒能從力學的普遍理論直接推出新的輻射定律。最后只好用玻爾茲曼的統計方法來試一試。他根據黑體輻射的測量數據計算出普適常數，后來人們稱這個常數為普朗克常數，也就是普朗克所謂的“作用量子”，而把能量元稱為能量子。

2光電效應的研究

普朗克的出能量子假說具有劃時代的意義，但是，不論是他本人還是同時代人當時對這一點都沒有充分認識。愛因斯坦最早明確地認識到，普朗克的發現標志了物理學的新紀元.1905年，愛因斯坦在其論文《關于光的產生和轉化的一個試探性觀點》中，發展了普朗克的量子假說，提出了光量子概念，并應用到光的發射和轉化上，很好地解釋了光電效應等現象。在那篇論文中，愛因斯坦總結了光學發展中微粒說和波動說長期爭論的歷史，提示了經典理論的困境，提出只要把光的能量看成不是連續的，而是一份一份地集中在一起，就可以作出合理的解釋。與此同時，他還大膽地提出了光電方程，當時還沒有足夠的實驗事實來支持他的理論，因此，愛因斯坦稱之為“試探性觀點”。但他的光量子理論并沒有及時地得到人們的理解和支持，直到1916年，美國物理學家密立根對愛因斯坦的光電方程作出了全面的驗證，光量子理論才開始得到人們的承認。 3 固體比熱的研究

1906年，愛因斯坦將普朗克的量子假說應用于固體比熱，解釋了固體比熱的溫度特性并且得到定量結果。然而，這一次跟光電效應一樣，也未引起物理界的注意。不過，比熱問題很快就得到了能斯特的低溫實驗所證實。量子理論應用于比熱問題獲得成功，引起了人們的關注，有些物理學家相繼投入這方面的研究。在這樣的形式下，能斯特積極活動，得到比利時化學工業巨頭索爾威的資助，促使有歷史意義的第一屆索爾威國際物理會議的召開，討論的主題就是《輻射理論和量子》，這次會議在宣傳量子理論上起了很好的作用。

4量子假說運用于原子模型

哈斯是奧地利的一位年表物理學家，他在研究黑體輻射時很早就注意到了量子論。湯姆生專門討論原子結構的書《電與物質》和維恩的文章促使他運用量子公式來闡述原子結構，這是將量子假說運用于原子結構的最初嘗試。

丹麥人玻爾堅信盧瑟福的有核原子模型學說，為了證實其正確性，玻爾利用量子假說來解決原子的穩定性問題。要描述原子現象，就必須對經典概念進行一番徹底的改造，因為一致公認的經典電動力學并不適于描述原子規模的系統行為。1913年，玻爾在他的第二篇論文中以角動量量子化條件作為出發點來處理氫原子的狀態問題，得到能量、角頻率和軌道半徑的量子方程?？梢?，玻爾的對應原理思想早在1913就有了萌芽，并成功地應用于原子模型理論。玻爾的原子理論完滿地解釋了氫光譜的巴耳末公式；從他的理論推算，各基本常數如e、m、h和R（里德伯常數）之間取得了定量的協調。他闡明了光譜的發射和吸收，并且成功地解釋了元素的周期表，使量子理論取得了重大的進展。

二 量子力學的建立與發展

1德布羅意假說 2電子自旋概念的提出 半年后，荷蘭著名物理學家埃倫費斯特的兩個學生在不知道克羅尼格工作的情況下提出了同樣的想法，并寫成了。這得到了海森伯的贊同，不過，如何解釋雙線公式中多出的因子2，一時還得不到解答。玻爾試圖從相對論推出雙線公式，但仍然沒有結果。終于，在1926年，在哥本哈根研究所工作的英國物理學家托馬斯才解決了這個問題。這樣一來，電子自旋的概念很快被物理學界普遍接受。

3矩陣力學的創立 集正是線性代數中的矩陣，此后，海森伯的新理論就叫《矩陣力學》。

玻恩著手運用矩陣方法為新理論建立一套嚴密的數學基礎。與數學家約丹聯名發表了

《論量子力學》一文，首次給矩陣力學以嚴格的表述。接著，玻恩、約丹、海森伯三人合作，系統地論述了本征值問題、定態微擾和含時間的定態微擾，導出了動量和角動量守定律，以及強度公式和選擇定則，從而奠定了量子力學的基礎。

4波動力學的創立 5波函數的物理詮釋 6測不準原理和互補原理的提出 海森伯在創立矩陣力學時，對形象化的圖象采取否定態度。但他在表述中仍然需要“坐標”、“速度”之類的詞匯，這些詞匯已不再等同于經典理論中的那些詞匯。為解釋這些詞匯坐標的新物理意義，海森伯抓住云室實驗中觀察電子徑跡的問題進行思考。他意識到電子軌道本身的提法有問題，人們看到的徑跡并不是電子的真正軌道，而是水滴串形成的霧跡，水滴遠比電子大，所以人們也許只能觀察到一系列電了的不確定的位置，而不是電子工業的準確軌道。因此，在量子力學中，一個電子只能以一定的不確定性處于某一位置，同時也只能以一定的不確定性具有某一速度 ?？梢园堰@些不確定性限定在最小范圍內，但不能等于零。這就是海森伯對不確定性的最初思考。海森伯的測不準原理是通過一些實驗來論證的，他還通過對確定原子磁矩的斯特恩-蓋拉赫實驗的分析得出結論：能量的準確測定如何，只有靠相應的對時間的測不準量才能得到。

海森伯的測不準原理得到了玻爾的支持，但玻爾不同意他的推理方式，認為他建立測不準關系所用的基本概念有問題。于是提出了互補原理。他指出，平常大家總認為可以不必干涉所研究的對象，就可以觀測該對象，但從量子理論看來卻不可能，因為對原子體系的作何觀測，都將涉及所觀測的對象在觀測過程中已經有所改變，因此不可能有單一的定義，平常所謂的因果性不復存在。對經典理論來說互相排斥的不同性質在量子理論中卻成了互相補充的一些側面。波粒二象性正是互補性的一個重要表現。其他量子力學結論也可從這里得到解釋。

三 關于量子力學完備性的爭論

玻恩、海森伯等人提出了量子力學的詮釋之后，遭到了愛因斯坦和薛定諤等人的批評，他們不同意對方提出的波函數的幾率解釋、測不準原理和互補原理，雙方展開了一場長達半個世紀的大論戰，許多理論物理學家、實驗物理學家和哲學家卷入了這場論戰，至今還未告結束。

正是由于以愛因斯坦為代表的EPR一派和以玻爾為代表的哥本哈根學派的長期爭論，才使得量子力學越來越完備，很多問題得到了系統性的研究。

1965年，貝爾在定域隱參量理論的基礎上提出了一個著名的關系，人稱貝爾不等式，于是有可能對隱參量理論進行實際的實驗檢驗，從而判斷哥本哈根學派對量子力學的解釋是否正確。從70年代開始，各國物理學家先后完成了十幾項檢驗貝爾不等式的實驗。這些實驗大多數都明顯地違反了貝爾不等式，而與量子力學理論預言的相符。但也不能就此對愛因斯坦和玻爾的爭論作出最后裁決。目前這場論戰還在進行之中，沒有得出最后的結論。

[2]盧鶴紱.哥本哈根學派量子論詮釋.上海:復旦大學出版社,1984

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[關鍵詞]計算材料學；綜合教學；課程起源

[中圖分類號] G40-011 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）08-0155-02

一、前言

計算材料學是一門正快速發展的材料科學與計算機科學交叉的新興學科，它能夠利用相應計算方法對材料的組成、結構、性能進行設計與模擬；廣泛涉及材料、物理、計算機、數學、化學等多門學科。[1]可以說，計算材料學是材料學理論和實驗的橋梁連接。[2]學習計算材料學能讓學生進行模擬實驗，使學生養成在制備材料前從理論上設計新材料并預測其性質的良好思路。

作為材料類專業的重要課程，我們在教學過程中存在著不少的問題：1.具有計算材料學研究背景的師資力量欠缺；2.授課方法單一、枯燥，課堂效果不好；3.實踐條件的欠缺很難保證教學效果。為了提高計算材料學課程的教學質量，使學生更好地掌握材料設計和性能預測的基本能力，我們結合存在的問題和教學改革的實踐，對計算材料學的課程教學提出一些改革方法。

二、了解起源，培養興趣

計算材料學是一門十分抽象、理論性極強的課程，書中理論眾多并伴隨著數不清的陌生的符號、公式和注釋，這往往讓學生在學習過程中望而卻步。傳統的計算材料學教學通常是讓學生在課后反復操練習題，以至可以靈活應用這些公式定律來解題。結果不言而喻，學生往往知其然，而不知其所以然，很難提起學習的興趣。因此，授之以魚，還得授之以漁，在教學過程中追本溯源，將理論的來龍去脈講述清楚，教給學生創造的思維和方法顯得更為重要。

計算材料學不僅蘊含著復雜的變量、方程和實驗方法等知識，而且還充滿了疑問，這些疑問把學生帶入充滿曲折的探索之旅。所以，在計算材料教學中將課程重點和難點融為一體，可以在不知不覺中起到“潤物細無聲”的獨特效果。

計算材料學課程教改的目標是轉變教學理念，讓學生懂得計算模擬的起源、材料計算設計的基本方法和基本內容以及與之相關的計算材料的前沿知識，引入與之相關的計算模擬案例介紹，從而使其具有一定的理論素養，培養其科學的態度、方法和精神。

三、引入拋錨式教學模式，提高課堂質量

拋錨式教學也稱實例式教學，是由美國溫特貝爾特大學匹波迪教育學院開發的一種教學模式。其要求學生在某種類型個案的實際環境中去感受和體驗問題，而不是聽經驗的間接介紹和講解。真實的感受案例或情境，可以激發學生興趣，引導學生觀察和思考，形成一種探索與研究的習慣。

根據課程的特點，適當選擇講述一些有關課程的起源與發展的案例，使其自然地融入課堂。再結合教材內容“見縫插針”，讓學生理解重要定理、公式是怎么來的，為什么要這么命名，相關定理、公式背后都有哪些有趣、有意義的故事，使學生產生一種情景記憶，而不是死記硬背，從而引導學生對知識點進行深入的學習和挖掘。

以本課程中的量子力學基礎為例，詳細介紹量子力學的發展歷程可以讓學生更好地理解量子力學的基本意義和它對于學好計算材料學的重要作用。如利用信息技術創設一個量子力學發展歷程的故事或一段經歷，用一根主線將求解量子力學波函數問題融入情境故事或經歷中，使學生趟著主線求解復雜的問題。見表1：[3] [4]

圍繞相關原理、公式如不確定性原理、薛定諤方程等，開發可共享的經驗，展開教學活動，使學生掌握態矢量、波粒二象性和量子測量等概念知識，老師在學生獲得概念知識的初始階段需要提供較多的指導。創造機會使學生擁有更多的自進行獨立探究或小組探究，圍繞求解薛定諤方程所做的近似求解思想和方法，查找或探究相關的隱藏或缺失的信息。

運用知識作為問題求解的工具。學生運用相關定理、公式中隱含的信息或線索，積極制訂解決問題的計劃。為此，學生需要先探究一些問題，以確定輔助解決整個問題的補充信息。教師們應該根據實際情況，將計算材料軟件如CASTEP、VASP和Abinit等引入教學中，使學生有接觸解決實際問題的工具的機會。同時，教師們更需要了解學生的理解能力、決策能力和推理能力，從而更好地為學生的問題求解提供“腳手架”。

制訂一套整合相關原理、公式的教學方案。引導學生們閱讀更多學科知識的內容，共同探究相關的故事，使學生們沉浸在相關的模擬情境中，從而加深對概念知識的理解并整合不同學生的概念知識，在潛移默化中培養學生的知識遷移能力。

共同分享所學內容。學生們將他們對相關原理、公式問題和拓展性問題探究結果呈現出來，從不同角度探討解決綜合問題的策略，深層次地理解學習內容，從而為學習共同體作出貢獻。[4]

四、以史為鑒，培養科學精神

科學精神包括探索精神、求真精神、民主精神、實踐精神和懷疑批判精神等等。中國的應試教育使得廣大學生太相信書本和教師，摧殘了學生批判性思維能力，因此在教學中可結合一些計算材料學的歷史，加強學生批判思維能力的培養。

例如，在計算材料學課堂中引入愛因斯坦對薛定諤、德布羅意等的觀點提出質疑的案例。[5]

愛因斯坦在1924年對泡利反對連續區理論的觀點上發表示了“完全的因果性”的看法，針對玻爾關于輻射的波動在本質上是幾率波的假設而評論：“玻爾關于輻射的意見是很有趣的。但是，我決不愿意被迫放棄嚴格的因果性，將對它進行更強有力的保衛。我覺得完全不能容忍這樣的想法，即認為電子受到輻射的照射，不僅它的跳躍時刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去選擇?！?/p>

愛因斯坦對“量子力學僅可建立在可觀察量的基礎上”這一觀點也提出異議。1926年春天，他在海森堡的一次談話中，提出了“是理論決定我們能夠觀察到的東西”的觀點。

通過學習計算材科料學史，可以引導學生去發現和認識公式、方程的產生。如引導學生思考：從薛定諤方程產生到解決過程中真正創造了些什么？哪些思想、方法代表著薛定諤方程相對于以往的實質進步？科學工作者在求解薛定諤方程遇到瓶頸時，成功創造了近似求解的方法，這種方法可以從微擾理論到變分理論再到密度泛函理論，這不僅體現了量子力學理論的一大進步，更體現科學工作者對尋求真理的孜孜不倦的精神。[6]通過對計算材料科學史的學習，可以鍛煉學生的創造性思維，同時學習薛定諤為追求真理，而百折不撓、義無反顧、獻身科學的精神，感受薛定諤治學嚴謹、剛正真誠、淡泊名利的風范和人格魅力。

五、結論

計算材料學作為一門新興科學，是材料類專業人才培養中的重要基礎課程。然而在教學過程中由于師資力量薄弱、教學方法單一、研究對象復雜、實踐條件有限等問題，使學生的學習興趣低下、教學效果不明顯。我們在教學過程中應運用科學發展過程中蘊藏的豐富的教育資源，通過講授學科起源、發展以及應用的案例，使學生了解知識的形成過程，同時引入拋錨式教學模式將一個個真實生動的科學形象，融入日常課堂教學之中，從而提高課堂教學質量。同時，應有意識地加強計算材料學發展史的講授，使知識、原理和規律變得生動而鮮活，更使學生的科學思想、科研方法、科學精神、科學態度和科學素養等得到熏陶和培養。

[ 注 釋 ]

[1] 張躍，谷景華，尚家香.計算材料學基礎[M].北京：航空航天大學出版社，2007.

[2] （德）D?羅伯，項金鐘，吳興惠.計算材料學[M].北京：化學工業出版社，2002.

[3] 許良英.愛因斯坦文集[M].北京：商務印書館，1977（1）.

[4] （美）J?梅拉H?雷琴堡.量子理論的歷史發展[M].北京：科學出版社，1990.