導(dǎo)語：如何才能寫好一篇量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

【關(guān)鍵詞】實驗室；質(zhì)量管理；網(wǎng)絡(luò)化；自動化

血液檢測在輸血服務(wù)中起關(guān)鍵性作用，血液檢測實驗室的科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化以及室驗室檢測的高效性、嚴(yán)密性，逐漸被人們所重視，是保證血液質(zhì)量、達(dá)到安全輸血的前提。我站將實驗室的標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量管理與微機網(wǎng)絡(luò)化、儀器自動化相結(jié)合，建立了一個現(xiàn)代化全自動的實驗室。其中的質(zhì)量管理體系作用是使整個檢測更加標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。同時也將有效地監(jiān)督日常工作，并形成了日常工作的可追溯性，而微機的網(wǎng)絡(luò)化、儀器的自動化、標(biāo)本的條碼化使檢測能力和檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性有大幅度提高，三者相輔相承，從各方面提高了血液的安全性。

1 實驗室標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量管理體系的建立

2001年本血站通過了ISO9000質(zhì)量體系認(rèn)證，隨后的幾年工作也逐步地在改進(jìn)，將整個采供血體系完全按照標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量體系來進(jìn)行。同時又建立了實驗室的質(zhì)量體系，明確了實驗室的質(zhì)量方針和質(zhì)量目標(biāo)，對血液檢測工作做出具體指導(dǎo)和相應(yīng)規(guī)范。

主要包括以下內(nèi)容：崗位職責(zé)、工作制度、操作規(guī)范、記錄文件4個方面。其中崗位職責(zé)和工作制度詳細(xì)說明了實驗室要進(jìn)行的工作和日常分工，根據(jù)衛(wèi)生部及安全輸血標(biāo)準(zhǔn)的綜合要求，一份血液標(biāo)本一檢、二檢分別由不同檢驗人員操作，試劑為兩種不同廠家并為國家衛(wèi)生部檢定合格試劑，而操作規(guī)則為日常工作的指導(dǎo)書，要求操作人員在日常工作中保證實驗操作的一致性、規(guī)范性、避免人為的誤操作，而出現(xiàn)質(zhì)量差錯，記錄文件則十分重要，它記錄日常工作的每一個細(xì)節(jié)，從血液標(biāo)本的接收到檢驗報告的發(fā)出，每一個環(huán)節(jié)都有操作者簽字，保證了檢測結(jié)果的可追溯性，無形中控制著每一個環(huán)節(jié)，保證了檢測的準(zhǔn)確性。

2 實驗室檢測的微機網(wǎng)絡(luò)化、儀器自動化的管理

2000年，我站先后引進(jìn)了用于血液檢測的AT Plus全自動加樣機，KUBOTA8400離心機(日本產(chǎn))，KJ-201BD振蕩器(姜堰市)，2005年又購進(jìn)Star全自動加樣系統(tǒng)(瑞士產(chǎn))，F(xiàn)AME24/20全自動酶免分析儀(瑞士產(chǎn))，通過以上儀器對血液ALT、HBsAg、抗-HCV、抗-HIV、梅毒、血型正反定型進(jìn)行檢測。對血液標(biāo)本從接收到檢測報告的發(fā)出全部微機化管理，標(biāo)本的條碼化保證標(biāo)本由始至終的唯一性，避免了檢驗過程中人為的標(biāo)本張冠李戴錯誤的發(fā)生。實驗室微機化管理，從操作人員的權(quán)限、樣本的接收、樣本檢測、結(jié)果的輸入到合格樣本的發(fā)出、不合格樣本的處理(不合格樣本是否需要復(fù)試，復(fù)試幾次方可發(fā)出，操作者及所采用試劑)在網(wǎng)絡(luò)上作了嚴(yán)格的監(jiān)控，待檢室只有接到實驗室樣本的合格信息，方可打出合格血簽，并發(fā)放使用。

為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)檢測的高效準(zhǔn)確，這個局域網(wǎng)需要的硬件條件為每臺儀器配有一臺電腦，操作系統(tǒng)分別為Star加樣機、FAME24/20全自動酶免分析儀、多功能酶標(biāo)儀(zenYth340rt，瑞士)，另外還有一臺主控電腦用來完成所有結(jié)果的匯總，每臺電腦都安裝相應(yīng)的軟件，以達(dá)到各自工作的目的，每臺電腦設(shè)有特定的用戶名和密碼，正確登錄方可進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，這就從一定程度上保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性和日常工作的可靠性。

3 標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量管理體系、微機網(wǎng)絡(luò)化、儀器自動化高效的結(jié)合

在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置質(zhì)量管理體系所要求的各種屬性，在實驗儀器終端為每一位操作者設(shè)置用戶名和密碼，以確保訪問的可追溯性。同時在該操作軟件中設(shè)置該操作所形成的文件標(biāo)識，該操作軟件會自動保存操作者的每個操作過程，以便查看操作實驗的整個過程。每臺操作終端的軟件將有根據(jù)質(zhì)量管理文件中操作規(guī)程所設(shè)置的程序以確保操作的一致性。在試驗結(jié)束之后，操作軟件會將最終結(jié)果傳輸至主控電腦，同時也將打印出來。該報告將包括：時間、操作者、試劑批號、標(biāo)本號、實驗結(jié)果，以方便資源共享。

通過如圖1的管理和設(shè)置，就可以以微機網(wǎng)絡(luò)化、儀器自動化管理為手段，以質(zhì)量管理為目的，實現(xiàn)了質(zhì)量體系與微機網(wǎng)絡(luò)化、儀器自動化管理的結(jié)合，更進(jìn)一步提高了血液質(zhì)量，增強了工作人員的責(zé)任心。尤其在血液集中化檢測的今天，勢必要求實驗室具有高效而準(zhǔn)確的檢測水平。因此，實驗室的管理尤為重要，如果這種高效的管理形成規(guī)模，將會為輸血事業(yè)帶來更大的進(jìn)步和提高。

A：標(biāo)本接收準(zhǔn)確無誤后，填寫接收記錄，登錄實驗室網(wǎng)絡(luò)錄入主控電腦。

B：將帶條碼的標(biāo)本離心處理后，放入Star全自動加樣機進(jìn)行加樣，并獲得加樣信息(即標(biāo)本條碼信息)。這些信息將自動傳輸給多功能酶標(biāo)儀(zenYth340rt)。

C：將加樣處理后的微板放入ML/FAME全自動酶標(biāo)儀中并根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的程序進(jìn)行HBsAg、抗-HCV、抗-HIV、梅毒的檢測。

D：檢測結(jié)果由ML/FAME全自動酶標(biāo)儀自動傳輸給多功能酶標(biāo)儀(zenYth340rt)。

E：待檢標(biāo)本在Star全自動加樣機加樣處理后放入多功能酶標(biāo)儀，進(jìn)行ALT檢測(速率法)。

F：待檢標(biāo)本在Star加樣機中加樣處理后放入平板離心機中500r/min離心3min，再在孵育振蕩器上振蕩5min后放入多功能酶標(biāo)儀(zenYth340rt)進(jìn)行掃描檢測，判定血型。

G：將所有檢測結(jié)果進(jìn)行匯總打印，并將檢測結(jié)果發(fā)送到主控電腦。

H：主控電腦匯總所有待檢標(biāo)本的檢測結(jié)果，并根據(jù)程序中的判定規(guī)則判斷結(jié)果，匯總檢驗信息打出檢驗報告。

篇2

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；教學(xué)改革；物理思想

作者簡介：王永強（1980-），男，山西河曲人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院技術(shù)物理系，講師。（河南?鄭州?450002）

基金項目：本文系鄭州輕工業(yè)學(xué)院第九批教學(xué)改革項目“《量子力學(xué)》課程體系與教學(xué)內(nèi)容的綜合改革和實踐”資助的研究成果。

中圖分類號：G642.0?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）20-0070-02

“量子力學(xué)”是20世紀(jì)物理學(xué)對科學(xué)研究和人類文明進(jìn)步的兩大標(biāo)志性貢獻(xiàn)之一，已經(jīng)成為物理學(xué)專業(yè)及部分工科專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課程之一，是學(xué)習(xí)“固體物理”、“材料科學(xué)”、“材料物理與化學(xué)”和“激光原理”等課程的重要基礎(chǔ)。通過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能熟練掌握量子力學(xué)的基本概念和基本理論，具備利用量子力學(xué)理論分析問題和解決問題的能力。同時，這門課程對培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識及科學(xué)素養(yǎng)亦具有十分重要的意義。然而，“量子力學(xué)”本身是一門非常抽象的課程，眾多學(xué)生談“量子”色變，教學(xué)效果可想而知。如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的熱情，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，提高量子力學(xué)的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，已經(jīng)成為擺在教師面前的重要課題。近年來，筆者在借鑒前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合鄭州輕工業(yè)學(xué)院（以下簡稱“我?！保┙虒W(xué)實際，在“量子力學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法方面做了一些有益的改革嘗試，取得了較好的效果。

一、“量子力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容的改革

量子力學(xué)理論與學(xué)生長期以來接觸到的經(jīng)典物理體系相去甚遠(yuǎn)，尤其是處理問題的思路和手段與經(jīng)典物理截然不同，但它們之間又不無關(guān)聯(lián)，許多量子力學(xué)中的基本概念和基本理論是類比經(jīng)典物理中的相關(guān)內(nèi)容得出的。因此，在“量子力學(xué)”教學(xué)中，一方面需要學(xué)生摒棄在經(jīng)典物理學(xué)習(xí)中形成的固有觀念和認(rèn)識，另一方面在學(xué)習(xí)某些基本概念和基本理論時又要求學(xué)生建立起與經(jīng)典物理之間的聯(lián)系以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時困惑不堪。此外，這門課程理論性較強，眾多學(xué)生陷于煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)之中，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣缺失。針對以上教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題，筆者對“量子力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容作了一些有益的調(diào)整。

1.理清脈絡(luò)，強化知識背景

從經(jīng)典物理所面臨的困難出發(fā)，到半經(jīng)典半量子理論的形成，最終到量子理論的建立，對量子力學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行細(xì)致的、實事求是的分析，特別是對量子理論早期的概念發(fā)展有一個準(zhǔn)確清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已經(jīng)證明為正確并得到公認(rèn)的，還存在哪些不完善的地方。這樣一方面可使學(xué)生對量子力學(xué)中基本概念和基本理論的形成和建立的科學(xué)歷史背景有一深刻了解，有助于學(xué)生理清經(jīng)典物理與量子理論之間的界限和區(qū)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(xué)生對蘊藏在這一歷程中的智慧火花和科學(xué)思維方法有一全面的了解，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識及科學(xué)素養(yǎng)。比如：對于玻爾理論，由于對量子化假設(shè)很難用已經(jīng)成形的經(jīng)典理論來解釋，學(xué)生往往會覺得不可思議，難以理解。為此，在講解這部分內(nèi)容時，很有必要介紹一下玻爾理論產(chǎn)生的歷史背景，告訴學(xué)生在玻爾的量子化假設(shè)之前就已經(jīng)出現(xiàn)了普朗克的量子論和愛因斯坦的光量子概念，且大量關(guān)于原子光譜的實驗數(shù)據(jù)也已經(jīng)被掌握，之前盧瑟福提出的簡單行星模型卻與經(jīng)典物理理論及實驗事實存在嚴(yán)重背離。為了解決這些問題，玻爾理論才應(yīng)運而生。在用量子力學(xué)求解氫原子定態(tài)波函數(shù)時，還可以通過定態(tài)波函數(shù)的概率分布圖，向?qū)W生介紹所謂的玻爾軌道并不是真實存在的，只是電子出現(xiàn)幾率比較大的區(qū)域。通過這樣講述，學(xué)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(xué)中的概念混為一談。

2.重在物理思想，壓縮數(shù)學(xué)推導(dǎo)

在物理學(xué)研究中，數(shù)學(xué)只是用來表述物理思想并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒在復(fù)雜的數(shù)學(xué)形式之中。因此，在教學(xué)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(zhì)。對一些涉及繁難數(shù)學(xué)推導(dǎo)的內(nèi)容，在教學(xué)中刻意忽略具體數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，著重于使學(xué)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(xué)中，對于數(shù)學(xué)方面的問題，只要求學(xué)生能正確寫出薛定諤方程、記住其結(jié)論即可，重點放在該類問題所蘊含的物理意義及對現(xiàn)成結(jié)論的應(yīng)用上。這樣，學(xué)生就不會感到枯燥無味，而能始終保持較高的學(xué)習(xí)熱情。

二、教學(xué)方法改革

傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)法把課堂變成了教師的“一言堂”，使得學(xué)生在教學(xué)活動中始終處于被動接受地位，極大地壓制了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，十分不利于知識的獲取以及對學(xué)生創(chuàng)新能力及科學(xué)思維的培養(yǎng)。而且，“量子力學(xué)”這門課程本身實驗基礎(chǔ)薄弱、理論性較強，物理圖像不夠直觀，一味采取灌輸式教學(xué)，學(xué)生勢必感到枯燥，甚至厭煩。長期以往，學(xué)習(xí)積極性必然受挫，學(xué)習(xí)效果自然大打折扣。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)其學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)其科學(xué)探索精神及創(chuàng)新能力，筆者在教學(xué)方法上進(jìn)行了一些有益的探索。

1.發(fā)揮學(xué)生主體作用

除卻必要的教學(xué)內(nèi)容講解外，每節(jié)課都留出一定的師生互動時間。教師通過創(chuàng)設(shè)問題情景，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究討論，或者針對已講授內(nèi)容，使學(xué)生對已學(xué)內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)、總結(jié)、辨析，以加深理解；或者針對未講授內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)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(tài)問題后就可引導(dǎo)學(xué)生思考“非束縛態(tài)下微觀粒子又將表現(xiàn)出什么樣的行為”），[1]這樣學(xué)生就會積極地預(yù)習(xí)下節(jié)內(nèi)容；或者選擇一些有代表性的習(xí)題，讓學(xué)生提出不同的解決辦法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。對于在課堂上不能解決的問題，積極鼓勵學(xué)生利用圖書館及網(wǎng)絡(luò)資源等尋求解決，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神。此外，還可使學(xué)生自由組合，挑選他們感興趣的與課程有關(guān)的題目進(jìn)行討論、調(diào)研并完成小組論文，這一方面激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性，另一方面使其接受初步的科研訓(xùn)練，一舉兩得。

2.注重構(gòu)建物理圖像

在實際教學(xué)中著重注意物理圖像的構(gòu)建，使學(xué)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(gòu)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(shù)的統(tǒng)計解釋；[2]借助電子雙縫衍射實驗圖像，可使學(xué)生更易接受和理解態(tài)疊加原理；借助解析幾何中的坐標(biāo)系，可很好地為學(xué)生建立起表象的物理圖像。盡管這其中光波和電子波、坐標(biāo)系和表象這些概念之間有本質(zhì)上的區(qū)別，但借助這些學(xué)生已經(jīng)熟知和深刻理解的概念，可使學(xué)生非常容易地接受和理解量子力學(xué)中難以言明的概念和理論，同時，也可使學(xué)生掌握這種物理圖像的構(gòu)建能力，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維具有非常積極地作用。

三、教學(xué)手段和考核方式改革

1.課程教學(xué)采用多種先進(jìn)的教學(xué)方式

如安排小組討論課，對難于理解的概念和規(guī)律進(jìn)行討論。先是各小組內(nèi)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(jìn)行評述和指正。例如，在講到微觀粒子的波函數(shù)時，有的學(xué)生認(rèn)為是全部粒子組成波函數(shù)，有的學(xué)生認(rèn)為是經(jīng)典物理學(xué)的波。這些問題的討論激發(fā)了學(xué)生的求知欲望，從而進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生對一些不易理解的概念和量子原理進(jìn)行深入理解，直至最后充分理解這些內(nèi)容。另外課程作業(yè)布置小論文，邀請國內(nèi)外專家開展系列量子力學(xué)講座等都是不錯的方式。

2.堅持研究型教學(xué)方式[3]

把課程教學(xué)和科研相結(jié)合，在教學(xué)過程中針對教學(xué)內(nèi)容，吸取科研中的研究成果，通過結(jié)合最新的科研動態(tài)，向?qū)W生講授在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在量子力學(xué)誕生后，作為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱之一的現(xiàn)代物理學(xué)的每一個分支及相關(guān)的邊緣學(xué)科都離不開量子力學(xué)這個基礎(chǔ)，量子理論與其他學(xué)科的交叉越來越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚態(tài)物理到中子星、黑洞各個層次的研究以量子力學(xué)為基礎(chǔ)；量子力學(xué)在通信和納米技術(shù)中的應(yīng)用；量子理論在生物學(xué)中的應(yīng)用；量子力學(xué)與正在研究的量子計算機的關(guān)系等，在教學(xué)中適當(dāng)?shù)卮┎暹@些知識，擴(kuò)大學(xué)生的知識面，消除學(xué)生對量子力學(xué)的片面認(rèn)識，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動性。

3.利用量子力學(xué)課程將人文教育與專業(yè)教學(xué)相結(jié)合

量子力學(xué)從誕生到發(fā)展的物理學(xué)史所包含的創(chuàng)新思維是迄今為止哪一門學(xué)科都難以比擬的。在19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，經(jīng)典物理學(xué)晴空萬里，然而黑體輻射、光電效應(yīng)、原子光譜等物理現(xiàn)象的實驗結(jié)果嚴(yán)重沖擊經(jīng)典物理學(xué)理論，讓經(jīng)典物理學(xué)陷入危機四伏的境地。1900年，德國物理學(xué)家普朗克創(chuàng)造性地引入了能量子的概念，成功地解釋了黑體輻射現(xiàn)象，量子概念誕生。1905年，愛因斯坦進(jìn)一步完善了量子化觀念，指出能量不僅在吸收和輻射時是不連續(xù)的（普朗克假設(shè)），而且在物質(zhì)相互作用中也是不連續(xù)的。1913年，玻爾將量子化概念引入到原子中，成功解釋了有近30年歷史的巴爾末經(jīng)驗光譜公式。泡利突破玻爾半經(jīng)典、半量子論的局限，給予了令玻爾理論不安的反常塞曼效應(yīng)以合理解釋。1924年，德布羅意突破普朗克能量子觀念提出微觀粒子具有波粒二象性，開始與經(jīng)典理論分庭抗禮。[4]和學(xué)生一起重溫量子力學(xué)史的發(fā)展之路，在教學(xué)過程中展現(xiàn)量子力學(xué)數(shù)學(xué)形式之美，使學(xué)生在科學(xué)海洋中得到美的享受，從精神上熏陶他們的創(chuàng)新精神。

4.考試方式改革

在本課程的教學(xué)中采用了教考分離，通過小考題的形式復(fù)習(xí)章節(jié)內(nèi)容，根據(jù)學(xué)生的實際水平適當(dāng)輔導(dǎo)答疑，注重學(xué)生對量子力學(xué)基礎(chǔ)知識理解的考核。對于評價系統(tǒng)的建立，其中平時成績（包括作業(yè)、討論、綜合表現(xiàn)等）占30％，期末考試占70％。從實施的效果來看，督促了學(xué)生的學(xué)習(xí)，收到了較好的效果，受到學(xué)生的歡迎。

四、結(jié)論

通過近年來的改革嘗試，我校的“量子力學(xué)”教學(xué)水平穩(wěn)步提高，加速了專業(yè)建設(shè)。2009年，我?！傲孔恿W(xué)”被評為校級精品課程，教學(xué)改革成果初現(xiàn)。然而，關(guān)于這門課程的教學(xué)仍存在不少問題，如教學(xué)手段單一、與生產(chǎn)實踐結(jié)合不夠緊密等等，這些都需要教師在今后教學(xué)中進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周世勛.量子力學(xué)教程(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2009.

[2]呂增建.從量子力學(xué)的建立看類比思維的創(chuàng)新作用[J].力學(xué)與實踐,

2009,(4).

篇3

關(guān)鍵詞:量子力學(xué);量子測量;偏振

中圖分類號:O413．1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1000-0712(2016)03-0005-03

量子力學(xué)是近代物理學(xué)的基礎(chǔ)，并且其應(yīng)用領(lǐng)域已延伸至化學(xué)、生物等許多交叉學(xué)科當(dāng)中，這一課程已成為當(dāng)今大學(xué)生物理教學(xué)中一個極為重要的組成部分．由于量子力學(xué)主要是描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運動與變化規(guī)律的學(xué)科，微小尺度下的許多自然現(xiàn)象與人們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗相距甚遠(yuǎn)，量子力學(xué)的概念有悖于人們的直覺，難以被初學(xué)者接受．如果在教學(xué)中能夠結(jié)合具體的物理實驗，從現(xiàn)象到本質(zhì)引導(dǎo)學(xué)生思考，就可以使抽象的量子概念落實到對具體實驗現(xiàn)象的歸納總結(jié)上來．偏振光實驗是一個現(xiàn)象直觀而且學(xué)生容易操作的普通物理實驗，在學(xué)生掌握的已有知識基礎(chǔ)上，進(jìn)行新內(nèi)容的教學(xué)，符合初學(xué)者的認(rèn)知規(guī)律．利用光的偏振現(xiàn)象來闡述量子力學(xué)基本概念已被一些國內(nèi)外經(jīng)典教材采納，如物理學(xué)大師狄拉克所著的《量子力學(xué)原理》［1］，費因曼所著的《費因曼物理學(xué)講義》［2］，曾謹(jǐn)言教授所著的《量子力學(xué)卷1》［3］，趙凱華、羅蔚茵教授合著的《量子物理》［4］等教材．在本文中，筆者結(jié)合自己的教學(xué)體驗，著重從可觀測量和測量的角度來考慮問題，在以上經(jīng)典教材的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步整理和挖掘光子偏振所能體現(xiàn)的量子力學(xué)基本概念．從量子力學(xué)的角度對偏振實驗現(xiàn)象進(jìn)行分析，使同學(xué)們對態(tài)空間、量子力學(xué)表象、波函數(shù)統(tǒng)計解釋、態(tài)疊加原理等量子力學(xué)概念有一個直觀形象的認(rèn)識，領(lǐng)會量子力學(xué)若干基本假定的內(nèi)涵思想．最后，從量子角度分析了一個有趣的偏振光實驗，加深學(xué)生對量子力學(xué)基本概念的理解，并展示了量子力學(xué)的奇妙特性．

1偏振光實驗的經(jīng)典解釋

如圖1(a)所示，沿著光線傳播的方向，順次擺放兩個偏振片P1、P2．光束經(jīng)過P1后變?yōu)榕c其透振方向一致且光強為I0的偏振光．兩偏振片P1和P2的透振方向之間夾角為θ，由馬呂斯定律可知，透過偏振片P2的光的強度為I0cos2θ．按照經(jīng)典的光學(xué)理論，此現(xiàn)象可理解如下:在一個與光傳播方向垂直的平面內(nèi)選定一個xy平面直角坐標(biāo)系，這里為了描述問題的方便，選定x軸沿P2的透振方向．如圖1(b)所示，透過偏振片P1的光電場矢量E可分解為兩個分量:沿x方向振動的電場矢量Ex和沿y方向振動的電場矢量Ey．偏振光照射到P2偏振片時，投影到y(tǒng)方向的電場矢量被吸收，投影到x方向的電場矢量透過，振幅增加了一個常數(shù)因子cosθ，因而強度變?yōu)樵瓉淼腸os2θ倍，這正是馬呂斯定律所給出的結(jié)果．

2偏振光實驗體現(xiàn)的量子力學(xué)概念

下面我們由偏振光的實驗現(xiàn)象出發(fā)，引出量子態(tài)、態(tài)空間等量子概念，并用量子力學(xué)的語言來描述單個光子與偏振片發(fā)生相互作用的過程，討論在多個光子情況下的量子行為與馬呂斯定律的一致性．

2．1量子態(tài)

從實驗得知，當(dāng)線偏振光用于激發(fā)光電子時，激發(fā)出的光電子分布有一個優(yōu)越的方向(與光偏振方向有關(guān))，根據(jù)光電效應(yīng)，每個電子的發(fā)射對應(yīng)吸收一個光子，可見，光的偏振性質(zhì)是與它的粒子性質(zhì)緊密聯(lián)系的，人們必須把線偏振光看成是在同一方向上偏振的許多光子組成，這樣我們可以說單個光子處在某個偏振態(tài)上．沿x方向偏振的光束里，每個光子處在|x〉偏振態(tài)，沿y方向偏振的光束中，每個光子處在|y〉偏振態(tài)．假設(shè)我們在實驗中把光的強度降到足夠低，以至于光子是一個一個到達(dá)偏振片的．在圖1所示的例子中，通過P1偏振片的光子處在沿P1透振方向的偏振態(tài)上，如果P2與P1透振方向一致(θ=0)，則此光子完全透過P2，如果P2與P1透振方向正交(θ=π/2)，則被完全吸收．如果P1與P2透振方向之間角度介于兩者之間，會是一種什么樣的情形，會不會有部分光子被吸收，部分光子透過的情況發(fā)生，但是實驗上從來沒有觀察到部分光子的情形，只存在兩種可能的情況:光子變到量子態(tài)|y〉，被整個吸收;或變到量子態(tài)|x〉，完全透過．下面我們用量子力學(xué)的語言來描述單個光子與偏振片發(fā)生相互作用的過程，引入量子測量、態(tài)空間、表象、態(tài)疊加原理、波函數(shù)統(tǒng)計解釋等量子概念．

2．2量子測量、態(tài)空間、表象

單個光子與偏振片發(fā)生相互作用的過程，可以看成是一個量子測量的過程，偏振片作為一個測量裝置，迫使光子的偏振態(tài)在透振方向和與其相垂直的方向上作出選擇，測量的結(jié)果只有兩個，透過或被吸收，透過光子的偏振方向與透振方向一致，被吸收光子的偏振方向與透振方向垂直，可見光子經(jīng)過測量后只可能處在兩種偏振狀態(tài)，這正是量子特性的反應(yīng)．在量子力學(xué)中，針對一個具體的量子體系，對某一力學(xué)量進(jìn)行測量，測量后得到的值是這一力學(xué)量的本征值，我們稱它為本征結(jié)果，相應(yīng)的量子態(tài)坍縮到此本征結(jié)果所對應(yīng)的本征態(tài)上，所有可能的本征態(tài)則構(gòu)成一組正交、規(guī)一、完備的本征函數(shù)系，此本征函數(shù)系足以展開這個量子體系的任何一個量子態(tài)．很自然，我們在這里把經(jīng)過偏振片測量后，所得到的兩種可能測量結(jié)果(透過或吸收)作為本征結(jié)果，它們分別對應(yīng)的兩種偏振狀態(tài)，此兩種偏振狀態(tài)可以作為正交、規(guī)一、完備的函數(shù)系，組成一個完備的態(tài)空間，任何偏振態(tài)都可以按照這兩種偏振態(tài)來展開，展開系數(shù)給出一個具體的表示，這就涉及到量子力學(xué)表象問題．在量子力學(xué)中，如果要具體描述一個量子態(tài)通常要選擇一個表象，表象的選取依據(jù)某一個力學(xué)量(或力學(xué)量完備集)的本征值(或各力學(xué)量本征值組合)所對應(yīng)的本征函數(shù)系，本征函數(shù)系作為正交、規(guī)一、完備的基矢組可以用來展開任何一個量子態(tài)，展開系數(shù)的排列組合給出某一個量子態(tài)在具體表象中的表示．結(jié)合我們的例子，組成基矢組的兩種偏振狀態(tài)取決于和光子發(fā)生相互作用的偏振片，具體說來是由偏振片的透振方向決定．在具體分析問題時，為了處理問題的方便，光子與哪一個偏振片發(fā)生相互作用，在數(shù)學(xué)形式上，就把光子的偏振狀態(tài)按照此偏振片所決定的基矢組展開，這涉及到怎么合理選擇表象的問題．

2．3態(tài)疊加原理、波函數(shù)統(tǒng)計解釋

以上簡單的試驗也可以作為一個形象的例子來說明量子力學(xué)中的態(tài)疊加原理．態(tài)疊加原理的一種表述為［5］:設(shè)系統(tǒng)有一組完備集態(tài)函數(shù){φi}，i=1，2，．．．，t，則系統(tǒng)中的任意態(tài)|ψ〉，可以由這組態(tài)函數(shù)線性組合(疊加)而成(1)另一種描述為:如果{φi}，i=1，2，．．．，t是體系可以實現(xiàn)的狀態(tài)(波函數(shù))，則它們的任何線性疊加式總是表示體系可以實現(xiàn)的狀態(tài)．在我們的例子中，任何一個偏振片所對應(yīng)的透振態(tài)和吸收態(tài)構(gòu)成完備集態(tài)函數(shù)，任何一個偏振態(tài)都能夠在以此偏振片透振方向所決定的基矢組中展開，參照圖1所示，通過偏振片P1的偏振態(tài)可以在以偏振片P2透振方向所決定的基矢組{|x〉，［y)}中表示為(2)相反，|x〉、|y〉基矢的任意疊加態(tài)也都是光子可能實現(xiàn)的偏振態(tài)．量子力學(xué)還假定，當(dāng)物理體系處于疊加態(tài)式(1)時，可以認(rèn)為體系處于φi量子態(tài)的概率為|ci|2．從前面的分析我們知道，當(dāng)用偏振片P2對偏振態(tài)|P1〉進(jìn)行測量時，此狀態(tài)隨機地坍縮到|x〉偏振態(tài)或|y〉偏振態(tài)，坍縮到|x〉偏振態(tài)的概率為cos2θ，也就是單個光子透過偏振片的概率，多次統(tǒng)計的結(jié)果恰好與馬呂斯定律相對應(yīng)，這充分體現(xiàn)了波函數(shù)的概率統(tǒng)計解釋．

3典型例子

在教學(xué)中我們可以引入一個有趣形象的例子，進(jìn)一步加深對量子力學(xué)基本概念的理解．如圖2(a)所示，一束光入射到兩個順序排列的偏振片上，偏振片P3的透振方向相對于偏振片P1的透振方向順時針轉(zhuǎn)過90°角，我們不妨在一個與光傳播方向垂直的平面內(nèi)選定一個xy平面直角坐標(biāo)系，P1的透振方向沿x軸，P3的透振方向沿y軸．光通過偏振片P1后變成光強為I0的偏振光，偏振方向與偏振片P1透振方向平行，但與P3的透振方向垂直，則光完全被偏振片P3吸收，不能透過．下面我們將看到一個有趣的現(xiàn)象，在偏振片P1和偏振片P3間插入一個偏振片P2，其透振方向在P1和P3之間，這時光竟可以透過P3偏振片．對此試驗，我們可由馬呂斯定律給出經(jīng)典的解釋．我們不妨設(shè)P2的透振方向相對于P1順時針轉(zhuǎn)過45°角，通過偏振片P1后，變?yōu)楣鈴娛荌0的偏振光，且偏振方向與P1透振方向一致;再通過偏振片P2后，光強變?yōu)镮0/2，偏振方向沿順時針轉(zhuǎn)過45°角，與偏振片P2透振方向一致;最后通過偏振片P3后，光強進(jìn)一步減弱為I0/4，偏振方向又沿順時針改變45°角，與偏振片P3透振方向一致．可以看到一個有趣的現(xiàn)象，雖然介于偏振片P1和P2間的光束其偏振方向與偏振片P3的透振方向正交，但最后透過偏振片P3的光束其偏振方向卻恰恰沿偏振片P3的透振方向，這正是中間偏振片P2所起的作用．下面用我們前面分析偏振光與偏振片相互作用過程中，所建立起來的量子概念給出具體解釋．取直角坐標(biāo)系xy，x軸沿偏振片P1的透振方向，基矢組為{|x〉，［y)};由偏振片P2的透振方向所決定的基矢組為{|x'〉，［y')}，其透振方向沿x'方向，如圖3所示，兩組基矢之間的關(guān)系可表示為(3)由偏振片P3所決定的基矢組仍為{|x〉，|y〉}，不過透過的光子處在|y〉基矢態(tài)．光子透過偏振片P1后，其偏振狀態(tài)處在|x〉態(tài)，由式(3)，此狀態(tài)可以按P2的基矢組展開為(4)根據(jù)式(4)，經(jīng)過P2偏振片的測量，光子有1/2的概率坍縮到|x'〉態(tài)，光子透過P2，有1/2的概率坍縮到|y'〉態(tài)，光子被吸收．由式(3)，|x'〉態(tài)在由偏振片P3所決定的基矢組同樣展開為3的測量下，偏振狀態(tài)發(fā)生改變，有1/2的概率坍縮到|y〉態(tài)，透過偏振片，有1/2的概率坍縮到|x〉態(tài)，被偏振片吸收，總體來說透過偏振片P1的光子有1/4的概率透過偏振片P3，與經(jīng)典的馬呂斯定律相一致．特別注意到光子透過偏振片P1后，狀態(tài)為|x〉態(tài)，與|y〉態(tài)正交，沒有|y〉態(tài)的組分，但光子透過偏振片P3后卻正處在|y〉態(tài)，這充分體現(xiàn)了測量可以使量子態(tài)改變的量子假定，展示了量子測量的奇妙特性．

4總結(jié)

結(jié)合對偏振光實驗的量子解釋，我們分析了若干重要的量子力學(xué)概念．但嚴(yán)格說來，光子的問題不屬于量子力學(xué)問題，只有在量子場論中才能處理．采用光子的偏振情形來討論某些量子概念，理論上雖稍欠嚴(yán)謹(jǐn)，但如上文所述，確實能夠直觀形象地反映量子力學(xué)中的若干基本假定，使抽象的量子力學(xué)概念落實到對具體實驗的分析中來，易于被初學(xué)者接受，我們不妨在學(xué)生開始學(xué)習(xí)量子力學(xué)時引入此例，有助于學(xué)生理解抽象的量子概念，領(lǐng)會量子力學(xué)的思維方式．

參考文獻(xiàn):

［1］狄拉克．量子力學(xué)原理［M］．北京:科學(xué)出版社，1966．

［2］費因曼．費因曼物理學(xué)講義［M］．上海:上?？茖W(xué)出版社，2005．

［3］曾謹(jǐn)言．量子力學(xué)卷1．［M］．北京:科學(xué)出版社，2006．

［4］趙凱華，羅蔚茵．量子物理［M］．北京:高等教育出版社，2001．

篇4

當(dāng)計算機遇到化學(xué)……

提到化學(xué)模型，我們可能首先會聯(lián)想到中學(xué)化學(xué)課上老師用塑料球和小棍搭起來的模型。現(xiàn)在，建模則由計算機完成。當(dāng)計算機遇到化學(xué)，便形成了計算化學(xué)這一新的交叉學(xué)科。

化學(xué)研究的核心在于“化”字，即分子之間的相互轉(zhuǎn)化，舊化學(xué)鍵斷裂、新化學(xué)鍵生成。只有這樣，才能創(chuàng)造出新材料，設(shè)計出新藥物?？墒牵肿又g的轉(zhuǎn)化經(jīng)常發(fā)生得很快，在毫秒瞬間，電子便從一個原子核躍遷到另一個，傳統(tǒng)的化學(xué)方式已很難捕捉這個過程，必須借助計算機這一工具。時至今日，計算機對化學(xué)家的作用已經(jīng)和化學(xué)實驗手段一樣重要。因為計算機對化學(xué)反應(yīng)的模擬能夠非常逼真，化學(xué)家們已經(jīng)能夠通過計算機預(yù)測傳統(tǒng)實驗的結(jié)果了。

在20世紀(jì)70年代計算機還未被普及的時候，馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特及亞利耶·瓦謝爾就打造了堅實的計算機程序基礎(chǔ)，為后人用于了解和預(yù)測化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程作了強大鋪墊。近年來，因為計算方法和計算機軟硬件的飛速發(fā)展，在他們的基礎(chǔ)上取得了很多的后續(xù)成果，并得到推廣應(yīng)用。

得益于他們的工作，我們將解開許多關(guān)于自然界的疑問。比如世界上最重要的化學(xué)反應(yīng)——光合作用是怎么進(jìn)行的？如果能模擬出來，那么我們就將能制造出更加高效的太陽能電池板；催化劑如何加快化學(xué)反應(yīng)？如果深入了解其中的機理，我們可以嘗試通過催化讓水分子分解，從而開發(fā)出清潔的能源；藥物如何在人體中發(fā)生作用？通過計算的方法，尋找出藥物的靶點以及可能的藥物干擾，我們就能設(shè)計出滿足我們特定需求的理想藥物。

諾貝爾“理綜”獎？

如果化學(xué)反應(yīng)在氣相中發(fā)生，由于參與反應(yīng)的分子受環(huán)境影響小，因此是理想的模型體

系（1986年，李遠(yuǎn)哲等三人因為用實驗方法揭示氣相化學(xué)反應(yīng)微觀細(xì)節(jié)而獲得諾貝爾化學(xué)獎）；然而，化學(xué)反應(yīng)更多是在液相，在生物體系中發(fā)生，體系自由度多，非常復(fù)雜，不容易弄清楚細(xì)節(jié)。而反映真實情況的多尺度模型可以用來研究復(fù)雜體系的分子行為，包括液相化學(xué)反應(yīng)或者是生化反應(yīng)。

為什么生物體系中的分子反應(yīng)如此復(fù)雜呢？舉例來說，“人體的一個細(xì)胞內(nèi)就可有上百億個蛋白質(zhì)分子。一個大的蛋白質(zhì)分子可包含上百萬個原子。蛋白質(zhì)內(nèi)每兩個原子間都有相互作用，這些原子處于不停的運動中，其情形就像北京城內(nèi)同一時刻有兩百萬輛機動車行駛一樣。計算和跟蹤一個蛋白質(zhì)的原子運動就像記錄和監(jiān)控北京的車輛一樣。如此巨大的分析計算量必須借助計算機技術(shù)來存儲和分析?！边@番話出自中科院計算數(shù)學(xué)與科學(xué)工程計算研究所的盧本卓研究員，他的研究方向就與此次諾貝爾化學(xué)獎相關(guān)，而他原本是學(xué)物理出身。這是不是有點兒“亂套”了？當(dāng)然沒有，而且還恰恰反映了本屆諾貝爾化學(xué)獎的交叉學(xué)科屬性，即計算機、物理、數(shù)學(xué)、生物學(xué)和化學(xué)等多學(xué)科相互滲透和融合。難怪本屆諾貝爾化學(xué)獎被戲稱為諾貝爾“理綜”獎。

這是化學(xué)的榮譽

雖然被戲稱為“理綜”獎，但這的的確確是屬于化學(xué)的榮譽。理論化學(xué)發(fā)展到今天，其最大的組成部分就是計算化學(xué)。計算化學(xué)的基礎(chǔ)理論大多來源于兩部分：量子力學(xué)和牛頓經(jīng)典力學(xué)，這兩個學(xué)科在化學(xué)上的應(yīng)用則分別誕生了量子化學(xué)和分子模擬兩個學(xué)科。涉及電子的化學(xué)反應(yīng)需要用量子化學(xué)來解決，一旦涉及到分子間的相互作用，其量子效應(yīng)往往可以忽略不計，使用經(jīng)典力學(xué)就足以描述，從而大大地簡化了計算，這就是分子模擬。

當(dāng)描述化學(xué)反應(yīng)的過程時，量子力學(xué)的描述是小而精，經(jīng)典力學(xué)的描述大卻精度不高。如果都用高精度的方法來描述化學(xué)過程，理論上當(dāng)然不錯，但實際計算將難以進(jìn)行。所以，多尺度組合的方法便成了最好的選擇。這也體現(xiàn)了三位獲獎?wù)唛_創(chuàng)性工作之所在，即把兩種體系中的精華部分提取了出來，并且找到了適用于二者的研究方法。

篇5

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關(guān)鍵詞：2013年諾貝爾化學(xué)獎；理論與計算化學(xué)；計算機輔助；模型化學(xué)

文章編號：1005?6629（2014）3?0011?04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

2013年的諾貝爾化學(xué)獎被授予了Martin Karplus、Michael Levitt以及Arieh Warshel三位美國科學(xué)家，以表彰他們在發(fā)展復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型方面所做出的杰出貢獻(xiàn)。我們知道，長久以來，化學(xué)學(xué)科的奠基和發(fā)展始終離不開化學(xué)家在實驗室中的辛勤勞動，但與此同時，隨著實踐知識的不斷豐富和完善，以及運算能力的突飛猛進(jìn)，理論和計算化學(xué)有可能也應(yīng)當(dāng)在新世紀(jì)在化學(xué)學(xué)科的傳統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。當(dāng)前，解開每個人生命背后的謎團(tuán)也是人們的興趣所在。Karplus，Levitt和Warshel三位科學(xué)家將經(jīng)典力學(xué)模擬方法結(jié)合最新發(fā)展的量子物理計算方法，為建立和發(fā)展多尺度復(fù)雜模型的理論模擬研究做出了基礎(chǔ)性的貢獻(xiàn)。那么，到底什么是理論模擬方法？它有什么重要的科學(xué)意義？對我們又有什么啟迪？

1 理論與計算化學(xué)的建立和發(fā)展歷程

20世紀(jì)初量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)為科學(xué)家們打開了深層次研究分子和原子的大門。量子力學(xué)中著名的薛定諤方程以其優(yōu)美簡潔的形式描述了原子和分子的重要組成部分――電子的行為[1]。1927年，Walter Heitler以及Fritz London兩位科學(xué)家利用薛定諤方程解開了氫氣分子電子結(jié)構(gòu)[2]，理論化學(xué)從此悄然興起。隨后，價鍵理論[3]、Hartree-Fock理論[4]、分子軌道理論[5]等的建立極大地豐富了理論化學(xué)的內(nèi)容。從此，化學(xué)學(xué)科可以說與物理學(xué)一樣，開始了真正的兩條腿走路，而不再只是依靠實驗知識的獲取跛足而行。

早在20世紀(jì)50年代，科學(xué)家利用半經(jīng)驗的方法對原子軌道進(jìn)行了計算。50至60年代期間，各種各樣基于現(xiàn)代量子理論的計算已經(jīng)被用來計算一些簡單分子的電子結(jié)構(gòu)和相互作用。20世紀(jì)70年代，例如Gaussian？、ATMOL？、IBMOL？等量子化學(xué)計算軟件的開發(fā)也擴(kuò)充了計算化學(xué)的內(nèi)涵。

與此同時，新的化學(xué)合成與表征技術(shù)的開發(fā)使得越來越多新穎的分子被制造出來，人們不僅需要認(rèn)識這些新分子，而且也需要借助一定手段來指導(dǎo)新分子的合成。在這樣的前提下，就需要借助計算機對分子進(jìn)行模擬。

1990年，密度泛函理論（Density Functional Theory）的提出將理論和計算化學(xué)帶到了一個新紀(jì)元。和以往的方法相比，密度泛函理論解決了以往的分子模型中電子交換和相關(guān)作用的近似，由其得出的分子幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的預(yù)測與實驗數(shù)據(jù)吻合得非常好。直至目前，密度泛函理論依然是分子和化學(xué)反應(yīng)模擬中最重要也是最為常用的方法，兩位科學(xué)家Walter Kohn[6]和John Pople[7]因為分別發(fā)展了密度泛函理論以及將這種量子力學(xué)計算方法融入到計算化學(xué)中去而獲得了1998年的諾貝爾化學(xué)獎，這是諾貝爾化學(xué)獎第一次被授予理論和計算化學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家。獲獎?wù)咧坏腜ople也是著名量子化學(xué)計算軟件Gaussian[8]的開發(fā)者之一，該軟件在2009年又進(jìn)行了一次更新，是當(dāng)今功能最完善、計算最有效、生命力最長的量子化學(xué)計算軟件。

目前，專門刊登量子化學(xué)理論、模型化學(xué)和計算化學(xué)的學(xué)術(shù)期刊也紛紛涌現(xiàn)，如，美國化學(xué)會（American Chemistry Society）下已有Journal of Chemical Information and Modeling， Journal of Chemical Theory and Computation， Journal of Physical Chemistry A三本期刊出版，而著名學(xué)術(shù)出版集團(tuán)Elsevier也有Journal of Molecular Graphics and Modeling， Journal of Molecular Modeling， International Journal of Quantum Chemistry和Computational and Theoretical Chemistry等?？瑖鴥?nèi)也有例如《物理化學(xué)學(xué)報》和《計算機及應(yīng)用化學(xué)》等期刊。

2 復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型的建模以及應(yīng)用

1976年，Michael Levitt和Arieh Warshel二人提出了酶催化生物化學(xué)反應(yīng)的通用理論研究方法[10]。這個方法將生物酶-底物間的復(fù)合物和溶劑作用一起考慮在整個體系之內(nèi)，并且用量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)兩種方法探討了所有可能影響催化路徑的因素。其中，量子力學(xué)包含了酶-底物鍵的斷裂，底物與酶結(jié)合時電荷的重新分布；而經(jīng)典力學(xué)部分則考慮了酶和底物之間的立體作用能和靜電作用能。綜合考慮以上兩點，兩位作者以一種水解酶裂解糖苷鍵為實例，首次進(jìn)行了水解酶-糖苷這個復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型的理論計算（圖1）。如今復(fù)雜化學(xué)體系的QM/MM方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到酶-底物催化反應(yīng)，有機反應(yīng)以及DNA/RNA的相關(guān)研究中去。

那么，如何建立一個合理的多尺度復(fù)雜模型？科學(xué)家們和軟件工程師們通力合作開發(fā)出了各種功能強大的分子建模和可視化軟件。對于小分子的構(gòu)建，最為常用的為PerkinElmer公司下屬的劍橋軟件公司開發(fā)的ChemBioOffice？系列軟件，包括了ChemBioDraw？和ChemBio 3D？兩個模塊（圖2）。當(dāng)在軟件窗口的右側(cè)ChemDraw？面板畫出感興趣的分子后，左邊的窗口就會立即顯示出分子的3D模型。本軟件還包括了其他很多內(nèi)容，例如對分子進(jìn)行簡單的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化操作或者分子動力學(xué)計算，根據(jù)計算結(jié)果畫出分子的部分電荷、分子軌道等信息。

GaussView？是Gaussian公司開發(fā)的用于分子建模的軟件包，目前已經(jīng)更新到GaussView5.0b版本。此軟件包的功能類似于ChemBioOffice？，該軟件并不如ChemBioOffice？那樣還具有計算功能，而只是作為量子化學(xué)計算軟件Gaussian？的圖形輸入接口，圖3是利用GaussView？創(chuàng)建了聯(lián)苯分子，當(dāng)利用Gaussian？軟件對分子進(jìn)行計算完畢之后，也能夠展示分子軌道的圖形。

以上兩種軟件不僅可以在各自的軟件內(nèi)部進(jìn)行計算，而且ChemBioOffice？軟件還提供了Gaussian？計算軟件的接口。我們可以在ChemBioOffice？中構(gòu)建完小分子，并設(shè)置運行參數(shù)之后在Gaussian？中進(jìn)行對應(yīng)的計算。

在一個復(fù)雜化學(xué)體系中，往往還要涉及到生物大分子的構(gòu)建?，F(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)構(gòu)建起了大分子結(jié)構(gòu)庫，最著名就是由美國布魯克海文（Brookhaven）國家實驗室建立的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（Protein Data Bank，http：// rcsb.org）。庫內(nèi)包含了蛋白質(zhì)、多肽、DNA、RNA等95644個晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。我們可以通過下載數(shù)據(jù)來得到生物大分子的晶體結(jié)構(gòu)。

Accelrys公司開發(fā)的Discovery Studio Client？軟件能夠讀取從Protein Data Bank下載的pdb文件，如圖4展示的是Discovery Studio Client？的界面，展示了人體血清白蛋白和一種DNA的結(jié)構(gòu)。

此外，Discovery Studio Client？還具有將小分子和大分子組裝結(jié)合在一起的功能，如圖5分別是將一種長鏈的污染物分子結(jié)合到了脂肪酸結(jié)合酶和人體血清白蛋白中，這就完成了一個復(fù)雜化學(xué)體系的模型構(gòu)建。

VMD？軟件也是一種常用的可視化軟件，相對于Discovery Studio Client？，其功能更側(cè)重于動態(tài)展現(xiàn)動力學(xué)情況下分子的運動和形變情況。圖6則是VMD？軟件的界面以及其展示的人體血清白蛋白分子和DNA分子。

在分子建模完成之后，就可以對一個建立完成的化學(xué)體系進(jìn)行理論的計算，預(yù)測這個復(fù)雜化學(xué)體系的物理化學(xué)性質(zhì)。對于一個多尺度模型的計算，計算方法的選擇也是多尺度的。首先，對需要模擬的化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域要進(jìn)行界定。在界定了這個區(qū)域之后，必須對這個區(qū)域內(nèi)的分子進(jìn)行高精度的量子化學(xué)計算，模擬或預(yù)測該區(qū)域內(nèi)可能存在的化學(xué)鍵以及鍵的斷裂。在界定的反應(yīng)區(qū)域之外，由于不牽涉到化學(xué)反應(yīng)，所以不需要高精度的量子化學(xué)計算方法，而只需要相對簡單的半經(jīng)驗的計算方法或者更簡單的分子力學(xué)方法進(jìn)行計算?？偠灾?，這就是復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型的計算，即QM/MM計算。涉及量子化學(xué)部分的QM計算，需要用到包含量子化學(xué)計算的軟件，例如最著名的Gaussian？，GAMESS？等。在這些軟件中，也可以采用ONIOM方法[12]進(jìn)行計算。

3 復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型建立的科學(xué)意義及其展望

結(jié)合理論以及計算化學(xué)發(fā)展本身的歷程來看，復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型具有十分重要的科學(xué)意義。首先，此模型的建立使我們從簡單分子的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)入到了生物大分子體系的理論計算研究。利用理論計算這個強有力的工具，生命科學(xué)的奧秘將很快被解開，人們對生命科學(xué)背后的化學(xué)機制的認(rèn)識將會上升到分子層面，對帶動化學(xué)，乃至生命科學(xué)學(xué)科具有舉足輕重的作用。其次，多尺度模型的建立也能夠促進(jìn)理論和計算化學(xué)本身的發(fā)展，豐富理論和計算化學(xué)本身的內(nèi)涵，并且隨著研究體系的進(jìn)一步復(fù)雜化，將在現(xiàn)有的多尺度基礎(chǔ)上提出新的超尺度模型的可能。

此外，作為一門交叉學(xué)科，理論和計算化學(xué)的發(fā)展也勢必會帶動其他相關(guān)學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展。90年代開始，納米學(xué)科蓬勃發(fā)展，各種新材料如雨后春筍般出現(xiàn)，得益于理論化學(xué)中平面波和贗勢（即將離子實的內(nèi)部勢能用假想的勢能取代真實的勢能，但在求解波動方程時，不改變能量本征值和離子實之間區(qū)域的波函數(shù)）的發(fā)展，對具有周期性結(jié)構(gòu)的晶體材料性質(zhì)的模擬和預(yù)測也成為可能。目前，已經(jīng)有Material Studio？、VASP？等多種模擬軟件。在藥物合成方面，計算機輔助藥物合成的概念已經(jīng)深入人心（Computer-aided Drug Design）。顧名思義，計算機輔助藥物設(shè)計利用計算化學(xué)這個強有力的工具來發(fā)現(xiàn)或者研究具有生物活性的藥物分子的行為，其最基本的目標(biāo)就是通過計算化學(xué)來預(yù)測一個分子與靶生物分子是否會結(jié)合，并且其結(jié)合能力有多強，能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能的軟件則包括了GOLD？、SYBYL？等等。

可以說，理論和計算化學(xué)已經(jīng)成為輔助化學(xué)家們探索世界的重要工具，也成為了指引科學(xué)家探索未知世界的新羅盤。

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篇6

本書闡明數(shù)學(xué)建模和計算建模在多種多樣學(xué)科中的應(yīng)用。本書的重點在于說明數(shù)學(xué)建模和計算建模具有跨學(xué)科的性質(zhì)，各章的作者都是自然和社會科學(xué)、工程學(xué)和藝術(shù)等領(lǐng)域的國際級專家，為讀者提供當(dāng)代在發(fā)展數(shù)學(xué)建模和計算機實驗的方法論方面的豐富成果。本書也是關(guān)于應(yīng)用數(shù)學(xué)和計算數(shù)學(xué)的方法、思想和工具等方面的很有價值的導(dǎo)引書，藉助這些方面的知識有利于解決自然科學(xué)、社會科學(xué)、工程和技術(shù)等方面的問題。

本書的特點在：（1） 嚴(yán)格的數(shù)學(xué)步驟和實例――數(shù)學(xué)創(chuàng)新和發(fā)現(xiàn)的驅(qū)動力；（2）從廣泛學(xué)科中挑選的眾多實例，重在說明應(yīng)用數(shù)學(xué)和數(shù)學(xué)建模的多學(xué)科應(yīng)用和普適性；（3） 來自人類知識各方面發(fā)展中既有理論也有應(yīng)用的原創(chuàng)性結(jié)果；（4）促進(jìn)數(shù)學(xué)家、科學(xué)家和工程師之間進(jìn)行交叉學(xué)科相互作用的討論。

對于從事數(shù)學(xué)和統(tǒng)計科學(xué)、?；湍M、物理學(xué)、計算科學(xué)、工程學(xué)、生物和化學(xué)、工業(yè)和計算工程等領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，本書是一個理想的資源。本書也可當(dāng)作數(shù)學(xué)建模、應(yīng)用數(shù)學(xué)、數(shù)值方法、運籌學(xué)以及優(yōu)化等方面的大學(xué)課程的教科書。

本書共分5部分，12章。第1部分 引論，含第1章：1.在理解自然、社會和人造世界中數(shù)學(xué)模型的普適性。第2部分 在物理學(xué)和化學(xué)中的高等數(shù)學(xué)模型和計算模型，含第2-4章：2.磁渦，Abrikosov 晶格，以及自同構(gòu)函數(shù)；3.在Cholesky分解的局部關(guān)聯(lián)量子化學(xué)構(gòu)架中的數(shù)值挑戰(zhàn)；4.量子力學(xué)中的廣義變分原理。第3部分 在生命科學(xué)和氣候科學(xué)的應(yīng)用中的數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)計模型，含第5-6章：5.具有藥物敏感、出現(xiàn)多重耐藥以及廣泛耐藥株的結(jié)核病的傳播模型；6.著眼于抗菌素耐藥性而對更加綜合的傳染病進(jìn)行建模的需要。第4部分 科學(xué)和工程中的數(shù)學(xué)模型和分析，含第7-10章：7.動力學(xué)系統(tǒng)中由數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法：量化可預(yù)報性以及提取時空圖案；8.求解Banach空間中非線性反問題進(jìn)行正則化時的光滑度概念；9.一階對稱的具有約束的雙曲型系統(tǒng)的初值問題和初邊值問題；10.信息集成，組織和數(shù)值調(diào)和分析。第5部分 社會科學(xué)和藝術(shù)中的數(shù)學(xué)方法，含第11-12章：11.滿意認(rèn)可的選舉；12.使用幾何量化對音樂韻律變化建模。

篇7

一直以來，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系有著重視化學(xué)實驗教學(xué)改革的優(yōu)良傳統(tǒng)。20世紀(jì)70年代末，由復(fù)旦大學(xué)等14所學(xué)校合作編寫的《物理化學(xué)實驗》教材在國內(nèi)廣受好評，影響深遠(yuǎn)。20世紀(jì)90年代，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系對大學(xué)本科的化學(xué)課程體系進(jìn)行了改革，逐步形成以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心、以技術(shù)要素為主線的新實驗教學(xué)體系及相應(yīng)管理機制[1，2]。2000年前后，復(fù)旦化學(xué)系根據(jù)化學(xué)實驗的特點，本著“統(tǒng)籌管理、優(yōu)化資源、避免重復(fù)和遺漏”的原則，將涉及儀器操作類的基礎(chǔ)實驗課程“儀器分析實驗”和“物理化學(xué)實驗”融合為“儀器分析和物理化學(xué)實驗”，那時實驗教學(xué)中心在世行貸款和學(xué)校配套資金支持下，購置了一批在當(dāng)時屬于先進(jìn)的儀器用于教學(xué)，使得化學(xué)實驗條件得到大幅度改善，教學(xué)質(zhì)量和水平因此得到保障和提高。

隨著時代和學(xué)科的發(fā)展，我系的物理化學(xué)實驗教學(xué)逐漸暴露出一些不足。一方面大部分實驗儀器設(shè)備相對落后，如電化學(xué)分析工作站、氣相色譜儀、原子發(fā)射光譜儀等設(shè)備都已使用了10～15年。這些儀器性能不夠穩(wěn)定，測量出的實驗數(shù)據(jù)誤差大，得不到理想的實驗結(jié)果，這樣直接削弱了學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的積極性。另一方面是實驗內(nèi)容更新速度慢，滯后于科學(xué)研究發(fā)展的步伐。物理化學(xué)學(xué)科的發(fā)展也使得一些原本屬于專門化或綜合實驗內(nèi)容的高級技術(shù)和儀器成為基礎(chǔ)物理化學(xué)實驗的常規(guī)技術(shù)和設(shè)備，在當(dāng)前科研中發(fā)揮重要作用的常規(guī)表征手段至今沒有相應(yīng)的教學(xué)實驗開設(shè)，而且復(fù)旦大學(xué)物理化學(xué)教學(xué)團(tuán)隊早在1999年就開設(shè)了以結(jié)構(gòu)分析和表征為主線，集原理、儀器使用和解譜為一體的“譜學(xué)導(dǎo)論”理論課，導(dǎo)致理論教學(xué)與實驗教學(xué)有較大的脫節(jié)。同時本系科研實力的快速提高、學(xué)科建設(shè)、師資優(yōu)化和研究生生源的增長需求對本科學(xué)生的科研素質(zhì)提出了新要求，一些操作簡單、內(nèi)容單薄的驗證性實驗顯然不能滿足這些要求。在這樣的形勢下，物理化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容如何設(shè)置，成為我們面臨的又一重要課題。經(jīng)過多次調(diào)研和討論，我們對物理化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)置有了一些初步實踐與設(shè)想，希望能與國內(nèi)同行共同探討。

二、物理化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容的總體設(shè)計

本課程內(nèi)容的設(shè)置將充分依托本系學(xué)科優(yōu)勢，在“銜接前沿、兼顧基礎(chǔ)”的原則下，更新、升級、完善和補充大型儀器類實驗。同時在完成經(jīng)典傳承的基礎(chǔ)上，加大綜合性、設(shè)計性、研究性實驗的比例，以求拓寬學(xué)生專業(yè)面、增強適應(yīng)性。更希望通過本課程教學(xué)內(nèi)容的實施和開展，讓學(xué)生了解和掌握一定的前沿技術(shù)、技能以及思考、解決問題的方法，促進(jìn)學(xué)生探索能力、科研創(chuàng)新能力的發(fā)展，提高學(xué)生的綜合能力。

在上述思想的指導(dǎo)下，我們經(jīng)過對國內(nèi)部分高校的物理化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)研和對比，并結(jié)合本系的實際情況，進(jìn)行如下改革。

1.更新儀器設(shè)備，推動傳統(tǒng)實驗內(nèi)容的更新優(yōu)化

對目前開設(shè)的多個實驗的老舊設(shè)備進(jìn)行更新，取得了明顯的效果。

比如，差熱分析實驗是一個經(jīng)典的研究物質(zhì)在受熱或冷卻時產(chǎn)生的物理和化學(xué)的變遷速率和溫度以及所涉及的能量和質(zhì)量變化的熱分析實驗。本系原有的實驗設(shè)備，是20世紀(jì)70年代老師們自己動手搭建的，從冰水浴、自制熱偶、加熱爐到記錄筆、溫控儀的連接，都需要學(xué)生動手完成，由于各配件年代久遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性、分辨率都不理想，而且經(jīng)常出現(xiàn)某一部件“罷工”的尷尬局面，導(dǎo)致實驗無法順利進(jìn)行。近年來，熱分析技術(shù)的不斷創(chuàng)新與完善，使得熱分析的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，研究對象不斷增加，在無機、有機、化工、冶金、醫(yī)藥、食品、塑料、橡膠、能源、建筑、生物及空間技術(shù)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[3]。開展熱分析類的教學(xué)實驗，不僅具有課堂理論意義，也具有非常強的應(yīng)用背景，國內(nèi)許多高校開設(shè)熱分析教學(xué)實驗，但具體實施的方案各不相同。經(jīng)過考察，我們購置了性能較好的熱重天平，此儀器采用較先進(jìn)自動化技術(shù)和精密的機械制造工藝，將機械結(jié)構(gòu)、機電控制和氣氛控制集于一體，一定程度上改善了傳統(tǒng)熱分析儀器笨重外形。性能優(yōu)良的溫度控制軟件和界面，全面的熱動力參數(shù)分析功能，將熱重分析TG、微商熱重法DTG與差熱分析DTA結(jié)合為一體，在同一次測量中利用同一樣品可同步得到熱重、微商熱重與差熱數(shù)據(jù)。這樣一來，實驗簡便快捷，而且數(shù)據(jù)可靠直觀。為克服實驗內(nèi)容相對單薄的問題，我們重新設(shè)計實驗方案，學(xué)生除了驗證已知樣品受熱過程中的吸放熱情況，還可以觀測不同升溫速率下吸放熱情況的變化，進(jìn)而研究樣品受熱過程中相應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)，例如根據(jù)不同升溫速率下五水硫酸銅失水峰的峰頂溫度與升溫速率進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，便可以計算熱分解的活化能。在問題與思考環(huán)節(jié)中，啟發(fā)學(xué)生通過文獻(xiàn)查閱，對熱分析方法進(jìn)行更全面的了解，有了這樣的技術(shù)和知識儲備，將來需要分析其他樣品受熱過程中物相變化、吸放熱等問題時，很容易找到解決方案。

此外，對氣液色譜法測定非電解質(zhì)溶液熱力學(xué)函數(shù)的實驗也更換了最新型號的氣相色譜儀。所有的溫度、壓力、流量以及其他參數(shù)的設(shè)定和顯示均可以在電腦軟件界面上進(jìn)行，大大方便了學(xué)生的實驗操作，而且對了解目前的主流色譜有了感官認(rèn)識。最為關(guān)鍵的是，數(shù)據(jù)重復(fù)性得到了極大的提高，以前需要重復(fù)進(jìn)樣近10次才能得到3次相對誤差較小的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在只需進(jìn)樣3次就可滿足要求，對操作難度的要求大大降低，數(shù)據(jù)也與文獻(xiàn)值吻合較好，得到了同學(xué)們的認(rèn)可。

涉及電化學(xué)測量的實驗，目前全部采用電化學(xué)工作站進(jìn)行。由于是軟件界面控制，重現(xiàn)性較好，出現(xiàn)故障也很容易判斷。這些改進(jìn)與以前的電壓、電流表顯示相比，優(yōu)勢明顯，而且對本科生繼續(xù)從事電化學(xué)相關(guān)研究起到了較好的鋪墊作用。

2.增開研究性實驗，加強對學(xué)生技術(shù)技能的培養(yǎng)

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，物理化學(xué)實驗內(nèi)容最欠缺的是科學(xué)研究領(lǐng)域中的前沿成果在教學(xué)中的體現(xiàn)，而學(xué)生能力培養(yǎng)上較欠缺的是現(xiàn)代表征儀器的操作技術(shù)。因此，與前沿研究相關(guān)的實驗內(nèi)容的設(shè)置，是我們此次實驗教學(xué)內(nèi)容更新的重點。

我們引入負(fù)載型催化劑的多相催化實驗。隨著催化技術(shù)的發(fā)展，由于多相催化劑具有易回收利用、產(chǎn)物易分離等特點，在石油化工等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。因此，讓學(xué)生了解和掌握一定的多相催化技術(shù)和知識顯得尤為重要，國內(nèi)浙江大學(xué)和南京大學(xué)化學(xué)系的本科生物理化學(xué)實驗中都涉及相關(guān)的實驗內(nèi)容。我們開設(shè)了負(fù)載貴金屬催化劑液相催化苯甲醇氧化的實驗，通過本實驗，希望學(xué)生理解多相催化操作中的基本要求、評價活性優(yōu)劣的基本方法、影響催化活性的外界因素、完成活性測試的定量分析手段等內(nèi)容，再通過數(shù)據(jù)處理與分析，了解更多的與催化相關(guān)的動力學(xué)和熱力學(xué)知識與技術(shù)。

3.引入物質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)表征方面的實驗內(nèi)容

現(xiàn)在科學(xué)研究中，物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)的揭示，離不開大型儀器。自19世紀(jì)倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線以來，X射線衍射被迅速地應(yīng)用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征，它可以用在研究體積很大的對象，譬如人體骨骼，還可以表征很小的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，譬如蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)[4]。由于波長短，X射線有很強的穿透性，在分子及原子級的材料結(jié)構(gòu)研究當(dāng)中應(yīng)用尤為廣泛?，F(xiàn)代X射線技術(shù)在研究未知結(jié)構(gòu)和新材料中已經(jīng)成為一個有力的工具，比如本系多個課題組制備的各種單晶新材料，其結(jié)構(gòu)解析就離不開X射線單晶衍射儀。作為重要的物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征手段，理論課堂上也做了深入的介紹，但由于硬件條件的限制，本系本科生一直沒有機會動手操作X射線衍射儀。

多孔固體材料最早發(fā)現(xiàn)于19世紀(jì)90年代，因其獨特的結(jié)構(gòu)特性而在催化、吸附、分離和儲能等領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注，表面狀態(tài)和孔結(jié)構(gòu)直接影響其性能，所以多孔固體材料的比表面積和孔徑分布是研究固體材料的必要數(shù)據(jù)。本系多個課題組在介孔、微孔材料的制備研究中，一直離不開比表面積測試儀對樣品基本性質(zhì)的測定，也正因如此，本系多套比表面積測試儀均難以勻出機時用于本科教學(xué)。

通過努力，現(xiàn)在我們購置了4臺比表面積測試儀，并借用本系X射線粉末衍射儀科研機時，用于本科生的教學(xué)實驗。先讓學(xué)生通過不同方法制備銅鋯復(fù)合氧化物材料，并對這些樣品進(jìn)行X射線粉末衍射和比表面積測定，最后通過數(shù)據(jù)處理，分析了解不同的制備因素對材料基本性質(zhì)的影響，了解BET多分子層吸附理論的基本假設(shè)和BET法測量固體比表面的基本原理，掌握X射線粉末衍射方法的基本原理、技術(shù)和物理吸附儀的工作原理、使用方法，并借此掌握一定的材料常規(guī)表征實驗技能技巧。

三、未來設(shè)想

近年來，隨著世界環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，光催化在環(huán)境污染物降解中已成為研究熱點[5]。最近我們還將開設(shè)TiO2光催化廢水降解實驗，這個實驗是有效治理環(huán)境污染技術(shù)的典型代表。納米TiO2由于其化學(xué)性能穩(wěn)定、抗菌性能好以及在有機物降解過程中無二次污染等優(yōu)良性質(zhì)，成為環(huán)境污染治理領(lǐng)域中的重要光催化劑，在光催化領(lǐng)域得到了廣泛研究。TiO2的結(jié)構(gòu)形貌對其光催化活性有很大的影響，通過本實驗，希望學(xué)生了解環(huán)境污染與防治的相關(guān)知識，并能從結(jié)構(gòu)形貌與光量子效率間的關(guān)系理解影響光催化活性的因素，同時理解光催化降解效率的衡量指標(biāo)等知識和技能。

從培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)技能的角度看，現(xiàn)代物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)表征方面涉及的內(nèi)容還遠(yuǎn)不夠，將來還計劃開設(shè)銅鋯復(fù)合氧化物或者負(fù)載貴金屬樣品表面的CO吸附紅外光譜測定、核磁共振測定液相反應(yīng)速率常數(shù)等相關(guān)內(nèi)容。希望通過系列動力學(xué)活性測試以及相應(yīng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征方面實驗的開展，讓學(xué)生對功能材料樣品制備技術(shù)、物質(zhì)基本性質(zhì)表征以及樣品性質(zhì)與性能之間的本質(zhì)關(guān)聯(lián)有所了解。更希望學(xué)生通過這一系列的訓(xùn)練，對科學(xué)研究過程有所了解，為他們開展系列校內(nèi)科技創(chuàng)新項目打下基礎(chǔ)，有利于他們今后的繼續(xù)深造或工作。

篇8

關(guān)鍵詞：科學(xué)素養(yǎng)；科學(xué)方法；科學(xué)意識；科學(xué)精神；大學(xué)物理

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）03-0110-02

“為什么我們的學(xué)?？偸桥囵B(yǎng)不出杰出人才？”這個被稱為“錢學(xué)森之問”的問題，已引起上至國務(wù)院總理下至普通學(xué)生的深思。中國學(xué)生雖在國際奧林匹克競賽中屢屢獲獎，卻一直與諾貝爾科學(xué)獎無緣。2010年11月第八次中國公民科學(xué)素養(yǎng)調(diào)查結(jié)果顯示，2010年具備基本科學(xué)素養(yǎng)的公民比例為3.27%，僅相當(dāng)于主要發(fā)達(dá)國家和地區(qū)20世紀(jì)80年代末、90年代初的水平[1]。面對這些事實，我們不能不對現(xiàn)行的學(xué)?？茖W(xué)教育進(jìn)行深刻反思。學(xué)校和社會一直倡導(dǎo)素質(zhì)教育，但是素質(zhì)教育就是多搞文體活動和多學(xué)琴棋書畫嗎？這是誤解，更是誤導(dǎo)。其實，素質(zhì)教育的一個重要內(nèi)容，就是提高科學(xué)素養(yǎng)。

一、什么是科學(xué)素養(yǎng)

“科學(xué)素養(yǎng)”這一概念是伴隨著20世紀(jì)五六十年代美國“課程改革運動”而系統(tǒng)確立起來[2]。盡管對這一概念的內(nèi)涵尚未達(dá)成共識，但是，把科學(xué)素養(yǎng)作為科學(xué)教育的目標(biāo)，已在世界各國取得共識。明確提出科學(xué)素養(yǎng)包含三個維度，并給出測評指標(biāo)進(jìn)行測度的主要有以下幾種。第一種是美國J?米勒教授提出的公民科學(xué)素養(yǎng)概念[3]。J?米勒的科學(xué)素養(yǎng)模型維度概括為：科學(xué)知識；科學(xué)方法；科學(xué)意識。自1979年以來，該指標(biāo)體系及其測評結(jié)果一直為美國國家自然基金會所采用。第二種是世界經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織開發(fā)的國際學(xué)生測評項目（PISA）提出的科學(xué)素養(yǎng)概念。PISA將科學(xué)素養(yǎng)定義為“15歲學(xué)生為了理解自然界及人類活動引起的自然界變化并有助于相關(guān)決策，而使用科學(xué)知識、識別科學(xué)問題、得出有根據(jù)的結(jié)論的能力”，該定義包含“科學(xué)方法或技能”、“科學(xué)概念與內(nèi)容”及“語境”等三個維度[4]。雖然以上兩種科學(xué)素養(yǎng)概念的維度有所不同，但是可以看出，科學(xué)知識、科學(xué)方法、科學(xué)能力、科學(xué)精神和科學(xué)意識都屬于科學(xué)素養(yǎng)教育的范疇。

二、《物理》課程在培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)中的重要性

《物理》、《化學(xué)》、《生物》等課程都是學(xué)校教育中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要課程，而《物理學(xué)》又是一切自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。2007年第10期青年科學(xué)《測測你的科學(xué)素養(yǎng)有多高》中判斷16個科學(xué)觀點的對錯。其中有10個觀點都可以在《物理》課程中找到答案，可見，《物理》課程在科學(xué)教育中的重要性。

三、大學(xué)《物理》教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

大學(xué)《物理》課程是高等學(xué)校理工科各專業(yè)學(xué)生的一門重要的通識性必修基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)方面，具有其他課程不能替代的重要作用。下面談?wù)劥髮W(xué)《物理》課程對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，尤其是科學(xué)方法、意識和精神等方面筆者的一些思考和做法。

1.科學(xué)方法的培養(yǎng)?！笆谥贼~”不如“授之以漁”，方法對學(xué)生的終身發(fā)展至關(guān)重要。物理學(xué)中有許多科學(xué)方法。觀察法、實驗法、理想化方法、類比方法、假設(shè)方法和數(shù)學(xué)方法等是物理學(xué)的基本研究方法，不僅適用于自然科學(xué)的研究，也適用于其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和各種工作領(lǐng)域。分析、綜合、抽象、概括、歸納、演繹、類比等普通的邏輯方法是《物理》學(xué)科中常用的邏輯思維方法，更是普遍應(yīng)用于人的各種思維活動。如果學(xué)生掌握了這些方法，就會在以后的工作中自覺地運用這些物理方法思考問題、解決問題，并具備實事求是，嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的意識。也就是說，掌握了科學(xué)的方法，就有了在未來從事各項工作的“武器”。筆者在大學(xué)《物理》教學(xué)中，非常重視物理方法的介紹。①重視物理方法的提煉和總結(jié)。自然界發(fā)生的一切物理現(xiàn)象和物理過程，一般都是比較復(fù)雜的，為了降低研究的難度，在物理研究中產(chǎn)生了理想化方法，就有了質(zhì)點、剛體、彈簧振子、理想氣體、點電荷等理想模型。在講解這些概念時重點講解這些模型形成的必要性和這種方法的重要性，讓學(xué)生知道這是處理自然界復(fù)雜問題的常用的科學(xué)抽象的方法，是一種重要的科學(xué)研究方法，在自然科學(xué)研究中占有重要地位。②通過物理學(xué)史的引入，加強科學(xué)方法的教學(xué)。牛頓在伽利略、開普勒等前人成果的基礎(chǔ)上，用歸納法獲得了經(jīng)典力學(xué)的基本概念和力學(xué)三大定律，又用演繹的方法獲得了萬有引力定律并發(fā)明了微積分。在量子力學(xué)中，從黑體輻射問題的研究中出現(xiàn)的“紫外災(zāi)難”到普朗克的量子假說，到愛因斯坦“光量子假說”，到玻爾的舊量子論，到海森伯、薛定諤提出的量子力學(xué)，再應(yīng)用愛因斯坦相對論提出相對論量子力學(xué)的整個量子理論的發(fā)展史無不體現(xiàn)了假說―理論―新假說―新理論的循環(huán)發(fā)展模式；在提出假說階段常常運用歸納和類比的推理方法，在驗證和確立假說階段的演繹推理方法又時時出現(xiàn)。介紹這些歷史，不但讓學(xué)生學(xué)到了物理知識，而且讓學(xué)生用物理學(xué)家的方法和思路研究這些《物理》內(nèi)容，無形中會受到良好的科學(xué)方法教育。

2.重視介紹物理的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)意識?？茖W(xué)意識就是從科學(xué)的角度理解問題、分析問題和解決問題的思想觀念及其行為。學(xué)生只有知道了科學(xué)的應(yīng)用，才會在生活和工作中有科學(xué)的意識?！段锢怼氛n程是一門實用性很強的科學(xué)，所以在教學(xué)中就要多介紹物理知識的廣泛應(yīng)用，尤其是最新的應(yīng)用。例如，在電磁感應(yīng)部分，除了介紹常見的渦流加熱和制動、微波加熱、電子感應(yīng)加速器外，再介紹機場安檢處的金屬探測器（或棒）以及交通部門的交通探測器、銀行卡信息的存儲和讀取原理等；介紹這些實用知識不但會引起學(xué)生極大的興趣，也會引起學(xué)生主動思考生活中的問題，樹立良好的科學(xué)意識。

3.科學(xué)精神的培養(yǎng)?？茖W(xué)精神包括求實精神、創(chuàng)新精神、懷疑精神、寬容精神等幾個方面，其中最主要的是求實與創(chuàng)新。如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神？在授課中要注意啟發(fā)式教學(xué)，多提出問題，多質(zhì)疑，啟發(fā)學(xué)生思考和發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)他們的主動參與的意識和創(chuàng)新意識。適當(dāng)增加物理學(xué)史，讓物理學(xué)家們的不怕困難、無私奉獻(xiàn)，敢于質(zhì)疑以及開拓創(chuàng)新的科學(xué)精神感染學(xué)生。

總之，在大學(xué)《物理》教學(xué)中要利用一切可能的途徑向?qū)W生傳授科學(xué)的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)科學(xué)的分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生用科學(xué)的觀點理解自然界現(xiàn)象并能作出決斷以及辨識真?zhèn)蔚哪芰?，同時擁有良好的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會.第八次中國公民科學(xué)素養(yǎng)調(diào)查結(jié)果.[EB/OL].

[2]李雁冰.科學(xué)探究、科學(xué)素養(yǎng)與科學(xué)教育[J].全球教育展望，2008.（12）：14-18.

篇9

蒸蒸日上的凝聚態(tài)物理學(xué)

自從80年代中期發(fā)現(xiàn)了所謂高臨界溫度超導(dǎo)體以來，世界上對這種應(yīng)用潛力很大的新材料的研究熱情和樂觀情緒此起彼伏，時斷時續(xù)。這種新材料能在液氮溫區(qū)下傳導(dǎo)電流而沒有阻抗。高臨界溫度超導(dǎo)材料的研究仍是今后凝聚態(tài)物理學(xué)中活躍的領(lǐng)域之一。目前，許多國家的科學(xué)工作者仍在爭分奪秒，繼續(xù)進(jìn)行競爭，向更高溫區(qū)，甚至室溫溫區(qū)超導(dǎo)材料的研究和應(yīng)用努力。可以預(yù)計，這個勢頭今后也不會減弱，此外，高臨界溫度的超導(dǎo)材料的機械性能、韌性強度和加工成材工藝也需進(jìn)一步提高和解決?？茖W(xué)家們預(yù)測，21世紀(jì)初，這些技術(shù)問題可以得到解決并將有廣泛的應(yīng)用前景，有可能會引起一場新的工業(yè)革命。超導(dǎo)電機、超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)船、超導(dǎo)計算機等將會面向市場，屆時，世界超導(dǎo)材料市場可望達(dá)到2000億美元。

由不同材料的薄膜交替組成的超晶格材料可望成為新一代的微電子、光電子材料。超晶格材料誕生于20世紀(jì)70年代末，在短短不到30年的時間內(nèi)，已逐步揭示出其微觀機制和物理圖像。目前已利用半導(dǎo)體超晶格材料研制成許多新器件，它可以在原子尺度上對半導(dǎo)體的組分摻雜進(jìn)行人工“設(shè)計”，從而可以研究一般半導(dǎo)體中根本不存在的物理現(xiàn)象，并將固態(tài)電子器件的應(yīng)用推向一個新階段。但目前對于其他類型的超晶格材料的制備尚需做進(jìn)一步的努力。一些科學(xué)家預(yù)測，下一代的電子器件可能會被微結(jié)構(gòu)器件替代，從而可能會帶來一場電子工業(yè)的革命。微結(jié)構(gòu)物理的研究還有許多新的物理現(xiàn)象有待于揭示。21世紀(jì)可能會碩果累累，它的前景不可低估。

近年來，兩種與磁阻有關(guān)的引起人們強烈興趣的現(xiàn)象就是所謂的巨磁阻和超巨磁阻現(xiàn)象。一般磁阻是物質(zhì)的電阻率在磁場中會發(fā)生輕微的變化，而巨磁和超巨磁可以是幾倍或數(shù)千倍的變化。超巨磁現(xiàn)象中令人吃驚的是，在很強的磁場中某些絕緣體會突變?yōu)閷?dǎo)體，這種原因尚不清楚，就像高臨界溫度超導(dǎo)材料超導(dǎo)性的原因難以捉摸一樣。目前，巨磁和超巨磁實現(xiàn)應(yīng)用的主要障礙是強磁場和低溫的要求，預(yù)計下世紀(jì)初在這方面會有很大的進(jìn)展，并會有誘人的應(yīng)用前景。

可以預(yù)計，新材料的發(fā)展是21世紀(jì)凝聚態(tài)物理學(xué)研究重要的發(fā)展方向之一。新材料的發(fā)展趨勢是：復(fù)合化、功能特殊化、性能極限化和結(jié)構(gòu)微觀化。如，成分密度和功能不均勻的梯度材料；可隨空間時間條件而變化的智能材料；變形速度快的壓電材料以及精細(xì)陶瓷材料等都將成為下世紀(jì)重要的新材料。材料專家預(yù)計，21世紀(jì)新材料品種可能突破100萬種。

等離子體物理與核聚變

海水中含有大量的氫和它的同位素氘和氚。氘既重氫，氧化氘就是重水，每一噸海水中含有140克重水。如果我們將地球海水中所有的氘核能都釋放出來，那么它所產(chǎn)生的能量足以提供人類使用數(shù)百億年。但氘和氚的原子核在高溫下才能聚合起來釋放能量，這個過程稱為熱核反應(yīng)，也叫核聚變。

核聚變反應(yīng)的溫度大約需要幾億度，在這樣高的溫度上，氘氚混合燃料形成高溫等離子體態(tài)，所以等離子體物理是核聚變反應(yīng)的理論基礎(chǔ)。1986年美國普林斯頓的核聚變研究取得了令人鼓舞的成績，他們在TFTR實驗裝置上進(jìn)行的超起動放電達(dá)到20千電子伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了“點火”要求。1991年11月在英國卡拉姆的JET實驗裝置上首次成功地進(jìn)行了氘氚等離子體聚變試驗。在圓形圈內(nèi)，2億度的溫度下，氘氚氣體相遇爆炸成功，產(chǎn)生了200千瓦的能量，雖然只維持了1.3秒，但這為人類探索新能源——核聚變能的實現(xiàn)邁進(jìn)了一大步。這是90年代核能研究最有突破性的工作。但目前核聚變反應(yīng)距實際應(yīng)用還有相當(dāng)大的距離，技術(shù)上尚有許多難題需要解決，如怎樣將等離子加熱到如此高的溫度？高溫等離子體不能與盛裝它的容器壁相接觸，否則等離子體要降溫，容器也會被燒環(huán)，這就是如何約束問題。21世紀(jì)初有可能在該領(lǐng)域的研究工作中有所突破。

納米技術(shù)向我們走來

所謂納米技術(shù)就是在10[-9]米（即十億分之一米）水平上，研究應(yīng)用原子和分子現(xiàn)象及其結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)。納米技術(shù)的發(fā)展使人們有可能在原子分子量級上對物質(zhì)進(jìn)行加工，制造出各種東西，使人類開始進(jìn)入一個可以在納米尺度范圍，人為設(shè)計、加工和制造新材料、新器件的時代。粗略的分，納米技術(shù)可分為納米物理、納米化學(xué)、納米生物、納米電子、納米材料、納米機械和加工等幾方面。

納米材料具有常規(guī)材料所不具備的反常特性，如它的硬度、強度，韌性和導(dǎo)電性等都非常高，被譽為“21世紀(jì)最有前途的材料”。美國一研究機構(gòu)認(rèn)為：任何經(jīng)營材料的企業(yè)，如果現(xiàn)在還不采取措施研究納米材料的開發(fā)，今后勢必會處于競爭的劣勢。

納米電子是納米技術(shù)與電子學(xué)的交叉形成的一門新技術(shù)。它是以研究納米級芯片、器件、超高密度信息存儲為主要內(nèi)容的一門新技術(shù)。例如，目前超高密度信息存儲的最高存儲密度為10[12]畢特／平方厘米，其信息儲存量為常規(guī)光盤的10[6]倍。

納米機械和加工，也稱為分子機器，它可以不用部件制造幾乎無任何縫隙的物體，它每秒能完成幾十億次操作，可以做人類想做的任何事情，可以制造出人類想得到的任何產(chǎn)品。目前采用分子機器加工已研制出世界上最小的（米粒大?。┱羝麢C、微型汽車、微型發(fā)電機、微型馬達(dá)、微型機器人和微型手術(shù)刀。微型機器人可進(jìn)入血管清理血管壁上的沉積脂肪，殺死癌細(xì)胞，修復(fù)損壞的組織和基因。微型手術(shù)刀只有一根頭發(fā)絲的百分之一大小，可以不用開胸破腹就能完成手術(shù)。21世紀(jì)的生物分子機器將會出現(xiàn)可放在人腦中的納米計算機，實現(xiàn)人機對話，并且有自身復(fù)制的能力。人類還有可能制造出新的智能生命和實現(xiàn)物種再構(gòu)。

“無限大”和“無限小”系統(tǒng)物理學(xué)

“無限大”和“無限小”系統(tǒng)物理學(xué)是當(dāng)今物理學(xué)發(fā)展的一個非?；钴S的領(lǐng)域。天體物理和宇宙物理學(xué)就屬于“無限大”系統(tǒng)物理學(xué)的范疇，它從早期對太陽系的研究，逐步發(fā)展到銀河系，直到對整個宇宙的研究。熱大爆炸宇宙模型作為本世紀(jì)后半葉自然科學(xué)中四大成就之一是當(dāng)之無愧的。利用該模型已經(jīng)成功地解釋宇宙觀測的最新結(jié)果。如宇宙膨脹，宇宙年齡下限，宇宙物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)，宇宙在大尺度范圍是各向同性等重要結(jié)果?？梢哉f具有暴脹機制的熱大爆炸宇宙模型已為現(xiàn)代宇宙學(xué)奠定了一定的基礎(chǔ)。但是到目前為止，關(guān)于宇宙的起源問題仍沒有得到解決，暴脹宇宙論也并非十全十美，事實上想一次就能得到一個十分完善的宇宙理論是很困難的，這還有待于進(jìn)一步的努力和探索。

“無限大”系統(tǒng)物理學(xué)還有兩個比較重要的問題是“類星體”和“暗物質(zhì)”?！邦愋求w”是1961年發(fā)現(xiàn)的，一個類星體發(fā)出的光相當(dāng)于幾千個星云，而每個星云相當(dāng)于1萬億個太陽所發(fā)出的光，所以對類星體的研究具有十分重大的意義。60年代末，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一個編號為3C271的類星體，一天之內(nèi)它的能量增加了一倍，到底是什么原因使它的能量增加如此迅速？有待于21世紀(jì)去解決?！鞍滴镔|(zhì)”是一種具有引力，看不見，什么光也不發(fā)射的物質(zhì)。宇宙中百分之九十以上的物質(zhì)是所謂的“暗物質(zhì)”，這種“暗物質(zhì)”到底是什么？我們至今仍不清楚，也有待于下世紀(jì)去解決。

原子核物理和粒子物理學(xué)則屬于“無限小”系統(tǒng)物理學(xué)的范疇，它從早期對原子和原子核的研究，逐步發(fā)展到對粒子的研究。粒子主要包括強子（中子、質(zhì)子、超子、л介子、K介子等）、輕子（電子、μ子、τ輕子等）和媒介子（光子、膠子等）。強子是對參與強相互作用粒子的總稱，其數(shù)量幾乎占粒子種類的絕大部分；輕子是參與弱相互作用和電磁相互作用的，它們不參與強相互作用；而媒介子是傳遞相互作用的。目前，人們已經(jīng)知道參與強相互作用的粒子都是由更小的粒子“夸克”組成的，但是至今不能把單個“夸克”分離出來，也沒有觀察到它們可以自由地存在。為什么“夸克”獨立不出來呢？還有一個不能解釋的問題是“非對稱性”，目前我們已有的定理都是對稱的，可是世界是非對稱的，這是一個有待于解決的矛盾。尋找獨立的夸克和電弱統(tǒng)一理論預(yù)言的、導(dǎo)致對稱性自發(fā)破缺的H粒子、解釋“對稱”與“非對性”的矛盾，是21世紀(jì)粒子物理學(xué)研究的前沿課題之一。

從表面上看“無限大”系統(tǒng)物理學(xué)與“無限小”系統(tǒng)物理學(xué)似無必然的聯(lián)系。其實不然，宇宙和天體物理學(xué)家利用廣義相對論來描述引力和宇宙的“無限大”結(jié)構(gòu)，即可觀察的宇宙范圍；而粒子物理學(xué)家則利用量子力學(xué)來處理一些“無限小”微觀區(qū)域的現(xiàn)象。其實宇宙系統(tǒng)與原子系統(tǒng)在某些方面有著驚人的相似性。預(yù)計21世紀(jì)“無限大”系統(tǒng)物理學(xué)將會與“無限小”系統(tǒng)物理學(xué)結(jié)合得更加緊密，即宏觀宇宙物理學(xué)和微觀粒子物理學(xué)整體聯(lián)系起來。熱大爆炸宇宙模型就是這種結(jié)合的典范，實際上該模型是在粒子物理學(xué)中弱電統(tǒng)一理論的基礎(chǔ)上建立起來的?？梢灶A(yù)計，這種結(jié)合對科技發(fā)展和應(yīng)用都會產(chǎn)生巨大的影響。

二、跨世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢

科學(xué)技術(shù)能否取得重大突破的關(guān)鍵取決于基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展。所以，首先必須重視基礎(chǔ)科學(xué)的研究，不能忽視更不能簡單地以當(dāng)時基礎(chǔ)科學(xué)成果是否有用來衡量其價值。相對論和量子力學(xué)建立時好像與其他學(xué)科和日常生活無關(guān)，直到20世紀(jì)中期相對論和量子力學(xué)在許多科學(xué)領(lǐng)域中引起深刻的變革才引起人們的足夠重視?？梢哉f，20世紀(jì)幾乎所有的重大科技突破，像原子能、半導(dǎo)體、激光、計算機等，都是因為有了相對論和量子力學(xué)才得以實現(xiàn)?？梢哉f，沒有基礎(chǔ)科學(xué)就沒有科學(xué)技術(shù)、社會和人類的發(fā)展。

20世紀(jì)重大科技成果的成功經(jīng)驗證明，不同學(xué)科間的互相交叉、配合和滲透是產(chǎn)生新的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)，解釋新現(xiàn)象，取得科學(xué)突破的關(guān)鍵條件之一。例如，核物理與軍事技術(shù)的交叉產(chǎn)生了原子彈；半導(dǎo)體物理與計算技術(shù)的交叉產(chǎn)生了計算機?？梢灶A(yù)計，21世紀(jì)待人類掌握核聚變能的那一天，一定是核物理、等離子體物理、凝聚態(tài)物理和激光技術(shù)等學(xué)科的交叉和配合的結(jié)果。這也是21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。

篇10

關(guān)鍵詞：考試；應(yīng)用試題；機考；公式

一、大學(xué)物理考試存在的問題

大學(xué)物理是高等學(xué)校理工科專業(yè)開設(shè)的一門基礎(chǔ)課程，該課程在培養(yǎng)理工科學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和綜合能力方面起著其他學(xué)科不可替代的作用。

在理工科各專業(yè)中，學(xué)生普遍認(rèn)為大學(xué)物理課程難學(xué)，這可以從大學(xué)物理學(xué)的考試成績中得到體現(xiàn)。我校電子工程學(xué)院2005級至2011級學(xué)生的大學(xué)物理課程學(xué)習(xí)成績的數(shù)據(jù)分布表明，大學(xué)物理課型Ⅰ（上冊）的不及格率一直居高不下，平均不及格率40%左右；而大學(xué)物理課型Ⅰ（下冊）的學(xué)習(xí)成績也不理想，時好時差，并不穩(wěn)定。學(xué)生的學(xué)習(xí)成績?yōu)榻虒W(xué)提供了反饋信息，迫切需要教師改進(jìn)教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，以提高教學(xué)效果。

針對理工科專業(yè)的大學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀，筆者曾在小范圍內(nèi)展開問卷調(diào)查（針對理工科專業(yè)160名學(xué)生，就大學(xué)物理教師的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考試方式等幾個層面開展調(diào)查），結(jié)果表明：傳統(tǒng)的考試模式帶來的問題最多，單一的閉卷考試導(dǎo)致“一卷定終身”。盡管傳統(tǒng)的考試模式具有比較客觀、公正等優(yōu)點，但普遍存在“重知識、輕能力，重記憶、輕創(chuàng)新”等現(xiàn)象，難以適應(yīng)素質(zhì)教育的需要。

二、大學(xué)物理考試改革的三個方面

目前，大學(xué)物理課程組全體教師積極投身于大學(xué)物理考試改革之中，花費大量的時間和精力考慮如何選擇考試內(nèi)容和考核方式。結(jié)合大學(xué)物理課程教學(xué)，筆者從培養(yǎng)綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的指導(dǎo)思想出發(fā)，探索出以下三個方面：

1.考試內(nèi)容向應(yīng)用能力集中。大學(xué)物理課程是在中學(xué)所學(xué)物理知識基礎(chǔ)上的進(jìn)一步深入和延展，其特點是用高等數(shù)學(xué)的知識解決各個領(lǐng)域的實際應(yīng)用問題?？荚嚂r要針對不同專業(yè)擬在考題中加大專業(yè)性實際應(yīng)用試題，例如，在給化工學(xué)院講授“近代物理的量子力學(xué)隧道效應(yīng)”時，可結(jié)合美國和德國科學(xué)家在《科學(xué)》雜志上的撰文：研究發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)隧道效應(yīng)可影響化學(xué)反應(yīng)結(jié)果。他們在實驗中發(fā)現(xiàn)并首次證明，一種名為“隧道控制”的新機制或許是化學(xué)反應(yīng)中新的驅(qū)動力，它可讓化學(xué)反應(yīng)偏離傳統(tǒng)方向，獲得新的反應(yīng)結(jié)果。通過這個例子的講授，可激發(fā)化工學(xué)院學(xué)生學(xué)學(xué)物理的興趣。為實現(xiàn)考試內(nèi)容向應(yīng)用能力集中，擬分配一到兩名教師針對不同的專業(yè)需求整理專業(yè)應(yīng)用試題，將教學(xué)和考核內(nèi)容與專業(yè)教師的科研方向相結(jié)合，科研成果的“新”“爭議性”以及“創(chuàng)新性”更能激發(fā)學(xué)生的興趣，促使學(xué)生參與教學(xué)。當(dāng)專業(yè)的科研成果與大學(xué)物理理論知識密切相關(guān)時，學(xué)生看到“經(jīng)典內(nèi)容”的現(xiàn)代性，能激發(fā)學(xué)學(xué)物理理論知識的興趣，產(chǎn)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動力。

2.考試形式加入無紙化考試。在大范圍的基礎(chǔ)課教學(xué)中，無紙化考試已逐漸開展起來，大學(xué)物理課程平時機考的實施是理工科基礎(chǔ)課程探索考試方法改革的重要實踐。機考可以逐步加大平時考核比例，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主性學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)，但是基于物理學(xué)的特點，全部教學(xué)內(nèi)容實行機考是不合適的。我們擬將“一卷定終身”變?yōu)槠綍r兩次機考+期末考試的考核方式，以正確引導(dǎo)學(xué)生注重學(xué)習(xí)過程中的知識積累和能力培養(yǎng)。為開展機考工作，需建立大學(xué)物理機考題庫，目前我們已著手自行編寫適合我校理工科考試水平的機考題目。為保證機考的公平性，教師根據(jù)考試內(nèi)容涉及的知識點及其難易程度設(shè)計題庫。平時機考的增加勢必給教學(xué)生帶來考試壓力，為此我們打算編寫一個大學(xué)物理機考的輔導(dǎo)材料，要求學(xué)生根據(jù)課堂所學(xué)內(nèi)容，結(jié)合輔導(dǎo)材料充分地備考。

3.考試試卷給出常用公式。大學(xué)物理包括了力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)及近代物理等內(nèi)容，涉及大量的定理、定義和公式。在教學(xué)要求上，主要是培養(yǎng)學(xué)生對具體問題能夠運用基本的物理學(xué)原理加以分析、討論，提出解決問題的途徑和方法，而只是最后的解題過程要使用相應(yīng)的公式。在考試過程中，學(xué)生往往能正確地分析問題，但由于公式記不住或記不準(zhǔn)確，容易造成解題錯誤，僅僅從這道題目來說，并不能真正反映出對知識的掌握程度。針對這種情況，筆者認(rèn)為應(yīng)該在考試的時候給出主要公式，將學(xué)生的注意力有意識地吸引到對問題的深入分析、理解及所學(xué)知識的實際應(yīng)用上，使他們認(rèn)識到大學(xué)物理在分析實際問題時的基礎(chǔ)作用。

對大學(xué)物理考試改革做這樣一些探索，最終的目的是使教育的中心由教師轉(zhuǎn)向?qū)W生，讓學(xué)生成為教學(xué)主體。這種多樣性考核的方式不僅影響到大學(xué)物理的學(xué)習(xí)，促進(jìn)大學(xué)物理教學(xué)改革的深入，而且訓(xùn)練了學(xué)生的發(fā)散性思維，培養(yǎng)了學(xué)生在將來的學(xué)習(xí)中產(chǎn)生新觀點、新思想的能力，造就了建設(shè)創(chuàng)新型國家所需要的創(chuàng)新型人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙純.關(guān)于大學(xué)物理考試改革的探索——以華南理工大學(xué)為例[J].高等理科教育，2003，（S1）：137-138.