量子力学理论范例

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量子力学理论

量子力学理论范文1

关键词:量子技术;量子通信技术;存在问题;技术优势;发展前景

量子通信技术相比于传统的通信技术而言,其信息传输速率更快,保密性更强,是当前世界各国在通信技术研究领域的重要内容。量子通信技术基于量子力学原理,将微观世界的物质特征应用在通信领域中,在保持较高信息传输速率的同时,在通信加密方面具有较大优势,逐渐成为当前通信技术领域研究的热门话题。量子通信技术研究对于提高通信质量有着重要的意义,且当前量子通信技术研究正处于关键阶段,所以必须准确掌握量子通信技术中存在的问题,对问题进行优化创新,才能够全面提高我国量子通信技术水平。

1   量子通信技术内涵分析

1.1 量子通信技术基本概念

量子通信是采用量子相干叠加、量子纠缠效应完成信息传输的一种通信技术,主要包括量子理论和信息理论。从物理学层面出发,量子通信技术是物理极限下采用量子效应实现高性能通信的一种技术,具有物理原理的信息绝对安全性,能够有效解决传统通信技术中无法解决的多项问题[1]。从信息学层面出发,量子通信技术采用量子的不可复制特性和隐性传输特性,通过量子测量方式完成信息传输。量子通信技术中传输信息不是经典信息,而是量子所携带的量子信息,与传统通信技术相比具有多项优势,标志着未来通信技术全新发展方向。

1.2 量子通信技术发展

量子通信技术研究开始于 1980 年之前,1970 年美国哥伦比亚大学著名学者 Wiesner 提出利用量子力学理论提高信息传输安全性的设想;在 1979 年,美国 IBM 企业多位学者联合提出将量子力学理论应用在通信技术领域的设想;1981 年 Feynman 提出采用传输量子信息的设想,标志量子信息理论研究开始。随后,世界多位著名学者和专家开展关于量子通信技术的研究,相继提出量子纠缠、密钥分发等概念,是量子通信理论正式诞生的标志。在 1990 年前后,通过自由空间信道完成第一次演示性量子通信试验,量子通信信息传输距离为32m。1993 年,Bennett 正式提出量子通信概念,同年多位科学家采用经典信号通道与量子纠缠的方法,设计量子隐性信息传输方案;2012 年,中国科学家实现百公里级量子隐性传输,为星地间量子通信技术研究打下基础。

1.3 量子通信技术体系架构

量子通信技术体系架构主要包括量子态发生器、量子通道以及量子测量等设备,量子通信技术的信息传输基本流程为:量子信源→量子编码→量子调制→本地测量/量子传输信道(量子噪声)→辅助信道→本地测量→量子解调→量子解码→量子信宿。在量子通信技术的基本架构以及通信系统中,量子信源为量子信息产生器,表现形式为量子态;量子信宿的主要功能是接收量子信息;量子编码的主要功能是将量子信息转换为量子比特;量子解码的主要功能是将量子信息比特转化为信息。量子信道分为辅助信道与子传输信道两个不同部分,传输信道主要采用量子信息传递,辅助信道是除了量子传输信道与测量信道之外的附加信道,比如经典信道;量子噪声是指外界环节对于量子信号所产生的影响。当前,在量子通信技术系统应用过程中,主要采用量子信道结合辅助经典信道的新式,能够实现非理想的量子密钥分发或者是量子密码通信,在经典信道的作用帮助下,通信双方能够通过量子信道完成量子信息交换,同时能够获取量子密钥,既能够保证量子信息传输速率,同时能够保证量子信息传输安全性[2]。

1.4 量子通信技术的优势分析

量子通信技术与传统的通信技术相比较而言,具有以下几项优势: (1)信息传输效率高。量子通信技术的线路时延性在理论状态下可以无限接近于零。量子信道的信息传输效率相比于经典信道能够超出几十倍以上,同时量子通信技术在信息传递过程中不会受到其他障碍影响,综合信息传输速率较快。 (2)抗干扰能力较强。量子通信在信息传输的过程中不会经过传统信道,且信息传输与信息双方的传播介质无关,不会受到空间环境的影响,综合抗干扰能力较强。 (3)安全性较好。因为量子具有不可复制性,所以量子信息产生后就不会发生改变,在量子信息传输过程中,如果被他人窃取,信息接收方则会直接发现。 (4)隐蔽性较好。量子通信技术不会产生电磁辐射,所以除信息接收方之外其他方面无法对信息进行监测,具有良好的隐蔽性。 (5)噪声较低。在相同的信息传输条件下,量子通信技术所产生的噪声比传统信息传输低 35d B 左右,所以噪声量较低。

2   量子通信技术发展中存在的主要问题分析

根据当前世界各国对量子通信技术的研究情况来看,虽然量子通信技术研究逐渐取得突破,但是依然存在着一些不可忽视的问题,主要体现在以下几个方面。

2.1 单光子分离攻击问题

光的最小单位为光子,但光子具有不可分离特性,当前所采用的传统通信技术中应用弱相干光源技术,包含多种光子。量子通信技术系统的主要功能为量子密码通道、量子远程传输以及量子密码编辑等。对于单光子源技术,是不可以分离的,虽然通道消耗较大,但是能够保证信息传输安全性,但是对于弱相干光源而言,具有一定的安全隐患,如果保护不当可能会出现信息泄露的问题,主要是因为可以通过光子分离攻击虚假的量子通信信道,从而获取量子信息和密钥,在该过程中信息则会被第三方获取,是当前量子通信技术领域尚未完全解决的问题。该问题与上文所述并不冲突,因为量子通信技术在理想状态下,信息传递过程中被第三方获取就会被信息接收方感知,但是受到当前技术水平的限制,采用单光子分离攻击能够获取一定的信息,所以需要针对该安全问题进行创新和优化,才能够全面提升量子通信技术信息传输安全性[3]。

2.2 木马攻击和侧信道共计问题

在采用量子通信技术进行信息传输的过程中,量子密码编码技术具有关键性作用,信号源和信号接收器会受到来自木马病毒的攻击,从而会产生信息泄露的问题。在信息传输过程中,采用侧信道攻击、光能部件高能破坏攻击以及大脉冲攻击等方式,会对量子信息产生很大影响,从而出现信息泄露或密钥泄露的问题。

2.3 光子源产生单光子效率较低的问题

根据量子通信技术的应用实践证明,单光子源具有较强的量子力学性能,但是因为其自身不具有可分割的优势,所以不能保证单光子脉冲具有完善的安全性。虽然在量子通信技术中量子密码通道消耗较大,但是并不会对原信息的传输造成影响。当前,由于技术水平的限制,单光子在制备过程中会产生多个信道,从而导致量子通信技术在实际应用过程中效率较低的问题出现,同时弱光脉冲技术在应用过程中还存在着许多问题,会降低量子密码信道信息传输速率,也会引起量子密码编码错误率提升的问题,从而对量子通信技术的实际应用效果产生很大影响。

2.4 探测效率较低的问题

按照当前量子通信技术的发展基本情况来看,量子测量主要包括正定测量、投影测量以及通用测量三种不同技术方法,在应用过程中,需要利用其他设备和被测量量子之间的相互协作完成信息测量基本流程。在量子探测测量过程中,会对信道中的量子传输状态产生较大影响,从而引起信道测量结果出现偏差。此外,量子在信道中会处于相对统一的状态,在测量过程中会受到弱相干光源的影响,从而导致信道中量子种类出现较大差异,进而会导致量子信道出现塌缩问题,无法保证量子探测测量结果准确性,且综合探测测量效率较低,对于量子通信技术的应用效果会产生很大影响。

2.5 与其他信道结合的问题

在当前的量子通信技术研究中,因为量子密码信道与全光网络信道需要完成高度融合,但是在实际融合的过程中会导致量子信道损耗问题逐渐加剧,从而会导致量子通信技术信息传输速率降低,尤其是在远距离信息传输过程中,影响更为严重,所以当前量子通信技术的信道与其他信道在结合方面还存在着很大问题,尚未得以完全解决,对于量子通信技术质量产生很大影响。

3   量子通信技术发展前景分析

根据上文分析可以看出,量子通信技术是未来通信技术的主要研究方向,与传统的通信技术相比具有许多优势,但是依然存在着一些没有得到妥善解决的问题,所以为了促进量子通信技术水平的提高,使其能够在通信领域发挥出更好的作用,必须针对当前量子通信技术发展过程中存在的问题,对其未来发展前景进行预测和规划,才能够全面提高我国量子通信技术水平。在量子通信领域掌握更多核心技术,是提高我国综合国力的重要方式。 从量子通信技术的发展规划来看,未来量子通信技术可以作为信息存储的重要载体,且能够与互联网概念相结合,在工业生产、机械制造、通信领域以及军事领域等发挥出更好的作用,所以国家和相关部门必须加强对量子通信技术的资源投入,保证量子通信技术研究具有充足的资源保障,才能够完成量子通信技术研究创新,突破当前量子通信技术水平的限制。将量子通信技术的优势在通信领域最大化发挥,不仅能够提高信息传输质量,更有利于保障信息安全,是信息时代发展过程中的核心技术,为此需要不断加强量子通信技术研究。

4   结束语

量子力学理论范文2

[关键词]科技创新;复杂科学;倒置显微镜技术

自哥白尼以来的近代科学史,在探索简单系统的时候可以确定和预言简单系统的全部行为。以至精密自然科学几乎将人们的兴趣转向复杂系统,终于使复杂科学应运而生。复杂科学,在复杂系统中完全排除拉普拉斯决定论,揭示出来的某些简单性法则。

1科技创新的复杂性与局限性

科技创新系统受许多因素制约的复杂系统,最简单的天体力学三体系统,也具有不稳定性和非线性特征,第三者最终会被抛出系统。科技创新系统的影响因子外在表象呈现出纷繁复杂姿态。人们对它的研究长期以来还基本不可预测。在19世纪,物理学天空只剩下两朵乌云,然而5年以后的相对论革命打破了预言,重大的创新成果与杰出的创新大师往往层出不穷。爱因斯坦独创相对论,袁隆平成为“杂交水稻之父”都离不开定量预测重大科技创新成果。但是,我们仍然要对沿着这一方面究其基本视角,主要是哲学经济学的视角,哲学视角以宏观理性见长,经济学视角以应用操作胜出,可以互相启发,但也都有传统视角的局限性。

2显微镜科技创新的新方法

深化科技创新研究的路径,可以加强科技创新的计量统计分析,走世界主流经济学发展之路,也会有一定成效但困难较大,因为科技创新不确定因素大,不适用于一般的数理模型,必须要以宏观定性分析开辟新的研究路径。在科学发展的领域,是一个被忽视的无人区,这就是复杂科学与科技哲学的交叉领域。目前“复杂性”研究已经成为当代科学的前沿是极小——如分子、原子、基本粒子等。尽管对科学家来说,极小和极大的研究具有永恒的魅力,但重心正向生物学转移解释生命和社会现象的障碍。我们可以说最大的挑战是对倒置显微镜的结构特点和主要应用来分析。倒置显微镜可以用于细胞、微生物的观察在免疫学、细胞学等领域发挥十分重要的作用。倒置显微镜技术的科技创新方法主要体现在倒置显微镜本身仪器精化,在倒置显微镜仪器本身方面,提高仪的使用效率以及有效提高其分辨率,使倒置显微镜技术能够观察到更加精细的结构,同时将计算机技术与倒置显微镜技术有效结合,促进仪器的操作技术准确化。

3交叉视野中的科技创新

复杂性研究的起步在控制论、信息论、系统论等数学工具的基础上理论及方法已基本确立起来。借助计算机工具,创建一门处理一切复杂性的一元化理论可视为“复杂科学”作为一门独立学科诞生的标志。目前,随着复杂科学渗透到精密自然科学,并开始向经济学、生态学甚至传统的人文社会科学,协同学理论和方法将耗散结构论的分岔理论用于探讨中国传统文化和中西文化比较问题。基于复杂科学理论并运用复杂科学数学理论的研究工作也已经开始,对网络创新的研究方面的研究工作也已起步。基于系统论的创新研究体现了科技哲学的复杂科学思想方法,在交叉视野下的科技创新研究工作是深化科技创新研究工作所不可或缺的。宏观定性取长补短的混合研究既不能缺少实证性的定量分析,又要中远距离的哲学性的观察视野。在一门学科起步时,用复杂科学与科技哲学的交叉视野对科技创新活动作独特的观察与分析,可以为科技创新领域提供重要的思想结论。

4复杂科学与科技哲学的科技创新

在科学研究中,只有实现了生产要素新组合将传统意义上的技术发明观念提升为现代的概念,使科技创新同发明区别开来。在经济上实行改善并使之有效,作为企业家的职能也根本不一定是任何一种的发明,象许多作家那样地强调发明这一要素,是可能引起莫大的误解。重新审视科技创新,我们也将看到创新演化只有在复杂科学的框架内才能得到较好的理解和说明。科技创新的频率愈来愈快,一般的特征是在较短的时间尺度上的不稳定性,直到17世纪,才产生微积分理论,到20世纪,吴文俊院士开创数学创新活动。在天文观测上,发出四大天文发现的演化过程同样也十分显著,但从科学创新角度来看,却是低潮时期。科技创新的内在因素与其整体演化之间的非线性特征十分显著,是科技创新系统正常运转的必要条件。人类科技史上量子力学理论的创立是为量子力学的最初形式。科技创新与许多其他影响因子的同时存在与相互作用不是线性关系,而事实上,跨学科的交流合作弥补数学才能一般的短处再一次重演了量子力学诞生的一幕揭开了人类生物工程的序幕。科技创新中的非线性特征表现在各种不同的创新形式之间的相互作用,这种复杂关系被带动了高科技,才有了应用科学以及生产科学。

5结语

结合复杂科学,对倒置显微镜的科技创新主要在生物倒置显微镜、偏光倒置显微镜,可以看出倒置显微镜技术具有极其宽阔的发展前景。

【参考文献】

[1]湛垦华.兽里高律与耗散结构理论[M].西安:陕西科技出版社,2015.

量子力学理论范文3

关键词:大学物理;教学理念;教学内容;课程思政

在高校政治思想会议上指出高校的立身之本在于立德树人,要充分利用好高校的各个渠道特别是课堂教学这个主渠道,把思想教育和文化素质教育融合,实现各门课程的教育教学的全过程育人、全方位育人。要将高校思想政治教育融入到其它课程教学和改革的各环节、各方面,形成一个协同效应[1]。怎样把大学物理课程与思政教育结合起来是我们每位大学物理教师要探究的课题。本文从以下几个方面对大学物理教学过程融入思政进行了探索。

1教师要树立新的教育教学理念

无论是进行基础课程教学还是专业课程教学,教师时刻都应该记住我们的使命是教书育人,既要对学生进行文化知识的传授和能力的培养,又要结合课程内容对学生进行思想政治教育[2],引导他们树立正确的人生观和价值观,先天下之忧而忧,后天下之乐而乐,为建设繁荣昌盛的社会主义祖国而勤奋学习。

2思想政治教育融入大学物理课堂教学过程

2.1大学物理课程教学大纲要体现课程思政

教学大纲是指引教师实施教学过程的方向标,因此,我们首要任务是对原来的教学大纲进行修改。在撰写大学物理教学大纲时要根据专业人才培养目标要求,既要有文化知识目标和能力目标,又要有思政目标,充分挖掘物理知识中的思政元素[3],找到大学物理课程思政的切入点。

2.2从物理定律、原理[4]产生的背景进行人生观和价值观教育

在讲授力学时,通过介绍万有引力定律就是在哥白尼、开普勒、伽利略等人的研究基础上,牛顿又经过长达20多年的探索和研究才得以完成的;在讲授电磁学时,介绍法拉弟电磁感应定律的建立是在电流的磁效应提出后由法拉弟等很多的科学工作者经过长达30年的研究才得出……通过对物理定律、物理原理的建立过程的介绍,使学生能从科学家的探索精神、治学态度、科学方法以及不畏艰险,追求真理和无私贡献的高尚品德等方面获得教益与启迪,从而增强学生的社会责任感和使命感,培养实事求是的科学态度和合作研究的精神,引导学生形成正确的人生观和价值观。

2.3从物理理论建立的过程进行正确的科学观教育

物理学理论是经过许多科学工作者在长期漫长的研究过程中通过实践到理论,理论到实践如此反复的过程建立的。如对于原子结构的认识,就是1997年J.J.汤姆孙在实验中发现电子并提出原子结构模型即“葡萄干蛋糕模型”,再到卢瑟福做α粒子散射实验并提出原子的有核模型,再到原子光谱实验规律的发现,波尔提出波尔理论的假设,直到量子力学建立后,人们对原子结构及原子内电子的运动才有了基本正确的认识。在近代物理基础的教学中,介绍狭义相对论和量子论的诞生过程等等。通过这些实例让学生明白物理学理论以及任何一门其它科学理论都不是终极的真理,它们都存在着局限性和未解决的问题,不要被旧理论束缚,要有勇于探索真理的精神,学习科学家不迷信权威,大胆的提出一些新的观点,推动科学不断地向前发展。从而培养学生创造性思维能力和批判性思维能力,形成正确的科学观。

2.4结合相关的物理知识进行辩证唯物主义教育

物理学为哲学的存在和发展提供了科学基础。如在研究物体经凸透镜成像情况时,凸透镜成像的虚实、倒正、大小,取决于物距,随着物距的量变可以引起像的质变。通过凸透镜成像的规律引导学生理解哲学中的量变质变规律。在讲质点运动的描述时,物体的运动是绝对的,静止是相对的即相对于参照物的运动,对学生进行物质世界的绝对运动和相对静止的辩证统一的教育。在讲授爱因斯坦的相对论时,阐明爱因斯坦的狭义相对论揭示了空间—时间的辩证关系,爱因斯坦的广义相对论揭示了物质运动与时间空间的相互联系……因此,在物理教学中充分挖掘这些哲学思想和原理,也是对学生进行辩证唯物主义教育的一笔很好的财富。

2.5物理学的发展推动社会进步进行热爱科学的教育

在教学中结合相关的教学内容介绍每一次物理理论的大综合都带来了新的技术革命,推动了社会的发展和人类的进步,使学生全面认识物理科学的发展、作用和影响。如17~18世纪的第一次工业革命是建立在牛顿力学和热力学发展的基础上,其标志是以蒸汽机为代表的一系列机械的产生和应用;19世纪的第二次工业革命是建立在电磁理论发展的基础上,其标志是发电机、电动机、电讯设备的出现和应用;20世纪的第三次工业革命是建立在相对论和量子力学发展的基础上,其标志是以信息技术为代表的一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。从而鼓励学生热爱科学,勤奋学习科学知识,在今后建设社会主义道路中不仅能掌握新技术、应用新技术,还能发展新技术、创造新技术,成为能参与国际上高新技术竞争的技术人才。

3结语

因此,在大学物理教学过程中开展课程思政,教师要精心设计教学内容,采用适合学生学习的教学方法和教学模式,融入各种思政元素对学生进行课程思政,把知识的传授、能力培养与思政融合起来,实现知识、技能和人生价值的全面发展,对于实现从教书育人到立德树人具有非常重要的意义。

参考文献:

[1].谈治国理政(第二卷)[M].北京:外文出版社,2017:377-379.

[2]高德毅,宗爱东.课程思政:有效发挥课堂育人主渠道作用的必然选择[J].思想理论教育导刊,2017(1):31-34.

[3]徐大海,张静,谢丽,孙利.课程思政融入大学物理课教学的探索[J].科技视界.2019,7:133-134.

[4]张三慧.大学物理学[M].清华大学出版社,2000.8.

量子力学理论范文4

关键词:历史教学;交叉学科;文理相通;物理学

高中历史中,涉及历史学与文学、艺术学、经济学、教育学、自然科学等学科交叉的内容,如何在历史教学中恰当地处理这一内容,是广大一线历史教师面临的挑战。以人教版《历史3》(必修)第四单元“近代以来世界的科学发展历程”中第11课“物理学的重大进展”为例分析历史与物理学的交叉学科教学[1]。

一、深入研究课标要求

课标是教学中的重要依据,第11课课标要求:“了解经典力学的主要内容,认识其在近代自然科学理论发展中的历史地位。知道相对论、量子论的主要内容,认识其意义。”从要求中可以看出,学生只需要“了解”“知道”经典力学、相对论、量子论的主要内容,不必“掌握”与“应用”。众所周知,物理学是自然科学的基础,是一门高度定量、理论和实验高度结合的精确精密科学。学科本身的难度是比较大的。在历史教学中,不宜在物理内容的具体解释上过多展开,尤其是在相对论、量子论方面。事实上,“在学情方面,高二学生在物理学习中对经典力学有所了解,具有一定的知识储备,但他们尚未学习过量子论和相对论等知识。”[2]在这种情况下,对于具体物理知识而言,教师只需要依据教材内容和参考资料,做适度讲解即可。课标要求学生认识物理学理论在自然科学理论发展中的历史地位和意义,这应该是历史教学的重点。如何把握这一重点?笔者认为,首先要理解物理学学科的内涵和特点;其次要认识物理学科的历史传承性;最后要理解物理学科的文化属性。

二、物理学的内涵及特点

物理学经历了五次理论的大综合(牛顿力学的建立、能量守恒定律的建立、电磁理论的建立、相对论的建立、量子理论的建立),极大地推动了社会生产力的进步,引发了蒸汽技术时代、电气技术时代、信息技术时代的到来。物理学对人们生活水平的提高所起的作用也是有目共睹的,无需多言。但究竟什么是物理学?很多学生认为物理学就是一些机械设备、电子设备、光学仪器等的集合。在这样的认知下,当看到教材中出现的“经典力学”“相对论的创立”“量子论的诞生与发展”等条目时,会产生“这是物理学吗”“这是有趣的物理学吗”“这是五彩缤纷的物理学吗”等一系列疑问而不知所措。此时,教师要因势利导并告诉学生,大家熟知的家用电器、能源技术、半导体技术以及激光技术等高新技术都是物理学在社会生产生活中的广泛应用。而学科意义上的物理学,是研究自然界最基本的物质结构与运动规律、最普遍的相互作用以及所使用的实验手段和思维方法的自然科学,其包含三个系统:知识系统、原理与方法系统、实物系统[3]。物理学知识系统按研究对象划分,已包含高能物理学、原子分子物理学、凝聚态物理学、天体物理学等;按研究要素可包含物质、能量、空间、时间及它们的相互作用等;按理论体系可包含经典力学、相对论、量子论等。教材中主要介绍的是物理学理论体系。“追随一个伟大的物理学理论行进,看看它宏伟地展现了它从初始假设出发的规则的演绎,看看它的推论描述了众多的实验定律直至最小的细节,人们不能不被这样的结构之美而陶醉,不能不敏锐地感到这样的人的心智的创造物真正是艺术作品。”[4]物理学理论是通过概念的抽象和定义、为数很少的基理、规则的数学运算演绎建立起来的既能解释已有现象又能准确预言未知实验结果的命题体系。我们知道,自然界提供的事实不可胜数,人们不可能把所有事实都变为记忆并传播。但当人们把个体事实中的带有普遍性的共同点抽取出来,继而形成物理学概念及定律即命题而代替了大量的具体事实时,人们就可以通过命题方便地记忆并传播事实。当然,物理学进一步把这些命题浓缩在为数很少的基理中,根据这些基理,人们能够无遗漏、无重复地演绎出所有的物理学定律,大大减轻了人们的心智负担。经典力学、相对论等就是这样的理论体系。经典力学建立在力学三定律之上;电动力学建立在“场”和麦克斯韦方程组之上;狭义相对论建立在光速不变和相对性原理之上;广义相对论建立在等效原理和广义协变原理之上;量子力学建立在波函数和薛定谔方程之上。就像文件盒上的标签,有逻辑地把不是同一类的文档分开,人们能迅速找到所需要的文档,而不至于乱找或拿错。同样,物理学理论能够使人们准确找到可以解决给定问题的定律,这让物理学定律群变得更易掌握,变得更美。物理学原理系统包含真理性原理、简单性原理、统一性原理等;方法系统包含演绎归纳法、类比联想法、猜测试探法、模型化方法、实验方法等。物理学实物系统包括为探究物理问题而制作的粒子加速器、激光器、天文望远镜等专业仪器设备。

三、物理学科的历史传承性

教材中讲“经典力学”时,用较大篇幅谈意大利物理学家伽利略的突出贡献,其中也提到了古希腊哲学家亚里士多德。事实上,亚里士多德对物理学的发展有着历史性贡献。对于这一点,作为历史教师,应抱着尊重历史的态度给学生讲清楚。亚里士多德的传世名言“我敬爱柏拉图,但我更爱真理”(吾爱吾师,吾尤爱真理)[5]就是第一个贡献。这句名言启示人们不要被动接受知识,要认识到知识的可辩驳性,能够在继承的基础上审视性地评价现有的理论和传统,这也正是近代以来物理学的研究风格。如教材所述,伽利略批驳了人们长期信奉的亚里士多德运动理论正是这一风格的体现。同时也要注意到,“伽利略的思想不是从天上掉下来的,他经历了曲折的摸索过程。开始,他甚至还是亚里士多德的维护者。”[6]这说明,物理学的研究离不开历史环境,研究是在继承前提下的创新。教材中也较详细地介绍了牛顿的杰出贡献,还谈到绝对时间和空间问题。几百年来,不少人怀疑绝对时空概念,奥地利物理学家马赫在他的《力学史评》中就作出了批驳。爱因斯坦高度评价马赫的工作,称其为“相对论的先驱”,这都是“吾爱吾师,吾尤爱真理”的具体表现。亚里士多德第二个贡献是他的自然哲学目标:找出事物本性和原因,为此他研究重物下落等自然现象。功夫不负有心人,最终他在总结前人成就的基础上,创造性地提出理论,留下著作如《物理学》等。“物理学”的名称就来自亚里士多德的《物理学》一书。从牛顿的经典物理学奠基之作《自然哲学之数学原理》(1687)一书的名字也可看出物理学与自然哲学密切的关系。第三个贡献是他朴素的概念抽象与数学运算方法。“在亚里士多德的著作中讨论了力学问题。这个伟大的逍遥学派领悟到在矩形这种特殊情况下力的平行四边形的概念。”[7]这一成就非同小可。如前所述,物理学研究工作是难度较大的工作之一,之所以难,原因是这种脑力劳动不是单纯的、同类的劳动量的增加,而是要求人们抽象出客观存在却超越人们感觉经验的对象,且要求对这些对象进行规则的数学运算演绎,建立起经得起实验检验的规律。那么,亚里士多德能够抽象出力的概念并领悟到带有“数量”特征的平行四边形的概念,很了不起。他还曾把杠杆等客观事物与有“数量”特征的圆联系起来,并进行“数学运算”(把运动分解为切向运动和法向运动),试图建立杠杆理论。这种概念抽象与数学运算的方法一直历史地体现在了物理学发展过程中:牛顿发明了微积分数学,并综合了从伽利略时代以来一个世纪的物理学工作,形成了经典力学体系;爱因斯坦提出的相对论实现了极度数学化上的物理统一性;以波粒二象性概念为基础的薛定谔波动力学与海森伯矩阵力学的数学等价性。即使在现代量子论中,基本粒子也仍然是数学形式。

四、物理学科的文化属性

人教版《历史3》(必修)主要讲授思想文化史,设置的“物理学的重大进展”一课也应在文化层面展开讲解。“物理文化是古代哲学家、近代物理学家和现代物理共同体历经数千年逐步创造的物理知识体系、观念形态、价值标准以及约定俗成的工作方法的总和。”[8]物理知识体系不再赘述,这里主要谈物理学思想方法等。物理学不仅深刻揭示了客观规律,而且还形成了一整套最基本、最典型、独特而有效的思想方法体系。譬如,伽利略意识到不能仅靠观察天体运动等自然界已有现象来研究问题,还需使被观察的客体处于受控状态并进行测量,于是发明了实验方法。在研究落体运动定律时,他通过改变距离、测量时间或改变时间、测量距离的斜面实验取得重要进展。同时,他还运用理想化方法把实验和数学结合起来,对物理学提出了严格的定量要求。在此基础上,牛顿深信从实验现象通过归纳分析能得到接近真实的结论,如出现新现象或例外情况只需进一步归纳修正即可使结论更精确。同时,牛顿还深信自然界存在简单的内在和谐,承认物质世界具有共同的物质属性,在此思想指导下,他把行星和地上物体的运动都统一在了万有引力和牛顿三定律中。把上述牛顿的自然哲学思想概括起来即物理学原理系统:真理性原理、简单性原理、统一性原理等。这样的思想方法带给人们源自于物质世界本质的启示,对人的思想观念也产生了深远影响,促使人们形成了追求真理、尊重客观规律、重视实践的科学意识。此外,作为相对论创立者的爱因斯坦的“探索精神、富有哲理的科学思维、高度的社会责任感和高尚的品德都深入人心,为人们留下了宝贵的精神财富”[9]。如在认识论上带来的巨大改变:要谈认识,客体必须不能脱离环境,且“认识主体”也必须包括在客体所处环境中,并通过运动和变化才能被认识。这对分析人类历史、人类文化、人类社会与环境之间的关系有重要的启发意义。总之,高中历史课中关于学科交叉内容的教学应该引起广泛关注和高度重视。现在讲培养又“专”又“博”的T型人才,既要求学生在“文”“理”大学科内部要有宽广的学术视野,同时还要求学生“文理相通”。它的迫切性在夏商周断代工程等历史文化活动中显而易见。因此,教师在进行学科交叉内容教学时,一定要精心准备,努力打通学科壁垒,尤其要融合科技与人文两种文化,促进学生全面发展。

参考文献:

[1]人民教育出版社,课程教材研究所,历史课程教材研究开发中心.历史3(必修)(第3版)[M].北京:人民教育出版社,2007:54—57.

[2]陈志刚,覃玉兰.例谈历史备课的出发点[J].历史教学,2018(5):38—43.

[3]解世雄.物理文化与教育[M].北京:科学出版社,2009:44.

[4][法]皮埃尔•迪昂.物理学理论的目的与结构[M].李醒民,译.北京:商务印书馆,2011:29—30.

[5]吴国盛.科学的历程(2版)[M].北京:北京大学出版社,2002:79.

[6]郭奕玲,沈慧君.物理学史(2版)[M].北京:清华大学出版社,2005:16.

[7][美]弗•卡约里.物理学史(2版)[M].戴念祖,译.范岱,年校.桂林:广西师范大学出版社,2008:3.

[8]解世雄.物理文化与教育[M].北京:科学出版社,2009:13.

量子力学理论范文5

[关键词]有机化学;多媒体;教学;高等教育;化学专业

有机化学是高等学校化学专业以及应用化学专业的必修专业基础课程,是研究有机化合物的一门基础学科[1]。有机化学理论课程包含的内容较广,涵盖有机化合物的微观分子结构、反应机理、宏观物理化学性质以及有机合成等方面。有机化学既包含一些传统的化学键以及化学反应概念,也有来自量子力学的电子云、原子及分子轨道等概念。有机分子的结构复杂,涉及碳链异构、位置异构、官能团异构、对映异构和非对映异构等同分异构概念,学习这些概念对学生的空间想象力以及逻辑思维能力等都有一定的要求。此外,有机化学中的反应历程和立体化学选择性依赖于有机分子的三维空间结构。一方面,对于老师而言,在有限时间内画出复杂有机分子的空间结构或是将一个复杂的反应机理用精炼的语言讲清楚都是较有挑战的问题。另一方面,对学生来说,有机化学按照官能团分类导致知识点相对零散,涉及空间结构的理论知识学习难度较大,自学容易受到挫折,导致自主学习的动力不足,效果也不佳。在压缩课时成为高等教育教学改革的大趋势之后,众多高校减少了包括有机化学在内的各种课程的理论教学课时,但是教学内容并没有显著的变化[2]。这就对于有机化学的理论讲授提出了更高的要求,亦即教师如何在更少的时间内完成相关知识的传授并达到较好的效果。为了增强学生的学习积极性以及学习成效,国内众多高校教师对于有机化学的理论教学改革开展了探讨,认为多媒体对于压缩课时背景下的理论教学可以起到很好的辅助作用[3-7]。多媒体技术在高等教育中已经得到了广泛的应用,通过计算机和投影仪将事先做准备好的课件(可以包含图像、动画、音频和视频等内容)投影到大屏幕上,可减少老师的简单重复劳动而节约大量时间。以有机物为例,常见分子结构可以制造成三维球棍模型。在ChemDraw、Gaussview以及Chemoffice等专业化学作图软件的支持下,这些结构模型可以很容易实现旋转、平移以及缩放等效果[8-9],增加了知识点的可读性与趣味性从而提高学生的学习兴趣及效果。

1多媒体技术在近代价键理论中的应用

绪论是有机化学的第一章,也是打下学习基调的重要章节。为了让学生保持较高的学习兴趣,一种方案是让学生了解有机化学的发展历史以及在国民经济以及社会生活中的重要作用,并让他们意识到有机化学的学习有规律可循,无需焦虑。对于原子与分子轨道的理解需要引入近代价键理论,涉及量子化学波函数以及原子、分子轨道等抽象概念。为吸引学生兴趣,我们在课上介绍了量子力学的发展历史、在量子力学发展中起到重大作用的德布罗意、薛定谔、波尔、爱因斯坦、海森堡、狄拉克等著名科学家。我们也给学生讲解了吴有训、叶企孙和王守竟等我国的老一辈学者在国外求学时也在量子力学领域做出了一些比较重要的贡献,从而增强学生的民族自豪感和民族自信心。这些历史人物的照片以及参考资料以幻灯片的方式展示给学生,让学生在瞻仰前辈学者形象的同时也能汲取他们锐意创新进取的精神。在介绍电子波函数的时候,我们将几种典型的波函数通过三维彩图的方式投影在屏幕上,在不同相位标注上不同的颜色,这样分子的化学键或者是反键对应的电子云分布就能看得很清楚。我们也针对碳原子的不同杂化情况,用三维作图软件画出了相应的杂化轨道以及电子云分布彩图。和教科书上的二维黑白图片相比,ChemDraw、Gaussview以及Chemoffice等专业化学作图软件提供的三维空间彩图能揭示更多细节。通过这些信息的综合展示,学生在有限的时间里对于分子的微观结构有了更加感性的认识,提高了学习的信心。

2多媒体技术在烷烃以及环烷烃结构与性质中的应用

在烷烃与环烷烃的章节内容中涉及到碳原子的sp3杂化。传统的结构式写法是将分子用平面结构的方式画出来,但是实际即使是直链烷烃分子的碳链也是以锯齿状弯曲的方式,而环烷烃的结构也并非是平面结构。我们用多媒体技术展示这些分子结构的球棍模型,其中不同大小和不同颜色的球来表示不同的原子,细棍则表示两个原子之间的化学键。根据这些三维模型,学生可以清楚地看出直链烷烃分子的碳骨架呈锯齿形状,环烷烃的碳原子则以船型或椅型构象作为其稳定结构,而较小的环烷烃的碳原子也并不处在同一个平面上,这样也能容易理解小环的张力问题。为了让学生更好地理解构象的概念,我们在软件中操作乙烷分子模型中的一个CH3基团发生转动,通过透视角度来看两个基团的相对位置,让学生直观理解分子构象的概念。在教材中只将烷烃的一部分热力学参数做成了图,我们则进一步将表格中给出的燃烧热、生成热等信息也做成图,这样学生能更方便地看到烷烃的性质随着烷烃碳链长度的变化趋势。而在涉及烷烃的氯化反应时,我们用卡通动画来形象地显示一个氯分子在吸收光子之后变成两个氯原子,之后氯原子又和甲烷分子碰撞产生甲基自由基以及氯化氢分子,甲基自由基又进一步和氯分子产生氯甲烷以及氯原子的一系列自由基链反应过程。这些都切实提高了学生的注意力,提高了他们参与课堂的积极性。

3多媒体技术在对映异构中的应用

对映异构与手性是有机化学立体化学的重要概念。左旋与右旋物质满足镜像对称,他们不仅原子组成相同,原子之间的化学键也没有差异,仅仅是手性不同。立体异构的左旋与右旋物质的熔沸点、凝固点、汽化热、反应热等物理化学性质完全一样,在传统的认识中左旋体与右旋体的化学性质相同,作为药物时其药效不会有区别。人们认识到立体化学的重要性需要等到出现一些大的药物悲剧事件发生。其中最知名的是上世纪六十年代“反应停(沙利度胺)”作为妇女妊娠初期的抗恶心药而导致的“海豹儿”事件。经研究发现,悲剧的发生是因为沙利度胺有左旋和右旋两种结构,其中左旋体有减轻孕吐的疗效且无副作用,但是其右旋体却有导致畸形的副作用。通过这个案例相关资料的幻灯片展示,学生们增强了对手性以及立体化学重要性的感性认识。此外,我们也利用化学软件做出了一些典型的含有不对称碳原子的有机分子(比如乳酸、酒石酸、甘油酸、苹果酸等)的左旋与右旋三维结构,并通过幻灯片实现旋转、翻转等操作,让学生对于对映异构的概念有了直观的了解。

4多媒体技术在芳烃结构学习中的应用

以苯分子及其衍生物为代表的的芳烃也是有机化学研究的最重要内容。按照现代量子化学的研究,苯环中的六个碳原子形成共轭大π键,因此每个碳原子的地位相同。按照经典的凯库勒式,苯环中的单双键交替排列,实际上是并不存在的环己三烯。由于单键比双键要长一些,所以凯库勒式对应的碳环也不是正六边形。为了解决这个矛盾,化学家引入了共振式的概念来描述苯环结构,亦即,表示苯分子的电子云分布等于两个经典结构式的叠加,这样六个碳原子完全等价。我们也和学生指出共振式中的经典结构式不代表真实存在的分子,共振不能和化学平衡的概念混淆。此时应用计算机多媒体教学介绍苯分子的结构,就能够消除这样的误解。我们将苯分子的六个分子轨道用三维空间的图像表示出来并标上其相应的能级,根据能量最低原理可以很容易找出其中的三个成键轨道以及三个反键轨道。在稠环芳烃的知识部分,苯环以及碳原子的数量可能会很多。比如教材中提到的superacene分子是含有222个碳原子的平面结构,富勒烯家族中的足球烯则是含有60个原子的球状三十二面体,如果选择在黑板上将它们画出来将花费很多时间。我们事先在幻灯片中放入此类复杂的分子结构模型,上课时就可以很方便地为学生来展示。零维的球形或椭球型富勒烯分子、一维碳纳米管以及二维石墨烯是当今科学研究的热点,在材料科学领域得到了很多应用,每年都有相关的科研成果发表在英国的《自然》以及美国的《科学》等权威杂志上。在多媒体教学过程中,我们也将这些前言研究进展以文字简报或图片的方式给学生做介绍,从而提高他们的学习兴趣。

5多媒体技在有机化学复习与总结中的应用

教学中常用的系统教学法按照每章(主要是按官能团分类)的知识点来做成课件,进行复习和强化。然而,为了让知识形成一个网状结构,就需要打破章节结构,将不同章节的知识点按照反应特点以及性质来进行重新分类和合并。比如,有机合成中考虑碳链增长,就可以把炔钠与卤代烃反应、格式试剂与醛酮反应、傅克烷基化以及傅克酰基化反应以及醛酮与环氧乙烷反应等反应归为一类;若考虑碳链变短,则可将碘仿反应、不饱和烃的氧化反应和脱羧反应等过程归到一类。此外还有一些特殊反应,包括不饱和的双键或三键会使得溴水或高锰酸钾溶液褪色;端炔可以使银氨溶液产生白色沉淀或者是使亚铜氨溶液产生红色沉淀。这些显色或者褪色的反应可以用于物质的鉴定与区分。通过在关键词上设置超链接,多媒体教学中很容易实现知识点之间的关联与转换。通过按章节的纵向知识点复习以及按照反应特点来分类的横向知识点复习,就可较好地把有机化学知识构成一张网。

6多媒体技术的应用对于教师的要求

多媒体技术的广泛应用对于教师自身素质也提出了较高的要求。一方面,多媒体技术的应用最终需要落到以学生为主体的原则上。针对有机化学课程自身的特点以及课程学时不断减少的趋势,减少简单重复劳动是一种重要的方法。对于复杂的化学结构,教师如果在黑板上临场作图花费的时间较多,就会占用其他信息的教学。有了计算机多媒体技术,教师就可以把此部分花费的时间转移到备课的阶段。只要做好了课件,相应的内容就可以在以后多次使用。另一方面,多媒体技术对于教师的英语水平以及化学专业水平也提出了一些要求。众多的专业化学作图软件比如ChemDraw以及Gaussview等是纯英文操作界面,教师自身也需要对有机化学的知识有比较充分的了解才能够让这些软件发挥最大的作用。此外,高质量幻灯片的制作还涉及到排版的美观性、逻辑性等要求,这些也对教师的人文素养提出了一些要求。因此,为了更好地教好有机化学的课程,高校教师需要在自己的专业水平、英语水平、计算机软件操作乃至于人文素养等方面都不断提高自己。此外,教师也必须反思过多应用多媒体技术可能带来的弊端[10]。老师授课的作用不应简单地理解为灌输知识。如果过多依赖于幻灯片的使用,教师和学生之间就会缺乏足够的互动,学生感受不到教师作为一个传道受业解惑榜样应有的温度与热情。有一些教师只是简单地把书上的知识点照搬罗列到幻灯片上,上课的时候也只是机械的点击鼠标放映幻灯片并照本宣科,学生难以抓住学习的要点乃至于会产生厌倦心理。时间一长,有些学生因此而失去对课程的学习兴趣。在这个意义上,了解学生的思维方式,有意识地用合适的方式来引导他们自主学习是教师需要长期重视的问题,只有这样才能更有效地提高学生的学习效率。

7结束语

量子力学理论范文6

随着计算机的普及和利用,多媒体教室普遍存在,并被广泛使用。多媒体教学手段的利用,有助于学生对固体微观结构的理解。例如,可以通过视频或PowerPoint文件,可以直观地展示晶体的微观结构、原胞的选取、原胞的形状等。与传统板书相比,利用多媒体呈现并分析固体的微观结构以及晶体的结构特征,对教师而言,更加省时、省力;几何关系的表达也更为准确,便于学生的理解。此外,若能结合三维的原子实物模型,那么,固体的微观结构将能更为直观地展现在学生眼前。多媒体与三维模型的应用对于学生理解固体的微观结构、晶格的周期性、原胞、晶体的对称性等基础概念很有好处。当然,多媒体教学也存在着一定的局限性。例如,在公式的推导、基础概念的讲解等方面,板书其实更受学生的欢迎。与多媒体教学相比,板书的节奏慢,师生间可以有较多的互动;学生相对容易跟上教师思考问题、解决问题的步伐,学生也能有较充分的时间来理解各个知识点、梳理要点以及做笔记等。因此,多媒体教学还需适当地与传统板书相结合才能达到较好的教学效果。

二、教学内容的取舍

由于固体物理学融合了普通物理、热力学与统计物理、量子力学、晶体学等多学科的知识,其知识面广、量大,在有限的学时里,不可能面面俱到地讨论固体物理学所涉及的所有知识点。因此,实际教学中可以结合本专业的特色,有选择地取舍部分教学内容。例如,侧重固体热学性质的专业可以考虑以晶格振动等内容为主;而侧重微电子的专业则可以考虑以能带理论、半导体中的电子等内容为主。当然,一些多个领域都涉及到的基础知识也应是这门课程不可缺少的一部分内容。固体的微观结构和结合方式是固体物理学的基础,因此,晶体的结构和晶体的结合等知识点应是这门课程的基础知识之一。考虑到理想晶格由原子实和电子组成,晶格的运动主要在晶格振动等部分讨论;而电子的运动主要在能带理论等部分讨论,具体还可以分为金属中电子的运动和半导体中电子的运动等部分。尽管这原子实和电子的运动实际上相互联系,但很多时候,可以分别侧重讨论。此外,实际晶体也并非理想晶体;实际晶体除了有边界之外,也常含有缺陷。但在许多情况下,晶格的振动、电子的运动和缺陷的影响依然可以依据实际情况分别讨论,并得到与实际较为符合的理论结果。因此,晶格振动、能带理论和缺陷等知识点之间相对独立,或可根据各专业的实际情况取舍部分教学内容。在许多固体物理学的教材中,例如黄昆等的《固体物理学》教材和阎守胜的《固体物理基础》教材,密度泛函理论并没有被提到。事实上,密度泛函理论是一个被广泛使用的基础理论,它是凝聚态物理前言研究的有效手段之一,也是材料设计的一种有效方法。教学过程中,教师可以结合各专业的实际情况介绍一些密度泛函理论的基础知识。同时,还可以介绍一些最新的相关研究进展,以拓展学生的知识面、提高学生的学习兴趣。

三、模块化的教学形式

如前所述,固体物理学中的许多知识点间相对独立;基于这门课程的特征,教师在教学过程中可以考虑模块化的教学形式,以子课题的形式将相应内容呈现给学生。可能的模块如:讨论晶体的结构和晶体的结合方式的基础模块———晶体的结构与结合;讨论晶体中原子实运动的模块———晶格振动;讨论晶体中电子运动的模块———能带理论;讨论实际晶体中可能存在的缺陷的模块———晶体的缺陷等;其中,能带理论部分还可分为:近自由电子模型、紧束缚模型、赝势方法等数个部分。这样做首先有利于教学内容的取舍;其次,有利于学生对各知识点的理解、有利于学生梳理清楚各个知识点之间的关系。此外,固体物理学是凝聚态物理前沿研究的基础之一;其基础知识、理论推导、实验背景以及处理问题的方式方法等,都是开展凝聚态物理研究的基础。而模块化教学,以课题研究的形式提出问题、解决问题,将教学内容以问题为导向呈现给学生,这有助于培养学生的学习能力和解决实际问题的能力。而且,课题研究的教学模式,既是在教授学生知识,也是在开展科研,有助于提高学生对科研的认识、有助于培养学生的科研能力。这种课题研究的模块化教学形式还可以结合基于原始问题的教学来开展。

四、基于原始问题的教学

所谓原始问题,可简单理解为:现实生活中实际存在的、未被抽象加工或简化的问题。于克明教授、邢红军教授等人详细探讨了原始物理问题的诸多方面;此外,周武雷教授等人还讨论了原始物理问题含义的界定等相关问题,并呼吁将基于原始物理问题的教学实践引入大学物理的教学中。这应是个值得提倡的建议,毕竟现实生活中遇到的具体问题都是原始问题。与传统的习题不同,原始问题未被抽象、加工或简化。学生处理实际问题的第一步便是将问题适当简化,这也是学生需要学习的一种能力。事实上,合理的模型简化是各种理论的基础,也是实际应用或科研必不可少的一种能力。例如,讨论晶格热容的爱因斯坦模型和德拜模型,尽管模型简单,但它们数十年来是我们讨论、分析相应问题的基础。今天,那些被写进教科书的基础理论,在当时、在理论刚被提出时,都是为了原始问题的解决。下面以晶体热容为例,稍加详述。问题的背景:根据经典的热力学理论,晶体的定体摩尔热容是个与温度无关的常数。实验发现晶体的热容在高温下确实接近于常数,但是晶体的热容在低温下并不是个常数,其与温度的三次方成比例关系。问题的提出:理论预言与实验观测为何不相符?如何解释实验现象?20世纪初刚刚发展起来的量子力学是否能解释这个实验现象?这些问题在爱因斯坦的年代应该都是前言的科研问题。问题的简化:(1)不考虑边界、缺陷、杂质等的影响,将实际晶体抽象为理想晶体;(2)基于绝热近似,不考虑电子的具体空间分布,将原子当作一个整体,原子—原子间存在相互作用;(3)基于近邻近似,只考虑近邻原子间的相互作用;(4)基于简谐近似,将原子间的相互作用势在原子的平衡位置作泰勒级数展开,并保留到二阶项。问题的解决:基于上面的模型简化,写出描述原子运动的牛顿第二定律,并求解方程组,这些方程组与相互独立的简谐振子的运动方程组相对应。结合量子力学,得到体系的能量本征值;写出晶格振动总能的表达式,继而给出由晶格振动贡献的晶格热容的表达式。由于晶格热容的表达式复杂,很难直接与实验结果对比,因此引入进一步的简化和近似———爱因斯坦模型或德拜模型。这种提出问题、分析问题、解决问题的方式与做前言科学研究的方式相接近,既能提高学生对科研的认识、培养学生的科研能力,又能培养学生理论联系实际、解决实际问题的能力。

五、小结

量子力学理论范文7

关键词:高等教育;选修课;纳米材料导论;科学世界观

高等教育突出专业教育,高等学校根据自身的性质和社会需求设置专业,各个专业设置相应课程来完成专门人才定向培养。高校课程根据对专业的适用性可分为必修课程和选修课程。前者是重点讲授本专业必须掌握的基础知识和技能,教学内容具有系统性、完整性和相对稳定性,后者则是作为必修的一种补充,有利于培养学生专业特长,系统构建专业知识和专业技能。在高校教育目标实现过程中,高等学校教学原则始终处于指导地位。教学规则是根据教学目的和教学规律制定出来的对教学的基本要求,对教学过程实施起到约束和规范作用,是成功进行教学活动必须贯彻的准则。如何在教学实践环节中,灵活运用、落实高等学校教学原则,是高校教师必须直面的重要课题。纳米材料导论是苏州大学材料专业开设的选修课,重点介绍纳米材料的基本概念和基本性质,着重介绍纳米粒子、纳米薄膜、纳米固体等材料的制备方法和基本性能。该课作为材料学专业重要选修课之一,如何在教学过程中,深入践行高等学校教学原则是本文探究的重点。

一、教学实践中选修课教学的科学性与思想性统一

本科教育过程是专业科学知识体系构建过程,同时也是本科生世界观逐步确立的过程。高等学校教学的首要原则是科学性和思想性统一。科学性要求教学要客观传授专业科学理论,而思想性则要求教学要体现社会主义教育的政治方向,培养学生树立正确的世界观和人生观。在纳米材料导论课程教学过程中,针对纳米材料特性这一章节中,重点揭示材料构效关系中所蕴含的哲学原理,即利用唯物辩证法的量变质变关系原理引导学生认知纳米材料特性。材料是人类赖以生产和生活的物质基础。材料是客观的物质,纷繁的材料构成了多彩的物质世界,层次的划分使复杂的物质世界变得清晰而富于条理。物质可分为若干层次,每个层次又可分为若干个亚层次。目前,三层次理论为人们所共识,即以典型尺度划分,物质可分为微观、宏观、宇观三个层次,不同层次的物质服从不同的运动规律。微观世界到宏观世界尺寸的划分不应当是截然的,具有一定的模糊性,即它们之间必然存在一个介观,处于介观领域的物质其典型尺寸为1~100nm(小于1nm为微观世界;大于100nm为宏观世界),该范围也称为纳米尺寸范围。这一过渡区域的特点表现为宏观规律和微观规律的互相交叠。一方面,牛顿经典力学的规律尚起重要作用;另一方面,量子力学的各种效应已十分显著,其结果是出现了新的尺寸效应。其中,既有本构特性变化的尺寸效应,又有新的物理和化学机制出现的尺寸效应。具体表现为宏观块状物质的本构特性与特征尺寸无关,而当物质的特征尺寸减小到某一临界值时,其本构特性变成与特征尺寸相关,或者出现新的物理和化学机制,即纳米尺寸效应,其包括小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等。团聚是纳米材料制备过程中材料尺寸控制的关键。纳米材料在制备过程中容易发生团聚,造成团聚发生的内因是由于纳米材料尺寸极小,比表面过大,比表面能过高,使材料体系处于不稳定状态,有自发通过接触团聚增大颗粒尺寸,降低比表面能使体系趋于稳定的趋势。造成团聚的外因是材料制备或煅烧过程中存在着范德华力、氢键和毛细管效应。这里小尺寸,高比表面能是团聚发生的根据,是第一位的,它决定着纳米材料团聚发生的基本趋势;而范德华力、氢键和毛细管效应是团聚发生的外部条件,它是第二位的,对事物的发展起着加速或促进作用,外因必须通过内因而起作用。学生通过辩证分析,在掌握教学知识点的同时,确立辩证唯物主义科学世界观,实现了纳米材料教学实践中科学性和思想性的统一。

二、纳米材料导论教学中实践教学与科学研究相结合

本科教育过程是知识的传承,更是科学研究方法的领略,通过个性的抽象思考,领悟共性的哲学精髓,将会开启本科生的创新之路。高教理论研究表明,探索、研究的本质是对未知领域的求索,而教学是已知的传承,二者的区别在于认识的客观对象不同,任务也不一样。但是两种认识过程又是互相依存和互相转化的。在专业选修课教学过程中,高校教师在传授系统知识的同时,有必要向学生传授一些科学研究的思维方法,在学生的兴趣中埋下探索的火种,实现科学思维的启迪。尖晶石型氮氧化物是一种新型的陶瓷材料,具有出色的光学性能、力学性能、热学性能、介电性能等,但氮氧铝制备相当复杂。尖晶石型氮氧化铝合成有三种方法,最普遍的方法是碳热还原氮化氧化铝法;第二种方法以金属铝为原料,借助燃烧反应来氧化氮化制备氮氧化铝;第三种方法是用气相反应合成氮氧化铝。这些方法的共同的特点是制备过程必须在高温下进行,高温、氮气、金属铝是合成不可缺少的条件;碳热还原氮化氧化法中,高温、氮、碳是必备的条件,因此,只要具备上述两种条件,就能够合成氮氧铝。经典爆轰理论表明,含能材料TNT爆轰,瞬间可释放出很高的能量,形成高温、高压、强冲击波能量场,高温、氮、碳均已具备的条件下,适当引入铝粉,就可以实现氮氧铝的制备。通过对自己课题组已有科研成果的介绍,将具体的思考方法传授给学生,经过综述、归纳分析,让学生感受到创新不光是靠偶然的灵感和顿悟,是有章法可循的。这种将研究方法和教学方法相互渗透的方式,能有效启迪学生们的创造性思维。

三、高等教育教学中理论与实践的多元化

理论源于实践,实践是理论的最终归宿,“从实践中来,再回到到实践中去”,理论知识才有望夯实、提升并得到发展。课堂教学以纲要为引领,以教材为蓝本系统地传授专业知识。教材具有通识理论的普适性,但绝大多数学生缺乏实践历练,很难对经典的理论有深刻体会,课堂教学所构建的知识体系难免平面化。如何使知识体系鲜活、立体,则是教学实践中必须直面的问题。如今,科研已成为高校教师教学实践之外的实践活动的主战场。立足这一优势,结合教师科研课题,有计划地组织学生开展科研实践活动,可激发学生们学习的热情,加深对教材基础理论的理解。纳米材料导论这门选修课在苏州大学2008级材料化学班开课期间,作为选修课教师,我将自己的实验室向本科生开放,让学生从课堂走进实验室,立足选修课,申请校级或省级大学生创新课题,把所学到的理论知识与实践相印证,这种实践训练不但加深了学生对基础知识的理解,同时也培养了本科生科研创新精神。经过训练,苏州大学2008级材化专业周秀峰同学在本科三年级便在国际期刊上发表了SCI收录论文,四年级申请国家发明专利获批,因成绩优秀顺利保研;本科毕业论文被评为江苏省高校本科毕业论文一等奖。同届参与实验锻炼的2008级材料化学班的朱艳菁同学也发表了国际性的学术论文,顺利保研。实践证明,本科学生利用业余时间,积极参加科研活动,既开阔了视野,更实现了理论和实践对接,使知识体系由平面化向立体化丰富,顺利完成理论知识从书本中来到实验室中去的跨越。

四、结束语

高等教育是培养高级专门人才的一种社会活动,树立先进的教育观念,掌握正确的高等教育方法,有助于高校教师按照高等教育的内在规律从事高教工作。将哲学、教育学、心理学有机地融合在教育实践当中,以高等教育教学原则为准则,以辩证唯物主义哲学理论为引导,借助课堂教学和实验室辅助实践教学相结合,可有效完成构建本科教育专业知识体系,同时培养学生确立辩证唯物主义科学世界观,真正实现高等教育科学性和思想性的有机统一。

参考文献:

[1]周川.简明高等教育学[M].南京:河海大学出版社,2006:05.

[2]曹茂盛.纳米材料导论[M].哈尔滨工业大学出版社,2001:08.

[3]张立德,牟季美.纳米材料和纳米结构[M].北京:科学出版社,2020:1.

量子力学理论范文8

关键词:物理类通识教育;思政教育;“问题解决”;教学方法;实践探索

2016年12月8日,在全国高校思想政治工作会议上强调,高校思想政治工作关系高校培养什么样的人、如何培养人以及为谁培养人这个根本问题。要坚持把立德树人作为中心环节,把思想政治工作贯穿教育教学全过程,实现全程育人、全方位育人,努力开创我国高等教育事业发展新局面[1]。他还明确指出:“要用好课堂教学这个主渠道,……其他各门课都要守好一段渠、种好责任田,使各类课程与思想政治理论课同向同行,形成协同效应。”2019年3月18日,在主持学校思想政治理论课教师座谈会上再次强调,办好思想政治理论课,最根本的是要全面贯彻党的教育方针,解决好培养什么人、怎样培养人、为谁培养人这个根本问题。新时代贯彻党的教育方针,要坚持马克思主义指导地位,贯彻新时代中国特色社会主义思想,坚持社会主义办学方向,落实立德树人的根本任务[2]。他在讲话中还指出:“要坚持显性教育和隐性教育相统一,挖掘其他课程和教学方式中蕴含的思想政治教育资源,实现全员全程全方位育人”。对高校思政工作和学校思想政治理论课教师的重要指示精神为广大教育工作者做好新形势下思政教育教学活动指明了改革的方向。如何在以大学物理和大学物理实验为核心课程的物理类通识教育教学实践中有机融合思政教育,让物理知识的传授更符合科学认知规律,让思政教育能够融入科学认知过程,增强思政教育的科学性、感染力和亲和力,践行提出的坚持教育为人民服务、为中国共产党治国理政服务、为巩固和发展中国特色社会主义制度服务、为改革开放和社会主义现代化建设服务,就成为全国各高校思政工作和思政教育急需解决的突出问题。

一以“问题解决”为导向的教学方法完全符合科学认知规律和唯物辩证法

科学认知是一个能动的复杂的过程,不论是自然科学还是社会科学的研究任务和认知过程都是围绕着问题解决而开展的。以“问题解决”为导向的教学方法以探究、发现、解决问题而开展教学实践,通过对生产和生活中各种自然和社会现象的细心观察和理性思考提出问题并探究解决问题的方法,通过实验规律发现、理论研究和实验验证阐明事物之间的内在联系,通过理论指导实践解决人类社会面临的各种共性自然科学和社会科学问题。学习本身就是一个科学认知过程,是一种个体经验的积累过程,是主动地形成或重组认知结构的过程,也是用自己的头脑亲自获得知识的过程[2]。在这个过程中,学生的思维过程总是以对问题的好奇开始的,以“问题解决”为导向的教学方法在教学实践中坚持用辩证唯物主义的世界观和方法论真实再现科学的发现和技术的发明过程,让学生在自由的探究科学问题的过程中寻找解决问题的方法,完全符合教育学和心理学的原理和科学的认知规律,这在催生学生学习的内生动力、真正理解和掌握自然科学和社会科学中的客观规律都大有帮助。大学物理和大学物理实验所讲授的基本概念、基本理论和基本方法是构建理工科学生科学素养的重要组成部分,在教学实践中以“问题解决”为导向可以更好的帮助学生理解包括物理学在内的自然科学在人类文明发展史上做出过许多原创性的贡献,这对厚植学生爱国主义情怀等方面发挥着独特的作用。第一次工业革命中蒸汽机的发明和改进,将人类社会推进到了蒸汽化时代,社会生产力极大发展;第二次工业革命中电力的应用使人类社会进入到电气化时代,电话、电报的发明与应用,促进了人类通讯事业的发展和社会的进步;第三次科技革命中电子计算机的发明应用、信息技术的应用,使人类社会进入了信息化时代,互联网、物联网的广泛应用极大地推动了生产力的发展和社会的文明进步。进入新时代当代大学生承载着祖国的未来和民族的希望,如何在物理类通识教育教学实践中有机融入思政教育与思政课程形成协同效应构建全方位立德树人教育教学体系,就成为全国高等教育急需解决的现实问题。新疆大学物理科学与技术学院大学物理教学团队通过近年来的教学实践探索出了一种以“问题解决”为导向的物理类通识教育教学方法,并在大学物理、大学物理实验和基础物理教学实践中不断摸索和完善以期为新疆大学“双一流”建设做出积极的贡献,同时也为全国各高校面临同样问题的物理学同行提供一些有益的教学经验参考。

二以“问题解决”为导向的物理类通识教育教学方法实践探索

大学物理和大学物理实验涵盖了力学、热学、电磁学和光学等经典物理理论和实验以及狭义相对论、量子力学基础等近代物理理论,如何通过有限的课堂教学让绝大多数同学对大学物理和大学物理实验产生浓厚兴趣并有效的理解和掌握每堂课讲授的核心知识点成为每一位高校物理教师共同面对的难题,以“问题解决”为导向的物理类通识教育教学方法为我们破解这一难题提供了一种可能途径。物理学作为自然科学的基础科学,在认识和改造世界中一直都发挥着基础性的作用,不论是经典物理实验定律的发现还是近代物理理论的提出和验证都是对辩证唯物主义哲学观点的最好诠释和最生动的体现。物理学作为一门实验学科,涵盖了力、热、电、光、声、磁等一系列普遍联系而又互相转化的运动形式,在科学认知的过程中既需要感性的个体体验更需要理性的独立思考。以“问题解决”为导向的物理类通识教育教学方法,首先在教材建设上有所突破,通过对物理学基本问题的系统梳理,分工协作编写了涵盖力学、热学、电磁学、光学及近代物理基础的《普通物理学》教材,力求做到全书前后逻辑统一、物理量的引入自然、概念的定义准确、定律的表述严谨、定理的推导严密、例题的选择典型、思考题的设计理论联系实际且引人发思。其次,在教学实践中有所革新,授课前通过和学生的深入交流和探讨凝练出物理学各分支学科主要关心的问题,让学生先通过实验课对这些问题有个切身的感受,然后再通过理论课系统的讲授帮助学生对问题的认识从感性上升到理性。力学主要关心的是质点、刚体和简谐振子的运动和动力学规律问题,基于该问题物理学发展史上曾经出现过两种截然相反的观点,一种是以亚里士多德为代表的物理学家提出的“力是维持物体运动状态的原因”,另一种是以牛顿为代表的物理学家提出的“力是改变物体运动状态的原因”,孰是孰非可以让同学们通过大学物理实验课上牛顿第二定律、转动定律及简谐振动的验证来判断,通过这种以“问题解决”为导向的体验式教学既可以激发学生的好奇心、为学生提供分析问题和解决问题的机会又能让学生切身感悟到真理的相对性以及实践是认识的基础、是真理的检验标准。然后,再通过大学物理课堂教学讲授位置矢量(角坐标)、(角)速度、(角)加速度和力(矩)等基本物理量的基本概念并结合实际问题归纳总结出求导和积分这两类质点、刚体及简谐振子的运动学和动力学基本问题。最后,通过大学物理课上典型例题讲解和课后作业练习不断提高学生具体问题具体分析的能力。热学主要关心的是分子热运动规律问题,大学物理课前可以让学生通过大学物理实验课完成水的汽化热、冰的熔解等热学实验对热学问题有个最直接的体验。然后,再通过大学物理课讲授温度、压强、内能、热量和功的基本概念并结合生产生活中各种热现象的分析总结得出热力学第一定律和热力学第二定律。最后,通过大学物理课上典型例题讲解和课后作业练习不断提高学生理论联系实际的能力。同理,电磁学关心的是电荷激发电磁场时空分布规律、光学关心的是光的波粒二象性及传播规律问题、狭义相对论关心的是惯性参考系间的时空变换及质能关系、量子力学基础关心的是亚原子粒子的波粒二象性及动力学规律等问题,大学物理课前都可以让学生在大学物理实验课上通过库仑定律、毕奥-萨伐尔定律、电磁感应定律的验证以及杨氏双缝和薄膜干涉实验、光栅衍射实验、旋光率的测定实验对相关问题有个直观的切身体验,然后再在大学物理课上通过对基本概念、基本理论和基本方法的讲授,让学生对相关问题的理解从感性认识上升到理性认识,最后通过例题讲解和作业练习达到学以致用、理论指导实践的教学目的。近年来的教学实践探索表明,以“问题解决”为导向的教学方法可以有效的将物理学理论和实验与思政教育相融合,在催生学生学习的内生动力、培养学生的科学探索精神和创新思维等方面都发挥着潜移默化的作用。

三结束语

以“问题解决”为导向的物理类通识教育教学方法实践探索是适应新时代高校思政教育工作和学科内涵式发展的一次教育理念和教学方法革新,在教学实践中以“问题解决”为导向,坚持灌输性和启发性相统一,注重对学生的启发性教育,引导学生发现问题、分析问题、解决问题,让学生在对物理理论和实验的科学认知过程中悟真理明是非,与思想政治理论课形成协同效应,厚植大学生的爱国主义情怀,提高大学生的思想政治觉悟,努力为国家培养德智体美劳全面发展的创新型复合人才做出更大的贡献。

参考文献

[1]把思想政治工作贯穿教育教学全过程开创我国高等教育事业发展新局面[J].实践:思想理论版,2017(3):4-5.

[2]主持召开学校思想政治理论课教师座谈会[J].中国电力教育,2019(03):6.

[3]王子兴.数学方法论——问题解决的理论[M].长沙:中南大学出版社.2002