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篇1

[關鍵詞] 地方院校；量子力學；精品課程建設

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）01-0057-04

0 引言

我國本科高校按隸屬對象不同，分為部委屬和省屬兩大類別，省屬高校又分為省屬國家“211”重點高校、省部共建高校、地方性直屬高校三類，本文“地方院校”指省屬高校中的地方性直屬本科高校，這些院校大多采取省市共建、以市為主的管理體制，多數建校時間短或由專科升格。

隨著我國高等教育大眾化進程的不斷深入，生源質量降低，教學資源日趨緊張，高等院校的教學壓力逐漸加大，引發了社會對高等教育質量的擔憂。2003年4月《教育部關于啟動高等學校教學質量與教學改革工程精品課程建設工作的通知》（教高[2003]1號），引起了全國范圍內建設國家、省、校三級精品課程的熱潮。量子力學精品課程也同其他課程一樣，經歷了精品課程建設的熱潮，截至2013年9月，共有四校建成國家精品課程，分別是蘭州大學（2004年）、復旦大學（2004年）、清華大學（2007年）、北京大學（2008年）；兩校建成湖北省精品課程，分別是華中師范大學（2003年）和湖北大學（2003年）；兩校建成湖北省地方院校校級精品課程，分別是黃岡師范學院（2007年）、湖北師范學院（2011年）。可見，量子力學國家精品課程全部由985重點大學建設，湖北省精品課程也由211重點大學和省屬重點大學建設，地方院校只有兩校建成校級精品課程，只占湖北省27所地方院校的7.4%，大多數地方院校并未開展量子力學精品課程建設，這與量子力學課程的重要地位極不相稱。量子力學是近代物理學的兩大支柱之一，也是現代工業技術的重要理論基礎，其教學質量的重要性不言而喻，但量子力學又是一門高度抽象的理論物理課程，遠離日常經驗，教與學都有一定的難度。地方院校由于師資力量薄弱，學術資源匱乏，生源素質不理想，教學與科研脫節，導致這些院校的量子力學精品課程大多處于有心無力、舉步維艱的狀態。

地方院校占我國高校總數的90%左右，擔負著服務地方社會經濟建設、培養千百萬專門人才的重任。地方院校是我國高等教育金字塔的塔基，塔基不穩，必然影響我國高等教育的健康發展，因此研究地方院校量子力學精品課程建設，提高人才培養質量是迫在眉睫的重要問題，令人惋惜的是這方面的研究成果太少，難以指導地方院校量子力學精品課程的建設。

1 地方院校視角下量子力學精品課程建設 的內涵

精品課程的評價標準是“五個一流”，即一流教師隊伍、一流教學內容、一流教學方法、一流教材、一流教學管理。精品課程建設研究大多圍繞“五個一流”展開，但精品課程建設應該是分層次的，不同類型的高校應有不同的標準。每個學校都是在自己的層次上、自己的類型上來辦出最高水平的課程，各個學校是不一樣的，精品課定位不一樣，尋找精品課群體也不一樣[1]。地方高校應從自己的辦學定位、培養規格和生源情況來考慮量子力學精品課程建設，基于地方院校視角來理解“五個一流”，揚長避短，不盲目攀比，也不妄自菲薄。

1.1 一流教師隊伍

地方院校普遍存在教師整體水平不高的問題，教師的學歷、職稱、學術水平和重點大學相比有較大差距，教學任務重，技術應用能力不強。重點大學承擔培養拔尖人才的任務，必然要求教師具有較高的學術水平和科研能力，地方院校承擔培養千百萬專門人才，即應用型技能型人才的任務，對教師的學術水平要求不是太高，但要求教師具有較強的技術應用能力。地方院校教師不宜與重點大學的教師比學術水平，但要關注學科前沿，盡快掌握與本學科相關的最新技術，提高重點大學教師并不擅長的技術應用能力，體現地方院校“雙師”型師資的鮮明特色。

地方院校量子力學精品課程的一流教師隊伍，就是要建設一支與應用型人才培養相適應的，具有一定的學術水平、較高的教學水平、較強的技術應用能力的“雙師型”教師隊伍。

1.2 一流教學內容

應用型人才培養的定位，決定了量子力學精品課程的教學內容有別于重點大學，教學內容的核心是量子力學的基本理論、基本知識、基本技能，不求教學內容的高度完整性，適當降低內容的深度和應用數學解題的難度，保持教學內容的前沿性和時代性，滿足學生了解學科發展前沿及其技術應用的強烈愿望。前沿知識不僅可以開闊學生的眼界，而且能夠潛移默化地影響學生未來的發展。

地方院校量子力學精品課程的一流教學內容可以理解為，量子力學基本理論、基本知識、基本技能等學科有效知識與專業發展密切相關的前沿知識及其技術應用的有機整合。有效知識，就是今后能對在該領域繼續學習、繼續研究、開辟新的領域、學習新的知識發揮作用的、最關鍵、最基礎性的東西[1]。

1.3 一流教學方法

重點大學普遍重視討論式、研究式教學方法，基于量子力學學科特點和地方院校學生水平，討論式和研究式的教學方法要慎重使用，如果準備不充分，極有可能出現學生討論時言之無物和研究時無從著手的難堪局面，反而挫傷學生的學習積極性。采用討論式和研究式教學方法，一要內容難度適宜，二要前期準備充分，三要教師循循善誘。量子力學內容高度抽象，學生自學困難較大，因此對教學方法和手段的要求較高。無論選擇什么樣的教學方法，采用什么樣的教學手段，都是為了學生能夠更好地理解和掌握知識，都要適合學生的實際認知水平，不能為了討論而討論，為了研究而研究，應以實際教學效果來評價教學方法的優劣。

地方院校量子力學精品課程的一流教學方法，即以啟發式講授為主，結合課程內容適當采取討論式和研究式教學，傳統教學手段與多媒體技術手段有機結合，集多種方法與手段于一體的教學方法體系。

1.4 一流教材

量子力學教材的選用，國內一般主要選用曾謹言版（重點大學）和周世勛版（地方院校），另有蘇汝鏗版、張永德版、錢伯初版、關洪版等多種教材，也有多種國外優秀教材。鑒于量子力學的某些基本問題至今仍有爭議，甚至國內權威教材中的部分內容仍受質疑，地方院校不宜盲目自編教材，避免對某些問題的不當闡述誤導學生，宜選用國內經典的簡明教材，輔以優秀教材作為參考書，以滿足不同學生的學習要求，通過立體化、一體化教材建設，補充量子力學的最新進展和實際應用，更好地為地方院校培養應用型人才服務。

地方院校量子力學精品課程的一流教材，即在選用國內經典簡明教材的基礎上，選擇國內外優秀教材作參考書，著力打造包括電子教案、PPT、習題答案、試題庫、仿真實驗、網絡課堂等資源在內的立體化、一體化教材。

1.5 一流教學管理

精品課程需要通過科學的管理為其提供制度保證。科學的教學管理和規范的管理機制，是精品課程的重要條件。精品課程的教學管理既包括對課堂教學的組織、實踐教學的安排、學習成績的評定等教學環節的管理，還包括師資隊伍的配備、課程建設過程的管理、教學保證條件的建設等[2]。

地方院校作為教學型大學，科研上處于劣勢，教學管理上更應加強，應將一流教學管理作為量子力學精品課程的重要特色來建設。

地方院校量子力學精品課程的一流教學管理，即建立健全與應用型人才培養目標相適應的教學管理制度，包括編、備、教、輔、改、考各教學環節的管理制度，以及經費投入、師資配備、用人機制和激勵機制、課程評價等教學質量保障制度，認真落實各項教學管理制度并切實做好教學質量監控，保證課程建設的可持續發展。

2 地方院校視角下量子力學精品課程建設 的對策

2.1 建設一支與應用型人才培養適應的師資隊伍

地方院校培養應用型人才的定位，客觀上要求教師應具有教師和工程師（或技能師）的雙重身份。量子力學精品課程的師資隊伍建設，除引進高層次人才、抓好現有教師的轉型提升、開展與課程相關的教研和科研等常規措施之外，尤其要重視師資隊伍的技術水平和能力的培養，通過產學研用結合切實提高教師的技術操作能力、應用能力和轉化能力。加強學校與科研機構、企業的合作，聘請經驗豐富的科研人員和工程師作為兼職教師，提高教師隊伍整體的科研水平和技術實力。

2.2 精選課程有效知識構建學科基礎，實現理論 與應用、基礎與前沿的完美結合

夯實基礎、關注前沿、了解應用、激發興趣是一流教學內容的必然要求。在教學內容的選擇和安排上，要注意與知識的實際應用相聯系，找準最佳結合點，融入學科前沿的理論知識和學科發展的最新成果。

量子力學的有效知識包括量子力學的發展歷史、量子力學的五大公設、定態問題求解、表象變換理論、微擾理論、電子自旋等，有效知識構成課程的核心知識；學科前沿知識、量子力學在現代科技和其它學科中的應用等內容構成課程的補充知識；散射等相對困難的內容構成課程的知識。核心知識具有相對穩定性，要求熟練掌握；補充知識具有時代性，要求學生了解而不求掌握；知識具有可選性，建議有能力的學生選學。核心知識和補充知識屬于第一層次的教學內容，面向全體學生；知識屬第二層次的教學內容，面向部分學生。教學內容的分類既有利于實現教學的層次化，又有利于實現理論與應用、基礎與前沿的有機結合。

2.3 構建教學理念先進、與學生水平相適應的教 學方法體系

以教師為主導，以學生為主體。變單一教學方式為多樣化教學方式構成的有機體系，變以教為主為以學為主或學教并重，變傳統課堂教學為傳統課堂教學和網絡課堂教學相結合。基于量子力學的抽象性，講授仍是主要的教學方法，但應注重啟發學生積極思考，采取課內、課外、網絡等多種形式增強師生互動，結合適當的內容開展討論和研究。

可以組織學生討論如量子力學相關實驗的解釋、量子力學基本原理的各種理解、一維定態問題的求解方法等；也可討論量子力學的某些新進展和新的技術應用，要求學生就“量子糾纏”、“EPR佯謬”、“量子計算機原理”等內容展開調研，撰寫文獻綜述報告，將討論和初步的研究結合起來，培養學生從事科學研究的基本素質；也可建議能力較強的學生對“密度矩陣表示量子態”、“路徑積分量子化”、“自由粒子的狄拉克方程”等較新的內容進行一些初級的理論探討，通過寫小論文的方式總結研究結果等。

討論和探究的關鍵在于培養學生的參與意識、問題意識和批判意識，不奢望畢其功于一役，長期堅持一定會有收獲。

2.4 選擇適宜的教材和教學參考書，建設立體化、 一體化教材

選擇周世勛版《量子力學教程》作為教材，因為它比較簡明，適合初學者和地方院校生源的實際水平；選擇曾謹言版《量子力學教程》作為主要參考書，因為它是全國大多數高校指定的考研參考用書，要照顧部分考研學生的需要；還可選擇其他國內外優秀教材作為參考書，以兼收并蓄、博采眾長。

教材是教學內容的載體，一流教材必然要展現一流教學內容。立體化、一體化教材不是簡單的教材和教參搬家，應將學科最新的研究成果、成功的教改經驗和教師自己的教科研成果及時地反映出來。一流教材除電子教案、PPT、全程教學錄像、習題解答、試題庫、網絡互動答疑、在線測試等內容外，還要自編學習輔導用書，內容大致可包括學習內容輔導、考研輔導、閱讀材料三大部分。學習內容輔導應梳理各章知識點及聯系、重點難點的學習經驗，補充典型習題；考研輔導可提供各類院校近年來的量子力學考研試卷，分析考試內容涵蓋的知識點和相關的考核要求；閱讀材料可介紹量子力學的最新進展、與量子力學有關的各交叉學科、量子力學的發展歷史以及逸聞趣事等。

2.5 抓緊抓實全方位全過程的教學管理

精品課程建設是一個綜合系統工程，只有扎扎實實、認認真真、持之以恒地努力工作，才能把事情做好[3]。一流教學管理是精品課程建設的重要方面，建章立制是基礎，教學各環節的過程管理是縱線，教學保障條件建設管理是橫線，教學質量監控、反饋和改進是保障。教學管理不必標新立異，抓緊、抓實、抓細、抓出成效，就是教學管理的最大特色。

教學各環節的管理制度中，重點要改變學業成績評價標準，變結果評價為過程評價，正確把握考試導向，降低期末考試比重，加大平時考核比重，將考勤、作業、提問、小論文、課程設計納入平時考核。

教學質量保障制度的建設和落實要抓好以下幾個方面：學校要加大對精品課程建設的經費投入；選擇學術水平較高、教學效果得到師生公認的優秀教師擔任課程負責人，組建由課程負責人負總責、主講教師分工與合作的教學隊伍；對參與精品課程建設的教師，在評優評先、晉升職稱等方面優先考慮；抓實教學過程的質量監控，完善同行評教、學生評教、畢業生評教和評教意見的及時反饋及改進制度；抓住一切校內外的交流機會，博采眾長，不斷更新充實網上資源，確保精品課程建設的可持續發展。

3 地方院校視角下量子力學精品課程建設 的初步成果

2011年起，荊楚理工學院應用物理學專業開設量子力學課程。三年來，量子力學教學團隊堅持以建設校級精品課程為目標，始終追求精品境界，目前量子力學精品課程的基本資料已準備就緒，擬申報校級精品課程，并計劃在校級精品課程基礎上，力爭申報省級及以上精品課程，最終轉型升級成為精品資源共享課。

教學團隊堅持教學和科研相結合，重視研究解決教學過程中存在的突出問題，以教科研水平的提高帶動教學水平的提高。三年共主持完成湖北省教育科學“十一五”規劃課題“理工類本科生物理學習障礙歸因及對策研究”一項，此課題于2013年5月被湖北省教科規劃辦批準結題，鑒定結論為：課題研究整體設計規范，研究路線科學，課題組成員分工合理，研究成果豐富且有實效；正主持湖北省教育科學“十二五”規劃課題一項：“地方院校應用物理學專業人才培養模式研究”。在學術研究方面，教學團隊圍繞量子糾纏態、量子點、反應微分截面等方向進行了比較深入地研究，取得了一些成果，近幾年在國外英文期刊和國際學術會議上發表了6篇英文學術論文，其中4篇被EI收錄，2篇被INSPECT收錄，并在原子與分子物理學報、重慶大學學報、量子光學學報等中文核心期刊上發表了8篇學術論文。

科學研究提高了教師的學術水平，加深了對量子力學課程內容的深刻理解，促進了教學的深入淺出，實現了理論與應用、基礎與前沿的有機結合，量子力學課程教學質量逐年穩步提高：三年來師生評教均分都在95分以上，教學效果得到師生認可；學生學習量子力學的積極性明顯提高，學業成績的統計結果表明，大部分學生較好地掌握了量子力學的基本理論、基本知識和基本技能，并對量子力學知識的有關應用和學科發展前沿產生了濃厚興趣，越來越多的學生開始選擇以量子力學的有關研究作為畢業論文選題，其中2009級兩名學生的畢業論文榮獲學校優秀畢業論文；不少學生考研時量子力學科目也取得了135分以上的較好成績。荊楚理工學院量子力學精品課程建設取得的初步成效，從理論和實踐兩方面證明了建設具有地方院校特色的量子力學精品課程是可行的。

4 結束語

精品課程不應千課一面，不同類型的院校應該有不同類型的精品課程，量子力學精品課程建設也不應該成為重點大學的專利，地方院校完全可以根據自己的培養目標、培養規格、生源狀況，正確地理解“一流教師隊伍、一流教學內容、一流教學方法、一流教材、一流教學管理”，建設具有應用型人才培養特色的量子力學精品課程，在精品課程建設上實現與重點大學的錯位發展。

參考文獻

[1]袁德寧.精品課建設及課程支撐理念的轉變[J].清華大學教育研究，2004，25（3）：53-57.

篇2

關鍵詞：量子力學；材料類專業；教學探索

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）08-0122-02

對于普通高校的材料類本科教學來說，要求學生具有數學、物理、化學等方面的基本理論和基本知識，掌握材料設計、性能優選、工藝優化的原則，以及材料的組成、結構和性能關系。這就需要學生具有材料學科的完整的知識體系，量子力學是半導體、固體物理以及計算材料學、材料測試表征技術等學科的基礎，在材料科學體系中有著非常重要的地位。然而其由于本課程的學習是基于高等數學、大學物理、數學物理方法等前期課程學習的基礎之上的，學生對這些基礎課程的掌握情況參差不齊，而大部分學生對前期課程多有遺忘，課程內容的學習過程中需要理解的知識點很多，所以要學好這門課程需要充分發揮學生的主觀能動性，及時復習前期基礎課程和預習相關知識。由于知識間銜接緊密，需要邏輯推理內容非常多，學生稍有走神或缺課就會跟不上教師的教學進度，從而對后續知識的學習也喪失信心。此外，對于工科大環境下的學生群體來說，學生普遍對實用的專業課程較感興趣，而對基礎理論課程不夠重視，認為學習非常枯燥也沒有大多的用處。種種原因造成了在工科大環境下的理論物理教學特別是量子力學課程的教學困難重重，因此將理論教學與專業特色相結合，探索具有專業特色的量子力學的教學方法具有重要的意義。如何消除學生對本課程的畏懼心理，如何調動學生的學習積極性，讓學生在課堂上有收獲的同時也要自覺利用好課余時間學習是解決本課程教學的關鍵。本文結合材料類專業的綜合情況，經過實踐探索，總結幾點較為實用的教學方法。

一、與專業課程體系相結合，突出課程的重要性

備課之前先熟悉所授課專業的培養方案，了解學生的已修課程、同學期開設的專業課程以及后續的專業課程。材料類專業的量子力學課程一般在第四學期開課，在此之前學生已經修完了高等數學、大學物理、線性代數、數學物理方法等前期課程。同時學生開始接觸一些材料類的專業課程，例如材料科學基礎、高分子物理、物理化學等，在之后的第五以及第六學期將有大量的學科專業課，如材料分析測試技術、計算材料學等。教師在對本專業的課程設置以及知識框架有了整體的了解以后，有針對性地翻閱一下一些核心專業課程的教材，將專業課程當中涉及量子力學基礎的內容篩選出來以備用。在給學生講授第一堂課時既將本課程的重要地位告知學生，哪些課程在后續課程種會涉及到相關知識，哪些領域會用到本課程的知識，以及量子力學對本專業以及相關專業的研究生入學考試以及繼續深造時的必要性。讓學生一開始對本課程的學習有心理上的重視。在具體教學的過程中，注意將量子理論與專業內容相結合，包括已修課程和后續課程。通過多學科的滲透將整個材料學專業的課程內容進行貫穿，凸顯出量子理論的重要性和實用性，讓學生意識到量子力學并不是高高在上毫無用處的理論公式，同時也使得量子力學的教學更加豐富和生動。

二、與前沿科學相結合、活躍課堂氣氛

當下的高校教師除了教學很大一部分時間精力都用于科學研究。平時實驗或看文獻時可以將所涉及的一些前沿科技成果加以搜集，課堂上通過多媒體以圖片、音響等直觀的方式將其進行簡要的介紹。活躍課堂氣氛的同時有可以加深對該理論的理解，激發學生的學習積極性。在給學生講解理論知識的同時注重結合理論的應用領域，結合材料學科的特點以及學校的特色。作者所在的本校是有著交通特色專業背景，本校材料類專業也有水泥混凝土、瀝青混合料等工程材料方面的課程，學生就業也有很大比例在交通相關領域。結合本科的這一特征，教師講課時可以作一些前沿材料在交通領域的最新進展。在講解知識基礎的同時穿插該部分知識的應用方面的展望，展示過程中采用借助多媒體以圖片、音響和板書講解相結合的方式。通過多種途徑讓量子力學這種看似“高大上”的學科也有“接地氣”的一面，不至于全是枯燥的理論和生硬的公式，有利于對學生學習動力的激發。對于自己的科研課題也可以作一些介紹，還可以挑選部分基礎較好的感興趣的本科生參與到課題的研究或者參觀學習，零距離的接觸前沿科學，對調動學生的學習積極性也有一定的幫助。

三、多種教學手段相結合，調動學生的學習積極性

在教學的過程中采用多種教學手段相結合。鑒于量子力學的理論抽象、知識量大、數學推理公式繁多，在教學過程中教師的講授以基本概念的理解、基本物理思想的和基本的物理模型的建立為主，對于需要推理演算的部分可以引導學生利用課余時間自學。首先可以拓展多樣化的考核方式。課程考核的成績以期末考試為主但是學期內平時的表現也是必要的。可以考慮適當增大平時考核的分數比例，便于調動學生充分利用課余的時間。其中平時表現又可以分為多個方面來考核，充分調動學生的自主學習激情。課堂教師講授為主，適時設問作為課外思考作業，作業以書面形式或者學生在下一次課作簡短的展示的方式。才外還可以給學生布置小論文，鼓勵學生多進圖書館，查閱相關文獻書籍寫一兩篇小綜述。在第一堂課即向學生說明考核的方式和比例，在考分的壓力下學生自然會積極準備相關內容。在應對這些平時作業的過程實際上就是學生自主學習的過程中，既鞏固了量課程知識，又鍛煉了學生自主學習的能力和思維。在教學當中采用多媒體和傳統的板書相結合的方式，多媒體信息涵蓋量較大，對一些復雜又必須的推導過程可以采用PPT作快速的展示，而對于一些重要的公式及定理則需要采用板書加以強化，通過教師邊書寫邊口訴講解，學生有足夠的時間消化理解。同時可以采用多媒體多展示一些圖片、動畫等內容，盡量在枯燥的理論講授過程中增添一些有趣的小插曲，例如該理論提出的科學家的肖像及簡介、名言名句，小故事等。在W習原子的波爾理論以及氫原子模型的時候，使用PPT展示基本公式和理論，再輔以教師在黑板上作圖的方式講解。可以將原子內電子的運動類比于在操場跑步以及天體的運動，在做計算近似時甚至可以將近似級類比于上課教室內的座次對個人學習效果的影響、人際關系的親疏對個人情感生活的影響程度等。此外還可以鼓勵學生多接觸一些科普書籍以及最新出版的一些學術專著，例如上帝擲骰子就是很通俗的前沿物理科普書籍。通過多種渠道將量子力學枯燥難懂的教學過程生動化、有趣化。

作為材料類專業核心課程的量子力學一直都是教和學雙方都感到很困難的課程。由于量子力學的理論性較強，學習過程相對枯燥，學科的實用性不是很明顯，學生容易厭學。教師在教學過程中需要不斷的探索適合本專業學生的教學方法。通過與專業課程相結合，與學校特色想結合，采取多種教學手段，結合最新的前沿科學研究，多方面入手使理論知識深入淺出，使教學過程生動有趣、調動學生學習熱情，對提高教學質量有非常有益的幫助。

參考文獻：

篇3

關鍵詞：量子比特；量子力學；量子相干性；并行運算

0　引言

自1946年第一臺電子計算機誕生至今，共經歷了電子管、晶體管、中小規模集成電路和大規模集成電路四個時代。計算機科學日新月異，但其性能卻始終滿足不了人類日益增長的信息處理需求，且存在不可逾越的“兩個極限”。

其一，隨著傳統硅芯片集成度的提高，芯片內部晶體管數與日俱增，相反其尺寸卻越縮越小(如現在的英特爾雙核處理器采用最新45納米制造工藝，在143平方毫米內集成2.91億晶體管)。根據摩爾定律估算，20年后制造工藝將達到幾個原子級大小，甚至更小，從而導致芯片內部微觀粒子性越來越弱，相反其波動性逐漸顯著，傳統宏觀物理學定律因此不再適用，而遵循的是微觀世界煥然一新的量子力學定理。也就是說，20年后傳統計算機將達到它的“物理極限”。

其二，集成度的提高所帶來耗能與散熱的問題反過來制約著芯片集成度的規模，傳統硅芯片集成度的停滯不前將導致計算機發展的“性能極限”。如何解決其發熱問題?研究表明，芯片耗能產生于計算過程中的不可逆過程。如處理器對輸入兩串數據的異或操作而最終結果卻只有一列數據的輸出，這過程是不可逆的，根據能量守恒定律，消失的數據信號必然會產生熱量。倘若輸出時處理器能保留一串無用序列，即把不可逆轉換為可逆過程，則能從根本上解決芯片耗能問題。利用量子力學里的玄正變換把不可逆轉為可逆過程，從而引發了對量子計算的研究。

1　量子計算的基本原理

1.1　傳統計算的存儲方式

首先回顧傳統計算機的工作原理。傳統電子計算機采用比特作為信息存儲單位。從物理學角度，比特是兩態系統，它可保持其中一種可識別狀態，即“1”或者“()”。對于“1”和“0”，可利用電流的通斷或電平的高低兩種方法表示，然后可通過與非門兩種邏輯電路的組合實現加、減、乘、除和邏輯運算。如把0～0個數相加，先輸入“00”，處理后輸入“01”，兩者相“與”再輸入下個數“10”，以此類推直至處理完第n個數，即輸入一次，運算一次，n次輸入，n次運算。這種串行處理方式不可避免地制約著傳統計算機的運算速率，數據越多影響越深，單次運算的時間累積足可達到驚人的數字。例如在1994年共1600個工作站歷時8月才完成對129位(迄今最大長度)因式的分解。倘若分解位數多達1000位，據估算，即使目前最快的計算機也需耗費1025年。而遵循量子力學定理的新一代計算機利用超高速并行運算只需幾秒即可得出結果。現在讓我們打開量子計算的潘多拉魔盒，走進奇妙神秘的量子世界。

1.2　量子計算的存儲方式

量子計算的信息存儲單位是量子比特，其兩態的表示常用以下兩種方式：

(1)利用電子自旋方向。如向左自轉狀態代表“1”，向右自轉狀態代表“0”。電子的自轉方向可通過電磁波照射加以控制。

(2)利用原子的不同能級。原子有基態和激發態兩種能級，規定原子基態時為“0”，激發態時為“1”。其具體狀態可通過辨別原子光譜或核磁共振技術辨別。

量子計算在處理0～n個數相加時，采用的是并行處理方式將“00”、“01”、“10”、“11”等n個數據同時輸入處理器，并在最后做一次運算得出結果。無論有多少數據，量子計算都是同時輸入，運算一次，從而避免了傳統計算機輸入一次運算一次的耗時過程。當對海量數據進行處理時，這種并行處理方式的速率足以讓傳統計算機望塵莫及。

1.3　量子疊加態

量子計算為何能實現并行運算呢?根本原因在于量子比特具有“疊加狀態”的性質。傳統計算機每個比特只能取一種可識別的狀態“0”或“1”，而量子比特不僅可以取“0”或“1”，還可同時取“0”和“1”，即其疊加態。以此類推，n位傳統比特僅能代表2n中的某一態，而n位量子比特卻能同時表示2n個疊加態，這正是量子世界神奇之處。運算時量子計算只須對這2n個量子疊加態處理一次，這就意味著一次同時處理了2n個量子比特(同樣的操作傳統計算機需處理2n次，因此理論上量子計算工作速率可提高2n倍)，從而實現了并行運算。

量子疊加態恐怕讀者一時難以接受，即使當年聰明絕頂的愛因斯坦也頗有微詞。但微觀世界到底有別于我們所處的宏觀世界，存在著既令人驚訝又不得不承認的事實，并取得了多方面驗證。以下用量子力學描述量子疊加態。

現有兩比特存儲單元，經典計算機只能存儲00，01，10，11四位二進制數，但同一時刻只能存儲其中某一位。而量子比特除了能表示“0”或“1”兩態，還可同時表示“0”和“1”的疊加態，量子力學記為：

lφ〉＝al1〉＋blO〉

其中ab分別表示原子處于兩態的幾率，a＝0時只有“0”態，b＝0時只有“1”態，ab都不為0時既可表示“0”，又可表示“1”。因此，兩位量子比特可同時表示4種狀態，即在同一時刻可存儲4個數，量子力學記為：

1.4　量子相干性

量子計算除可并行運算外，還能快速高效地并行運算，這就用到了量子的另外一個特性――量子相干性。

量子相干性是指量子之間的特殊聯系，利用它可從一個或多個量子狀態推出其它量子態。譬如兩電子發生正向碰撞，若觀測到其中一電子是向左自轉的，那么根據動量和能量守恒定律，另外一電子必是向右自轉。這兩電子間所存在的這種聯系就是量子相干性。

可以把量子相干性應用于存儲當中。若某串量子比特是彼此相干的，則可把此串量子比特視為協同運行的同一整體，對其中某一比特的處理就會影響到其它比特的運行狀態，正所謂牽一發而動全身。量子計算之所以能快速高效地運算緣歸于此。然而令人遺憾的是量子相干性很難保持，在外部環境影響下很容易丟失相干性從而導致運算錯誤。雖然采用量子糾錯碼技術可避免出錯，但其也只是發現和糾正錯誤，卻不能從根本上杜絕量子相干性的丟失。因此，到達高效量子計算時代還有一段漫長曲折之路。

2　對傳統密碼學的沖擊

密碼通信源遠流長。早在2500年前，密碼就已廣泛應用于戰爭與外交之中，當今的文學作品也多有涉獵，如漢帝賜董承的衣帶詔，文人墨客的藏頭詩，金庸筆下的蠟丸信等。隨著歷史的發展，密碼和秘密通訊備受關注，密碼學也應運而生。防與攻是一個永恒的活題，當科學家們如火如荼地研究各種加密之策時，破譯之道也得以迅速發展。

傳統理論認為，大數的因式分解是數學界的一道難題，至今也無有效的解決方案和算法。這一點在密碼學有重要應用，現在廣泛應用于互聯網，銀行和金融系統的RSA加密系統就是基于因式難分解而開發出來的。然而，在理論上包括RSA在內的任何加密算法都不是天衣無縫的，利用窮舉法可一一破解，只要衡量破解與所耗費的人力物力和時間相比是否合理。如上文提到傳統計算機需耗費1025年才能對1000位整數進行因式分解，從時間意義上講，RSA加密算法是安全的。但是，精通高速并行運算的量子計算一旦問世，縈繞人類很久的因式分解難題迎刃而解，傳統密碼學將受到前所未有的巨大沖擊。但正所謂有矛必有盾，相信屆時一套更為安全成熟的量子加密體系終會醞釀而出。

3　近期研究成果

目前量子計算的研究仍處于實驗階段，許多科學家都以極大熱忱追尋量子計算的夢想，實現方案雖不少，但以現在的科技水平和實驗條件要找到一種合適的載體存儲量子比特，并操縱和觀測其微觀量子態實在是太困難了，各界科學家歷時多年才略有所獲。

(1)1994年物理學家尼爾和艾薩克子利用丙胺酸制出一臺最為基本的量子計算機，雖然只能做一些像1＋1＝2這樣簡單的運算，但對量子計算的研究具有里程碑的意義。

(2)2000年8月IBM用5個原子作為處理和存儲器制造出當時最為先進的量子計算機，并以傳統計算機無法匹敵的速度完成對密碼學中周期函數的計算。

(3)2000年日本日立公司成功開發出“單電子晶體管”量子元件，它可以控制單個電子的運動，且具有體積小，功耗低的特點(比目前功耗最小的晶體管約低1000倍)。

(4)2001年IBM公司阿曼頓實驗室利用核磁共振技術建構出7位量子比特計算機，其實現思想是用離子兩個自轉狀態作為一個量子比特，用微波脈沖作為地址。但此法還不能存儲15位以上的量子單元。

(5)2003年5月《Nature》雜志發表了克服量子相關性的實驗結果，對克服退相干，實現量子加密、糾錯和傳輸在理論上起到指導作用，從此量子通信振奮人心。

(6)2004年9月，NTT物性科學研究所試制出新一代存儲量子比特的新載體――“超導磁束量子位”。它可通過微波照射大幅度提高對量子比特自由度的控制，其量子態也相對容易保持。

篇4

Mirco A.Mannucci The University of Queensland,Australia

Quantum Computing for

Computer Scientists

2008, 384pp.

Hardcover

ISBN 9780521879965

N.S.揚諾夫斯基等著

量子計算是計算機科學、數學和物理學的交叉學科。在跨學科研究領域中,量子計算開創了量子力學的許多出人意料的新方向,并拓展了人類的計算能力。本書直接引領讀者進入量子計算領域的前沿,給出了量子計算中最新研究成果。該書從必要的預備知識出發,然后從計算機科學的角度來介紹量子計算,包括計算機體系結構、編程語言、理論計算機科學、密碼學、信息論和硬件。

全書由11章組成。1.復數,給出了復數的基本概念、復數代數和復數幾何;2.復向量空間,以最基本的例子Cn空間引入,介紹了復向量空間的定義、性質和例子,給出了向量空間的基和維數、內積和希爾伯特空間、特征值和特征向量、厄米特矩陣和酉矩陣、張量積的向量空間;3.從古典到量子的飛躍,主要內容有古典的確定性系統、概率性系統、量子系統、集成系統;4.基本量子理論,主要有量子態、可觀測性、度量和集成量子系統;5.結構框架,主要包括比特和量子比特、古典門、可逆門和量子門;6.算法,包括Deutsch算法、Deutsch-Jozsa算法、Simon的周期算法、Grover搜索算法和Shor因子分解算法;7.程序設計,包括量子世界的程序設計、量子匯編程序設計、面向高級量子程序設計和先于量子計算機的量子計算;8.理論計算科學,包括確定和非確定計算、概率性計算和量子計算;9.密碼學,包括古典密碼學、量子密鑰交換的三個協議(BB84協議、B92協議和EPR協議)、量子電子傳輸;10.信息論,主要內容有古典信息和Shannon熵值、量子信息和馮•諾依曼熵值、古典和量子數據壓縮、錯誤更新碼;11.硬件,主要包括量子硬件的目標和挑戰、量子計算機的實現、離子捕集器、線性光學、NMR與超導體和量子器件的未來。最后給出了5個附錄,附錄A量子計算的歷史,介紹了量子計算領域中的重要文獻;附錄B習題解答;附錄C 使用MATLAB進行量子計算實驗;附錄D 了解量子最新進展的途徑:量子計算的網站和文獻;附錄E選題報告。

本書適合計算機科學的本科學生和相關研究人員,也適合各級科研人員自學。

陳濤,碩士

(中國傳媒大學理學院)

Chen Tao,Master

篇5

關鍵詞：工程教育；“材料計算與模擬”；實踐教學工程教育教學方法。

一、課程目標及對畢業要求的支撐

（1）理解并恰當研究、分析材料科學與工程領域實際問題的基礎理論與方法。“材料計算與模擬”專業課程主要內容為原子分子尺度的理論計算模擬，涉及的理論方法主要為量子力學和分子動力學方法。其中，量子力學方法較為深奧，分子動力學方法因與經典牛頓力學聯系緊密，相比量子力學較為簡單。考慮工程教育理念側重工程實踐能力的培養，故在基礎理論方法部分將課程目標設置為了解基本理論方法的概念和基本計算流程。（2）針對復雜工程問題，能夠有效地運用工程圖學語言、計算機輔助設計工具，提出改進或解決方案。如何將工程實際中的復雜工程問題通過理論計算模擬提出改進或指導意見是本課程期望的終極目標。其中，如何培養學生通過思考和分析，將工程實際問題分解為理論計算問題并選擇合適的計算方法、計算參數和條件，將是本課程最重要的課程目標。（3）能夠正確運用現代工程工具、技術與資源對材料科學與復雜工程問題進行預測與模擬。工程教育背景下的課程側重實踐能力的培養，本課程的實踐內容主要是利用計算服務器或集群進行材料科學領域的計算模擬。其中，如何使用國家超級計算中心集群（如上海超算、深圳超算）進行高性能計算，并利用科學計算軟件進行結果分析，是本課程的重要課程目標之一。

二、教學方式的改進

本課程堅持理論與實踐相結合的教學方式，不斷提高實踐教學的比重，目前理論教學與實踐教學部分各占一半。承接自過去以教為主的教學理念，本課程目前的主要教學方式還是先講授相關理論內容，然后進行上機實踐操作和練習。在工程教育理念的背景下，實踐能力的培養和提升成為課程教學的重點，同時還要兼顧實踐練習與相關理論知識的銜接，本課程提出基礎理論內容先行傳授，其他內容采用先實踐后理論的教學方式。首先，對于必需的相關課程基礎理論采用課堂講授的教學方式，在講授期間有意識地向學生傳遞工程教育的理念。其次，以較為簡單的實踐案例先進行實踐練習，使得學生簡單上手并且產生對本課程的新鮮感和好奇感，結合基礎理論講解讓學生對基本理論和操作流程有一定的了解。最后，從簡單案例出發，不斷深入，并向實際工程問題靠攏，引導學生不斷深入思考，著重于引導學生了解和練習如何將實際工程問題分解為計算模擬可以解決的問題，并通過理論計算與模擬為指導和解決問題提供依據。作為持續改進、教研相輔的體現，“材料計算與模擬”課程所有實踐案例定期根據最新文獻報道進行更新，保持實踐教學案例的時效性，同時不斷開發新的實踐案例及相應計算流程。考慮到實踐練習與課程課時可能的矛盾或不足，本課程還將所有實踐教學案例進行視頻錄像，同時將與實踐案例相關的理論內容關鍵詞以字幕的形式添加到錄像中，便于學生隨時翻看和熟悉。

篇6

關鍵詞：半胱氨酸蛋白酶 組織蛋白酶K 量子力學/分子力學（QM/MM）

中圖分類號：R969.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（b）-0097-04

The Mechanism of Inhibition of Cysteine Protease

ZHAO Yunfei

（School of Life Science， Tsinghua University， Beijing）

Abstract： Cysteine protease is a vital enzyme for human metabolism and involved in a proteolysis reaction in human body. However， over-expressed cysteine proteases can cause serious diseases such as osteoporosis and breast cancer. Nitrile-based inhibitors are newly-discovered substrates as well as drugs which can inhibit cysteine proteases with high efficiency and low side-effects. However， the mechanism of inhibition remains unknown. This paper illustrates a novel computational calculation performed by quantum mechanics/molecular mechanics （QM/MM） to resolve this mechanism. We find a stepwise mechanism whereby the deprotonated anionic sulfur atom from cysteine of the active site of Cathepsin K attacks a nitrile containing substrate to form an intermediate structure， followed by a deprotonation reaction to form a lower energy product state structure， and therefore， this mechanism of inhibition of cysteine protease has been resolved.

Keywords： Cysteine protease Cathepsin K quantum mechanics/molecular mechanics （QM/MM）

1 概況

半胱氨酸酶作為六大酶類之一，廣泛存在于各種生物有機體內，如病毒、細菌、原生動物、植物和哺乳動物[1]，主要參與人體新陳代謝和蛋白質的水解。近年來，人類成功的從植物中提取出半胱氨酸酶作為藥物治療腸內蠕蟲的感染[2]。它對結籽期內植物的生長和人類骨骼的發育起著至關重要的作用。

半胱氨酸酶的蛋白質水解途徑如圖1所示。它的催化位點由一個帶硫基的半胱氨酸基團和一個組氨酸基團組成[3]。盡管蛋白質的水解過程是不可逆的，但在一些特定的條件下，蛋白質會通過一系列轉錄后的修飾，使得原先的不可逆變成可逆。

組織蛋白酶是半胱氨酸酶家族中的一類，可細分成組織蛋白酶B、C、F、H、K、L1、O、S、W和Z。組織蛋白酶K將作為半胱氨酸酸酶的代表被本文所研究，因為其主要參與了人體的骨吸收作用[4]并首次發現于兔子的破骨細胞中，且同樣大量產生于人體的破骨細胞。過程如圖2所示。

組織蛋白酶K的功能在于通過水解人體膠原蛋白和彈性蛋白達到骨質破壞的作用，此功能在人體骨骼生長時起著至關重要的作用。組織蛋白酶K的缺失會導致骨質的脆性增大，病人容易患致密性成骨不全癥[5]。相反，過量的產生組織蛋白酶K會侵蝕骨基質蛋白，如骨橋蛋白、骨粘連蛋白、膠原蛋白I和II，導致骨關節炎和骨質疏松[6]。同時，過量的組織蛋白酶K會大大增加得乳腺癌的風險，并因此血液中組織蛋白酶K濃度的檢測已作為診斷乳腺癌的重要指標之一，因為破骨細胞對膠原蛋白的破壞有助于癌細胞的增長和擴散[7]且乳腺癌細胞也能夠大量產生過量的組織蛋白酶K。

2 理論與模型

以前的化學家利用塑料制的棍子來為自己搭建化學分子式的3D模型。如今我們利用基于經典物理學和量子力學原理的軟件來設計最優化的分子結構模型，例如一個化學分子中鍵與鍵之間的夾角，以及原子與原子之間的距離，都可以通過計算使得分子的空間結構最優化（分子結構式能量最低）。計算機模型的介入對于我們研究反應速度極快的酶反應過程中的不穩定中間體和過度狀態帶來巨大的幫助，因為到目前為止，對于酶反應過程中的中間體的分子3D結構，在實驗室條件下還無法觀測。

分子力學（MM）是基于經典物理學的理論，用于闡述分子結構式的空間結構和分子勢能的計算。在MM的計算原理中，因為它忽略了分子系統中電子和原子核之間的相互作用，所以它不能夠用于計算化學反應中有鍵與鍵的斷裂或形成的分子勢能。但是它仍然可以精確的計算出大分子量（由上千原子組成）的分子結構式。

量子力學（QM）相對于分子力學而言，它更側重于計算出電子和原子核之間的相互作用力。量子力學/分子力學（QM/MM）的計算方法則可以精確的計算出酶分子在反應過程中任意階段的分子勢能的變化。因為它將酶分子的勢能分開單獨計算，活性催化位點（反應過程中包含大量分子鍵的斷裂和形成，原子數量一般在60個左右）利用QM來計算，而其余惰性分子區域（包括包裹在酶分子周圍的水分子）則采用MM計算方法。

目前，半胱氨酸抑制劑主要可分為羰基類化合物、腈基類化合物和其它與半胱氨酸酶非共價結合類抑制物。半胱氨酸酶抑制劑的發展史可以被認為是與半胱氨酸酶的不可逆結合到可逆結合。盡管非共價結合抑制物已經被廣泛發現，但大多數都屬于多肽大分子化合物，由于它們的大分子量和大體積以至于它們的抑制效果非常不好。不可逆結合類抑制物曾在過去一段時間內非常流行，因為此類化合物具有極強的靶向型并被多篇研究報道以及市場化。然而近期我們發現此類藥物在長期服用的情況下會導致免疫性和抗原性的并發癥。所以，研究人員越來越傾向于研究新型的小分子可逆抑制型化合物。

腈基類化合物作為小分子、共價結合類抑制劑具有極為優越的高效、低毒效果受到人們青睞，但其抑制機理從未被揭示。本研究將利用計算機模型計算的方法，證實我們假設的腈基類化合物的抑制機理的可行性（圖3所示）。

3 結論

我們通過對腈基類化合物與組織蛋白酶K的結合物系統進行結構優化后，得到的產物結構（QM部分）如圖4所示；能量掃描結構圖像如圖5所示。

通過對圖5所得到的結構能量掃描圖的分析，其符合生化反應的能量變化規律。且我們通過QM/MM計算方式，系統成功的得到我們想要的最優化的系統反應中間態。充分證明了我們設想的腈基類化合物的抑制機理的可行性（圖3）。其中我們設計的新型腈基類抑制底物具有臨床研究價值。

4 實驗部分

首先，我們使用Gaussian View軟件去設計最初的一種腈基類抑制化合物，再通過UB3LYP（6-31G）計算程序對化合物分子結構進行優化，優化前后的分子空間結構如圖6所示。我們發現優化后的分子能量（kcal mol-1）比優化前低（ΔE= -1838.6），說明優化后的結構比優化前穩定的多。

其次，我們從PDB文件（1U9V）中刪除原先的抑制分子IHE，利用Chimera軟件將新設計的化合物底物插入到原先IHE分子的位置，堵住組織蛋白酶K的催化位點（由CYS 25和HIS 162組成）（圖7）。基于QM/MM的理論，利用Multilayer Onion Model計算方法我們將CYS 25中的硫原子設為中心點，與之長度為8 Angstroms的空間內包含的所有原子設定為QM區域，共有底物、HIS 162、CYS 25、ALA 163、GLY 64和GLY 65包含在QM區域內。其余都設定為MM區域（包含3160個原子）。用程序UB3LYP（6-31G）優化QM區域。用程序UFF優化MM區域。再利用CHARMM軟件向最新優化后的PDB文件中加入水分子，將整個體系包含在直徑為60 Angstroms的水球內，如圖8所示。

最后，我們將加入水分子后的大系統通過之前同樣的Multilayer Onion Model計算方法將系統結構優化，得到最終的能量最低的產物狀態（C），隨后我們依照圖3的反應式往回通過掃描式計算的方法得到中間態的產物結構。首先，我們切斷帶有腈基集團底物上的N-H鍵，并同時縮小H 3248和與之相鄰的組氨酸集團（HIS 162）的N 2361之間的距離，通過輸入指令：

3248 2361 S 10 -0.05

表明我們人為通過10個反應步驟（步步使用Multilayer Onion Model計算方法進行系統優化）縮小H 3248和N 2361的距離，每一步的縮小距離是0.05 angstroms。我們得到掃描式計算中能量最高點的系統結構（TSB）和能量最低點的系統結構（B）。所有原子的數值標記都根據原始GJF文件。

我們隨之將系統結構B依照圖三的反應式繼續往回通過同樣的掃描計算式方法，首先切斷中間底物（腈基化合物）的C-S鍵，并同時增大S 367與之相鄰的半胱氨酸基團（CYS 25）的C 3249之間的距離，通過輸入指令：

3249 367 S 10 0.1

表明我們人為通過10個反應步驟（步步使用Multilayer Onion Model計算方法進行系統優化）增加S 367和C 3249的距離，每一步的增加距離是0.1 angstroms。

最終，我們從結合物C逆計算得到產物A、TSA、B、TSB的結構如圖9所示。

參考文獻

[1] Barrett， A. In Proteinase Inhibitors； Barrett， A.， Salvesen， G.， Eds.； Elsevier： Amsterdam， 1986-3-22.

[2] Sharma， A.； Padwal-Desai， S.； Ninjoor， V. Biochem. Biophys.， Res. Commun. 1989， 159， 464-471.Scottk. Thompson， Stacie M. Halbert， Mary J. Bossard[J].Proc， Natl. Acad， Sci， USA， 1997，94：14249-14254.

[3]Garnero P， Sornary-Rendu E， Chapuy MC， Delmas PD. J. Bone Miner Res. 1996； 11： 337-49.Andrew D. Morley， Peter W. Kenny[J].Bioorg. Med. Chem. Lett.，2009，19：1658-1661.

[4] Le Gall C， Bellahcene A， Bonnelve E， Cancer Res[J].2007，67（20）： 9894-902.

[5] Jiaqiang Cai，Craig Jamieson， Jennifer Moir，et al.Cathepsin K inhibitors，2000-2004，Expert. Opin.Ther[J].2005，15（1）：33-48.

篇7

關鍵詞：科學素養；科學方法；科學意識；科學精神；大學物理

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

“為什么我們的學校總是培養不出杰出人才？”這個被稱為“錢學森之問”的問題，已引起上至國務院總理下至普通學生的深思。中國學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獎無緣。2010年11月第八次中國公民科學素養調查結果顯示，2010年具備基本科學素養的公民比例為3.27%，僅相當于主要發達國家和地區20世紀80年代末、90年代初的水平[1]。面對這些事實，我們不能不對現行的學校科學教育進行深刻反思。學校和社會一直倡導素質教育，但是素質教育就是多搞文體活動和多學琴棋書畫嗎？這是誤解，更是誤導。其實，素質教育的一個重要內容，就是提高科學素養。

一、什么是科學素養

“科學素養”這一概念是伴隨著20世紀五六十年代美國“課程改革運動”而系統確立起來[2]。盡管對這一概念的內涵尚未達成共識，但是，把科學素養作為科學教育的目標，已在世界各國取得共識。明確提出科學素養包含三個維度，并給出測評指標進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素養概念[3]。J?米勒的科學素養模型維度概括為：科學知識；科學方法；科學意識。自1979年以來，該指標體系及其測評結果一直為美國國家自然基金會所采用。第二種是世界經濟合作與發展組織開發的國際學生測評項目（PISA）提出的科學素養概念。PISA將科學素養定義為“15歲學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決策，而使用科學知識、識別科學問題、得出有根據的結論的能力”，該定義包含“科學方法或技能”、“科學概念與內容”及“語境”等三個維度[4]。雖然以上兩種科學素養概念的維度有所不同，但是可以看出，科學知識、科學方法、科學能力、科學精神和科學意識都屬于科學素養教育的范疇。

二、《物理》課程在培養科學素養中的重要性

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

三、大學《物理》教學中如何培養學生的科學素養

大學《物理》課程是高等學校理工科各專業學生的一門重要的通識性必修基礎課，在培養學生的科學素養方面，具有其他課程不能替代的重要作用。下面談談大學《物理》課程對培養學生科學素養，尤其是科學方法、意識和精神等方面筆者的一些思考和做法。

1.科學方法的培養。“授之以魚”不如“授之以漁”，方法對學生的終身發展至關重要。物理學中有許多科學方法。觀察法、實驗法、理想化方法、類比方法、假設方法和數學方法等是物理學的基本研究方法，不僅適用于自然科學的研究，也適用于其他科學技術領域和各種工作領域。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》學科中常用的邏輯思維方法，更是普遍應用于人的各種思維活動。如果學生掌握了這些方法，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，嚴謹科學的意識。也就是說，掌握了科學的方法，就有了在未來從事各項工作的“武器”。筆者在大學《物理》教學中，非常重視物理方法的介紹。①重視物理方法的提煉和總結。自然界發生的一切物理現象和物理過程，一般都是比較復雜的，為了降低研究的難度，在物理研究中產生了理想化方法，就有了質點、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，讓學生知道這是處理自然界復雜問題的常用的科學抽象的方法，是一種重要的科學研究方法，在自然科學研究中占有重要地位。②通過物理學史的引入，加強科學方法的教學。牛頓在伽利略、開普勒等前人成果的基礎上，用歸納法獲得了經典力學的基本概念和力學三大定律，又用演繹的方法獲得了萬有引力定律并發明了微積分。在量子力學中，從黑體輻射問題的研究中出現的“紫外災難”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，再應用愛因斯坦相對論提出相對論量子力學的整個量子理論的發展史無不體現了假說―理論―新假說―新理論的循環發展模式；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。介紹這些歷史，不但讓學生學到了物理知識，而且讓學生用物理學家的方法和思路研究這些《物理》內容，無形中會受到良好的科學方法教育。

2.重視介紹物理的應用，培養學生良好的科學意識。科學意識就是從科學的角度理解問題、分析問題和解決問題的思想觀念及其行為。學生只有知道了科學的應用，才會在生活和工作中有科學的意識。《物理》課程是一門實用性很強的科學，所以在教學中就要多介紹物理知識的廣泛應用，尤其是最新的應用。例如，在電磁感應部分，除了介紹常見的渦流加熱和制動、微波加熱、電子感應加速器外，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生極大的興趣，也會引起學生主動思考生活中的問題，樹立良好的科學意識。

3.科學精神的培養。科學精神包括求實精神、創新精神、懷疑精神、寬容精神等幾個方面，其中最主要的是求實與創新。如何培養學生的科學精神？在授課中要注意啟發式教學，多提出問題，多質疑，啟發學生思考和發現，培養他們的主動參與的意識和創新意識。適當增加物理學史，讓物理學家們的不怕困難、無私奉獻，敢于質疑以及開拓創新的科學精神感染學生。

總之，在大學《物理》教學中要利用一切可能的途徑向學生傳授科學的基礎知識，培養科學的分析問題和解決問題的能力，培養學生用科學的觀點理解自然界現象并能作出決斷以及辨識真偽的能力，同時擁有良好的科學態度和科學精神。

參考文獻：

[1]中國科學技術協會.第八次中國公民科學素養調查結果.[EB/OL].

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

篇8

（上海工程技術大學材料工程學院，中國 上海 201620）

【摘　要】《固體物理》是材料學科專業開設的一門重要基礎課程。根據高等學校《固體物理》課程的特點以及材料類專業的學生對學習這門課程的需求不同，作者結合自身的教學心得和體會，分別從材料學專業《固體物理》課程教學現狀、教學內容和教學方式等方面進行探討。

關鍵詞 固體物理；教學改革；材料學

《固體物理》作為一門基礎性學科，受到了越來越多的重視[1-2]。作為連接基礎理論知識與實際應用技術的橋梁，它已經成為材料類專業學生必修的一門基礎課程。但傳統的《固體物理學》中有很多晦澀難懂的專業術語，復雜的圖形與空間變換以及繁瑣的理論推導，故而學習難度較大。學生學習《固體物理》時需完成《高等數學》、《熱力學與統計物理》和《量子力學》等先修課程的學習。由于材料學科特點和學生培養目標的不同，材料類專業的學生往往只學習一部分或者沒有學習這些先修課程，故而材料類專業學生學習《固體物理》時凡是涉及到一些嚴密的理論推導過程就會感到十分難懂，造成部分學生產生厭學情緒。針對材料類專業《固體物理》教學過程中出現的教師教學難，學生畏學這一現狀，本文從教學內容和教學方式等方面，對如何提高材料類專業《固體物理》的教學質量和促進學生綜合能力的培養方面提出了一些新的探討。

1　教學內容改革

《固體物理》教科書通常由兩大部分組成：第一部分為基礎部分。主要包括晶體結構、晶體結合、晶體的振動與熱力學性質、晶體的缺陷、能帶理論和金屬電子論等內容；第二部分為專業化部分。主要包括半導體、超導體、非晶固體和固體磁性等內容。其中基礎部分是各理工科院校講授的核心內容。對于材料類專業的學生來說，由于缺少《量子力學》與《熱力學與統計物理》方面的知識，系統學習《固體物理》有一定的困難，為了解決上述矛盾，我們在教學過程中對于《固體物理》內容主要實行以下改革措施：

（1）有選擇性的講授。對于《固體物理》各章節的內容講述要有詳有略，作到詳略得當。對于重點內容要精講，對于不太主要或者在其它課程中能學到的內容可以略講或不講。例如：在講述晶體的結合這部分內容時，材料類學生在學習《材料科學基礎》和《化學基礎課》過程中對于晶體的結合方式等內容都進行過系統學習，因此對這部分內容可以略講。在講解晶體的缺陷這部分內容時，學生在《材料科學基礎》課程中也學習過，對這部分內容就可以略講或者不講。

（2）重思想輕推導。對于有些章節的內容，不追求繁瑣的數學推導，更多的突出物理思想的傳達，對于某一個具體理論要重點講述它的建立過程與物理模型。物理模型盡量簡單，深入淺出，讓學生學會用《固體物理學》的方法去思考和處理問題。

（3）增加學科前沿內容。合理的補充與固體物理學緊密相連的凝聚態物理學和材料學最新的學術成就與進展，鼓勵學生積極參與或參觀學院相關老師的科研實驗，多聽相關的學術報告，讓學生了解最新的學術動態，培養他們對科學研究的興趣，為部分學生將來的繼續深造和終身從事科學研究事業奠定基礎。

2　教學方式的創新

長期以來，我國的大部分的教師都是采用傳統的教學模式，即老師一個人在講臺上講，學生在下面聽。這種模式固然有可取之處，但是對于現代大學生來說，這種教學模式未免顯得有些過于單調。現代的大學生喜歡新鮮事物，喜歡主動“出擊”，所以作為一名現代的大學老師，對學生應當“投其所好”，改變一下固有的思維與教學模式，使學生樂于接受所學的新知識，變被動學習為主動學習。我們采取具體做法是：

（1）啟發式教學。在教學過程中，教師的主要作用在于引導和啟發學生積極思考，尤其《固體物理》這類理論性較強的課程。如果學生僅僅限于在課堂上被“填鴨式”式的灌輸知識而不經過嚴密的思考與推理，很難深刻理解和掌握所學的內容。因此，就要求教師在授課過程中，適時的啟發學生去思考問題的來龍去脈，教會學生科學的思維方法，往往能達到事半功倍的效果[4]。

（2）案例教學。選取符合知識點應用要求的、貼近生活與技術發展的、學生感興趣的案例，師生共同分析、討論，從而提高學生分析問題能力與知識應用能力。比如課程體系講授到晶格常數時，引入聚苯乙烯微球人工微結構概念和半導體超晶格概念，并要求學生就相關概念進行文獻分組調研，PPT制作，下次課程時間面向同學進行介紹。相比以前老師直接給學生舉例的教學方式，案例教學法激發了學生的學習熱情，使學生成為學習的主人、課堂的主角，課堂氣氛生動活潑。

（3）實踐教學。《固體物理》是一門與實踐密切聯系的課程，在《固體物理》教學中，強調理論與實際的聯系，這樣可以激發學生學習的主動性、自覺性和創造性，使學生感到所學知識的用處和價值，由此可培養學生靈活應用所學知識解決問題的實踐能力。在《固體物理》的教學中，為了讓學生更深刻地理解所學知識，應該適當安排《固體物理》實驗。如講授晶體結構時，可以安排學生作X射線衍射分析實驗。通過親自實驗，學生不但掌握了晶體的衍射理論知識，也可使學生體會到現代分析方法在材料研究中的重要性和必要性。通過安排《固體物理》實驗，不但使學生加深了對理論知識的理解，同時也大大提高了觀察能力、動手能力和分析問題的能力。

3　結語

總之，在材料類專業《固體物理》教學過程中，要充分認識到材料類專業學生與物理學專業學生的不同，因材施教。此外，還要結合凝聚態物理與材料學發展的前沿和本校的科研工作，充分的利用現代化教學手段進行教學。實踐證明，上述文中所提到的教學改革方法能有效提高學生的學習興趣與綜合素質。但是，《固體物理》教學改革是一個龐大而又復雜的系統工程，課程改革的進行涉及到諸多方面，這就需要我們廣大教育工作者做更多地研究和探索，同時不斷提高自身的能力。要造就創新人才，除改變教育觀念，營造生動活潑的人文環境外，還要加強我們教師隊伍建設，提高他們培養創新人才的能力。

參考文獻

［1］馮端.固體物理學大辭典[M].北京:高等教育出版社,1995.

［2］黃昆,韓汝琦.固體物理學[M].北京:高等教育出版社,1997.

［3］馮端,師昌緒,劉治國.材料科學導論[M].北京:化學工業出版社,2002.

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霍爾效應是美國物理學家霍爾于1879年在研究金屬的導電機構時發現的.當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現電勢差，這一現象便是霍爾效應.這個電勢差也被叫做霍爾電勢差.量子霍爾效應是霍爾效應的量子力學版本.一般被看作是整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的統稱.整數量子霍爾效應被馬普所的德國物理學家馮?克利青發現.他因此獲得1985年諾貝爾物理學獎.分數量子霍爾效應被崔琦、施特默和赫薩德（A.C.Gossard）發現.整數量子霍爾效應最初在高磁場下的二維電子氣中被觀測到；分數量子霍爾效應通常在遷移率更高的二維電子氣下才能被觀測到.2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，在常溫下觀察到量子霍爾效應.一些理論學家指出分數量子霍爾效應中的某些平臺可以構成非阿貝爾態（Non-Abelian States），這可以成為搭建拓撲量子計算機的基礎.

1939年2月28日，崔琦出生在中國河南省平頂山市寶豐縣肖旗鄉范莊村一個農民家庭.1949年，崔琦在新寶鎮的石橋區高皇廟上完小學，其實當時他在這個小學接受的也就是私塾般的四書、五經教育.由于當地沒有中學，崔琦只好輟學在家.他具有典型農村孩子的那種樸實和勤勞，稍大一點就幫家里干活.在他十三四歲時因為能寫會算，村里把他抽去跟著分地，無論三角形、菱形、梯形地都難不住他.當時有個方圓幾十里有名的老會計，故意找了一塊外號“一桿旗”的地塊（相當于不規則三角形）難為他.等各個邊的數據一測出，崔琦一口就說出結果來，驚得大伙兒直吐舌頭.時他還參加演出村里排的戲劇《血淚仇》，演得特別像，把滿院子看戲的人都引哭了.當人們爭著夸崔琦聰明、能干時，崔琦卻十分謙虛地笑著說我還差得遠，希望鄉親們不要這樣夸我.

1951年，在舅舅和此前兩年已在香港定居的二姐崔珂的幫助下，崔琦抵達香港，直接進入六年級學習.在香港，崔琦面臨的最大困難是語言關，一是學說廣東話，二是學好英文．后來，他進入培正中學就讀，這使他的英文進步很快，因為這是一所雙語并用的學校，課本用中文，授課用英語或是名詞中英對照，這種教學方式使崔琦受益匪淺．他后來回憶認為：“華人研讀科學應該中英文交錯使用，才可兼容并蓄，收到真正學習之效．”他說，只懂得中文會令科學家無法追讀最新的科研報告，而完全放棄中文卻是舍本逐末．崔琦在香港讀書期間，因為語言交流不便及生活艱難等諸多原因，強烈思念在家鄉的母親，兩次寫信給母親要求回老家.母親收到信后，通過別人告訴崔琦不要想家，好好讀書求學才是對父母親最大的安慰.崔琦刻苦攻讀，靠全額獎學金完成中學學業.1958年19歲的崔琦獲得美國全額資助，只身橫渡太平洋，前往美國伊利諾依州奧古斯塔納學院就讀.這時，他的父親崔長生已身患重病，臥床不起.作為唯一的兒子，崔琦本應回國為父盡孝，但母親卻始終對他隱瞞了這件事，直到1959年夏天父親去世，母親都沒對他透露一點兒消息.在這之后的9年間，母親不管自己受多大的罪，都沒有影響兒子的學業.

為了進一步深造，他又來到芝加哥大學師從史達克教授，在這里，史達克教授風趣的物理教學及物理學廣博的奧妙，使崔琦對物理學產生了特別的喜好，并開始對物理學研究投入更多的精力.當他圓滿完成這里的學業后，又前往貝爾研究室跟隨羅威爾教授學習研究，這里的物理實驗更使他趣味盎然，并決心投身于物理學的研究與探索．1967年，崔琦在芝加哥大學獲得物理學博士學位；1982年任新澤西州普林斯頓大學電子工程系教授；1984年當選美國科學院院士，成為美國物理學會、美國高尖科學學會會員，并獲濃縮物質物理巴克利獎；1998年獲本杰明?富蘭克林物理獎.

崔琦一方面治學嚴謹、專心致志，對自己鐘愛的物理學研究事業非常投入，有時為了實驗研究的需要，他不惜四處奔波，走遍波士頓及佛羅里達州，就為了找個強力磁場以進行他的“量子液體實驗”，并且工作時很少理會身旁其他事情，以致他的研究工作非常出色、非常有效率．而另一方面，崔琦又是一個很具幽默感、很隨和的人，他常視物理實驗如玩游戲，他說，能隨心所欲設計新模型，能制造一個個用錢都買不到的新產品，那種滿足感難以形容，做實驗又有何難？在研究中遇到困難時，他也會說：“外面天氣很好，到外面玩玩再回來，不要壓著自己鉆進牛角尖，松弛一下，將會更有利于問題的解決．”

普通而又平凡的出身，坎坷的境遇，嚴格的家規，傳統的教育，重教的家庭，造就了一個樸實、溫順、勤奮、聰慧、堅韌的崔琦.

篇10

隨著計算機的普及和利用，多媒體教室普遍存在，并被廣泛使用。多媒體教學手段的利用，有助于學生對固體微觀結構的理解。例如，可以通過視頻或PowerPoint文件，可以直觀地展示晶體的微觀結構、原胞的選取、原胞的形狀等。與傳統板書相比，利用多媒體呈現并分析固體的微觀結構以及晶體的結構特征，對教師而言，更加省時、省力；幾何關系的表達也更為準確，便于學生的理解。此外，若能結合三維的原子實物模型，那么，固體的微觀結構將能更為直觀地展現在學生眼前。多媒體與三維模型的應用對于學生理解固體的微觀結構、晶格的周期性、原胞、晶體的對稱性等基礎概念很有好處。當然，多媒體教學也存在著一定的局限性。例如，在公式的推導、基礎概念的講解等方面，板書其實更受學生的歡迎。與多媒體教學相比，板書的節奏慢，師生間可以有較多的互動；學生相對容易跟上教師思考問題、解決問題的步伐，學生也能有較充分的時間來理解各個知識點、梳理要點以及做筆記等。因此，多媒體教學還需適當地與傳統板書相結合才能達到較好的教學效果。

二、教學內容的取舍

由于固體物理學融合了普通物理、熱力學與統計物理、量子力學、晶體學等多學科的知識，其知識面廣、量大，在有限的學時里，不可能面面俱到地討論固體物理學所涉及的所有知識點。因此，實際教學中可以結合本專業的特色，有選擇地取舍部分教學內容。例如，側重固體熱學性質的專業可以考慮以晶格振動等內容為主；而側重微電子的專業則可以考慮以能帶理論、半導體中的電子等內容為主。當然，一些多個領域都涉及到的基礎知識也應是這門課程不可缺少的一部分內容。固體的微觀結構和結合方式是固體物理學的基礎，因此，晶體的結構和晶體的結合等知識點應是這門課程的基礎知識之一。考慮到理想晶格由原子實和電子組成，晶格的運動主要在晶格振動等部分討論；而電子的運動主要在能帶理論等部分討論，具體還可以分為金屬中電子的運動和半導體中電子的運動等部分。盡管這原子實和電子的運動實際上相互聯系，但很多時候，可以分別側重討論。此外，實際晶體也并非理想晶體；實際晶體除了有邊界之外，也常含有缺陷。但在許多情況下，晶格的振動、電子的運動和缺陷的影響依然可以依據實際情況分別討論，并得到與實際較為符合的理論結果。因此，晶格振動、能帶理論和缺陷等知識點之間相對獨立，或可根據各專業的實際情況取舍部分教學內容。在許多固體物理學的教材中，例如黃昆等的《固體物理學》教材和閻守勝的《固體物理基礎》教材，密度泛函理論并沒有被提到。事實上，密度泛函理論是一個被廣泛使用的基礎理論，它是凝聚態物理前言研究的有效手段之一，也是材料設計的一種有效方法。教學過程中，教師可以結合各專業的實際情況介紹一些密度泛函理論的基礎知識。同時，還可以介紹一些最新的相關研究進展，以拓展學生的知識面、提高學生的學習興趣。

三、模塊化的教學形式

如前所述，固體物理學中的許多知識點間相對獨立；基于這門課程的特征，教師在教學過程中可以考慮模塊化的教學形式，以子課題的形式將相應內容呈現給學生。可能的模塊如：討論晶體的結構和晶體的結合方式的基礎模塊———晶體的結構與結合；討論晶體中原子實運動的模塊———晶格振動；討論晶體中電子運動的模塊———能帶理論；討論實際晶體中可能存在的缺陷的模塊———晶體的缺陷等；其中，能帶理論部分還可分為：近自由電子模型、緊束縛模型、贗勢方法等數個部分。這樣做首先有利于教學內容的取舍；其次，有利于學生對各知識點的理解、有利于學生梳理清楚各個知識點之間的關系。此外，固體物理學是凝聚態物理前沿研究的基礎之一；其基礎知識、理論推導、實驗背景以及處理問題的方式方法等，都是開展凝聚態物理研究的基礎。而模塊化教學，以課題研究的形式提出問題、解決問題，將教學內容以問題為導向呈現給學生，這有助于培養學生的學習能力和解決實際問題的能力。而且，課題研究的教學模式，既是在教授學生知識，也是在開展科研，有助于提高學生對科研的認識、有助于培養學生的科研能力。這種課題研究的模塊化教學形式還可以結合基于原始問題的教學來開展。

四、基于原始問題的教學

所謂原始問題，可簡單理解為：現實生活中實際存在的、未被抽象加工或簡化的問題。于克明教授、邢教授等人詳細探討了原始物理問題的諸多方面；此外，周武雷教授等人還討論了原始物理問題含義的界定等相關問題，并呼吁將基于原始物理問題的教學實踐引入大學物理的教學中。這應是個值得提倡的建議，畢竟現實生活中遇到的具體問題都是原始問題。與傳統的習題不同，原始問題未被抽象、加工或簡化。學生處理實際問題的第一步便是將問題適當簡化，這也是學生需要學習的一種能力。事實上，合理的模型簡化是各種理論的基礎，也是實際應用或科研必不可少的一種能力。例如，討論晶格熱容的愛因斯坦模型和德拜模型，盡管模型簡單，但它們數十年來是我們討論、分析相應問題的基礎。今天，那些被寫進教科書的基礎理論，在當時、在理論剛被提出時，都是為了原始問題的解決。下面以晶體熱容為例，稍加詳述。問題的背景：根據經典的熱力學理論，晶體的定體摩爾熱容是個與溫度無關的常數。實驗發現晶體的熱容在高溫下確實接近于常數，但是晶體的熱容在低溫下并不是個常數，其與溫度的三次方成比例關系。問題的提出：理論預言與實驗觀測為何不相符？如何解釋實驗現象？20世紀初剛剛發展起來的量子力學是否能解釋這個實驗現象？這些問題在愛因斯坦的年代應該都是前言的科研問題。問題的簡化：（1）不考慮邊界、缺陷、雜質等的影響，將實際晶體抽象為理想晶體；（2）基于絕熱近似，不考慮電子的具體空間分布，將原子當作一個整體，原子—原子間存在相互作用；（3）基于近鄰近似，只考慮近鄰原子間的相互作用；（4）基于簡諧近似，將原子間的相互作用勢在原子的平衡位置作泰勒級數展開，并保留到二階項。問題的解決：基于上面的模型簡化，寫出描述原子運動的牛頓第二定律，并求解方程組，這些方程組與相互獨立的簡諧振子的運動方程組相對應。結合量子力學，得到體系的能量本征值；寫出晶格振動總能的表達式，繼而給出由晶格振動貢獻的晶格熱容的表達式。由于晶格熱容的表達式復雜，很難直接與實驗結果對比，因此引入進一步的簡化和近似———愛因斯坦模型或德拜模型。這種提出問題、分析問題、解決問題的方式與做前言科學研究的方式相接近，既能提高學生對科研的認識、培養學生的科研能力，又能培養學生理論聯系實際、解決實際問題的能力。

五、小結