導語：如何才能寫好一篇量子力學基礎理論，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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量子力學是在20世紀初由馬克斯·普朗克、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡、埃爾溫·薛定諤、沃爾夫岡·泡利、路易·德布羅意、馬克斯·玻恩、恩里科·費米、保羅·狄拉克、阿爾伯特·愛因斯坦、康普頓等一大批物理學家共同創立的。

量子力學是研究微觀粒子的運動規律的物理學分支學科，它主要研究原子、分子、凝聚態物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論，它與相對論一起構成了現代物理學的理論基礎。量子力學不僅是近代物理學的基礎理論之一，而且在化學等有關學科和許多近代技術中也得到了廣泛的應用。許多物理學理論和科學如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科都是以量子力學為基礎所進行的。

（來源：文章屋網 ）

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[關鍵詞]量子；特性；意識；應用

中圖分類號：O413.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）25-0298-01

一、量子的基本知識

1、量子

我們在物理學中提到“量子”時，實際上指的是微觀世界的一種行為傾向，也就是可觀測的物理量都在不連續地變化。？比如，我們說一個“光量子”，是因為單個光量子的能量是光能變化的最小單位，光的能量是以單個光量子的能量為單位一份一份地變化的。對于量子的種種特性，連不少科學家都為之迷惑，對于我們普通人來說自然更加高深。今天我就試著走近它，來發現她“幽靈”般的的魅力。

2、量子的特性

量子的奇妙之處首先在于它的奇妙特性――量子疊加和量子糾纏。

量子疊加就是說量子有多個可能狀態的疊加態，只有在被觀測或測量時，才會隨機地呈現出某種確定的狀態，因此，對物質的測量意味著擾動，會改變被測量物質的狀態。好比孫悟空的分身術， 孫悟空可能同時出現在幾個地方，他的各個分身就像是他的疊加態。在日常生活中，我們不可能在不同的地方同時出現，但在量子世界里它卻可以同時出現在多個不同的地方。”

而所謂的量子糾纏，則意味著兩個糾纏在一起的量子就像有心電感應的雙胞胎，不管兩個人的距離有多遠，當哥哥的狀態發生變化時，弟弟的狀態也跟著發生一樣的變化。“如果這兩個光量子呈糾纏態的話，哪怕是千公里量級或者更遠的距離，還是會出現遙遠的點之間的詭異互動，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。科學家就可以利用這種效應將甲地某一粒子的未知量子態，在乙地的另一粒子上還原出來。量子糾纏的廣泛應用將會改變我們的生活，真正地突破時空的局限，交通、物流也就不再會有時間與空間的阻礙了。我國發射的“墨子號”量子衛星昭示著我國在量子通信領域已處于世界領先的地位。

二、意識是量子力學現象

人們的意識一直都沒有搞清楚，用經典物理學的電學、磁學及力學方法去測量意識是測量不出來的，科學家們現在已經開始認識到了意識是種量子力學的現象，意識的念頭像量子力學的測量。為什么這么說呢？比如我們面前出現了一座房子，這時有兩種可能的狀態：一個沒有任何心思的人會看房非房，他的意識處于自由的狀態，沒看到房子是石頭的還是木頭的，他根本就不動念頭。意識也是這樣，如果你看到這座房子，一下子動念頭了，動念頭實質上就是作了測量。

客觀世界是一系列復雜念頭造成的。有一本非常著名的書叫《皇帝新腦》， 就是研究意識，他認為計算機僅僅是邏輯運算，不會產生直覺，直覺只能是量子系統才能夠產生，意識是種量子力學現象，意識的念頭像量子力學的測量。而人的大腦有直覺，也就是說人的意識不僅存在于大腦之中，也存在于宇宙之中，量子糾纏告訴我們，一定有個地方存在著人的意識。

三、量子技術的應用

科學家認為，量子糾纏是一種 “神奇的力量”，可成為具有超級計算能力的量子計算機和量子保密系統的基礎。實際上，量子糾纏還有很多奇妙的應用，可以在許多領域中突破傳統技術的極限。量子技術已經成為一個新興的、快速發展中的技術領域。這其中，量子通信、量子計算、量子成像、量子生物學是目前的方向。

1、量子通信

量子通信就是通過把量子物理與信息技術相結合，利用量子調控技術，確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度。 廣義地說，量子通信是指把量子態從一個地方傳送到另一個地方，它的內容包含量子隱形傳態，量子糾纏交換和量子密鑰分配。狹義地說，實際上只是指量子密鑰分配或者基于量子密鑰分配的密碼通信，解決了以往用微電子技術為基礎的計算機信息技術極易遭遇泄密的問題。

2、量子計算

量子計算是量子物理學向我們展示的又一種強大的能力，源自于對真實物理系統的模擬。模擬多粒子系統的行為時，當需要模擬的粒子數目很多時，一個足夠精確的模擬所需的運算時間則變得相當漫長。而如果用量子系統所構成的量子計算機來模擬量子現象則運算時間可大幅度減少，從此量子計算機的概念誕生。

3、量子成像

量子成像是從利用量子糾纏原理開始發展起來的一種新的成像技術，有一種比較奇妙的現象稱之為“鬼成像”。比如將糾纏的雙光子分別輸入兩個不同的光學系統中，在其中一個系統里放入待成像的物體，通過雙光子關聯測量，在另一個光學系統中能再現物體的空間分布信息。即與經典光學成像只能在同一光路中得到物體的像不同，鬼成像可以在另一條并未放置物體的光路上再現該物體的成像。

4、量子生物學

量子生物學是利用量子力學的概念、原理及方法來研究生命物質和生命過程的學科。薛定諤在《生命是什么》一書中對這一觀點進行了詳盡的闡述，提出遺傳物質是一種有機分子，遺傳性狀以“密碼”形式通過染色體而傳遞等設想。這些設想由脫氧核糖核酸雙螺旋結構模型而得到極大的發展，從而奠定了分子生物學的基礎。分子的相互作用必然涉及其電子的行為，而能夠精確描述電子行為的手段就是量子力學。因此量子生物學是分子生物學深入發展的必然趨勢，是量子力學與分子生物學發展到一定階段之后相互結合的產物。

愛因斯坦相對論指出：相互作用的傳播速度不會大于光速，可是對于分開很遠距離的兩個處于糾纏態中的粒子，當對一個粒子進行測量時，另一個粒子的狀態受到關聯關系已經發生了變化，這種傳輸的理論速度可以遠遠超過光速。這一現象被愛因斯坦稱為“詭異的互動性”。量子糾纏是量子物理學里最稀奇古怪的東西，即使腦洞大開我們還是很難領會它，另外從常識角度來看，量子理論描述的自然界很荒謬，許多解釋還涉及到哲學問題。但另一方面，量子物理學有很廣泛的應用，它的發展可能帶來行業面貌的改變，所涉及的范圍從量子計算機到人工智能，無所不含，這也正是我們深入學習、研究量子物理的動力所在啊！

參考文獻

[1] 薛定諤，生命是什么.

[2] 舒娜，量子糾纏技術與量子通信.

[3] 尼古拉.吉桑著，周榮庭譯，跨越時空的骰子.

[4] 中國科普博覽.

[5] 科普中國.

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關鍵詞：微電子；半導體物理；教學質量；教學方法

作者簡介：湯乃云（1976-），女，江蘇鹽城人，上海電力學院計算機與信息工程學院，副教授。（上海200090）

基金項目：本文系上海自然科學基金（編號：B10ZR1412400）、上海市科技創新行動計劃地方院校能力建設項目（編號：10110502200）的研究成果。

中圖分類號：G642.0     文獻標識碼：A     文章編號：1007-0079（2012）13-0059-02

隨著半導體和集成電路的迅猛發展，微電子技術已經滲透到電子信息學科的各個領域，電子、通信、控制等諸多學科都融合了微電子科學的基礎知識。[1]作為微電子技術的理論基礎，半導體物理研究、半導體材料和器件的基本性能和內在機理是研究集成電路工藝、設計及應用的重要理論基礎；作為微電子學相關專業的特色課程及后續課程的理論基礎，“半導體物理”的教學直接影響了后續專業理論及實踐的教學。目前，對以工程能力培養為目標的微電子類相關專業，如電子科學與技術、微電子、集成電路設計等，均強調培養學生的電路設計能力，注重學生的工程實踐能力的培養，在課程設置及教學上輕視基礎理論課程。由于“半導體物理”的理論較為深奧，知識點多，涉及范圍廣，理論推導復雜，學科性很強，對于學生的數學物理的基礎要求較高。對于沒有固體物理、量子力學、統計物理等基礎知識背景的微電子學專業的學生來說，在半導體物理的學習和理解上都存在一定的難度。因此需要針對目前教學過程中存在的問題與不足，優化和整合教學內容，探索形象化教學手段，結合科技發展熱點問題，激發學生的學習興趣，提高半導體物理課程的教學質量。

一、循序漸進，有增有減，構建合理的教學內容

目前，國內微電子專業大部分選用了電子工業出版社劉恩科等編寫的《半導體物理學》，[2]教材知識內容體系完善，涉及內容范圍廣、知識點多、理論推導復雜、學科交叉性強。該教材的學習需要學生有扎實的固體物理、量子力學、統計物理以及數學物理方法等多門前置學科的基礎知識。但是在以培養工程技術人員為目標的微電子學類專業中，國內大部分高校均未開設量子力學、統計物理學及固體物理學等相應的前置課程。學生缺少相應固體物理、統計物理與量子力學等背景知識，沒有掌握相關理論基礎，對半導體物理的學習感到頭緒繁多，難以理解，容易產生畏學和厭學情緒。

在課程教學中教師必須根據學生的數理基礎，把握好課程的內容安排，抓住重點和難點，對原有的教材進行補充更新，注意將部分量子力學、統計物理學、固體物理學等相關知識融合貫穿在教學中，避免學生在認識上產生跳躍。例如在講解導體晶格結構內容前，可以增加2-3個學時的量子力學和固體物理學中基礎知識，讓學生在課程開展前熟悉晶體的結構，了解晶格、晶胞、晶向、晶面、晶格常數等基本概念，掌握晶向指數、晶面指數的求法，了解微觀粒子的基本運動規律。在講解半導體能帶結構前，增加兩個學時量子力學知識，使學生了解粒子的波粒二象性，掌握晶體中薛定諤方程及其求解的基本方法。在進行一些復雜的公式推導時，隨時復習或補充一些重要的高等數學定理及公式，如泰勒級數展開等。這些都是學習“半導體物理學”必備的知識，只有在透徹理解這些基本概念的前提下，才能對半導體課程知識進行深入地學習和掌握。

另一方面，對于微電子學專業來講，側重培養學生的工程意識，“半導體物理”課程中的部分教學內容對于工科本科學生來說過于艱深，因此在滿足本學科知識的連貫性、系統性與后續專業課需要的前提下，大量刪減了涉及艱深物理理論及復雜數學公式推導的內容，如在講述載流子在電場中的加速以及散射時，可忽略載流子熱運動速度的區別及各向異性散射效應，即玻耳茲曼方程的引入，推導及應用可省略不講。

二、豐富教學手段，施行多樣化教學方法，使教學形象化

半導體物理的特點是概念多、理論多、物理模型抽象，不易理解，如非平衡載流子的一維飄移和擴散，載流子的各種復合機理，金屬和半導體接觸的能帶圖等。這些物理概念和理論模型單一從課本上學習，學生會感覺內容枯燥，缺少直觀性和形象性，學習起來比較困難。為了讓學生能較好地掌握這些模型和理論，需要采用多樣化的教學方法，充分利用PPT、Flash等多媒體軟件、實物模型、生產錄像等多種信息化教學手段，模擬微觀過程，使教學信息具體化，邏輯思維形象化，增強教學的直觀性和主動性。同時，教師除開展啟發式、討論式等教學方法調動學生學習的主動性、積極性外，[3，4]還可以應用類比方法幫助他們理解物理概念或模型。如講半導體材料中的缺陷及躍遷機制時，為了幫助學生理解，可以做一個類比：將階梯教師里單位面積的座位數比做晶格各能級上的電子能態密度，把學生當作電子，一個學生坐在某一排的某個座位上，即認為這個電子被晶格束縛。當有外來學生進入教室，在教室過道上走動時，可類比為間隙式缺陷；而當外來學生取代現有學生的座位時，可類比為填隙式缺陷等等。通過類比，學生對半導體內部的點缺陷的概念的理解就清楚形象多了。

三、結合微電子行業領域的迅速發展，以市場為導向，培養學生興趣

微電子技術的發展歷史，實際上就是固體物理與半導體物理不斷發展和創新的過程，[5]1947年發明點接觸型晶體管、1948年發明結型場效應晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、CMOS技術、半導體隨機存儲器、CPU、非揮發存儲器等微電子領域的重大發明，都與一系列的固體物理、[6]半導體物理及材料科學的重大突破有關。縱觀微電子工業的發展，究竟是哪些半導體理論推動了微電子技術的發展，哪些科學家推導并得出了這些理論？他們在理論推導的同時遇到了哪些困難？這些理論規律又起源于哪些實驗？到了21世紀，也就是今后50年微電子技術的發展趨勢和主要的創新領域，[5，6]即以硅基CMOS電路為主流工藝，系統芯片SOC（System On A Chip）為發展重點，量子電子器件和以分子（原子）自組裝技術為基礎的納米電子學；[7]與其他學科的結合誕生新的技術增長點，如MEMS，DNA Chip等，也都于半導體科學相關。這些新的微電子發展趨勢主要涉及半導體物理中的哪些知識？涉及哪些領域等？

針對以上問題，教師在講授半導體物理的基礎上，對教材進行補充更新。在保持基礎知識體系完整性的同時，避免面面俱到，刪減課本中一些不必要的內容，大量加入近幾十年來發展成熟的新理論、新知識，突出研究熱點問題，力求做到基礎性和前瞻性的緊密結合，使學生在掌握基礎知識的同時對微電子發展歷史中半導體技術的發展趨勢有一個清晰地認識，讓學生能從中掌握事物的本質，促進思維的發展，形成技能；同時注重與信息化技術相結合，將近幾年半導體技術的最新研究成果，如太陽能電池等半導體光伏發電技術在國家綠色能源戰略上的地位，半導體光電探測器在國家航天戰略上的應用等，使學生能及時掌握半導體技術前沿發展趨勢。將這些問題分成若干個相關的專題分派給學生，學生自行查閱和搜集資料，他們在課堂上講述該專題，教師加以引導和幫助。這種方式不僅充分調動課堂氣氛，加深他們對所學知識的理解，同時也讓學生學習了半導體物理課程在微電子專業中課程體系的作用，在科學意識上加深了半導體物理課程的重要性，激發學習興趣和欲望。

同時，為幫助學生了解學術前沿，培養專業興趣，還可邀請校內外的專家做講座，學生可以利用課余時間，根據自己的興趣選擇聽取，加深對半導體物理課程的了解，培養專業學習興趣。

四、總結

總之，“半導體物理學”是微電子技術專業重要的專業基礎課，為后續專業課程的學習打下理論基礎。在“半導體物理”教學過程中，應積極采用現代化教學手段提高學生積極性，在教學過程中合理安排教學內容，與時俱進引入科技熱點，削弱傳統的課本知識與市場需求的鴻溝，培養適應社會需求的微電子人才。

參考文獻：

[1]張興,黃如,劉曉彥.微電子學概論[M].北京:北京大學出版社,2000.

[2]劉恩科,朱秉升,羅晉生.半導體物理學[M].北京:電子工業出版社,

2008.

[3]陳國英.《半導體器件物理基礎》課程教學的思考[J].常州信息職業技術學院學報,2007,(6):56-57.

[4]王印月,趙猛.改革半導體課程教學融入研究性學習思想[J].高等理科教育,2003,(1):69-71.

[5]王陽元,張興.面向21世紀的微電子技術[J].世界科技研究與發展,

1999,(4):4-11.

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關鍵詞 物理學 分析 前景

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A

Physics Professional Analysis

ZENG Daimin[1], LI Yong[2]

([1]Physics Department, Physics College, Chongqing University, Chongqing 400040;

[2]State Intellectual Property Bureau Patent Examination Coordination Center, Beijing 100190)

AbstractThis paper combine with the cultivation of students in Physics professional, takes a professional analysis on Physics major, including Physics professional direction settings, course setting, and cultivating specification as well as employment prospects of the students.

Key wordsPhysics; analyse; prospects

物理學是研究物質運動和相互作用的規律的科學，是除數學外最基本的一門學科。物理運動是自然界最普遍的一種現象，因此物理學研究的對象和內容就是宇宙間各種物質的性質、存在狀態、各種物理運動形式及其轉化現象、物質的內部結構及這些內部結構的組成部分，物理領域的各種基本相互作用及其規律。由于一切物理現象都在時間、空間中表現出來和發生運動和轉化，所以物理學也要研究時間和空間的性質、聯系等。 進行物理學研究，首先是觀察各種客觀物理現象，再從許多表象性的現象中，揭示基本規律，建立較為系統的理論。物理學研究除了要依靠好的科學方法外，還要取決于認知工具。工具越先進，研究效率越高，成果越顯著。 物理學在發展過程中形成了一套完整的科學方法，它對其他學科的研究，乃至哲學發展，都有重要意義。①重慶大學物理學專業從2008年開始正式招生，到現在，第一屆學生即將進入大四。通過這幾年對物理學專業學生的培養，我們有一些體會，與同行共勉。

1 專業方向設置

1.1 理論物理方向

理論物理學從各類物理現象的普遍規律出發，運用數學理論和方法，系統深入的闡述有關概念，現象及其應用。理論物理是從理論上探索自然界未知的物質結構、相互作用和物質運動的基本規律的學科。理論物理的研究領域涉及物理學所有分支的基本理論問題。理論物理是在實驗現象的基礎上，以理論的方法和模型研究基本粒子、原子核、原子、分子等物質運動的基本規律，從而解決學科本身和在高科技探索中提出的基本理論問題。重慶大學物理學院理論物理方向目前包括：高能物理、引力波、天體物理、量子信息與量子通信等幾個分支。

1.2 凝聚態物理方向

凝聚態物理學是從微觀角度出發，研究由大量粒子（原子、分子、離子、電子）組成的凝聚態的結構、動力學過程及其與宏觀物理性質之間的聯系的一門學科。凝聚態物理是以固體物理為基礎的外向延拓。凝聚態物理的研究對象除晶體、非晶體與準晶體等固相物質外還包括從稠密氣體、液體以及介于液態和固態之間的各類居間凝聚相，例如液氦、液晶、熔鹽、液態金屬、電解液、玻璃、凝膠等。經過半個世紀的發展，目前已形成了比固體物理學更廣泛更深入的理論體系。特別是上世紀八十年代以來，凝聚態物理學取得了巨大進展，研究對象日益擴展，更為復雜。一方面傳統的固體物理各個分支如金屬物理、半導體物理、磁學、低溫物理和電介質物理等的研究更深入，各分支之間的聯系更趨密切；另一方面許 多新的分支不斷涌現，如強關聯電子體系物理學、無序體系物理學、準晶物理學、介觀物理與團簇物理等。從而使凝聚態物理學成為當前物理學中最重要的分支學科之一。由于凝聚態物理的基礎性研究往往與實際的技術應用有著緊密的聯系，凝聚態物理學的成果是一系列新技術、新材料和新器件，在當今世界的高新科技領域起著關鍵性的不可替代的作用。

2 主干課程設置

重慶大學物理學專業的主干課程有力學：使學生比較系統地掌握力學基礎知識，且能比較靈活加以應用。培養學生獨立分析問題與解決問題能力，初步培養學生的唯物主義世界觀。主要內容有質點運動學、牛頓運動定律、動量守恒定律和動量定理、功和能與碰撞問題、角動量、剛體力學、振動和波。熱學：使學生掌握物質熱運動形態的規律性和熱運動與機械運動，電磁運動等其它基本運動形式之間轉化的規律性。掌握統計規律性和統計的方法以及物性方面的知識，培養學生分析問題和解決問題的能力。主要內容有熱力學第零、第一、第二定律和熵、分子運動論、輸運過程、固體和液體及相變。電磁學：使學生全面地、系統地了解和掌握電磁運動的基本現象、基本概念和基本規律，具有一定的分析和解決電磁問題的能力，為后繼課程奠定必要的基礎。主要內容有靜電場、靜電場中導體和電介質。穩恒電流、穩恒磁場、電磁感應、磁介質、交流電初步、麥克斯韋電磁理論和電磁波、電磁單位制。光學：使學生比較系統地掌握光學的基本知識，主要講授幾何光學、波動光學、量子光學初步和光學應用。原子物理學：使學生掌握原子結構的性質和一般規律，掌握和了解核的性質與核能利用，了解粒子的基本性質。講授盧瑟福模型、氫原子的玻爾理論、量子力學初步、原子的精細結構、多電子原子、X射線、原子核物理概論。理論力學：使學生掌握力學的基本理論，培養學生理性思維能力。講授質點力學、質點組力學、剛體力學、非慣性系動力學與分析力學等基本理論。熱力學與統計物理：使學生掌握物質的熱運動規律及熱運動對物質宏觀性質的影響。講授熱力學的基本定律，熱力學函數、平衡及穩定條件，相平衡及化學平衡，不可逆過程熱力學，最可幾統計法――玻爾茲曼分布、費米分布、玻色分布，氣體和固體的熱容量理論，金屬中的電子氣體、平衡輻射，系統理論，熱力學的統計表達式，非理想氣體態式，漲落理論，非平衡態統計物理簡介。電動力學：使學生掌握電磁場的基本屬性及運動規律以及它和帶電物質之間的相互作用。講授電磁現象的普遍規律，靜電場和穩定電流磁場，電磁波的傳播，電磁波的輻射，狹義相對論及帶電粒子和電磁場的相互作用。量子力學：了解微觀客體運動特點，初步掌握量子力學的基本原理和方法。課程內容包括波函數、薛定鄂方程，量子力學中的力學量，態和表象理論，微擾理論等。固體物理：初步掌握固體物理的基本原理和特點。課程內容包括晶體、晶體的缺陷和擴散、晶體振動、相圖、能帶論、金屬和半導體電子論、固體的磁性和介電性等。數學物理方法：掌握有關復變函數、復變函數的積分、冪級數展開、留數定理、傅里葉級數、積分變換、數學物理方程定解問題、分離變數法、二階常微分方程的級數解法、本征值問題、球函數、柱函數、格林函數、積分變換法等數學物理方法的基本知識。

3 培養規格及要求

通過四年的物理學專業學習，要求學生掌握數學的基本理論和基本方法，具有較高的數學修養；掌握堅實的、系統的物理學基礎理論及較廣泛的物理學基本知識和基本實驗方法，具有一定的基礎科學研究能力和應用開發能力；了解相近專業的一般原理和知識；了解物理學發展的前沿和科學發展的總體趨勢；了解國家科學技術、知識產權等有關政策和法規；掌握資料查詢、文獻檢索及運用現代信息技術獲取相關信息的基本方法；具有一定的實驗設計，創造實驗條件，歸納、整理、分析實驗結果，撰寫論文，參與學術交流的能力。具有計算機應用的基本技能。較熟練地掌握一門外國語言，具有良好的聽、讀、寫作和會話能力，能夠較順利地閱讀本專業的外文資料。

4 學生就業前景分析

重慶大學物理學專業的培養目標是：培養具有寬厚扎實的物理學基礎、綜合素質優秀，并且具有良好數學基礎和實驗技能，能在物理學或相關科學技術領域中從事科研、教學、技術和相關管理工作的高素質專門人才；培養良好的創新意識和科學的思維方式，以及分析和解決實際問題的能力以適應學科交叉和社會的各種需要。

物理學專業學生畢業后主要從事以下一些行業：（1）繼續物理方向的深造，成為一名物理學家、物理教師。（2）從事與物理相關的一些工作，如技術工程師、發明家、研究助理等。（3）與物理關系不大的一些行業，如公務員、管理人員等。就業領域主要是：科研院所、高等院校、企事業單位、政府機關等。

總之，重慶大學成立物理學專業的主要目的是發現與培養真正熱愛物理的好苗子，讓他們打好基礎，再繼續深造，為物理學的發展做出貢獻。在學習的過程中，有部分同學發現自己并不是很適合學物理，可以申請轉專業，找到適合自己發展的方向。最后留下來的絕大部分同學都會繼續讀研深造，向著他們心中神圣的物理殿堂繼續努力。實踐表明，物理學專業的學生物理基礎打得非常堅實，為將來的繼續深造做好了準備，即將畢業的學生將有部分保送到中國科學院及各大高校，其余的同學也成為了本校碩士生導師爭搶的對象。物理學專業的培養是成功的，并且也已經成為重慶大學的一個優勢特色專業，它將為全國培養和輸送更多、更好的物理方面人才。

基金項目：重慶大學人才引進科研啟動基金（0903005104675）資助

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一、物理化學課程在課程體系中的地位

物理化學在兩階段工科化學(化工類)課程體系中處于樞紐地位。第一階段由化學原理(基礎物理化學)、無機化學、有機化學、分析化學等課程組成。化學原理作為理論教學內容,在對中學化學知識總結提煉上升到理性認識高度的基礎上,對后繼無機化學、有機化學作為應用教學內容提供理論基礎。第二階段由物理化學加后繼專業或專業基礎課程、選修課程組成。物理化學作為理論教學內容,既將先前所學無機化學、有機化學等知識從理性上加以認識提高,又為后繼課程提供理論基礎。[2]在專業教育的范疇內,物理化學是工科,尤其是化工、冶金、輕工等各專業必備的化學理論基礎,它銜接基礎理論和相關的專業課程,是一門專業基礎課程。

二、物理化學課程的教學內容

物理化學提供應用于所有化學以及相關領域的基本概念和原理,嚴格和詳細地闡釋化學中普適的核心概念,以數學模型提供定量的預測。因此,物理化學是分析化學、無機化學、有機化學和生物化學課程,以及其他相關前沿課題的概念的理論基礎。總體而言,物理化學理論課程可能涉及的教學內容如下:[3]

1.熱力學與平衡

標準熱力學函數(焓、熵、吉氏函數等)及其應用。熵的微觀解釋。化學勢在化學和相平衡中的應用。非理想系統、標準狀態、活度、德拜-休克爾極限公式。吉布斯相律、相平衡、相圖。電化學池的熱力學。

2.氣體分子運動學說

麥克斯韋-玻耳茲曼分布。碰撞頻率、隙流速度。能量均分定律、熱容。傳遞過程、擴散系數、黏度。

3.化學動力學

反應速率的微分和積分表達式。弛豫過程。微觀可逆性。反應機理與速率方程。穩定態近似。碰撞理論、絕對速率理論、過渡狀態理論。同位素效應。分子反應動力學含分子束、反應軌跡和激光。

4.量子力學

薛定諤方程的假定和導出。算符和矩陣元素。勢箱中的粒子。簡諧振子。剛性轉子、角動量。氫原子、類氫離子波函數。自旋、保里原理。近似方法。氦原子。氫分子離子、氫分子、雙原子分子。LCAO方法。計算化學。量子化學應用。

5.光譜

光-物質相互作用、偶極選律。線型分子的轉動光譜。振動光譜。光譜項。原子和分子的電子光譜。磁共振譜。拉曼光譜、多光子選律。激光。

6.統計熱力學

系綜。配分函數表示的標準熱力學函數。原子、剛性轉子、諧振子的配分函數。愛因斯坦晶體、德拜晶體。

7.跨學科的應用

生物物理化學、材料化學、環境化學、藥學、大氣化學等。物理化學實驗課程培養學生用物理化學原理聯系定量模型與觀察到的化學現象的能力,深化學生對模型定性假設和局限的理解,鍛煉他們采用模型定量預測化學現象的基本技能。

學生應能記錄正確的測量值,估算原始數據的誤差。學生需要理解電子儀器的原理和使用方法,操作現代儀器測量物理性質和化學變化,積累用這些儀器解決實驗問題的經驗。物理化學實驗應含有結合若干實驗方法和理論概念的綜合實驗教學內容。適用于工科化學(化工類)課程體系的物理化學實驗教學內容大體如下:

1.熱化學實驗

計算機聯用測定無機鹽溶解熱。計算機聯用測定有機物燃燒熱。溫度滴定法測定弱酸離解熱。差熱分析。

2.相平衡化學平衡實驗

不同外壓下液體沸點的測定。環己烷-乙醇恒壓氣液平衡相圖繪制。液-固平衡相圖繪制。凝固點下降法測定物質摩爾質量。沸點升高法測定物質摩爾質量。熱重分析。氨基甲酸銨分解平衡常數的測定。

3.表面化學實驗

溶液表面張力測定。沉降法測定粒度分布。BET容量法測定固體比表面積。

4.化學動力學實驗

量氣法測定過氧化氫催化分解反應速率系數。蔗糖轉化反應速率系數測定。酯皂化反應動力學。一氧化碳催化氧化反應動力學。甲酸液相氧化反應動力學方程式的建立。可燃氣-氧氣-氮氣三元系爆炸極限的測定。計算機聯用研究BZ化學振蕩反應。

5.電化學實驗

強電解質溶液無限稀釋摩爾電導的測定。離子遷移數測定。原電池反應電動勢及其溫度系數的測定。金屬鈍化曲線測定。

6.結構化學實驗

磁化率測定。分子介電常數和偶極矩的測定。

三、面向專業的物理化學教學內容建設

當然,一個工科類專業的物理化學教學不可能也不必要包含上列的所有內容。因此,各學科專業教學指導委員會根據專業的培養目標和規格,在已經或即將公布的各學科專業的指導性專業規范中,制訂了包括物理化學在內的化學課程教學基本內容作為最低要求。如化學工程與工藝專業的規范(研究型)中規定:物理化學可分為兩部分,物理化學(I)主要內容為化學熱力學和反應動力學等,作為化工主干課的基礎,應注意與化工熱力學課程和化學反應工程課程的銜接和分界(一些內容可在化工熱力學課程和化學反應工程課程中展開,以加強工程背景);物理化學(II)主要內容為溶液理論、統計力學、量子力學等方面的概要以及近展等。各專業的物理化學教學基本內容充分體現了本專業的學科特點,是在保障人才培養質量的前提下,兼顧國內各相關學校的教學條件提出的基本要求。因此,它體現的是該專業人才的知識體系的共性。由于各校的學科背景和教學條件的優勢不同,要培養具有特色的專業人才,需要在教學中研究如何在滿足各專業的教學基本內容要求的基礎上開展物理化學教學。我們認為在教學內容建設中應堅持貫徹下列原則,才能切實發揮物理化學這一門專業基礎課程的作用。[4]

1.承前啟后,發揮樞紐作用。了解授課對象的先修和后繼課程與物理化學的聯系,深化化學原理課程中的物理化學理論,介紹其在后繼專業課程中的應用,以開闊視野并兼顧系統性和趣味性。

2.少而精和博而通。傳統的基礎內容要突出重點,講深講透,體現學科框架;選擇介紹相關前沿的內容以擴大知識面。

3.提倡內容側重的多樣化。針對不同專業時要不拘一格,倡導內容側重的多樣化;即便面對同一專業,內容側重亦應有寬松的選擇余地。

4.體現工科特色,強調應用性和實踐性。引入研究型實踐項目,使學生加深對理論的理解,提高應用水平。

四、建設物理化學教學內容的措施

華東理工大學物理化學教研室在國家精品課程和國家級教學團隊建設過程中,以提高專業人才的教育質量為目標,采取了一系列措施,提高物理化學課程的教學水平和質量,促進相關專業的課程體系建設。

1.根據授課專業的先修、后繼課程,研讀相關教材,如化學工程與工藝專業的現代基礎化學、化工熱力學、化工原理、化學反應工程、化工過程分析與合成教材,了解其改革動向和內容變革,并且請有關學科的學術帶頭人做物理化學在學科領域應用介紹的報告,提出教學內容改革建議。這樣做的結果一方面可以避免教學內容上不必要的重復,另一方面可以合理地選擇教學內容側重,實現化學基礎課程與專業課程的合理銜接。

2.編寫教材和教學參考書,保障教學基本內容的教學質量,介紹物理化學學科發展、在交叉領域的應用;介紹溶液模型、線性自由能關系等半經驗方法,以銜接后繼課程。近年來編寫或修訂出版了《物理化學參考》、《物理化學》(第五版)、《物理化學導讀》、《物理化學釋疑》、《物理化學教學與學習指南》。開展教學研討,提高教師隊伍的學識水平和在教學中貫徹少而精、博而通教學思想的能力。

3.制作相關前沿課題和理論應用實例,如“正、負離子混合表面活性劑雙水相系統及其微觀結構”、“溫室氣體CO2的捕集和封存(CCS)技術”、“復雜材料的微相平衡和結構演化的數學模擬”、“離子液體的合成、性質和應用”等教學素材,進行教學資源的儲備。

4.由科學研究項目提煉研究型教學實驗,如“界面上聚乳酸PLA膜的結構特性研究”、“生物柴油中脂肪酸甲酯的GC-MS測定”、“MCM-41介孔氧化硅材料的合成和表征”等;形成各類研究性課題,如“生物柴油的制備及性能檢測”、“Gem-ini表面活性劑連接基團對合成硅基介孔材料結構的影響”等。

篇6

摘要：隨著分子理論研究的需要和計算機技術的飛速發展，一門模擬或仿真分子運動的微觀行為的科學-分子模擬應運而生，并廣泛的應用于化學、生物學、材料科學等領域，成為理論研究的必修課，各大高校相關專業紛紛開設相應課程。本文結合教學實踐，針對分子模擬課程教學中出現的問題，從教師素質、教學內容、教學策略等方面提供經驗心得，旨在提高該課程教學質量。

關鍵詞：分子模擬 教學效果 教學策略

理論分析、實驗測定及模擬計算已成為現代科學研究的三種主要方法。分子模擬即是模擬計算方法中的一種，它是指利用理論方法與計算技術，模擬或仿真分子運動的微觀行為[1]。它廣泛的應用于物理、化學、生物、材料等領域，小至單個化學分子，大至復雜生物體系或材料體系都可以是它用來研究的對象[1]。因而對科學與技術研究，尤其是基礎理論研究，是一門得力而又必備的工具。由于計算機科學和技術的飛速發展，分子模擬研究與預測的地位日漸突顯。在新材料的研究和開發中，采用分子模擬技術，從分子的微觀性質推算及預測產品材料的介觀、宏觀性質，已成為新興發展方向[2]。各大高校和研究機構紛紛開設相應課程。作為這個領域的教學者，面臨著特殊的挑戰，我們必須培養既具有艱深化學理論基礎又有較強數學基礎、還要有很強計算機操作能力的學生，以滿足能運用理論分析，借助分子模擬軟件工具來對基礎理論研究進行分析和提供指導的要求。為了順應課程教學發展的需要，筆者結合教學實踐，針對非分子模擬課程教學中出現的問題，提出幾點建議，旨在提高教學效果和質量。

一、刻苦專研課程，打好扎實基礎

分子模擬技術涉及量子化學、統計力學、數值分析、數理統計、計算機科學等一系列非常難學的課程，此外它還集現代計算化學之大成，包括蒙特卡洛法、分子力學法、量子力學法及分子動態法，還有眾多的不同方向的應用包含的學科[2]。知識范圍非常大，理論層次非常深，學習難度相當大。對學習的人來說，是一個很大的挑戰。這就給老師提出特殊要求，首先老師要先自己學好這些課程，然后還要做到深入淺出，這樣才有可能去教學生，使學生能夠接受。而要達到更好的教學效果，老師必需刻苦專研課程，打好扎實基礎，打鐵先要自身硬，才能游刃有余。

二、緊跟學科前沿，豐富教學內容

分子模擬的迅猛發展要求我們不斷學習新的理論和實踐知識，更新教學內容以拓寬學生的視野。近年來分子模擬技術發展迅速并在多個學科領域得到了廣泛的應用[2]。在化學領域，可用于研究表面催化及機理等；在藥物設計領域，可用于研究藥物、病毒的作用機理等；在生物科學領域，可用于預測蛋白質的多級結構與性質[3]；在材料學領域，可用于研究材料的力學性能與結構、優化設計等；在石油化工領域，可用于催化劑合成設計、結構表征、擴散吸附等。此外，隨著研究水平的提高，相應的新信息、新要求及網絡資源都在不斷更新，很多教材中的概念、講解實例都已經不再是當前最普遍、最實用的了，因此很多學生在查閱文獻時發現課堂所學的內容與最新研究有出入，從而產生了迷茫和困惑。這就要求我們教師要緊跟學科發展前沿，了解最新研究進展，及時更新并豐富教學內容，以適應學習的要求。

三、經典案例操作，改善教學策略

分子模擬的很多基礎知識和理論非常抽象，老師在教學過程中一味推演復雜公式，學生學起來可能會非常乏味，也很難學好。分子模擬的工作可分為兩類：預測型和解釋型。預測型工作是對物質或材料進行性能預測、對過程進行優化篩選，進而為實驗提供可行性方案設計。解釋型工作即通過模擬解釋現象、建立理論、探討機理，從而為實驗奠定理論基礎。人們在從事這些工作的長期過程中，已積累了很多經典案例，這為教學提供了很好的素材。而這些都是隨著計算機在科研中的應用而發展起來的，是基礎科學與計算機科學相結合的產物。他們的工作，通常在計算機上借助分子模擬軟件工具實現，通常可重復操作演示[2，4]。因此在教學的過程中可先利用這些經典案例，利用計算機進行演示，使學生先得到感性認識，然后在此基礎再對所涉及的抽象知識和概念進行解釋，這樣可減少學習的難度，提高學生的興趣，達到好的教學效果。

上述是本人在分子模擬課程教學實踐的一些粗淺經驗。分子模擬是一門較難學習的課程，但又是一門重要且處于快速發展中的交叉學科。教師要提高實際教學效果，必須降低學習過程的難度。而緊跟學科發展前沿，完善知識體系，采用靈活多樣、切實有效地教學策略，不斷豐富教學內容，進一步提高分子模擬教學質量，還有很多方面有待探索。

參考文獻：

[1]陳敏伯. 計算化學-從理論化學到分子模擬 [M]. 北京： 科學出版社， 2009.3.

[2]Frenkel，Smit著；汪文川等譯. 分子模擬-從算法到應用[M]. 北京：化學工業出版社， 2002. 9.

篇7

1983年出生，2006年獲南京大學物理系學士學位，隨后進入中國科學院理論物理研究所學習。2008年赴英國留學，進入劍橋大學三一學院，在劍橋大學天文和宇宙學研究所攻讀博士學位。

如果，我們能夠找到一個可以描述宇宙起源的完整理論，它應該可以被所有的人所理解和掌握，而不僅僅是這個領域的科學家。它也意味著，人類理性獲得的巨大成功，和人類透析上帝思考的偉大智慧。

――斯蒂芬?霍金《時間簡史》

浩渺的宇宙，總是激起人們無限的遐想與追問：宇宙從何而來，宇宙如何演化，宇宙將走向何方，在宇宙中我們是否是孤獨的人類？要找出這些神秘問題的答案，只能訴諸于復雜和抽象的物理理論，以及精確的實驗技術。當我在燦爛的星空下仰望蒼穹，心中升起種種猜想和疑惑時，一條世界重大科技新聞，將我的目光和興趣聚焦到了天體物理學和宇宙學。

在南大確定研究方向

1998年，美國加州大學伯克利分校和約翰?霍普金斯大學的2個研究組，通過對超新星光度距離的研究，發現了宇宙暗能量的存在。通過分析，他們發現，距離太陽系遠處的超新星，正加速向我們離去。從1929年起，哈勃(Edwin Hubble)就告訴人們，遠處的星系正向我們退行，即宇宙在膨脹。然而由于萬有引力，物質之間會不斷地吸引，以及塌縮。因此，人們認為宇宙即使膨脹，也應該減速膨脹。然而，1998年的發現卻徹底改變了人們的預期：星系正在加速向我們離去，宇宙在加速膨脹!

那么，是什么神秘的物質驅動宇宙加速膨脹的呢？這便是舉世聞名的“暗能量問題”。

2002年，我進入南京大學學習。南大的學風很好，較少受到社會上浮躁之風的影響。上大學期間，物理系組織的針對本科生的報告，我基本上每一次都去。南大物理系的優勢在于凝聚態物理和微電子物理（應用物理），所以報告基本上都是圍繞這兩方面的內容。但對于天體物理和基本粒子物理學方面的報告，卻非常少。

凝聚態物理的報告，比如納米科學、晶體生長、磁性材料等等，其實很有意思。坦率地說，我也學到了不少東西，但我總感覺這不是我想要研究的。直到2004年，一次報告將我的視野一下子打開了。這一年，美國宇航局和普林斯頓大學的WMAP衛星實驗組，了該衛星測量宇宙學基本常數的數據，確定了宇宙中暗能量占74%，暗物質占22%，可見物質只占4%。中國科學院理論物理研究所的李小源研究員和高能物理研究所的杜東生研究員作了一個“時間、空間、物質和能量的科學”的報告，介紹了國際上這方面的前沿進展。他們將微觀世界的基本粒子和整個宇宙的演化相聯系，解釋當今宇宙的星系、星系團結構是如何和宇宙及早期的微觀世界的動力學相聯系的。那個晚上精彩的演講，我至今記憶猶新。

我于是便認準了我感興趣的領域。南京大學離紫金山天文臺（辦公樓在南京市的北京西路，觀測站在紫金山上）不遠，陸院士領導的天體物理研究組每周都有討論，我爭取每周都前往參加討論，雖然那時候對宇宙中結構形成還不是很清楚，但對于暗物質和暗能量問題已有一定的了解。

我決定在畢業以后去中國科學院理論物理研究所（以下簡稱“理論所”）去攻讀理論天體物理學研究生。讓我感到慶幸的是兩件事：（1）我在大學第四年期間，已經把研究生的理論物理學課程全部跟班學習了一遍，并且參加了考試，其中有一門還得了滿分。這讓我在之后的研究過程中有了一定的基礎；（2）由于當時成績還可以，我被保送進入理論所讀碩士研究生，這使得我有了大量的時間去研究和思考一些專業問題。如果沒被保送而需要參加統考的話，我會花費很多時間去準備“考研”。我面試的時候，理論所在全國一共招收20名學生，如果我沒記錯，我當時面試總成績是99分，排名第一。我后來見到了李淼教授（弦理論專家），我還跟他討論過一個面試時我遇到的量子力學的問題。

難忘中國科學院

我到了中科院理論所之后，并沒有直接進入暗物質和暗能量的研究，而是花了很長的一段時間，學習廣義相對論的唯一性定理的知識。后來事實證明，這部分時間花得不是很值當，因為該理論的發展已經比較成熟，沒有太多可以開拓的空間。我還在宇宙的擾動理論方面花了很多的時間，成效也不是很大。因為這些東西都已經被人們非常好地發展起來了，可做的新東西不多。這時我開始逐漸地思考，以后的研究該怎樣定位，怎樣才能做一些有新意，比較獨特的研究。

暗能量的理論問題，人們尚未把它搞清楚，主要的原因是，人們對于真空能(Vacuum Energy)的本質還不甚了解，不知道究竟是哪一種基本的量子場，或者是由某種時空幾何決定的。這其實是當今國際理論物理學界的頭號難題。因此，在沒有基礎理論上取得根本進展的前提下，人們試圖去構造一些唯象（即現象學上的解釋）上的模型，去解釋宇宙的加速膨脹。當然，這些模型目前都只是唯象上的近似，并非已經得到公認的基礎理論。但是研究它們，對于天文觀測也是一種促進，因為你知道了不同的模型會有一些不一樣的宇宙觀測的預言，可以期待著在天文的一些觀測上得到驗證或排除。

我花了一段時間研究了全息暗能量，探討了它在觀測上的一些可能的預言，以及利用當時最新的天文觀測數據（超新星、微波背景輻射等）去限制了這個模型，并且首先用統計學上的貝頁斯證據(Bayesian Evidence) 去計算了它與宇宙常熟模型的之差等等。后來，在美國洛杉磯2008年初舉辦的“暗物質與暗能量”會議上，我應邀報告了這方面的一些工作。

隨著研究的深入，我逐漸感覺到，要真正地探究這些宇宙中的神秘物質，找到宇宙的起源與結構形成的一些實驗上的關鍵證據，必須掌握豐富的天文觀測資料，并具備強大的數據分析方法。在這方面，國內的研究實力很有限；應該說，不僅是中國，整個亞洲在這方面的研究都非常薄弱；于是，當2008年初我拿到一筆劍橋大學的獎學金時，我決定赴劍橋大學留學。

英國的留學生活

能來劍橋大學，實屬幸運。劍橋有一個研究實力很強的天文研究所（我現在所在的研究所），幾乎在相關的領域，研究所都有世界著名的科學家，比如唐納德?耶丹?貝爾（Donald Lyden-Bell）（星系、黑洞、廣義相對論）、馬丁?里斯（Martin Rees）(宇宙學、星系)、安德魯?費邊（Andrew Fabian）（X射線與黑洞）、羅伯?肯尼卡特（Rob Kennicutt）(恒星形成)，以及我后來的導師喬治?艾夫斯塔修（George Efstathiou）(宇宙學)。就算是一些資歷較淺的研究員也相當知名。另外，離研究所不遠，還有另外2個研究所：霍金的“理論宇宙學中心”，以相對論和宇宙弦(Cosmic String)的研究而出名；卡文迪許實驗室(Cavendish Laboratory)的天體物理研究組，以發現脈沖星和開創射電天文學而聞名。這些單位之間經常會有一些討論。

這幾年天體物理學的研究方向，主要是宇宙微波背景的研究(Cosmic Microwave Background)，以及星系和星系團等宇宙中大尺度結構的形成的研究。為什么人們要研究這些東西呢？主要的原因在于，人們試圖去了解宇宙中結構的形成，即我們所觀察到的星系團、星系、恒星系統，究竟是如何演化來的，即動力學上是如何形成的。因此，要想回答這個問題，有兩個要素是必須要了解的：星系和恒星體統形成的初條件是如何，以及動力學方程是怎樣的？而宇宙之所以復雜，就是在于動力學上，有一些很復雜的、尚未被科學家搞清楚的物理學過程（比如重子物質如何與暗物質發生相互作用等等），這會給研究結構形成的動力學帶來很多的不確定性。人們所采取的辦法主要有2個：一是觀測上要掌握大量的實驗資料，尤其是對不同種的星系和恒星系統的資料都要掌握；另外，在理論上，通過數值模擬，可以計算那些不同的微觀機制(比如上面提到的相互作用)，究竟會對最后形成的星系和恒星系統有多大的影響，從而通過與觀測對比，確定下來可能的機制。在攻讀博士學位階段，我的一些對星系的速度場的研究，主要遵循的是這個思路。

另外，對于結構形成初條件的觀測，也是非常的重要，因為這方面的觀測量，會直接影響到對早期宇宙初條件的限制。它所發生的物理學過程是這樣的：宇宙在極早期由于量子效應會產生一些時空上的量子漲落，而這些漲落經過宇宙的演化會“進化”為宇宙中不同物質密度的漲落（比如光子、可見物質，以及暗物質等等）。那么通過對于這些物質漲落能譜的觀測，我們就可以推測在宇宙的極早期，究竟是哪些量子效應在起作用，從而對宇宙的起源問題給出一些有意義的啟示。這對于理論物理學家會是非常感興趣的內容，因為理論物理學面臨的最大問題，即“大統一”問題（Grand Unification Theory），就是要去尋找能夠統一電磁力、弱相互作用、強相互作用力，以及引力的基本理論，而這種理論描述能量極高的物理，而通常的地面的加速器提供不了這么高的能量。但現在天文學家和宇宙學家卻有可能在宇宙中，找到驗證這些理論的辦法，這當然是非常重要的研究方法。沿著這條線，我也持續在做一些研究工作。

由于衛星、地面望遠鏡等天文觀測手段的不斷加強，有一些領域不斷地受到人們的重視，因為它們有可能在未來提供一些解答難題的關鍵性的實驗證據，比如：

1.再電離（Reionization）：宇宙中的原初星系是如何形成的。

2.引力波（Gravitational Waves）：驗證廣義相對論，尋找引力在早期宇宙的效應。

3.太陽系外行星問題（Extra-solar Planet）：太陽系外的行星，它們的環境如何，有沒有生命的存在等等。

這些問題，每一個都很宏大，都不是人們在幾年內就能夠輕易弄明白的，因為其中任何一個問題如果能夠被觀測到，都意味著天文學領域的重大突破。因此我認為，我們應該時刻思考著宏偉的物理圖像，并且時刻注意這方面的觀測和實驗上的突破與新的證據，以及理論方面的進展。

我時常在想，怎么樣才能真正地認識大自然，了解大自然。我逐漸找到了一條方法論，就是去認識大自然的結構，認識大自然的動力學過程。浩渺的星空，就給了我們無窮無盡的探索的空間，給了人們以“重新發現”大自然的機會。從這個意義上來說，天文學是一門有著無窮寶藏的的學科，而人類就像是在撿著貝殼的孩子，去試圖勾勒一片大海的美麗圖景。

篇8

這其中的根本原因在于，傳統理論物理教學偏重“純”理論講解和公式推導，常使學生感到枯燥無味，甚至存在“用處不大”、“無任何實用性”等誤解，因此理論物理被師生公認為“難學也難教”，總體教學效果相對不甚如意，這也是其它理工類的理論課面臨的問題。但不能把理論物理教學的這種困境完全歸因于其本身的抽象和深奧等客觀因素，實際在教學思想和教學方法等主觀因素上，目前仍存在不少弊端。調查發現，目前理論物理教學模式普遍單一，大都采用灌輸式的傳統教學，注重理論推導，這雖適宜傳授知識，但缺乏教學應有的直觀性和啟發性，并鮮能涉及前沿領域，知識面窄，與實際脫節，不重能力培養，束縛了學生的學習主動性與個性發展。

放眼到國外，我們也不難發現，最近三、四十年國外理論物理教學的變化和發展相當驚人，主要體現在以下幾方面：1.教材出發點顯著提高，深度和難點都遠超我國現有教材；2.教學內容涉及范圍更為廣泛，包含許多與科研、生產和生活密切聯系的知識內容，使人耳目一新；3.真正實現“精講多練”，對基本概念和基礎理論只作簡要介紹，而以大量經過詳細分析和解答并與實際密切聯系的例題作為主線，不僅大大開闊了學生的眼界和思路，并且還為培養學生進行獨立思考和獨立解決問題的能力進行了富有成效的示范；4.部分習題要求學生利用計算機求解，使學生的計算機知識和編程能力經受考驗并有實際用武之地。

以上這些都是我國現行的理論物理教學所無法比擬的。由于受傳統教學大綱和學時數的限制，國內高校的理論物理各門課程往往只能在搭起基本理論框架后就已接近尾聲，應用內容相當貧乏或干脆沒有，至于介紹物理學最新成就更是“鳳毛麟角”，至多也只能點到為止，絲毫體現不出理論物理在培養科學思維方法和解決實際問題的威力所在。因此，絕大多數學生反映不僅學起來十分費勁，并且學完了也不知道究竟有何用處。

如何使學生不要忽略理論物理的基礎性和重要性，即如何將“理論”物理的“應用”性價值充分體現，是“知行合一”的物理專業人才培養目標所要求的。因此，理論物理教學需改革舊的教學模式，探索一條克服弊端、走出困境的新路。就大學本科階段的物理教學而言，實驗是最能體現理論和實踐相結合的，也是培養學生實驗動手能力和創新能力的最重要環節。但調查發現，當前我國很多高校中實驗與理論授課結合不緊密，實驗的輔助作用沒有得到有效發揮，西方科技發達國家則非常重視物理實驗教學和研究問題的方法。科學素質教育的核心是培養學生的實踐能力和創新精神，因此，將物理實驗教學與理論教學兩個相對獨立的教學體系有機結合，是目前教學改革的重點和時代的必然要求。

在近幾年的教學實踐中，筆者及其課程組成員積極嘗試，將形式靈活多樣的實驗與實踐環節引入到電動力學、理論力學等系列理論物理課程，極大地激發了學生的學習興趣和熱情，初步摸索出一條針對“純”理論物理課程教學的新路子。例如針對電動力學，目前絕大多數院校的電動力學仍采取純粹的理論講授形式，我們則大膽地在理論教學之外引入了實驗教學，在近代物理實驗中精心挑選了4個與課程理論內容結合緊密、同時具有科學前沿性與應用廣泛性的實驗：高溫超導材料電溫特性測試、微波的傳輸特性和基本測量、微波分光、光拍法光速測量實驗等，供光信息科學與技術專業的學生選做，實驗成績計入平時成績。該措施得到了學生的普遍贊譽和積極響應，使他們在理論之外得到實踐鍛煉，加深了對理論的理解，提高了思考和解決問題的能力。在實驗中還鼓勵學生以已有儀器為基礎進行實驗創新。例如，在微波分光儀上，學生利用自制的模具，做了二維物體的微波衍射效應實驗，加深了對相關基本理論的理解，培養了學生科學研究的意識和實踐動手能力。

此外，課程組教師還有意識地引導學生善于發現、記錄與課堂知識有關的問題或疑點，鼓勵他們對這些問題進行討論。同時教師也在課堂上主動加入一些小課題，這些課題不一定要有重大意義或科學價值（如課本上未加詳細討論的內容），也不一定非要學生如搞科研般埋頭苦鉆。一般學生只要能嘗試寫出研究性或綜述性報告，就能達到培養基本科研素質，提高思維方法的教育目的。而對于那些肯鉆研的學生，則可根據其特點，鼓勵其參與教師的科研活動。一旦學生經過自己的鉆研獲得成功，就會得到身心的愉悅。

上述工作不但需要學生掌握好相關的課內知識點，而且需要查閱大量課外資料和文獻，從而達到了培養學生科研能力的目的。經近幾年的實踐，上述措施效果顯著。

總之，在針對如何有效地改革理論物理系列課程的教學模式這一問題上，廣大物理教師應積極思考和探索，嘗試將開放的、研究性的實驗與實踐環節靈活引入教學，使學生在有限時間內能更有效地接受知識，幫助其真正理解理論物理的“美”和“應用性”，并力圖與學生的專業知識相結合，激發其學習動機和興趣，大大提高學生的創新精神和創造力，為最終培養成為有知識、有能力、適應社會發展需要的應用型大學本科人才而打下堅實的基礎。

參考文獻:

篇9

關鍵詞：化工專業；無機化學；教學改革

無機化學是化工專業的一門主干專業基礎課[ 1]。我們的授課對象是剛剛進入大學的朝氣蓬勃的大學新生。本課程立足于學生有著深刻印象的中學化學知識基礎，教學時間涵蓋兩學期[ 2] ，64學時涉及廣泛的內容，既有基礎理論部分，又有涵蓋重要化合物組成，結構，代表性規律的元素部分[ 3] 。因此，課程的教學質量和教學效果顯得尤為重要，它直接影響大學生對專業的看法及學習興趣，學習方法和能力的培養，還為后續相關課程打下良好的基礎。

近年來，隨著高校教育改革的深化，我們結合學生的情況和化工專業的特點在教學理念和教學形式上進行了一系列探索和改進，有效提升了教學質量，建立了和諧的師生關系。現從以下幾個方面來簡要闡述。

一、精選基本教學內容

如上所述，無機化學的內容包含基本原理和元素化學兩部分。本課程是新生接觸到的第一門專業基礎課，要充分考慮到學生對新知識的渴求和已有的基礎知識，避免內容龐雜。所以，我們對教材內容進行了歸納和充實，對于中學化學里講述過的知識，例如化學平衡的特征、溶液的酸堿性的表征、氧化還原反應等基本化學原理的定性部分只做大概回顧，在本課程里著重討論他們的定量計算；而對于配合物的分步解離平衡、化學熱力學和動力學等內容在后續分析化學和物理化學課程中會詳述，在無機化學中則以定性講述為主。我們將教學基本內容概括為以溶液（電解質溶液，緩沖溶液）為基礎，結構（原子結構、分子結構、晶體結構）為主線，平衡（酸堿平衡、化學平衡、沉淀―溶解平衡、氧化還原平衡）為重點，分區（s區，p區，d區，ds區）講述，重點分明，條理清楚。特別是元素無機化學部分，具有“內容豐富、體系繁雜、歷史悠久”的特點[ 4] ，講好和學好元素化學對培養學生分析問題、解決問題和獨立創新的能力至關重要。

在備課的過程中，教師也在反復研究教材、查閱資料、精選內容，這樣才能做到高屋建瓴，視野開闊。如果講課過程中始終局限于課本，只會把課上得枯燥乏味，不能激發學生的興趣，因此，在授課內容中要注意引進補充內容，增加例題，使教學內容以課本為主又高于課本，體現教師的水平和特色。同時，某些知識點也應該根據學生的專業特點和學生實際適當進行調整。例如，在講述碳族元素的時候可以給化工專業的學生增加煤化工的基本知識為他們的后續課程做鋪墊，主族元素的性質遞變可以要求學生通過查閱資料自己總結。

二、有針對性地強化教學重難點 無機化學課程內容多，學時少，不可能使學生牢記所有物質的性質和代表性反應。因此，教學中我們盡量突出重點即基本原理的闡述，培養學生分析問題的能力。這樣即使到高年級，學生遺忘了本課程的具體內容，解決問題的方法和能力也能受用終身。教學的難點包括抽象難懂的內容和容易出錯的地方。

例如，核外電子的運動狀態是歷屆學生公認的難點。我們在教學中從回顧電子的波粒二象性開始引進薛定諤方程，結合傳統的軌道含義和學生在高中了解的電子云引進量子力學中電子的運動狀態。對相關的4個量子數的取值和應用增加大量示例，并形象地和學生所在寢室結合分析，層層深入，使學生建立核外電子運動狀態的正確概念。而配位化合物的計算這樣容易出錯的地方，我們會預先給出錯誤的實例，加深學生印象，有助于內容的強化記憶。實踐證明：有針對性地攻破難點、突出重點取得了很好的教學效果。

三、因材施教，適當引申，注重激發學生興趣 不可否認，學生的基礎、能力和知識的掌握程度有著很大的差異。所以我們也注重了教學過程中的針對性特點。對優生、學困生、中等生做到心中有數，充分考慮到他們在接受知識和技能時方式和速度的不同，在教學過程中因材施教，激發學生的興趣和自信心，達到理想的教學效果。

同時，在元素無機化學的教學過程中，要充分考慮到學生對知識的渴求，采取適當變革的態度在教學內容上創新，適當地加入現代化學的重大發現或教師的科研項目，開闊學生的眼界，啟迪思維，避免死記硬背。通過改進教學方法，學生對自然界存在的元素及主要化合物的性質及反應規律有了一個總體了解，也了解了一些在當今環境、能源、生命、材料等領域中采用的新技術，新方法和新材料。

例如，在講配合物的應用時從人體血紅蛋白結構入手，衍生出與配合物密切相關的生物無機化學的發展、人造血液、人體微量元素、抗癌藥物及機理；在碳族元素中加入溫室效應、全球氣候變暖及鉆石的相關知識；在硼族元素中加入各種寶石的圖片及鉈元素的中毒示例等。從學生渴望求知的眼神中可以看出他們很接受這些新的“窗口”，通過這些知識與公式原理的相互滲透，使課堂教學變得生機勃勃、面目一新，并為學生在今后專業知識的學習和工作中的“臨窗遠眺”乃至“破窗而出”打了一個很好的基礎。

篇10

關鍵詞：多媒體；物理教學；高中

一、引言

隨著科技的發展，教學的過程也不再因循守舊。將現代科技應用到傳統教學過程，是對原有教學模式的改革，能夠提高教學效率。包括高中物理在內，高中大多數學科在不同程度上都利用了多媒體教學技術，從而解決了困擾教育界的許多問題。在物理教學中，多媒體可以實現各種實驗的演示，還能對預期實驗結果進行模擬，并且分析實驗數據，這一系列的優點，將物理過程與物理原理以更為有效和直觀的方法展現給高中生。

二、應用案例———多媒體教學

《法拉第電磁感應定律》人教版物理教材選修3－2中的第四章第4節中，“法拉第電磁感應定律”是電磁學最為基礎和重要的內容，它巧妙地將電、磁間的相感應聯系起來，在物理學中同“牛頓三大運動定律”一樣重要。因此，讓學生能夠充分地掌握這節課的內容對于今后電磁學的學習至關重要。但是電磁感應非常抽象，又是一個動態變化過程，僅僅依靠圖片和文字講解無法使學生有效掌握相關知識。多媒體課件的應用，形象而又準確地將電磁感應定律展現給學生，能夠收到比較好的教學效果。本節多媒體課程教學是在學生已經了解了一些電磁感應基礎理論知識的前提下展開的，這節課要讓學生全面掌握電磁感應規律，通過教師的組織和幫助，在多媒體課件的輔助下讓學生主動參與，自己去發現問題，尋找方法解決問題，最終理解知識。第一步是教師將PPT上的電路圖播放給學生，如圖1所示：讓學生觀察兩個電路存在的不同，通過對比了解感應出的電流產生的條件，尋找感應電動勢同磁通量之間的關系。再進行相應的理論講解，引出感應電動勢的變化同磁通量的變化快慢之間關系的問題。以動畫的形式演示給學生，使學生有直觀的感受，如圖2所示。觀察完現象后，讓學生分成小組展開探討，試著對所發現的問題進行解答。讓學生知道電流表發生偏轉是由于感應電流的產生，即產生了感應電動勢，電流表發生偏轉的幅度與感應電動勢大小對應。以及，插入線圈的速度越快就能使指針產生越明顯的變化，就能產生越大的感應電動勢。最后在教師的幫助下得出以下結論，并將結論使用多媒體展示給學生。讓高中生利用觀察到的實驗現象展開思考，在小組討論中，尋找出E和Δφ之間的關系，再使用類比的方法展開猜想。最后進行總結，得出結論。課后布置例題：在如圖所示的閉合電路中，導體ab在勻強磁場B中，ab長度已知，以勻速切割磁感線，求感應電動勢。通過多媒體教學，能夠化抽象為形象，使學生學習艱澀難懂的物理知識過程中充滿樂趣，能夠提高課堂效率。

三、應用案例———《核裂變》多媒體教學

教學過程中可以先給學生利用多媒體播放《核裂變過程》的視頻，讓學生能夠“看”到反應發生的過程。讓學生結合核裂變的動畫和比結合能的圖片，思考有什么特點的原子核可以發生裂變反應。然后通過課堂討論，總結核裂變的特點，如圖3所示。然后以視頻的方式講述中國物理學家錢三強與何澤慧對三分裂和四分裂現象的研究過程。這樣能將高中物理涉及的最難的量子力學部分的核裂變課程講得非常生動，讓學生產生學習的興趣。視頻播放后，老師開始講解比結合能的理論知識，使用比結合能來引出重核裂變的反應過程，既復習了前一節知識又串聯起來本次課程。

四、總結

多媒體技術在高中物理教學中廣泛使用是教育與現代科技的完美結合，能夠有效改善以往枯燥乏味的物理課堂學習活動，使物理教學方式更為多樣化，能夠給學生的學習帶來許多樂趣，使學生的學習變被動為主動。

參考文獻：

［1］沙文霞．多媒體技術在高中物理教學中的應用研究［J］．無線互聯科技，2015，（21）：98－99．