導(dǎo)語：如何才能寫好一篇量子力學(xué)最新研究，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] 地方院校；量子力學(xué)；精品課程建設(shè)

[中圖分類號] G642.3 [文獻(xiàn)標(biāo)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?！敝甘俑咝Ｖ械牡胤叫灾睂俦究聘咝＃@些院校大多采取省市共建、以市為主的管理體制，多數(shù)建校時間短或由?？粕?。

隨著我國高等教育大眾化進(jìn)程的不斷深入，生源質(zhì)量降低，教學(xué)資源日趨緊張，高等院校的教學(xué)壓力逐漸加大，引發(fā)了社會對高等教育質(zhì)量的擔(dān)憂。2003年4月《教育部關(guān)于啟動高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程精品課程建設(shè)工作的通知》（教高[2003]1號），引起了全國范圍內(nèi)建設(shè)國家、省、校三級精品課程的熱潮。量子力學(xué)精品課程也同其他課程一樣，經(jīng)歷了精品課程建設(shè)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(xué)（2004年）、復(fù)旦大學(xué)（2004年）、清華大學(xué)（2007年）、北京大學(xué)（2008年）；兩校建成湖北省精品課程，分別是華中師范大學(xué)（2003年）和湖北大學(xué)（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(xué)院（2007年）、湖北師范學(xué)院（2011年）?？梢?，量子力學(xué)國家精品課程全部由985重點大學(xué)建設(shè)，湖北省精品課程也由211重點大學(xué)和省屬重點大學(xué)建設(shè)，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(shù)地方院校并未開展量子力學(xué)精品課程建設(shè)，這與量子力學(xué)課程的重要地位極不相稱。量子力學(xué)是近代物理學(xué)的兩大支柱之一，也是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)，其教學(xué)質(zhì)量的重要性不言而喻，但量子力學(xué)又是一門高度抽象的理論物理課程，遠(yuǎn)離日常經(jīng)驗，教與學(xué)都有一定的難度。地方院校由于師資力量薄弱，學(xué)術(shù)資源匱乏，生源素質(zhì)不理想，教學(xué)與科研脫節(jié)，導(dǎo)致這些院校的量子力學(xué)精品課程大多處于有心無力、舉步維艱的狀態(tài)。

地方院校占我國高?？倲?shù)的90%左右，擔(dān)負(fù)著服務(wù)地方社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)、培養(yǎng)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(wěn)，必然影響我國高等教育的健康發(fā)展，因此研究地方院校量子力學(xué)精品課程建設(shè)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)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(dǎo)地方院校量子力學(xué)精品課程的建設(shè)。

1 地方院校視角下量子力學(xué)精品課程建設(shè) 的內(nèi)涵

精品課程的評價標(biāo)準(zhǔn)是“五個一流”，即一流教師隊伍、一流教學(xué)內(nèi)容、一流教學(xué)方法、一流教材、一流教學(xué)管理。精品課程建設(shè)研究大多圍繞“五個一流”展開，但精品課程建設(shè)應(yīng)該是分層次的，不同類型的高校應(yīng)有不同的標(biāo)準(zhǔn)。每個學(xué)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(xué)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(yīng)從自己的辦學(xué)定位、培養(yǎng)規(guī)格和生源情況來考慮量子力學(xué)精品課程建設(shè)，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(xué)歷、職稱、學(xué)術(shù)水平和重點大學(xué)相比有較大差距，教學(xué)任務(wù)重，技術(shù)應(yīng)用能力不強(qiáng)。重點大學(xué)承擔(dān)培養(yǎng)拔尖人才的任務(wù)，必然要求教師具有較高的學(xué)術(shù)水平和科研能力，地方院校承擔(dān)培養(yǎng)千百萬專門人才，即應(yīng)用型技能型人才的任務(wù)，對教師的學(xué)術(shù)水平要求不是太高，但要求教師具有較強(qiáng)的技術(shù)應(yīng)用能力。地方院校教師不宜與重點大學(xué)的教師比學(xué)術(shù)水平，但要關(guān)注學(xué)科前沿，盡快掌握與本學(xué)科相關(guān)的最新技術(shù)，提高重點大學(xué)教師并不擅長的技術(shù)應(yīng)用能力，體現(xiàn)地方院校“雙師”型師資的鮮明特色。

地方院校量子力學(xué)精品課程的一流教師隊伍，就是要建設(shè)一支與應(yīng)用型人才培養(yǎng)相適應(yīng)的，具有一定的學(xué)術(shù)水平、較高的教學(xué)水平、較強(qiáng)的技術(shù)應(yīng)用能力的“雙師型”教師隊伍。

1.2 一流教學(xué)內(nèi)容

應(yīng)用型人才培養(yǎng)的定位，決定了量子力學(xué)精品課程的教學(xué)內(nèi)容有別于重點大學(xué)，教學(xué)內(nèi)容的核心是量子力學(xué)的基本理論、基本知識、基本技能，不求教學(xué)內(nèi)容的高度完整性，適當(dāng)降低內(nèi)容的深度和應(yīng)用數(shù)學(xué)解題的難度，保持教學(xué)內(nèi)容的前沿性和時代性，滿足學(xué)生了解學(xué)科發(fā)展前沿及其技術(shù)應(yīng)用的強(qiáng)烈愿望。前沿知識不僅可以開闊學(xué)生的眼界，而且能夠潛移默化地影響學(xué)生未來的發(fā)展。

地方院校量子力學(xué)精品課程的一流教學(xué)內(nèi)容可以理解為，量子力學(xué)基本理論、基本知識、基本技能等學(xué)科有效知識與專業(yè)發(fā)展密切相關(guān)的前沿知識及其技術(shù)應(yīng)用的有機(jī)整合。有效知識，就是今后能對在該領(lǐng)域繼續(xù)學(xué)習(xí)、繼續(xù)研究、開辟新的領(lǐng)域、學(xué)習(xí)新的知識發(fā)揮作用的、最關(guān)鍵、最基礎(chǔ)性的東西[1]。

1.3 一流教學(xué)方法

重點大學(xué)普遍重視討論式、研究式教學(xué)方法，基于量子力學(xué)學(xué)科特點和地方院校學(xué)生水平，討論式和研究式的教學(xué)方法要慎重使用，如果準(zhǔn)備不充分，極有可能出現(xiàn)學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。采用討論式和研究式教學(xué)方法，一要內(nèi)容難度適宜，二要前期準(zhǔn)備充分，三要教師循循善誘。量子力學(xué)內(nèi)容高度抽象，學(xué)生自學(xué)困難較大，因此對教學(xué)方法和手段的要求較高。無論選擇什么樣的教學(xué)方法，采用什么樣的教學(xué)手段，都是為了學(xué)生能夠更好地理解和掌握知識，都要適合學(xué)生的實際認(rèn)知水平，不能為了討論而討論，為了研究而研究，應(yīng)以實際教學(xué)效果來評價教學(xué)方法的優(yōu)劣。

地方院校量子力學(xué)精品課程的一流教學(xué)方法，即以啟發(fā)式講授為主，結(jié)合課程內(nèi)容適當(dāng)采取討論式和研究式教學(xué)，傳統(tǒng)教學(xué)手段與多媒體技術(shù)手段有機(jī)結(jié)合，集多種方法與手段于一體的教學(xué)方法體系。

1.4 一流教材

量子力學(xué)教材的選用，國內(nèi)一般主要選用曾謹(jǐn)言版（重點大學(xué)）和周世勛版（地方院校），另有蘇汝鏗版、張永德版、錢伯初版、關(guān)洪版等多種教材，也有多種國外優(yōu)秀教材。鑒于量子力學(xué)的某些基本問題至今仍有爭議，甚至國內(nèi)權(quán)威教材中的部分內(nèi)容仍受質(zhì)疑，地方院校不宜盲目自編教材，避免對某些問題的不當(dāng)闡述誤導(dǎo)學(xué)生，宜選用國內(nèi)經(jīng)典的簡明教材，輔以優(yōu)秀教材作為參考書，以滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，通過立體化、一體化教材建設(shè)，補(bǔ)充量子力學(xué)的最新進(jìn)展和實際應(yīng)用，更好地為地方院校培養(yǎng)應(yīng)用型人才服務(wù)。

地方院校量子力學(xué)精品課程的一流教材，即在選用國內(nèi)經(jīng)典簡明教材的基礎(chǔ)上，選擇國內(nèi)外優(yōu)秀教材作參考書，著力打造包括電子教案、PPT、習(xí)題答案、試題庫、仿真實驗、網(wǎng)絡(luò)課堂等資源在內(nèi)的立體化、一體化教材。

1.5 一流教學(xué)管理

精品課程需要通過科學(xué)的管理為其提供制度保證?？茖W(xué)的教學(xué)管理和規(guī)范的管理機(jī)制，是精品課程的重要條件。精品課程的教學(xué)管理既包括對課堂教學(xué)的組織、實踐教學(xué)的安排、學(xué)習(xí)成績的評定等教學(xué)環(huán)節(jié)的管理，還包括師資隊伍的配備、課程建設(shè)過程的管理、教學(xué)保證條件的建設(shè)等[2]。

地方院校作為教學(xué)型大學(xué)，科研上處于劣勢，教學(xué)管理上更應(yīng)加強(qiáng)，應(yīng)將一流教學(xué)管理作為量子力學(xué)精品課程的重要特色來建設(shè)。

地方院校量子力學(xué)精品課程的一流教學(xué)管理，即建立健全與應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)的教學(xué)管理制度，包括編、備、教、輔、改、考各教學(xué)環(huán)節(jié)的管理制度，以及經(jīng)費投入、師資配備、用人機(jī)制和激勵機(jī)制、課程評價等教學(xué)質(zhì)量保障制度，認(rèn)真落實各項教學(xué)管理制度并切實做好教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控，保證課程建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 地方院校視角下量子力學(xué)精品課程建設(shè) 的對策

2.1 建設(shè)一支與應(yīng)用型人才培養(yǎng)適應(yīng)的師資隊伍

地方院校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的定位，客觀上要求教師應(yīng)具有教師和工程師（或技能師）的雙重身份。量子力學(xué)精品課程的師資隊伍建設(shè)，除引進(jìn)高層次人才、抓好現(xiàn)有教師的轉(zhuǎn)型提升、開展與課程相關(guān)的教研和科研等常規(guī)措施之外，尤其要重視師資隊伍的技術(shù)水平和能力的培養(yǎng)，通過產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合切實提高教師的技術(shù)操作能力、應(yīng)用能力和轉(zhuǎn)化能力。加強(qiáng)學(xué)校與科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)的合作，聘請經(jīng)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(shù)實力。

2.2 精選課程有效知識構(gòu)建學(xué)科基礎(chǔ)，實現(xiàn)理論 與應(yīng)用、基礎(chǔ)與前沿的完美結(jié)合

夯實基礎(chǔ)、關(guān)注前沿、了解應(yīng)用、激發(fā)興趣是一流教學(xué)內(nèi)容的必然要求。在教學(xué)內(nèi)容的選擇和安排上，要注意與知識的實際應(yīng)用相聯(lián)系，找準(zhǔn)最佳結(jié)合點，融入學(xué)科前沿的理論知識和學(xué)科發(fā)展的最新成果。

量子力學(xué)的有效知識包括量子力學(xué)的發(fā)展歷史、量子力學(xué)的五大公設(shè)、定態(tài)問題求解、表象變換理論、微擾理論、電子自旋等，有效知識構(gòu)成課程的核心知識；學(xué)科前沿知識、量子力學(xué)在現(xiàn)代科技和其它學(xué)科中的應(yīng)用等內(nèi)容構(gòu)成課程的補(bǔ)充知識；散射等相對困難的內(nèi)容構(gòu)成課程的知識。核心知識具有相對穩(wěn)定性，要求熟練掌握；補(bǔ)充知識具有時代性，要求學(xué)生了解而不求掌握；知識具有可選性，建議有能力的學(xué)生選學(xué)。核心知識和補(bǔ)充知識屬于第一層次的教學(xué)內(nèi)容，面向全體學(xué)生；知識屬第二層次的教學(xué)內(nèi)容，面向部分學(xué)生。教學(xué)內(nèi)容的分類既有利于實現(xiàn)教學(xué)的層次化，又有利于實現(xiàn)理論與應(yīng)用、基礎(chǔ)與前沿的有機(jī)結(jié)合。

2.3 構(gòu)建教學(xué)理念先進(jìn)、與學(xué)生水平相適應(yīng)的教 學(xué)方法體系

以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體。變單一教學(xué)方式為多樣化教學(xué)方式構(gòu)成的有機(jī)體系，變以教為主為以學(xué)為主或?qū)W教并重，變傳統(tǒng)課堂教學(xué)為傳統(tǒng)課堂教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)相結(jié)合?；诹孔恿W(xué)的抽象性，講授仍是主要的教學(xué)方法，但應(yīng)注重啟發(fā)學(xué)生積極思考，采取課內(nèi)、課外、網(wǎng)絡(luò)等多種形式增強(qiáng)師生互動，結(jié)合適當(dāng)?shù)膬?nèi)容開展討論和研究。

可以組織學(xué)生討論如量子力學(xué)相關(guān)實驗的解釋、量子力學(xué)基本原理的各種理解、一維定態(tài)問題的求解方法等；也可討論量子力學(xué)的某些新進(jìn)展和新的技術(shù)應(yīng)用，要求學(xué)生就“量子糾纏”、“EPR佯謬”、“量子計算機(jī)原理”等內(nèi)容展開調(diào)研，撰寫文獻(xiàn)綜述報告，將討論和初步的研究結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生從事科學(xué)研究的基本素質(zhì)；也可建議能力較強(qiáng)的學(xué)生對“密度矩陣表示量子態(tài)”、“路徑積分量子化”、“自由粒子的狄拉克方程”等較新的內(nèi)容進(jìn)行一些初級的理論探討，通過寫小論文的方式總結(jié)研究結(jié)果等。

討論和探究的關(guān)鍵在于培養(yǎng)學(xué)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(xué)參考書，建設(shè)立體化、 一體化教材

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

教材是教學(xué)內(nèi)容的載體，一流教材必然要展現(xiàn)一流教學(xué)內(nèi)容。立體化、一體化教材不是簡單的教材和教參搬家，應(yīng)將學(xué)科最新的研究成果、成功的教改經(jīng)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(xué)錄像、習(xí)題解答、試題庫、網(wǎng)絡(luò)互動答疑、在線測試等內(nèi)容外，還要自編學(xué)習(xí)輔導(dǎo)用書，內(nèi)容大致可包括學(xué)習(xí)內(nèi)容輔導(dǎo)、考研輔導(dǎo)、閱讀材料三大部分。學(xué)習(xí)內(nèi)容輔導(dǎo)應(yīng)梳理各章知識點及聯(lián)系、重點難點的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，補(bǔ)充典型習(xí)題；考研輔導(dǎo)可提供各類院校近年來的量子力學(xué)考研試卷，分析考試內(nèi)容涵蓋的知識點和相關(guān)的考核要求；閱讀材料可介紹量子力學(xué)的最新進(jìn)展、與量子力學(xué)有關(guān)的各交叉學(xué)科、量子力學(xué)的發(fā)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(xué)管理

精品課程建設(shè)是一個綜合系統(tǒng)工程，只有扎扎實實、認(rèn)認(rèn)真真、持之以恒地努力工作，才能把事情做好[3]。一流教學(xué)管理是精品課程建設(shè)的重要方面，建章立制是基礎(chǔ)，教學(xué)各環(huán)節(jié)的過程管理是縱線，教學(xué)保障條件建設(shè)管理是橫線，教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控、反饋和改進(jìn)是保障。教學(xué)管理不必標(biāo)新立異，抓緊、抓實、抓細(xì)、抓出成效，就是教學(xué)管理的最大特色。

教學(xué)各環(huán)節(jié)的管理制度中，重點要改變學(xué)業(yè)成績評價標(biāo)準(zhǔn)，變結(jié)果評價為過程評價，正確把握考試導(dǎo)向，降低期末考試比重，加大平時考核比重，將考勤、作業(yè)、提問、小論文、課程設(shè)計納入平時考核。

教學(xué)質(zhì)量保障制度的建設(shè)和落實要抓好以下幾個方面：學(xué)校要加大對精品課程建設(shè)的經(jīng)費投入；選擇學(xué)術(shù)水平較高、教學(xué)效果得到師生公認(rèn)的優(yōu)秀教師擔(dān)任課程負(fù)責(zé)人，組建由課程負(fù)責(zé)人負(fù)總責(zé)、主講教師分工與合作的教學(xué)隊伍；對參與精品課程建設(shè)的教師，在評優(yōu)評先、晉升職稱等方面優(yōu)先考慮；抓實教學(xué)過程的質(zhì)量監(jiān)控，完善同行評教、學(xué)生評教、畢業(yè)生評教和評教意見的及時反饋及改進(jìn)制度；抓住一切校內(nèi)外的交流機(jī)會，博采眾長，不斷更新充實網(wǎng)上資源，確保精品課程建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

3 地方院校視角下量子力學(xué)精品課程建設(shè) 的初步成果

2011年起，荊楚理工學(xué)院應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)開設(shè)量子力學(xué)課程。三年來，量子力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊堅持以建設(shè)校級精品課程為目標(biāo)，始終追求精品境界，目前量子力學(xué)精品課程的基本資料已準(zhǔn)備就緒，擬申報校級精品課程，并計劃在校級精品課程基礎(chǔ)上，力爭申報省級及以上精品課程，最終轉(zhuǎn)型升級成為精品資源共享課。

教學(xué)團(tuán)隊堅持教學(xué)和科研相結(jié)合，重視研究解決教學(xué)過程中存在的突出問題，以教科研水平的提高帶動教學(xué)水平的提高。三年共主持完成湖北省教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃課題“理工類本科生物理學(xué)習(xí)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(guī)劃辦批準(zhǔn)結(jié)題，鑒定結(jié)論為：課題研究整體設(shè)計規(guī)范，研究路線科學(xué)，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(xué)“十二五”規(guī)劃課題一項：“地方院校應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究”。在學(xué)術(shù)研究方面，教學(xué)團(tuán)隊圍繞量子糾纏態(tài)、量子點、反應(yīng)微分截面等方向進(jìn)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(xué)術(shù)會議上發(fā)表了6篇英文學(xué)術(shù)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(xué)報、重慶大學(xué)學(xué)報、量子光學(xué)學(xué)報等中文核心期刊上發(fā)表了8篇學(xué)術(shù)論文。

科學(xué)研究提高了教師的學(xué)術(shù)水平，加深了對量子力學(xué)課程內(nèi)容的深刻理解，促進(jìn)了教學(xué)的深入淺出，實現(xiàn)了理論與應(yīng)用、基礎(chǔ)與前沿的有機(jī)結(jié)合，量子力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量逐年穩(wěn)步提高：三年來師生評教均分都在95分以上，教學(xué)效果得到師生認(rèn)可；學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的積極性明顯提高，學(xué)業(yè)成績的統(tǒng)計結(jié)果表明，大部分學(xué)生較好地掌握了量子力學(xué)的基本理論、基本知識和基本技能，并對量子力學(xué)知識的有關(guān)應(yīng)用和學(xué)科發(fā)展前沿產(chǎn)生了濃厚興趣，越來越多的學(xué)生開始選擇以量子力學(xué)的有關(guān)研究作為畢業(yè)論文選題，其中2009級兩名學(xué)生的畢業(yè)論文榮獲學(xué)校優(yōu)秀畢業(yè)論文；不少學(xué)生考研時量子力學(xué)科目也取得了135分以上的較好成績。荊楚理工學(xué)院量子力學(xué)精品課程建設(shè)取得的初步成效，從理論和實踐兩方面證明了建設(shè)具有地方院校特色的量子力學(xué)精品課程是可行的。

4 結(jié)束語

精品課程不應(yīng)千課一面，不同類型的院校應(yīng)該有不同類型的精品課程，量子力學(xué)精品課程建設(shè)也不應(yīng)該成為重點大學(xué)的專利，地方院校完全可以根據(jù)自己的培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)規(guī)格、生源狀況，正確地理解“一流教師隊伍、一流教學(xué)內(nèi)容、一流教學(xué)方法、一流教材、一流教學(xué)管理”，建設(shè)具有應(yīng)用型人才培養(yǎng)特色的量子力學(xué)精品課程，在精品課程建設(shè)上實現(xiàn)與重點大學(xué)的錯位發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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

篇2

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；材料類專業(yè)；教學(xué)探索

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)來說，要求學(xué)生具有數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等方面的基本理論和基本知識，掌握材料設(shè)計、性能優(yōu)選、工藝優(yōu)化的原則，以及材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系。這就需要學(xué)生具有材料學(xué)科的完整的知識體系，量子力學(xué)是半導(dǎo)體、固體物理以及計算材料學(xué)、材料測試表征技術(shù)等學(xué)科的基礎(chǔ)，在材料科學(xué)體系中有著非常重要的地位。然而其由于本課程的學(xué)習(xí)是基于高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、數(shù)學(xué)物理方法等前期課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)之上的，學(xué)生對這些基礎(chǔ)課程的掌握情況參差不齊，而大部分學(xué)生對前期課程多有遺忘，課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程中需要理解的知識點很多，所以要學(xué)好這門課程需要充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，及時復(fù)習(xí)前期基礎(chǔ)課程和預(yù)習(xí)相關(guān)知識。由于知識間銜接緊密，需要邏輯推理內(nèi)容非常多，學(xué)生稍有走神或缺課就會跟不上教師的教學(xué)進(jìn)度，從而對后續(xù)知識的學(xué)習(xí)也喪失信心。此外，對于工科大環(huán)境下的學(xué)生群體來說，學(xué)生普遍對實用的專業(yè)課程較感興趣，而對基礎(chǔ)理論課程不夠重視，認(rèn)為學(xué)習(xí)非?？菰镆矝]有大多的用處。種種原因造成了在工科大環(huán)境下的理論物理教學(xué)特別是量子力學(xué)課程的教學(xué)困難重重，因此將理論教學(xué)與專業(yè)特色相結(jié)合，探索具有專業(yè)特色的量子力學(xué)的教學(xué)方法具有重要的意義。如何消除學(xué)生對本課程的畏懼心理，如何調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生在課堂上有收獲的同時也要自覺利用好課余時間學(xué)習(xí)是解決本課程教學(xué)的關(guān)鍵。本文結(jié)合材料類專業(yè)的綜合情況，經(jīng)過實踐探索，總結(jié)幾點較為實用的教學(xué)方法。

一、與專業(yè)課程體系相結(jié)合，突出課程的重要性

備課之前先熟悉所授課專業(yè)的培養(yǎng)方案，了解學(xué)生的已修課程、同學(xué)期開設(shè)的專業(yè)課程以及后續(xù)的專業(yè)課程。材料類專業(yè)的量子力學(xué)課程一般在第四學(xué)期開課，在此之前學(xué)生已經(jīng)修完了高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、線性代數(shù)、數(shù)學(xué)物理方法等前期課程。同時學(xué)生開始接觸一些材料類的專業(yè)課程，例如材料科學(xué)基礎(chǔ)、高分子物理、物理化學(xué)等，在之后的第五以及第六學(xué)期將有大量的學(xué)科專業(yè)課，如材料分析測試技術(shù)、計算材料學(xué)等。教師在對本專業(yè)的課程設(shè)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(yè)課程的教材，將專業(yè)課程當(dāng)中涉及量子力學(xué)基礎(chǔ)的內(nèi)容篩選出來以備用。在給學(xué)生講授第一堂課時既將本課程的重要地位告知學(xué)生，哪些課程在后續(xù)課程種會涉及到相關(guān)知識，哪些領(lǐng)域會用到本課程的知識，以及量子力學(xué)對本專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)的研究生入學(xué)考試以及繼續(xù)深造時的必要性。讓學(xué)生一開始對本課程的學(xué)習(xí)有心理上的重視。在具體教學(xué)的過程中，注意將量子理論與專業(yè)內(nèi)容相結(jié)合，包括已修課程和后續(xù)課程。通過多學(xué)科的滲透將整個材料學(xué)專業(yè)的課程內(nèi)容進(jìn)行貫穿，凸顯出量子理論的重要性和實用性，讓學(xué)生意識到量子力學(xué)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(xué)的教學(xué)更加豐富和生動。

二、與前沿科學(xué)相結(jié)合、活躍課堂氣氛

當(dāng)下的高校教師除了教學(xué)很大一部分時間精力都用于科學(xué)研究。平時實驗或看文獻(xiàn)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(jìn)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(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在給學(xué)生講解理論知識的同時注重結(jié)合理論的應(yīng)用領(lǐng)域，結(jié)合材料學(xué)科的特點以及學(xué)校的特色。作者所在的本校是有著交通特色專業(yè)背景，本校材料類專業(yè)也有水泥混凝土、瀝青混合料等工程材料方面的課程，學(xué)生就業(yè)也有很大比例在交通相關(guān)領(lǐng)域。結(jié)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(lǐng)域的最新進(jìn)展。在講解知識基礎(chǔ)的同時穿插該部分知識的應(yīng)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(jié)合的方式。通過多種途徑讓量子力學(xué)這種看似“高大上”的學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)動力的激發(fā)。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(chǔ)較好的感興趣的本科生參與到課題的研究或者參觀學(xué)習(xí)，零距離的接觸前沿科學(xué)，對調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性也有一定的幫助。

三、多種教學(xué)手段相結(jié)合，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

在教學(xué)的過程中采用多種教學(xué)手段相結(jié)合。鑒于量子力學(xué)的理論抽象、知識量大、數(shù)學(xué)推理公式繁多，在教學(xué)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(dǎo)學(xué)生利用課余時間自學(xué)。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(xué)期內(nèi)平時的表現(xiàn)也是必要的?？梢钥紤]適當(dāng)增大平時考核的分?jǐn)?shù)比例，便于調(diào)動學(xué)生充分利用課余的時間。其中平時表現(xiàn)又可以分為多個方面來考核，充分調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)激情。課堂教師講授為主，適時設(shè)問作為課外思考作業(yè)，作業(yè)以書面形式或者學(xué)生在下一次課作簡短的展示的方式。才外還可以給學(xué)生布置小論文，鼓勵學(xué)生多進(jìn)圖書館，查閱相關(guān)文獻(xiàn)書籍寫一兩篇小綜述。在第一堂課即向?qū)W生說明考核的方式和比例，在考分的壓力下學(xué)生自然會積極準(zhǔn)備相關(guān)內(nèi)容。在應(yīng)對這些平時作業(yè)的過程實際上就是學(xué)生自主學(xué)習(xí)的過程中，既鞏固了量課程知識，又鍛煉了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和思維。在教學(xué)當(dāng)中采用多媒體和傳統(tǒng)的板書相結(jié)合的方式，多媒體信息涵蓋量較大，對一些復(fù)雜又必須的推導(dǎo)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(qiáng)化，通過教師邊書寫邊口訴講解，學(xué)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(nèi)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(xué)家的肖像及簡介、名言名句，小故事等。在W習(xí)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?？梢詫⒃觾?nèi)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(nèi)的座次對個人學(xué)習(xí)效果的影響、人際關(guān)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(xué)生多接觸一些科普書籍以及最新出版的一些學(xué)術(shù)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(xué)枯燥難懂的教學(xué)過程生動化、有趣化。

作為材料類專業(yè)核心課程的量子力學(xué)一直都是教和學(xué)雙方都感到很困難的課程。由于量子力學(xué)的理論性較強(qiáng)，學(xué)習(xí)過程相對枯燥，學(xué)科的實用性不是很明顯，學(xué)生容易厭學(xué)。教師在教學(xué)過程中需要不斷的探索適合本專業(yè)學(xué)生的教學(xué)方法。通過與專業(yè)課程相結(jié)合，與學(xué)校特色想結(jié)合，采取多種教學(xué)手段，結(jié)合最新的前沿科學(xué)研究，多方面入手使理論知識深入淺出，使教學(xué)過程生動有趣、調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，對提高教學(xué)質(zhì)量有非常有益的幫助。

參考文獻(xiàn)：

篇3

關(guān)鍵詞：量子比特；量子力學(xué)；量子相干性；并行運算

0　引言

自1946年第一臺電子計算機(jī)誕生至今，共經(jīng)歷了電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路和大規(guī)模集成電路四個時代。計算機(jī)科學(xué)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(tǒng)硅芯片集成度的提高，芯片內(nèi)部晶體管數(shù)與日俱增，相反其尺寸卻越縮越小(如現(xiàn)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(nèi)集成2.91億晶體管)。根據(jù)摩爾定律估算，20年后制造工藝將達(dá)到幾個原子級大小，甚至更小，從而導(dǎo)致芯片內(nèi)部微觀粒子性越來越弱，相反其波動性逐漸顯著，傳統(tǒng)宏觀物理學(xué)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(xué)定理。也就是說，20年后傳統(tǒng)計算機(jī)將達(dá)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(guī)模，傳統(tǒng)硅芯片集成度的停滯不前將導(dǎo)致計算機(jī)發(fā)展的“性能極限”。如何解決其發(fā)熱問題?研究表明，芯片耗能產(chǎn)生于計算過程中的不可逆過程。如處理器對輸入兩串?dāng)?shù)據(jù)的異或操作而最終結(jié)果卻只有一列數(shù)據(jù)的輸出，這過程是不可逆的，根據(jù)能量守恒定律，消失的數(shù)據(jù)信號必然會產(chǎn)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(zhuǎn)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(xué)里的玄正變換把不可逆轉(zhuǎn)為可逆過程，從而引發(fā)了對量子計算的研究。

1　量子計算的基本原理

1.1　傳統(tǒng)計算的存儲方式

首先回顧傳統(tǒng)計算機(jī)的工作原理。傳統(tǒng)電子計算機(jī)采用比特作為信息存儲單位。從物理學(xué)角度，比特是兩態(tài)系統(tǒng)，它可保持其中一種可識別狀態(tài)，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(xiàn)加、減、乘、除和邏輯運算。如把0～0個數(shù)相加，先輸入“00”，處理后輸入“01”，兩者相“與”再輸入下個數(shù)“10”，以此類推直至處理完第n個數(shù)，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(tǒng)計算機(jī)的運算速率，數(shù)據(jù)越多影響越深，單次運算的時間累積足可達(dá)到驚人的數(shù)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(shù)多達(dá)1000位，據(jù)估算，即使目前最快的計算機(jī)也需耗費1025年。而遵循量子力學(xué)定理的新一代計算機(jī)利用超高速并行運算只需幾秒即可得出結(jié)果?，F(xiàn)在讓我們打開量子計算的潘多拉魔盒，走進(jìn)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(tài)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(zhuǎn)狀態(tài)代表“1”，向右自轉(zhuǎn)狀態(tài)代表“0”。電子的自轉(zhuǎn)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(tài)和激發(fā)態(tài)兩種能級，規(guī)定原子基態(tài)時為“0”，激發(fā)態(tài)時為“1”。其具體狀態(tài)可通過辨別原子光譜或核磁共振技術(shù)辨別。

量子計算在處理0～n個數(shù)相加時，采用的是并行處理方式將“00”、“01”、“10”、“11”等n個數(shù)據(jù)同時輸入處理器，并在最后做一次運算得出結(jié)果。無論有多少數(shù)據(jù)，量子計算都是同時輸入，運算一次，從而避免了傳統(tǒng)計算機(jī)輸入一次運算一次的耗時過程。當(dāng)對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，這種并行處理方式的速率足以讓傳統(tǒng)計算機(jī)望塵莫及。

1.3　量子疊加態(tài)

量子計算為何能實現(xiàn)并行運算呢?根本原因在于量子比特具有“疊加狀態(tài)”的性質(zhì)。傳統(tǒng)計算機(jī)每個比特只能取一種可識別的狀態(tài)“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(tài)。以此類推，n位傳統(tǒng)比特僅能代表2n中的某一態(tài)，而n位量子比特卻能同時表示2n個疊加態(tài)，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(tài)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(tǒng)計算機(jī)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(xiàn)了并行運算。

量子疊加態(tài)恐怕讀者一時難以接受，即使當(dāng)年聰明絕頂?shù)膼垡蛩固挂差H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(rèn)的事實，并取得了多方面驗證。以下用量子力學(xué)描述量子疊加態(tài)。

現(xiàn)有兩比特存儲單元，經(jīng)典計算機(jī)只能存儲00，01，10，11四位二進(jìn)制數(shù)，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(tài)，還可同時表示“0”和“1”的疊加態(tài)，量子力學(xué)記為：

lφ〉＝al1〉＋blO〉

其中ab分別表示原子處于兩態(tài)的幾率，a＝0時只有“0”態(tài)，b＝0時只有“1”態(tài)，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(tài)，即在同一時刻可存儲4個數(shù)，量子力學(xué)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(lián)系，利用它可從一個或多個量子狀態(tài)推出其它量子態(tài)。譬如兩電子發(fā)生正向碰撞，若觀測到其中一電子是向左自轉(zhuǎn)的，那么根據(jù)動量和能量守恒定律，另外一電子必是向右自轉(zhuǎn)。這兩電子間所存在的這種聯(lián)系就是量子相干性。

可以把量子相干性應(yīng)用于存儲當(dāng)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(xié)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(tài)，正所謂牽一發(fā)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(huán)境影響下很容易丟失相干性從而導(dǎo)致運算錯誤。雖然采用量子糾錯碼技術(shù)可避免出錯，但其也只是發(fā)現(xiàn)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(dá)高效量子計算時代還有一段漫長曲折之路。

2　對傳統(tǒng)密碼學(xué)的沖擊

密碼通信源遠(yuǎn)流長。早在2500年前，密碼就已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)爭與外交之中，當(dāng)今的文學(xué)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(fā)展，密碼和秘密通訊備受關(guān)注，密碼學(xué)也應(yīng)運而生。防與攻是一個永恒的活題，當(dāng)科學(xué)家們?nèi)缁鹑巛钡匮芯扛鞣N加密之策時，破譯之道也得以迅速發(fā)展。

傳統(tǒng)理論認(rèn)為，大數(shù)的因式分解是數(shù)學(xué)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(xué)有重要應(yīng)用，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)，銀行和金融系統(tǒng)的RSA加密系統(tǒng)就是基于因式難分解而開發(fā)出來的。然而，在理論上包括RSA在內(nèi)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(tǒng)計算機(jī)需耗費1025年才能對1000位整數(shù)進(jìn)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(tǒng)密碼學(xué)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(xué)家都以極大熱忱追尋量子計算的夢想，實現(xiàn)方案雖不少，但以現(xiàn)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(tài)實在是太困難了，各界科學(xué)家歷時多年才略有所獲。

(1)1994年物理學(xué)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(jī)，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(dāng)時最為先進(jìn)的量子計算機(jī)，并以傳統(tǒng)計算機(jī)無法匹敵的速度完成對密碼學(xué)中周期函數(shù)的計算。

(3)2000年日本日立公司成功開發(fā)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(shù)建構(gòu)出7位量子比特計算機(jī)，其實現(xiàn)思想是用離子兩個自轉(zhuǎn)狀態(tài)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(fā)表了克服量子相關(guān)性的實驗結(jié)果，對克服退相干，實現(xiàn)量子加密、糾錯和傳輸在理論上起到指導(dǎo)作用，從此量子通信振奮人心。

(6)2004年9月，NTT物性科學(xué)研究所試制出新一代存儲量子比特的新載體――“超導(dǎo)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(tài)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(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和物理學(xué)的交叉學(xué)科。在跨學(xué)科研究領(lǐng)域中,量子計算開創(chuàng)了量子力學(xué)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(lǐng)讀者進(jìn)入量子計算領(lǐng)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(yù)備知識出發(fā),然后從計算機(jī)科學(xué)的角度來介紹量子計算,包括計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、編程語言、理論計算機(jī)科學(xué)、密碼學(xué)、信息論和硬件。

全書由11章組成。1.復(fù)數(shù),給出了復(fù)數(shù)的基本概念、復(fù)數(shù)代數(shù)和復(fù)數(shù)幾何;2.復(fù)向量空間,以最基本的例子Cn空間引入,介紹了復(fù)向量空間的定義、性質(zhì)和例子,給出了向量空間的基和維數(shù)、內(nèi)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(nèi)容有古典的確定性系統(tǒng)、概率性系統(tǒng)、量子系統(tǒng)、集成系統(tǒng);4.基本量子理論,主要有量子態(tài)、可觀測性、度量和集成量子系統(tǒng);5.結(jié)構(gòu)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(shè)計,包括量子世界的程序設(shè)計、量子匯編程序設(shè)計、面向高級量子程序設(shè)計和先于量子計算機(jī)的量子計算;8.理論計算科學(xué),包括確定和非確定計算、概率性計算和量子計算;9.密碼學(xué),包括古典密碼學(xué)、量子密鑰交換的三個協(xié)議(BB84協(xié)議、B92協(xié)議和EPR協(xié)議)、量子電子傳輸;10.信息論,主要內(nèi)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(shù)據(jù)壓縮、錯誤更新碼;11.硬件,主要包括量子硬件的目標(biāo)和挑戰(zhàn)、量子計算機(jī)的實現(xiàn)、離子捕集器、線性光學(xué)、NMR與超導(dǎo)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(lǐng)域中的重要文獻(xiàn);附錄B習(xí)題解答;附錄C 使用MATLAB進(jìn)行量子計算實驗;附錄D 了解量子最新進(jìn)展的途徑:量子計算的網(wǎng)站和文獻(xiàn);附錄E選題報告。

本書適合計算機(jī)科學(xué)的本科學(xué)生和相關(guān)研究人員,也適合各級科研人員自學(xué)。

陳濤,碩士

(中國傳媒大學(xué)理學(xué)院)

Chen Tao,Master

篇5

關(guān)鍵詞：工程教育；“材料計算與模擬”；實踐教學(xué)工程教育教學(xué)方法。

一、課程目標(biāo)及對畢業(yè)要求的支撐

（1）理解并恰當(dāng)研究、分析材料科學(xué)與工程領(lǐng)域?qū)嶋H問題的基礎(chǔ)理論與方法?！安牧嫌嬎闩c模擬”專業(yè)課程主要內(nèi)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(xué)和分子動力學(xué)方法。其中，量子力學(xué)方法較為深奧，分子動力學(xué)方法因與經(jīng)典牛頓力學(xué)聯(lián)系緊密，相比量子力學(xué)較為簡單。考慮工程教育理念側(cè)重工程實踐能力的培養(yǎng)，故在基礎(chǔ)理論方法部分將課程目標(biāo)設(shè)置為了解基本理論方法的概念和基本計算流程。（2）針對復(fù)雜工程問題，能夠有效地運用工程圖學(xué)語言、計算機(jī)輔助設(shè)計工具，提出改進(jìn)或解決方案。如何將工程實際中的復(fù)雜工程問題通過理論計算模擬提出改進(jìn)或指導(dǎo)意見是本課程期望的終極目標(biāo)。其中，如何培養(yǎng)學(xué)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(shù)和條件，將是本課程最重要的課程目標(biāo)。（3）能夠正確運用現(xiàn)代工程工具、技術(shù)與資源對材料科學(xué)與復(fù)雜工程問題進(jìn)行預(yù)測與模擬。工程教育背景下的課程側(cè)重實踐能力的培養(yǎng)，本課程的實踐內(nèi)容主要是利用計算服務(wù)器或集群進(jìn)行材料科學(xué)領(lǐng)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(jìn)行高性能計算，并利用科學(xué)計算軟件進(jìn)行結(jié)果分析，是本課程的重要課程目標(biāo)之一。

二、教學(xué)方式的改進(jìn)

本課程堅持理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)方式，不斷提高實踐教學(xué)的比重，目前理論教學(xué)與實踐教學(xué)部分各占一半。承接自過去以教為主的教學(xué)理念，本課程目前的主要教學(xué)方式還是先講授相關(guān)理論內(nèi)容，然后進(jìn)行上機(jī)實踐操作和練習(xí)。在工程教育理念的背景下，實踐能力的培養(yǎng)和提升成為課程教學(xué)的重點，同時還要兼顧實踐練習(xí)與相關(guān)理論知識的銜接，本課程提出基礎(chǔ)理論內(nèi)容先行傳授，其他內(nèi)容采用先實踐后理論的教學(xué)方式。首先，對于必需的相關(guān)課程基礎(chǔ)理論采用課堂講授的教學(xué)方式，在講授期間有意識地向?qū)W生傳遞工程教育的理念。其次，以較為簡單的實踐案例先進(jìn)行實踐練習(xí)，使得學(xué)生簡單上手并且產(chǎn)生對本課程的新鮮感和好奇感，結(jié)合基礎(chǔ)理論講解讓學(xué)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(fā)，不斷深入，并向?qū)嶋H工程問題靠攏，引導(dǎo)學(xué)生不斷深入思考，著重于引導(dǎo)學(xué)生了解和練習(xí)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(dǎo)和解決問題提供依據(jù)。作為持續(xù)改進(jìn)、教研相輔的體現(xiàn)，“材料計算與模擬”課程所有實踐案例定期根據(jù)最新文獻(xiàn)報道進(jìn)行更新，保持實踐教學(xué)案例的時效性，同時不斷開發(fā)新的實踐案例及相應(yīng)計算流程?？紤]到實踐練習(xí)與課程課時可能的矛盾或不足，本課程還將所有實踐教學(xué)案例進(jìn)行視頻錄像，同時將與實踐案例相關(guān)的理論內(nèi)容關(guān)鍵詞以字幕的形式添加到錄像中，便于學(xué)生隨時翻看和熟悉。

篇6

關(guān)鍵詞：半胱氨酸蛋白酶 組織蛋白酶K 量子力學(xué)/分子力學(xué)（QM/MM）

中圖分類號：R969.1 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)體內(nèi)，如病毒、細(xì)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(zhì)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(nèi)蠕蟲的感染[2]。它對結(jié)籽期內(nèi)植物的生長和人類骨骼的發(fā)育起著至關(guān)重要的作用。

半胱氨酸酶的蛋白質(zhì)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(tuán)和一個組氨酸基團(tuán)組成[3]。盡管蛋白質(zhì)的水解過程是不可逆的，但在一些特定的條件下，蛋白質(zhì)會通過一系列轉(zhuǎn)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(xì)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(fā)現(xiàn)于兔子的破骨細(xì)胞中，且同樣大量產(chǎn)生于人體的破骨細(xì)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(dá)到骨質(zhì)破壞的作用，此功能在人體骨骼生長時起著至關(guān)重要的作用。組織蛋白酶K的缺失會導(dǎo)致骨質(zhì)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(chǎn)生組織蛋白酶K會侵蝕骨基質(zhì)蛋白，如骨橋蛋白、骨粘連蛋白、膠原蛋白I和II，導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎和骨質(zhì)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(fēng)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(biāo)之一，因為破骨細(xì)胞對膠原蛋白的破壞有助于癌細(xì)胞的增長和擴(kuò)散[7]且乳腺癌細(xì)胞也能夠大量產(chǎn)生過量的組織蛋白酶K。

2 理論與模型

以前的化學(xué)家利用塑料制的棍子來為自己搭建化學(xué)分子式的3D模型。如今我們利用基于經(jīng)典物理學(xué)和量子力學(xué)原理的軟件來設(shè)計最優(yōu)化的分子結(jié)構(gòu)模型，例如一個化學(xué)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(jié)構(gòu)最優(yōu)化（分子結(jié)構(gòu)式能量最低）。計算機(jī)模型的介入對于我們研究反應(yīng)速度極快的酶反應(yīng)過程中的不穩(wěn)定中間體和過度狀態(tài)帶來巨大的幫助，因為到目前為止，對于酶反應(yīng)過程中的中間體的分子3D結(jié)構(gòu)，在實驗室條件下還無法觀測。

分子力學(xué)（MM）是基于經(jīng)典物理學(xué)的理論，用于闡述分子結(jié)構(gòu)式的空間結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(xué)反應(yīng)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(jié)構(gòu)式。

量子力學(xué)（QM）相對于分子力學(xué)而言，它更側(cè)重于計算出電子和原子核之間的相互作用力。量子力學(xué)/分子力學(xué)（QM/MM）的計算方法則可以精確的計算出酶分子在反應(yīng)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(yīng)過程中包含大量分子鍵的斷裂和形成，原子數(shù)量一般在60個左右）利用QM來計算，而其余惰性分子區(qū)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(jié)合類抑制物。半胱氨酸酶抑制劑的發(fā)展史可以被認(rèn)為是與半胱氨酸酶的不可逆結(jié)合到可逆結(jié)合。盡管非共價結(jié)合抑制物已經(jīng)被廣泛發(fā)現(xiàn)，但大多數(shù)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(jié)合類抑制物曾在過去一段時間內(nèi)非常流行，因為此類化合物具有極強(qiáng)的靶向型并被多篇研究報道以及市場化。然而近期我們發(fā)現(xiàn)此類藥物在長期服用的情況下會導(dǎo)致免疫性和抗原性的并發(fā)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(jié)合類抑制劑具有極為優(yōu)越的高效、低毒效果受到人們青睞，但其抑制機(jī)理從未被揭示。本研究將利用計算機(jī)模型計算的方法，證實我們假設(shè)的腈基類化合物的抑制機(jī)理的可行性（圖3所示）。

3 結(jié)論

我們通過對腈基類化合物與組織蛋白酶K的結(jié)合物系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，得到的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)（QM部分）如圖4所示；能量掃描結(jié)構(gòu)圖像如圖5所示。

通過對圖5所得到的結(jié)構(gòu)能量掃描圖的分析，其符合生化反應(yīng)的能量變化規(guī)律。且我們通過QM/MM計算方式，系統(tǒng)成功的得到我們想要的最優(yōu)化的系統(tǒng)反應(yīng)中間態(tài)。充分證明了我們設(shè)想的腈基類化合物的抑制機(jī)理的可行性（圖3）。其中我們設(shè)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(shè)計最初的一種腈基類抑制化合物，再通過UB3LYP（6-31G）計算程序?qū)衔锓肿咏Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后的分子空間結(jié)構(gòu)如圖6所示。我們發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的分子能量（kcal mol-1）比優(yōu)化前低（ΔE= -1838.6），說明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)比優(yōu)化前穩(wěn)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(shè)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）?；赒M/MM的理論，利用Multilayer Onion Model計算方法我們將CYS 25中的硫原子設(shè)為中心點，與之長度為8 Angstroms的空間內(nèi)包含的所有原子設(shè)定為QM區(qū)域，共有底物、HIS 162、CYS 25、ALA 163、GLY 64和GLY 65包含在QM區(qū)域內(nèi)。其余都設(shè)定為MM區(qū)域（包含3160個原子）。用程序UB3LYP（6-31G）優(yōu)化QM區(qū)域。用程序UFF優(yōu)化MM區(qū)域。再利用CHARMM軟件向最新優(yōu)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(nèi)，如圖8所示。

最后，我們將加入水分子后的大系統(tǒng)通過之前同樣的Multilayer Onion Model計算方法將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到最終的能量最低的產(chǎn)物狀態(tài)（C），隨后我們依照圖3的反應(yīng)式往回通過掃描式計算的方法得到中間態(tài)的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。首先，我們切斷帶有腈基集團(tuán)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(tuán)（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?nèi)藶橥ㄟ^10個反應(yīng)步驟（步步使用Multilayer Onion Model計算方法進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)（TSB）和能量最低點的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（B）。所有原子的數(shù)值標(biāo)記都根據(jù)原始GJF文件。

我們隨之將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)B依照圖三的反應(yīng)式繼續(xù)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(tuán)（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?nèi)藶橥ㄟ^10個反應(yīng)步驟（步步使用Multilayer Onion Model計算方法進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)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(jié)合物C逆計算得到產(chǎn)物A、TSA、B、TSB的結(jié)構(gòu)如圖9所示。

參考文獻(xiàn)

[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(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(qiáng)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。《物理》課程是一門實用性很強(qiáng)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(jī)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)。科學(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Γ瑫r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8

（上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，中國 上海 201620）

【摘　要】《固體物理》是材料學(xué)科專業(yè)開設(shè)的一門重要基礎(chǔ)課程。根據(jù)高等學(xué)?！豆腆w物理》課程的特點以及材料類專業(yè)的學(xué)生對學(xué)習(xí)這門課程的需求不同，作者結(jié)合自身的教學(xué)心得和體會，分別從材料學(xué)專業(yè)《固體物理》課程教學(xué)現(xiàn)狀、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式等方面進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞 固體物理；教學(xué)改革；材料學(xué)

《固體物理》作為一門基礎(chǔ)性學(xué)科，受到了越來越多的重視[1-2]。作為連接基礎(chǔ)理論知識與實際應(yīng)用技術(shù)的橋梁，它已經(jīng)成為材料類專業(yè)學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)課程。但傳統(tǒng)的《固體物理學(xué)》中有很多晦澀難懂的專業(yè)術(shù)語，復(fù)雜的圖形與空間變換以及繁瑣的理論推導(dǎo)，故而學(xué)習(xí)難度較大。學(xué)生學(xué)習(xí)《固體物理》時需完成《高等數(shù)學(xué)》、《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》和《量子力學(xué)》等先修課程的學(xué)習(xí)。由于材料學(xué)科特點和學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的不同，材料類專業(yè)的學(xué)生往往只學(xué)習(xí)一部分或者沒有學(xué)習(xí)這些先修課程，故而材料類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)《固體物理》時凡是涉及到一些嚴(yán)密的理論推導(dǎo)過程就會感到十分難懂，造成部分學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒。針對材料類專業(yè)《固體物理》教學(xué)過程中出現(xiàn)的教師教學(xué)難，學(xué)生畏學(xué)這一現(xiàn)狀，本文從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式等方面，對如何提高材料類專業(yè)《固體物理》的教學(xué)質(zhì)量和促進(jìn)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)方面提出了一些新的探討。

1　教學(xué)內(nèi)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(chǔ)部分。主要包括晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)合、晶體的振動與熱力學(xué)性質(zhì)、晶體的缺陷、能帶理論和金屬電子論等內(nèi)容；第二部分為專業(yè)化部分。主要包括半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、非晶固體和固體磁性等內(nèi)容。其中基礎(chǔ)部分是各理工科院校講授的核心內(nèi)容。對于材料類專業(yè)的學(xué)生來說，由于缺少《量子力學(xué)》與《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》方面的知識，系統(tǒng)學(xué)習(xí)《固體物理》有一定的困難，為了解決上述矛盾，我們在教學(xué)過程中對于《固體物理》內(nèi)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(jié)的內(nèi)容講述要有詳有略，作到詳略得當(dāng)。對于重點內(nèi)容要精講，對于不太主要或者在其它課程中能學(xué)到的內(nèi)容可以略講或不講。例如：在講述晶體的結(jié)合這部分內(nèi)容時，材料類學(xué)生在學(xué)習(xí)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》和《化學(xué)基礎(chǔ)課》過程中對于晶體的結(jié)合方式等內(nèi)容都進(jìn)行過系統(tǒng)學(xué)習(xí)，因此對這部分內(nèi)容可以略講。在講解晶體的缺陷這部分內(nèi)容時，學(xué)生在《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程中也學(xué)習(xí)過，對這部分內(nèi)容就可以略講或者不講。

（2）重思想輕推導(dǎo)。對于有些章節(jié)的內(nèi)容，不追求繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，更多的突出物理思想的傳達(dá)，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(xué)生學(xué)會用《固體物理學(xué)》的方法去思考和處理問題。

（3）增加學(xué)科前沿內(nèi)容。合理的補(bǔ)充與固體物理學(xué)緊密相連的凝聚態(tài)物理學(xué)和材料學(xué)最新的學(xué)術(shù)成就與進(jìn)展，鼓勵學(xué)生積極參與或參觀學(xué)院相關(guān)老師的科研實驗，多聽相關(guān)的學(xué)術(shù)報告，讓學(xué)生了解最新的學(xué)術(shù)動態(tài)，培養(yǎng)他們對科學(xué)研究的興趣，為部分學(xué)生將來的繼續(xù)深造和終身從事科學(xué)研究事業(yè)奠定基礎(chǔ)。

2　教學(xué)方式的創(chuàng)新

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

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

（2）案例教學(xué)。選取符合知識點應(yīng)用要求的、貼近生活與技術(shù)發(fā)展的、學(xué)生感興趣的案例，師生共同分析、討論，從而提高學(xué)生分析問題能力與知識應(yīng)用能力。比如課程體系講授到晶格常數(shù)時，引入聚苯乙烯微球人工微結(jié)構(gòu)概念和半導(dǎo)體超晶格概念，并要求學(xué)生就相關(guān)概念進(jìn)行文獻(xiàn)分組調(diào)研，PPT制作，下次課程時間面向同學(xué)進(jìn)行介紹。相比以前老師直接給學(xué)生舉例的教學(xué)方式，案例教學(xué)法激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主人、課堂的主角，課堂氣氛生動活潑。

（3）實踐教學(xué)?！豆腆w物理》是一門與實踐密切聯(lián)系的課程，在《固體物理》教學(xué)中，強(qiáng)調(diào)理論與實際的聯(lián)系，這樣可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、自覺性和創(chuàng)造性，使學(xué)生感到所學(xué)知識的用處和價值，由此可培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用所學(xué)知識解決問題的實踐能力。在《固體物理》的教學(xué)中，為了讓學(xué)生更深刻地理解所學(xué)知識，應(yīng)該適當(dāng)安排《固體物理》實驗。如講授晶體結(jié)構(gòu)時，可以安排學(xué)生作X射線衍射分析實驗。通過親自實驗，學(xué)生不但掌握了晶體的衍射理論知識，也可使學(xué)生體會到現(xiàn)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(xué)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(jié)語

總之，在材料類專業(yè)《固體物理》教學(xué)過程中，要充分認(rèn)識到材料類專業(yè)學(xué)生與物理學(xué)專業(yè)學(xué)生的不同，因材施教。此外，還要結(jié)合凝聚態(tài)物理與材料學(xué)發(fā)展的前沿和本校的科研工作，充分的利用現(xiàn)代化教學(xué)手段進(jìn)行教學(xué)。實踐證明，上述文中所提到的教學(xué)改革方法能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與綜合素質(zhì)。但是，《固體物理》教學(xué)改革是一個龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)工程，課程改革的進(jìn)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(chuàng)新人才，除改變教育觀念，營造生動活潑的人文環(huán)境外，還要加強(qiáng)我們教師隊伍建設(shè)，提高他們培養(yǎng)創(chuàng)新人才的能力。

參考文獻(xiàn)

［1］馮端.固體物理學(xué)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(xué)[M].北京:高等教育出版社,1997.

［3］馮端,師昌緒,劉治國.材料科學(xué)導(dǎo)論[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

篇9

霍爾效應(yīng)是美國物理學(xué)家霍爾于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的.當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng).這個電勢差也被叫做霍爾電勢差.量子霍爾效應(yīng)是霍爾效應(yīng)的量子力學(xué)版本.一般被看作是整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的統(tǒng)稱.整數(shù)量子霍爾效應(yīng)被馬普所的德國物理學(xué)家馮?克利青發(fā)現(xiàn).他因此獲得1985年諾貝爾物理學(xué)獎.分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)被崔琦、施特默和赫薩德（A.C.Gossard）發(fā)現(xiàn).整數(shù)量子霍爾效應(yīng)最初在高磁場下的二維電子氣中被觀測到；分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)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(xué)物理學(xué)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(yīng).一些理論學(xué)家指出分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中的某些平臺可以構(gòu)成非阿貝爾態(tài)（Non-Abelian States），這可以成為搭建拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)的基礎(chǔ).

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(xiāng)范莊村一個農(nóng)民家庭.1949年，崔琦在新寶鎮(zhèn)的石橋區(qū)高皇廟上完小學(xué)，其實當(dāng)時他在這個小學(xué)接受的也就是私塾般的四書、五經(jīng)教育.由于當(dāng)?shù)貨]有中學(xué)，崔琦只好輟學(xué)在家.他具有典型農(nóng)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(dāng)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(dāng)于不規(guī)則三角形）難為他.等各個邊的數(shù)據(jù)一測出，崔琦一口就說出結(jié)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(dāng)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(yuǎn)，希望鄉(xiāng)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(dá)香港，直接進(jìn)入六年級學(xué)習(xí).在香港，崔琦面臨的最大困難是語言關(guān)，一是學(xué)說廣東話，二是學(xué)好英文．后來，他進(jìn)入培正中學(xué)就讀，這使他的英文進(jìn)步很快，因為這是一所雙語并用的學(xué)校，課本用中文，授課用英語或是名詞中英對照，這種教學(xué)方式使崔琦受益匪淺．他后來回憶認(rèn)為：“華人研讀科學(xué)應(yīng)該中英文交錯使用，才可兼容并蓄，收到真正學(xué)習(xí)之效．”他說，只懂得中文會令科學(xué)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(qiáng)烈思念在家鄉(xiāng)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(xué)才是對父母親最大的安慰.崔琦刻苦攻讀，靠全額獎學(xué)金完成中學(xué)學(xué)業(yè).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(xué)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(yīng)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(xué)業(yè).

為了進(jìn)一步深造，他又來到芝加哥大學(xué)師從史達(dá)克教授，在這里，史達(dá)克教授風(fēng)趣的物理教學(xué)及物理學(xué)廣博的奧妙，使崔琦對物理學(xué)產(chǎn)生了特別的喜好，并開始對物理學(xué)研究投入更多的精力.當(dāng)他圓滿完成這里的學(xué)業(yè)后，又前往貝爾研究室跟隨羅威爾教授學(xué)習(xí)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(xué)的研究與探索．1967年，崔琦在芝加哥大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位；1982年任新澤西州普林斯頓大學(xué)電子工程系教授；1984年當(dāng)選美國科學(xué)院院士，成為美國物理學(xué)會、美國高尖科學(xué)學(xué)會會員，并獲濃縮物質(zhì)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(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、專心致志，對自己鐘愛的物理學(xué)研究事業(yè)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(dá)州，就為了找個強(qiáng)力磁場以進(jìn)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(shè)計新模型，能制造一個個用錢都買不到的新產(chǎn)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(jìn)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(yán)格的家規(guī)，傳統(tǒng)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(jī)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(xué)手段的利用，有助于學(xué)生對固體微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、原胞的選取、原胞的形狀等。與傳統(tǒng)板書相比，利用多媒體呈現(xiàn)并分析固體的微觀結(jié)構(gòu)以及晶體的結(jié)構(gòu)特征，對教師而言，更加省時、省力；幾何關(guān)系的表達(dá)也更為準(zhǔn)確，便于學(xué)生的理解。此外，若能結(jié)合三維的原子實物模型，那么，固體的微觀結(jié)構(gòu)將能更為直觀地展現(xiàn)在學(xué)生眼前。多媒體與三維模型的應(yīng)用對于學(xué)生理解固體的微觀結(jié)構(gòu)、晶格的周期性、原胞、晶體的對稱性等基礎(chǔ)概念很有好處。當(dāng)然，多媒體教學(xué)也存在著一定的局限性。例如，在公式的推導(dǎo)、基礎(chǔ)概念的講解等方面，板書其實更受學(xué)生的歡迎。與多媒體教學(xué)相比，板書的節(jié)奏慢，師生間可以有較多的互動；學(xué)生相對容易跟上教師思考問題、解決問題的步伐，學(xué)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(xué)還需適當(dāng)?shù)嘏c傳統(tǒng)板書相結(jié)合才能達(dá)到較好的教學(xué)效果。

二、教學(xué)內(nèi)容的取舍

由于固體物理學(xué)融合了普通物理、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理、量子力學(xué)、晶體學(xué)等多學(xué)科的知識，其知識面廣、量大，在有限的學(xué)時里，不可能面面俱到地討論固體物理學(xué)所涉及的所有知識點。因此，實際教學(xué)中可以結(jié)合本專業(yè)的特色，有選擇地取舍部分教學(xué)內(nèi)容。例如，側(cè)重固體熱學(xué)性質(zhì)的專業(yè)可以考慮以晶格振動等內(nèi)容為主；而側(cè)重微電子的專業(yè)則可以考慮以能帶理論、半導(dǎo)體中的電子等內(nèi)容為主。當(dāng)然，一些多個領(lǐng)域都涉及到的基礎(chǔ)知識也應(yīng)是這門課程不可缺少的一部分內(nèi)容。固體的微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)合方式是固體物理學(xué)的基礎(chǔ)，因此，晶體的結(jié)構(gòu)和晶體的結(jié)合等知識點應(yīng)是這門課程的基礎(chǔ)知識之一?？紤]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(dǎo)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(lián)系，但很多時候，可以分別側(cè)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(jù)實際情況分別討論，并得到與實際較為符合的理論結(jié)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(jù)各專業(yè)的實際情況取舍部分教學(xué)內(nèi)容。在許多固體物理學(xué)的教材中，例如黃昆等的《固體物理學(xué)》教材和閻守勝的《固體物理基礎(chǔ)》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(chǔ)理論，它是凝聚態(tài)物理前言研究的有效手段之一，也是材料設(shè)計的一種有效方法。教學(xué)過程中，教師可以結(jié)合各專業(yè)的實際情況介紹一些密度泛函理論的基礎(chǔ)知識。同時，還可以介紹一些最新的相關(guān)研究進(jìn)展，以拓展學(xué)生的知識面、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、模塊化的教學(xué)形式

如前所述，固體物理學(xué)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(xué)過程中可以考慮模塊化的教學(xué)形式，以子課題的形式將相應(yīng)內(nèi)容呈現(xiàn)給學(xué)生。可能的模塊如：討論晶體的結(jié)構(gòu)和晶體的結(jié)合方式的基礎(chǔ)模塊———晶體的結(jié)構(gòu)與結(jié)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(shù)個部分。這樣做首先有利于教學(xué)內(nèi)容的取舍；其次，有利于學(xué)生對各知識點的理解、有利于學(xué)生梳理清楚各個知識點之間的關(guān)系。此外，固體物理學(xué)是凝聚態(tài)物理前沿研究的基礎(chǔ)之一；其基礎(chǔ)知識、理論推導(dǎo)、實驗背景以及處理問題的方式方法等，都是開展凝聚態(tài)物理研究的基礎(chǔ)。而模塊化教學(xué)，以課題研究的形式提出問題、解決問題，將教學(xué)內(nèi)容以問題為導(dǎo)向呈現(xiàn)給學(xué)生，這有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和解決實際問題的能力。而且，課題研究的教學(xué)模式，既是在教授學(xué)生知識，也是在開展科研，有助于提高學(xué)生對科研的認(rèn)識、有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。這種課題研究的模塊化教學(xué)形式還可以結(jié)合基于原始問題的教學(xué)來開展。

四、基于原始問題的教學(xué)

所謂原始問題，可簡單理解為：現(xiàn)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(xì)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(guān)問題，并呼吁將基于原始物理問題的教學(xué)實踐引入大學(xué)物理的教學(xué)中。這應(yīng)是個值得提倡的建議，畢竟現(xiàn)實生活中遇到的具體問題都是原始問題。與傳統(tǒng)的習(xí)題不同，原始問題未被抽象、加工或簡化。學(xué)生處理實際問題的第一步便是將問題適當(dāng)簡化，這也是學(xué)生需要學(xué)習(xí)的一種能力。事實上，合理的模型簡化是各種理論的基礎(chǔ)，也是實際應(yīng)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(shù)十年來是我們討論、分析相應(yīng)問題的基礎(chǔ)。今天，那些被寫進(jìn)教科書的基礎(chǔ)理論，在當(dāng)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(jù)經(jīng)典的熱力學(xué)理論，晶體的定體摩爾熱容是個與溫度無關(guān)的常數(shù)。實驗發(fā)現(xiàn)晶體的熱容在高溫下確實接近于常數(shù)，但是晶體的熱容在低溫下并不是個常數(shù)，其與溫度的三次方成比例關(guān)系。問題的提出：理論預(yù)言與實驗觀測為何不相符？如何解釋實驗現(xiàn)象？20世紀(jì)初剛剛發(fā)展起來的量子力學(xué)是否能解釋這個實驗現(xiàn)象？這些問題在愛因斯坦的年代應(yīng)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(zhì)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(dāng)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(shù)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(yīng)。結(jié)合量子力學(xué)，得到體系的能量本征值；寫出晶格振動總能的表達(dá)式，繼而給出由晶格振動貢獻(xiàn)的晶格熱容的表達(dá)式。由于晶格熱容的表達(dá)式復(fù)雜，很難直接與實驗結(jié)果對比，因此引入進(jìn)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(xué)研究的方式相接近，既能提高學(xué)生對科研的認(rèn)識、培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，又能培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、解決實際問題的能力。

五、小結(jié)