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量子力學基本概念總結范文1
關鍵詞：量子力學；教學探索；普通高校
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）50-0212-02
一、概論
量子力學從建立伊始就得到了迅速的發展，并很快融合其他學科，發展建立了量子化學、分子生物學等眾多新興學科。曾謹言曾說過，量子力學的進一步發展，也許會對21世紀人類的物質文明有更深遠的影響[1]。
地處西部地區的貴州省，基礎教育水平相對落后。表1列出了2005年到2012年來的貴州省高考二本理科錄取分數線，從中可知：自2009年起二本線已經低于60%的及格線，并呈顯越來越低的趨勢。對于地方性新升本的普通本科學校來講，其生源質量相對較低。同時，在物理學（師范）專業大部分學生畢業后的出路主要是中學教師、事業單位一般工作人員及公務員，對量子力學的直接需求并不急切。再加上量子力學的“曲高和寡”，學生長期以來形成學之無用的觀念，學習意愿很低。在課時安排上，隨著近年教育改革的推進，提倡重視實習實踐課程、注重學生能力培養的觀念的深入，各門課程的教學時數被壓縮，量子力學課程課時從72壓縮至54學時，課時被壓縮25%。
總之，在學校生源質量逐年下降、學生學習意愿逐年降低，且課時量大幅減少的情況下，教師的教學難度進一步增大。以下本人結合從2005至10級《量子力學》的教學經驗，談一下教學方面的思考。
二、依據學生情況，合理安排教學內容
1.根據班級的基礎區別化對待，微調課程內容。考慮到我校學生的實際情況和需要，教學難度應與重點院校學生有差別。同時，通過前一屆的教學積累經驗，對后續教學應有小的調整。在備課時，通過微調教學內容來適應學習基礎和能力不同的學生。比如，通過課堂教學及作業的反饋，了解該班學生的學習狀態，再根據班級學習狀況的不同，進行后續課程內容的微調。教學中注重量子力學基本概念、規律和物理思想的展開，降低教學內容的深度，注重面上的擴展，進行全方位拓寬、覆蓋，特別是降低困難題目在解題方面要求，幫助學生克服學習的畏難心理。
2.照顧班內大多數，適當降低數學推導難度。對于教學過程中將要碰到的數學問題，可采取提前布置作業的方法，讓學生主動去復習，再輔以教師課堂講解復習，以解決學生因為數學基礎差而造成的理解困難。同時，可以通過補充相關數學知識，細化推導過程，降低推導難度來解決。比如：在講解態和力學量的表象時[2]，要求學生提前復習線性代數中矩陣特征值、特征向量求解及特征向量的斯密特正交化方法。使學生掌握相關的數學知識，這對理解算符本征方程的本征值和本征函數起了很大的推動作用。
3.注重量子論思想的培養。量子論的出現，推動了哲學的發展，給傳統的時空觀、物質觀等帶來了巨大的沖擊，舊的世界觀在它革命性的沖擊下分崩離析，新的世界觀逐漸形成。量子力學給出了一套全新的思維模式和解決問題的方法，它的思維模式跟人們的直覺和常識格格不入，一切不再連續變化，而是以“量子”的模式一份一份的增加或減少。地方高校的學生數學基礎較差，不愿意動手推導，學習興趣較低，量子力學的教學，對學生量子論思維方式的培養就顯得尤為重要。為了完成從經典理論到量子理論思維模式的轉變，概念的思維方式是基礎、是重中之重。通過教師的講解，使學生理解量子力學的思考方式，并把經典物理中機械唯物主義的絕對的觀念和量子力學中的概率的觀念相聯系起來，在生活中能夠利用量子力學的思維方式思考問題，從而達到學以致用的目的。
4.跟蹤科學前沿，隨時更新科研進展?？茖W是不斷向前發展的，而教材自從編好之后多年不再變化，致使本領域的最新研究成果，不能在教材中得到及時體現。而發生在眼下的事件，最新的東西才是學生感興趣的。因此，我們可以利用學生的這種心理，通過跟蹤科學前沿，及時補充量子力學進展到教學內容中的方式，來提高學習量子力學的興趣。教師利用量子力學基本原理解釋當下最具轟動性的科技新聞，提高量子力學在現實生活中出現的機會，同時引導學生利用基本原理解釋現實問題，從而培養學生理論聯系實際的能力。
三、更新教學手段，提高教學效率
1.拓展手段，量子力學可視化。早在上世紀90年代初，兩位德國人就編制完成了名為IQ的量子力學輔助教學軟件，并在此基礎上出版了《圖解量子力學》。該書采用二維網格圖形和動畫技術，形象地表述量子力學的基本內容，推動了量子力學可視化的前進。近幾年計算機運算速度的迅速提高，將計算物理學方法和動畫技術相結合，再輔以數學工具模擬，應用到量子力學教學的輔助表述上，使量子力學可視化。通過基本概念和原理形象逼真的表述，學生理解起來必將更加輕松，其理解能力也會得到提高。
2.適當引入英語詞匯。在一些漢語解釋不是特別清楚的概念上，可以引入英文的原文，使學生更清晰的理解原理所表述的含義。例如，在講解測不準關系時，初學者往往覺得它很難理解。由于這個原理和已經深入人心經典物理概念格格不入，因此初學者往往缺乏全面、正確的認識。有學生根據漢語的字面意思認為，測量了才有不確定度，不測量就不存在不確定。這時教師引入英文“Uncertainty principle”可使學生通過英文原意“不確定原理”知道，這個原理與“測量”這個動作的實施與否并沒有絕對關系，也就是說并不是測量了力學量之間才有不確定度，不測量就不存在，而是源于量子力學中物質的波粒二象性的基本原理。
3.提出問題，引導學生探究。對于學習能力較強的學生，適當引入思考題，并指導他們解決問題，從而使學生得到基本的科研訓練。比如，在講解氫原子一級斯塔克效應時，提到“通常的外電場強度比起原子內部的電場強度來說是很小的”[2]。這時引入思考題：當氫原子能級主量子數n增大時，微擾論是否還適用？在哪種情況下可以使用，精確度為多少？當確定精度要求后，微擾論在討論較高激發態時，這個n能達到多少？學生通過對問題的主動探索解決，將進一步熟悉微擾論這個近似方法的基本過程，理解這種近似方法的精神。這樣不僅可以加深學生對知識點的理解，還可以得到基本的科研訓練，從而引導學生走上科研的道路。
4.師生全面溝通，及時教學反饋。教學反饋是教學系統有效運行的關鍵環節，它對教和學雙方都具有激發新動機的作用。比如：通過課堂提問及觀察學生表情變化的方式老師能夠及時掌握學生是否理解教師所講的內容，若不清楚可以當堂糾正。由此建立起良好的師生互動，改變單純的灌輸式教學，在動態交流中建立良好的教學模式，及時調整自己的教學行為。利用好課程結束前5分鐘，進行本次課程主要內容的回顧，及時反饋總結。通過及時批改課后作業，了解整個班級相關知識及解題方法的掌握情況。依據反饋信息，對后續課程進行修訂。
通過雙方的反饋信息，教師可以根據學生學習中的反饋信息分析、判定學生學習的效果，學生也可以根據教師的反饋，分析自己的學習效率，檢測自己的學習態度、水平和效果。同時，學生學習行為活動和結果的反饋是教師自我調控和對整個教學過程進行有效調控的依據[6]。
四、結論
量子力學作為傳統的“難課”，一直是學生感到學起來很困難的課程。特別是高校大擴招的背景下，很多二本高校都面臨著招生生源質量下降、學生學習意愿不高的現狀，造成了教師教學難度進一步增大。要增強學生的學習興趣，提高教學質量，教師不僅要遵循高等教育的教學規律，不斷加強自身的學術水平，講課技能，適時調整教學內容，采取與之相對應的教學手段，還需要做好教學反饋，加強與學生的溝通交流，了解學生的真實想法，并有針對性的引入與生活、現實相關的事例，提高學生學習量子力學的興趣。
參考文獻：
[1]曾謹言.量子力學教學與創新人才培養[J].物理，2000，（29）：436.
[2]周世勛，陳灝.量子力學教程[M].高等教育出版社，2009：101.
[3]楊林.氫原子電子概率分布可視化及其性質研究[J].綏化學院學報，2009，（29）：186.
[4]常少梅.利用Mathematica研究量子力學中氫原子問題[J].科技信息，2011，（26）：012.
[5]喻力華，劉書龍，陳昌勝，項林川.氫原子電子云的三維空間可視化[J].物理通報，2011，（3）：9.
量子力學基本概念總結范文2
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?？v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.
量子力學基本概念總結范文3
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?；瘜W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?？傮w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?；瘜W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?？扇細?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。
量子力學基本概念總結范文4
【關鍵詞】固體物理 學科前沿 教學改革
【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）07-0181-01
《固體物理》是大學物理專業一門重要的專業必修課。固體物理是研究固體的結構及其組成粒子(原子、離子、電子等)之間相互作用與運動規律，以闡明其性能與用途的學科［1，2］。同時，隨著科技的發展，以固體物理為基礎外向延拓的凝聚態物理成為當前重點研究的學科之一，是材料物理、半導體物理、新材料和新器件等新興交叉學科的理論基礎。固體物理的學習成為基礎理論與應用學科之間的橋梁，在當今世界的高新科技領域起著不可替代的作用。本課程的主要學習任務是在大學物理、量子力學、統計物理等知識基礎上學習晶格理論和固體電子理論、以及所涉及的學科發展的前沿和應用。因此有必要學習且學好這門課，這要求學生必須具備較強的物理思想、扎實的數學基礎、良好的量子力學基礎，而且這門課內容抽象且龐大，因此對授課的要求也相應地提出了挑戰。從教師角度來講，如果上好這門課，使學生深刻理解和掌握物理基本概念、所學內容，并能學以致用，培養學生解決實際問題的能力和創新能力，如何融合學科前沿知識于物理教學中，提高教學質量，值得我們深思。
筆者在教學中考慮到傳統的固體物理教學內容和日新月異的固體物理前沿內容間的關聯，在教學中引入學科前沿研究的具體問題，以期固體物理的教學能夠與時展相結合，強化學生的基礎知識學習，提高學生的學習興趣，拓寬學生的視野，培養學生的科學態度、學習能力和創新能力。本文引用教學過程中選擇的一個具體研究體系：即石墨烯體系來闡明如何在教學中建立基礎知識與前沿間的關聯的。石墨烯體系是2004年英國曼徹斯特大學的Geim和Novoselov等人通過機械剝離法獲得了單層石墨烯片，這種二維材料仍保持了近乎完美的晶體結構和極高的穩定性。石墨烯材料展現出了諸如無質量的狄拉克費米子、彈道輸運、室溫量子霍爾效應等一系列新奇的物理性質成為近幾年迅速發展起來的研究熱點材料之一。2010年，Geim和Novoselov因為在石墨烯研究方面的卓越貢獻獲得了諾貝爾物理學獎金。選擇石墨烯體系是因為：(1)它可以與固體物理眾多基礎知識點聯系起來，使學生在學習中更加具體化；(2)在教學過程中結合一個研究問題，在學習過程中層層推進，既深刻理解了固體物理的基本知識點，又同時逐步了解了前科學科的研究內容、方法；(3)此教學過程可以激發學生的學習熱情和興趣，讓學生感知學科發展的動力，認識科學的研究來源于基礎知識的積累、學習。下面我們簡要的梳理一下在教學過程中如何結合石墨烯體系進行教學的。
1.晶格結構。《固體物理》教學的第一塊內容是晶體結構以及對它的描述：基矢、倒格矢等。晶體結構是微觀粒子的排列方式，抽象、枯燥。我們將Materials Studio軟件應用于教學中，充分應用模擬軟件的可視化功能，導入典型材料的晶格結構，通過旋轉多角度的觀察微觀粒子的排列方式，分析結構特征。其中導入單層石墨烯結構：分析原胞，分析兩個不等價的碳原子，用A、B表示，求解原胞基矢、倒格矢，分析每類原子的最近鄰、次近鄰等，為后續緊束縛近似從能級擴展到能帶做鋪墊。
2.能帶理論。在晶體中，勢函數滿足周期性，狀態波函數滿足Bloch定理。求解石墨烯中載流子運動狀態和能量滿足的方程，考慮到碳原子核外電子在一個原子附近時，將主要受該原子場的作用，而把其它原子場的作用看成是微擾作用，因此采用緊束近似的方法。由于石墨烯中有A、B兩種不等價碳原子，波函數可以寫為ψ=C1?覫A+C2?覫B其中?覫A，?覫B 分別代表A和B的原子軌道對所有格點求和的波函數，在教師引導下讓學生具體求解本征方程，具體計算結合書本，只保留到最近鄰相互作用項，給出能帶公式，分析能帶圖，提醒學生注意能帶圖殊的6個交叉點（即K，K’點），具體物理分析留待后面解釋。
3.能態密度和費米面。能態密度以及費米面附近的載流子濃度是決定材料物性最基本的物理量。通過對石墨烯能帶結構的分析，由6個K和K’點組成的平面即為零偏壓下的費米面，忽略原子軌道間的重疊積分，在K/K’附件展開給出能量為波矢的線性關系，實驗上可用角分辨光電子譜等方法對石墨烯的能帶進行測量，向學生展示實驗結果并對比理論進行分析。相應地描述石墨烯載流子行為的方程是Dirac方程，而不是薛定諤方程，這一點需向學生做進一步分析解釋：區別傳統自由電子氣中描述載流子所采用的近自由電子近似，其中能量與波矢的關系成二次方項；而在單層石墨烯中載流子的速度約為106 m/s，類光子，采用Dirac方程描述。正是因為石墨烯中電子結構的特殊性為人們研究觀察相對論量子電動力學效應提供了更加方便的手段和系統，使得人們可以利用低能的凝聚態物理來模擬一些量子場下所預言的相對論量子現象，用石墨烯來檢驗Klein隧穿效應等，拓寬學生視野，激發學習熱情。
4.電子在電場和磁場中的運動。(1)通過能帶理論解析導體、絕緣體或半導體的導電行為。針對石墨烯材料，同樣由能帶結構分析導電性能。尤其指出當門電壓為零時，理論上載流子濃度為零，如何解釋實驗上觀測到的最小電導率，向學生拋出問題，引導學生思考，最后總結目前文獻中的相關解釋。(2)采用經典理論和量子理論分析自由電子系統在外加磁場條件下載流子的運動特征，介紹傳統的霍爾效應和整數量子霍爾效應現象。引入在石墨烯材料上室溫下觀測到的反常的量子霍爾效應現象。引導學生找出霍爾電導的反常性來源于材料結構的特殊性以及描述載流子運動方程的不同，并進一步給出在外加磁場下的狀態方程和能量關系，分析實驗現象。
5.其它。在課時允許的條件下，以專題的形式向學生介紹前沿知識。同樣以石墨烯為例，介紹晶格振動實驗和理論的結果；各種散射機制以及采用Boltzmann方程的方法如何處理散射問題，異質結的能帶形成過程；光的吸收與層數的關系實驗規律，分析光的吸收機制以及在透明導電薄膜領域的應用前景；以及石墨烯材料如何制備等等。當然我們也同樣可以選擇其它的學科前沿的事例結合固體物理的教學，在這里筆記主要是介紹通過石墨烯的研究內容來充實我們的教學內容。
總之，結合固體物理理論性強，并且學科飛速發展的特點，在課程內容上有必要增加學科前沿內容，傳授研究方法，設計研究性課題，解決實際問題。從而培養有創新能力的學生。
參考文獻：
量子力學基本概念總結范文5
關鍵詞：非經典計算；算法設計與分析；智能科學與技術
1背景
智能科學與技術是人工智能方向的重點交叉學科，是一個包含了認知科學、腦科學、計算機科學的新興學科。按照教育部學科專業目錄，智能科學與技術是一級學科計算機科學與技術下的二級學科。如何在4年的本科教學過程中，既立足于計算機學科內容，又突出智能專業的特點，體現該專業區別于計算機科學專業的特色，培養一流的智能人才，是眾多智能專業積極探索的問題。
本著幫助學生建立寬廣厚實的知識基礎，使學生將來能向本專業任何一個分支方向發展，并能掌握本學科發展的最新動態和發展趨勢，深刻領會本學科與其他相關學科區別的目標，廈門大學智能科學與技術系于2012年合理調整了專業培養方案，制定了一套突出專業特色和個性的教學大綱，課程體系分為學科通修課程、專業必修課程、專業選修課程。其中，專業必修課程細分為智能基礎類課程、軟件理論類課程及硬件基礎類課程3個不同類別。在智能基礎類課程中，開設非經典計算課程。該課程是廈門大學智能科學與設計系最具特色的課程。
該課程以軟件理論類課程算法設計與分析為先導課程，在本科三年級的第一學期先講授算法知識，在同一學年度第三學期講授非經典計算的內容。教師首先介紹經典算法設計與分析中的各種傳統算法，借由經典算法發展過程中遇到的困境問題引出非經典計算的內容，前后呼應，有助于學生在智能計算上獲得完整的系統學習。
2非經典計算在智能科學與技術專業本科教學算法體系中的地位
算法設計是智能科學與技術專業中的核心內容。本科專業4年的專業教學計劃由4門核心課程構成算法體系的主線，包括高級語言程序設計（本科一年級學科通修課程）、數據結構（本科二年級方向必修課程）、算法設計與分析（本科三年級方向必修課程）、非經典計算（本科三年級方向限選課程）。這4門課程的教學內容和組織結構完整地構成了算法體系結構。以圖靈獎獲得者、pascal之父Niklaus Wirth提出的著名公式為參照，即Algorithm+Data Structures=Programs，算法體系以培訓計算機方向學生掌握編程能力，獨立完成分析問題、設計方案、解決問題的綜合能力為主要目標；在這個體系中，程序語言是基礎，數據結構是內涵，算法是框架。
在算法體系中，這4門課程以循序漸進的方式展開，注重對學生算法思維的培訓。
（1）高級語言程序設計講授的是c語言程序設計，通過對C語言的詳細介紹，讓學生掌握程序設計方法和編程技巧。作為初始啟蒙課程，選擇C語言作為程序教學語言，是因為C語言的使用廣泛，擁有嚴格完整的語法結構，適合教學。
（2）數據結構重點講授各種常用的數據表示邏輯結構、存儲結構及其基本的運算操作，并介紹相關算法及效率分析。教師通過在一年級對包括C語言在內的其他程序設計過程的訓練，加人對數據結構中各種數據的邏輯、存儲結構的表示和運算操作，從數據結構的角度闡述典型算法，并簡單介紹算法的效率分析，這是對程序設計訓練的進階內容。
（3）算法設計和分析主要介紹算法設計與分析的基本方法以及算法復雜性理論基礎。我們在本科三年級引入算法設計與分析課程，從算法的抽象角度總結和歸納各種算法思想，包括遞歸與分治法、貪心法、動態規劃法、回溯法、分支定界法、高級圖論算法、線性規劃算法等，最后闡述算法復雜性的分析方法、NP完全性理論基礎等計算復雜性的基本知識及完備性證明概要，重點闡述算法思想，從復雜性角度比較和分析不同的算法。上述（1）、（2）和（3）的內容構成了計算機學科通用算法體系的教學過程。
（4）非經典計算主要討論何為計算的本質以及經典計算在計算能力上遇到的困境，以此為契機討論自然計算――生物計算、集群計算、量子計算等內容。算法設計和分析的最后一個章節是對算法復雜性的分析方法及NP完全性理論基礎的介紹，不可避免地會討論到現代電子數字計算機體系在計算能力上的瓶頸以及由NP完全問題（Non-deterministic Polynomial），號稱世界七大數學難題之一的經典問題，引出對經典計算機體系的深層思考，進一步引導學生思考如何解決計算能力的瓶頸問題。這是教師設計非經典計算課程的出發點，也是對算法體系更完整的補充和更深層次的探討。
此外，我們還需要對授課學期選擇進行考慮。廈門大學實行三學期制度，在第三學期內開設的課程大多是實踐類課程及前沿技術介紹課程。在本科三年級的小學期階段，學生基本完成了智能專業大部分必修課程的學習，擁有了一定的計算機基礎和學科素養。這時，依賴學生已經具有的數據結構與算法的基本知識，可以將學生的學習引向如何理解計算的本質；再從計算本質出發，由易到難，介紹采用非計算機的不同計算媒介和方法，例如DNA計算、元胞自動機、集群計算等知識，結合計算機模擬程序加深認識。在逐步加深學生對非經典方法計算的理解之后，再引入量子信息與量子計算。至此，智能專業關于算法體系的整體構建已基本完成。
3非經典計算課程內容大綱
非經典計算課程的主體課程內容以專題形式展開，分為5個部分。
第一部分：計算本質。從什么是計算人手，列舉各種計算的形式，由數字的計算到命題的證明，由數值計算到符號推導，引出計算本質的廣義定義，“計算是從一個符號串f變換成另一個符號串g”，即從已知符號（串）開始，一步一步地改變符號（串），經過有限步驟，最后得到一個滿足預先規定的符號（串）的變換過程；進一步展開對什么是計算、什么是可計算性的討論，展開介紹計算理論上4個著名的計算模型――般遞歸函數、λ可計算函數、圖靈機和波斯特系統；最后歸結到丘奇?圖靈論點。以上是第一條主線，第二條主線從計算復雜性角度人手，討論在經典算法中難解決的NP完全問題，提出在經典計算體系中隨著輸入數據規模增大而難以計算的瓶頸，從而引發學生對于經典計算的思考。
第二部分：智能計算機的發展。這個部分主要討論計算機硬件的發展歷史，即從原始時期的計算工具，到現代計算機的4個發展階段：史前期、機械式計算機、機電式計算機、電子計算機。教師從模擬型計算機到數字型計算機，闡述馮?諾依曼關于計算機五大基本組成對現代計算機體系結構的影響及其帶來的限制；從硬件角度提出非經典計算機的討論，鼓勵學生對現代智能計算機硬件進行調查。
第三部分：DNA計算。主要闡述DNA計算的基本原理，并以旅行商問題為引子，展開經典計算難解決問題的討論，重點介紹第一個由DNA計算模型解決的問題――L.Adleman構建的7個節點的DHP，并著重指出DNA計算潛在的巨大并行性和待研究的問題；然后介紹R.Lipton用DNA實驗解決的另一個NP問題――可滿足性問題（SAT）；最后將DNA計算與軟計算結合，闡述粘貼模型以及DNA的軟計算模擬與遺傳算法的對比。對于DNA計算強大的并行性，以具體的算法實例加以詳細闡述和說明，教師應指出分子計算的優缺點以及在計算能力上的巨大潛力。
第四部分：細胞自動機和集群計算。這個部分主要討論群體計算，一方面，從細胞自動機的形式化闡述及其所帶來的哲學意義出發，描述細胞自動機在計算機交叉學科上的運用；另一方面，介紹集群計算，以歐盟“藍腦計劃”為出發點，闡述如何從硬件體系和軟件體系上用計算機架構類神經元的協同合作方式。
第五部分：量子計算。從基本的量子力學知識開始，完整闡述量子計算的基本概念、量子信息、量子計算機和量子通信。量子計算機的構建除了要包含最基本的操作外，還需要介紹基本的量子計算機體系結構、計算載體等知識，加深對量子計算的理解，最后介紹的量子通信。這種已經應用在實際生活中的量子計算，更貼合實際。
以上5個專題，結構清晰，分工明確。第一部分討論經典計算的困境，第二部分討論經典計算機的發展瓶頸，從第三部分開始，引入非經典計算模型，分別從生物學和計算機科學的交叉學科DNA計算、細胞自動機和集群計算、量子計算3個方面進行學習。5個專題，完成了對非經典計算中前沿熱門計算模式的闡述，引導了學生對于前沿學科的認識和思考。
4非經典計算課程授課方式
本課程屬于本科三年級第三學期的課程，授課除了上文提到的內容之外，另一個更重要的方面是引導學生對學科前沿以及熱點內容的跟蹤和思考。因此在教學方式上，我們采取了教師授課及學生調查報告相結合的形式。教師上課對應課程的基本內容，學生調查報告對應學科前沿跟蹤與思考。
5個專題內容的授課經過了如下設計。在每個專題的授課結束后，布置相關專題內的一些熱點、難點問題供學生課后查閱、討論和思考。每個專題由學生自主報名，學生需要對相關內容進行跟蹤，查閱近5年的科技文獻，總結出論文綜述，并準備10分鐘左右的課堂報告，教師針對課堂報告指出相關的問題，由學生課后進行進一步的思考和再次的文獻查閱，形成最終報告后提交課程論文。
這樣的課程設計安排，可以很好地實現教學相長。在學生方面，促使學生除了上課聽課，必須主動參與文獻的查詢過程，主動對授課內容或延展部分的概念進行思考。由于提供給學生選擇專題的自由，所以也可以大大提高學生的積極性，讓學生可以從感興趣的角度對本門課程涵蓋的內容進行調查，從而獲得更加深刻的上課體驗。最后，由于每個學生選擇的題目必須提前匯總，不能與別人重復，所以在其聽取其他學生的報告過程中，學生可以更廣地拓展自己的知識面。對于授課教師而言，能夠保持對該門課程研究現狀的實時性跟蹤，更加全面地更新課程內容，還可以將學生查閱的重要理論和知識補充到課程基本內容中，同時促進教師與學生之間的互動，活躍課堂氣氛，提高教學質量。
5關于非經典計算課程的幾點思考
課程從廈門大學智能科學與技術系建系之初開始構思和授課，在授課過程中不斷調整教學內容和課程設計，緊緊圍繞學生的反饋完善課程建設。關于非經典計算課程的幾點教學經驗可以總結如下。
1）增加課時，優化對課程設計的安排。
2015年開始，由于學科教學計劃的調整，非經典計算課程由最初的20課時拓展為30課時，集中在本科三年級第三學期進行講授，一共5周，每周6課時。課時安排上，除了增加教學內容，更加強了對學生的文獻查閱和報告部分的考查。在論文報告環節，爭取做到有目標、有指導、有結論、有總結。學生所做的報告除了在初始選題階段要有區別之外，還要求有一定的文獻查閱難度。從選題確定，到針對報告指出具體的問題，要求學生根據教師指出的問題進行進一步的思考和資料查閱，最后形成論文。這樣的安排貫穿整個課程的全過程，學生的參與度獲得了極大的提高。對于教師而言，在學期末總結學生所做的報告內容，并增加本門課的知識點覆蓋程度，對教學也有比較大的促進作用。
2）課程考核方式上的設計。
非經典課程屬于必修課程，在考核方式上除了提交論文外，也必須要有必要的考試環節。在考試環節中，主要考查學生對教師上課內容的理解。在具體授課中，教師從經典計算到非經典計算進行講解，也從算法角度給出了非經典計算強大計算力帶來的改變，既延續了經典算法課程中對算法的介紹和討論方式，又對比了典型問題在經典算法和非經典算法中的不同解決方式。這樣的授課內容作為對算法體系基本知識點的考查，以閉卷考試內容來設計，是十分合適的。課程延展部分的開放知識點由學生的論文及報告內容進行評分衡量。最后，我們將兩個部分的成績作為本門課程的最終成績。
3）課程教材的選定。
由于本門課程是廈門大學智能系的特色課程，所以國內并沒有合適的教材作為授課使用。在積累了幾年的教學經驗后，我們準備著手進行教材的編寫。如何選定更加合理的專題、更為廣泛而前沿的知識，這關系到智能專業對這門課和教材的全局考量。
量子力學基本概念總結范文6
科學革命的實質是什么?科學進步的圖像是什么?換言之，科學革命變革的主要實體是什么?科學發展的模式是什么? 國外學者對此問題做出了形形的回答。
一、國外學者的回答
波普爾(K．Popper)認為，科學是人類心靈的壯麗探險，科學的本質就在于永無止境的探索。他把“問題”作為整個科學探索的起點，運用“可否證性”(falsifiability)或“否證”(falsification)概念，提出了科學進步的四段圖式；P1(問題1)TT(試探性理論) EE(消除錯誤) P2(問題2)。這個圖式周而復始，永無止境。顯然，波普爾把理論看作科學變革的實體——科學革命是科學理論的變更，因此理論是暫時的、脆弱的，它隨時都可以被一次否證。
本世紀60年代初，庫恩(T．Kuhn)出版了他的代表作《科學革命的結構》。在這本小冊子中，庫恩反對邏輯經驗主義把科學的發展看成是各種貨色一件件地或—批批地添加到不斷加大的知識貨堆上。他力主動態地、歷史地看待科學的進步，把科學的發展視為常規時期和革命時期交替出現的過程。他不滿意波普爾把理論看作科學變革的實體，他的科學觀的核心是“范式”（paradigm）概念。庫恩給范式賦予多種含義(有人統計共有21種用法)，從“一種具體的科學成就”到“一組特定的信念和預想”。綜而觀之，它是由理論要素、心理要素以及聯合這兩個要素的本體論和方法論要素組成的，每一種要素內又包括五花八門的具體內容。庫恩認為科學革命就是拋棄舊范式，采納新范式。他利用范式概念建立了下述的科學發展的動態模式：前科學常規科學危機科學革命新的常規科學……
庫恩開創了以科學史料為基礎來考察科學哲學問題，探討科學發展和知識增長規律的先河。繼庫恩之后，又有拉卡托斯、費耶阿本德、勞丹等人的學說匯入其中，形成了一股歷史主義的潮流。
拉卡托斯(I. Lakotos)既不滿意波普爾的否證主義，也不滿意庫恩范式的模糊性和選擇范式的非理性標準。為了強調科學發展的連續性和科學進步的合理性，他提出了研究綱領的模式。在拉卡托斯看來，科學總是以研究綱領的形式向前發展的?？茖W發現和評價科學理論的基本單位是研究綱領，它是一個有結構、有層次的整體。研究綱領內部有相對穩定的“硬核”，外部是柔韌多變的“保護帶”，還有一套解決疑難的機制，即助研究法(heuristic)。硬核是約定的，是作為研究綱領未來發展基礎的、最普遍的基本假設和基本原理，它比范式具有更大的穩定性。保護帶由各種輔助假設構成，當遇到反?；蚍褡C時，保護帶可以通過調整輔助假設而達到保護硬核的目的。當研究綱領失去解釋力和預測力時，它就會因邏輯的和經驗的原因而碎裂，人們就會拋棄這樣的退化的研究綱領，而采納進步的研究綱領，這是科學革命的基本原理，是一個自然的新陳代謝過程。
在同庫恩的論戰中，費耶阿本德（P．Feyerabend）描繪了他的科學發展模式。他認為科學有一定的“韌性”，人們總能夠從許多理論中選出一種可望取得成功的理論，即使遇到巨大困難時仍可加以堅持，而置大量反證于不顧。在這一點上，他不贊同波普爾關于理論總是被不斷駁倒的觀點。有了韌性，我們就不必用頑強的事實取消某一理論了，我們可以使用其他理論T′、T″、T″′等，即對現行的理論進行調整，這就不可避免地要接受增生原理，容許不同理論的并存。在這一點上，他又堅決反對范式的絕對統治。在費耶阿本德看來，科學之所以不斷發展，正是增生與韌性相互作用的結果。
勞丹(L．Laudan)把科學看作一種解決問題、定向問題的活動。他同意理解和評價科學進步的工具是較一般的大理論，而不是單個的具體理論。他認為這種大理論不是范式或研究綱領，而是所謂的研究傳統。研究傳統為發展具體理論提供了一套指導方針。它們中的一些構成了一種本體論，以—般方式詳細闡述研究傳統所屬領域中的基本實體的類型。研究傳統中具體理論的作用，就是通過把經驗問題還原為研究傳統的本體論，來解釋這些經驗問題。研究傳統還概括了這些實體相互作用的方式。研究傳統也往往說明某種程序，它構成這一傳統內的研究者所愿意接受的合法的研究方法。這些方法論原則廣泛包括試驗技術、理論檢驗和評價方式等。簡而言之，研究傳統就是有關領域的一組本體論和方法論的“做”與“不做”。在勞丹看來，科學革命不過是競爭著的研究傳統之間的特別引人注目的一次決定性沖突所帶來的研究傳統此消彼長的新格局。
為了說明科學革命的實質并描繪科學進步的圖像，其他西方學者也從不同的角度對庫恩的范式論進行了批判、修正和改造。例如；尼古拉斯麥克斯韋(Nicholas Maxwell)的“形而上學藍圖”、斯尼德-斯臺格繆勒(Sneed-Stegmüller)的“理性重組”(S綱領)、夏佩爾（D. Shapere）的“域”(domain)理論等，我們對此不擬一一加以介紹。在這里，有必要提及蘇聯學者凱德洛夫(Б. М. Кедров)的觀點。
凱德洛大是從列寧關于革命的普遍定義出發來論述科學革命概念的，他從認識論和方法論兩個方而對“革命”概念進行廠邏輯分析，并詳細論述了科學革命的三個特點。在此基礎上，他對科學革命做了下述定義：“所謂自然科學革命，應當首先理解為研究和說明自然現象的觀點本身的根本轉折，用來認識(反映)所研究的對象的思維結構本身的轉折。真正的自然科學革命的實質恰恰在于思維方式這種急劇的轉折，恰恰在于由已經陳舊的科學認識方法向新的進步的科學認識方法的轉變?！?以此為根據，凱德洛夫把歷史上的科學革命分為四種不同的類型：第一類革命——哥白尼革命——從外觀到現實性，第二類革命——康德革命——從不變到發展，第三類革命——“自然科學最新革命”(列寧在《唯物主義和經驗批判主義》中的稱謂)，第四類革命——科學技術革命。在凱德洛夫看來，這也是在科學史上先后發生的四次革命。鑒于這個問題本文作者已有專文 論述，此處不擬贅述。
國外學者的探索是難能可貴的，他們構造的實體和模式都從不同方面或角度說明了科學進步的事實，包含有部分的真理性。但是，他們的實體似乎都沒有抓住科學革命的實質，他們的模式也不完全能說明科學發展的歷史實際。波普爾把科學變革的實體視為理論，他涉及的層次似乎偏低，結果他的四段圖式導致了走馬燈式的“不斷革命”。勞丹的研究傳統、凱德洛夫的思維方方式，指的都是科學的哲學基礎或科學中的哲學成分，其涉及的層次恐怕偏高，把它們的變革看作是科學革命的實質，似乎也沒有深中肯綮。拉卡托斯的研究綱領、費耶阿本德的韌性原理和增生原理，尤其是庫恩的范式，又顯得過于龐雜，使人不得要領。
那么，科學革命的實質或科學革命變革的主要實體究竟是什么呢?弄清這個問題，才能比較正確地描繪科學進步的圖像。而要弄清這個問題，必須首先從分析科學理論的結構入手。
二、科學理論的基礎或框架——科學觀念
不少人承認，科學革命的最關鍵的因素是重建科學理論的基礎或框架。然而，人們對這樣的基礎的理解卻不盡相同。有人認為科學理論的基礎是這門科學的經驗材料、基本理論原理和基本概念的總和；有人認為它是基本理論的、邏輯的或哲學的思想觀念；有人認為它是本體論和方法論的信條；有人認為它是世界圖像、研究的普遍方法、解釋的思想、知識的構架；還有人認為它是認識活動的全部綜合，其中包括主體及其目的和任務，認識的手段、方法和條件，知識的認識作用和體系，等等。
說起來，愛因斯坦對科學理論的結構是有真知灼見的。他在談到科學理論時這樣寫道： “科學一旦從它的原始階段脫胎出來以后，僅僅靠著排列的過程已不能使理論獲得進展。由經驗材料作為引導，研究者寧愿提出一種思想體系，它一般地是在邏輯上從少數幾個所謂公理的基本假定建立起來的。我們把這樣的思想體系叫做理論。” 愛因斯坦以理論物理學為例，說明科學理論的完整體系是由基本概念、被認為對這些概念是有效的基本關系以及用邏輯推理得到的結論這三者構成的，其中前兩者是科學理論的基礎或根本部分，它們不能在邏輯上進一步簡化。在愛因斯坦看來，所謂基本關系，就是基本概念之間的根本關系，他往往又稱基本關系為基本假定、基本假設、基本公設、基本公理、基本原理、基本定律、基本命題等。愛因斯坦在一些場合還把基本概念和基本關系統稱為基本觀念，或曰科學觀念。這樣一來，科學觀念就是科學理論的基礎，它也是科學理論的邏輯前提或框架。
例如，牛頓力學的理論基礎是：具有不變質量的質點，任何兩個質點之間的超距作用，關于質點的運動定律。在狹義相對論中，就是相對性原理和光速不變原理以及同時性概念等。
科學觀念(基本概念和基本關系)雖然在科學理論的邏輯結構中僅占很少的比重，但由于它是最核心、最抽象的部分，因而反映了科學對象的最深刻、最本質的聯系，蘊涵著十分豐富的內容，從中可以導出原先料想不到的結論(如從狹義相對論的前提導出質能關系式)，甚至還隱含著“尚未理解的東西的殘余”，它的更隱秘的根源有待于人們進一步去揭示。
愛因斯坦十分強調科學觀念在科學理論中的顯著地位。他認為通過最少個數的基本概念和基本關系的使用，就可以盡可能完備地理解全部感覺經驗的關系。他甚至認為理論物理學的目的，就是要以數量上盡可能少的、邏輯上互不相關的假設為基礎，來建立概念體系，如果有了這種概念體系，就可能確立整個物理過程總體的因果關系。
關于科學理論的基礎的來源、特點及其與感覺經驗的關系，愛因斯坦有一段原則性的論述(他雖然是就物理學而言的，實際上也適用于其他理論科學)：“物理學構成一種處在不斷進化過程中的思想的邏輯體系，它的基礎可以說是不能用歸納法從經驗中提取出來的，而只能靠自由發明來得到。這種體系的根據(真理內容)在于導出的命題可由感覺經驗來證實，而感覺經驗對這基礎的關系，只能直覺地去領悟。進化是循著不斷增加邏輯基礎簡單性的方向前進的。為了要進一步接近這個目標，我們必須聽從這樣的事實：邏輯基礎愈來愈遠離經驗事實，而且我們從根本基礎通向那些同感覺經驗相關聯的導出命題的思想路線，也不斷變得愈來愈艱難、愈來愈漫長了?！?/p>
三、科學革命是科學觀念急劇而根本的改造
科學觀念是科學家或科學共同體借助于經驗事實的提示，通過思維的自由創造和理智的自由發明而抽象出來的。它在邏輯上不能再加以分析，是不能再簡化的一種邏輯元素，其中包含著人們當時還不甚理解的東西。因此，它反映了在科學發展的一定歷史階段人們對科學對象的認識，是當時歷史條件下科學認識的界限，只具有相對的意義。隨著時間的推移，大量反?，F象和新的經驗知識無法納入這一框架之中，它自身的尚未被理解的殘余也充分被揭示出來。這樣，原來被視為基本概念和基本關系的東西不再是“基本”的了，它從科學發展的形式變為科學發展的桎梏。只有打碎舊的科學觀念，科學發展的潛力才能充分發揮出來。這時，科學革命的時機就成熟了。
科學革命并沒有拋棄已有的經驗材料和經驗知識，而只是改變了理解這些材料和知識的準則，確定了它們的合法地位。彭加勒說得好，只要人們不把那些用實驗確證了的理論推到極端，“它就會有十分清楚的意義”，“只有它溶化到更高級的和諧中，它才能消失?！?科學革命打碎的只是科學理論的舊框架，摧毀的只是科學理論的舊基礎。愛因斯坦談到這一點時說過，這里的基礎這個詞，并不意味著同建筑的基礎在所有方面都有雷同之處。從邏輯上看，各個物理定律當然都是建立在這種基礎上面的。建筑物會被大風暴或者洪水嚴重毀壞，然而它的基礎卻安然無恙；但是在科學中，邏輯的基礎所受到的來自新經驗或者新知識的危險，總是要比那些同實驗比較密切接觸的分科來得大?；A同所有各個部分相聯系，這是它的巨大意義之所在，但是在面臨任何新因素時，這也正是它的最大危險。
在科學革命中，即使是舊的科學觀念，也并非統統被拋棄，其中一部分是辯證的揚棄。舊科學觀念中的一些只是喪失了自己以前獨有的統治地位，從以前的不正確的、與事實不符的殼體中解放出來，被賦予新的意義。它們原有的真理顆粒被保留下來，并作為從屬成分有機地溶入新科學觀念之中。
從歷史上的科學革命來看，科學觀念的改變通常有以下幾種方式。1．徹底取代。如以地球為中心的觀念被以太陽為中心的觀念取代，原子不可分的觀念被原子有內部結構的觀念取代，超距作用被媒遞作用取代，目的論和神創論被進化論取代。2．舊名新意。如道爾頓的原子論雖然可以追溯到古希臘的原子論，但他把純哲學思辨變為科學的論證，給原子論以真正的科學內容。又如經典力學中的質量、慣性、時間、空間等基本概念在相對論中已被賦予新的含義和內容。3．合理推廣。如力學中的相對性原理在狹義相對論中被推廣到光學和電磁學，在廣義相對論中又被從慣性系推廣到加速參照系。4．辯證綜合。如光的微粒說和波動說被綜合為波粒二象性，分立的粒子的概念和連續的場的概念被綜合為物質波的概念。5. 包容蘊含。如能量子概念否定了“自然無飛躍”的傳統觀念，但這只在微觀過程才顯示出來，在經典系統中，由于h很小(h＝6.626×1027爾格秒)，使得分立的能量譜實際上無法區分而連成一片，這時能量的連續作為極限情況被包括在新概念內。6．獨辟蹊徑。如自然選擇、光速不變原理、等效原理、海森伯測不準關系、泡利不相容原理等都是在科學革命中提出的新觀念。
對科學革命中原有經驗知識的地位和科學觀變革方式的考察，使我們清楚地看到，科學革命盡管使科學本身發生了質的變化，但是在新舊科學理論體系之間也存在著明顯的繼承關系。同時，也可以看到，科學革命的形式不僅有庫恩所說的“危機”型，還應該容許其它形式存在，如“綜合”型、“推廣”型等等。 革命性變革最深刻的普遍特征是形成新理論體系的實體基礎，而這樣的實體基礎就是科學觀念，因此科學革命的實質是科學觀念急劇而根本的改造。
在這里，我們之所以選擇“改造”這個詞，是經過深思熟慮的。在漢語中，改造一詞具有雙重含義：其一是，“就原有的事物加以修改或變更，使適合需要”；其二是，“從根本上改變舊的、建立新的，使適應新的形勢和需要”。這樣，“改造”一詞就能恰如其分地描繪出科學觀念的各種變革方式，體現了科學中的革命與繼承的辯證關系。我們在“改造”二字前加上“急劇”和“根本”兩個修飾語，無非是從速度上和程度上強調科學觀念的改造是迅速的、徹底的，而不是緩慢的、逐步的、局部的、審慎的、盡可能少破壞的。因此，我們所謂的科學革命，指的是一種整體性的革命，這既可以針對整個科學而言(如歷史上的三次科學革命，即以哥白尼的《論天球的運行》和牛頓的《原理》為標志的革命，以道爾頓的原子論、達爾文的進化論、麥克斯韋的電磁理論為標志的革命，以相對論和量子力學為標志的革命)，也可以針對某一學科而言(如物埋學革命、化學革命、生物學革命等)。至于某一學科內部某個理論體系中的個別科學觀念的變化，我們一般不稱其為科學革命，而把它視為科學觀念的局部變革(也有人稱之為“局部革命”或“小型革命”)。這種變革雖然也是科學觀念的部分質變，但并未引起整個科學觀念的根本質變。
把科學觀念作為科學革命中的變革的主要實體，一個優點在于它的明晰性，因為它不像范式、研究綱領等那么龐雜、含混。更為重要的優點在于它的合理性?？茖W觀念是屬于經驗成分(經驗知識、具體的理論等)和哲學成分(本體論、方法論、自然觀、思維方式等)二者之間的中間層次?！矫妫强茖W理論的基礎，與科學具體理論本身緊緊相聯。另一方面，它又是高度思辨、高度抽象的產物，與哲學成分密切相關。它既不像科學理論那么脆弱，易受實驗觸動；也不像哲學成分那么僵硬，難以改變，而具有相對的穩定性和一定的可變性。這就避免了波普爾、庫恩等人的觀點的缺陷。
在這里，有必要從更廣闊的視野上稍加考察。事物的本質基礎并非建筑在這一事物的范圍內，而是以這一事物的全部因素為基礎。基礎屬于這一事物，同時又不完全屬于它。在一定的關系中，基礎應該是內容豐富的，基礎是體系的決定性的屬性。作為科學理論的基礎的科學觀念正是這樣，它決定著科學理論的性質：它屬于科學理論體系，但在某些方面似乎又超出了科學理論體系的范圍，因為它具有濃厚的哲學色彩。嚴格地講，像本體論、方法論、思維萬式、自然觀等哲學成分，并不是科學理論體系之內的東西，它們是外在的。把科學革命的實質歸結為某一種或某幾種哲學成分的轉變是不妥當的，因為科學革命畢竟不是哲學革命，科學革命變革的主要實體只能在科學自身中尋找，而無須到哲學中去尋找。
科學革命的最關鍵因素，科學革命的核心是形成本質上全新的基礎。不過，在科學觀念發生急劇而根本的改造的同時，科學理論也會煥然一新。也就是說，新的科學框架不僅能容納已有的經驗知識，而且還能容納許多新的經驗知識，而這些新知識是無法納入舊科學框架中去的。另外，由于科學觀念與那些哲學成份有千絲萬縷的聯系，新科學觀念對舊科學觀念的否定，必然耍伴隨或導致新的自然觀、方法論和思維方式等的全面變革。因此，筆者嘗試給科學革命下這樣一個定義：科學革命是科學觀念急劇而根本的改造，與此同時，也伴隨或導致科學理論、自然觀、方法論和思維方式的全面變革?？茖W革命這一概念是關于科學進步的辯證詮釋的基本概念。
四、科學發展的“進化一革命”互補圖像
作為科學理論基礎或框架的科學觀念具有完整性、內在統一性和進一步發展的能力，這些邏輯構架起著組織、建立以及解釋科學理論的作用，并調節和控制獲得新知識的過程。因為它們在某種程度上是科學的(正確的、鄭重的、不是荒唐的)抽象，比較深刻、比較正確、比較完全地反映了科學認識對象，從而具有巨大的現實統攝力量和潛在的容異功能。科學觀念一旦建立起來；它的現實統攝力量就會不斷地得以發揮，它所統轄的研究領域的知識不斷積累，且日益成熟和完善。在科學發展的一定階段，科學觀念原有的潛在容異功能也會轉化為現實性。也就是說，它可以作為一種研究指導綱領擴展到其它領域，甚至把與它不相協調的經驗知識容納進來或暫存起來。這時，科學觀念對科學發展起著促進作用，科學呈現出相對平靜的發展趨勢，知識的增長主要表現在量的積累上。這就是科學的進化時期。進化時期主要是科學家在已有的科學觀念指導下進行的定向研究時期，這也是科學理論的多產時期。
從牛頓的《原理》奠定了近代物理學的基礎到19世紀末，物理學大體經歷了兩百多年的進化時期。在這段漫長的時間內，經典力學的基本觀念被物理學家作為研究傳統而接受下來，決定了他們的思想、研究和實踐方向。牛頓力學起初主要處理質點問題(質點力學)，后被推廣到流體和剛體，流體力學和剛體力學就是在牛頓所提出的科學觀念的基礎上建立起來的。力學的基本觀念又被引進光學、熱學和電磁學的研究中。盡管熱學中熵的概念和熱力學第二定律以及電磁學中的場的概念，都是超出牛頓力學的基本觀念之外的新東西，但是它們分別通過對分子熱運動進行統計解釋和通過以太的力學模型的運用，而把這些具有革命性的新觀念納入到力學框架之中。
科學的進步會引起它的基礎的深刻變革。在進化階段的后期，科學觀念已基本窮盡了它的統攝力量和容異作用，科學理論也在這個基礎上發展到了頂峰。這時，科學觀念通過修修補補已無法容納大量的反常現象，而且各理論體系之間發生的概念問題也越來越暴露出已有科學觀念的局限性。這時，唯一的出路就是對這些科學觀念進行根本的改造，提出新的科學觀念，這就是科學發展中的革命時期。在這個時期，那些具有哲學頭腦、思想活躍、敢于背離陳規舊說的科學家，往往成為科學革命的主將。
相對地講，科學革命時期一般是不太長的，如歷史上的三次科學革命所經歷的時間分別為144年(1543~1687)、61年(1803~1864)和33年(1895~1928)。哥白尼-牛頓革命之所以持續時間最長，是因為它要摧毀亞里士多德的自然哲學教條，而這些教條在將近兩千年間一直禁錮著人們的頭腦，并被經院哲學當作毋庸置辯的真理。而且，當時科學成果和科學思想的交流受到各種條件的限制，遠不如后來那么頻繁和自由。尤其是，這次革命要總結人類有史以來的關于自然的知識，建立第一個真正的近代科學體系——牛頓力學。在哥白尼《論天球的運行》問世時(1543年)，歐洲人所具有的力學知識是否像阿基米德(公元前287～212)所了解的那么多，還是值得懷疑的。但是，到這次革命的終結，牛頓力學已牢固建立起來，能夠說明天上和地上所遇到的一切力學現象。照此看來，百余年的革命并不算長。第二次科學革命之所以持續時間較長，是因為這次科學革命的帶頭學科不是一門學科，而是一組學科(主要是化學、生物學和物理學)。這樣一來，科學觀念的變革發生在不同的領域，而這些科學觀念彼此又不甚相關，一個學科中的科學觀念的變革對另一個學科中的科學觀念的變革沒有什么直接的影響。于是，革命的持續時間勢必要稍長一些。
科學的進步就是“進化-革命”的無窮系列。在進化時期與革命時期之間，也可能存在庫恩所說的危機階段，這在世紀之交物理學革命的前夕表現得尤為明顯(但是，不見得每次科學革命前夕都有一個危機時期)。危機是科學革命的前夜，舊科學觀念搖搖欲墜，新科學觀念尚未誕生或尚未鞏固之時，就是科學的危機時期。不過，科學發展的進化-(危機)革命階段只是為敘述的方便而提出的理想模式，它們的界限并非涇渭分明。它們就像電影中的一串串漸隱鏡頭，當一串場景的最后幾幅畫面還未完全消失時，第二串場景的開頭幾幅畫面就逐漸溶入，致使兩串場景相接處的幾幅畫面我中有你，你中有我。
正如勞丹批評庫恩時所說的，常規科學并非像庫恩所描繪的那樣“常規”，科學革命也不像庫恩所斷言的那么“革命”。因此，我們擬提出“進化-革命”互補圖像來描繪科學的發展。在這里，“互補”的含義有二：其一是進化與革命互相轉換，即進化轉換為革命，革命又轉換為進化，周而復始，以至無窮，而每一次循環，都使科學發展到一個新的更高的階段；其二是進化與革命互相滲透，這不僅表現在二者的銜接處，而且也表現在二者的過程之中。例如，18世紀基本上是科學的進化時期，經典力學的基本觀念不僅在力學發展中表現得生機勃勃，而且也指導著其他學科(例如電學、熱學、化學等)的研究。但是，值得注意的是，康德在這個時期提出的星云假說，把發展的觀念引入自然科學，這是超越于經典力學的新觀念。拉瓦錫的氧化說和元素概念也否定了燃素說和燃素概念(燃素說是在經典力學基本觀念指導下提出的燃燒理論)。這一切，都是在進化時期科學觀念所發生的局部變革，或像有人說的局部革命或小型革命。同樣，在革命過程中也伴隨著一些進化。愛因斯坦1905年提出的狹義相對論標志著物理學一個領域的革命的開始，而普朗克1906年通過對愛因斯坦的電子運動的方程的修正進而得到的動能的表達式，以及閔可夫斯基1908年提出的四維世界理論，都不過是狹義相對論的自然進化而已。
因此，如果把事物的發展比喻為波浪式發展、螺旋式上升的話，那么科學的進步則可以形象地描繪為具有小波紋的滾滾向前的大波浪，或以大螺線為軸心而攀援上升的小螺線(等于把一個長而細的彈簧繞成螺線)。這就是科學發展的“進化-革命”互補圖像(盡管它也是一個不盡恰當的模式)。后一個比喻顯然與黑格爾的下述命題有某種相通之處：“科學表現為一個自身旋繞的圓圈，中介把末尾繞回到圓圈的開頭，這個圓圈以此而是圓圈中的一個圓圈，因為每一個別的支節，作為方法賦予了靈魂的東西，都是自身的反思，當它轉回到開端時，它同時又是一個新的支節的開端?！?/p>
參 考 文 獻
Б. М. Кедров，Ленин и Научные РевалюцииВсте-ствазнаниеФизика， Издательства《Наука》，Москва，1980.
李醒民：簡論凱德洛夫的科學革命觀，北京：《自然辯證法通訊》，1985年，第1期。
《愛因斯坦文集》第一卷，許良英等編譯，北京：商務印書館，1976年第1版，第115頁。
