量子力学基本原理的内容范文

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关键词 量子物理；现代信息技术；关系；原理应用

中图分类号：O41 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）15-0001-02

量子物理是人们认识微观世界结构和运动规律的科学，它的建立带来了一系列重大的技术应用，使社会生产和生活发生了巨大的变革。量子世界的奇妙特性在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量等方面发挥重要的作用，基于量子物理基本原理的量子信息技术已成为当前各国研究与发展的重要科学技术领域。

随着世界电子信息技术的迅猛发展，以微电子技术为基础的信息技术即将达到物理极限，同时信息安全、隐私问题等越来越突出。2013年5月美国“棱镜门”事件的爆发，引发了对保护信息安全的高度重视，将成为推动量子物理科学与现代信息技术的交融和相互促进发展的契机。因此，充分认识量子物理学的基本原理在现代信息技术中发展的基础地位与作用，是促进现代信息技术发展的前提，也是丰富和发展量子物理学的需要。

1 量子物理基本原理

1）海森堡测不准原理。在量子力学中，任何两组不可同时测量的物理量是共扼的，满足互补性。在进行测量时，对其中一组量的精确测量必然导致另一组量的完全不确定，只能精确测定两者之一。

2）量子不可克隆定理。在量子力学中，不能实现对各未知量子态的精确复制，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态，无法获得与初始量子态完全相同的复制态。

3）态叠加原理。若量子力学系统可能处于和描述的态中，那么态中的线性叠加态也是系统的一个可能态。如果一个量子事件能够用两个或更多可分离的方式来实现，那么系统的态就是每一可能方式的同时迭加。

4）量子纠缠原理。是指微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们距离多远，只要一个粒子状态发生变化，另一个粒子状态随即发生相应变化。换言之，存在纠缠关系的粒子无论何时何地，都能“感应”对方状态的变化。

2 量子物理与现代信息技术的关系

2.1 量子物理是现代信息技术的基础与先导

物理学一直是整个科学技术领域中的带头学科并成为整个自然科学的基础，成为推动整个科学技术发展的最主要的动力和源泉。量子力学是20世纪初期为了解决物理上的一些疑难问题而建立起来的一种理论，它不仅解释了微观世界里的许多现象、经验事实，而且还开拓了一系列新的技术领域，直接导致了原子能、半导体、超导、激光、计算机、光通讯等一系列高新技术产业的产生和发展。可以说，从电话的发明到互联网络的实时通信，从晶体管的发明到高速计算机技术的成熟，量子物理开辟了一种全新的信息技术，使人类进人信息化的新时代，因此，量子物理学是现代信息技术发展的主要源泉，而且随着现代科学技术的飞速发展，量子物理学的先导和基础作用将更加显著和重要。

2.2 量子物理为现代信息技术的持续发展提供新的原理和方法

现代信息技术本质上是应用了量子力学基本原理的经典调控技术，随着世界科学技术的迅猛发展，以经典物理学为基础的信息技术即将达到物理极限。因此，现代信息技术的突破，实现可持续发展必须借助于新的原理和新的方法。量子力学作为原子层次的动力学理论，经过飞速发展，已向其他自然科学的各学科领域以及高新技术全面地延伸，量子信息技术就是量子物理学与信息科学相结合产生的新兴学科，它为信息科学技术的持续发展提供了新的原理和方法，使信息技术获得了活力与新特性，量子信息技术也成为当今世界各国研究发展的热点领域。因此，未来的信息技术将是应用到诸如量子态、相位、强关联等深层次量子特性的量子调控技术，充分利用量子物理的新性质开发新的信息功能，突破现代信息技术的物理极限。

2.3 现代信息技术对量子物理学发展的影响

量子信息技术应用量子力学原理和方法来研究信息科学，从而开发出现经典信息无法做到的新信息功能，反过来，现代信息技术的发展大大地丰富了量子物理学的研究内容，也将不断地影响量子物理学的研究方法，有力地将量子理论推向更深层次的发展阶段，使人类对自然界的认识更深刻、更本质。近年来，随着量子信息技术领域研究的不断深入，量子信息技术的发展也使量子物理学研究取得了不少成果，如量子关联、基于熵的不确定关系、量子开放系统环境的控制等问题研究取得了巨大进展。

3 基于量子物理学原理的量子信息技术

基于量子物理原理和方法的量子信息技术成为21世纪信息技术发展的方向，也是引领未来科技发展的重要领域。当前量子物理学的基本原理已经在量子密码术、量子通信、量子计算机等方面得到充分的理论论证和一定的实践应用。

3.1 量子计算机——量子叠加原理

经典计算机建立在经典物理学基础上，遵循普通物理学电学原理的逻辑计算方式，即用电位高低表示0和1以进行运算，因此，经典计算机只能靠以缩小芯片布线间距，加大其单位面积上的数据处理量来提高运算速度。而量子计算遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息。计算方式是建立在微观量子物理学关于量子具有波粒两重性和双位双旋特性的基础上，量子算法的中心思想是利用量子态的叠加态与纠缠态。在量子效应的作用下，量子比特可以同时处于0和1两种相反的状态（量子叠加），这使量子计算机可以同时进行大量运算，因此，量子计算的并行处理，使量子计算机实现了最快的计算速度。未来，基于量子物理原理的量子计算机，不仅运算速度快，存储量大、功耗低，而且体积会大大缩小。

3.2 量子通信——量子纠缠原理

量子通信是一种利用量子纠缠效应进行信息传递的新型通信方式。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。从信息学上理解，量子通信是利用量子力学的量子态隐形传输或者其他基本原理，以量子系统特有属性及量子测量方法，完成两地之间的信息传递；从物理学上讲，量子通信是采用量子通道来传送量子信息，利用量子效应实现的高性能通信方式，突破现代通信物理极限。量子力学中的纠缠性与非定域性可以保障量子通信中的绝对安全的量子通信，保证量子信息的隐形传态，实现远距离信息转输。所以，与现代通信技术相比，量子通信具有巨大的优越性，具有保密性强、大容量、远距离传输等特点，量子通信创建了新的通信原理和方法。

3.3 量子密码——不可克隆定理

经典密码是以数学为基础，通过经典信号实现，在密钥传送过程中有可能被窃听且不被觉察，故经典密码的密钥不安全。量子密码是一种以现代密码学和量子力学为基础，利用量子物理学方法实现密码思想和操作的新型密码体制，通过量子信号实现。量子密码主要基于量子物理中的测不准原理、量子不可克隆定理等，通信双方在进行保密通信之前，首先使用量子光源，依照量子密钥分配协议在通信双方之间建立对称密钥，再使用建立起来的密钥对明文进行加密，通过公开的量子信道，完成安全密钥分发。因此量子密码技术能够保证：

1）绝对的安全性。对输运光子线路的窃听会破坏原通讯线路之间的相互关系，通讯会被中断，且合法的通信双方可觉察潜在的窃听者并采取相应的措施。

2）不可检测性。无论破译者有多么强大的计算能力，都会在对量子的测量过程中改变量子的状态而使得破译者只能得到一些毫无意义的数据。因此，量子不可克隆定理既是量子密码安全性的依靠，也给量子信息的提取设置了不可逾越的界限，即无条件安全性和对窃听者的可检测性成为量子密码的两个基本特征。

4 结论

量子物理是现代信息技术诞生的基础，是现代信息技术突破物理极限，实现持续发展的动力与源泉。基于量子物理学的原理、特性，如量子叠加原理、量子纠缠原理、海森堡测不准原理和不可克隆定理等，使得量子计算机具有巨大的并行计算能力，提供功能更强的新型运算模式；量子通信可以突破现代信息技术的物理极限，开拓出新的信息功能；量子密码绝对的安全性和不可检测性，实现了绝对的保密通信。随着量子物理学理论在信息技术中的深入应用，量子信息技术将开拓出后莫尔时代的新一代的信息技术。

参考文献

[1]陈枫.量子通信：划时代的崭新技术[N].报，2011.

[2]曾谨言.量子物理学百年回顾[J].北京大学物理学科90年专题特约专稿，2003（10）.

[3]李应真，吴斌.物理学是当代高新技术的主要源泉[J].学术论坛，2012.

[4]董新平，杨纲.量子信息原理及其进展[J].许昌学院学报，2007.

[5]周正威，陈巍，孙方稳，项国勇，李传锋.量子信息技术纵览[J].中国科学，2012（17）.

[6]郭光灿.量子信息技术[J].中国科学院院刊，2002（5）.

[7]朱焕东、黄春晖.量子密码技术及其应用[J].国外电子测量技术，2006（12）.

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当作者攻读博士学位时，粒子物理标准模型刚刚建立，量子场论得到迅速发展，特别是重正化群以及格点规范理论，很快在相对论量子场论与统计物理之间搭建了桥梁。而很多物理学家都觉得神秘的代数拓扑学，不仅对量子场论中的真空有独特的应用，而且解释了量子霍尔效应和凝聚态中的集团激发。

上世纪60年代开始出现了第一批旨在克服高能物理、统计力学和凝聚态物理之间文化差异的书，为重正化群对理论物理学的应用带来的革命做出了很大贡献。90年代一些作者力图揭示量子场论机制如何用于凝聚态物理。进入21世纪以来，从凝聚态到弦理论，许多概念和技术做到了共享，以致在单独一本书中已经不可能涵盖量子场论在凝聚态中应用的所有论题。相关的书籍数目大量增加，学生面临如何挑选最合适的书籍的问题。正是在这样的背景下，作者在瑞士联邦理工学院（ETHZ）讲授“凝聚态物理中的量子场论”的基础上写成了这本书。作者的目的是给物理类硕士水平的研究生介绍凝聚态物理中挑选出的非常适合应用场论语言的一些概念。

很多量子场论的书致力于让学生掌握了量子场论机制之后，用它解一些习题。而作者反其道而行之，在每一章第一时间发展解决一些问题的方法学，不想让量子场论成为主要兴趣，而是让其保持成为尽可能经济地解释凝聚态物理基本原理的工具。作者相信，达到此目的最有效的技术是系统地利用量子力学的路径积分。在本书中它被到处用到。然而，作者并不要求读者熟悉比量子力学基础更多的知识。

全书内容共两大部分，分成9章。第1部分为玻色子，包括第1-4章：1. 谐波晶体；2. 稀薄玻色气体的Bogoliubov理论；3. 非线性σ模型；4. KosterlitzThouless相变。第2部分 为费米子，包括第5-9章：5. 无相互作用费米子； 6.固体中电子Jellium模型；7. 平均场和随机相位近似中的超导电性； 8. 单耗散Josephson结；9.二维时空中的阿贝尔玻色子化。

书末有9个附录，篇幅几乎为全书的三分之一，详细地介绍了书中所涉及的量子力学、量子场论、和一些数学知识。对于本书的使用十分重要。

本书是一部高水平的凝聚态物理中的量子场论专著，它不仅对于凝聚态、高能物理等物理学家而且对于数学家都是极有兴趣的。作者选择的内容尽可能全面和广泛，概念准确，推导简洁，阐述足够细致。而且把丰富的习题及其解答作为每一章内容的有机组成部分，很有特色。对于从事与现代物理各领域相关的教学及研究人员特别是研究生，本书是一本高水平的参考书。

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[关键词] 地方院校；量子力学；精品课程建设

[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 1005-4634（2014）01-0057-04

0 引言

我国本科高校按隶属对象不同，分为部委属和省属两大类别，省属高校又分为省属国家“211”重点高校、省部共建高校、地方性直属高校三类，本文“地方院校”指省属高校中的地方性直属本科高校，这些院校大多采取省市共建、以市为主的管理体制，多数建校时间短或由专科升格。

随着我国高等教育大众化进程的不断深入，生源质量降低，教学资源日趋紧张，高等院校的教学压力逐渐加大，引发了社会对高等教育质量的担忧。2003年4月《教育部关于启动高等学校教学质量与教学改革工程精品课程建设工作的通知》（教高[2003]1号），引起了全国范围内建设国家、省、校三级精品课程的热潮。量子力学精品课程也同其他课程一样，经历了精品课程建设的热潮，截至2013年9月，共有四校建成国家精品课程，分别是兰州大学（2004年）、复旦大学（2004年）、清华大学（2007年）、北京大学（2008年）；两校建成湖北省精品课程，分别是华中师范大学（2003年）和湖北大学（2003年）；两校建成湖北省地方院校校级精品课程，分别是黄冈师范学院（2007年）、湖北师范学院（2011年）。可见，量子力学国家精品课程全部由985重点大学建设，湖北省精品课程也由211重点大学和省属重点大学建设，地方院校只有两校建成校级精品课程，只占湖北省27所地方院校的7.4%，大多数地方院校并未开展量子力学精品课程建设，这与量子力学课程的重要地位极不相称。量子力学是近代物理学的两大支柱之一，也是现代工业技术的重要理论基础，其教学质量的重要性不言而喻，但量子力学又是一门高度抽象的理论物理课程，远离日常经验，教与学都有一定的难度。地方院校由于师资力量薄弱，学术资源匮乏，生源素质不理想，教学与科研脱节，导致这些院校的量子力学精品课程大多处于有心无力、举步维艰的状态。

地方院校占我国高校总数的90%左右，担负着服务地方社会经济建设、培养千百万专门人才的重任。地方院校是我国高等教育金字塔的塔基，塔基不稳，必然影响我国高等教育的健康发展，因此研究地方院校量子力学精品课程建设，提高人才培养质量是迫在眉睫的重要问题，令人惋惜的是这方面的研究成果太少，难以指导地方院校量子力学精品课程的建设。

1 地方院校视角下量子力学精品课程建设 的内涵

精品课程的评价标准是“五个一流”，即一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教材、一流教学管理。精品课程建设研究大多围绕“五个一流”展开，但精品课程建设应该是分层次的，不同类型的高校应有不同的标准。每个学校都是在自己的层次上、自己的类型上来办出最高水平的课程，各个学校是不一样的，精品课定位不一样，寻找精品课群体也不一样[1]。地方高校应从自己的办学定位、培养规格和生源情况来考虑量子力学精品课程建设，基于地方院校视角来理解“五个一流”，扬长避短，不盲目攀比，也不妄自菲薄。

1.1 一流教师队伍

地方院校普遍存在教师整体水平不高的问题，教师的学历、职称、学术水平和重点大学相比有较大差距，教学任务重，技术应用能力不强。重点大学承担培养拔尖人才的任务，必然要求教师具有较高的学术水平和科研能力，地方院校承担培养千百万专门人才，即应用型技能型人才的任务，对教师的学术水平要求不是太高，但要求教师具有较强的技术应用能力。地方院校教师不宜与重点大学的教师比学术水平，但要关注学科前沿，尽快掌握与本学科相关的最新技术，提高重点大学教师并不擅长的技术应用能力，体现地方院校“双师”型师资的鲜明特色。

地方院校量子力学精品课程的一流教师队伍，就是要建设一支与应用型人才培养相适应的，具有一定的学术水平、较高的教学水平、较强的技术应用能力的“双师型”教师队伍。

1.2 一流教学内容

应用型人才培养的定位，决定了量子力学精品课程的教学内容有别于重点大学，教学内容的核心是量子力学的基本理论、基本知识、基本技能，不求教学内容的高度完整性，适当降低内容的深度和应用数学解题的难度，保持教学内容的前沿性和时代性，满足学生了解学科发展前沿及其技术应用的强烈愿望。前沿知识不仅可以开阔学生的眼界，而且能够潜移默化地影响学生未来的发展。

地方院校量子力学精品课程的一流教学内容可以理解为，量子力学基本理论、基本知识、基本技能等学科有效知识与专业发展密切相关的前沿知识及其技术应用的有机整合。有效知识，就是今后能对在该领域继续学习、继续研究、开辟新的领域、学习新的知识发挥作用的、最关键、最基础性的东西[1]。

1.3 一流教学方法

重点大学普遍重视讨论式、研究式教学方法，基于量子力学学科特点和地方院校学生水平，讨论式和研究式的教学方法要慎重使用，如果准备不充分，极有可能出现学生讨论时言之无物和研究时无从着手的难堪局面，反而挫伤学生的学习积极性。采用讨论式和研究式教学方法，一要内容难度适宜，二要前期准备充分，三要教师循循善诱。量子力学内容高度抽象，学生自学困难较大，因此对教学方法和手段的要求较高。无论选择什么样的教学方法，采用什么样的教学手段，都是为了学生能够更好地理解和掌握知识，都要适合学生的实际认知水平，不能为了讨论而讨论，为了研究而研究，应以实际教学效果来评价教学方法的优劣。

地方院校量子力学精品课程的一流教学方法，即以启发式讲授为主，结合课程内容适当采取讨论式和研究式教学，传统教学手段与多媒体技术手段有机结合，集多种方法与手段于一体的教学方法体系。

1.4 一流教材

量子力学教材的选用，国内一般主要选用曾谨言版（重点大学）和周世勋版（地方院校），另有苏汝铿版、张永德版、钱伯初版、关洪版等多种教材，也有多种国外优秀教材。鉴于量子力学的某些基本问题至今仍有争议，甚至国内权威教材中的部分内容仍受质疑，地方院校不宜盲目自编教材，避免对某些问题的不当阐述误导学生，宜选用国内经典的简明教材，辅以优秀教材作为参考书，以满足不同学生的学习要求，通过立体化、一体化教材建设，补充量子力学的最新进展和实际应用，更好地为地方院校培养应用型人才服务。

地方院校量子力学精品课程的一流教材，即在选用国内经典简明教材的基础上，选择国内外优秀教材作参考书，着力打造包括电子教案、PPT、习题答案、试题库、仿真实验、网络课堂等资源在内的立体化、一体化教材。

1.5 一流教学管理

精品课程需要通过科学的管理为其提供制度保证。科学的教学管理和规范的管理机制，是精品课程的重要条件。精品课程的教学管理既包括对课堂教学的组织、实践教学的安排、学习成绩的评定等教学环节的管理，还包括师资队伍的配备、课程建设过程的管理、教学保证条件的建设等[2]。

地方院校作为教学型大学，科研上处于劣势，教学管理上更应加强，应将一流教学管理作为量子力学精品课程的重要特色来建设。

地方院校量子力学精品课程的一流教学管理，即建立健全与应用型人才培养目标相适应的教学管理制度，包括编、备、教、辅、改、考各教学环节的管理制度，以及经费投入、师资配备、用人机制和激励机制、课程评价等教学质量保障制度，认真落实各项教学管理制度并切实做好教学质量监控，保证课程建设的可持续发展。

2 地方院校视角下量子力学精品课程建设 的对策

2.1 建设一支与应用型人才培养适应的师资队伍

地方院校培养应用型人才的定位，客观上要求教师应具有教师和工程师（或技能师）的双重身份。量子力学精品课程的师资队伍建设，除引进高层次人才、抓好现有教师的转型提升、开展与课程相关的教研和科研等常规措施之外，尤其要重视师资队伍的技术水平和能力的培养，通过产学研用结合切实提高教师的技术操作能力、应用能力和转化能力。加强学校与科研机构、企业的合作，聘请经验丰富的科研人员和工程师作为兼职教师，提高教师队伍整体的科研水平和技术实力。

2.2 精选课程有效知识构建学科基础，实现理论 与应用、基础与前沿的完美结合

夯实基础、关注前沿、了解应用、激发兴趣是一流教学内容的必然要求。在教学内容的选择和安排上，要注意与知识的实际应用相联系，找准最佳结合点，融入学科前沿的理论知识和学科发展的最新成果。

量子力学的有效知识包括量子力学的发展历史、量子力学的五大公设、定态问题求解、表象变换理论、微扰理论、电子自旋等，有效知识构成课程的核心知识；学科前沿知识、量子力学在现代科技和其它学科中的应用等内容构成课程的补充知识；散射等相对困难的内容构成课程的知识。核心知识具有相对稳定性，要求熟练掌握；补充知识具有时代性，要求学生了解而不求掌握；知识具有可选性，建议有能力的学生选学。核心知识和补充知识属于第一层次的教学内容，面向全体学生；知识属第二层次的教学内容，面向部分学生。教学内容的分类既有利于实现教学的层次化，又有利于实现理论与应用、基础与前沿的有机结合。

2.3 构建教学理念先进、与学生水平相适应的教 学方法体系

以教师为主导，以学生为主体。变单一教学方式为多样化教学方式构成的有机体系，变以教为主为以学为主或学教并重，变传统课堂教学为传统课堂教学和网络课堂教学相结合。基于量子力学的抽象性，讲授仍是主要的教学方法，但应注重启发学生积极思考，采取课内、课外、网络等多种形式增强师生互动，结合适当的内容开展讨论和研究。

可以组织学生讨论如量子力学相关实验的解释、量子力学基本原理的各种理解、一维定态问题的求解方法等；也可讨论量子力学的某些新进展和新的技术应用，要求学生就“量子纠缠”、“EPR佯谬”、“量子计算机原理”等内容展开调研，撰写文献综述报告，将讨论和初步的研究结合起来，培养学生从事科学研究的基本素质；也可建议能力较强的学生对“密度矩阵表示量子态”、“路径积分量子化”、“自由粒子的狄拉克方程”等较新的内容进行一些初级的理论探讨，通过写小论文的方式总结研究结果等。

讨论和探究的关键在于培养学生的参与意识、问题意识和批判意识，不奢望毕其功于一役，长期坚持一定会有收获。

2.4 选择适宜的教材和教学参考书，建设立体化、 一体化教材

选择周世勋版《量子力学教程》作为教材，因为它比较简明，适合初学者和地方院校生源的实际水平；选择曾谨言版《量子力学教程》作为主要参考书，因为它是全国大多数高校指定的考研参考用书，要照顾部分考研学生的需要；还可选择其他国内外优秀教材作为参考书，以兼收并蓄、博采众长。

教材是教学内容的载体，一流教材必然要展现一流教学内容。立体化、一体化教材不是简单的教材和教参搬家，应将学科最新的研究成果、成功的教改经验和教师自己的教科研成果及时地反映出来。一流教材除电子教案、PPT、全程教学录像、习题解答、试题库、网络互动答疑、在线测试等内容外，还要自编学习辅导用书，内容大致可包括学习内容辅导、考研辅导、阅读材料三大部分。学习内容辅导应梳理各章知识点及联系、重点难点的学习经验，补充典型习题；考研辅导可提供各类院校近年来的量子力学考研试卷，分析考试内容涵盖的知识点和相关的考核要求；阅读材料可介绍量子力学的最新进展、与量子力学有关的各交叉学科、量子力学的发展历史以及逸闻趣事等。

2.5 抓紧抓实全方位全过程的教学管理

精品课程建设是一个综合系统工程，只有扎扎实实、认认真真、持之以恒地努力工作，才能把事情做好[3]。一流教学管理是精品课程建设的重要方面，建章立制是基础，教学各环节的过程管理是纵线，教学保障条件建设管理是横线，教学质量监控、反馈和改进是保障。教学管理不必标新立异，抓紧、抓实、抓细、抓出成效，就是教学管理的最大特色。

教学各环节的管理制度中，重点要改变学业成绩评价标准，变结果评价为过程评价，正确把握考试导向，降低期末考试比重，加大平时考核比重，将考勤、作业、提问、小论文、课程设计纳入平时考核。

教学质量保障制度的建设和落实要抓好以下几个方面：学校要加大对精品课程建设的经费投入；选择学术水平较高、教学效果得到师生公认的优秀教师担任课程负责人，组建由课程负责人负总责、主讲教师分工与合作的教学队伍；对参与精品课程建设的教师，在评优评先、晋升职称等方面优先考虑；抓实教学过程的质量监控，完善同行评教、学生评教、毕业生评教和评教意见的及时反馈及改进制度；抓住一切校内外的交流机会，博采众长，不断更新充实网上资源，确保精品课程建设的可持续发展。

3 地方院校视角下量子力学精品课程建设 的初步成果

2011年起，荆楚理工学院应用物理学专业开设量子力学课程。三年来，量子力学教学团队坚持以建设校级精品课程为目标，始终追求精品境界，目前量子力学精品课程的基本资料已准备就绪，拟申报校级精品课程，并计划在校级精品课程基础上，力争申报省级及以上精品课程，最终转型升级成为精品资源共享课。

教学团队坚持教学和科研相结合，重视研究解决教学过程中存在的突出问题，以教科研水平的提高带动教学水平的提高。三年共主持完成湖北省教育科学“十一五”规划课题“理工类本科生物理学习障碍归因及对策研究”一项，此课题于2013年5月被湖北省教科规划办批准结题，鉴定结论为：课题研究整体设计规范，研究路线科学，课题组成员分工合理，研究成果丰富且有实效；正主持湖北省教育科学“十二五”规划课题一项：“地方院校应用物理学专业人才培养模式研究”。在学术研究方面，教学团队围绕量子纠缠态、量子点、反应微分截面等方向进行了比较深入地研究，取得了一些成果，近几年在国外英文期刊和国际学术会议上发表了6篇英文学术论文，其中4篇被EI收录，2篇被INSPECT收录，并在原子与分子物理学报、重庆大学学报、量子光学学报等中文核心期刊上发表了8篇学术论文。

科学研究提高了教师的学术水平，加深了对量子力学课程内容的深刻理解，促进了教学的深入浅出，实现了理论与应用、基础与前沿的有机结合，量子力学课程教学质量逐年稳步提高：三年来师生评教均分都在95分以上，教学效果得到师生认可；学生学习量子力学的积极性明显提高，学业成绩的统计结果表明，大部分学生较好地掌握了量子力学的基本理论、基本知识和基本技能，并对量子力学知识的有关应用和学科发展前沿产生了浓厚兴趣，越来越多的学生开始选择以量子力学的有关研究作为毕业论文选题，其中2009级两名学生的毕业论文荣获学校优秀毕业论文；不少学生考研时量子力学科目也取得了135分以上的较好成绩。荆楚理工学院量子力学精品课程建设取得的初步成效，从理论和实践两方面证明了建设具有地方院校特色的量子力学精品课程是可行的。

4 结束语

精品课程不应千课一面，不同类型的院校应该有不同类型的精品课程，量子力学精品课程建设也不应该成为重点大学的专利，地方院校完全可以根据自己的培养目标、培养规格、生源状况，正确地理解“一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教材、一流教学管理”，建设具有应用型人才培养特色的量子力学精品课程，在精品课程建设上实现与重点大学的错位发展。

参考文献

[1]袁德宁.精品课建设及课程支撑理念的转变[J].清华大学教育研究，2004，25（3）：53-57.

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[关键词]计算材料学；综合教学；课程起源

[中图分类号] G40-011 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）08-0155-02

一、前言

计算材料学是一门正快速发展的材料科学与计算机科学交叉的新兴学科，它能够利用相应计算方法对材料的组成、结构、性能进行设计与模拟；广泛涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。[1]可以说，计算材料学是材料学理论和实验的桥梁连接。[2]学习计算材料学能让学生进行模拟实验，使学生养成在制备材料前从理论上设计新材料并预测其性质的良好思路。

作为材料类专业的重要课程，我们在教学过程中存在着不少的问题：1.具有计算材料学研究背景的师资力量欠缺；2.授课方法单一、枯燥，课堂效果不好；3.实践条件的欠缺很难保证教学效果。为了提高计算材料学课程的教学质量，使学生更好地掌握材料设计和性能预测的基本能力，我们结合存在的问题和教学改革的实践，对计算材料学的课程教学提出一些改革方法。

二、了解起源，培养兴趣

计算材料学是一门十分抽象、理论性极强的课程，书中理论众多并伴随着数不清的陌生的符号、公式和注释，这往往让学生在学习过程中望而却步。传统的计算材料学教学通常是让学生在课后反复操练习题，以至可以灵活应用这些公式定律来解题。结果不言而喻，学生往往知其然，而不知其所以然，很难提起学习的兴趣。因此，授之以鱼，还得授之以渔，在教学过程中追本溯源，将理论的来龙去脉讲述清楚，教给学生创造的思维和方法显得更为重要。

计算材料学不仅蕴含着复杂的变量、方程和实验方法等知识，而且还充满了疑问，这些疑问把学生带入充满曲折的探索之旅。所以，在计算材料教学中将课程重点和难点融为一体，可以在不知不觉中起到“润物细无声”的独特效果。

计算材料学课程教改的目标是转变教学理念，让学生懂得计算模拟的起源、材料计算设计的基本方法和基本内容以及与之相关的计算材料的前沿知识，引入与之相关的计算模拟案例介绍，从而使其具有一定的理论素养，培养其科学的态度、方法和精神。

三、引入抛锚式教学模式，提高课堂质量

抛锚式教学也称实例式教学，是由美国温特贝尔特大学匹波迪教育学院开发的一种教学模式。其要求学生在某种类型个案的实际环境中去感受和体验问题，而不是听经验的间接介绍和讲解。真实的感受案例或情境，可以激发学生兴趣，引导学生观察和思考，形成一种探索与研究的习惯。

根据课程的特点，适当选择讲述一些有关课程的起源与发展的案例，使其自然地融入课堂。再结合教材内容“见缝插针”，让学生理解重要定理、公式是怎么来的，为什么要这么命名，相关定理、公式背后都有哪些有趣、有意义的故事，使学生产生一种情景记忆，而不是死记硬背，从而引导学生对知识点进行深入的学习和挖掘。

以本课程中的量子力学基础为例，详细介绍量子力学的发展历程可以让学生更好地理解量子力学的基本意义和它对于学好计算材料学的重要作用。如利用信息技术创设一个量子力学发展历程的故事或一段经历，用一根主线将求解量子力学波函数问题融入情境故事或经历中，使学生趟着主线求解复杂的问题。见表1：[3] [4]

围绕相关原理、公式如不确定性原理、薛定谔方程等，开发可共享的经验，展开教学活动，使学生掌握态矢量、波粒二象性和量子测量等概念知识，老师在学生获得概念知识的初始阶段需要提供较多的指导。创造机会使学生拥有更多的自进行独立探究或小组探究，围绕求解薛定谔方程所做的近似求解思想和方法，查找或探究相关的隐藏或缺失的信息。

运用知识作为问题求解的工具。学生运用相关定理、公式中隐含的信息或线索，积极制订解决问题的计划。为此，学生需要先探究一些问题，以确定辅助解决整个问题的补充信息。教师们应该根据实际情况，将计算材料软件如CASTEP、VASP和Abinit等引入教学中，使学生有接触解决实际问题的工具的机会。同时，教师们更需要了解学生的理解能力、决策能力和推理能力，从而更好地为学生的问题求解提供“脚手架”。

制订一套整合相关原理、公式的教学方案。引导学生们阅读更多学科知识的内容，共同探究相关的故事，使学生们沉浸在相关的模拟情境中，从而加深对概念知识的理解并整合不同学生的概念知识，在潜移默化中培养学生的知识迁移能力。

共同分享所学内容。学生们将他们对相关原理、公式问题和拓展性问题探究结果呈现出来，从不同角度探讨解决综合问题的策略，深层次地理解学习内容，从而为学习共同体作出贡献。[4]

四、以史为鉴，培养科学精神

科学精神包括探索精神、求真精神、民主精神、实践精神和怀疑批判精神等等。中国的应试教育使得广大学生太相信书本和教师，摧残了学生批判性思维能力，因此在教学中可结合一些计算材料学的历史，加强学生批判思维能力的培养。

例如，在计算材料学课堂中引入爱因斯坦对薛定谔、德布罗意等的观点提出质疑的案例。[5]

爱因斯坦在1924年对泡利反对连续区理论的观点上发表示了“完全的因果性”的看法，针对玻尔关于辐射的波动在本质上是几率波的假设而评论：“玻尔关于辐射的意见是很有趣的。但是，我决不愿意被迫放弃严格的因果性，将对它进行更强有力的保卫。我觉得完全不能容忍这样的想法，即认为电子受到辐射的照射，不仅它的跳跃时刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去选择。”

爱因斯坦对“量子力学仅可建立在可观察量的基础上”这一观点也提出异议。1926年春天，他在海森堡的一次谈话中，提出了“是理论决定我们能够观察到的东西”的观点。

通过学习计算材科料学史，可以引导学生去发现和认识公式、方程的产生。如引导学生思考：从薛定谔方程产生到解决过程中真正创造了些什么？哪些思想、方法代表着薛定谔方程相对于以往的实质进步？科学工作者在求解薛定谔方程遇到瓶颈时，成功创造了近似求解的方法，这种方法可以从微扰理论到变分理论再到密度泛函理论，这不仅体现了量子力学理论的一大进步，更体现科学工作者对寻求真理的孜孜不倦的精神。[6]通过对计算材料科学史的学习，可以锻炼学生的创造性思维，同时学习薛定谔为追求真理，而百折不挠、义无反顾、献身科学的精神，感受薛定谔治学严谨、刚正真诚、淡泊名利的风范和人格魅力。

五、结论

计算材料学作为一门新兴科学，是材料类专业人才培养中的重要基础课程。然而在教学过程中由于师资力量薄弱、教学方法单一、研究对象复杂、实践条件有限等问题，使学生的学习兴趣低下、教学效果不明显。我们在教学过程中应运用科学发展过程中蕴藏的丰富的教育资源，通过讲授学科起源、发展以及应用的案例，使学生了解知识的形成过程，同时引入抛锚式教学模式将一个个真实生动的科学形象，融入日常课堂教学之中，从而提高课堂教学质量。同时，应有意识地加强计算材料学发展史的讲授，使知识、原理和规律变得生动而鲜活，更使学生的科学思想、科研方法、科学精神、科学态度和科学素养等得到熏陶和培养。

[ 注 释 ]

[1] 张跃，谷景华，尚家香.计算材料学基础[M].北京：航空航天大学出版社，2007.

[2] （德）D・罗伯，项金钟，吴兴惠.计算材料学[M].北京：化学工业出版社，2002.

[3] 许良英.爱因斯坦文集[M].北京：商务印书馆，1977（1）.

[4] （美）J・梅拉H・雷琴堡.量子理论的历史发展[M].北京：科学出版社，1990.

篇5

一直以来，复旦大学化学系有着重视化学实验教学改革的优良传统。20世纪70年代末，由复旦大学等14所学校合作编写的《物理化学实验》教材在国内广受好评，影响深远。20世纪90年代，复旦大学化学系对大学本科的化学课程体系进行了改革，逐步形成以创新能力培养为核心、以技术要素为主线的新实验教学体系及相应管理机制[1，2]。2000年前后，复旦化学系根据化学实验的特点，本着“统筹管理、优化资源、避免重复和遗漏”的原则，将涉及仪器操作类的基础实验课程“仪器分析实验”和“物理化学实验”融合为“仪器分析和物理化学实验”，那时实验教学中心在世行贷款和学校配套资金支持下，购置了一批在当时属于先进的仪器用于教学，使得化学实验条件得到大幅度改善，教学质量和水平因此得到保障和提高。

随着时代和学科的发展，我系的物理化学实验教学逐渐暴露出一些不足。一方面大部分实验仪器设备相对落后，如电化学分析工作站、气相色谱仪、原子发射光谱仪等设备都已使用了10～15年。这些仪器性能不够稳定，测量出的实验数据误差大，得不到理想的实验结果，这样直接削弱了学生学习新知识的积极性。另一方面是实验内容更新速度慢，滞后于科学研究发展的步伐。物理化学学科的发展也使得一些原本属于专门化或综合实验内容的高级技术和仪器成为基础物理化学实验的常规技术和设备，在当前科研中发挥重要作用的常规表征手段至今没有相应的教学实验开设，而且复旦大学物理化学教学团队早在1999年就开设了以结构分析和表征为主线，集原理、仪器使用和解谱为一体的“谱学导论”理论课，导致理论教学与实验教学有较大的脱节。同时本系科研实力的快速提高、学科建设、师资优化和研究生生源的增长需求对本科学生的科研素质提出了新要求，一些操作简单、内容单薄的验证性实验显然不能满足这些要求。在这样的形势下，物理化学实验教学内容如何设置，成为我们面临的又一重要课题。经过多次调研和讨论，我们对物理化学实验教学内容设置有了一些初步实践与设想，希望能与国内同行共同探讨。

二、物理化学实验教学内容的总体设计

本课程内容的设置将充分依托本系学科优势，在“衔接前沿、兼顾基础”的原则下，更新、升级、完善和补充大型仪器类实验。同时在完成经典传承的基础上，加大综合性、设计性、研究性实验的比例，以求拓宽学生专业面、增强适应性。更希望通过本课程教学内容的实施和开展，让学生了解和掌握一定的前沿技术、技能以及思考、解决问题的方法，促进学生探索能力、科研创新能力的发展，提高学生的综合能力。

在上述思想的指导下，我们经过对国内部分高校的物理化学实验教学内容进行调研和对比，并结合本系的实际情况，进行如下改革。

1.更新仪器设备，推动传统实验内容的更新优化

对目前开设的多个实验的老旧设备进行更新，取得了明显的效果。

比如，差热分析实验是一个经典的研究物质在受热或冷却时产生的物理和化学的变迁速率和温度以及所涉及的能量和质量变化的热分析实验。本系原有的实验设备，是20世纪70年代老师们自己动手搭建的，从冰水浴、自制热偶、加热炉到记录笔、温控仪的连接，都需要学生动手完成，由于各配件年代久远，数据的重现性、分辨率都不理想，而且经常出现某一部件“罢工”的尴尬局面，导致实验无法顺利进行。近年来，热分析技术的不断创新与完善，使得热分析的应用领域不断拓展，研究对象不断增加，在无机、有机、化工、冶金、医药、食品、塑料、橡胶、能源、建筑、生物及空间技术等领域被广泛应用[3]。开展热分析类的教学实验，不仅具有课堂理论意义，也具有非常强的应用背景，国内许多高校开设热分析教学实验，但具体实施的方案各不相同。经过考察，我们购置了性能较好的热重天平，此仪器采用较先进自动化技术和精密的机械制造工艺，将机械结构、机电控制和气氛控制集于一体，一定程度上改善了传统热分析仪器笨重外形。性能优良的温度控制软件和界面，全面的热动力参数分析功能，将热重分析TG、微商热重法DTG与差热分析DTA结合为一体，在同一次测量中利用同一样品可同步得到热重、微商热重与差热数据。这样一来，实验简便快捷，而且数据可靠直观。为克服实验内容相对单薄的问题，我们重新设计实验方案，学生除了验证已知样品受热过程中的吸放热情况，还可以观测不同升温速率下吸放热情况的变化，进而研究样品受热过程中相应的动力学参数，例如根据不同升温速率下五水硫酸铜失水峰的峰顶温度与升温速率进行数学处理，便可以计算热分解的活化能。在问题与思考环节中，启发学生通过文献查阅，对热分析方法进行更全面的了解，有了这样的技术和知识储备，将来需要分析其他样品受热过程中物相变化、吸放热等问题时，很容易找到解决方案。

此外，对气液色谱法测定非电解质溶液热力学函数的实验也更换了最新型号的气相色谱仪。所有的温度、压力、流量以及其他参数的设定和显示均可以在电脑软件界面上进行，大大方便了学生的实验操作，而且对了解目前的主流色谱有了感官认识。最为关键的是，数据重复性得到了极大的提高，以前需要重复进样近10次才能得到3次相对误差较小的数据，现在只需进样3次就可满足要求，对操作难度的要求大大降低，数据也与文献值吻合较好，得到了同学们的认可。

涉及电化学测量的实验，目前全部采用电化学工作站进行。由于是软件界面控制，重现性较好，出现故障也很容易判断。这些改进与以前的电压、电流表显示相比，优势明显，而且对本科生继续从事电化学相关研究起到了较好的铺垫作用。

2.增开研究性实验，加强对学生技术技能的培养

调研发现，物理化学实验内容最欠缺的是科学研究领域中的前沿成果在教学中的体现，而学生能力培养上较欠缺的是现代表征仪器的操作技术。因此，与前沿研究相关的实验内容的设置，是我们此次实验教学内容更新的重点。

我们引入负载型催化剂的多相催化实验。随着催化技术的发展，由于多相催化剂具有易回收利用、产物易分离等特点，在石油化工等领域得到越来越广泛的应用。因此，让学生了解和掌握一定的多相催化技术和知识显得尤为重要，国内浙江大学和南京大学化学系的本科生物理化学实验中都涉及相关的实验内容。我们开设了负载贵金属催化剂液相催化苯甲醇氧化的实验，通过本实验，希望学生理解多相催化操作中的基本要求、评价活性优劣的基本方法、影响催化活性的外界因素、完成活性测试的定量分析手段等内容，再通过数据处理与分析，了解更多的与催化相关的动力学和热力学知识与技术。

3.引入物质结构性质表征方面的实验内容

现在科学研究中，物质结构及其性质的揭示，离不开大型仪器。自19世纪伦琴发现了X射线以来，X射线衍射被迅速地应用于物质结构表征，它可以用在研究体积很大的对象，譬如人体骨骼，还可以表征很小的物质结构，譬如蛋白质分子结构[4]。由于波长短，X射线有很强的穿透性，在分子及原子级的材料结构研究当中应用尤为广泛。现代X射线技术在研究未知结构和新材料中已经成为一个有力的工具，比如本系多个课题组制备的各种单晶新材料，其结构解析就离不开X射线单晶衍射仪。作为重要的物质结构表征手段，理论课堂上也做了深入的介绍，但由于硬件条件的限制，本系本科生一直没有机会动手操作X射线衍射仪。

多孔固体材料最早发现于19世纪90年代，因其独特的结构特性而在催化、吸附、分离和储能等领域受到广泛的关注，表面状态和孔结构直接影响其性能，所以多孔固体材料的比表面积和孔径分布是研究固体材料的必要数据。本系多个课题组在介孔、微孔材料的制备研究中，一直离不开比表面积测试仪对样品基本性质的测定，也正因如此，本系多套比表面积测试仪均难以匀出机时用于本科教学。

通过努力，现在我们购置了4台比表面积测试仪，并借用本系X射线粉末衍射仪科研机时，用于本科生的教学实验。先让学生通过不同方法制备铜锆复合氧化物材料，并对这些样品进行X射线粉末衍射和比表面积测定，最后通过数据处理，分析了解不同的制备因素对材料基本性质的影响，了解BET多分子层吸附理论的基本假设和BET法测量固体比表面的基本原理，掌握X射线粉末衍射方法的基本原理、技术和物理吸附仪的工作原理、使用方法，并借此掌握一定的材料常规表征实验技能技巧。

三、未来设想

近年来，随着世界环境问题的日益严重，光催化在环境污染物降解中已成为研究热点[5]。最近我们还将开设TiO2光催化废水降解实验，这个实验是有效治理环境污染技术的典型代表。纳米TiO2由于其化学性能稳定、抗菌性能好以及在有机物降解过程中无二次污染等优良性质，成为环境污染治理领域中的重要光催化剂，在光催化领域得到了广泛研究。TiO2的结构形貌对其光催化活性有很大的影响，通过本实验，希望学生了解环境污染与防治的相关知识，并能从结构形貌与光量子效率间的关系理解影响光催化活性的因素，同时理解光催化降解效率的衡量指标等知识和技能。

从培养学生技术技能的角度看，现代物质基本结构表征方面涉及的内容还远不够，将来还计划开设铜锆复合氧化物或者负载贵金属样品表面的CO吸附红外光谱测定、核磁共振测定液相反应速率常数等相关内容。希望通过系列动力学活性测试以及相应物质结构表征方面实验的开展，让学生对功能材料样品制备技术、物质基本性质表征以及样品性质与性能之间的本质关联有所了解。更希望学生通过这一系列的训练，对科学研究过程有所了解，为他们开展系列校内科技创新项目打下基础，有利于他们今后的继续深造或工作。

篇6

二十世纪即将结，二十一世纪即将来临，二十世纪是光辉灿烂的一个世纪，是个类社会发展最迅速的一个世纪，是科学技术发展最迅速的一个世纪，也是物理学发展最迅速的一个世纪。在这一百年中发生了物理学革命，建立了相对信纸和量子力学，完成了从经典物理学到现代物理学的转变。在二十世纪二、三十年代以后，现代物理学在深度和广度上有了进一步的蓬勃发展，产生了一系列的新学科的交叉学科、边缘学科，人类对物质世界的规律有了更深刻的认识，物理学理论达到了一个新高度，现代物理学达到了成熟的阶段。

在此世纪之交的时候，人们自然想展望一下二十一世纪物理学的发展前景，探索今后物理学发展的方向。我想谈一谈我对这个问题的一些看法和观点。首先，我们来回顾一下上一个世纪之交物理学发展的情况，把当前的情况与一百年前的情况作比较对于探索二十一世纪物理学发展的方向是很有帮助的。

一、历史的回顾

十九世纪末二十世纪初，经典物物学的各个分支学科均发展到了完善、成熟的阶段，随着热力学和统计力学的建立以及麦克斯韦电磁场理论的建立，经典物理学达到了它的顶峰，当时人们以系统的形式描绘出一幅物理世界的清晰、完整的图画，几乎能完美地解释所有已经观察到的物理现象。由于经典物理学的巨大成就，当时不少物理学家产生了这样一种思想：认为物理学的大厦已经建成，物理学的发展基本上已经完成，人们对物理世界的解释已经达到了终点。物理学的一些基本的、原则的问题都已经解决，剩下来的只是进一步精确化的问题，即在一些细节上作一些补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更精确一些。

然而，在十九世纪末二十世纪初，正当物理学家在庆贺物理学大厦落成之际，科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实。首先是世纪之交物理学的三大发现：电子、X射线和放射性现象的发现。其次是经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”。[1]这些实验结果与经典物理学的基本概念及基本理论有尖锐的矛盾，经典物理学的传统观念受到巨大的冲击，经典物理发生了“严重的危机”。由此引起了物理学的一场伟大的革命。爱因斯坦创立了相对论；海林堡、薛定谔等一群科学家创立了量子力学。现代物理学诞生了！

把物理学发展的现状与上一个世纪之交的情况作比较，可以看到两者之间有相似之外，也有不同之处。

在相对论和量子力学建立起来以后，现代物理学经过七十多年的发展，已经达到了成熟的阶段。人类对物质世界规律的认识达到了空前的高度，用现有的理论几乎能够很好地解释现在已知的一切物理现象。可以说，现代物理学的大厦已经建成。在这一点上，目前有情况与上一个世纪之交的情况很相似。因此，有少数物理学家认为今后物理学不会有革命性的进展了，物理学的根本性的问题、原则问题都已经解决了，今后能做到的只是在现有理论的基础上在深度和广度两方面发展现代物理学，对现有的理论作一些补充和修正。然而，由于有了一百年前的历史经验，多数物理学家并不赞成这种观点，他们相信物理学迟早会有突破性的发展。另一方面，虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。

虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。客观物质世界是分层次的。一般说来，每个层次中的体系都由大量的小体系（属于下一个层次）构成。从一定意义上说，宏观与微观是相对的，宏观体系由大量的微观系统构成。物质世界从微观到宏观分成很多层次。物理学研究的目的包括：探索各层次的运动规律和探索各层次间的联系。

回顾二十世纪物理学的发展，是在三个方向上前进的。在二十一世纪，物理学也将在这三个方向上继续向前发展。

1）在微观方向上深入下去。在这个方向上，我们已经了解了原子核的结构，发现了大量的基本粒子及其运规律，建立了核物理学和粒子物理学，认识到强子是由夸克构成的。今后可能会有新的进展。但如果要探索更深层次的现象，必须有更强大得多的加速器，而这是非常艰巨的任务，所以我认为近期内在这个方向上难以有突破性的进展。

2）在宏观方向上拓展开去。1948年美国的伽莫夫提出“大爆炸”理论，当时并未引起重视。1965年美国的彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙背景辐射，再加上其他的观测结果，为“大爆炸”理论提供了有力的证据，从此“大爆炸”理论得到广泛的支持，1981年日本的佐藤胜彦和美国的古斯同时提出暴胀理论。八十年代以后，英国的霍金[2,3]等人开始论述宇宙的创生，认为宇宙从“无”诞生，今后在这个方向上将会继续有所发展。从根本上来说，现代宇宙学的继续发展有赖于向广漠的宇宙更遥远处观测的新结果，这需要人类制造出比哈勃望远镜性能更优越得多的、各个波段的太空天文望远镜，这是很艰巨的任务。

我个人对于近年来提出的宇宙创生学说是不太信的，并且认为“大爆炸”理论只是对宇宙的一个近似的描述。因为现在的宇宙学研究的只是我们能观测到的范围以内的“宇宙”，而我相信宇宙是无限的，在我们这个“宇宙”以外还有无数个“宇宙”，这些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影响、有作用的。现代宇宙学只研究我们这个“宇宙”，当然只能得到近似的结果，把他们的延伸到“宇宙”创生了初及遥远的未来，则失误更大。

3）深入探索各层次间的联系。

这正是统计物理学研究的主要内容。二十世纪在这方面取得了巨大的成就，先是非平衡态统计物理学有了得大的发展，然后建立了“耗散结构”理论、协同论和突变论，接着混沌论和分形论相继发展起来了。近年来把这些分支学科都纳入非线性科学的范畴。相信在二十一世纪非线性科学的发展有广阔的前景。

上述的物理学的发展依然现代物理学现有的基本理论的框架内。在下个世纪，物理学的基本理论应该怎样发展呢？有一些物理学家在追求“超统一理论”。在这方面，起初是爱因斯坦、海森堡等天才科学家努力探索“统一场论”；直到1967、1968年，美国的温伯格和巴基斯坦的萨拉姆提出统一电磁力和弱力的“电弱理论”；目前有一些物理学家正在探索加上强力的“大统一理论”以及再加上引力把四种力都统一起来的“超统一理论”，他们的探索能否成功尚未定论。

爱因斯坦当初探索“统一场论”是基于他的“物理世界统一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最终没有成功。我对此有不同的观点，根据辩证唯物主义的基本原理，我认为“物质世界是既统一，又多样化的”。且莫论追求“超统一理论”能否成功，即便此理论完成了，它也不是物理学发展的终点。因为“在绝对的总的宇宙发展过程中，各个具体过程的发展都是相对的，因而在绝对真理的长河中，人们对于在各个一定发展阶段上的具体过程的认识只具有相对的真理性。无数相对的真理之总和，就是绝对的真理。”“人们在实践中对于真理的认识也就永远没有完结。”[5]

现代物理学的革命将怎样发生呢？我认为可能有两个方面值得考试：

1）客观世界可能不是只有四种力。第五、第六……种力究竟何在呢？现在我们不知道。我的直觉是：将来最早发现的第五种力可能存在于生命现象中。物质构成了生命体之后，其运动和变化实在太奥妙了，我们没有认识的问题实在太多了，我们今天对于生命科学的认识犹如亚里斯多德时代的人们对于物理学的认识，因此在这方面取得突破性的进展是很可能的。我认为，物理学业与生命科学的交叉点是二十一世纪物理学发展的方向之一，与此有关的最关于复杂性研究的非线性科学的发展。

2）现代物理学理论也只是相对真理，而不是绝对真理。应该通过审思现代物理学理论基础的不完善性来探寻现代物理学革命的突破口，在下一节中将介绍我的观点。

三、现代物理学的理论基础是完美的吗？

相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱，这两大支柱的理论基础是否十全十美的

呢？我们来审思一下这个问题。

1）对相对论的审思

当年爱因斯坦就是从关于光速和关于时间要领的思考开始，创立了狭义相对论[1]。我们今天探寻现代物理学革命的突破口，也应该从重新审思时空的概念入手。爱因劳动保护坦创立狭义相对论是从讲座惯性系中不同地点的两个“事件”的同时性开始的[4]，他规定用光信号校正不同地点的两个时钟来定义“同时”，这样就很自然地导出了洛仑兹变换，进一步导致一个四维时空（x，y，z，ict）（c是光速）。为什么爱因劳动保护担提出用光信号来校正时钟，而不用别的信号呢？在他的论文中没有说明这个问题，其实这是有深刻含意的。

时间、空间是物质运动的表现形式，不能脱离物理质运动谈论时间、空间，在定义时空时应该说明是关于什么运动的时空。现代物理学认为超距作用是不存在的，A处发生的“事件”影响B处的“事件”必须通过一定的场传递过去，传递需要一定的时间，时间、空间的定义与这个传递速度是密切相关的。如果这种场是电磁场，则电磁相互作用传递的速度就是光速。因此，爱因斯坦定义的时空实际上是关于由电磁相互作用引起的物质运动的时空，适用于描述这种运动。

爱因斯坦把他定义的时间应用于所有的物质运动，实际上就暗含了这样的假设：引力相互作用的传递速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速传递的呢？令引力相互作用的传递速度为c＇。至今为止，并无实验事实证明c＇等于c。爱因斯坦因他的“物质世界统一性”的世界观而在实际上假定了c=c＇。我持有“物质世界既统一，又多样化的”以观点，再加之电磁力和引力的强度在数量级上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工样，关于由电磁力引起的物质运动的四维时空（x，y，z，ict）和关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的问题只涉及一种相互作用，则按照现在的理论建立起来的运动方程的形式不变。例如，爱因斯坦引力场方程的形式不变，只需把常数c改为c＇。如果研究的问题涉及两种相互作用，则需要建立新的理论。不过，首要的事情是由实验事实来判断c＇和c是否相等；如果不相等，需要导出c＇的数值。

我在二十多年前开始形成上述观点，当时测量引力波是众所瞩目的一个热点，我曾对那些实验寄予厚望，希望能从实验结果推算出c＇是否等于c。令人遗憾的是，经过长斯的努力引引力波实验没有获得肯定的结果，随后这项工作冷下去了。根据爱国斯坦理论预言的引力波是微弱的，如果在现代实验技术能够达到的测量灵敏度和准确度之下，这样弱的引力波应该能够探测到的话，长期的实验得不到肯定的结果似乎暗示了害因斯坦理论的缺点。应该从c＇可能不等于c这个角度来考虑问题，如果c＇和c有较大的差异，则可能导出引力波的强度比根据爱因劳动保护坦理论预言的强度弱得多的结果。

弱力、强力与引力、电磁力有本质的不同，前两者是短程力，后两者是长程力。不同的相互作用是通过传递不同的媒介粒子而实现的。引力相互作用的传递者是引力子；电磁相互作用的传递者是光子；弱相互作用的传递者是规范粒子（光子除外）；强相互作用的传递者是介子。引力子和光子的静质量为零，按照爱因斯坦的理论，引力相互作用和电磁相互作用的传递速度都是光速。并且与传递粒子的静质量和能量有关，因而其传递速度是多种多样的。

在研究由弱或强相互作用引起的物质运动时，定义惯性系中不同的地点的两个“事件”的“同时”，是否应该用弱力或强力信号取代光信号呢？我对核物理学和粒子物理学是外行，不想贸然回答这个问题。如果应该用弱力或强力信号取代光信号，那么关于由弱力或强力引起的物质运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空（x，y，z，ict）及关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。设弱或强相互作用的传递速度为c＇＇，c＇＇不是常数，而是可变的，则关于由弱或强力引起的运动的时空为（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），时间t＇＇和空间（x＇＇，y＇＇，z＇＇）将是c＇的函数。然而，很可能应该这样来考虑问题：关于由弱力引起的运动的时空，在定义中应该以规范粒子的静质量取作零时的速度c1取代光速c。由于“电弱理论”把弱力和电磁力统一起来了，因此有可能c1=c，则关于由弱力引起的运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空是相同的，同为（x，y，z，ict）。关于由强力引起的运动的时空，在定义中应该以介子的静质量取作零（在理论上取作零，在实际上没有静质量为零的介子）时的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。则关于由强力引起的运动的时空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。无论上述两种考虑中哪一种是对的，整个物质世界的时空将是高于四维的多维时空。对于由短程力（或只是强力）引起的物质运动，如果时空有了新的一义，就需要建立新的理论，也就是说需要建立新的量子场论、新的核物理学和新的粒子物理学等。如果研究的问题既清及长程力，又涉及短程力（尤其是强力），则更需要建立新的理论。

1）对量子力学的审思

从量子力学发展到量子场论的时候，遇到了“发散困难”[6]。1946——1949年间，日本的朝永振一郎、美国的费曼和施温格提出“重整化”方法，克服了“发散困难”。但是“重整化”理论仍然存在着逻辑上的缺陷，并没有彻底克服这一困难。“发散困难”的一个基本原因是粒子的“固有”能量（静止能量）与运动能量、相互作用能量合在一起计算[6]，这与德布罗意波在υ=0时的异性。

现在我陷入一个两难的处境：如果采用传统的德布罗意关系，就只得接受不合理的德布罗意波奇异性；如果采纳修正的德布罗意关系，就必须面对使新的理论满足相对论协变性的难题。是否有解决问题的其他途径呢？我认为这个问题或许还与时间、空间的定义有关。现在的量子力学理论中时宽人的定义实质上依然是决定论的定义，而不确定原理是微观世界的一条基本规律，所以时间、空间都不是严格确定的，决定论的时空要领不再适用。在时间或空间的间隔非常小的时候，描写事情顺序的“前”、“后”概念将失去意义。此外，在重新定义时空时还应考虑相关的物质运动的类别。模糊数学已经发展得相当成熟了，把这个数学工具用到微观世界时空的定义中去可能是很值得一试的。

1）在二十一世纪物理学将在三个方向上继续向前发展（1）在微观方向上深入下去；（2）在宏观方向上拓展开去；（3）深入探索各层次间的联系，进一步发展非线性科学。

2）可能应该从两方面去控寻现代物理学革命的突破口。（1）发现客观世界中已知的四种力以外的其他力；（2）通过审思相对论和量子力学的理论基础，重新定义时间、空间，建立新的理论

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十九世纪末二十世纪初，经典物物学的各个分支学科均发展到了完善、成熟的阶段，随着热力学和统计力学的建立以及麦克斯韦电磁场理论的建立，经典物理学达到了它的顶峰，当时人们以系统的形式描绘出一幅物理世界的清晰、完整的图画，几乎能完美地解释所有已经观察到的物理现象。由于经典物理学的巨大成就，当时不少物理学家产生了这样一种思想：认为物理学的大厦已经建成，物理学的发展基本上已经完成，人们对物理世界的解释已经达到了终点。物理学的一些基本的、原则的问题都已经解决，剩下来的只是进一步精确化的问题，即在一些细节上作一些补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更精确一些。

然而，在十九世纪末二十世纪初，正当物理学家在庆贺物理学大厦落成之际，科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实。首先是世纪之交物理学的三大发现：电子、X射线和放射性现象的发现。其次是经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”。[1]这些实验结果与经典物理学的基本概念及基本理论有尖锐的矛盾，经典物理学的传统观念受到巨大的冲击，经典物理发生了“严重的危机”。由此引起了物理学的一场伟大的革命。爱因斯坦创立了相对论；海林堡、薛定谔等一群科学家创立了量子力学。现代物理学诞生了！

把物理学发展的现状与上一个世纪之交的情况作比较，可以看到两者之间有相似之外，也有不同之处。

在相对论和量子力学建立起来以后，现代物理学经过七十多年的发展，已经达到了成熟的阶段。人类对物质世界规律的认识达到了空前的高度，用现有的理论几乎能够很好地解释现在已知的一切物理现象。可以说，现代物理学的大厦已经建成。在这一点上，目前有情况与上一个世纪之交的情况很相似。因此，有少数物理学家认为今后物理学不会有革命性的进展了，物理学的根本性的问题、原则问题都已经解决了，今后能做到的只是在现有理论的基础上在深度和广度两方面发展现代物理学，对现有的理论作一些补充和修正。然而，由于有了一百年前的历史经验，多数物理学家并不赞成这种观点，他们相信物理学迟早会有突破性的发展。另一方面，虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。

虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。客观物质世界是分层次的。一般说来，每个层次中的体系都由大量的小体系（属于下一个层次）构成。从一定意义上说，宏观与微观是相对的，宏观体系由大量的微观系统构成。物质世界从微观到宏观分成很多层次。物理学研究的目的包括：探索各层次的运动规律和探索各层次间的联系。

回顾二十世纪物理学的发展，是在三个方向上前进的。在二十一世纪，物理学也将在这三个方向上继续向前发展。

1）在微观方向上深入下去。在这个方向上，我们已经了解了原子核的结构，发现了大量的基本粒子及其运规律，建立了核物理学和粒子物理学，认识到强子是由夸克构成的。今后可能会有新的进展。但如果要探索更深层次的现象，必须有更强大得多的加速器，而这是非常艰巨的任务，所以我认为近期内在这个方向上难以有突破性的进展。

2）在宏观方向上拓展开去。1948年美国的伽莫夫提出“大爆炸”理论，当时并未引起重视。1965年美国的彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙背景辐射，再加上其他的观测结果，为“大爆炸”理论提供了有力的证据，从此“大爆炸”理论得到广泛的支持，1981年日本的佐藤胜彦和美国的古斯同时提出暴胀理论。八十年代以后，英国的霍金[2,3]等人开始论述宇宙的创生，认为宇宙从“无”诞生，今后在这个方向上将会继续有所发展。从根本上来说，现代宇宙学的继续发展有赖于向广漠的宇宙更遥远处观测的新结果，这需要人类制造出比哈勃望远镜性能更优越得多的、各个波段的太空天文望远镜，这是很艰巨的任务。

我个人对于近年来提出的宇宙创生学说是不太信的，并且认为“大爆炸”理论只是对宇宙的一个近似的描述。因为现在的宇宙学研究的只是我们能观测到的范围以内的“宇宙”，而我相信宇宙是无限的，在我们这个“宇宙”以外还有无数个“宇宙”，这些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影响、有作用的。现代宇宙学只研究我们这个“宇宙”，当然只能得到近似的结果，把他们的延伸到“宇宙”创生了初及遥远的未来，则失误更大。

3）深入探索各层次间的联系。

这正是统计物理学研究的主

要内容。二十世纪在这方面取得了巨大的成就，先是非平衡态统计物理学有了得大的发展，然后建立了“耗散结构”理论、协同论和突变论，接着混沌论和分形论相继发展起来了。近年来把这些分支学科都纳入非线性科学的范畴。相信在二十一世纪非线性科学的发展有广阔的前景。

上述的物理学的发展依然现代物理学现有的基本理论的框架内。在下个世纪，物理学的基本理论应该怎样发展呢？有一些物理学家在追求“超统一理论”。在这方面，起初是爱因斯坦、海森堡等天才科学家努力探索“统一场论”；直到1967、1968年，美国的温伯格和巴基斯坦的萨拉姆提出统一电磁力和弱力的“电弱理论”；目前有一些物理学家正在探索加上强力的“大统一理论”以及再加上引力把四种力都统一起来的“超统一理论”，他们的探索能否成功尚未定论。

爱因斯坦当初探索“统一场论”是基于他的“物理世界统一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最终没有成功。我对此有不同的观点，根据辩证唯物主义的基本原理，我认为“物质世界是既统一，又多样化的”。且莫论追求“超统一理论”能否成功，即便此理论完成了，它也不是物理学发展的终点。因为“在绝对的总的宇宙发展过程中，各个具体过程的发展都是相对的，因而在绝对真理的长河中，人们对于在各个一定发展阶段上的具体过程的认识只具有相对的真理性。无数相对的真理之总和，就是绝对的真理。”“人们在实践中对于真理的认识也就永远没有完结。”[5]

现代物理学的革命将怎样发生呢？我认为可能有两个方面值得考试：

1）客观世界可能不是只有四种力。第五、第六……种力究竟何在呢？现在我们不知道。我的直觉是：将来最早发现的第五种力可能存在于生命现象中。物质构成了生命体之后，其运动和变化实在太奥妙了，我们没有认识的问题实在太多了，我们今天对于生命科学的认识犹如亚里斯多德时代的人们对于物理学的认识，因此在这方面取得突破性的进展是很可能的。我认为，物理学业与生命科学的交叉点是二十一世纪物理学发展的方向之一，与此有关的最关于复杂性研究的非线性科学的发展。

2）现代物理学理论也只是相对真理，而不是绝对真理。应该通过审思现代物理学理论基础的不完善性来探寻现代物理学革命的突破口，在下一节中将介绍我的观点。

三、现代物理学的理论基础是完美的吗？

相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱，这两大支柱的理论基础是否十全十美的

呢？我们来审思一下这个问题。

1）对相对论的审思

当年爱因斯坦就是从关于光速和关于时间要领的思考开始，创立了狭义相对论[1]。我们今天探寻现代物理学革命的突破口，也应该从重新审思时空的概念入手。爱因劳动保护坦创立狭义相对论是从讲座惯性系中不同地点的两个“事件”的同时性开始的[4]，他规定用光信号校正不同地点的两个时钟来定义“同时”，这样就很自然地导出了洛仑兹变换，进一步导致一个四维时空（x，y，z，ict）（c是光速）。为什么爱因劳动保护担提出用光信号来校正时钟，而不用别的信号呢？在他的论文中没有说明这个问题，其实这是有深刻含意的。

时间、空间是物质运动的表现形式，不能脱离物理质运动谈论时间、空间，在定义时空时应该说明是关于什么运动的时空。现代物理学认为超距作用是不存在的，A处发生的“事件”影响B处的“事件”必须通过一定的场传递过去，传递需要一定的时间，时间、空间的定义与这个传递速度是密切相关的。如果这种场是电磁场，则电磁相互作用传递的速度就是光速。因此，爱因斯坦定义的时空实际上是关于由电磁相互作用引起的物质运动的时空，适用于描述这种运动。

爱因斯坦把他定义的时间应用于所有的物质运动，实际上就暗含了这样的假设：引力相互作用的传递速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速传递的呢？令引力相互作用的传递速度为c＇。至今为止，并无实验事实证明c＇等于c。爱因斯坦因他的“物质世界统一性”的世界观而在实际上假定了c=c＇。我持有“物质世界既统一，又多样化的”以观点，再加之电磁力和引力的强度在数量级上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工样，关于由电磁力引起的物质运动的四维时空（x，y，z，ict）和关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的问题只涉及一种相互作用，则按照现在的理论建立起来的运动方程的形式不变。例如，爱因斯坦引力场方程的形式不变，只需把常数c改为c＇。如果研究的问题涉及两种相互作用，则需要建立新的理论。不过，首要的事情是由实验事实来判断c＇和c是否相等；如果不相等，需要导出c＇的数值。

我在二十多年前开始形成上述观点，当时测量引力波是众所瞩目的一个热点，我曾对那些实验寄予厚望，希望能从实验结果推算出c＇是否等于c。令人遗憾的是，经过长斯的努力引引力波实验没有获得肯定的结果，随后这项工作冷下去了。根据爱国斯坦理论预言的引力波是微弱的，如果在现代实验技术能够达到的测量灵敏度和准确度之下，这样弱的引力波应该能够探测到的话，长期的实验得不到肯定的结果似乎暗示了害因斯坦理论的缺点。应该从c＇可能不等于c这个角度来考虑问题，如果c＇和c有较大的差异，则可能导出引力波的强度比根据爱因劳动保护坦理论预言的强度弱得多的结果。

弱力、强力与引力、电磁力有本质的不同，前两者是短程力，后两者是长程力。不同的相互作用是通过传递不同的媒介粒子而实现的。引力相互作用的传递者是引力子；电磁相互作用的传递者是光子；弱相互作用的传递者是规范粒子（光子除外）；强相互作用的传递者是介子。引力子和光子的静质量为零，按照爱因斯坦的理论，引力相互作用和电磁相互作用的传递速度都是光速。并且与传递粒子的静质量和能量有关，因而其传递速度是多种多样的。

在研究由弱或强相互作用引起的物质运动时，定义惯性系中不同的地点的两个“事件”的“同时”，是否应该用

弱力或强力信号取代光信号呢？我对核物理学和粒子物理学是外行，不想贸然回答这个问题。如果应该用弱力或强力信号取代光信号，那么关于由弱力或强力引起的物质运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空（x，y，z，ict）及关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。设弱或强相互作用的传递速度为c＇＇，c＇＇不是常数，而是可变的，则关于由弱或强力引起的运动的时空为（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），时间t＇＇和空间（x＇＇，y＇＇，z＇＇）将是c＇的函数。然而，很可能应该这样来考虑问题：关于由弱力引起的运动的时空，在定义中应该以规范粒子的静质量取作零时的速度c1取代光速c。由于“电弱理论”把弱力和电磁力统一起来了，因此有可能c1=c，则关于由弱力引起的运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空是相同的，同为（x，y，z，ict）。关于由强力引起的运动的时空，在定义中应该以介子的静质量取作零（在理论上取作零，在实际上没有静质量为零的介子）时的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。则关于由强力引起的运动的时空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。无论上述两种考虑中哪一种是对的，整个物质世界的时空将是高于四维的多维时空。对于由短程力（或只是强力）引起的物质运动，如果时空有了新的一义，就需要建立新的理论，也就是说需要建立新的量子场论、新的核物理学和新的粒子物理学等。如果研究的问题既清及长程力，又涉及短程力（尤其是强力），则更需要建立新的理论。

1）对量子力学的审思

从量子力学发展到量子场论的时候，遇到了“发散困难”[6]。1946——1949年间，日本的朝永振一郎、美国的费曼和施温格提出“重整化”方法，克服了“发散困难”。但是“重整化”理论仍然存在着逻辑上的缺陷，并没有彻底克服这一困难。“发散困难”的一个基本原因是粒子的“固有”能量（静止能量）与运动能量、相互作用能量合在一起计算[6]，这与德布罗意波在υ=0时的异性。

现在我陷入一个两难的处境：如果采用传统的德布罗意关系，就只得接受不合理的德布罗意波奇异性；如果采纳修正的德布罗意关系，就必须面对使新的理论满足相对论协变性的难题。是否有解决问题的其他途径呢？我认为这个问题或许还与时间、空间的定义有关。现在的量子力学理论中时宽人的定义实质上依然是决定论的定义，而不确定原理是微观世界的一条基本规律，所以时间、空间都不是严格确定的，决定论的时空要领不再适用。在时间或空间的间隔非常小的时候，描写事情顺序的“前”、“后”概念将失去意义。此外，在重新定义时空时还应考虑相关的物质运动的类别。模糊数学已经发展得相当成熟了，把这个数学工具用到微观世界时空的定义中去可能是很值得一试的。

1）在二十一世纪物理学将在三个方向上继续向前发展（1）在微观方向上深入下去；（2）在宏观方向上拓展开去；（3）深入探索各层次间的联系，进一步发展非线性科学。

2）可能应该从两方面去控寻现代物理学革命的突破口。（1）发现客观世界中已知的四种力以外的其他力；（2）通过审思相对论和量子力学的理论基础，重新定义时间、空间，建立新的理论

3）由于现代物理学尚未发生“危机”，因此目前发生现代物理学革命的条件也许还不成熟，物理学的发展和物理学革命都有赖于在物理实验和对客观物质世界的观测中获得新的结果，实验和观测是发展物理学的量重要手段，这是我们要关注的首要问题。然而，科学的发展和物理学的发展有本身的逻辑，符合客观规律的、有真知灼见的思维也是一个关键。

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关键词：热力学与统计物理 教学内容 教学方法 考核方式 材料物理专业

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（c）-0170-02

材料物理专业是材料科学与物理学的一个交叉学科，专业特点要求在课程设置上既有材料科学方面的课程又要有物理类课程。安徽工业大学材料物理专业于2003年开始进行筹划建设，2005年实现了首次招生。经过几年的探索、规划和实践，基本完成了专业定位和课程体系设置[1]，正逐步完善专业建设。现阶段，保留了量子力学，热力学与统计物理（以下简称热统）和固体物理学作为本专业的物理类必修课程。其中，热力学与统计物理是一门重要的专业基础课，无论对后续的物理类还是材料类课程的学习都起到承上启下的知识连接作用。本课程的设置目的使学生能够熟练掌握热力学和统计力学的基本原理和研究方法，逐步建立分析微观世界的思路和方法，训练学生严格的逻辑思维能力，培养演绎推理能力，提高解决具体问题的能力。

1 热力学与统计物理课程教学中存在的主要问题

热统课程内容由热力学和统计物理两部分组成。其中，热力学是研究热现象的宏观理论，它从若干经验定律出发，通过严密的逻辑演绎方法，最终给出系统的宏观热性质；而统计物理则是研究热现象的微观理论，它从微观粒子的力学规律出发，加上统计假设，获得系统的宏观性质。从内容上来看，热统课程的理论性强，教学内容繁杂。尤其，在当前高校推行素质教育和培养应用型人才的指导下，基础理论课课程教学学时均有不同程度的压缩。我校热统课程安排为40个学时，由此带来了教学学识少和教学内容多的严重矛盾。我们根据我校材料物理专业特色方向和后续课程，在热统教学内容上做出了适当的调整。

现行的热统教材理论性强，较适合理科生使用，缺乏较合适的工科材料类学生使用的热统教材。在组织教学中，我们以汪志诚编写的《热力学・统计物理（第四版）》作为主要参考教材[2]，同时综合了多本经典教材，如：胡承正编著的《热力学与统计物理学》，包景东编著的《热力学与统计物理简明教程》等[3～4]。根据我校材料物理专业培养目标和专业特色方向，本着“先进、有效、有用”的原则，对热统课程的教学内容应该进行认真清理与重构，形成适合本校实际的课程讲义。

在教学方法和考核方式上也应根据我校实际进行相应的改革。热统课程是一个理论性强的课程，其中的物理概念抽象，物理公式繁杂。安徽工业大学材料物理专业是在工科背景下成立并发展起来的，学生的数理基础相对薄弱，在学习的过程中会有些吃力。长期的教学实践告诉我们，如果采取传统的灌输式教学方法，只能使热统课堂教学枯燥无味，学生被动的接受知识，失去了学习兴趣，甚至对后续的专业课学习产生抵触情绪。另外，传统的闭卷考试常造成学生不重视平时的学习过程，期末复习只看教学课件，期待老师划重点，搞突击记忆。

针对上述现状，我们尝试着进行了教学内容，教学方法和考核方式的改革和实践。

2 教学内容的改革

2.1 优化教学内容

热统课程的热力学部分与先修课程，如大学物理、物理化学和工程化学基础的部分内容重复率较高。我们在充分了解本专业学生的先修课程和后续课程的教学内容后，对与其他课程有交叉重叠的部分进行了压缩和删减。比如：热力学部分的热力学基本定律，热力学函数，化学平衡条件，理想气体的化学平衡等都在先修课程里面作为重点内容进行讲授的。在实际教学时，只作复习性的简述或以学生自学的方式完成。但为保证热力学基本概念与规律的严格性与系统性，对重要的基本概念和定律还是进行重点讲解。通过这样的调整，节省了热力学部分的教学学时，加大了统计物理部分的学时讲授。统计物理是从宏观系统的微观结构入手，从内容上与量子力学和固体物理课程联系紧密，也为后续的计算材料学课程，甚至可为本科毕业论文工作提供前期的知识准备。在统计物理教学部分，将在先修课程中学习过的麦克斯韦速度分布率和能均分定理略讲；固体的热容量的德拜理论是固体物理课程的重点教学内容，在热统教学中，这部分只简单提及。经过这样的教学内容优化后，节省了课时，加强了课程之间的联系，提高了教学效率。

2.2 适当引入材料学科前沿内容

创新型人才的培养要求课程内容要体现先进性和现代化。通过合理的补充与热统课程相关的材料学和物理学最新的学术成就与进展，有意识的突出课程的广度，丰富和具体化基本理论内容。增加学科前沿内容，我们从两个方面进行。一方面是在讲授基础理论知识的同时，引入与该知识密切相关的科学技术发展的介绍。例如：在对温度和温标作复习简述的时候，介绍测温仪表和测温技术。电阻温度计，热电偶测温技术，红外测温技术等在后续的材料类课程学习，课程设计和实验及毕业论文工作是非常重要的一部分。在讲授气体的节流和膨胀过程一节时，介绍了获得低温的技术，以及与低温有关的材料性能的变化，超导电现象的发展历史及科研现状等；在讲授单元系的相变时，加强了对二级相变和临界现象的讲授，介绍了磁性材料，超导材料，超流体等方面的最新研究进展；在统计物理部分，介绍玻色-爱因斯坦凝聚的新进展，讲授统计物理部分的金属中的自由电子时，适当介绍计算材料学和计算物理方面的研究现状等。另一方面是通过鼓励学生现场听取相关的学术报告，或者观看相关报告的视频。通过前沿知识的适当引进，开阔了学生的视野，激发了学生的学习和科研兴趣，获得了较好的教学效果。

2.3 注重理论联系实际

材料类专业是应用性很强的专业，要求热统课程教学内容要体现实用性，加强理论与实际的联系。我们鼓励学生通过本科生科研训练计划（SRTP）和大学生创新创业计划的方式参与相关教师的课题研究，或者开设课程设计和实验。如在讲授相变的章节时，为了让学生加深对二级相变的理解，开设了高温超导转变的实验，巨磁电阻材料的相变实验等。组织学生参观学校相关的实验室，如参观计算材料实验室，使学生了解相图的理论计算方法，第一性原理计算及材料设计方法。经过这样的训练，学生对物理概念有了深入的理解，提高学生的应用能力，研究能力和创新能力。

3 教学方法和考核方式的改革

3.1 学生为主体，教师为主导

在组织课堂教学时，认真贯彻以学生为主体，教师为主导的教学思想，加强师生互动，争取使学生由被动接受知识变为主动探索知识。在课前，给学生预留思考题进行课前预习，让学生带着问题去听课，做到有的放矢。在组织教学时，对重点章节进行精讲，适时开展物理基本概念和基本问题的讨论，启发学生思考和推理。对相对容易理解的章节组织学生自学，或者制作成ppt课件，在课堂上讲解，教师在做总结式讲授。课后，要求学生独立完成作业和习题，以期加深对基本概念的理解和应用。

3.2 重物理思想 简化数学推导

在组织教学的过程中，重点讲解基本概念，突出物理思想。借助于多媒体教学，对于较抽象、难理解的概念和原理，可通过制作图文并茂的课件，或者观看相关视频的方式，使抽象的概念形象化，增强学生的感性认识。适当补充基本概念辨析题和思考题以促进学生对基本概念的深入理解和掌握。对于必要的数学推导，使用板书的方式进行详解和推导，留给学生足够的时间思考并跟上教师的思路。

3.3 考核方式的改革

考核是教学过程的主要环节之一，应具有实用性和针对性，并能体现学生的综合素质。我们在考核方面，加大了平时成绩的比例，增加了课堂回答问题，课堂讨论，撰写科研小论文等环节的考核。在期末的闭卷考试中，减少死记硬背的概念题和公式，把考核重点放在学生对基本物理概念的理解和基本理论知识的实际应用上。

4 实践效果

在教学实践中逐步形成了适合我校材料物理专业实际的热统课程讲义。实践证明，改革措施在缓解授课学时与教学内容的矛盾，拓宽学生知识面等方面效果显著。尤其，热统课程作为材料物理专业的前期先修基础课，对后续的课程学习起着承上启下的重要作用。通过上述的教学改革后，学生的学习积极性大大提高，热爱本专业的学习，踊跃参加SRTP和大学生创新创业的计划，甚至部分同学提前加入教师团队的课题组，对未来的工作或者继续深造充满信心。

参考文献

[1] 方道来，童六牛，夏爱林，等.材料物理专业定位及课程体系设置的探索[J].安徽工业大学学报：社会科学版，2011（23）：104-105.

[2] 汪志诚.热力学・统计物理[M].北京：高等教育出版社，2010.

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“理为工之本，工为理之用”[2]，物理学是工程技术的基础，对提升学生科学素养有重要的作用。以培养大学生的工程创新能力为目标，提高大学物理教学质量是“卓越计划”对当前大学物理教学改革提出的新要求。在大学物理教学中融入“工程教育”是适应这一要求的重要基础。在大学教学中加强工程教育，激发学生的兴趣、培养学生的工程意识，以期在工程技术人员理解新原理，掌握新技术方面发挥重要的作用。

二、工程实例与物理教学的融合

作为高等院校工科各专业的必修基础课，传统的大学物理学较为重视知识体系的完整性、严密性和原理的逻辑推理，这对培养学生的逻辑思维能力有很大帮助，但这种偏重理论化推理的物理教学，启发有余而创新不足，忽略了工科专业学生对物理原理在实际工程技术中的应用这一求知需求。为了实现大学物理教学的工程教育目的，在教学过程中适当地引入工程实例是一种有效途径。工程实例的引入可以在大学物理教学中无所不在，比如物理原理的讲解，例题演示，以及课后习题等。工程实例的引入一方面要与物理知识点紧密相关，另一方面也要具有真实性，能激发学生的兴趣。当前国内物理教材中往往只列举几个典型的工程应用例子，难以激发学生的兴趣，甚至对物理原理在其中的具体应用过程也是一语带过，不提取模型也不解释原理，学生难以理解理论原理到工程技术的应用。相比国内教材，国外大学物理教材中物理知识与生活、体育、工程技术的工程实例联系就紧密得多。比如《哈里德大学物理学》中一道习题：“一架喷气式战机重达231kN，需要达到85m/s的空速才能起飞。战机发动机最大可提供107kN的推力，但并不足以让战机在短短90m的航母甲板跑道上达到起飞速率。”一个简单的力学物理题，穿上一件漂亮的工程“外衣”，未给教学添加负担，反而趣味倍增。工程实例的引入要注意全面，不能以偏概全。生活和工程中的物理构成有些对人类有利，有些对人类不利，但背后都有物理规律的支配。比如振动学中，许多教材都列举了共振引起桥梁坍塌的事故，让学生认识振动的威力。如果教学进程到此为止，学生对共振的的理解可能会产生误会，认为振动现象在建筑中只有“弊”而无“利”。实际上，许多现代桥梁和建筑物的防振减振工程项目都是“以其人之道，还治其人之身”，比如安装于台北101大厦的全球最大的“调谐质块阻尼器”，利用共振来消除大厦的振动以保障安全。只有客观而周到地对工程实例进行讨论，才能让学生对物理原理的理解及其应用有更全面的认识。由于没有现成的工程实例，需要教师收集和撰写相关的材料。工程实例的收集可从文献、国内外优秀教材中，甚至是时事新闻中筛选、汲取适当的题目。比如让国人振奋和骄傲的我国第一艘航母“辽宁号”及其成功起降的歼15舰载机，其中就有物理中力热光电各方面基本原理的大量应用。积少成多，集腋成裘，当前的通讯信息十分发达，可以多渠道、多途径地获取工程实例。

三、专业课程与大学物理的对接

大学物理学作为理工各专业的基础课，在夯实学生的基础知识，培养学生的逻辑思维和创新意识上有共同的作用，但不同专业对具体物理知识的学习也有不同的要求。目前大学物理的内容体系主要包括牛顿力学、热力学、电磁学、波动光学，以及相对论和量子力学等，内容较多，且物理学也在不断取得新进展。但在实际教学中，大学物理的学时却在不断缩减。针对这样的局面，如何实现大学物理的工程教育？首先要根据专业特点对物理教学内容有所侧重。大学物理教学可根据工科各专业的特点，对知识体系进行调整和优化，在制定教学计划时，集合相关专业的特点和后期专业课学习的延续性，在保持物理内容体系完整的情况下，对相关内容进行调整，并进一步拓展优化。比如，对机械类专业侧重于力学、热力学、电磁学等；对电类专业侧重于电磁学、光学和近代物理等。机械类专业都有理论力学和材料力学等专业基础课，如何在牛顿力学的教学中对相应概念和规律进行拓展，为相关课程做好铺垫，是物理课堂上一个值得探讨和尝试的课题。当前许多高校大学物理授课根据专业分班，也为这一设想提供了有利条件。

四、综合物理课程的开设设想

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2015年北京工业大学硕士研究生拟招生学科目录已公布，具体内容请各位考生查看如下：

院（所）、学科代码、名称 学科方向 招生人数 考试科目 备注 001 机械工程与应用电子技术学院 223     0801 力学 _ 01动力学与控制 _ 02固体力学 _ 03流体力学 _ 04工程力学 27 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④811理论力学或812材料力学I   080200 机械工程 _ 01数字化设计与制造技术 _ 02精密数控加工与自动化装备 _ 03现代焊接技术与自动化装备 _ 04机电系统控制及自动化 _ 05机构及机器人系统分析与控制 _ 06机械及微机电系统结构设计 78 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④811理论力学或812材料力学I或813电工学   0804 仪器科学与技术 _ 01精密测试技术与仪器 _ 02现代测控技术及方法 _ 03计算机测试与控制技术 _ 04智能仪器与虚拟仪器技术 23 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④803电子技术I或812材料力学I或813电工学   085201 机械工程（专业学位） _01数字化设计与制造及装备 _02现代机械系统设计 _03机电液一体化设计与制造 _04现代测控技术与仪器 _05高端装备强度与动态分析 95 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④809工程力学或813电工学   002 电子信息与控制工程学院 232     0809 电子科学与技术 _ 01信号处理与电路 _ 02数字多媒体信息技术 _ 03信息光电子学与光通信 _ 04超大规模集成电路设计与系统集成 _ 05电子器件、射频和功率集成电路及可靠性 58 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④822信号与系统或823半导体物理 1、01-02方向选822； 2、03-05方向选823。 0810 信息与通信工程 _ 01语音与音频信号处理 _ 02多媒体通信技术 _ 03信号处理理论与通信技术 _ 04图像与视频信号处理 30 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④822信号与系统   0811 控制科学与工程 _ 01自动控制理论及其应用 _ 02测控技术与自动化系统 _ 03智能系统与智能信息处理 _ 04信息融合与自主导航 _ 05计算机控制技术及其应用 63 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④821自动控制原理   085208 电子与通信工程（专业学位） _ 01信号与信息处理及其应用技术 _ 02图像处理与模式识别技术 _ 03多媒体通信技术 _ 04无线通信技术 _ 05嵌入式系统技术 35 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④822信号与系统   085210 控制工程（专业学位） _ 01工业过程的建模、控制与优化 _ 02系统工程（系统优化与决策） _ 03信息管理系统 _04生产过程综合自动化 _ 05智能控制与智能系统 30 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④821自动控制原理   085209 集成电路工程（专业学位） _ 01集成电路设计 _02集成电路制备工艺及相关技术研究 _03微电子器件检测与可靠性评价技术 16 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④823半导体物理   004 建筑工程学院 246     0814 土木工程 _01工程抗震减震与城市综合防灾减灾理论、方法和技术 _02结构新体系与高性能材料 _03结构全寿命设计、健康监测与可持续发展 _04岩土与地下工程安全风险分析、评价方法和技术 _05工程施工技术与风险管理 _06水环境恢复工程及水质处理保障技术 _07建筑环境控制及能源利用技术 119 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③301数学一 ④841结构力学 或833土力学与地基基础 或843钢筋混凝土结构 或 845水分析化学与水力学；或846传热学Ⅰ或867流体力学Ⅱ 1、土木工程（含工民建、道桥等）或相近专业考生报考方向可选01～05，考试科目可选841或833或843； 2、给排水或相近专业考生报考方向可选06，考试科目可选845； 3、暖通或相近专业考生报考方向可选07，考试科目应选846或867。 0823 交通运输工程 _ 01道路与铁道工程 _ 02交通运输规划与管理 _ 03交通信息工程及控制 4 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④848道路工程 或 849交通工程或832交通信息与控制 1、01方向选848； 2、02-03方向选849或832。 0815 水利工程 _ 01水文学及水资源 _ 02水力学及河流动力学 _ 03水工结构工程 _ 04水利水电工程 _ 05港口、海岸及近海工程 10 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③301数学一 ④841结构力学或844水力学Ⅱ   085213 建筑与土木工程（专业学位） _01工程抗震减震与城市综合防灾减灾理论、方法和技术 _02结构新体系与高性能材料 _03结构全寿命设计、健康监测与可持续发展 _04岩土与地下工程安全风险分析、评价方法和技术 _05工程施工技术与风险管理 _06工程项目管理及信息化 _07水环境恢复工程及水质处理保障技术 _08建筑环境与能源利用技术 100 ①101思想政治理论 ②204英语二或203日语 ③302数学二 ④841结构力学或833土力学与地基基础或845水分析化学与水力学 或846传热学Ⅰ或867流体力学Ⅱ 1、土木工程（含工民建、道桥等）或相近专业考生报考方向可选01～06，考试科目可选841或833或843； 2、给排水或相近专业考生报考方向可选07，考试科目可选845； 3、暖通或相近专业考生报考方向可选08，考试科目应选846或867。 085222 交通运输工程（专业学位） _01道路交通安全理论与道路工程技术 _02交通规划与交通控制理论及方法 _03智能交通、仿真与可持续发展整合体系 5 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④848道路工程或849交通工程或832交通信息与控制 1、01方向选848； 2、02-03方向选849或832。 1256 工程管理（专业学位） _ 00不区分研究方向 8 ①199管理类联考综合能力 ②204英语二   005 环境与能源工程学院 152     070304 物理化学 _01能源材料物理化学 _02催化化学 _03纳米材料物理化学 _04界面物理化学与分离技术 11 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③684物理化学I ④887无机化学II · 0807 动力工程及工程热物理 _ 01可再生能源利用及先进环境能源理论与技术 _ 02强化传热传质理论与工程应用 _ 03制冷低温系统及其环保节能理论与技术 _ 04车辆及动力系统节能、净化与控制 23 · ①101思想政治理论 · ②201英语一 · ③301数学一 · ④851传热学Ⅱ或852工程热力学   0817 化学工程与技术 _ 01绿色化学与精细有机化工 _ 02工业催化与纳米科学 _ 03膜科学与化工分离技术 _ 04材料化学理论与应用 _ 05先进材料合成及催化应用 25 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③302数学二 ④814物理化学Ⅲ或820有机化学I或878化工原理   0830 环境科学与工程 _ 01环境规划与污染防治 _ 02污染控制化学 _ 03环境分析与监测 _ 04环境规划与管理 _ 05水污染控制工程 _ 06大气污染控制工程 28 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③302数学二 ④856环境影响评价或857微生物基础I或858环境工程学 1、只有05方向招日语考生； 2、01-04方向，选856； 3、05方向选857； 4、06方向选858。 085206 动力工程（专业学位） _01可再生能源利用与先进环境能源技术 _02能源动力系统优化及工程应用 _03制冷低温系统及其节能环保技术 _04动力机械及车辆动力系统节能、净化与控制 32 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④851传热学Ⅱ或852工程热力学   085229 环境工程（专业学位） _01水污染控制工程 _02大气污染控制工程 _03环境规划与管理 33 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④856环境影响评价或857微生物基础I或858环境工程学 1、01方向选857； 2、02方向选858； 3、03方向选856。 006 应用数理学院 98     0701 数学 _ 01基础数学 _ 02应用数学 _ 03运筹学与控制论 _ 04科学计算 35 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③663数学分析 ④865高等代数   0714 统计学 _ 01非参数统计与数据分析 _ 02应用统计 _ 03生物统计 _ 04金融工程与应用概率 _ 05经济统计 14 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③663 数学分析 ④865 高等代数   0702 物理学 _ 01理论物理 _ 02凝聚态物理 _ 03光学 25 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③662普通物理I ④861量子力学或863光学 1、01方向选861； 2、02方向选861或863； 3、03方向选863。 0803 光学工程 _ 01脉冲激光技术与应用 _ 02信息光学与应用 _ 03微纳光学 _ 04光电传感与检测技术 7 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④828激光原理   0252 应用统计（专业学位） _01生物医学统计 _02精算统计 _03数量金融 _04质量管理统计 17 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③303数学三 ④432统计学   007 计算机学院 151     0812 计算机科学与技术 _ 01 计算机系统结构 _ 02 计算机软件与理论 _ 03计算机应用技术 _ 04 信息安全 68 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④895 计算机学科专业基础   085211 计算机技术（专业学位） _ 01计算机网络技术 _ 02计算机软件技术 _ 03计算机应用技术 _ 04信息安全技术 83 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④896数据结构   009材料科学与工程学院 140     0805 材料科学与工程 _ 01生态环境材料与资源循环技术 _ 02稀土、难熔金属等功能材料 _ 03高性能结构材料技术 _ 04先进材料加工技术 _ 05光电信息与高效能源材料 80 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③302数学二 ④875材料科学基础   085204 材料工程（专业学位） _ 01生态环境材料与资源循环技术 _ 02稀土、难熔金属等功能材料 _ 03高性能结构材料技术 _ 04先进材料加工技术 _ 05光电信息与高效能源材料 60 ①101思想政治理论 ②204英语二或203日语 ③302数学二 ④875材料科学基础   011 经济与管理学院 182     1201 管理科学与工程 _ 01技术与项目管理 _ 02战略管理与社会网络 _ 03信息管理与信息系统 _ 04城市管理 _ 05运作管理与质量管理 _ 06金融工程 25 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③303数学三 ④801管理学或804经济学原理或805数据库技术与应用   0202 应用经济学 _01金融学 _02国际贸易学 _03产业经济学 _04区域经济学 _05数量经济学 _06统计学 _07劳动经济学 25 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③303数学三 ④804经济学原理   1202 工商管理 _ 01会计学 _ 02企业管理 _ 03旅游管理 _ 04技术经济及管理 13 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③303数学三 ④801管理学或804经济学原理   1251 工商管理硕士（专业学位） _ 00不区分研究方向 99 ①199管理类联考综合能力 ②204英语二   1252 公共管理硕士（专业学位） _ 00不区分研究方向 20 ①199管理类联考综合能力 ②204英语二   012 建筑与城市规划学院 60     0833 城乡规划学 _ 01城乡规划理论与方法 _ 02居住区规划与设计 _ 03城市设计与景观规划 _ 04历史城市与街区保护规划 _ 05城市防灾减灾规划 15 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③633城市规划原理 ④503城市规划与设计 接收建筑学、城市规划学(含园林景观)专业的考生报考。 0851 建筑学（专业学位） _01都市建筑设计及理论 _02历史建筑的保护与更新 _03建筑与城市绿色环境技术 _04城市设计方法及理论 40 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③355建筑学基础 ④504建筑快速设计 接收建筑学、城市规划学专业的考生报考。 085237 工业设计工程（专业学位） _ 00不区分研究方向 5 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③337工业设计基础 ④502产品设计 接收工业设计、产品设计、艺术设计专业等相关专业考生报考。

085229 环境工程（专业学位） _01水污染控制工程 _02大气污染控制工程 _03环境规划与管理 33 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④856环境影响评价或857微生物基础I或858环境工程学 1、01方向选857； 2、02方向选858； 3、03方向选856。 006 应用数理学院 98     0701 数学 _ 01基础数学 _ 02应用数学 _ 03运筹学与控制论 _ 04科学计算 35 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③663数学分析 ④865高等代数   0714 统计学 _ 01非参数统计与数据分析 _ 02应用统计 _ 03生物统计 _ 04金融工程与应用概率 _ 05经济统计 14 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③663 数学分析 ④865 高等代数   0702 物理学 _ 01理论物理 _ 02凝聚态物理 _ 03光学 25 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③662普通物理I ④861量子力学或863光学 1、01方向选861； 2、02方向选861或863； 3、03方向选863。 0803 光学工程 _ 01脉冲激光技术与应用 _ 02信息光学与应用 _ 03微纳光学 _ 04光电传感与检测技术 7 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④828激光原理   0252 应用统计（专业学位） _01生物医学统计 _02精算统计 _03数量金融 _04质量管理统计 17 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③303数学三 ④432统计学   007 计算机学院 151     0812 计算机科学与技术 _ 01 计算机系统结构 _ 02 计算机软件与理论 _ 03计算机应用技术 _ 04 信息安全 68 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④895 计算机学科专业基础   085211 计算机技术（专业学位） _ 01计算机网络技术 _ 02计算机软件技术 _ 03计算机应用技术 _ 04信息安全技术 83 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④896数据结构   009材料科学与工程学院 140     0805 材料科学与工程 _ 01生态环境材料与资源循环技术 _ 02稀土、难熔金属等功能材料 _ 03高性能结构材料技术 _ 04先进材料加工技术 _ 05光电信息与高效能源材料 80 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③302数学二 ④875材料科学基础   085204 材料工程（专业学位） _ 01生态环境材料与资源循环技术 _ 02稀土、难熔金属等功能材料 _ 03高性能结构材料技术 _ 04先进材料加工技术 _ 05光电信息与高效能源材料 60 ①101思想政治理论 ②204英语二或203日语 ③302数学二 ④875材料科学基础   011 经济与管理学院 182     1201 管理科学与工程 _ 01技术与项目管理 _ 02战略管理与社会网络 _ 03信息管理与信息系统 _ 04城市管理 _ 05运作管理与质量管理 _ 06金融工程 25 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③303数学三 ④801管理学或804经济学原理或805数据库技术与应用   0202 应用经济学 _01金融学 _02国际贸易学 _03产业经济学 _04区域经济学 _05数量经济学 _06统计学 _07劳动经济学 25 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③303数学三 ④804经济学原理   1202 工商管理 _ 01会计学 _ 02企业管理 _ 03旅游管理 _ 04技术经济及管理 13 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③303数学三 ④801管理学或804经济学原理   1251 工商管理硕士（专业学位） _ 00不区分研究方向 99 ①199管理类联考综合能力 ②204英语二   1252 公共管理硕士（专业学位） _ 00不区分研究方向 20 ①199管理类联考综合能力 ②204英语二   012 建筑与城市规划学院 60     0833 城乡规划学 _ 01城乡规划理论与方法 _ 02居住区规划与设计 _ 03城市设计与景观规划 _ 04历史城市与街区保护规划 _ 05城市防灾减灾规划 15 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③633城市规划原理 ④503城市规划与设计 接收建筑学、城市规划学(含园林景观)专业的考生报考。 0851 建筑学（专业学位） _01都市建筑设计及理论 _02历史建筑的保护与更新 _03建筑与城市绿色环境技术 _04城市设计方法及理论 40 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③355建筑学基础 ④504建筑快速设计 接收建筑学、城市规划学专业的考生报考。 085237 工业设计工程（专业学位） _ 00不区分研究方向 5 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③337工业设计基础 ④502产品设计 接收工业设计、产品设计、艺术设计专业等相关专业考生报考。 036 学院 10     010108 科学技术哲学 _ 01科学技术与社会研究 _ 02工程伦理学 _ 03生态哲学与可持续发展问题研究 5 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③620科学技术史 ④825哲学   0305 理论 _ 01基本原理 _ 02中国化研究 _ 03思想政治教育 5 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③651基本原理 ④883思想政治教育基本原理   035 艺术设计学院 22     1305 设计学 _ 01 产品设计 _ 02 环境设计 _ 03 服装与服饰设计 _ 04 工艺美术 _ 05 数字媒体艺术 _ 06 视觉传达设计 7 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③622设计史论 ④505快题设计 505考试为6小时。 1351 艺术（专业学位） _ 01 产品设计 _ 02 环境设计 _ 03 服装与服饰设计 _ 04 工艺美术 _ 05 数字媒体艺术 _ 06 视觉传达设计 _ 07 动画 _ 08 绘画 _ 09 雕塑 8 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③622设计史论 或 619美术史论 ④505快题设计 或 506专业创作 1、01-04方向选622和505。 2、05-09方向选619和506。 3、506和505考试时间为6小时。 085237 工业设计工程 _01 工业设计 _02 设计管理 _03 交互设计 7 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③337工业设计基础 ④502产品设计 报考02设计管理的考生须有两年以上工作经验，专业不限。 039 城市交通学院 87     0823 交通运输工程 _ 01交通规划理论与方法 _ 02道路与交通工程设计方法 _ 03交通安全理论与技术 _ 04智能交通控制与信息处理 _ 05路基路面结构与材料 _ 06道路养护与运营管理 23 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④848道路工程 或 849交通工程或832交通信息与控制 1、01-04方向选849或832； 2、05-06方向选848。 085222 交通运输工程（专业学位） _01交通规划技术 _02交通管理与工程设计 _03交通信息与控制技术 _04道路设施设计与施工技术 _05道路养护与管理 23 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④848道路工程或849交通工程或832交通信息与控制 1、01-03方向选849或832； 2、04-05方向选848。 0812 计算机科学与技术 _ 01智能交通信息处理 _ 02虚拟现实与交通仿真 _ 03物联网信息感知与智能处理 _ 04智能人机交互与多媒体技术 _ 05交通大数据智能处理技术 21 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④895 计算机学科专业基础   085211 计算机技术（专业学位） _ 01智能交通信息处理 _ 02虚拟现实与交通仿真 _ 03物联网信息感知与智能处理 _ 04智能人机交互与多媒体技术 _ 05交通大数据智能处理技术 5 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④896数据结构   0811 控制科学与工程 _ 01智能交通系统控制 _ 02自主车辆与车路协同 _ 03交通图像与视频信号处理与分析 _ 04交通信息智能化处理 8 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④821自动控制原理   085210 控制工程（专业学位） _ 01智能交通系统管理与控制技术 _ 02智能车辆与车路协同控制技术 _ 03交通信息处理方法与应用 _ 04交通图像与视频信号处理技术 7 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④821自动控制原理