量子力学概念总结范文

导语：如何才能写好一篇量子力学概念总结，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：量子力学；教学改革；物理思想

作者简介：王永强（1980-），男，山西河曲人，郑州轻工业学院技术物理系，讲师。（河南?郑州?450002）

基金项目：本文系郑州轻工业学院第九批教学改革项目“《量子力学》课程体系与教学内容的综合改革和实践”资助的研究成果。

中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）20-0070-02

“量子力学”是20世纪物理学对科学研究和人类文明进步的两大标志性贡献之一，已经成为物理学专业及部分工科专业最重要的基础课程之一，是学习“固体物理”、“材料科学”、“材料物理与化学”和“激光原理”等课程的重要基础。通过这门课程的学习，学生能熟练掌握量子力学的基本概念和基本理论，具备利用量子力学理论分析问题和解决问题的能力。同时，这门课程对培养学生的探索精神和创新意识及科学素养亦具有十分重要的意义。然而，“量子力学”本身是一门非常抽象的课程，众多学生谈“量子”色变，教学效果可想而知。如何激发学生学习本课程的热情，充分调动学生的积极性和主动性，提高量子力学的教学水平和教学质量，已经成为摆在教师面前的重要课题。近年来，笔者在借鉴前人经验的基础上，结合郑州轻工业学院（以下简称“我校”）教学实际，在“量子力学”的教学内容和教学方法方面做了一些有益的改革尝试，取得了较好的效果。

一、“量子力学”教学内容的改革

量子力学理论与学生长期以来接触到的经典物理体系相去甚远，尤其是处理问题的思路和手段与经典物理截然不同，但它们之间又不无关联，许多量子力学中的基本概念和基本理论是类比经典物理中的相关内容得出的。因此，在“量子力学”教学中，一方面需要学生摒弃在经典物理学习中形成的固有观念和认识，另一方面在学习某些基本概念和基本理论时又要求学生建立起与经典物理之间的联系以形成较为直观的物理图像，这种思维上的冲突导致学生在学习这门课程时困惑不堪。此外，这门课程理论性较强，众多学生陷于烦琐的数学推导之中，导致学习兴趣缺失。针对以上教学中发现的问题，笔者对“量子力学”课程的教学内容作了一些有益的调整。

1.理清脉络，强化知识背景

从经典物理所面临的困难出发，到半经典半量子理论的形成，最终到量子理论的建立，对量子力学的发展脉络进行细致的、实事求是的分析，特别是对量子理论早期的概念发展有一个准确清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已经证明为正确并得到公认的，还存在哪些不完善的地方。这样一方面可使学生对量子力学中基本概念和基本理论的形成和建立的科学历史背景有一深刻了解，有助于学生理清经典物理与量子理论之间的界限和区别，加深他们对这些基本概念和基本理论的理解；另一方面，可使学生对蕴藏在这一历程中的智慧火花和科学思维方法有一全面的了解，有助于培养学生的创新意识及科学素养。比如：对于玻尔理论，由于对量子化假设很难用已经成形的经典理论来解释，学生往往会觉得不可思议，难以理解。为此，在讲解这部分内容时，很有必要介绍一下玻尔理论产生的历史背景，告诉学生在玻尔的量子化假设之前就已经出现了普朗克的量子论和爱因斯坦的光量子概念，且大量关于原子光谱的实验数据也已经被掌握，之前卢瑟福提出的简单行星模型却与经典物理理论及实验事实存在严重背离。为了解决这些问题，玻尔理论才应运而生。在用量子力学求解氢原子定态波函数时，还可以通过定态波函数的概率分布图，向学生介绍所谓的玻尔轨道并不是真实存在的，只是电子出现几率比较大的区域。通过这样讲述，学生可以清晰地体会到玻尔理论的承上启下的作用，而又不至于将其与量子力学中的概念混为一谈。

2.重在物理思想，压缩数学推导

在物理学研究中，数学只是用来表述物理思想并在此基础上进行逻辑演算的工具，教师不能将深刻的物理思想淹没在复杂的数学形式之中。因此，在教学过程中，教师要着重于加强基本概念和基本理论的讲授，把握这些概念和理论中所蕴含的物理实质。对一些涉及繁难数学推导的内容，在教学中刻意忽略具体数学推导过程，着重于使学生掌握其中的思想方法。例如：在一维线性谐振子问题的教学中，对于数学方面的问题，只要求学生能正确写出薛定谔方程、记住其结论即可，重点放在该类问题所蕴含的物理意义及对现成结论的应用上。这样，学生就不会感到枯燥无味，而能始终保持较高的学习热情。

二、教学方法改革

传统的“填鸭式”教学法把课堂变成了教师的“一言堂”，使得学生在教学活动中始终处于被动接受地位，极大地压制了学生学习的主观能动性，十分不利于知识的获取以及对学生创新能力及科学思维的培养。而且，“量子力学”这门课程本身实验基础薄弱、理论性较强，物理图像不够直观，一味采取灌输式教学，学生势必感到枯燥，甚至厌烦。长期以往，学习积极性必然受挫，学习效果自然大打折扣。为了提高学生学习兴趣，激发其学习的积极性，培养其科学探索精神及创新能力，笔者在教学方法上进行了一些有益的探索。

1.发挥学生主体作用

除却必要的教学内容讲解外，每节课都留出一定的师生互动时间。教师通过创设问题情景，引导学生进行研究讨论，或者针对已讲授内容，使学生对已学内容进行复习、总结、辨析，以加深理解；或者针对未讲授内容，激发学生学习新知识的兴趣（比如，在讲授完一维无限深方势阱和一维线性谐振子这两个典型的束缚态问题后就可引导学生思考“非束缚态下微观粒子又将表现出什么样的行为”），[1]这样学生就会积极地预习下节内容；或者选择一些有代表性的习题，让学生提出不同的解决办法，培养学生的创新能力。对于在课堂上不能解决的问题，积极鼓励学生利用图书馆及网络资源等寻求解决，培养学生的科学探索精神。此外，还可使学生自由组合，挑选他们感兴趣的与课程有关的题目进行讨论、调研并完成小组论文，这一方面激发学生的自主学习积极性，另一方面使其接受初步的科研训练，一举两得。

2.注重构建物理图像

在实际教学中着重注意物理图像的构建，使学生对一些难以理解的概念和理论形成较为直观的印象，从而形成深刻的记忆和理解。例如：借助电子束衍射实验，通过三个不同的实验过程（强电子束、弱电子束及弱电子束长时间曝光），即可为实物粒子的波粒二象性构建出一幅清晰的物理图像；借助电子束衍射实验图像，再以光波类比电子波，即可凝练出波函数的统计解释；[2]借助电子双缝衍射实验图像，可使学生更易接受和理解态叠加原理；借助解析几何中的坐标系，可很好地为学生建立起表象的物理图像。尽管这其中光波和电子波、坐标系和表象这些概念之间有本质上的区别，但借助这些学生已经熟知和深刻理解的概念，可使学生非常容易地接受和理解量子力学中难以言明的概念和理论，同时，也可使学生掌握这种物理图像的构建能力，对培养学生的创新思维具有非常积极地作用。

三、教学手段和考核方式改革

1.课程教学采用多种先进的教学方式

如安排小组讨论课，对难于理解的概念和规律进行讨论。先是各小组内讨论，再是小组间辩论，最后老师对各小组讨论和辩论的观点进行评述和指正。例如，在讲到微观粒子的波函数时，有的学生认为是全部粒子组成波函数，有的学生认为是经典物理学的波。这些问题的讨论激发了学生的求知欲望，从而进一步激发了学生对一些不易理解的概念和量子原理进行深入理解，直至最后充分理解这些内容。另外课程作业布置小论文，邀请国内外专家开展系列量子力学讲座等都是不错的方式。

2.坚持研究型教学方式[3]

把课程教学和科研相结合，在教学过程中针对教学内容，吸取科研中的研究成果，通过结合最新的科研动态，向学生讲授在相关领域的应用以培养学生学习兴趣。在量子力学诞生后，作为现代物理学的两大支柱之一的现代物理学的每一个分支及相关的边缘学科都离不开量子力学这个基础，量子理论与其他学科的交叉越来越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚态物理到中子星、黑洞各个层次的研究以量子力学为基础；量子力学在通信和纳米技术中的应用；量子理论在生物学中的应用；量子力学与正在研究的量子计算机的关系等，在教学中适当地穿插这些知识，扩大学生的知识面，消除学生对量子力学的片面认识，提高学生学习兴趣和主动性。

3.利用量子力学课程将人文教育与专业教学相结合

量子力学从诞生到发展的物理学史所包含的创新思维是迄今为止哪一门学科都难以比拟的。在19世纪末至20世纪初，经典物理学晴空万里，然而黑体辐射、光电效应、原子光谱等物理现象的实验结果严重冲击经典物理学理论，让经典物理学陷入危机四伏的境地。1900年，德国物理学家普朗克创造性地引入了能量子的概念，成功地解释了黑体辐射现象，量子概念诞生。1905年，爱因斯坦进一步完善了量子化观念，指出能量不仅在吸收和辐射时是不连续的（普朗克假设），而且在物质相互作用中也是不连续的。1913年，玻尔将量子化概念引入到原子中，成功解释了有近30年历史的巴尔末经验光谱公式。泡利突破玻尔半经典、半量子论的局限，给予了令玻尔理论不安的反常塞曼效应以合理解释。1924年，德布罗意突破普朗克能量子观念提出微观粒子具有波粒二象性，开始与经典理论分庭抗礼。[4]和学生一起重温量子力学史的发展之路，在教学过程中展现量子力学数学形式之美，使学生在科学海洋中得到美的享受，从精神上熏陶他们的创新精神。

4.考试方式改革

在本课程的教学中采用了教考分离，通过小考题的形式复习章节内容，根据学生的实际水平适当辅导答疑，注重学生对量子力学基础知识理解的考核。对于评价系统的建立，其中平时成绩（包括作业、讨论、综合表现等）占30％，期末考试占70％。从实施的效果来看，督促了学生的学习，收到了较好的效果，受到学生的欢迎。

四、结论

通过近年来的改革尝试，我校的“量子力学”教学水平稳步提高，加速了专业建设。2009年，我校“量子力学”被评为校级精品课程，教学改革成果初现。然而，关于这门课程的教学仍存在不少问题，如教学手段单一、与生产实践结合不够紧密等等，这些都需要教师在今后教学中进一步改进。

参考文献：

[1]周世勋.量子力学教程(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2009.

[2]吕增建.从量子力学的建立看类比思维的创新作用[J].力学与实践,

2009,(4).

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关键词：量子力学 教学改革 物理思想

“量子力学”作为学习“固体物理”、“材料科学”、“材料物理与化学”和“激光原理”等课程的重要基础，同时也是物理学专业及相关工科专业最核心的基础课程之一。20世纪，“量子学说”被作为物理科学研究和人类文明进步的标志性贡献，引起了广泛地重视。通过对量子学说的学习，能够使学生充分利用到所学的理论知识，对问题进行分析和寻求解决方法，提高学生的科学素质和培养其创新能力。尽管如此，但该门课程所涉及的内容较为空洞、抽象，对学生学习造成阻碍，使学生丧失了学习的兴趣，学生也很难熟练掌握量子学说课程的要点。因此，培养学生的学习兴趣是提高教学质量和教学水平的关键，但是如何调动学生课堂学习的积极性，成为了广大教师很棘手的问题。笔者根据近几年的教学模式，综合长江大学（以下简称“我校”）的教学现状，在“量子学说”教学方面，整理出一套符合我校教学实际的改革和尝试，并取得了较好的效果。

1.“量子力学’’教学内容的改进。量子学说的理论与以往所学的传统物理体系大有不同，重点表现在处理问题的方式上，但是却又与传统物理有着不可分割的关系，可以说，量子学说中很多的概念和理论都来源于传统的物理学说。这就要求在学习量子学说的同时，既要摒弃以往学习物理形成的固有思考方式，又要遵循某些与传统物理中相通之处的原理和学习法则。然而，这种思维上的反差必然导致学生在学习时的困惑，除此之外，量子学说较强的理论性也误导学生陷于数学公式推导的烦恼中，从而使学生丧失了学习兴趣。根据这些教学中存在的问题，笔者提出了以下相应的有益改进。

（1）知识条理化，强化知识背景，增强趣味性。量子学说从诞生到最终建立，每一步的发展都经过了缜密、细致、实事求是的分析，并不断地完善和改进。通过介绍量子学说的发展背景，引起学生的学习兴趣，并有利于学生明确量子学说与传统物理之间的区别，同时让学生在发展历程中寻找合适的学习方法，有利于培养学生的科学思维能力。在解释某些理论和原理时，可以穿插讲述其历史背景，方便学生理解。通过这种方式，既能让学生掌握理论知识，又有利于学生区分量子学说与传统物理的区别[1]。

（2）重在物理思想，压缩数学推导。数学在其相关学科的运用，所起到的作用只是一种辅助工具。在物理研究中也不例外，如果过分强调数学的地位和作用，只会本末倒置。因此，在教学过程中，教师应着重加强基本概念和蕴含的区里实质，而不能将物理思想埋没在数学公式之中，应把重点放在物理意义和实际运用上，只有这样，学生才能保持较好的学习热情。

2.教学方法改革。传统的教学模式使学生一直处于被动接受知识的状态下，抑制了学生自主学习的主动性，不仅不利于学生对知识的获取，更阻碍了其创新思维的培养，而且量子学说的理论抽象，很难被学生理解，传统的教学方法，无法被学生接受，并会引起学生的反感，甚至厌学。如此一来，必然打击学生学习的主动性，更降低了学习效率。为了促进学习效率，提高学生学习兴趣，培养其科学素养，笔者在教学模式上，探索出一些有效的措施。

（1）发挥学生主体作用。教师在课堂学习中有着举足轻重的作用，除了传授学生知识以外，还有着更重要的引导作用。在讲解完规定的教学任务之外，还应设定教师与学生的互动环节，通过创设问题情景，引导学生进行思考和分析，使学生对所学的知识进行归纳总结。另外，还可以通过以问题的形式结束未讲授的内容，引起学生的兴趣，并鼓励学生课下利用课外资源寻求答案；还可以以小组的形式，让学生团结合作，对感兴趣的物理理论进行探讨分析，并完成相关的小组论文。

（2）注重构建物理图像。由于物理理论都比较抽象，不利于理解，所以构建图像很重要，它不仅能够完整地表达所要传达的信息，而且能够方便学生理解和记忆。图像简洁、清新的特点，使学生更熟练地掌握物理图像的构建能力，对培养学生的创新思维也有促进作用。

3.教学手段和考核方式改革。（1）用多种先进的教学模式。采用小组讨论课，可安排小组内讨论，然后是小组之间进行辩论，最后由教师对辩论进行点评和更正。例如，在讲到微观粒子的波函数时，有的学生认为是全部粒子组成波函数，有的学生认为是经典物理学的波。这些问题的讨论激发了学生的求知欲望，从而进一步激发了学生对一些不易理解的概念和量子原理进行深入理解，直至最后充分理解这些内容。另外布置课外论文和邀请知名专家进行讲座都是不错的方式。

（2）坚持研究型教学方式。教学中不再单一地只讲授课堂知识，而是把科研融入到课堂学习之中，结合最新的科研动态，向学生介绍所学的原理在其相关领域中的运用，以引起学生的兴趣。

（3）将人文教育与专业教学相结合。量子概念诞生于1900年，它首次由德国物理学家普朗克引入；1905年，爱因斯坦进一步完善了量子的概念；1913年，玻尔将量子化概念引入到原子中；1924年，德布罗意通过量子的概念提出微观粒子具有波粒二象性；由此可见，物理学史上，力学从诞生到发展所蕴含的创新思维是迄今为止任何一门学科都难以比拟的，教师和学生一起回顾量子力学的发展之路，让学生了解到量子力学的魅力所在，启发学生的创新思维。

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2000多年前的物理学，中国、古希腊都有研究，但是真正意义上的精确科学，也就是说用数学、微积分这样的精确科学，实际上是在中世纪即在15世纪16世纪的时候，也就是牛顿、伽利略的时代，开创了物理学精确科学的先河，此后物理学得到了很大发展，后来的热学、电磁学、声学、连续介质动力学等问题也在十七、十八、十九三个世纪取得了很大发展。现在就从牛顿、伽利略时代起谈谈物理学的发展与人类的文明进步的关系。

一、工业革命前的人类文明

工业革命前的物理学虽然在漫长的历史进程中不断发展，但是并没有给人类带来生产力上的巨大改变，人类还处于刀耕火种的农业时代，那是的生产力很低下，人们的生活水平上千年来没有真正的突破。

二、人类的机械化时代

牛顿力学的建立和热力学的发展导致了第一次工业革命

1665年夏，年仅23的牛顿因英国爆发瘟疫而避居乡下，他一生最重要的成果，几乎所有的重要数学物理思想多诞生与不这个时期。在他45岁时，划时代的伟大巨著《自然哲学之数学原理》出版，奠定了整个经典物理学的基础，并对其他自然科学的发展产生了不可磨灭的推动和影响。

三、人类的电气化时代

经典电磁学是研究宏观电磁现象和客观物体的电磁性质。人们很早就接触到电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。在18世纪，发现电荷有两种：正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。在这两点上和万有引力很相似。18世纪末发现电荷能够流动，这就是电流。但长期没有发现电和磁之间的联系。

19世纪前期，奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后安培发现作用力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。不久之后，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就产生电流。这些实验表明，在电和磁之间存在着密切的联系。法拉第用过的线圈

电和磁之间的联系被发现后，人们认识到电磁力的性质在一些方面同万有引力相似。为此法拉第引进了力线的概念，认为电流产生围绕着导线的磁力线，电荷向各个方向产生电力线，并在此基础上产生了电磁场的概念。

19世纪下半叶，麦克斯韦总结宏观电磁现象的规律，并引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生磁场；变化着的磁场也能产生电场。在此基础上他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为麦克斯韦方程组，磁学的基本方程。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在，其传播速度等于光速。于是人们认识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律，肯定了光也是一种电磁波。该理论实现了物理学的第三次综合，即电、磁、光的综合。

四、人类的高科技时代

人类社会发展到今天，已进入信息时代、核能时代、新材料时代和太空时代，也就是说进入了高科技时代。而这一切的基础是20世纪物理学革命的产物――相对论和量子力学。

19世纪，经典物理学的成就到达了顶峰。可是，世纪末的迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射实验形成了物理学万里晴空中的“两朵乌云”；而电子、X射线和放射性等新发现，使经典物理学遇到了极大的困难。有的物理学家呼唤：“我们仍然在期待着第二个牛顿。”需要巨人的时代造就了巨人。这第二个牛顿便是爱因斯坦。

1905年，爱因斯坦以“同时”的相对性为突破口，提出了“光速不变原理”和物理规律在惯性系中不变的“相对性原理”，导出了洛仑兹变换，从而驱散了第一朵“乌云”。这就是狭义相对论。在此基础上，他又得到的质能相当的推论E=mc2，预示了原子能利用的可能。

1913～1916年，爱因斯坦从引力场中一切物体具有相同的加速度得到启发，提出了“加速参照系与引力场等效”和物理规律在非惯性系中不变的“相对性原理”，从而得到了引力场方程。这就是广义相对论。他预言，光线从太阳旁边通边时会发生弯曲。1919年，英国天文学家爱丁顿以全日蚀观测证实了这一预言，从而开创了现代天文学的新纪元。爱因斯坦也因此名噪全球。

1900年，普朗克为驱散第二朵“乌云”，提出了“能量子”假设，量子论诞生了。1905年，爱因斯坦在此基础上提出“光量子”假说，用光的波粒二象性成功地解释了“光电效变”。同年，他把量子概念用点阵振动来解释固体比热。1912年，爱因斯坦又由量子概念提出了光化学当量定律。1916年，他由玻尔的原子理论提出了自发发射和受激发射的概念，孕育了激光技术。此后，对量子力学的建立作出重要贡献的著名物理学家还有：1923年提出实物粒子也具有波粒二象性的德布罗意，1925年建立量子力学的矩阵力学体系的玻恩和海森伯等，1926年建立量子力学的波动方程的薛定谔。同年，玻恩给出了波函数的统计诠释，海森伯提出反映微观世界特性的“不确定度关系”。量子力学揭示了微观世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学的发展奠定了理论基础。它是20世纪物理学革命的。

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传统的原子物理学教科书大多按照历史发展的时间顺序，即按照人类认识原子世界的具体过程，从“光谱”这一概念入手组织教学。这种教学的特点是以光谱实验事实为主线，以玻尔的旧量子论为重点，用半经典半量子论的方法讲授课程。但是对于这样的教学内容和教学安排，学生并不容易掌握，而且让学生花费大量的时间掌握这些不易理解最终又要被量子论修正的理论，看起来确实是没有必要的。因此传统的教学内容有些陈旧并且不易理解，也不能及时反映现代物理理论和科学技术发展的最新水平，因此必须用新观点和新思想重新组织教学内容，以全新的角度构建这门课程的知识体系。在材料物理专业学生原子物理学的教学中，可直接用量子力学的理论研究原子结构及其运动变化规律。原子中电子的运动都遵循着量子力学的理论，而传统教学中以学生不好理解的旧量子论为基础，再用量子力学修正的做法并不符合学生的认知规律。因此可以直接用量子力学的理论来研究原子结构及其规律[1]，而将旧量子论仅仅作为一种铺垫。实际教学中，可以先简明扼要地介绍旧量子论的核心内容，而不必过多讲授轨道的概念。可以删除椭圆轨道理论和碱金属原子的原子实极化和轨道贯穿等内容。这样就实现了原子物理学课程知识体系现代化的第一步，用最新的量子力学理论成果讲述原子中电子的行为。量子力学理论是从特有的波函数、哈密顿算符以及薛定谔方程等形式化的理论，以高度浓缩的数学形式借鉴了各学科的研究成果，从而形成了一套独特的理论体系。实际讲授中可以薛定谔方程为主线，由薛定谔方程引入微观粒子的波函数，建立二阶偏微分方程，从而定量描述微观粒子客体的运动规律。一方面，根据不同的势能表达，建立各种原子的薛定谔方程并求解，向学生阐述这些解的物理意义，并与实验事实相对照，从而加深学生对原子结构的认识，进而把握原子内部结构的变化规律。另一方面，要突出德布罗意物质波的统计解释。传统教学内容总是先从经典物理学的角度和观点看“粒子”和“波”这两个概念，指出二者之间的相互排斥性，然后再引出微观粒子的波粒二象性，并强调波粒二象性是微观粒子客体区别于宏观客体的一种属性。这种讲法常常会使学生产生困惑，觉得微观客体很不可思议，超过了他们的认知和理解范围。因此在讲授时可以直接给出对德布罗意波的正确解释，阐明微观粒子的波动性并非指粒子和波一样弥漫到整个空间，它本质上是粒子位置分布的一种概率波。为了更好实现教学内容的现代化，还应当在教学中穿插关于物理学前沿知识的专题，介绍近代物理学中和原子物理相关的最新发展和高新技术。在讲授某些概念和原理时，可适当介绍最新应用成果和科技前沿。例如在讲授原子的能级和激发时，可以详细介绍激光产生的原理、特性以及应用等；在讲到隧道效应时，可以介绍扫描隧道显微镜的原理及其发展；在讲授X射线的吸收和透射时，可以介绍在医学诊断和治疗中具有广泛应用的CT技术。增设这些前沿内容，一方面是为了加强理论知识与实际的联系，使内容变得生动，提高学生的学习兴趣，另一方面可以让学生体会到当今科学与技术、生活的高度融合，开扩他们的视野，激发他们的创新热情。原子物理学的发展伴随了20世纪物理学的发展，并且随着新的实验发现、新模型新理论的建立而不断深入[2]。从历史上看，原子物理学的每次重大突破，都经历着非常复杂曲折的过程，同时闪耀着物理学家创新精神的光芒。在课堂教学中，教师可以结合现代化的教学内容，抓住典型的历史案例进行教学，让学生了解到科学探究过程的艰辛，体会创新精神的可贵性，并学习科学家们为了探求客观世界真理不畏艰辛、执着追求的科学品质和创新精神。

二、实现教学方法的现代化，突出学生的主观能动性，培养学生的创新能力

教师教学的主要任务是传授知识同时引导学生入门，为了更好地突出学生的主观能动性和培养学生的创新能力，教师有必要改进原有的教学方法。除了教师讲授、学生听讲的传统教学方式外，还必须引入更加现代化的教学方式进行有益的补充[3，4]。在原子物理学课程的教学中，近代物理实验应当占有举足轻重的地位，很多重要的理论和结论都是由实验直接引出的。因此要特别重视近代物理实验，课堂教学时可以结合近代物理实验，如夫兰克—赫兹实验、塞曼效应等。在实验演示中，可以增强学生对微观世界的认识，为他们提供更好的认识微观世界的途径。同时，在现有的实验条件允许时，可以让学生先动手做实验，然后针对实验结果进行分析，总结规律，从理论上给予解释，从而加深学生对书本知识的认识和理解。在此过程中，可以给学生创造机会重现当年物理学家们探究的过程，让学生能够亲身参与科学实验与探究的过程，从而培养学生的创新思维能力。另外可以指导学生撰写与课程相关的小论文，帮助培养学生的创新能力。学生撰写的小论文，作为平时成绩的一部分，计入学生的总评成绩。论文的题目可以围绕原子物理学的基本规律和应用，由学生自己选题、搜索资料并独立撰写。不仅可以激发学生的主观能动性，拓宽他们的知识面，还可以培养学生独立思考、勇于创新的品质。在这种教学过程中，可以充分体现教师引导、学生为主体的教学理念和方法，加强学生在专业课程学习中的主观能动性，同时有意识地培养他们的创新能力。

三、实现教学手段的现代化，为学生创新精神和能力的培养创造情境条件

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关键词：固体物理学 教学改革 教学实践

中图分类号：G462 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（b）-0143-02

固体物理学是研究固体的结构及其组成粒子之间相互作用与运动规律以及阐明其性能与用途的学科[1]。从学科结构和内容上看，该课程内容基于普通物理学、高等数学、线性代数、量子力学、热力学统计物理等课程，主要讲述晶体结构、晶体结合、晶格振动和能带理论等方面知识。它既是当今物理学领域中最重要的学科之一，也是许多新学科的基础。由该学科发展起来的基本概念、基本理论和实验技术，已向其他相邻学科领域渗透，并促进其他学科的发展[2]。如：金属物理、半导体物理、磁学、低温物理、电介质物理、表面物理、非晶态物理、材料科学等。几十年来，以固体物理的理论为基础，在半导体、磁学、激光、超导、纳米材料等现代技术研究方面取得了重要突破。随着科学技术的发展，固体物理课程的教学在新的历史条件下已面临前所未有的挑战，碰到了许多难以回避的新问题、新情况。传统的固体物理教学内容对固体物理前沿的新成果、新概念介绍得不够，且传统的教学方法单一，不利于学生解决问题的能力及创新能力的培养。为了适应精英教育、构建研究型大学人才培养的需要，固体物理学的教学改革十分必要。因此，笔者结合自己在学习和讲授固体物理学过程中的感想，针对教学目标、教学内容和教学方法等方面作出如下探索。

1 培养学生自主学习的能力

随着科学技术的迅速发展，学生既要学习原有的经典知识，又要接受更多的课程和社会信息，如何在有限的时间内实现这两者的有效结合，是当今各个阶段的教育都面临的一个重要问题。面对知识更新速度的加快，我们的教育目标也应该有所调整，即努力实现由“授之以鱼”向“授之以渔”的转变[3]。尤其是对于大学生，他们已经接受了十多年传统的学校教育，有了较多的知识积累，大学阶段的教育一方面是教给他们以知识，更重要的是培养他们自主学习的能力，使他们掌握研究性学习的方法，以便走向社会后具备自我学习、获取新知识和开展新工作的能力。明确了这样的培养目标之后，在教学过程中，就应该有针对性的创造各种条件，让学生自主参与到学习过程中来。例如，在讲授布洛赫波的时候，先向学生强调晶体中电子波函数是按晶格周期调幅的平面波，接着启发学生考虑自由电子波函数的形式（量子力学已经讲述过），经过引导，学生回想起自由电子的波函数是平面波的形式，之后再分析晶体中电子是受到晶格势场的周期性调制，所以需在平面波的波函数前面加上一个调幅因子，最终形成了布洛赫波函数。经过这样一个过程，学生可以自主的回顾以前所学的知识，并将其和新内容相联系，有助于新旧知识的融合和贯通。与此同时，也可以激发学生学习的积极性，培养他们学习和运用知识的能力。

2 教学内容的精选

固体物理内容十分丰富，体系庞大，各部分有各自的特点。其中复杂抽象的概念体系、晶体结构的描述、严密的理论推导等要求任课教师具有较好的数学和物理学修养，要熟悉固体物理学发展历史和前沿研究的新动态、新概念，且能够对物理图像进行透彻的讲解；要求学生具有扎实的微积分、线性代数、群论等数学知识和量子力学、原子物理学、理论力学和统计物理学等物理知识。同时，固体物理学知识比较零散、概念多、模型多、原理和定律多，这对教师和学生都是一种挑战。面对如此庞大的知识体系和丰富的内容，在讲授过程中如何组织授课思路和精选教学内容，是教师要解决的一个问题。首先，理清固体物理的主线是非常重要的，即明确固体物理是研究固体的结构及其组成粒子之间相互作用与运动规律及阐明其性能与用途的学科，是从微观的角度来揭示固体的宏观物理现象.在此基础上，认真分析教材，同时参考其他经典教材，精选教学内容，重在物理概念和模型，至于公式的推导和方程的求解等环节可适当简化，留给学生课后自行解决。按照这样的思路进行下来，即使在有限的课时内，学生对物理概念、物理图像的认识也会比较清晰，有利于对基础知识的掌握.

3 重视章节之间的内在联系

固体物理学虽然涉及内容较多，但是认真分析后，不难发现各章节之间衔接紧密。以胡安的《固体物理学》为例，本科阶段的教学内容主要是前四章：第一章主要讲晶体的周期性结构，那么这些结构形成的内在机理是什么，就要考虑粒子间的相互作用，这样就引出了第二章关于晶体结合的问题；同时，由晶体的结合类型和结合能，表明在不同的条件下，原子间会出现某种形式的引力和电子云的斥力，这些相反的作用力决定着平衡时原子间距，再考虑到绝热近似，实际晶格则在平衡位置附近振动，由此可引出第三章关于晶格动力学和晶体热学性质的内容；晶格动力学主要是针对原子的水平上的内容，而晶体中还包括电子，那么电子的状态是怎样的呢？这就引出了第四章能带论.由此可见，在教学中，抓住知识体系的主线，突出概念和模型，便于学生识记、理解、掌握知识体系。

4 注入学科前沿知识

固体物理学是一门发展十分迅速的基础科学，与当今最活跃的凝聚态物理和新材料科学紧密相连，也在其他多个学科领域得以应用，因此面对不断涌现的新的现象和新的科研成果，固体物理学的前沿动态在教学中应该有所反映[4]，这将有助于提高学生对该课程学习的积极性和明确努力方向，同时也使课堂教学增添活力.例如，在讲授晶体的共价键结合时，笔者就联系自己的科研实际，介绍了碳纳米管和石墨中碳原子的成键形式的差异，说明了二者在物理性质上的区别和联系，以此为基础，进一步介绍了低维碳纳米材料近年来的研究进展。再如讲授能带理论的时候，笔者向学生介绍了石墨烯的能带特征，说明了在低能极限下，石墨烯呈现出线性的能量色散关系，使得传导电子可以看作是无质量的Dirac费米子，这种类似于光子的特性，使其可用于相对论量子力学的研究，同时表明其独特的载流子特性和优异的电学特性，这些都是近几年凝聚态物理的研究热点。所以，把科学前沿知识引入课堂，不仅可以让学生强烈地感受到科学发展的脉搏和动力，极大的拓展了学生的视野，还可以激发起学生运用基础学科理论实现科技创新的勇气和欲望。这与“着重于启迪学生思维，发展学生智能，开发学生的创造性，努力拓宽学生的知识面，为探索未知世界铺路架桥”的世界一流大学培养人才模式是相呼应的。

5 教学手段的优化组合

固体物理课程中包括大量的立体图像和复杂的空间结构，还涉及晶格振动的动态过程，对学生的空间想象能力要求较高。传统的“粉笔+黑板”的课堂教学手段就有一定的弊端， 因此可以将现代化的教学手段融入进来[5]。例如，使用多媒体课件演示晶体结构、倒格子、能带、晶格振动等模型，再结合自制教具，实现图片、动画和实体模型相结合，使学生建立形象的空间模型概念，更直观的理解教学内容。所以，多媒体教学技术以其趣味性、形象性，可以增强教学的感染力，为固体物理教学注入了新的活力，从根本上改变了固体物理传统的教与学的方式，有助于激发学生学习的兴趣，培养学生的思维能力和创造力。但是，多媒体课件不完全适合固体物理学教学，应根据具体内容和教学反馈进行取舍。例如，在讲授倒点阵、布洛赫定理、声子态密度等理论性较强的内容时，要配合节奏相对缓慢的板书，使学生理解知识要点，学会推理，从而有效的学习。

6 结语

上述教学改革方案是笔者在自己学习和讲授固体物理学的过程中总结出来的，可以概括为“抓主线，选内容，重前沿，讲方法”，目前在教学活动中也一直在实践，获得了较好的教学效果。但是，固体物理教学改革是一个庞大而又复杂的系统工程，课程改革的进行涉及到诸多方面，需要广大教育工作者不断研究和探索，进行多次“实践―反思―总结”，方可真正跟上当今科学技术日新月异发展的要求，培养出新世纪合格的高素质和创新型人才。

参考文献

[1] 胡安，章维益.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2] 梅显秀.固体物理教学改革的探索与实践[J].大学物理，2010（29）.

[3] 华中，宋春玲，刘研.固体物理教学改革的探索与实践[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2004（4）.

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【关键词】光存储电磁感生透明暗态极化声子绝热相干操控

一、全光型光纤通信技术的发展现状

二十一世纪是信息高度发展的世纪，信息技术已经逐渐渗透到人们日常生活中的各个方面，并发挥着不可替代的作用。随着人们对于信息技术的需求不断增加，信息传递技术的创新迫在眉睫，如何才能满足信息量日益增多的现状成为信息传递首要解决的难题。根据生产经验而言，激光是满足日益复杂信息传递的最佳工具，因此催生了全光通信技术的发展。

目前研究的重点就是利用何种技术结合先进的光学材料来实现对于光信号的随意控制。上世纪末美国率先解决了对于光脉冲群速度的随意控制难题，实现了对于光信息的人工控制，这意味着光存储已经实现。

二、电磁感生透明及原子介质中的光群速减慢

电磁感生透明也是由美国科学家提出的新概念，电磁感生透明是种量子干涉效效应，电磁感生透明的意思是指在光吸收的介质中，假设用两个具有轻微失谐的光脉冲共同作用于该介质，在共振的情况下，光吸收介质就变为了光透明介质。一旦出现电磁感生透明现象，光脉冲的群速度也会相应降低，而且降低的幅度也比较大，并且可以将光信息以原子态的形式储存。现阶段研究人员提出要想实现电磁感生透明现象，必须要满足两个基本条件，其一就是必须有两束光，而且相位和频率必须固定，一束光作为控制光线，一般情况下都是脉宽比较宽的脉冲，另外一束则为信号光束，其光束的强度比控制光束的强度要小很多。再者两束光线必须都能与三能级原子介质发生相互作用，还必须满足共振条件。上述两种条件都能满足的光束能够使原子处于暗态，进而提高光介质的透明率。换句话说调整光的强度就能够控制原子介质的投射率，也就是色散情况，进而实现对于光脉冲信号群速度的控制。

电磁感生透明现象的发现，最为重要的应用就是控制光脉冲的速度，在此之前已经能够将光脉冲的群速度降低，但是降低的幅度较小，还不能满足人们生活生产的需要，电磁感生透明技术能够有效降低光脉冲的群速度，并且通过进一步的研究发现，利用相干操控技术，光脉冲群速度与慢光之间还能进行相互转化。

光存储的暗态极化声子理论及原子介质中的光存储

随着电磁感生透明技术的发展，人们不仅要控制光脉冲群速度，而且要让其完全停下来。如果能够将光脉冲的群速度完全的停止下来，就能实现全光通信中的光储存。经过人们不懈努力，现在终于能够通过冷原子和热原子实现将光脉冲的群速度完全的控制下来，光储存技术的关键就是要创设合适的环境，也就是说在对光脉冲群速度的完全停止过程中，绝热地关掉，并打开控制光束，对于绝热开关的过程其实就是光储存的过程。

目前德国科学家又提出一个新的概念叫做暗态极化声子，该概念已经能够定量的计算出操控光脉冲群速度并且将信息储存的具体方式，主要方法就是将光脉冲函数与原子函数共同组成一个波函数，当进行光储存过程时，在两束光束处于暗态的前提下，光脉冲与原子脉冲组成的新粒子将会稳定的传递，这其中最为关键的就是光脉冲携带的信息和原子态可以通过光强的改变而被人工控制，随着暗态极化声子技术的出现，大大缩短了人们研究光储存的时间，很快就有研究人员表示能够实现光脉冲的储存和自由释放，时间长达一毫秒甚至是两百微秒，并且随着研究的不断深入，光储存的时间还会更长。现阶段人们不单单是研究其他介质的光储存，而且将研究对象转向了固体介质中的光储存，并且已经在常温晶体中取得了较为明显的成就。

我国在光储存及光脉冲群速度的控制研究中，一直处于世界前列。对于电磁感生透明技术为代表的量子干涉技术的研究也一直在不断的深入中。我国率先提出了将电磁感生透明技术以量子形式储存应用在全光通信中这一概念。并且已经开始致力与研究多能级构型的原子介质中不同光束的相干控制及稀有气体原子的电磁感生透明现象，而且已经实现了长达二十五微秒的光储存。随着量子技术的发展，人们的研究范围也将突破现有的光脉冲储存，进一步扩大到远距离量子通信技术的研究。

三、总结语

现阶段人类在量子光学研究尤其是量子干涉中已经取得了巨大的成就，为全光通信的实现提供了技术可能，但是还有很长的研究之路要走，我们要在现有的基础上，继续深入研究量子干涉技术，争取早日实现全光通信。

参考文献

[1]罗有华.冷原子在静电势阱中的量子力学效应[J].物理学报. 2002

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关键词：智能信息处理技术；量子计算智能导论；教学实践

人类正被数据淹没，却饥渴于知识。面临浩瀚无际而被污染的数据，人们呼唤从数据中来一个去粗取精、去伪存真的技术。而数据挖掘就是从大量数据中识别出有效的、新颖的、潜在有用的，以及最终可理解的知识和模式的高级操作过程，所以数据挖掘也可以说是一个模式识别的过程，因此模式识别领域的许多技术经过一定的改进便可以在数据挖掘中起重要的作用。计算智能(Computational Intelligence-CI)方法是传统人工智能(Artificial Intelligence，AI)的扩展，它是模式识别技术发展的新阶段[1]。

科学家预言：“21世纪，人类将从经典信息时代跨越到量子信息时代”。创立了一个世纪的量子力学随着20世纪90年代与信息科学交叉融合诞生的量子信息学，已成为量子信息时代来临的重要标志[2]。量子计算智能导论作为信息科学、计算机科学、智能信息处理、人工智能等相关专业的研究生专业课程，已经在越来越多的高等学校开设。

由于量子计算智能是一门跨越包括物理学、数学、计算机科学、电子机械、通讯、生理学、进化理论和心理学等学科在内的深奥科学，因此量子计算智能导论的教学内容和侧重点的安排目前仍处在探索阶段，尤其作为研究生课程如何使得学生在掌握深奥理论的基础上结合实际应用，将理论转化为技术与工具，从而提高动手能力，这是每个研究生专业课任课老师的核心探索所在，因此就要求老师在授业解惑的同时关注前沿，以该学科的前沿领域为教学指引，进而更好的培养研究生主动探索知识的能力。

1教材选择

一本好的教材为教学起到了画龙点睛的作用，因此教材的选择即是老师对教学内容，教学目标和教学方法的选择。我们选择教材，期望该教材由浅入深、深入浅出、可读性好，具有系统性、交叉性、前沿性等特点。由于量子计算智能导论为全校研究生的专业课程，而量子计算智能是一门多学科交叉的综合型学科，因此我们要考虑到来自学校不同专业背景，以及在物理，数学，工程优化和进化理论基础有限的两难困境，所以首先选择了一本关于量子计算的英文原版书作为教材之一，Michael Nielsen等人所著的《Quantum Computation and Quantum Information》[3]，2003年高等教育出版社出版，该书全面介绍了量子计算与量子信息学领域的主要思想与技术。到目前为止，该领域的高速进展与学科交叉的特性使得初学者感到困惑而不易对其主要技术与结论有综合性的认识，而该书特色在于对量子机制和计算机科学给予了指导性介绍，使得那些没有物理学或计算机科学背景的学生对此也易于接受，为学生提供了详实的关于量子计算的物理原理和基本概念；另外考虑到这门课程面向研究生，无论将来他们是直接就业还是继续深造，都要注重实践动手能力的培养，要能够将自己所学的书本知识转化为技术和工具，去解决实际的工程和科研问题，因此我们还选择了另外一门书，由李士勇教授所著的《量子计算与量子优化算法》[4]，哈尔滨工业大学出版社于2009年出版，该书着重讲解了量子优化算法，为实际工程应用提供了新的思路，并启发大家在量子计算机没有走出实验室的今天，如何利用现有的数字式计算机构造具有量子特性的快速算法。当然考虑到全校研究生的专业知识背景不同，我们也推荐了中南大学蔡自兴教授等编著，2004年由清华大学出版社出版的《人工智能及其应用：研究生用书(第三版)》[5]，该书是蔡自兴为主讲教授的国家精品课程人工智能的配套教材，该本书中系统全面的讲解了高级知识推理、分布式人工智能与艾真体、计算智能、进化计算、群智能优化、自然计算、免疫计算以及知识发现和数据挖掘等近年的热点智能方法，从而辅助学生了解人工智能，以及人工智能如何发展到计算智能，使得学生全面认识学科的发展和传承性，为今后学习量子计算智能打下坚实的理论基础。

2教学内容

本课程从量子计算的基本概念和原理出发，重点讲解量子计算基础和基本的量子算法；并从量子优化算法拓展开来。该门课程我们安排了46学时，具体安排如下：第1章，量子力学基础(2学时)；第2章，量子计算基础(4学时)；第3章，基本量子算法(4学时)；第4章，Grover量子搜索算法的改进(4学时)；第5章，量子遗传算法(8学时)；第6章，量子群智能优化算法(8学时)；第7章，量子神经网络模型与算法(8学时)；第8章，量子遗传算法在模糊神经控制中的应用(8学时)。

3教学方法

3.1理论与实践相结合的教学方法

量子计算智能导论是一门多学科交叉的综合型学科。选课的同学来自全校，各个的专业背景不同，但是大家的共同需求是一样的，就是从课程中掌握一种用于解决实际问题的工程技术，但是工程技术的掌握也需要理论的支撑，因此我们在教学实践中总结出了一套方法，具体做法是将教学内容划分为：理论型和实践型。

理论型教学指的是发展完善的量子计算基本原理和方法。其内容包括：量子位、量子线路、量子Fourier 变换、量子搜索算法和量子计算机的物理实现等。而其中量子位、量子线路以及量子算法都是以量子相对论为基础的，这也是量子计算的本质原理，而较之我们熟悉的数字式计算机和计算方式有着本质的区别。我们在教学中由浅入深，通过PPT授课，采取理论与实例相结合的讲授方式。下面给出了一个我们在教学中的实例：将量子计算问题形象化。具体内容如下。

让我们想象一下下面这个问题。我们要找一条穿过复杂迷宫的路。每次我们沿着一条路走，很快就会碰到新的岔路。即使知道出去的路，还是容易迷路。换句话说，有一个著名的走迷宫算法就是右手法则――顺着右手边的墙走，直到出去(包括绕过绝路)。这条路也许并不很短，但是至少您不会反复走相同的过道。以计算机术语表述，这条规则也可以称作递归树下行。现在让我们想象另外一种解决方案。站在迷宫入口，释放足够数量的着色气体，以同时充满迷宫的每条过道。让一位合作者站在出口处。当她看到一缕着色气体出来时，就向那些气体粒子询问它们走过的路径。她询问的第一个粒子走过的路径最有可能是穿过迷宫的所有可能路径中最短的一条。当然，气体颗粒绝不会给我们讲述它们的旅行。但是 量子算法以一种同我们的方案非常类似的方式运作。即，量子算法先把整个问题空间填满，然后只需费心去问问正确的解决方案(把所有的绝路排除在答案空间以外)。这样以来，一个枯燥晦涩的量子算法就被很形象的解释，因此增强了学生的记忆也加深了理解，从而提高了学生的学习兴趣。

实践型教学指的是正在发展中的量子计算智能方法的热点问题。其内容包括：量子遗传算法，混沌量子免疫算法，量子蚁群算法，量子粒子群算法，量子神经网络模型与算法，和这些算法在实际工程优化中的应用。这部分内容属于本学科的前沿，但也是热点问题，因此这部分我们在教学中忽略理论推导，重点强调实际操作，在PPT课件中增加仿真实例的讲解；并在课下布置相应的上机操作习题，配合上机实践课程，锻炼学生的动手能力，同时也引导学生去关注这些前沿，从而培养他们的科研素养。

为了体现该门课的教学特点，我们在考核方式上，采取考试与报告相结合的方式，其中理论部分我们采取闭卷考试，占总考评分数的40%；实践部分采取上机技术报告考核，内容为上机实践课程布置的大作业，给出详实的算法流程图和仿真结果与分析，占总考评分数的40%；出勤率占总考评分数的20%。

3.2科研素养的培养与实践能力的提高

科研素养的最核心部分，就是一个人对待科研情感态度和价值观，科研素养的培养不仅使学生获得知识和技能，更重要的是使其获得科学思想、科学精神和科学方法的熏陶和培养。正如温总理说的那样：“教是为了不教，学是为了会学”，当学生将课本内容遗忘后，遗留下来的东西即是他们所具备的科研素养。因此，在教学中，我们的宗旨也是提高学生的科研素养，量子计算智能导论是一门理论和实践紧密结合的学科，该学科的发展日新月异，在信息处理领域的关注度也越来越高。在教学实践中，我们采用了上机实践和技术报告相结合的教学方式。掌握各种量子计算智能方法的原理和流程是这门课程教学的首要任务，因此学生结合各自研究方向实现量子智能算法在实际科研任务中的优化问题求解。在上机实践中，学生不仅要掌握该智能算法的流程而且重点关注学生对

自己科研任务的建模，学会系统分析问题，建立合理的数学模型，并给出理论分析。上机实践验收中，我们不但考察其结果展示，更增加了上机实践的技术报告，用来分析模型建立的合理性，从而培养学生对待科研问题的分析素养和建模素养。在技术报告中，我们要求学生给出几种可供参考的建模模型，并分析各自的优势，和选择这一解决方案的依据。由于量子计算智能导论是面向研究生开设的课程，在教学中，我们更佳关注其分析问题的能力，和解决问题的合理性的思考能力，从而培养学生的科研素养。

4结语

把教学当做一门艺术，是我们作为高校老师毕生追求的目标，如何做到重点讲透，难点讲通，要点讲清，这也是我们多年教学中一直关注的关键点。我们在教学中反对“灌输式”，强调“启发式”，以实际应用先导教学是非常可取的，也收到了良好的效果。量子计算智能导论是一门综合型交叉学科，且面向研究生开设，因此在教学实践中，我们十分重视学生科研素养的培养。通过上机实践和技术报告的形式引导学生积极动手，积极思考。希望这些教学中的点滴供同行们交流探讨。

参考文献：

[1] 焦李成,刘芳,缑水平,等. 智能数据挖掘与知识发现[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,2006.

[2] 田新华. 跟踪国际学术前沿迎接量子信息时代:《量子计算与量子优化算法》评介[J]. 科技导报,2010,28(6):122.

[3]Michael A. Nielsen ,Isaac L. Chuang. Quantum Computation and Quantum Information [M]. 北京:高等教育出版社,2003.

[4] 李士勇,李盼池. 量子计算与量子优化算法[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2009.

[5] 蔡自兴,徐光v. 人工智能及其应用:研究生用书[M]. 3版. 北京:清华大学出版社,2004.

Exploration on Introduction to Quantum Computational Intelligence

LI Yangyang, SHANG Ronghua, JIAO Licheng

(School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

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认识人类自身、认识人类所面对的宇宙，是科学的根本任务，并由此而衍生出人类知识的两大系统——自然科学与社会科学。二者之间最深刻的关联在于：人对自身认识有多深，对外部宇宙的认识就有多深，它们是同步进行的。作为自然科学重要分支的物理学是建立在分析与实证基础上的。在科学飞速发展的今天，物理学的研究无论在宏观还是在微观上早已超越了感官经验的范围之外。这不可避免地带来一个困惑：我们以现有的感官经验去描述、解释远在我们经验之外的对象是可能的吗？要解决这一困惑，就必须转换逻辑思维的方式。对此，古老的禅宗哲学给了我们重大的启示。

一、禅宗与禅宗逻辑

“禅”或“禅那”是梵文Dhyana的音译，原意是沉思、静虑。佛教禅宗的起源，按传统说法，谓佛法有“教外别传，以心传心，不立文字”的教义，从释迦牟尼直接传下来，传到菩提达摩。达摩于梁武帝时（约520～526年）来到中国将心传传给二祖慧可（486～593年）。如此辗转相传，终于出现了以六祖慧能（638～713年）创始的南宗顿教，以后日益丰富发展，成为具有鲜明特色的中国佛学禅宗。禅宗是佛教的一个宗派，是“中国的佛学”，它是中国道家哲学与佛教空宗（亦称中道宗）相互作用的产物，对于中国哲学、文学、艺术有着极其深远的影响。禅宗所依据的主要典籍为《金刚经》和《六祖坛经》。

其实早在达摩来华以前，空宗的代表人物僧肇与道生等就在吸收与融汇中国道家思想的基础上，为禅宗的出现提供了必要的理论准备。如在道生的理论中，就有了“顿悟成佛”、“一切众生，莫不是佛”（《法华经疏》）等禅宗的基本思想。而在被僧肇所具体化了的关于三个层次的“二谛义”理论中（《肇论·般若无知论》），空宗所谓的第三层真谛即为禅宗之“第一义”。禅宗的一切修行以及最后的顿悟，都是为了成就作为其终极目标的“第一义”。这个第一义就是宇宙的本体、佛的本体，就是最后解脱的境界。

三个层次的“二谛义”理论认为：(1)第一个层次：普通人以为万物实“有”，而不知“无”。佛教认为万物实际上都是“空”、“无”。在这个层次上，认为万物是“有”，这是“俗谛”；认为万物是“无”是“真谛”。(2)第二个层次：认为万物是“有”与认为万物是“无”，都是片面的。因为“无”并不只是没有了“有”的结果。事实上“有”同时就是“无”。万物无时无刻不在变化之中，一物此时此刻的存在状态与其在另一时刻的存在状态是不同的，在这种意义上，此时此刻的“有”在另一时刻就是“无”了。故在这个层次上，说万物是“有”与说万物是“无”，都同样是“俗谛”。只有不片面的中道，认识到万物非有非无才是“真谛”。(3)第三个层次：说“中道”在于不片面（非有非无），这意味着进行区别，而一切区别本身就是片面的。故在这一层次上，说万物非有非无就是俗谛了。真谛是：万物非有非无，而又非非有非非无（《大藏经》卷四十五）。禅宗的第一义，指的就是这种“非有非无，而又非非有非非无”的境界。《金刚经》云：“……如来所说法皆不可取，不可说，非法，非非法”。这种“非非”的境界是经验之外的，是普通的逻辑思维达不到的，是不可言说的。所以“说似一物即不中”（《六祖坛经·机缘品第七》），“我向尔道是第二义”（《五灯会元卷第十·清凉文益禅师》），“道，可道，非常道”（《老子·第一章》）。

为了证悟禅宗的第一义，“只有打破和超越任何区分和限定（不管是人为的概念、抽象的思辨，或者是道德的善恶、心理的爱憎、本体的空有……），才能真正体会和领悟到那个所谓真实的绝对本性。它在任何语言、思维之前、之上、之外，所以是不可称道、不可言说、不可思议的。束缚在言语、概念、逻辑、思辨和理论里，如同束缚于有限的现实事物中一样，便根本不可能‘悟道’”[1]。而这也正是六祖慧能临终传授宗旨的“秘诀”：“先须学三科法门，动用三十六对，出没即菩提场，说一切法，莫离自性。忽有人问汝法，出语尽双，皆取对法，来去相因。究竟二法尽除，更无去处。……若有人问汝义，问有将无对，问无将有对，问凡以圣对，问圣以凡对。二道相因，生中道义”（《六祖坛经·付嘱品第十》）。应用六祖的这种“对法”，从“有”、“无”始，便可达到非有非无，进而证悟非非有非非无的第一义境界。

仔细分析禅宗的“第一义”以及六祖慧能的“对法”，不难发现，它实际上是给出了一种全新的逻辑，在此将其称为“禅宗逻辑”。

众所周知，作为逻辑演算的对象可以是事物、事物的类、事物之间的关系，也可以是命题之间的关系。禅宗逻辑同布尔逻辑[2][3]相似，也具有明显的类代数的特点。令全类为"1"，空类为"0"。以A和B分别代表两个类，也称之为选取符号。A代表在论域中选取所有A的结果，B代表选取所有B的结果，则

A=B表示两类之间有完全相同的分子；

AB表示两类相交，即逻辑相乘，代表既属于A类又属于B类的类；

A+B表示两类相并，即逻辑相加，代表或属于A所标记的事物的类，或属于B所标记的事物的类；

附图表示A的补类，即由论域中除去类A的事物的类。

按照上述的基本约定，在传统的布尔逻辑中，如果A表示类“有”，B表示类“无”，则明显有A+B=1，即类A和类B互为补类，即这意味着同时属于两个互补的类的类是可能存在的，即传统逻辑中的“不矛盾律”在禅宗逻辑中不一定成立。其次，由禅宗逻辑的基本求和公式可以清楚地看到，对于不可言说的本体的“认识”过程在逻辑上只能是一个无限逼近的渐进过程，这正从逻辑上显示了它的不可言说性的根源所在。逻辑原子主义的代表人物维特根斯坦曾指出：“我的语言的界限意味着我的世界的界限。……逻辑充满着世界；世界的界限也是逻辑的界限。”[4]原来不可言说的禅宗“第一义”是在传统的语言和逻辑之外的存在，现在随着逻辑的扩展，在禅宗逻辑框架内，它便不再是逻辑之外的存在了。逻辑扩展了，世界也随之扩展了。

根据禅宗逻辑的基本求和公式，在零级近似下（对应于在求和公式中只取n=0一项），逻辑求和公式变成：

A+B=1.

附图而这正是布尔逻辑，即布尔逻辑是禅宗逻辑的零级近似。可见禅宗逻辑比传统的只研究矛盾对立双方间的关系的二值逻辑具有更大的包容性。首先，它在逻辑对象上，除了包含互补的、矛盾的两个基本的逻辑类之外，它还同时容纳了与之相关联的其余所有可能的独立的类，这就为在逻辑上去研究“非非”之类（传统逻辑之外的、不可言说的）的对象奠定了基础。其次，就逻辑自身而言，禅宗逻辑包容了那些不矛盾律不再成立的逻辑，为逻辑自身的扩展提供了极大的可能性。

二、物理学中的“波粒二象性”与禅宗逻辑

物理学按照其研究对象的不同，可分为经典物理学和量子物理学（现代物理学）两大类。经典物理学所研究的是人们感官经验之内的物质客体，适用于牛顿力学。站在经典物理学的立场上，一个具体的物质客体只能以粒子的方式或波动的方式存在，不存在其它的可能存在方式，即一个物理客体要么以粒子的方式存在，要么以波动的方式存在。以粒子的方式存在的客体在某一时刻具有确定的空间位置；以波动的方式存在的客体在某一具体时刻在全空间存在而不具有确定的空间位置，例如水波和声波等。无论是经典的粒子还是经典的波，它们都存在于人们的经验范围之内，是看得见摸得着的。借助于牛顿力学理论，人们可以运用日常经验中的语言、概念来描述、理解它们，而不会产生任何逻辑上的困难。

物理学研究一旦深入到微观的领域，它的客观对象（如原子）就不再是人的感官所能直接体验的了。微观客体的微观运动本身已不再是感官所能直接观测和认识的对象。为了“认识”微观客体及其运动，只有借助于复杂的科学仪器，通过人工安排的科学实验，观测由其引起的在仪器中发生的某种不可逆放大过程所导致的宏观可观察效应。这种通过仪器的读数所“认识”到的对象已不再是微观客体本身，而这又是对微观客体的唯一的一个认识途径，即只能这样来认识微观客体，对微观客体的认识就是这种意义上的一种“认识”。

在通过各种科学实验对微观客体的研究中，人们发现微观客体（原子、电子等）在某些条件下表现出粒子性的一面，而在另一些条件下又表现出波动性的一面，这就是所谓的“波粒二象性”问题。微观粒子在某种意义上既是粒子又是波，既不是粒子又不是波，也不是粒子和波的简单综合。这种“波粒二象性”在经典物理学框架内是完全不可理解的。“物理学家们在原子物理学初期面临的自相矛盾的境遇与之（指禅宗）惊人地相似，与禅宗的情况一样，真谛隐藏在佯谬之中，这些佯谬不能用逻辑推理来解决，而只能靠一种新的认识来理解。”[5]尽管物理学家们无法在逻辑上解决“波粒二象性”佯谬，但是经过许多人的努力，最终在数学上建立起了一套完备的理论体系——量子力学来描述微观客体的运动。在量子力学体系中，微观客体一般就表现为一个数学上虚的态函数，它可以通过薛定谔方程来确定。但是，无论如何量子力学的数学形式理论本身并不能给出关于微观客体波粒二象性的物理解释，因为数学上的虚数无论如何是无法同外在的客观存在相对照的。1927年，物理学家玻尔提出了所谓的“互补原理”来解释微观客体的“波粒二象性”问题。“玻尔把两种图象——粒子图象和波动图象——看作是同一个实在的两个互补的描述。这两个描述中的任何一个都只能是部分正确的，使用粒子概念以及波动概念都必须有所限制，否则就不能避免矛盾。”[6]不难发现玻尔的互补性解释只是一种哲学上的尝试，并没有从根本上解决由“波粒二象性”所导致的逻辑困难。

通过上述分析可知，传统逻辑是无法解释微观客体的“波粒二象性”疑难的，唯一的出路是求助于比传统逻辑包容性更大的新的逻辑。本文所给出的禅宗逻辑正好可以用来解释“波粒二象性”问题。首先，波和粒子作为两个类在传统逻辑（经典物理学框架内）上是完全互补的两个类，因此可令：A表示粒子，B表示波，翻译成逻辑的语言就是：在逻辑上存在这样的类，它同时既是粒子又是波。物理学上的微观粒子就正好是这样的一种客观存在的类。这又从另一个方面证明了微观客体所遵循的逻辑是禅宗逻辑的一级近似的结论的正确性。

三、总结

禅宗哲学（包括禅宗逻辑）同现代物理学之间的平行性，早已引起过人们的关注。玻尔在1937年访华时就曾被中国的对立两极的概念所震惊。而美国著名物理学家F.卡普拉则更是为这种平行性所吸引，写出了轰动一时的《物理学之“道”——近代物理学与东方神秘主义》一书。尽管有许多人都意识到了现代物理学与古老的中国哲学思想之间具有某种相通性，但没有人能明确指出其背后的根由。通过本文的研究，不难发现这种平行性、相通性的根源在于二者所研究和指向的对象都遵循相同的逻辑——禅宗逻辑。禅宗逻辑的对象是感官经验之外的，是日常的语言、逻辑所不能言说的，物理学所研究的微观客体同禅宗所要证悟的最终本体恰恰都是这种对象。人的思维离不开形象、直观，离不开日常经验中的语言、概念和逻辑，而禅宗所要证悟的本体和物理学所研究的微观客体却又都是直接经验之外的存在，是无法从形象和直观上把握的。正如玻尔所指出的：“物理学面临的困难来源于我们被迫使用日常生活的词汇和概念，即使我们是在从事于精炼的观察也如此。我们除用粒子或波就不知道其他描写运动的方式。”[7]因此要想“认识”和“把握”这类对象，就只有超越传统逻辑的束缚，应用全新的包容性更大的逻辑进行思维，才能将其重新纳入到逻辑的框架之内加以“言说”、“认识”。

收稿日期：2002-08-30

【参考文献】

[1]李泽厚.中国古代思想史论[M].合肥：安徽文艺出版社，1994.201.

[2]朱水林.形式化：现代逻辑的发展[M].北京：人民出版社，1987.81-84.

[3]马玉珂.西方逻辑史[M].北京：中国人民大学出版社，1985.309-317.

[4]［奥］维特根斯坦.逻辑哲学论[M].郭英译.北京：商务印书馆，1985.97.

[5]［美］卡普拉F.物理学之“道”——近代物理学与东方神秘主义[M].朱润生译.北京：北京出版社，1999.36.

篇9

【关键词】光速不变;单链式;定向振荡

1.引言

物理学是一门研究物质运动变化规律的科学，牛顿从宏观物体的运动变化中总结出了三大运动定律，创立了经典力学，成为物理学的开山鼻祖。麦克斯韦研究电场和磁场运动变化的规律，在前人的基础上总结出了电磁场理论。爱因斯坦研究光运动变化的规律，在麦克耳孙和莫雷的干涉实验以及光行差实验等的基础上，发现了光速不变原理，并创立了相对论。

普朗克通过研究黑体辐射中不同频率的电磁波运动变化的规律，发明了量了论，后来的物理学家们在此基础上发展出了量子力学和量子电动力学，创建并完善了标准模型理论。很多物理学家穷其一生，试图把相对论和量子理论结合起来，建立大统一理论。然而，相对论和量子理论就像一头大象的鼻子和尾巴，它们不但形象各异，而且总是各朝一方，即便免强拼凑在一起也并不是一头完整的大象。

2.相对论和量子理论的局限

爱因斯坦是在光速不变原理的基础上创立相对论的，但爱因斯坦并不能解释光速为何不变。一些相对论专家说光速不变是四维时空的一种自然表现，这种说法有点牵强。四维时空观是爱因斯坦在研究有关光速不变的实验后形成的一种观念，这些实验都只涉及到光波，至今为止，人类还没有办法把一些实物粒子，如电子、原子、分子等，加速到光速， 也就不知道这些实物粒子的速度能不能达到或超过光速。我们不能因为还没有办法把一个电子加速到光速就断定电子的速度不能达到光速，人类目前还做不到的事情并不意味着未来的人类也做不到，未来总是充满各种可能性的。既然我们还没有法办把实物粒子加速到光速，我们就无法知道光速不变原理是否适用于实物粒子，还是只适用于光子，更无法知道光速不变原理是否适用于宏观的物体。

光速不变原理提出，在每个惯性系中，真空中的光速各向同性，与光源的运动无关，也与光的频率无关。一艘在水面上静止或匀速运动的船可以作为一个惯性系，倘若这艘船 永不停息地做毫无规则可言的运动，船的速度和方向总是在不停地变化，那么，这艘船就不能作为惯性系了.在微观世界中，每一个物质粒子如电子、原子、分子等，都在永不停息地做毫无规则可言的运动，没有一个粒子相对于另一个粒子是静止或匀速运动的，只有粒子本身相对于粒子是静止的，用来描述宏观世界的惯性系在微观层次上根本就不存在。我们都知道，激发光的是电荷，吸收或反射光的也是电荷，我们之所以能够看见光，就是因为光驱动了我们视觉神经中的电荷。我们不可能选择一个电荷来做惯性参考系，而电荷激发出的光必须与另一个电荷相互作用才能被观察到。爱因斯坦从宏观的角度来研究光运动变化的规律，认为从光源激发出的光传到物体上的过程就像从大炮发射出的炮弹射到物体上的过程一样，这是错误的。光的本质是在电荷之间传播的电场力波（即电磁波）。要想弄清楚光速不变的真正原因，就必须弄清楚电场力的产生机理和传递方式。

相对论和量子理论都认为光是从光源发射出去的一种物质，就像炮弹从大炮中发射出去那样，之所以得出这样的观点，是因为相对论和量子理论的创立者们都没有认识到，一个电荷和它的电场实际上是一个独立于其它电荷和电场的具有无限延伸性的不可分割的整体。我们不可能把一个电荷从它的电场中分离出来，一个电荷无论如何运动，这个电荷的电场都不会脱离这个电荷被发射出去，一个电荷的电量是恒定不变的。从本质上来讲，一个电荷的电场是由无数与电荷有关联的物质在宇宙空间中延绵分布形成的一个具有无限广延性的不可分割的物质体系，光速不变是是电荷的电场具有无限广延性的一种表现[1]。

电荷电场的广延性与引力场的广延性类似。两个物体之间，无论距离有多远，它们都处在对方的引力场中，都受到对方的引力作用。同样地，两个电荷之间无论距离多远，它们都处在对方的电场中，都受到电场力的作用。量子理论认为，引力是质点间互相交换引力子产生的，电场力则是电荷之间互相交换光子产生的。这种观点并不正确。假设有N个质点与质点A的距离相等，质点A与这N个质点同时有引力作用，即质点A有N个引力子同时与这N个质点交换。当与质点A距离相等的质点增加到2N个时，质点A就必须拥有2N个引力子同时与这2N个质点交换。无论与质点A的距离相等的质点增加到多少个，质点A与这些质点之间都同时存在引力相互作用。以此类推，任何一个质点都同时拥有无穷多个引力子，显然，这是错误的。

电荷电场的广延性使得任何一个电荷都可以同时与无数个电荷产生电场力，假如电场力是电荷之间互相交换光子产生的，那么，每一个电荷都必须同时拥有无数个光子，显然，这是不正确的。

无论是相对论还是量子理论，都没能正确地解释电场力的产生机理。

电场力是电荷和它的电场原来的平衡状态被引入电场中的电荷打破，导致构成该电荷电场的所有物质都有以引入该电荷电场中的电荷为中心重新分布的趋势产生的一种力，是大量构成电荷本身电场的物质对电荷直接产生的力。任何一个电荷受到的电场力都是通过构成该电荷本身电场的物质来传给电荷的，而电荷的电场是随着电荷一起运动的。在没有外力的作用下，或是合外力等于零的情况下，电荷和它自身的电场总能保持步调一致的运动状态，这时，可认为电荷和它的电场是相对静止的。从宏观的角度来看，在每一个惯性系中，每一个电荷和它的电场都可以保持步调一致的运动状态，每一个电荷相对于它的电场都是静止的，这必然导致在每一个惯性系中，每一个电荷接收到的电场力波即光波在真空中的速度各向同性，即光速不变。

由上述可知，电荷电场的广延性是我们观察到的真空中的光速恒定不变的原因。

3.定向振荡电流与单链式电磁波

与引力波类似，电磁波本质上并不是从波源中发射出的一种物质，而是在电荷之间传播的电场力波。无论是电场还是磁场，或是交替变化的电磁场，都是通过电荷或电流的运动变化来表现的。麦克斯韦首次提出了位移电流的概念，并预言了电磁波的一种形式――双链式。但受到当时条件的限制，麦克斯韦没能预言出电磁波的另一种形式――单链式。只有引入“定向振荡”这个全新的物理概念才能够形象地描述单链式电磁波。在现代汉语词典中，振荡的含义有两种，一种指振动;另一种指电流的周期性变化。电流的周期性变化可分为两种，一种是电流的大小和方向都做周期性变化的，叫做双向振荡;另一种是电流的方向恒定不变，电流的大小做周期性变化的，叫做定向振荡，也称单向振荡。双向振荡电流激发出的是双链式电磁波，双链式电磁波在空间中传播时产生的位移电流都是双向振荡的位移电流，即位移电流的大小和方向都是周期性变化的。双向振荡的位移电流产生的感应磁场也是双向振荡的，即磁场的大小和方向都做周期性变化的。双链式电磁波在传播过程中遇到导体，会使导体受到一个场强大小和方向都做周期性变化的双向振荡的感应磁场的作用，产生同频率双向振荡的感应电流。

有的单向振荡电流激发出的是双链式电磁波，比如交流和恒流混合形成的单向振荡电流。有的单向振荡电流则能够激发出单链式电磁波，比如将高频交流经过特殊的整流后形成的单向振荡电流。[2]

单链式电磁波在空间中传播时产生的位移电流都是单向振荡的位移电流，即位移电流的方向恒定不变，位移电流的大小做周期性变化的。单向振荡的位移电流产生的感应磁场也都是单向振荡的，即磁场方向恒定不变，场强大小做周期性变化的。单向振荡磁场也称定向振荡磁场。

单链式电磁波在传播过程中遇到导体，会使导体受到一个磁场方向恒定不变，场强大小做周期性变化的定向振荡的感应磁场的作用，产生同频率定向振荡的感应电流。

让两列时间相差T/2（T表示定向振荡电流定向振荡的一个周期）的等幅同频率的超高频单链式电磁波经过等长的路径后叠加，便可在空间中合成超低频定向振荡的无源 的磁场。因为这种定向振荡磁场是无源的，且只能表现出单个磁极的力学效应，因此叫做磁单极量子，也称单极光子。[3]将通恒定电流的导体放置在由两列时间相差T/2的超高频单链式电磁波经过等长的路径后叠加形成的超低频定向振荡磁场中，导体就会产生大小和方向都不变的电磁力。因为这种电磁力是由空间中无源的定向振荡磁场对恒定电流产生的，可驱动引擎前进。这就是能够进行星际跃迁的光速飞船所采用的大推力量子引擎技术的原理。[4]

4.结语

相对论和量子理论是20世纪物理学取得的两项重大的成果，这两项理论的创立极大地促进了科学技术的发展和人类文明的进步。但是，相对论和量子理论即是现代物理学的两大支柱，也是横旦在人类面前的两座大山。这两座大山都高耸入云，看似不可逾越。很多人望而却步，只得拜倒在山脚下，只有少数不畏艰险的勇者敢去翻越。这些勇者有的迷失在山中，有的跌入了深渊，谁能够第一个翻越过去，谁就会成为新大陆的发现者，人类文明史也将因此翻开崭新的一页。

参考文献

[1]李昌颖.引力场与静电场的广延性与超光速原理[J].电子世界，2014.

[2]李昌颖.光分解与光振荡形式变换的探究[J].电子世界，2014.

篇10

高中物理现代化的实施需要强有力的理论基础支撑.对于其教学内容的现代化，英国著名教育家斯宾塞在教学内容方面提出科学才是最有价值的知识，这句话是他对课程主张的集中体现，即课程内容取向应面向现代化.他认为在选择课程内容时，应根据生产力与科学的发展，不断进行课程内容更新使其能够将时代先进的自然科学成果反映和体现出来.在组织教学内容方面，依据学生的心理特征和知识的内在逻辑相统一的原则是现代物理的一个发展趋向.当代著名的结构主义教学思想和认知心理学派代表人物布鲁纳提出结构主义课程观.学科的基本结构是对一门学科的概念和一般原理的概括，同时还具有相应的探究和学习这门学科的基本态度.他认为这样可以缩小“初级”知识与“高级知识”之间的差距，能够在同一门学科中的基础与尖端之间找出相通之处.鉴于此，现代新课程将物理学科分为多种模块，对实施现代化内容教学十分有利.赞可夫为前苏联著名教育家，其提出发展并不是指让事物停留在一般的发展水平上的观点，指出教学内容应该逐渐深入、由易到难，不断分化，扩大知识面.因此，在经典物理的基础上可以进行现代物理知识的扩充.

二、物理教学内容现代化的思考

1. 告诉学生现代物理的研究成果

对于现代物理的定义，指从一八九六年铀的天然放射性被贝克勒尔发现以来所取得的物理研究成果.一九零五年，著名科学家爱因斯坦根据其研究创立了狭义相对论，在他与普朗克、波尔、海森伯、德布罗意、波恩、薛定谔等多人的共同努力下，实现了量子力学与量子论的创立.通过近半个世纪对核物理、原子物理的相关研究，人类在二十世纪四十年代便掌握了核能的奥秘，自此人类社会开始了“原子时代”的旅程.一九一六年，爱因斯坦提出受激辐射概念，推倒普朗克关于黑体辐射公式的相关论点.如今，在人们的日常生活中以及尖端科学研究、医学工业、军事、通信、教育、计算、艺术等各个方面都应用到激光技术.

2.让学生理解基础物理学的应用及其作用

物理的发展大大促进了现代科技的发展和提高.物理学在二十世纪发展了电子、原子能、计算机、激光等实业部门.在高技术领域中，物理学的应用有：电子计算机的诞生让人类劳动方式发生翻天覆地的变化，是人类智力解放的重要开创性举措；基因工程技术的发明，让人类开始进入以人类自身为代表的认识与改造的生命世界；人造地球卫星的发射，是人类活动开始突破地球限制向太空进军的重要标志；核电站的建立，让人们利用和开发原子能得以实现.物理学的发展同时也带动了其他学科的发展，比如地球物理、天体物理、生物物理以及化学物理等学科.

三、实施高中物理教学内容现代化的几点建议

随着社会的进步和科学的不断发展，现代文化、技术、科学取得了十分丰富的成果，由于选择的多样性，也给实施课程内容现代化带来了不同程度的困难，比如学科课程内容的完整性与经典内容的压缩性矛盾、有限学习时间与现代性内容增加的矛盾、现代教育思想观念与传统课程内容取舍的矛盾等.怎样解决这些矛盾，促进高中物理教学内容现代化的实现？结合新课程理念，以下是对实施物理教育内容现代化的一些建议.

1. 恰当选择课程内容

要让以上矛盾得以解决，在选择课程内容上应遵循时代性与基础性相统一的原则.在基础知识的选取上，应将对社会需求、对学生、对学科而言是必需的、具有真正意义上的基础知识精选出来，做到精中求简.比如质量守恒、动量守恒、场、波、电荷守恒、分子原子结构等的概念和原理是最基本，也是高中物理最核心的内容.同时，在选择现代化的课程内容上，要根据现代文化、技术、科学成果，从中选择和基础知识联系密切的、具有典型性与代表性的内容.如爱因斯坦广义与狭义相对论、微观客体二重性、量子物理与经典物理的连接桥梁是普朗克常量等内容，都是由经典物理学发展而来.

例如，物理学中“时间”是常见的物理量，那么什么是时间？为了让学生对“时间”更好的理解以及经典物理学对时间定义，教师可以利用多媒体设备来对教学过程中进行设计.首先，用多媒体展示介绍相关的计时装置，包含日、奎表、杆漏、刻漏、古董钟表、水平仪象台等.提问：不同计时方法对时间单位的要求也不同，大家知道时间单位都有哪些，是怎么区分的？其次，对时间单位进行介绍，包含年、月、日、时、分、秒等，同时，利用多媒体对相关单位的产生发展进行简介.第三，提问：到底什么是时间？由学生进行讨论后作答，教师对其进行补充.学生的回答一般为书上看到的或词典上查到的关于时间的概念，教师总结：我们发现时间的单位和物体的周期性运行是不可分割的，说明时间和物体的运动是相关的.比如，地球自转一周是一天，公转一周是一年，也就是说时间能够用物体的空间位置变化来度量.由此，可引出牛顿力学中含有时间的公式：s=vt、v=at等.

2. 提高对教师的要求