量子力学在化学中的应用范文

导语：如何才能写好一篇量子力学在化学中的应用，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。

篇1

【关键词】实验室；质量管理；网络化；自动化

血液检测在输血服务中起关键性作用，血液检测实验室的科学化、标准化以及室验室检测的高效性、严密性，逐渐被人们所重视，是保证血液质量、达到安全输血的前提。我站将实验室的标准化质量管理与微机网络化、仪器自动化相结合，建立了一个现代化全自动的实验室。其中的质量管理体系作用是使整个检测更加标准化、规范化。同时也将有效地监督日常工作，并形成了日常工作的可追溯性，而微机的网络化、仪器的自动化、标本的条码化使检测能力和检测结果的准确性有大幅度提高，三者相辅相承，从各方面提高了血液的安全性。

1 实验室标准化质量管理体系的建立

2001年本血站通过了ISO9000质量体系认证，随后的几年工作也逐步地在改进，将整个采供血体系完全按照标准的质量体系来进行。同时又建立了实验室的质量体系，明确了实验室的质量方针和质量目标，对血液检测工作做出具体指导和相应规范。

主要包括以下内容：岗位职责、工作制度、操作规范、记录文件4个方面。其中岗位职责和工作制度详细说明了实验室要进行的工作和日常分工，根据卫生部及安全输血标准的综合要求，一份血液标本一检、二检分别由不同检验人员操作，试剂为两种不同厂家并为国家卫生部检定合格试剂，而操作规则为日常工作的指导书，要求操作人员在日常工作中保证实验操作的一致性、规范性、避免人为的误操作，而出现质量差错，记录文件则十分重要，它记录日常工作的每一个细节，从血液标本的接收到检验报告的发出，每一个环节都有操作者签字，保证了检测结果的可追溯性，无形中控制着每一个环节，保证了检测的准确性。

2 实验室检测的微机网络化、仪器自动化的管理

2000年，我站先后引进了用于血液检测的AT Plus全自动加样机，KUBOTA8400离心机(日本产)，KJ-201BD振荡器(姜堰市)，2005年又购进Star全自动加样系统(瑞士产)，FAME24/20全自动酶免分析仪(瑞士产)，通过以上仪器对血液ALT、HBsAg、抗-HCV、抗-HIV、梅毒、血型正反定型进行检测。对血液标本从接收到检测报告的发出全部微机化管理，标本的条码化保证标本由始至终的唯一性，避免了检验过程中人为的标本张冠李戴错误的发生。实验室微机化管理，从操作人员的权限、样本的接收、样本检测、结果的输入到合格样本的发出、不合格样本的处理(不合格样本是否需要复试，复试几次方可发出，操作者及所采用试剂)在网络上作了严格的监控，待检室只有接到实验室样本的合格信息，方可打出合格血签，并发放使用。

为达到标准检测的高效准确，这个局域网需要的硬件条件为每台仪器配有一台电脑，操作系统分别为Star加样机、FAME24/20全自动酶免分析仪、多功能酶标仪(zenYth340rt，瑞士)，另外还有一台主控电脑用来完成所有结果的汇总，每台电脑都安装相应的软件，以达到各自工作的目的，每台电脑设有特定的用户名和密码，正确登录方可进入网络，这就从一定程度上保证了网络的安全性和日常工作的可靠性。

3 标准化质量管理体系、微机网络化、仪器自动化高效的结合

在网络中设置质量管理体系所要求的各种属性，在实验仪器终端为每一位操作者设置用户名和密码，以确保访问的可追溯性。同时在该操作软件中设置该操作所形成的文件标识，该操作软件会自动保存操作者的每个操作过程，以便查看操作实验的整个过程。每台操作终端的软件将有根据质量管理文件中操作规程所设置的程序以确保操作的一致性。在试验结束之后，操作软件会将最终结果传输至主控电脑，同时也将打印出来。该报告将包括：时间、操作者、试剂批号、标本号、实验结果，以方便资源共享。

通过如图1的管理和设置，就可以以微机网络化、仪器自动化管理为手段，以质量管理为目的，实现了质量体系与微机网络化、仪器自动化管理的结合，更进一步提高了血液质量，增强了工作人员的责任心。尤其在血液集中化检测的今天，势必要求实验室具有高效而准确的检测水平。因此，实验室的管理尤为重要，如果这种高效的管理形成规模，将会为输血事业带来更大的进步和提高。

A：标本接收准确无误后，填写接收记录，登录实验室网络录入主控电脑。

B：将带条码的标本离心处理后，放入Star全自动加样机进行加样，并获得加样信息(即标本条码信息)。这些信息将自动传输给多功能酶标仪(zenYth340rt)。

C：将加样处理后的微板放入ML/FAME全自动酶标仪中并根据预先设计好的程序进行HBsAg、抗-HCV、抗-HIV、梅毒的检测。

D：检测结果由ML/FAME全自动酶标仪自动传输给多功能酶标仪(zenYth340rt)。

E：待检标本在Star全自动加样机加样处理后放入多功能酶标仪，进行ALT检测(速率法)。

F：待检标本在Star加样机中加样处理后放入平板离心机中500r/min离心3min，再在孵育振荡器上振荡5min后放入多功能酶标仪(zenYth340rt)进行扫描检测，判定血型。

G：将所有检测结果进行汇总打印，并将检测结果发送到主控电脑。

H：主控电脑汇总所有待检标本的检测结果，并根据程序中的判定规则判断结果，汇总检验信息打出检验报告。

篇2

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;量子测量;偏振

中图分类号:O413．1 文献标识码:A 文章编号:1000-0712(2016)03-0005-03

量子力学是近代物理学的基础，并且其应用领域已延伸至化学、生物等许多交叉学科当中，这一课程已成为当今大学生物理教学中一个极为重要的组成部分．由于量子力学主要是描述微观世界结构、运动与变化规律的学科，微小尺度下的许多自然现象与人们日常生活经验相距甚远，量子力学的概念有悖于人们的直觉，难以被初学者接受．如果在教学中能够结合具体的物理实验，从现象到本质引导学生思考，就可以使抽象的量子概念落实到对具体实验现象的归纳总结上来．偏振光实验是一个现象直观而且学生容易操作的普通物理实验，在学生掌握的已有知识基础上，进行新内容的教学，符合初学者的认知规律．利用光的偏振现象来阐述量子力学基本概念已被一些国内外经典教材采纳，如物理学大师狄拉克所著的《量子力学原理》［1］，费因曼所著的《费因曼物理学讲义》［2］，曾谨言教授所著的《量子力学卷1》［3］，赵凯华、罗蔚茵教授合著的《量子物理》［4］等教材．在本文中，笔者结合自己的教学体验，着重从可观测量和测量的角度来考虑问题，在以上经典教材的基础上，进一步整理和挖掘光子偏振所能体现的量子力学基本概念．从量子力学的角度对偏振实验现象进行分析，使同学们对态空间、量子力学表象、波函数统计解释、态叠加原理等量子力学概念有一个直观形象的认识，领会量子力学若干基本假定的内涵思想．最后，从量子角度分析了一个有趣的偏振光实验，加深学生对量子力学基本概念的理解，并展示了量子力学的奇妙特性．

1偏振光实验的经典解释

如图1(a)所示，沿着光线传播的方向，顺次摆放两个偏振片P1、P2．光束经过P1后变为与其透振方向一致且光强为I0的偏振光．两偏振片P1和P2的透振方向之间夹角为θ，由马吕斯定律可知，透过偏振片P2的光的强度为I0cos2θ．按照经典的光学理论，此现象可理解如下:在一个与光传播方向垂直的平面内选定一个xy平面直角坐标系，这里为了描述问题的方便，选定x轴沿P2的透振方向．如图1(b)所示，透过偏振片P1的光电场矢量E可分解为两个分量:沿x方向振动的电场矢量Ex和沿y方向振动的电场矢量Ey．偏振光照射到P2偏振片时，投影到y方向的电场矢量被吸收，投影到x方向的电场矢量透过，振幅增加了一个常数因子cosθ，因而强度变为原来的cos2θ倍，这正是马吕斯定律所给出的结果．

2偏振光实验体现的量子力学概念

下面我们由偏振光的实验现象出发，引出量子态、态空间等量子概念，并用量子力学的语言来描述单个光子与偏振片发生相互作用的过程，讨论在多个光子情况下的量子行为与马吕斯定律的一致性．

2．1量子态

从实验得知，当线偏振光用于激发光电子时，激发出的光电子分布有一个优越的方向(与光偏振方向有关)，根据光电效应，每个电子的发射对应吸收一个光子，可见，光的偏振性质是与它的粒子性质紧密联系的，人们必须把线偏振光看成是在同一方向上偏振的许多光子组成，这样我们可以说单个光子处在某个偏振态上．沿x方向偏振的光束里，每个光子处在|x〉偏振态，沿y方向偏振的光束中，每个光子处在|y〉偏振态．假设我们在实验中把光的强度降到足够低，以至于光子是一个一个到达偏振片的．在图1所示的例子中，通过P1偏振片的光子处在沿P1透振方向的偏振态上，如果P2与P1透振方向一致(θ=0)，则此光子完全透过P2，如果P2与P1透振方向正交(θ=π/2)，则被完全吸收．如果P1与P2透振方向之间角度介于两者之间，会是一种什么样的情形，会不会有部分光子被吸收，部分光子透过的情况发生，但是实验上从来没有观察到部分光子的情形，只存在两种可能的情况:光子变到量子态|y〉，被整个吸收;或变到量子态|x〉，完全透过．下面我们用量子力学的语言来描述单个光子与偏振片发生相互作用的过程，引入量子测量、态空间、表象、态叠加原理、波函数统计解释等量子概念．

2．2量子测量、态空间、表象

单个光子与偏振片发生相互作用的过程，可以看成是一个量子测量的过程，偏振片作为一个测量装置，迫使光子的偏振态在透振方向和与其相垂直的方向上作出选择，测量的结果只有两个，透过或被吸收，透过光子的偏振方向与透振方向一致，被吸收光子的偏振方向与透振方向垂直，可见光子经过测量后只可能处在两种偏振状态，这正是量子特性的反应．在量子力学中，针对一个具体的量子体系，对某一力学量进行测量，测量后得到的值是这一力学量的本征值，我们称它为本征结果，相应的量子态坍缩到此本征结果所对应的本征态上，所有可能的本征态则构成一组正交、规一、完备的本征函数系，此本征函数系足以展开这个量子体系的任何一个量子态．很自然，我们在这里把经过偏振片测量后，所得到的两种可能测量结果(透过或吸收)作为本征结果，它们分别对应的两种偏振状态，此两种偏振状态可以作为正交、规一、完备的函数系，组成一个完备的态空间，任何偏振态都可以按照这两种偏振态来展开，展开系数给出一个具体的表示，这就涉及到量子力学表象问题．在量子力学中，如果要具体描述一个量子态通常要选择一个表象，表象的选取依据某一个力学量(或力学量完备集)的本征值(或各力学量本征值组合)所对应的本征函数系，本征函数系作为正交、规一、完备的基矢组可以用来展开任何一个量子态，展开系数的排列组合给出某一个量子态在具体表象中的表示．结合我们的例子，组成基矢组的两种偏振状态取决于和光子发生相互作用的偏振片，具体说来是由偏振片的透振方向决定．在具体分析问题时，为了处理问题的方便，光子与哪一个偏振片发生相互作用，在数学形式上，就把光子的偏振状态按照此偏振片所决定的基矢组展开，这涉及到怎么合理选择表象的问题．

2．3态叠加原理、波函数统计解释

以上简单的试验也可以作为一个形象的例子来说明量子力学中的态叠加原理．态叠加原理的一种表述为［5］:设系统有一组完备集态函数{φi}，i=1，2，．．．，t，则系统中的任意态|ψ〉，可以由这组态函数线性组合(叠加)而成(1)另一种描述为:如果{φi}，i=1，2，．．．，t是体系可以实现的状态(波函数)，则它们的任何线性叠加式总是表示体系可以实现的状态．在我们的例子中，任何一个偏振片所对应的透振态和吸收态构成完备集态函数，任何一个偏振态都能够在以此偏振片透振方向所决定的基矢组中展开，参照图1所示，通过偏振片P1的偏振态可以在以偏振片P2透振方向所决定的基矢组{|x〉，［y)}中表示为(2)相反，|x〉、|y〉基矢的任意叠加态也都是光子可能实现的偏振态．量子力学还假定，当物理体系处于叠加态式(1)时，可以认为体系处于φi量子态的概率为|ci|2．从前面的分析我们知道，当用偏振片P2对偏振态|P1〉进行测量时，此状态随机地坍缩到|x〉偏振态或|y〉偏振态，坍缩到|x〉偏振态的概率为cos2θ，也就是单个光子透过偏振片的概率，多次统计的结果恰好与马吕斯定律相对应，这充分体现了波函数的概率统计解释．

3典型例子

在教学中我们可以引入一个有趣形象的例子，进一步加深对量子力学基本概念的理解．如图2(a)所示，一束光入射到两个顺序排列的偏振片上，偏振片P3的透振方向相对于偏振片P1的透振方向顺时针转过90°角，我们不妨在一个与光传播方向垂直的平面内选定一个xy平面直角坐标系，P1的透振方向沿x轴，P3的透振方向沿y轴．光通过偏振片P1后变成光强为I0的偏振光，偏振方向与偏振片P1透振方向平行，但与P3的透振方向垂直，则光完全被偏振片P3吸收，不能透过．下面我们将看到一个有趣的现象，在偏振片P1和偏振片P3间插入一个偏振片P2，其透振方向在P1和P3之间，这时光竟可以透过P3偏振片．对此试验，我们可由马吕斯定律给出经典的解释．我们不妨设P2的透振方向相对于P1顺时针转过45°角，通过偏振片P1后，变为光强是I0的偏振光，且偏振方向与P1透振方向一致;再通过偏振片P2后，光强变为I0/2，偏振方向沿顺时针转过45°角，与偏振片P2透振方向一致;最后通过偏振片P3后，光强进一步减弱为I0/4，偏振方向又沿顺时针改变45°角，与偏振片P3透振方向一致．可以看到一个有趣的现象，虽然介于偏振片P1和P2间的光束其偏振方向与偏振片P3的透振方向正交，但最后透过偏振片P3的光束其偏振方向却恰恰沿偏振片P3的透振方向，这正是中间偏振片P2所起的作用．下面用我们前面分析偏振光与偏振片相互作用过程中，所建立起来的量子概念给出具体解释．取直角坐标系xy，x轴沿偏振片P1的透振方向，基矢组为{|x〉，［y)};由偏振片P2的透振方向所决定的基矢组为{|x'〉，［y')}，其透振方向沿x'方向，如图3所示，两组基矢之间的关系可表示为(3)由偏振片P3所决定的基矢组仍为{|x〉，|y〉}，不过透过的光子处在|y〉基矢态．光子透过偏振片P1后，其偏振状态处在|x〉态，由式(3)，此状态可以按P2的基矢组展开为(4)根据式(4)，经过P2偏振片的测量，光子有1/2的概率坍缩到|x'〉态，光子透过P2，有1/2的概率坍缩到|y'〉态，光子被吸收．由式(3)，|x'〉态在由偏振片P3所决定的基矢组同样展开为3的测量下，偏振状态发生改变，有1/2的概率坍缩到|y〉态，透过偏振片，有1/2的概率坍缩到|x〉态，被偏振片吸收，总体来说透过偏振片P1的光子有1/4的概率透过偏振片P3，与经典的马吕斯定律相一致．特别注意到光子透过偏振片P1后，状态为|x〉态，与|y〉态正交，没有|y〉态的组分，但光子透过偏振片P3后却正处在|y〉态，这充分体现了测量可以使量子态改变的量子假定，展示了量子测量的奇妙特性．

4总结

结合对偏振光实验的量子解释，我们分析了若干重要的量子力学概念．但严格说来，光子的问题不属于量子力学问题，只有在量子场论中才能处理．采用光子的偏振情形来讨论某些量子概念，理论上虽稍欠严谨，但如上文所述，确实能够直观形象地反映量子力学中的若干基本假定，使抽象的量子力学概念落实到对具体实验的分析中来，易于被初学者接受，我们不妨在学生开始学习量子力学时引入此例，有助于学生理解抽象的量子概念，领会量子力学的思维方式．

参考文献:

［1］狄拉克．量子力学原理［M］．北京:科学出版社，1966．

［2］费因曼．费因曼物理学讲义［M］．上海:上海科学出版社，2005．

［3］曾谨言．量子力学卷1．［M］．北京:科学出版社，2006．

［4］赵凯华，罗蔚茵．量子物理［M］．北京:高等教育出版社，2001．

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当计算机遇到化学……

提到化学模型，我们可能首先会联想到中学化学课上老师用塑料球和小棍搭起来的模型。现在，建模则由计算机完成。当计算机遇到化学，便形成了计算化学这一新的交叉学科。

化学研究的核心在于“化”字，即分子之间的相互转化，旧化学键断裂、新化学键生成。只有这样，才能创造出新材料，设计出新药物。可是，分子之间的转化经常发生得很快，在毫秒瞬间，电子便从一个原子核跃迁到另一个，传统的化学方式已很难捕捉这个过程，必须借助计算机这一工具。时至今日，计算机对化学家的作用已经和化学实验手段一样重要。因为计算机对化学反应的模拟能够非常逼真，化学家们已经能够通过计算机预测传统实验的结果了。

在20世纪70年代计算机还未被普及的时候，马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特及亚利耶·瓦谢尔就打造了坚实的计算机程序基础，为后人用于了解和预测化学反应进程作了强大铺垫。近年来，因为计算方法和计算机软硬件的飞速发展，在他们的基础上取得了很多的后续成果，并得到推广应用。

得益于他们的工作，我们将解开许多关于自然界的疑问。比如世界上最重要的化学反应——光合作用是怎么进行的？如果能模拟出来，那么我们就将能制造出更加高效的太阳能电池板；催化剂如何加快化学反应？如果深入了解其中的机理，我们可以尝试通过催化让水分子分解，从而开发出清洁的能源；药物如何在人体中发生作用？通过计算的方法，寻找出药物的靶点以及可能的药物干扰，我们就能设计出满足我们特定需求的理想药物。

诺贝尔“理综”奖？

如果化学反应在气相中发生，由于参与反应的分子受环境影响小，因此是理想的模型体

系（1986年，李远哲等三人因为用实验方法揭示气相化学反应微观细节而获得诺贝尔化学奖）；然而，化学反应更多是在液相，在生物体系中发生，体系自由度多，非常复杂，不容易弄清楚细节。而反映真实情况的多尺度模型可以用来研究复杂体系的分子行为，包括液相化学反应或者是生化反应。

为什么生物体系中的分子反应如此复杂呢？举例来说，“人体的一个细胞内就可有上百亿个蛋白质分子。一个大的蛋白质分子可包含上百万个原子。蛋白质内每两个原子间都有相互作用，这些原子处于不停的运动中，其情形就像北京城内同一时刻有两百万辆机动车行驶一样。计算和跟踪一个蛋白质的原子运动就像记录和监控北京的车辆一样。如此巨大的分析计算量必须借助计算机技术来存储和分析。”这番话出自中科院计算数学与科学工程计算研究所的卢本卓研究员，他的研究方向就与此次诺贝尔化学奖相关，而他原本是学物理出身。这是不是有点儿“乱套”了？当然没有，而且还恰恰反映了本届诺贝尔化学奖的交叉学科属性，即计算机、物理、数学、生物学和化学等多学科相互渗透和融合。难怪本届诺贝尔化学奖被戏称为诺贝尔“理综”奖。

这是化学的荣誉

虽然被戏称为“理综”奖，但这的的确确是属于化学的荣誉。理论化学发展到今天，其最大的组成部分就是计算化学。计算化学的基础理论大多来源于两部分：量子力学和牛顿经典力学，这两个学科在化学上的应用则分别诞生了量子化学和分子模拟两个学科。涉及电子的化学反应需要用量子化学来解决，一旦涉及到分子间的相互作用，其量子效应往往可以忽略不计，使用经典力学就足以描述，从而大大地简化了计算，这就是分子模拟。

当描述化学反应的过程时，量子力学的描述是小而精，经典力学的描述大却精度不高。如果都用高精度的方法来描述化学过程，理论上当然不错，但实际计算将难以进行。所以，多尺度组合的方法便成了最好的选择。这也体现了三位获奖者开创性工作之所在，即把两种体系中的精华部分提取了出来，并且找到了适用于二者的研究方法。

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关键词：2013年诺贝尔化学奖；理论与计算化学；计算机辅助；模型化学

文章编号：1005?6629（2014）3?0011?04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

2013年的诺贝尔化学奖被授予了Martin Karplus、Michael Levitt以及Arieh Warshel三位美国科学家，以表彰他们在发展复杂化学体系多尺度模型方面所做出的杰出贡献。我们知道，长久以来，化学学科的奠基和发展始终离不开化学家在实验室中的辛勤劳动，但与此同时，随着实践知识的不断丰富和完善，以及运算能力的突飞猛进，理论和计算化学有可能也应当在新世纪在化学学科的传统领域发挥更大的作用。当前，解开每个人生命背后的谜团也是人们的兴趣所在。Karplus，Levitt和Warshel三位科学家将经典力学模拟方法结合最新发展的量子物理计算方法，为建立和发展多尺度复杂模型的理论模拟研究做出了基础性的贡献。那么，到底什么是理论模拟方法？它有什么重要的科学意义？对我们又有什么启迪？

1 理论与计算化学的建立和发展历程

20世纪初量子力学的发现为科学家们打开了深层次研究分子和原子的大门。量子力学中著名的薛定谔方程以其优美简洁的形式描述了原子和分子的重要组成部分――电子的行为[1]。1927年，Walter Heitler以及Fritz London两位科学家利用薛定谔方程解开了氢气分子电子结构[2]，理论化学从此悄然兴起。随后，价键理论[3]、Hartree-Fock理论[4]、分子轨道理论[5]等的建立极大地丰富了理论化学的内容。从此，化学学科可以说与物理学一样，开始了真正的两条腿走路，而不再只是依靠实验知识的获取跛足而行。

早在20世纪50年代，科学家利用半经验的方法对原子轨道进行了计算。50至60年代期间，各种各样基于现代量子理论的计算已经被用来计算一些简单分子的电子结构和相互作用。20世纪70年代，例如Gaussian？、ATMOL？、IBMOL？等量子化学计算软件的开发也扩充了计算化学的内涵。

与此同时，新的化学合成与表征技术的开发使得越来越多新颖的分子被制造出来，人们不仅需要认识这些新分子，而且也需要借助一定手段来指导新分子的合成。在这样的前提下，就需要借助计算机对分子进行模拟。

1990年，密度泛函理论（Density Functional Theory）的提出将理论和计算化学带到了一个新纪元。和以往的方法相比，密度泛函理论解决了以往的分子模型中电子交换和相关作用的近似，由其得出的分子几何结构和电子结构的预测与实验数据吻合得非常好。直至目前，密度泛函理论依然是分子和化学反应模拟中最重要也是最为常用的方法，两位科学家Walter Kohn[6]和John Pople[7]因为分别发展了密度泛函理论以及将这种量子力学计算方法融入到计算化学中去而获得了1998年的诺贝尔化学奖，这是诺贝尔化学奖第一次被授予理论和计算化学领域的科学家。获奖者之一的Pople也是著名量子化学计算软件Gaussian[8]的开发者之一，该软件在2009年又进行了一次更新，是当今功能最完善、计算最有效、生命力最长的量子化学计算软件。

目前，专门刊登量子化学理论、模型化学和计算化学的学术期刊也纷纷涌现，如，美国化学会（American Chemistry Society）下已有Journal of Chemical Information and Modeling， Journal of Chemical Theory and Computation， Journal of Physical Chemistry A三本期刊出版，而著名学术出版集团Elsevier也有Journal of Molecular Graphics and Modeling， Journal of Molecular Modeling， International Journal of Quantum Chemistry和Computational and Theoretical Chemistry等专刊，国内也有例如《物理化学学报》和《计算机及应用化学》等期刊。

2 复杂化学体系多尺度模型的建模以及应用

1976年，Michael Levitt和Arieh Warshel二人提出了酶催化生物化学反应的通用理论研究方法[10]。这个方法将生物酶-底物间的复合物和溶剂作用一起考虑在整个体系之内，并且用量子力学和经典力学两种方法探讨了所有可能影响催化路径的因素。其中，量子力学包含了酶-底物键的断裂，底物与酶结合时电荷的重新分布；而经典力学部分则考虑了酶和底物之间的立体作用能和静电作用能。综合考虑以上两点，两位作者以一种水解酶裂解糖苷键为实例，首次进行了水解酶-糖苷这个复杂化学体系多尺度模型的理论计算（图1）。如今复杂化学体系的QM/MM方法已经被广泛应用到酶-底物催化反应，有机反应以及DNA/RNA的相关研究中去。

那么，如何建立一个合理的多尺度复杂模型？科学家们和软件工程师们通力合作开发出了各种功能强大的分子建模和可视化软件。对于小分子的构建，最为常用的为PerkinElmer公司下属的剑桥软件公司开发的ChemBioOffice？系列软件，包括了ChemBioDraw？和ChemBio 3D？两个模块（图2）。当在软件窗口的右侧ChemDraw？面板画出感兴趣的分子后，左边的窗口就会立即显示出分子的3D模型。本软件还包括了其他很多内容，例如对分子进行简单的几何结构优化操作或者分子动力学计算，根据计算结果画出分子的部分电荷、分子轨道等信息。

GaussView？是Gaussian公司开发的用于分子建模的软件包，目前已经更新到GaussView5.0b版本。此软件包的功能类似于ChemBioOffice？，该软件并不如ChemBioOffice？那样还具有计算功能，而只是作为量子化学计算软件Gaussian？的图形输入接口，图3是利用GaussView？创建了联苯分子，当利用Gaussian？软件对分子进行计算完毕之后，也能够展示分子轨道的图形。

以上两种软件不仅可以在各自的软件内部进行计算，而且ChemBioOffice？软件还提供了Gaussian？计算软件的接口。我们可以在ChemBioOffice？中构建完小分子，并设置运行参数之后在Gaussian？中进行对应的计算。

在一个复杂化学体系中，往往还要涉及到生物大分子的构建。现在科学家们已经构建起了大分子结构库，最著名就是由美国布鲁克海文（Brookhaven）国家实验室建立的蛋白质数据库（Protein Data Bank，http：// rcsb.org）。库内包含了蛋白质、多肽、DNA、RNA等95644个晶体结构数据。我们可以通过下载数据来得到生物大分子的晶体结构。

Accelrys公司开发的Discovery Studio Client？软件能够读取从Protein Data Bank下载的pdb文件，如图4展示的是Discovery Studio Client？的界面，展示了人体血清白蛋白和一种DNA的结构。

此外，Discovery Studio Client？还具有将小分子和大分子组装结合在一起的功能，如图5分别是将一种长链的污染物分子结合到了脂肪酸结合酶和人体血清白蛋白中，这就完成了一个复杂化学体系的模型构建。

VMD？软件也是一种常用的可视化软件，相对于Discovery Studio Client？，其功能更侧重于动态展现动力学情况下分子的运动和形变情况。图6则是VMD？软件的界面以及其展示的人体血清白蛋白分子和DNA分子。

在分子建模完成之后，就可以对一个建立完成的化学体系进行理论的计算，预测这个复杂化学体系的物理化学性质。对于一个多尺度模型的计算，计算方法的选择也是多尺度的。首先，对需要模拟的化学反应的区域要进行界定。在界定了这个区域之后，必须对这个区域内的分子进行高精度的量子化学计算，模拟或预测该区域内可能存在的化学键以及键的断裂。在界定的反应区域之外，由于不牵涉到化学反应，所以不需要高精度的量子化学计算方法，而只需要相对简单的半经验的计算方法或者更简单的分子力学方法进行计算。总而言之，这就是复杂化学体系多尺度模型的计算，即QM/MM计算。涉及量子化学部分的QM计算，需要用到包含量子化学计算的软件，例如最著名的Gaussian？，GAMESS？等。在这些软件中，也可以采用ONIOM方法[12]进行计算。

3 复杂化学体系多尺度模型建立的科学意义及其展望

结合理论以及计算化学发展本身的历程来看，复杂化学体系多尺度模型具有十分重要的科学意义。首先，此模型的建立使我们从简单分子的化学反应进入到了生物大分子体系的理论计算研究。利用理论计算这个强有力的工具，生命科学的奥秘将很快被解开，人们对生命科学背后的化学机制的认识将会上升到分子层面，对带动化学，乃至生命科学学科具有举足轻重的作用。其次，多尺度模型的建立也能够促进理论和计算化学本身的发展，丰富理论和计算化学本身的内涵，并且随着研究体系的进一步复杂化，将在现有的多尺度基础上提出新的超尺度模型的可能。

此外，作为一门交叉学科，理论和计算化学的发展也势必会带动其他相关学科的进一步发展。90年代开始，纳米学科蓬勃发展，各种新材料如雨后春笋般出现，得益于理论化学中平面波和赝势（即将离子实的内部势能用假想的势能取代真实的势能，但在求解波动方程时，不改变能量本征值和离子实之间区域的波函数）的发展，对具有周期性结构的晶体材料性质的模拟和预测也成为可能。目前，已经有Material Studio？、VASP？等多种模拟软件。在药物合成方面，计算机辅助药物合成的概念已经深入人心（Computer-aided Drug Design）。顾名思义，计算机辅助药物设计利用计算化学这个强有力的工具来发现或者研究具有生物活性的药物分子的行为，其最基本的目标就是通过计算化学来预测一个分子与靶生物分子是否会结合，并且其结合能力有多强，能够实现这一功能的软件则包括了GOLD？、SYBYL？等等。

可以说，理论和计算化学已经成为辅助化学家们探索世界的重要工具，也成为了指引科学家探索未知世界的新罗盘。

参考文献：

[1] Schrodinger E. An Undulatory Theory of the Mechanics of Atoms and Molecules. Phys. Rev.， 1926， 28， 1049～1070.

[2] Heitler， W. & London， F. Wechselwirkung Neutraler Atome und hom？opolare Bindung nach der Quantenmechanik. Zeitschrift fur Physic 1927， （44）： 455～472.

[3] Pauling， L. Electronic Structure of the Benzene Molecule. Nature， 1987： 325， 396.

[4] Levine， I. N. Quantum Chemistry （4th edition）， Englewood Cliffes， New Jersey： Prentice Hall.

[5] Mulliken， R. S. Electronic Structures of Polyatomic Molecules and Valence. II. General Considerations. Phys. Rev. 1932， （41）： 49～71.

[6] Hohenberg P.； Kohn， W. Inhomogeneous Electron Gas. Phys. Rev. 1964， （136）： B864～B871.

[7] Pople， J. A. Molecular Association in Liquids： II. A Theory of the Structure of Water. Proc. Royal Soc. A， 1951： 205， 163.

[8] Gaussian 09， Revision D.01， M. J. Frisch， G. W. Trucks， H. B. Schlegel， G. E. Scuseria， M. A. Robb， J. R. Cheeseman， G. Scalmani， V. Barone， B. Mennucci， G. A. Petersson， H. Nakatsuji， M. Caricato， X. Li， H. P. Hratchian， A. F. Izmaylov， J. Bloino， G. Zheng， J. L. Sonnenberg， M. Hada， M. Ehara， K. Toyota， R. Fukuda， J. Hasegawa， M. Ishida， T. Nakajima， Y. Honda， O. Kitao， H. Nakai， T. Vreven， J. A. Montgomery， Jr.， J. E. Peralta， F. Ogliaro， M. Bearpark， J. J. Heyd， E. Brothers， K. N. Kudin， V. N. Staroverov， R. Kobayashi， J. Normand， K. Raghavachari， A. Rendell， J. C. Burant， S. S. Iyengar， J. Tomasi， M. Cossi， N. Rega， J. M. Millam， M. Klene， J. E. Knox， J. B. Cross， V. Bakken， C. Adamo， J. Jaramillo， R. Gomperts， R. E. Stratmann， O. Yazyev， A. J. Austin， R. Cammi， C. Pomelli， J. W. Ochterski， R. L. Martin， K. Morokuma， V. G. Zakrzewski， G. A. Voth， P. Salvador， J. J. Dannenberg， S. Dapprich， A. D. Daniels， ？. Farkas， J. B. Foresman， J. V. Ortiz， J. Cioslowski， and D. J. Fox， Gaussian， Inc.， Wallingford CT， 2009.

[9] CHARMM： The Biomolecular Simulation Program， J. Comp. Chem. 30， 1545～1615 （2009）， by B. R. Brooks， C. L. Brooks III， A. D. Mackerell， L. Nilsson， R. J. Petrella， B. Roux， Y. Won， G. Archontis， C. Bartels， S. Boresch A. Caflisch， L. Caves， Q. Cui， A. R. Dinner， M. Feig， S. Fischer， J. Gao， M. Hodoscek， W. Im， K. Kuczera， T. Lazaridis， J. Ma， V. Ovchinnikov， E. Paci， R. W. Pastor， C. B. Post， J. Z. Pu， M. Schaefer， B. Tidor， R. M. Venable， H. L. Woodcock， X. Wu， W. Yang， D. M. York， and M. Karplus.

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本书阐明数学建模和计算建模在多种多样学科中的应用。本书的重点在于说明数学建模和计算建模具有跨学科的性质，各章的作者都是自然和社会科学、工程学和艺术等领域的国际级专家，为读者提供当代在发展数学建模和计算机实验的方法论方面的丰富成果。本书也是关于应用数学和计算数学的方法、思想和工具等方面的很有价值的导引书，藉助这些方面的知识有利于解决自然科学、社会科学、工程和技术等方面的问题。

本书的特点在：（1） 严格的数学步骤和实例――数学创新和发现的驱动力；（2）从广泛学科中挑选的众多实例，重在说明应用数学和数学建模的多学科应用和普适性；（3） 来自人类知识各方面发展中既有理论也有应用的原创性结果；（4）促进数学家、科学家和工程师之间进行交叉学科相互作用的讨论。

对于从事数学和统计科学、模化和模拟、物理学、计算科学、工程学、生物和化学、工业和计算工程等领域的专业人员来说，本书是一个理想的资源。本书也可当作数学建模、应用数学、数值方法、运筹学以及优化等方面的大学课程的教科书。

本书共分5部分，12章。第1部分 引论，含第1章：1.在理解自然、社会和人造世界中数学模型的普适性。第2部分 在物理学和化学中的高等数学模型和计算模型，含第2-4章：2.磁涡，Abrikosov 晶格，以及自同构函数；3.在Cholesky分解的局部关联量子化学构架中的数值挑战；4.量子力学中的广义变分原理。第3部分 在生命科学和气候科学的应用中的数学模型和统计模型，含第5-6章：5.具有药物敏感、出现多重耐药以及广泛耐药株的结核病的传播模型；6.着眼于抗菌素耐药性而对更加综合的传染病进行建模的需要。第4部分 科学和工程中的数学模型和分析，含第7-10章：7.动力学系统中由数据驱动的方法：量化可预报性以及提取时空图案；8.求解Banach空间中非线性反问题进行正则化时的光滑度概念；9.一阶对称的具有约束的双曲型系统的初值问题和初边值问题；10.信息集成，组织和数值调和分析。第5部分 社会科学和艺术中的数学方法，含第11-12章：11.满意认可的选举；12.使用几何量化对音乐韵律变化建模。

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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。

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关键词：科学素养；科学方法；科学意识；科学精神；大学物理

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）03-0110-02

“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？”这个被称为“钱学森之问”的问题，已引起上至国务院总理下至普通学生的深思。中国学生虽在国际奥林匹克竞赛中屡屡获奖，却一直与诺贝尔科学奖无缘。2010年11月第八次中国公民科学素养调查结果显示，2010年具备基本科学素养的公民比例为3.27%，仅相当于主要发达国家和地区20世纪80年代末、90年代初的水平[1]。面对这些事实，我们不能不对现行的学校科学教育进行深刻反思。学校和社会一直倡导素质教育，但是素质教育就是多搞文体活动和多学琴棋书画吗？这是误解，更是误导。其实，素质教育的一个重要内容，就是提高科学素养。

一、什么是科学素养

“科学素养”这一概念是伴随着20世纪五六十年代美国“课程改革运动”而系统确立起来[2]。尽管对这一概念的内涵尚未达成共识，但是，把科学素养作为科学教育的目标，已在世界各国取得共识。明确提出科学素养包含三个维度，并给出测评指标进行测度的主要有以下几种。第一种是美国J・米勒教授提出的公民科学素养概念[3]。J・米勒的科学素养模型维度概括为：科学知识；科学方法；科学意识。自1979年以来，该指标体系及其测评结果一直为美国国家自然基金会所采用。第二种是世界经济合作与发展组织开发的国际学生测评项目（PISA）提出的科学素养概念。PISA将科学素养定义为“15岁学生为了理解自然界及人类活动引起的自然界变化并有助于相关决策，而使用科学知识、识别科学问题、得出有根据的结论的能力”，该定义包含“科学方法或技能”、“科学概念与内容”及“语境”等三个维度[4]。虽然以上两种科学素养概念的维度有所不同，但是可以看出，科学知识、科学方法、科学能力、科学精神和科学意识都属于科学素养教育的范畴。

二、《物理》课程在培养科学素养中的重要性

《物理》、《化学》、《生物》等课程都是学校教育中培养学生科学素养的重要课程，而《物理学》又是一切自然科学和工程技术的基础。2007年第10期青年科学《测测你的科学素养有多高》中判断16个科学观点的对错。其中有10个观点都可以在《物理》课程中找到答案，可见，《物理》课程在科学教育中的重要性。

三、大学《物理》教学中如何培养学生的科学素养

大学《物理》课程是高等学校理工科各专业学生的一门重要的通识性必修基础课，在培养学生的科学素养方面，具有其他课程不能替代的重要作用。下面谈谈大学《物理》课程对培养学生科学素养，尤其是科学方法、意识和精神等方面笔者的一些思考和做法。

1.科学方法的培养。“授之以鱼”不如“授之以渔”，方法对学生的终身发展至关重要。物理学中有许多科学方法。观察法、实验法、理想化方法、类比方法、假设方法和数学方法等是物理学的基本研究方法，不仅适用于自然科学的研究，也适用于其他科学技术领域和各种工作领域。分析、综合、抽象、概括、归纳、演绎、类比等普通的逻辑方法是《物理》学科中常用的逻辑思维方法，更是普遍应用于人的各种思维活动。如果学生掌握了这些方法，就会在以后的工作中自觉地运用这些物理方法思考问题、解决问题，并具备实事求是，严谨科学的意识。也就是说，掌握了科学的方法，就有了在未来从事各项工作的“武器”。笔者在大学《物理》教学中，非常重视物理方法的介绍。①重视物理方法的提炼和总结。自然界发生的一切物理现象和物理过程，一般都是比较复杂的，为了降低研究的难度，在物理研究中产生了理想化方法，就有了质点、刚体、弹簧振子、理想气体、点电荷等理想模型。在讲解这些概念时重点讲解这些模型形成的必要性和这种方法的重要性，让学生知道这是处理自然界复杂问题的常用的科学抽象的方法，是一种重要的科学研究方法，在自然科学研究中占有重要地位。②通过物理学史的引入，加强科学方法的教学。牛顿在伽利略、开普勒等前人成果的基础上，用归纳法获得了经典力学的基本概念和力学三大定律，又用演绎的方法获得了万有引力定律并发明了微积分。在量子力学中，从黑体辐射问题的研究中出现的“紫外灾难”到普朗克的量子假说，到爱因斯坦“光量子假说”，到玻尔的旧量子论，到海森伯、薛定谔提出的量子力学，再应用爱因斯坦相对论提出相对论量子力学的整个量子理论的发展史无不体现了假说―理论―新假说―新理论的循环发展模式；在提出假说阶段常常运用归纳和类比的推理方法，在验证和确立假说阶段的演绎推理方法又时时出现。介绍这些历史，不但让学生学到了物理知识，而且让学生用物理学家的方法和思路研究这些《物理》内容，无形中会受到良好的科学方法教育。

2.重视介绍物理的应用，培养学生良好的科学意识。科学意识就是从科学的角度理解问题、分析问题和解决问题的思想观念及其行为。学生只有知道了科学的应用，才会在生活和工作中有科学的意识。《物理》课程是一门实用性很强的科学，所以在教学中就要多介绍物理知识的广泛应用，尤其是最新的应用。例如，在电磁感应部分，除了介绍常见的涡流加热和制动、微波加热、电子感应加速器外，再介绍机场安检处的金属探测器（或棒）以及交通部门的交通探测器、银行卡信息的存储和读取原理等；介绍这些实用知识不但会引起学生极大的兴趣，也会引起学生主动思考生活中的问题，树立良好的科学意识。

3.科学精神的培养。科学精神包括求实精神、创新精神、怀疑精神、宽容精神等几个方面，其中最主要的是求实与创新。如何培养学生的科学精神？在授课中要注意启发式教学，多提出问题，多质疑，启发学生思考和发现，培养他们的主动参与的意识和创新意识。适当增加物理学史，让物理学家们的不怕困难、无私奉献，敢于质疑以及开拓创新的科学精神感染学生。

总之，在大学《物理》教学中要利用一切可能的途径向学生传授科学的基础知识，培养科学的分析问题和解决问题的能力，培养学生用科学的观点理解自然界现象并能作出决断以及辨识真伪的能力，同时拥有良好的科学态度和科学精神。

参考文献：

[1]中国科学技术协会.第八次中国公民科学素养调查结果.[EB/OL].

[2]李雁冰.科学探究、科学素养与科学教育[J].全球教育展望，2008.（12）：14-18.

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蒸蒸日上的凝聚态物理学

自从80年代中期发现了所谓高临界温度超导体以来，世界上对这种应用潜力很大的新材料的研究热情和乐观情绪此起彼伏，时断时续。这种新材料能在液氮温区下传导电流而没有阻抗。高临界温度超导材料的研究仍是今后凝聚态物理学中活跃的领域之一。目前，许多国家的科学工作者仍在争分夺秒，继续进行竞争，向更高温区，甚至室温温区超导材料的研究和应用努力。可以预计，这个势头今后也不会减弱，此外，高临界温度的超导材料的机械性能、韧性强度和加工成材工艺也需进一步提高和解决。科学家们预测，21世纪初，这些技术问题可以得到解决并将有广泛的应用前景，有可能会引起一场新的工业革命。超导电机、超导磁悬浮列车、超导船、超导计算机等将会面向市场，届时，世界超导材料市场可望达到2000亿美元。

由不同材料的薄膜交替组成的超晶格材料可望成为新一代的微电子、光电子材料。超晶格材料诞生于20世纪70年代末，在短短不到30年的时间内，已逐步揭示出其微观机制和物理图像。目前已利用半导体超晶格材料研制成许多新器件，它可以在原子尺度上对半导体的组分掺杂进行人工“设计”，从而可以研究一般半导体中根本不存在的物理现象，并将固态电子器件的应用推向一个新阶段。但目前对于其他类型的超晶格材料的制备尚需做进一步的努力。一些科学家预测，下一代的电子器件可能会被微结构器件替代，从而可能会带来一场电子工业的革命。微结构物理的研究还有许多新的物理现象有待于揭示。21世纪可能会硕果累累，它的前景不可低估。

近年来，两种与磁阻有关的引起人们强烈兴趣的现象就是所谓的巨磁阻和超巨磁阻现象。一般磁阻是物质的电阻率在磁场中会发生轻微的变化，而巨磁和超巨磁可以是几倍或数千倍的变化。超巨磁现象中令人吃惊的是，在很强的磁场中某些绝缘体会突变为导体，这种原因尚不清楚，就像高临界温度超导材料超导性的原因难以捉摸一样。目前，巨磁和超巨磁实现应用的主要障碍是强磁场和低温的要求，预计下世纪初在这方面会有很大的进展，并会有诱人的应用前景。

可以预计，新材料的发展是21世纪凝聚态物理学研究重要的发展方向之一。新材料的发展趋势是：复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微观化。如，成分密度和功能不均匀的梯度材料；可随空间时间条件而变化的智能材料；变形速度快的压电材料以及精细陶瓷材料等都将成为下世纪重要的新材料。材料专家预计，21世纪新材料品种可能突破100万种。

等离子体物理与核聚变

海水中含有大量的氢和它的同位素氘和氚。氘既重氢，氧化氘就是重水，每一吨海水中含有140克重水。如果我们将地球海水中所有的氘核能都释放出来，那么它所产生的能量足以提供人类使用数百亿年。但氘和氚的原子核在高温下才能聚合起来释放能量，这个过程称为热核反应，也叫核聚变。

核聚变反应的温度大约需要几亿度，在这样高的温度上，氘氚混合燃料形成高温等离子体态，所以等离子体物理是核聚变反应的理论基础。1986年美国普林斯顿的核聚变研究取得了令人鼓舞的成绩，他们在TFTR实验装置上进行的超起动放电达到20千电子伏，远远超过了“点火”要求。1991年11月在英国卡拉姆的JET实验装置上首次成功地进行了氘氚等离子体聚变试验。在圆形圈内，2亿度的温度下，氘氚气体相遇爆炸成功，产生了200千瓦的能量，虽然只维持了1.3秒，但这为人类探索新能源——核聚变能的实现迈进了一大步。这是90年代核能研究最有突破性的工作。但目前核聚变反应距实际应用还有相当大的距离，技术上尚有许多难题需要解决，如怎样将等离子加热到如此高的温度？高温等离子体不能与盛装它的容器壁相接触，否则等离子体要降温，容器也会被烧环，这就是如何约束问题。21世纪初有可能在该领域的研究工作中有所突破。

纳米技术向我们走来

所谓纳米技术就是在10[-9]米（即十亿分之一米）水平上，研究应用原子和分子现象及其结构信息的技术。纳米技术的发展使人们有可能在原子分子量级上对物质进行加工，制造出各种东西，使人类开始进入一个可以在纳米尺度范围，人为设计、加工和制造新材料、新器件的时代。粗略的分，纳米技术可分为纳米物理、纳米化学、纳米生物、纳米电子、纳米材料、纳米机械和加工等几方面。

纳米材料具有常规材料所不具备的反常特性，如它的硬度、强度，韧性和导电性等都非常高，被誉为“21世纪最有前途的材料”。美国一研究机构认为：任何经营材料的企业，如果现在还不采取措施研究纳米材料的开发，今后势必会处于竞争的劣势。

纳米电子是纳米技术与电子学的交叉形成的一门新技术。它是以研究纳米级芯片、器件、超高密度信息存储为主要内容的一门新技术。例如，目前超高密度信息存储的最高存储密度为10[12]毕特／平方厘米，其信息储存量为常规光盘的10[6]倍。

纳米机械和加工，也称为分子机器，它可以不用部件制造几乎无任何缝隙的物体，它每秒能完成几十亿次操作，可以做人类想做的任何事情，可以制造出人类想得到的任何产品。目前采用分子机器加工已研制出世界上最小的（米粒大小）蒸汽机、微型汽车、微型发电机、微型马达、微型机器人和微型手术刀。微型机器人可进入血管清理血管壁上的沉积脂肪，杀死癌细胞，修复损坏的组织和基因。微型手术刀只有一根头发丝的百分之一大小，可以不用开胸破腹就能完成手术。21世纪的生物分子机器将会出现可放在人脑中的纳米计算机，实现人机对话，并且有自身复制的能力。人类还有可能制造出新的智能生命和实现物种再构。

“无限大”和“无限小”系统物理学

“无限大”和“无限小”系统物理学是当今物理学发展的一个非常活跃的领域。天体物理和宇宙物理学就属于“无限大”系统物理学的范畴，它从早期对太阳系的研究，逐步发展到银河系，直到对整个宇宙的研究。热大爆炸宇宙模型作为本世纪后半叶自然科学中四大成就之一是当之无愧的。利用该模型已经成功地解释宇宙观测的最新结果。如宇宙膨胀，宇宙年龄下限，宇宙物质的层次结构，宇宙在大尺度范围是各向同性等重要结果。可以说具有暴胀机制的热大爆炸宇宙模型已为现代宇宙学奠定了一定的基础。但是到目前为止，关于宇宙的起源问题仍没有得到解决，暴胀宇宙论也并非十全十美，事实上想一次就能得到一个十分完善的宇宙理论是很困难的，这还有待于进一步的努力和探索。

“无限大”系统物理学还有两个比较重要的问题是“类星体”和“暗物质”。“类星体”是1961年发现的，一个类星体发出的光相当于几千个星云，而每个星云相当于1万亿个太阳所发出的光，所以对类星体的研究具有十分重大的意义。60年代末，科学家们发现一个编号为3C271的类星体，一天之内它的能量增加了一倍，到底是什么原因使它的能量增加如此迅速？有待于21世纪去解决。“暗物质”是一种具有引力，看不见，什么光也不发射的物质。宇宙中百分之九十以上的物质是所谓的“暗物质”，这种“暗物质”到底是什么？我们至今仍不清楚，也有待于下世纪去解决。

原子核物理和粒子物理学则属于“无限小”系统物理学的范畴，它从早期对原子和原子核的研究，逐步发展到对粒子的研究。粒子主要包括强子（中子、质子、超子、л介子、K介子等）、轻子（电子、μ子、τ轻子等）和媒介子（光子、胶子等）。强子是对参与强相互作用粒子的总称，其数量几乎占粒子种类的绝大部分；轻子是参与弱相互作用和电磁相互作用的，它们不参与强相互作用；而媒介子是传递相互作用的。目前，人们已经知道参与强相互作用的粒子都是由更小的粒子“夸克”组成的，但是至今不能把单个“夸克”分离出来，也没有观察到它们可以自由地存在。为什么“夸克”独立不出来呢？还有一个不能解释的问题是“非对称性”，目前我们已有的定理都是对称的，可是世界是非对称的，这是一个有待于解决的矛盾。寻找独立的夸克和电弱统一理论预言的、导致对称性自发破缺的H粒子、解释“对称”与“非对性”的矛盾，是21世纪粒子物理学研究的前沿课题之一。

从表面上看“无限大”系统物理学与“无限小”系统物理学似无必然的联系。其实不然，宇宙和天体物理学家利用广义相对论来描述引力和宇宙的“无限大”结构，即可观察的宇宙范围；而粒子物理学家则利用量子力学来处理一些“无限小”微观区域的现象。其实宇宙系统与原子系统在某些方面有着惊人的相似性。预计21世纪“无限大”系统物理学将会与“无限小”系统物理学结合得更加紧密，即宏观宇宙物理学和微观粒子物理学整体联系起来。热大爆炸宇宙模型就是这种结合的典范，实际上该模型是在粒子物理学中弱电统一理论的基础上建立起来的。可以预计，这种结合对科技发展和应用都会产生巨大的影响。

二、跨世纪科学技术的发展趋势

科学技术能否取得重大突破的关键取决于基础科学的发展。所以，首先必须重视基础科学的研究，不能忽视更不能简单地以当时基础科学成果是否有用来衡量其价值。相对论和量子力学建立时好像与其他学科和日常生活无关，直到20世纪中期相对论和量子力学在许多科学领域中引起深刻的变革才引起人们的足够重视。可以说，20世纪几乎所有的重大科技突破，像原子能、半导体、激光、计算机等，都是因为有了相对论和量子力学才得以实现。可以说，没有基础科学就没有科学技术、社会和人类的发展。

20世纪重大科技成果的成功经验证明，不同学科间的互相交叉、配合和渗透是产生新的发明与发现，解释新现象，取得科学突破的关键条件之一。例如，核物理与军事技术的交叉产生了原子弹；半导体物理与计算技术的交叉产生了计算机。可以预计，21世纪待人类掌握核聚变能的那一天，一定是核物理、等离子体物理、凝聚态物理和激光技术等学科的交叉和配合的结果。这也是21世纪科学技术的发展趋势之一。

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关键词：考试；应用试题；机考；公式

一、大学物理考试存在的问题

大学物理是高等学校理工科专业开设的一门基础课程，该课程在培养理工科学生的科学素质和综合能力方面起着其他学科不可替代的作用。

在理工科各专业中，学生普遍认为大学物理课程难学，这可以从大学物理学的考试成绩中得到体现。我校电子工程学院2005级至2011级学生的大学物理课程学习成绩的数据分布表明，大学物理课型Ⅰ（上册）的不及格率一直居高不下，平均不及格率40%左右；而大学物理课型Ⅰ（下册）的学习成绩也不理想，时好时差，并不稳定。学生的学习成绩为教学提供了反馈信息，迫切需要教师改进教学方式，激发学生学习兴趣，以提高教学效果。

针对理工科专业的大学物理教学现状，笔者曾在小范围内展开问卷调查（针对理工科专业160名学生，就大学物理教师的教学内容、教学方法、考试方式等几个层面开展调查），结果表明：传统的考试模式带来的问题最多，单一的闭卷考试导致“一卷定终身”。尽管传统的考试模式具有比较客观、公正等优点，但普遍存在“重知识、轻能力，重记忆、轻创新”等现象，难以适应素质教育的需要。

二、大学物理考试改革的三个方面

目前，大学物理课程组全体教师积极投身于大学物理考试改革之中，花费大量的时间和精力考虑如何选择考试内容和考核方式。结合大学物理课程教学，笔者从培养综合素质和创新能力的指导思想出发，探索出以下三个方面：

1.考试内容向应用能力集中。大学物理课程是在中学所学物理知识基础上的进一步深入和延展，其特点是用高等数学的知识解决各个领域的实际应用问题。考试时要针对不同专业拟在考题中加大专业性实际应用试题，例如，在给化工学院讲授“近代物理的量子力学隧道效应”时，可结合美国和德国科学家在《科学》杂志上的撰文：研究发现量子力学隧道效应可影响化学反应结果。他们在实验中发现并首次证明，一种名为“隧道控制”的新机制或许是化学反应中新的驱动力，它可让化学反应偏离传统方向，获得新的反应结果。通过这个例子的讲授，可激发化工学院学生学学物理的兴趣。为实现考试内容向应用能力集中，拟分配一到两名教师针对不同的专业需求整理专业应用试题，将教学和考核内容与专业教师的科研方向相结合，科研成果的“新”“争议性”以及“创新性”更能激发学生的兴趣，促使学生参与教学。当专业的科研成果与大学物理理论知识密切相关时，学生看到“经典内容”的现代性，能激发学学物理理论知识的兴趣，产生内在的学习动力。

2.考试形式加入无纸化考试。在大范围的基础课教学中，无纸化考试已逐渐开展起来，大学物理课程平时机考的实施是理工科基础课程探索考试方法改革的重要实践。机考可以逐步加大平时考核比例，引导学生进行自主性学习和研究性学习，但是基于物理学的特点，全部教学内容实行机考是不合适的。我们拟将“一卷定终身”变为平时两次机考+期末考试的考核方式，以正确引导学生注重学习过程中的知识积累和能力培养。为开展机考工作，需建立大学物理机考题库，目前我们已着手自行编写适合我校理工科考试水平的机考题目。为保证机考的公平性，教师根据考试内容涉及的知识点及其难易程度设计题库。平时机考的增加势必给教学生带来考试压力，为此我们打算编写一个大学物理机考的辅导材料，要求学生根据课堂所学内容，结合辅导材料充分地备考。

3.考试试卷给出常用公式。大学物理包括了力学、热学、电磁学、光学及近代物理等内容，涉及大量的定理、定义和公式。在教学要求上，主要是培养学生对具体问题能够运用基本的物理学原理加以分析、讨论，提出解决问题的途径和方法，而只是最后的解题过程要使用相应的公式。在考试过程中，学生往往能正确地分析问题，但由于公式记不住或记不准确，容易造成解题错误，仅仅从这道题目来说，并不能真正反映出对知识的掌握程度。针对这种情况，笔者认为应该在考试的时候给出主要公式，将学生的注意力有意识地吸引到对问题的深入分析、理解及所学知识的实际应用上，使他们认识到大学物理在分析实际问题时的基础作用。

对大学物理考试改革做这样一些探索，最终的目的是使教育的中心由教师转向学生，让学生成为教学主体。这种多样性考核的方式不仅影响到大学物理的学习，促进大学物理教学改革的深入，而且训练了学生的发散性思维，培养了学生在将来的学习中产生新观点、新思想的能力，造就了建设创新型国家所需要的创新型人才。

参考文献：

[1]赵纯.关于大学物理考试改革的探索——以华南理工大学为例[J].高等理科教育，2003，（S1）：137-138.