量子计算研究报告范文

导语：如何才能写好一篇量子计算研究报告，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

一、反常霍尔效应的前世

（一）霍尔效应

霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年发现的一个物理效应。在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，由于洛伦兹力的作用，电子的运动轨迹将产生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压，这一现象就是霍尔效应。

霍尔效应在应用技术中非常重要，特别是在现代汽车上广泛得到应用。

（二）量子霍尔效应

作为微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的完美体现，量子霍尔效应（强磁场中，纵向电压和横向电流的比值随着磁场增强而出现的量子化特点）一直在凝聚态物理研究中占据着极其重要的地位。1980年左右，德国科学家冯·克利青发现了整数量子霍尔效应，获得1985年诺贝尔物理学奖。1982年，美国物理学家崔琦和施特默等发现了分数量子霍尔效应，这个效应不久由另一位美国物理学家劳弗林给出理论解释，他们三人荣获1998年诺贝尔物理学奖。

量子霍尔效应在未来电子器件中发挥特殊的作用，可以用于制备低能耗的高速电子器件。例如，如果把量子霍尔效应引入计算机芯片，将会克服电脑的发热和能量耗散问题。然而它需要的强磁场设备不但价格昂贵，而且体积庞大（衣柜大小），也不适合于个人电脑和便携式计算机。

二、反常量子霍尔效应

1880年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现，即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同，反常霍尔效应是由于材料本身的自发磁化而产生的，因此这是一个全新的量子效应，有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员。如果能在实验上实现零磁场中的量子霍尔效应，利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，从而解决电脑发热问题和其它的一些瓶颈问题，推动信息技术的进步。但反常霍尔效应的量子化对材料性质的要求非常苛刻，美国、德国、日本等科学家未取得最后成功。

2009年，清华大学薛其坤院士带领团队向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。

2010年，中科院物理所的方忠、戴希理论团队与拓扑绝缘体理论的开创者之一、斯坦福大学的张首晟等合作，提出了实现量子反常霍尔效应的最佳体系。由清华大学的薛其坤、王亚愚、陈曦、贾金锋研究组，与中科院物理所的马旭村、何珂、王立莉研究组及吕力研究组组成的实验攻关团队合作，开始向量子反常霍尔效应的实验发起冲击。截止到2013年的四年中，团队生长和测量了1000多个样品，利用分子束外延的方法使之长出一层几纳米厚的薄膜，然后再掺进去铬离子，生长了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜，将其制备成输运器件并在几毫开的极低温度环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。终于发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2～25800欧姆，世界难题得以攻克。薛其坤院士说：这是我们团队精诚合作、联合攻关的共同成果，是中国科学家的集体荣誉。

三、量子反常霍尔效应的意义及发展前景

量子反常霍尔效应之所以如此重要，是因为效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用，无需高强磁场，就可以制备低能耗的高速电子器件，例如极低能耗的芯片——这意味着计算机未来可能更新换代。

霍尔效应是诺贝尔奖的富矿。最近一次也是第三次与霍尔效应有关的诺贝尔奖是2010年的诺贝尔物理奖。2005年，英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，在常温下观察到量子霍尔效应。他们于2010年获诺奖。石墨烯这种“超薄的碳膜”厚度只有0.335纳米，是至今发现的厚度最薄和强度最高的材料。

此外，量子自旋霍尔效应于2007年被发现，2010年获得欧洲物理奖，2012年获得美国物理学会巴克利奖。

篇2

XNA分子连同DNA和RNA加入基因目录

生命的遗传分子“动物园”2012年又稍稍扩大了一些。通过用其他分子替换DNA链主干中的糖，科学家们创造了ANA、TNA、HNA、FANA、CeNA和LNA。这些统称为XNA的合成遗传分子，每个都有其自己的经设计的酶，从而允许分子被“读取”，然后进行复制。此项进展或有助于理解地球生命是如何发端的。

在一个好的旧DNA的帮助下，XNA也可以有自己的下一代。通过选择一个特定的性状，如附加到其他分子的能力，研究人员还能诱导XNA随时间而改变。遗传和进化将不再只是DNA和RNA的专利。

这项工作表明，地球及宇宙其他地方远古时代的生命，也可能出自其他种类的分子。此项研究成果在生物医学方面具有潜在的应用价值：由于研究人员可引导分子的进化，经设计的XNA可由能传递药物的特殊性状组成。这些新鲜分子或可为从头开始构建新生物提供复制机制。

“我们现在只知道生命的一个例子，那就是40亿年前地球上的生命形式，”美国加州斯克里普斯研究所的生物化学家杰拉尔德·乔伊斯说：“也许我们还会发现木卫二上的某种生命证据，抑或是火星上的生命化石。再不然，也许我们还能制造一个生命。”

12.量子的盛装舞会

离超远距加密传输和超高速计算机更近了一步

未来正在呼唤。在防止黑客窃取消息方面，物理学家们2012年在更远距离上实现了量子编码压缩信息的传送。他们还发现了一个梦寐以求的粒子，其量子特性将来或可用以开发超高速电脑。

一提到发送信息，即便是即时通信也无法与量子态隐形传输相提并论。研究人员使用一对“纠缠”粒子来传送信息，即使它们相距甚远，也只需测量其中一个的特定属性就可决定另一个的属性。有关属性的信息于是就可在瞬息之间在两者间传递。

中国研究团队在青海湖首次成功实现百公里量级（97公里）的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。很快，奥地利物理学家安东-泽林格领导的一支国际小组成功在加那利群岛的两个岛屿——拉帕尔玛岛和特纳利夫岛间实现了143公里的量子态传输，一举打破中国科学家的纪录。

科学家们下一步将在卫星和国际空间站进行永久的量子态隐形传输实验。将信息送入轨道意味着传送距离将比以往远上3倍以上。因为在高空中存在较少的干扰分子，物理学家认为在未来几年内实现上述目标是完全可能的。

另一个梦想则是建造一台量子计算机，其将基于粒子的量子特性以极快的速度来运行计算。2012年，科学家们已在实现此一目标的道路上迈出了坚实一步，他们发现了一个苦苦追寻的粒子——马约拉纳费米子。

马约拉纳费米子于上世纪30年代提出，其不像其他粒子一样拥有反物质伴子。因此，它们可在量子计算机中形成一个更稳定存储单元的基础，几乎不受外界的影响。

13.北极熊迎来悲惨时世

两项遗传学研究扩展了北极熊的家世

北极熊这种毛茸茸的野生动物，正处于气候变化的危险之中。现在看来，它似乎已在过去的温暖期存活了足够长的时间。究竟有多长虽有待观察，但2012年发表的两份遗传学研究报告将该物种的起源追溯到了冰河时代。

北极熊历史的改写，使人们重新思考它的未来。不过，虽然北极熊在过去已安然度过了好几个温暖期，但也无法保证它们将逃过这最新的一劫。

在2012年的遗传学研究报告出台前，北极熊作为一个物种的历史一直被认为是短的。来自挪威的北极熊颚骨和牙齿化石，可追溯到11万年至13万年前，这也是现存最古老的北极熊遗物化石记录。布法罗大学的夏洛特·林克韦斯特及其同事开展的遗传学研究表明，雌性北极熊的家世可溯回到大约15万年前，这与棕熊的血统相一致。

法兰克福生物多样性和气候研究中心的进化生物学家弗兰克·海拉尔表示，如果北极熊作为一个物种真的进化得如此之快，这将是“快速适应的奇迹”。

但2012年，两个独立的研究团队首次对北极熊细胞核中的DNA进行了详细分析。林克韦斯特此前曾对线粒体中的DNA进行过分析，而线粒体仅能对母系进行追踪。

海拉尔团队的研究将棕熊与北极熊的分异往前推进到大约60万年前，林克韦斯特的研究则将之推进到更遥远的400万年至500万年前。美国科罗拉多大学波德分校的古气候学家吉福德·米勒说，往回追溯到60万年前意味着该物种安然度过了40万年前的温暖期。更早一些的研究则把北极熊投入到一个可能不会有冬季海冰的不同世界。

至于为什么他们推断出的日期如此不同，两个团队提出了很多的解释。但他们一致认为，更长的家世并不意味着，这种已被列入濒危动物名录的物种现在就可以高枕无忧了，因为它们专享的海冰栖息地正在不断融化。

还有一点，现今的北极熊已不再是昔日的北极熊。北极熊的早期祖先也许根本不是专业的海冰捕食者。随着人类造成的气候变暖，地球可能热得更快，比北极熊曾经历过的温暖期更长久。这也是北极熊第一次和数十亿的人类共享这个正在变暖的星球。

14.人类的血统可能不那么“正”

DNA描绘出石器时代的杂交乱象

科学也闹“狗血剧”。2012年的一些研究曝光了人类祖先和近亲种群之间也曾过。这些新发现（莫名其妙地被街头小报忽略了）提出了一个问题，那就是数万年前的智人间到底发生了多少基因交换。更重要的是，这种混乱的家庭树将现代人类在非洲进化和扩散并击败了尼安德特人等近亲的流行观点连根拔除。

一个国际研究团队揭示了一份从石器时代女孩指骨化石中提取的基本完整的基因图谱。DNA数据表明她是西伯利亚的丹尼索瓦人种，他们在数万年前移居到东亚。研究发现，今天的巴布亚新几内亚人继承了丹尼索瓦人6%的基因。

因为没有足够的化石，研究人员无法确定这个西伯利亚女孩或其他丹尼索瓦人是否代表了一种新的智人种群。来自一个古代个体而非代表性种群样本的DNA，是无法确定一个新物种的。

另一方面，尼安德特人被普遍认为是一个独立的种群，即使他们也偶尔与智人杂交。最近发现的石制工具表明，尼安德特人从75000年前开始长途跋涉从欧洲转向东亚，使他们有机会在一个广阔的地域内与古人类杂交。对丹尼索瓦人的研究还发现，今天的东亚人与尼安德特人共享的基因要比南美人或欧洲人多。

然而，尽管知道他们共享DNA，目前还不清楚他们之间是否确实发生过杂交，或发生过多少次杂交。一些科学家说，非洲种群是人类和尼安德特人的共同祖先，其携带的基因成为了这两个物种基因组的一部分。其他科学家则推测至少发生过低水平的杂交。无论是哪种情况，有证据表明，今天的欧洲人带有2.5%的尼安德特人DNA，中国人为3%，非洲人则不到1%。

当谈到这些遗传线索意味着什么时，研究人员总是各执己见。一些人怀疑，石器时代的杂交要比这些数字表明的多，从而形成了智人的遗传进化。其他研究人员则认为尼安德特人和丹尼索瓦人只是偶尔与智人，对人类进化没有或很少造成影响。抑或是，尼安德特人和丹尼索瓦人都属于智人种群的一部分，只是他们在石器时代要比现在表现出更多的遗传多样性。

如果在冰河世纪，欧洲和亚洲的小股智人孤零零地隐藏起来，那么这个群体可在没有或是很少杂交的情况下共享大量的基因。在相对温和的区域隐藏了较长时间的种群本可保留许多相同的基因，但进化成了不同的物种，如尼安德特人，也有可能是丹尼索瓦人。在天气变暖后，这个群体的活动范围逐渐扩大，结果在偶然之间也会发生跨物种联姻。

这种混乱的情形多起来后，古人类可能就有了其他近亲属。在两个中国洞穴中发现的化石表明，这里居住的未知智人种群与14300年至11500年前的人类很接近。这些古老的亚洲人看上去像是今天的人类与10万年前的非洲智人的合体，其可能是带有一点丹尼索瓦人血统的智人，又或是因孤立生活得太久而进化出不同外貌的纯人类。

非洲或还保留着更多的人类近亲。现代非洲狩猎采集者的DNA显示出其在7万年至3万年前与一种未知智人种群杂交的迹象。狩猎采集者的DNA还表明，在横跨非洲的遥远网络中，人类至少在10万年前就已相互。

15.美丽的银河或不复存在

与仙女星系的最终碰撞将撼动太阳系

2012年5月，美国巴尔的摩太空望远镜科学研究所的科学家报告说，假设地球再活40亿年，它的天空中将闪烁着史诗般的宇宙碰撞所造成的发光碎片。银河星系和离它最近的邻居——巨大的仙女座星系将投入彼此的怀抱。如果太阳系在碰撞时能幸存下来，而且人类文明依然存在，那么我们的位置也将被重新定位。随着碰撞进程的开始，银河的外形也将发生巨大变化，大大改变了地球上所观察到的夜空。

研究团队利用哈勃太空望远镜对仙女座星系中的恒星运动进行测量后确定，该星系正以每小时近40万公里的速度直奔银河系。虽然两个星系间仍有250万光年的距离，但万有引力正在将它们拉在一起。研究人员推测，邻近的三角星座M33星系也可能会被拉入这场连环碰撞。不管怎样，这场大合并应是一幅壮丽的景象。

虽然天文学家们认为银河系与仙女座星系将在40亿年后发生碰撞并融合，但是这里还有一个问题，即仙女座星系的横向移动速度还是个未知数。研究人员希望借助欧空局发射的探测器来确定横向速度值，这是判断星系在宇宙空间中移动路径的一个关键性参数，目前所确定的仅仅是通过恒星光谱多普勒效应计算出的视向速度。

16.我会走，我还喜欢爬

化石研究表明两足行走的原始人类仍喜欢攀爬

300多万年前，一个黑猩猩大小的动物爬上了树，并小睡了一会儿。醒来后，它又爬下树，用两条腿站起来，四处觅食或寻欢。后来，它又爬上了另一棵树。

科学家们一直在争论，著名的人类祖先露西及其阿法南猿属是否经常爬树。新的化石证据表明，早期人类即使其主要活动是在地面上直立行走，但它确实仍会在树上待上一些时间。该化石的发现对有关人样物种取代更原始野兽的人类进化观点提出了挑战。相反，原始人类家族树是一个混乱的杂色灌木丛。

华盛顿大学生物人类学家布赖恩·里奇蒙德说，人类最早祖先在解剖学和行为上具有多样性的观点在近一年中得到了强化。

对露西们生活习惯的深刻理解，来自一个330万年前生活在埃塞俄比亚的阿法南猿孩童。与其他古老的原始人类、现代人类和类人猿相比，该孩童的肩胛骨经历了与类人猿一样的发展变化，其肩胛骨的大小和形状都受到了幼年时期攀爬的影响。这种相似性预示着，阿法南猿至少将部分时间花在了爬树上。

露西不是一个人在树上。科学家在埃塞俄比亚还挖出了一个34000年前的古原始人类足部化石，与阿法南猿不同的是，其拥有像黑猩猩一样的可抓树的脚趾。这表明，这只脚属于具有良好攀爬能力的不同物种。

美国波士顿大学生物人类学家杰里米·德席尔瓦说，有些物种成了更好的双足步行者，而其他的则花更多的时间去攀爬。拥有奇特解剖学特征的是来自200万年前南非的南猿源泉种，其具有灵巧的内弯脚掌。

原始人类多样性的研究还不限于脚踝。一些人类学家认为，至少有两个独立的智人种群生活在古人类出现在非洲后的200万年前。在肯尼亚出土的古生物化石——一个孩子的部分脸及两个下颚骨，与同属一个物种的其他一些早期智人化石完全不同，研究人员说，这为早期智人具有多个种类提供了最好的例证。

17.你就是睡死了还在学习

大脑即便在熄灯后仍在不停忙碌着

你可能会认为，睡眠是大脑休息的时候。但是，科学家们今年发现，在正常情况下，你沉睡的大脑其实正在上夜班。

人们在访问睡梦之乡的同时或会提高他们的音乐能力，学习将气味与声音联系在一起，或是强化负面情绪。这些结果正将科学家们认为的沉睡大脑所能完成的任务推进到极限。

“我们想要了解的是，大脑在睡眠中到底能做多少事。”以色列魏茨曼科学研究所解剖学家阿内特·阿兹说。这一年，她的研究小组发现，处于熟睡中的大脑可将特定音调与臭鱼的气味联系在一起。另一项研究发现，人们还可在打盹时提升现有技能。在午睡时间听完一首歌后，志愿者们能更准确地敲击键盘上的音符。

科学尚不能明确地建议一个准备参加托福考试的学生是否应该整夜地听一盘英语磁带，但研究结果确实表明，沉睡中的大脑能够吸收这些信息，而且效果要比死记硬背强得多。

在一场痛苦经历后的睡眠，或许会将负面记忆锁定在大脑内。在关键的窗口期保持清醒，有助于减轻精神创伤的影响。对小鼠的研究表明，在动物打盹时将药物注射入大脑，可减轻痛苦记忆的效果。

科学家们仍然没弄明白，为什么人类要将生活中的很大一部分时间花在睡眠上。美国哈佛医学院的睡眠研究人员罗伯特·斯迪克高德认为，在晚间大脑也许应该放任不管，给它时间让它做任何需要做的事情，“睡眠也许比你还聪明”。

18.肥胖研究越来越受到重视

各种研究成果正在充实脂肪背后的故事

2012年，科学家们发现，催产素和素等激素似乎有助于防止体重增加，或至少可控制食欲。其他研究则发现，饮用苏打水或对控制体重帮助不大，垃圾食品进入学校的影响可能被高估了，但这项成果似乎有悖常理。

肥胖研究似乎是个大杂烩，但有一点是明确的：美国超过三分之一的人已患上肥胖症，另有三分之一的人已达超重标准。在这一代人中，肥胖已从一个医疗和社会问题转变为一场公共卫生灾难。

肥胖会引发动脉粥样硬化、代谢问题和其他慢性疾病。美国佛蒙特大学生物化学罗素·特雷西说：“如果你想要降低这些疾病的风险，减肥是一个很好的办法。”

肥胖不只是暴饮暴食的结果，研究人员常常会发现，不健康的生活方式会影响到人类的的神经系统。经常食用大豆和玉米油可使体内的热量感应网络混乱。身体会将某些植物油的成分转化为内源性大麻素，其对食欲的刺激类似于大麻中的化合物。更重要的是，某些暴食者的大脑区域会变得异常活跃，尤其是与食欲相关的区域。

虽然这些发现有助于科学家揭示食欲的复杂性，引起肥胖的其他原因则可能更为直接。长期暴露于二手烟环境中的成年人，可能会患上糖尿病和肥胖症，这表明禁止吸烟是比禁止垃圾食品更为迫切的事情，应该通过立法来对抗肥胖的流行。

对婴儿使用抗生素，似乎也会在3岁前引起超重。对小鼠开展的研究也表明，这种抗生素效应可能源于肠道有益菌的改变。

甚至连你的邻居也可能成为肥胖风险。生活在有足够绿色空间且周边有杂货店的孩子，与那些没有这些便利设施的孩子相比，肥胖的可能性会减少一半。此项新的研究结果提请人们注意“建筑环境”这个可加改善的肥胖危险因子。

当然也有好消息。减肥可使人们化解肥胖、炎症甚至是癌症等三方面的风险。最新数据显示，肥胖女性仅需减去5%的体重，其炎性蛋白和细胞的数量就会下降。现代医学已将肥胖列为需要解决的头等大事之一。

19.“好胆固醇”其实没那么好

高密度脂蛋白对心脏的保护作用遭到质疑

有时候，新研究会让我们重新思考我们的既有认知。今年就有这么一个例子，胆固醇长期以来被简单地分成“好”的和“坏”的，它们分别对应的是高密度脂蛋白（HDL）和低密度脂蛋白（LDL）。过去的研究认为，HDL较高的人往往更少患上心脏病。

果真是这样吗？一个国际研究小组对数千人的医疗数据进行了分析，其中也包含一些因遗传变异而导致HDL水平高于平均值的患者。令人惊讶的是，研究人员发现，拥有天然的高HDL水平，对心脏并没有附加的保护功能。

可增加HDL水平的活动，如锻炼、减肥和戒烟等，都能在防止心脏病发作方面发挥作用，这使得很难辨别HDL本身到底提供了多少保护。2012年8月份的一项新研究结果，对HDL是否能给心脏带来好处提出了质疑，并认为拥有高HDL也许仅是身体正常运转的一个标志而已。

20.先锋派的洞穴艺术

绘画和动画很久以前就曾结合

41000年前就已有人在欧洲洞穴的墙壁上作画了，这要比研究人员的想法早上几千年。这些古老绘画的创作者还会使用卡通般的效果来画野牛和其它动物，使它们看起来就像是在墙上移动。但是，到底是谁创作了这些绘画仍是一个悬而未决的问题。

2012年的研究报告显示，红色圆盘、手工模板及其他的一些绘画作品可能是尼安德特人那个时代的杰作。

但是，也有研究人员怀疑，这些艺术家应该是智人，而不是尼安德特人。在洞穴的墙壁上开始作画的人大约在45000年前，比他们进入欧洲的时间要早或稍晚一些。研究人员报告说，许多洞穴壁画是在尼安德特人灭绝后完成的，所以它们一定是人类创造的。

许多问题都是基于绘画的年份，但对石器时代洞穴艺术无法使用精确的年代测定法。对西班牙的洞穴，研究人员利用矿床分析法估算出最低和最高年份。

无论是谁完成了这些古老的洞穴艺术品，其中一些艺术家小心地创作出了实景的错觉。在法国的洞穴中，几十个数字叠加在两个或两个以上相同的动物图案上，这也许代表了奔跑、摇头和摆尾。有一个洞穴中描绘的狩猎场景显示了一群狮子，距离较远的画得较小一些，仿佛正在扑向逃走的野牛。

法国研究人员的实验结果表明，古代艺术家还会把动物雕刻在圆盘上，当圆盘快速滚动时，这个动物就似乎在移动。

21.这一年的新物种

描述新物种不必只用拉丁文

2012年的科学新闻中可不能少了那只拥有金发鬃毛和天蓝色屁股的猴子，当然也不能缺了首个带有钙结构（有点像骨头）的细菌、世界最小的果蝇、形似竖琴的海绵、带有折叠右爪的“洞穴掠夺者”蜘蛛，以及一种新的鱼物种，其能在雄性的颔下长出长长的器。生物学家描述道，到2012年年底，在某地这一年新出现的物种就在16000种至20000种之间。

在所有这些新物种中，最出名的要数南非的一种茄属多刺灌木。说它出名是因为它的论文信息是用英文撰写的，这标志着对一种植物、真菌或藻类等新物种必须用拉丁文描述的要求终于被终结。

虽然新物种的学名仍是拉丁文的。但从2012年开始，植物学家既可用英文也可用拉丁文关于新物种的摘要信息。植物学家也将接受网上公布的命名。有了可选语言，对于那些想让自己对新物种的命名千古流传下去的科学家们来说是一个大胆的改变。

国际动物命名委员会2012年9月决定，对动物的描述将步入数字化。科学家们在描述已发现物种方面的进度是很慢的，更别说那些还正在发现的物种，上述急剧变化正在改变这一切。同时，《公共科学图书馆》2012年5月的一项研究表明，本地新生物的发现率在欧洲已在放缓，即使这个区域是生物学家精挑细选过的。

分类学家迄今已描述了约19000种生物物种（不包括细菌和古细菌）。但是，最新研究预计还有680万种生物有待发现。以目前的速度，将其全部命名还将需要400年。如果一项更高的估计是正确的，这项工作则需花上1653年，前提条件是它们在被科学家们发现前不灭绝。

22.金星凌日

分离百多年后的两次重逢

2012年6月，全球数百万双眼睛跟随着金星缓缓掠过太阳的表面，如果不借助天文仪器，你看到的也许只是一个橙色的完美圆盘上有一个小小的黑点在移动。金星凌日在本世纪是第二次出现，第一次是在2004年。

在2004年的那次前后近6小时的金星凌日旅程中，天文学家们看到了他们一直希望看到的东西：金星上层大气的微弱光晕清晰可见。今年的凌日事件则给了科学家们了解金星气态云（其旋转要比行星本身快）的机会。

哈雷阿卡拉天文台的研究小组使用日冕观测仪抓拍了大约6.6万张图片。在未来的一年里，科学家们将把哈雷阿卡拉天文台的数据与来自宇宙飞船、地面望远镜和世界其他地区日冕仪的数据进行比较。哈勃太空望远镜也参与其中，其将收集凌日过程中月球表面的反射光，以测试对遥远类地行星的大气进行探测的技术。

上次金星凌日发生在1882年和1874年，当时的观察者把精力集中在了利用三角测量计算地球与太阳的距离。再次看到金星凌日将会在105年后的2117年和2125年。

23.大肠杆菌的三步进化

历经25年的实验观察到了实时的自然选择

在历时25年的这项进化实验中，大肠杆菌在研究的某个时刻获得了新能力。它们可在存在氧气的情况下吞食一种称为柠檬酸盐的化学品。大肠杆菌失去此项性状已超过1300万年了，所以，当烧瓶中的细菌开始对这种化学品狼吞虎咽时，科学家们简直着了迷。因为他们保存了来自烧瓶的好几代细菌样品，研究人员得以追踪导致这种微生物重建吞食柠檬酸盐能力的基因变化。

美国密歇根州立大学的扎克瑞·布朗特和理查德·伦斯基2012年报告说，他们揭示了细菌形成这一能力的三步过程。第一个阶段是增强作用，此时大肠杆菌累积至少两个突变为后续事件打好基础。第二步是实现，细菌首先开始食用柠檬酸盐，但只能勉强轻咬一点。最后一个阶段是完善，有关的突变大大地提高了最初薄弱的功能。

长期以来，进化遗传学家们称，改变一个物种的外观或代谢需要DNA中的许多递增量变化。但化石记录中并不包含会预期发生在此种情景中的所有中间形式，这表明重大创新可能是突然出现的。

实验表明了这两者是如何成真的。许多基因变化要历经数年才得以发生，以允许细菌消耗柠檬酸盐，但这种能力似乎又是在一夜之间出现的。有了这样的实验室进化实验，“人们才真正得以一瞥进化的内部运作过程。”

24.地下水资源渐枯竭

淡水资源过度消耗带来的风险

每个人都需要淡水，但有时候人的需要会占据上风，胜过明智的利用。人类的饥渴使蓄水层的消失要快于补充，从而带来灾难性的影响。一张标示各国“地下水足迹”的世界地图表明，全世界的淡水资源正在被吸干，其中大部分都被用于作物灌溉。根据该项研究的估测，印度、巴基斯坦和沙特阿拉伯是最为缺水的3个国家。

淡水枯竭的可能性并不是唯一的威胁。抽取地下水，无论是用于灌溉或饮用，对全球海平面上升造成的影响可能要比科学家们预计的大得多。从地下取水意味着它最终流入大海。许多科学家推定，从地下蓄水层获取的淡水与全球水坝的拦水量大致相当。但2012年的两项研究得出的结论是，事实并非如此。

地下水的开采甚至可以杀死人。地质学家今年发现，从蓄水层抽水转移了西班牙东南断层的压力。在2011年5月该地发生5.1级地震造成9人死亡的悲剧后，研究人员得出结论，正是因为地下水的抽干造成了地震的提前发生。

25.玛雅人迎来新纪元

世界末日没有来，生活仍将继续

你现在能读到这个故事，古代玛雅历法预计的世界末日肯定已离我们远去了。

2012年早些时候，考古学家在危地马拉一处玛雅文明遗址发现了一块刻有2012年终结日期的石砖。不过，和一些热衷于末日理论的现代人不同的是，古代玛雅人并没有预言世界会在2012年12月21日终结。在考古学家们看来，将玛雅碑文中的“终结日期”解读为世界末日根本就是在牵强附会。

美国杜兰大学马塞洛·卡努托领导的研究小组发现并破译了镌刻在玛雅遗址22级台阶上的象形文字。这些具有1300年历史的碑文记述了两个世纪的政治活动。“这段碑文说的是古代玛雅人的政治历史，而非对未来的预言。”

篇3

数据之困

让我们再看一组足以让人目瞪口呆的数据。IDC曾过一份题为《从混沌中提取价值》的数字宇宙研究报告，报告显示，2011年，全球被创建和被复制的数据总量为1.8ZB，而且全球信息总量每过两年，就会增长一倍。

知道1.8ZB的数据是什么概念吗？它意味着，现在的我们用48小时所产生的数据量，几乎是从人类文明开始到2003年间所有数据量的总和。因此，我们已经进入一个前所未有的、真正的数据大爆炸时代，而这对基础电信运营商的光线传输网络带来了非常严峻的考验。

目前我国各运营商的骨干网流量已经达到几十T比特，北京、上海、广州等超级核心节点的流量就已经超过T比特的级别。这要求传送网能够适配、提供T比特以上的传送和调度能力；从长期发展来看，应该有数T比特的支持能力。同时我们注意到，运营商网络的数据流量在增加，但是单位比特收益在降低，所以传输的成本必须相应地降低；否则，运营商将面临业务量增加，利润减少的窘境，特别是在超大容量数据的承载和传输上这种要求尤为迫切。当然，作为商用网络，运营商的传送网还必须满足易部署、易管理的要求。

而采用传统的SDH后者WDM技术很难完全满足。SDH技术的响应快、效率高，但是容量很难做大，单位成本下降困难；WDM技术很容易解决容量的问题，但是业务响应慢，网络规划复杂，管理手段简单。那么，如何才能既解决大容量的问题，又兼顾效率和响应速度？这就需要具有大容量属性的OTN技术。

OTN崛起

OTN的中文名称是光传送网技术，是以波分复用技术为基础在光层组织网络的传送网，能够解决传统WDM网络无波长/子波长业务调度能力差、组网能力弱、保护能力弱等问题，被公认是下一代的骨干传送网。OTN处理的基本对象是波长级业务，它将传送网推进到真正的多波长光网络阶段。由于结合了光域和电域处理的优势，OTN可以提供巨大的传送容量、完全透明的端到端波长/子波长连接以及电信级的保护，是传送宽带大颗粒业务的最优技术。

OTN最初的目标是为大量GE、2.5Gbit/S、10Gbit/s、40Gbit/s以及1 00Gbit/s等大颗粒业务提供传输通道，为客户信号提供在波长/子波长级别的传送、复用、交换和监控能力，在提供丰富带宽的基础上，增强节点汇聚和交叉能力、组网保护和OAM管理能力。随着近几年新技术的引入，OTN也在向着业务识别、动态调整带宽等智能化方向发展，构建“用户可识别、业务可区分、流量可调控、网络可管理”的智能传输管道。

华为公司认为，运营商如果采用大容量OTN技术构建海量带宽资源池，便能够很好地满足以上各方面的需求。OTN海量带宽资源池涉及支线路分离的系统架构、T比特OTN、单波40G/100G、WSON等多种技术。简言之，其通过支线路分离的架构，实现了业务和波长的解耦，解决了网络规划难的问题；通过T比特的大容量电层调度和WSON，实现了快速响应和端到端的安全可靠；通过单波40G/100G、PID等技术，实现了超大容量和低比特成本；通过引入丰富的开销和提供完善的保护，减轻了维护的压力。因此，OTN带宽资源池的建设有助于运营商应对海量业务承载所面对的挑战。市场上，包括华为、中兴和阿尔卡特在内的主流的OTN厂家已经能够提供成熟的T比特集中交叉，及数T比特线路容量的OTN设备。

与“云”共舞

此外，作为未来IT发展方向的云计算是通过网络按需提供可动态伸缩的廉价计算服务，提供资源和服务的网络被称为“云”，“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费。云计算的基础是宽带资源：无处不在的宽带网络，解决海量信息的传送。云计算需要更高的宽带、更快的时延，更安全的保障，更低的成本，这需要一个扁平化的承载网络。这要求传送设备克服“大带宽”，逐渐向“粗放型”方向发展，OTN技术是其必然的选择，它本身对“跳数”不敏感，且可以通过“交叉调度”形成“虚拟光纤网”，帮助实现网络的扁平化。

光通信专家、中国移动研究院的李允博认为，oTN构造了一个带宽云的概念，打造一个动态、共享、超大容量、智能可靠的网络：通过10G/40G/100G技术构建了大带宽通道，T比特OTN交叉技术让全网共享这些大带宽通道，传输带宽脱离某个业务的捆绑，实现线路带宽的共享。引入控制平面技术让网络更加智能、简单、可靠，提供客户化的不同保护方式，保护和恢复相结合大幅提升可靠性，简化了维护。关键是在OTN组成的带宽云中，业务可在任何时间、任何地点接入，即插即用，在需要接入业务时，直接将接入点接入到带宽云网络中即可。

篇4

关键词：碳纤维复合材料；表面裂纹；纤维弯曲；无损检测

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0043-02

CFRP全名为碳纤维增强树脂基复合材料，其中碳纤维作为增强相，树脂基作为基体。与金属材料相比，CFRP有更好的比强度、比刚度、抗疲劳性、抗腐蚀性和减震性。因为其优良的特性被广泛应用于航空航天、体育及休闲用品和建筑等领域。然而CFRP在使用或制造的过程中会出现表面裂纹和纤维弯曲等损伤，比如使用时遭遇冲击或被尖锐物体划过表面就会造成表面裂纹，制造过程中快速固化引起残余应力提高便会造成纤维弯曲。这些损伤可以对结构造成致命威胁，引发重大事故，因此对CFRP结构进行无损检测显得意义重大。CFRP是各向异性材料，这使得对CFRP材料表面裂纹与纤维弯曲等损伤的无损检测研究变得更为棘手。

目前对CFRP进行无损检测的方法主要有超声检测、红外检测、涡流检测、太赫兹时域光谱检测、声发射检测以及微波检测等，每种方法有其擅长检测的缺陷类型。本文就国内外研究人员针对CFRP表面裂纹与纤维弯曲这两类损伤的检测进行的研究展开介绍，并对今后的研究提出一些看法。

1 CFRP表面裂纹检测的研究现状

超声技术是目前针对CFRP表面裂纹的一种主要无损检测方法，不断有学者在这方面做出创新，激光超声检测便是一种新兴技术。1963年，R.M.White发现激光超声现象，即用激光束照射到物体时，物体表面10～100μm厚度内会激发出超声波。对激发出的超声波信号进行分析就可以得到物体表面的轮廓信息[1]。自1980年开始，美国学者开始了将激光超声应用于无损检测的研究，由此产生了激光超声检测技术[2]。20世纪90年代开始将激光超声技术用于复合材料的检测[3]。后来此项技术被洛克希德・马丁空间系统公司获得，在美国军方联合攻击机JSF目的竞争以及开发F22与F35型战斗机的过程中，该技术获得了极大地发展，在检测CFRP表面裂纹的能力方面也取得了重大进步[4]。

涡流检测技术也是检测CFRP表面裂纹的一种重要方法。电涡流遇到缺陷时发生扰动，其在CFRP表面产生的磁场亦发生变化，通过分析CFRP样品表面的磁场信号可以得到样品表面的轮廓信息，检测出缺陷。2003年，C.Carr等利用基于超导量子干涉仪（HTS SQUID）磁力计的涡流检测系统对CFRP样品进行检测，根据样品板表面的磁场分布，检测出了样品板表面的裂纹[5]。2005年，R.Grimberg等利用涡流微聚焦传感器对CFRP板表面进行扫描，利用全息信号处理法处理信号的相位信息，得到了聚焦的较为清晰的图像，重构了碳纤维的分布情况，从而检测出了表面裂纹[6]。

2015年，中国计量学院的廖晓玲等利用反射式太赫兹时域光谱（THz-TDS）成像技术对CFRP缺陷进行了无损检测实验，获得了含不同缺陷碳纤维样品的成像结果及数据。发射探头两侧有多个接收探头，通过处理接收探头获得的反射信号便可重构缺陷信息。结果表明，反射式THz-TDS成像技术在0.1～3.5THz波段对CFRP中热损伤、划伤缺陷、磨损缺陷及孔洞缺陷成像清晰，分辨率较高[7]。

2016年，国防科技大学何S泽等通过电磁感应加热与红外热成像测温相结合的技术成功地对冲击后的CFRP样品进行了表征和损伤检查，识别了破碎的碳纤维，检测出了CFRP表面裂纹缺陷[8]。

2 CFRP纤维弯曲检测的研究现状

国内外对CFRP纤维弯曲检测的研究起步较晚，2015年，杨玉娥等研究微波信号在复合材料中的传播特性，使用N5225A网络分析仪对碳纤维的方向和纤维弯曲进行了微波无损检测研究，用微波信号反射系数的相位和幅值来表征纤维方向和纤维弯曲缺陷。结果表明，在频率为38GHz时可以用反射系数幅值表征纤维弯曲缺陷，反射系数幅值最大变化为0.004[9]。

2015年，日本的K.Mizukami等提出了一种探测器来检测单向CFRP平面内和平面外纤维弯曲，基于涡流的非破坏性技术来表征纤维取向。这种探测器由三个矩形线圈组成，其中两个相同的线圈共面放置作为激励，正中间一个接收线圈与两激励线圈所在平面垂直放置。通过变换探测器放置的方式，可以测量面内纤维波纹度（即纤维弯曲程度）、面外纤维波纹度以及纤维方向角。实验研究表明，他们所提出的探测器可以检测出薄的单向CFRP中长度为15.9mm，最大偏移量为1.1mm的面内纤维波纹度，也可以检测出厚的单向CFRP中最大偏移量为3.5mm的面外纤维波度。他们发现扫描具有平面外波纹的材料获得的复平面中的输出信号变成环形图，环形图可用于识别平面外纤维波度的存在和位置[10]。

2016年，他们又提出了一种可视化多向CFRP纤维波纹度检测方法。由于由驱动线圈感应的涡流沿着碳纤维流动，所以如果涡流路径可视化，纤维波动就可以可视化。他们提出了一种新的复平面分析方法来将涡流路径可视化。该方法的有效性通过有限元分析得到了验证。对多向CFRP试样进行实验，在样品中人工诱导具有6.9°至24.9°的失准角的面内波纹。从磁场数据可视化涡流路径，得到了波纹的形状。将波状涡流路径的尺寸与通过X射线计算机层析成像测量的波纹尺寸和光学图像进行比较，结果表明，涡流法可以准确地估计表面波度尺寸，但低估了内部波动尺寸[11]。

3 展望

国内外关于CFRP表面裂纹与纤维弯曲的无损检测研究取得了可喜的进步。未来可以在如下方面展开进一步的研究。

（1）目前很少有专门针对CFRP表层裂纹的研究报告，裂纹造成的纤维断裂对CFRP结构的危害是不容小觑的，希望有擅长检测裂纹的无损检测专家对此多加关注，给CFRP表面裂纹检测研究提供更多可供参考的文献。

（2）涡流检测中用于检测CFRP表层裂纹的器件主要是HTS SQUID，但是HTS SQUID工作频率低，此时CFRP中涡流密度很小，信噪比低，并且HTS SQUID体积大，不利于现场检测操作。因此有必要研究使用方便，可在较高频率下工作的探头。

（3）关于CFRP纤维弯曲的无损检测研究还非常少，还有很多工作可以做，鼓励无损检测各个领域的专家对此展开研究。

致x：感谢福建省传感技术重点实验室和厦门市传感器技术重点实验室经费的支持。

参考文献

[1]R. M. White. Generation of elastic waves by transient surface heating[J]. Journal of Applied Physics， 1963， 34： 3559-3567.

[2]B. C. Moss， C. B. Scruby. Investigation of ultrasonic transducers using optical techniques[J]. Ultransonics， 1988，26： 179-188.

[3]B. R. Tittmann， R. S. Linebarger， R. C. Addison. Laser-based ultrasonic on epoxy composite interferometric detection[J]. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation， 1990， 9： 479-486.

[4]张昭，肖迎春，李闵行.激光超声技术在航空碳纤维复合材料无损检测中的应用[J].航空工程进程，2014，5：269-273.

[5]C. Carr， D. Graham， J. C. Macfarlane， and G. B. Donaldson. SQUID-based non-destructive evaluation of carbon fiber reinforced polymer[J]. IEEE Transaction on Magnetics，2003，13：196-199.

[6]R.Grimberg， A. Savin， R Steigmann， and A. Bruma. Eddy current examination of carbon fibers in carbon-epoxy composites and kevlar[J]. IEEE Transaction on Magnetics，2005，58：738-743.

[7]廖晓玲，王强，谷小红，陈锡爱.基于THz-TDS的碳纤维复合材料无损检测[J].激光与红外，2015，45：1255-1260.

[8]R. Yang， Y. He. Polymer-matrix composites carbon fibre characterisation and damage inspection using selectively heating thermography （SeHT） through electromagnetic induction[J]. Composite Structures，2016，140：590-601.

[9]杨玉娥，闫天婷，任保胜.复合材料中碳纤维方向和弯曲缺陷的微波检测[J].航空材料学报，2015，35：91-96.

篇5

关键词:编译原理;计算思维;课程改革

中图分类号:G642 文献标识码:B

1编译知识在计算机学科中的作用

自从20世纪50年代中期诞生世界上第一个高级语言编译器――Fortran语言编译器以来,编译技术不断进步,已经成为计算机科学中发展最迅速、最成熟的一个重要分支。自1966年以来的所有55位图灵奖获奖者中,有近1/3的科学家是因为在程序设计语言和编译方面的成就而获得该项奖励,可见程序设计语言和编译的发展集中体现了计算机科学发展的重要成果与精华。计算机应用能发展到今天,编译技术的发展有着极其重要的、不可替代的作用。

五十多年以来,随着编译技术的发展,有关编译原理和技术的内容被逐步引入到了计算机专业本科教学中。从早期各阶段ACM和IEEE的计算机专业教学计划,到近年ACM和IEEE联合制定的CC 2005,再到我国教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会2006年编制的《高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范(试行)》,直至最新的ACM和IEEE联合制定的CS2008,都把有关编译原理和技术的知识作为重要教学内容列入。目前,我们编译原理课程的教学内容覆盖了CS2008体系中程序设计语言领域、算法和复杂性等领域的多个知识单元。

2编译原理课程的理论性和技术性特点

编译程序的构造原理和技术可以说是计算机科学技术中理论和实践相结合的最好典范。在许多课程的教学中,经典理论和先进技术之间的联系往往缺乏具体而形象的例证,而“编译原理”课程在这方面具有得天独厚的优势。形式语言和自动机理论为编译程序的设计提供了坚实的理论基础,正是在科学理论的保证下,才形成了一系列先进的编译程序设计方法和工具,使得编译程序的构造具有很高的系统性和自动化程度。例如,正是有了有限自动机的经典理论,才有了LEX这样的高度自动化的词法分析器的自动产生器;正是有了Knuth提出的LR分析方法,才有了YACC这样的高效的语法分析器产生器,将程序员从繁琐的代码编写中解放出来。编译课程的教学既要强调经典理论在计算机科学中的重要作用,又要注重介绍利用这些基础理论来设计和构造编译程序各模块的先进方法及工具,可以具体形象地说明经典理论与先进技术的关系。理论和实践相结合是“编译原理”课程的鲜明特色。

“编译原理”课程特别强调运用理论知识进行实践的能力和素质,以突出计算机专业人才培养的特色。“编译原理”是每个优秀的计算机专业人员必修的一门课程。通过编译程序这一具体的案例,学生可以综合理解和运用计算机的程序语言、操作系统和体系结构等各种软硬件知识,形成计算机专业人才特有的系统的专业知识结构。在系统学习编译的理论和技术的过程中,学生一方面对科学理论的基础作用有了充分的认识,提高了学习经典理论的兴趣,形成了较高的理论素养;另一方面,通过课程综合性的实践,分析或改进简单或复杂、原型级或产品级的各种编译程序或工具,也可以提高灵活运用理论知识、设计较大规模的软件来解决实际问题的能力。在课程的学习和实践中,学生可以深刻体会到理论学习的意义和动手实践的乐趣。

有许多人认为,如果今后不从事编译器的开发,编译知识就显得并不重要了――事实上并非如此。编译课程鲜明的理论性和技术性特点,使得这些知识对于计算机专业人员来说具有重要作用,甚至可以说是计算机专业人才区别于一般计算机人员的重要知识结构。对于将来从事编译系统设计工作的学生来说,编译课程的学习当然可以使他们掌握和理解编译系统的结构、工作流程以及编译程序各组成部分的设计原理和实现技术,获得分析、设计、实现和维护编译系统的初步能力,打下坚实的能力和知识基础;而对于那些将来不从事编译器研制的学生来说,编译课程的教学对于提高他们对计算机系统总体认识也具有重要的意义。通过学习编译的理论和方法,学生可以提高对程序设计语言的设计与实现等知识的综合理解,而这些知识对于准确掌握程序设计语言,学习新的编程范型,理解程序,开发出正确的软件都是不可缺少的基础。图灵奖获得者Perlis教授的名言“To understand a program you must become both the machine and the program”就精辟地说明了这一点。此外,编译课程介绍的经典语言分析方法和工具,对于一些实用的工具和软件,如自然语言理解、网络信息处理、网络协议的分析与实现等领域的软件或工具的研制,都是很好的基础。更为重要的是,编译课程中介绍的一些经典的理论和方法,对于传授计算机科学研究的方法、训练学生的思维都是难得的生动案例。因此,不能把编译课程片面地理解成为一个介绍编译程序的课程,而应当把该课程的教学放在培养专业素质、训练思维的层面加以认识,特别是应当强调如何在编译的教学中培养学生的计算思维。

3计算思维及其在编译理论和技术发展中的作用

计算思维(Computational Thinking)是卡内基梅隆大学计算机科学系Jeannette M. Wing教授在2006年提出来的先进的教育理念,被认为是近十年来产生的最具有基础性、长期性的学术思想,并将成为21世纪计算机科学研究的热点。

计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为,它包括了一系列广泛的计算机科学的思维方法。Wing教授认为,计算思维不仅仅属于计算机科学家,它将和阅读、写作和算术一样,是21世纪每个人必须具备的基本技能。计算思维已经在其他学科中产生影响,而这种影响在不断拓展和深入。例如计算生物学、计算博弈理论、纳米计算和量子计算等新兴研究领域的发展正在深刻改变生物学、经济学、化学和物理学领域研究的思考方式。

典型的计算思维包括一系列广泛的计算机科学的思维方法:递归、抽象和分解、保护、冗余、容错、纠错和恢复,利用启发式推理来寻求解答,在不确定情况下的规划、学习和调度等。显然,这些计算思维方法都可以在许多编译理论和技术的发展中找到痕迹,很多编译成果正是运用计算思维的结晶。例如,抽象和自动化是计算思维的两个重要手段,也是编译理论和方法产生的基础。编译课程中介绍的语法知识描述、词法分析、语法分析、属性文法、乃至优化等知识点,都体现了面向具体应用、从实际问题中抽象出科学问题并运用科学的思维方法进行问题求解的思想,其成果根植于坚实的经典理论,并应用于实践,以推动技术的进步。因此,在编译课程的教学中,结合编译理论和技术中经典的案例培养学生的计算思维,是一条值得探索的途径。

4结合编译案例的计算思维培养

如何培养“计算思维”,是目前计算机教育界非常关心的问题。例如,在计算机专业的教学中,有些学校在专业核心课程中融入计算思维的培养;在非计算机专业的教学中,对计算机导论类或程序设计类的课程进行改革,针对学科交叉的需求,从教学内容和方法上进行改革,培养学生的计算思维。总体来说,计算思维的培养应该贯穿在大学教育的全过程,甚至在大学之前的教育中。计算思维对于计算机专业的人才培养提出了新的要求,我们必须在专业课程教学中结合计算思维的培养。

编译课程的知识体系完整,既有经典理论成果奠定的坚实基础,又有在实践中发挥巨大作用的先进技术,其中很多知识点都为计算思维提供了很好的诠释和生动的案例。下面,我们从抽象、自动化、递归、问题分解和权衡等典型计算思维方法出发,探讨结合编译案例培养计算思维的可能途径。

(1) 抽象

“抽象”是科学研究的重要手段,也是计算机科学研究的重要工具。在编译理论和技术的发展中,正是运用“抽象”这一有力工具,才获得了一系列的重要成果。例如有限自动机、形式文法等都是重要的抽象工具,有了这些工具,才能够把握词法分析和语法分析等问题的本质,发现其中规律,最终形成一系列的自动分析方法。

(2) 自动化

将抽象思维的结果在计算机上实现,是一个将计算思维成果物化的过程,也是将理论成果应用于技术的实践。有限自动机、预测分析程序、算符优先分析、LR分析等编译经典方法,都是在抽象的基础上将知识和控制分离(即分析表加控制程序),从而获得了经典的分析工具,而这种知识和控制的分离也为分析工具的自动产生提供了可能。自动化的思维方法不仅体现在编译程序本身的工作机制上,更体现在编译程序的生成工具的研究和设计上。

(3) 递归

许多编译中的问题都具有明显的递归特征。运用递归思维解决复杂的问题,通常是对问题进行逐步化简,最后得到了一个规模非常小、非常简单、更容易解决的类似问题,将该问题解决后,再逐层解决上一级问题,最后解决了较复杂的原始问题。编译中的递归下降分析是最直观的对递归思维的运用,此外,基于树遍历的属性计算、语法制导翻译都是典型的递归问题求解。

(4) 问题分解

程序设计中的“自顶向下、逐步求精”的思想就是一种典型的问题分解的计算思维方法。运用问题分解这种思维方法进行问题求解,首先须做出对问题本身的明确描述,并对问题解法做出全局性决策,把问题分解成相对独立的子问题,再以同样的方式对每个子问题进一步精确化,直到获得对问题的明确解答。在编译程序的设计中,通过引入中间语言,将编译程序划分成前端和后端,就是一种典型的分解问题的思路。

(5) 权衡

“编译原理”课程是一门理论性和技术性都非常强的课程。理论研究重在探寻问题求解的方法,而在编译程序的设计和实现过程中,对于理论成果的研究运用又需要在能力和运用中做出权衡。这方面一个典型的例子是,我们知道,虽然高级语言的大部机制都可以由上下文无关文法来描述,但是上下文无关文法不能完全刻画高级程序语言的所有规范,有些语言机制甚至存在二义性。但是上下文无关文法的分析是高效的,所以我们在编译程序设计中依然采取上下文无关文法来描述高级语言语法,但是在具体实现时,通过改造分析表消除冲突、符号表操作、语义检查等手段,去实现上下文无关文法分析所不能完成的功能――这正是在具体实践中结合具体问题进行权衡的结果。

5结束语

计算思维的培养不是哪一门课程的教学能解决的问题。对于计算机专业教育来说,应当关注在各专业课程中的计算思维的培养,强调对各种原理和方法进行提炼,从思维方法的高度培养学生,使学生能够应用计算思维解决问题。大学计算思维的教育应贯穿于整个大学教育,做到学习期间不断线。

参考文献:

[1] Jeannette M. Wing. Computational Thinking[J]. Communications of ACM, 2006,49(3):33-35.

[2] 何炎祥,伍春香. 计算机专业不需要编译原理课程吗?[J]. 计算机教育,2009(4):61-62,85.

篇6

【关键词】 通风系统 适应性 人性化 合理化

我国中小型矿山主要分布在东北和西部地区，并且较分散，开发的难度也与此相应加大，由于技术限制的因素，通风系统存在较大的安全问题，严重影响了矿山的正常开采以及开采人员的人身安全，也对矿山的生产力存在一定的限制因素，现如今对矿山通风系统优化改造，保证了矿工人员在井下工作时的安全问题以及对环境细节改善的优化，通过通风系统把工作时的温度维持在一个界定范围内，能够排出矿井内的有害气体和杂质.达到施工环境优良和施工人员安全作业标准要求。

1 当前中小型矿山通风存在常见问题

1.1 系统对风量调控能力较差

测定要素多，并且又缺乏相对应风流量调控技术，使之流速处于一个动态自然分配的状态，根据矿山所处地貌特征，矿井路程长，风速难以到达在矿井中上部位置风流量达到40km/h，底端地段的风流量达到12km/h，都达不到所规定的范围标准，此外，地下矿井较多，主要扇区对矿山的主控能力较差，由于扇区面积与主备井距存在较大差距，风向难以控制，并且主井区与备用井区之间存在一个很大的限压差，通风的效果难以提高，使夏季风难以灌入导致不透风的现状，冬季又难以被排出，出现气流回旋，气压不稳设备冻裂的现象。

1.2 采场没有形成贯穿风流

开采场地应用对角井、通风管道与上下中继段贯通，地下表面压强差小，对流层风力弱，大多采场采用扩充方式散风，所以采场通风难度大。

1.3 矿井风路长，阻力大，系统风量不足

根据有关数据的测定标准，至少风量欠吹43.28%，西、南风井的风量已达到63km/h，主、副井口风量已达到42km/h。由于地理位置等因素的影响，东北风段面的风力过小，仅能达到18km/h，并且路途长，阻力大，位于东南方向-42m的井口及-132m的西风井的2台主机的风扇难以高速旋转到达地表深度位置，导致到达地表深度的风力欠缺不足，尤其在雷雨季节对流风向偏差较大，主、副之间的通风情况会受到很大程度的阻碍。

1.4 下负压过大，极易造成漏风、循环风

多个矿井点同时进行开采作业时，密封不严密，难以控制实际漏风情况。对各个采矿点同时开采，大部分都是原有矿山开采时所常见的问题，便给矿井通风造成了很大的难题。

2 矿山通风改造方案设计思路

经过当今的测量标准和原有施工规范进行对比，进行如下的改造设计方案。（1）通风系统。现在把主扇区系统改造为量子化多级系统，采用预警风向Ⅲ级系统，东北风井Ⅵ级系统，特殊地区风向Ⅳ级系统。（2）支架。运用东北风井为主，西北风井为辅的支架标准体系，减少进口的漏风，控制东、西风井，明天井回风。（3）网路。采用左右对等间隔模式，多个网路共用一口回风井，上下段中行回风，左右段下行回风，回风系统设置回风阀门，非回风上下段西北风井口底端部位隔断与回风道的疏通。对等中段间产生气压差，导致开采场地贯通气流循环路段堵塞，目前在-87m以上的中段位置仅有几个开采场地投入生产，-130m、-260m中段的采场正在摸索阶段，还未形成一定的覆盖区域，现将-85m中段位置设置主通风干道，在今后发展系统形成后，再把-225m终端设置为另一主通风干道。（4）风机。在-95m中段西、北风井位置安装一台423kwk46-3-32第四级风机，在-200m西、南风井安装一台156kwk64-2-69第三级风机。在-280m中段东、北安装两台67kwk128-3-72第二级风机。（5）将通风井段面由5㎡扩宽到8㎡左右。经优化改造后的风量控制系统，新鲜空气分流流经入上井口，保鲜罐中加工贮存，在疏通管道内运输到指定部位，由于西风井只能延伸到-280m中段，就此位置建立二级风机站，待中上部系统改造完善后，下挖北风井至-240m中段位置，并在此地点安装三级回风机站。三级机站在一、二级机站建好完成后，便可动土施工，即此各个采矿场地通风效果更佳，设备优化系统更加完善。

3 通风系统改造方案的仿真模拟及优化研究

笔者以西矿西二盘区为例，利用山西晋煤工程技术研发的通风仿真系统MISA对山西矿西二盘区以内地区进行通风系统仿真系统的模拟，并提出有关三套加强式仿真模拟系统方案。

3.1 仿真模拟方案一

（1）系统概述：保持盘区内部原有的通风系统不变，在盘区位置上做一些小幅度的变动，把珠江大道西段作为西二盘区的进风道口，在风口井服务界线限定内，由东街里服务于1102工作面和西二盘区2306工作面，西风矿井服务于1803工作面，路由系统负责掌管珠江路口及翟营大街交叉口。（2）通风仿真系统模拟结论：1803工作面回风量为8078m3/min、2306工作面回风量为11032m3/min，西二盘区三队列挖掘工作面回风量为3080m3/min，1102工作面回风量为9320m3/min，其中路由回风区立井的回风量为3329m3/min，气压强度为4395Mpa，拐角的角度为39.5°；西回风区立井的回风量为13075m3/min，气压值为3385Mpa，角度为22.6°；东湖回风区立井的回风量为39984m3/min，气压值为20722Mpa，角度为-32°。（3）工程量及成本：在原有的基础上解决西二盘区的进风进风问题后，还需要在珠江大道与翟营小巷13号东湖盘区以及东北地区南开运输大巷分别动土施工西二盘区辅助运输巷，作为当前西二盘区三道进风口，道路工程量3200m，0.8万元作为每米道路的施工费，总共施工费用合计2560万元。

3.2 仿真模拟方案二

（1）系统概述：保持盘区内部原有的通风系统不变，在西盘区内部进风问题上，在西井区井口底端直接贯穿两条岩接小巷，解决各盘区之间的进风问题。在风口井服务界线限定内，由东湖风井口服务于1102工作面和西二盘区2306工作面，西风矿井服务于1803工作面，路由系统负责掌管珠江路口及翟营大街交叉口。（2）通风仿真系统模拟结论：1803工作面回风量为7806m3/min、2306工作面回风量为13028m3/min，西二盘区工作面回风量为1349m3/min，1102工作面回风量为3205m3/min，其中路由回风区立井的回风量为4229m3/min，气压强度为4603Mpa，拐角的角度为45°；西一回风区立井的回风量为12763m3/min，气压值为2385Mpa，角度为11.8°；东湖回风区立井的回风量为32683m3/min，气压值为20138Mpa，角度为-18.6°（3）工程量：在解决西盘区内部进风问题上，在西进风口建井，并在井底层硐室处建立两条沥青公路与西二盘区辅助运输巷和西二盘区翟营小巷交叉贯通，其中两条沥青公路的总长为3000m，每米建设的成本为0.62万元，总共施工费为1860万元。

3.3 仿真模拟方案三

（1）系统概述：原有盘区内部的通风系统不变，看待盘井矿区井口通风问题上，在东湖回风区西二道口修建一个直径为4.0m管道井作为西二盘区进风井口，在珠江大道与翟营小巷13号东湖盘区以及东北地区辅助运输大巷作为辅助运输路段使用，主要用在各个小巷道内附近修建一组风门将东街里小区与西一盘区划分，不作为进风路段道口使用，在各个风井矿区服务范围内，由东湖风井口服务1102工作面和西一盘区服务于2306工作面，路由系统服务于珠江道口和翟营交叉口路段。（2）通风仿真系统模拟结论：1803工作面回风量为7234m3/min、2306工作面回风量为10300m3/min，西二盘区工作面回风量为1285m3/min，1102工作面回风量为3225m3/min，其中路由回风区立井的回风量为4126m3/min，气压强度为4204Mpa，拐角的角度为35°；西一回风区立井的回风量为13753m3/min，气压值为2265Mpa，角度为11.8°；东湖回风区立井的回风量为31684m3/min，气压值为21238Mpa，角度为33.6°（3）工程量：珠江大道与翟营小巷13号东湖盘区辅助运输大巷全长246m，按每米的成本价为7.5万元，费用为369万元；管道沟深22.4m，开挖体积约为11.25m3，按每立方米挖土1000元，回填土800元计算，费用为20250元，工程费用总计为1855万元。

4 改造前后通风效果比较

（1）系统排风量为45.62m3/s，与2006年同比上长28.76%，总净化量为28.97m3/s，同比2004年上浮11.28%，总回风43.23m3/s，比2004年上长8.35%，其中主井进风43.49m3/s、副井进风36.45m3/s南风井出风量为14.86m3/s、北风井进风量为22.35m3/s；系统通风能力比预期原有系统有大幅度提升。（2）通过对现场32个施工通风量的测定，矿山场地的通风量达标率为87.32%，同比2006、2007年上浮11.32%、8.21%，通风效果得到显著改善。（3）更换风机后，转子运转速度加快，提高了风机工作效率。（4）主、副井之间原有的气压差被打破，进入到另一个新的界限，局部地区采矿场地的通风量明显增加。（5）节省劳动力及风机存储容量。原来生产线共有各类风机52台，需要技工工日11台班，普工工日23台班，现如今需要优化改造后风机数目为23台，技工工日5.5台班，普工工日7台班，其中3台由原有总装机容量348.6kW到当今使用功率120kW。

除此之外，在系统优化改造过程中，改用西门子技术对主扇区进行远程监控，操作平台设立在生产控制室内，缩短了原有路程差，一方面操作管理人员根据当地矿井的生产需要进行地下调度测量，确保施工的安全。另一方面减少了人员的安排，节省了每年不必要的开销。

参考文献：

[1]韩振才，刘江，胡艳东.浅谈加固处理湿陷性黄土地基的方法[J].岩土工程界增刊，2006.

[2]袁昌明，徐泽林.某中小型矿山通风系统的改进与优化[J].工业安全与环保，2004，（12）；28-31.

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【关键词】新加坡 中学 科学教育 特点

【中图分类号】G511 【文献标识码】A 【文章编号】1006－9682（2008）12－0073－03

新加坡是一个多种族、多元文化的国家，同时其物质资源 十分匾乏。1955～1978 年，新加坡教育以生存为主导，实施双 语教育。1965 年独立以后，特别是 1979～1996 年，非常重视 人力资源的开发，特别是精英人才的培养，对不同学力的学生 从小严格筛选与分流，强调卓越教育，推行以效益为主导的科 学教育。1997 年，新加坡总理李显龙提出“重思考的学校，爱 学习的公民（Thinking Schools，Learning Nation）”的教育愿景 后，新加坡的科学教育开始了新的转型，全面推行能力取向的 科学教育改革。使新加坡的科学教育一直保持着很高的质量， 为世界各国所瞩目。

2008 年暑假，郑州市教育局组织郑州市第二届中学名师赴新 加坡教育部校长学院培训，笔者有幸参加了本次培训与教育考 察。本文就新加坡中学科学教育改革予以概述，以借鉴、启示我 国当今的新课程改革。

一、大众教育与精英教育的和谐统一

1．学制改革

新加坡小学学制为 6 年，小四结束时，通过校内考试对学生 进行第一次分流，把学生分为 EMl 和 EM2 两层。中等教育分中 学和中学后（post-secondary）两个阶段。小六结束时，参加国家 的小学毕业考试（PLSE），根据成绩让学生分别学习中学的三类 课程：特别类（special）、快捷类（express）和普通类（normal）。 中学毕业后，参加普通水准教育证书考试（GCE O level，相当于 我国的中考）或初级水准教育证书考试（GCE N level），根据考 试成绩分别升人不同类型的中学后：大学预科（pre-university）、 理工学院（Polytechnics）和工艺教育学院（Institute of Technical Education）。

为了使尽可能多的学生接受更长时间的科学教育，从 1994 年起在初级中学引入普通类课程的工艺（technical）分支，以适 合学力较弱学生，这就把普通类课程分为普通类（学术）和普通 类（工艺）两支。一般情况下，小学升中学进入各类课程的比例 为：特别类 10%，快捷类 50%，普通类（学术）25%，普通类（工 艺）15%。

在中学的中一至中二，所有的学生都必须学习综合性科学课 程。到中三和中四时，对于特别类和快捷类学生来说，科学课程 是核心课程，必须至少学习一门科学课程；普通类（学术）可以 选修科学课程，而普通类（工艺）学生则不学习科学课程。教育 部规定从 2006 年开始，普通类（工艺）的学生可以选修普通课 程（学术）的任何科目，这个规定势必会使更多的学生接受较高 层次的科学教育。

中四结束时，特别类和快捷类学生参加普通水准教育证书考 试；而普通类（学术）和普通类（工艺）参加初级水准教育证书 考试，成绩优异者可以进行中五的学习，然后参加普通水准教育 证书考试，这为学力较弱的学生提供成为社会精英的机会。由于 普通水准教育证书考试包括科学课程，这样又会使普通类学生中 学习科学课程的比例有所增加。

原来新加坡的三类课程之间的界限是泾渭分明的，各类学生 不能互转。90 年代以后，教育部放权给学校，学校可以根据学生 的学习成绩、校长和教师的评估，安排学生从一类课程转入另一 类课程，尤其是放宽对普通类（工艺）学生的限制，鼓励更多的 成绩优异者转人普通类（学术）。原来僵硬的界限有所软化，增 大了各类课程的弹性，在一定程度上促进大众教育与精英教育之 间的融合。

中学后的科学教育进一步分化。普通水准教育证书考试成 绩最好的学生（约 30%）进入大学预科，包括初级学院（Jun-for Colleges 两年制）和高级中学（Centralized Institute 三年制）。 这些学生中 80%的人可以升入大学，是新加坡未来的社会精英。 他们根据兴趣爱好以及高级水准教育证书考试（GCE A level， 相当于我国的高考）的要求从数学与科学领域中选学 1～3 门。 成绩一般的学生（约占 50%）进入理工学院（三年制），他们主 要学习技术类和应用类的课程。但是，他们也会通过工程类课 程学习一些科学知识。成绩较差的学生进入工艺教育学院（一 至两年），主要学习职业性的课程，进行职业训练，不再学习科 学课程。

另外，1983 年，根据高才教育论学者岗尼（Francays Gagne） 教授提出的天赋与才能差别模式，新加坡教育部推出了高才班计 划（Gifted Education Programme）。岗尼认为，外在因素（如课 程与环境）以及内在因素（如学生的个性、面对问题时的毅力等）， 对天赋能否发展为才能举足轻重，应该尽早发现儿童的天赋，提 供适合他们学习进度的课程。课程挑战他们的思维，并让他们有 机会与聪颖的同辈交流，将有助于发挥潜力，让“天赋”发展为 “才能（talent）”。高才班计划的目标是提供学生学习的深度与广 度，注重培养学生的批判与创意思维。目前，每批学生当中有 1% 在小三通过高才班测试后，可选择进入高才班计划。中学的高才 班计划则在 2006 年取消，改以学校高才教育（School-Based Gifted Education）形式进行。其课程由学校自行设计，教育部高才班部 门给予协助。目前，参与学校高才教育的学校有莱佛士书院、莱 佛士女中、英华学校（自主）、南洋女中、华侨中学、德明政府 中学与国大数理中学。

2．课程改革

新加坡所有的学生在小三至小六、中一至中二都要学习综合 性科学课程，这些将成为构建他们一生科学素养的基础。在中一 和中二，特别类、快捷类和普通类（学术）的科学课程标准是完 全一样的。普通类（工艺）有单独的科学课程标准，除了有 6 个 单元的核心内容外，还有 3 个选学单元，学生可以从中选学 1 个 单元，中三学生的选择余地更大，不同类的、不同兴趣爱好的学 生可以选择不同科目、不同类别、不同难度的科学课程。特别类 和快捷类学生必修一门科学课程，可以从物理、化学、生物、混 合科学（物理＋化学）（物理＋生物）（化学＋生物）中选择。另 外，他们还可以再选修若干门科学课程。普通类（学术）的科学 课程是选修的，学生可以从三种混合科学科目中选择。

各类 课程 的难 度和 要求 不同 。中 学分 科设 置的 物理 课程

（5052）要求相对较高，包括 75 个知识点，涉及 75 个数学计算 公式，要求学生掌握 33 个物理量，并给出其中 16 个物理量的定 义。而混合科学（物理+化学 5152）（物理+生物 5153）中的物理 部分完全相同，内容较少，要求也较低，都包括 52 个知识点， 有 15 个数学计算公式。

大学预科生可以选修不同的科学课程，同类课程中还有选学 的余地。他们可以学习物理（9246）或物理（9248），两者的区 别主要是实践操作方面的要求，后者略高，它们的知识内容完全 相同，核心内容有 6 个部分，占 90%，选学内容占 10%，有 4 个部分。物理课程还可以分为 H1，H2 两个层次。H2 等同于高 级水准教育证书考试的要求，Hl 是 H2 内容范围的一半，但深度 与 H2 相似，学生可以根据自己的情况和将来大学方向的专业要 求选择 H1 和 H2。另外，还有更高级的层次 H3 为学生提供更多 的学习机会，主要有高级内容、研究报告和大学模块等，但不属 于证书考试的内容。

精英教育中的科学课程难度较大。首先，数学工具要求较高。 物理课程中不但涉及初等数学许多内容，而且还涉及高等数学中 的微分和积分。其次，包括大量的普通物理内容，为少数学生准 备的 H3 层次更是直接学学中的物理课程内容，难度更大。 这些内容为一部分学力较强的、将来打算从事与物理学有关的科 学研究工作的学生提供了充分的学习机会，有利于他们尽快地脱 颖而出。

为不同的学生提供不同类型、不同难度的科学课程，增加学 习的自主性，同时为了兼顾大众教育和精英教育，尽可能做到因 材施教，人尽其才。

二、经典科学与现代科学的合理平衡

如何处理好经典科学与现代科学之间关系的问题一直困扰 着课程内容的选择。新加坡的科学课程改革力争在经典科学与现 代科学之间寻求一个比较满意的“平衡点”，保持经典科学内容 和现代科学内容之间的“合理张力”。物理（5052）包括 5 个部 分，前 4 个部分是物理学基础、热学基础、波、电和磁，属于经 典物理的内容，第 5 部分是现代物理部分――核物理基础，涉及 原子核和放射性，其中，第 4 部分中的简单电子学也是属于现代 物理的范畴。物理（9246，9248）的核心内容由 6 部分组成，前

5 个部分属于经典物理：基础物理、牛顿力学、物质、振动和波、 电和磁。第 5 部分中的电子学（包括理想放大器、放大电路）和 第 6 部分是现代物理，第 6 部分包括带电粒子、量子物理和核物理三章，涉及光子、光电效应、波粒二象性、原子中的能级、原 子核、质能关系和结合能、核反应、放射性衰变等。选修内容中 涉及现代物理的有：X 射线、核磁共振、激光、晶体结构等现代 物理的内容约占总内容的 15%～20%。

三、理论知识理解、应用与实践操作的有机结合

1．重视科学知识的理解

科学课程精简了内容，节省时间和空间以便集中于核心知 识。比如，物理（5052）只要求学生掌握 33 个物理量，并给出 其中 16 个物理量的定义，通过精选核心概念来强化学生对科学 概念的深度理解。另外，重要的、难度较大的科学概念循环地出 现，物理（9246，9248）与物理（5052）重复的物理知识有：矢 量、速度、加速度的曲线分析、力矩、动能、势能、功、功率、 波运动的描述、横波和纵波、电流、电势差、电阻、电磁感应定 律、原子核、放射性等。

2．强调知识的理解与应用间的结合，使理解与应用共同促进学生学习科学。

物理（5052）有两章是专门讨论物理知识的应用：实用电学（包括电的危险、家庭安全用电）和简单电子学（包括示波器的 使用、电路部件的作用和使用、逻辑门和连接等）。其它章中也 有一些节是讨论应用的。例如，电磁波的应用、静电的应用、电 流磁效应的应用、放射性同位素的使用等。物理（9246，9248） 中的应用部分更多。其中，选修 C 材料物理，选修 M 医学物理 和选修 P 环境物理都专门探讨物理知识的应用，分别包括晶体的 结构、微观结构和材料试验，医学成像、医学治疗、视觉中的物 理和听觉中的物理，动力源、能量消耗、热机和污染等。

3．重视以科学探究为核心的实践（practical）操作活动，使科学实践操作与理论知识的理解与应用形成有机结合。

物理（5052）要求学生掌握 5 个测量实验和 9 个建立在物理 规律上的实验，例如，用量筒测量液体与固体的体积，与全反射 定律有关的实验等，这些实验涉及 16 种重要的仪器设备，物理（9246）的课程评价目标有一部分是“实验技能和探究”，要求 学习者：①设计探究，选择技巧、仪器设备和材料；②安全地、 有效地使用技巧、仪器设备和材料；③进行观察、测量、估计并 记录；④解释和评估观察和实验的资料；⑤评估方法和技巧，并 进行可能的改进。物理（9248）对实践操作要求更高，明确规定： 学习者至少把 20 课时的学习时间用于实践部分和它的评价。

另外，新加坡教育部还通过考试进一步强化科学实践操作。 普通水准教育证书考试的物理（5052）分理论卷（试卷 1 和试卷2，共 120 分）和实践卷（试卷 3）。试卷 3 用时 1.5 小时，包括 2 个实验，共 30 分。高级水准教育证书考试的物理（9246）分理 论卷（试卷 1、试卷 2 和试卷 3，共 260 分）和实践卷（试卷 4）。 试卷 4 是校本科学实践评价（SPA），64 分，占总分的 20%。该 试卷评价学生的 4 种探究技能：计划、实施、分析、评估。物理（9248）的实践卷包括试卷 4 和试卷 5，试卷 4 是实践测试，2小时，34 分，包括 2 个必做的实验。试卷 5 是设计问题，1 小时，16 分，包括 2 个必做的设计练习，每个 8 分。 新加坡的科学课程考试中，理论卷会涉及部分实验技能和探究，实践卷中可能会涉及有些对实验结果的计算，理论与实验之 间并不截然分开。虽然理论学习和实验操作是科学课程不可分割 的两个组成部分，但是，两者对学生的要求毕竟有一定的差异性。

外，根据加德纳的多元智能理论，不同的学生具备不同的智能， 可能有些学生更擅长理论学习，另一些学生则更擅长实验操作。 那么，考试就应该让学生有更多的机会展示自己掌握了什么。新 加坡的实验考试在这方面就做得很好，在实验卷中尽可能不涉及 理论知识方面的掌握情况，仅考核考生实验方面的技能。这一点 是与现代科学教育所倡导的“评价的目的是了解学生理解了什 么”，而不强调“了解学生有哪些还不知道”相一致的。

四、课程与信息技术的有机整合

1997～2002 年，新加坡启动了教育信息技术计划 MITE、 MITE1 完成后，教育部又启动了 MLTE2，时间从 2003～2007 年。 MITE 的目的是鼓励学生的学习、通过使用信息技术来加强课程、 教学和评价方法之间的联系，并激发学生独立地、创造性地思考 和实验。

根据 MITE 计划，新加坡的科学教育改革把科学课程与信息 技术的整合作为一个重点，希望通过课程与信息技术的整合尽可 能创设有利于高水平思维的学习情境，加深学生对科学知识的理解，促进学生批判性、创造性思维能力和解决问题能力的培养。在物理（5052）和物理（9246，9248）的课程目标中都提出，要 求学生意识到信息技术在通信中的重要性，以及使用信息技术作 为一种实验的辅助手段，并作为实验结果和理论成果解释工具的 重要性。

科学课程标准中还专门规定了要求教师在教学中要尽可能 使用信息技术的地方。比如，物理（5052）要求在绘出和解释冷 却曲线、把电场描述为电荷受到一种力作用的一个区域等处使用 信息技术；物理（9246，9248）要求在解释和使用叠加原理、回 忆和使用库仑定律等处整合信息技术。信息技术与物理课程整合 的内容在物理（5052）中约占 15%，在物理（9246，9248）中所 占的比例接近 20%。

这些举措为了学生将来能够更好地适应信息技术时代，它也是新加坡建立“信息岛”国家战略的一个重要组成部分。

五、分科课程与综合课程的有机互补

中一至中二所有学生都学习综合科学课程，可以发挥综合 课程较全面地培养学生科学素养的优势。在中三和中四，特别 类和快捷类学生的认知发展水平较快，达到皮亚杰的形式运算 阶段的比例较高，所以科学课程对知识的深度有了一定的要求， 可以选择分科的物理、化学和生物，也可以选择混合科学。有 意升大学预科的、将来从事专业性科学工作的学生往往选择分 科课程，能够较系统地学习某一科学学科的知识。混合科学虽然内容是分立的，但形式上是综合的，属于“准综合科学课程”， 它既可以扩大学生学习科学知识的范围，也可以对知识上的系 统性有一定保证，比较适合将来升入理工学院或者不专门从事 科学工作的学生学习。同样，由于普通类（学术）学生的认知 发展相对较缓慢，只要求他们选学混合科学课程，给他们提供 比较宽泛、相对浅显的科学内容，加深他们对科学的理解，更 好地提高他们的科学素养。

大学预科生主要为将来的大学学习做好准备，所以开设分科课程，让他们较系统、深入地学习物理、化学或生物。但是由于 这个阶段的分科课程专业性较强，也会造成这些学生视野不宽、 解决现实生活中实际问题能力的欠缺等弊端。为了缓解分科课程的弊端，新加坡在大学预科阶段实施更广泛、更灵活的课程，积 极倡导课程综合化。1997 年以后，教育部对各门课程的内容都进 行了精简，留出时间给跨学科的综合性课程和综合实践活动。开 设的综合 性课 程都是以 学习 技能为主 的课 程，包括 专题 作业（project work）和知识与探索（knowledge & inquiry）。专题作业 要求学生综合各学习领域的知识，在现实生活的情境中加以运 用，并加强协作、独立学习以及掌握沟通技能。知识与探索要求 学生理解以及综合从不同领域获得的知识，鼓励学生进行科学、 人文、数学及美学等方面的研究与评价。课程着重理解、思考与 主要的推理技能的掌握。专题作业和知识与探索的课程标准都已 经颁布。为了加强综合性课程的落实，从 2005 年起，规定大学 录取的总分中专题作业占 10%，知识与探索可以替代“理解与写 作”。专题作业的评价分小组和学生个体两方面，两者各占 50%。 鼓励学生既要注重个人表现，更要重视小组合作，具体评价标准 见下表。

这些综合性的课程在培养学生处理问题的能力、沟通能力， 促进学生进行批评性和创造性的思维方面，发挥了与分科科学课 程互补的作用。

参考文献

1 潘、代建军. 能力取向的新加坡科学教育改革［J］.课程•教 材•教法，2006（2）

2 Ministry of Education, Singapore. 5052PHYSICS O LEVEL，2005.4. 19-20［Z］

3 SEAB & UCLES. GCE’O’Level Physics Paper Nov,2001～2005. Singapore: Dyna Publisher Pte Ltd.2006.182-184

4 Ministry of Education, Singapore. GCE' O-LEVELEXAMINATION,2006 EXAMINATION TIMETABLE（TENTATIVELY）［Z］

5 ［美］国家研究理事会. 戢守志等译. 国家科学教育标准［M］.北京：科学技术文献出版社，1999：121