量子计算的运用范文

导语：如何才能写好一篇量子计算的运用，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]公允价值；计量模式；草原资产

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2016.24.029

1 引 言

我国作为草原资源大国，草原资源覆盖全国2/5的国土面积，是我国最大的陆地生态系统。草原资源作为重要的可再生资源，是生态环境可持续发展的保障。国内外大多从宏观经济层面对草原资源进行价值评估，缺乏从会计核算角度进行微观层面的计量，并且受传统经济理论的影响，“草原资源无价或价值不菲”的观念深入人心，而对草原资源进行核算，可以建立人们的草原资源有价观，加强对草原资源的合理利用和保护。本文选用公允价值计量模式从计量单位和计量属性两个方面对草原资产进行核算，旨在提高草原资产核算的相关性，为各利益相关者提供决策有用的信息。

2 文献综述及相关理论

2.1 公允价值计量的相关研究

公允价值作为重要的计量模式，美国财务会计准则委员会、国际会计准则理事会、我国财政部相继颁布了有关公允价值计量的准则。黄学敏（2004），葛家澍、徐跃（2006）认为公允价值与历史成本存在本质的差别，公允价值是以现在实际的交易和事项为参照的估计价格，而历史成本是现在交易的实际价格。[1][2]自从2008年金融危机的爆发之后，国际会计界对公允价值计量模式产生怀疑，Barth M.（2008）等认为公允价值并没有给金融危机雪上加霜，反而证明了公允价值计量模式可以增加公司财务报告的透明度，有利于为利益相关者提供决策有用的信息。[3]曹越、伍中信（2009）从决策有用观的角度分析，公允价值计量相对于历史成本计量的优势是能提供最具决策有用和相关性的会计信息。[4]

2.2 草原资产核算的相关研究

20世纪30年代，荷兰经济学家Tinbergen提出了影子价格法，但是影子价格法只能静态反映自然资源的最优配置价格，不能表现资源本身的价值。Costanza（1997）优化了Davis（1963）的市场估价法并提出了生态服务定价模型。[5]Esfahani（2002）基于能源市场的资源定价政治经济学模型对自然资源定价影响的探讨也产生了很大的影响。[6]Harris M.（2002）等认为保持国家自然资源体系的价值并作为国家总资产的一部分，可以将自然资源资产化。[7]王天义（2008）等提出了草原资源资产化的概念，并且将草原资源资产的核算从实物量转变成价值量，但也只是提出了研究的方向。[8]葛家澍（2011）指出企业的要素项目应该包括企业的环境资产和环境负债，企业的环境资产和环境负债应通过定量或计价从数量上得到反映。[9]

2.3 公允价值计量模式在草原资产核算中的相关研究

美国证券交易委员会（SEC）（1978）提出了一种以价值为基础的会计计量方法――储量认可法（RRA），以此确定现行自然资源储量资产的价值，开辟了公允价值计量模式在自然资源资产核算中的应用。Prudham W.S.（1993）指出自然资源核算首先应该统计自然资源的期初、期末及增减变动量的实物量数据，然后按照一定的估价原则和方法确定相应的价值量指标。[10]易耀华（2009）认为公允价值计量模式必将成为我国自然资源会计计量的主角，实现决策有用的会计目标，提高信息的可靠性和相关性。[11]颉茂华等（2012）提出了草原资产与草原资源的区别，探究了草原资产核算的具体内容，并且提出采用公允价值计量模式核算草原资产的新思路。[12]马永欢等（2014）结合我国的现实需要，提出自然资源资产化和自然资源价值核算的必要性。[13]

综上所述，国内外现有的研究大多从统计角度进行宏观经济层面草原资源生态系统服务功能的价值评估，从会计核算角度进行微观层面草原资源核算的研究较少，而具体的应用公允价值计量模式对草原资产核算的研究更少。因此，本文重点介绍了依据草原资产的特性，选取公允价值计量模式，从计量单位和计量属性这两个方面对草原资产进行核算，旨在打破人们草原资源无价的观念，建立草原资源有价观，更好地保护草原资源。

3 草原资产

3.1 草原资产的定义及特征

我国《草原法》第九条中明确规定“草原属于国家所有，由法律规定属于集体所有的除外。国家所有的草原，由国务院代表国家行使所有权”。可见，我国草原资源所有权存在“二元制”的结构。长期以来，我国的草原作为资源管理，只利用了草原的使用价值，而忽略了草原的其他价值，使得“草原资源无价”的观念深入人心，草原资源的开发利用建立在无偿使用的基础上，造成草原资源的浪费和损失。所以，本文基于产权理论，将草原资源资产化，草原资源资产化的会计主体应是拥有其所有权的国家或集体。

草原资源是指草原、草山及其他一切草类资源的总称，包括野生和人工种植的草类，是一种生物资源。本文借鉴颉茂华、马永华等学者的观点以及我国现行的财务会计准则中资产的定义，草原资产是指在现在技术水平下，由所有者以前的经营交易或事项形成的，由所有者拥有或控制的，预期会给所有者带来经济利益的草原资源。当然只有同时具备以下特征的草原资源才可以成为草原资产：草原资源的物质实体具有使用价值，预期会给经营者带来经济利益；草原资源归属于明确的会计主体，并由该主体拥有或控制；草原资源产生的价值或成本能够可靠计量。

3.2 草原资产的分类

本文对草原资产的分类标准参考《企业会计准则第5号――生物资产》中将生物资产划分为消耗性生物资产、生产性生物资产、公益性生物资产，以及将生产性生物资产按照是否具备生产能力分为未成熟和成熟两类，同时结合草原资产本身的生长特性和功能分类。

本文将草原资产分为实物资产（相当于有形资产）和环境资产（相当于无形资产），其中实物资产分为未成熟生长性草原资产、成熟生长性草原资产、消耗性草原资产三类，环境资产是指公益性草原资产。未成熟生长性草原资产是指为生产相应的产品而持有的未达到生产经营能力的草原资产，如处于禁牧期的牧草；成熟生长性草原资产是指为生产相应的产品而持有具备持续生产经营能力的草原资产，如处于放牧期的牧草；消耗性草原资产是指为出售而持有的处于成熟淘汰期的草原资产，如已停止生长开始枯黄的可食用牧草；公益性草原资产具有调节气候、涵养水源等功能，虽然不能为企业带来直接的经济利益，但有助于企业从其他资产获得经济利益。

4 草原资产核算的最优选择――公允价值计量模式

4.1 选择公允价值计量模式的影响因素

采用历史成本还是公允价值是草原资产核算计量模式选择存在的一个难题，对于草原资产核算选择公允价值计量模式受多个因素的影响。

4.1.1 草原资产的特征与计量属性本身的特点相结合

第一，生物多样性。草原资产大多数是在天然气候条件下生长的，只有少数是经过人工种植的。历史成本是指企业在经营过程中实际发生的一切成本，具有客观性和可验证性，因此自然条件下形成的草原资产历史成本为零或非常低，采用历史成本会低估草原资产的价值；公允价值是指市场参与者在计量日发生的有序交易中，出售一项资产所能收到或转移一项负债所需支付的价格即脱手价格，具有公允性、虚拟性、未实现性，采用公允价值可以更加合理地计量草原资产的价值。

第二，变化性。草原资产的生长周期较短，每一时刻都会发生变化，其蕴含的内在价值也会不断随之生长而发生变化。历史成本计量无法追踪这种成长，而公允价值体现的是资产现行交易的实际价格，选用公允价值计量可以更好地记录不断生长变化的草原资产的价值。

4.1.2 对资产本质的理解

资产的成本观和价值观是对资产本质理解存在的两种观点。资产的成本观是指资产初始取得时的成本，注重资产的客观性和可计量性，认为资产是剩余成本或未耗用成本，将资产的原始购买成本作为期初余额，对以后的变化不予考虑，因此计量模式是面向过去的，选择历史成本计量模式。资产的价值观是指资产的未来可以为所有者带来的经济利益，计量模式是面向未来的，选择公允价值计量模式。由草原资产具有的生物多样性、变化性等特征可知应选择公允价值计量模式。

4.1.3 会计目标的选择

计量模式的选择必须考虑计量的目的和所需的前提条件，不同的计量模式对应不同的会计目标。受托责任观是指从会计信息提供者的利益出发，选择的计量模式应反映信息提供者对受托者的履行情况，应选择历史成本计量模式。决策有用观是从信息使用者的利益出发，资产计量的结果应与信息使用者的决策相关，应选择公允价值计量模式。草原资产的计量是为了向各信息使用者提供决策有用的信息，加强对草原资源的合理利用和保护，所以应该选择公允价值计量模式。

4.1.4 会计信息的可靠性和相关性的权衡

可靠性与相关性是会计信息最重要的两个特征，在会计核算中应尽可能地达到两者的统一。会计人员提供的会计信息是为了帮助信息使用者进行决策，应对会计信息的相关性和可靠性进行权衡，如果以可靠性为主，相关性为辅，应选择历史成本计量模式；如果以相关性为主，可靠性为辅，应选择公允价值计量模式。草原资产不断变化的特性使草原资产计量的可靠性降低，草原资产计量过程中更倾向于相关性，所以选择公允价值计量模式。

以上的分析结果表明公允价值计量模式是草原资产核算的最优选择。但是我国没有完善的经济市场环境、生产资料市场、产权交易市场、发达的专业评估技术以及讲求诚信的评估队伍等，因此，在使用公允价值计量草原资产时应进行严格的限制。

4.2 草原资产核算的计量单位

计量单位是指对计量对象进行计量时具体使用的标准量度。自复式簿记为记账方法的方式出现以来，货币计量被认定为传统会计本身固有的属性。对于草原资产的计量单位，其计量单位应以货币计量为主的同时兼用实物计量。

一方面，对于草原资产会计信息予以货币化是非常有必要的，因为货币具有综合反映的功能，有利于会计信息使用者从财务报告中获得企业财务状况、经营成果、现金流量等信息；另一方面，草原资产包含自然环境和人类劳动共同孕育的成果，所以既有商品性又不限于商品性，草原资产不是只单一用货币计量就可以概括的，可以对难以用货币计量的草原资产进行实物量核算，如“株数”“载畜量”等。

4.3 草原资产核算的计量属性

本文将公允价值估值技术运用在草原资源实物资产的初始计量和后续计量中，对于草原资源的环境资产现已有较成熟的生态系统服务功能价值核算体系，本文不再赘述。

4.3.1 草原资产的初始计量

按照我国《企业会计准则第39号――公允价值计量》中的规定，公允价值计量模式下的估值技术主要有市场法、收益法、成本法，不同种类的草原资产初始计量适用的估值方法不同。通过对不同种类草原资产特点与不同估值方法特点的分析，对不同种类草原资产的核算如下。

（1）未成熟生长性草原资产

草原资产在具有生产经营能力之前，属于未成熟生长性草原资产。因为这种类型的草原资产具有投入大、收入低、不存在活跃市场的特点，所以这一阶段的草原资产不具备使用市场法或收益法估值技术的条件，具备使用成本法估值技术的条件：被估值资产与重置资产具有相关性，被估值资产历史资料易得，被估值资产的各种损耗合理，被估值资产可再生。因此，对于未成熟生长性草原资产选择成本法进行估值。成本法是指在现行的市场条件下，重新种植相同或相似的草原资产所需要的成本减去各种合理损耗作为被估值草原资产的入账价值，通常是指现行重置成本法。计算公式如下：

（2）成熟生长性草原资产

草原资产具有持续生产能力，属于成熟生长性草原资产。成熟生长性草原资产具备使用收益法估值技术的条件：估值资产的预期收益、获得预期收益承担的风险、获利时间都是可以预测并且可以用货币计量的。因此，对于成熟生长性草原资产选取收益法进行估值。收益法是指在对成熟生长性草原资产预期未来收益额、收益期及折现率估计的基础上，将每年预期未来收益额折算成现值并加总的估值技术，通常是指现金流量折现法。计算公式如下：

（3）消耗性草原资产

处于成熟淘汰期的草原资产大多拥有活跃的市场，并且市场上可以找到相同或相似资产的价格，因此适用市场法。市场法是指利用与消耗性草原资产相同或相似资产的市场价值估值的技术。计算公式如下：

总之，不同类型的草原资产初始计量时选用的估值方法不同，草原资产公允价值的确定是一项具有较强专业性和特殊性的技术性工作，当草原资产的成本、折旧、增减值等无法衡量时，应该聘请专业的评估人员进行评估协助。

4.3.2 草原资产的后续计量

为及时反映草原资产的增减和结存情况，应该定期估算草原资产的增减值，随时披露草原资产真实和公允的价值信息，并且考虑其类型是否发生变化，从而改变估值技术。当重新估算的公允价值与账面价值相差很大时，应将差额计入当期损益。目前，草原资产缺乏活跃的市场，会计操作的成本可能较高和评估价值有效性可能较低，在实行初期可考虑每个月评估一次。

5 结论及建议

本文依据草原资产的特点，应用最新的《企业会计准则第39号――公允价值计量》中的规定来计量草原资产这一相对空白的领域。本文考虑到我国尚不存在完善的资本市场，公允价值计量会成为企业操纵利润的有效工具，对于草原资产采用公允价值计量可能存在一定的困难。我国目前为与国情相适应，对草原资产核算采用历史成本为主、公允价值为辅的计量模式。但是，随着我国经济的发展、综合国力的加强以及资本市场和农业产业结构的日渐完善，我国的会计制度日渐与国际会计准则趋同，我国的草原资产计量模式有可能完全转变为公允价值。为了加强对我国草原资源的管理，早日实现公允价值计量模式在草原资产管理中的应用，提出以下三点建议。

第一，加强我国草原资源的监测，建立草原资源的实时动态信息数据库。通过我国草原遥感技术的监测，加强数据资源的积累和收集，建立完善的草原资源信息数据库。

第二，明确权属界限，做到权、责、利分明。我国草原资源所有权归属国家或集体，使用权和经营权可以转让、租赁、承包、买卖等，明确草原资源的权属范围是实现草原资源资产化管理的前提，应以合同等文本形式明确其权属，这样才能做到责、权、利明确。

第三，健全和完善草原资源的资本市场，实现草原资源的正常流转。建立并逐步完善政府宏观调控、“经济人”积极参与、全社会共同监督的草原资源资产市场体系，允许打破行政、行业、所有制界限购买使用权，允许继承转让开发治理成果。

参考文献：

[1]黄学敏.公允价值――理论内涵与准则运用[J].会计研究，2004（6）.

[2]葛家澍，徐跃.会计计量属性的探讨――市场价格、历史成本、现行成本与公允价值[J].会计研究，2006（9）.

[3]Barth M.Global Financial Reporting：Implications for U.S.Academic[J].The Accounting Review，2008，83（5）.

[4]曹越，伍中信.产权保护、公允价值与会计改革[J].会计研究，2009（2）.

[5]Costanza R.，dArge R.，Rudolf de Groot，et al.The Value of the Worlds Ecosystem Services and Natural Capital[J].Nature，1997（387）.

[6]Esfahani C.J.，Pang B.W.，Resch P.M..Method and Apparatus or Reducing Power Consumption in a Digital Processing System[J].U.S.Patent，2002（6）.

[7]Harris M.，Fraser I..Natural Resource Accounting in Theory and Practice：A Critical Assessment[J].Australian Journal of Agricultural and Resource Economics，2002，46（2）.

[8]王天义，周聪，孙志岩.草原资源资产化管理研究工作的思考[J].吉林畜牧兽医，2008，244（7）.

[9]葛家澍，林志军.现代西方会计理论[M].3版.厦门；厦门大学出版社，2011.

[10]Prudham W.S.，Lonergan S..Natural Resource Accounting：A Review of Existing Frameworks[J].Canadian Journal of Regional Science，1993，16（33）.

[11]易耀华.我国自然资源和生物资产会计中的微量元素――公允价值[J].中国商界，2009（4）.

[12]颉茂华，于胜道，吴倩.草原资产核算[J].中国草地学报，2012，34（5）.

篇2

（一）在建筑材料方面的应用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。

钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca钙矾石、含Ba钙矾石和含Sr钙矾石的Al-O键级基本一致，而含Sr钙矾石、含Ba钙矾石中的Sr，Ba原子键级与Sr-O，Ba-O共价键级都分别大于含Ca钙矾石中的Ca原子键级和Ca-O共价键级，由此认为，含Sr、Ba硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。

将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。

（二）在金属及合金材料方面的应用

过渡金属(Fe、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。

量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

二、在能源研究中的应用

（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用

煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。

量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子,如低级芳香烃作为碳/碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian98程序中的半经验方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。

（二）在锂离子电池研究中的应用

锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。

锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li+离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago等[8]用半经验分子轨道法以C32H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li-C和具有共价性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。

随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

三、在生物大分子体系研究中的应用

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘,进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]程新.[学位论文].武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院,1994

[2]程新,冯修吉.武汉工业大学学报,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料学报,1999,2(2):147

[4]闵新民,沈尔忠,江元生等.化学学报,1990,48(10):973

[5]程新,陈亚明.山东建材学院学报,1994,8(2):1

[6]闵新民.化学学报,1992,50(5):449

[7]王宝俊,张玉贵,秦育红等.煤炭转化,2003,26(1):1

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

[10]SatoruK,MikioW,ShinighiK.ElectrochimicaActa1998,43(21-22):3127

[11]麻明友,何则强,熊利芝等.量子化学原理在锂离子电池研究中的应用.吉首大学学报,2006,27(3):97.

篇3

关键词：基础量子化学 教学实践 教学改革

量子化学是高等师范院校化学专业为硕士研究生开设的一门专业基础课程，其任务是使学生利用量子力学的基本原理和方法掌握微观物质运动的基本规律，探索物质的结构及结构与性能关系［1，2］。目前，量子化学理论已愈来愈广泛地应用到化学各个分支学科领域中，并渗透到其他自然学科中，从而使量子化学的教学在整个化学专业教学计划中的重要性日益增加。但它涉及面广，内容比较抽象，且具有极强的理论性，同时要求学生具有较强的空间思维能力，因而量子化学教学不仅对教师提出较高的素质要求，而且对教学方法提出新的课题。下面我结合多年来在量子化学教学改革中的探索和尝试，谈谈教学感受和体会。

三、开展第二课堂，培养学生计算技能

为了让学生把学到的量子化学理论运用到研究中，掌握一些专业软件的计算技巧，教师可利用课余时间开展第二课堂，为学生提供一个学习和实践的平台，给他们创造更多的锻炼机会。例如，搞有机合成的研究生，根据专业需要可以让这些学生学会过渡态的寻找和优化，通过理论计算探索反应机理，能预测最佳反应通道，为他们的研究方向提供理论支持；研究方向是无机配位化学，可以让这些学生学习一些金属配合物的计算方法，学习配合物电子吸收光谱、荧光光谱及磁性的计算，这些计算结果对合成具有特殊性能的配合物都是很有帮助的。在第二课堂中，也可以让基础较好的学生参与到自己的科研活动中，承担一部分力所能及的科研课题，使学生科研能力得到锻炼，激发他们的科研热情，拓宽他们的视野，同时自己通过学生的实践活动，找到自己课堂教学中的不足。第二课堂的开展，不仅把学生所学的理论知识转化成学生认识和解决实际问题的能力，更重要的是教师身上这些品质能够言传身教地影响学生，从而使学生具备创造的兴趣和素质。

四、结语

量子化学的教学改革取得了一定的效果，首先学生克服了量子化学难学的畏难心理，激发了学生学习量子化学的激情，可以在有限的教学时间内达到较好的教学效果；其次，通过开展第二课堂，将量子化学理论与科研实例有机地结合起来，培养了学生分析问题、解决问题及科研创新的能力。

参考文献：

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密码钥匙

大家都喜欢看谍战片吧？科技含量高的谍战片通常有破解通信密码的情节。破解通信密码需要获得密码钥匙。

这里说的密码钥匙就是信息的加密方式，因为它和咱们开门用的钥匙有相似功能，所以被称为密码钥匙，简称密钥。打个比方，甲想向乙传输“123”这段信息，先按照将每个数字都加3的方式向乙传输“456”，“123”就叫明文，“456”就叫密文，而每个数字都加3就是密码钥匙。发送者可用密码钥匙加密信息，接收者可用它来解密。

如果第三方没有密码钥匙，又想获得明文信息，就需要间谍活动了。间谍获得密码钥匙的方法很多，有时靠骗，可以从甲或乙那儿骗来密码钥匙；有时靠买，间谍向甲或乙许以报酬，收买密码钥匙有时也能成功；有时还靠偷。

无论骗还是偷，都属于人工方法，获得密码钥匙的效率比较低。现在间谍都愿意用计算机通过计算来获取密码钥匙，就是利用计算机的超强功能，寻找密文信息的变化规律，其中的规律就是加密方式。有了计算机这种机器助手来帮助间谍破解密码，间谍们很嚣张地宣称：没有破解不了的密码钥匙，破解密码钥匙只是个时间问题！

利用计算机破解密码终究会成功，所以说信息安全只是某一段时间内的相对安全，而不是永久的安全。那么，有没有永远不会被解密的通信方式呢？有呀，它就是量子通信。

科学探索

公元前405年，雅典和斯巴达发生了战争。斯巴达军队捕获了一名雅典送信人，从他身上除了搜出一条布满杂乱无章的字母的腰带之外，别无所获。情报究竟藏在什么地方呢？斯巴达军队统帅莱桑德无意中把腰带呈螺旋形缠绕在手中的剑鞘上时，奇迹出现了，原来腰带上那些杂乱无章的字母，竟组成了一段表意清楚的文字，密码得以破解！腰带情报，就是世界上最早的密码情报，具体运用方法是，通信双方首先约定密码解读规则，然后通信一方将腰带缠绕在约定长度和粗细的木棍上书写？收信一方接到后，如不把腰带缠绕在同样长度和粗细的木棍上，就只能看到一些毫无规则的字母。

趣味链接

有人通过破解密码显示才能，有人通过设计密码显示才能。1977年，数学家李维斯特给出了一个129位数，要求把这个数分解成两个质数的乘积，得到这个结果，就会发现隐藏的信息。其实这个129位数就是密文，分解质因数就是密码钥匙。李维斯特信心满满地宣称，算出他的密码钥匙，需要好多亿年。谁知17年之后，600名密码破解爱好者动用了1600台计算机，只用了6个月的时间就把李维斯特的密码给破解了，获得的信息是“挑食的秃鹰”。密码虽然被破解了，但人们还是很佩服李维斯特：他太厉害了，得600人联手，用1600台计算机，花了6个月才打败他！

量子通信是什么

传统的通信方式都需要介质，比如写信你得用信纸，打电话的信号得靠电磁波来传输。窃密者通常会侵入介质获得通信信息，在掌握了密文信息后，再通过计算获取密码钥匙，将密文破解成明文。凡是通过介质传送信息，必定无密可言，这种破解密码的方式通常被称为“截获”。

量子通信是不需要传输介质的，这是为什么呢？

科学家在1900年发现了量子这种微粒，进一步发现了量子纠缠现象。量子纠缠是这样的：一对量子甲和乙，甲携带的信息，可以瞬间在乙身上体现出来！不架天线，不铺电缆，信息可以在量子之间无形无影地传输，这事跟神话中的心灵感应似乎是一个套路呀！

是的，量子通信可以看作是神奇的心理感应术，信息的传输端和接收端之间不用连接实线，也不需要电磁波，信息来去很神奇。量子纠缠现象曾经被爱因斯坦浅显地描述为：两个物体之间，无论距离多远，都存在相互感应信息的天然魔力。

量子通信非常神奇，且非常安全，这又是为什么呢？

量子通信的一个特点就是加密速度极快，它可以给数之不尽的每一个信息片段加一个独立的密码钥匙。举个例子来说，如果把一次通话分割成100亿个信息片段来传输，则量子通信可以瞬间给这100亿个信息片段各加各的密码钥匙，这种加密方式被形象地称为“一次一密”。你可以想象，在通信过程中，信息源源不断，加密码钥匙源源不断，千变万化，间谍要破解这么多的密码钥匙，简直是比登天还难。一次一密带来了天量密码钥匙，让密码间谍从此失去饭碗！

有人或许会说，让计算机出场帮着计算嘛！

这主意不错，不过告诉你吧，现在的计算机虽然有超强的计算能力，但是它们面对无穷无尽的量子通信密码也是束手无策，算不尽呀！如果硬要一台计算机来破解量子通信密码，从理论上说也是可以的，但时间却需要数亿年，甚至是无限久。呵呵，计算机破解量子通信密码，时间是无限久，其实就是破解不了的意思呀！谁等密码能等上数亿年呢？

还有，量子通信不是不需要传输介质嘛，所以，间谍想在半路上截获信息的想法也破灭。

有人或许又要问了：你在半路上截不到信息，不会直接从传送端和接收端的量子上获取信息吗？

嗯，这想法似乎不错，但做法也行不通呀，因为量子还有一个特点：只要有人干扰它，想从它身上获得信息，它立马就改变原来的信息状态，把真实信息提前毁掉，让间谍一无所获。量子这种干扰即毁信息的特点，封死了间谍想从信息发送端和接收端获取信息的想法。如果有的间谍“不知趣”，非得要到量子那儿获取信息，那么信息接收方和信息发送方就可以从量子自毁信息的频率，判断是不是有人正在搞窃密，让间谍行为立马现形。这么说来，身负通信使命的量子，还是通信警察呀，只要间谍一来，它立即报警，让间谍无处遁形。

哎，在量子通信时代，间谍要么选择远离量子通信网络，要么掩耳盗铃却被人捉，间谍成了超高危无成果的职业，没有人能做得来了。

量子通信先靠一次一密的加密方式，把间谍淹没在密码钥匙的大海里，还会用自毁信息的方式报警，让仍旧执迷于截获信息的间谍无处藏身，基于这两点，量子通信就成了绝对安全的通讯方式。

科学探索

世界是运动的，但是宏观世界的运动规律和微观世界的运动规律并不相同。牛顿提出的物理学说解答了宏观世界的运动规律，但牛顿的学说一拿到微观世界来解答微观世界的运动规律就会“失效”。这种失效促使科学家努力寻找微观世界的运动规律，于是量子力学就产生了，量子力学是一门年轻的科学，它总共才有一百来年的历史。

英国有所谓的物理学家提出，人的灵魂是由大脑中的量子物质形成的，当人死亡之后，大脑微管中的量子信息会离开身体进入到宇宙，如果能阻止这些量子向宇宙中散失，就可以阻止人的死亡，如果能把散失在宇宙中的大脑量子收回来，人就能死而复生。量子科学有这么玄乎吗？人可以不死，可以死而复生，这类“量子理论”谁敢信呀！

为什么发射量子卫星

既然量子之间可以传输无限加密的第三者不可破解的信息，那就在地球上建设量子通信网络就行了，为什么还要发射量子卫星呢？

这得从目前量子信息传输的距离来解释这个问题。

甲量子向乙量子传送信息，理论上它们之间心灵感应的距离可以无限远，无论间隔多远，信息都能由甲传输给乙的。但事实上，量子在自由环境里（即地球表面环境），能量会衰减，衰减虽然不影响信息传递，但影响我们人类对信息的辨别，你想想，甲虽然最终把信息传递给了乙，但信号太弱，弱到目前我们无法辨识，不也是无用嘛。

量子之间信息传输距离是无限的，多远都能传到。但量子之间保持信息可辨认的传输距离却是有限的，太远了，它们之间有“对话”，但咱们却“听”不清楚了。

1977年，科学家利用量子传送信息，结果只让信息传送了数米远的距离。这个距离虽然很近，但是验证了量子传输信息的可能性。

随后，量子通信在“能”的基础上，不断进步，传输距离从最初的数米，发展到了可以传输16千米了：2010年6月6日，中国量子通信实验小组将信息传输了16千米的距离，创造了当时量子通信的新记录。

量子通信可传输16千米，但仍旧不能满足实用要求。于是在16千米的基础上，科学家们继续努力，要让量子通信的距离越来越远，可这个期望后来“破灭”了，因为科学家发现在自由环境中，量子通信距离存在一个极限，大约是100千米。100千米的传输距离虽然具有实用价值，但是要建设量子通信网络，需要在地面上每隔100千米建设一个传输基站。众多基站，会降低量子通讯的效率和安全性，因为信号需要不断在明文和密文之间多次转换接力，每个基站容易成为信息安全漏洞，所以大量建设基站支持量子通信的方案被认为不可行。

基站方案被否决之后，科学家就把建设量子通信网络的厚望寄托于量子通信卫星身上。量子卫星可以把量子信息传输的距离扩大到数千千米，三颗量子卫星就能满足在全球建立信号优良、安全无忧的量子信息通信网络，让信息高速安全地直达任意地方，所以说发射量子卫星是量子通信网络建设的关键节点，谁拥有了量子卫星传输技术，谁就掌握了全球量子通信网络建设的主动权。

中国发射的“墨子号”，是全世界发射的第一颗量子通信卫星，标志着中国将成为量子通信界的老大，在以后量子通信网络建设进程中，中国的话语权和支配权都将是至高无上的。别的国家见咱们有了量子卫星，都急红眼了！

全球首颗量子科学实验卫星为什么命名为“墨子号”。墨子是我国古代伟大的科学家，被称为“科圣”。他最早提出光线沿直线传播的理论，设计了小孔成像实验，奠定了光通信、量子通信的基础。用中国古代伟大科学家的名字命名量子卫星，为的是提升我们的文化自信。

主持建造“墨子号”的潘建伟教授是我国量子科学的领头人，1996年他到奥地利求学量子科学，导师问他的梦想是什么，他说要在中国建世界一流的量子物理实验室。仅过了一年，他就与同事合作，宣布在实验中实现了量子态隐形传输，这被公认为量子信息实验领域的开山之作，《科学》杂志将其列为年度全球十大科技进展。这一年，潘建伟仅27岁。后来，潘建伟回国开展量子科学研究，结果理解这门科学的人太少，什么隐形传输，什么大变活人的，他的研究项目被称为伪科学，本人则被误解为骗子。今天这个“骗子”终于可以向所有人说：看，一切都是真的！

量子传输的不仅仅是信息

目前这个阶段，中国发射的量子卫星，主要担负安全传输信息的实验任务。将来，量子卫星的任务不仅仅是传输信息，很有可能还会传输人。

什么？传输人！

是的，就是传输人。

前面我们说过，量子是微粒。可以把物体理解成是由量子组成的，也就是说物体可以分解成一个一个的量子，量子不但可以瞬间传输信息，而且可以瞬间传输量子。如果用量子传输信息，就叫量子通信。如果用量子传输量子，那么传输人就成为一种可能，这在魔术里叫大变活人吧。

我们用量子传输量子，就可以将魔术变成真实的科技项目。科学家在用量子传输信息的基础上，还开始研究如何把量子传输信息变成量子传输实物，这项研究被称为隐形传输。

隐形传输技术在科幻电影《星际旅行》中有体现：宇航员在特殊装置中平静地说一句：“发送我吧，苏格兰人！”他瞬间就被转移到外星球了。将来，量子机器很可能把科幻电影中的神奇情景变成现实，依靠量子传输实物的功能将我们发射到想去的星球上去。

尽管想要达到“发送我吧”这样的结果，我们还得等上一些年头，但量子隐形传输技术，终将带我们走进不可思议的量子传输情景中，很可能让我们瞬间到达我们想到达的任意地方。量子传输或许将是星际旅行的终极大法――因为，身体是由量子组成的，量子能够被瞬间传输，所以我们的身体，我们的生命也就可能被瞬间传输。

天呀，原来大变活人不只是魔术！

科学探索

篇5

[关键词]氮气-空穴（N-V）中心；量子

中图分类号：TP313 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）35-0291-02

量子信息和经典信息的基本原理是不相同的。以量子非克隆原理为例[1]，该原理表明，能够对不明确的纯态进行精确的拷贝的装置，该装置是不存在的。这个原理的初始文献[1]显示该量子非克隆原理是量子态叠加原理的结论。这个原理有重大影响的文献[2]显示存在一个通用型量子克隆机，该量子克隆机具有多进程的量子克隆特征。自从文献[2]首先提出这种通用型的量子克隆机，Milmanetal[3]也提出这么一个原理，它是在QED空腔系统中的通用型量子克隆机的克隆原理。在这个原理中实现通用型量子克隆机的重要障碍的是消相干。为了克服消相干这个难题，Zouetal[4]已提出通过一个空腔辅助碰撞的方案，用于实现通用型QED中的量子克隆机。最近几年，在研究量子克隆方面，已提出许多不同的方案，如：概率量子克隆[4]，从属态克隆[5]，协变相位量子克隆[5]，通过空腔辅助相互作用通用型量子克隆[6]，等。在本文中，我们利用一个新的复合固态量子系统证明了单向量子计算的基本操作。此系统包含个氮气-空穴（N-V）中心与个超导传输共振子（TLR）相耦合，它们共同连接于一个约瑟夫森结（CBJJ）超导量子比特。通过交换虚光子，在N-V中心和CBJJ之间产生了有效的相互作用哈密顿量。

1.物理模型

图1：个NV-TLR对与一个CBJJ耦合的复合量子系统示意图，其中为耦合电容，为结电容，为偏置电流，为临界电流。每个TLR中的黑点代表一个N-V中心，个N-V中心显示了一维的线性结构。

2.CBJJ-TLR大失谐哈密顿量相互作用

装置原理图如图1所示，该系统有四个N-V中心耦合而成的四个TLRs，并且它们的电容耦合成一个共同的CBJJ。其中任何一个TLR的哈密顿量可以写成（）[9]

（1）

其中，是湮灭算符，频率，和是TLR的电感和电容。

图2 倾斜的洗衣板势能级结构图。

此CBJJ能够被模拟成在此洗衣板势中移动的粒子。通过调节偏置电流，此CBJJ能够被构建成一个三能级量子系统。

如图2所示，如果我们假设的能级为零点，那么，频率分别其中是等离子体振荡频率，同时，量子流为，连接电容为，偏流电流为，临界电流为。我们假设每一个TLR的模是跃迁耦合，但其他跃迁耦合都不存在。使用旋转波近似，可以使得频率和频率相匹配，这时，第个TLR和CBJJ之间的哈密顿量可以写成：

（2）

其中，是耦合系数，分别是CBJJ和第个TLR的频率，是跃迁失谐。使用标准量子光学技术，在大失谐条件下，即，第个TLR和CBJJ之间的哈密顿量可以写成[11，12]

（3）

3.N-V中心-TLR谐振相互作用

图3：第个N-V中心能级结构图，其中为此N-V中心和TLR之间的耦合强度。

由图3所示，N-V中心基态和第一激发态都是电子旋转三态（）。在该系统中，我们将设定三个基本态中的量子比特分别为：和，这时第个N-V中心的哈密顿量可以写成：

（4）

其中我们使用旋转波近似，使得和相匹配。这时，第个N-V-TLR对相互作用的哈密顿量可以写成：

（5）

其中，和.我们使用为第个N-V-TLR强耦合，第个N-V中心跃迁频率和第个TLR频率之间的失谐为。当第个TLR的频率是第个N-V中心的谐振时，即，.

那么第个N-V-TLR对相互作用的哈密顿量就可以写成如下形式：

（6）

4.量子克隆机的实现

根据文献[2]，我们首先简单回顾一下通用型量子克隆机其转换过程。如果定义量子比特基矢为，通用型量子克隆机执行幺正变换：

（7）

其中，箭矢左边的第一个态矢表示输入量子比特，表示空白拷贝的初始态和任何可能的辅助量子比特。在箭头右手边，前两个态矢是量子克隆的过程，，第三个态矢表示辅助的两个可能的正交态。

现在，我们给出系统中作用在通用型量子克隆机。为了实现我们的方案，首先介绍该系统中两量子比特控制相位门，并且该控制相位门将用于实现通用型量子克隆机。假设CBJJ量子比特是控制量子比特，那么，N-V中心量子比特就是目标量子比特。实现需要如下三个步骤：

第一步：让第个N-V中心和第个TLR在哈密顿量（5）作用下，经过相互作用时间。不失一般性，我们认为所以的N-V中心-TLR强谐振耦合都是相同，即，。以致于经过交换，那么，表示为第个TLR的单光子态。

第二步：调整TLRs（1，2，3，4）的参数，使得每一个N-V中心和其一一对应的TLR不耦合，只需运用方程（3）就可以满足调整CBJJ和TLRs（1，2，3，4）的参数的条件。经过相互作用时间之后，可以实现的相互交换。

第三步：调整CBJJ的参数，使得它与每一个TLR都不耦合。这样就可以在相互作用时间内调整TLRs（1，2，3，4）的参数，使得每一个N-V中心与其一一对应的TLR产生谐振，可以实现的相互交换。

这些态经过三次转换，在最终演化中，辅助量子比特让第个TLR与其它量子比特不产生耦合。因此，我们在系统里得到了通用型量子克隆机。

5.实验的可行性分析

文献[2]对通用型量子克隆机的性质进了讨论。因为理想通用型量子克隆机，其保真度为。由文献[3]知道，在真实的系统中，其保真度应该比0：92更为精确的值。在这些方案中，所有的CBJJ-N-V相互作用和经典脉冲将导致错误。如果考虑删除和制备操作，那么整个操作步骤就是10。因此，如果脉冲的保真度比更好，这个才是合适的必需的精确度。这个值比文献[3]（）要小很多，这样就可以大大降低脉冲对实验设备上的难度。

因此，我们首先要讨论方案在实验上的可行性，在方案中的方法可以在不同条件下实现通用型量子克隆机。

结论

总而言之，这是一个作用于优化通用型量子克隆机的新颖方案。固态量子比特较好单独从环境中抑制消相干的操作是较容易的。另外，操作步骤很少，而且辅助的量子比特不但可以使量子克隆较容易而且可以降低系统对实验设备的难度。最后，由于操作时间短，N-V中心、TLRs和CBJJ的消相干时间很长，我们的方案可以在目前现有的实验条件下得到实现。

参考文献

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[11] S.B. Zheng and G.C. Guo， Generation of Schr？dinger cat states via the JaynesCummings model with large detuning， Phys. Lett. A 223， 332 （1996）.

[12] M.J. Holland， D.F. Walls， and P. Zoller，Quantum nondemolition measurements of photon number by atomic beam deflection， Phys. Rev. Lett. 67， 1716（1991）.

基金项目

本文系湖南省研究生创新项目（No.CX2013B221）和国家自然科学基金项目（No.11174100）、（No.1127506）的研究成果之一。

作者简介

篇6

【关键词】现代；计算机技术；发展；方向；趋势

0引言

计算机是我们工作生活中一个比较常见的物品，又被人们习惯性地称为“电脑”，它不仅被应用于高速数据跟逻辑的运算，而且具备强大的存储与修改功能，是一种现代化的智能电子设备。计算机有两部分主体结构，一部分是硬件系统，另一部分是软件系统，共同保障计算机的正常运转。伴随着科技水平的不断提升，计算机技术也在随之发展，计算机作为一个综合型的生活办公工具应用到人们生活工作中的同时，其发展备受人们的关注，相关行业人员也在致力于计算机的发展研究过程中，计算机技术的发展已经逐渐走上了一个越来越成熟的轨道。但是，当前计算机技术的发展也受到了一定的阻碍，人们过于关注对计算机娱乐方面的应用，比如聊天、网络购物等内容，却忽视了现代计算机技术的发展与创新，甚至不了解。本文将带领大家一起去了解一下现代计算机技术的发展历程以及未来的发展动向。

1计算机的发展历程

世界上第一台计算机出现在1946年2月，埃克特和莫克利这两位美国的发明家在美国的宾夕法尼亚大学共同将它研制出来。世界上第一台计算机的问世开启了人类社会发展的新篇章，让社会发展迈出了一大步，开启了人们的新生活，带领人们进入了信息革命时期。世界上第一台计算机跟我们现在的计算机外形差距较大，那台计算机有好几间房子一样大，但是它的计算速度却并没有高于我们现在使用的微型计算机。从世界上第一台计算机问世到现在我们使用的计算机，无数的计算机研发人员一直在努力，尤其是科学家冯诺依曼在计算机技术的发展进程中发挥了重要的作用，被后人称为“现代计算机之父”。冯诺依曼开启了计算机发展的新时代，带动了广大科研人员对计算机技术的研究。随着时间的推移，计算机的发展可以分为四代：

1.1电子计算机

电子计算机时代是计算机发展的第一个时代，从1946年开始，到1957年结束。电子计算机与世界上第一台计算机有些类似，电子元件是计算机的主要器件，电子计算机也因此得名。电子管具的体积比较大，但是存储的容量相对较小，因此电子计算机的耗电比较快，不具备稳定性。这类计算机一般应用于科学研究过程中，而且在电子计算机时代，计算机一般使用机器语言或者是汇编语言，并不具备系统软件。

1．2晶体管计算机

随着科学技术的不断发展，量子力学和固体物理能带论的不断呈现，开启了半导体器件的计算机时代，理论研究给半导体器件的发展奠定了理论基础，提供了实践的依据。早在20世纪50年代上下，点接触晶体管就被两位科学家研制出来。随着科学的发展，结型晶体管又相继问世。自此之后，晶体管的发展就步入一个相对成熟的轨道，成功的应用与计算机的发展过程汇总，让计算机的发展进入了第二个时代，也就是我们所说的晶体管计算机时代。晶体管计算机时代从1958年开始，结束于1964年。晶体管具有相对优势，它虽然体积较小，但是质量比较轻，而且工作的效率相对较高，散热比较少，损耗较低，对于电子管的效能发挥到了一定的程度，因此，二代计算机的体积在不断减少，但是使用的年限却在增加，这就为计算机的发展奠定了基础。除此之外，晶体管计算机的创新之处在于它拥有浮点算法这一新应用，对于计算机运算水平是一个大的提升，让计算机在数据处理以及工业控制方面有了更大的突破。

1．3中小规模集成电路计算机

随着晶体管的呈现，使得集成电路的发展更加顺畅。不久之后，科研人员开始着手于研究晶体管以及其他电学元件，以此来制作更加复杂高端精密的集成电路。在1959年，有位著名的发明学家叫做罗伯特罗伊斯，他发明的集成电路更加复杂化，是通过平面工艺生产出来的，可以应用于商业领域。从那之后，计算机开始利用中小规模集成电路来进行技术发展，也就随之进入了第三个计算机时代，被人们称为中小规模集成电路计算机时代。中小规模集成电路计算机时代与之前存在的两个计算机时代相比，又有所不同，中小规模集成电路计算机的中心部分仍旧是存储器，但是计算机的体积开始不断减小，与此同时，计算机的能耗在不断降低，但是运算的速度以及可靠的程度却又在不断提升过程中。除此之外，中小规模集成电路计算机的外部设备得到完善与更新，它的功能组件强化，不仅可以应用于数据处理，还能够在企业管理、辅助设计、辅助制造跟自动控制领域进行充分的应用。

1．4大规模和超大规模集成电路计算机

伴随着我国经济水平的提升，工业制造水平也在逐步提升，集成电路的技术有了新的发展。摩尔定律表明，当价格不变的时候，集成电路上能够容纳的晶体管数目，每隔18个月就能够增加一倍，在这个过程中，它的性能水平也在提升，计算机的发展进入了一个全新的时代，被人们称为大规模和超大规模集成电路计算机时代。自从1970年之后，以大规模集成电路和超大规模集成电路为标志的计算机开启了第四个全新的计算机时代。升级发展之后的第四代计算机的性能有了明显的优势，存储的容量明显得到了提升，在一个一厘米的圆形芯片上可以容纳上百万的电子元件。在这一时期，第四代计算机时代呈现出一个关键性的分化，大规模、超大规模集成电路为依托不断发展起来的微处理器以及微型计算机。微型计算机的发展可以大致分为四个阶段。第一个阶段是1971年到1973年，微处理器主要有三种，分别为4004、4040以及8008这个类型。第二个阶段是1973年到1977年，这一个时间段是微型计算机的发展以及创新的时期。第三个阶段是从1978年开始到1983年结束，在这一时间段里，是十六位微型计算机的发展阶段。第四个阶段从1983年开始，也是三十二位微型计算机的发展阶段。

2计算机技术的新发展方向与趋势

时代在不断变革和发展，大规模和超大规模集成电路计算机也处在一个时刻发展与创新的过程中，但是随着经济水平以及科技水平的提升，现代各个领域的发展也随之进行着，无论是生物领域还是物理领域，以及一些新材料的出现，都为新型计算机的发展奠定着前提条件。一系列新型计算机已经在酝酿发展的过程中，比如生物计算机、量子计算机、光子计算机以及纳米计算机等。或者这些新型计算机的发展还未成型或者技术发展没有十分成熟，但是它们的呈现代表着计算机技术发展的新方向与新趋势。

2.1生物计算机

生物计算机是一种全新的计算机类型，还有一个别名叫做仿生计算机，它的创新之处在于使用了生物芯片替代了原本半导体上大量晶体管。生物计算机主要通过生物工程技术所出现的蛋白质分子来作为主要的原料以及生物芯片，所以被叫做生物计算机。脱氧核糖核苷酸上存在着一些遗传信息，它是一种双螺旋结构，因此，它具有强大的存储优势，而且运算能力非常强大，与传统硅片相比更是略胜一筹。数据显示，一毫克的DNA的存储能力与一万片的光碟片差不多大容量。除此之外，DNA还具有超能力，能够同时进行兆个运算指令。这一系列的优势因素都给生物计算机的成熟发展奠定了基础，让它具备了集成电路所没有的优势，大致可以归结于五点。第一点，生物计算机的体积比较小，但是容量却比较大。第二，生物计算机具有良好的可靠性，这主要得益于计算机的内部芯片，一旦出现问题，这个内部芯片可以自行进行恢复。第三，生物计算机的存储量比较大，有关数据显示，一立方米的生物大分子溶液里大约可以存储一万亿的二进制数据。第四，生物计算机的运算速度比较快，这主要得益于DNA能够同时处理兆个指令的特别优势。第五，生物计算机具有良好的并行性。跟过去的计算机不同的是，生物计算机得益于DNA与蛋白质，因此充分发挥并行功能。生物计算机以它独特的优势成为21世纪科学技术发展的一个重要工程，当前，生物计算机的发展方向主要有两个，一个是研制有机分子元件，利用它来替换半导体元件，为分子计算机的出现提供帮助。另一个是通过不断探究人脑结构跟思维规律来研究生物计算机的结构，为生物计算机的成熟呈现奠定基础。

2．2量子计算机

量子计算机也是新型计算机技术发展的产物，它是建立在量子力学规律以及依托量子效应和量子比特而进行的超速运算、强大存储的一种新型计算机装置。假如这个装置处理和运算时使用的是量子信息，那么在进行量子算法的时候，就是所谓的量子计算机。量子计算机与一般计算机的一个不同之处在于它不仅能够使用0和1进行存储，还能够用粒子的量子叠加来进行存储信息的汇总。有关数据显示，一个四十位元的量子计算机可以解开一千零二十四位的集成电路计算机需要花费几十年才能够解决的问题。量子计算机的运算速度令人惊叹。到现在为止，全球还没有呈现出一个成熟意义上的量子计算机，不同国家和地区的科研人员仍然没有放弃努力，致力于对量子计算机的研究过程中，呈现出许多跟量子计算机相关的科学方案以及科学假设。在实际研究过程中，这一系列的科学方案仍然存在着一些不成熟的地方，但是伴随着时代的进步，相信量子计算机终究会被攻克，完美地呈现在人们的生活中。

2．3光子计算机

科学技术的发展带动着光学的发展，科研人员开始着手用光子来替代电子，光运算开始慢慢取代电运算，一系列的光学元件开始取代电子元件与电子设备，不断应用于电子计算机的发展过程中。光子计算机主要是运用光信号进行数字运算、逻辑测算以及信息的存储处理等的新型计算机，主要的优势可以归纳为三个方面：第一，强可靠性，光子没有电荷，所以就不存在电磁相互作用，具有较强的可靠性。第二，光子计算机的运算速度极高，光子的并行性比较强，因此具有较强的处理能力，加上光子传播速度很快，进一步提升了光子计算机的运算速度。第三具有超大的存储容量，光子互联不受到电磁的干扰，因此具有较高的互联密度。

2．4纳米计算机

纳米材料作为一种新型的高科技材料，在薄膜晶体管中的应用解放了传统意义上的晶体管。纳米计算机解决了一些顽固的技术难题，与此同时，由于纳米材料研发的芯片具有更低的生产成本，因此，纳米计算机的发展前景更加乐观。作为21世纪科学技术发展的一个重要方向，相信随着科研人员的不断探索与发现，纳米计算机技术一定可以随着时间的推移走进我们老百姓的生活中，帮助我们解决日常生活中的一系列问题。

3总结

时代在不断发展，科学技术水平也在不断提升。社会的进步和发展对于现代计算机技术的发展要求越来越高，计算机作为人们工作生活中一个必不可少的辅助用品，必将走在不断发展的路上，微型、智能、多功能发展，生物计算机、量子计算机、光子计算机以及纳米计算机等一系列新型计算机，作为现代计算机技术的一个发展方向与趋势一定可以破除各种技术阻碍，通过科研人员坚持不懈的努力成为老百姓生活中的一部分，为美好生活的构建增添色彩。

【参考文献】

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［5］胡军,吴立春.刍议计算机科学与计算机发展的认识与思考[J].科技向导,2011(35).

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篇7

关键词：燃烧学；量子化学；Gaussian软件；多媒体

中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）19-0041-02

“燃烧学”是热能与动力工程专业一门十分重要的专业基础课程，其内容涉及化学动力学、传热学、热力学、流体力学以及热化学等多门学科知识，是一门典型的交叉学科。由于“传热学”、“热力学”以及“流体力学”是热能与动力工程专业的基础课程，通过前期的系统学习，学生对该部分内容较为熟悉。但由于专业的限制，本专业学生在大学期间很少有机会学习化学专业知识，因而对化学动力学和热化学等内容相对陌生，不少学生在课后反映该部分内容抽象难懂。燃烧过程实质上是耦合了流动、传热以及热力相变的复杂化学反应过程。因此，掌握好化学动力学和热化学等知识对本课程的学习具有重要意义。笔者根据在科研与教学实践中的经验，将量子化学Gaussian软件应用到燃烧学课程的教学中，取得了良好的效果。

一、量子化学Gaussian软件介绍

量子化学是应用量子力学的规律和方法来研究化学问题的一门学科。量子化学Gaussian软件是一个功能强大的量子化学综合软件包，是化学领域最著名的软件之一，可以在Windows、Linux、Unix操作系统中运行，目前最新版本为Gaussian 03。该软件由量子化学家约翰波普的实验室开发，可以应用从头计算方法、半经验计算方法模拟和计算分子和过渡态能量和结构、化学键以及反应能量、分子轨道、偶极矩和多极矩、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、极化率和超极化率、热力学性质以及反应路径等内容，是目前应用最广泛的半经验计算和从头计算量子化学计算软件。量子化学Gaussian软件在教学中可以轻松搭建直观的分子和原子模型，并且从分子动力学层面展现一个化学反应的内在变化和重组过程。因此，学生可以直观地了解物质的结构和化学反应内在规律，从而强化对相关知识和规律的认识与掌握。

二、量子化学Gaussian软件在“燃烧学”教学中的应用实例

量子化学Gaussian软件的功能非常强大，但本文仅选择个别功能，并且通过列举“燃烧学”中最常见的两个简单基元反应实例来介绍其在“燃烧学”教学中的应用。

1.实例一

CO和·OH的反应是燃烧过程以及燃烧大气污染控制化学中的一个重要基元反应。根据分子碰撞理论，两种物质是通过相互碰撞发生化学反应，但这种说法对于非化学专业的同学来说非常抽象，不易理解。比如两者是如何发生碰撞的，碰撞后又是如何发生反应的，这些问题都很模糊，通过简单的文字描述很难讲清楚。而通过简单直观的图形讲解则可能取得意想不到的效果。图1显示的是采用Gaussian软件中的密度泛函理论（DFT，B3LYP方法）在6-311++ G（d，p）基组水平下全参数优化和模拟反应过程中的各反应物、中间体（IM）、过渡态（TS）以及反应产物的几何构型示意图。

图2显示的是CO和·OH之间的反应能级示意图。从图中结果可以看出，CO和·OH之间的反应实质上是·OH对CO发动进攻，即·OH的O原子去进攻CO中的C原子，得到反应中间体IM1。从中间体IM1出发有两种裂解方式：一种是经过渡态TS1断裂其H-O键；另一种方式是IM1首先经过一个异构化过渡态TS2异构为另一顺式中间体IM2，然后IM2又经过渡态TS3断裂其H-O键生成产物CO2和H。基于以上能级分析，反应存在两条可能的通道。但通过计算的活化能可知，第一条反应路径需要的活化能为197.41 kJ/mol，而第二条需要的活化能仅为33.22 kJ/ mol。化学反应进行必须先要克服一定的能量障碍，即活化能才可以发生。从计算结果可以看出，由于通道CO+·OHIM1TS1CO2+·H的活化能比通道CO+·OHIM1+TS2+IM2+TS3+CO2+·H的高得多。因此，第二个通道需要克服的能量障碍更小，即更容易发生，是该反应的主要通道（主要反应路径）。

2.实例2

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关键词：量子纠缠；特征关联；认识论；波函数

量子信息研究领域在近几年发展迅速，并获得了诸多突破，推动着计算机和信息通信领域的发展，有非常乐观的应用前景。不同于经典的信息处理方式，量子信息处理利用了粒子的量子力学特性。而量子纠缠理论被认为量子信息处理的重要理论，是区别于经典力学的本质特性[1]。深入认识和理解量子纠缠的构建机制，能够为量子信息领域的理论和技术研究提供全新的思路，为科技哲学的认识论带来深层次的理论依据，为信息思维、能力思维、物质思维和客观世界的复杂性思维提供系统的认识方法。

一、量子纠缠的构建

按照量子纠缠的定义[2]，如果复合系统的纯态不能写成子系统纯态的直积，即，那么这个态为纠缠态，即

式中，表示子系统的基本属性簇；由n个微观粒子子系统组成复合纯态系统

，

其中，为希尔伯特空间的直积态或非纠缠，假设存在

，，…，

使得不成立，那么就称这n个微观粒子之间纠缠。

如果存在n个不同的态，当tt0时，假设这些态之间发生相互作用，形成更大的复合系统Hi，Hi =H1H2×…Hn，这一系统的状态特征可用波函数表征。若无法将独立的状态特征分立出来，那么该表征仅仅是描述复合系统的特征概率。这意味着，若发生纠缠态，则至少存在不少于两个的量子态的叠加，构成一个复合的整体。这种量子纠缠理论说明，发生相互纠缠的量子态之间存在特定的关联作用，当对某一实在进行操作时，与其发生纠缠的其他实在的特征也会发生变化[3]。这种纠缠关联关系不仅呈现某一实在的固有属性，并且描述了纠缠关联的复合系统的整体特征。

物质实在的本体具有特殊性的物理属性，物质本体固有属性的认知过程与物理本体有一定区别。对于微观物质来说，它除了拥有宏观物质的基本特性以外，还具有波动性特征，构成微观物质的双重属性。量子力学中的波函数公设认为：“一个微观粒子的状态可以用波函数来完全描述”[4]。从认识论来看，微观粒子的波函数具有两个维度的涵义：第一，波函数包含了微观粒子的全部状态特征信息，操作波函数的过程就是对微观粒子的现有状态和固有属性的认识过程；第二，操作波函数时，不同波函数所表征出来的特性有所区别，只有对波函数进行多次操作，才能得到微观粒子的全部特征。

大量的实验研究表明，任何实在本体都具备两种基本属性：本体客观存在的直接属性和基于或然存在的间接属性[5]。这两种基本属性共同构成实在本体的特征，可通过波函数进行表述。同样地，复合系统通过纠缠关联建立系统的整体特征，用复合系统的波函数来描述。对于完全独立的多个实在本体所组成的复合系统，可以通过波函数来表征每个实在的属性。当对复合系统进行某种操作后，系统不能将每个实在的属性孤立地表征出来，此时复合系统的整体特征通过纠缠的实在间的关联作用来表征。对纠缠系统某个子系统的操作会使得其他子系统的特征发生变化，表明量子纠缠是一个由本体属性过渡到整体特征的认识过程。

二、量子纠缠的特征关联

量子信息理论的本质属于哲学范畴[6]，对量子纠缠的认识，不光要对实在本体产生全新的认识，也要对实在个体到整体关联运用新的研究思路。

量子纠缠的关联特性凸显了复合系统中原独立实在之间的相互作用关系。狄拉克曾在1931年断言存在理论上的“磁单极子”[7]，但至今仍未找到足够的实证。由单极子组成的磁体所体现的实在，对“磁单极子”本体的认识远远少于由单极子组成的磁体实在的整体特征的认识。也就是说，量子纠缠在整体表象与特征关联的关系上，一方面揭示了实在本体的关联与内在的依存关系，另一方面体现了本体的固有属性。

为了量测相互纠缠的实在之间的关联程度，由此出现了纠缠度的概念[8]。从认识论来看，它界定了局域空间的有限性，不同的实在本体在多个空间形成纠缠关联，从而构建我们的世界观。相互纠缠的实在之间的纠缠度越大，则边界越模糊，局域越稀疏，实在特征属性的描绘就越复杂；反之，纠缠度越小，则边界越明确，局域越紧促，实在特征描绘越简单。量子纠缠是非局域的，是客观实在之间主体介入的间接存在。每个实在本体包含特征信息，利用纠缠操作实现信息的传递。所以说，量子纠缠拥有识别和存储实在本体的特性，体现了对整体关联的认识，代表了统一认识论观点的形成过程，是哲学理论在量子信息科技领域的拓展和延伸。

量子纠缠关联是客观实体最本质的特征，通过这种关联，搭建了实在本体与主观存在之间的关系。从理论技术的角度来说，如果缺少了量子纠缠关联的研究，那么量子通信只会是现代信息理论技术的简单发展。量子纠缠的构建机制与特征关联的研究，向人们展现了经典力学无法描绘的图景，表明微观粒子不存在孤立的特征[9]。深入探究量子纠缠的认识论，挖掘新的认知方法，对人类认知思维的进步具有深刻的意义。

参考文献：

[1] Schr dinger E. Proc. Cambridge Philos. Soc.， 1935， 31：555.

[2] 李承祖等. 量子通信和量子计算[M].长沙：国防科技大学出版社，2000：92.

[3] 喀兴林. 高等量子力学（第二版）[M]. 北京：高等教育出版社，2001，8，1935.

[4] 张永德. 量子力学[M].北京：科学出版社，2002：19.

[5] 潘平，周惠玲，兰立山等. 对物理实在本体的深层认识[J].贵州社会科学，2014，（4）：33-35.

[6] 潘平. 量子信息的哲学问题浅析[J].贵阳：贵州工业大学学报（社科版），

[7] P. A. M. Dirac， Proc. Roy. Soc. A133， 60（1931）[J].Phys. Rev. 74， 883（1948）.

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关键词：量子力学；量子理论；矩阵力学；波动力学；测不准原理

量子力学揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质，光的吸收与辐射等等方面。从1900年到1913年量子论的早期提出，到经过许多科学家如玻恩、海森伯、玻尔等人的努力诠释，量子力学得到了进一步发展。后来遭到爱因斯坦和薛定谔等人的批评，他们不同意对方提出的波函数的几率解释、测不准原理和互补原理。双方展开了一场长达半个世纪的论战，至今尚未结束。

一、量子论的早期

1 普朗克的能量子假设

普朗克在黑体辐射的维恩公式和瑞利公式之间寻求协调统一，找到了与实际结果符合极好的内插公式，迫使他致力于从理论上推导这一新定律。但是，他经过几个月的紧张努力也没能从力学的普遍理论直接推出新的辐射定律。最后只好用玻尔兹曼的统计方法来试一试。他根据黑体辐射的测量数据计算出普适常数，后来人们称这个常数为普朗克常数，也就是普朗克所谓的“作用量子”，而把能量元称为能量子。

2光电效应的研究

普朗克的出能量子假说具有划时代的意义，但是，不论是他本人还是同时代人当时对这一点都没有充分认识。爱因斯坦最早明确地认识到，普朗克的发现标志了物理学的新纪元.1905年，爱因斯坦在其论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》中，发展了普朗克的量子假说，提出了光量子概念，并应用到光的发射和转化上，很好地解释了光电效应等现象。在那篇论文中，爱因斯坦总结了光学发展中微粒说和波动说长期争论的历史，提示了经典理论的困境，提出只要把光的能量看成不是连续的，而是一份一份地集中在一起，就可以作出合理的解释。与此同时，他还大胆地提出了光电方程，当时还没有足够的实验事实来支持他的理论，因此，爱因斯坦称之为“试探性观点”。但他的光量子理论并没有及时地得到人们的理解和支持，直到1916年，美国物理学家密立根对爱因斯坦的光电方程作出了全面的验证，光量子理论才开始得到人们的承认。 3 固体比热的研究

1906年，爱因斯坦将普朗克的量子假说应用于固体比热，解释了固体比热的温度特性并且得到定量结果。然而，这一次跟光电效应一样，也未引起物理界的注意。不过，比热问题很快就得到了能斯特的低温实验所证实。量子理论应用于比热问题获得成功，引起了人们的关注，有些物理学家相继投入这方面的研究。在这样的形式下，能斯特积极活动，得到比利时化学工业巨头索尔威的资助，促使有历史意义的第一届索尔威国际物理会议的召开，讨论的主题就是《辐射理论和量子》，这次会议在宣传量子理论上起了很好的作用。

4量子假说运用于原子模型

哈斯是奥地利的一位年表物理学家，他在研究黑体辐射时很早就注意到了量子论。汤姆生专门讨论原子结构的书《电与物质》和维恩的文章促使他运用量子公式来阐述原子结构，这是将量子假说运用于原子结构的最初尝试。

丹麦人玻尔坚信卢瑟福的有核原子模型学说，为了证实其正确性，玻尔利用量子假说来解决原子的稳定性问题。要描述原子现象，就必须对经典概念进行一番彻底的改造，因为一致公认的经典电动力学并不适于描述原子规模的系统行为。1913年，玻尔在他的第二篇论文中以角动量量子化条件作为出发点来处理氢原子的状态问题，得到能量、角频率和轨道半径的量子方程。可见，玻尔的对应原理思想早在1913就有了萌芽，并成功地应用于原子模型理论。玻尔的原子理论完满地解释了氢光谱的巴耳末公式；从他的理论推算，各基本常数如e、m、h和R（里德伯常数）之间取得了定量的协调。他阐明了光谱的发射和吸收，并且成功地解释了元素的周期表，使量子理论取得了重大的进展。

二 量子力学的建立与发展

1德布罗意假说 2电子自旋概念的提出 半年后，荷兰著名物理学家埃伦费斯特的两个学生在不知道克罗尼格工作的情况下提出了同样的想法，并写成了。这得到了海森伯的赞同，不过，如何解释双线公式中多出的因子2，一时还得不到解答。玻尔试图从相对论推出双线公式，但仍然没有结果。终于，在1926年，在哥本哈根研究所工作的英国物理学家托马斯才解决了这个问题。这样一来，电子自旋的概念很快被物理学界普遍接受。

3矩阵力学的创立 集正是线性代数中的矩阵，此后，海森伯的新理论就叫《矩阵力学》。

玻恩着手运用矩阵方法为新理论建立一套严密的数学基础。与数学家约丹联名发表了

《论量子力学》一文，首次给矩阵力学以严格的表述。接着，玻恩、约丹、海森伯三人合作，系统地论述了本征值问题、定态微扰和含时间的定态微扰，导出了动量和角动量守定律，以及强度公式和选择定则，从而奠定了量子力学的基础。

4波动力学的创立 5波函数的物理诠释 6测不准原理和互补原理的提出 海森伯在创立矩阵力学时，对形象化的图象采取否定态度。但他在表述中仍然需要“坐标”、“速度”之类的词汇，这些词汇已不再等同于经典理论中的那些词汇。为解释这些词汇坐标的新物理意义，海森伯抓住云室实验中观察电子径迹的问题进行思考。他意识到电子轨道本身的提法有问题，人们看到的径迹并不是电子的真正轨道，而是水滴串形成的雾迹，水滴远比电子大，所以人们也许只能观察到一系列电了的不确定的位置，而不是电子工业的准确轨道。因此，在量子力学中，一个电子只能以一定的不确定性处于某一位置，同时也只能以一定的不确定性具有某一速度 。可以把这些不确定性限定在最小范围内，但不能等于零。这就是海森伯对不确定性的最初思考。海森伯的测不准原理是通过一些实验来论证的，他还通过对确定原子磁矩的斯特恩-盖拉赫实验的分析得出结论：能量的准确测定如何，只有靠相应的对时间的测不准量才能得到。

海森伯的测不准原理得到了玻尔的支持，但玻尔不同意他的推理方式，认为他建立测不准关系所用的基本概念有问题。于是提出了互补原理。他指出，平常大家总认为可以不必干涉所研究的对象，就可以观测该对象，但从量子理论看来却不可能，因为对原子体系的作何观测，都将涉及所观测的对象在观测过程中已经有所改变，因此不可能有单一的定义，平常所谓的因果性不复存在。对经典理论来说互相排斥的不同性质在量子理论中却成了互相补充的一些侧面。波粒二象性正是互补性的一个重要表现。其他量子力学结论也可从这里得到解释。

三 关于量子力学完备性的争论

玻恩、海森伯等人提出了量子力学的诠释之后，遭到了爱因斯坦和薛定谔等人的批评，他们不同意对方提出的波函数的几率解释、测不准原理和互补原理，双方展开了一场长达半个世纪的大论战，许多理论物理学家、实验物理学家和哲学家卷入了这场论战，至今还未告结束。

正是由于以爱因斯坦为代表的EPR一派和以玻尔为代表的哥本哈根学派的长期争论，才使得量子力学越来越完备，很多问题得到了系统性的研究。

1965年，贝尔在定域隐参量理论的基础上提出了一个著名的关系，人称贝尔不等式，于是有可能对隐参量理论进行实际的实验检验，从而判断哥本哈根学派对量子力学的解释是否正确。从70年代开始，各国物理学家先后完成了十几项检验贝尔不等式的实验。这些实验大多数都明显地违反了贝尔不等式，而与量子力学理论预言的相符。但也不能就此对爱因斯坦和玻尔的争论作出最后裁决。目前这场论战还在进行之中，没有得出最后的结论。

[2]卢鹤绂.哥本哈根学派量子论诠释.上海:复旦大学出版社,1984

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[关键词]计算材料学；综合教学；课程起源

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

一、前言

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

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

二、了解起源，培养兴趣

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

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

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

三、引入抛锚式教学模式，提高课堂质量

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

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

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

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

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

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

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

四、以史为鉴，培养科学精神

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

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

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

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

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

五、结论

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

[ 注 释 ]

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

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

[3] 许良英.爱因斯坦文集[M].北京：商务印书馆，1977（1）.

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