量子化学的发展范文
时间：2024-01-12 17:37:40
导语：如何才能写好一篇量子化学的发展，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
论文摘要：将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律，这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。
量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。
一、在材料科学中的应用
（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
篇2
[关键词]结构化学；教学改革；互动教学
结构化学课程是我国高等学校化学专业的必修课程，内容涉及量子化学，分子对称性，配位化学和晶体学基础等部分。该课程内容抽象，知识系统庞杂，数理推导较多，学习曲线陡峭，不少学生因此存在着畏难情绪。然而正如诗词所言，无限风光在险峰，学好这门课程不仅有助于理解其它化学课程的内容，也是为进一步在本专业深造打下坚实的基础。[1]在当前深化本科教育教学改革的背景下，如何将结构化学课程上好，真正做到让老师强起来，学生忙起来，效果实起来，笔者在此对授课以来的问题和解决方法进行总结。
1重视数理，夯实基础
结构化学课程的一大难点在于数学推导较多，譬如量子化学部分完全使用数学语言描述核心知识，而对于化学专业的同学，数学一直是软肋，于是极容易产生厌学和畏难情绪。[2-4]针对这个问题，很多老师采取的解决方法是淡化数学推导，重点介绍推导后的结论和意义，但我们在授课过程中，发现这样的授课方式效果欠佳，因为基础不牢，课程的学习只能是空中楼阁、风中沙塔，很多同学在课程结束后还是无法对物理图像有一个正确的认识和把握。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，笔者认为与其淡化数学，不如严格要求，把数学学到位。伟大的思想家恩格斯说过：“任何一门科学的真正完善在于数学工具的广泛应用。”正是因为数学和物理的引入，才让化学摆脱了炼金术的桎梏而成为一门科学。因此我们在授课时自始至终强调数学的重要性，在涉及数学内容较多的章节，提前讲授将要用到的数学工具并布置作业，每章节结束后将重要的公式和结论进行串讲并配合习题进行强化训练，要求所以学生每学完一个章节就做思维导图及时总结复习，将重要公式进行总结归纳制作公式索引表格。尽管提升了学习的难度，但学生对于推导的结果和物理意义理解的更加准确和深入，记忆也更加牢固，锻炼了学生的逻辑思维和严谨认真的科学态度。
2理清主线，合理增负
结构化学课程内容主要涉及量子化学基础，分子对称性，配位化学以及晶体学基础。尽管这四个部分知识彼此之间较为独立，但所表达的核心思想是一致的，即结构决定性质，性质也反映着结构。目前授课内容主要存在问题是：量子化学部分各章节之间主线不够明确；配位化学部分和专业无机化学课程内容有重叠；晶体学基础部分，结构相关的内容介绍较多而相关的性质介绍较少。针对这些问题，我们对课程的授课内容进行了合理的补充和删减。首先，对于量子化学部分，我们在授课一开始给出课程的故事主线，即量子力学的诞生背景，量子力学基本假设，简单模型的量子力学处理方法，氢原子薛定谔方程的求解过程及解的物理意义，以及针对于多电子原子和多原子分子的近似方法。这条主线清晰明确，在每一章节开始时，我们对之前的内容进行简要回顾，帮助学生理清了各章节的逻辑关系，在学期末复习课时对每一个知识点进行展开复习，进行巩固。配位化学部分，对于和无机化学有重叠的部分，我们通过翻转课堂的方式简要复习，同时突出结构化学的重点，即分子轨道理论在配位化学的应用，着重介绍了配体群轨道这个新概念，以及不同配位几何构型下配体群轨道和中心原子如何依据对称性进行线性组合的方式，同时介绍了金属配合物作为均相催化剂催化反应的常见机理。在此基础上，我们还将科研中的一些问题引入课堂讨论，如金属氮宾体和金属氧化物的电子结构，让学生通过知识解决实际科研问题，真正做到科研反哺教学。晶体学部分除了介绍基本知识以外，补充介绍了能带理论，态密度等概念，并介绍了导体，半导体，绝缘体在电子结构上的差异，这些基础知识有利于化学专业的同学在材料化学方向进行科研工作打下基础。尽管课程在深度和广度上都有所增加，但不少同学都表示感受到了挑战性学习所带来获得感和高阶乐趣。
3反客为主，多元考核
传统理论课授课方式，采用幻灯片讲述授课，学生被动填鸭式学习，效果较差，也不利于学生培养综合能力。针对这些问题，我们开始尝试翻转课堂教学方法来提高学生参与性，重点培养学生的学习能力，表达能力，独立思考，发现问题，解决问题的能力，这些都是未来创新型人才所具有的重要特质。翻转课堂的内容主要涉及三个方面，一个是结构化学课程中难度较低的几个章节，如双原子分子电子结构，分子对称性，配位化学基础知识等章节，各章节的总结复习以及研究性课题，教师提供慕课资源，书籍资料和分子建模软件，让所有学生统一准备，课堂上抽签进行讲解，在授课过程中，要求其他小组必须提问，教师在课程结束时对各小组所准备的课件进行补充点评，我们也将翻转课堂教学纳入了考核评价，提高了课程总结笔记，课堂提问，翻转课堂课件等分数项的比例。翻转课堂授课方式有效的活跃了课堂气氛，提高了课堂参与度，也增强了学生的学习能力和思辨精神。
篇3
我自己是学化学的，从事学化学、教化学、研究化学也几十年了，但现在似乎有点儿不太认得了。我觉得世纪之交，大家要重新有一个认识，认识学科本位的问题。
一门科学的内涵和定义至少有四个属性：
整体和局部性科学是一个复杂的知识体系，好比一块蛋糕。为了便于研究，要把它切成大、中、小块。首先切成自然科学、技术科学和社会科学三大块。在自然科学中，又有许多切法。一种传统的切法是分为物理学、化学、生物学、天文学、地理学等一级学科。近年来又有切成物质科学、生命科学、地球科学、信息科学、材料科学、能源科学、生态环境科学、纳米科学、认知科学、系统科学等的分类方法。化学是从科学整体中分割开来的一个局部，它和整体必然有千丝万缕的联系。这是它的第一个属性。
学科之间的关联和交叉如果把科学整体看成一条大河，那么按照各门科学研究的对象由简单到复杂，可以分为上游、中游和下游。数学、物理学是上游科学，化学是中游科学，生命科学、社会科学等是下游科学。上游科学研究的对象比较简单，但研究的深度很大。下游科学的研究对象比较复杂，除了用本门科学的方法以外，如果借用上游科学的理论和方法，往往可以收到事半功倍之效。所以“移上游科学之花，可以接下游科学之木”。具有上游科学的深厚基础的科学家，如果把上游科学的花，移植到下游科学，往往能取得突破性的成就。例如1994年诺贝尔经济奖授予纳什，他在1950年得数学博士学位，1951-1958年任美国麻省理工学院数学讲师、副教授，后转而研究经济学，把数学中概率论之花，移到经济学中来，提出预测经济发展趋势的博弈论，因而获得诺贝尔经济奖。
发展性化学的内涵随时代前进而改变。在19世纪，恩格斯认为化学是原子的科学(参见《自然辩证法》)，因为化学是研究化学变化，即改变原子的组合和排布，而原子本身不变的科学。到了20世纪，人们认为化学是研究分子的科学，因为在这100年中，在《美国化学文摘》上登录的天然和人工合成的分子和化合物的数目已从1900年的55万种，增加到1999年12月31日的2340万种。没有别的科学能像化学那样制造出如此众多的新分子、新物质。现在世纪之交，我们大家深深感受到化学的研究对象和研究内容大大扩充了，研究方法大大深化和延伸了，所以21世纪的化学是研究泛分子的科学。
定义的多维性一门科学的定义，按照从简单到详细的程度可以分为：(1)一维定义或X-定义，X是指研究对象。(2)二维定义或XY-定义。Y是指研究的内容。(3)三维定义或XYZ-定义。Z是指研究方法。(4)四维定义或WXYZ定义，W是指研究的目的。(5)多维定义或全息定义。一门科学的全息定义还要说明它的发展趋势、与其他科学的交叉、世纪难题和突破口等等。这样才能对这门科学有全面的了解。下面以化学为例加以说明。
化学的一维定义
21世纪的化学是研究泛分子的科学。泛分子的名词是仿照泛太平洋会议等提出的。泛分子是泛指21世纪化学的研究对象。它可以分为以下十个层次：(1)原子层次，(2)分子片层次，(3)结构单元层次，(4)分子层次，(5)超分子层次，(6)高分子层次，(7)生物分子和活分子层次，(8)纳米分子和纳米聚集体层次，(9)原子和分子的宏观聚集体层次，(10)复杂分子体系及其组装体的层次。
化学的二维定义化学是研究X对象的Y内容的科学。具体地说，就是：化学是研究原子、分子片、结构单元、分子、高分子、原子分子团簇、原子分子的激发态、过渡态、吸附态、超分子、生物大分子、分子和原子的各种不同维数、不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态，直到分子材料、分子器件和分子机器的合成和反应，制备、剪裁和组装，分离和分析，结构和构象，粒度和形貌，物理和化学性能，生理和生物活性及其输运和调控的作用机制，以及上述各方面的规律，相互关系和应用的自然科学。
化学的三维定义化学是用Z方法研究X对象的Y内容的科学。化学的研究方法和它的研究对象及研究内容一样，也是随时代的前进而发展的。在19世纪，化学主要是实验的科学，它的研究方法主要是实验方法。到了20世纪下半叶，随着量子化学在化学中的应用，化学不再是纯粹的实验科学了，它的研究方法有实验和理论。现在21世纪又将增加第三种方法，即模型和计算机虚拟的方法。化学的四维定义化学是用Z方法研究X对象的Y内容以达到W目的的科学。化学的目的和其他科学技术一样是认识世界和改造世界，但现在应该增加一个“保护世界”。化学和化学工业在保护世界而不是破坏地球这一伟大任务中要发挥特别重要的作用。造成污染的传统化学向绿色化学的转变是必然的趋势。21世纪的化工企业的信条是五个“为了”和五个“关心”：为了社会而关心环保;为了职工而关心安全、健康和福利;为了顾客而关心质量、声誉和商标;为了发展而关心创新;为了股东而关心效益。
化学的多维定义———21世纪化学研究的五大趋势
1、更加重视国家目标，更加重视不同学科之间的交叉和融合在世纪之交，中国和世界各国政府都更加重视国家目标，在加强基础研究的同时，要求化学更多地来改造世界，更多地渗透到与下述十个科学郡的交叉和融合：1数理科学，2生命科学，3材料科学，4能源科学，5地球和生态环境科学，6信息科学，7纳米科学技术，8工程技术科学，9系统科学，10哲学和社会科学。这是化学发展成为研究泛分子的大化学的根本原因。所以培养21世纪的化学家要有宽广的知识面，多学科的基础。
2、理论和实验更加密切结合
1998年，诺贝尔化学奖授予W.Kohn和J.A.Plple。颁奖公告说：“量子化学已经发展成为广大化学家所使用的工具，将化学带入一个新时代，在这个新时代里实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质。化学不再是纯粹的实验科学了。”所以在21世纪，理论和计算方法的应用将大大加强，理论和实验更加密切结合。
3、在研究方法和手段上，更加重视尺度效应
20世纪的化学已重视宏观和微观的结合，21世纪将更加重视介乎两者之间的纳米尺度，并注意到从小的原子、分子组装成大的纳米分子，以至微型分子机器。
4、合成化学的新方法层出不穷合成化学始终是化学的根本任务，21世纪的合成化学将从化合物的经典合成方法扩展到包含组装等在内的广义合成，目的在于得到能实际应用的分子器件和组装体。合成方法的十化：芯片化，组合化，模板化，定向化，设计化，基因工程化，自组装化，手性化，原子经济化，绿色化。化学实验室的微型化和超微型化：节能、节材料、节时间、减少污染。从单个化合物的合成、分离、分析及性能测试的手工操作方法，发展到成千上万个化合物的同时合成，在未分离的条件下，进行性能测试，从而筛选出我们需要的化合物(例如药物)的组合化学方法。
5、分析化学已发展成为分析科学分析化学已吸收了大量物理方法、生物学方法、电子学和信息科学的方法，发展成为分析科学，应用范围也大大拓宽了。分析方法的十化：微型化芯片化、仿生化、在线化、实时化、原位化、在体化、智能化信息化、高灵敏化、高选择性化、单原子化和单分子化。单分子光谱、单分子检测，搬运和调控的技术受到重视。分离和分析方法的连用，合成和分离方法的连用，合成、分离和分析方法的三连用。
化学的多维定义———21世纪化学的四大难题(中长期)(从略)
篇4
【关键词】 缺陷化学；研究生；教学改革
缺陷化学是固体化学的一个重要分支学科，属于材料科学的范畴。材料的所有物理性质都是由它们的精确结构与显微组织所决定的，所以其性质也与其缺陷结构和浓度相关，缺陷化学理论正是解释这些关系的。我们已经充分认识到新材料已经成为各个高新技术的发展的突破口，而材料的性能很大程度上取决于其结构，缺陷化学所研究的固体材料中的微观、显微微观结构的产生、缺陷的平衡等问题对我们了解电子材料、高温材料等的工艺控制和性能具有重要意义。缺陷化学中的许多概念、原理与理论对材料学科有重要的指导作用，如点缺陷理论，该课程对学生其它课程的理论学习和理解，以及科研素养的培养有着重要作用。因此，缺陷化学作为高等院校材料类专业研究生的主要基础课，应受到足够的重视。景德镇学院一直将其作为材料学硕士研究生的必修基础课，是一门理论性和应用性都较强专业主干课程。
随着现代教育体制的不断发展和完善，国内各高校都针对自身的学科建设和研究生培养，对课程开设和内容改革都进行了不断创新和有益尝试。景德镇学院作为以无机非金属材料为重点发展方向的的地方性特色高校，在调研国内一些著名学校该课程的建设和发展的基础上，结合学院多年教学体会和实践，得出了不少有益的经验和启发。
一、改革教学方法、优化教学手段
在现有教学大纲基本要求下，改变过去以“教——学”为主要方法的授课模式，打破以教师为中心的教学价值观，改为注重教师的引导作用，不再以系统简释理论知识为主线，而是强调启发学生的问题意识。合理分配学时，在保证有足够时间讲述重点难点内容的前提下，将属于拓展提高、细化应用等内容调整为学生提问、资料查阅的方式来完成；对于学生的问题，教师学会倾听，不忽视研究生的创新思想火花，而是引导学生了解其不足，鼓励学生大胆深入讨论；同时鼓励学生制作课件试讲，老师有针对性的点评，有意识的将一些与缺陷化学有关的题目留给学生，引导学生利用网络资源，主动获取知识，以此充分调动学生学习的积极性和主动性。例如：“原子尺度缺陷结构的生成分布”、“点缺陷结构域高技术陶瓷性能”等；教师在课堂教学中善于捕捉随时出现的新问题，这些问题有的来自教师的教学准备工作，有的来自教师参与的科研实验工作，有的来自研究生的课题工作。
采用现代教育技术编写、制作、使用多媒体技术。学院《缺陷化学》多媒体教学已经尝试多年，目前制作完成2套课件，包含100多幅实例图片，运用于教学实践后取得良好的教学效果。多媒体技术可以把微观世界的抽象性在虚拟世界里具体化，借助于计算机技术，学生能够直观感受原子、分子和固体内部，探索微观世界的奥妙，从而显著改善教学效果。多媒体教学广泛采用分子图形软件制作立体感强、可实时操作的动态模型，彻底解决了实物模型种类有限、数量不足的困难。通过绘制原子尺度缺陷结构、点缺陷模型、晶体三维点缺陷等，使抽象的概念具体化，最终改进教学效果。
针对课程重点难点，在教学中明确教学内容，合理分配学时，分类将属于基础性知识点交由学生自学，如晶体缺陷的类型、点缺陷的表示方法及缺陷反应方程式等；重点难点由老师诠释讲解，如电子缺陷、缺陷的类化学平衡等，将属于拓展提高、疑难问题辨析讨论，进一步应用细节等内容调整为给学生提问题，引导学生通过思考、查阅资料的方式完成，如含有杂质的晶体中缺陷的平衡等内容。
二、充分结合自身特点，利用科研促进教学
学院材料学研究生主要课题方向集中在无机非金属材料方面，以高性能结构陶瓷、功能材料为主，这就要求我们的专业基础课程要能够很好的为学生开展课题研究打下基础。
我们通过介绍缺陷化学与材料学专业其他课程的关系，使学生了解缺陷化学对其专业学习的重要性，引起学生对本课程学习的高度重视。比如讲到晶体结构和由于掺杂引起的缺陷内容时，可以介绍当前高科技领域的发展基本都是通过掺杂引起材料能带发生变化的特点，激励同学努力学习好这门大部分高科技所需要的基础知识；以固体材料的点缺陷结构为主线，引导学生深刻理解物质的结构决定性质的原理，比如为了让学生更好地掌握晶体的结构缺陷和性质的关系，如必须使学生真正理解什么是位错运动，实际晶体结构中的位错是什么样子。
在教学中结合教师开展的科研课题，准确恰当的使用实例在说明利用缺陷化学原理指导制备功能材料的方法。如“BaTiO3正温度系数热敏材料的研制”，在家用电器、医疗等方面有广泛应用的BaTiO3热敏材料的研制正日益受到国内外广泛关注，这种材料正式利用缺陷化学原理与晶界理论而制造与发展的。又如“外界气氛对TiO2性能的影响”，实验发现TiO2在强氧化气氛下进行烧结时，可以获得金黄色的介质材料，如在还原气氛下烧结，却得到一种灰黑色材料，该种材料具有半导体性。为何在不同的气氛下烧结所得到的材料在性质上有如此大的差别，就可以利用缺陷化学的有关知识做出解释。
三、与时俱进，加快课程内容的更新，鼓励交叉学科内容的充实
从1926年弗伦克尔为了解释AX离子晶体导电的实验事实提出“佛伦克尔”缺陷模型以及“肖脱基缺陷”的提出开始，到现在电子能级的缺陷的控制成为新材料研制开发的关键，缺陷化学理论一直在科研实践中逐步发展，并且越来越对高新技术领域产生巨大的影响。缺陷化学的教学也应本着“宽口径、厚基础、强能力、高素质”的要求，不断使研究生更新知识，以适应科技发展和科研工作的需要。如：缺陷化学为剖析点缺陷对陶瓷材料特性提供了极其有效的工具，陶瓷材料的电导率、扩散传导、化学反应速率和传质的动力学都与缺陷的形态和数目密切相关，目前发展较快的功能陶瓷和纳米陶瓷传感器就是很好的教学例证。
随着越来越多交叉学科的出现及其在认识世界和改造世界中发挥作用的不辩事实， 交叉学科在科学领域中的生命力都得到了充分的证明。缺陷化学是一门新兴的交叉学科，涵盖了化学、物理、材料学等课程内容，在教学中结合量子力学、量子化学等的知识可以更加深入的讲解知识点，使学生能够更综合的考虑问题，能够全面的分析解决问题。比如量子化学中基于局域密度泛函和赝势的第一性原理方法可以用来研究金红石相TiO2点缺陷的电子性质，而且对点缺陷模型、点缺陷能量的计算机模拟和第一原理研究也是目前一个研究的热点内容，这对于拓宽学生的知识面，激发学习兴趣，提高其科研水平具有重要意义。
综上所述，缺陷化学在材料类研究生的课程体系中起着相当的重要作用。通过创新思想，利用先进的教学方法和手段，以学促教，融会贯通相关学科内容，以科研带动教学，将充分改善教学效果，大大提高学生的基本素质和创新能力，达到培养21世纪创新人才的迫切需要。
【参考文献】
[1] 于长凤，朱小平. 缺陷化学概论[M] .武汉：武汉理工大学出版社，2010.
篇5
或许是对于一生四海奔波的一种变相补偿，在唐敖庆生命的最后十年，高血压引发的中风，使他不得不接受身体被禁锢的岁月。
再漫长的征途也总有终点。7月15日11时15分，在北京的一家医院中，唐敖庆平静地走完了最后的时光。1936年，他曾经以北京大学化学系学生的身份，在这个城市短暂淹留，直至因抗战需要被迫南迁；1950年，当他从美国哥伦比亚大学获得物理化学博士学位后，也曾重回北京大学短暂任教。
再一次回到这里，唐敖庆已年逾七旬。1986年初，时任国务院副总理的方毅提名，他受命担任新成立的国家自然科学基金委员会第一任主任。这在当时并不是一件轻松的差事：新的委员会，整合了中国科学院、原国家科学技术委员会、原国家教育委员会的有关力量。要在仍然十分浓厚的计划以及行政化色彩之下，建立起以科学家群体为依托、颇具国际化色彩的科学基金制，从内到外的困难可想而知。
但唐敖庆不为所动，严格坚守自己制定的16字原则，即“依靠专家，发扬民主，择优支持，公正合理”。在他看来，只有把权力从行政机关转交到专家手中，并建立起制衡机制，中国的科研才有希望。学术意义和科学价值永远是第一位的，这样才能保证基础研究的连续性。
他在基金委主任的位置上只待了短短四年，1991年退而担任名誉主任。但在万事维艰的初创时期，唐敖庆定下的基调以及表现出来的学者风骨，却是弥足珍贵的财富。
1915年11月18日，唐敖庆出生于江苏省宜兴县一个清贫家庭。经过颇为坎坷的半工半读求学之路，他终于得以进入燕园就读。只可惜国运日艰，在进入大学的第二个年头，就被迫南迁，先长沙而后昆明，才找到一张还算平静的书桌。
在西南联大毕业并任教六年之后，他的人生迎来了新的机缘。1946年，唐敖庆有幸与李政道、朱光亚等人，以助手身份，随同物理学家吴大猷、数学家华罗庚、化学家曾绍抡赴美考察，并被推荐进哥伦比亚大学攻读化学博士。
在这里，唐面临着新的挑战和人生选择。由于幼年经常在油灯下挑灯夜读，他的视力受到严重影响，眼镜度数曾高达2000度。唐敖庆的对策不是部分放弃阅读学术资料和文献的乐趣，而是强化记忆。他过目不忘、博闻强记的本领，几乎给所有认识他的人留下了深刻印象。
作为新成立的“哥伦比亚大学中国同学会”的第一任主席，他的住处常常成为纵论国是的据点；在1949年11月获得博士学位之后，唐敖庆于次年初决意返回了祖国。
1952年，考虑到中国的重工业基地东北地区还没有一所文理综合大学，上级决定派唐敖庆前往东北人民大学（现吉林大学）设立理科。是年夏天，他偕夫人从北京来到位于长春市中南部的青葱校园中，一直待到1986年；其中自1978年7月始，担任吉林大学校长。
上个世纪60年代初，唐敖庆与由八位副教授、讲师（后来俗称“员”或“弟子”）组成的研究集体，开始瞄准配位场理论进行攻关。配位场理论作为近代无机化学的理论基础，创建于二三十年代，其后长期处于停滞状态；50年代后，随着光谱、磁共振以及激光技术的发展，人们重新关注这一领域。他们成功地在统一配位场理论的基础上提出了新的方案，由此为化学工业催化剂和受激辐射技术的发展提供了宝贵的理论支撑。1982年，这一成果获得国家在科研领域的最高奖项――国家自然科学奖一等奖。
70年代初期，随着分子轨道图形理论在国际上成为关注的热点，唐敖庆等又投入这一领域。1987年，“分子轨道图形理论方法及其应用”为他赢得了第二个国家自然科学奖一等奖。而80年代和90年代，他又把注意力转向当时国际上的一个重要研究领域――原子簇化学。
作为中国理论化学领域的奠基人之一，唐敖庆可谓桃李遍天下。自50年代开始，他就通过进修班、学术讨论班等形式，致力于培养高水准的学术带头人。孙家钟、江元生、沈家聪等中国科学院院士，都出自他开办的学习讨论班。
唐敖庆是一个极为坚持原则的人。在基金委期间，他收到过不少私人的求助信，希望能帮助申请经费；但他不发一言，不批一字，不以个人来影响专家们的集体民主评审和决策。
他把“公”“私”两字分得很清楚，据说连给吉林大学不少人写信，都不肯用基金委的信封和信纸。但另一方面，唐敖庆又是非常谦和、热情的人。他总是给大家充分自由的表达空间，一旦集体决定的事情就不折不扣地执行。
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关键词：计算化学软件；有机化学；应用
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.10.119
近几年来，计算化学软件逐渐得到了人们的重视。在大学有机化学的教学中，它能够通过传统的平面符号将深奥的化学信息传递给学生，并加强他们对化学结构的理解。另外，传统的教学方式已经不能够满足学生对知识的需求，只有结合现代化的辅助工具，才可以达到提升学习效率的目的。
1 计算化学软件在大学有机化学教学中的应用
（1）计算化学软件在立体模型方面的分析方式。从本质上来讲，分子立体结构的教学在有机化学中是必不可少的。但传统的方式中，教师仅仅用单一的构图法对知识点进行规划，来将其中的规律呈现在他们面前。这种方法不仅复杂，增加了教师的任务量，也无法使学生彻底的理解知识，并产生了负担。同时，一些想象空间缺失的学生更无法将立体结构展开，体现“具体问题具体分析”的合理性。可见在有机化学中计算软件的应用是必不可少的。首先，大学化学中的重点就是有机化合物的分子结构分析。它能够从化学反应的基本原理出发，构建物质之间的基本联系，并体现其中的演变过程。因此，教师可以通过分子结构的剖析，利用计算软件将排列方式呈现出来，并在多媒体中进行模拟教学，体现教学方法的灵活性。
例如：在甲烷分子的构想过程中，教师则可以利用office中的3D处理功能，构建一个立体结构的演示过程，并将分子模型进行优化。同时，为了能够将动态过程体现出来，教师也可以通过“Flash”动画模型的建立做出C-C的360度旋转过程，改变分子形态中的二苗角，来完成计算软件中的曲线剖析动作。最后，教师要利用Gaussian03软件实现分子关联性讲解。将每一分子作为一个数据节点，利用扫描功能对每一部分进行分析，并将对应的势能曲线表达出来。这种教学方法的好处在于能够使学生从全方位看出分子的构象规律，并实现曲线的交叉变换，令他们掌握乙烷的稳定排列形态。
（2）计算化学软件对分子光学模拟的分析。有机化学的学习目的是令学生能够用更加全面、灵活的眼光来分析宏观与微观世界。因此，为了体现内容的多样化，教师可以将光谱理念引入到其中。首先，传统的有机化学学习方式主要是以引入仪器的方法来完成，但这些化学辅助工具却无法将有机物分子展开。针对这种情况，教师要利用计算软件进行知识解析。首先，在操作过程中教师以Gaussian03软件为主，以功能的设定为具体方向，对分子光谱进行预测及模拟。例如：在有机分子红外光谱的学习中，教师利用互动模式将学生带入到课堂学习中，将他们两两分为一组，并在建立好的模型上进行演示。而学生要根据模型中的振动频率将关键词Freq输入进去，在文件的处理界面中选择“演示”字样，系统则会选定一个基本频率，以分子振动节点为中心，制定相应的光谱。学生只要点击系统中的“开始”选项，多媒体就会将化合物分子中的伸缩振动过程、光谱曲线、结构对应方向逐一体现出来，实现了教学的动态化。
再如：在双分子亲和的教学中，教师要首先建立好相应的计算模型。系统会依照分子之间的运动频率确立核定方式，并将分析中所呈现出的关键词运用到其中。最后，计算软件能够进行分子常态的设定，学生可以从中看出离子的分散过程以及试剂的投入顺序。同时，教师要结合其中的重点内容将相关的理论知识融入进去，使学生根据总结出反应中呈现的状态，并以小组讨论的方式整理好双分子亲和中的关键点。最后，教师以小组为单位进行逐一评定，选取其中比较优秀的一组进行奖励。
2 计算化学软件在计算化学软件在大学有机化学教学中的应用
（1）深化学生对知识的理解。有机物特性分子在化学教学中是必不可少的。但这部分内容也是学习中的难点，如何将化学知识与其物理特征联系在一起，并直观的呈现在学生的面前是教育的关键。例如：以HOMO化学概念的学习为主，教师只有将分子组合或分裂的排序过程中展现出来，学生才能够真正依照其运行轨迹进行知识学习。而以计算软件为主的教学方式则可以满足这一要求。教师可以在建立基本模型的前提下选择一条分子排列轨道，将演示内容直观、清晰的呈现在学生的面前，深化学生对知识的理解。
（2）促进教学方式的转变。由于有机化学的难度逐渐加深，单一的绘图方式已经无法满足学生的需求。因此，教学方式的转变是必然的，也是现代化教育的结果。计算软件能够将分子的构成式逐一展现出来，并将平面图像变为立体形状。因此，如果教师想要适应时代的发展，就要提升自身的教育水平，学习计算化学软件，并令其在课堂中能够得到良好的应用。同时，这种方式也减轻了教师的课业任务，节省了绘图与版面制作的时间。从学生的角度来讲，这种教育模式可以为他们带来新鲜感，激发起学习的兴趣，促进自身能力的提升。
3 结语
综上所述，本文主要从两方面入手。第一，以计算软件的应用作为切入点，对其在有机化学教学中的应用进行阐述。第二，探究了计算软件在化学课程中的意义。从而得出：教师要改变原有的教育理念，将现代化的多媒体技术应用到其中，以达到教育创新的目的。同时，计算化学软件能够将抽象的知识结构以直观的方式呈现在学生的面前，有利于学习效率的提升，也可以实现知识的深化，为人才的培养奠定基础。
参考文献：
[1]赵丽娇，钟儒刚，甄岩.计算化学软件在大学有机化学教学中的应用[J].计算机与应用化学，2008（08）.
[2]王亮，张玉敏，彭望明，胡思前.微课在大学“有机化学”教学中的应用现状及探索[J].新课程研究（中旬刊），2016（02）.
[3]郑燕，孙文新.计算机化学软件在大学有机化学教学中的应用研究[J].石家庄学院学报，2014（03）.
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Abstract：Rational drug design is important component of medicine chemistry，which can guide the innovative drug research.The rational drug design can not only improve the efficiency and save the cost of drug research，but also accelerate the development of medicine chemistry.Here，some important methods of drug design，such as properties based drug design，ligand based drug design， receptor base drug design are introduced in medicine chemistry，and the corresponding samples are used to demonstrate the idea of drug design.Obviously，the innovative drug design integrated into medicine chemistry teaching not only boosts the innovation consciousness in drug research，but also is the basis for cultivation of creative student.
Keyword：Medicine Chemistry；Drug Design；Teaching Research；Teaching Reform
随着药物化学的产生与发展，药物设计这一学科也应运而生。早在1919年，langmuir[1]就提出了电子等排体的概念；1925年Grimm[2]将电子等排体概念广义化；1932年Erlenmeyer[3]将有机化学的电子等排原理和环等当体概念用于药物设计，首次提出了具有理论性的药物分子结构修饰；1964年，Hansch[4-5]提出了线性自由能模型，即Hansch方程，使得药物设计由定性进入定量研究阶段。为在三维空间探讨药物结构与生物活性之间量变关系，19世纪80年代前后逐渐出现了三维定量构效关系研究方法。例如，1979年Crippen[6]提出“距离几何学方法”；1980年Hopfinger[7]等人提出“分子形状分析方法（MSA）”；1988年Cramer[8]等人提出了“比较分子场分析方法（CoMFA）”；1994年Klebe[9]在CoMFA基础上又提出“比较分子相似性指数分析方法（CoMSIA）”。三维定量构效关系的出现给药物设计注入了新的活力，让药物设计更趋于合理，也是目前应用最为广泛的药物设计方法之一。
20世纪70年代之后，随着分子生物学的进展与人类基因组计划的顺利完成，对酶与受体的认识更趋深入，更多酶的性质、反应历程、药物-酶复合物的结构得以阐明，使得药物设计更为合理。同时，计算机图形学、分子生物学、计算机科学等学科的发展与交叉应用，不仅为新药设计带来了更多的机遇，同时也让药物研究面临更多了挑战。显然，药物设计方法在药物化学中的地位也越发显得重要。目前，药物设计开始综合运用药物化学、生物化学、分子生物学、量子化学、药理学、计算机科学、信息学等学科的研究内容，使得药物设计受到药学研究人员的广泛重视，已成为药物研究中的基本工具与必备手段。
药物化学是药学学科的专业基础课，本身所涉及的药学研究内容较多，对教师的理论教学提出了较高要求。然而，药物设计因属于多学科交叉前沿研究领域，涉及多个学科的研究内容，对学生的理论基础知识提出更高的要求。此外，在传统的药物化学教学中并未将药物设计的概念、研究方法、研究手段单独提出，这就让学生对药物设计产生神秘感，增加了药物设计的教学难度。因此，如何将药物设计的理念、研究方法、研究手段有机融入到药物化学的理论与实践教学中，需要长时间深入的研究与探讨。该文将介绍药物化学理论教学中常见的几种药物设计方法，将药物设计理念融入到药物化学的教学内容中，为培养创新型药学人才奠定基础。
1 药物化学教学中的药物设计方法
1.1 基于性质的药物设计
基于性质的药物设计针对药物或先导物结构进行药物性质设计与优化，以改善药物或先导物的吸收、分布、代谢、毒副作用为目的。在药物化学理论教学中，药物设计案例随处可见，诸如软药设计、硬药设计、孪药设计、生物电子等排等，在先导化合物的优化中得到广泛应用。药物分子通过简单的设计或改造，可以改善其某些物理化学性质或不良效应，提高药物的选择性、稳定性、溶解性、作用时间、生物利用度、增强药效与降低毒副作用等。例如由乙酰水杨酸与对乙酰氨基酚拼合而成贝诺酯，不仅可以解决水杨酸对胃的酸性刺激，而且因协同作用而增强的药效。再如治疗前列腺疾病的已烯雌酚会产生雌激素副作用，将其设计成已烯雌酚二磷酸酯，因前列腺肿瘤组织中磷酸酯酶含量高于正常组织，可以在癌组织中酶解出高浓度的已烯雌酚，从而增强了对前列腺肿瘤组织的选择性。
1.2 基于配体的药物设计
基于配体的药物设计是根据现有药物分子结构，分析结构与生物活性的之间量变关系，据此设计新的化合物以提高其的生物活性。定量构效关系研究在基于配体的药物设计中应用最为广泛，可分为二维、三维定量构效关系研究方法。定量构效关系研究可以追溯到1868年提出的Crum-Brown[10-11]方程，该方程认为化合物生理活性可用化学结构的函数式表示，但是并未建立明确的数学模型。直到1964年Hansch提出线性自由能模型，使得构效关系研究进入定量研究阶段。20世纪80年代，三维定量构效关系研究方法的出现使得构效关系研究更为直观，也大大提高了药物设计的效率。例如环丙沙星的发现就是基于系列喹诺酮类药物的Hansch方程，方程显示喹林羧酸的1位取代基的最佳长度是0.417 nm，因此1位取代基为环丙基（0.414 nm）比乙基（0.411 nm）的生物活性更优，结果表明环丙沙星的抗菌效果优于诺氟沙星。
1.3 基于受体的药物设计
基于受体的药物设计是指基于X射线衍射、核磁共振或同源建模等提供的受体三维结构信息，筛选或设计能够与其发生相互作用并能调节其功能的小分子化合物。随着人类基因组计划的完成，大量与疾病相关的基因被发现，且越来越多药物受体的三维结构被测定，尽管有些具有重要药理作用药物靶点地三维结构还未测定，但可以通过同源模建或从头计算方法获得相关信息，为创新药物设计奠定了基础。基于受体的药物设计包括如下步骤：（1）确定药物作用的是受体分子；（2）确定受体分子的三维结构以及结合位点；（3）基于受体与结合位点信息，设计或筛选小分子化合物，并模拟出最佳复合物的结构模型；（4）合成模拟得到的最佳化合物，进行活性测试；（5）重复上述过程直到满意为止。在药物化学的理论教学中，卡托普利是基于受体药物设计的典型案例。对血管紧张素转化酶的结构分析发现，该酶中有一个锌离子，对受体与配体的结合具有重要作用；此外，受体分子的精氨酸残基带有阳离子，可与带负电荷的基团形成离子键。卡托普利的巯基与羧基能够很好的满足与受体结合的要求，具有良好的酶抑制活性，因此卡托普利也是第一个上市的血管紧张素转化酶抑制剂。
1.4 基于机理的药物设计
基于机理的药物设计是指基于疾病发生的全过程，根据药物靶点的结构、功能与药物的作用方式以及产生生理活性的机理，通过抑制某些与疾病相关的生理、生化过程以阻断疾病的发生，从而达到疾病治疗的目的。基于机理的药物设计技术建立对介导疾病病理生理过程的蛋白质分子结构和功能认识的基础之上。在过去，对药物作用机理的认识往往滞后于药物的发现，而现在药物研发的重心已经转到了探寻分子机理并据此设计药物上。基于机理的药物设计是药物设计发展的重要方向，相比基于结构的药物设计更为合理。例如在精神病药物的开发中，经典的多巴胺受体（DA2）拮抗剂容易产生锥体外系副作用，而5-HT2受体与情绪、抑郁等密切相关，当其拮抗时可使黑质-纹状体通路的多巴胺释放，使多巴胺神经节调节运动的功能恢复。基于该机理设计的利培酮可同时拮抗5-HT2和多巴胺DA2受体，具有很好的抗精神病作用而锥体外系的副作用很小。
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古希腊人把所有对自然界的观察和思考，笼统地包含在一门学问里，那就是自然哲学.科学分化为天文学、力学、物理学、化学、生物学、地质学等，只是最近几百年的事.在牛顿的时代里，科学和哲学还没有完全分家.牛顿划时代的著作名为“自然哲学的数学原理”，就是一个明证.物理学最直接地关心自然界最基本规律，所以牛顿把当时的物理学叫做自然哲学.17世纪牛顿在伽利略、开普勒工作的基础上，建立了完整的经典力学理论，这是现代意义下的物理学的开端.从18世纪到19世纪，在大量实验的基础上，卡诺、焦耳、开尔文、克劳修斯等建立了宏观的热力学理论;克劳修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼等建立了说明热现象的气体分子动理论;库仑、奥斯特、安培、法拉第、麦克斯韦等建立了电磁学理论.至此，经典物理学理论体系的大厦巍然耸立.然而，正当大功甫成之际，一系列与经典物理的预言极不相容的实验事实相继出现，人们发现大厦的基础动摇了.
在这些新实验事实的基础上，20世纪初，爱因斯坦独自创立了相对论，先后在普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定愕、玻恩等多人的努力下，创立了量子论和量子力学，奠定了近代物理学的理论基础.本世纪随着科学的发展，从物理学中不断地分化出诸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、激光物理、电子物理、等离子体物理等名目繁多的新分支，以及从物理学和其它学科的杂交中生长出来的，诸如天体物理、地球物理、化学物理、生物物理等众多交又学科.什么是物理学?试用一句话来概括，可以说:物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科.尽管这个相当广泛的定义仍难以刻画出当代物理学极其丰富的内涵，不过有一点是肯定的，即一与其它科学相比，物理学更着重于物质世界普遍而基本的规律的追求.物理学和天文学由来已久的血缘关系，是有目共睹的.当今物理学的研究领域里有两个尖端，一个是高能或粒子物理，另一个是天体物理.前者在最小的尺度上探索物质更深层次的结构，后者在最大的尺度上追寻宇宙的演化和起源.可是近几十年的进展表明，这两个极端竟奇妙地衔接在一起，成为一对密不可分的姊妹学科.物理学和化学从来就是并肩前进的.
如果说物理化学还是它们在较为唯象的层次上的结合，则量子化学已深人到化学现象的微观机理.物理学和生物学的关系怎么样?对于如何解释生命现象的问题，历史卜有吁两种极端相反的看法:一是“生机沦”，认为生命现象是由某种“活力”主宰着，水远不能在物理和化学的基础上得到解释;另一是“还原论认为一切生命现象都可归结(或者说，还原)为物理和化学过程.1824年沃勒成功地在实验室内用无机物合成了’尿素之后，生机论动摇了.但是、能否用物理学和化学的原理与定律解释生命呢?回答这个问题为时尚早.不过，生命科学有自己独特的思维方式和研究手段，积累了大量知识，确立了许多定律，说把生物学“还原”为物理学和化学，是没有意义的.可是物理学研究的是物质世界普遍而基本的规律，这些规律对有机界和无机界同样适用.物理学构成所有自然科学的理论基础，其中包括生物学在内.物理学和生物学相互渗透，前途是不可估量的.近四、五十年在两学科的交叉点上产生的一系列重大成就，如D、、双螺旋结构的确定、耗散结构理论的建立等，充分证明了这一点.现在人们常说，21世纪是生命科学的世纪，这话有一定道理.不过，生命科学的长足发展，必定是在与物理学科更加密切的结合中达到的.
2物理学与技术
社会上习惯于把科学和技术联在一起，统称“科技”，实际上二者既有密切联系，又有重要区别.科学解决理论问题，技术解决实际问题.科学要解决的问题，是发现自然界中确凿的事实和现象之间的关系，并建立理论把这些事实和关系联系起来;技术的任务则是把科学的成果应用到实际问题中去.科学主要是和未知的领域打交道，其进展，尤其是重大的突破，是难以预料的;技术是在相对成熟的领域内工作，可以作比较准确的规划.历史上，物理学和技术的关系有两种模式.回顾以解决动力机械为主导的第一次工业革命，热机的发明和使用提供了第一种模式.17世纪末叶发明了巴本锅和蒸汽泵;18世纪末技术工人瓦特给蒸汽机增添了冷凝器、发明了活塞阀、飞轮、离心节速器等，完善了蒸汽机，使之真正成为动力.其后，蒸汽机被应用于纺织、轮船、火车;那时的热机效率只有5一8%.1824年工程师卡诺提出他的著名定理，为提高热机效率提供了理论依据.
到20世纪蒸汽机效率达到15%，内燃机效率达到40%，燃气涡轮机效率达到50%.19世纪中叶科学家迈耶、亥姆霍兹、焦耳确立了能量守恒定律，物理学家开尔文、克劳修斯建立了热力学第一、第二定律.这种模式是技术向物理提出了问题，促使物理发展了理论，反过来提高了技术，即技术~物理~技术.电气化的进程提供了第二朽模式.从1785年建立库仑定律，中间经过伏打、奥斯特、安培等人的努力，直到1831年法拉第发现电磁感应定律，基本上是物理上的探索，没有应用的研究.此后半个多世纪，各种交、直流发电机、电动机和电报机的研究应运而生，蓬勃地发展起来.有了1862年麦克斯韦电磁理沦的建立和1888年赫兹的电磁波实验，才导致了马可尼和波波夫无线电的发明.当然，电气化反过来大大促进了物理学的发展.这种模式是物理~技术~物理.本世纪以来，在物理和技术的关系中，上述两种模式并存，相互交叉.但几乎所有重大的新技术领域(如电子学、原子能、激光和信息技术)的创立，事前都在物理学中经过了长期的酝酿，在理论和实验上积累了大量知识，才突然迸发出来的.没有1909年卢瑟福的。
粒子散射实验，就不可能有40年代以后核能的利用;只有1917年爱因斯坦提出受激发射理论，才可能有1960年第一台激光器的诞生.当今对科学、技术，乃至社会生活各个方面都产生了巨大冲击的高技术，莫过于电子计算机，由之而引发的信息革命被誉为第二次工业革命.整个信息技术的发生、发展，其硬件部分都是以物理学的成果为基础的.大学都知道，1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱发明了晶体管，标志着信息时代的开始，1962年发明了集成电路.70年代后期出现了大规模集成电路.殊不知，在此之前至少还有20年的“史前期”，在物理学中为孕育它的诞生作了大量的理沦和实验_L的准备:1925一1926年建立了量子力学;1926年建立了费米一狄拉克统计法，得知固体中电子服从泡利不相容原理;1927年建立了布洛赫波的理论，得知在理想晶格中电子不发生散射;1928年索末菲提出能带的猜想;1929年派尔斯提出禁带、空穴的概念，解释了正霍耳系数的存在;同年贝特提出了费米面的概念，直至1957年才由皮帕得测量了第一个费米面，尔后剑桥学派编制了费米面一览表.总之，当前的第二次工业革命主要是按物理一，技术，物理的模式进行的.
3物理学的方法和科学态度
现代的物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学.物理学中有一套获得知识、组织知识和运用知识的有效步骤和方法，其要点可概括为:1)提出命题命题一般是从新的观测事实或实验事实中提炼出来的，也可能是从已有原理中推演出来的.2)推测答案答案可以有不同的层次:建立唯象的物理模型;用已知原理和推测对现象作定性的解释;根据现有理论进行逻辑推理和数学演算，以便对现象作出定量的解释;当新事实与旧理论不符时，提出新的假说和原理去说明它，等等.3)理论预言作为一个科一学的论断，新的理论必须提出能够为实验所证伪的预言.这是真、伪科学的分野.为什么说.‘证伪”而不说“证实”?因为多少个正面的事例也不能保证今后不出现反例，但一个反例就足以否定它，所以理论是不能完全被证实的.为什么要求能用实验来证伪?假如有人宣称:在我们中间存在着一种不可探知的外来生灵.你怎么驳倒他?对这种论断，你既不能说它正确，又不能说它错误.我们只能说，因为它不能用实验来证伪，所以不是科学的论断.4)实验检验物理学是实验的科学，一切理论最终都要以观测或实验的事实为准则.
理论不是唯一的，一布、理论包含的假设愈少、愈简洁，同时与之符合的事实愈多、愈普遍，它就愈是一个好的理论.5)修改理论当一个理论与新的实验事实不符合，或不完全符合时，它就面临着修改或被.不过，那些经过大量事实检验的理论是不大会被的，只是部分地被修改，或确定其成立范围.以上步骤循环往复，构成物理学发展模式化的进程.但是物理学中的许多重大突破和发现，并不都是按照这个模式进行的，预感、直觉和顿悟往往起很大作用.此外，且探且进的摸索、大胆的猜测、偏离初衷的遭遇或巧合，也导致了不少的发现.顿悟是经验和思考的升华，而机遇偏爱有心人，平时思想上有准备，就比较容易抓住稍纵即逝的机遇.所以科学上重大的发现不会是纯粹的侥幸.科学实验的结果，远非尽如人愿.不管你喜欢不喜欢，实事求是的作风、老老实实的科学态度是绝对必要的.在科学研究中，一相情愿的如意算盘是行不通的，弄虚作假迟一早会暴露.
失误任何人都难以避免，一旦发现，最聪明的办法是勇于承认.1922年年轻的苏联数学家弗里德曼发表了动态宇宙模型的论文，遭到爱因斯坦的批评.次年，爱因斯坦在读了弗里德曼诚恳的申辩信之后，公开声明自己被说服了.据伽莫夫回忆，爱因斯坦说，这是他一生中最大的疏忽.伟大科学家这种坦荡的襟怀，是所有人的楷模.基础科学研究的信息资源是共享的，这里没有秘不可及的玄机和诀要.根据公开发表的文献，人人可以自己判断，独立思考.所以，在科学的王国里，直理面前人人平等.这里最少对偶像的迷信和对权威的屈从.“实践是检验真理的唯一标准”这一信条，在自然科学的领域里贯彻得最坚决.实践不是个别的实验结果，因为那会有假象，重大的实验事实必须经多人重复印证才被确认.自然科学的主要任务是探索未知的领域，很多事情是难以预料的.实验的结果验证了理论，固然可喜;与理论不符合可能预示着重大的突破，更加令人兴奋，世界上建造了许多加速器，每个加速器都是针对某类现象而设计的.40多年的历史表明，除了反核子和中间玻色子外，粒子物理中的所有重大发现都不是当初建造那个加速器的理由.高能物理学界把这看作正常现象.1984年在实验室中发现了弱电统一理论所预言的中间玻色子后，曾一度较少发现出乎理论预料的实验结果.人们反而说:现在最令人惊讶的，是没有出现令人惊讶的事.这便是物理学界极富进取精神的得失观.因为在自然科学中物理学最直接触及自然界的基本规律，物理学家对事物是最好穷本极源的.他们在研究的过程中不断地思考着，凡事总喜欢问个“为什么”.理论物理学家不能仅仅埋首于公式的推演，应该询问其物理实质，从中构想出鲜明的物理图象来;实验物理学家不应满足于现象和数据的记录，或某种先进的指标，而要追究其中的物理机理.因为在自然科学中物理学研究的是自然界最普遍的规律，物理学家不应总把自己的目光和兴趣局限于狭窄的本门学科，而要放眼于更广阔的天地.人们公认，当今最有生命力的是不同学科间杂交的领域，有志的年轻物理学工作者在那里是大有作为的.
4怎样教导学生学好物理学?
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本科教学是高等学校人才培养的重要环节，肩负传授知识和技能的重要职能。课程体系构建是本科教学的基础和核心。世界一流研究型大学的课程体系构成具有一些共性，比如：从课程模块来看，都包括通识课和专业课;从课程结构层次来看，都有必修课和选修课;从教学方法来看，都有讲座课程和研讨课程。对于研究型大学来讲，专业课程的设置和教学是构建学生专业知识体系、训练专业认知能力和养成专业思维方式的关键要素，蕴含和体现了高等学校的人才培养理念和特色。
高校人才培养目标和教育思想决定了课程体系设置。近年来，南京大学以“为社会各行各业培养具有创新精神、实践能力和国际视野的未来领军人物和拔尖创新人才”为目标，通过深入探索和实践，提出了“三三制”人才培养模式。南京大学化学化工学院在人才培养思路上一直秉承戴安邦院士的全面化学教育思想，即“全面的科学教育要求教学既传授知识和技术，更训练科学方法和思维，还培养科学精神和品德”。在新的时代背景下，南京大学化学化工学院围绕多元化创新型人才培养，在分析借鉴美国加州大学伯克利分校和英国剑桥大学等世界著名研究型大学化学专业课程设置模式和特点的基础上，对传统的化学专业课程体系进行了一系列调整和改革，构建了“激发兴趣、注重能力、多元培养、个性发展”的专业课程体系。
一、美国加州大学伯克利分校化学专业课程体系
美国加州大学伯克利分校(以下简称“伯克利”)是世界著名研究型大学，在学术界享有盛誉，也是美国最自由、最激进的大学之一。化学是伯克利的传统优势学科，在OS世界大学最新排名中，伯克利的化学学科排名第二。
伯克利学制为4年，每学年有3个学期，分别是秋季学期(一般17周)，春季学期(一般17周)以及暑期学校。本科生学位要求的最低学分数为120。
伯克利的化学学院有两个系：化学与生物分子工程系和化学系。化学系的专业课程主要是按知识模块进行构建，由基础课和大量的专业课两大模块组成。根据修读课程的不同，化学系的学生可申请化学理学或者艺术学学士学位，或者化学生物学理学学士学位。本文仅介绍化学理学学士学位要求的专业课程。
上图是典型的化学专业本科生培养方案示意图。可以看出，化学系本科生在第一年主要修读大学化学和定量分析这门课(含实验)，或者根据需要修读与高中课程相衔接的化学课程。二年级主要修读有机化学(含实验)。三年级需修读高等无机化学和物理化学两门课。四年级的专业课较多，包括物理化学实验、仪器分析、无机合成及反应、有机化学.高级实验方法或者原子核技术中的化学方法，这几门课均包含理论课和实验。以上课程构成了化学专业本科生的必修课，这些课程一般为3～5个学分。
伯克利认为本科毕业生应该“熟悉艺术、文学、数学、自然科学和社会科学;能够收集、筛选、综合、评价来自不同领域并以不同形式呈现的信息;理解研究过程和如何创造新的知识;能够与人合作共事;能够创造性地转换其环境;具有解决问题和作出决定所必须的技能，并能考虑决定的广泛的社会和伦理意义;能够处理模糊性，能够灵活思考并具有在职业生涯中不断发展智识的技能”。因此，化学系本科新生需要参加新生导学课。一、二年级必修的课程还包括数学、物理以及15学分的BreadthElective课程(如阅读写作、外语、人文社科类课程)，类似于国内的通识课。除此之外，化学系还开设了培养团队合作(如SupervisedGroup Study和Directed Group Study)和独立工作能力(如Individual Studv forAdvancedUndergraduates)的课程。
对于高年级本科生，除了专业必修课外，还要求完成15学分的专业选修课和跨专业选修课。
伯克利化学系开设的高年级专业选修课有30多门，一般3学分，包括信息化学、生命体系中的无机化学、高等无机化学、无机合成与反应、普通生物化学和分子生物实验、高等有机化学机理、高等有机合成、有机化学一高级实验方法、量子力学和谱学、生物物理化学;物理学原理和生命分子、生物物理化学、化学生物学、伯克利能源讲座;生物质能、原子核化学、原子核技术中的化学方法、材料化学导论、生物化学工程实验、高分子科学与技术、大气化学和物理实验以及量子信息科技等课程。
化学专业建议选修的跨专业课程涉及大气、生物、土木和环境工程、计算机、地球和行星科学、经济、教育、电子工程、政策和管理、力学工程、分子和细胞生物学、营养学和毒理学，物理、植物和微生物学、公共卫生、统计等多个学科分支，多达200余门课程。另外，本科生还可以选修多达50门的研究生专业课。因篇幅有限，本文不一一列出这些课程的名称。
二、英国剑桥大学化学专业课程体系
英国剑桥大学是历史最悠久的世界著名研究型大学之一，素有“诺贝尔奖摇篮”的美誉。剑桥大学崇尚自由、创造性、人文和科技相结合的教育理念，是将传统和现代教育有机结合的典范。剑桥大学化学专业具有很高的学术声誉，在2016 TIMES英国大学优势专业中排名第一，QS世界大学最新排名中名列化学专业第三。
剑桥大学对学生的培养与管理是经典的学院制。该校有31个学院，负责学生的生活和本科生的业余辅导。教学由大学的科系负责，主要科系包括艺术和人文、生物科学、临床医学、人文和社会科学、自然科学、技术等。剑桥大学每学年的授课时间分为三个学期，包括Michaelmas学期(8周)、Lent学期(8周)、Easter学期(5周)。
化学系负责化学专业课程的设置与讲授，修读不同的化学课程前，要求修读相应的数学、物理课程。另外，学生也要学习计算机、语言以及其他人文学科。化学专业课分为三个模块。
第一学年课程为模块IA，主要是介绍化学的基本原理，与预科课程相衔接，课程包括分子形状与结构、有机化学反应与机理、热力学与平衡、化学反应动力学、元素化学。另外，要求学生参加两周一次的实验课程，实验内容安排与理论课程基本同步，实验课程没有单独学分，实验成绩计入相应课程最终成绩。
第二学年课程为模块IB，课程更深入地讲解化学原理。学生有两种化学课程类型可选择，即A类理论与物理化学类课程和B类有机与无机化学类课程。继续修读化学专业的学生要全部完成两个方向的课程。其他专业的学生根据自己以后的专业方向分别修读A或B类课程。
A类课程包括量子力学导论、分子谱学、对称与成键、分子能级与热力学、电子结构与固体性质，B类课程包括重要有机反应、结构解析、配位化学、金属有机化学、无机环化学、形状与有机活性、化学生物学导论。对应于A类与B类课程，学生要求每周参加一次或两次实验，实验成绩计入相应课程最终成绩。
第三学年开始时，化学系开设学生化学生涯指导讲座。大三学年学习模块II课程，是在模块I学习的基础上，扩展与深化对化学知识的认知。模块II课程又分为三个层次。第一层次包括5门课程，每门课程1学分。其中，4门为必修课，包括无机化学I：结构与成键、有机合成基础、高分辨分子光谱、理论技术，另外一门课程物理化学中的概念为选修课。第二层次有8门课程，包括无机化学II：过渡金属与金属有机催化、结构与性能、化学生物学I：生物催化、化学中的衍射方法、材料化学、统计力学、对称与微扰理论、有机机理研究。第三层次有7门课程，包括：无机化学III：表征方法、有机化学中的控制、大气化学、高分子导论、电子结构、化学生物学III：核酸、核磁共振中的物理基础。
大三的实验课程包括两个部分：一是现代合成化学中的技术，主要是无机及有机化合物的制备与合成;二是与物理及理论化学有关的实验与计算。两部分实验均为必修。
在大三结束时，学校筛选能进入第四学年学习的学生。第四学年主要包括课程模块III的学习和课题研究。在学期开始时，学生接受实验安全教育及生涯规划指导。模块III课程包括18门化学课程以及3门其他院系课程(篇幅关系，文中不再列出这些课程名称)，要求学生根据兴趣选修8门以上课程。
三、对两校化学专业课程体系共性和差异性分析
从以上对伯克利和剑桥大学这两所具有代表性的研究型大学化学专业课程体系的分析，可以看出以下共性：
(1)课程内容层次和梯度明显。伯克利化学系对本科生实行分阶段培养。课程设置分低年级课程和高年级课程。针对专业基础不同的学生，部分课程设置了引导性或难度较低的课程。如大一年级学生可以先修读层次较低的大学化学、大学化学实验这两门课程，再修读必修的大学化学和定量分析这门课。而剑桥大学的化学专业课程则更多地从学科认知规律来体现课程内容的层次性，学生根据自身发展，也可以选择不同的课程模块。
(2)课程设置具有广泛性和多样性。伯克利基本采用化学四大基础课的模式，但本专业和跨专业选修课程非常丰富，涉及很多相关学科分支，这与化学系对专业人才的培养定位有关，即“化学专业毕业生可从事石油、化工、食品、农业、摄影、制药、生物科技及矿业等相关行业的研发，或者化工贸易、质量控制以及行政管理等工作”。伯克利化学专业学生还可以选修本专业研究生课程。剑桥大学的专业课程体系中，前沿性选修课程多，能让学生充分了解学科前沿。比如大四课程模块III的蛋白质折叠、错误折叠与疾病、磁性材料、化学生物学与药物发现、固体电极等课程，本身已经具有研究生课程的专业性和深度。
(3)设置导学课程。伯克利和剑桥大学都有针对本专业的引导性课程，如伯克利大一新生需要修读的导学课，主要包括面向新生讲解化学系各个课题组的研究工作、学院的图书馆、计算机设备、校友和高年级学生的经验交流，以及学校和学院的资源介绍等。而剑桥大学在大三和大四学期初均设置了生涯指导讲座以及安全教育。这类课程的设置能够更好地帮助学生学习与成长。
(4)重视实验教学。伯克利和剑桥大学除了专门的实验课外，很多课程都有相应的实验内容，并且内容与理论课程基本同步。
两校课程的主要差别在于：
(1)授课时段安排不同。剑桥大学化学专业基础课程不采用平行授课方式，不是从学期的第一周持续到最后一周，而是采取集中连续授课。比如用3周时间集中把A课程讲完，然后再讲授B课程。这种模式的优点是，能够使学生在短时间内集中在1～2个知识模块上学习，课后查阅大量的参考书与文献，对知识的理解更深入。而伯克利则采用的是比较常用的模式，即一门课程贯穿整个学期。
(2)课程内容构建思路有区别。伯克利的化学课程，特别是专业必修课和国内大多数研究型高校的化学专业设置基本相同，是基于二级学科内容划分的传统模式。而剑桥大学的课程设置抛弃了传统的四大化学课程模式，改为按照知识结构和学科认知规律来设置课程，避免了知识点的重复讲授。
四、南京大学化学专业课程体系改革的知与行
对照伯克利和剑桥大学等国外著名研究型大学的化学专业课程体系，我国高校传统的化学专业课程体系存在明显的不足，无法满足科学发展、国家战略以及社会产业对多元化创新型化学人才的需求，具体问题包括：(1)现有课程体系缺少导学与衔接课程，缺少对专业的兴趣培养与认知，造成新生存在较长时间的迷茫期。(2)按传统四大化学设置专业核心课程，部分知识点讲授重复较多，学科前沿内容体现不均衡。(3)在传统课程体系中，交叉课程少，对学生交叉类学科的培养措施不到位。(4)对化学产业人才培养不重视，有关产业素养培养的课程缺失。
针对以上问题，我们对专业课程体系进行了补充和优化。为大一新生设置了衔接课程，开设新生导学课，以解答学生关于化学“学什么，怎么学，去哪儿”等疑惑。为了激发学生对化学的兴趣，开阔学生知识视野，我们围绕不同主题开设了7门新生研讨课：化学与生命、化学与材料、能源与化学、化学与环境、大分子：从材料到生命、原子与分子的量子世界、高分子材料与社会发展等。
专业核心课程涵盖化学科学的基本及核心的理论内容和技能训练，是化学专业学生准出课程的主要组成部分。南京大学化学专业学生通过自主招生及高考两种模式选拔录取，这两类学生的化学知识基础差异明显。对此，我们构建并实施了因材施教的两种核心课程体系。
一是普通核心课程体系。主要针对无化学竞赛经历和专业基础的学生。我们按照从微观到宏观的思路进行了优化，并对课程内容进行调整与更新。主要是：合并无机化学与化学分析内容，设立大学化学课程;结构化学由大三调整到大二开设;增设高分子导论核心课程，形成以大学化学、结构化学、有机化学、物理化学、仪器分析、高分子导论为骨架的核心理论课程体系。
二是针对学科特长生的课程体系。自主招生选拔的学科特长生通常具有较好的无机及有机化学基础。针对这一特点，我们对核心课程进行了调整：融合无机化学与基础物理化学知识，构建了一门全新的化学原理课程;压缩了有机化学授课学时;将结构化学、结晶化学、高阶物理化学内容整合为高等物理化学。通过数理课程学习内容的强化、化学核心专业课程的整合与提升，使学生具有宽厚的数、理、化、生等理科基础，学科视野开阔，专业知识扎实，为在化学以及相关交叉学科领域的发展打下良好的基础。
同时，我们构建并实施了“基础一综合一研究”一体化、多层次、开放式的实验教学新体系，并对相应实验教学内容进行了改革。主要是合并“无机化学实验”和“定量分析化学实验”为“大学化学实验”;取消无机化学、分析化学、有机化学、物理化学和高分子专门化实验，在化学一级学科层面上开设综合化学实验课程，将科研成果及时转化为教学实验，形成了大学化学实验、有机化学实验、仪器分析实验、物理化学实验、综合化学实验这一新的实验教学课程体系：
为满足多元化人才培养需求，我们构建了多元选修课程体系：
(1)专业选修课。我们按科学知识单元组织课程，构建了知识体系完整、前沿性强的专业选修课体系，包括高等无机化学、有机合成、谱学基础、近代仪器分析法、高分子化学、化工原理、计算机与化学、化学文献、结晶化学、配位化学、催化化学、现代材料化学基础、分离科学、波谱分析、等离子化学、高分子物理及物化、胶体与界面化学、高分子材料制备等。另外，我们委托生命科学学院开设了生物化学、分子生物学等课程;选择环境化学、材料加工、药物化学、能源化学、地球化学等相关院系课程为跨院系选修课。
(2)高年级研讨课和研究生课程。高年级研讨课包括化学与纳米材料、先进高分子材料、分子识别与分析、无机交叉领域的前沿发展、有机化学现代进展。另外，我们对本科生开放了部分研究生课程，包括配位磁化学、高分子结构研究法、电分析化学基础、高等有机化学、计算量子化学等。这些课程使本科生能系统了解学科前沿领域，让学生了解并思考科学问题的发掘与解决过程，培养学生的创新意识与能力。
(3)化学产业类课程。针对化学行业对人才培养的需求，我们开设了化学化工行业就业创业指导、化学安全与防护、精细化学品开发与商业化、现代实验测试技术等与企业管理、市场需求、安全生产、环境保护、质量认证等课程。我们聘请企业专家、政府管理人员以及外校师资为学生授课，以体现行业要素，培养学生产业素养和创业能力。
篇10
【关键词】数学教育；科学和谐；人文和谐
【中图分类号】G648.6【文章标识码】A 【文章编号】1326-3587（2011）11-0001-04
当构建和谐社会成为党的执政理念，当自主创新能力被视为国家的核心竞争力时，高等教育更是多了一份责任和关注。和谐社会是由和谐发展的人而组成，如果说人是和谐社会的最后目的，教育的作用是为实现这一目标的过程，那么，数学教育的谐和作用则在于通过教育对象数学素养的培养和对内外在诸因素协调平衡能力综合素质的提高，促进人的和谐发展及创造力的最大发挥，促使社会的和谐发展。
一、数学教育的剖析
数学教育包括着不可分割的两个方面：数学和教育。恩格斯曾提出，数学是关于现实世界空间形式和数量关系的科学。数学看成是一种知识体系，是经过严密的逻辑推理而形成的系统化的理论知识总和。随着人类社会的不断发展与进步，人们对数学本质特征的认识在不断变化和深化，一些专家、学者从不同角度、不同层面为当代数学下定义，认为：数学是一门演绎的科学；数学是一门演算的科学；数学是一门艺术；数学是一种文化；数学是一种语言等等。无论是作为一门科学的数学，还是作为一种文化的数学，它对社会和人的和谐发展起多方面的作用。
教育是培养人的一种社会活动，它同社会的发展、人的发展有着密切的联系。其本质就是帮助人的自我完善和促进人的全面发展。从广义上说，凡是增进人们的知识和技能、影响人们的思想品德的活动，都是教育。狭义的教育，主要指学校教育，是教育者根据一定社会(或阶级)的要求，有目的、有计划、有组织地对受教育者的身心施以影响，把他们培养成为一定社会(或阶级)所需要的人的活动。
数学教育是把数学和教育联系起来的一门学科。是教育的一部分，是在一定的价值观念指导下，利用数学科学文化知识作为基本内容，有计划有目的地进行培养人的一种社会实践活动，数学教育一方面促进社会的发展，另一方面促进人的全面和谐持续的发展。它应当是文化属性、社会属性和人本属性的辩证统一。它具有科学教育功能和文化教育功能。因此数学教育要体现科学和谐和人文和谐。社会的和谐发展需要人才，需要数学人才，这是有目共睹的。这不仅因为数学人才本身蕴含着宝贵的数学精神、科学素养，在逻辑推理、抽象思维能力和创新能力上有较大的优势。而且因为许多领域的研究和开发也需要越来越多的专门的数学知识。同时数学无处不在，与人类的生存和生活息息相关。
二、数学素养培养的科学和谐
在和谐社会科学模式中，科学技术和谐是基础，科学技术的飞速发展，对公民的科学素养提出了更高的要求，而当代社会科学向数学化、定量化方向发展的趋势，使得数学素养成为公民基本素养不可或缺的重要部分。那么，数学教育的作用在于通过思维的训练、思想方法的渗透、科技能力的提高而促进受教育者和社会的协调发展。数学素养培养的科学和谐不仅包括数学基础知识、数学技能与数学能力的和谐，而且包括数学的科学价值、思维价值与应用价值的和谐。
1、数学素养培养的三基和谐。
法国军事家拿破仑说，数学的发展和完善与国家的繁荣富强紧密相关。21世纪的社会是学习化社会，要适应社会的需求，首先要提高学生的基础学力，在数学教育上，就是掌握基本数学知识、基本技能，培养基本的数学能力和素养，尤其是创新精神和实践能力的培养。数学知识是数学科学的最基本的内容，主要包括数学概念、符号、公式、定律、法则、性质、定理等，包括常用的数学方法和数学思想。在进行基础知识教学中，既要注意知识整体的内部联系，又要注意知识形成过程的再现。基本的数学技能包括：阅读与语言运用技能、数学推理技能、计算技能、识图与作图技能、变换技能、数学建模技能等。数学教育过去一直重视运算能力、逻辑思维能力、空间想象能力等三大基本能力。随着时代的发展，现代社会要求公民具有的数学素养使数学能力具有更丰富的内涵：实验观察、信息获取、数据处理、模式抽象、合情推理、预测猜想、逻辑证明、探究创造等。
2、数学素养培养的价值和谐。
数学是科学的工具，培根说过数学是打开科学大门的钥匙。科学史表明，一些划时代的科学理论成就的出现，无不借助于数学的力量。早在古希腊，毕达哥拉斯学派就把数看作万物之源。庞加莱说过：“没有数学这门语言，事物间大多数密切关系将永远不会被我们发现；我们也无从发现世界内部的和谐，而这种和谐正是唯一真正的客观现实。”
“数学是人类思维的体操”，这句话一直被人们奉为经典。这种体操训练，确实能增强思维本领，提高科学抽象能力、逻辑推理能力和辩证思维能力。这样，思维方法的学习就应该看成是数学教育的重要目标，“以问题解决为数学教育中心”主要地就是指应当帮助学生学会“数学地思维”。今天人们越来越深切的感受到，数学本身就是作为人类的一种思维方式而存在并发展的。人类之所以离不开这种思维方式，在于它独特的特征。数学的论证推理和合情推理，使人的思维逻辑性、灵活性、严谨性和完整性得到训练，通过观察、实验、归纳、模拟、猜想、验证等教育活动对人的思维能力与创造能力进行了全方位培养。数学题形形、千变万化，但万变中、又有规律，这使学生能透过现象看本质，思考问题能不过多地受思维定势的影响，不局限于单一的、旧的模式，表面形式或传统的思维轨道，这就是思维的灵活性。数学中，考虑问题严密有据，问题的解决允许运用直观的方法，但不停留在直观的认识水平上；运用合情推理，但要加以逻辑论证；公式定理的运用强调成立的条件；以及正确地使用概念，完整地解答问题等等，这些都体现出思维的严谨性。思维的完整性表现为考虑问题全面、周到、无懈可击等。数学并非是对客观对象量性规律的直接研究，而是包括了对于研究对象的重新建构，这种建构活动表现为一种“思维的自由想象与创造”，这就赋予了数学思维更多的功能，一方面，数学思维的自由性使得数学思维能增长人的创造才能，在创造性的解决问题方面发挥它的威力；另一方面，非逻辑的数学思维一想象的、直觉的、甚至是审美的数学思维，又使得数学在解决问题上具有一种独特的魅力。学生具备了数学思维这种数学素养，一方面可以更好地学好数学，另一方面搜集和处理信息的能力、获取知识的能力、分析和解决问题的能力、交流与合作的能力、创新能力等各种能力得到提高，在以后的日常生活、工作或研究中会大大提高工作效率、水平。因此数学教育在锻炼思维、启迪智慧，尤其是培养人的理性思维和理性精神上有着其他学科所不能替代的作用。
在社会科学发展的进程中，随着计算机科学的迅猛发展，数学兼有了科学与技术的双重身份，现代科学技术越来越表现为一种数学技术。数字技术借助于电子计算机，几乎把数学及其应用推向一切领域。当代科学技术的突出特点是定量化、数字化，而定量化、数字化的标志就是运用数学思想和方法。社会日益科学化、科学日益数学化，高技术的高精度、高速度、高自动、高质量、高效率等特 点，无一不是通过数学模型和数学方法并借助计算机的控制来实现的。数学在自然科学领域的作用是众所周知的。例如，应用牛顿定律和高速计算机，天文学家们已经预测了太阳系在未来2亿年内的运动情形。相对论和量子力学是现代物理学的核心领域，它们的建立与发展都与数学有密切关系。20世纪以来，数学不仅已经成为化学领域不可缺少的工具，对分子对称性的研究，对分子振动的研究，对晶体结构的研究等，都使用了群论方法。而且由于数学与化学的结合，产生了许多交叉学科，如数理化学、化学动力学、量子化学、分子拓扑学、计算机化学等。19世纪后期，恩格斯曾指出，数学在生物学中的应用等于零。20世纪以来，数学几乎触及到生物学的每个领域。生物统计学、生物微分方程、生态系统分析、生物控制、运筹对策等数学理论和方法广泛用于生物科学研究；而且产生了如数学生态学、数量生理学、数量遗传学、数量分类学、数量生物经济学、传染病动力学、数理医药学、分子动力学、细胞动力学、人口动力学等许多生物学分支。另外在医学中神经科学的数学模拟进行计算机数值诊断，即利用数学的信息理论、数据处理技术以及电子计算机这个强有力的工具，对病患者的症状表现和各种化验和检验指标进行数学加工分析，作出疾病的定量诊断结果。
在信息时代数学在社会科学领域的作用越来越明显。现代军事科学研究中广泛应用了数学中的蒙特卡罗方法。在当今的军事理论和国防战略研究中，使用了许多复杂的现代数学理论与方法，形成了数理战术学。另外波音777型新一代飞机是“百分之百数学化设计”。还有研究地理的分形地貌学、“数字地球”的产生都离不开数学。许多西方学者运用系统分析方法或结构功能分析方法研究各种政治系统，寻求合理的民主控制方法、建立有效的政治协商机制，这本质上是一个纯数学问题。在当代管理科学中，正越来越多地使用运筹学等各种数学方法进行决策优化。在历史科学领域，数学方法的运用导致了计量史学的诞生，为历史研究开辟了新领域。数学和语言学的结合，形成了数理语言学。20世纪40年代初，美籍乌克兰作曲家希林格（1895―1948）在音乐理论上提出了一套新的创作原则。可以用各种数学符号、方程或图式、表格来进行创作，将音高、时值、力度、速度、音色等方面都纳入数学计算的体系中，形成了数学作曲体系。随着计算机技术的发展，计算机音响技术应运而生。20世纪，西方出现了一系列深受数学思想方法影响的美术流派。M.C.埃舍尔（Escher，1898―1973）是当代杰出画家，他的一系列富有智慧的作品体现了奇妙的悖论、错觉或者双重含义。如今普遍使用的三维电脑动画，其理论基础首先是数学。数学中的分形理论与方法不仅使计算机完成的作品可以极为逼真地再现现实世界的各种景象，而且可以容易地构造出各种令人叹为观止的精彩构图。在计算机图形学的基础上发展出虚拟现实技术，它可以使人们对虚拟世界产生真实的感受。
在传统的社会科学领域中，经济学是最成功地实现数学化的学科，成就令人瞩目。自1969年设立诺贝尔经济学奖以来，超过2/3的获奖者是由于在经济学领域运用数学方法获得重大突破而获奖的。微积分学、集合论、拓扑学、实凸分析以及概率论，在研究和表达经济理论方面都起了重要的作用。很多数学家惊讶地发现，极其抽象的拓扑学最有用的地方竟是在经济学领域。数学在经济学中的应用，产生了数理经济学、经济计量学、经济控制论、经济预测、经济信息等分支的数量经济学科群。活跃在我们身边的一系列经济活动如成本、利润、投入、产出、贷款、保险、股票、债券、效益、节场预测、风险评估等都与数学紧密相关。以致一些西方学者认为：当代的经济学实际上已成为应用数学的一个分支。
三、数学教育的人文和谐
在和谐社会文化模式中，人格和谐是基础，个人潜能自由充分的发展和创造力的最大限度实现是其深层意蕴。从心理学层面考察，人格是个体心理特质和性格特点的总和，是“个体在对人、对自然、对社会及对一切环境中的事物适应时所显示异别于他人的性格而显示的心理特征”。如果将“和谐人格”理解为人的感性、理性与非理性等要素所达到和谐统一的境界，那么，数学教育的作用在于通过数学理性精神的培养而促进受教育者形成和谐的数学文化素质，养成和谐的健康人格，进而促进人全面和谐持续的发展。
1、数学文化素质的和谐。
数学不仅是科学，是技术，而且还是一种文化。数学教育在传授知识、培养能力的同时，要充分发挥其应有的文化价值，对学生进行数学的观点、信念和态度教育，渗透数学思想、数学方法、数学意识、数学精神，数学气质，把数学作为一种文化形态来对待，加强数学文化素质的和谐。
数学基本知识与数学思想方法是课堂教学内容的两个不可分割的有机组成部份。数学思想方法是解决数学问题的根本思想和手段，它是人们探索数学真理，求解数学问题的过程中逐步积累起来的，并蕴含于各个数学分支的公理、定理、公式、法则和解决问题的过程中，是人类宝贵的精神财富。数学思想方法产生数学知识，数学知识蕴含数学思想和方法，两者的联系是辩证的统一。数学思想方法能使学生领悟数学的真谛，懂得数学的价值，学会数学地思维，能把知识的学习、挤养能力和发展智力有机地统一起来。
数学意识是用数学思想方法考虑问题和处理问题的思维习惯，主要包括同化意识、转化意识、量化意识、反思意识、应用意识、创新意识等。
著名数学家、数学史家M.克莱因所说，“在最广泛意义上说，数学是一种精神，一种理性精神，正是这种精神，使得人类的思维得以运用到最完善的程度，亦正是这种精神，试图决定性地影响人类的物质、道德和社会生活;试图回答有关人类自身存在提出的问题;努力去理解和控制自然;尽力去探求和确立已经获得知识的最完美的内涵。”数学精神也表现在求真、创新、合作与独立思考精神。
2、人格的和谐。
第一，陶冶思想，使品质和谐。数学科学不仅教人以知识，授人以智慧，学习数学还能使人懂得怎样做人。数学教育具有重要的优化人的个体品质的价值，对大多数人来说这种隐性价值的影响更深入、更持久、更普遍。数学史涉及数学家、数学发现、数学方法等多方面的内容，都是进行爱国主义教育的生动素材。数学是辩证的辅助工具和表现形式，任何一个数学概念、判断都有自身的内在矛盾，都是运动、发展的，对立统一的，从量变到质变的，普遍联系的。通过数学教育使人能运用数学知识去看待世界、去认识自然，有助于学生逐步形成科学的世界观和方法论。数学是一门论证科学，崇尚实事求事的精神，尊重事实、以理服人；崇尚独立思考、追求真理。数学教育使他们养成实事求是积极创新不懈追求的科学态度。数学也是一门精确科学，在数学中，差一个符号、少一个标点，是不合逻辑的。粗枝大叶、敷衍塞责，都是与数学的严谨性格格不入的，虚伪更是与数学无缘。数学教育使人养成思路清晰、条理分明、落笔有据、言之有理的严谨品质，养成诚实认真、一丝不苟的作风和习惯。数学更是逻辑性很强的抽象科学。学习和钻研数学，必定会使人懂得脚踏实地的重要性。那种投机取巧、油腔滑调、不干实事的人是很难有所造诣的。
第二、净化心灵，使情感和谐。数学科学给人以美的熏陶，数学的研究对象是客观现实的空间形式和数量关系，是一门真真实实的科学，而真与美从来都是统一的，数学就是这样一门既美又真的科学，给人以一种美的感受和力量。正象英国数学家和哲学家罗素所说的，数学，如果正确地看它，不但拥有真理，而且拥有至高的美。数学是艺术，是美的化身。数学语言的简练，数学思维的灵巧，数与形的融合，数学图形的对称，无不展示了数学的美。数学教育正是通过展示数学的理论美、语言美、方法美、规律美、思维美，揭示其丰富的思维内涵和美学价值，使学生从中获得美的享受，塑造着人们的心灵，在美的欣赏中得到积极的情绪体验，产生热爱数学的情感，激发学习数学的情愫，激发创造性劳动的巨大力量。因此数学教育既能让学生体验数学中美的神韵，也能让学生的情操得到美的熏陶；既可以诱发出学生非智力因素，又可以诱发学生无限的创造力。
第三、塑造人格，使意志和谐。现代社会多变化、快节奏，要求人们要有乐观向上，积极进取的精神，能经受挫折，具有耐心与恒心等良好的心理素质。数学是发展的，其历程又是艰难曲折的。数学的抽象性使得数学问题的解决经常伴随着困难，数学的问题解决过程，是一个尝试失败、反思、否定、批判的探索过程，会使人体验挫折和失败。而这正是磨炼意志，提高耐挫力的时机。数学教育可以培养人坚韧不拔百折不挠的意志，勇于探索，敢于冒险的精神，可以循序渐进地培养学生的毅力、自尊心和自信心，塑造完整的人格。
人的和谐发展离不开数学教育，数学可以使人更富有，并且可以使人更聪明，更高尚。尤其是，现代社会的人，若不接受数学教育，则不可能成为一个完整的人。自古以来，凡是有所成就的人都要接受程度不同的数学教育；历数诺贝尔奖获得者，他们都有较高的数学造诣、数学修养和数学精神；特别是诺贝尔经济学奖获得者有一半以上都是数学家。另外数学成绩优秀、数学能力突出的学生，在其他学科的学习上也更容易出类拔萃；还有，在我们工作生活中，领导者、管理者等，如果他们对数学的理解和处理能力强，逻辑推理能力强，那么他们也容易大胆创新地开展工作。
四、如何实现数学教育的和谐作用
21世纪的数学教育从传统的、狭隘的数学教育现状的桎梏中解放出来，获得一种对自身的超越，这种超越体现了新时代数学教育的本质特征，也昭示了数学教育更为高远的价值取向：数学教育致力于人的全面、和谐、持续的发展。
1、建构正确的数学观和数学教育价值观。
数学教育为了实现人的和谐发展，相应的数学观和数学教育观念的变革是十分必要的。对数学学科性质重新定位是最基本的转变。单纯地把视数学为自然科学的典范，忽视数学的其它价值，就会造成数学教育的诸多负面影响。数学是人类的一种文化，它的内容、思想、方法和语言是现代文明的重要组成部分。树立新的数学教育理念、新的人才观，立足“全人”的教育。不仅要传授数学知识、训练技能，还要培养能力、发展智力，同时要发展良好的个性品质，智力与人格的全面协调发展。要培养学生良好的思想品德，正确的价值观、世界观、人生观，理性的思维，健康的个性，致力于人的自然性、社会性和自主性的和谐健康发展。
2、关注人的主体地位，加强人的自主发展。
要实现人的全面、和谐、持续的发展，得为人的自主发展创造条件，而人的自主发展是建立在人的主体性地位得到充分尊重的基础上的，长期以来我们对学生的主体性地位重视不够。常把学生作为教育的客体，忽视了学生主体性的培养和发展。正确处理好数学与人、教育者与受教育者的关系，加强学生在数学学习中的主体地位, 尊重学生的人格。在数学的规范性、严格性与学生的主体性之间寻找融合点，关注学生的兴趣与需要，促进学生自主发展，这是数学教育在新世纪发展的必然，也是数学教育实现人的发展的前提。
3、关注人的数学现实，加强数学学习兴趣的培养。
数学应该是属于所有人的，但是人与人之间的差别很大，每个人有不同的数学现实世界，不同的人需要不同的数学。因此数学教育应面向全体学生，因材施教，要从学生现实的认知特点、认知发展水平与需求出发，为不同的人提供数学修养，扩展每个人的“数学现实”。人人学有价值的数学，人人都能获得必需的数学，不同的人在数学上得到不同的提高和发展。不求人人高分，但求人人成功。加强数学化教学，建立数学是“源于生活、寓于生活、用于生活”的正确数学观。加强问题解决教学，从现实中的问题到数学问题，从具体问题到抽象问题，从特殊关系到一般规则，逐步让学生通过自己的发现去习得数学、获得新知。学生积极地投身问题情景问题模型的解决中，凸现问题解决的过程，促使他们在自主探索的过程中真正理解和掌握基本的数学知识技能、数学思想和方法，提高思维水平，培养创新能力。
4、关注人的情感体验，加强数学美育渗透。
每个人在社会生活中都有对成功的渴望和需求。成功会产生快乐的情绪，增强自信心和自我效能感。因此，数学教学中应注意尽可能给每个学生以成功的体验，培养学习数学的兴趣，兴趣与成功是联系在一起的。浓厚的兴趣又是与美感相联系的，数学是一门充满美的科学，在教学中充分挖掘数学的简洁美、对称美、和谐美、奇异美等，从美的角度去感悟数学，理解和变通数学知识，使学生在审美的愉悦中激起兴趣，产生丰富想象，陶冶情操。
5、关注人的右脑开发，加强数学思想方法的教学。
新的时代，数学教育的目的是数学素质的培养，核心是创新能力的培养。右脑具有形象性、非逻辑性，是灵感、直觉、想象等创造性思想火花闪现的地方。创造力培养的主要途径之一就是加强数学思想方法的教学。数学思想方法产生于数学知识，是对数学知识的本质认识，是从某些具体的数学内容和对数学的认识过程中提炼并形式化的数学观点。在传授数学知识的同时必须重视归纳、类比、联想等数学方法的训练，重视非形式化内容及数学思想实质的教学。注重逻辑训练和直觉训练的数学教育有利于创造性人才的培养，实现人的全面发展。数学思想方法比形式化的数学知识更为重要，正如日本数学教育家米山国藏所指出：“作为知识的数学，（学生）出校门不到两年就记忘了，惟有深刻铭记在头脑中的数学精神、数学思想、研究方法和着眼点等，这些却随时随地发生作用，使他们终生受益。” 因此成功的数学教育，应当是数学的精神、思想方法深深地永远地铭刻在学生的头脑里，长久地活跃于他们日常的工作生活中，使人受益终生。
【参考文献】
1、张春新，现代心理学[M]上海：上海人民出版社，1994-475
2、杨高全，数学教育与人的发展[J]湖南师范大学教育科学学报,2006(2)
3、张楚廷，数学文化[M]北京：高等教育出版社,1999
