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關(guān)鍵詞：人力資源；成本核算

Abstract: with the constant development of economy, the modern economic structure from production-oriented to science and technology service-oriented transformation has become a trend. This transformation makes human resource in enterprise production and management and the development of national economy has become more critical. In this paper, the author analyzes the human resources cost generation, form, valuation and how to effectively control and other aspects, has carried on the preliminary discussion.

Key words: human resource; cost accounting

中圖分類號(hào)：F562.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2104（2012）

隨著現(xiàn)在企業(yè)制度的建立，我國建立起新的會(huì)計(jì)制度，合理的界定人力資源成本范圍，規(guī)范企業(yè)人力資源成本列支制度，企業(yè)人力資源成本的管理進(jìn)入新的階段。

一、人力資源成本分析

1.1人力資源成本的基本理論

人力資源是指在一定區(qū)域內(nèi)的人口總體所具有的勞動(dòng)能力的總和，是存在于人的自然生命機(jī)體中的一種國民經(jīng)濟(jì)資源。企業(yè)為獲得人力資源和優(yōu)秀的人才，就需要很多的投資，這種投資在企業(yè)中就體現(xiàn)為人力資源成本。

1.2人力資源成本會(huì)計(jì)的特點(diǎn)

單獨(dú)計(jì)量人力資源的取得成本、開發(fā)成本、使用成本和替代成本，企業(yè)取得的人力資源的使用權(quán)，其運(yùn)用期限在一年或者超過一年的一個(gè)營業(yè)周期以上的，所發(fā)生的人力資源的取得成本和開發(fā)成本應(yīng)該視作資本性支出，在資本化處理后在確定的分?jǐn)偲谙迌?nèi)攤銷。企業(yè)聘用使用期限不超過一年的季節(jié)工等發(fā)生的取得成本和開發(fā)成本（這里的開發(fā)成本主要是組織進(jìn)行必要的上崗前的操作培訓(xùn)、學(xué)習(xí)所發(fā)生的支出）,其受益期為這些聘用的季節(jié)工、臨時(shí)工的使用期限，因此這部分取得成本和開發(fā)成本可在季節(jié)工、臨時(shí)工的使用期限內(nèi)分期攤銷， 如果金額小，也可以在發(fā)生時(shí)直接計(jì)入當(dāng)期費(fèi)用，企業(yè)運(yùn)用人力資源的使用權(quán)時(shí)，所發(fā)生的工資、獎(jiǎng)金等支出，則屬于收益性支出，應(yīng)計(jì)入當(dāng)期費(fèi)用。

1.3 人力資源成本會(huì)計(jì)的構(gòu)成

1.3.1取得成本

1）招募成本

招募成本主要是為確定企業(yè)所需要的人力資源的內(nèi)外來源，企業(yè)對(duì)人力資源需求的信息，吸收所需要的內(nèi)外人力資源所發(fā)生的費(fèi)用。

2）選拔成本

選拔成本是企業(yè)對(duì)應(yīng)聘人員進(jìn)行挑選、評(píng)價(jià)、考核等活動(dòng)所發(fā)生的成本。他通過初步面試或處理應(yīng)聘人的申請(qǐng)材料進(jìn)行初選費(fèi)用。

3）錄用成本

錄用成本是企業(yè)從應(yīng)聘人員中選拔出合格者后，將其正式錄用為企業(yè)的成員的過程中所發(fā)生的費(fèi)用。

4）安置成本

安置成本是企業(yè)將所錄用人員安排到確定的崗位上是所發(fā)生的各種費(fèi)用。

1.3.2開發(fā)成本

1）定向成本

定向成本也稱為崗前培訓(xùn)成本，是企業(yè)對(duì)上崗前的職工進(jìn)行的有關(guān)企業(yè)歷史文化、規(guī)章制度、業(yè)務(wù)知識(shí)、業(yè)務(wù)技能等方面的教育是時(shí)所發(fā)生的支出。

2）在職培訓(xùn)費(fèi)

在職培訓(xùn)成本是在不脫離工作崗位的情況下對(duì)在職員工進(jìn)行培訓(xùn)所發(fā)生的費(fèi)用。

3）脫產(chǎn)培訓(xùn)成本

脫產(chǎn)培訓(xùn)成本是企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)和工作的需要對(duì)在職職工進(jìn)行脫產(chǎn)培訓(xùn)時(shí)所發(fā)生的支出。

1.3.3使用成本

1） 維持成本

維持成本是為保證人力資源維持其勞動(dòng)力生產(chǎn)和在生產(chǎn)所需的費(fèi)用， 包括職工的計(jì)時(shí)工資或計(jì)件工資、各種勞動(dòng)津貼和各種福利費(fèi)用。

2）獎(jiǎng)勵(lì)成本

獎(jiǎng)勵(lì)成本是企業(yè)為激勵(lì)職工使其更好的發(fā)揮主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，而對(duì)職工做出的特別貢獻(xiàn)所支付的獎(jiǎng)金，它是對(duì)人力資源主體所擁有的能力的超長發(fā)揮做出的補(bǔ)償。

3）調(diào)劑成本

調(diào)劑成本是全企業(yè)為了調(diào)劑職工的生活和工作，滿足職工精神生活上的需求，穩(wěn)定職工隊(duì)伍并進(jìn)而影響和吸引外部人員進(jìn)入所發(fā)生的費(fèi)用支出。

4）替代成本

替代成本是指目前重置人力資源應(yīng)該做出的犧牲，他包括為取得或開發(fā)替代者而發(fā)生的成本。

二、人力資源成本會(huì)計(jì)核算與計(jì)量的必要性

首先,人資管理可以調(diào)節(jié)社會(huì)資源。如同調(diào)節(jié)一個(gè)組織的資源一樣人資管理除了可以調(diào)配社會(huì)成員的位置和流動(dòng)方向以外,對(duì)于資源和支出也地有著很直接的調(diào)節(jié)作用,實(shí)際上,人資管理最根本的目的就是要實(shí)現(xiàn)人力資源的最大使用價(jià)值, 而這一點(diǎn)從很大意義上節(jié)約了社會(huì)資源,也使得社會(huì)資源能夠得到合理地分配。

其次，人資管理可以提高整體國民素質(zhì)。國民素質(zhì)是綜合國力中一個(gè)很重要的指標(biāo)。人資管理正好可以針對(duì)國民進(jìn)行培養(yǎng)和分流, 很大程度上避免了良莠不齊的狀況出現(xiàn)可以讓國民整體素質(zhì)有穩(wěn)步地提高。也能夠在抓住整體實(shí)力的基礎(chǔ)上選拔出高端人才,很好地分配他們的位置,為國家的尖端科技工作提供穩(wěn)定保障。

人力資源管理的影響：

2.1 我國建立人力資源會(huì)計(jì)的必要性

世界高新技術(shù)革命的浪潮，已經(jīng)把世界經(jīng)濟(jì)的競爭從物質(zhì)資源競爭推向人力資源的競爭，對(duì)人力資源的開發(fā)、利用和管理將是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素。此過程中所需的大量人力資源信息，必然離不開人力資源會(huì)計(jì)。我國人口眾多，而人口素質(zhì)相對(duì)較差，推行人力資源會(huì)計(jì)更具有必要性。

1）獲取企業(yè)信息的需要

科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，推動(dòng)著生產(chǎn)力的快速發(fā)展。經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平越高，人力資源在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用也越大，人才成為經(jīng)濟(jì)資源中最重要的因素，是企業(yè)財(cái)富的真正象征和源泉。 因此，將人力資源作為企業(yè)的資產(chǎn)，運(yùn)用會(huì)計(jì)的方法對(duì)其加以確認(rèn)、計(jì)量和報(bào)告，以滿足企業(yè)管理者和企業(yè)外部有關(guān)人士對(duì)企業(yè)信息的需求成為時(shí)代的必然要求。

2）優(yōu)化人力資源配置的需要

市場經(jīng)濟(jì)體制的不斷完善，使人力資源有更多的經(jīng)濟(jì)特征，要求確認(rèn)人力資源的成本和價(jià)值，促進(jìn)人力資源的供求平衡，確定人力資源開發(fā)方向，引導(dǎo)人力資源合理流動(dòng)，在宏觀上優(yōu)化人力資源的配制。

2.2 人力資源會(huì)計(jì)核算與計(jì)量對(duì)于個(gè)人的必要性

1)首先,人資管理可以幫助培養(yǎng)個(gè)人的最大實(shí)力。人資管理的宗旨里有一條,就是要讓組織中的每個(gè)成員都可以盡可能發(fā)揮出自己最大的實(shí)力,為組織奉獻(xiàn)出自己所有的力量。人資管理還可以通過環(huán)境影響和針對(duì)性培訓(xùn)來對(duì)成員進(jìn)行培訓(xùn),從而培養(yǎng)每個(gè)人最適合自己的能力。

2)人資管理還可以幫助發(fā)揮每個(gè)成員的最大潛力，讓每個(gè)人都在組織有條理的幫助和自身不斷地學(xué)習(xí)下發(fā)揮出所有自身潛藏的實(shí)力。

3)人資管理還可以幫助每個(gè)人都找到自己的適合位置。有個(gè)別成員,他自身的能力也許很強(qiáng),潛能也不可估量,但不適合他的地方,必然會(huì)使他沒有辦法發(fā)揮出自己所有實(shí)力,影響了他為組織做事和奉獻(xiàn)自己力量的積極性。

2.3 成本會(huì)計(jì)核算與計(jì)量對(duì)于組織的必要性

在企業(yè)文化建設(shè)和制度管理辦法中，能夠有效地開發(fā)其他的人才資源,才能夠使組織達(dá)到價(jià)值的實(shí)現(xiàn)。 所以說,人資管理的理念對(duì)于一個(gè)無論是什么性質(zhì)的組織來說,都有舉足輕重的作用。

1）通過人資管理,可以提高組織成員積極性和企業(yè)凝聚力。人資管理可以用一系列心理學(xué)和管理學(xué)的方法提高人員積極性和成員之間團(tuán)結(jié)凝聚力。顯然,這對(duì)于組織來說是必不可少的。

2）人資管理還可以提高組織行事的高效性。從人資管理影響人員調(diào)配這一點(diǎn)體現(xiàn)出來,可以達(dá)到事半功倍的效果,因此可以說,人資管理可以大大縮短工作時(shí)間,提高工作的效率。

3）人資管理還可以降低組織支出的浪費(fèi)率。在一個(gè)企業(yè)中,很大一部分支出就是員工的工資和獎(jiǎng)金支出,那么支出多少,在如何支出的情況下能夠最大程度激發(fā)員工的工作積極性, 這些都是人資管理要思考的問題,這些問題的考慮在無形中就大大節(jié)約了組織的成本。

三、企業(yè)人力資源成本核算與計(jì)量的現(xiàn)狀與存在問題

人力資源管理是指組織的一項(xiàng)基本管理職能，他是以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、工作生活質(zhì)量和取得經(jīng)濟(jì)效益為目的的，而對(duì)人力資源進(jìn)行獲取、整合、保持和激勵(lì)、控制與調(diào)整、開發(fā)等一系列的管理過程。企業(yè)的重大決策權(quán)集中在政府行政部門，企業(yè)在機(jī)構(gòu)設(shè)置、干部任免、 職工進(jìn)出、工資標(biāo)準(zhǔn)等方面自不夠，更多的人動(dòng)是因?yàn)槠髽I(yè)制度存在問題。建立在不穩(wěn)固基礎(chǔ)上的企業(yè)制度是“豆腐渣”，容易動(dòng)搖人事基礎(chǔ)，主要表現(xiàn)為：

第一，人事規(guī)劃戰(zhàn)略定位不明。我國的專業(yè)技術(shù)人員普遍存在知識(shí)老化，缺乏創(chuàng)新意識(shí)和思維；高級(jí)管理人才和高新技術(shù)人才嚴(yán)重短缺；對(duì)人力資源的資本投資低于世界平均水平等等，這些都使得我國人力資源的開發(fā)迫在眉睫。

第二，組織結(jié)構(gòu)紊亂。企業(yè)結(jié)構(gòu)不能配合企業(yè)戰(zhàn)略的實(shí)施， 更加造成人力資源的浪費(fèi)， 使企業(yè)難以整合和提升企業(yè)內(nèi)部的人力資源。

第三，工作流程松散。工作流程與部門之間聯(lián)系松散，職能重疊，缺乏信息共享機(jī)制， 無法為企業(yè)創(chuàng)造附加值，從而引發(fā)人事危機(jī)或給企業(yè)造成重大損失。

第四，激勵(lì)機(jī)制缺乏。缺乏有效的績效評(píng)估制度、薪酬體系、員工福利制度等激勵(lì)機(jī)制，以致使人才的成長落后于企業(yè)的發(fā)展。新經(jīng)濟(jì)時(shí)代的最大特點(diǎn)是人的價(jià)值被認(rèn)可，“人本觀念”已深入到企業(yè)經(jīng)營的各個(gè)方面，這使得人事制度的建立和人事的選擇都成為企業(yè)經(jīng)營的重要一環(huán)，慎重的選擇、任用，是雙方面適應(yīng)的結(jié)果。

四、結(jié)語

總而言之，人力資源是最珍貴的,也是現(xiàn)代管理學(xué)的核心內(nèi)容,因此,不斷地提高和開發(fā)人資管理水平,不僅僅是各種企業(yè)能夠發(fā)展壯大,各個(gè)組織能夠提高自身市場競爭力的重要途徑,也是每個(gè)組織成員能夠發(fā)揮自身實(shí)力不可忽視的方式,同時(shí),人資管理還是各個(gè)單位,各個(gè)地區(qū),我們整個(gè)民族,社會(huì)乃至國家能夠長期繁榮昌盛的有利保證。

參考文獻(xiàn)

［1］馬武鑫，“人力資源的價(jià)值和報(bào)告理論討論”，《上海會(huì)計(jì)》，2003年第 2 期

篇2

量子力學(xué)的成功和困惑

用宏觀物理學(xué)的方法研究原子的性質(zhì)及其相互作用時(shí)，只能通過測量微觀量的平均值，大平均過程掩蓋了原子水平上的重要效應(yīng)。操控單個(gè)微觀粒子，研究單個(gè)粒子的行為和性質(zhì)以及少數(shù)粒子的相互作用，一直是就是物理學(xué)家夢寐以求的事。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，控制單個(gè)微觀粒子的愿望成為可能。特別是1960年激光的發(fā)明和在這以后激光技術(shù)的發(fā)展，可以隨我們所需改變激光的頻率，控制激光束的延續(xù)時(shí)間并使激光束聚焦到一個(gè)原子大小的范圍。從這以后，實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法有了極大的發(fā)展，利用激光可以使原子或離子冷卻到接近絕對(duì)零度，就是使它們的運(yùn)動(dòng)速度減到非常小，直至幾乎停止。還實(shí)現(xiàn)了利用特殊的電磁場來陷俘單個(gè)原子或離子。物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展使研究單個(gè)或少數(shù)幾個(gè)粒子的性質(zhì)、深入研究光子和物質(zhì)粒子的相互作用有了可能。這不僅打開了高科技應(yīng)用的廣闊前景，還為證實(shí)和發(fā)展量子物理學(xué)的基本原理提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

量子力學(xué)已有100多年歷史，量子力學(xué)理論取得了輝煌的成功?，F(xiàn)代的高科技產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)芯片、激光、醫(yī)用磁共振等等無不是在量子力學(xué)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。量子力學(xué)被認(rèn)為是最精確、最成功的物理理論，可是人們對(duì)量子力學(xué)的基本原理始終存在著疑問，那些創(chuàng)立量子力學(xué)的物理大師們自己都不滿意量子力學(xué)的基本假設(shè)。在這些大師之間以及他們的后繼者中，關(guān)于量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)是否完善的問題爭論不休，新的解釋層出不窮，至今還沒有得出令人滿意的結(jié)論。

量子力學(xué)描寫微觀世界的規(guī)律，但人類的直接經(jīng)驗(yàn)都是關(guān)于宏觀世界的。我們的測量儀器以及人類感官本身都是宏觀物體，儀器測量到的和我們直接感知的都是大量原子組成的宏觀物體。在經(jīng)典物理學(xué)中，觀察不影響被觀察對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，例如，我們能夠觀察一個(gè)行星的運(yùn)動(dòng)，追隨它的運(yùn)動(dòng)軌跡，行星的狀態(tài)變化與觀察者無關(guān)，不受我們觀察的影響?？墒?，對(duì)微觀世界的觀察就完全不是這樣，當(dāng)我們研究一個(gè)量子體系時(shí)，經(jīng)過測量后的量子體系原來的狀態(tài)總是被破壞了。例如，光子進(jìn)入光電探測器后，光子就被吸收；電子被探測器件接收后，該電子原來的狀態(tài)就改變了。宏觀儀器對(duì)量子系統(tǒng)測量的結(jié)果，都必須轉(zhuǎn)換為經(jīng)典物理學(xué)的語言。要直接觀察并且非破壞性（non-demolition）地測量量子體系的量子性質(zhì)是難以做到的事情，所以，量子力學(xué)所預(yù)言的量子世界的奇特性質(zhì)一直令物理學(xué)家和公眾感到神秘難解。

2012年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者和他們的同事們的工作，突破了經(jīng)典物理學(xué)實(shí)驗(yàn)和人類直接經(jīng)驗(yàn)的限制，他們直接觀察到了個(gè)別粒子的量子行為。瓦因蘭德小組做的是在電場中陷俘離子，用光子對(duì)它做非破壞性的操控。阿羅什小組是在空腔中陷俘單個(gè)光子，用原子進(jìn)行非破壞性的測量。他們異曲同工，都對(duì)單個(gè)量子粒子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，研究量子力學(xué)的基本原理。這些研究不僅對(duì)量子理論的基本原理的進(jìn)一步闡明有重要意義，并且有廣闊的應(yīng)用前景。

阿羅什：把光子囚禁起來

阿羅什畢業(yè)于法國高等師范學(xué)校。1971年他在巴黎第六大學(xué)獲得博士學(xué)位，導(dǎo)師是柯亨-塔諾季（Claude Cohen-Tannoudji），1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。從20世紀(jì)60年代開始阿羅什就在法國高等師范學(xué)校物理系的卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室（Kastler-Brossel Laboratory）工作。該實(shí)驗(yàn)室是以獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的阿爾夫萊德?卡斯特勒（Alfred Kastler）的名字命名的。1972～1973年，阿羅什曾到美國斯坦福大學(xué)，在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者肖洛的實(shí)驗(yàn)室中工作。

阿羅什說，他們的成功主要得益于卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室特有的學(xué)術(shù)環(huán)境和物質(zhì)條件。他們組成了極其出色的研究小組，并且將共同積累的知識(shí)和技能傳授給一代又一代的學(xué)生。阿羅什還說，他給研究生和本科生的講課也有助于研究工作，在準(zhǔn)備新課的過程中他注意到了光和物質(zhì)相互作用的不同方面。阿羅什認(rèn)為，國際交流學(xué)者參加研究不僅帶來專門的知識(shí)和技能，也帶來不同的科學(xué)文化以補(bǔ)充他們自身的不足。他覺得幸運(yùn)的是，在長期的微觀世界探索中，他和他的同事們能夠自由地選擇他們的研究方向，而不必勉強(qiáng)地提出可能的應(yīng)用前景作為依據(jù)。

阿羅什小組的主要成就是發(fā)展了非破壞性的方法檢測單個(gè)光子。用通常的方法檢測光子，都是吸收光子并把它轉(zhuǎn)換為電流（光電探測器）或轉(zhuǎn)化為化學(xué)能量（照相底片）（動(dòng)物的眼睛是將光子轉(zhuǎn)化為神經(jīng)的電脈沖的）。總之，光子被測量到后立即消失。近半個(gè)世紀(jì)以來，雖然人類發(fā)展出了量子非破壞性測量，但這些測量只能用于大量光子的情況。而阿羅什和同事們做到了反復(fù)測量記錄同一個(gè)光子。

光的速度非常快，達(dá)每秒30萬公里，所以要控制、測量單個(gè)光子，必須將光子關(guān)閉在一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)，并使其在足夠長的時(shí)間內(nèi)不逃逸或被吸收。阿羅什小組實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是制成反射率極高的凹面鏡。反射鏡是在金屬底板上鍍以超導(dǎo)材料鈮，鏡面拋光到不平整度只有幾個(gè)納米（1納米=100萬分之一毫米），光子因鏡面不平而散射逃逸的機(jī)會(huì)非常小。空腔由兩個(gè)凹面鏡相對(duì)安放組成，鏡間距離27毫米。整個(gè)設(shè)備安置在絕對(duì)溫度1度以下的環(huán)境中。一個(gè)微波光子在腔中停留時(shí)間可達(dá)十分之一秒，即在兩面鏡子之間來回反射10 億次以上，差不多相當(dāng)于繞地球一周?？梢哉f阿羅什小組創(chuàng)造了限制在很小的有限體積內(nèi)的光子壽命的世界紀(jì)錄。

阿羅什小組的另一項(xiàng)創(chuàng)造性貢獻(xiàn)是利用利用里德伯原子作為探測器，實(shí)現(xiàn)非破壞性測量單個(gè)光子。所謂里德伯原子，是激發(fā)到很高的能量軌道上的原子，這種原子的體積比正常原子大許多。他們用銣（原子序數(shù)37）原子，把它的價(jià)電子激發(fā)到第50層的圓形軌道上（主量子數(shù)n=50）。這種情況下，外層電子從n=50 的軌道躍遷到相鄰的軌道n=49和n=51，發(fā)射或吸收微波光子頻率分別為54.3GHz（千兆赫茲）和51.1GHz。正常的原子半徑在0.1納米以下，銣原子中電子占據(jù)的最外層軌道為n=5；當(dāng)它的最外面的電子跑到n=50的圓形軌道上時(shí)，原子的半徑達(dá)到100多納米，原子半徑增大了1000倍以上。這樣的原子好比一個(gè)很大的無線電天線，容易和電磁場相互作用。

瓦因蘭德：讓離子停下來

瓦因蘭德和阿羅什同年，都生于1944年。1965年，瓦因蘭德畢業(yè)于美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校；1970年在哈佛大學(xué)獲博士學(xué)位，博士論文題目是“氘原子微波激射器”，導(dǎo)師是拉姆齊（Norman Ramsey）。以后他到華盛頓大學(xué)，在德默爾特（Hans Dehmelt）的實(shí)驗(yàn)室做博士后研究。德默爾特是1989年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者。1975年，瓦因蘭德和德默爾同發(fā)表了討論激光冷卻離子的論文，這是有關(guān)激光致冷的開創(chuàng)性論文，被學(xué)術(shù)界同仁廣泛引用，其中包括獲1977年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的朱棣文、菲利普斯和柯亨-塔諾季等。

1975年，瓦因蘭德到隸屬于美國商業(yè)部的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所工作。在那里，他創(chuàng)建了儲(chǔ)存離子研究小組。在過去多年的工作中，他做出了多項(xiàng)世界第一的研究成果，終于獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他是15年來美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所第四位獲諾貝爾物理獎(jiǎng)的研究人員之一，研究激光致冷的菲利普斯也是其中之一。

制造量子計(jì)算機(jī)的建議方法有多種，許多科學(xué)家正在對(duì)不同的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。瓦因蘭德小組從事的陷俘離子的方法是最成功的方法之一。他們利用特殊排列的幾個(gè)電極組合產(chǎn)生特定的電場，形成陷阱，將汞的一價(jià)離子限制在三個(gè)電極組成的空間中。三個(gè)電極包括兩端各有一個(gè)相對(duì)的電極和一個(gè)環(huán)形電極，離子由激光束控制。

在常溫下，原子運(yùn)動(dòng)的平均速度為每秒數(shù)百米，以這種速度運(yùn)動(dòng)的離子會(huì)立即逃逸出陷阱。要將離子陷俘在電場陷阱中，離子的運(yùn)動(dòng)速度必須非常小。只有在極低的溫度下，離子或原子的運(yùn)動(dòng)速度才能變得很小?？梢岳眉す馐闺x子冷卻，使離子的速度減小到幾乎停止的狀態(tài)。將特定頻率的激光束對(duì)著原子或離子射來的方向照射時(shí)，原子在迎面射來的光子的一次次沖擊下，速度就慢了下來。當(dāng)然，原子或離子吸收了光子又要再把它發(fā)射出去，發(fā)射光子時(shí)原子也要受到反沖。但原子或離子發(fā)射光子的方向是隨機(jī)的，各種方向都有，結(jié)果反沖效應(yīng)平均為零，只有迎面射來的光子被吸收后起到了減速的作用。但僅僅用這種方法還不能使原子速度降低到近乎停止，還要加上其他方法。速度已經(jīng)很小的離子在陷阱中受電場的作用，還在以一定的頻率振動(dòng)，這種振動(dòng)的能量和離子內(nèi)部的能量狀態(tài)耦合起來，形成復(fù)雜的能級(jí)。在適當(dāng)頻率的激光束照射下，離子吸收光子后又重新放出光子，落回原來內(nèi)部能量最低的狀態(tài)，同時(shí)帶動(dòng)離子振動(dòng)能量的變化。在適當(dāng)控制的條件下，重復(fù)這樣的過程，就可以使離子振動(dòng)能量逐步減少，直到振動(dòng)能量達(dá)到最低的量子狀態(tài)，離子近于完全停止。這時(shí)，離子就可以隨意操控了。

瓦因蘭德小組利用利用陷俘離子做成一個(gè)量子可控非門（Controlled NOT）。當(dāng)然可控非門只是最簡單的量子計(jì)算機(jī)的元件，一臺(tái)能工作的計(jì)算機(jī)需要多得多的元件，離制成實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)還非常遙遠(yuǎn)。然而前景是光明的，包括瓦因蘭德在內(nèi)的許多科學(xué)家正積極研究，攻克難關(guān)，希望在本世紀(jì)內(nèi)將量子計(jì)算機(jī)研制成功。

瓦因蘭德和同事們還利用陷俘的離子制造出了當(dāng)今世界上最精確的原子鐘。他的研究工作也可以檢驗(yàn)量子力學(xué)基本原理，如進(jìn)行“薛定諤貓”的實(shí)驗(yàn)。

不為盛名所惑

阿羅什和瓦因蘭德有許多相同的地方。他們都在世界第一流的實(shí)驗(yàn)室中工作；巧的是，他們每人各有兩位獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的老師；他們都有合作30年以上的同事組成的穩(wěn)定的研究小組，還有許多優(yōu)秀的學(xué)生和合作者，其中包括外國的訪問學(xué)者。在他們的諾貝爾獎(jiǎng)報(bào)告中，他們的老師、同事以及和他們的工作有密切關(guān)系的、前人的研究都一一提到。兩人都還提到有100多位學(xué)生、博士后和訪問學(xué)者也做出了貢獻(xiàn)，強(qiáng)調(diào)成績是大家努力的結(jié)果。

瓦因蘭德和阿羅什也有一點(diǎn)很大的不同。阿羅什的研究目的偏重于探索自然界的奧秘，沒有非常明確的應(yīng)用目標(biāo)，雖然他知道自己的研究成果肯定有長遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。他所屬的卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室也沒有要求其研究一開始就必須有明確的應(yīng)用目的。不過，即使在法國高等師范學(xué)校，這種待遇也只有像阿羅什這樣的資深科學(xué)家才能得到。而瓦因蘭德所在的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所本身就具有明確的實(shí)用目標(biāo)：促進(jìn)美國的創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)競爭能力，開創(chuàng)新的測量科學(xué)，推進(jìn)美國的技術(shù)水平。該研究所的研究都是目標(biāo)長遠(yuǎn)，技術(shù)含量高，能在世界上領(lǐng)先的項(xiàng)目。這些項(xiàng)目實(shí)際上都是結(jié)合遠(yuǎn)期應(yīng)用的基礎(chǔ)性研究。

瓦因蘭德和阿羅什還有一個(gè)共同點(diǎn)，就是除了做研究以外，都在大學(xué)教課。阿羅什認(rèn)為備課的過程促使他從多方面考慮基本原理，也有助于研究工作。而從學(xué)生的角度來看，能聽到優(yōu)秀的科學(xué)家講課，和他們直接交流，不僅能學(xué)到當(dāng)今前沿的科學(xué)知識(shí)，還可以學(xué)習(xí)到優(yōu)秀科學(xué)家的治學(xué)精神和思想方法。

榮摘諾獎(jiǎng)桂冠是否改變了科學(xué)家本人的生活呢？據(jù)英國廣播公司（BBC）在線版消息稱，阿羅什本人僅僅提前了20分鐘被組委會(huì)告知自己獲獎(jiǎng)的消息。

“我很幸運(yùn)，”阿羅什說，但他指的并不是自己得獎(jiǎng)這回事，“（接到來電時(shí)）我正在一條街上，旁邊就有個(gè)長椅，所以我第一時(shí)間就坐了下來。”他形容那一刻的心情，“當(dāng)我看到是瑞典的來電區(qū)號(hào)，我意識(shí)到這是真實(shí)的，那種感覺，你知道，真是勢不可擋?！?/p>

不過據(jù)諾獎(jiǎng)官網(wǎng)的推特稱，阿羅什接到獲獎(jiǎng)的確切消息后，打了個(gè)電話給自己的孩子，然后開了瓶香檳慶祝。再然后，他又回實(shí)驗(yàn)室工作去了。

（作者單位：復(fù)旦大學(xué)物理系）

阿羅什小組設(shè)備示意圖

篇3

量子糾纏態(tài)的性質(zhì)刻畫特別是它的大小測量是一個(gè)有意義的課題。研究表明量子糾纏態(tài)的大小一般可以由純態(tài)的馮諾伊曼熵來衡量，對(duì)于一個(gè)兩量子比特系統(tǒng)，馮諾伊曼熵大的態(tài)可以通過局域量子操作及經(jīng)典通訊變換為另一個(gè)馮諾伊曼熵小的態(tài)。但是對(duì)高維系統(tǒng)，卻經(jīng)常存在兩個(gè)量子糾纏態(tài)并不能互相轉(zhuǎn)化的情況，甚至存在更復(fù)雜比如所謂糾纏催化的情況：即在糾纏態(tài)轉(zhuǎn)換過程中有輔助的糾纏態(tài)起到類似化學(xué)催化劑的現(xiàn)象。在刻畫這些糾纏態(tài)性質(zhì)方面，大家最近發(fā)現(xiàn)馮諾伊曼熵的推廣即任伊熵是一個(gè)好的量子糾纏大小的測度，可以準(zhǔn)確的刻畫糾纏轉(zhuǎn)化行為。同時(shí)隨著量子信息科學(xué)的發(fā)展，人們也希望能利用量子信息科學(xué)里的一些技術(shù)和方法來研究比如凝聚態(tài)系統(tǒng)的一些量子行為，例如對(duì)量子相變的刻畫。反過來也希望凝聚態(tài)物理對(duì)物質(zhì)量子相的性質(zhì)研究能對(duì)量子信息處理和量子計(jì)算是否可以在這些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)給出提示。

最近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）理論室范桁研究員、博士生崔健與新加坡國立大學(xué)等合作在不同量子相的不同量子計(jì)算能力方面的研究取得重要進(jìn)展（Nature Commun.3，812（2012））。他們通過對(duì)模型基態(tài)任伊熵的偏導(dǎo)正負(fù)性的判斷，發(fā)現(xiàn)其行為可以準(zhǔn)確區(qū)分凝聚態(tài)模型的不同量子相，而且不同的量子相確實(shí)在量子計(jì)算的能力方面是不同的。

量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)在方法上大致可以被分為兩種，量子邏輯門方法和絕熱量子計(jì)算方法。研究表明這兩種方法在計(jì)算能力和計(jì)算復(fù)雜度方面是等價(jià)的。他們選取了一種可以用絕熱量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)的量子算法，通過對(duì)一維橫場伊辛模型和XY模型基態(tài)糾纏任伊熵的分析發(fā)現(xiàn)，在絕熱量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)過程中，在一些量子相里，絕熱量子計(jì)算需要整體相干操作，而在另一些量子相里，絕熱量子計(jì)算可以通過較簡單的局域操作輔助以經(jīng)典通訊。而對(duì)比如量子搜索的研究表明，局域操作在所謂的量子加速方面并不起作用。從而表明不同的量子相具有不同的量子計(jì)算能力。

凝聚態(tài)模型基態(tài)的任伊熵研究對(duì)量子相變的刻畫及在量子計(jì)算中的作用是一個(gè)新的方法，不同量子相有不同的量子計(jì)算能力這個(gè)結(jié)論對(duì)具體物理系統(tǒng)的選取有指導(dǎo)意義。相關(guān)工作發(fā)表在近期Nature Commun.上（Nature Commun.3.812（2012））。

篇4

【關(guān)鍵詞】量子通信；量子信息學(xué)；量子信道；光子探測

1.引言

量子通信是量子力學(xué)和通信科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信息論不能完成的信息處理任務(wù)。量子通信以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，其研究包括：量子隱形傳態(tài)、量子安全直接通信等研究方向，對(duì)現(xiàn)有信息技術(shù)帶來了重大突破，引起了學(xué)術(shù)界高度重視。近年來，有關(guān)量子計(jì)算機(jī)、量子相干性、量子通信、量子密碼等理論和研究大熱，其中，量子通信作為量子信息研究的內(nèi)容之一，成為物理學(xué)等領(lǐng)域最活躍的研究熱點(diǎn)。量子通信理論上可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的通信過程，最初是利用光纖完成的，但由于光纖受地理和自身限制，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信，不利于全球化量子通信。1993年，6位來自不同國家的科學(xué)提出了利用量子隱形傳送方案，構(gòu)建了一種脫離實(shí)物的量子通信系統(tǒng)，以量子態(tài)作為信息載體，通過量子態(tài)的傳送完成了大容量信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)原則上不可被破譯的通信技術(shù)。由于存在不可避免的環(huán)境噪聲，量子的糾纏態(tài)品質(zhì)會(huì)隨著傳送距離的增加而變得越來越差。因此，量子通信不可避免地首先要解決傳輸距離的限制才能具有良好的應(yīng)用前景?？臻g量子通信技術(shù)利用分發(fā)糾纏光子的方法為遠(yuǎn)程量子通信的研究提供了一種途徑。

2.空間量子通信技術(shù)原理

量子通信具有“容量大、速度快、保密性好”的優(yōu)點(diǎn)，其過程遵從量子力學(xué)原理。典型的量子通信系統(tǒng)包括：量子態(tài)發(fā)生器、通道和量子測量裝置。具有量子效應(yīng)的粒子如：光子、電子、原子等，都可以作為實(shí)現(xiàn)量子通信的量子信號(hào)[1]。由于光信號(hào)具有良好的傳輸特性，我們現(xiàn)在通常所說的量子通信系統(tǒng)均為量子光通信系統(tǒng)。單光子（糾纏光子對(duì)）的分發(fā)是實(shí)現(xiàn)空間量子通信的前提，空間量子通信技術(shù)可以通過空間技術(shù)實(shí)現(xiàn)全球化的量子通信，克服自由空間鏈路帶來的距離限制，圖1給出了典型量子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成。

使用糾纏量子信號(hào)的量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)是未來量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)[2]，其原理如下：根據(jù)量子力學(xué)理論，由兩個(gè)光子組成的糾纏光子對(duì)（薛定諤將多體量子狀態(tài)的不可分的相互關(guān)聯(lián)稱為量子糾纏），無論其在宇宙中相隔多遠(yuǎn)，其狀態(tài)均不可分割。單獨(dú)測量其中一個(gè)光子狀態(tài)，會(huì)得到完全隨機(jī)的結(jié)果，根據(jù)海森堡測不準(zhǔn)原理，一旦測量了其中一個(gè)光子的狀態(tài)，即使其發(fā)生了變化，那么另一個(gè)光子也會(huì)發(fā)生同樣的變化，即“塌縮”到相同的狀態(tài)。利用這一特性，通信者Alice隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)比特，再隨機(jī)改變自己的基來制備傳輸量子態(tài)，并重復(fù)多次，接收者Bob通過量子信道進(jìn)行接收，他測量每個(gè)光子，也隨機(jī)改變自己的基，當(dāng)兩人的基相同時(shí)，就得到了一組互補(bǔ)的隨機(jī)數(shù)。一旦竊聽者Eve進(jìn)行竊聽，糾纏光子對(duì)的特性就被破壞，Alice和Bob就會(huì)發(fā)覺，因此利用這種方式的通信是絕對(duì)安全的。

3.量子通信的研究進(jìn)展和趨勢

人們最初對(duì)量子的研究是基于對(duì)光的研究進(jìn)行的，由于量子通信可以建立無法被破譯的通信系統(tǒng)，因此受到美國、歐盟、日本等國在內(nèi)有關(guān)科研機(jī)構(gòu)的大力研究和發(fā)展，我國在這方面的研究成果也受到了國際上的廣泛關(guān)注。特別是在量子通信的演示驗(yàn)證試驗(yàn)方面，學(xué)術(shù)界已經(jīng)由地面自由空間傳輸試驗(yàn)向空間傳輸試驗(yàn)發(fā)展[1][3]。

（1）分發(fā)協(xié)議的發(fā)展

1984年，IBM公司的Chales H.Bennet和加拿大蒙特利爾大學(xué)的Gilles Brassard提出了第一個(gè)分發(fā)協(xié)議——BB84協(xié)議[4]。在1992年，他們又提出了EPR協(xié)議，又稱E91協(xié)議，將糾纏態(tài)首次與量子通信聯(lián)系起來[5]。2002年，Bostrom和Felbinger提出了Ping-pong協(xié)議[6]，這是一個(gè)十分重要的協(xié)議，其信息可以被確定性的直接傳輸，明顯提高了傳輸相率，受到人們的重視。目前所有實(shí)驗(yàn)基本上基于上述協(xié)議進(jìn)行的[7]。

（2）地面自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

1993年，美國IBM公司基于糾纏態(tài)交換的實(shí)驗(yàn)方案實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)量子信息傳輸實(shí)驗(yàn)，傳輸距離32cm，傳輸速率10bps，從此拉開了量子通信實(shí)驗(yàn)研究的序幕[1]。表1給出了現(xiàn)在國內(nèi)外較著名的地面自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)及成果[2][8-10]。

其中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授、清華大學(xué)彭承志教授等人于2005年至2009年間一系列的研究成果表明量子隱態(tài)傳輸穿越大氣層是可行的，糾纏光子在穿透等效于整個(gè)大氣厚度的地面大氣后，其糾纏特性仍可以保持，這為未來空間量子通信技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[7]。2007年，Zeilinger領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室在奧地利兩海島間實(shí)現(xiàn)了跨越144km距離的基于誘騙態(tài)和糾纏態(tài)量子通信，是目前為止自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)距離的世界紀(jì)錄[7]。該實(shí)驗(yàn)的單光子源采用弱相干脈沖[10]，鏈路采用雙向主動(dòng)望遠(yuǎn)鏡跟蹤系統(tǒng)，包括一臺(tái)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（可發(fā)送單光子同時(shí)接收信標(biāo)激光信號(hào)）及一架CCD相機(jī)等部件，如圖2所示。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)空間量子通信的重要基石。

由于量子通信的優(yōu)勢和特點(diǎn)，許多國家都把其列入重點(diǎn)研究范圍，縱觀各國研究現(xiàn)狀，不難發(fā)現(xiàn)，美國側(cè)重研究量子理論，正在大力研究和發(fā)展量子計(jì)算機(jī)和量子通信的理論和技術(shù)，希望在十年內(nèi)有所突破。歐洲則對(duì)星地量子通信等空間應(yīng)用較感興趣，善于聯(lián)合各國力量推動(dòng)量子通信技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)已開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。日本則重點(diǎn)致力于提高量子通信傳輸速率，并致力于量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的搭建和研究。我國目前已經(jīng)在自由空間量子通信上取得了一系列世界領(lǐng)先的科研成果，需要廣大科研人員繼續(xù)努力，保持我國在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

（3）量子通信在空間的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

歐空局（ESA）自2002年以來資助了一系列空間量子通信研究，如QSpace項(xiàng)目（2002年-2003年），ACCOM項(xiàng)目（2004年），QIPS（2005年-2007年）。QSpace項(xiàng)目一來是為了驗(yàn)證基于量子物理學(xué)的空間通信技術(shù)的可行性，二來是為了驗(yàn)證空間量子通信較地面量子通信的優(yōu)勢，如可避免大氣擾動(dòng)和吸收的影響等[11]。為此該項(xiàng)目進(jìn)行了一些列的試驗(yàn)，獲得了空間量子通信四項(xiàng)主要應(yīng)用方向，對(duì)空間量子通信技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行了歸納總結(jié)。ACCOM項(xiàng)目主要包括一個(gè)空-地單向通信實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)基于當(dāng)時(shí)的星間光通信技術(shù)，利用一個(gè)空基發(fā)射機(jī)對(duì)多個(gè)分布式地基接收機(jī)間進(jìn)行自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)，首次研發(fā)出了一種可重復(fù)使用光學(xué)收發(fā)終端。該項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在經(jīng)典光學(xué)通信系統(tǒng)上進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)后改建的。QIPS項(xiàng)目即為上面描述的Zeilinger領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的144km量子通信實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，144km地面水平傳輸實(shí)驗(yàn)量子信道傳輸損耗約為25-30dB，這一數(shù)值與低軌衛(wèi)星與地面間傳輸損耗大致相當(dāng)，由此可見，同樣的技術(shù)應(yīng)用于空-地系統(tǒng)更具發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢。

基于上述研究成果，維也納大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)于2004年提出了Space-QUEST計(jì)劃。審核該計(jì)劃的ELIPS-2項(xiàng)目組認(rèn)為該計(jì)劃具有非常巨大的優(yōu)勢并強(qiáng)烈推薦ESA進(jìn)行資助并實(shí)施。Space-QUEST實(shí)驗(yàn)旨在首次驗(yàn)證如下內(nèi)容[11]：

1）基于新型量子通信技術(shù)（QKD）的全球無條件安全空間信息傳輸技術(shù)。

2）利用空間環(huán)境優(yōu)勢，突破地基量子通信瓶頸，實(shí)現(xiàn)空間量子通信。

如圖4所示，該計(jì)劃擬采用國際空間站（ISS）上搭載的量子通信終端設(shè)備向地面發(fā)送糾纏態(tài)光子來進(jìn)行，搭載的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑僅10-15cm，載荷總重小于100kg，峰值功率小于250W，收發(fā)終端間距離大于1000km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有地基實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)傳輸距離。該計(jì)劃最終將于2015年實(shí)施完成。

（4）空間量子通信技術(shù)存在的主要問題

一是空間量子通信噪聲干擾消除問題。由于現(xiàn)實(shí)通訊狀況的不完美和噪聲干擾，所有的量子密碼協(xié)議的噪聲干擾如果跟有竊聽者存在所帶來的噪聲沒有差別[1]，通信連路是無法建立起來的；二是自由空間量子信道的傳輸特性問題。不同地面環(huán)境對(duì)光子傳播的影響，包括大氣衰減和退極化效應(yīng)。4.總結(jié)

如上所述，近年來量子通信由于其安全性引起了研究人員廣泛地興趣，目前在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域取得了一系列進(jìn)展，其中量子態(tài)的隱形傳輸，量子網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)正逐步走向?qū)嵱?。正是因?yàn)榱孔訐碛袕V袤的實(shí)用前景，各國均在量子通信技術(shù)方面加大科研投入。但是在降低單光子源成本、加大通信傳輸距離、增強(qiáng)檢測概率等一些關(guān)鍵性問題上還需要進(jìn)一步研究。本文主要闡述了空間量子通信技術(shù)的產(chǎn)生、基本原理、發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，并對(duì)空間量子通信技術(shù)存在的問題和難點(diǎn)進(jìn)行了介紹。筆者相信，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，量子通信技術(shù)實(shí)用化、商用化指日可待。

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篇5

 

在信息時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)安全是一個(gè)嚴(yán)峻的問題。信息安全已經(jīng)得到了各國政府的高度重視，一方面要保護(hù)自己的安全，另一方面要攻擊對(duì)方，信息保護(hù)的升級(jí)刻不容緩。

 

1 現(xiàn)代密碼學(xué)

 

現(xiàn)代密碼學(xué)的基本思想是發(fā)送方使用加密算法和密鑰，將要保密的信息變成數(shù)字發(fā)送給接收方。密鑰是隨機(jī)數(shù)0、1，將其與要傳送的數(shù)字明文放在一起，用加密算法把它們變成密文，密文就是傳送的信息。接收方使用事先定好的相應(yīng)的解密算法，反變換將明文提取出。

 

密碼體制分為兩類：一類叫對(duì)稱密鑰(非公開密鑰)，它的加密密鑰和解密密鑰相同，通信雙方需要事先共享相同的密鑰，關(guān)鍵在于如何安全地傳遞密鑰。其中有一種一次一密(one time pad)的密碼，用與明文等長的二進(jìn)制密鑰與明文異或得密文，并且每個(gè)密鑰使用一次就銷毀，根據(jù)香農(nóng)的證明一次一密是無法破譯的。

 

另一類叫非對(duì)稱密鑰(公開密鑰)，加密密鑰和解密密鑰不相同，加密密鑰公開，發(fā)送者發(fā)送密鑰與明文混合之后的密文，接受者使用不相同的密鑰解出密文。從公開的加密密鑰推導(dǎo)出解密密鑰需要耗費(fèi)極巨大的資源，雖然原則上可破解，但實(shí)際做不到，所以，在當(dāng)今社會(huì)受到廣泛使用。

 

一旦量子計(jì)算機(jī)研制成功，它可以更快速的破解數(shù)學(xué)難題，公開密鑰就面臨了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

 

2 量子密碼

 

無論采用哪種方法，都無法避免“截取-重發(fā)”的威脅。為了應(yīng)對(duì)強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，需要無條件安全的一次一密的加密方案;但必須解決密鑰分配的安全性，可以借助于量子信息作為密鑰傳輸?shù)墓ぞ?。一次一密不可破譯加上密鑰傳輸不可以竊聽，從理論上就可以做一個(gè)“絕對(duì)安全”的量子保密通信。

 

量子密碼是利用信息載體(例如光子等粒子)的量子特性，以量子態(tài)作為符號(hào)描述的密碼，它的安全性是由量子力學(xué)的物理原理保障的。

 

①測量塌縮理論：除非該量子態(tài)本身即為測量算符的本征態(tài)，否則對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測量會(huì)導(dǎo)致“波包塌縮”，即測量將會(huì)改變最初的量子態(tài)。②不確定原理：不能同時(shí)精準(zhǔn)測量兩個(gè)非對(duì)易物理量。③不可克隆原理：無法對(duì)一個(gè)未知的量子態(tài)進(jìn)行精確的復(fù)制。④單個(gè)光子不可再分：不存在半個(gè)光子。

 

3 量子通信

 

量子通信，廣義是指量子態(tài)從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方，內(nèi)容包括量子隱形傳態(tài)、量子糾纏交換、量子密鑰分配;狹義上是指量子密鑰分配或基于量子密鑰分配的密碼通信。本文講述的是狹義的量子通信。

 

3.1 單光子的偏振態(tài)

 

本文介紹采用BB84協(xié)議實(shí)現(xiàn)的量子通信，在發(fā)送者和接收者之間用單光子的偏振態(tài)作為信息的載體。有兩種模式：一個(gè)是直線模式，光子偏振態(tài)的偏振方向是垂直或者水平，如圖1所示;一個(gè)是斜線(對(duì)角)模式，光子偏振態(tài)的偏振方向與垂直線稱45 ?觷角，如圖2所示。

 

3.2 基于BB84協(xié)議下的“制備-測量”

 

依照慣例，密碼學(xué)家稱發(fā)送者為Alice，接收者為Bob。Alice隨機(jī)用直線模式或?qū)悄Ｊ桨l(fā)出光子，并記錄下不同的指向。Bob也隨機(jī)決定用兩種模式之一測量接收到的光子，同時(shí)記下采用檢偏器的模式和測量結(jié)果值。傳送結(jié)束后，Alice與Bob聯(lián)絡(luò)，Bob告訴Alice他分別采用哪種模式測量，然后Alice會(huì)告訴Bob哪些模式是錯(cuò)誤的，這一過程無須保密。之后他們會(huì)刪除使用錯(cuò)誤模式測量的光子，而正確模式測量出的光子按照統(tǒng)一規(guī)定變成0、1碼后，就成為量子密鑰。

 

3.3 發(fā)生竊聽

 

根據(jù)“海森堡測不準(zhǔn)原理”，任何測量都無法窮盡量子的所有信息。因此，竊聽者想要復(fù)制一個(gè)完全相同的光子是根本不可能的事情。同時(shí)，任何截獲或測量量子密鑰的操作都會(huì)改變量子狀態(tài)，竊聽者只得到無意義的信息，而信息合法接受者也可以從量子態(tài)的改變，知道存在竊聽者。

 

密碼學(xué)家通常稱竊聽者為Eve，同Bob一樣只能隨機(jī)選擇一種測量模式，當(dāng)她采用錯(cuò)誤的測量方式對(duì)某一光子測量時(shí)，由于波包塌縮，光子的偏振態(tài)會(huì)改變。比如，Eve使用對(duì)角模式測量直線模式下的光子態(tài)，光子態(tài)會(huì)塌縮為對(duì)角模式。之后即使Bob選擇了正確的測量模式測量該光子，Bob可能會(huì)得到不符合編碼信息的測量結(jié)果，這就產(chǎn)生了誤差，具體通信過程如圖3所示。

 

Eve竊聽一個(gè)光子采用錯(cuò)誤測量模式的概率是50%;采用錯(cuò)誤模式時(shí)，信息可能變成0，也可能變成1，他有25%的概率被發(fā)現(xiàn)。但密鑰并非一個(gè)光子組成，光子數(shù)越多被發(fā)現(xiàn)的概率就會(huì)越高。當(dāng)誤碼率低于閾值，就可以稱這個(gè)密碼是安全的;當(dāng)誤碼率超過閾值，就稱密碼被竊聽，重新再制備新的密鑰，一直檢查到密鑰在建立過程中沒有竊聽者存在，接下來進(jìn)行一次一密的傳送。通過這種方式能保證密鑰本身安全，并且加密密文不可破譯，這就是量子通信的安全性所在。

 

3.4 量子信道與經(jīng)典信道

 

發(fā)送方通過量子信道傳送量子態(tài)光子，接收方用兩種不同類型的檢偏器測量，檢測出0、1組成的量子密鑰，還需要一個(gè)經(jīng)典信道。因?yàn)槭遣捎靡淮我幻芊绞?，所以?jīng)典信道需要定時(shí)傳送同步信號(hào)。

 

4 量子通信現(xiàn)狀

 

由于量子通信技術(shù)的各種優(yōu)勢，國際上的一些國家，特別是美國、日本、歐盟都投入了大量的人力物力，進(jìn)行量子通信的理論與實(shí)驗(yàn)研究。2002年美國BBN公司，哈佛大學(xué)和波士頓大學(xué)開始聯(lián)合建造DARPA網(wǎng)絡(luò)。2010年日本在三個(gè)政府機(jī)構(gòu)之間使用量子密鑰分配技術(shù)，并與2010年10月在東京演示了一個(gè)城域量子保密通信網(wǎng)。2010年西班牙馬德里建成歐盟第一個(gè)城域QKD網(wǎng)絡(luò)。我國也在量子通信技術(shù)的道路上不斷發(fā)展。2012年“金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)”是世界首次利用量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)金融信息的傳輸。2012年黨的“十”期間在部分核心部位部署量子通信系統(tǒng)。2013年量子保密通信“京滬干線”正式立項(xiàng)，打造廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

 

5 結(jié) 語

 

量子通信還有一些技術(shù)難題未攻破，例如信道的干擾，設(shè)備的非理想特性，身份驗(yàn)證、密鑰存儲(chǔ)等技術(shù)需要進(jìn)一步改良等等。雖然理想情況量子密碼不可破，但在實(shí)際中還有一些漏洞需要考慮。在未來幾年，相信我國在中央、地方政府及相關(guān)部門大力支持下，通過相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)的努力，量子通信技術(shù)會(huì)不斷完善，量子通信產(chǎn)業(yè)也必將取得飛速發(fā)展。

篇6

關(guān)鍵詞： 單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)； 信噪比； 噪聲； 弱光信號(hào)

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）06?0167?04

光子計(jì)數(shù)技術(shù)是檢測微弱光信號(hào)的一種技術(shù)。目前，單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)在環(huán)保檢測、生物醫(yī)學(xué)、放射探測、激光測量、化學(xué)分析等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)光功率低于10-14 W，激發(fā)出來的光信號(hào)將會(huì)是離散的光子脈沖。若僅僅用一般的光電探測器幾乎無法實(shí)現(xiàn)將微弱的光信號(hào)探測出來并進(jìn)行量化處理。此時(shí)，用一般的直流測量法，已不能把淹沒在噪聲里的有用信號(hào)有效地提取出來。為了實(shí)現(xiàn)精確的檢測、提高信號(hào)抗干擾能力，需要有從噪聲中提取、恢復(fù)和增強(qiáng)被測信號(hào)的技術(shù)[1]。本文用的單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)可以把淹沒在噪聲里的微弱光信號(hào)提取出來，檢測光源（發(fā)光二極管）的光子分布。

2 單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)原理、計(jì)數(shù)性質(zhì)

3 單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)的構(gòu)成

3.1 光電倍增管PMT

PMT由光陰極、聚焦極、倍增極和陽極構(gòu)成。性能優(yōu)良的PMT，光譜響應(yīng)特性好，時(shí)間響應(yīng)快，光陰極的穩(wěn)定性好，工作波段內(nèi)的量子效率高，暗計(jì)數(shù)低[3]。由于PMT的偏置電壓對(duì)非線性和信號(hào)電流的增益有很大的影響，因此為了使PMT有較好的靈敏度，減少噪聲的影響，需要精心選擇它的最佳偏置電壓。選取依據(jù)是PMT的信號(hào)計(jì)數(shù)、暗計(jì)數(shù)和偏置電壓的關(guān)系曲線如圖4所示，由于信號(hào)計(jì)數(shù)曲線有一平坦的坪區(qū)，而暗計(jì)數(shù)曲線則處于連續(xù)上升的趨勢，當(dāng)信號(hào)計(jì)數(shù)曲線開始進(jìn)入坪區(qū)時(shí)，信噪比SNR最大，此處的偏壓是最佳偏置電壓[4]。

3.2 放大器

為實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù)功能，雙閾值甄別器達(dá)到的要求是死區(qū)時(shí)間短，甄別電平范圍靈活可調(diào)，輸出的脈沖輸出幅度、寬度達(dá)到后續(xù)脈沖計(jì)數(shù)電路的需要。

3.4 計(jì)數(shù)器

4.2 背景計(jì)數(shù)

PMT的光陰極、各倍增極的熱電子發(fā)射在信號(hào)檢測中產(chǎn)生在沒有入射時(shí)的背景計(jì)數(shù)，即暗計(jì)數(shù)。暗計(jì)數(shù)還包括雜散光的計(jì)數(shù)。面積較小的光陰極管的選擇、管子的工作溫度的降低以及適當(dāng)甄別電平的選擇，可降低暗計(jì)數(shù)率到最小，不過對(duì)于極微弱的光信號(hào)，這種噪聲源仍不可忽略。若PMT的第一倍增極增益很高，甄別器已經(jīng)去除各倍增極和放大器的噪聲，則上述信號(hào)的噪聲成分由于暗計(jì)數(shù)增加至信噪比為若在光信號(hào)累記計(jì)數(shù)中暗計(jì)數(shù)保持不變，則從實(shí)際計(jì)數(shù)中扣除它很容易。

4.4 脈沖堆積效應(yīng)

分辨時(shí)間是可以區(qū)分兩相繼發(fā)生的事件的最短時(shí)間間隔，計(jì)數(shù)系統(tǒng)的分辨時(shí)間主要由PMT的分辨時(shí)間和甄別器的死時(shí)間決定。PMT的分辨時(shí)間通常在10～40 ns之間，在分辨時(shí)間內(nèi)，當(dāng)相繼有兩個(gè)或者兩個(gè)以上的光子入射到光陰極，它們的時(shí)間間隔小于，PMT只輸出一個(gè)脈沖，于是單位時(shí)間內(nèi)光電子脈沖的輸出計(jì)數(shù)率比入射到光陰極上的光子數(shù)少。與此類似的是，若在死時(shí)間內(nèi)輸入脈沖，甄別器輸出計(jì)數(shù)率也會(huì)損失。上面這樣的現(xiàn)象叫做脈沖堆積效應(yīng)。若光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)由高速的甄別器、計(jì)數(shù)器構(gòu)成，極限光子流量約為109 s-1，因存在脈沖堆積效應(yīng)，含有多個(gè)光子的超短脈沖光的強(qiáng)度光子計(jì)數(shù)器不能測量。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)裝置光路如圖7所示。在測量實(shí)驗(yàn)中，計(jì)數(shù)時(shí)間設(shè)作500 s，光源（發(fā)光二極管）的電流調(diào)為最小，測量500次，通過計(jì)算機(jī)獲得采樣數(shù)據(jù)，求出光子數(shù)的平均值和方差，同樣光子數(shù)出現(xiàn)的次數(shù)統(tǒng)計(jì)出來，除以測量的總次數(shù)，算出該光子數(shù)的幾率，然后以橫坐標(biāo)表示光子數(shù)，縱坐標(biāo)表示光子數(shù)幾率，做出光子數(shù)的分布曲線，與理論的泊松分布曲線進(jìn)行比較，檢查測量數(shù)據(jù)是否符合理論的泊松分布，判斷計(jì)數(shù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6 結(jié) 語

本文介紹了微弱光檢測技術(shù)，了解了單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)基本原理、基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)，通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，觀察和對(duì)比發(fā)光二極管的實(shí)際光子數(shù)分布與理論的泊松分布的本質(zhì)區(qū)別，加深了對(duì)光子數(shù)概率分布規(guī)律的理解。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳麗君.用單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)檢測微弱光信號(hào)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011（3）：23?25.

[2] 劉桂芳，熊狂煒，劉文操.單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)的研究[J].高師理科學(xué)刊，2011，31（2）：67?70.

[3] 王挺峰.提高PMT光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)探測靈敏度的方法[J].光機(jī)電信息，2009，26（3）：37?42.

[4] KAWASAKI Y， BERTAINA M E， SAKAKI N， et al. Performance of a multi?anode photomultiplier employing a weak electrostatic focusing system [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A， 2006， 564（1）： 378?394.

[5] 戰(zhàn)琳，王艷芳.單光子實(shí)驗(yàn)的測試與研究[J].唐山學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，22（3）：81?82.

篇7

關(guān)鍵詞：科學(xué)活動(dòng)觀；結(jié)構(gòu)化學(xué)；課程教學(xué)

一、問題的提出

“結(jié)構(gòu)化學(xué)”是高等院校化學(xué)專業(yè)的主干基礎(chǔ)課程。它從微觀視角闡明原子、分子和晶體的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用，主要包括量子力學(xué)基本原理及其在原子與分子體系中的應(yīng)用和原子、分子與晶體結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)表征兩大部分。后者又可根據(jù)被表征物質(zhì)的形態(tài)及理論基礎(chǔ)的不同，劃分為譜學(xué)和晶體學(xué)兩個(gè)不同體系[1]。

由于“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程涉及面廣、內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)，要求學(xué)生具備較強(qiáng)的空間思維能力，嚴(yán)密的邏輯推理能力和扎實(shí)的數(shù)理功底；同時(shí)由于“結(jié)構(gòu)化學(xué)”通常不作為考研基礎(chǔ)科目，因此許多教師對(duì)教學(xué)有效性缺乏足夠重視，大量采用灌輸式教學(xué)或簡化教學(xué)內(nèi)容。這樣看似在短時(shí)間內(nèi)完成了課程內(nèi)容的教學(xué)，但實(shí)際上產(chǎn)生了諸多問題，這些問題恰恰制約著課程目標(biāo)的達(dá)成。

（1）學(xué)生難以形成對(duì)知識(shí)的整體性認(rèn)識(shí)。教師將結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)作為一種結(jié)果和定論傳授給學(xué)生，從表面上看，學(xué)生能夠機(jī)械記憶基本知識(shí)，能進(jìn)行簡單的運(yùn)用和拓展。但由于沒有經(jīng)歷和體驗(yàn)知識(shí)獲得的過程，無法從本質(zhì)上、整體上理解結(jié)構(gòu)化學(xué)的知識(shí)體系的來龍去脈、因果關(guān)系。

（2）學(xué)生關(guān)于理論與計(jì)算化學(xué)的學(xué)習(xí)和研究能力非常欠缺。由于結(jié)構(gòu)化學(xué)涉及許多微觀物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和抽象的概念，如果沒有科學(xué)的方法支撐去解決問題、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，學(xué)生難以理解理論與計(jì)算化學(xué)的核心觀念并運(yùn)用理論與計(jì)算化學(xué)的核心方法。

（3）學(xué)生的情感體驗(yàn)不足。由于結(jié)構(gòu)化學(xué)本身具備較高的難度，學(xué)生容易產(chǎn)生抵觸、焦慮等一系列不良情緒。僅僅將知識(shí)作為一種工具和經(jīng)驗(yàn)傳授給學(xué)生，他們將無法體驗(yàn)和感受在知識(shí)形成中的愉悅感和合作、會(huì)話、交流的過程，進(jìn)而難以得到需要的滿足和被尊重、被接納的情感體驗(yàn)。

基于以上“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)的問題，有必要探索、建立新的教學(xué)觀念以改革“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程教學(xué)。由于科學(xué)知識(shí)從本源來講恰恰是在科學(xué)活動(dòng)中產(chǎn)生的，因此將“結(jié)構(gòu)化學(xué)”的教學(xué)活動(dòng)和科學(xué)活動(dòng)做適當(dāng)?shù)娜诤?，通過深入探索化學(xué)科學(xué)活動(dòng)的基本特點(diǎn)和形式，研究科學(xué)活動(dòng)與“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)的相互關(guān)系，進(jìn)而探索以科學(xué)活動(dòng)為中心的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程教學(xué)途徑，不失為一種恰如其分的改革視角。

二、科學(xué)活動(dòng)觀——“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程教學(xué)的新理念

人們對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)是一個(gè)不斷深化的過程。從動(dòng)態(tài)的和生成性的觀點(diǎn)看，科學(xué)作為“系統(tǒng)化的實(shí)證知識(shí)”的觀點(diǎn)引起了人們高度反思。有人認(rèn)為科學(xué)的本質(zhì)是獲得知識(shí)的活動(dòng)，例如，保加利亞學(xué)者T. H. 伏爾科夫曾提到，科學(xué)的本質(zhì)，不在于已經(jīng)認(rèn)識(shí)的真理，而在于探索真理；科學(xué)本身不是知識(shí)，而是產(chǎn)生知識(shí)的社會(huì)活動(dòng)，是一種科學(xué)生產(chǎn)[2]。我國學(xué)者劉大椿曾將科學(xué)更多地看成是活動(dòng)的過程，指出科學(xué)是人類特有的活動(dòng)形式，是人類特定的社會(huì)活動(dòng)成果；雖離不開獨(dú)特的物質(zhì)手段，但本質(zhì)上是精神的、智力的活動(dòng)[3]。這種以動(dòng)態(tài)的角度認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)的思想，能夠使人們對(duì)科學(xué)的理解更加豐富、深刻和全面。

對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，決定著科學(xué)教育實(shí)踐價(jià)值取向。以科學(xué)活動(dòng)觀指導(dǎo)“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程改革，對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生建立自己的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”乃至整個(gè)化學(xué)一級(jí)學(xué)科的知識(shí)框架體系，培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)的能力，引導(dǎo)學(xué)生掌握分子模擬研究的初步技能，有著顯著的優(yōu)勢。

（1）科學(xué)活動(dòng)觀視角下的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)是為科學(xué)知識(shí)的獲得服務(wù)的。學(xué)生獲得的系統(tǒng)性的、基礎(chǔ)性的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)大多是結(jié)構(gòu)化學(xué)已有的成果，是科學(xué)家多年來積累的理論與計(jì)算化學(xué)的經(jīng)驗(yàn)、概念、理論、技能和方法。將知識(shí)的獲得過程還原于科學(xué)活動(dòng)，符合結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)活動(dòng)和科學(xué)活動(dòng)在知識(shí)形成過程中的本質(zhì)共同性，有利于學(xué)生建立并鞏固系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)體系。

（2）科學(xué)活動(dòng)觀視角下的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)為學(xué)生能力的培養(yǎng)帶來了良機(jī)。體驗(yàn)結(jié)構(gòu)化學(xué)研究過程、掌握結(jié)構(gòu)化學(xué)研究方法，對(duì)學(xué)生走入結(jié)構(gòu)化學(xué)研究、形成理論與計(jì)算化學(xué)的研究能力并進(jìn)而發(fā)展對(duì)整個(gè)化學(xué)一級(jí)學(xué)科的研究能力都有著重要的意義。學(xué)生在以科學(xué)活動(dòng)為背景的學(xué)習(xí)中感受科學(xué)研究的全過程，習(xí)得科學(xué)研究方法，感受科研的意義和價(jià)值，在獲得結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)的同時(shí)形成與提高科研能力。

（3）科學(xué)活動(dòng)觀視角下的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)給予學(xué)生體驗(yàn)科研情感的平臺(tái)?？茖W(xué)活動(dòng)創(chuàng)造了真實(shí)的結(jié)構(gòu)化學(xué)科研情境，而科學(xué)情感等隱性目標(biāo)都是在情境中通過感悟獲得的。學(xué)生在對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)問題的研究過程中提高學(xué)習(xí)興趣、產(chǎn)生學(xué)習(xí)熱情、發(fā)揚(yáng)團(tuán)隊(duì)精神，這就有效解決了因知識(shí)灌輸式教學(xué)而帶來的學(xué)生情感體驗(yàn)不足的問題。

三、“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程教學(xué)——“知識(shí)學(xué)習(xí)與能力培養(yǎng)”并重

1.以挑戰(zhàn)性問題為學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建“結(jié)構(gòu)化學(xué)”學(xué)習(xí)活動(dòng)

基于挑戰(zhàn)性問題的探究式教學(xué)方法是為了設(shè)計(jì)合理的科學(xué)活動(dòng)、有效實(shí)施“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)而設(shè)計(jì)的。所謂的挑戰(zhàn)性問題是指教師提出的一些與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的、具有探索意義和探究價(jià)值的問題，供學(xué)生小組根據(jù)自己的興趣和思維特點(diǎn)進(jìn)行選擇，以此作為科學(xué)活動(dòng)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)性引導(dǎo)。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生通過查找資料、相互討論、動(dòng)手實(shí)踐等多種形式，采用合理的結(jié)構(gòu)化學(xué)研究方法對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行深入研究，完成研究報(bào)告。

在“量子力學(xué)基本原理及其在平動(dòng)、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、原子與分子軌道理論中的應(yīng)用”模塊的教學(xué)過程中，教師選擇了從簡單到復(fù)雜的系列自主學(xué)習(xí)內(nèi)容，組織學(xué)生開展了以挑戰(zhàn)性問題為驅(qū)動(dòng)的自主研究性學(xué)習(xí)。

例如，教師在過去的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)類氫原子結(jié)構(gòu)的球諧波函數(shù)和徑向波函數(shù)的圖像理解有難度，不清楚圖像的來源和圖像節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)。為此，教師向?qū)W生介紹matlab軟件，并提出挑戰(zhàn)性問題：如何利用matlab軟件編寫程序語言作圖，幫助理解原子與分子軌道圖像。并根據(jù)這個(gè)問題，分別提出了一套由簡入深的系列問題：（1）利用matlab 軟件將諧振子振動(dòng)波函數(shù)數(shù)字圖形化，并與教材上的圖形進(jìn)行對(duì)比分析，以此為例說明表層理解信息（naming something）和深層理解信息（knowing something）的區(qū)別。（2）利用matlab軟件將粒子圍繞球面轉(zhuǎn)動(dòng)的球諧波函數(shù)Y及其|Y|2數(shù)字圖形化。（3）利用matlab軟件將類氫原子的徑向函數(shù)、徑向分布函數(shù)、原子軌道（徑向函數(shù)R與球諧函數(shù)Y之積）數(shù)字圖形化并討論其節(jié)點(diǎn)問題。（4）利用matlab軟件將氫分子離子的分子軌道（分子軌道理論框架下的單電子波函數(shù)近似解）數(shù)字圖形化并討論其節(jié)點(diǎn)與成鍵與反鍵性質(zhì)。（5）設(shè)計(jì)一個(gè)程序?qū)⒕仃噷?duì)角化，為共軛體系的休克爾經(jīng)驗(yàn)分子軌道理論的近似解提供一套矩陣算法（HC=SCE在休克爾近似下變?yōu)镠C=CE），并重點(diǎn)理解分子軌道理論的核心在于變分原理——將不可能完成的精確求解多體薛定諤方程的任務(wù)轉(zhuǎn)化為近似求解體系能量函數(shù)（嘗試波函數(shù)的線性組合系數(shù)為變量）的條件極值問題。

該系列挑戰(zhàn)性問題由若干不同難度的小問題組成，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和水平逐漸提高，既防止問題太寬泛而無從下手，又逐漸向?qū)W生發(fā)出挑戰(zhàn)以激發(fā)學(xué)生求知欲。另外，該問題的解決方法不固定，解答結(jié)果也不唯一。它允許學(xué)生運(yùn)用不同的方法來解決問題，并且將分子模擬技術(shù)融入理論課程之中，通過體驗(yàn)編寫程序的過程，獲得結(jié)構(gòu)化學(xué)研究的思路，深化對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。在學(xué)習(xí)過程中，教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程進(jìn)行觀察、把握和調(diào)配，當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)出現(xiàn)困難時(shí)，提供必要的指導(dǎo)和點(diǎn)撥。

學(xué)生通過分工合作、查找資料、熟悉軟件、編寫程序、運(yùn)行程序、優(yōu)化程序，逐漸解決了每一個(gè)子問題。在這個(gè)過程中，學(xué)生在原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上主動(dòng)構(gòu)建對(duì)知識(shí)的理解，充分將知識(shí)內(nèi)化為自己的認(rèn)知。比如對(duì)球諧函數(shù)圖像的認(rèn)識(shí)，不再是機(jī)械地“記憶”每一個(gè)函數(shù)對(duì)應(yīng)的圖像，而是充分理解其本質(zhì)，將原理融入圖像的繪制過程，整體把握“數(shù)-形”關(guān)系，在理解的層面上深刻記憶圖像的性質(zhì)和形狀。不僅如此，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中熟悉了結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)習(xí)與研究的基本方法，充分將結(jié)構(gòu)化學(xué)的理論知識(shí)與分子模擬實(shí)踐相結(jié)合，體驗(yàn)了以科研的視角去分析問題、解決問題、獲得新知的過程。更加難能可貴的是，有學(xué)生通過自己繪制一維諧振子振動(dòng)波函數(shù)示意圖，發(fā)現(xiàn)了教材附圖中的一處印刷錯(cuò)誤[4]。

科學(xué)的發(fā)展是建立在繼承前人的研究結(jié)果，并在科學(xué)實(shí)踐過程中不斷地對(duì)已有認(rèn)識(shí)形成批判而發(fā)展的。例如，原子結(jié)構(gòu)理論模型正是一代又一代科學(xué)家在繼承、借鑒、批判前人研究成果，并在孜孜不倦地分析與探索過程中逐步建立的。這種科學(xué)精神和科學(xué)意識(shí)的形成必須依賴于科學(xué)活動(dòng)。如果僅僅是讀書、聆聽教師的講授，思維往往會(huì)被局限，實(shí)證意識(shí)往往會(huì)變得淡漠；相反，學(xué)生通過審慎地思考、縝密地分析、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)嫩`行，不僅能夠讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)的學(xué)習(xí)不能唯書唯上，還需自己親歷躬行。

2.以知識(shí)框架圖為學(xué)習(xí)工具，建立“結(jié)構(gòu)化學(xué)”學(xué)科網(wǎng)絡(luò)

要具備良好的理論與計(jì)算化學(xué)的學(xué)習(xí)與研究能力，必須具備系統(tǒng)化的結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，從整體上、宏觀上駕馭整個(gè)學(xué)科體系。學(xué)生需要將自己在科學(xué)活動(dòng)中所獲得的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)、提煉與提升，構(gòu)建自己的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。在以教師講授為主的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)過程中，這一點(diǎn)做得很不夠，不是忽視知識(shí)的系統(tǒng)化處理過程，就是將教師自我頭腦中已經(jīng)構(gòu)建好的體系直接傳遞給學(xué)生，供學(xué)生直接借鑒、吸取，而缺乏探索和整理的過程，缺失個(gè)性。

在“結(jié)構(gòu)化學(xué)”的課程教學(xué)過程中，通過學(xué)生自主根據(jù)自己的知識(shí)理解狀況繪制知識(shí)框架圖（Schema），以圖形而非文字的形式將結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)加以梳理。在具體的實(shí)施過程中，教師要求學(xué)生將結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)進(jìn)行梳理、歸類，根據(jù)具體的內(nèi)容繪制相應(yīng)的知識(shí)框架圖，不僅僅要全面涵蓋該內(nèi)容內(nèi)所有的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)要呈現(xiàn)出各知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，清晰地表明知識(shí)的結(jié)構(gòu)屬性和形成方式，使知識(shí)逐漸從“點(diǎn)”向“線、面”過渡。學(xué)生在繪制知識(shí)框架圖的時(shí)候，不需要根據(jù)課本上的章節(jié)順序來設(shè)計(jì)，也沒有固定的思路，更希望學(xué)生能夠呈現(xiàn)出自己對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)的理解。

以量子力學(xué)基本原理一章為例，學(xué)生繪制了該章的知識(shí)框架圖，展現(xiàn)出了量子力學(xué)基本原理所包括五方面內(nèi)容。這種教學(xué)方式不僅有助于幫助學(xué)生梳理結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)的來龍去脈，建立科學(xué)的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)體系，形成全面的關(guān)于結(jié)構(gòu)化學(xué)基本學(xué)科邏輯結(jié)構(gòu)和基本學(xué)習(xí)與研究思路的認(rèn)識(shí)；更有助于學(xué)生反思科學(xué)研究活動(dòng)過程和結(jié)果，總結(jié)開展科學(xué)學(xué)習(xí)與研究的視角和途徑，探索有待進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究的盲點(diǎn)和解決策略，最終建立起清晰的化學(xué)學(xué)科體系框架，并在具體知識(shí)基礎(chǔ)上形成化學(xué)觀念。

3.以多種形式呈現(xiàn)學(xué)習(xí)結(jié)果，提升能力同時(shí)以評(píng)促學(xué)

所謂“研而不發(fā)則囿”，在科學(xué)活動(dòng)中，通過書面報(bào)告（論文）和口頭匯報(bào)（學(xué)術(shù)報(bào)告）等形式，科學(xué)生動(dòng)地、多樣化地展示科學(xué)活動(dòng)成果，是科學(xué)工作者必須具備的能力和素質(zhì)。學(xué)生在實(shí)踐中解決了挑戰(zhàn)性問題，繪制了知識(shí)框架圖之后，需要完成關(guān)于學(xué)習(xí)與研究過程與結(jié)果的書面報(bào)告，同時(shí)在課堂中將自己的學(xué)習(xí)與研究過程與結(jié)果通過口頭匯報(bào)的形式向教師和同學(xué)展示。這樣能夠讓教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)研究過程，讓同學(xué)學(xué)習(xí)與借鑒研究方法和研究結(jié)果，同時(shí)也能夠接受教師與同學(xué)的批評(píng)指正，認(rèn)識(shí)到自己的研究不足之處，為今后開展深入的結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)習(xí)與研究工作啟迪思維、創(chuàng)設(shè)條件、打好基礎(chǔ)。

利用書面報(bào)告和口頭匯報(bào)等形式表達(dá)學(xué)習(xí)和研究過程與結(jié)果，在提高學(xué)生的基本科學(xué)研究素養(yǎng)的同時(shí)，也有助于從過程的角度、從個(gè)性化的角度、從個(gè)人全面發(fā)展的角度來開展并落實(shí)過程評(píng)價(jià)、全員評(píng)價(jià)，將過程評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合。傳統(tǒng)的以平時(shí)成績和期末考試成績?yōu)槲ㄒ辉u(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)方式，過多地局限于知識(shí)點(diǎn)的掌握，卻不能很好地考查學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)方式，更難以評(píng)價(jià)學(xué)生的科學(xué)研究基本素養(yǎng)。利用書面報(bào)告和口頭匯報(bào)則有效地彌補(bǔ)了單一評(píng)價(jià)方式的不足之處，最終達(dá)到以評(píng)促學(xué)的根本目的。這種以多個(gè)評(píng)價(jià)者從多個(gè)角度對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行評(píng)價(jià)的機(jī)制，關(guān)注學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中所表現(xiàn)出來的各方面能力和素質(zhì)而并非簡單的學(xué)習(xí)結(jié)果，有效促進(jìn)了學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的積極性，體現(xiàn)了過程評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的現(xiàn)代教育評(píng)價(jià)理念。

通過“活動(dòng)-提煉-總結(jié)”方式的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠在科學(xué)活動(dòng)中找到自己的長處，發(fā)現(xiàn)自己的潛能，體驗(yàn)到相互合作的樂趣以及自己的想法被他人肯定和接納時(shí)的成功愉悅感。學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中收獲的不僅僅是知識(shí)和能力，還有對(duì)自我的肯定，對(duì)他人的贊許，以及對(duì)學(xué)習(xí)、對(duì)科學(xué)研究的積極態(tài)度。同時(shí)，最難能可貴的是學(xué)生的學(xué)習(xí)能力普遍得到了提高，自主學(xué)習(xí)意識(shí)明顯增強(qiáng)，為他們今后更好地開展分子模擬研究乃至從事化學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 萬堅(jiān)等. “結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程內(nèi)容體系與教學(xué)方法的研究與實(shí)踐[A]//大學(xué)化學(xué)化工基礎(chǔ)課程報(bào)告論壇論文集[C]. 北京：高等教育出版社，2007：264-267.

[2] 夏禹龍. 科學(xué)學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京：科學(xué)出版社，1983：45.

篇8

【關(guān)鍵詞】 量子通信 金融信息 接口標(biāo)準(zhǔn) 安全性設(shè)計(jì) 檢測規(guī)范

一、概述

金融信息系統(tǒng)的安全穩(wěn)定依賴于通信網(wǎng)絡(luò)，而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其所面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)種類也將更多、范圍更大、層次更深入；隨著人類計(jì)算能力的不斷提高，依賴算法復(fù)雜性來增加安全等級(jí)的傳統(tǒng)加密手段，已經(jīng)逐漸不能抵御日益強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。因此，迫切需要研究新的安全通信技術(shù)，通過技術(shù)創(chuàng)新，為構(gòu)筑高安全等級(jí)的新一代金融信息系統(tǒng)通信基礎(chǔ)設(shè)施提供新思路、新方法。

對(duì)于金融系統(tǒng)的客戶而言，其交易過程是否安全、其交易結(jié)果的數(shù)據(jù)是否得到高可信度的存儲(chǔ)，一直是倍加關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)金融系統(tǒng)本身，不管是網(wǎng)絡(luò)交易、手機(jī)交易各種新式交易手段，還是傳統(tǒng)的交易所柜臺(tái)交易，以及對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求（冗災(zāi)備份），始終表現(xiàn)出對(duì)信息安全的高度關(guān)注。國際金融行業(yè)普遍使用的基于復(fù)雜計(jì)算問題的加密算法都無法回避算法被破解的隱患。更嚴(yán)重的后果是，己方不知情密碼體系遭到破解而仍在使用，所有金融秘密即一覽無遺地暴露在對(duì)方眼下。

而在目前可實(shí)用化保密通信體系中唯有量子保密通信具有嚴(yán)格的安全性證明。量子通信是量子密碼術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，可實(shí)現(xiàn)無條件安全的通信數(shù)據(jù)傳輸。1984年，Benett和Brassard 提出了首個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議（Quantum Key Distribution，QKD），即BB84協(xié)議【1】。后來誘騙態(tài)方法的提出【2】成功地解決了非理想單光子源存在的問題，很大程度地拓展了量子通信距離。目前實(shí)用化QKD系統(tǒng)中，大多采用基于誘騙態(tài)方案的BB84協(xié)議。

應(yīng)用量子保密通信原理性技術(shù)手段，在物理層上實(shí)現(xiàn)金融數(shù)據(jù)量子加密傳輸與存儲(chǔ)解決方案，作為未來金融與資訊領(lǐng)域的先進(jìn)通信安全技術(shù)手段儲(chǔ)備，滿足未來金融與資訊領(lǐng)域的通信安全重大需求，具有重要的戰(zhàn)略意義。在這個(gè)過程中，迫切需要制定量子通信設(shè)備在金融信息領(lǐng)域中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，尤其是接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、安全性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品測試規(guī)范等，這是量子通信技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中產(chǎn)業(yè)化推廣的必經(jīng)之路，是大規(guī)模推廣量子通信產(chǎn)品的有效途徑。本文就將對(duì)以上幾個(gè)研究課題和方向進(jìn)行初步探討，旨在啟動(dòng)金融量子設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的研究和探討。

二、量子通信設(shè)備管控與密鑰接口標(biāo)準(zhǔn)的研究

2.1研究目的

通過量子網(wǎng)絡(luò)，量子通信設(shè)備能夠?yàn)橥ㄐ烹p方安全地分配量子密鑰，而目前大部分經(jīng)典設(shè)備依然使用經(jīng)典密碼學(xué)算法對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密處理，因此有被破解和篡改的風(fēng)險(xiǎn)。為了便于量子通信設(shè)備與傳統(tǒng)設(shè)備融合，更好實(shí)現(xiàn)管控指令和密鑰數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸，以及在行業(yè)內(nèi)大規(guī)模推廣，需要制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的管控與密鑰接口。

2.2研究內(nèi)容

該接口主要實(shí)現(xiàn)量子設(shè)備與應(yīng)用設(shè)備之間的管控指令和密鑰數(shù)據(jù)交互，主要研究內(nèi)容包括：

1.研究應(yīng)用設(shè)備向量子設(shè)備申請(qǐng)量子密鑰的流程，同時(shí)充分考慮量子設(shè)備與傳統(tǒng)密碼設(shè)備之間的差異，如時(shí)延、成碼率等；

2.應(yīng)用設(shè)備與量子設(shè)備之間接口的密鑰傳輸可靠性研究，充分考慮量子密鑰產(chǎn)生的非連續(xù)、突發(fā)等特性；

3.研究應(yīng)用設(shè)備與量子設(shè)備之間的管控方式，結(jié)合量子設(shè)備的固有特點(diǎn)，比如需要結(jié)合量子信道切換等等；

4.研究應(yīng)用設(shè)備對(duì)量子設(shè)備的異常處理方式，確保接口或設(shè)備異常時(shí)能夠及時(shí)上報(bào)管控系統(tǒng)并得到相應(yīng)的處理。

三、量子通信設(shè)備安全性設(shè)計(jì)研究

3.1研究目的

從原理上來說，量子密鑰分發(fā)不依賴于計(jì)算的復(fù)雜性來保證通信安全，而是基于量子力學(xué)基本原理，從原理上保證了一旦存在竊聽就必然被發(fā)現(xiàn)。換言之，一旦成功在通信雙方建立了密鑰，這組密鑰就是安全的，而這種密鑰從原理上是無法被破解的。量子密碼系統(tǒng)的安全性不會(huì)受到計(jì)算能力和數(shù)學(xué)水平的不斷提高的威脅，從而保證了利用量子密碼系統(tǒng)加密的信息不僅在現(xiàn)在是安全的，而且在未來都是安全的。因此，量子保密通信是人類已知唯一的具有長期安全性保障的安全通信解決方案。

然而，對(duì)于實(shí)際設(shè)備，即使嚴(yán)格遵循理論依據(jù)進(jìn)行密鑰提取，也需要考慮很多其它因素導(dǎo)致的安全患，比如電磁泄漏、遠(yuǎn)程侵入、器件不完美等，另外還有很多管理制度方面的安全隱患。

因此，有必要從設(shè)計(jì)角度對(duì)量子通信設(shè)備提一些安全性要求，用于指導(dǎo)后續(xù)量子設(shè)備的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

3.2研究內(nèi)容

這里的安全性設(shè)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注量子通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)的合規(guī)性、抗量子攻擊、設(shè)備軟硬件的安全性等，主要研究內(nèi)容如下：

1.研究對(duì)QKD密碼協(xié)議過程的評(píng)測方法，對(duì)產(chǎn)品是否遵循量子密鑰分發(fā)協(xié)議進(jìn)行評(píng)估；

2.研究評(píng)估量子設(shè)備抗量子攻擊的方法，提出相關(guān)抗量子攻擊的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)和方式；

3.針對(duì)量子設(shè)備算法相關(guān)的主要過程，如身份認(rèn)證、隱私放大等，研究評(píng)估核心算法安全性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)；

4.分析量子設(shè)備在金融信息系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的可能安全隱患，給出量子設(shè)備在軟硬件方面的安全性設(shè)計(jì)要求。

四、量子通信設(shè)備環(huán)境檢測規(guī)范的研究

4.1研究目的

作為一款新產(chǎn)品，有必要制定出一套金融領(lǐng)域應(yīng)用環(huán)境下量子設(shè)備的入圍檢測規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，一方面可以提高設(shè)備在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，另一方面，也可以為后續(xù)量子通信設(shè)備應(yīng)用于金融系統(tǒng)提供必要的測評(píng)依據(jù)。

4.2研究內(nèi)容

這里擬研究的環(huán)境檢測規(guī)范，重點(diǎn)是關(guān)注量子設(shè)備在實(shí)際環(huán)境下運(yùn)行效果。主要研究內(nèi)容包括：

1.研究如何進(jìn)行不同長度光纜及其在各種環(huán)境下的模型建立；

2.通過分析量子設(shè)備在實(shí)際電磁環(huán)境下的運(yùn)行情況，給出光量子編碼技術(shù)在該環(huán)境下的可行性或是否可行的檢測方法；

3.分析量子設(shè)備在不同環(huán)境下的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，尤其是錯(cuò)誤率、成碼率等，給出評(píng)估設(shè)備是否能在實(shí)際環(huán)境中使用的評(píng)測標(biāo)準(zhǔn)；

五、結(jié)語

金融信息系統(tǒng)的安全穩(wěn)定依賴于通信網(wǎng)絡(luò)，而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其所面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)種類也將更多、范圍更大、層次更深入；因此，迫切需要研究新的安全通信技術(shù)，通過技術(shù)創(chuàng)新，為構(gòu)筑高安全等級(jí)的新一代金融信息系統(tǒng)通信基礎(chǔ)設(shè)施提供新思路、新方法。而量子通信技術(shù)目前已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用，從國家安全的角度來看，使用量子通信手段，提高金融信息數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的可靠性、安全性和穩(wěn)定性，是一個(gè)值得研究和發(fā)展的方向，兩者結(jié)合能夠有利于金融信息的保密傳輸。從國內(nèi)外大趨勢來看，光纖量子通信技術(shù)已經(jīng)逐步實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化，這為量子通信技術(shù)融入金融信息系統(tǒng)提供了得天獨(dú)厚的條件，金融量子通信網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)業(yè)化前景值得期待。

在這一大的背景需求下，本文提出了上述研究和應(yīng)用方向，旨在啟動(dòng)量子設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的研究和探討。短期內(nèi)，可以為量子設(shè)備在金融信息領(lǐng)域的應(yīng)用示范提供設(shè)計(jì)依據(jù)；中長期來看，可以此為契機(jī)逐步制定和推廣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)甚至國家標(biāo)準(zhǔn)，讓更多的企業(yè)和科研院所參與到量子通信產(chǎn)業(yè)化中來，為最終實(shí)現(xiàn)金融信息系統(tǒng)量子安全通信網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

篇9

[關(guān)鍵詞]計(jì)算材料學(xué)；綜合教學(xué)；課程起源

[中圖分類號(hào)] G40-011 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）08-0155-02

一、前言

計(jì)算材料學(xué)是一門正快速發(fā)展的材料科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)交叉的新興學(xué)科，它能夠利用相應(yīng)計(jì)算方法對(duì)材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行設(shè)計(jì)與模擬；廣泛涉及材料、物理、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、化學(xué)等多門學(xué)科。[1]可以說，計(jì)算材料學(xué)是材料學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)的橋梁連接。[2]學(xué)習(xí)計(jì)算材料學(xué)能讓學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生養(yǎng)成在制備材料前從理論上設(shè)計(jì)新材料并預(yù)測其性質(zhì)的良好思路。

作為材料類專業(yè)的重要課程，我們?cè)诮虒W(xué)過程中存在著不少的問題：1.具有計(jì)算材料學(xué)研究背景的師資力量欠缺；2.授課方法單一、枯燥，課堂效果不好；3.實(shí)踐條件的欠缺很難保證教學(xué)效果。為了提高計(jì)算材料學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生更好地掌握材料設(shè)計(jì)和性能預(yù)測的基本能力，我們結(jié)合存在的問題和教學(xué)改革的實(shí)踐，對(duì)計(jì)算材料學(xué)的課程教學(xué)提出一些改革方法。

二、了解起源，培養(yǎng)興趣

計(jì)算材料學(xué)是一門十分抽象、理論性極強(qiáng)的課程，書中理論眾多并伴隨著數(shù)不清的陌生的符號(hào)、公式和注釋，這往往讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中望而卻步。傳統(tǒng)的計(jì)算材料學(xué)教學(xué)通常是讓學(xué)生在課后反復(fù)操練習(xí)題，以至可以靈活應(yīng)用這些公式定律來解題。結(jié)果不言而喻，學(xué)生往往知其然，而不知其所以然，很難提起學(xué)習(xí)的興趣。因此，授之以魚，還得授之以漁，在教學(xué)過程中追本溯源，將理論的來龍去脈講述清楚，教給學(xué)生創(chuàng)造的思維和方法顯得更為重要。

計(jì)算材料學(xué)不僅蘊(yùn)含著復(fù)雜的變量、方程和實(shí)驗(yàn)方法等知識(shí)，而且還充滿了疑問，這些疑問把學(xué)生帶入充滿曲折的探索之旅。所以，在計(jì)算材料教學(xué)中將課程重點(diǎn)和難點(diǎn)融為一體，可以在不知不覺中起到“潤物細(xì)無聲”的獨(dú)特效果。

計(jì)算材料學(xué)課程教改的目標(biāo)是轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，讓學(xué)生懂得計(jì)算模擬的起源、材料計(jì)算設(shè)計(jì)的基本方法和基本內(nèi)容以及與之相關(guān)的計(jì)算材料的前沿知識(shí)，引入與之相關(guān)的計(jì)算模擬案例介紹，從而使其具有一定的理論素養(yǎng)，培養(yǎng)其科學(xué)的態(tài)度、方法和精神。

三、引入拋錨式教學(xué)模式，提高課堂質(zhì)量

拋錨式教學(xué)也稱實(shí)例式教學(xué)，是由美國溫特貝爾特大學(xué)匹波迪教育學(xué)院開發(fā)的一種教學(xué)模式。其要求學(xué)生在某種類型個(gè)案的實(shí)際環(huán)境中去感受和體驗(yàn)問題，而不是聽經(jīng)驗(yàn)的間接介紹和講解。真實(shí)的感受案例或情境，可以激發(fā)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生觀察和思考，形成一種探索與研究的習(xí)慣。

根據(jù)課程的特點(diǎn)，適當(dāng)選擇講述一些有關(guān)課程的起源與發(fā)展的案例，使其自然地融入課堂。再結(jié)合教材內(nèi)容“見縫插針”，讓學(xué)生理解重要定理、公式是怎么來的，為什么要這么命名，相關(guān)定理、公式背后都有哪些有趣、有意義的故事，使學(xué)生產(chǎn)生一種情景記憶，而不是死記硬背，從而引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和挖掘。

以本課程中的量子力學(xué)基礎(chǔ)為例，詳細(xì)介紹量子力學(xué)的發(fā)展歷程可以讓學(xué)生更好地理解量子力學(xué)的基本意義和它對(duì)于學(xué)好計(jì)算材料學(xué)的重要作用。如利用信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)一個(gè)量子力學(xué)發(fā)展歷程的故事或一段經(jīng)歷，用一根主線將求解量子力學(xué)波函數(shù)問題融入情境故事或經(jīng)歷中，使學(xué)生趟著主線求解復(fù)雜的問題。見表1：[3] [4]

圍繞相關(guān)原理、公式如不確定性原理、薛定諤方程等，開發(fā)可共享的經(jīng)驗(yàn)，展開教學(xué)活動(dòng)，使學(xué)生掌握態(tài)矢量、波粒二象性和量子測量等概念知識(shí)，老師在學(xué)生獲得概念知識(shí)的初始階段需要提供較多的指導(dǎo)。創(chuàng)造機(jī)會(huì)使學(xué)生擁有更多的自進(jìn)行獨(dú)立探究或小組探究，圍繞求解薛定諤方程所做的近似求解思想和方法，查找或探究相關(guān)的隱藏或缺失的信息。

運(yùn)用知識(shí)作為問題求解的工具。學(xué)生運(yùn)用相關(guān)定理、公式中隱含的信息或線索，積極制訂解決問題的計(jì)劃。為此，學(xué)生需要先探究一些問題，以確定輔助解決整個(gè)問題的補(bǔ)充信息。教師們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，將計(jì)算材料軟件如CASTEP、VASP和Abinit等引入教學(xué)中，使學(xué)生有接觸解決實(shí)際問題的工具的機(jī)會(huì)。同時(shí)，教師們更需要了解學(xué)生的理解能力、決策能力和推理能力，從而更好地為學(xué)生的問題求解提供“腳手架”。

制訂一套整合相關(guān)原理、公式的教學(xué)方案。引導(dǎo)學(xué)生們閱讀更多學(xué)科知識(shí)的內(nèi)容，共同探究相關(guān)的故事，使學(xué)生們沉浸在相關(guān)的模擬情境中，從而加深對(duì)概念知識(shí)的理解并整合不同學(xué)生的概念知識(shí)，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力。

共同分享所學(xué)內(nèi)容。學(xué)生們將他們對(duì)相關(guān)原理、公式問題和拓展性問題探究結(jié)果呈現(xiàn)出來，從不同角度探討解決綜合問題的策略，深層次地理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，從而為學(xué)習(xí)共同體作出貢獻(xiàn)。[4]

四、以史為鑒，培養(yǎng)科學(xué)精神

科學(xué)精神包括探索精神、求真精神、民主精神、實(shí)踐精神和懷疑批判精神等等。中國的應(yīng)試教育使得廣大學(xué)生太相信書本和教師，摧殘了學(xué)生批判性思維能力，因此在教學(xué)中可結(jié)合一些計(jì)算材料學(xué)的歷史，加強(qiáng)學(xué)生批判思維能力的培養(yǎng)。

例如，在計(jì)算材料學(xué)課堂中引入愛因斯坦對(duì)薛定諤、德布羅意等的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑的案例。[5]

愛因斯坦在1924年對(duì)泡利反對(duì)連續(xù)區(qū)理論的觀點(diǎn)上發(fā)表示了“完全的因果性”的看法，針對(duì)玻爾關(guān)于輻射的波動(dòng)在本質(zhì)上是幾率波的假設(shè)而評(píng)論：“玻爾關(guān)于輻射的意見是很有趣的。但是，我決不愿意被迫放棄嚴(yán)格的因果性，將對(duì)它進(jìn)行更強(qiáng)有力的保衛(wèi)。我覺得完全不能容忍這樣的想法，即認(rèn)為電子受到輻射的照射，不僅它的跳躍時(shí)刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去選擇?！?/p>

愛因斯坦對(duì)“量子力學(xué)僅可建立在可觀察量的基礎(chǔ)上”這一觀點(diǎn)也提出異議。1926年春天，他在海森堡的一次談話中，提出了“是理論決定我們能夠觀察到的東西”的觀點(diǎn)。

通過學(xué)習(xí)計(jì)算材科料學(xué)史，可以引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)公式、方程的產(chǎn)生。如引導(dǎo)學(xué)生思考：從薛定諤方程產(chǎn)生到解決過程中真正創(chuàng)造了些什么？哪些思想、方法代表著薛定諤方程相對(duì)于以往的實(shí)質(zhì)進(jìn)步？科學(xué)工作者在求解薛定諤方程遇到瓶頸時(shí)，成功創(chuàng)造了近似求解的方法，這種方法可以從微擾理論到變分理論再到密度泛函理論，這不僅體現(xiàn)了量子力學(xué)理論的一大進(jìn)步，更體現(xiàn)科學(xué)工作者對(duì)尋求真理的孜孜不倦的精神。[6]通過對(duì)計(jì)算材料科學(xué)史的學(xué)習(xí)，可以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造性思維，同時(shí)學(xué)習(xí)薛定諤為追求真理，而百折不撓、義無反顧、獻(xiàn)身科學(xué)的精神，感受薛定諤治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、剛正真誠、淡泊名利的風(fēng)范和人格魅力。

五、結(jié)論

計(jì)算材料學(xué)作為一門新興科學(xué)，是材料類專業(yè)人才培養(yǎng)中的重要基礎(chǔ)課程。然而在教學(xué)過程中由于師資力量薄弱、教學(xué)方法單一、研究對(duì)象復(fù)雜、實(shí)踐條件有限等問題，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低下、教學(xué)效果不明顯。我們?cè)诮虒W(xué)過程中應(yīng)運(yùn)用科學(xué)發(fā)展過程中蘊(yùn)藏的豐富的教育資源，通過講授學(xué)科起源、發(fā)展以及應(yīng)用的案例，使學(xué)生了解知識(shí)的形成過程，同時(shí)引入拋錨式教學(xué)模式將一個(gè)個(gè)真實(shí)生動(dòng)的科學(xué)形象，融入日常課堂教學(xué)之中，從而提高課堂教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，應(yīng)有意識(shí)地加強(qiáng)計(jì)算材料學(xué)發(fā)展史的講授，使知識(shí)、原理和規(guī)律變得生動(dòng)而鮮活，更使學(xué)生的科學(xué)思想、科研方法、科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)素養(yǎng)等得到熏陶和培養(yǎng)。

[ 注 釋 ]

[1] 張躍，谷景華，尚家香.計(jì)算材料學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2] （德）D?羅伯，項(xiàng)金鐘，吳興惠.計(jì)算材料學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[3] 許良英.愛因斯坦文集[M].北京：商務(wù)印書館，1977（1）.

[4] （美）J?梅拉H?雷琴堡.量子理論的歷史發(fā)展[M].北京：科學(xué)出版社，1990.

篇10

關(guān)鍵詞 物理專業(yè) 物理師范專業(yè) 課程體系

中圖分類號(hào)：G649.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2016.10.003

Abstract The curriculum system of physics department and physics teacher education of Baylor University are introduced in detail. It is easy to see that the undergraduate enrollment of physics majors is a little less that is similar to our country. And the undergraduate majors of Baylor physics department are more reasonable， the degrees are more selectable. Their curriculum system is broad and profound， emphasizing of interdisciplinary development. The physics teacher education is separate from physics department， and is undertaken by the school of education， emphasizing interdisciplinary studies and teaching practice. Other mountain's stone can carve jade. These things are definitely meaningful for the transformation development of physics department in our local college.

Keywords physics； physics teacher education； curriculum system

美國貝勒大學(xué)位于德克薩斯州韋科市，是一所私立的基督教會(huì)大學(xué)。1845年2月，德克薩斯基督教育協(xié)會(huì)發(fā)起創(chuàng)辦，德克薩斯共和國總統(tǒng)安森?瓊斯簽署國會(huì)行動(dòng)令，命名為貝勒大學(xué)貝勒大學(xué)是一所綜合性大學(xué)，設(shè)有文理學(xué)院、教育學(xué)院、商學(xué)院等12個(gè)教學(xué)學(xué)院，共有160個(gè)專業(yè)，在校學(xué)生16000多人。每個(gè)學(xué)院的教學(xué)系數(shù)目不同，其中物理系所在的文理學(xué)院有25個(gè)系，物理師范專業(yè)所在的教育學(xué)院，卻只3個(gè)系。

貝勒物理系有教師21人，其中教授6人，副教授7人，助理教授2人，高級(jí)講師3人，講師3人，博士19人，碩士2人。實(shí)行教授預(yù)聘制度，即對(duì)新進(jìn)教師實(shí)行5年試用期，試用期滿考核決定去留?？己撕细窦催M(jìn)入終身教職行列。對(duì)任課教師的考評(píng)，主要通過系學(xué)術(shù)委員會(huì)對(duì)每位教師從教學(xué)、科研、社區(qū)服務(wù)三個(gè)方面進(jìn)行考核。下面為物理系歷年在校本科生人數(shù)（大一到大四年級(jí)人數(shù)合計(jì)）：2015，60人；2014，53人；2013，61人；2012，45人；2011，41人；2010，41人；2009，40人；2008，39人；2007，33人；2006，24人?？梢钥闯?，每一屆平均招生10.9人。實(shí)際畢業(yè)的人數(shù)還會(huì)減少，因?yàn)檗D(zhuǎn)專業(yè)或被開除，例如，2013年畢業(yè)本科生5人，2015年畢業(yè)本科生8人。與數(shù)學(xué)系和化學(xué)系人數(shù)相比，是最少的，可見，學(xué)習(xí)的難易程度和工作機(jī)會(huì)的優(yōu)劣決定了物理系學(xué)生人數(shù)少是國際上的普遍現(xiàn)象。

貝勒物理系只3個(gè)與物理有關(guān)專業(yè)：物理學(xué)、天文學(xué)和天體物理學(xué)?？墒谟?個(gè)學(xué)士學(xué)位：物理理學(xué)學(xué)士、物理理學(xué)學(xué)士（計(jì)算科學(xué)）、物理理學(xué)學(xué)士（醫(yī)療保健預(yù)科）、物理文科學(xué)士、天文理學(xué)學(xué)士、天文文科學(xué)士、天體物理理學(xué)學(xué)士和天體物理文科學(xué)士。物理師范專業(yè)包括中小學(xué)科學(xué)教師專業(yè)和中學(xué)高年級(jí)物理科學(xué)教師專業(yè)，授予理學(xué)教育學(xué)士學(xué)位。

1 貝勒物理系的課程體系

貝勒的物理學(xué)、天文學(xué)和天體物理學(xué)的文科學(xué)位提供相應(yīng)領(lǐng)域內(nèi)核心課程的傳統(tǒng)人文科學(xué)教育。物理學(xué)、天文學(xué)和天體物理學(xué)的理學(xué)學(xué)位提供該領(lǐng)域內(nèi)全面綜合課程的學(xué)習(xí)，為后續(xù)的研究生學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備，或者為技術(shù)、醫(yī)藥、教育、法律、經(jīng)濟(jì)、工業(yè)和其它職業(yè)做準(zhǔn)備。鼓勵(lì)跨學(xué)科學(xué)習(xí)，尤其是與計(jì)算物理或醫(yī)療保健預(yù)科相關(guān)的物理課程。

其課程體系分為主修課程、第二主修課程和副修課程三類以及四個(gè)層次。主修課程是獲得相應(yīng)學(xué)位時(shí)所要求的。第二主修課程和副修課程是供其它專業(yè)學(xué)生選修，其中修完第二主修課程后，會(huì)在他的學(xué)位證書上注明其第二專業(yè)是什么。副修課程的數(shù)量及要求都最低。

1.1 物理系開設(shè)的課程體系

1.1.1 1000層次

PHY 1404 光視學(xué)：有關(guān)光、光學(xué)、攝影、視覺、顏色和其它視現(xiàn)象的物理概念。

PHY 1405 文科普通物理：物理概念和歷史發(fā)展以及專題選講。

PHY 1407 聲音和聲學(xué)：有關(guān)聲音、聲音產(chǎn)生和聲源性質(zhì)的物理。介紹用于記錄、產(chǎn)生和分析聲音的一些儀器設(shè)備以及學(xué)習(xí)一些建筑聲學(xué)知識(shí)。

PHY 1408 自然和行為科學(xué)I的普通物理：有關(guān)力學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)的一些基本知識(shí)，強(qiáng)調(diào)相關(guān)的物理概念、問題解決、符號(hào)和單位的學(xué)習(xí)。

PHY 1409自然和行為科學(xué)II的普通物理：有關(guān)電、磁、光以及現(xiàn)代物理的一些基本知識(shí)，強(qiáng)調(diào)相關(guān)的物理概念、問題解決、符號(hào)和單位的學(xué)習(xí)。

PHY 1420 普通物理I：有關(guān)力學(xué)、波動(dòng)、聲學(xué)、熱學(xué)的基本原理和應(yīng)用。

PHY 1430 普通物理II：有關(guān)電、磁、光和現(xiàn)代物理的基本原理和應(yīng)用。

PHY 1455 描述天文學(xué)：天文學(xué)及其和人類發(fā)展的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)太陽系、行星、小行星、流星、彗星等。

PHY 1V95 物理的獨(dú)立學(xué)習(xí)：在老師的輔導(dǎo)下的獨(dú)立學(xué)習(xí)。

1.1.2 2000層次

PHY 2135 基本電學(xué)實(shí)驗(yàn)：電路和電子的原理和應(yīng)用。

PHY 2190 物理研究介紹：為本科研究做準(zhǔn)備。包括研究技術(shù)、選導(dǎo)師和完成研究計(jì)劃書。

PHY 2350 現(xiàn)代物理：包括狹義相對(duì)論、量子力學(xué)引論、原子分子結(jié)構(gòu)、核物理和粒子物理等。

PHY 2360 數(shù)學(xué)物理和計(jì)算物理：包括矩陣、矢量、坐標(biāo)變換、數(shù)值計(jì)算、混沌分形微分方程特殊函數(shù)等。

PHY 2455 基本天文學(xué)：現(xiàn)代天文學(xué)的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)其技術(shù)、歷史以及目前宇宙的演化圖。

1.1.3 3000層次

PHY 3175 介質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)I：實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、數(shù)據(jù)分析和誤差分析。密立根油滴實(shí)驗(yàn)、法拉第常數(shù)測定、汽泡室攝影測量、蓋革計(jì)數(shù)、半衰期測定等。

PHY 3176 介質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)II：強(qiáng)調(diào)核計(jì)數(shù)及測量。

PHY 3305 發(fā)明和技術(shù)歷史包括科學(xué)家的傳記。

PHY 3320 經(jīng)典介質(zhì)力學(xué)：包括矢量、線性變換、單個(gè)粒子牛頓力學(xué)、線性和非線性振動(dòng)、Euler方程、拉格朗日和哈密頓動(dòng)力學(xué)、共點(diǎn)力以及軌道運(yùn)動(dòng)等。

PHY 3330 介質(zhì)電磁學(xué)：包括靜電、拉普拉斯方程、鏡像法、多極子展開、靜磁和麥克斯韋方程。

PHY 3350 天文主題：天文和天體物理中當(dāng)前的研究主題。

PHY 3372 量子力學(xué)概論I：量子力學(xué)假定、希爾伯特空間算符、疊加原理、可觀測量、演化、守恒律、一維有界和無界態(tài)、WKB近似以及固體導(dǎo)電理論。

PHY 3373 量子力學(xué)概論II：三維問題、微擾理論、幺正理論、量子統(tǒng)計(jì)、原子光譜、固體原子核基本粒子物理介紹。

PHY 3455 觀測天文學(xué)：天文觀測基本手段，尋找和鑒別天體。

PHY 3V95 物理本科研究。

1.1.4 4000層次

PHY 4001 畢業(yè)考試：由系部組織，類似于GRE專業(yè)考試。PHY 4150 天文觀測概論。

PHY 4190 物理研究結(jié)果。PHY 4322 經(jīng)典物理的現(xiàn)代主題：包括粒子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、剛體運(yùn)動(dòng)、耦合振動(dòng)、一維波動(dòng)方程、規(guī)范變換、導(dǎo)體和絕緣體中的電磁波、色散、多極輻射、Linard-Wiechert勢、相對(duì)論性電動(dòng)力學(xué)等。

PHY 4340 熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理：概率、宏觀熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)、熱動(dòng)力學(xué)、量子統(tǒng)計(jì)。

PHY 4350 星系結(jié)構(gòu)和演化概論：星和星系包括黑洞、矮星、中子星的定量研究。

PHY 4351 現(xiàn)代宇宙概論：可觀測宇宙、牛頓引力、相對(duì)論宇宙模型、宇宙熱歷史等。

PHY 4360 計(jì)算物理模型：應(yīng)用當(dāng)代計(jì)算機(jī)解決物理和工程問題的若干模型。

PHY 4372 固體物理概論。PHY 4373 粒子、核物理概論。

PHY 4374 相對(duì)論性量子力學(xué)。

1.2 物理系學(xué)生選修其它系的課程

1.2.1 數(shù)學(xué)課程

MTH 1321 微積分I：單變量微分、定積分和微積分理論。

MTH 1322 微積分II：單變量積分、微分方程、斜率場和級(jí)數(shù)。

MTH 2311 線性代數(shù)：矢量、矩陣算子、線性變換、矢量空間特點(diǎn)、線性系統(tǒng)、本征值和本征矢。MTH 2321 微積分III：多變量微分積分，格林函數(shù)。

MTH 3325 常微分方程：一階常微分方程、二階高階線性方程、級(jí)數(shù)方法、拉普拉斯變換等。

MTH 3326 偏微分方程：物理偏微分方程、分離變量法、傅里葉級(jí)數(shù)、邊值問題、傅里葉積分。

1.2.2 計(jì)算科學(xué)課程

CSI 1430 計(jì)算科學(xué)I。CSI 1440 計(jì)算科學(xué)II。CSI 2334 計(jì)算系統(tǒng)概論。CSI 2350 離散結(jié)構(gòu)。

CSI 3324 數(shù)值方法。

1.2.3 生物課程

BIO 1105、1106現(xiàn)代生物科學(xué)概念（實(shí)驗(yàn)）。BIO 1305、1306 現(xiàn)代生物科學(xué)概念。

1.2.4 化學(xué)課程

CHE 1301 現(xiàn)代化學(xué)基本概念I(lǐng)。CHE 1302現(xiàn)代化學(xué)基本概念I(lǐng)I。CHE 1316 實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)。

CHE 3331 生物化學(xué)I。CHE 3332 生物化學(xué)II。CHE 3238 生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1.2.5 宗教課程

REL 1310 基督教圣經(jīng)。REL 1350 基督教傳統(tǒng)。

1.2.6 英語課程

ENG 1302 英語思維和寫作。ENG 1304 英語思維寫作和研究。ENG 2304 美國文學(xué)。

ENG 3330 英語寫作技巧。

1.2.7 政治科學(xué)課程

PSC 2302 美國憲法發(fā)展。

1.3 物理系各專業(yè)的第二主修課程和副修課程

1.3.1 物理學(xué)第二主修課程

PHY 1420、1430、2135、2350、2360、3320、3330、3372、3373、4322、4340、4001；PHY 4000層次任3學(xué)分；MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.3.2 物理學(xué)副修課程

PHY 1420、1430、2350；3000或4000層次任分。

1.3.3 天文學(xué)第二主修課程

PHY 1420、1430、2350、2360、2455、3320、3350、3455、4150、4350、4351、4001；MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.3.4 天文學(xué)副修課程

PHY 1420、1430、2455、3350、3455；其它PHY 3000或4000任3學(xué)分。

1.3.5 天體物理學(xué)第二主修課程：

PHY 1420、1430、2350、2360、2455、3320、3350、3455、3372、4340、4001；PHY4350、4351中任一門；MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.3.6 天體物理學(xué)副修課程

PHY 1420、1430、2455；PHY 3350、4350、4351中任兩門；其它PHY3000或4000任3學(xué)分。

1.4 物理系各學(xué)位的主修課程

每個(gè)學(xué)位修滿至少124學(xué)分，其中3000/4000層次36學(xué)分。從以下課程計(jì)劃可以看出，一是課程面寬廣，有一定深度；二是強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)科交叉。

1.4.1 物理理學(xué)學(xué)位主修課程

PHY 1420、1430、2135、2190、2350、2360、3175、3176、3320、3330、3372、3373、4190、4322、4340、4001；PHY 4372、4373、4374中任兩門；CHE任3學(xué)分、CSI 任3學(xué)分、REL 1310、1350、ENG 3330、PSC 2302、MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.4.2 物理理學(xué)學(xué)位主修課程（計(jì)算物理）

PHY 1420、1430、2135、2190、2350、2360、3175、3320、3330、3372、3373、4190、4340、4360、4001；CSI 1430、1440、2334、2350、3324、REL 1310、1350、ENG 3330、PSC 2302；MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.4.3 物理理學(xué)學(xué)位主修課程（醫(yī)療保健預(yù)科）

PHY 1420、1430、2135、2190、2350、2360、3175、3320、3330、3372、3373、4190、4340、4001；BIO 1305-1105、1306-1106、3000或4000層次任6學(xué)分、CSI任3學(xué)分、REL 1310、1350、ENG 3330、PSC 2302； MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.4.4 物理文科學(xué)位主修課程

PHY 1420、1430、2135、2350、2360、3175、3176、3320、3330、3372、4001；PHY 3373、4322、4340、4360、4372、4373、4374中任兩門；CHE任3學(xué)分、CSI任3學(xué)分、REL 1310、1350、ENG 3330、PSC 2302、MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.4.5 天文理學(xué)學(xué)位主修課程

PHY 1420、1430、2190、2350、2360、2455、3320、3350、3455、4150、4190、4350、4351、4001；其它PHY 3000或4000任6學(xué)分；CSI任3學(xué)分、CHE任3學(xué)分、REL 1310、1350、ENG 3330、PSC 2302、MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.4.6 天文文科學(xué)位主修課程

PHY 1420、1430、2350、2360、2455、3320、3350、3455、4150、4350、4351、4001；CSI任3學(xué)分、CHE任3學(xué)分、REL 1310、1350、ENG 3330、PSC 2302、MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.4.7 天體物理理學(xué)學(xué)位主修課程

PHY 1420、1430、2190、2350、2360、2455、3320、3330、3350、3372、3373、4190、4340、4350、4351、4001；其它PHY 4000任3學(xué)分；CSI任3學(xué)分、CHE任3學(xué)分、REL 1310、1350、ENG 3330、PSC 2302、MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.4.8 天體物理文科學(xué)位主修課程

PHY 1420、1430、2350、2360、2455、3320、3350、3455、4150、4350、4351、4001；CSI任3學(xué)分、CHE任3學(xué)分、REL 1310、1350、ENG 3330、PSC 2302、MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

2 貝勒物理師范課程體系

貝勒基礎(chǔ)物理師資培養(yǎng)脫離了物理系，由教育學(xué)院承擔(dān)（但基礎(chǔ)數(shù)學(xué)師資培養(yǎng)仍然在數(shù)學(xué)系，而化學(xué)系沒有師范教育）。這樣利于突出師范培訓(xùn)，增強(qiáng)畢業(yè)生的師范技能。美國的小學(xué)為1-6年級(jí)、中學(xué)7-12年級(jí)。下面的中小學(xué)指4-8年級(jí)，中學(xué)高年級(jí)指9-12年級(jí)。

2.1 教師教育課程

TED 1112 教育技術(shù)試驗(yàn) I，達(dá)到德州教育委員會(huì)的認(rèn)證要求。TED 2112教育技術(shù)試驗(yàn) II。

TED 1312 教學(xué)導(dǎo)論 I：學(xué)習(xí)教學(xué)策略并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐。TED 2330 中小學(xué)教學(xué)：中小學(xué)教師的職責(zé)作用及實(shí)踐。TED 2340 中學(xué)高年級(jí)教師的職責(zé)作用及實(shí)踐。TED 3340 中學(xué)高年級(jí)教學(xué)助理I：中學(xué)100小時(shí)的教學(xué)實(shí)習(xí)以及討論會(huì)。TED 3341中學(xué)高年級(jí)教學(xué)助理II。

TED 3630 中小學(xué)教學(xué)助理I：中小學(xué)100小時(shí)的教學(xué)實(shí)習(xí)。TED 3631中小學(xué)教學(xué)助理II。

EDP 3650 優(yōu)等生教學(xué)助理I。TED 3651 優(yōu)等生教學(xué)助理II。TED 4312 英語第二語言教學(xué)方法。TED 4630 中小學(xué)教育實(shí)習(xí)I。

TED 4631 中小學(xué)教育實(shí)習(xí)II。TED 4632 中小學(xué)教育實(shí)習(xí)III。TED 4633 中小學(xué)教育實(shí)習(xí)IV。TED 4640 中學(xué)高年級(jí)教育實(shí)習(xí)I。TED 4641 中學(xué)高年級(jí)教育實(shí)習(xí)II。TED 4642 中學(xué)高年級(jí)教育實(shí)習(xí)III。TED 4643 中學(xué)高年級(jí)教育實(shí)習(xí)IV。EDP 4650 優(yōu)等生教育實(shí)習(xí)I。EDP 4651 優(yōu)等生教育實(shí)習(xí)II。

2.2 中小學(xué)科學(xué)教師專業(yè)課程

大一課程：ENG 1302、1304；REL 1310、1350；GEO 1408 地球科學(xué)；TED 1312、1112；LF 1134 體適能理論與實(shí)踐；美術(shù)3學(xué)分；MTH 1320 微積分初步；HED 1145 健康與人類行為。

大二課程：TED 2330、2112、2381；BIO 1305、1105、1306、1106 現(xiàn)代生物科學(xué)概念及試驗(yàn)；GEO 地質(zhì)學(xué)；STA 1380 統(tǒng)計(jì)初步；HIS 2365 美國歷史；PSC 2302；LF 終身健康。

大三課程：TED 3630、3380、3631；CHE 1301 現(xiàn)代化學(xué)基本概念I(lǐng)；CHE 1101 普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)I；PHY 1408、1409；CHE 1302 現(xiàn)代化學(xué)基本概念I(lǐng)I；CHE 1102 普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)II。

大四課程：TED 4630、4631、4325、4632、4633。

2.3 中學(xué)高年級(jí)物理科學(xué)教師專業(yè)課程

大一課程：ENG 1302、1304；REL 1310、1350；GEO 1408 地球科學(xué)；TED 1312、1112； LF 1134 體適能理論與實(shí)踐；美術(shù)3學(xué)分；MTH 1321 微積分I；MTH 1322 微積分II；HED 1145 健康與人類行為。

大二課程：TED 2340、2112、2381；CHE 1301 現(xiàn)代化學(xué)基本概念I(lǐng)；CHE 1101 普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)I；CHE 1302 現(xiàn)代化學(xué)基本概念I(lǐng)I；CHE 1102 普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)II；PHY 1420、1430；STA 1380 統(tǒng)計(jì)初步；HIS 2365 美國歷史；PSC 2302；LF 終身健康。

大三課程：TED 3340、3341；TED 3387 中學(xué)高年級(jí)科學(xué)課程實(shí)習(xí)；TED 3380 教育中的社會(huì)問題；PHY 2000層次任一門；CHE 3331 有機(jī)化學(xué)I；CHE 3332 有機(jī)化學(xué)II；CHE 3238 有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

大四課程：TED 4640、4641、4325、4642、4643。

可以看出，美國對(duì)中學(xué)物理教師的要求是數(shù)理化生地五門通修，沒有專門的化學(xué)、地理、生物教師培養(yǎng)。注重教師職業(yè)道德和職業(yè)技能訓(xùn)練。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁持坤，肖月華.大眾化高等教育時(shí)代地方院校物理學(xué)專業(yè)面臨的辦學(xué)危機(jī)與對(duì)策探索[J].湖南人文科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2014.136（1）：107-110.

[2] 王杰.訪貝勒大學(xué)物理系簡介[J].云南名族學(xué)院學(xué)報(bào)，1998.7（2）：61-62.