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關鍵詞 量子物理；現代信息技術；關系；原理應用

中圖分類號：O41 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）15-0001-02

量子物理是人們認識微觀世界結構和運動規(guī)律的科學，它的建立帶來了一系列重大的技術應用，使社會生產和生活發(fā)生了巨大的變革。量子世界的奇妙特性在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量等方面發(fā)揮重要的作用，基于量子物理基本原理的量子信息技術已成為當前各國研究與發(fā)展的重要科學技術領域。

隨著世界電子信息技術的迅猛發(fā)展，以微電子技術為基礎的信息技術即將達到物理極限，同時信息安全、隱私問題等越來越突出。2013年5月美國“棱鏡門”事件的爆發(fā)，引發(fā)了對保護信息安全的高度重視，將成為推動量子物理科學與現代信息技術的交融和相互促進發(fā)展的契機。因此，充分認識量子物理學的基本原理在現代信息技術中發(fā)展的基礎地位與作用，是促進現代信息技術發(fā)展的前提，也是豐富和發(fā)展量子物理學的需要。

1 量子物理基本原理

1）海森堡測不準原理。在量子力學中，任何兩組不可同時測量的物理量是共扼的，滿足互補性。在進行測量時，對其中一組量的精確測量必然導致另一組量的完全不確定，只能精確測定兩者之一。

2）量子不可克隆定理。在量子力學中，不能實現對各未知量子態(tài)的精確復制，因為要復制單個量子就只能先作測量，而測量必然改變量子的狀態(tài)，無法獲得與初始量子態(tài)完全相同的復制態(tài)。

3）態(tài)疊加原理。若量子力學系統(tǒng)可能處于和描述的態(tài)中，那么態(tài)中的線性疊加態(tài)也是系統(tǒng)的一個可能態(tài)。如果一個量子事件能夠用兩個或更多可分離的方式來實現，那么系統(tǒng)的態(tài)就是每一可能方式的同時迭加。

4）量子糾纏原理。是指微觀世界里，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著糾纏關系，不管它們距離多遠，只要一個粒子狀態(tài)發(fā)生變化，另一個粒子狀態(tài)隨即發(fā)生相應變化。換言之，存在糾纏關系的粒子無論何時何地，都能“感應”對方狀態(tài)的變化。

2 量子物理與現代信息技術的關系

2.1 量子物理是現代信息技術的基礎與先導

物理學一直是整個科學技術領域中的帶頭學科并成為整個自然科學的基礎，成為推動整個科學技術發(fā)展的最主要的動力和源泉。量子力學是20世紀初期為了解決物理上的一些疑難問題而建立起來的一種理論，它不僅解釋了微觀世界里的許多現象、經驗事實，而且還開拓了一系列新的技術領域，直接導致了原子能、半導體、超導、激光、計算機、光通訊等一系列高新技術產業(yè)的產生和發(fā)展?？梢哉f，從電話的發(fā)明到互聯網絡的實時通信，從晶體管的發(fā)明到高速計算機技術的成熟，量子物理開辟了一種全新的信息技術，使人類進人信息化的新時代，因此，量子物理學是現代信息技術發(fā)展的主要源泉，而且隨著現代科學技術的飛速發(fā)展，量子物理學的先導和基礎作用將更加顯著和重要。

2.2 量子物理為現代信息技術的持續(xù)發(fā)展提供新的原理和方法

現代信息技術本質上是應用了量子力學基本原理的經典調控技術，隨著世界科學技術的迅猛發(fā)展，以經典物理學為基礎的信息技術即將達到物理極限。因此，現代信息技術的突破，實現可持續(xù)發(fā)展必須借助于新的原理和新的方法。量子力學作為原子層次的動力學理論，經過飛速發(fā)展，已向其他自然科學的各學科領域以及高新技術全面地延伸，量子信息技術就是量子物理學與信息科學相結合產生的新興學科，它為信息科學技術的持續(xù)發(fā)展提供了新的原理和方法，使信息技術獲得了活力與新特性，量子信息技術也成為當今世界各國研究發(fā)展的熱點領域。因此，未來的信息技術將是應用到諸如量子態(tài)、相位、強關聯等深層次量子特性的量子調控技術，充分利用量子物理的新性質開發(fā)新的信息功能，突破現代信息技術的物理極限。

2.3 現代信息技術對量子物理學發(fā)展的影響

量子信息技術應用量子力學原理和方法來研究信息科學，從而開發(fā)出現經典信息無法做到的新信息功能，反過來，現代信息技術的發(fā)展大大地豐富了量子物理學的研究內容，也將不斷地影響量子物理學的研究方法，有力地將量子理論推向更深層次的發(fā)展階段，使人類對自然界的認識更深刻、更本質。近年來，隨著量子信息技術領域研究的不斷深入，量子信息技術的發(fā)展也使量子物理學研究取得了不少成果，如量子關聯、基于熵的不確定關系、量子開放系統(tǒng)環(huán)境的控制等問題研究取得了巨大進展。

3 基于量子物理學原理的量子信息技術

基于量子物理原理和方法的量子信息技術成為21世紀信息技術發(fā)展的方向，也是引領未來科技發(fā)展的重要領域。當前量子物理學的基本原理已經在量子密碼術、量子通信、量子計算機等方面得到充分的理論論證和一定的實踐應用。

3.1 量子計算機——量子疊加原理

經典計算機建立在經典物理學基礎上，遵循普通物理學電學原理的邏輯計算方式，即用電位高低表示0和1以進行運算，因此，經典計算機只能靠以縮小芯片布線間距，加大其單位面積上的數據處理量來提高運算速度。而量子計算遵循量子力學規(guī)律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息。計算方式是建立在微觀量子物理學關于量子具有波粒兩重性和雙位雙旋特性的基礎上，量子算法的中心思想是利用量子態(tài)的疊加態(tài)與糾纏態(tài)。在量子效應的作用下，量子比特可以同時處于0和1兩種相反的狀態(tài)（量子疊加），這使量子計算機可以同時進行大量運算，因此，量子計算的并行處理，使量子計算機實現了最快的計算速度。未來，基于量子物理原理的量子計算機，不僅運算速度快，存儲量大、功耗低，而且體積會大大縮小。

3.2 量子通信——量子糾纏原理

量子通信是一種利用量子糾纏效應進行信息傳遞的新型通信方式。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等。從信息學上理解，量子通信是利用量子力學的量子態(tài)隱形傳輸或者其他基本原理，以量子系統(tǒng)特有屬性及量子測量方法，完成兩地之間的信息傳遞；從物理學上講，量子通信是采用量子通道來傳送量子信息，利用量子效應實現的高性能通信方式，突破現代通信物理極限。量子力學中的糾纏性與非定域性可以保障量子通信中的絕對安全的量子通信，保證量子信息的隱形傳態(tài)，實現遠距離信息轉輸。所以，與現代通信技術相比，量子通信具有巨大的優(yōu)越性，具有保密性強、大容量、遠距離傳輸等特點，量子通信創(chuàng)建了新的通信原理和方法。

3.3 量子密碼——不可克隆定理

經典密碼是以數學為基礎，通過經典信號實現，在密鑰傳送過程中有可能被竊聽且不被覺察，故經典密碼的密鑰不安全。量子密碼是一種以現代密碼學和量子力學為基礎，利用量子物理學方法實現密碼思想和操作的新型密碼體制，通過量子信號實現。量子密碼主要基于量子物理中的測不準原理、量子不可克隆定理等，通信雙方在進行保密通信之前，首先使用量子光源，依照量子密鑰分配協議在通信雙方之間建立對稱密鑰，再使用建立起來的密鑰對明文進行加密，通過公開的量子信道，完成安全密鑰分發(fā)。因此量子密碼技術能夠保證：

1）絕對的安全性。對輸運光子線路的竊聽會破壞原通訊線路之間的相互關系，通訊會被中斷，且合法的通信雙方可覺察潛在的竊聽者并采取相應的措施。

2）不可檢測性。無論破譯者有多么強大的計算能力，都會在對量子的測量過程中改變量子的狀態(tài)而使得破譯者只能得到一些毫無意義的數據。因此，量子不可克隆定理既是量子密碼安全性的依靠，也給量子信息的提取設置了不可逾越的界限，即無條件安全性和對竊聽者的可檢測性成為量子密碼的兩個基本特征。

4 結論

量子物理是現代信息技術誕生的基礎，是現代信息技術突破物理極限，實現持續(xù)發(fā)展的動力與源泉?；诹孔游锢韺W的原理、特性，如量子疊加原理、量子糾纏原理、海森堡測不準原理和不可克隆定理等，使得量子計算機具有巨大的并行計算能力，提供功能更強的新型運算模式；量子通信可以突破現代信息技術的物理極限，開拓出新的信息功能；量子密碼絕對的安全性和不可檢測性，實現了絕對的保密通信。隨著量子物理學理論在信息技術中的深入應用，量子信息技術將開拓出后莫爾時代的新一代的信息技術。

參考文獻

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當作者攻讀博士學位時，粒子物理標準模型剛剛建立，量子場論得到迅速發(fā)展，特別是重正化群以及格點規(guī)范理論，很快在相對論量子場論與統(tǒng)計物理之間搭建了橋梁。而很多物理學家都覺得神秘的代數拓撲學，不僅對量子場論中的真空有獨特的應用，而且解釋了量子霍爾效應和凝聚態(tài)中的集團激發(fā)。

上世紀60年代開始出現了第一批旨在克服高能物理、統(tǒng)計力學和凝聚態(tài)物理之間文化差異的書，為重正化群對理論物理學的應用帶來的革命做出了很大貢獻。90年代一些作者力圖揭示量子場論機制如何用于凝聚態(tài)物理。進入21世紀以來，從凝聚態(tài)到弦理論，許多概念和技術做到了共享，以致在單獨一本書中已經不可能涵蓋量子場論在凝聚態(tài)中應用的所有論題。相關的書籍數目大量增加，學生面臨如何挑選最合適的書籍的問題。正是在這樣的背景下，作者在瑞士聯邦理工學院（ETHZ）講授“凝聚態(tài)物理中的量子場論”的基礎上寫成了這本書。作者的目的是給物理類碩士水平的研究生介紹凝聚態(tài)物理中挑選出的非常適合應用場論語言的一些概念。

很多量子場論的書致力于讓學生掌握了量子場論機制之后，用它解一些習題。而作者反其道而行之，在每一章第一時間發(fā)展解決一些問題的方法學，不想讓量子場論成為主要興趣，而是讓其保持成為盡可能經濟地解釋凝聚態(tài)物理基本原理的工具。作者相信，達到此目的最有效的技術是系統(tǒng)地利用量子力學的路徑積分。在本書中它被到處用到。然而，作者并不要求讀者熟悉比量子力學基礎更多的知識。

全書內容共兩大部分，分成9章。第1部分為玻色子，包括第1-4章：1. 諧波晶體；2. 稀薄玻色氣體的Bogoliubov理論；3. 非線性σ模型；4. KosterlitzThouless相變。第2部分 為費米子，包括第5-9章：5. 無相互作用費米子； 6.固體中電子Jellium模型；7. 平均場和隨機相位近似中的超導電性； 8. 單耗散Josephson結；9.二維時空中的阿貝爾玻色子化。

書末有9個附錄，篇幅幾乎為全書的三分之一，詳細地介紹了書中所涉及的量子力學、量子場論、和一些數學知識。對于本書的使用十分重要。

本書是一部高水平的凝聚態(tài)物理中的量子場論專著，它不僅對于凝聚態(tài)、高能物理等物理學家而且對于數學家都是極有興趣的。作者選擇的內容盡可能全面和廣泛，概念準確，推導簡潔，闡述足夠細致。而且把豐富的習題及其解答作為每一章內容的有機組成部分，很有特色。對于從事與現代物理各領域相關的教學及研究人員特別是研究生，本書是一本高水平的參考書。

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[關鍵詞] 地方院校；量子力學；精品課程建設

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）01-0057-04

0 引言

我國本科高校按隸屬對象不同，分為部委屬和省屬兩大類別，省屬高校又分為省屬國家“211”重點高校、省部共建高校、地方性直屬高校三類，本文“地方院?！敝甘俑咝Ｖ械牡胤叫灾睂俦究聘咝?，這些院校大多采取省市共建、以市為主的管理體制，多數建校時間短或由?？粕?。

隨著我國高等教育大眾化進程的不斷深入，生源質量降低，教學資源日趨緊張，高等院校的教學壓力逐漸加大，引發(fā)了社會對高等教育質量的擔憂。2003年4月《教育部關于啟動高等學校教學質量與教學改革工程精品課程建設工作的通知》（教高[2003]1號），引起了全國范圍內建設國家、省、校三級精品課程的熱潮。量子力學精品課程也同其他課程一樣，經歷了精品課程建設的熱潮，截至2013年9月，共有四校建成國家精品課程，分別是蘭州大學（2004年）、復旦大學（2004年）、清華大學（2007年）、北京大學（2008年）；兩校建成湖北省精品課程，分別是華中師范大學（2003年）和湖北大學（2003年）；兩校建成湖北省地方院校校級精品課程，分別是黃岡師范學院（2007年）、湖北師范學院（2011年）?？梢?，量子力學國家精品課程全部由985重點大學建設，湖北省精品課程也由211重點大學和省屬重點大學建設，地方院校只有兩校建成校級精品課程，只占湖北省27所地方院校的7.4%，大多數地方院校并未開展量子力學精品課程建設，這與量子力學課程的重要地位極不相稱。量子力學是近代物理學的兩大支柱之一，也是現代工業(yè)技術的重要理論基礎，其教學質量的重要性不言而喻，但量子力學又是一門高度抽象的理論物理課程，遠離日常經驗，教與學都有一定的難度。地方院校由于師資力量薄弱，學術資源匱乏，生源素質不理想，教學與科研脫節(jié)，導致這些院校的量子力學精品課程大多處于有心無力、舉步維艱的狀態(tài)。

地方院校占我國高?？倲档?0%左右，擔負著服務地方社會經濟建設、培養(yǎng)千百萬專門人才的重任。地方院校是我國高等教育金字塔的塔基，塔基不穩(wěn)，必然影響我國高等教育的健康發(fā)展，因此研究地方院校量子力學精品課程建設，提高人才培養(yǎng)質量是迫在眉睫的重要問題，令人惋惜的是這方面的研究成果太少，難以指導地方院校量子力學精品課程的建設。

1 地方院校視角下量子力學精品課程建設 的內涵

精品課程的評價標準是“五個一流”，即一流教師隊伍、一流教學內容、一流教學方法、一流教材、一流教學管理。精品課程建設研究大多圍繞“五個一流”展開，但精品課程建設應該是分層次的，不同類型的高校應有不同的標準。每個學校都是在自己的層次上、自己的類型上來辦出最高水平的課程，各個學校是不一樣的，精品課定位不一樣，尋找精品課群體也不一樣[1]。地方高校應從自己的辦學定位、培養(yǎng)規(guī)格和生源情況來考慮量子力學精品課程建設，基于地方院校視角來理解“五個一流”，揚長避短，不盲目攀比，也不妄自菲薄。

1.1 一流教師隊伍

地方院校普遍存在教師整體水平不高的問題，教師的學歷、職稱、學術水平和重點大學相比有較大差距，教學任務重，技術應用能力不強。重點大學承擔培養(yǎng)拔尖人才的任務，必然要求教師具有較高的學術水平和科研能力，地方院校承擔培養(yǎng)千百萬專門人才，即應用型技能型人才的任務，對教師的學術水平要求不是太高，但要求教師具有較強的技術應用能力。地方院校教師不宜與重點大學的教師比學術水平，但要關注學科前沿，盡快掌握與本學科相關的最新技術，提高重點大學教師并不擅長的技術應用能力，體現地方院?！半p師”型師資的鮮明特色。

地方院校量子力學精品課程的一流教師隊伍，就是要建設一支與應用型人才培養(yǎng)相適應的，具有一定的學術水平、較高的教學水平、較強的技術應用能力的“雙師型”教師隊伍。

1.2 一流教學內容

應用型人才培養(yǎng)的定位，決定了量子力學精品課程的教學內容有別于重點大學，教學內容的核心是量子力學的基本理論、基本知識、基本技能，不求教學內容的高度完整性，適當降低內容的深度和應用數學解題的難度，保持教學內容的前沿性和時代性，滿足學生了解學科發(fā)展前沿及其技術應用的強烈愿望。前沿知識不僅可以開闊學生的眼界，而且能夠潛移默化地影響學生未來的發(fā)展。

地方院校量子力學精品課程的一流教學內容可以理解為，量子力學基本理論、基本知識、基本技能等學科有效知識與專業(yè)發(fā)展密切相關的前沿知識及其技術應用的有機整合。有效知識，就是今后能對在該領域繼續(xù)學習、繼續(xù)研究、開辟新的領域、學習新的知識發(fā)揮作用的、最關鍵、最基礎性的東西[1]。

1.3 一流教學方法

重點大學普遍重視討論式、研究式教學方法，基于量子力學學科特點和地方院校學生水平，討論式和研究式的教學方法要慎重使用，如果準備不充分，極有可能出現學生討論時言之無物和研究時無從著手的難堪局面，反而挫傷學生的學習積極性。采用討論式和研究式教學方法，一要內容難度適宜，二要前期準備充分，三要教師循循善誘。量子力學內容高度抽象，學生自學困難較大，因此對教學方法和手段的要求較高。無論選擇什么樣的教學方法，采用什么樣的教學手段，都是為了學生能夠更好地理解和掌握知識，都要適合學生的實際認知水平，不能為了討論而討論，為了研究而研究，應以實際教學效果來評價教學方法的優(yōu)劣。

地方院校量子力學精品課程的一流教學方法，即以啟發(fā)式講授為主，結合課程內容適當采取討論式和研究式教學，傳統(tǒng)教學手段與多媒體技術手段有機結合，集多種方法與手段于一體的教學方法體系。

1.4 一流教材

量子力學教材的選用，國內一般主要選用曾謹言版（重點大學）和周世勛版（地方院校），另有蘇汝鏗版、張永德版、錢伯初版、關洪版等多種教材，也有多種國外優(yōu)秀教材。鑒于量子力學的某些基本問題至今仍有爭議，甚至國內權威教材中的部分內容仍受質疑，地方院校不宜盲目自編教材，避免對某些問題的不當闡述誤導學生，宜選用國內經典的簡明教材，輔以優(yōu)秀教材作為參考書，以滿足不同學生的學習要求，通過立體化、一體化教材建設，補充量子力學的最新進展和實際應用，更好地為地方院校培養(yǎng)應用型人才服務。

地方院校量子力學精品課程的一流教材，即在選用國內經典簡明教材的基礎上，選擇國內外優(yōu)秀教材作參考書，著力打造包括電子教案、PPT、習題答案、試題庫、仿真實驗、網絡課堂等資源在內的立體化、一體化教材。

1.5 一流教學管理

精品課程需要通過科學的管理為其提供制度保證。科學的教學管理和規(guī)范的管理機制，是精品課程的重要條件。精品課程的教學管理既包括對課堂教學的組織、實踐教學的安排、學習成績的評定等教學環(huán)節(jié)的管理，還包括師資隊伍的配備、課程建設過程的管理、教學保證條件的建設等[2]。

地方院校作為教學型大學，科研上處于劣勢，教學管理上更應加強，應將一流教學管理作為量子力學精品課程的重要特色來建設。

地方院校量子力學精品課程的一流教學管理，即建立健全與應用型人才培養(yǎng)目標相適應的教學管理制度，包括編、備、教、輔、改、考各教學環(huán)節(jié)的管理制度，以及經費投入、師資配備、用人機制和激勵機制、課程評價等教學質量保障制度，認真落實各項教學管理制度并切實做好教學質量監(jiān)控，保證課程建設的可持續(xù)發(fā)展。

2 地方院校視角下量子力學精品課程建設 的對策

2.1 建設一支與應用型人才培養(yǎng)適應的師資隊伍

地方院校培養(yǎng)應用型人才的定位，客觀上要求教師應具有教師和工程師（或技能師）的雙重身份。量子力學精品課程的師資隊伍建設，除引進高層次人才、抓好現有教師的轉型提升、開展與課程相關的教研和科研等常規(guī)措施之外，尤其要重視師資隊伍的技術水平和能力的培養(yǎng)，通過產學研用結合切實提高教師的技術操作能力、應用能力和轉化能力。加強學校與科研機構、企業(yè)的合作，聘請經驗豐富的科研人員和工程師作為兼職教師，提高教師隊伍整體的科研水平和技術實力。

2.2 精選課程有效知識構建學科基礎，實現理論 與應用、基礎與前沿的完美結合

夯實基礎、關注前沿、了解應用、激發(fā)興趣是一流教學內容的必然要求。在教學內容的選擇和安排上，要注意與知識的實際應用相聯系，找準最佳結合點，融入學科前沿的理論知識和學科發(fā)展的最新成果。

量子力學的有效知識包括量子力學的發(fā)展歷史、量子力學的五大公設、定態(tài)問題求解、表象變換理論、微擾理論、電子自旋等，有效知識構成課程的核心知識；學科前沿知識、量子力學在現代科技和其它學科中的應用等內容構成課程的補充知識；散射等相對困難的內容構成課程的知識。核心知識具有相對穩(wěn)定性，要求熟練掌握；補充知識具有時代性，要求學生了解而不求掌握；知識具有可選性，建議有能力的學生選學。核心知識和補充知識屬于第一層次的教學內容，面向全體學生；知識屬第二層次的教學內容，面向部分學生。教學內容的分類既有利于實現教學的層次化，又有利于實現理論與應用、基礎與前沿的有機結合。

2.3 構建教學理念先進、與學生水平相適應的教 學方法體系

以教師為主導，以學生為主體。變單一教學方式為多樣化教學方式構成的有機體系，變以教為主為以學為主或學教并重，變傳統(tǒng)課堂教學為傳統(tǒng)課堂教學和網絡課堂教學相結合?；诹孔恿W的抽象性，講授仍是主要的教學方法，但應注重啟發(fā)學生積極思考，采取課內、課外、網絡等多種形式增強師生互動，結合適當的內容開展討論和研究。

可以組織學生討論如量子力學相關實驗的解釋、量子力學基本原理的各種理解、一維定態(tài)問題的求解方法等；也可討論量子力學的某些新進展和新的技術應用，要求學生就“量子糾纏”、“EPR佯謬”、“量子計算機原理”等內容展開調研，撰寫文獻綜述報告，將討論和初步的研究結合起來，培養(yǎng)學生從事科學研究的基本素質；也可建議能力較強的學生對“密度矩陣表示量子態(tài)”、“路徑積分量子化”、“自由粒子的狄拉克方程”等較新的內容進行一些初級的理論探討，通過寫小論文的方式總結研究結果等。

討論和探究的關鍵在于培養(yǎng)學生的參與意識、問題意識和批判意識，不奢望畢其功于一役，長期堅持一定會有收獲。

2.4 選擇適宜的教材和教學參考書，建設立體化、 一體化教材

選擇周世勛版《量子力學教程》作為教材，因為它比較簡明，適合初學者和地方院校生源的實際水平；選擇曾謹言版《量子力學教程》作為主要參考書，因為它是全國大多數高校指定的考研參考用書，要照顧部分考研學生的需要；還可選擇其他國內外優(yōu)秀教材作為參考書，以兼收并蓄、博采眾長。

教材是教學內容的載體，一流教材必然要展現一流教學內容。立體化、一體化教材不是簡單的教材和教參搬家，應將學科最新的研究成果、成功的教改經驗和教師自己的教科研成果及時地反映出來。一流教材除電子教案、PPT、全程教學錄像、習題解答、試題庫、網絡互動答疑、在線測試等內容外，還要自編學習輔導用書，內容大致可包括學習內容輔導、考研輔導、閱讀材料三大部分。學習內容輔導應梳理各章知識點及聯系、重點難點的學習經驗，補充典型習題；考研輔導可提供各類院校近年來的量子力學考研試卷，分析考試內容涵蓋的知識點和相關的考核要求；閱讀材料可介紹量子力學的最新進展、與量子力學有關的各交叉學科、量子力學的發(fā)展歷史以及逸聞趣事等。

2.5 抓緊抓實全方位全過程的教學管理

精品課程建設是一個綜合系統(tǒng)工程，只有扎扎實實、認認真真、持之以恒地努力工作，才能把事情做好[3]。一流教學管理是精品課程建設的重要方面，建章立制是基礎，教學各環(huán)節(jié)的過程管理是縱線，教學保障條件建設管理是橫線，教學質量監(jiān)控、反饋和改進是保障。教學管理不必標新立異，抓緊、抓實、抓細、抓出成效，就是教學管理的最大特色。

教學各環(huán)節(jié)的管理制度中，重點要改變學業(yè)成績評價標準，變結果評價為過程評價，正確把握考試導向，降低期末考試比重，加大平時考核比重，將考勤、作業(yè)、提問、小論文、課程設計納入平時考核。

教學質量保障制度的建設和落實要抓好以下幾個方面：學校要加大對精品課程建設的經費投入；選擇學術水平較高、教學效果得到師生公認的優(yōu)秀教師擔任課程負責人，組建由課程負責人負總責、主講教師分工與合作的教學隊伍；對參與精品課程建設的教師，在評優(yōu)評先、晉升職稱等方面優(yōu)先考慮；抓實教學過程的質量監(jiān)控，完善同行評教、學生評教、畢業(yè)生評教和評教意見的及時反饋及改進制度；抓住一切校內外的交流機會，博采眾長，不斷更新充實網上資源，確保精品課程建設的可持續(xù)發(fā)展。

3 地方院校視角下量子力學精品課程建設 的初步成果

2011年起，荊楚理工學院應用物理學專業(yè)開設量子力學課程。三年來，量子力學教學團隊堅持以建設校級精品課程為目標，始終追求精品境界，目前量子力學精品課程的基本資料已準備就緒，擬申報校級精品課程，并計劃在校級精品課程基礎上，力爭申報省級及以上精品課程，最終轉型升級成為精品資源共享課。

教學團隊堅持教學和科研相結合，重視研究解決教學過程中存在的突出問題，以教科研水平的提高帶動教學水平的提高。三年共主持完成湖北省教育科學“十一五”規(guī)劃課題“理工類本科生物理學習障礙歸因及對策研究”一項，此課題于2013年5月被湖北省教科規(guī)劃辦批準結題，鑒定結論為：課題研究整體設計規(guī)范，研究路線科學，課題組成員分工合理，研究成果豐富且有實效；正主持湖北省教育科學“十二五”規(guī)劃課題一項：“地方院校應用物理學專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究”。在學術研究方面，教學團隊圍繞量子糾纏態(tài)、量子點、反應微分截面等方向進行了比較深入地研究，取得了一些成果，近幾年在國外英文期刊和國際學術會議上發(fā)表了6篇英文學術論文，其中4篇被EI收錄，2篇被INSPECT收錄，并在原子與分子物理學報、重慶大學學報、量子光學學報等中文核心期刊上發(fā)表了8篇學術論文。

科學研究提高了教師的學術水平，加深了對量子力學課程內容的深刻理解，促進了教學的深入淺出，實現了理論與應用、基礎與前沿的有機結合，量子力學課程教學質量逐年穩(wěn)步提高：三年來師生評教均分都在95分以上，教學效果得到師生認可；學生學習量子力學的積極性明顯提高，學業(yè)成績的統(tǒng)計結果表明，大部分學生較好地掌握了量子力學的基本理論、基本知識和基本技能，并對量子力學知識的有關應用和學科發(fā)展前沿產生了濃厚興趣，越來越多的學生開始選擇以量子力學的有關研究作為畢業(yè)論文選題，其中2009級兩名學生的畢業(yè)論文榮獲學校優(yōu)秀畢業(yè)論文；不少學生考研時量子力學科目也取得了135分以上的較好成績。荊楚理工學院量子力學精品課程建設取得的初步成效，從理論和實踐兩方面證明了建設具有地方院校特色的量子力學精品課程是可行的。

4 結束語

精品課程不應千課一面，不同類型的院校應該有不同類型的精品課程，量子力學精品課程建設也不應該成為重點大學的專利，地方院校完全可以根據自己的培養(yǎng)目標、培養(yǎng)規(guī)格、生源狀況，正確地理解“一流教師隊伍、一流教學內容、一流教學方法、一流教材、一流教學管理”，建設具有應用型人才培養(yǎng)特色的量子力學精品課程，在精品課程建設上實現與重點大學的錯位發(fā)展。

參考文獻

[1]袁德寧.精品課建設及課程支撐理念的轉變[J].清華大學教育研究，2004，25（3）：53-57.

篇4

[關鍵詞]計算材料學；綜合教學；課程起源

[中圖分類號] G40-011 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）08-0155-02

一、前言

計算材料學是一門正快速發(fā)展的材料科學與計算機科學交叉的新興學科，它能夠利用相應計算方法對材料的組成、結構、性能進行設計與模擬；廣泛涉及材料、物理、計算機、數學、化學等多門學科。[1]可以說，計算材料學是材料學理論和實驗的橋梁連接。[2]學習計算材料學能讓學生進行模擬實驗，使學生養(yǎng)成在制備材料前從理論上設計新材料并預測其性質的良好思路。

作為材料類專業(yè)的重要課程，我們在教學過程中存在著不少的問題：1.具有計算材料學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.實踐條件的欠缺很難保證教學效果。為了提高計算材料學課程的教學質量，使學生更好地掌握材料設計和性能預測的基本能力，我們結合存在的問題和教學改革的實踐，對計算材料學的課程教學提出一些改革方法。

二、了解起源，培養(yǎng)興趣

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

計算材料學不僅蘊含著復雜的變量、方程和實驗方法等知識，而且還充滿了疑問，這些疑問把學生帶入充滿曲折的探索之旅。所以，在計算材料教學中將課程重點和難點融為一體，可以在不知不覺中起到“潤物細無聲”的獨特效果。

計算材料學課程教改的目標是轉變教學理念，讓學生懂得計算模擬的起源、材料計算設計的基本方法和基本內容以及與之相關的計算材料的前沿知識，引入與之相關的計算模擬案例介紹，從而使其具有一定的理論素養(yǎng)，培養(yǎng)其科學的態(tài)度、方法和精神。

三、引入拋錨式教學模式，提高課堂質量

拋錨式教學也稱實例式教學，是由美國溫特貝爾特大學匹波迪教育學院開發(fā)的一種教學模式。其要求學生在某種類型個案的實際環(huán)境中去感受和體驗問題，而不是聽經驗的間接介紹和講解。真實的感受案例或情境，可以激發(fā)學生興趣，引導學生觀察和思考，形成一種探索與研究的習慣。

根據課程的特點，適當選擇講述一些有關課程的起源與發(fā)展的案例，使其自然地融入課堂。再結合教材內容“見縫插針”，讓學生理解重要定理、公式是怎么來的，為什么要這么命名，相關定理、公式背后都有哪些有趣、有意義的故事，使學生產生一種情景記憶，而不是死記硬背，從而引導學生對知識點進行深入的學習和挖掘。

以本課程中的量子力學基礎為例，詳細介紹量子力學的發(fā)展歷程可以讓學生更好地理解量子力學的基本意義和它對于學好計算材料學的重要作用。如利用信息技術創(chuàng)設一個量子力學發(fā)展歷程的故事或一段經歷，用一根主線將求解量子力學波函數問題融入情境故事或經歷中，使學生趟著主線求解復雜的問題。見表1：[3] [4]

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

運用知識作為問題求解的工具。學生運用相關定理、公式中隱含的信息或線索，積極制訂解決問題的計劃。為此，學生需要先探究一些問題，以確定輔助解決整個問題的補充信息。教師們應該根據實際情況，將計算材料軟件如CASTEP、VASP和Abinit等引入教學中，使學生有接觸解決實際問題的工具的機會。同時，教師們更需要了解學生的理解能力、決策能力和推理能力，從而更好地為學生的問題求解提供“腳手架”。

制訂一套整合相關原理、公式的教學方案。引導學生們閱讀更多學科知識的內容，共同探究相關的故事，使學生們沉浸在相關的模擬情境中，從而加深對概念知識的理解并整合不同學生的概念知識，在潛移默化中培養(yǎng)學生的知識遷移能力。

共同分享所學內容。學生們將他們對相關原理、公式問題和拓展性問題探究結果呈現出來，從不同角度探討解決綜合問題的策略，深層次地理解學習內容，從而為學習共同體作出貢獻。[4]

四、以史為鑒，培養(yǎng)科學精神

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

例如，在計算材料學課堂中引入愛因斯坦對薛定諤、德布羅意等的觀點提出質疑的案例。[5]

愛因斯坦在1924年對泡利反對連續(xù)區(qū)理論的觀點上發(fā)表示了“完全的因果性”的看法，針對玻爾關于輻射的波動在本質上是幾率波的假設而評論：“玻爾關于輻射的意見是很有趣的。但是，我決不愿意被迫放棄嚴格的因果性，將對它進行更強有力的保衛(wèi)。我覺得完全不能容忍這樣的想法，即認為電子受到輻射的照射，不僅它的跳躍時刻，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“量子力學僅可建立在可觀察量的基礎上”這一觀點也提出異議。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。

通過學習計算材科料學史，可以引導學生去發(fā)現和認識公式、方程的產生。如引導學生思考：從薛定諤方程產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于以往的實質進步？科學工作者在求解薛定諤方程遇到瓶頸時，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，這不僅體現了量子力學理論的一大進步，更體現科學工作者對尋求真理的孜孜不倦的精神。[6]通過對計算材料科學史的學習，可以鍛煉學生的創(chuàng)造性思維，同時學習薛定諤為追求真理，而百折不撓、義無反顧、獻身科學的精神，感受薛定諤治學嚴謹、剛正真誠、淡泊名利的風范和人格魅力。

五、結論

計算材料學作為一門新興科學，是材料類專業(yè)人才培養(yǎng)中的重要基礎課程。然而在教學過程中由于師資力量薄弱、教學方法單一、研究對象復雜、實踐條件有限等問題，使學生的學習興趣低下、教學效果不明顯。我們在教學過程中應運用科學發(fā)展過程中蘊藏的豐富的教育資源，通過講授學科起源、發(fā)展以及應用的案例，使學生了解知識的形成過程，同時引入拋錨式教學模式將一個個真實生動的科學形象，融入日常課堂教學之中，從而提高課堂教學質量。同時，應有意識地加強計算材料學發(fā)展史的講授，使知識、原理和規(guī)律變得生動而鮮活，更使學生的科學思想、科研方法、科學精神、科學態(tài)度和科學素養(yǎng)等得到熏陶和培養(yǎng)。

[ 注 釋 ]

[1] 張躍，谷景華，尚家香.計算材料學基礎[M].北京：航空航天大學出版社，2007.

[2] （德）D?羅伯，項金鐘，吳興惠.計算材料學[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.

[3] 許良英.愛因斯坦文集[M].北京：商務印書館，1977（1）.

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

篇5

一直以來，復旦大學化學系有著重視化學實驗教學改革的優(yōu)良傳統(tǒng)。20世紀70年代末，由復旦大學等14所學校合作編寫的《物理化學實驗》教材在國內廣受好評，影響深遠。20世紀90年代，復旦大學化學系對大學本科的化學課程體系進行了改革，逐步形成以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心、以技術要素為主線的新實驗教學體系及相應管理機制[1，2]。2000年前后，復旦化學系根據化學實驗的特點，本著“統(tǒng)籌管理、優(yōu)化資源、避免重復和遺漏”的原則，將涉及儀器操作類的基礎實驗課程“儀器分析實驗”和“物理化學實驗”融合為“儀器分析和物理化學實驗”，那時實驗教學中心在世行貸款和學校配套資金支持下，購置了一批在當時屬于先進的儀器用于教學，使得化學實驗條件得到大幅度改善，教學質量和水平因此得到保障和提高。

隨著時代和學科的發(fā)展，我系的物理化學實驗教學逐漸暴露出一些不足。一方面大部分實驗儀器設備相對落后，如電化學分析工作站、氣相色譜儀、原子發(fā)射光譜儀等設備都已使用了10～15年。這些儀器性能不夠穩(wěn)定，測量出的實驗數據誤差大，得不到理想的實驗結果，這樣直接削弱了學生學習新知識的積極性。另一方面是實驗內容更新速度慢，滯后于科學研究發(fā)展的步伐。物理化學學科的發(fā)展也使得一些原本屬于專門化或綜合實驗內容的高級技術和儀器成為基礎物理化學實驗的常規(guī)技術和設備，在當前科研中發(fā)揮重要作用的常規(guī)表征手段至今沒有相應的教學實驗開設，而且復旦大學物理化學教學團隊早在1999年就開設了以結構分析和表征為主線，集原理、儀器使用和解譜為一體的“譜學導論”理論課，導致理論教學與實驗教學有較大的脫節(jié)。同時本系科研實力的快速提高、學科建設、師資優(yōu)化和研究生生源的增長需求對本科學生的科研素質提出了新要求，一些操作簡單、內容單薄的驗證性實驗顯然不能滿足這些要求。在這樣的形勢下，物理化學實驗教學內容如何設置，成為我們面臨的又一重要課題。經過多次調研和討論，我們對物理化學實驗教學內容設置有了一些初步實踐與設想，希望能與國內同行共同探討。

二、物理化學實驗教學內容的總體設計

本課程內容的設置將充分依托本系學科優(yōu)勢，在“銜接前沿、兼顧基礎”的原則下，更新、升級、完善和補充大型儀器類實驗。同時在完成經典傳承的基礎上，加大綜合性、設計性、研究性實驗的比例，以求拓寬學生專業(yè)面、增強適應性。更希望通過本課程教學內容的實施和開展，讓學生了解和掌握一定的前沿技術、技能以及思考、解決問題的方法，促進學生探索能力、科研創(chuàng)新能力的發(fā)展，提高學生的綜合能力。

在上述思想的指導下，我們經過對國內部分高校的物理化學實驗教學內容進行調研和對比，并結合本系的實際情況，進行如下改革。

1.更新儀器設備，推動傳統(tǒng)實驗內容的更新優(yōu)化

對目前開設的多個實驗的老舊設備進行更新，取得了明顯的效果。

比如，差熱分析實驗是一個經典的研究物質在受熱或冷卻時產生的物理和化學的變遷速率和溫度以及所涉及的能量和質量變化的熱分析實驗。本系原有的實驗設備，是20世紀70年代老師們自己動手搭建的，從冰水浴、自制熱偶、加熱爐到記錄筆、溫控儀的連接，都需要學生動手完成，由于各配件年代久遠，數據的重現性、分辨率都不理想，而且經常出現某一部件“罷工”的尷尬局面，導致實驗無法順利進行。近年來，熱分析技術的不斷創(chuàng)新與完善，使得熱分析的應用領域不斷拓展，研究對象不斷增加，在無機、有機、化工、冶金、醫(yī)藥、食品、塑料、橡膠、能源、建筑、生物及空間技術等領域被廣泛應用[3]。開展熱分析類的教學實驗，不僅具有課堂理論意義，也具有非常強的應用背景，國內許多高校開設熱分析教學實驗，但具體實施的方案各不相同。經過考察，我們購置了性能較好的熱重天平，此儀器采用較先進自動化技術和精密的機械制造工藝，將機械結構、機電控制和氣氛控制集于一體，一定程度上改善了傳統(tǒng)熱分析儀器笨重外形。性能優(yōu)良的溫度控制軟件和界面，全面的熱動力參數分析功能，將熱重分析TG、微商熱重法DTG與差熱分析DTA結合為一體，在同一次測量中利用同一樣品可同步得到熱重、微商熱重與差熱數據。這樣一來，實驗簡便快捷，而且數據可靠直觀。為克服實驗內容相對單薄的問題，我們重新設計實驗方案，學生除了驗證已知樣品受熱過程中的吸放熱情況，還可以觀測不同升溫速率下吸放熱情況的變化，進而研究樣品受熱過程中相應的動力學參數，例如根據不同升溫速率下五水硫酸銅失水峰的峰頂溫度與升溫速率進行數學處理，便可以計算熱分解的活化能。在問題與思考環(huán)節(jié)中，啟發(fā)學生通過文獻查閱，對熱分析方法進行更全面的了解，有了這樣的技術和知識儲備，將來需要分析其他樣品受熱過程中物相變化、吸放熱等問題時，很容易找到解決方案。

此外，對氣液色譜法測定非電解質溶液熱力學函數的實驗也更換了最新型號的氣相色譜儀。所有的溫度、壓力、流量以及其他參數的設定和顯示均可以在電腦軟件界面上進行，大大方便了學生的實驗操作，而且對了解目前的主流色譜有了感官認識。最為關鍵的是，數據重復性得到了極大的提高，以前需要重復進樣近10次才能得到3次相對誤差較小的數據，現在只需進樣3次就可滿足要求，對操作難度的要求大大降低，數據也與文獻值吻合較好，得到了同學們的認可。

涉及電化學測量的實驗，目前全部采用電化學工作站進行。由于是軟件界面控制，重現性較好，出現故障也很容易判斷。這些改進與以前的電壓、電流表顯示相比，優(yōu)勢明顯，而且對本科生繼續(xù)從事電化學相關研究起到了較好的鋪墊作用。

2.增開研究性實驗，加強對學生技術技能的培養(yǎng)

調研發(fā)現，物理化學實驗內容最欠缺的是科學研究領域中的前沿成果在教學中的體現，而學生能力培養(yǎng)上較欠缺的是現代表征儀器的操作技術。因此，與前沿研究相關的實驗內容的設置，是我們此次實驗教學內容更新的重點。

我們引入負載型催化劑的多相催化實驗。隨著催化技術的發(fā)展，由于多相催化劑具有易回收利用、產物易分離等特點，在石油化工等領域得到越來越廣泛的應用。因此，讓學生了解和掌握一定的多相催化技術和知識顯得尤為重要，國內浙江大學和南京大學化學系的本科生物理化學實驗中都涉及相關的實驗內容。我們開設了負載貴金屬催化劑液相催化苯甲醇氧化的實驗，通過本實驗，希望學生理解多相催化操作中的基本要求、評價活性優(yōu)劣的基本方法、影響催化活性的外界因素、完成活性測試的定量分析手段等內容，再通過數據處理與分析，了解更多的與催化相關的動力學和熱力學知識與技術。

3.引入物質結構性質表征方面的實驗內容

現在科學研究中，物質結構及其性質的揭示，離不開大型儀器。自19世紀倫琴發(fā)現了X射線以來，X射線衍射被迅速地應用于物質結構表征，它可以用在研究體積很大的對象，譬如人體骨骼，還可以表征很小的物質結構，譬如蛋白質分子結構[4]。由于波長短，X射線有很強的穿透性，在分子及原子級的材料結構研究當中應用尤為廣泛?，F代X射線技術在研究未知結構和新材料中已經成為一個有力的工具，比如本系多個課題組制備的各種單晶新材料，其結構解析就離不開X射線單晶衍射儀。作為重要的物質結構表征手段，理論課堂上也做了深入的介紹，但由于硬件條件的限制，本系本科生一直沒有機會動手操作X射線衍射儀。

多孔固體材料最早發(fā)現于19世紀90年代，因其獨特的結構特性而在催化、吸附、分離和儲能等領域受到廣泛的關注，表面狀態(tài)和孔結構直接影響其性能，所以多孔固體材料的比表面積和孔徑分布是研究固體材料的必要數據。本系多個課題組在介孔、微孔材料的制備研究中，一直離不開比表面積測試儀對樣品基本性質的測定，也正因如此，本系多套比表面積測試儀均難以勻出機時用于本科教學。

通過努力，現在我們購置了4臺比表面積測試儀，并借用本系X射線粉末衍射儀科研機時，用于本科生的教學實驗。先讓學生通過不同方法制備銅鋯復合氧化物材料，并對這些樣品進行X射線粉末衍射和比表面積測定，最后通過數據處理，分析了解不同的制備因素對材料基本性質的影響，了解BET多分子層吸附理論的基本假設和BET法測量固體比表面的基本原理，掌握X射線粉末衍射方法的基本原理、技術和物理吸附儀的工作原理、使用方法，并借此掌握一定的材料常規(guī)表征實驗技能技巧。

三、未來設想

近年來，隨著世界環(huán)境問題的日益嚴重，光催化在環(huán)境污染物降解中已成為研究熱點[5]。最近我們還將開設TiO2光催化廢水降解實驗，這個實驗是有效治理環(huán)境污染技術的典型代表。納米TiO2由于其化學性能穩(wěn)定、抗菌性能好以及在有機物降解過程中無二次污染等優(yōu)良性質，成為環(huán)境污染治理領域中的重要光催化劑，在光催化領域得到了廣泛研究。TiO2的結構形貌對其光催化活性有很大的影響，通過本實驗，希望學生了解環(huán)境污染與防治的相關知識，并能從結構形貌與光量子效率間的關系理解影響光催化活性的因素，同時理解光催化降解效率的衡量指標等知識和技能。

從培養(yǎng)學生技術技能的角度看，現代物質基本結構表征方面涉及的內容還遠不夠，將來還計劃開設銅鋯復合氧化物或者負載貴金屬樣品表面的CO吸附紅外光譜測定、核磁共振測定液相反應速率常數等相關內容。希望通過系列動力學活性測試以及相應物質結構表征方面實驗的開展，讓學生對功能材料樣品制備技術、物質基本性質表征以及樣品性質與性能之間的本質關聯有所了解。更希望學生通過這一系列的訓練，對科學研究過程有所了解，為他們開展系列校內科技創(chuàng)新項目打下基礎，有利于他們今后的繼續(xù)深造或工作。

篇6

二十世紀即將結，二十一世紀即將來臨，二十世紀是光輝燦爛的一個世紀，是個類社會發(fā)展最迅速的一個世紀，是科學技術發(fā)展最迅速的一個世紀，也是物理學發(fā)展最迅速的一個世紀。在這一百年中發(fā)生了物理學革命，建立了相對信紙和量子力學，完成了從經典物理學到現代物理學的轉變。在二十世紀二、三十年代以后，現代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發(fā)展，產生了一系列的新學科的交叉學科、邊緣學科，人類對物質世界的規(guī)律有了更深刻的認識，物理學理論達到了一個新高度，現代物理學達到了成熟的階段。

在此世紀之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀物理學的發(fā)展前景，探索今后物理學發(fā)展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先，我們來回顧一下上一個世紀之交物理學發(fā)展的情況，把當前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀物理學發(fā)展的方向是很有幫助的。

一、歷史的回顧

十九世紀末二十世紀初，經典物物學的各個分支學科均發(fā)展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統(tǒng)計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統(tǒng)的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經觀察到的物理現象。由于經典物理學的巨大成就，當時不少物理學家產生了這樣一種思想：認為物理學的大廈已經建成，物理學的發(fā)展基本上已經完成，人們對物理世界的解釋已經達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節(jié)上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數測得更精確一些。

然而，在十九世紀末二十世紀初，正當物理學家在慶賀物理學大廈落成之際，科學實驗卻發(fā)現了許多經典物理學無法解釋的事實。首先是世紀之交物理學的三大發(fā)現：電子、X射線和放射性現象的發(fā)現。其次是經典物理學的萬里晴空中出現了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結果與經典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經典物理學的傳統(tǒng)觀念受到巨大的沖擊，經典物理發(fā)生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦創(chuàng)立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創(chuàng)立了量子力學?，F代物理學誕生了！

把物理學發(fā)展的現狀與上一個世紀之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

在相對論和量子力學建立起來以后，現代物理學經過七十多年的發(fā)展，已經達到了成熟的階段。人類對物質世界規(guī)律的認識達到了空前的高度，用現有的理論幾乎能夠很好地解釋現在已知的一切物理現象?？梢哉f，現代物理學的大廈已經建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀之交的情況很相似。因此，有少數物理學家認為今后物理學不會有革命性的進展了，物理學的根本性的問題、原則問題都已經解決了，今后能做到的只是在現有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發(fā)展現代物理學，對現有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經驗，多數物理學家并不贊成這種觀點，他們相信物理學遲早會有突破性的發(fā)展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發(fā)生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發(fā)生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。

雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發(fā)生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發(fā)生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟?？陀^物質世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統(tǒng)構成。物質世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學研究的目的包括：探索各層次的運動規(guī)律和探索各層次間的聯系。

回顧二十世紀物理學的發(fā)展，是在三個方向上前進的。在二十一世紀，物理學也將在這三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展。

1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經了解了原子核的結構，發(fā)現了大量的基本粒子及其運規(guī)律，建立了核物理學和粒子物理學，認識到強子是由夸克構成的。今后可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務，所以我認為近期內在這個方向上難以有突破性的進展。

2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創(chuàng)生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續(xù)有所發(fā)展。從根本上來說，現代宇宙學的繼續(xù)發(fā)展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠處觀測的新結果，這需要人類制造出比哈勃望遠鏡性能更優(yōu)越得多的、各個波段的太空天文望遠鏡，這是很艱巨的任務。

我個人對于近年來提出的宇宙創(chuàng)生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的?，F代宇宙學只研究我們這個“宇宙”，當然只能得到近似的結果，把他們的延伸到“宇宙”創(chuàng)生了初及遙遠的未來，則失誤更大。

3）深入探索各層次間的聯系。

這正是統(tǒng)計物理學研究的主要內容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態(tài)統(tǒng)計物理學有了得大的發(fā)展，然后建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發(fā)展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發(fā)展有廣闊的前景。

上述的物理學的發(fā)展依然現代物理學現有的基本理論的框架內。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發(fā)展呢？有一些物理學家在追求“超統(tǒng)一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統(tǒng)一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統(tǒng)一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學家正在探索加上強力的“大統(tǒng)一理論”以及再加上引力把四種力都統(tǒng)一起來的“超統(tǒng)一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當初探索“統(tǒng)一場論”是基于他的“物理世界統(tǒng)一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質世界是既統(tǒng)一，又多樣化的”。且莫論追求“超統(tǒng)一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發(fā)展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發(fā)展過程中，各個具體過程的發(fā)展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發(fā)展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數相對的真理之總和，就是絕對的真理。”“人們在實踐中對于真理的認識也就永遠沒有完結?！盵5]

現代物理學的革命將怎樣發(fā)生呢？我認為可能有兩個方面值得考試：

1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現在我們不知道。我的直覺是：將來最早發(fā)現的第五種力可能存在于生命現象中。物質構成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學業(yè)與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發(fā)展的方向之一，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發(fā)展。

2）現代物理學理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應該通過審思現代物理學理論基礎的不完善性來探尋現代物理學革命的突破口，在下一節(jié)中將介紹我的觀點。

三、現代物理學的理論基礎是完美的嗎？

相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎是否十全十美的

呢？我們來審思一下這個問題。

1）對相對論的審思

當年愛因斯坦就是從關于光速和關于時間要領的思考開始，創(chuàng)立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現代物理學革命的突破口，也應該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護坦創(chuàng)立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規(guī)定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導出了洛侖茲變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護擔提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。

時間、空間是物質運動的表現形式，不能脫離物理質運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關于什么運動的時空。現代物理學認為超距作用是不存在的，A處發(fā)生的“事件”影響B(tài)處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關于由電磁相互作用引起的物質運動的時空，適用于描述這種運動。

愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質運動，實際上就暗含了這樣的假設：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質世界統(tǒng)一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質世界既統(tǒng)一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關于由電磁力引起的物質運動的四維時空（x，y，z，ict）和關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導出c＇的數值。

我在二十多年前開始形成上述觀點，當時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經過長斯的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結果，隨后這項工作冷下去了。根據愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現代實驗技術能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，這樣弱的引力波應該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導出引力波的強度比根據愛因勞動保護坦理論預言的強度弱得多的結果。

弱力、強力與引力、電磁力有本質的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規(guī)范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質量和能量有關，因而其傳遞速度是多種多樣的。

在研究由弱或強相互作用引起的物質運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應該用弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學和粒子物理學是外行，不想貿然回答這個問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關于由弱力或強力引起的物質運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。設弱或強相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數，而是可變的，則關于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規(guī)范粒子的靜質量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統(tǒng)一起來了，因此有可能c1=c，則關于由弱力引起的運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關于由強力引起的運動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學和新的粒子物理學等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。

1）對量子力學的審思

從量子力學發(fā)展到量子場論的時候，遇到了“發(fā)散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發(fā)散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難?！鞍l(fā)散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。

現在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統(tǒng)的德布羅意關系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關系，就必須面對使新的理論滿足相對論協變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關?，F在的量子力學理論中時寬人的定義實質上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規(guī)律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應考慮相關的物質運動的類別。模糊數學已經發(fā)展得相當成熟了，把這個數學工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。

1）在二十一世紀物理學將在三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯系，進一步發(fā)展非線性科學。

2）可能應該從兩方面去控尋現代物理學革命的突破口。（1）發(fā)現客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學的理論基礎，重新定義時間、空間，建立新的理論

篇7

十九世紀末二十世紀初，經典物物學的各個分支學科均發(fā)展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統(tǒng)計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統(tǒng)的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經觀察到的物理現象。由于經典物理學的巨大成就，當時不少物理學家產生了這樣一種思想：認為物理學的大廈已經建成，物理學的發(fā)展基本上已經完成，人們對物理世界的解釋已經達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節(jié)上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數測得更精確一些。

然而，在十九世紀末二十世紀初，正當物理學家在慶賀物理學大廈落成之際，科學實驗卻發(fā)現了許多經典物理學無法解釋的事實。首先是世紀之交物理學的三大發(fā)現：電子、X射線和放射性現象的發(fā)現。其次是經典物理學的萬里晴空中出現了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結果與經典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經典物理學的傳統(tǒng)觀念受到巨大的沖擊，經典物理發(fā)生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦創(chuàng)立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創(chuàng)立了量子力學。現代物理學誕生了！

把物理學發(fā)展的現狀與上一個世紀之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

在相對論和量子力學建立起來以后，現代物理學經過七十多年的發(fā)展，已經達到了成熟的階段。人類對物質世界規(guī)律的認識達到了空前的高度，用現有的理論幾乎能夠很好地解釋現在已知的一切物理現象?？梢哉f，現代物理學的大廈已經建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀之交的情況很相似。因此，有少數物理學家認為今后物理學不會有革命性的進展了，物理學的根本性的問題、原則問題都已經解決了，今后能做到的只是在現有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發(fā)展現代物理學，對現有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經驗，多數物理學家并不贊成這種觀點，他們相信物理學遲早會有突破性的發(fā)展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發(fā)生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發(fā)生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。

雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發(fā)生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發(fā)生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟?？陀^物質世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統(tǒng)構成。物質世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學研究的目的包括：探索各層次的運動規(guī)律和探索各層次間的聯系。

回顧二十世紀物理學的發(fā)展，是在三個方向上前進的。在二十一世紀，物理學也將在這三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展。

1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經了解了原子核的結構，發(fā)現了大量的基本粒子及其運規(guī)律，建立了核物理學和粒子物理學，認識到強子是由夸克構成的。今后可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務，所以我認為近期內在這個方向上難以有突破性的進展。

2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創(chuàng)生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續(xù)有所發(fā)展。從根本上來說，現代宇宙學的繼續(xù)發(fā)展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠處觀測的新結果，這需要人類制造出比哈勃望遠鏡性能更優(yōu)越得多的、各個波段的太空天文望遠鏡，這是很艱巨的任務。

我個人對于近年來提出的宇宙創(chuàng)生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的?，F代宇宙學只研究我們這個“宇宙”，當然只能得到近似的結果，把他們的延伸到“宇宙”創(chuàng)生了初及遙遠的未來，則失誤更大。

3）深入探索各層次間的聯系。

這正是統(tǒng)計物理學研究的主

要內容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態(tài)統(tǒng)計物理學有了得大的發(fā)展，然后建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發(fā)展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發(fā)展有廣闊的前景。

上述的物理學的發(fā)展依然現代物理學現有的基本理論的框架內。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發(fā)展呢？有一些物理學家在追求“超統(tǒng)一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統(tǒng)一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統(tǒng)一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學家正在探索加上強力的“大統(tǒng)一理論”以及再加上引力把四種力都統(tǒng)一起來的“超統(tǒng)一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當初探索“統(tǒng)一場論”是基于他的“物理世界統(tǒng)一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質世界是既統(tǒng)一，又多樣化的”。且莫論追求“超統(tǒng)一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發(fā)展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發(fā)展過程中，各個具體過程的發(fā)展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發(fā)展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數相對的真理之總和，就是絕對的真理?！薄叭藗冊趯嵺`中對于真理的認識也就永遠沒有完結。”[5]

現代物理學的革命將怎樣發(fā)生呢？我認為可能有兩個方面值得考試：

1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現在我們不知道。我的直覺是：將來最早發(fā)現的第五種力可能存在于生命現象中。物質構成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學業(yè)與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發(fā)展的方向之一，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發(fā)展。

2）現代物理學理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應該通過審思現代物理學理論基礎的不完善性來探尋現代物理學革命的突破口，在下一節(jié)中將介紹我的觀點。

三、現代物理學的理論基礎是完美的嗎？

相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎是否十全十美的

呢？我們來審思一下這個問題。

1）對相對論的審思

當年愛因斯坦就是從關于光速和關于時間要領的思考開始，創(chuàng)立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現代物理學革命的突破口，也應該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護坦創(chuàng)立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規(guī)定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導出了洛侖茲變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護擔提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。

時間、空間是物質運動的表現形式，不能脫離物理質運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關于什么運動的時空?，F代物理學認為超距作用是不存在的，A處發(fā)生的“事件”影響B(tài)處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關于由電磁相互作用引起的物質運動的時空，適用于描述這種運動。

愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質運動，實際上就暗含了這樣的假設：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質世界統(tǒng)一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質世界既統(tǒng)一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關于由電磁力引起的物質運動的四維時空（x，y，z，ict）和關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導出c＇的數值。

我在二十多年前開始形成上述觀點，當時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經過長斯的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結果，隨后這項工作冷下去了。根據愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現代實驗技術能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，這樣弱的引力波應該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導出引力波的強度比根據愛因勞動保護坦理論預言的強度弱得多的結果。

弱力、強力與引力、電磁力有本質的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規(guī)范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質量和能量有關，因而其傳遞速度是多種多樣的。

在研究由弱或強相互作用引起的物質運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應該用

弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學和粒子物理學是外行，不想貿然回答這個問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關于由弱力或強力引起的物質運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。設弱或強相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數，而是可變的，則關于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規(guī)范粒子的靜質量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統(tǒng)一起來了，因此有可能c1=c，則關于由弱力引起的運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關于由強力引起的運動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學和新的粒子物理學等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。

1）對量子力學的審思

從量子力學發(fā)展到量子場論的時候，遇到了“發(fā)散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發(fā)散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難?！鞍l(fā)散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。

現在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統(tǒng)的德布羅意關系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關系，就必須面對使新的理論滿足相對論協變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關?，F在的量子力學理論中時寬人的定義實質上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規(guī)律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應考慮相關的物質運動的類別。模糊數學已經發(fā)展得相當成熟了，把這個數學工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。

1）在二十一世紀物理學將在三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯系，進一步發(fā)展非線性科學。

2）可能應該從兩方面去控尋現代物理學革命的突破口。（1）發(fā)現客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學的理論基礎，重新定義時間、空間，建立新的理論

3）由于現代物理學尚未發(fā)生“危機”，因此目前發(fā)生現代物理學革命的條件也許還不成熟，物理學的發(fā)展和物理學革命都有賴于在物理實驗和對客觀物質世界的觀測中獲得新的結果，實驗和觀測是發(fā)展物理學的量重要手段，這是我們要關注的首要問題。然而，科學的發(fā)展和物理學的發(fā)展有本身的邏輯，符合客觀規(guī)律的、有真知灼見的思維也是一個關鍵。

篇8

關鍵詞：熱力學與統(tǒng)計物理 教學內容 教學方法 考核方式 材料物理專業(yè)

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（c）-0170-02

材料物理專業(yè)是材料科學與物理學的一個交叉學科，專業(yè)特點要求在課程設置上既有材料科學方面的課程又要有物理類課程。安徽工業(yè)大學材料物理專業(yè)于2003年開始進行籌劃建設，2005年實現了首次招生。經過幾年的探索、規(guī)劃和實踐，基本完成了專業(yè)定位和課程體系設置[1]，正逐步完善專業(yè)建設?，F階段，保留了量子力學，熱力學與統(tǒng)計物理（以下簡稱熱統(tǒng)）和固體物理學作為本專業(yè)的物理類必修課程。其中，熱力學與統(tǒng)計物理是一門重要的專業(yè)基礎課，無論對后續(xù)的物理類還是材料類課程的學習都起到承上啟下的知識連接作用。本課程的設置目的使學生能夠熟練掌握熱力學和統(tǒng)計力學的基本原理和研究方法，逐步建立分析微觀世界的思路和方法，訓練學生嚴格的邏輯思維能力，培養(yǎng)演繹推理能力，提高解決具體問題的能力。

1 熱力學與統(tǒng)計物理課程教學中存在的主要問題

熱統(tǒng)課程內容由熱力學和統(tǒng)計物理兩部分組成。其中，熱力學是研究熱現象的宏觀理論，它從若干經驗定律出發(fā)，通過嚴密的邏輯演繹方法，最終給出系統(tǒng)的宏觀熱性質；而統(tǒng)計物理則是研究熱現象的微觀理論，它從微觀粒子的力學規(guī)律出發(fā)，加上統(tǒng)計假設，獲得系統(tǒng)的宏觀性質。從內容上來看，熱統(tǒng)課程的理論性強，教學內容繁雜。尤其，在當前高校推行素質教育和培養(yǎng)應用型人才的指導下，基礎理論課課程教學學時均有不同程度的壓縮。我校熱統(tǒng)課程安排為40個學時，由此帶來了教學學識少和教學內容多的嚴重矛盾。我們根據我校材料物理專業(yè)特色方向和后續(xù)課程，在熱統(tǒng)教學內容上做出了適當的調整。

現行的熱統(tǒng)教材理論性強，較適合理科生使用，缺乏較合適的工科材料類學生使用的熱統(tǒng)教材。在組織教學中，我們以汪志誠編寫的《熱力學?統(tǒng)計物理（第四版）》作為主要參考教材[2]，同時綜合了多本經典教材，如：胡承正編著的《熱力學與統(tǒng)計物理學》，包景東編著的《熱力學與統(tǒng)計物理簡明教程》等[3～4]。根據我校材料物理專業(yè)培養(yǎng)目標和專業(yè)特色方向，本著“先進、有效、有用”的原則，對熱統(tǒng)課程的教學內容應該進行認真清理與重構，形成適合本校實際的課程講義。

在教學方法和考核方式上也應根據我校實際進行相應的改革。熱統(tǒng)課程是一個理論性強的課程，其中的物理概念抽象，物理公式繁雜。安徽工業(yè)大學材料物理專業(yè)是在工科背景下成立并發(fā)展起來的，學生的數理基礎相對薄弱，在學習的過程中會有些吃力。長期的教學實踐告訴我們，如果采取傳統(tǒng)的灌輸式教學方法，只能使熱統(tǒng)課堂教學枯燥無味，學生被動的接受知識，失去了學習興趣，甚至對后續(xù)的專業(yè)課學習產生抵觸情緒。另外，傳統(tǒng)的閉卷考試常造成學生不重視平時的學習過程，期末復習只看教學課件，期待老師劃重點，搞突擊記憶。

針對上述現狀，我們嘗試著進行了教學內容，教學方法和考核方式的改革和實踐。

2 教學內容的改革

2.1 優(yōu)化教學內容

熱統(tǒng)課程的熱力學部分與先修課程，如大學物理、物理化學和工程化學基礎的部分內容重復率較高。我們在充分了解本專業(yè)學生的先修課程和后續(xù)課程的教學內容后，對與其他課程有交叉重疊的部分進行了壓縮和刪減。比如：熱力學部分的熱力學基本定律，熱力學函數，化學平衡條件，理想氣體的化學平衡等都在先修課程里面作為重點內容進行講授的。在實際教學時，只作復習性的簡述或以學生自學的方式完成。但為保證熱力學基本概念與規(guī)律的嚴格性與系統(tǒng)性，對重要的基本概念和定律還是進行重點講解。通過這樣的調整，節(jié)省了熱力學部分的教學學時，加大了統(tǒng)計物理部分的學時講授。統(tǒng)計物理是從宏觀系統(tǒng)的微觀結構入手，從內容上與量子力學和固體物理課程聯系緊密，也為后續(xù)的計算材料學課程，甚至可為本科畢業(yè)論文工作提供前期的知識準備。在統(tǒng)計物理教學部分，將在先修課程中學習過的麥克斯韋速度分布率和能均分定理略講；固體的熱容量的德拜理論是固體物理課程的重點教學內容，在熱統(tǒng)教學中，這部分只簡單提及。經過這樣的教學內容優(yōu)化后，節(jié)省了課時，加強了課程之間的聯系，提高了教學效率。

2.2 適當引入材料學科前沿內容

創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求課程內容要體現先進性和現代化。通過合理的補充與熱統(tǒng)課程相關的材料學和物理學最新的學術成就與進展，有意識的突出課程的廣度，豐富和具體化基本理論內容。增加學科前沿內容，我們從兩個方面進行。一方面是在講授基礎理論知識的同時，引入與該知識密切相關的科學技術發(fā)展的介紹。例如：在對溫度和溫標作復習簡述的時候，介紹測溫儀表和測溫技術。電阻溫度計，熱電偶測溫技術，紅外測溫技術等在后續(xù)的材料類課程學習，課程設計和實驗及畢業(yè)論文工作是非常重要的一部分。在講授氣體的節(jié)流和膨脹過程一節(jié)時，介紹了獲得低溫的技術，以及與低溫有關的材料性能的變化，超導電現象的發(fā)展歷史及科研現狀等；在講授單元系的相變時，加強了對二級相變和臨界現象的講授，介紹了磁性材料，超導材料，超流體等方面的最新研究進展；在統(tǒng)計物理部分，介紹玻色-愛因斯坦凝聚的新進展，講授統(tǒng)計物理部分的金屬中的自由電子時，適當介紹計算材料學和計算物理方面的研究現狀等。另一方面是通過鼓勵學生現場聽取相關的學術報告，或者觀看相關報告的視頻。通過前沿知識的適當引進，開闊了學生的視野，激發(fā)了學生的學習和科研興趣，獲得了較好的教學效果。

2.3 注重理論聯系實際

材料類專業(yè)是應用性很強的專業(yè)，要求熱統(tǒng)課程教學內容要體現實用性，加強理論與實際的聯系。我們鼓勵學生通過本科生科研訓練計劃（SRTP）和大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃的方式參與相關教師的課題研究，或者開設課程設計和實驗。如在講授相變的章節(jié)時，為了讓學生加深對二級相變的理解，開設了高溫超導轉變的實驗，巨磁電阻材料的相變實驗等。組織學生參觀學校相關的實驗室，如參觀計算材料實驗室，使學生了解相圖的理論計算方法，第一性原理計算及材料設計方法。經過這樣的訓練，學生對物理概念有了深入的理解，提高學生的應用能力，研究能力和創(chuàng)新能力。

3 教學方法和考核方式的改革

3.1 學生為主體，教師為主導

在組織課堂教學時，認真貫徹以學生為主體，教師為主導的教學思想，加強師生互動，爭取使學生由被動接受知識變?yōu)橹鲃犹剿髦R。在課前，給學生預留思考題進行課前預習，讓學生帶著問題去聽課，做到有的放矢。在組織教學時，對重點章節(jié)進行精講，適時開展物理基本概念和基本問題的討論，啟發(fā)學生思考和推理。對相對容易理解的章節(jié)組織學生自學，或者制作成ppt課件，在課堂上講解，教師在做總結式講授。課后，要求學生獨立完成作業(yè)和習題，以期加深對基本概念的理解和應用。

3.2 重物理思想 簡化數學推導

在組織教學的過程中，重點講解基本概念，突出物理思想。借助于多媒體教學，對于較抽象、難理解的概念和原理，可通過制作圖文并茂的課件，或者觀看相關視頻的方式，使抽象的概念形象化，增強學生的感性認識。適當補充基本概念辨析題和思考題以促進學生對基本概念的深入理解和掌握。對于必要的數學推導，使用板書的方式進行詳解和推導，留給學生足夠的時間思考并跟上教師的思路。

3.3 考核方式的改革

考核是教學過程的主要環(huán)節(jié)之一，應具有實用性和針對性，并能體現學生的綜合素質。我們在考核方面，加大了平時成績的比例，增加了課堂回答問題，課堂討論，撰寫科研小論文等環(huán)節(jié)的考核。在期末的閉卷考試中，減少死記硬背的概念題和公式，把考核重點放在學生對基本物理概念的理解和基本理論知識的實際應用上。

4 實踐效果

在教學實踐中逐步形成了適合我校材料物理專業(yè)實際的熱統(tǒng)課程講義。實踐證明，改革措施在緩解授課學時與教學內容的矛盾，拓寬學生知識面等方面效果顯著。尤其，熱統(tǒng)課程作為材料物理專業(yè)的前期先修基礎課，對后續(xù)的課程學習起著承上啟下的重要作用。通過上述的教學改革后，學生的學習積極性大大提高，熱愛本專業(yè)的學習，踴躍參加SRTP和大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的計劃，甚至部分同學提前加入教師團隊的課題組，對未來的工作或者繼續(xù)深造充滿信心。

參考文獻

[1] 方道來，童六牛，夏愛林，等.材料物理專業(yè)定位及課程體系設置的探索[J].安徽工業(yè)大學學報：社會科學版，2011（23）：104-105.

[2] 汪志誠.熱力學?統(tǒng)計物理[M].北京：高等教育出版社，2010.

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“理為工之本，工為理之用”[2]，物理學是工程技術的基礎，對提升學生科學素養(yǎng)有重要的作用。以培養(yǎng)大學生的工程創(chuàng)新能力為目標，提高大學物理教學質量是“卓越計劃”對當前大學物理教學改革提出的新要求。在大學物理教學中融入“工程教育”是適應這一要求的重要基礎。在大學教學中加強工程教育，激發(fā)學生的興趣、培養(yǎng)學生的工程意識，以期在工程技術人員理解新原理，掌握新技術方面發(fā)揮重要的作用。

二、工程實例與物理教學的融合

作為高等院校工科各專業(yè)的必修基礎課，傳統(tǒng)的大學物理學較為重視知識體系的完整性、嚴密性和原理的邏輯推理，這對培養(yǎng)學生的邏輯思維能力有很大幫助，但這種偏重理論化推理的物理教學，啟發(fā)有余而創(chuàng)新不足，忽略了工科專業(yè)學生對物理原理在實際工程技術中的應用這一求知需求。為了實現大學物理教學的工程教育目的，在教學過程中適當地引入工程實例是一種有效途徑。工程實例的引入可以在大學物理教學中無所不在，比如物理原理的講解，例題演示，以及課后習題等。工程實例的引入一方面要與物理知識點緊密相關，另一方面也要具有真實性，能激發(fā)學生的興趣。當前國內物理教材中往往只列舉幾個典型的工程應用例子，難以激發(fā)學生的興趣，甚至對物理原理在其中的具體應用過程也是一語帶過，不提取模型也不解釋原理，學生難以理解理論原理到工程技術的應用。相比國內教材，國外大學物理教材中物理知識與生活、體育、工程技術的工程實例聯系就緊密得多。比如《哈里德大學物理學》中一道習題：“一架噴氣式戰(zhàn)機重達231kN，需要達到85m/s的空速才能起飛。戰(zhàn)機發(fā)動機最大可提供107kN的推力，但并不足以讓戰(zhàn)機在短短90m的航母甲板跑道上達到起飛速率?！币粋€簡單的力學物理題，穿上一件漂亮的工程“外衣”，未給教學添加負擔，反而趣味倍增。工程實例的引入要注意全面，不能以偏概全。生活和工程中的物理構成有些對人類有利，有些對人類不利，但背后都有物理規(guī)律的支配。比如振動學中，許多教材都列舉了共振引起橋梁坍塌的事故，讓學生認識振動的威力。如果教學進程到此為止，學生對共振的的理解可能會產生誤會，認為振動現象在建筑中只有“弊”而無“利”。實際上，許多現代橋梁和建筑物的防振減振工程項目都是“以其人之道，還治其人之身”，比如安裝于臺北101大廈的全球最大的“調諧質塊阻尼器”，利用共振來消除大廈的振動以保障安全。只有客觀而周到地對工程實例進行討論，才能讓學生對物理原理的理解及其應用有更全面的認識。由于沒有現成的工程實例，需要教師收集和撰寫相關的材料。工程實例的收集可從文獻、國內外優(yōu)秀教材中，甚至是時事新聞中篩選、汲取適當的題目。比如讓國人振奮和驕傲的我國第一艘航母“遼寧號”及其成功起降的殲15艦載機，其中就有物理中力熱光電各方面基本原理的大量應用。積少成多，集腋成裘，當前的通訊信息十分發(fā)達，可以多渠道、多途徑地獲取工程實例。

三、專業(yè)課程與大學物理的對接

大學物理學作為理工各專業(yè)的基礎課，在夯實學生的基礎知識，培養(yǎng)學生的邏輯思維和創(chuàng)新意識上有共同的作用，但不同專業(yè)對具體物理知識的學習也有不同的要求。目前大學物理的內容體系主要包括牛頓力學、熱力學、電磁學、波動光學，以及相對論和量子力學等，內容較多，且物理學也在不斷取得新進展。但在實際教學中，大學物理的學時卻在不斷縮減。針對這樣的局面，如何實現大學物理的工程教育？首先要根據專業(yè)特點對物理教學內容有所側重。大學物理教學可根據工科各專業(yè)的特點，對知識體系進行調整和優(yōu)化，在制定教學計劃時，集合相關專業(yè)的特點和后期專業(yè)課學習的延續(xù)性，在保持物理內容體系完整的情況下，對相關內容進行調整，并進一步拓展優(yōu)化。比如，對機械類專業(yè)側重于力學、熱力學、電磁學等；對電類專業(yè)側重于電磁學、光學和近代物理等。機械類專業(yè)都有理論力學和材料力學等專業(yè)基礎課，如何在牛頓力學的教學中對相應概念和規(guī)律進行拓展，為相關課程做好鋪墊，是物理課堂上一個值得探討和嘗試的課題。當前許多高校大學物理授課根據專業(yè)分班，也為這一設想提供了有利條件。

四、綜合物理課程的開設設想

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2015年北京工業(yè)大學碩士研究生擬招生學科目錄已公布，具體內容請各位考生查看如下：

院（所）、學科代碼、名稱 學科方向 招生人數 考試科目 備注 001 機械工程與應用電子技術學院 223     0801 力學 _ 01動力學與控制 _ 02固體力學 _ 03流體力學 _ 04工程力學 27 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③301數學一 ④811理論力學或812材料力學I   080200 機械工程 _ 01數字化設計與制造技術 _ 02精密數控加工與自動化裝備 _ 03現代焊接技術與自動化裝備 _ 04機電系統(tǒng)控制及自動化 _ 05機構及機器人系統(tǒng)分析與控制 _ 06機械及微機電系統(tǒng)結構設計 78 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③301數學一 ④811理論力學或812材料力學I或813電工學   0804 儀器科學與技術 _ 01精密測試技術與儀器 _ 02現代測控技術及方法 _ 03計算機測試與控制技術 _ 04智能儀器與虛擬儀器技術 23 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③301數學一 ④803電子技術I或812材料力學I或813電工學   085201 機械工程（專業(yè)學位） _01數字化設計與制造及裝備 _02現代機械系統(tǒng)設計 _03機電液一體化設計與制造 _04現代測控技術與儀器 _05高端裝備強度與動態(tài)分析 95 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③302數學二 ④809工程力學或813電工學   002 電子信息與控制工程學院 232     0809 電子科學與技術 _ 01信號處理與電路 _ 02數字多媒體信息技術 _ 03信息光電子學與光通信 _ 04超大規(guī)模集成電路設計與系統(tǒng)集成 _ 05電子器件、射頻和功率集成電路及可靠性 58 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③301數學一 ④822信號與系統(tǒng)或823半導體物理 1、01-02方向選822； 2、03-05方向選823。 0810 信息與通信工程 _ 01語音與音頻信號處理 _ 02多媒體通信技術 _ 03信號處理理論與通信技術 _ 04圖像與視頻信號處理 30 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③301數學一 ④822信號與系統(tǒng)   0811 控制科學與工程 _ 01自動控制理論及其應用 _ 02測控技術與自動化系統(tǒng) _ 03智能系統(tǒng)與智能信息處理 _ 04信息融合與自主導航 _ 05計算機控制技術及其應用 63 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③301數學一 ④821自動控制原理   085208 電子與通信工程（專業(yè)學位） _ 01信號與信息處理及其應用技術 _ 02圖像處理與模式識別技術 _ 03多媒體通信技術 _ 04無線通信技術 _ 05嵌入式系統(tǒng)技術 35 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③302數學二 ④822信號與系統(tǒng)   085210 控制工程（專業(yè)學位） _ 01工業(yè)過程的建模、控制與優(yōu)化 _ 02系統(tǒng)工程（系統(tǒng)優(yōu)化與決策） _ 03信息管理系統(tǒng) _04生產過程綜合自動化 _ 05智能控制與智能系統(tǒng) 30 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③302數學二 ④821自動控制原理   085209 集成電路工程（專業(yè)學位） _ 01集成電路設計 _02集成電路制備工藝及相關技術研究 _03微電子器件檢測與可靠性評價技術 16 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③302數學二 ④823半導體物理   004 建筑工程學院 246     0814 土木工程 _01工程抗震減震與城市綜合防災減災理論、方法和技術 _02結構新體系與高性能材料 _03結構全壽命設計、健康監(jiān)測與可持續(xù)發(fā)展 _04巖土與地下工程安全風險分析、評價方法和技術 _05工程施工技術與風險管理 _06水環(huán)境恢復工程及水質處理保障技術 _07建筑環(huán)境控制及能源利用技術 119 ①101思想政治理論 ②201英語一或203日語 ③301數學一 ④841結構力學 或833土力學與地基基礎 或843鋼筋混凝土結構 或 845水分析化學與水力學；或846傳熱學Ⅰ或867流體力學Ⅱ 1、土木工程（含工民建、道橋等）或相近專業(yè)考生報考方向可選01～05，考試科目可選841或833或843； 2、給排水或相近專業(yè)考生報考方向可選06，考試科目可選845； 3、暖通或相近專業(yè)考生報考方向可選07，考試科目應選846或867。 0823 交通運輸工程 _ 01道路與鐵道工程 _ 02交通運輸規(guī)劃與管理 _ 03交通信息工程及控制 4 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③301數學一 ④848道路工程 或 849交通工程或832交通信息與控制 1、01方向選848； 2、02-03方向選849或832。 0815 水利工程 _ 01水文學及水資源 _ 02水力學及河流動力學 _ 03水工結構工程 _ 04水利水電工程 _ 05港口、海岸及近海工程 10 ①101思想政治理論 ②201英語一或203日語 ③301數學一 ④841結構力學或844水力學Ⅱ   085213 建筑與土木工程（專業(yè)學位） _01工程抗震減震與城市綜合防災減災理論、方法和技術 _02結構新體系與高性能材料 _03結構全壽命設計、健康監(jiān)測與可持續(xù)發(fā)展 _04巖土與地下工程安全風險分析、評價方法和技術 _05工程施工技術與風險管理 _06工程項目管理及信息化 _07水環(huán)境恢復工程及水質處理保障技術 _08建筑環(huán)境與能源利用技術 100 ①101思想政治理論 ②204英語二或203日語 ③302數學二 ④841結構力學或833土力學與地基基礎或845水分析化學與水力學 或846傳熱學Ⅰ或867流體力學Ⅱ 1、土木工程（含工民建、道橋等）或相近專業(yè)考生報考方向可選01～06，考試科目可選841或833或843； 2、給排水或相近專業(yè)考生報考方向可選07，考試科目可選845； 3、暖通或相近專業(yè)考生報考方向可選08，考試科目應選846或867。 085222 交通運輸工程（專業(yè)學位） _01道路交通安全理論與道路工程技術 _02交通規(guī)劃與交通控制理論及方法 _03智能交通、仿真與可持續(xù)發(fā)展整合體系 5 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③302數學二 ④848道路工程或849交通工程或832交通信息與控制 1、01方向選848； 2、02-03方向選849或832。 1256 工程管理（專業(yè)學位） _ 00不區(qū)分研究方向 8 ①199管理類聯考綜合能力 ②204英語二   005 環(huán)境與能源工程學院 152     070304 物理化學 _01能源材料物理化學 _02催化化學 _03納米材料物理化學 _04界面物理化學與分離技術 11 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③684物理化學I ④887無機化學II · 0807 動力工程及工程熱物理 _ 01可再生能源利用及先進環(huán)境能源理論與技術 _ 02強化傳熱傳質理論與工程應用 _ 03制冷低溫系統(tǒng)及其環(huán)保節(jié)能理論與技術 _ 04車輛及動力系統(tǒng)節(jié)能、凈化與控制 23 · ①101思想政治理論 · ②201英語一 · ③301數學一 · ④851傳熱學Ⅱ或852工程熱力學   0817 化學工程與技術 _ 01綠色化學與精細有機化工 _ 02工業(yè)催化與納米科學 _ 03膜科學與化工分離技術 _ 04材料化學理論與應用 _ 05先進材料合成及催化應用 25 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③302數學二 ④814物理化學Ⅲ或820有機化學I或878化工原理   0830 環(huán)境科學與工程 _ 01環(huán)境規(guī)劃與污染防治 _ 02污染控制化學 _ 03環(huán)境分析與監(jiān)測 _ 04環(huán)境規(guī)劃與管理 _ 05水污染控制工程 _ 06大氣污染控制工程 28 ①101思想政治理論 ②201英語一或203日語 ③302數學二 ④856環(huán)境影響評價或857微生物基礎I或858環(huán)境工程學 1、只有05方向招日語考生； 2、01-04方向，選856； 3、05方向選857； 4、06方向選858。 085206 動力工程（專業(yè)學位） _01可再生能源利用與先進環(huán)境能源技術 _02能源動力系統(tǒng)優(yōu)化及工程應用 _03制冷低溫系統(tǒng)及其節(jié)能環(huán)保技術 _04動力機械及車輛動力系統(tǒng)節(jié)能、凈化與控制 32 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③302數學二 ④851傳熱學Ⅱ或852工程熱力學   085229 環(huán)境工程（專業(yè)學位） _01水污染控制工程 _02大氣污染控制工程 _03環(huán)境規(guī)劃與管理 33 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③302數學二 ④856環(huán)境影響評價或857微生物基礎I或858環(huán)境工程學 1、01方向選857； 2、02方向選858； 3、03方向選856。 006 應用數理學院 98     0701 數學 _ 01基礎數學 _ 02應用數學 _ 03運籌學與控制論 _ 04科學計算 35 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③663數學分析 ④865高等代數   0714 統(tǒng)計學 _ 01非參數統(tǒng)計與數據分析 _ 02應用統(tǒng)計 _ 03生物統(tǒng)計 _ 04金融工程與應用概率 _ 05經濟統(tǒng)計 14 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③663 數學分析 ④865 高等代數   0702 物理學 _ 01理論物理 _ 02凝聚態(tài)物理 _ 03光學 25 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③662普通物理I ④861量子力學或863光學 1、01方向選861； 2、02方向選861或863； 3、03方向選863。 0803 光學工程 _ 01脈沖激光技術與應用 _ 02信息光學與應用 _ 03微納光學 _ 04光電傳感與檢測技術 7 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③301數學一 ④828激光原理   0252 應用統(tǒng)計（專業(yè)學位） _01生物醫(yī)學統(tǒng)計 _02精算統(tǒng)計 _03數量金融 _04質量管理統(tǒng)計 17 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③303數學三 ④432統(tǒng)計學   007 計算機學院 151     0812 計算機科學與技術 _ 01 計算機系統(tǒng)結構 _ 02 計算機軟件與理論 _ 03計算機應用技術 _ 04 信息安全 68 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③301數學一 ④895 計算機學科專業(yè)基礎   085211 計算機技術（專業(yè)學位） _ 01計算機網絡技術 _ 02計算機軟件技術 _ 03計算機應用技術 _ 04信息安全技術 83 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③302數學二 ④896數據結構   009材料科學與工程學院 140     0805 材料科學與工程 _ 01生態(tài)環(huán)境材料與資源循環(huán)技術 _ 02稀土、難熔金屬等功能材料 _ 03高性能結構材料技術 _ 04先進材料加工技術 _ 05光電信息與高效能源材料 80 ①101思想政治理論 ②201英語一或203日語 ③302數學二 ④875材料科學基礎   085204 材料工程（專業(yè)學位） _ 01生態(tài)環(huán)境材料與資源循環(huán)技術 _ 02稀土、難熔金屬等功能材料 _ 03高性能結構材料技術 _ 04先進材料加工技術 _ 05光電信息與高效能源材料 60 ①101思想政治理論 ②204英語二或203日語 ③302數學二 ④875材料科學基礎   011 經濟與管理學院 182     1201 管理科學與工程 _ 01技術與項目管理 _ 02戰(zhàn)略管理與社會網絡 _ 03信息管理與信息系統(tǒng) _ 04城市管理 _ 05運作管理與質量管理 _ 06金融工程 25 ①101思想政治理論 ②201英語一或203日語 ③303數學三 ④801管理學或804經濟學原理或805數據庫技術與應用   0202 應用經濟學 _01金融學 _02國際貿易學 _03產業(yè)經濟學 _04區(qū)域經濟學 _05數量經濟學 _06統(tǒng)計學 _07勞動經濟學 25 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③303數學三 ④804經濟學原理   1202 工商管理 _ 01會計學 _ 02企業(yè)管理 _ 03旅游管理 _ 04技術經濟及管理 13 ①101思想政治理論 ②201英語一或203日語 ③303數學三 ④801管理學或804經濟學原理   1251 工商管理碩士（專業(yè)學位） _ 00不區(qū)分研究方向 99 ①199管理類聯考綜合能力 ②204英語二   1252 公共管理碩士（專業(yè)學位） _ 00不區(qū)分研究方向 20 ①199管理類聯考綜合能力 ②204英語二   012 建筑與城市規(guī)劃學院 60     0833 城鄉(xiāng)規(guī)劃學 _ 01城鄉(xiāng)規(guī)劃理論與方法 _ 02居住區(qū)規(guī)劃與設計 _ 03城市設計與景觀規(guī)劃 _ 04歷史城市與街區(qū)保護規(guī)劃 _ 05城市防災減災規(guī)劃 15 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③633城市規(guī)劃原理 ④503城市規(guī)劃與設計 接收建筑學、城市規(guī)劃學(含園林景觀)專業(yè)的考生報考。 0851 建筑學（專業(yè)學位） _01都市建筑設計及理論 _02歷史建筑的保護與更新 _03建筑與城市綠色環(huán)境技術 _04城市設計方法及理論 40 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③355建筑學基礎 ④504建筑快速設計 接收建筑學、城市規(guī)劃學專業(yè)的考生報考。 085237 工業(yè)設計工程（專業(yè)學位） _ 00不區(qū)分研究方向 5 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③337工業(yè)設計基礎 ④502產品設計 接收工業(yè)設計、產品設計、藝術設計專業(yè)等相關專業(yè)考生報考。

085229 環(huán)境工程（專業(yè)學位） _01水污染控制工程 _02大氣污染控制工程 _03環(huán)境規(guī)劃與管理 33 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③302數學二 ④856環(huán)境影響評價或857微生物基礎I或858環(huán)境工程學 1、01方向選857； 2、02方向選858； 3、03方向選856。 006 應用數理學院 98     0701 數學 _ 01基礎數學 _ 02應用數學 _ 03運籌學與控制論 _ 04科學計算 35 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③663數學分析 ④865高等代數   0714 統(tǒng)計學 _ 01非參數統(tǒng)計與數據分析 _ 02應用統(tǒng)計 _ 03生物統(tǒng)計 _ 04金融工程與應用概率 _ 05經濟統(tǒng)計 14 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③663 數學分析 ④865 高等代數   0702 物理學 _ 01理論物理 _ 02凝聚態(tài)物理 _ 03光學 25 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③662普通物理I ④861量子力學或863光學 1、01方向選861； 2、02方向選861或863； 3、03方向選863。 0803 光學工程 _ 01脈沖激光技術與應用 _ 02信息光學與應用 _ 03微納光學 _ 04光電傳感與檢測技術 7 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③301數學一 ④828激光原理   0252 應用統(tǒng)計（專業(yè)學位） _01生物醫(yī)學統(tǒng)計 _02精算統(tǒng)計 _03數量金融 _04質量管理統(tǒng)計 17 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③303數學三 ④432統(tǒng)計學   007 計算機學院 151     0812 計算機科學與技術 _ 01 計算機系統(tǒng)結構 _ 02 計算機軟件與理論 _ 03計算機應用技術 _ 04 信息安全 68 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③301數學一 ④895 計算機學科專業(yè)基礎   085211 計算機技術（專業(yè)學位） _ 01計算機網絡技術 _ 02計算機軟件技術 _ 03計算機應用技術 _ 04信息安全技術 83 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③302數學二 ④896數據結構   009材料科學與工程學院 140     0805 材料科學與工程 _ 01生態(tài)環(huán)境材料與資源循環(huán)技術 _ 02稀土、難熔金屬等功能材料 _ 03高性能結構材料技術 _ 04先進材料加工技術 _ 05光電信息與高效能源材料 80 ①101思想政治理論 ②201英語一或203日語 ③302數學二 ④875材料科學基礎   085204 材料工程（專業(yè)學位） _ 01生態(tài)環(huán)境材料與資源循環(huán)技術 _ 02稀土、難熔金屬等功能材料 _ 03高性能結構材料技術 _ 04先進材料加工技術 _ 05光電信息與高效能源材料 60 ①101思想政治理論 ②204英語二或203日語 ③302數學二 ④875材料科學基礎   011 經濟與管理學院 182     1201 管理科學與工程 _ 01技術與項目管理 _ 02戰(zhàn)略管理與社會網絡 _ 03信息管理與信息系統(tǒng) _ 04城市管理 _ 05運作管理與質量管理 _ 06金融工程 25 ①101思想政治理論 ②201英語一或203日語 ③303數學三 ④801管理學或804經濟學原理或805數據庫技術與應用   0202 應用經濟學 _01金融學 _02國際貿易學 _03產業(yè)經濟學 _04區(qū)域經濟學 _05數量經濟學 _06統(tǒng)計學 _07勞動經濟學 25 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③303數學三 ④804經濟學原理   1202 工商管理 _ 01會計學 _ 02企業(yè)管理 _ 03旅游管理 _ 04技術經濟及管理 13 ①101思想政治理論 ②201英語一或203日語 ③303數學三 ④801管理學或804經濟學原理   1251 工商管理碩士（專業(yè)學位） _ 00不區(qū)分研究方向 99 ①199管理類聯考綜合能力 ②204英語二   1252 公共管理碩士（專業(yè)學位） _ 00不區(qū)分研究方向 20 ①199管理類聯考綜合能力 ②204英語二   012 建筑與城市規(guī)劃學院 60     0833 城鄉(xiāng)規(guī)劃學 _ 01城鄉(xiāng)規(guī)劃理論與方法 _ 02居住區(qū)規(guī)劃與設計 _ 03城市設計與景觀規(guī)劃 _ 04歷史城市與街區(qū)保護規(guī)劃 _ 05城市防災減災規(guī)劃 15 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③633城市規(guī)劃原理 ④503城市規(guī)劃與設計 接收建筑學、城市規(guī)劃學(含園林景觀)專業(yè)的考生報考。 0851 建筑學（專業(yè)學位） _01都市建筑設計及理論 _02歷史建筑的保護與更新 _03建筑與城市綠色環(huán)境技術 _04城市設計方法及理論 40 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③355建筑學基礎 ④504建筑快速設計 接收建筑學、城市規(guī)劃學專業(yè)的考生報考。 085237 工業(yè)設計工程（專業(yè)學位） _ 00不區(qū)分研究方向 5 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③337工業(yè)設計基礎 ④502產品設計 接收工業(yè)設計、產品設計、藝術設計專業(yè)等相關專業(yè)考生報考。 036 學院 10     010108 科學技術哲學 _ 01科學技術與社會研究 _ 02工程倫理學 _ 03生態(tài)哲學與可持續(xù)發(fā)展問題研究 5 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③620科學技術史 ④825哲學   0305 理論 _ 01基本原理 _ 02中國化研究 _ 03思想政治教育 5 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③651基本原理 ④883思想政治教育基本原理   035 藝術設計學院 22     1305 設計學 _ 01 產品設計 _ 02 環(huán)境設計 _ 03 服裝與服飾設計 _ 04 工藝美術 _ 05 數字媒體藝術 _ 06 視覺傳達設計 7 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③622設計史論 ④505快題設計 505考試為6小時。 1351 藝術（專業(yè)學位） _ 01 產品設計 _ 02 環(huán)境設計 _ 03 服裝與服飾設計 _ 04 工藝美術 _ 05 數字媒體藝術 _ 06 視覺傳達設計 _ 07 動畫 _ 08 繪畫 _ 09 雕塑 8 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③622設計史論 或 619美術史論 ④505快題設計 或 506專業(yè)創(chuàng)作 1、01-04方向選622和505。 2、05-09方向選619和506。 3、506和505考試時間為6小時。 085237 工業(yè)設計工程 _01 工業(yè)設計 _02 設計管理 _03 交互設計 7 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③337工業(yè)設計基礎 ④502產品設計 報考02設計管理的考生須有兩年以上工作經驗，專業(yè)不限。 039 城市交通學院 87     0823 交通運輸工程 _ 01交通規(guī)劃理論與方法 _ 02道路與交通工程設計方法 _ 03交通安全理論與技術 _ 04智能交通控制與信息處理 _ 05路基路面結構與材料 _ 06道路養(yǎng)護與運營管理 23 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③301數學一 ④848道路工程 或 849交通工程或832交通信息與控制 1、01-04方向選849或832； 2、05-06方向選848。 085222 交通運輸工程（專業(yè)學位） _01交通規(guī)劃技術 _02交通管理與工程設計 _03交通信息與控制技術 _04道路設施設計與施工技術 _05道路養(yǎng)護與管理 23 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③302數學二 ④848道路工程或849交通工程或832交通信息與控制 1、01-03方向選849或832； 2、04-05方向選848。 0812 計算機科學與技術 _ 01智能交通信息處理 _ 02虛擬現實與交通仿真 _ 03物聯網信息感知與智能處理 _ 04智能人機交互與多媒體技術 _ 05交通大數據智能處理技術 21 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③301數學一 ④895 計算機學科專業(yè)基礎   085211 計算機技術（專業(yè)學位） _ 01智能交通信息處理 _ 02虛擬現實與交通仿真 _ 03物聯網信息感知與智能處理 _ 04智能人機交互與多媒體技術 _ 05交通大數據智能處理技術 5 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③302數學二 ④896數據結構   0811 控制科學與工程 _ 01智能交通系統(tǒng)控制 _ 02自主車輛與車路協同 _ 03交通圖像與視頻信號處理與分析 _ 04交通信息智能化處理 8 ①101思想政治理論 ②201英語一 ③301數學一 ④821自動控制原理   085210 控制工程（專業(yè)學位） _ 01智能交通系統(tǒng)管理與控制技術 _ 02智能車輛與車路協同控制技術 _ 03交通信息處理方法與應用 _ 04交通圖像與視頻信號處理技術 7 ①101思想政治理論 ②204英語二 ③302數學二 ④821自動控制原理