導語：如何才能寫好一篇量子力學概念總結，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞：量子力學；教學改革；物理思想

作者簡介：王永強（1980-），男，山西河曲人，鄭州輕工業學院技術物理系，講師。（河南?鄭州?450002）

基金項目：本文系鄭州輕工業學院第九批教學改革項目“《量子力學》課程體系與教學內容的綜合改革和實踐”資助的研究成果。

中圖分類號：G642.0?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）20-0070-02

“量子力學”是20世紀物理學對科學研究和人類文明進步的兩大標志性貢獻之一，已經成為物理學專業及部分工科專業最重要的基礎課程之一，是學習“固體物理”、“材料科學”、“材料物理與化學”和“激光原理”等課程的重要基礎。通過這門課程的學習，學生能熟練掌握量子力學的基本概念和基本理論，具備利用量子力學理論分析問題和解決問題的能力。同時，這門課程對培養學生的探索精神和創新意識及科學素養亦具有十分重要的意義。然而，“量子力學”本身是一門非常抽象的課程，眾多學生談“量子”色變，教學效果可想而知。如何激發學生學習本課程的熱情，充分調動學生的積極性和主動性，提高量子力學的教學水平和教學質量，已經成為擺在教師面前的重要課題。近年來，筆者在借鑒前人經驗的基礎上，結合鄭州輕工業學院（以下簡稱“我校”）教學實際，在“量子力學”的教學內容和教學方法方面做了一些有益的改革嘗試，取得了較好的效果。

一、“量子力學”教學內容的改革

量子力學理論與學生長期以來接觸到的經典物理體系相去甚遠，尤其是處理問題的思路和手段與經典物理截然不同，但它們之間又不無關聯，許多量子力學中的基本概念和基本理論是類比經典物理中的相關內容得出的。因此，在“量子力學”教學中，一方面需要學生摒棄在經典物理學習中形成的固有觀念和認識，另一方面在學習某些基本概念和基本理論時又要求學生建立起與經典物理之間的聯系以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導致學生在學習這門課程時困惑不堪。此外，這門課程理論性較強，眾多學生陷于煩瑣的數學推導之中，導致學習興趣缺失。針對以上教學中發現的問題，筆者對“量子力學”課程的教學內容作了一些有益的調整。

1.理清脈絡，強化知識背景

從經典物理所面臨的困難出發，到半經典半量子理論的形成，最終到量子理論的建立，對量子力學的發展脈絡進行細致的、實事求是的分析，特別是對量子理論早期的概念發展有一個準確清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已經證明為正確并得到公認的，還存在哪些不完善的地方。這樣一方面可使學生對量子力學中基本概念和基本理論的形成和建立的科學歷史背景有一深刻了解，有助于學生理清經典物理與量子理論之間的界限和區別，加深他們對這些基本概念和基本理論的理解；另一方面，可使學生對蘊藏在這一歷程中的智慧火花和科學思維方法有一全面的了解，有助于培養學生的創新意識及科學素養。比如：對于玻爾理論，由于對量子化假設很難用已經成形的經典理論來解釋，學生往往會覺得不可思議，難以理解。為此，在講解這部分內容時，很有必要介紹一下玻爾理論產生的歷史背景，告訴學生在玻爾的量子化假設之前就已經出現了普朗克的量子論和愛因斯坦的光量子概念，且大量關于原子光譜的實驗數據也已經被掌握，之前盧瑟福提出的簡單行星模型卻與經典物理理論及實驗事實存在嚴重背離。為了解決這些問題，玻爾理論才應運而生。在用量子力學求解氫原子定態波函數時，還可以通過定態波函數的概率分布圖，向學生介紹所謂的玻爾軌道并不是真實存在的，只是電子出現幾率比較大的區域。通過這樣講述，學生可以清晰地體會到玻爾理論的承上啟下的作用，而又不至于將其與量子力學中的概念混為一談。

2.重在物理思想，壓縮數學推導

在物理學研究中，數學只是用來表述物理思想并在此基礎上進行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒在復雜的數學形式之中。因此，在教學過程中，教師要著重于加強基本概念和基本理論的講授，把握這些概念和理論中所蘊含的物理實質。對一些涉及繁難數學推導的內容，在教學中刻意忽略具體數學推導過程，著重于使學生掌握其中的思想方法。例如：在一維線性諧振子問題的教學中，對于數學方面的問題，只要求學生能正確寫出薛定諤方程、記住其結論即可，重點放在該類問題所蘊含的物理意義及對現成結論的應用上。這樣，學生就不會感到枯燥無味，而能始終保持較高的學習熱情。

二、教學方法改革

傳統的“填鴨式”教學法把課堂變成了教師的“一言堂”，使得學生在教學活動中始終處于被動接受地位，極大地壓制了學生學習的主觀能動性，十分不利于知識的獲取以及對學生創新能力及科學思維的培養。而且，“量子力學”這門課程本身實驗基礎薄弱、理論性較強，物理圖像不夠直觀，一味采取灌輸式教學，學生勢必感到枯燥，甚至厭煩。長期以往，學習積極性必然受挫，學習效果自然大打折扣。為了提高學生學習興趣，激發其學習的積極性，培養其科學探索精神及創新能力，筆者在教學方法上進行了一些有益的探索。

1.發揮學生主體作用

除卻必要的教學內容講解外，每節課都留出一定的師生互動時間。教師通過創設問題情景，引導學生進行研究討論，或者針對已講授內容，使學生對已學內容進行復習、總結、辨析，以加深理解；或者針對未講授內容，激發學生學習新知識的興趣（比如，在講授完一維無限深方勢阱和一維線性諧振子這兩個典型的束縛態問題后就可引導學生思考“非束縛態下微觀粒子又將表現出什么樣的行為”），[1]這樣學生就會積極地預習下節內容；或者選擇一些有代表性的習題，讓學生提出不同的解決辦法，培養學生的創新能力。對于在課堂上不能解決的問題，積極鼓勵學生利用圖書館及網絡資源等尋求解決，培養學生的科學探索精神。此外，還可使學生自由組合，挑選他們感興趣的與課程有關的題目進行討論、調研并完成小組論文，這一方面激發學生的自主學習積極性，另一方面使其接受初步的科研訓練，一舉兩得。

2.注重構建物理圖像

在實際教學中著重注意物理圖像的構建，使學生對一些難以理解的概念和理論形成較為直觀的印象，從而形成深刻的記憶和理解。例如：借助電子束衍射實驗，通過三個不同的實驗過程（強電子束、弱電子束及弱電子束長時間曝光），即可為實物粒子的波粒二象性構建出一幅清晰的物理圖像；借助電子束衍射實驗圖像，再以光波類比電子波，即可凝練出波函數的統計解釋；[2]借助電子雙縫衍射實驗圖像，可使學生更易接受和理解態疊加原理；借助解析幾何中的坐標系，可很好地為學生建立起表象的物理圖像。盡管這其中光波和電子波、坐標系和表象這些概念之間有本質上的區別，但借助這些學生已經熟知和深刻理解的概念，可使學生非常容易地接受和理解量子力學中難以言明的概念和理論，同時，也可使學生掌握這種物理圖像的構建能力，對培養學生的創新思維具有非常積極地作用。

三、教學手段和考核方式改革

1.課程教學采用多種先進的教學方式

如安排小組討論課，對難于理解的概念和規律進行討論。先是各小組內討論，再是小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點進行評述和指正。例如，在講到微觀粒子的波函數時，有的學生認為是全部粒子組成波函數，有的學生認為是經典物理學的波。這些問題的討論激發了學生的求知欲望，從而進一步激發了學生對一些不易理解的概念和量子原理進行深入理解，直至最后充分理解這些內容。另外課程作業布置小論文，邀請國內外專家開展系列量子力學講座等都是不錯的方式。

2.堅持研究型教學方式[3]

把課程教學和科研相結合，在教學過程中針對教學內容，吸取科研中的研究成果，通過結合最新的科研動態，向學生講授在相關領域的應用以培養學生學習興趣。在量子力學誕生后，作為現代物理學的兩大支柱之一的現代物理學的每一個分支及相關的邊緣學科都離不開量子力學這個基礎，量子理論與其他學科的交叉越來越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚態物理到中子星、黑洞各個層次的研究以量子力學為基礎；量子力學在通信和納米技術中的應用；量子理論在生物學中的應用；量子力學與正在研究的量子計算機的關系等，在教學中適當地穿插這些知識，擴大學生的知識面，消除學生對量子力學的片面認識，提高學生學習興趣和主動性。

3.利用量子力學課程將人文教育與專業教學相結合

量子力學從誕生到發展的物理學史所包含的創新思維是迄今為止哪一門學科都難以比擬的。在19世紀末至20世紀初，經典物理學晴空萬里，然而黑體輻射、光電效應、原子光譜等物理現象的實驗結果嚴重沖擊經典物理學理論，讓經典物理學陷入危機四伏的境地。1900年，德國物理學家普朗克創造性地引入了能量子的概念，成功地解釋了黑體輻射現象，量子概念誕生。1905年，愛因斯坦進一步完善了量子化觀念，指出能量不僅在吸收和輻射時是不連續的（普朗克假設），而且在物質相互作用中也是不連續的。1913年，玻爾將量子化概念引入到原子中，成功解釋了有近30年歷史的巴爾末經驗光譜公式。泡利突破玻爾半經典、半量子論的局限，給予了令玻爾理論不安的反常塞曼效應以合理解釋。1924年，德布羅意突破普朗克能量子觀念提出微觀粒子具有波粒二象性，開始與經典理論分庭抗禮。[4]和學生一起重溫量子力學史的發展之路，在教學過程中展現量子力學數學形式之美，使學生在科學海洋中得到美的享受，從精神上熏陶他們的創新精神。

4.考試方式改革

在本課程的教學中采用了教考分離，通過小考題的形式復習章節內容，根據學生的實際水平適當輔導答疑，注重學生對量子力學基礎知識理解的考核。對于評價系統的建立，其中平時成績（包括作業、討論、綜合表現等）占30％，期末考試占70％。從實施的效果來看，督促了學生的學習，收到了較好的效果，受到學生的歡迎。

四、結論

通過近年來的改革嘗試，我校的“量子力學”教學水平穩步提高，加速了專業建設。2009年，我校“量子力學”被評為校級精品課程，教學改革成果初現。然而，關于這門課程的教學仍存在不少問題，如教學手段單一、與生產實踐結合不夠緊密等等，這些都需要教師在今后教學中進一步改進。

參考文獻：

[1]周世勛.量子力學教程(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2009.

[2]呂增建.從量子力學的建立看類比思維的創新作用[J].力學與實踐,

2009,(4).

篇2

關鍵詞：量子力學 教學改革 物理思想

“量子力學”作為學習“固體物理”、“材料科學”、“材料物理與化學”和“激光原理”等課程的重要基礎，同時也是物理學專業及相關工科專業最核心的基礎課程之一。20世紀，“量子學說”被作為物理科學研究和人類文明進步的標志性貢獻，引起了廣泛地重視。通過對量子學說的學習，能夠使學生充分利用到所學的理論知識，對問題進行分析和尋求解決方法，提高學生的科學素質和培養其創新能力。盡管如此，但該門課程所涉及的內容較為空洞、抽象，對學生學習造成阻礙，使學生喪失了學習的興趣，學生也很難熟練掌握量子學說課程的要點。因此，培養學生的學習興趣是提高教學質量和教學水平的關鍵，但是如何調動學生課堂學習的積極性，成為了廣大教師很棘手的問題。筆者根據近幾年的教學模式，綜合長江大學（以下簡稱“我校”）的教學現狀，在“量子學說”教學方面，整理出一套符合我校教學實際的改革和嘗試，并取得了較好的效果。

1.“量子力學’’教學內容的改進。量子學說的理論與以往所學的傳統物理體系大有不同，重點表現在處理問題的方式上，但是卻又與傳統物理有著不可分割的關系，可以說，量子學說中很多的概念和理論都來源于傳統的物理學說。這就要求在學習量子學說的同時，既要摒棄以往學習物理形成的固有思考方式，又要遵循某些與傳統物理中相通之處的原理和學習法則。然而，這種思維上的反差必然導致學生在學習時的困惑，除此之外，量子學說較強的理論性也誤導學生陷于數學公式推導的煩惱中，從而使學生喪失了學習興趣。根據這些教學中存在的問題，筆者提出了以下相應的有益改進。

（1）知識條理化，強化知識背景，增強趣味性。量子學說從誕生到最終建立，每一步的發展都經過了縝密、細致、實事求是的分析，并不斷地完善和改進。通過介紹量子學說的發展背景，引起學生的學習興趣，并有利于學生明確量子學說與傳統物理之間的區別，同時讓學生在發展歷程中尋找合適的學習方法，有利于培養學生的科學思維能力。在解釋某些理論和原理時，可以穿插講述其歷史背景，方便學生理解。通過這種方式，既能讓學生掌握理論知識，又有利于學生區分量子學說與傳統物理的區別[1]。

（2）重在物理思想，壓縮數學推導。數學在其相關學科的運用，所起到的作用只是一種輔助工具。在物理研究中也不例外，如果過分強調數學的地位和作用，只會本末倒置。因此，在教學過程中，教師應著重加強基本概念和蘊含的區里實質，而不能將物理思想埋沒在數學公式之中，應把重點放在物理意義和實際運用上，只有這樣，學生才能保持較好的學習熱情。

2.教學方法改革。傳統的教學模式使學生一直處于被動接受知識的狀態下，抑制了學生自主學習的主動性，不僅不利于學生對知識的獲取，更阻礙了其創新思維的培養，而且量子學說的理論抽象，很難被學生理解，傳統的教學方法，無法被學生接受，并會引起學生的反感，甚至厭學。如此一來，必然打擊學生學習的主動性，更降低了學習效率。為了促進學習效率，提高學生學習興趣，培養其科學素養，筆者在教學模式上，探索出一些有效的措施。

（1）發揮學生主體作用。教師在課堂學習中有著舉足輕重的作用，除了傳授學生知識以外，還有著更重要的引導作用。在講解完規定的教學任務之外，還應設定教師與學生的互動環節，通過創設問題情景，引導學生進行思考和分析，使學生對所學的知識進行歸納總結。另外，還可以通過以問題的形式結束未講授的內容，引起學生的興趣，并鼓勵學生課下利用課外資源尋求答案；還可以以小組的形式，讓學生團結合作，對感興趣的物理理論進行探討分析，并完成相關的小組論文。

（2）注重構建物理圖像。由于物理理論都比較抽象，不利于理解，所以構建圖像很重要，它不僅能夠完整地表達所要傳達的信息，而且能夠方便學生理解和記憶。圖像簡潔、清新的特點，使學生更熟練地掌握物理圖像的構建能力，對培養學生的創新思維也有促進作用。

3.教學手段和考核方式改革。（1）用多種先進的教學模式。采用小組討論課，可安排小組內討論，然后是小組之間進行辯論，最后由教師對辯論進行點評和更正。例如，在講到微觀粒子的波函數時，有的學生認為是全部粒子組成波函數，有的學生認為是經典物理學的波。這些問題的討論激發了學生的求知欲望，從而進一步激發了學生對一些不易理解的概念和量子原理進行深入理解，直至最后充分理解這些內容。另外布置課外論文和邀請知名專家進行講座都是不錯的方式。

（2）堅持研究型教學方式。教學中不再單一地只講授課堂知識，而是把科研融入到課堂學習之中，結合最新的科研動態，向學生介紹所學的原理在其相關領域中的運用，以引起學生的興趣。

（3）將人文教育與專業教學相結合。量子概念誕生于1900年，它首次由德國物理學家普朗克引入；1905年，愛因斯坦進一步完善了量子的概念；1913年，玻爾將量子化概念引入到原子中；1924年，德布羅意通過量子的概念提出微觀粒子具有波粒二象性；由此可見，物理學史上，力學從誕生到發展所蘊含的創新思維是迄今為止任何一門學科都難以比擬的，教師和學生一起回顧量子力學的發展之路，讓學生了解到量子力學的魅力所在，啟發學生的創新思維。

篇3

2000多年前的物理學，中國、古希臘都有研究，但是真正意義上的精確科學，也就是說用數學、微積分這樣的精確科學，實際上是在中世紀即在15世紀16世紀的時候，也就是牛頓、伽利略的時代，開創了物理學精確科學的先河，此后物理學得到了很大發展，后來的熱學、電磁學、聲學、連續介質動力學等問題也在十七、十八、十九三個世紀取得了很大發展。現在就從牛頓、伽利略時代起談談物理學的發展與人類的文明進步的關系。

一、工業革命前的人類文明

工業革命前的物理學雖然在漫長的歷史進程中不斷發展，但是并沒有給人類帶來生產力上的巨大改變，人類還處于刀耕火種的農業時代，那是的生產力很低下，人們的生活水平上千年來沒有真正的突破。

二、人類的機械化時代

牛頓力學的建立和熱力學的發展導致了第一次工業革命

1665年夏，年僅23的牛頓因英國爆發瘟疫而避居鄉下，他一生最重要的成果，幾乎所有的重要數學物理思想多誕生與不這個時期。在他45歲時，劃時代的偉大巨著《自然哲學之數學原理》出版，奠定了整個經典物理學的基礎，并對其他自然科學的發展產生了不可磨滅的推動和影響。

三、人類的電氣化時代

經典電磁學是研究宏觀電磁現象和客觀物體的電磁性質。人們很早就接觸到電和磁的現象，并知道磁棒有南北兩極。在18世紀，發現電荷有兩種：正電荷和負電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連接線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點上和萬有引力很相似。18世紀末發現電荷能夠流動，這就是電流。但長期沒有發現電和磁之間的聯系。

19世紀前期，奧斯特發現電流可以使小磁針偏轉。而后安培發現作用力的方向和電流的方向，以及磁針到通過電流的導線的垂直線方向相互垂直。不久之后，法拉第又發現，當磁棒插入導線圈時，導線圈中就產生電流。這些實驗表明，在電和磁之間存在著密切的聯系。法拉第用過的線圈

電和磁之間的聯系被發現后，人們認識到電磁力的性質在一些方面同萬有引力相似。為此法拉第引進了力線的概念，認為電流產生圍繞著導線的磁力線，電荷向各個方向產生電力線，并在此基礎上產生了電磁場的概念。

19世紀下半葉，麥克斯韋總結宏觀電磁現象的規律，并引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產生磁場；變化著的磁場也能產生電場。在此基礎上他提出了一組偏微分方程來表達電磁現象的基本規律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，磁學的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預言了電磁波的存在，其傳播速度等于光速。于是人們認識到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了宏觀電磁現象的規律，肯定了光也是一種電磁波。該理論實現了物理學的第三次綜合，即電、磁、光的綜合。

四、人類的高科技時代

人類社會發展到今天，已進入信息時代、核能時代、新材料時代和太空時代，也就是說進入了高科技時代。而這一切的基礎是20世紀物理學革命的產物――相對論和量子力學。

19世紀，經典物理學的成就到達了頂峰。可是，世紀末的邁克爾遜-莫雷實驗和黑體輻射實驗形成了物理學萬里晴空中的“兩朵烏云”；而電子、X射線和放射性等新發現，使經典物理學遇到了極大的困難。有的物理學家呼喚：“我們仍然在期待著第二個牛頓。”需要巨人的時代造就了巨人。這第二個牛頓便是愛因斯坦。

1905年，愛因斯坦以“同時”的相對性為突破口，提出了“光速不變原理”和物理規律在慣性系中不變的“相對性原理”，導出了洛侖茲變換，從而驅散了第一朵“烏云”。這就是狹義相對論。在此基礎上，他又得到的質能相當的推論E=mc2，預示了原子能利用的可能。

1913～1916年，愛因斯坦從引力場中一切物體具有相同的加速度得到啟發，提出了“加速參照系與引力場等效”和物理規律在非慣性系中不變的“相對性原理”，從而得到了引力場方程。這就是廣義相對論。他預言，光線從太陽旁邊通邊時會發生彎曲。1919年，英國天文學家愛丁頓以全日蝕觀測證實了這一預言，從而開創了現代天文學的新紀元。愛因斯坦也因此名噪全球。

1900年，普朗克為驅散第二朵“烏云”，提出了“能量子”假設，量子論誕生了。1905年，愛因斯坦在此基礎上提出“光量子”假說，用光的波粒二象性成功地解釋了“光電效變”。同年，他把量子概念用點陣振動來解釋固體比熱。1912年，愛因斯坦又由量子概念提出了光化學當量定律。1916年，他由玻爾的原子理論提出了自發發射和受激發射的概念，孕育了激光技術。此后，對量子力學的建立作出重要貢獻的著名物理學家還有：1923年提出實物粒子也具有波粒二象性的德布羅意，1925年建立量子力學的矩陣力學體系的玻恩和海森伯等，1926年建立量子力學的波動方程的薛定諤。同年，玻恩給出了波函數的統計詮釋，海森伯提出反映微觀世界特性的“不確定度關系”。量子力學揭示了微觀世界的基本規律，為原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學的發展奠定了理論基礎。它是20世紀物理學革命的。

篇4

傳統的原子物理學教科書大多按照歷史發展的時間順序，即按照人類認識原子世界的具體過程，從“光譜”這一概念入手組織教學。這種教學的特點是以光譜實驗事實為主線，以玻爾的舊量子論為重點，用半經典半量子論的方法講授課程。但是對于這樣的教學內容和教學安排，學生并不容易掌握，而且讓學生花費大量的時間掌握這些不易理解最終又要被量子論修正的理論，看起來確實是沒有必要的。因此傳統的教學內容有些陳舊并且不易理解，也不能及時反映現代物理理論和科學技術發展的最新水平，因此必須用新觀點和新思想重新組織教學內容，以全新的角度構建這門課程的知識體系。在材料物理專業學生原子物理學的教學中，可直接用量子力學的理論研究原子結構及其運動變化規律。原子中電子的運動都遵循著量子力學的理論，而傳統教學中以學生不好理解的舊量子論為基礎，再用量子力學修正的做法并不符合學生的認知規律。因此可以直接用量子力學的理論來研究原子結構及其規律[1]，而將舊量子論僅僅作為一種鋪墊。實際教學中，可以先簡明扼要地介紹舊量子論的核心內容，而不必過多講授軌道的概念。可以刪除橢圓軌道理論和堿金屬原子的原子實極化和軌道貫穿等內容。這樣就實現了原子物理學課程知識體系現代化的第一步，用最新的量子力學理論成果講述原子中電子的行為。量子力學理論是從特有的波函數、哈密頓算符以及薛定諤方程等形式化的理論，以高度濃縮的數學形式借鑒了各學科的研究成果，從而形成了一套獨特的理論體系。實際講授中可以薛定諤方程為主線，由薛定諤方程引入微觀粒子的波函數，建立二階偏微分方程，從而定量描述微觀粒子客體的運動規律。一方面，根據不同的勢能表達，建立各種原子的薛定諤方程并求解，向學生闡述這些解的物理意義，并與實驗事實相對照，從而加深學生對原子結構的認識，進而把握原子內部結構的變化規律。另一方面，要突出德布羅意物質波的統計解釋。傳統教學內容總是先從經典物理學的角度和觀點看“粒子”和“波”這兩個概念，指出二者之間的相互排斥性，然后再引出微觀粒子的波粒二象性，并強調波粒二象性是微觀粒子客體區別于宏觀客體的一種屬性。這種講法常常會使學生產生困惑，覺得微觀客體很不可思議，超過了他們的認知和理解范圍。因此在講授時可以直接給出對德布羅意波的正確解釋，闡明微觀粒子的波動性并非指粒子和波一樣彌漫到整個空間，它本質上是粒子位置分布的一種概率波。為了更好實現教學內容的現代化，還應當在教學中穿插關于物理學前沿知識的專題，介紹近代物理學中和原子物理相關的最新發展和高新技術。在講授某些概念和原理時，可適當介紹最新應用成果和科技前沿。例如在講授原子的能級和激發時，可以詳細介紹激光產生的原理、特性以及應用等；在講到隧道效應時，可以介紹掃描隧道顯微鏡的原理及其發展；在講授X射線的吸收和透射時，可以介紹在醫學診斷和治療中具有廣泛應用的CT技術。增設這些前沿內容，一方面是為了加強理論知識與實際的聯系，使內容變得生動，提高學生的學習興趣，另一方面可以讓學生體會到當今科學與技術、生活的高度融合，開擴他們的視野，激發他們的創新熱情。原子物理學的發展伴隨了20世紀物理學的發展，并且隨著新的實驗發現、新模型新理論的建立而不斷深入[2]。從歷史上看，原子物理學的每次重大突破，都經歷著非常復雜曲折的過程，同時閃耀著物理學家創新精神的光芒。在課堂教學中，教師可以結合現代化的教學內容，抓住典型的歷史案例進行教學，讓學生了解到科學探究過程的艱辛，體會創新精神的可貴性，并學習科學家們為了探求客觀世界真理不畏艱辛、執著追求的科學品質和創新精神。

二、實現教學方法的現代化，突出學生的主觀能動性，培養學生的創新能力

教師教學的主要任務是傳授知識同時引導學生入門，為了更好地突出學生的主觀能動性和培養學生的創新能力，教師有必要改進原有的教學方法。除了教師講授、學生聽講的傳統教學方式外，還必須引入更加現代化的教學方式進行有益的補充[3，4]。在原子物理學課程的教學中，近代物理實驗應當占有舉足輕重的地位，很多重要的理論和結論都是由實驗直接引出的。因此要特別重視近代物理實驗，課堂教學時可以結合近代物理實驗，如夫蘭克—赫茲實驗、塞曼效應等。在實驗演示中，可以增強學生對微觀世界的認識，為他們提供更好的認識微觀世界的途徑。同時，在現有的實驗條件允許時，可以讓學生先動手做實驗，然后針對實驗結果進行分析，總結規律，從理論上給予解釋，從而加深學生對書本知識的認識和理解。在此過程中，可以給學生創造機會重現當年物理學家們探究的過程，讓學生能夠親身參與科學實驗與探究的過程，從而培養學生的創新思維能力。另外可以指導學生撰寫與課程相關的小論文，幫助培養學生的創新能力。學生撰寫的小論文，作為平時成績的一部分，計入學生的總評成績。論文的題目可以圍繞原子物理學的基本規律和應用，由學生自己選題、搜索資料并獨立撰寫。不僅可以激發學生的主觀能動性，拓寬他們的知識面，還可以培養學生獨立思考、勇于創新的品質。在這種教學過程中，可以充分體現教師引導、學生為主體的教學理念和方法，加強學生在專業課程學習中的主觀能動性，同時有意識地培養他們的創新能力。

三、實現教學手段的現代化，為學生創新精神和能力的培養創造情境條件

篇5

關鍵詞：固體物理學 教學改革 教學實踐

中圖分類號：G462 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）05（b）-0143-02

固體物理學是研究固體的結構及其組成粒子之間相互作用與運動規律以及闡明其性能與用途的學科[1]。從學科結構和內容上看，該課程內容基于普通物理學、高等數學、線性代數、量子力學、熱力學統計物理等課程，主要講述晶體結構、晶體結合、晶格振動和能帶理論等方面知識。它既是當今物理學領域中最重要的學科之一，也是許多新學科的基礎。由該學科發展起來的基本概念、基本理論和實驗技術，已向其他相鄰學科領域滲透，并促進其他學科的發展[2]。如：金屬物理、半導體物理、磁學、低溫物理、電介質物理、表面物理、非晶態物理、材料科學等。幾十年來，以固體物理的理論為基礎，在半導體、磁學、激光、超導、納米材料等現代技術研究方面取得了重要突破。隨著科學技術的發展，固體物理課程的教學在新的歷史條件下已面臨前所未有的挑戰，碰到了許多難以回避的新問題、新情況。傳統的固體物理教學內容對固體物理前沿的新成果、新概念介紹得不夠，且傳統的教學方法單一，不利于學生解決問題的能力及創新能力的培養。為了適應精英教育、構建研究型大學人才培養的需要，固體物理學的教學改革十分必要。因此，筆者結合自己在學習和講授固體物理學過程中的感想，針對教學目標、教學內容和教學方法等方面作出如下探索。

1 培養學生自主學習的能力

隨著科學技術的迅速發展，學生既要學習原有的經典知識，又要接受更多的課程和社會信息，如何在有限的時間內實現這兩者的有效結合，是當今各個階段的教育都面臨的一個重要問題。面對知識更新速度的加快，我們的教育目標也應該有所調整，即努力實現由“授之以魚”向“授之以漁”的轉變[3]。尤其是對于大學生，他們已經接受了十多年傳統的學校教育，有了較多的知識積累，大學階段的教育一方面是教給他們以知識，更重要的是培養他們自主學習的能力，使他們掌握研究性學習的方法，以便走向社會后具備自我學習、獲取新知識和開展新工作的能力。明確了這樣的培養目標之后，在教學過程中，就應該有針對性的創造各種條件，讓學生自主參與到學習過程中來。例如，在講授布洛赫波的時候，先向學生強調晶體中電子波函數是按晶格周期調幅的平面波，接著啟發學生考慮自由電子波函數的形式（量子力學已經講述過），經過引導，學生回想起自由電子的波函數是平面波的形式，之后再分析晶體中電子是受到晶格勢場的周期性調制，所以需在平面波的波函數前面加上一個調幅因子，最終形成了布洛赫波函數。經過這樣一個過程，學生可以自主的回顧以前所學的知識，并將其和新內容相聯系，有助于新舊知識的融合和貫通。與此同時，也可以激發學生學習的積極性，培養他們學習和運用知識的能力。

2 教學內容的精選

固體物理內容十分豐富，體系龐大，各部分有各自的特點。其中復雜抽象的概念體系、晶體結構的描述、嚴密的理論推導等要求任課教師具有較好的數學和物理學修養，要熟悉固體物理學發展歷史和前沿研究的新動態、新概念，且能夠對物理圖像進行透徹的講解；要求學生具有扎實的微積分、線性代數、群論等數學知識和量子力學、原子物理學、理論力學和統計物理學等物理知識。同時，固體物理學知識比較零散、概念多、模型多、原理和定律多，這對教師和學生都是一種挑戰。面對如此龐大的知識體系和豐富的內容，在講授過程中如何組織授課思路和精選教學內容，是教師要解決的一個問題。首先，理清固體物理的主線是非常重要的，即明確固體物理是研究固體的結構及其組成粒子之間相互作用與運動規律及闡明其性能與用途的學科，是從微觀的角度來揭示固體的宏觀物理現象.在此基礎上，認真分析教材，同時參考其他經典教材，精選教學內容，重在物理概念和模型，至于公式的推導和方程的求解等環節可適當簡化，留給學生課后自行解決。按照這樣的思路進行下來，即使在有限的課時內，學生對物理概念、物理圖像的認識也會比較清晰，有利于對基礎知識的掌握.

3 重視章節之間的內在聯系

固體物理學雖然涉及內容較多，但是認真分析后，不難發現各章節之間銜接緊密。以胡安的《固體物理學》為例，本科階段的教學內容主要是前四章：第一章主要講晶體的周期性結構，那么這些結構形成的內在機理是什么，就要考慮粒子間的相互作用，這樣就引出了第二章關于晶體結合的問題；同時，由晶體的結合類型和結合能，表明在不同的條件下，原子間會出現某種形式的引力和電子云的斥力，這些相反的作用力決定著平衡時原子間距，再考慮到絕熱近似，實際晶格則在平衡位置附近振動，由此可引出第三章關于晶格動力學和晶體熱學性質的內容；晶格動力學主要是針對原子的水平上的內容，而晶體中還包括電子，那么電子的狀態是怎樣的呢？這就引出了第四章能帶論.由此可見，在教學中，抓住知識體系的主線，突出概念和模型，便于學生識記、理解、掌握知識體系。

4 注入學科前沿知識

固體物理學是一門發展十分迅速的基礎科學，與當今最活躍的凝聚態物理和新材料科學緊密相連，也在其他多個學科領域得以應用，因此面對不斷涌現的新的現象和新的科研成果，固體物理學的前沿動態在教學中應該有所反映[4]，這將有助于提高學生對該課程學習的積極性和明確努力方向，同時也使課堂教學增添活力.例如，在講授晶體的共價鍵結合時，筆者就聯系自己的科研實際，介紹了碳納米管和石墨中碳原子的成鍵形式的差異，說明了二者在物理性質上的區別和聯系，以此為基礎，進一步介紹了低維碳納米材料近年來的研究進展。再如講授能帶理論的時候，筆者向學生介紹了石墨烯的能帶特征，說明了在低能極限下，石墨烯呈現出線性的能量色散關系，使得傳導電子可以看作是無質量的Dirac費米子，這種類似于光子的特性，使其可用于相對論量子力學的研究，同時表明其獨特的載流子特性和優異的電學特性，這些都是近幾年凝聚態物理的研究熱點。所以，把科學前沿知識引入課堂，不僅可以讓學生強烈地感受到科學發展的脈搏和動力，極大的拓展了學生的視野，還可以激發起學生運用基礎學科理論實現科技創新的勇氣和欲望。這與“著重于啟迪學生思維，發展學生智能，開發學生的創造性，努力拓寬學生的知識面，為探索未知世界鋪路架橋”的世界一流大學培養人才模式是相呼應的。

5 教學手段的優化組合

固體物理課程中包括大量的立體圖像和復雜的空間結構，還涉及晶格振動的動態過程，對學生的空間想象能力要求較高。傳統的“粉筆+黑板”的課堂教學手段就有一定的弊端， 因此可以將現代化的教學手段融入進來[5]。例如，使用多媒體課件演示晶體結構、倒格子、能帶、晶格振動等模型，再結合自制教具，實現圖片、動畫和實體模型相結合，使學生建立形象的空間模型概念，更直觀的理解教學內容。所以，多媒體教學技術以其趣味性、形象性，可以增強教學的感染力，為固體物理教學注入了新的活力，從根本上改變了固體物理傳統的教與學的方式，有助于激發學生學習的興趣，培養學生的思維能力和創造力。但是，多媒體課件不完全適合固體物理學教學，應根據具體內容和教學反饋進行取舍。例如，在講授倒點陣、布洛赫定理、聲子態密度等理論性較強的內容時，要配合節奏相對緩慢的板書，使學生理解知識要點，學會推理，從而有效的學習。

6 結語

上述教學改革方案是筆者在自己學習和講授固體物理學的過程中總結出來的，可以概括為“抓主線，選內容，重前沿，講方法”，目前在教學活動中也一直在實踐，獲得了較好的教學效果。但是，固體物理教學改革是一個龐大而又復雜的系統工程，課程改革的進行涉及到諸多方面，需要廣大教育工作者不斷研究和探索，進行多次“實踐―反思―總結”，方可真正跟上當今科學技術日新月異發展的要求，培養出新世紀合格的高素質和創新型人才。

參考文獻

[1] 胡安，章維益.固體物理學[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2] 梅顯秀.固體物理教學改革的探索與實踐[J].大學物理，2010（29）.

[3] 華中，宋春玲，劉研.固體物理教學改革的探索與實踐[J].吉林師范大學學報（自然科學版），2004（4）.

篇6

【關鍵詞】光存儲電磁感生透明暗態極化聲子絕熱相干操控

一、全光型光纖通信技術的發展現狀

二十一世紀是信息高度發展的世紀，信息技術已經逐漸滲透到人們日常生活中的各個方面，并發揮著不可替代的作用。隨著人們對于信息技術的需求不斷增加，信息傳遞技術的創新迫在眉睫，如何才能滿足信息量日益增多的現狀成為信息傳遞首要解決的難題。根據生產經驗而言，激光是滿足日益復雜信息傳遞的最佳工具，因此催生了全光通信技術的發展。

目前研究的重點就是利用何種技術結合先進的光學材料來實現對于光信號的隨意控制。上世紀末美國率先解決了對于光脈沖群速度的隨意控制難題，實現了對于光信息的人工控制，這意味著光存儲已經實現。

二、電磁感生透明及原子介質中的光群速減慢

電磁感生透明也是由美國科學家提出的新概念，電磁感生透明是種量子干涉效效應，電磁感生透明的意思是指在光吸收的介質中，假設用兩個具有輕微失諧的光脈沖共同作用于該介質，在共振的情況下，光吸收介質就變為了光透明介質。一旦出現電磁感生透明現象，光脈沖的群速度也會相應降低，而且降低的幅度也比較大，并且可以將光信息以原子態的形式儲存。現階段研究人員提出要想實現電磁感生透明現象，必須要滿足兩個基本條件，其一就是必須有兩束光，而且相位和頻率必須固定，一束光作為控制光線，一般情況下都是脈寬比較寬的脈沖，另外一束則為信號光束，其光束的強度比控制光束的強度要小很多。再者兩束光線必須都能與三能級原子介質發生相互作用，還必須滿足共振條件。上述兩種條件都能滿足的光束能夠使原子處于暗態，進而提高光介質的透明率。換句話說調整光的強度就能夠控制原子介質的投射率，也就是色散情況，進而實現對于光脈沖信號群速度的控制。

電磁感生透明現象的發現，最為重要的應用就是控制光脈沖的速度，在此之前已經能夠將光脈沖的群速度降低，但是降低的幅度較小，還不能滿足人們生活生產的需要，電磁感生透明技術能夠有效降低光脈沖的群速度，并且通過進一步的研究發現，利用相干操控技術，光脈沖群速度與慢光之間還能進行相互轉化。

光存儲的暗態極化聲子理論及原子介質中的光存儲

隨著電磁感生透明技術的發展，人們不僅要控制光脈沖群速度，而且要讓其完全停下來。如果能夠將光脈沖的群速度完全的停止下來，就能實現全光通信中的光儲存。經過人們不懈努力，現在終于能夠通過冷原子和熱原子實現將光脈沖的群速度完全的控制下來，光儲存技術的關鍵就是要創設合適的環境，也就是說在對光脈沖群速度的完全停止過程中，絕熱地關掉，并打開控制光束，對于絕熱開關的過程其實就是光儲存的過程。

目前德國科學家又提出一個新的概念叫做暗態極化聲子，該概念已經能夠定量的計算出操控光脈沖群速度并且將信息儲存的具體方式，主要方法就是將光脈沖函數與原子函數共同組成一個波函數，當進行光儲存過程時，在兩束光束處于暗態的前提下，光脈沖與原子脈沖組成的新粒子將會穩定的傳遞，這其中最為關鍵的就是光脈沖攜帶的信息和原子態可以通過光強的改變而被人工控制，隨著暗態極化聲子技術的出現，大大縮短了人們研究光儲存的時間，很快就有研究人員表示能夠實現光脈沖的儲存和自由釋放，時間長達一毫秒甚至是兩百微秒，并且隨著研究的不斷深入，光儲存的時間還會更長。現階段人們不單單是研究其他介質的光儲存，而且將研究對象轉向了固體介質中的光儲存，并且已經在常溫晶體中取得了較為明顯的成就。

我國在光儲存及光脈沖群速度的控制研究中，一直處于世界前列。對于電磁感生透明技術為代表的量子干涉技術的研究也一直在不斷的深入中。我國率先提出了將電磁感生透明技術以量子形式儲存應用在全光通信中這一概念。并且已經開始致力與研究多能級構型的原子介質中不同光束的相干控制及稀有氣體原子的電磁感生透明現象，而且已經實現了長達二十五微秒的光儲存。隨著量子技術的發展，人們的研究范圍也將突破現有的光脈沖儲存，進一步擴大到遠距離量子通信技術的研究。

三、總結語

現階段人類在量子光學研究尤其是量子干涉中已經取得了巨大的成就，為全光通信的實現提供了技術可能，但是還有很長的研究之路要走，我們要在現有的基礎上，繼續深入研究量子干涉技術，爭取早日實現全光通信。

參考文獻

[1]羅有華.冷原子在靜電勢阱中的量子力學效應[J].物理學報. 2002

篇7

關鍵詞：智能信息處理技術；量子計算智能導論；教學實踐

人類正被數據淹沒，卻饑渴于知識。面臨浩瀚無際而被污染的數據，人們呼喚從數據中來一個去粗取精、去偽存真的技術。而數據挖掘就是從大量數據中識別出有效的、新穎的、潛在有用的，以及最終可理解的知識和模式的高級操作過程，所以數據挖掘也可以說是一個模式識別的過程，因此模式識別領域的許多技術經過一定的改進便可以在數據挖掘中起重要的作用。計算智能(Computational Intelligence-CI)方法是傳統人工智能(Artificial Intelligence，AI)的擴展，它是模式識別技術發展的新階段[1]。

科學家預言：“21世紀，人類將從經典信息時代跨越到量子信息時代”。創立了一個世紀的量子力學隨著20世紀90年代與信息科學交叉融合誕生的量子信息學，已成為量子信息時代來臨的重要標志[2]。量子計算智能導論作為信息科學、計算機科學、智能信息處理、人工智能等相關專業的研究生專業課程，已經在越來越多的高等學校開設。

由于量子計算智能是一門跨越包括物理學、數學、計算機科學、電子機械、通訊、生理學、進化理論和心理學等學科在內的深奧科學，因此量子計算智能導論的教學內容和側重點的安排目前仍處在探索階段，尤其作為研究生課程如何使得學生在掌握深奧理論的基礎上結合實際應用，將理論轉化為技術與工具，從而提高動手能力，這是每個研究生專業課任課老師的核心探索所在，因此就要求老師在授業解惑的同時關注前沿，以該學科的前沿領域為教學指引，進而更好的培養研究生主動探索知識的能力。

1教材選擇

一本好的教材為教學起到了畫龍點睛的作用，因此教材的選擇即是老師對教學內容，教學目標和教學方法的選擇。我們選擇教材，期望該教材由淺入深、深入淺出、可讀性好，具有系統性、交叉性、前沿性等特點。由于量子計算智能導論為全校研究生的專業課程，而量子計算智能是一門多學科交叉的綜合型學科，因此我們要考慮到來自學校不同專業背景，以及在物理，數學，工程優化和進化理論基礎有限的兩難困境，所以首先選擇了一本關于量子計算的英文原版書作為教材之一，Michael Nielsen等人所著的《Quantum Computation and Quantum Information》[3]，2003年高等教育出版社出版，該書全面介紹了量子計算與量子信息學領域的主要思想與技術。到目前為止，該領域的高速進展與學科交叉的特性使得初學者感到困惑而不易對其主要技術與結論有綜合性的認識，而該書特色在于對量子機制和計算機科學給予了指導性介紹，使得那些沒有物理學或計算機科學背景的學生對此也易于接受，為學生提供了詳實的關于量子計算的物理原理和基本概念；另外考慮到這門課程面向研究生，無論將來他們是直接就業還是繼續深造，都要注重實踐動手能力的培養，要能夠將自己所學的書本知識轉化為技術和工具，去解決實際的工程和科研問題，因此我們還選擇了另外一門書，由李士勇教授所著的《量子計算與量子優化算法》[4]，哈爾濱工業大學出版社于2009年出版，該書著重講解了量子優化算法，為實際工程應用提供了新的思路，并啟發大家在量子計算機沒有走出實驗室的今天，如何利用現有的數字式計算機構造具有量子特性的快速算法。當然考慮到全校研究生的專業知識背景不同，我們也推薦了中南大學蔡自興教授等編著，2004年由清華大學出版社出版的《人工智能及其應用：研究生用書(第三版)》[5]，該書是蔡自興為主講教授的國家精品課程人工智能的配套教材，該本書中系統全面的講解了高級知識推理、分布式人工智能與艾真體、計算智能、進化計算、群智能優化、自然計算、免疫計算以及知識發現和數據挖掘等近年的熱點智能方法，從而輔助學生了解人工智能，以及人工智能如何發展到計算智能，使得學生全面認識學科的發展和傳承性，為今后學習量子計算智能打下堅實的理論基礎。

2教學內容

本課程從量子計算的基本概念和原理出發，重點講解量子計算基礎和基本的量子算法；并從量子優化算法拓展開來。該門課程我們安排了46學時，具體安排如下：第1章，量子力學基礎(2學時)；第2章，量子計算基礎(4學時)；第3章，基本量子算法(4學時)；第4章，Grover量子搜索算法的改進(4學時)；第5章，量子遺傳算法(8學時)；第6章，量子群智能優化算法(8學時)；第7章，量子神經網絡模型與算法(8學時)；第8章，量子遺傳算法在模糊神經控制中的應用(8學時)。

3教學方法

3.1理論與實踐相結合的教學方法

量子計算智能導論是一門多學科交叉的綜合型學科。選課的同學來自全校，各個的專業背景不同，但是大家的共同需求是一樣的，就是從課程中掌握一種用于解決實際問題的工程技術，但是工程技術的掌握也需要理論的支撐，因此我們在教學實踐中總結出了一套方法，具體做法是將教學內容劃分為：理論型和實踐型。

理論型教學指的是發展完善的量子計算基本原理和方法。其內容包括：量子位、量子線路、量子Fourier 變換、量子搜索算法和量子計算機的物理實現等。而其中量子位、量子線路以及量子算法都是以量子相對論為基礎的，這也是量子計算的本質原理，而較之我們熟悉的數字式計算機和計算方式有著本質的區別。我們在教學中由淺入深，通過PPT授課，采取理論與實例相結合的講授方式。下面給出了一個我們在教學中的實例：將量子計算問題形象化。具體內容如下。

讓我們想象一下下面這個問題。我們要找一條穿過復雜迷宮的路。每次我們沿著一條路走，很快就會碰到新的岔路。即使知道出去的路，還是容易迷路。換句話說，有一個著名的走迷宮算法就是右手法則――順著右手邊的墻走，直到出去(包括繞過絕路)。這條路也許并不很短，但是至少您不會反復走相同的過道。以計算機術語表述，這條規則也可以稱作遞歸樹下行。現在讓我們想象另外一種解決方案。站在迷宮入口，釋放足夠數量的著色氣體，以同時充滿迷宮的每條過道。讓一位合作者站在出口處。當她看到一縷著色氣體出來時，就向那些氣體粒子詢問它們走過的路徑。她詢問的第一個粒子走過的路徑最有可能是穿過迷宮的所有可能路徑中最短的一條。當然，氣體顆粒絕不會給我們講述它們的旅行。但是 量子算法以一種同我們的方案非常類似的方式運作。即，量子算法先把整個問題空間填滿，然后只需費心去問問正確的解決方案(把所有的絕路排除在答案空間以外)。這樣以來，一個枯燥晦澀的量子算法就被很形象的解釋，因此增強了學生的記憶也加深了理解，從而提高了學生的學習興趣。

實踐型教學指的是正在發展中的量子計算智能方法的熱點問題。其內容包括：量子遺傳算法，混沌量子免疫算法，量子蟻群算法，量子粒子群算法，量子神經網絡模型與算法，和這些算法在實際工程優化中的應用。這部分內容屬于本學科的前沿，但也是熱點問題，因此這部分我們在教學中忽略理論推導，重點強調實際操作，在PPT課件中增加仿真實例的講解；并在課下布置相應的上機操作習題，配合上機實踐課程，鍛煉學生的動手能力，同時也引導學生去關注這些前沿，從而培養他們的科研素養。

為了體現該門課的教學特點，我們在考核方式上，采取考試與報告相結合的方式，其中理論部分我們采取閉卷考試，占總考評分數的40%；實踐部分采取上機技術報告考核，內容為上機實踐課程布置的大作業，給出詳實的算法流程圖和仿真結果與分析，占總考評分數的40%；出勤率占總考評分數的20%。

3.2科研素養的培養與實踐能力的提高

科研素養的最核心部分，就是一個人對待科研情感態度和價值觀，科研素養的培養不僅使學生獲得知識和技能，更重要的是使其獲得科學思想、科學精神和科學方法的熏陶和培養。正如溫總理說的那樣：“教是為了不教，學是為了會學”，當學生將課本內容遺忘后，遺留下來的東西即是他們所具備的科研素養。因此，在教學中，我們的宗旨也是提高學生的科研素養，量子計算智能導論是一門理論和實踐緊密結合的學科，該學科的發展日新月異，在信息處理領域的關注度也越來越高。在教學實踐中，我們采用了上機實踐和技術報告相結合的教學方式。掌握各種量子計算智能方法的原理和流程是這門課程教學的首要任務，因此學生結合各自研究方向實現量子智能算法在實際科研任務中的優化問題求解。在上機實踐中，學生不僅要掌握該智能算法的流程而且重點關注學生對

自己科研任務的建模，學會系統分析問題，建立合理的數學模型，并給出理論分析。上機實踐驗收中，我們不但考察其結果展示，更增加了上機實踐的技術報告，用來分析模型建立的合理性，從而培養學生對待科研問題的分析素養和建模素養。在技術報告中，我們要求學生給出幾種可供參考的建模模型，并分析各自的優勢，和選擇這一解決方案的依據。由于量子計算智能導論是面向研究生開設的課程，在教學中，我們更佳關注其分析問題的能力，和解決問題的合理性的思考能力，從而培養學生的科研素養。

4結語

把教學當做一門藝術，是我們作為高校老師畢生追求的目標，如何做到重點講透，難點講通，要點講清，這也是我們多年教學中一直關注的關鍵點。我們在教學中反對“灌輸式”，強調“啟發式”，以實際應用先導教學是非常可取的，也收到了良好的效果。量子計算智能導論是一門綜合型交叉學科，且面向研究生開設，因此在教學實踐中，我們十分重視學生科研素養的培養。通過上機實踐和技術報告的形式引導學生積極動手，積極思考。希望這些教學中的點滴供同行們交流探討。

參考文獻：

[1] 焦李成,劉芳,緱水平,等. 智能數據挖掘與知識發現[M]. 西安:西安電子科技大學出版社,2006.

[2] 田新華. 跟蹤國際學術前沿迎接量子信息時代:《量子計算與量子優化算法》評介[J]. 科技導報,2010,28(6):122.

[3]Michael A. Nielsen ,Isaac L. Chuang. Quantum Computation and Quantum Information [M]. 北京:高等教育出版社,2003.

[4] 李士勇,李盼池. 量子計算與量子優化算法[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2009.

[5] 蔡自興,徐光v. 人工智能及其應用:研究生用書[M]. 3版. 北京:清華大學出版社,2004.

Exploration on Introduction to Quantum Computational Intelligence

LI Yangyang, SHANG Ronghua, JIAO Licheng

(School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

篇8

認識人類自身、認識人類所面對的宇宙，是科學的根本任務，并由此而衍生出人類知識的兩大系統——自然科學與社會科學。二者之間最深刻的關聯在于：人對自身認識有多深，對外部宇宙的認識就有多深，它們是同步進行的。作為自然科學重要分支的物理學是建立在分析與實證基礎上的。在科學飛速發展的今天，物理學的研究無論在宏觀還是在微觀上早已超越了感官經驗的范圍之外。這不可避免地帶來一個困惑：我們以現有的感官經驗去描述、解釋遠在我們經驗之外的對象是可能的嗎？要解決這一困惑，就必須轉換邏輯思維的方式。對此，古老的禪宗哲學給了我們重大的啟示。

一、禪宗與禪宗邏輯

“禪”或“禪那”是梵文Dhyana的音譯，原意是沉思、靜慮。佛教禪宗的起源，按傳統說法，謂佛法有“教外別傳，以心傳心，不立文字”的教義，從釋迦牟尼直接傳下來，傳到菩提達摩。達摩于梁武帝時（約520～526年）來到中國將心傳傳給二祖慧可（486～593年）。如此輾轉相傳，終于出現了以六祖慧能（638～713年）創始的南宗頓教，以后日益豐富發展，成為具有鮮明特色的中國佛學禪宗。禪宗是佛教的一個宗派，是“中國的佛學”，它是中國道家哲學與佛教空宗（亦稱中道宗）相互作用的產物，對于中國哲學、文學、藝術有著極其深遠的影響。禪宗所依據的主要典籍為《金剛經》和《六祖壇經》。

其實早在達摩來華以前，空宗的代表人物僧肇與道生等就在吸收與融匯中國道家思想的基礎上，為禪宗的出現提供了必要的理論準備。如在道生的理論中，就有了“頓悟成佛”、“一切眾生，莫不是佛”（《法華經疏》）等禪宗的基本思想。而在被僧肇所具體化了的關于三個層次的“二諦義”理論中（《肇論·般若無知論》），空宗所謂的第三層真諦即為禪宗之“第一義”。禪宗的一切修行以及最后的頓悟，都是為了成就作為其終極目標的“第一義”。這個第一義就是宇宙的本體、佛的本體，就是最后解脫的境界。

三個層次的“二諦義”理論認為：(1)第一個層次：普通人以為萬物實“有”，而不知“無”。佛教認為萬物實際上都是“空”、“無”。在這個層次上，認為萬物是“有”，這是“俗諦”；認為萬物是“無”是“真諦”。(2)第二個層次：認為萬物是“有”與認為萬物是“無”，都是片面的。因為“無”并不只是沒有了“有”的結果。事實上“有”同時就是“無”。萬物無時無刻不在變化之中，一物此時此刻的存在狀態與其在另一時刻的存在狀態是不同的，在這種意義上，此時此刻的“有”在另一時刻就是“無”了。故在這個層次上，說萬物是“有”與說萬物是“無”，都同樣是“俗諦”。只有不片面的中道，認識到萬物非有非無才是“真諦”。(3)第三個層次：說“中道”在于不片面（非有非無），這意味著進行區別，而一切區別本身就是片面的。故在這一層次上，說萬物非有非無就是俗諦了。真諦是：萬物非有非無，而又非非有非非無（《大藏經》卷四十五）。禪宗的第一義，指的就是這種“非有非無，而又非非有非非無”的境界。《金剛經》云：“……如來所說法皆不可取，不可說，非法，非非法”。這種“非非”的境界是經驗之外的，是普通的邏輯思維達不到的，是不可言說的。所以“說似一物即不中”（《六祖壇經·機緣品第七》），“我向爾道是第二義”（《五燈會元卷第十·清涼文益禪師》），“道，可道，非常道”（《老子·第一章》）。

為了證悟禪宗的第一義，“只有打破和超越任何區分和限定（不管是人為的概念、抽象的思辨，或者是道德的善惡、心理的愛憎、本體的空有……），才能真正體會和領悟到那個所謂真實的絕對本性。它在任何語言、思維之前、之上、之外，所以是不可稱道、不可言說、不可思議的。束縛在言語、概念、邏輯、思辨和理論里，如同束縛于有限的現實事物中一樣，便根本不可能‘悟道’”[1]。而這也正是六祖慧能臨終傳授宗旨的“秘訣”：“先須學三科法門，動用三十六對，出沒即菩提場，說一切法，莫離自性。忽有人問汝法，出語盡雙，皆取對法，來去相因。究竟二法盡除，更無去處。……若有人問汝義，問有將無對，問無將有對，問凡以圣對，問圣以凡對。二道相因，生中道義”（《六祖壇經·付囑品第十》）。應用六祖的這種“對法”，從“有”、“無”始，便可達到非有非無，進而證悟非非有非非無的第一義境界。

仔細分析禪宗的“第一義”以及六祖慧能的“對法”，不難發現，它實際上是給出了一種全新的邏輯，在此將其稱為“禪宗邏輯”。

眾所周知，作為邏輯演算的對象可以是事物、事物的類、事物之間的關系，也可以是命題之間的關系。禪宗邏輯同布爾邏輯[2][3]相似，也具有明顯的類代數的特點。令全類為"1"，空類為"0"。以A和B分別代表兩個類，也稱之為選取符號。A代表在論域中選取所有A的結果，B代表選取所有B的結果，則

A=B表示兩類之間有完全相同的分子；

AB表示兩類相交，即邏輯相乘，代表既屬于A類又屬于B類的類；

A+B表示兩類相并，即邏輯相加，代表或屬于A所標記的事物的類，或屬于B所標記的事物的類；

附圖表示A的補類，即由論域中除去類A的事物的類。

按照上述的基本約定，在傳統的布爾邏輯中，如果A表示類“有”，B表示類“無”，則明顯有A+B=1，即類A和類B互為補類，即這意味著同時屬于兩個互補的類的類是可能存在的，即傳統邏輯中的“不矛盾律”在禪宗邏輯中不一定成立。其次，由禪宗邏輯的基本求和公式可以清楚地看到，對于不可言說的本體的“認識”過程在邏輯上只能是一個無限逼近的漸進過程，這正從邏輯上顯示了它的不可言說性的根源所在。邏輯原子主義的代表人物維特根斯坦曾指出：“我的語言的界限意味著我的世界的界限。……邏輯充滿著世界；世界的界限也是邏輯的界限。”[4]原來不可言說的禪宗“第一義”是在傳統的語言和邏輯之外的存在，現在隨著邏輯的擴展，在禪宗邏輯框架內，它便不再是邏輯之外的存在了。邏輯擴展了，世界也隨之擴展了。

根據禪宗邏輯的基本求和公式，在零級近似下（對應于在求和公式中只取n=0一項），邏輯求和公式變成：

A+B=1.

附圖而這正是布爾邏輯，即布爾邏輯是禪宗邏輯的零級近似。可見禪宗邏輯比傳統的只研究矛盾對立雙方間的關系的二值邏輯具有更大的包容性。首先，它在邏輯對象上，除了包含互補的、矛盾的兩個基本的邏輯類之外，它還同時容納了與之相關聯的其余所有可能的獨立的類，這就為在邏輯上去研究“非非”之類（傳統邏輯之外的、不可言說的）的對象奠定了基礎。其次，就邏輯自身而言，禪宗邏輯包容了那些不矛盾律不再成立的邏輯，為邏輯自身的擴展提供了極大的可能性。

二、物理學中的“波粒二象性”與禪宗邏輯

物理學按照其研究對象的不同，可分為經典物理學和量子物理學（現代物理學）兩大類。經典物理學所研究的是人們感官經驗之內的物質客體，適用于牛頓力學。站在經典物理學的立場上，一個具體的物質客體只能以粒子的方式或波動的方式存在，不存在其它的可能存在方式，即一個物理客體要么以粒子的方式存在，要么以波動的方式存在。以粒子的方式存在的客體在某一時刻具有確定的空間位置；以波動的方式存在的客體在某一具體時刻在全空間存在而不具有確定的空間位置，例如水波和聲波等。無論是經典的粒子還是經典的波，它們都存在于人們的經驗范圍之內，是看得見摸得著的。借助于牛頓力學理論，人們可以運用日常經驗中的語言、概念來描述、理解它們，而不會產生任何邏輯上的困難。

物理學研究一旦深入到微觀的領域，它的客觀對象（如原子）就不再是人的感官所能直接體驗的了。微觀客體的微觀運動本身已不再是感官所能直接觀測和認識的對象。為了“認識”微觀客體及其運動，只有借助于復雜的科學儀器，通過人工安排的科學實驗，觀測由其引起的在儀器中發生的某種不可逆放大過程所導致的宏觀可觀察效應。這種通過儀器的讀數所“認識”到的對象已不再是微觀客體本身，而這又是對微觀客體的唯一的一個認識途徑，即只能這樣來認識微觀客體，對微觀客體的認識就是這種意義上的一種“認識”。

在通過各種科學實驗對微觀客體的研究中，人們發現微觀客體（原子、電子等）在某些條件下表現出粒子性的一面，而在另一些條件下又表現出波動性的一面，這就是所謂的“波粒二象性”問題。微觀粒子在某種意義上既是粒子又是波，既不是粒子又不是波，也不是粒子和波的簡單綜合。這種“波粒二象性”在經典物理學框架內是完全不可理解的。“物理學家們在原子物理學初期面臨的自相矛盾的境遇與之（指禪宗）驚人地相似，與禪宗的情況一樣，真諦隱藏在佯謬之中，這些佯謬不能用邏輯推理來解決，而只能靠一種新的認識來理解。”[5]盡管物理學家們無法在邏輯上解決“波粒二象性”佯謬，但是經過許多人的努力，最終在數學上建立起了一套完備的理論體系——量子力學來描述微觀客體的運動。在量子力學體系中，微觀客體一般就表現為一個數學上虛的態函數，它可以通過薛定諤方程來確定。但是，無論如何量子力學的數學形式理論本身并不能給出關于微觀客體波粒二象性的物理解釋，因為數學上的虛數無論如何是無法同外在的客觀存在相對照的。1927年，物理學家玻爾提出了所謂的“互補原理”來解釋微觀客體的“波粒二象性”問題。“玻爾把兩種圖象——粒子圖象和波動圖象——看作是同一個實在的兩個互補的描述。這兩個描述中的任何一個都只能是部分正確的，使用粒子概念以及波動概念都必須有所限制，否則就不能避免矛盾。”[6]不難發現玻爾的互補性解釋只是一種哲學上的嘗試，并沒有從根本上解決由“波粒二象性”所導致的邏輯困難。

通過上述分析可知，傳統邏輯是無法解釋微觀客體的“波粒二象性”疑難的，唯一的出路是求助于比傳統邏輯包容性更大的新的邏輯。本文所給出的禪宗邏輯正好可以用來解釋“波粒二象性”問題。首先，波和粒子作為兩個類在傳統邏輯（經典物理學框架內）上是完全互補的兩個類，因此可令：A表示粒子，B表示波，翻譯成邏輯的語言就是：在邏輯上存在這樣的類，它同時既是粒子又是波。物理學上的微觀粒子就正好是這樣的一種客觀存在的類。這又從另一個方面證明了微觀客體所遵循的邏輯是禪宗邏輯的一級近似的結論的正確性。

三、總結

禪宗哲學（包括禪宗邏輯）同現代物理學之間的平行性，早已引起過人們的關注。玻爾在1937年訪華時就曾被中國的對立兩極的概念所震驚。而美國著名物理學家F.卡普拉則更是為這種平行性所吸引，寫出了轟動一時的《物理學之“道”——近代物理學與東方神秘主義》一書。盡管有許多人都意識到了現代物理學與古老的中國哲學思想之間具有某種相通性，但沒有人能明確指出其背后的根由。通過本文的研究，不難發現這種平行性、相通性的根源在于二者所研究和指向的對象都遵循相同的邏輯——禪宗邏輯。禪宗邏輯的對象是感官經驗之外的，是日常的語言、邏輯所不能言說的，物理學所研究的微觀客體同禪宗所要證悟的最終本體恰恰都是這種對象。人的思維離不開形象、直觀，離不開日常經驗中的語言、概念和邏輯，而禪宗所要證悟的本體和物理學所研究的微觀客體卻又都是直接經驗之外的存在，是無法從形象和直觀上把握的。正如玻爾所指出的：“物理學面臨的困難來源于我們被迫使用日常生活的詞匯和概念，即使我們是在從事于精煉的觀察也如此。我們除用粒子或波就不知道其他描寫運動的方式。”[7]因此要想“認識”和“把握”這類對象，就只有超越傳統邏輯的束縛，應用全新的包容性更大的邏輯進行思維，才能將其重新納入到邏輯的框架之內加以“言說”、“認識”。

收稿日期：2002-08-30

【參考文獻】

[1]李澤厚.中國古代思想史論[M].合肥：安徽文藝出版社，1994.201.

[2]朱水林.形式化：現代邏輯的發展[M].北京：人民出版社，1987.81-84.

[3]馬玉珂.西方邏輯史[M].北京：中國人民大學出版社，1985.309-317.

[4]［奧］維特根斯坦.邏輯哲學論[M].郭英譯.北京：商務印書館，1985.97.

[5]［美］卡普拉F.物理學之“道”——近代物理學與東方神秘主義[M].朱潤生譯.北京：北京出版社，1999.36.

篇9

【關鍵詞】光速不變;單鏈式;定向振蕩

1.引言

物理學是一門研究物質運動變化規律的科學，牛頓從宏觀物體的運動變化中總結出了三大運動定律，創立了經典力學，成為物理學的開山鼻祖。麥克斯韋研究電場和磁場運動變化的規律，在前人的基礎上總結出了電磁場理論。愛因斯坦研究光運動變化的規律，在麥克耳孫和莫雷的干涉實驗以及光行差實驗等的基礎上，發現了光速不變原理，并創立了相對論。

普朗克通過研究黑體輻射中不同頻率的電磁波運動變化的規律，發明了量了論，后來的物理學家們在此基礎上發展出了量子力學和量子電動力學，創建并完善了標準模型理論。很多物理學家窮其一生，試圖把相對論和量子理論結合起來，建立大統一理論。然而，相對論和量子理論就像一頭大象的鼻子和尾巴，它們不但形象各異，而且總是各朝一方，即便免強拼湊在一起也并不是一頭完整的大象。

2.相對論和量子理論的局限

愛因斯坦是在光速不變原理的基礎上創立相對論的，但愛因斯坦并不能解釋光速為何不變。一些相對論專家說光速不變是四維時空的一種自然表現，這種說法有點牽強。四維時空觀是愛因斯坦在研究有關光速不變的實驗后形成的一種觀念，這些實驗都只涉及到光波，至今為止，人類還沒有辦法把一些實物粒子，如電子、原子、分子等，加速到光速， 也就不知道這些實物粒子的速度能不能達到或超過光速。我們不能因為還沒有辦法把一個電子加速到光速就斷定電子的速度不能達到光速，人類目前還做不到的事情并不意味著未來的人類也做不到，未來總是充滿各種可能性的。既然我們還沒有法辦把實物粒子加速到光速，我們就無法知道光速不變原理是否適用于實物粒子，還是只適用于光子，更無法知道光速不變原理是否適用于宏觀的物體。

光速不變原理提出，在每個慣性系中，真空中的光速各向同性，與光源的運動無關，也與光的頻率無關。一艘在水面上靜止或勻速運動的船可以作為一個慣性系，倘若這艘船 永不停息地做毫無規則可言的運動，船的速度和方向總是在不停地變化，那么，這艘船就不能作為慣性系了.在微觀世界中，每一個物質粒子如電子、原子、分子等，都在永不停息地做毫無規則可言的運動，沒有一個粒子相對于另一個粒子是靜止或勻速運動的，只有粒子本身相對于粒子是靜止的，用來描述宏觀世界的慣性系在微觀層次上根本就不存在。我們都知道，激發光的是電荷，吸收或反射光的也是電荷，我們之所以能夠看見光，就是因為光驅動了我們視覺神經中的電荷。我們不可能選擇一個電荷來做慣性參考系，而電荷激發出的光必須與另一個電荷相互作用才能被觀察到。愛因斯坦從宏觀的角度來研究光運動變化的規律，認為從光源激發出的光傳到物體上的過程就像從大炮發射出的炮彈射到物體上的過程一樣，這是錯誤的。光的本質是在電荷之間傳播的電場力波（即電磁波）。要想弄清楚光速不變的真正原因，就必須弄清楚電場力的產生機理和傳遞方式。

相對論和量子理論都認為光是從光源發射出去的一種物質，就像炮彈從大炮中發射出去那樣，之所以得出這樣的觀點，是因為相對論和量子理論的創立者們都沒有認識到，一個電荷和它的電場實際上是一個獨立于其它電荷和電場的具有無限延伸性的不可分割的整體。我們不可能把一個電荷從它的電場中分離出來，一個電荷無論如何運動，這個電荷的電場都不會脫離這個電荷被發射出去，一個電荷的電量是恒定不變的。從本質上來講，一個電荷的電場是由無數與電荷有關聯的物質在宇宙空間中延綿分布形成的一個具有無限廣延性的不可分割的物質體系，光速不變是是電荷的電場具有無限廣延性的一種表現[1]。

電荷電場的廣延性與引力場的廣延性類似。兩個物體之間，無論距離有多遠，它們都處在對方的引力場中，都受到對方的引力作用。同樣地，兩個電荷之間無論距離多遠，它們都處在對方的電場中，都受到電場力的作用。量子理論認為，引力是質點間互相交換引力子產生的，電場力則是電荷之間互相交換光子產生的。這種觀點并不正確。假設有N個質點與質點A的距離相等，質點A與這N個質點同時有引力作用，即質點A有N個引力子同時與這N個質點交換。當與質點A距離相等的質點增加到2N個時，質點A就必須擁有2N個引力子同時與這2N個質點交換。無論與質點A的距離相等的質點增加到多少個，質點A與這些質點之間都同時存在引力相互作用。以此類推，任何一個質點都同時擁有無窮多個引力子，顯然，這是錯誤的。

電荷電場的廣延性使得任何一個電荷都可以同時與無數個電荷產生電場力，假如電場力是電荷之間互相交換光子產生的，那么，每一個電荷都必須同時擁有無數個光子，顯然，這是不正確的。

無論是相對論還是量子理論，都沒能正確地解釋電場力的產生機理。

電場力是電荷和它的電場原來的平衡狀態被引入電場中的電荷打破，導致構成該電荷電場的所有物質都有以引入該電荷電場中的電荷為中心重新分布的趨勢產生的一種力，是大量構成電荷本身電場的物質對電荷直接產生的力。任何一個電荷受到的電場力都是通過構成該電荷本身電場的物質來傳給電荷的，而電荷的電場是隨著電荷一起運動的。在沒有外力的作用下，或是合外力等于零的情況下，電荷和它自身的電場總能保持步調一致的運動狀態，這時，可認為電荷和它的電場是相對靜止的。從宏觀的角度來看，在每一個慣性系中，每一個電荷和它的電場都可以保持步調一致的運動狀態，每一個電荷相對于它的電場都是靜止的，這必然導致在每一個慣性系中，每一個電荷接收到的電場力波即光波在真空中的速度各向同性，即光速不變。

由上述可知，電荷電場的廣延性是我們觀察到的真空中的光速恒定不變的原因。

3.定向振蕩電流與單鏈式電磁波

與引力波類似，電磁波本質上并不是從波源中發射出的一種物質，而是在電荷之間傳播的電場力波。無論是電場還是磁場，或是交替變化的電磁場，都是通過電荷或電流的運動變化來表現的。麥克斯韋首次提出了位移電流的概念，并預言了電磁波的一種形式――雙鏈式。但受到當時條件的限制，麥克斯韋沒能預言出電磁波的另一種形式――單鏈式。只有引入“定向振蕩”這個全新的物理概念才能夠形象地描述單鏈式電磁波。在現代漢語詞典中，振蕩的含義有兩種，一種指振動;另一種指電流的周期性變化。電流的周期性變化可分為兩種，一種是電流的大小和方向都做周期性變化的，叫做雙向振蕩;另一種是電流的方向恒定不變，電流的大小做周期性變化的，叫做定向振蕩，也稱單向振蕩。雙向振蕩電流激發出的是雙鏈式電磁波，雙鏈式電磁波在空間中傳播時產生的位移電流都是雙向振蕩的位移電流，即位移電流的大小和方向都是周期性變化的。雙向振蕩的位移電流產生的感應磁場也是雙向振蕩的，即磁場的大小和方向都做周期性變化的。雙鏈式電磁波在傳播過程中遇到導體，會使導體受到一個場強大小和方向都做周期性變化的雙向振蕩的感應磁場的作用，產生同頻率雙向振蕩的感應電流。

有的單向振蕩電流激發出的是雙鏈式電磁波，比如交流和恒流混合形成的單向振蕩電流。有的單向振蕩電流則能夠激發出單鏈式電磁波，比如將高頻交流經過特殊的整流后形成的單向振蕩電流。[2]

單鏈式電磁波在空間中傳播時產生的位移電流都是單向振蕩的位移電流，即位移電流的方向恒定不變，位移電流的大小做周期性變化的。單向振蕩的位移電流產生的感應磁場也都是單向振蕩的，即磁場方向恒定不變，場強大小做周期性變化的。單向振蕩磁場也稱定向振蕩磁場。

單鏈式電磁波在傳播過程中遇到導體，會使導體受到一個磁場方向恒定不變，場強大小做周期性變化的定向振蕩的感應磁場的作用，產生同頻率定向振蕩的感應電流。

讓兩列時間相差T/2（T表示定向振蕩電流定向振蕩的一個周期）的等幅同頻率的超高頻單鏈式電磁波經過等長的路徑后疊加，便可在空間中合成超低頻定向振蕩的無源 的磁場。因為這種定向振蕩磁場是無源的，且只能表現出單個磁極的力學效應，因此叫做磁單極量子，也稱單極光子。[3]將通恒定電流的導體放置在由兩列時間相差T/2的超高頻單鏈式電磁波經過等長的路徑后疊加形成的超低頻定向振蕩磁場中，導體就會產生大小和方向都不變的電磁力。因為這種電磁力是由空間中無源的定向振蕩磁場對恒定電流產生的，可驅動引擎前進。這就是能夠進行星際躍遷的光速飛船所采用的大推力量子引擎技術的原理。[4]

4.結語

相對論和量子理論是20世紀物理學取得的兩項重大的成果，這兩項理論的創立極大地促進了科學技術的發展和人類文明的進步。但是，相對論和量子理論即是現代物理學的兩大支柱，也是橫旦在人類面前的兩座大山。這兩座大山都高聳入云，看似不可逾越。很多人望而卻步，只得拜倒在山腳下，只有少數不畏艱險的勇者敢去翻越。這些勇者有的迷失在山中，有的跌入了深淵，誰能夠第一個翻越過去，誰就會成為新大陸的發現者，人類文明史也將因此翻開嶄新的一頁。

參考文獻

[1]李昌穎.引力場與靜電場的廣延性與超光速原理[J].電子世界，2014.

[2]李昌穎.光分解與光振蕩形式變換的探究[J].電子世界，2014.

篇10

高中物理現代化的實施需要強有力的理論基礎支撐.對于其教學內容的現代化，英國著名教育家斯賓塞在教學內容方面提出科學才是最有價值的知識，這句話是他對課程主張的集中體現，即課程內容取向應面向現代化.他認為在選擇課程內容時，應根據生產力與科學的發展，不斷進行課程內容更新使其能夠將時代先進的自然科學成果反映和體現出來.在組織教學內容方面，依據學生的心理特征和知識的內在邏輯相統一的原則是現代物理的一個發展趨向.當代著名的結構主義教學思想和認知心理學派代表人物布魯納提出結構主義課程觀.學科的基本結構是對一門學科的概念和一般原理的概括，同時還具有相應的探究和學習這門學科的基本態度.他認為這樣可以縮小“初級”知識與“高級知識”之間的差距，能夠在同一門學科中的基礎與尖端之間找出相通之處.鑒于此，現代新課程將物理學科分為多種模塊，對實施現代化內容教學十分有利.贊可夫為前蘇聯著名教育家，其提出發展并不是指讓事物停留在一般的發展水平上的觀點，指出教學內容應該逐漸深入、由易到難，不斷分化，擴大知識面.因此，在經典物理的基礎上可以進行現代物理知識的擴充.

二、物理教學內容現代化的思考

1. 告訴學生現代物理的研究成果

對于現代物理的定義，指從一八九六年鈾的天然放射性被貝克勒爾發現以來所取得的物理研究成果.一九零五年，著名科學家愛因斯坦根據其研究創立了狹義相對論，在他與普朗克、波爾、海森伯、德布羅意、波恩、薛定諤等多人的共同努力下，實現了量子力學與量子論的創立.通過近半個世紀對核物理、原子物理的相關研究，人類在二十世紀四十年代便掌握了核能的奧秘，自此人類社會開始了“原子時代”的旅程.一九一六年，愛因斯坦提出受激輻射概念，推倒普朗克關于黑體輻射公式的相關論點.如今，在人們的日常生活中以及尖端科學研究、醫學工業、軍事、通信、教育、計算、藝術等各個方面都應用到激光技術.

2.讓學生理解基礎物理學的應用及其作用

物理的發展大大促進了現代科技的發展和提高.物理學在二十世紀發展了電子、原子能、計算機、激光等實業部門.在高技術領域中，物理學的應用有：電子計算機的誕生讓人類勞動方式發生翻天覆地的變化，是人類智力解放的重要開創性舉措；基因工程技術的發明，讓人類開始進入以人類自身為代表的認識與改造的生命世界；人造地球衛星的發射，是人類活動開始突破地球限制向太空進軍的重要標志；核電站的建立，讓人們利用和開發原子能得以實現.物理學的發展同時也帶動了其他學科的發展，比如地球物理、天體物理、生物物理以及化學物理等學科.

三、實施高中物理教學內容現代化的幾點建議

隨著社會的進步和科學的不斷發展，現代文化、技術、科學取得了十分豐富的成果，由于選擇的多樣性，也給實施課程內容現代化帶來了不同程度的困難，比如學科課程內容的完整性與經典內容的壓縮性矛盾、有限學習時間與現代性內容增加的矛盾、現代教育思想觀念與傳統課程內容取舍的矛盾等.怎樣解決這些矛盾，促進高中物理教學內容現代化的實現？結合新課程理念，以下是對實施物理教育內容現代化的一些建議.

1. 恰當選擇課程內容

要讓以上矛盾得以解決，在選擇課程內容上應遵循時代性與基礎性相統一的原則.在基礎知識的選取上，應將對社會需求、對學生、對學科而言是必需的、具有真正意義上的基礎知識精選出來，做到精中求簡.比如質量守恒、動量守恒、場、波、電荷守恒、分子原子結構等的概念和原理是最基本，也是高中物理最核心的內容.同時，在選擇現代化的課程內容上，要根據現代文化、技術、科學成果，從中選擇和基礎知識聯系密切的、具有典型性與代表性的內容.如愛因斯坦廣義與狹義相對論、微觀客體二重性、量子物理與經典物理的連接橋梁是普朗克常量等內容，都是由經典物理學發展而來.

例如，物理學中“時間”是常見的物理量，那么什么是時間？為了讓學生對“時間”更好的理解以及經典物理學對時間定義，教師可以利用多媒體設備來對教學過程中進行設計.首先，用多媒體展示介紹相關的計時裝置，包含日、奎表、桿漏、刻漏、古董鐘表、水平儀象臺等.提問：不同計時方法對時間單位的要求也不同，大家知道時間單位都有哪些，是怎么區分的？其次，對時間單位進行介紹，包含年、月、日、時、分、秒等，同時，利用多媒體對相關單位的產生發展進行簡介.第三，提問：到底什么是時間？由學生進行討論后作答，教師對其進行補充.學生的回答一般為書上看到的或詞典上查到的關于時間的概念，教師總結：我們發現時間的單位和物體的周期性運行是不可分割的，說明時間和物體的運動是相關的.比如，地球自轉一周是一天，公轉一周是一年，也就是說時間能夠用物體的空間位置變化來度量.由此，可引出牛頓力學中含有時間的公式：s=vt、v=at等.

2. 提高對教師的要求