量子力學知識總結精選(九篇)
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第1篇：量子力學知識總結范文
關鍵詞：經典理論 量子力學 聯系
中圖分類號：O413.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）08（a）-0143-02
量子力學于20世紀早期建立以來，經過飛速的發展，逐漸成為現代物理學科中不可分割的一部分。量子力學是現代量子理論的核心，它的發展不僅關乎人類的物質文明，還使人們對量子世界的認識有了革命性的進展[1]。
但是，量子力學并不是一個完備的理論，其體系中還存在許多問題，特別是微觀與宏觀，即經典理論與量子力學的聯系。為解決這些迷惑，歷史上相關科學家提出了很多實驗與理論。該文旨在以量子力學發展史上提出的幾個實驗為例，對其進行簡單分析，以展示經典理論與量子力學的聯系。
1 問題的提出
1935年3月，愛因斯坦等人在EPR論文中提出了“量子糾纏態”的概念，所謂的“量子糾纏態”是以兩個及以上粒子為對象的。在某種意義上，“量子糾纏態”可以理解為是把迭加態應用于兩個及以上的粒子。若存在兩個處于“量子糾纏態”的粒子，那這兩個粒子一定是相互關聯的，用量子力學的知識去理解，只要人們不去探測，那么每個粒子的狀態都不能夠確定。但是，假如同時使這兩個粒子保持某一時刻的狀態不變，也就是說，使兩個粒子的迭加態在一瞬間坍縮，粒子1這時會保持一個狀態不再發生變化，根據守恒定律，粒子2將會處于一個與粒子1狀態相對應的狀態。如果二者相距非常遙遠，又不存在超距作用的話，是不可能在一瞬間實現兩個粒子的相互通信的。但超距作用與當今很多理論是相悖的，于是，這里就形成了佯謬，即“EPR佯謬”。
同年，薛定諤提出了一個實驗，后人稱之為“薛定諤的貓”。設想把一只貓關在盒子里，盒中有一個不受貓直接干擾的裝置，這套裝置是由其中的原子衰變進行觸發，若原子衰變，裝置會被觸發，貓會立即死去。于是，量子力學中的原子核衰變間接決定了經典理論中貓的生死。由量子力學可知，原子核應該處于一種迭加態，這種迭加態是由“衰變”和“不衰變”兩個狀態形成的，那么貓應該也是處在一種迭加態，這種迭加態應該是由“死”與“生”兩個狀態形成的，貓的生死不再是一個客觀存在，而是依賴于觀察者的觀測。顯然，這與常理是相悖的[2]。
這兩個佯謬的根源是相同的，都是經典理論與量子理論之間的關系。
2 近代研究進展
2.1 驗證量子糾纏的存在
華裔物理學家Yanhua Shih[3]曾做過一個被稱為“幽靈成像”的實驗，其實驗過程及現象大致可以描述為：假設存在一個糾纏光源，這個光源可以發出兩種互為糾纏的光子，通過偏振器使兩種光子相互分離，令第一束光子通過一個狹縫，第二束不處理，然后觀察兩束光的投影，結果發現第二束光的投影形狀與第一束光通過的狹縫形狀完全相同。
人們發現，如果僅僅使用經典理論，實驗現象是無法解釋的，必須應用量子理論，才能解釋“幽靈成像”的現象。這個實驗也恰好驗證了“量子糾纏”現象的存在。
2.2 量子世界中的歐姆定律
歐姆定律是由德國物理學家Ohm于19世紀早期提出來的，它是一種基于觀察材料的電學傳輸性質得到的經驗定律，其內容是：在同一電路中，導體中的電流跟導體兩端所加的電壓成正比，跟導體自身電阻成反比，即 （U指導體兩端電壓；R指導體電阻；I指通過導體的電流）。
18世紀二、三十年代，人們認為經典方法在宏觀領域是正確的，但是在微觀領域將會被打破。Landauer公式給出了納米線電阻的計算方法，即（h為普朗克常量；e為電子電量；N為橫波模式數量）；而在宏觀中，（為材料的密度；l為樣品的長度；s為樣品的橫截面積）。由此發現，在宏觀領域，樣品的電阻是隨著樣品的長度增加而增加的，而在微觀領域，樣品的電阻與樣品的長度沒有關系。
Weber[4]等人制備了原子尺度的納米線并進行觀察，實驗發現，在微觀領域，歐姆定律也是滿足的。Ferry[5]認為樣品的電阻是由多種機理所導致的，而他最后得到的結果正是由于多種機理的相互疊加。經過分析，他認為歐姆定律何時開始生效取決于納米線中電子耗散的力度，力度越大說明開始生效時的尺度越小。但這也同時引發了另一個問題的思考：低溫條件下，歐姆定律是仍然成立的，也就是說經典理論仍然成立，但往往是希望在低溫下研究比較純粹的量子效應。低溫條件下歐姆定律的成立要求在進行實驗研究時，必須花費更多的精力來使得經典理論與量子理論分離開。
2.3 生活中的量子力學――光合作用與量子力學
Scholes等[6]從兩種不同的海藻中提取出了一種名為捕光色素復合體的化學物質，并在其正常的生活條件下，通過二維電子光譜術對其作用機理進行了分析研究。他們首先使用了飛秒激光脈沖模擬太陽光來激發這些蛋白，發現了會長時間存在的量子狀態。也就是說，這些蛋白吸收的光能能夠在同一時刻存在于不同地點，而這實際上是一種量子迭加態。由此可見，量子力學與光合作用是有很大聯系的。
3 結語
從近幾年來量子力學的基本問題和相關的實驗研究可以看出，雖然經典理論與量子理論的聯系仍然是一個懸而未決的問題，但是當代科學家已經能夠通過各種精妙的實驗逐步解決歷史遺留的一個個謎團，使得微觀領域的單個量子的測量與控制成為可能，并且積極研究宏觀現象的微觀本質，將生活與量子力學逐漸的聯系起來。對于“經典理論與量子力學的聯系”這一專題還需要進行不斷研究，使量子力學得到進一步完善與發展。
參考文獻
[1] 孫昌璞.量子力學若干基本問題研究的新進展[J].物理，2001，30（5）：310-316.
[2] 孫昌璞.經典與量子邊界上的“薛定諤貓”[J].科學，2001（3）：2，7-11.
[3] Shih Y. The Physics of Ghost Imaging[J].2008.
[4] Weber B， Mahapatra S， Ryu H， et al. Ohm's law survives to the atomic scale[J].Science，2012，335（6064）：64-67.
第2篇：量子力學知識總結范文
量子力學是當代科學發展中最成功、也是最神秘的理論之一。其成功之處在于，它以獨特的形式體系與特有的算法規則，對原子物理學、化學、固體物理學等學科中的許多物理效應和物理現象作出了說明與預言，已經成為科學家認識與描述微觀現象的一種普遍有效的概念與語言工具，同時也是日新月異的信息技術革命的理論基礎；其神秘之處在于，與其形式體系的這種普遍應用的有效性恰好相反，量子物理學家在表述、傳播和交流他們對量子理論的基本概念的意義的理解時，至今仍未達成共識。量子物理學家在理解和解釋量子力學的基本概念的過程中所存在的分歧，不是關于原子世界是否具有本體論地位的分歧，而是能否仍然像經典物理學理論那樣，把量子理論理解成是對客觀存在的原子世界的正確描述之間的分歧。
在量子力學誕生的早期歲月里，這些分歧的產生主要源于對量子理論中的波函數的統計性質的理解。因為量子力學的創始人把量子力學理解成是一種完備的理論，把量子統計理解成是不同于經典統計的觀點，在根本意義上，帶來了量子力學描述中的統計決定性特征。而理論描述的統計決定性與物理學家長期信奉的因果決定論的實在論研究傳統相沖突。在當時的背景下，對于那些在經典物理學的熏陶下成長起來的許多傳統物理學家而言，對量子力學的這種理解是難以容忍的。這些物理學家仍然堅持以經典實在觀為前提，希望重建對原子對象的因果決定論的描述。這種觀點認為，現有的量子力學只是臨時的現象學的理論，是不完備的，將來總會被一個擁有確定值的能夠解決量子悖論的新理論所取代。量子哲學家普遍地把這種實在論稱之為定域實在論，或者稱為非語境論的實在論。從EPR悖論到貝爾定理的提出正是沿著這一思路發展的。這種觀點把量子論中的統計決定論與經典實在論之間的矛盾，理解成是量子論與傳統實在論之間的矛盾。
但是，自從1982年阿斯佩克特等到人完成的一系列實驗，沒有支持定域隱變量理論的預言，而是給出了與量子力學的預言相一致的實驗結果以來，量子論與傳統實在論之間的矛盾焦點，由對量子理論中的統計決定性特征的質疑，轉向了對更加基本的量子測量過程中的“波包塌縮”現象的理解。因為量子測量問題是量子理論中最深層次的概念問題。馮諾意曼在本體論意義上引入量子態的概念來表征量子實在的作法，直接導致了至今難以解決的量子測量難題。到目前為止，所有的量子測量理論都是試圖站在傳統實在論的立場上，對量子測量過程作出新的解釋。玻姆的本體論解釋在承認量子力學的統計性特征，把量子世界看成是由客觀的不確定性、隨機性和量子糾纏所支配的世界的前提下，通過假設非定域的隱變量的存在，尋找對量子測量過程的因果性解釋。量子哲學家把這種實在論稱為非定域的實在論。[1] 多世界解釋在承認現有的量子力學的形式體系和基本特征是完全正確的前提下，通過多元本體論的假設來對具有整體性特征的量子測量過程作出整體論的解釋。量子哲學家把這種實在論稱為非分離的實在論。[1]
量子測量現象的非定域性和非分離性所反映的是量子測量過程的整體性特征。問題是，相對于科學哲學研究而言，如果把量子測量系統理解成是一個包括觀察者在內的整體，我們將永遠不可能在觀察者與被觀察系統之間作出任何形式的分割。而觀察者與被觀察系統之間的分界線的消失，將會使我們在不考慮觀察者的情況下，對物理實在進行客觀描述的夢想徹底地破滅。這是因為，一方面，如果我們認為量子力學的形式體系是正確而完備的理論，那么，就能夠用量子力學的術語描述包括觀察者在內的整個測量過程。這時，觀察者成為整個測量系統中的一個組成部分參與了測量中的相互作用；另一方面，如果我們仍然渴望像以可分離性假設為基礎的經典測量那樣，在以整體性假設為基礎的量子測量系統中，也能夠得到確定而純客觀的測量結果，那么，他們必須要在觀察者與被觀察的量子系統之間作出某種分割，觀察者才有可能站在整個測量系統之外進行觀察。然而，在量子測量的具體實踐中，這個重要的“阿基米德點”是永遠不可能得到的。因為對量子測量系統進行的任何一種形式的分割，都必然會導致像“薛定諤貓”那樣的悖論。這樣，關于量子論與實在論之間的矛盾事實上轉化為，在承認量子力學的統計性特征的前提下，如何解決量子測量的整體性與傳統實在論之間的矛盾。
以玻爾為代表的傳統量子物理學家在創立了量子力學的形式體系之后，并不追求從量子測量現象到量子本體論的超越中提供一種本體論的理解。而是在認識論和現象學的意義上做文章。玻爾認為，觀察的“客觀性”概念的含義，在原子物理學的領域內已經發生了語義上的變化。在這里，客觀性不再是指對客體在觀察之前的內在特性的揭示，而是具有了“在主體間性的意義上是有效的”這一新的含義。這種把“客觀性”理解成是“主體間性”的觀點，在認識論意義上，所隱藏的直接后果是，使“客觀性”概念失去了與“主觀性”概念相對立的基本含義，從而使量子力學成為支持科學的反實在論解釋的一個重要的立論依據。與此相反，近幾十年發展起來的多世界解釋，試圖以多元本體論的假設為前提，恢復對客觀性概念的傳統理解；玻姆的本體論解釋則是以粒子軌道與真實波的二元論假設為代價，把測量過程中的整體性特征歸結為是量子勢的性質。這兩種解釋雖然在理解量子測量現象時堅持了傳統實在論的立場。但是，這些立場的堅持是以在量子力學中增加某些額外的假設為代價的。這正是為什么近幾十年來，反思與研究量子力學與量子測量的概念基礎問題，成為不計其數的論著和論文所討論的中心論題的主要原因所在。
到目前為止，在量子物理學家的心目中，微觀客體的非定域性特征和量子測量的非分離性特征已經成為不爭的事實。如果我們站在科學哲學的立場上，像當初接受量子統計性一樣，也接受量子力學描述的微觀系統的這種整體性特征。那么，量子測量過程中被測量的系統與測量儀器（包括觀察者在內）之間的整體性關系將會意味著，在微觀領域內，我們所得到的知識，事實上，總是與觀察者密切相關的知識。這個結論顯然與長期以來我們所堅持的真理符合論的客觀標準不相容。因此，接受量子力學的整體性特征，就意味著放棄真理符合論的標準，需要對傳統實在論的核心概念——理論和真理的性質與意義——進行重新理解。這樣，現在的問題就變成是，能否在接受量子力學的統計性和整體性特征的前提下，闡述一種新的實在論觀點呢？如果答案是否定的，那么，科學實在論將永遠不可能得到辯護；如果答案是肯定的，那么，與理論的整體性特征相協調的實在論是一種什么樣的實在論呢？這正是本文所關注的主要問題所在。
2．認識論教益：隱喻思考與模型化方法的突現
自近代自然科學產生以來，公認的傳統實在論的觀點是建立在宏觀科學知識基礎之上的一種鏡像實在論。在宏觀科學的研究領域內，觀察者總是能夠站在整個測量系統之外，客觀地獲得測量信息。在有效的測量過程中，測量儀器對測量結果的干擾通常可以忽略不計。測量結果為理論命題的真假提供了直接的評判標準，使命題和概念擁有字面表達的意義（literal meaning）或非隱喻的意義和指稱。因此，鏡像實在論是以觀察命題的真理符合論為前提的。
真理符合論的最實質性的內容是，堅持命題與概念同實際的事實相符合。長期以來，科學家一直把這種觀點視為是科學研究活動的價值基礎。
維特根斯坦在其著名的《邏輯哲學導論》一書中，把真理的這種符合論觀點表述為：就像唱片是聲音的畫像并具有聲音的某些結構一樣，命題所描述是事實的畫像，并具有與事實一致的結構。因為用語言來思考和說話，就是用語言來對事實作邏輯的模寫，它類似于畫家用線條、色彩、圖案來描繪世界上的事物。所以，用語言描述的圖象與世界的實際圖象之間具有同構性。1933年，塔爾斯基對這種真理觀進行了定義。在當前科學哲學的文獻中，人們習慣于用“雪是白的”這一命題為例，把塔爾斯基對真理的定義形象地表述為：“雪是白的”是真的，當且僅當，雪是白的。
普特南把塔爾斯基對真理的這種定義概括為“去掉引號的真理論”。塔爾斯基認為，要想使“‘雪是白的’是真的”，這個句子本身成真，當且僅當，“雪是白的”這個事實是真實的，即我們能夠得到“雪是白的”這一經驗事實。這個看似簡單的句子隱含著兩層與常識相一致的符合關系：第一層的相符合關系是，語言表達的命題與實際事實相符合；第二層的相符合關系是，觀察得到的事實與真實世界相符合。在日常生活中，像“雪是白的”這樣的經驗事實是非常直觀的，只要是一個正常的人，都有可能看到“雪確實是白色的”這個實際存在的事實。因此，人們對它的客觀性不會產生任何懷疑，能夠作為“‘雪是白的’是真的”這個句子的成真條件。
然而，量子力學揭示出的微觀測量系統中的整體性特征，既限制了我們對這種理想知識的追求，也向傳統的客觀真理標準的價值觀提出了挑戰。這是因為，在量子測量的過程中，對命題的這種理想的描述方式和對對象的如此單純的觀察活動，已經不再可能。以玻爾為代表的許多物理學家雖然在量子力學誕生的早期就已經意識到這一點。但是，在科學哲學的意義上，他們在拋棄了真理符合論之后，卻走向了認識論的反實在論；馮諾意曼的測量理論以真理符合論為基礎，要求在觀察者與測量儀器之間進行分割的做法，直接導致了量子測量中的“觀察者悖論”；現存的非分離與非定域的實在論解釋，也是以真理符合論為基礎，在量子力學的形式體系中增加了某些難以令人接受的額外假設，來解決量子測量難題。從哲學意義上看，這種借助于額外假設來使量子力學與實在論相一致的作法并沒有唯一性。它不過是借助于各種哲學的想象力來解決量子測量難題而已。
由此可見，量子測量難題的產生，實際上是以真理符合論為基礎的傳統實在論的觀點，來理解量子測量過程的整體性特征所導致的。現在，如果我們像放棄經典的絕對時空觀，接受相對論一樣，也放棄真理符合論的實在論，接受現有的量子力學。那么，在當代科學哲學的研究中，我們需要以成功的量子力學帶給我們的認識論教益為出發點，對理論、概念和真理的性質與意義作出新的闡述。量子力學所揭示的微觀世界與宏觀世界之間的最大差異在于，我們對微觀世界的內在結構的認知，不可能像對宏觀世界的認知那樣，使觀察者能夠站在整個測量語境的外面來進行。
這就像盲人摸象的故事一樣，不同的盲人從大象的不同部位開始摸起，最初，他們所得到的對大象的認識是不相同的，因為每個人根據自己的觸摸活動都只能說出大象的某一個部分。只有當他們摸完了整個大象時，他們才有可能對大象的形狀作出客觀的描述。然而，雖然他們對大象的描述始終是從自己的視角為起點的，并建立在個人理解的基礎之上。但是，不可否認的是，他們的觸摸活動總是以真實的大象為本體的。在微觀領域內，量子世界如同是一頭大象，物理學家如同是一群盲人，有所區別的是，物理學家對微觀世界的認識不可能是直接的觸摸活動，而只能借助于自己設計的測量儀器與對象進行相互作用來進行。在這個相互作用的過程中，包括觀察者在內的測量語境成為聯系微觀世界與理論描述之間的一個不可分割的紐帶。
如果把這種量子力學的這種整體性思想延伸外推到一般的科學哲學研究中，那么，可以認為，科學家所闡述的理論事實上是一個產生信念的系統。科學家借助于模型化的理論，把他們對世界的認知模擬出來。理論模型所描述出的世界與真實世界之間的關系是一種內在的、整體性的相似關系。這種相似分為兩個不同的層次：其一，在特定的語境中，模型與被模擬的世界在現象學意義上的初級相似。這種相似是指，在這個層次上，我們只是能夠通過某些關系把現象描述出來，但是，對現象之所以發生的原因給不出明確的說明；其二，在特定的語境中，模型與被模擬的世界在認識論意義上的高級相似。這種相似是指，理論模型達到了與真實世界的內在結構與關系之間的相似。所以，現象學意義上的相似最后會被成熟理論所描述的認識論意義上的結構相似所包容或修正。
這兩個層次之間的相似關系是建立在經驗基礎之上的，而不是建立在邏輯或先驗的基礎之上。這樣，雖然科學家在建構理論模型的過程中，總是不可避免地存在著許多非理性的因素。但是，在根本的意義上，他們的建構活動是以最終達到使理論描述的可能世界與真實世界之間的結構與關系相似為目的的。因此，測量語境的存在成為科學家建構活動的一個最基本的制約前提。建構理論模型的活動是一種對世界的認知活動。建構活動中的虛構性將會在與公認的實驗事實的比較中不斷地得到矯正，直至達到與真實世界完全一致為止。或者說，在一定的語境中，當從理論模型作出的預言在經驗意義上不斷地得到了證實的時候，類比的相似性程度將隨之不斷地得以提高；當科學共同體能夠依據理論模型所描述的可能世界的結構來理解真實世界時，相似性關系將逐漸地趨向模型與世界之間的一致性關系。
在這種理解方式中，真理是物理模型與真實世界之間的相似關系的一種極限，是在一定的語境中完善與發展理論的一個最終結果。這樣，在科學研究中，真理成為科學研究追求的一個最終目標，而不是科學研究的邏輯起點。或者說，把真理理解成是在科學的探索過程中，成熟的物理模型與世界結構之間達成的一致性關系。對真理的這種理解，使過去追求的客觀真理變成了與語境密切相關的一個概念。超出理論成真的語境范圍，真理也就失去了存在的前提和價值。這樣，與玻爾把理論的客觀性理解成是主體間性的觀點所不同，本文是通過改變對真理意義的理解方式，挽救了理論的客觀性。
如果把科學活動理解成是對世界的模擬活動，那么，在理論的建構活動中，科學理論的概念與術語所描述出的可能世界，只在一定的語境中與真實世界具有相似性。所以，相對于不可能被觀察到的真實世界而言，科學的話語（scientific discourses）將不再具有按字面所理解的意義，而是只具有隱喻的意義。只有當理論與世界之間的關系趨向于一致性關系時，對某些概念的隱喻性理解才有可能變成字面語言的理解。所以，在科學研究的活動中，研究對象越遠離日常經驗，科學話語中的隱喻成份就越多。這也許是為什么在量子理論產生的早期年代，物理學家在理解微觀現象時，不可能在微觀對象的粒子性和波動性之間作出任何選擇的原因所在。實際上，微觀粒子的波——粒二象性概念只是在現象學意義上的一種典型的隱喻概念，它們并不擁有概念的字面意義，而只具有隱喻的意義。因此，它們不是對真實世界的基本結構的實際描述。正如惠勒的“延遲實驗”所揭示的那樣，物理學家不可能選擇用其中的一類圖象來解釋另一類圖象。只有當關于微觀世界的內在結構在可能世界的模型中得到全部模擬時，原來的波——粒二象性的概念才被一個更具有普遍意義的新的量子態概念所取代。
如果科學語言只具有隱喻的意義，科學理論所描述的是可能世界，那么，物理學家對測量現象的描述，也只是一種隱喻描述，而不是非隱喻的按照字義所理解的描述。這種描述既依賴于觀察者的背景知識，也依賴于當時的技術發展的水平。就像格式塔心理學所闡述的那樣，同樣的圖形、同一個對象，不同的觀察者會得出不同的結論。在這個意義上，測量與觀察不再是純粹地揭示對象屬性的一種再現活動，而是觀察者與對象發生相互作用之后，受到測量語境約束的一種生成活動。在這個活動中，就現象本身而言，至少包含有兩類信息：一是來自對象自身的信息；二是包括觀察者在內的測量系統內部發生相互作用時新生成的信息。
從這個意義上看，微觀粒子在測量過程中表現出的波——粒二象性只是一種現象學意義上的相似，而不是微觀粒子的真實存在。在大多數情況下，現象還不等于是證據，把現象作為一種證據表述出來，還要受到物理學家的背景知識和社會條件的制約，甚至受到已接受的可能世界的基本理念的制約。按照對理論、真理和測量的這種理解方式，由“波包塌縮”現象所反映的問題，就變成了提醒物理學家有必要對過去所忽視的物理測量過程的各個細節，對宏觀與微觀之間的過渡環節，進行更細致的理論研究的一個信號，成為進一步推動物理學發展的一個技術性的物理學問題，而不再是觀念性的與實在論相矛盾的哲學問題。
玻姆的量子論是試圖用非隱喻的字面語言對真實的量子世界進行描述，而現有的量子力學在它的產生初期則是用隱喻的語言對量子世界的一種模擬描述。正是由于理論模型具有的相似性，才使得薛定諤的波動力學與海森堡等人的矩陣力學能夠得出完全相同的結果，并最終證明兩者在數學上是等價的。在量子力學的語境中，不論是波動圖象，還是粒子圖象都只是理論與世界之間的現象學意義上的初級相似。在以后的發展中，量子力學所描述的可能世界的預言與真實世界的實驗現象相一致的事實說明，當馮諾意曼在希爾伯特空間以量子態為基本概念建立了量子力學的公理化體系之后，這些現象學意義上的相似已經上升到認識論意義上的結構相似，說明量子力學描述的可能世界與真實世界在微觀領域內是一致的。這時，以波——粒二象性為基礎的隱喻圖象被整體論的世界圖象所取代。這也許正是物理學家可以在拋開哲學爭論的前提下，只注重量子物理學的技術性發展的一個原因所在。而相比之下，玻姆的理論不過是追求傳統意義上的非隱喻的字面圖象和傳統哲學觀念的一種理想產物。
在對理論、概念和真理的意義的這種理解方式中，理論與世界之間的一致性關系不是建立在命題與概念的層次上，而是以測量語境為本體，建立在物理模型與真實世界之間從現象學意義上的初級相似到認識論意義上的結構相似的基礎之上的。測量語境的本體性，成為我們在認識論意義上承認科學理論是一個信念系統的同時，拒絕后現代主義者把理論理解成是可以隨意解讀的社會文本的極端觀點的根本保證。所以，真理的意義不是取決于詞、概念和命題與世界之間的直接符合，而是在于理論整體與世界整體之間在逼真意義上的一致性。由于可能世界與真實世界之間的這種一致性關系在一定程度上是依賴于社會技術條件的動態關系。因此，以一致性為基礎的真理是依賴于語境的真理，它永遠是一個動態的和可變的概念，而不是靜止的和不變的概念。這顯然是對“把科學研究的目的理解為是追求真理”這句話的最好解答。
3．從思維方式的變革到語境實在論的基本原理
當我們把對理論、真理和意義的這種理解方式應用于對真實世界的認識時，也可以在測量語境的基礎上，對理論進行實在論的解釋。所不同的是，這種實在論不再是把科學理論理解成是提供關于世界的某種鏡象圖景的、以強調語言與命題的真理符合論為基礎的那種實在論，而是把科學理論理解成是通過先對世界的模擬，然后，與真實世界趨于一致的、依賴于測量語境的實在論。不同的理論模型和測量語境可以提供對世界的不同描述。但是，通過進一步的觀察或實驗，我們可以判斷哪一個模型能夠更好地與世界相一致。在這里，理論模型與世界之間的關系是一種相似關系，而不再是相符合的關系；測量結果與對象之間的關系是在特定條件下的一種境遇性關系，而不再是一種純粹的再現關系。我們把這種與量子力學的整體性特征相一致的量子實在論稱為“語境實在論”。用語境實在論的觀點取代傳統實在論的觀點，必然帶來思維方式的根本轉變。需要以整體性的語境論的思維觀取代傳統思維觀。這種思維方式的逆轉主要通過下列幾個方面體現出來：
首先，在本體論意義上，用普遍的本體論的關系論（global-ontological relationalism）的觀點取代傳統的本體論的原子論（ontological atomism）的觀點。承認關系屬性或傾向性屬性的存在，承認概率的實在性，承認世界中的實體、屬性與關系之間的整體性。傳統的原子本體論總是把世界理解成是由可以進行任意分割的部分所組成，整體等于部分之和，牛頓力學是這種本體論的一個典型范例；關系本體論則把世界理解成是一個不可分割的整體，整體大于部分之和，量子力學是這種本體論的一個典型范例。與原子本體論中認為實體可以獨立地擁有自身的屬性所不同，在關系本體論中，實體及其屬性總是在一定的關系中體現出來。這里存在著兩層關系：一層是實體之間的內在關系屬性；另一層是實體固有屬性表現的外在關系條件。前者具有潛存性，后者為潛存性向現實性的轉變創造了有利條件。 其次，在認識論意義上，用理論模型的隱喻論的觀點取論模型的鏡象論的觀點。傳統的模型鏡象論觀點把理論理解成是命題的集合，命題與概念的指稱和意義是由對象決定的，它們的集合構成了對對象的完備描述；而模型隱喻論的觀點雖然也認為理論能夠以命題的形式表示出來，但是，理論不是命題的集合，而是包含有模仿世界的內在機理的模型集合。理論與世界之間的關系不是傳統的相符合關系，而是在一定的語境中，理論描述的可能世界與真實世界之間以相似為基礎的一致性關系。理論系統的模型與真實系統之間的相似程度決定理論的逼真性。這樣，真理不再是命題與世界之間的符合，而是成為理論的逼真性的一種極限情況。或者說，當理論所描述的可能世界與真實世界相一致的時候，理論的真理才能出現。這是對基本的認識論概念的倒轉：傳統的逼真性理論是用命題或命題集合的真理作為基本單元，來衡量理論距真理的距離，即理論的逼真度；而現在正好反過來，是通過對逼真性概念的理解來達到對真理的理解。
第三，在方法論意義上，用語義學方法取代傳統的認識論方法。在傳統的認識論方法中，是用命題的真理或圖象與世界之間的逼真度的術語來表達科學實在論的一般論點。然而，這種方法使我們從開始就需要清楚地辨別對一些解釋性描述的理解。例如，在相同的研究領域內，我們為什么能夠說，一個理論比與它相競爭的另一個理論更逼近真理或更遠離真理？對于諸如此類的問題，如果沒有一個明確的和可辯護的回答方式，那么，逼真性概念要么是空洞的；要么就是不一致的。結果，對理論的逼真性的論證反而成為對“認識的謬誤（epistemic fallacy）”的證明，并在某程度上支持了認識論的懷疑論觀點。但是，如果我們在語義學的語境中，通過對逼真性概念的分析與辯護，然后，衍生出理論的真理，對上述問題的理解方式將不會陷入如此的認識論困境。并且從認識論的懷疑論也不會推論出語義學的懷疑論。
第四，在經驗的意義上，用現象生成論的測量觀取代現象再現論的測量觀。所謂現象再現論的測量觀是指，把物理測量結果理解成是對對象固有屬性的一種再現，測量儀器的使用不會對對象屬性的揭示產生實質性的干擾，它扮演著一個單純意義上的工具角色。理論術語能夠對這些觀察證據進行精確的表述。觀察證據的這種純粹客觀性成為建構與判別理論的邏輯起點；而現象生成論的測量觀則認為，測量是對世界的一種透視，測量結果是在對象與測量環境相互作用的過程中生成的。測量結果所表達的經驗事實，不是純粹對世界狀態的反映，因為經驗事實存在于我們的信念系統之中，而不是獨立于觀察者的意識或論述之外與世界的純粹符合，只是在特定的測量語境中的一種相對表現，是相互作用的結果。或者說，測量語境構成了對象屬性有可能被認識的必要條件。
所以，理論的逼真度與科學進步之間的聯系，應該在經驗的意義上來確立。科學進步的記錄并不是真命題的積累，而是從模型系統與真實系統之間的相似性出發，用逼真度的概念衡量科學研究綱領接近真理的程度。在這里，相似性不是一個命題，也不是兩個世界之間的一種固定不變的關系，而是依賴于語境的一個程度性的概念。它的內容將會隨著我們對世界的不斷深入的理解而發生變化。所以，科學進步不是真命題積累的問題，而是理論的成功預言與經驗事實的函數。
第五，在語義學的意義上，用整體論或依賴于語境的隱喻語言范式取代非隱喻的字面真理范式（literal-truth paradigm）。從17世紀開始，非隱喻的字面真理的范式就已經被科學家廣泛地接受為是理想的語言。其動機是期望把理論模型的言語和論證，建立在優美而簡潔的數學和幾何的基礎之上。當時的理性論者和經驗論者把科學語言當成是理想的合乎理性的語言，或者說，把科學的經驗和知識看成是人類經驗和知識的典范。這種觀點認為，所有的知識與真實世界之間的關系是根據表征知識的命題方式來討論的，科學語言與概念的意義由它所表征的世界來確定，它們不僅在本質上具有固有的字義，而且語言本身的字面意義就是使用詞語的標準。語言的意義不僅與語言的用法無關，而被認為是客觀地對應于世界的各個方面。科學的話語總是關于自然界的現象、內在結構和原因的話語。
然而，在整體論的隱喻語言范式中，理論所討論的是由科學共同體提出的關于世界的因果結構的信念，知識與真實世界之間的關系是根據可能世界與真實世界之間的相似關系來討論的。在這里，兩個世界之間的相似程度的提高是它們共有屬性的函數。在隱喻的意義上，語言與概念的意義是極其模糊的和語境化的，隱喻的表達通常并不直接對應于世界中的實體或事件：即，按照字面的意義理解隱喻的陳述常常是錯誤的。例如，在理解量子測量現象時，實驗已經證明，或者強調使用粒子語言，或者強調波動語言都是失敗的。這也是玻爾的互補性原理在量子力學的時期歲月里容易被人們所接受的高明之處。從本文的觀點來看，關于微觀世界的粒子圖象或波動圖象只不過是傳統思維慣性的一種最顯著的表現而已。事實上，這兩種圖象都只是一種隱喻意義上的圖象，而不代表微觀世界的真實圖象。隱喻與其它非字面的言詞是依賴于語境的。正如后期維特根斯所言，語言與概念的意義依賴于活動，使用一個符號的充分必要條件必須包括對活動的描述。
在這種整體論的思維方式的基礎上，我們可以把語境實在論的主要觀點，總結為下列六個基本原理：
本體論原理：在物理測量的過程中，物理學家所觀察到的現象是由不可能被直接觀察到的過程因果性地引起的。這些不可能被直接觀察到的過程是獨立于人心而自在自為地存在著的。
方法論原理：對一個真實過程的理論模型的建構，是對不可能被觀察到的真實世界的機理和結構的模擬。對于真實世界而言，它在現象學意義上的表現與它的內在結構或機理在定性的意義上具有一致性。即，理論模型具有經驗的適當性。
認識論原理：理論描述的可能世界與真實世界只具有的相似性，它們之間的相似程度是它們具有的共同特性的函數。這些共性是在實驗與測量語境中找到的。
語義學原理：在一定的語境中，理論模型與真實系統之間的相似關系決定理論的逼真性。在理想的情況下，真理是理論描述的可能世界逼近真實世界的一種極限。
價值論原理：科學理論的建構在最終意義上總要受到實驗證據的制約，科學理論的發展總是向著越來越接近真實世界機理的方向發展的。
倫理學原理：包括人類在內的自然界具有不可分割的整體性，關于人類行為的評價標準應該建立在人與自然的整體性關系上。
4．科學進步的語境生成論模式
探討科學進步的模式問題一直是科學哲學研究中的重大理論問題之一。不同的學派提出了不同的觀點。邏輯實證主義者繼承了自培根以來的哲學傳統，認為科學的發展在于對經驗證實的真命題的積累。理論所包括的真命題越多，它就越逼近真理。波普爾把理論逼近真理的這種性質稱為“逼真性”，逼真性的程度稱為“逼真度”。他認為，理論是真內容與假內容的統一，理論的逼真度等于理論中的真內容與假內容之差。而真內容由理論中那些得到經驗確認的真命題所組成。真命題越多，理論的逼真度就越高。在所有這些觀點中，逼真性的主要特性是用命題與事實的符合作為近似真理的基本單元。換言之，是用命題真理的術語來理解理論的逼真性。在這里“符合”沒有程度上的差別；逼真性與真理之間的關系是部分與整體之間的關系。這種“符合”或“與事實相符”包含著四個方面的關系：其一，句子的主語與謂詞之間處于相互聯系的狀態；其二，事態（the state of affairs）與主語之間的指稱關系；其三，謂詞表達與被選擇的事態之間的指稱關系；其四，說話者所選擇的對象與事態之間的相適合關系。[1]
然而，這種以真命題的多少來衡量理論的逼真度的方法，似乎沒有辦法回答諸如下面的那些問題：如果一個理論最后被證明是與事實不相符，那么，這個理論怎么可能接近真理呢？比如說，在當前的情況下，量子場論還是一個不成熟的理論，它在未來一定會被加以修改，那么，我們能夠說，量子場論不如牛頓力學與事實更相符嗎？此外，“符合事實”這個概念也會遇到同樣的問題：如果某個理論根本就是錯誤的，我們又怎能說，它與事實符合的更好或更糟呢？也許有些在表面上曾經顯示出具有某種逼真性的理論，實際上，它卻在根本意義上就是錯的。例如，化學中的“燃素說”、物理學中的“地心說”，等等，這些理論都曾經在科學家的實際工作中，起到過積極的作用。但是，后來的發展證明，它們都是錯誤的假說。另一方面，這種方法還無法解釋為什么在前后相繼的理論中使用的同一個概念，卻具有不同的內涵這樣的問題。例如，經典物理學中的質量概念不同于相對論力學中的質量概念；量子力學的中微觀粒子概念也比經典物理學中的粒子概念擁有更豐富的內涵。庫恩在闡述他的科學進步的范式論模式時，為了避免上述問題的出現，走向了徹底的相對主義。
如果我們用強調理論描述的物理模型與世界之間的相似性比較，取論中包含的真命題的比較來理解理論的逼真性，那么，上述問題就很容易得到解決。在特定的語境中，并存著的相互競爭的理論，分別描繪出幾個相互競爭的可能世界，這些可能世界與真實世界之間的相似程度決定理論的逼真性。逼真度越高的理論，將會越客觀、越接近于真理。真理是理論的逼真度等于1時的一種極限情況。例如，牛頓力學比伽里略的力學更接近真理的真正理由是，因為牛頓物理學所描繪的世界模型比伽里略物理學所描繪的世界模型與真實世界更相似。而不應該把這個結論替換成是，在每一個方法中通過真命題的計數來使它們與精確地說明真實世界的真命題的總數進行比較后作出的選擇。前后相繼的理論中所使用的共同概念的意義也是依賴于可能世界的。不同層次的可能世界雖然賦予同一個概念以不同的內涵。但是，由于更深層的可能世界更接近真實世界的內在結構，所以，對為什么同一個概念會有不同內涵的問題就容易理解了。
我們把由理論描繪的可能世界逼近真實世界的過程，以及前后相繼的理論之間的更替關系總結為：
前語境階段——語境確立階段——語境擴張階段——語境轉換階段
——新的語境確立階段……
在科學進步的這個模式中，前語境階段是指，當科學進入一個新的研究領域時，面對不可能被舊理論所解釋的有限數量的實驗證據和存在的重要問題，科學家首先是進行大膽的創新和積極地猜測，提出可能與證據相一致的相互競爭的理論或假說。這些理論或假說分別描繪出了相互競爭的各種可能世界的圖象。這個時期，科學家在建構理論時，通過模型與現象的比較來約束他們的想象。或者說，他們的富有創造性的想象力是一種意向性的想象，而不是完全隨意的想象。這種意向性的信息直接來自不可能被直接觀察到的對象本身。科學家在相互競爭的理論中作出選擇時，依賴于兩個主要的歸納根據：其一，相信任何一個理論模型的建構都是為了盡可能準確地模擬真實世界的結構和機理；其二，依據模型所產生的信念能夠作為成為設計新的實驗方案的基礎，這個實驗方案的設計是為了探索世界，和檢驗模型與它所表征的世界之間的類似程度。在特定領域內和一定的歷史條件下，根據一個理論的信念所設計的實驗越新穎，在得到應用之后，越能夠證明理論的成功性。同時，理論的調整總是向著與新的實驗結果相一致的方向進行的。而新的實驗結果是由自然界中某種未知的因果機理引起的。
然而，說明的成功（explanatory success）只是理論逼近真理的一個象征或一個結果，或者說，說明的成功只是理論逼近真理的一個必要條件。凡是逼真的理論都必定能夠對實驗現象作出成功的說明。但是，并不是每一個擁有成功說明的理論都是逼真的理論。在理論的說明中，理論的逼真性與不斷增加的成功之間的聯系應該是一個認識論問題，而不是一個語義學問題。一個完整的科學理論從產生到成熟通常要經過三個階段：其一，對現象的描述階段，這個階段得到了在經驗上恰當的模型。例如，在量子力學之前，玻爾等人提出的各種原子模型；第二個階段是建立一個理論的說明模型。例如，現有的量子力學的數學形式體系。第三個階段是為成功的說明模型尋找一種可理解的機理，或者說，對說明模型提供語義學的基礎。相對于一個成熟的科學理論而言，現象——模型——機理三者之間的相互關系具有內在的不可分割的整體性。這也就是為什么原子物理學家在理解量子力學的內在機理的問題上沒有達成共識時，產生了量子力學的解釋問題的原因所在。
在這里，我們所說的模型是指物理模型而不是僅僅指數學模型。物理模型除了包括數學模型之外，還包括理解世界的構成機理的模型。物理模型是為數學模型提供一個語義學基礎。例如，分子運動論模型是解釋壓強公式的語義學基礎；場的觀點是理解引力理論的語義學基礎。所以，物理學中的模型是指真實物理系統的替代物，它既具有解釋的作用，也能夠把抽象的數學系統翻譯為一個可理解的論述。正是在這個意義上，物理學模型是指一個模型簇。由這些模型簇所描繪的可能世界的結構與真實世界的結構之間的相似關系，在選擇理論時是很重要的。一方面，它能夠使理論在科學實踐中被不斷地修改和擴展以適應新的現象，而不是靜止的和孤立的；另一方面，它使相互競爭的理論之間的選擇在科學實踐的規則與活動之內自然地得到了求解。這時，被淘汰掉的理論并非必須要被證偽（盡管證偽也是因素之一），而是如同生物進化那樣是自然選擇的結果。
在這里，把逼真度作為選擇理論的標準，與要么強調經驗證實，要么強調經驗證偽的標準不同，它永遠是動態的和依賴于研究語境的概念。它既有助于把淘汰掉的理論中的某些合理化因素進行再語境化，也能夠確保科學描述和與此相關的實驗技巧與獨立于人心的世界之間建立起一種物理聯結，從而堅持了存在著一個不可能被觀察到的獨立于人心的世界的本體論的實在論觀點。大體上，衡量可能世界與真實世界之間的結構或機理的相似程度可以通過它們之間的共有屬性（或共同特征）來進行。如果用S（A ，B）表示兩個世界之間的基本特征的相似關系，用 A∩B表示共有屬性，A – B和 B - A表示它們之間的差異，那么，在定性的意義上，這些量之間的關系可以定性地表示為：[1]
S（A ，B）= C1F（A∩B）- C2F（A - B）- C3F（B - A）
這個公式說明，兩個世界之間的相似關系是它們的共性與差異的函數。當C1遠遠大于C2和C3時，兩個系統之間的共性將比差異處于更重要的支配地位。其中，三個系數C1、C2和C3 的值是通過實驗來確定的。這樣，我們就有可能在經驗的意義上來研究相似關系。在經驗的意義上，如果相互競爭的理論中的某個理論的描述和說明模型能夠完全依據當前的實驗結果和本體論概念被加以校準，那么，我們就可以認為，這個理論是似真的（plausible）。理論越擬真，它就越逼真。
在一個特定的語境中，當一個理論的說明與理解模型能夠完全經得起經驗的考驗時，科學共同體將認為理論描繪的可能世界與真實世界之間達到了某種一致性。這時，科學的發展進入了語境確立的階段。這個階段相當于庫恩的常規科學時期或范式形成時期。這時，科學家不僅擁有共同的信念和共同的語言，而且擁有對真實世界的共同圖象。他們相信，理論描繪的可能世界代表了真實世界的內在機理；理論描繪的圖象就是不可觀察的真實世界的圖象。為了進一步探索真實世界的精細結構，科學家常常會根據現有理論提供的信念和約定，設計新的實驗規劃，預言新的實驗現象，特別是運用成熟理論中的理論實體進行實驗操作，從而形成了一個相對穩定的語境階段。但是，這個相對穩定的語境邊界是非常不確定的。
當科學家把成熟理論所揭示的世界機理作為一個范式和信念的基礎，延伸推廣到解釋其它相關領域的現象時，科學的發展進入到語境的擴張階段。其中，既包括理論研究的信念與方法的擴張，也包括以它的基本原理為基礎的技術與實驗的擴張。例如，在牛頓理論確立之后，不論是物理學還是化學家，他們都用牛頓力學的基本思想解釋他們所面臨的其它領域內的新的實驗現象，并且成功地制造出了許多測量儀器；同樣，現代技術的崛起和分子生物學、量子化學等學科的產生都是量子力學的基本原理成功應用的結果。所以，語境擴張的過程實際上是已有語境膨脹的過程。當科學共同體在語境擴張的過程中，遇到了與理論信念相矛盾的而且是他們料想不到的實驗事實時，他們才有可能開始對理論的信念產生懷疑，這時，理論的應用邊界，或者說，語境擴張的邊界逐漸地變得明確起來，科學的發展開始進入語境轉換階段。在這個階段，舊語境的擴張受到了限制，新的語境處于形成與培育當中。新的理論競爭也就隨之開始了。隨著新理論競爭的開始，科學共同體的信念也在不斷地發生著改變，直到一個全新的語境形成為止。
當新的語境確立之后，不僅科學家確立了新的信念，而且他們對問題的求解值域也隨之發生了改變。這時，原來前語境中的一些不合理的偏見，在新語境中得到了糾正。在前語境中是真理的理論，在后語境中失去了它的真理性。后語境的形成是伴隨著新理論的確立而完成的。由于新語境比舊語境揭示出了更深層次的世界結構或機理。所以，它在理論信念、方法和技術層次的擴張與滲透力將會比舊語境更強、更徹底。這也就是，為什么量子力學的產生所帶來的理論、方法與技術革命會比牛頓力學更深刻、更廣泛的原因所在。但是，前后語境之間的界線是連續的。這時，就像新理論是對舊理論的一種超越一樣，新語境也是對舊語境的一種超越。由于語境的變遷和運動是不斷地向著揭示世界的真實機理的方向發展的。因此，在語境中生成的理論也使得科學的發展與進步向著不斷地逼近真理的方向進行。本文把科學發展的這種模式稱為“語境生成論模式”。
這里包括兩個層次的生成，其一，理論的形成與完善是在特定的語境中進行的；其二，科學進步也是在語境的變更中完成的。但是，值得注意的是，強調語境化并不意味著使科學進步成為無規則的游戲。把理論系統放置于特定的語境當中，強調了系統的開放性和連續性。在這個意義上，語境論的事實也是一種客觀事實。運用語境論的隱喻思考與模型化方法，不僅能夠使科學進步過程中的微觀的邏輯結構與宏觀的歷史背景有機地結合起來，而且能夠使基本的內在邏輯的東西在歷史的發展中內化到新的語境當中，從而使得語境在自然更替的同時，一方面，完成了理論知識的積累與繼承的任務；另一方面，揭示出更深層次的世界機理。所以，語境生成論的科學進步模式既不會像庫恩的范式論那樣，走向相對主義，也不會像普特南那樣，走向多元真理論。科學進步的語境生成論模式，既能夠包容相對主義的某些合理成份，又能夠堅持實在論的立場。
5．結語
從量子力學的認識論教益中抽象出的語境實在論的觀點，是一種具有更廣泛的解釋力，并且有可能把許多觀點有機地融合在一起的實在論觀點。它不僅能夠賦予量子力學以實在論的解釋，而且為解決科學實在論面臨的許多責難，理清上世紀末圍繞“索卡爾事件”所發生的一場震驚西方學壇的科學大戰，[1] 提供了一條可能的思路。法因曾經在《擲骰子游戲：愛因斯坦與量子論》一書中斷言“實在論已經死了”。[2] 然而，我們通過對量子力學與實在論的分析，在放棄了傳統的真理符合論之后，運用隱喻思考與模型化方法所得出的結論則是，“實在論還活著，而且活的很好”。
[1] D.Bohm and B.J.Hiley， The Unpided Universe: An ontological interpretation of quantum theory， Routledge and Kegan Paul， London (1993).
[1] Jeffrey Alan Barrett， The Quantum Mechanics of Minds and Worlds， Oxford University Press (1999).
[1] Jerrold L. Aronson， Rom Harré & Eileen Cornell Way， Realism Rescued: How Scientific progress of possible， Gerald Duckworth & Co.Ltd (1994): 136-137.
[1] Jerrold L. Aronson， Rom Harré & Eileen Cornell Way， Realism Rescued: How Scientific progress of possible， Gerald Duckworth & Co.Ltd (1994): 133.
第3篇：量子力學知識總結范文
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
第4篇：量子力學知識總結范文
【關鍵詞】思想實驗科學素養
利用科學發展史知識對于培養學生的科學素養具有重要的意義，如何利用科學史中的有關思想實驗史料來培養學生的科學素養是個值得研究的問題，對于思想實驗，有些老師往往只重視了思想實驗的知識功能，對于其豐富的思想內涵則較少進行挖掘，特別是它對于培養學生科學素養的意義。本文試圖對此進行探討。
1什么是思想實驗
根據中國大百科全書可知，思想實驗 （thought experiment）是一種按照實驗程序設計的并在思維中進行的特殊論證方法。它既不同于真實實驗，也有別于形式邏輯的推理。是按照假想的實驗手段和步驟，進行思維推理，得出合乎邏輯的結果。在物理學發展的歷史過程中伽利略、愛因斯坦等許多科學大師都曾經借助思想實驗延伸其理論的觸角。
從科學思想實驗發展的歷史，我們可以看到思想實驗主要特點。
1.1 可操作性。思想實驗不是實際進行的實驗，但是它是按照實驗的格式展開的，是可操作的。
1.2 嚴密的邏輯性。思想實驗的操作過程，既是想象自由展開的過程，又是邏輯運動的過程。在這中間，邏輯起著主導作用，它引導、控制著想象，保證想象既是豐富的．又不是胡思亂想。
1.3 高度的創造性。科學家做思想實驗的目的，是為了揭示事物內部的規律性。因此其探索是前無先例的，帶有高度的創造性。
2什么是科學素養
科學素養（scientific literacy）概念的形成與發展經歷了長期的演進過程，并且隨著科學技術的發展和變革，概念的含義也將不斷變化。本文采用以下觀點。科學素養的基本要素包括以下幾個方面。
一是科學知識與技能，是人們在科學實踐中獲得的關于客觀世界的各種事物的本質及規律性的認識程度和實際操作本領。
二是科學方法與能力，是人們在認識和改造客觀世界的實踐中總結出來的，并能在實踐中正確運用的思維和行為方式，以及把握事物本質的策略與熟練程度。
三是科學行為與習慣。科學習慣是長期積累和科學行為的定型。
四是科學精神、態度與價值觀。科學精神是指人所具有的科學的意識、思維活動和一般心理狀態，其中以推動并指引一個人采取決定和行動的科學的原則、信念和標準組成的科學價值觀為核心。科學態度則指個體在科學價值觀的支配下，對某一對象所持的評論和行為傾向。
我國在制定中學"科學"標準時，認為科學素養還應該涉及科學、技術與社會的關系方面。這些都是科學素養所包含的重要內容。
3利用思想實驗培養學生的科學素養的途徑
思想實驗可以對所研究的過程設想出真實實驗暫時不可能或原則上不可能達到的實驗條件，進行邏輯論證。在這個過程中，不僅包含有豐富的科學知識與技能，體現了物理學研究事物的方式與方法，而且也蘊含著人類認識事物，研究事物時所伴隨的豐富的科學精神和人文精神。這些對于提高學生的科學素養都是具有重要意義的，都是值得挖掘與充分利用的。
3.1 挖掘科學史中思想實驗提高學生科學素養
伽利略是第一位思想實驗大師，他重視實驗對理論的檢驗作用，但由于外部環境的惡劣、實驗條件的簡陋以及哲學思想的影響，因此思想實驗是一個常用的方法，并依此獲得許多重要的發現與結論。
重力作用下的落體運動在伽利略的力學中占據著中心位置，他在關于落體運動的討論中仍然運用了他早先提出的"落體佯謬"，對亞里士多德的落體定律提出詰難，然后逐步顯示出他的研究的全部豐富內容，在這個思想實驗中，他已把早先所說的密度相同而大小不同的物體改變成重量不同的物體。對話是這樣進行的：
"如果讓兩塊石頭（其中之一的重量十倍于另一塊的重量）同時從比如說100腕尺高處落下，那么這兩塊石頭下落的速率便會不同，那較重的石塊落到地面時，另一塊石頭只不過下落了10腕尺。"
"如果我們取天然速率不同的兩個物體，顯而易見，如果把那兩個物體連接在一起，速率較大的那個物體將會因受到速率較小物體的影響其速率要減慢一些，而速率較小的物體將因受到速率較大的物體的影響其速率要快一些。……但是，如果這是對的話，并假定一塊大石頭以8的速率運動，而一塊較小的石塊以4的速率運動，那么把二者連在一起，這兩塊石頭將以小于8的速率運動；但兩塊連在一起的石頭當然比先前以8的速率運動的更重。可見，較重的物體反而比較輕的物體運動的慢，而這個效應同你的設想是相反的。"
這個佯謬不僅揭示了亞里士多德理論的破綻和邏輯混亂，同時也表明了，運用這種思想實驗的推理法，比起永遠可能被人挑剔的真實實驗，有時會更有說服力的一個包含著錯誤的理論。
在這個過程中，不僅說明了重力作用下的落體運動規律，而且體現了物理學研究問題的方法，如認真觀察現象，提出要研究的問題，并對問題提出猜想與假設，然后進行論證。更蘊含了豐富的科學精神與科學態度，對于前人的觀點不是盲目的接受，而是具有懷疑精神，敢于提出問題，實事求是地面對科學并勇于堅持。這些都是科學素養的范疇，因此，從物理學的重大發現中吸取營養，對提高學生的科學素養是大有裨益的。
3.2利用物理學方法中的思想實驗提高學生科學素養
如果所設想的條件是完全理想化的，如絕對真空、絕對光滑等，在這種條件下所進行的論證稱為理想實驗法，它是思想實驗的一種重要形式。
這一部分在中學的物理教學中涉及的知識很多。如牛頓運動定律等。真正代表近代科學方法論精神的伽利略與牛頓。伽利略最先倡導并實踐了實驗加數學的方法，但是他所謂的實驗并不是培根意義上的觀察實驗，而是理想化實驗。地球上的任何力學實驗都不能避免摩擦力的影響，但是認識基本的力學規律，又要從觀念上排除這種摩擦力，這就需要全新的概念體系來支撐將做得實驗，包括設計、實施和解釋實驗結果，只有這種理想化的實驗才可能與數學處理相配套。伽利略的研究程序可以分為三個階段：直觀分解、數學演繹、實驗證明。牛頓在吸收前人經驗的基礎上做了進一步完善，牛頓的方法可以稱之為"歸納-演繹"法，并且認為演繹的結果必須重新訴諸實驗確證。牛頓運動定律就是這些過程的直接結果。
牛頓運動定律不僅內容上說明了自然界的重要定律，他的研究方法、研究思想同樣也具有重要的價值。它是以觀察和實驗中了解到的資料作為出發點，把自然現象合理簡化并建立起恰當的物理模型；運用思想實驗，即在絕對簡化理想條件下，運用思維中的邏輯演繹推理導出某種科學結論，再去接受科學實踐的檢驗的過程。
從這個研究的過程本身我們可以發現其中不僅包括科學知識，而且還涉及一種比較完善的物理學的研究方法，這對后人進行進一步的研究具有重要的借鑒意義。發現過程本身也暗含了牛頓對于科學的濃厚興趣和科學探究的整個過程。這些都是培養科學素養的重要素材，應該給予充分利用。
3.3利用現代物理學研究中的思想實驗部分提高學生科學素養
新課程強調科學與社會，技術的聯系，必須看到，現代科技已經逐漸滲透到了我們生活的方方面面，因此需要學生對于現代物理學有些初步的認識。如中學物理課本加入了關于愛因斯坦的相對論和一些量子力學的簡單介紹。但是現代物理學的研究，無論在微觀還是宏觀上越來越多地進入了不能完全直接靠實驗證實或證偽的領域。相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，其中都包含有豐富思想實驗的部分。
1961年諾貝爾物理學獎獲得者美國物理學家霍夫斯塔斯曾說過："我相信任何一個喜歡自然的人都應該學習量子力學，并不是他的數學而是他的思想"。進入21世紀，無論是中學生或者是全體公民都應該不同程度的知道一點什么是量子力學，量子力學的基本概念，基本思想，量子力學有什么作用，已經起到了什么作用，這些都是很必要的。
使學生能了解科學與技術的區別與聯系，初步認識科學推動技術進步、技術又促進科學發展的相互關系，初步認識社會需求是科學技術發展的強大動力等科學、技術與社會的關系。同時能使學生增長見識，激起學生的好奇心，培養科學精神。這也是培養學生科學素養的一個重要方面。
4進行思想實驗教學時的注意事項
4．1 處理好思想實驗與真實實驗的關系
思想實驗是一種理性的思維活動。但不是脫離實際的主觀臆想，而是以實踐為基礎．按照實驗的格式操作展開，對實際過程做出更深入一層的抽象分析，其推理過程是以一定的邏輯法則為根據的。而這些邏輯法則，都是從長期的社會實踐中總結出來且為實踐所證實了的。
思想實驗和真實實驗又是緊密聯系和互補的。科學中的理論、規律是從大量實驗事實中總結概括出來的，科學中的假設、爭論也有賴于真實實驗的驗證。
有時兩者往往密不可分地穿插在一起，真實實驗為思想實驗提供經驗材料，思想實驗對經驗材料進行理性加工，并為真實實驗提供理論指導。從伽利略發現落體定律和慣性定律的活動中，可以明顯地看到這一點。
4．2不能忽略物理學史中被證實為錯誤的思想實驗
在科學研究中，通過再多的科學實驗都不能完全證實一個理論，這是歸納法的本質所決定的，但是一個否定例證就足以證偽一個理論。在物理學的思想實驗中，有的已被否定，但不能因此就貶低它的作用，那些被證偽的思想實驗往往是一個新理論產生的重要基石，如伽利略在給出著名的"落體佯謬"的最初說法時，他所說的是同樣材料而不同大小的物體，并非指所有的物體，其前提是錯誤的，結論也是有局限性的，但是他的過程本身是非常有意義的，為他后來得出普遍的結論提供了重要的基礎。這些過程都是需要進一步挖掘的，這樣才能讓學生明白科學研究的真實過程，對于培養學生的科學素養是具有豐富的教育意義的。
4．3 思想實驗是一種相對獨立的科學方法
在科學研究中，思想實驗能夠成為一種不替代的科學方法，是由于思想實驗以其科學思維的嚴密性、精確性補充了真實實驗的不足。比如，驗證廣義相對論的某些實驗條件，或者某些條件在任何時代都不能被滿足，比如，驗證牛頓第一定律所需要的無摩擦力的平面。但是，這些條件在邏輯上是可以實現的，這樣，人們可以避開實際的技術困難。在思維中把這些條件制作出來，或者對現在條件進行理想化抽象，在想象中實現這些條件。進而在頭腦中展開類似于真實實驗的"仿真"過程，推斷被研究事物的內部規律。
必須看到，思想實驗中包含有豐富的思想內涵，有利于進行積極的科學文化教育，而且思想實驗作為一種科學方法將在更廣闊的領域中應用。
參考文獻
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第5篇：量子力學知識總結范文
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。
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Exploration on Introduction to Quantum Computational Intelligence
LI Yangyang, SHANG Ronghua, JIAO Licheng
(School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)
第6篇：量子力學知識總結范文
關鍵詞：科學活動觀；結構化學；課程教學
一、問題的提出
“結構化學”是高等院校化學專業的主干基礎課程。它從微觀視角闡明原子、分子和晶體的結構、性能和應用，主要包括量子力學基本原理及其在原子與分子體系中的應用和原子、分子與晶體結構的實驗表征兩大部分。后者又可根據被表征物質的形態及理論基礎的不同，劃分為譜學和晶體學兩個不同體系[1]。
由于“結構化學”課程涉及面廣、內容抽象、理論性強，要求學生具備較強的空間思維能力，嚴密的邏輯推理能力和扎實的數理功底；同時由于“結構化學”通常不作為考研基礎科目，因此許多教師對教學有效性缺乏足夠重視，大量采用灌輸式教學或簡化教學內容。這樣看似在短時間內完成了課程內容的教學，但實際上產生了諸多問題，這些問題恰恰制約著課程目標的達成。
（1）學生難以形成對知識的整體性認識。教師將結構化學知識作為一種結果和定論傳授給學生，從表面上看，學生能夠機械記憶基本知識，能進行簡單的運用和拓展。但由于沒有經歷和體驗知識獲得的過程，無法從本質上、整體上理解結構化學的知識體系的來龍去脈、因果關系。
（2）學生關于理論與計算化學的學習和研究能力非常欠缺。由于結構化學涉及許多微觀物質的結構和抽象的概念，如果沒有科學的方法支撐去解決問題、發現規律，學生難以理解理論與計算化學的核心觀念并運用理論與計算化學的核心方法。
（3）學生的情感體驗不足。由于結構化學本身具備較高的難度，學生容易產生抵觸、焦慮等一系列不良情緒。僅僅將知識作為一種工具和經驗傳授給學生，他們將無法體驗和感受在知識形成中的愉悅感和合作、會話、交流的過程，進而難以得到需要的滿足和被尊重、被接納的情感體驗。
基于以上“結構化學”教學的問題，有必要探索、建立新的教學觀念以改革“結構化學”課程教學。由于科學知識從本源來講恰恰是在科學活動中產生的，因此將“結構化學”的教學活動和科學活動做適當的融合，通過深入探索化學科學活動的基本特點和形式，研究科學活動與“結構化學”教學的相互關系，進而探索以科學活動為中心的“結構化學”課程教學途徑，不失為一種恰如其分的改革視角。
二、科學活動觀——“結構化學”課程教學的新理念
人們對科學本質的認識是一個不斷深化的過程。從動態的和生成性的觀點看，科學作為“系統化的實證知識”的觀點引起了人們高度反思。有人認為科學的本質是獲得知識的活動，例如，保加利亞學者T. H. 伏爾科夫曾提到，科學的本質，不在于已經認識的真理，而在于探索真理；科學本身不是知識，而是產生知識的社會活動，是一種科學生產[2]。我國學者劉大椿曾將科學更多地看成是活動的過程，指出科學是人類特有的活動形式，是人類特定的社會活動成果；雖離不開獨特的物質手段，但本質上是精神的、智力的活動[3]。這種以動態的角度認識科學本質的思想，能夠使人們對科學的理解更加豐富、深刻和全面。
對科學本質的理解，決定著科學教育實踐價值取向。以科學活動觀指導“結構化學”課程改革，對于提高教學質量，讓學生建立自己的“結構化學”乃至整個化學一級學科的知識框架體系，培養學生終身學習、自主學習的能力，引導學生掌握分子模擬研究的初步技能，有著顯著的優勢。
（1）科學活動觀視角下的“結構化學”教學是為科學知識的獲得服務的。學生獲得的系統性的、基礎性的結構化學知識大多是結構化學已有的成果，是科學家多年來積累的理論與計算化學的經驗、概念、理論、技能和方法。將知識的獲得過程還原于科學活動，符合結構化學教學活動和科學活動在知識形成過程中的本質共同性，有利于學生建立并鞏固系統的結構化學知識體系。
（2）科學活動觀視角下的“結構化學”教學為學生能力的培養帶來了良機。體驗結構化學研究過程、掌握結構化學研究方法，對學生走入結構化學研究、形成理論與計算化學的研究能力并進而發展對整個化學一級學科的研究能力都有著重要的意義。學生在以科學活動為背景的學習中感受科學研究的全過程，習得科學研究方法，感受科研的意義和價值，在獲得結構化學知識的同時形成與提高科研能力。
（3）科學活動觀視角下的“結構化學”教學給予學生體驗科研情感的平臺。科學活動創造了真實的結構化學科研情境，而科學情感等隱性目標都是在情境中通過感悟獲得的。學生在對結構化學問題的研究過程中提高學習興趣、產生學習熱情、發揚團隊精神，這就有效解決了因知識灌輸式教學而帶來的學生情感體驗不足的問題。
三、“結構化學”課程教學——“知識學習與能力培養”并重
1.以挑戰性問題為學習驅動，構建“結構化學”學習活動
基于挑戰性問題的探究式教學方法是為了設計合理的科學活動、有效實施“結構化學”教學而設計的。所謂的挑戰性問題是指教師提出的一些與教學內容相關的、具有探索意義和探究價值的問題，供學生小組根據自己的興趣和思維特點進行選擇，以此作為科學活動的一個驅動性引導。在學習過程中，學生通過查找資料、相互討論、動手實踐等多種形式，采用合理的結構化學研究方法對這個問題進行深入研究，完成研究報告。
在“量子力學基本原理及其在平動、振動、轉動、原子與分子軌道理論中的應用”模塊的教學過程中，教師選擇了從簡單到復雜的系列自主學習內容，組織學生開展了以挑戰性問題為驅動的自主研究性學習。
例如，教師在過去的教學過程中發現，學生對類氫原子結構的球諧波函數和徑向波函數的圖像理解有難度，不清楚圖像的來源和圖像節點的性質。為此，教師向學生介紹matlab軟件，并提出挑戰性問題：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。并根據這個問題，分別提出了一套由簡入深的系列問題：（1）利用matlab 軟件將諧振子振動波函數數字圖形化，并與教材上的圖形進行對比分析，以此為例說明表層理解信息（naming something）和深層理解信息（knowing something）的區別。（2）利用matlab軟件將粒子圍繞球面轉動的球諧波函數Y及其|Y|2數字圖形化。（3）利用matlab軟件將類氫原子的徑向函數、徑向分布函數、原子軌道（徑向函數R與球諧函數Y之積）數字圖形化并討論其節點問題。（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近似解）數字圖形化并討論其節點與成鍵與反鍵性質。（5）設計一個程序將矩陣對角化，為共軛體系的休克爾經驗分子軌道理論的近似解提供一套矩陣算法（HC=SCE在休克爾近似下變為HC=CE），并重點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轉化為近似求解體系能量函數（嘗試波函數的線性組合系數為變量）的條件極值問題。
該系列挑戰性問題由若干不同難度的小問題組成，根據學生的認知特點和水平逐漸提高，既防止問題太寬泛而無從下手，又逐漸向學生發出挑戰以激發學生求知欲。另外，該問題的解決方法不固定，解答結果也不唯一。它允許學生運用不同的方法來解決問題，并且將分子模擬技術融入理論課程之中，通過體驗編寫程序的過程，獲得結構化學研究的思路，深化對理論知識的理解和掌握。在學習過程中，教師作為學生學習的主導者，對學生學習過程進行觀察、把握和調配，當學生學習出現困難時，提供必要的指導和點撥。
學生通過分工合作、查找資料、熟悉軟件、編寫程序、運行程序、優化程序，逐漸解決了每一個子問題。在這個過程中，學生在原有知識經驗基礎上主動構建對知識的理解，充分將知識內化為自己的認知。比如對球諧函數圖像的認識，不再是機械地“記憶”每一個函數對應的圖像，而是充分理解其本質，將原理融入圖像的繪制過程，整體把握“數-形”關系，在理解的層面上深刻記憶圖像的性質和形狀。不僅如此，學生在學習過程中熟悉了結構化學學習與研究的基本方法，充分將結構化學的理論知識與分子模擬實踐相結合，體驗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，有學生通過自己繪制一維諧振子振動波函數示意圖，發現了教材附圖中的一處印刷錯誤[4]。
科學的發展是建立在繼承前人的研究結果，并在科學實踐過程中不斷地對已有認識形成批判而發展的。例如，原子結構理論模型正是一代又一代科學家在繼承、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。這種科學精神和科學意識的形成必須依賴于科學活動。如果僅僅是讀書、聆聽教師的講授，思維往往會被局限，實證意識往往會變得淡漠；相反，學生通過審慎地思考、縝密地分析、嚴謹的踐行，不僅能夠讓學生認識到科學的學習不能唯書唯上，還需自己親歷躬行。
2.以知識框架圖為學習工具，建立“結構化學”學科網絡
要具備良好的理論與計算化學的學習與研究能力，必須具備系統化的結構化學基礎知識和基本技能，從整體上、宏觀上駕馭整個學科體系。學生需要將自己在科學活動中所獲得的知識與經驗加以總結、提煉與提升，構建自己的知識網絡。在以教師講授為主的“結構化學”教學過程中，這一點做得很不夠，不是忽視知識的系統化處理過程，就是將教師自我頭腦中已經構建好的體系直接傳遞給學生，供學生直接借鑒、吸取，而缺乏探索和整理的過程，缺失個性。
在“結構化學”的課程教學過程中，通過學生自主根據自己的知識理解狀況繪制知識框架圖（Schema），以圖形而非文字的形式將結構化學知識加以梳理。在具體的實施過程中，教師要求學生將結構化學知識進行梳理、歸類，根據具體的內容繪制相應的知識框架圖，不僅僅要全面涵蓋該內容內所有的知識點，同時要呈現出各知識點之間的邏輯關系，清晰地表明知識的結構屬性和形成方式，使知識逐漸從“點”向“線、面”過渡。學生在繪制知識框架圖的時候，不需要根據課本上的章節順序來設計，也沒有固定的思路，更希望學生能夠呈現出自己對知識結構的理解。
以量子力學基本原理一章為例，學生繪制了該章的知識框架圖，展現出了量子力學基本原理所包括五方面內容。這種教學方式不僅有助于幫助學生梳理結構化學知識的來龍去脈，建立科學的結構化學知識體系，形成全面的關于結構化學基本學科邏輯結構和基本學習與研究思路的認識；更有助于學生反思科學研究活動過程和結果，總結開展科學學習與研究的視角和途徑，探索有待進一步學習和研究的盲點和解決策略，最終建立起清晰的化學學科體系框架，并在具體知識基礎上形成化學觀念。
3.以多種形式呈現學習結果，提升能力同時以評促學
所謂“研而不發則囿”，在科學活動中，通過書面報告（論文）和口頭匯報（學術報告）等形式，科學生動地、多樣化地展示科學活動成果，是科學工作者必須具備的能力和素質。學生在實踐中解決了挑戰性問題，繪制了知識框架圖之后，需要完成關于學習與研究過程與結果的書面報告，同時在課堂中將自己的學習與研究過程與結果通過口頭匯報的形式向教師和同學展示。這樣能夠讓教師了解學生的學習研究過程，讓同學學習與借鑒研究方法和研究結果，同時也能夠接受教師與同學的批評指正，認識到自己的研究不足之處，為今后開展深入的結構化學學習與研究工作啟迪思維、創設條件、打好基礎。
利用書面報告和口頭匯報等形式表達學習和研究過程與結果，在提高學生的基本科學研究素養的同時，也有助于從過程的角度、從個性化的角度、從個人全面發展的角度來開展并落實過程評價、全員評價，將過程評價與終結性評價相結合。傳統的以平時成績和期末考試成績為唯一評價指標的評價方式，過多地局限于知識點的掌握，卻不能很好地考查學生的個性化學習能力和學習方式，更難以評價學生的科學研究基本素養。利用書面報告和口頭匯報則有效地彌補了單一評價方式的不足之處，最終達到以評促學的根本目的。這種以多個評價者從多個角度對學習者進行評價的機制，關注學習者學習過程中所表現出來的各方面能力和素質而并非簡單的學習結果，有效促進了學習者學習的積極性，體現了過程評價與終結性評價相結合的現代教育評價理念。
通過“活動-提煉-總結”方式的“結構化學”課程學習，學生能夠在科學活動中找到自己的長處，發現自己的潛能，體驗到相互合作的樂趣以及自己的想法被他人肯定和接納時的成功愉悅感。學生在自主學習過程中收獲的不僅僅是知識和能力，還有對自我的肯定，對他人的贊許，以及對學習、對科學研究的積極態度。同時，最難能可貴的是學生的學習能力普遍得到了提高，自主學習意識明顯增強，為他們今后更好地開展分子模擬研究乃至從事化學理論與實驗相結合的研究打下了良好的基礎。
參考文獻：
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[2] 夏禹龍. 科學學基礎[M]. 北京：科學出版社，1983：45.
第7篇：量子力學知識總結范文
關鍵詞 結構化學 教學方法 教學質量 興趣
中圖分類號：G642 文獻標識碼：A
結構化學是從微觀的角度研究原子、分子和晶體結構的運動規律以及物質微觀結構與其性能關系的科學。本課程是基礎化學的后續和深化，具有知識面廣、內容抽象、理論性強等特點，要求學生具有較多的數理知識和較強的邏輯思維能力以及豐富的空間想象能力，同時還要努力擺脫宏觀現象的傳統概念的束縛。因此，在教學過程中出現了教師感覺難教，學生感覺難學的現象，那么如何激發學生學習興趣和求知欲，提高教學效果，便成為每一位教師必須研究的課題。本文就從教師的教學過程，學生的學習過程以及如何提高結構化學教學等方面進行了積極的思考和探索。
1 關于教師教學過程中的思考
1.1教材的選擇
鑒于各個高校化學及相關專業的培養方案和教學內容都有很大差別，在結構化學課程教材的選擇上，需要根據本校專業實際的特點，我們選擇了由周公度、段連運編著的《結構化學基礎》作為教材。本書更加注重介紹結構化學的基本原理，同時也反映結構化學的新成就、新進展以及作者在教學中的經驗和體會，全書系統性和連貫性較強，層次分明，講解清晰，便于教學。本教材共編10章，約60萬字，主要包括量子力學基礎知識、原子的結構和性質、各類物質的結構化學、化學鍵理論、晶體化學、研究結構的實驗方法等內容。但由于課時有限而課程的內容較多，教師只能對具有代表性的重要章節進行講解和輔導。根據我校實際和專業設置，結合學生的實際水平和往年教學實踐的體會，我們主要講解第1、2、3、5、6、7、8章，其余章節由同學們自學完成。
1.2教師應精通專業學科，具有扎實而淵博的知識
結構化學課程內容涉及面廣、內容抽象、理論性強、教學難度大，教師如果沒有過硬的專業理論水平和邏輯思維能力，是很難深刻理解并掌握結構化學的基本概念和基本理論。因此，教師應精通自己所教的專業學科，時刻學習，做一個知識淵博的教師。同時教師要備課充分，思路清晰，對知識的重、難點分析講解透徹，學會舉一反三，融會貫通。
1.3教學方法要靈活多樣
單一的教學方法是乏味的，為使整個課堂教學過程充滿情趣和活力，這就要求教師要采取靈活多樣的教學方法來處理課堂教學。首先，充滿激情、幽默生動、嚴謹標準的教學語言能夠調動學生的學習興趣。其次，教師可以根據不同的教學內容采用不同的教學方法，啟發學生思維，提升課堂教學效果。比如啟發式教學、互動式教學、討論式教學和類比式教學等等。比如“物質波”和“機械波”的異同，“波函數”和“電子云”的聯系等采用類比的方法加以解釋和說明，使課堂教學效果能夠得到較大提高。再者，在課堂教學中適當的展示實物模型，可以激發學生的學習興趣，提高教學質量。
1.4教學中重視科研，以科研促進教學
高校教師既要從事教學，又要進行科研，二者的有機結合有利于提高教學質量。因此，教師應該精心選擇有關結構化學方面的一些新成就和新進展、新文獻融入課堂教學，豐富課堂教學內容，從而激發學生的學習熱情。同時，在教學中滲入化學史教育，像普朗克、薛定諤、德布羅意、R.B.伍德沃德等科學家堅持不懈地對真理的追求及其奮斗歷史，不僅可以陶冶學生的情操，激發他們的學習興趣，還可以培養他們的科學思想、科學精神、優秀的思想品質以及科學探究能力。
1.5教學中充分利用多媒體輔助教學，提高教學效果
多媒體教學存在直觀、形象、生動、信息量大的優點，具有傳統教學無法比擬的優勢。多媒體的合理應用能突破教學重難點，豐富結構化學課堂教學的形式，通過圖、文、聲、像等手段，能把抽象的理論知識轉化成具體、形象、直觀、真實的語言材料，啟迪學生思維，加深學生對理論知識的理解。例如Pauling的雜化軌道及價鍵理論、分子對稱性及點群、等徑圓球密堆積結構、晶體結構周期性與點陣等內容都比較抽象，采用多媒體軟件輔助教學可將這些抽象、微觀、枯燥的理論知識形象化、具體化、感性化，易于學生理解，有利于激發學生學習興趣，提高學習效率。
1.6理論與實踐相結合，重視實驗教學
教師在強調理論知識學習的同時，應該把實驗教學滲透到結構化學教學中，使其不再是純粹的理論，真正做到理論與實踐相結合。因此，教師在教學中可以適當地安排一些實驗，也可以鼓勵學生積極參與教師的研究課題，這樣可以加深學生對理論知識的理解，培養學生的理論聯系實踐的能力，進而提高教學質量。比如磁化率的測定，偶極距的測定，在X射線粉末衍射儀上測定晶體的結構等等。
2 關于學生學習過程中的思考
2.1加強自主學習
結構化學課程是化學學生本科階段初次接觸的理論課程，內容廣泛，涉及到較多的高等數學、物理學及量子力學等基本知識。因此，學生學習結構化學時感覺很費力，致使學生對該課程產生排斥心理。所以，學生應加強自主學習，提前預習，上課注意聽講，不懂就學，不懂就問，學會分析和歸納總結，真正做到學有所思、思有所得、得有所成，從心理上不再害怕結構化學。
2.2抓住重點，建立完整知識體系
本科階段的結構化學課程主要包括三種理論（量子理論、化學鍵理論和點陣理論），三種結構（原子結構、分子結構和點陣結構），三個基礎（量子力學基礎、對稱性基礎和晶體學基礎）。在學習結構化學過程中一定不要過于深究其數學推導過程，需要分清主次，明確重點，做到抓重點、抓中心、抓關鍵，建立完整知識體系。只有這樣才能做到不本末倒置，才能把握住問題的關鍵，才能體現學習達到學深、學透的效果。
2.3充分利用網絡教學資源
當今社會，網絡資源豐富多彩，各種信息以多媒體化――文字、圖像、聲音、視頻圖像、動畫等呈現，使結構化學抽象的內容生動化、形象化、多樣化。因此，學生除了學習教材外，要善于合理利用校園網、國際互聯網中豐富的教學資源，這樣，不但激發了其探索新知的欲望，而且使他們對課堂的知識有了更深刻、更全面的理解。
2.4多閱讀相關科技文獻，了解最新發展動態
當今世界各國科學技術迅猛發展，每時每刻都有大量的科技文獻產生，學生通過閱讀科技文獻可以了解國內外結構化學相關領域的發展動態和成果、跟蹤國內外某個領域的研究進展。所以學生要多搜集和閱讀一些前沿的科技文獻資料，有利于專業知識的鞏固、深化以及綜合能力和創造思維的提高。這樣他們就可以變被動學習為主動學習，激發了學習潛能，提高了學習積極性。
2.5 學會溝通和交流
在傳統教學過程中，學生學習方式單一、被動，學生只是被動地接受知識，缺少自主探索、合作交流、獨立獲取知識的機會。因此，學生與學生之間，學生與老師之間應該加強溝通和交流，從而產生生生之間、師生之間情感的交融，促進學生學習能力提高。
2.6 重視理論聯系實踐
學生除了學習基本理論知識外，應該充分利用課余時間參加大學生科技創新活動、參與教師科研課題、撰寫科研專題報告、發表學術論文等，培養自主學習與創新思維能力，提高分析與解決問題的能力。只有做到理論與實踐的有機結合，才能把自己所學的理論知識轉化為認識和分析、解決問題的能力。
3 結論
“教學有法，但無定法，貴在得法”，只有通過授課教師不斷的改進教學方法，更新教學理念，探索教學規律，創新教學模式，避免教學方法上和學習方法的單一化，不斷強化學生學習興趣，真正做到教與學的和諧統一，充分調動學生的學習積極性，才能提高教學質量。
基金項目：周口師范學院教育教學改革研究項目（J201421）。
參考文獻
[1] 潘道皚，趙成大，鄭載興.物質結構（第2版） [M].高等教育出版社出版，2004.
第8篇：量子力學知識總結范文
關鍵詞：計算機；發展史；前景展望
1 前言
計算機由機械技術向電子技術以及生物技術、智能技術的轉變，為我們的生活帶來了巨大的變化。計算機已經擁有了60年的發展歷程，共經歷了5個重要的發展階段，將在不久的未來經歷第六個發展階段。
2 計算機發展歷史
（1）電子管計算機（1946-1958年）
用陰極射線管或汞延尺線作主存儲器，外存主要使用紙帶、卡片等，程序設計主要使用機器指令或符號指令，應用鄰域主要是科學計算。
（2）晶體管計算機（1958-1964年）
主存儲器均采用磁蕊存儲器，磁鼓和磁盤開始用作主要的外存儲器，程序設計使用了更接近于人類自然語言的高級程序設計語言，計算機的應用領域也從科學計算擴展到了事務處理，工程設計等各個方面。
（3）小規模集成電路計算機(1964-1971年)
半導體存儲器逐步取代了磁芯存儲器的主存儲地位，磁盤成了不可缺少的輔助存儲器，計算機也進入了產品標準化、模塊化、系列化的發展時期，使計算機使用效率明顯提高。
（4）大規模集成電路（1972年-至今）
大規模、超大規模集成電路應用的一個直接結果是微處理器和微型計算機的誕生。微處理器自1971年誕生以來幾乎每隔二至三年就要更新換代，以高檔微處理器為核心構成的高檔微型計算機系統已達到和超過了傳統超極小型計算機水平，其運算速度可以達到每秒數億次。由于微型計算機體積小、功耗低、其性能價格比占有很大優勢，因而得到了廣泛的應用。
（5）人工智能計算機——神經計算機。
其特點是可以實現分布式聯想記憶．并能在一定程度上模擬人和動物的學習功能。它是一種有知識、會學習、能推理的計算機，具有能理解自然語言、聲音、文字和圖像的能力，并且具有說話的能力，使人機能夠用自然語言直接對話，它可以利用已有的和不斷學習到的知識，進行思維、聯想、推理，并得出結論，能解決復雜問題，具有匯集、記憶、檢索有關知識的能力。
3 計算機發展前景展望
計算機的發展將趨向超高速、超小型、并行處理和智能化。計算發展如此之快，計算機界據此總結出了“ 摩爾法則”，該法則認為每 18個月左右計算機性能就會提高一倍。因此，在未來，第六代計算機發展方向如下：
（1）分子計算機
分子計算機體積小、耗電少、運算快、存儲量大。分子計算機的運行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進行組織排列。分子計算機的運算過程就是蛋白質分子與周圍物理化學介質的相互作用過程。轉換開關為酶，而程序則在酶合成系統本身和蛋白質的結構中極其明顯地表示出來。生物分子組成的計算機具備能在生化環境下，甚至在生物有機體中運行，并能以其它分子形式與外部環境交換。因此它將在醫療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發揮無法替代的作用。分子芯片體積可比現在的芯片大大減小，而效率大大提高， 分子計算機完成一項運算，所需的時間僅為10 微微秒，比人的思維速度快 100 萬倍。分子計算機具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲 1 萬億億的二進制數據。分子計算機消耗的能量非常小，只有電子計算機的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質分子，所以分子計算機既有自我修復的功能，又可直接與分子活體相聯。
（2）光子計算機
光子計算機利用光子取代電子進行數據運算、傳輸和存儲。在光子計算機中，不同波長的光代表不同的數據，這遠勝于電子計算機中通過電子“0”和“1” 狀態變化進行的二進制運算, 可以對復雜度高、計算量大的任務實現快速的并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎上呈指數上升。
（3）量子計算機
量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機是基于量子效應基礎上開發的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態，利用激光脈沖來改變分子的狀態，使信息沿著聚合物移動，從而進行運算。量子計算機中的數據用量子位存儲。由于量子疊加效應，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此, 一個量子位可以存儲2個數據，同樣數量的存儲位，量子計算機的存儲量比通常計算機大許多。同時量子計算機能夠實行量子并行計算，其運算速度可能比目前計算機的 PentiumⅢ晶片快10億倍。
（4）納米計算機
納米計算機是用納米技術研發的新型高性能計算機。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍, 質地堅固,有著極強的導電性, 能代替硅芯片制造計算機。“納米”是一個計量單位, 一個納米等于10-9米, 大約是氫原子直徑的10倍。納米技術是從20世紀80年代初迅速發展起來的新的前沿科研領域，最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，制造出具有特定功能的產品。現在納米技術正從微電子機械系統起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構成一個系統。應用納米技術研制的計算機內存芯片，其體積只有數百個原子大小，相當于人的頭發絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源， 而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。
（5）生物計算機[1]
20世紀80年代以來，生物工程學家對人腦、神經元和感受器的研究傾注了很大精力，以期研制出可以模擬人腦思維、低耗、高教的第六代計算機——生物計算機。用蛋白質制造的電腦芯片，存儲量可以達到普通電腦的10億倍。生物電腦元件的密度比大腦神經元的密度高100萬倍，傳遞信息的速度也比人腦思維的速度快100萬倍。
第9篇：量子力學知識總結范文
關鍵詞：理論力學;公式推導;工程案例教學
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）20-0169-02
一、引言
理論力學是研究物體機械運動一般規律的科學。這門課程研究的內容是速度遠小于光速的宏觀物體的機械運動，它以伽利略和牛頓總結的基本定律為基礎，屬于古典力學范疇。經過長期的實踐證明，一般工程中所遇到的大量動力學問題，用古典力學來解決，既方便又能夠保證足夠的精確性。力學是從物理學中分離出來的，與“數、理、化、天、地、生”并列為七大基礎學科。物理學是研究一切自然現象的科學，而研究物質運動是力學的定義。因此，力學從物理學中分離出來已是很長一個時期了。理論力學與電動力學、統計力學、量子力學在力學界稱為四大力學。理論力學是牛頓力學，即所謂經典力學，現代力學包括經典力學、量子力學和相對論力學。力學是一門應用性極強的基礎學科，又是一門理論性很強的技術基礎課。[1]
國際理論與應用力學學會把力學分成基礎力學和應用力學。上世紀30年代蘇聯建立了突出基礎力學教育的教育體系。同時期，歐美建立了強調應用力學教育的教育體系。我國力學教育在解放后的十年間，受蘇聯力學教育體系的影響比較大，多數高等學校使用的理論力學教材都是從俄文翻譯過來的。70年代末，歐美的理論力學教材進入我國高等教育界。直到80年代，理論力學還以120學時作為四年制機械類等專業課程的設置原則。
1980年5月，在南京召開高等學校工科力學教材編審委員擴大會，通過了教育部委托西北工業大學等高校提出的120學時機械類專業試用的“理論力學教學大綱”。二十多年來，隨著高等教育教學體制改革的深化，理論力學課程在教學內容、教學方法、教學手段、教學思想和觀念上都發生了很大變化。現在我院為機械類設置的理論力學課程只有70學時，而教學基本要求與20年前的差別不大。由于學時急劇減少，迫使教師采用多媒體現代化教學手段，增大信息量，強化知識點，通過精講多練，使學生能夠比較牢固地掌握理論力學的基本知識。建設理論力學精品課程的要求正是在這樣的教學改革背景下應運而生的。
理論力學是理工科院校的一門重要技術基礎課。但對許多理工科學校的學生來講，學習理論力學并不是一個輕松的過程。普遍反映“課堂能聽懂，一做作業就無從下手”，甚至有人將之稱為“頭疼力學、煩人力學”。究其原因，主要還是由于很多學生對于理論力學的基本概念、基本理論和分析方法等總是處于一種似懂非懂的狀態，沒有對所學內容進行深刻理解。理論力學的學習具有很強的邏輯性，前后章節的關系環環相扣。前面章節沒學好，后面章節自然就學不好，越到后面越是緊密聯系前面章節的知識點。再者，理論力學的定理、公式往往是“非構造性”的，不能用簡單代公式的方法來計算，而是必須要有分析的過程，沒有清晰的概念就無從下手[2]。可以說，對理論力學問題的求解非常鍛煉人的宏觀把握能力。因此，迫切需要對現行的理論力學教學方法及內容進行改革。基于此，工程案例教學方法應用而生。
二、工程案例教學
伴隨著擴招，生源質量也有所下降，顯得參差不齊。上同一門課，有些學生學習能力比較強，課堂不能滿足需求，顯得“吃不飽”;另外有些學生又不能跟上課堂教學的進度，學習比較吃力。因此，理論力學課堂改革就顯得很有必要。學生學習新知識，第一印象――感性認識是很重要的。只有通過感性認識抓住學生的好奇心，才能有興趣把相關的內容學習好，甚至于通過自學來滿足自身對知識的渴望。而通過工程案例教學不但可以激發學習基礎較差的學生的積極性，還可以通過大量工程案例的引入滿足學有余力的學生對課堂外知識的渴求。工程案例的教學主要通過以下幾個方面來實現。
1.工程案例的整理及提煉。和力學相關的案例可以說是隨處可見，小到日常生活，大到航空航天。怎樣選擇合適的工程案例就顯得比較關鍵。好的工程案例既能引導學生快速理解工程背景，又能提煉工程當中的力學原理，達到實踐和理論有機結合的效果。因此，工程案例的收集整理就很有必要了。比如理論力學當中的力矩問題，就可以用常見的吊車起吊重物來舉例說明：某事故現場，吊車起吊出事的卡車，結果卡車沒吊上來，吊車反而由于起吊位置選擇的不合適而翻倒了。這個實例可以很好的說明力矩，通過這個實例學生也能快速的將力矩理論與工程實際結合起來。又比如裂紋和斷裂，這兩個概念相對而言比較抽象。只有比較專業的課程才會談到與裂紋有關的斷裂問題。裂紋和斷裂也可以通過生活當中的實例來說明：乘坐公交車應該是很多人都有過的生活經歷，而公交車的安全錘就可以很好的說明裂紋和斷裂。公交車上的紅色安全錘是為了在緊急情況下讓乘客逃生用的。當公交車出現緊急情況時，乘客只需要用安全錘敲擊鋼化玻璃的四個角。由于安全錘錘頭很尖，接觸面積小，手握安全錘大約用兩千克的力就可以砸開玻璃的邊角。對鋼化玻璃而言，一點點的開裂就意味著玻璃內部的應力分布受到了破壞，從而在瞬間產生無數蜘蛛網狀裂紋，此時只需用錘子輕輕的再砸幾下就能將整面玻璃砸開。用這個實例不但可以講清楚裂紋和斷裂，還可以闡明應力和應力集中，可以將學生的理論學習與實踐緊密相連。
2.工程案例的講授。有了好的工程案例，還需要有好的教師在合適的章節恰如其分的引入。這就對教師的綜合素質提出了較高的要求[3]。毋庸諱言，力學尤其是基礎力學，上課教師的數量偏少，質量也略顯不足。針對很多二本院校，基礎力學的上課學生比較多，教師的教學任務相對較重，這也使得很多教師沒法精心研究工程案例在教學當中的運用。另外，有些高校的基礎力學教師并非“科班”出身，這也使得教師自身對有些課程的理解還不是特別深刻，當然也就不能更好的促進課堂教學的完善和發展。
三、工程案例教學的實踐
從工程實踐以及日常生活當中整理提煉了大量典型的工程案例，通過教學經驗豐富的教師進行課堂教學，能否達到預期的效果，這也是一個很現實的問題。為了驗證工程案例教學的實際教學效果，本文選擇機電一體化及車輛工程兩個專業進行對比。機電一體化4個班進行工程案例教學，而車輛工程3個班采用常規教學。經過一個學期的學習，從平時的課堂問答到期末考試都反映出，工程案例教學要優于常規教學。采用工程案例教學的機電一體化班最高分比車輛班高出10分，最低分高出15分，平均分高出12分。
四、結語
基礎力學特別是理論力學課程的工程案例教學是一項長期、艱巨的任務，需要投入大量的人力、物力和時間。學生通過案例教學的學習可以快速地掌握理論知識在實際工程中的運用，從而更好的將理論與實踐結合起來。案例教學還可以培養、訓練學生從工程實踐中抽象力學模型繼而求解優化工程問題的能力，因此從該意義上來說，工程案例教學的作用可以說絲毫不亞于數學建模的功效[4]。再者，工程案例教學還可以培養學生動手和動腦的能力。比如講到桁架部分，通過桁架橋梁的案例講解，激發學生的學習興趣。人們常說“興趣是最好的老師”，一旦學生對桁架充滿興趣，就會在課堂外富有興趣的動手制木制桁架，還會通過傳感器等來測量桁架中的桿件是否為二力桿等。這樣一來，學生對桁架的理解就會相當深刻。另外，工程案例教學還可以促進計算機軟件如MATLAB、ANSYS等在教學中的應用。通過工程案例教學還可以培養學生的社會責任感，從學習階段開始就以嚴謹的態度對待工程實際。最后，工程案例教學也可以提高教師的綜合素質，豐富教師的課堂教學素材，使原本相對枯燥的課堂教學一下變得豐富有趣起來[5]。
工程案例教學使得師生都能很好的將理論與實踐結合起來，實現課堂教學的最初目的：從實踐中來，到實踐中去。
參考文獻：
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