时间：2023-05-30 10:00:28
关键词：量子力学 教学内容 教学方法
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0140-01
量子力学课程是工科电类专业的一门非常重要的专业基础课程。通过该课程的学习，使学生初步掌握量子力学的基本原理和基本方法，认识微观世界的物理图像以及微观粒子的运动规律，了解宏观世界与微观世界的内在联系和本质的区别。量子力学课程教学质量的好坏直接影响后续的如“固体物理学”、“半导体物理学”、“集成电路工艺原理”、“量子电子学”、“纳米电子学”、“微电子技术”等课程的学习。
量子力学课程的学习要求学生具有良好的数学和物理基础，对学生的逻辑思维能力和空间想象能力等要求较高，因此要学好量子力学，在我们教学的过程中，需要充分发挥学生的学习主动性和积极性。同时，随着科学日新月异的发展，对量子力学课程的教学也不断提出新的要求。如何充分激发学生的学习兴趣，充分调动学生的学习主动性和能动性，切实提高量子力学课程的教学质量和教师的教学水平，已经成为摆在高校教师目前的一项重要课题。
该课程组在近几年的教学改革和教学实践中，本着高校应用型人才的培养需求，强调量子力学基本原理、基本思维方法的训练，结合物理学史，充分激发学生的学习积极性；充分利用熟知软件，理解物理图像，激发学生学习主动性；结合现代科学知识，强调理论在实践中的应用，取得了良好的教学效果。
1 当前的现状及存在的主要问题
目前工科电类专业普遍感觉量子力学课程难学，其主要原因在于：第一，量子力学它是一门全新的课程理论体系，其基本理论思想与解决问题的方法都没有经典的对应，而学习量子力学必须完全脱离以前在头脑中根深蒂固的“经典”的观念；第二，量子力学的概念与规律抽象，应用的数学知识比较多，公式推导复杂，计算困难；第三，虽然量子力学问题接近实际，但要学生理解和解决问题，还需要一个过程；由于上述问题的存在，使初学者都感到量子力学课程枯燥无味、晦涩难懂，而且随着学科知识的飞速发展，知识的更新周期空前缩短，在有限的课时情况下，如何使学生在掌握扎实的基础知识的同时，跟上时代的步伐，了解科学的前沿，以适应新世纪人才培养的需求，是摆在我们教育工作者面前的巨大挑战。
2 结合物理学史激发学生学习兴趣
兴趣是最好的老师，在大学物理中，谈到了19世纪末物理学所遇到的“两朵乌云”，光电效应和紫外灾难，1900年，普朗克提出了能量子的概念，解决了黑体辐射的问题；后来，爱因斯坦在普朗克的启发下，提出了光量子的概念，解释了光电效应，并提出了光的波粒二象性；德布罗意又在爱因斯坦的启发下，大胆的提出实物粒子也具有波粒二象性；对于物理学的第三朵乌云“原子的线状光谱，”玻尔提出了关于氢原子的量子假设，解释了氢原子的结构以及线状光谱的实验。后来还有薛定谔、海森堡、狄拉克等伟大的物理学家的努力，建立了一套崭新的理论体系-量子力学。在教学的过程中，适当穿插量子力学的发展历史以及伟大科学家的传记故事，避免了量子力学课程“全是数学的推导”的现状，这样激发学生的学习兴趣和学习热情，通过对伟大科学家的介绍，培养刻苦钻研的精神。实践表明，这样的教学模式大大提高了学生的学习主动性。
3 结合熟知软件化抽象为形象
量子力学内容抽象，对一些典型的结论，可以用软件模拟的方式实现物理图像的重现。很多软件如matlab、c语言等很多学生不是很熟练，而且编程较难，结合物理结论作图较为困难；Excell是学生常用的软件之一，简单易学却功能强大，几乎每位同学都非常熟练，我们充分利用这一点，将Excell软件应用到量子力学的教学过程中，取得了良好的效果。
如在一维无限深势阱中，我们用解析法严格求解得到了波函数和能级的方程。而波函数的模方表示几率密度。我们要求学生用Excell作图，这样得到粒子阱中的几率分布，通过与经典几率的比较（经典粒子在阱中各处出现的几率应该相等）和经典能级的比较（经典的能量分布应该是连续的函数），通过学生的自我参与，充分激发了学生的求知欲望；从简单的作图，学生深刻理解了微观粒子的运动状态的波函数；微观粒子的能量不再是连续的，而是量子化了的能级，当n趋于无穷大时微观趋向于经典的结果，即经典是量子的极限情况；通过学生熟知的软件，直观的再现了物理图像，学生会进一步来深刻思考这个结论的由来，传统的教学中，我们先讲薛定谔方程，然后再解这个方程，再利用边界条件和波函数的标准条件，一步一步推导下来，这样的教学模式有很多学生由于数学的基础较为薄弱，推导过程又比较繁琐，因此会逐步对课程失去了兴趣，这也直接影响了后面章节的学习，而通过学生亲自作图实现的物理图像，改变了传统的“填鸭式”教学，最大限度的使学生参与到课程中，这样的效果也将事半功倍了，大大提高了教学的效果。
4 结合科学发展前沿拓宽学生视野
在课程的教学中，除了注重理论基础知识的讲解和基础知识的应用以外，还需介绍量子力学学科前沿发展的一些动态。结合教师的教学科研工作，将国内外反映量子力学方面的一些最新的成果融入到课程的教学之中，推荐和鼓励学生阅读反映这类问题的优秀网站、科研文章，使学生了解量子力学学科的发展前沿，从而达到拓宽学生视野，培养学生创新能力的目的。例如近年兴起并迅速发展起来的量子信息、量子通讯、量子计算机等学科，其基础理论就是量子力学的应用，了解了这些发展，学生会反过来进一步理解课程中如量子态、自旋等概念，量子态和自旋本身就是非常抽象的物理概念，他们没有经典的对应，通过对实验结果的理解，学生会进一步理解用态矢来表示一个量子态，由于电子的自旋只有两个取向，正好与计算机存储中二进制0和1相对应，这也正是量子计算机的基本原理，通过学生的主动学习，从而达到提高教学质量的目的。另外我们还要介绍量子力学在近代物理学、化学、材料学、生命学等交叉学科中的应用，拓宽学生的视野。
5 结语
该课程组经过多年的教学实践和教学改革，已经逐步形成了一套行之有效的教学方法，在使学生充分理解和掌握量子力学的基本概念和基本思想的基础上，初步具备利用量子力学基本理论进行分析和解决相关实际问题的能力，改革和研究的结果对于推动高校工科电类专业的量子力学课程的教学具有一定的理论和实践指导意义。
参考文献
[1] 笪诚.一个描述金融投资项目演化的量子力学状态方程[J].物理学报，2014（11）.
研究者习惯于沿袭传统的知识来对科学作出合理的解释，即知识是不断积累增长的，而且科学知识就是真理，是不可变的，强调科学知识是一个不断进步的过程。纵观历史，人们对知识增长方式有着不同的观点和认识。一种观点是逻辑实证主义的累积型知识增长模式，即科学是科学家首先从科学实验开始，实验的目的是在人类已知和未知的科学前沿地带中选取某一点进行精心控制和严格调节的观察，然后将实验中所发现的问题系统的记录下来，可能的话还将他们公布于众。这就是“科学始于观察，然后上升到理论”的传统信念，这一理论认为：科学知识增长就是一个不断增加、不断积累的“中国套箱式”的发展过程。这一研究方法分别经历：观察与实验归纳与概括提出假设尝试证实假设证明或反驳知识的形成[3]。这种传统的科学方法和思维方式主要是以归纳为主。
从17世纪到20世纪，这种科学思想经过后人不断的修正、补充和完善，一直为科学家和学者所接受，这种逻辑实证主义的知识增长模式对人类科学发展的进程产生了很大的影响；另一种观点是以波普尔为代表的证伪主义的修正、检验型的知识增长模式。这种知识增长模式认为：科学知识增长“并不是指观察的积累，而是指不断一种科学理论、由另一种更好的或者更合乎要求的理论取而代之[4]”。波普尔认为，知识从本质上都是暂时性的，我们无法证明知识的绝对性，却可以检验证明其存在着某些不合理的因素，科学正是由于这种不确定性，才不断地在证伪、反驳中提高其必然性，才使科学有着强大的生命力。波普尔还用以下公式概括地描述了知识增长的规律：P1TSEEP2[4]。P1表示提出问题，TS表示再找出解决问题的试错方法，EE表示清除错误，P2表示在解决了最初问题的同时又产生了新问题，新问题又进入到解决问题的试错阶段，然后清除了错误，又引发了新问题，一直这样周而复始的发展下去。这个过程是一个反馈的过程，科学进步正是遵循着这样一个反馈机制，科学知识便得到了增长，科学发展于是便没有了终结。这一理论的应用结果就是每个科学家都应尽可能的阐述自己的研究成果，也应尽可能多地吸收别人的研究成果去不断地进行辨伪和反驳，才能使科学走向更进一步的精确。第三种观点是库恩的历史主义科学革命型知识增长模式。库恩认为科学发展具有按一定规则、周期出现的结构，由此而建立起的科学、按照“前科学———常规科学———反常———危机———科学革命———新的常规科学———新的危机……”的逻辑规律而向前发展的模式[5]。以上三种知识增长模式其实代表了三种不同的科学观和哲学观，他们都存在一定的合理因素和借鉴意义，对我们研究学术传播系统的发展有着理论、方法上的指导意义。我们正是在这种理论和方法的指导下研究学术期刊的发展，研究其对知识增长方式变革的贡献，研究学术期刊在学术传播系统中所发挥的作用以及系统反过来对其质量的控制，从而促进学术传播活动的繁荣和最终达到知识增长的目的。
科学知识的增长是有规律可循的。从20世纪70年代开始，就有人对知识增长规律不断的进行探索，最具代表性的人物是美国科学哲学家普赖斯，他通过对物理出版物(主要是英国皇家学会出版的《哲学会刊》)数量增长情况进行定量归纳分析，揭示出了科学文献指数增长规律。从对研究者的数目、科研经费、科学文献数量等计量参数研究中，普赖斯发现，从1665年第一份科学期刊问世以后，每隔100年文献数量就会增加100倍，大体以18年为一个倍增周期，每15年为一次稳定倍增。1962年普赖斯用计量方法提出了科学知识增长规律用指数增长曲线来描绘，称之为“普赖斯曲线”。这一曲线只是知识增长的理想模式，普赖斯并没有从理论上对其知识增长模型进行解释，也没有考虑社会其他复杂因素对知识增长的影响，这方面的不足因科学社会学的兴起而有了很大的改观。因此，要研究知识增长的规律还应当应用科学社会学的知识对知识增长规律作出定量和定性的分析。
从科学哲学对知识增长方式理论和经验的论述可以看出，科学知识的增长与文献数量的增长有着密切的关系，这也是传统图书馆学与文献学研究的理论基础和出发点。但经过更深入的研究发现，知识增长与文献数量关系又不是呈绝对的正比关系，这就需要对影响知识增长的各方面因素在科学交流系统中的相互关系、所形成的层次、结构等进行统合分析，才可能全面的搞清楚知识增长的方式和规律。只有在搞清楚知识增长的方式和规律后，才可能对电子期刊在科学交流系统中的地位、作用以及如何作用与改变原有系统等问题展开深入地研究。
2网络电子期刊的发展方向及策略
电子期刊是学术出版传播的又一次革命，是现代信息社会多元化学术转播的一种发展方向，它有着广阔的发展前景，它的出现不仅仅是增加了一种新的学术传播媒介，更重要的是它改变了现有的学术出版传播模式，引发了传统学术模式的调整和整合，同时使得知识增长方式也发生了根本性的改变。就目前而言，要使电子期刊有效地健康地发展、使之更好的来促进学术传播活动，有必要解决好以下问题。
2.1深化出版管理体制与运行机制的改革
在期刊电子化进程中，一方面，应加快实现期刊管理、运行由出版事业向出版产业的转变，真正确立期刊出版部门和机构的法人地位，在财务、用人制度和经营管理等方面真正拥有企业自，改变发行策略，形成竞争格局。这些变革需政府给予政策、法制上的保障。另一方面，网络电子期刊部门，还应注意建立起规模产业，建立完善的出版企业产业链，从期刊产品开发到服务，从管理到经营，从政策、法制到资金流通等各个方面，要为期刊全面电子化、网络化创造良好条件。第三，应建立以用户为中心的良好的网络运行模式，要引入竞争机制和期刊定量评估指标体系，并应用引文分析法和期刊质量判断法对期刊质量进行定量评估，评选核心期刊和优秀期刊，实行期刊品牌战略，在研究者中形成广泛影响，吸收专家和优秀研究者的注意，将优秀稿件相对集中在核心期刊上，尽快建立起有国际影响力的期刊。
2.2加强网络电子期刊的质量控制
电子期刊质量是制约其发展的重要因素，电子期刊的出现打破了原有格局，期刊质量控制在原有内容数量控制、编辑质量控制、出版质量控制的基础上，又增加了期刊质量控制的新课题。电子期刊的质量评估主要应从数量、质量以及社会影响等方面进行。从数量方面来说，判断期刊质量最典型的是引文分析法，通过期刊论文之间引用和被引用关系来定量判断期刊质量，这种做法具有一定的合理性。从期刊自身情况和刊载论文的学术规范、研究深度和广度来评估期刊质量、则采用的是质量判断方法。期刊的社会影响对期刊社会信誉度的建立、对作者的吸引等也起着十分重要的作用。期刊自身情况的判断标准(包括期刊办刊的宗旨、目的和用户群；期刊出版速度；期刊载文量；论文、评论、时事通讯等的比例和刊期；期刊、出版机构、编辑和编辑部的社会名声；期刊论文的学术质量；期刊的发行数量；期刊的印制和版式质量等)对期刊质量评估也有着很重要的参考价值，这些标准也是期刊出版机构和编辑部门应努力的方向。这里需要强调的是期刊论文的学术标准，因学科内容不同而有所差异，但论文中作者在理论、方法上能提出自己独到的见解，具有很强的操作性，规范化的语言和编辑标准，进而能促进学科的发展和知识的增长等是人们要强调的最重要的学术标准。
2.3走纸质期刊与网络电子期刊并重的发展道路
根据国外以及国内大学图书馆用户对电子资源态度与利用情况的调查研究显示，现阶段用户最喜欢阅读的仍然是印本期刊，阅读习惯以及电子期刊的表现形式是影响电子期刊使用的重要因素。人们希望电子期刊的表现形式与印本期刊基本保持一致，符合印本期刊的阅读习惯，这样就可以减少对电子期刊阅读的不适应感，促进电子期刊用户的可接受性。目前，阅读习惯、计算机网络设备与条件、费用、检索使用能力等因素仍然制约着期刊电子化、网络化的进程。因此，选择印本期刊与电子期刊并重的发展道路是目前期刊发展的最佳选择。当前我们首要的任务是应在提高期刊质量上狠下功夫，为全面实现全程纯电子期刊化、网络化打下良好的基础。
2.4注重培育用户市场，切实建立期刊、作者、用户之间的互动关系
信息传播是人类社会得以维系和发展的重要因素，个别人对于电子期刊的态度也会影响到其他人，甚至是大众的思想、态度及行为。作为信息管理机构、出版机构和部门、以及大学和研究机构应积极创造条件，一方面应培养人们改变对电子期刊的看法，激发和加强研究者对电子期刊使用的欲望，同时培养用户的使用习惯，并加深用户对电子期刊的依赖性。另一方面，应打破单一期刊设立的限止，在作者和用户之间架起沟通的桥梁，让作者的思想、观点、成果等与用户尽量形成实时互动，以加速期刊学术交流的速度，让期刊真正适应学术传播的需要，从而促进知识的增长。
2.5建立期刊出版模式多元化的发展格局
在目前网络环境下，印本期刊的电子化、网络化，作者/编辑型期刊出版的发展已有一定的基础，加之中国教育科研网等网络基础设施的建成，极大的便利了高等院校师生和科研机构人员的上网，大学及科研机构研究手段的现代化、计算机网络技术的广泛应用等等，为作者/编辑型期刊的出版模式打下了坚实的基础。但目前网络电子期刊的流通仍然存在着一些问题，除人们的阅读习惯外，建立期刊多元化的发展格局势在必行，一方面应建立让期刊作者/编辑型期刊和研究者在其上，并对其订购或阅览创造条件，使之真正成为学术传播的媒介和渠道；另一方面，网络电子期刊只有得到研究机构、大学等有关机构的认可，并作为聘任、评级和职称评定等的依据，才能成为学术传播的有效渠道。应当说，只有建立形成印本期刊、电子期刊、作者/编辑型期刊(纯电子期刊)出版模式相互共存的多元化的发展格局，才能重塑学术传播新模式，才能促进电子期刊的可持续发展。
2.6积极促进期刊出版向国际化方向发展
期刊形式的国际化并不等于真正实现国际化。期刊真正实现国际化还在于，以的高质量来参与国外同类期刊的竞争，在寻求合作、资金、外来先进人才和先进管理经验的基础上创新和增强期刊竞争力，在竞争中获得国际社会的承认。目前，尽管我国绝大多数期刊还不具备国际竞争的实力，但我们应该在制订电子期刊发展规划时，考虑到在各方面与国际接轨的问题，树立创新和竞争意识，为具备国际竞争力打下坚实的基础。另外，还要积极创造条件促进期刊出版向国际化方向迈进，只有充分利用国际间的信息资源、人才资源、技术资源，科技期刊才能真正成为国际科技合作与交流的媒介，才能真正提高期刊在国际上的影响力。具体而言，我国期刊编辑委员会中可以聘请国外知名专家担任委员，吸引国外稿源，鼓励国外留学人员及华裔研究者积极投稿。为解决语言障碍问题，在我国积极“创办英文科技期刊，增加中文科技期刊中英文的信息量”[6]，如在我国期刊论文中要求作者提供英文文摘和英文关键词等的做法就是为国际著名检索系统判断论文内容和质量提供一定的依据，为期刊走向世界奠定基础。
2.7建立科学的学术期刊共享平台
关键词： 量子力学 教学方法改革 创新思维
量子力学是研究微观粒子运动规律的科学，自诞生以来它就成功地说明了原子及分子的结构、固体的性质、辐射的吸收与发射、超导等物理现象。作为物理学专业的专业理论课，量子力学在物理学专业中具有极其重要的地位。现代物理学的各个分支，如高能物理、固体物理、核物理、天体物理和激光物理等都是以量子力学为基础，并且已经渗透到化学和生物学等其他学科。同时量子理论还具有巨大的实用价值，半导体器件和材料、激光技术、原子能技术和超导材料等都是以量子力学原理为基础的。
通过对量子力学的学习，学生可以掌握现代科学技术最重要的基础理论，还可以提高科学素质和思想素质，但是量子力学中的概念和解决问题的方法与经典物理有着本质的不同。学生普遍反映量子力学抽象、枯燥、难理解、抓不住重点，学习起来非常困难。针对以上问题，我对教学进行了思考和探讨，采用了一些切实可行的措施，提高了学生的学习兴趣，使学生更好地掌握了量子力学知识，同时培养了学生的创新思维。
一、教学过程中存在的问题
在量子力学的教学过程中，我发现以下几个问题。
1.量子力学是一门十分抽象的课程，其中许多概念、原理都不好理解，并且量子力学从概念到解决问题的方法跟经典物理有着根本性的区别，但是很多学生习惯性地用经典的思想去理解量子力学，这样就不自觉地增加了难度。比如“波粒二象性”，经典物理认为波动性和粒子性是互不相关的、相互独立的，而量子力学认为波动性和粒子性是微观粒子同时具备的两种属性。
2.学习量子力学，数学知识是必不可少的。量子力学中有着繁杂的数学知识，例如，数学分析中的微积分，代数学中的矩阵论，数学物理方程的微分方程，复变函数，等等。在教学过程中发现，不少学生对已学过的数学知识掌握得不是很牢固，在推导公式的过程中忘记了公式所描述的物理内涵，影响了对量子力学知识的理解。
3.由于量子力学的课时紧张，教学过程中采用了传统的教学模式，由教师到学生的“单向传授”的教学形式。学生失去了主体地位，只能被动地接受知识，学习的兴趣和积极性不高，导致教学效率降低。
二、量子力学的教学方法改革
1.采用多种教学手段相结合的教学模式。由于量子力学的内容抽象难懂，又是建立在一系列基本假定的基础之上，不少学生很难接受，甚至认为这门课程没有用处。在量子力学的教学过程中，由单一的教师讲授过渡到板书、录像、课件、演示实验等各种手段相结合的教学模式，将图、文、声、像等信息有机地组合在一起，形象、直观、生动，容易激发学生的学习兴趣。同时，通过网络技术，学生可以享受到本校的教学资源，还可以突破空间的限制，享受到全国高水平的教学资源，从而丰富学生的资料库，也为各学校的师生讨论交流提供一个很好的平台。
随着科学技术的迅速发展，知识更新非常快。在教学中，教师应及时将与量子力学相关的科技前沿和高新技术引入教学中，介绍与量子力学密切相关的课题，阐明科学技术中所蕴含的量子力学原理。如我们在讲解一维无限深势阱时，将其与半导体量子阱和超晶格这一科学前沿相联系；在讲解隧道效应时，将其与扫描隧道显微镜相联系，进而介绍扫描探针操纵单个原子的实验。同时在教学中，我们理论联系实际，多介绍量子力学知识与材料科学、生命科学、环境科学等其他学科之间的密切联系，重点介绍在材料科学中的广泛应用，包括新材料设计、开发新材料、材料成分和结构分析技术等。通过这种方式，学生对这一部分的知识有了直观的认识，从而不再感到量子力学的学习枯燥无味，同时也提高了接受新知识、学习新知识的意识和能力。
2.结合数学知识，把物理情境的建立作为教学的重点。量子力学可以说无处不数学，这门学科对高级数学语言的成功运用，正是它高深与完美的体现。数学虽然加深了物理问题的难度，却维护了理论的严谨性和科学性。当然这不是要求老师从头到尾、长篇冗重地推演计算，合理地修剪枝杈既能让学生抓住重点，又免使学生感到量子力学只是数学公式的推导。对于学习量子力学的同学，可以着重于对物理概念的剖析和物理图像的描绘，绕过数学分析难点，通过简化模型、对称性考虑、极限情形和特例、量纲分析、数量级估计、概念延拓对比等得出结论。定量分析尽量只用简单的高数和微积分、常见的常微分方程，对复杂的数学推导可以不做讲解，只对少数优秀生或感兴趣的同学个别辅导。例如，在求解本征方程时，只介绍动量、定轴转子能量本征值的求解；对无限深势阱情况，薛定谔方程可类比普通物理中的简谐振动方程；对氢原子和谐振子的能量本征值问题，只重点介绍思路、方法和结论，不作详细推导。
3.充分应用类比法，讲述量子力学。经典力学是量子力学的极限情况，在教授过程中，应尽可能找到“经典”对应，应用类比方法讲述量子力学中抽象的概念和物理图像，有助于正确理解量子力学的物理图像。用光的单缝、双缝衍射、干涉说明光的波动性，用光电效应、康普顿散射说明光的粒子性，运用这种方法有利于学生掌握光的波粒二象性。在将量子力学与经典力学类比的同时，还要清楚量子力学与经典力学在观念、概念和方法上的区别。例如，经典力学用位矢、速度描述物体的状态，而量子力学用波函数描述系统状态；经典力学用牛顿第二定律描述状态变化，量子力学用薛定谔方程描述状态的变化。另外对于量子力学中的波粒二象性、态迭加原理、统计原理等都要与经典力学中的相关概念区分开来，类比说明，阐明清楚其真正内涵。
4.改变传统教学模式，采用以学生为主体的教学模式。量子力学的现代教学多以“教师讲授”为主，同时配合多媒体课件辅助教学，教学模式较传统教学有所变化，多媒体课件教学虽然能够在一定程度上激发学生的学习兴趣，但仍然是“填鸭式”的教学法，没能真正地改变传统教学的弊端。因此在教学过程中，要避免课堂成为教师的一言堂，鼓励学生提问，激发学生的逆向思维和非规范性思维等，通过创设问题情境使师生互动起来，提高学生学习量子力学的积极性，加深学生对这门课程的理解。还要组织学生开展相关课题讨论，引导学生自主能动地思考，激发学生的学习兴趣。
三、结语
“量子力学”是物理类专业基础课程中教学的难点和重点，建立新的教学模式，有利于学生学习、理解和掌握这门课程。
参考文献：
［1］曾谨言.量子力学［M］.科学出版社，1997.
［2］周世勋.量子力学教程［M］.高等教育出版社，1979.
［3］胡响明.浅谈量子概念的理解［J］.高等函授学报（自然科学版），2004，（2）：29.
【关键词】 光电子技术 光医学 光保健 学科现状 发展趋势
一 引言
生物医学光学与光子学是光学或者说光子学现展的一个分支学科。由于光学与光子学是具有极强应用背景的学科，所以“生物医学光子技术”这一多学科交叉的新兴研究领域在20世纪末叶也随之应运而生。
激光技术作为一项重大的科技成就，为研究生命科技和疾病的发生、发展开辟了新的途径，为保健和临床诊疗提供了崭新的手段,推动人类科学技术进入新的发展阶段。
可以把与光的产生、传播、操纵、探测和利用有关的物理现象和技术包括在内的科学及工程笼统地简称为光学。用光学最广的含义来概括各研究领域及其相关交叉分支时必然包括了激光和光电子技术。运用光学及其技术研究光与人体组织的相互作用问题可归之于“组织光学”范畴。它是研究光辐射能量在生物组织体内的传播规律以及有关组织光学特性的测量方法的一门新兴交叉学科，是光医学（光诊断和光治疗）的理论基础。经过40多年的发展，激光与光电子技术在人类的保健、医疗以及生命科学中产生了很大影响。
在医学领域，光电子技术使各种新疗法，包括从激光心脏手术到用光学图像系统的关节内窥镜进行微损膝关节修复等，成为可能或得以实现。目前，科学家们正致力于研究光学技术在非侵入式诊断和检测上的应用，如乳腺癌的早期探查、糖尿病患者葡萄糖的“无针”监控等。激光在医学上的最早应用虽然集中在治疗方面，然而在80年代初期起便开始了光诊断技术的探索。指望无损害地获得诊断信息是这些研究的驱动力之一，其中在物理学中高度发展的光谱技术有望在诊断医学中得到应用。利用光纤把光传输到身体内部的能力，可以完成膀胱、结肠和肺等器官的检查。随着医学诊断方法向无损化方向发展，利用光电子学技术对组织体进行鉴别和诊断，有可能更早期、更精确地诊断各种疾病。近年来，人们开始把这种诊断方法称之为“光活检”。
随着现代医学模式的转变、健康概念的更新以及人民生活水平的提高，从20世纪80年代后期起，“激光美容术”在世界各地包括在我国各大城市逐渐地开展。保健美容是光电子技术应用越来越活跃的领域。激光技术应用于美容外科的起步较早，使得一些在美容整形外科很棘手的疾病，如太田痣、血管瘤等治疗变得简易有效。到20世纪末，人们又开发了一种称为光子嫩肤术的新美容技术。它基于选择性的光热解作用，有效地改善肌肤的质地和弹性，达到美容的效果。之所以用激光或强脉冲光进行非消融性的嫩肤或治疗越来越流行，是因为这类手术具有无损、不必住院、几乎无副作用和无疼痛，从而使受术者容易接受的优点。
国家自然科学基金委员会先后二次在“光子学与光子技术”以及“生物医学光学”优先资助领域战略研究报告中分别指出：近年来生物医学光学与光子学的迅猛兴起，令人瞩目，并因而引发出一门新兴的学科－生物医学光子学（Biomedophotonics）。研究报告选定了近期优先研究领域包括生物光子学、医学光子学基础研究、医学临床的光学诊断和激光医学中的重要课题等诸方面。
福建师范大学在1974年成立了“医用激光及其应用技术”研究组，以激光与光电子技术为基础，围绕激光医学应用的核心技术开展研究与开发。至二十世纪九十年代，跟随该领域的国际走向，转入激光医学技术的基础理论研究工作，在国内率先开展了生物组织光学与光剂量学的研究。伴随研究工作的深入开展，逐步形成了我们有特色的若干前沿研究方向，并于2005年获准立项建设医学光电科学与技术教育部重点实验室。
二 国内外现状
光学在生命科学中的应用，在经历了一个缓慢的发展阶段后，由于激光与新颖的光子技术的介入，进入了一个迅速发展的新阶段。与光学有关的技术冲击着人类健康领域，正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段，并为医疗诊断提供了革命性的新方法。特别在近十多年来，与蓬勃的学术研究活动相对应，国际上出现了专门的研究性学术杂志，如：Laurin 出版公司于1991年发行了“Bio-Photonics”新杂志。美国光学学会重要的会刊之一“Applied Optics”也于1996年将其“Optical Technology”栏目扩充为“ Optical Technology and Biomedical Optics”，并定期出版有关生物医学光学的论文专集。SPIE亦于1996年创办了期刊Journal of Biomedical Optics，且声誉日隆。到2004年，该刊的SCI影响因子已达3.541。当前，发达国家普遍对生物医学光子学学科给予了高度重视。例如，在美国国家卫生研究院（NIH）新成立的国家生物医学影像与生物工程研究所（NIBIB）中，生物医学光子学也成为其主要资助的领域。近三年中，美国NIH已经召开过4次研讨会，认为新的在体生物光子学方法可用于癌症和其它疾病的早期检测、诊断和治疗。新一代的在体光学成像技术正处在从实验室转向癌症临床应用的重要时刻。在NIH的支持下，美国国家癌症研究所（NCI）正在计划5年投资1800万美元，招标建立“在体光学成像和/或光谱技术转化研究网络（NTROI）”，其研究内容主要包括：光学成像对比度的产生机理、在体光学成像技术与方法、临床监测、新光学成像方法的验证、系统研制与集成等五个方面。2000年底，在美国NIBIB的首批支持项目中，光学成像方法约占30%。2000年7月，美国NIH投资2000万美元，开展小动物成像方法项目（SAIRPs）研究，受到生命科学界的高度关注，其中光学成像方法是研究重点之一。美国国家科学基金会（NSF）在2000-2002年了4次关于生物医学光子学研究（Biophotonics Partnership Initiative）的招标指南。“9.11”事件后，美国国防部启动了“应激状态下的认知活动”(Cognition under stress)项目，采用的研究方法就是光学成像技术。美国加州大学Davis分校于2002年10月宣布：未来10年内，将投资5200万美元建立生物医学光子学科学技术中心（The Center for Biophotonics Science and Technology），其中4000万美元由NSF支持。在学术交流活动方面，国际光学界规模最大西部光子学会议（Photonics West）上，每年的四个大分会之一即是生物医学光学会议（BiOS），论文均超过大会总数的三分之一，如，2003年关于BiOS的专题为19个，占整个会议的19/52=36.5%；2004年，IBOS会议专题为20个，占整个会议的20/55=36.4%。另外，每年还召开欧洲生物医学光子学会议。除疾病早期诊断、生理参数监测外，在基因表达、蛋白质―蛋白质相互作用、新药研发和药效评价等研究中，特别是近年来的Science, Nature, PNAS等国际权威刊物发表的论文表明，光子学技术也正在发挥至关重要的作用。在某些领域，如眼科，光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现，并以最小的无损或微损疗法代替外科手术，如膝关节的修复。现在，用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段，包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。光学技术还为生物学研究提供了新的手段，如人体内部造影、测量、分析和处理等。共焦激光扫描显微镜能将详细的生物结构的三维图象展现出来，在亚细胞层次监测化学组成和蛋白质相互作用空间和时间特征。以双光子激发荧光技术为代表的非线性成像方法，不仅可以改善荧光成像方法的探测深度、降低对生物体的损伤，而且还开辟了在细胞内进行高度定位的光化学疗法。近场技术将分辨率提高到衍射极限以上，可以探测细胞膜上生物分子的相互作用、离子通道等等。激光器已成为确定DNA化学结构排序系统的关键组成部分。光学在生物技术方面的其它应用还包括采用“DNA芯片”的高级复杂系统，和采用传输探针的简单系统。激光钳提供了一种在显微镜下方能看见的一种新奇的、前所未有的操作方法，能够在生物环境中实现细胞或微观粒子的操纵与控制，或在10-12m范围内实现力学参数的测量。结合光子学和纳米技术已经可以探测细胞机械活动，揭示细胞水平上隐秘的生命过程，利用纳米器件甚至可以检测和操纵原子和分子，这可以应用在细胞水平的医学领域。高技术的进步，如：微芯片极大地加速了生物光子学的发展进程。集成电路、传感器元件和相连电路的小型化、集成化促使在体和体外测量分子、组织和器官图像成为可能。许多生物医学光子学技术已经在临床上应用于早期疾病监测或生理参量的测量，如血压，血液化学，pH，温度，或测量病理生物体或临床上有重要意义的生化物种的存在与否。描述不同光谱特性（如荧光，散射，反射和光学相干成像）的各种光学概念出现在功能成像的重要领域。从大脑到窦体再到腹部，精确导位和追踪，对于精确定位医疗仪器在三维手术空间的位置具有重要的作用。基于分子探针的光子技术可以识别发生疾病时产生的分子报警，将真正实现令人激动的、个人的、分子水平的医学。
我国的研究基础与条件虽然相对落后，研究投入不足，但生物医学光子学是一门正在兴起和不断发展的学科，在这一新兴交叉学科上国内外处于一个起跑线上。近年来，在国家自然科学基金委、省部委以及其它基金项目的资助下，我国在生物医学光子学的研究中取得了很大的进展，尤其是2000年第152次主题为 “生物医学光子学与医学成像若干前沿问题”、第217次主题为“生物分子光子学”的香山会议后，有许多学校和科研单位开展了生物医学光子学的研究工作，并初步建成了几个具有代表性的、具有自己研究特色和明确科研方向的研究机构或实验室，并在生物医学光学成像（如OCT、光声光谱成像、双光子激发荧光成像、二次谐波成像、光学层析成像等）、组织光学理论及光子医学诊断、分子光子学（包括成像与分析）、生物医学光谱、X射线相衬成像、光学功能成像、认知光学成像、PDT光剂量学、高时空谱探测技术及仪器研究等方面取得了显著的研究成果。发表了许多研究论文，申请了许多发明专利，有些已经获得产业化。国家自然科学基金委员会生命科学部与信息科学部联合发起并承办的全国光子生物学与光子医学学术研讨会已经举办了六届。这对我国生物医学光子学学科的发展起到了积极的推动作用。在我国近年所召开的亚太地区光子学会议中，有关生物医学光子学的内容已大幅增加，成为主要的研讨专题。我国的生物医学光子学研究和学术活动也方兴未艾，呈现与国际同步的态势。在基础研究、应用基础研究以及对新技术的掌握方面跟踪国际先进水平，但国内科研经费的投入相对较小，科研队伍规模不大，原创性的科研成果与国外有较大差距。和国外的发展水平相比，我国的生物医学光子学发展还存在以下问题：
（1）尽管从事生物医学光子学的科研单位很多，但取得突破性、创新性的研究成果很少，主要是由于我们的科研队伍在组织、组成上还不合理，过于分散、开展的内容繁杂，难以将有限的资金投入到一些有利于国计民生的及上水平的研究方向上；另外许多单位的研究重复，缺乏合作，导致水平低下；
（2）和国外相比，研究经费无论在绝对值还是相对值上均投入十分不够；
（3）缺乏研究成果产业化的引导机制。
三 医学光电科学与技术（福建师范大学）教育部重点实验室概况
“医学光电科学与技术”教育部重点实验室设立于福建师范大学物理与光电信息科技学院（激光与光电子技术研究所）内，作为本学科开展科研研究和实施建设与发展的一个基础平台。实验室已有30年发展历史，1973年成立福建师范学院物理系激光实验室，1984年成为福建师范大学激光研究所实验室，1995年为福建省首期211重点学科《应用光子学》学科实验室，2003年5月26日经福建省科技厅批准成立“光子技术福建省重点实验室”，2005年7月28日经教育部批准立项建设教育部重点实验室。实验室座落于福建师范大学长安山校园内。
30年多来，实验室在生物组织光学、医学光谱与光学成像技术、光诊断及光诊疗技术、信息技术光学及其生物医学应用等四个主要方向上努力开拓，承担并完成了数十项国家与省部重点、重大项目课题，取得一批代表我国本领域研究水平的科研成果，其中十五以来获省部级科技进步一等奖1项，二等奖2项，三等奖2项，其它省级以上奖励12项。在国内外重要刊物发表的论文以及被SCI、EI收录的论文均超过100篇。
实验室目前承担着国家与省级重要课题50余项，科研经费超过2000万元。其中国家自然科学基金项目11项，国家教育部、科技部、卫生部项目9项，福建省科技重大专项1项，其它省级重要项目近30项。
中科院半导体研究所原所长王启明院士任重点实验室学术委员会主任，副主任由黄尚廉院士和谢树森教授担任。另有九位国内外著名的激光、光电子与医学学科交叉的院士、专家或资深教授担任委员，其中海外委员两人。他们规划、指导并检查本学科实验室的建设与发展。
重点实验室主要学术带头人、实验室学术委员会常务副主任谢树森教授是中国光学学会副理事长、福建省光学学会理事长、国家有突出贡献的中青年专家、光学工程专业博导、全国劳动模范，是我国医学光电科学与技术领域的学术带头人与开拓者。实验室主任陈荣教授、副主任李晖教授均为国务院特殊津贴专家，实验室常务副主任陈建新教授来自于北京大学的优秀博士后研究员。重点实验室拥有稳定的可持续开展高水平科研的学术梯队，其中的中青年学术带头人或学术骨干包括1位闽江学者特聘教授、1位福建师范大学特聘教授、3位国务院特殊津贴专家、2位全国优秀教师、2位福建省优秀教师和15位博士。
重点实验室与国内外学术界建立了并保持着广泛的联系。重点实验室已设立面向国内外的开放课题基金。已批准并实施来自浙江大学、厦门大学、上海光机所、西安交通大学、华南师范大学、天津医科大学、上海市激光医学研究中心等单位知名学者的开放课题。
重点实验室已具备良好的科研软硬件环境。现有面积近5000平方米，仪器设备原值2500多万元。重点实验室各项管理制度健全。
“医学光电科学与技术”重点实验室，在我国现代科学技术领域特色鲜明，在我国相关学科处于领头地位，有较大影响。重点实验室建设将有力促进福建省科技创新能力建设，促使福建师范大学迅速向高水平、有特色、开放型的综合性大学迈进。同时，重点实验室的建设与发展将有力促进我国医学光电科学与相关学科的发展，为广大民众的身心健康，为海峡西岸的科技、社会与经济发展做出重大贡献。
四 发展趋势和展望
光子学及其技术已广泛应用或渗透到生物科学和医学的诸多方面，被科学界所认同和重视。生物医学光学已经成为国际光学学科重要发展方向之一。生物医学光子学的发展，将为现代医学和生命科学带进崭新的时代。本学科的发展将继续体现了多学科交叉的特点，研究领域涉及到了生物学、医学、和光学，还有化学等不同大学科的方方面面。技术开发与临床应用研究的结合将越来越密切。一般认为，光学领域未来发展的重点是将各种复杂的光学系统和技术更加广泛地应用于保健和医疗。当今世界中,与光子学有关的技术冲击着人类对生命体的认知及人类健康领域。基于现代激光与光电子技术的生物医学光子学技术将为生命科学研究带来具有原始性创新的重要科研成果，并可望形成有重大社会影响和经济效益的产业。
在医学领域，光子学技术正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段,并为医疗诊断提供了新方法。在某些领域,如眼科,光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现,并以无损或微损疗法代替外科手术,如膝关节的修复。现在,用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段,包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。
在基础研究方面，研究重点在于从细胞，甚至是亚细胞尺度层次揭示病变组织与正常组织之间的差异，为新技术开发以及应用提供理论依据。另一方面，研究光与人体组织之间的相互作用以及所产生的光化学、光热和光机械效应。在技术的应用方面，研究重点转向比较各种技术中光源（相干光源/非相干光源、波长、功率密度、偏振性、连续/脉冲光源、脉冲持续时间等）和个体差异（年龄、性别、临床症状、发病史、发病时间等）对诊断或治疗结果的影响，在确定各种技术临床适应症的同时，进一步实用化各种技术。此外，还在不断开发新的实用于不同疾病的诊断、治疗和监测技术。
值得关注的是，国外从事“生物医学光学”领域研究的高校或研究机构中，来自大陆的中国学者的数量越来越多。这有助于使国内外的学术交流更加有效，并可以预期国内与国外在该领域的研究水平差距将不断缩小。
今后若干年内医学光电科技学科需关注的重大科学问题和优先研究领域如下：
（一）医学光子学基础
在组织光学方面，其中最主要的有光在组织体内传播的特殊方式、组织光学性质的描述以及有关实验技术的开发和完善等。组织光学是医学光子技术的理论基础。光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和动力学（如光的探测）问题是研究的主要内容，目的是要研究生物组织的光学性质和确定某靶位单位面积上的光能流率。应优先解决测量技术和实验精度的问题，利用近场光学显微技术、光镊技术测量活体组织的光学参量。在理论建模方面，建立生物组织中光的传输理论和数值模拟方法。具体开展的研究工作应包括：1）光在生物组织中传输理论：要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。建立准确的组织光学模型，使之能反映生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下的变化情况；改造传输方程，使之适应新的条件，并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。2）光传输的蒙特卡罗模拟：继续开发新的更为有效的算法以适应生物组织的多样性和复杂性的要求。除了了解光在组织中的分布，还在探索从大量数字模拟中得到生物组织中光的宏观分布与其光学性质基本参量之间的经验关系。另外，发展非稳态的光传输的蒙特卡罗模拟方法也是一个重要的研究方向，从中可以获得比稳态条件下更多的信息。
组织光学参数的测量方法和技术方面，尚未获得人体各种组织的可靠实验数据。发展和完善活体的无损检测尤为重要。在这方面，时间分辨率与频率分辨率的测量方法引人注目。
（二）医学光子学光谱诊断技术
医学光子学光谱（非成像）诊断技术实质上是利用从组织体反射、散射、发射出来的光，经过适当的放大、探测以及信号处理，来获取组织内部的病变信息，从而达到诊断疾病的目的。
生物组织的自体荧光与药物荧光光谱技术，内容涉及光敏剂的吸收谱、激发与发射荧光谱以及各种波长激光激发下正常组织与病变组织内源性荧光基团特征光谱等。现在人们所谓的特征荧光峰实际上只是卟啉分子的荧光峰。客观和科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准是十分必要的。目前，某些癌瘤的药物荧光诊断已进入临床试用，自体荧光的应用尚处于摸索之中。需要开展激光激发生物组织和细胞内物质的机理研究，探讨激光诱发组织自体荧光与癌组织病理类型的相关性以及新型光敏剂的荧光谱、荧光产额和最佳激发波长等方面的研究，以期获得极其稳定、可靠的特征数据，为诊断技术的发展提供科学依据。
近年来，拉曼光谱技术应用于医学中已显示出它在灵敏度、分辨率、无损伤等方面的优势。应开发并完善重要医学物质拉曼光谱数据库，并使基于拉曼光谱分析的小型、高效、适用于体表与体内的医用拉曼光谱仪和诊断仪将在医学临床获得更广泛的应用。
超快时间分辨光谱比稳态光谱在技术上更灵敏、更客观和更具有选择性。因此，将脉宽为ps、fs量级的超短激光脉冲光源用于医学受到广泛重视，其一，应发展超快时间分辨荧光光谱技术，用于测量生物组织及生物分子的荧光衰变时间，分析癌组织分子驰豫动力学性质等，为进一步研究自体荧光法诊断恶性肿瘤提供基础数据；其二，应发展超快时间分辨漫反射（透射）光谱技术。以时域的角度测量组织的漫反射，从而间接确定组织的光学特征。这是一种全新的、适用于活体的、无损和实时的测量方法，为确知光与生物组织的相互作用，解决医学光子学中基础测量问题开辟一条新径。
（三）医学光子学成像诊断技术
发展出具有无辐射损伤、高分辨率、非侵入、实时、安全的光子学成像诊断技术，并具有经济、小型、且能监测活体组织内部处于自然状态化学成分等特点的医疗诊断设备。主要的医学光子学成像诊断技术包括：
超快时间分辨成像技术：以超短脉冲激光作为光源，根据光脉冲在组织内传播时的时间分辨特性，使用门控技术分离出漫反射脉冲中未被散射的所谓早期光，进行成像。正在研究的典型时间门有条纹照相机、克尔门、电子全息等。
散射成像技术：包括光子密度波散射层析成像、组织深度光谱测量以及复合成像等，利用红外光源，光子密度波在生物组织中的穿透深度可达几个毫米，在低散射的人脑组织中甚至可达30mm。
红外热成像：红外热成像是利用红外探测器测量人体和动物的正常与病变组织的温度差异来诊断病变及其位置，现已在医学诊断中得到广泛的应用，如乳腺肿瘤的诊断。
光学相干层析成像技术：一种非侵入式无损成像技术，并且可以与显微镜、手持探针、内窥镜、医用导管、腹腔镜等相结合使用，从而具有广阔的应用领域。而且，OCT能进行众多功能成像，如分光镜OCT、多普勒OCT、偏振OCT：也可以与众多成像技术结合使用，如荧光、双光子、二次谐波成像等技术。
荧光寿命成像：受超短光脉冲激发后，荧光团，包括自体荧光团如NADH、FAD等和外源荧光团，如有机荧光染料、荧光蛋白等，所发出荧光的寿命取决于荧光团的分子种类及其所处的微环境，如pH、离子浓度（如Ca2+、Na+等）、氧压等，因此荧光寿命的测量和成像，有助于提供生物组织的功能信息。和内窥镜结合，可用于胃癌、食道癌等疾病的早期诊断，是一种很有前途的具有高灵敏度、高特异性以及高诊断准确性的早期癌症诊断方法。
光声作用成像：利用超声场在生物组织中的优良传输特性和激光在生物组织中的选择性吸收特性,将超声定位技术和光学高灵敏度检测技术结合,以实现无损伤临床医学的结构和功能层析诊断。预期成像深度远好于目前的光学成像方法,对于较厚生物组织成像及临床应用特别具有吸引力,可为及早发现一些特殊病变提供一种无损、有效、高准确度的方法。
非线性光学成像：双光子激发荧光显微成像、二次谐波等成像技术由于具有三维高空间分辨率，对比度高、对生物组织的损伤小等优点，研究工作重点是扩展成像技术在生物医学领域的应用范围，重点解决研制小型化内窥型诊断设备所面临的相关技术问题。
人体经络的光学表征及其调控功能：已经用不少事实证明了经脉循行路线的现象，也初步显示了人体体表沿十四经脉路线存在的红外辐射轨迹。然而，至今未能用西医的形态学或生理学方法证明它的存在，也不能明晰地阐明“经络”的实质。可以利用已发展的生物医学光子学诸多成像技术为工具，研究这个具有中国特色的中医学中的重大问题。
4.医用激光治疗技术（激光医学）
强激光治疗：是当前激光医学中最成熟和最重要的领域。随着新型医用激光器的不时出现，如：钛激光、铒激光、准分子激光等，强激光治疗技术的临床用途也逐渐增多，提出一些新的问题。关于这些新型激光器及新的工作方式对人体组织的作用特点的认识还相对不足，基本没有适合国人组织特性的治疗参数。为此需加强研究激光与生物组织间的作用关系，特别是在诸多有效疗法中已获得重要应用的激光与生物组织间的作用关系；研究不同激光参数（包括波长、功率密度、能量密度与运转方式等）对不同生物组织、人体器官组织及病变组织的作用关系，取得系统的数据，同时也有必要加强新型激光器及新的工作方式的临床适应证的研究。
低强度激光治疗：非热或低强度激光辐射可作为一种辅助治疗手段，其作用机理尚不清楚。对弱激光治疗机理的认识有待于整个基础医学的提高，如充分认识细胞基因表达与调控、细胞代谢的调控、免疫反应的调控等，同时还需研究不同弱激光剂量对这些调控的影响，这才能提高弱激光治疗的针对性和疗效。针对目前临床上盲目夸大疗效、照射剂量严重混乱的局面，建议重点扶持2-3个弱激光研究中心，集中财力与人力进行弱激光的细胞生物学效应研究；弱激光生物调节作用和细胞生物学现象（基因调控和细胞凋亡）的量效关系、弱激光镇痛的分子生物学机制以及弱激光与细胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的关系及其机制。寻求弱激光生物刺激效应的可能机制与量效关系；规范临床治疗参数与操作等。
光动力学治疗（PDT）是当前激光医学中最具活力且发展迅速的领域。光动力疗法具备了诊断和治疗肿瘤、心脑血管病等人类重大疾病的潜力。光动力疗法在鲜红斑痣、老年性眼底黄斑病变、某些顽固性皮肤病、类风湿性关节炎等常规手段难以奏效的良性疾病的治疗研究中取得一系列进展，并结合内镜技术的发展等，其应用领域得到很大的延伸和扩展。这些都说明发展光动力疗法具有重要的社会和经济效益。应当重点资助PDT相关产品的国产化，扶持新一代国产光敏剂的开发及相应激光器的产业化，资助新一代光敏剂光动力学治疗的机理研究。作用机理、光动力疗法各要素对光动力学效应的影响、建立数学模型、新型光敏剂光动力学效应的研究，为开拓光动力疗法新的应用领域取得系统的数据。
激光美容与光子嫩肤术：利用激光或强脉冲光照射皮肤后的选择性光热解效应，即靶组织（病灶）和正常组织对光的吸收率的差别，使激光在损伤靶组织的同时避免正常组织的损伤这一原则，达到去皱、去文身、脱毛和治疗各种皮肤病或达到美容的效果。
五 结论
医学光子学及其技术的学科发展，对生命科学有重要且积极的意义。在医学领域，将为解决长期困扰人类的疑难顽疾如心血管疾病和癌症的早期诊治提供可能性，从而提高人类的生存价值和意义，其中的重大突破将起到类似X射线和CT技术在人类文明进步史上的重要推动作用，在知识经济崛起的时代还可能产生和带动一批高新技术产业。
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课题组成员：
1.谢树森：教授、博士导师，中国光学学会副理事长，福建省光学学会理事长
2.李 晖：福建师范大学 医学光电科学与技术教育部重点实验室
3.陈 荣：福建师范大学 医学光电科学与技术教育部重点实验室
关键词 电子理论；密度泛函理论；材料科学
中图分类号 TU5 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）161-0184-02
近几年，密度泛函理论与分子动力学相结合，在材料设计、合成、计算等诸多方面有明显进展，成为计算材科学的重要基础和核心技术。其他量子力学多体问题往往会具有一些“硬伤”，在计算的效率上，计算结果的精确度上，甚至于计算的方法上都难以达到一定的高度，随着密度泛函理论的出现，使量子力学的研究又提升到另一个层次，与其他解决量子力学多提问题的方法相比，采用密度泛函理论所进行的研究能够给出让人满意的结果，尤其使数据的精确，更能够应用到其他领域的研究中，例如化学、数学等，甚至应用于工业生产和人们的生活中。
1 电子理论概述――以密度泛函理论为例
近年来随着物理学的快速发展，人类在探索与发现量子力学和微观事物本质问题上的研究成果越来越多，现今科学学科的分支确定更加细致化，仅就材料物理学科来说，建立了计算机材料分支学科。物理材料的基本性质多数会受到电力结构的影响，故而研究电子理论也必须借助于量子力学。发展电力理论为研究材料科学奠定了坚实基础，同时也给材料科学的研究提供了有利的预测依据，能在一定程度上提高材料科学的发展速度，因此在材料物理科学中论述电力理论的意义和可行性是十分明显的。
电子理论是一种传统理论的统称，但实际上电子理论中包含很多小的概念和理论，不同的理论也有不同的表述方式，密度泛函理论是较早的一种量子理论，他是以Thomas-Fermi的理论为基础，产生于1960年到1970年。对于密度泛函理论来说，它与传统的量子理论的不同在于对基本物理性质的描述方法，也是一种基准。前者是将粒子密度作为基本物理量，而后者则将研究重点放在粒子密度上，使得二者有很大的不同。
密度泛函理论并不是一成不变的，而是随着科学研究的愈加深入而逐步发展的。从基本理论到现在的非局域泛函，不断有新的理论来扩充这一理论所涵盖的范围，同时，这些理论互相弥补，也使得计算结果越来越精确和有效。可以说，这一理论是一种活的理论，它不但在本身领域不断深入发展，还与其他理论相互联系，活跃前进。
我们所称的密度泛函理论具有很强的特点，主要在于需要通过计算机的运算来进行，运行的计算机中需要装载相联系的软件。在市面上我们可以看到许多有关软件，上面我们说到，不同的密度泛函理论所计算出的结果也不尽相同，主要差别在于数据的精确性，中间的差别在一定程度上与所使用的软件有关。这一理论由于它的应用性广泛，被用于多个领域的计算中，但也存在其本身的问题。但是，总体来说，密度泛函理论是一种相对较成熟的理论体系，今后其发展也将会更加多样。
2 密度泛函理论在材料科学中的应用
如上所述，密度泛函理论在应用中已经得到了广泛的实践。“近几年来DFT同分子动力学方法相结合，在材料设计、合成、模拟计算和评价诸多方面有明显的进展，成为计算材料科学的重要基础和核心技术”。
2.1 电性材料科学中的应用
在电能与热能之间的转换的领域上，各国的研究者都在深入进行研究，试图找到一种新的电子特征。有的科学家利用密度泛函理论研究出某种材料的导电性能与金属相比的优劣；有些科学家利用密度泛函理论框架中的小的理论，研究了电子、磁及其相互作用的问题，“结果表明，体系的性质随原子位上库仑相互作用参数U的改变而显著变化”。有的科学家运用密度泛函理论，将增强的表面超导和图像翻转现象进行了计算和预判。
2.2 磁性材料科学中的应用
磁性材料科学是起源很早的一门科学，我们都知道，铁是最早被发现具有磁性的物质，千百年来，人们对磁性科学的态度从神秘到了解，现在已经通过多种方法在研究。有些科学家通过密度泛函理论获得了FeN的结构、结合能和磁矩，并且研究出团簇的尺寸的不同对原子的磁矩没有必然的影响，反而原子会在某一范围内变化。
2.3 光学材料上的应用
光学材料一般是指传输光的介质材料，有些科学家利用密度泛函理论研究而得出：“在有机多层光电子发射二极管、光族材料和高密度光数据贮存材料上有潜在应用。”
2.4 在纳米材料上的应用
纳米材料是指物质的3个纬度中至少有一个纬度的量级是纳米。纳米材料自被发现以来，逐步广泛应用在生产、生活中，我们生活中所常见的纳米防爆膜、纳米微针等，现在在信息产业、能源产业、环境产业等都有广泛的应用，同时科学界对纳米的研究还在更加深入和精确。一些科学家利用密度泛函理论，研究出某些物质能够吸收红外，并且这种吸收能力极强。
3 结论
经典的电子理论认为，正离子所形成的电场是均匀的，而自由电子由于是运动的而不具有这种特性，自由电子和正离子相互碰撞不能形成新的物质，而仅仅是作为一种机械运动。正因为自由电子的不规律运动，所以没有显性的表现形式，但一旦给自由电子一个外在的力，例如磁场，自由电子就会有规律有方向地进行移动，从而形成电流。本文所讨论的密度泛函理论，是在电子理论中具有重要地位的一种理论，尽管它现在已经广泛应用于化学计算中，但是电子理论是包含多种其他理论，因此密度泛函理论更需要其他理论作为依据和支撑，其本身也能够为其他理论研究提供理论支持，因此，无论是主要利用该理论或者是借鉴密度泛函理论的原理或计算方法，做出的研究也渐渐投入到实践中，从而真正有益于人类。
参考文献
[1]Hasnip Philip J，Refson Keith，Probert Matt I J，Yates Jonathan R，Clark Stewart J，Pickard Chris J. Density functional theory in the solid state.[J]. Philosophical transactions. Series A， Mathematical， physical， and engineering sciences，2014，3722011：.
10月19日下午，以“挑落欧姆定律的量子现象和应用展望创新源于科技”为主题的未来论坛科技创新峰会在北京举行。当物理学家薛其坤出现在台上并作主旨演讲时，台下的观众纷纷拿起手机拍照，试图记录下“未来科学大奖”的首位物质科学奖获得者在获奖后的首次亮相。
薛其坤的备受瞩目，和他一直研究的量子霍尔效应有关。作为量子反常霍尔效应理论模型的发现提出者，薛其坤在2013年就被称作是“离诺贝尔奖最近”的中科院院士。量子反常霍尔效应如若实现产业化，为电子器件发展、量子计算机应用等领域开辟新的道路，将为人类社会带来巨大的应用前景。
神奇的量子世界
物理学家眼里世界是什么样的？在薛其坤看来，他研究的量子世界充满了神奇。
普通状态下的电子运动轨迹是无序的，时有碰撞，电子设备也会因此而发热，导致能量损耗，这也是目前整个微电子产业面临的瓶颈问题之一。但在超导和量子霍尔效应这两个奇异的量子现象中，发热问题可以被完全避免。薛其坤表示，量子反常霍尔效应代表着微观世界电子运动的新规律。
薛其坤及团队自2012年10月在实验中发现量子反常霍尔效应至今已有4年时间，薛其坤说，其团队目前所取得的较大的进展就是将测量到量子反常霍尔效应的温度――即观测温度从30mk（负273.12℃，仅比绝对零度高0.03℃）提升了约30倍。
《时间线》：当初怎么想到要研究量子反常霍尔效应？
薛其坤：作为一个实验物理学家，首先要学习做科学研究的方法，学习怎么判断科学问题重要还是不重要。当然要练好基本功、积累经验，随着时间和投入变多，对整个领域的把握能力变强，具备一个成熟科学家最基本的素质。在2005年左右国际上就兴起了拓扑绝缘体这个领域，而我以前的科研基础特别适合研究张守晟老师提出来的量子反常理论。应该说是瓜熟蒂落的过程。
《时间线》：量子反常霍尔效应、和高温超导这两个研究方向在未来的应用会有哪些想象空间？
薛其坤：量子反常霍尔效应将来的应用方向有两个――集成电路和新型磁储存。现在只要重启计算机，里面所有的程序也会重启，如果用量子反常霍尔效应或相关效应做磁存储的芯片、非挥发性磁存储或者是存储器，那么关机前原来的状态将会保留。
高温超导方面，主要是解决材料发热的问题，并且在磁共振成像方面有所应用。根据欧姆定律，互联总是发热的，一般的导体都会存在着发热问题。如果用我们能把高温超导材料的超导临界温度提高到液氮替代以后温度以上，只要发热的电子器件都可以应用。此外，雷达、舰艇、飞机的探测上，都有一些高温超导应用的可能，主要取决于材料超导转变温度高低。如果液氮温度达到，不管是电子器件还是雷达，包括医疗设备等磁共振成像，都可以更换成相对便宜的液氮冷却去实现。
《时间线》：今年诺贝尔奖物理学奖的研究成果也提到了您的研究成果，您的团队也被认为是中国冲击诺贝尔奖物理学奖的热门人选。
薛其坤：作为一个科学家应该是追求把研究在能力范围内做到最好。我们的团队在这个方向上可以说做到了世界最高水平，我们还会在这个基础上继续找到新的科学问题去研究。至于拿不拿奖，老实说我们有拿奖的想法，但是因为诺贝尔奖的评奖完全取决于一个委员会，有时候还带着一些别的色彩，所以我们不去刻意追求。在科学上追求最高水平是我们现在持有的态度。其实这一次未来科学大奖的设立也是中国人自信的一个表现。
《时间线》：刚才您提到它在集成电路和芯片方面有比较大的应用空间，从2012年发现量子反常霍尔效应到现在已经过了4年，这两个领域在产业化方面是否有进展？
薛其坤：4年之中我们一个比较大的进展，就是测量到量子反常霍尔效应的温度，也叫观测温度，从原来30毫K现在提高到1K，大概是30倍的增加。1K对大部分应用来讲还是比较昂贵的，整个温度制冷这么低需要非常昂贵的制冷设备，所以目前大概要花几百万机器制冷，探索它的产业化时机还不成熟。我们设想是在今年或者两三年之内把观测温度提高到4K，灌上液氦，仪器就可以工作了，到时候会考虑特种器件的研发，甚至在国防方面也会有。目前现在温度还太低，还没有到考虑技术开发甚至应用的程度。
《时间线》：未来科学大奖背后有很多企业家在支持，获奖的研发成果有没有和这些企业家去探讨把它产业化或者民用化的一个方向？
薛其坤：一方面是从基础研究到应用的对接、合作需要人与人之间的了解，另一方面是基于对科学的热爱，当然以后和科学大奖背后的企业家合作的可能性会大一点。只要是到了具备研发条件的水平，我们愿意和国内任何企业去合作。
《时间线》：拿到未来科学大奖对您的学术生活和个人生活有什么影响？100万美元的高额奖金打算怎么支配呢？
薛其坤：最大的还是对自己这么多年科学生活的鼓励吧。给了这么大的荣誉，进一步激发了我探索科学和做基础研究的热情。奖金部分，会在科研上继续投入，当然也让自己的生活有了一些改善，团队的成员也会根据个人的贡献拿到一部分，这是对他们工作的肯定和回报，鼓舞年轻人在未来科学生涯中和研究中做得更好。
用打游戏来比喻做科研
2005年41岁的薛其坤被增选为中科院院士，是当时技术科学部“新科院士”中最年轻的一位。薛其坤1984年毕业于山东大学，1994年在中国科学院物理研究所获理学博士学位。曾先后在日本东北大学、美国北卡罗莱纳州立大学、中国科学院物理所从事研究工作。
然而薛其坤并非出身书香世家，靠着常人难有的毅力才有了今天的成就。面对两次考研失败，以及日本八年留学期间的种种挫折，薛其坤教授以“异于常人的吃苦耐劳精神”和高度的责任感完成了研究任务。
薛其坤曾说：“我虽然不会理发，但学过数学和物理，懂得无穷逼近的道理，只要告诉我要理的发型，通过逐步接近的办法总能够剪出来。理发是这样，做学问也是如此。”正是这样对科学“无穷逼近”的探索，让他感受到了常人难以体会到的科学之美。
《时间线》：从事科研那么长时间，您自己感受到科学美丽的地方在哪儿？
薛其坤：科学家几乎每天都能看到新东西，对琢磨不清的谜团试图找到一个圆满的回答。到一定程度的时候，科学家比大部分人过得有意思。就好像打游戏一样，一旦进入玩游戏的时候，每过一关或者升级都是一种享受，其实很有多其他的工作没法得到这种收获和回报。有时候这种美妙还只能意会不能言传，我天天在办公室待着看数据，看出了不解的地方，最后经过研究设计出巧妙的实验，思考出问题怎么解决。比如说我怎么设计出一双鞋子，使我增高了，但是你看不出我垫了高跟，我把这个事情解决了结果非常圆满，那就是今天的生活太有意思了。
《时间线》：对于普通大众来说，您觉得科学魅力在哪儿？特别是对成长中的孩子和年轻人来说呢？
薛其坤：科学的魅力实际上是可以可以简单比喻为满足他的好奇心，让他们感受世界的特别，回答他提出的很多为什么。人都是好奇的，尤其是孩子，但提出的问题如果没有人能够解释，就满足不了他的好奇心。满足孩子的好奇心的过程就是一个非常好的回报。我想对大人也一样，对很多事情想知道为什么。在不同层次上满足人的求知欲和想象，这会让你感到非常的幸福给出圆满的回答。
《时间线》：科学家这个职业很有趣吧。
薛其坤：世界上很多事情都讲究规则，科学家不一样，在研究方向的选择上，不用受别人控制，你想象的东西是什么就按照这样去做，思想没有禁锢是自由的，当然前提是科学的。如果一个科学家是世界上第一个解决了某个难题的，那么全世界很多人都要在后面跟着你研究，这是任何很多职业都没有的魅力。
比如说我是第一个登上珠穆朗玛峰，和第二个登感觉就完全不一样，是第一个领略这种风光的人。
[关键词] 化学 萌芽 发展 学科分类
化学是研究物质的组成、结构、性质、变化和应用的科学。世界是由物质组成的,化学则是人类用以认识和改造世界的主要方法和手段之一,它是一门历史悠久而又富有活力的学科,它的发展是人类社会文明的重要标志。人类生活水平的不断提高,化学所起的作用功不可没。
一、化学的萌芽
原始人类从用火之时便开始了用化学方法认识和改造天然物质。燃烧就是一种化学现象。人类开始吃熟食;并逐步学会了制陶、冶炼、酿造、染色等工艺。这些由天然物质加工改造而成的制品,成为古文明的标志。并因此萌发了古代实用化学。
古人曾据物质的某些性质对物质进行分类,并提出了阴阳五行学说,认为万物是由金、木、水、火、土五种基本物质组合而成的,而五行则是由阴阳二气相互作用而成的。用“阴阳”这个概念来解释自然界两种对立和相互消长的物质势力,认为二者的相互作用是一切自然现象变化的根源。此说法是朴素的唯物主义自然观。希腊也提出了火、风、土、水四元素说和古代原子论。后来在中国出现了炼丹术,也因此创造了各种实验方法,如研磨、混合、溶解、结晶、灼烧、熔融、升华、萃取、密封等,并逐步演化为近代化学。
二、化学的中兴
16世纪开始,欧洲工业生产蓬勃兴起,推动了医药化学和冶金化学的创立和发展,继而更加注重了物质化学变化本身的研究,进而建立了科学的氧化理论和质量守恒定律,为化学进一步科学化的发展奠定了基础。
19世纪初,近代原子理论突出强调了各种元素的原子的质量为其最基本的特征,其中量的概念的引入,是与古代原子论的一个主要区别。近代原子论使当时的化学知识和理论得到了合理的解释。分子假说的提出,原子分子学说的建立,为物质结构的研究奠定了基础。门捷列夫发现元素周期律后,不仅初步形成了无机化学的体系,并且与原子分子学说一起形成了化学理论体系。
草酸和尿素的合成、苯的六元环状结构和碳原子四价学说的创立、酒石酸拆分成旋光异构体,以及分子的不对称性等的发现,使得有机化学结构理论得以建立19世纪下半叶,热力学等物理学理论介入化学之后,不仅澄清了化学平衡和反应速率的概念,还定量的判断了化学反应中物质转化的方向和程度。相继建立了溶液理论、电离理论、电化学和化学动力学理论。物理化学的诞生,把化学从理论上提高到一个新的水平。
三、化学的升华
由于受自然科学和其他学科发展的影响,在无机化学、分析化学、有机化学和物理化学四大分支学科的基础上产生了新的化学分支学科。在结构化学方面,由于电子的发现确立了现代的有核原子模型,不仅丰富和深化了对元素周期表的认识,而且还发展了分子理论。应用量子力学研究分子结构,从而产生了量子化学。从氢分子结构的研究开始,逐步揭示了化学键的本质,先后创立了价键理论、分子轨道理论和配位场理论。研究物质结构的谱学方法也由可见光谱、紫外光谱、红外光谱扩展到核磁共振谱、电子自选共振谱、光电子能谱、射线共振光谱、穆斯堡尔谱等。
在化学反应理论方面,由于对分子结构和化学键认识的提高,经典的、统计的反应理论进一步深化,在过渡态理论建立后,逐渐向微观的反应理论发展,用分子轨道理论研究微观的反应机理,并逐渐建立了分子轨道对称守恒定律和前线轨道理论。分子束、激光和等离子技术的应用,使得对不稳定化学物种的检测和研究成为现实,从而实现了化学动力学从经典的、统计的宏观动力学到单个分子或原子水平的微观反应动力学的升华。
分析方法和手段是化学研究中经常使用的。一方面,分析方法的灵敏度不断提高,从常量组分分析发展到微量、痕量组分分析;另一方面,许多新的分析方法,可深入到结构分析、构象测定、同位素测定、各种活泼中间体(如自由基、离子基、卡宾、氮宾、卡拜等)的直接测定,甚至到对短寿命亚稳态分子的检测。分离技术也在不断革新,如离子交换、膜技术、色谱法等。
物质合成是化学研究的目的之一。在无机合成方面,首先是氨的合成。氨的合成不仅开创了无机合成工业,而且带动了催化化学,发展了化学热力学和反应动力学。后来相继合成的有红宝石、人造水晶、硼氢化合物、金刚石、半导体、超导材料和二茂铁等配位化合物。
在电子技术、核工业、航天技术等现代工业技术的推动下,各种超纯物质、新型化合物和特殊需要的材料的生产技术都得到了较快发展。稀有气体化合物的成功合成又向化学家提出了新的挑战,需要对零族元素的化学性质重新加以研究和认识。无机化学在与有机化学、生物化学、物理化学等学科的相互渗透中产生了有机金属化学、生物无机化学、无机固体化学等新兴学科。
酚醛树脂的合成,开辟了高分子科学领域。20世纪30年代聚酰胺纤维的合成,使得高分子的概念得到广泛的确认。各种高分子材料合成和应用,为现代工农业、交通运输、医疗卫生、军事技术,以及人们的衣食住用行各方面,提供了多种性能优异而成本较低的重要材料,成为现代物质文明的重要标志。20世纪是有机合成的黄金时代。化学的分离手段和结构分析方法已经有了很大发展,许多天然有机化合物的结构问题纷纷获得圆满解决,同时还发现了许多新的重要的有机反应和专一性有机试剂,在此基础上,精细有机合成,特别是在不对称合成方面取得了很大进展。一方面,合成了各种有特种结构和特种性能的有机化合物;另一方面,合成了从不稳定的自由基到有生物活性的蛋白质、核糖核酸等生命基础物质。有机化学家还合成了结构复杂的天然有机物和特效药物。所有这些成就对促进高分子学科的发展起到了巨大的推动作用,为合成有高度生物活性的物质,解决有生命物质的合成问题,提供了有利条件。
20世纪以来,化学发展的趋势可以归纳为:由宏观向微观、由定性向定量、由稳定态向亚稳定态发展,由经验上升到理论并应用于实践。
四、化学学科的分类
化学在发展过程中,依照所研究的分子类别和研究手段、目的、任务的不同,从传统的无机化学、有机化学、物理化学和分析化学四个基础分支过渡到无机化学、有机化学、物理化学、生物化学、高分子化学、应用化学和化学工程学等七大分支学科。还有与化学有关的边缘学科,如地球化学、海洋化学、大气化学、环境化学、宇宙化学、星际化学等。
化学的发展体现在两方面:一方面,为生产和技术部门提供尽可能多的新物质、新材料;另一方面,在与其它自然科学相互渗透的进程中不断产生新学科,并向探索生命科学和宇宙起源的方向发展。
参考文献:
[1]徐景达.有机化学.人民卫生出版社,1997.
[2]谢协忠.水分析化学.河海大学出版社,2003.
立足大背景 寻求新发展
量子信息物理，顾名思义，这是一个由信息科学与量子力学学科交叉产生的、全新的研究方向。
“这门学科的出现有其重要的意义。”崔海涛介绍，“根据摩尔(Moore)定律，每18个月，计算机微处理器的速度就会增长一倍，其中单位面积(或体积)上集成的元件数目也会相应地增加。可以预见，在不久的将来，芯片元件就会达到它能以经典方式工作的极限尺度。因此，如何突破这种尺度极限是当代信息科学所面临的一个重大科学问题。量子信息的研究就是充分利用量子物理基本原理的研究成果，发挥量子相干特性的强大作用，探索以全新的方式进行计算、编码和信息传输的可能性，为突破芯片极限提供新概念、新思路和新途径。”“量子力学与信息科学结合，不仅充分显示了学科交叉的重要性，而且量子信息的最终物理实现，会导致信息科学观念和模式的重大变革。”崔海涛说。
时至今日，量子信息技术的发展不仅引起了学术界的关注，各发达国家也针对其制定了本国的研究发展规划，以期抢占未来信息科技的制高点，并投入大量人力、物力用于支撑该领域的基础性、前瞻性的研究。我国也于2006年9月了国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)，将以量子调控技术为代表的量子信息技术的研究纳入到基础研究重大科学研究计划当中。正如《纲要》中所描述的那样：“以微电子为基础的信息技术将达到物理极限，对信息科技发展提出了严峻的挑战，人类必须寻求新出路，而以量子效应为基础的新的信息手段初露端倪，并正在成为发达国家激烈竞争的焦点。量子调控就是探索新的量子现象，发展量子信息学、关联电子学、量子通信、受限小量子体系及人工带隙系统，构建未来信息技术理论基础，具有明显的前瞻性，有可能在20～30年后对人类社会经济发展产生难以估量的影响。”崔海涛团队的研究项目就是在这一大背景下展开，致力于解决量子信息技术中关键的、基础性的问题，并对相关实验技术的发展产生重要的理论指导作用。
紧扣量子纠缠 顺通量子信息
细看崔海涛的研究履历，其关键词便是“量子纠缠”。
“如果说量子信息主要是基于量子力学的相干特征、重构密码、计算和通讯的基本原理，那么，量子纠缠在其中发挥的是非常重要而且非常基本的作用。”在多年的学习和研究过程中，崔海涛认识到，一方面，许多重要的量子信息技术都需要量子纠缠的参与才能实现，例如，量子远程传态、量子保密通讯、量子密钥分发等；另一方面，由于量子体系与其他自由度的相互作用，这种作用最终导致体系的自由度与其他自由度的量子纠缠，由于环境选择的结果，量子体系的相干性质会逐渐消失，此即所谓退相干过程。退相干是实现量子信息过程所面临的最大障碍，如何有效克服退相干，延长量子体系的相干时间是当前量子信息技术研究的前沿课题。“就是这样奇特的物理性质，物理学家们对它的理解至今也非常有限，这严重制约了量子信息技术的发展，因此，建立对量子纠缠普遍的物理理解已经成为当今量子信息领域最为急迫需要解决的问题之一。”
如何建立对多体量子态纠缠的普遍理解?如何在具体的物理系统中制备纠缠的量子多体态?看上去，只要解决了这两个问题，量子纠缠就不再是瓶颈，然而，真的如此简单么?“最直观的做法是将两体纠缠的理解推广到多体。但经事实证明，这种推广具有很大的局限，因为量子多体态的纠缠具有远比两体纠缠更为丰富的内容。”接着，崔海涛进行了举例说明，“在3量子比特中，存在两个随机定域操作与经典通讯操作下不等价的三体纠缠态；GHZ态和W态。它们都是真正的三体纠缠态，却表现出完全不同的纠缠性质。对于GHZ态，任意一个或两个量子比特的约化密度矩阵都是单位阵；而W态，通过对任一量子比特的测量，可以得到其他两个量子比特的最大纠缠态。4个量子比特情况就更为复杂，迄今为止也没有一个完整的分类。”
直观推广不成，崔海涛又开始考虑换角度钻研。他认为，多体纠缠的度量应该包括两方面的内容：纠缠模式(pattern)和纠缠强度(intensity)。纠缠强度即纠缠的大小，现已有一些比较好的度量方式，如几何纠缠；纠缠模式则是指对应多体纠缠的分类。而伴随着纠缠模式，又出现了一个新的问题――多体态不同纠缠模式表示什么样的物理意义?“因为这涉及到如何在实验室中制备不同的多体纠缠。不同的纠缠模式必然对应完全不同的物理性质，SLOCC不等价关系的存在也限制了从‘最大纠缠态’得到其他任意纠缠态的可能。对于不同的纠缠模式，我们需要不同的物理系统(Hamilton量)来制备。这些系统之间又是怎样的关系呢?”
为了解惑，在国家自然科学基金项目“几何相与量子纠缠的理论研究”和“多体系统中的量子纠缠及其几何分类的理论研究”的支持下，崔海涛带领研究团队在此研究方向上刻苦钻研多年，并取得了一些深刻的认识。通过附加对称性的要求，例如，量子态的平移不变性质，他们发现完全可以普遍地建立这些多体纠缠态间的等价关系。而且，经进一步研究发现，这些等价关系可以通过态的几何性质很好地区分。也就是说，不等价的多体纠缠对应体系的不同几何结构。更为重要的是，这些几何结构可以通过几何相物理地加以描述。多体纠缠中的非平庸几何结构的发现并不是孤立的，联系最近凝聚态体系中相关几何效应的发现，有理由相信他们之间存在某种形式的联系。相关的研究工作正在进行中。
事实上，围绕多体系统中的几何相与量子纠缠的理论问题，崔海涛自攻读博士期间就产生了浓厚的兴趣。特别是近5年来，陆续发表了一些高水平的学术成果，并主持承担了一些科研项目。迄今为止共发表学术论文22篇，均为SCI收录，论文总引用次数137次，他引超过80次。其中，有7篇文章发表在国际权威物理学期刊“Physical Review A”上。2007年发表在“Physics Letter A”上的论文“A Study on the suddendeath of entanglement”已被引用60次(他引57次)，其他论文亦有不同程度的引用。
对于热爱这项研究的崔海涛来说，这种对未知科学世界的探索是他甘之如饴的兴趣和追求，也是他情愿脚踏实地“做一辈子的职业”。
一、让学生在自我探究中感受科学的实证
本节课根据新课标理念,为了体现了学生的主体意识、探究意识,并让学生了解了科学探究的过程。开始上课时,我播放了根据以前实验而剪辑的视频:镁条燃烧,盐酸使滴有酚酞的氢氧化钠溶液变成无色,二氧化碳使澄清的石灰水变浑浊,氢气还原氧化铜得到亮红色的铜,氢氧化钠溶液与硫酸铜溶液生成蓝色絮状沉淀,继而设置问题情境:“在化学反应中有质变,我们以前重在定性地研究化学变化,今天,我们要研究一下在化学反应前后有没有量变呢?”首先让学生根据已有知识进行假设,并设计方案;然后自己动手实验来验证假设。学生认真地调节天平,小心地滴加溶液,有序地完成了滴有酚酞的氢氧化钠溶液与盐酸的反应,碳酸氢钠溶液与盐酸反应,氢氧化钠溶液与硫酸铜溶液反应,得出结论,成功的喜悦洋溢在脸上,这就是科学,任何正确的方法都可以得出相同的结论,这也是科学,经得住实证。
二、让学生在问题的解决中感悟科学的艰辛
在学生实验初步得出结果后,我又让学生在敞开体系中完成蜡烛燃烧前后的质量关系的测定,结果出来后与他们以前的结论在不相同。我第一次设问,“为什么不相等”,前三次实验结论与第四次实验结论发生的矛盾冲突,使学生不觉中陷入一种深思,相互之间悄声讨论起来。原来是蜡烛产生的气体跑掉了,学生眼前一亮。第一次设问使反应的装置问题在不知不觉中进行升华――有气体参加或生成的反应前后质量的测定,要在密闭体系中进行的结论。第二次设问我设置在对质量守恒定律从原子――分子论进行解释后。解释完质量守恒定律后,我话锋一转“爱因斯坦提出狭义相对论和质能关系公式(E=mc2)以后,说明物质可以转变为辐射能,辐射能可以转变为物质。这个结论对质量守恒定律在化学中应用有何影响呢?”。经过第二次设问,学生的思维马上又被激活,他们在试图科学家的定律中又一次体味到成功。我又出示如下的资料:实验结果证明1000g硝化甘油爆炸之后。放出的能量为8.0×106 J。根据质能关系公式计算,产生这些能量的质量是8.9×10-7g,与原来1000g相比,差别小到不能用现在实验技术所能测定。从实用观点来看,可以说在化学反应中,质量守恒定律是完全正确的。但是从科学的角度,是不相等的,特别是当质量守恒定律应用于其它领域时,科学家于是把质量守恒定律和能量守恒定律合二为一,称为质能守恒定律。学生就在这“等――不等”“不等――等”的山重水复中,玩味科学的艰辛与严肃的柳暗花明。
三、让学生在概念的辨析中领略科学的严谨
在学生探究后,呈现出各种各样的结论,即质量守恒定律的若干表述,如前后质量相等,反应前后的质量相等,反应物的质量等于生成物的质量等等,在总结学生的归纳的后,我用字幕打出书上关于质量守恒定律的正确表述:参加化学反应的各物质的质量总和,等于反应后生成的各物质的质量总和。并把“参加”和“生成”两个词用红色进一步强调。并进一步解释指的是反应物的减少和生成物的增加,其它的无关,并在练习题中进一步强调这两个词。
如:1.已知A +B――C+D,现将A、B两物质各10克混合后加热,生成4克C和8克D,则A已完全反应,求A与B反应时的质量比。在解题中,由于B没有完全反应,故在解题中不能用10克,而要用质量守恒定律求出参加B的质量。
2.将30克A、20克B和10克C混合,待充分反应后,测得A全部消耗,B剩余4克,C增加6克,同时生成一种新物质D,若生成10克D,求可生成C的物质的质量。在解此题时,B剩余4克说明参加的是(20-4)=16克,C要代入6克,而不是总的质量16克。通过习题,学生进一步理解到科学表述的严谨。
四、让学生在交流中品味科学的美丽
科学是美的,在质量守恒定律中体现出来的是形式上的对称美。在解释质量守恒定律前,我用水电解的动画来展示化学反应前后分子的拆分与原子的更新组合,随后让学生用原子――分子论来解释质量守恒定律,最后归纳如下:
原子前后的对称与守恒,表现形式的左右的对称,给学生一种美的享受。正如课下学生的感慨:在探究时觉得科学是一个难懂的小姑娘,面对她不知所措;结束时觉得科学是一个慈祥的老人,与他交谈分外亲切,这难道说不是一种升华的美?
五、让学生在学科交叉中渗透科学的迁移
在知识的探研中,学生是要体验科学的过程,但是更要在探究过程中形成能力,而检验能力形成最科学的方法是在变式中看学生的解决问题的快慢。为了考查学生对天平原理的掌握,我设置了如下一个习题:老师让同学在家自行完成铜丝燃烧前后质量的关系,但同学甲没有向实验老师借天平,他能完成老师留的作业吗?学生经过讨论,认为同学甲可以完成作业,方法如下:(1)找一个杠杆装置,用细沙或水或碎纸做砝码进行称量;(2)用细线将铜丝悬挂起来,使得左右相平,然后对一侧的铜丝加热后再一次悬挂,看左右是否相等。问题的解决过程中,使得杠杆原理得以迁移应用。
在测气体产生的化学反应前后质量变化时,我又转化为如下一个问题:如果产生的气体足够多,气球足够大,天平还平衡吗?学生很快把物理上的空气浮力迁移过来,气球大,则产生的浮力超过天平的感量,则一定不会再平衡。如何改?我又出示了我预先准备的塑料瓶,压瘪后作为反应器,量再大时,我引导同学设法用液体吸收等可行的方法。通过两例迁移,学生在化学课上应用了物理上天平工作的杠杆原理,同时也加深了天平测得的实质是重量的事实。物理知识在学生解决化学问题时得到应用,也极大地刺激了学生学习科学的积极性。
今天,我在课堂上埋下一粒科学的种子,明天,我希望科学的实证精神、严谨的治学态度及科学的美丽伴随孩子们同行!
教学时间一课时。
教学目标
1.知识与技能
了解并识别光电效应现象。
能表述光电效应现象的规律。
了解光子的概念，会用光子说解释光电效应现象的规律。
理解光电效应方程。
粗略了解光电效应研究史实。
2.过程与方法
观察赫兹实验中的放电现象，体验发现的过程。
经历“探究光电效应规律”的过程，获得探究活动的体验。
尝试发现波动理论面对光电效应规律遇到的困难。
领略“观察、实验──提出假说──实验验证──新的假说……”的物理学研究方法。
3.情感态度与价值观
体验探究自然规律的艰辛与喜悦。
陶冶崇尚科学、仰慕科学家，欣赏物理学的奇妙与和谐的情愫。
学习科学家敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神，培养判断有关信息是否科学的意识。
教学用具
1.实验装置赫兹实验装置;光电效应现象演示装置。
2.多媒体课件;资料文字;赫兹实验装置示意动画;研究光电效应实验示意动画;光电效应的波动说描述与光子说描述动画;密立根证实光电方程实验示意动画;普朗克、爱因斯坦、密立根资料图片动画;
设计理念本课教材蕴含着十分丰富的教学内容：在知识方面，本课作为后牛顿物理两大支柱之一──量子理论的入门，涉及量子物理最基础的内容，同时，还有着厚重的物理学科文化积淀，有物理学史、科学方法、辩证唯物主义思想、创新意识等人文精神教育的题材。教材在知识陈述上较为浅显直接，而关于这些知识的“背景”，则是相当丰满、承赋人文，为实施“科学的人文教育价值”提供了很大的空间。基于教材特点，本教案设计“以人为本”，突出从赫兹发现光电效应，勒纳德研究光电效应规律，爱因斯坦提出光子说解释光电效应规律，到密立根实验验证光电效应方程，物理学家们上下求索三十年的历程，在让学生学到量子论基础知识与基本技能、发展微观思维方法的同时，获得物理课程文化的浸润与陶冶，体现物理教育在个性品质、好奇求知、质疑创新、科学美及责任心等方面的价值导向。
本课总体设计思想是：课堂教学以光电效应三十年精彩历程为线索，通过充分展示围绕“光电效应”所发生的发现现象、研究规律、提出假说、实验验证这样一个科学发现过程，在科学过程展示中推出学科知识，渗透科学思想方法，借助多媒体课件播放、实验装置重现现象及教师解说，着力于撼动青年学生崇尚科学的情感，弘扬深厚的物理课程文化。
教学过程全课以下列四个标题作引导，按历史的发展顺序展开教学活动。
(动画显示课题后，教师引入主题)
引入本课要学习的光电效应，在量子理论的发展中有着特殊的意义。人类对光的本性的认识，到麦克斯韦提出光是一种电磁波，光的波动说似乎已完美无缺了。然而，就是在证实电磁波存在的过程中，人们发现了光具有粒子性的重大事实，这就是光电效应现象。光电效应及其规律的研究，使人类对物质世界的观念发生了变革：大自然在微观层次上是不连续的，即“量子化”的，而不是牛顿物理假设的在一切层次上都是连续的!光电效应最先由赫兹发现，他的学生勒纳德对光电效应的研究卓有成效并获1905年诺贝尔物理学奖，爱因斯坦提出光子论从理论上成功解决了光电效应面临的难题并因此获1921年诺贝尔物理学奖，美国物理学家密立根通过精确实验证实了爱因斯坦的理论，并获1923年诺贝尔物理学奖。光电效应的科学之光经众多物理学家前赴后继，三十年努力求索，在物理学史上成为绚丽夺目的篇章。让我们翻开这炫目的一页，沐浴科学的阳光吧!
(屏幕切换显示四个标题)
一、赫兹意外发现光电效应
介绍赫兹实验动画显示赫兹实验示意图如图1所示。1885年，赫兹用如图1所示的装置来证实电磁波的存在：电磁波发生器是在两根铜棒上各焊接一个磨光的黄铜球，另一端各连接一块正方形锌板，它们共轴放置，两球间留有一空隙，它们相当于一个电容器，与感应圈连接，构成了LC电路，感应圈使两黄铜球聚集大量电荷，从而在空隙间产生电火花，形成高频振荡电流，辐射高频电磁波。与这个回路相距一定距离有电磁波接收器，是用一根粗铜导线弯成一开口的圆环，开口端各焊一黄铜球，之间有可作微调的空隙，这个接收器实际上也是一个LC电路。调节间隙改变接收电路的固有频率可与发射过来的电磁波产生共振，从而在接收器的空隙间观察到电火花。
介绍赫兹的发现并演示利用电火花实验装置，赫兹测量了电磁波速、进行了研究电磁波的反射、聚焦、折射、衍射、干涉、偏振等各种波现象的实验，大量反复地实验不但证实了麦克斯韦电磁波理论，同时意外地发现了表明光具有粒子性的一个重要现象：当发射器间隙的火光被阻隔时，原来接收间隙的火花变暗(如图3所示)，而用其他任何火花的光照射到接收器铜球，也能促使间隙发生电火花，进一步研究发现这一现象中直接起作用的是火光中的紫外线，当火花的光照到间隙的负极时，作用最强，这种情况下接收器间隙发生的电火花实际上是紫外线的照射使一极铜球上飞出电子到另一极铜球所形成，赫兹称之为“紫外光对放电现象的效应”，也就是光电效应。
演示光电效应现象动画显示光电效应演示仪原理如图4所示，课堂演示，引导学生观察在紫外线照射下，电流计指示电路中出现了电流。归纳什么是光电效应
(文字显示)
在光的照射下物体发射电子的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子。
二、勒纳德研究光电效应现象的规律
引入赫兹的发现吸引了许多人去深入研究光电效应成因与规律，其中德国物理学家、赫兹的助手勒纳德的研究卓有成效。对光电效应的研究方向就是弄清其发生的条件。
介绍勒纳德实验研究原理动画显示勒纳德研究光电效应规律的实验装置如图5所示。当入射光照射到光洁的金属阴极K表面，就有光电子发射出来，若有光电子到达阳极A，电路中就有电流，所以可通过电流计了解用各种光照射阴极K以及对两极加不同电压时的光电流，从中摸索规律。
介绍勒纳德实验研究结果勒纳德通过实验总结出光电效应现象的重要规律：
(文字显示)
1.对各种金属都存在着极限频率和极限波长，低于极限频率的任何入射光强度再大、照射时间再长都不会发生光电效应。
2.光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。
3.只要入射光频率高于金属的极限频率，照到金属表面时光电子的发射几乎是瞬时的，不超过10-9s。
4.发生光电效应时，光电流的强度与入射光的强度成正比。
光电效应规律性的演示用如图4所示的光电效应演示仪演示(1)用红光、蓝光照射锌板时，不会产生光电流;(2)用玻璃隔断紫外线时，光电流消失;(3)光电流达到饱和后，改变电压，光电流不变，改变入射光强度，光电流增大。
设问1.用光的电磁波理论如何解释光电效应的发生?
2.波动理论可以解释光电效应发生时的规律吗?
讨论与总结请全班同学议论，由学生尝试定性解释光电效应后，教师概括辅以如图6所示动画显示：光到达金属表面时，连续的电磁波能量分布在其表面，振动的电磁场不断地“摇晃”金属表面的电子，一些结合最松散的电子被摇下来。
由学生提出现有理论与观察事实的矛盾后，教师整理为两大困难，并以文字显示。
矛盾波动理论解释实验事实
之一
之二到达金属表面的光能量连续地分布，对某个电子只能吸收其中很少一部分，应有一段时间积累到足够的能量方能从金属表面挣脱。
光波的振幅表征光能量大小，强光对金属作用足够长时间，有足够能量应该可以使电子从金属表面挣脱。光电效应是否产生存在极限频率(波长)而与光强无关，光电子最大初动能也只与入射光频率成正相关。
若能发生光电效应，即使光很弱，也是瞬间发生的
三、爱因斯坦提出光子论圆满解释
引入观察与理论的互动就是科学，观察是科学进程的开端，观察激发思考导致理论以解释观察结果，而理论又在新的观察中受到检验、引发新的理论，对观察结果进行解释或统一。
原来的电磁波理论与光电效应的实验事实不相符合，促使人们改变认识，构建新的思想框架来解释观察结果。1905年，爱因斯坦用突破性的量子化思想对光电效应做出了现在为科学界普遍接受的解释。
介绍爱因斯坦光量子假说教师介绍普朗克对电磁波辐射所作的量子化假设：振动物体的能量只能取特定的一组允许值。这种思想在当时并没有引起人们多少注意，但爱因斯坦敏锐地捕捉了这一思想闪光，并彻底贯穿到光的辐射与吸收问题中。
教师介绍光子说，并显示文字内容：
在空间传播的光(的能量)不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子，一份光子的能量E=hv。
用光子说对光电效应规律作解释用如图7所示动画辅助描述光子说下的光电效应：光子像下雨一样落在金属表面上，打出电子，就像机枪子弹从混凝土墙上打下混凝土块一样。
解释极限频率的存在;
解释光电效应的瞬时性;
给出逸出功概念，用光电效应方程
(屏幕展示)解释光电子最大初动能只与入射光频率正相关;
解释光电流的强度与入射光的强度成正比。
小结在爱因斯坦提出光子模型后，用来解释光电效应变得出奇地简单明了，今天，我们中学生运用光电方程计算光电效应已不是什么难题，但在上个世纪初，科学家对量子化的物理却极不适应，爱因斯坦的独创性、物理洞察力和对简洁解释的追求使他在忙碌的1905年发表了相对论，成功解释了光电效应，建树起近代物理学研究的两座丰碑。
四、密立根精确实验证实光电效应方程
引入至此，研究光电效应的科学活动并未完成，爱因斯坦的光子假设与光电方程作为假说──一种有根据的猜测，一种尝试性的未经确认的看法，要上升为理论，要为人们认同──当时对这一假说的怀疑超过了狭义相对论，甚至包括普朗克本人也持反对态度，还必须经受实验的检验。许多物理学家都想方设法用实验测量普朗克恒量h，验证光电效应方程。
简介密立根的工作一直对光子假设持有保留的美国物理学家密立根，设计了高精确度的实验装置如图8所示，经过十年的试验，不断解决一些技术难点，终于验证了光电方程的直线性，并测出普朗克恒量h=6.56×10-34j·s，在事实面前，密立根服从真理，宣布爱因斯坦假说得到证实。科学就是严峻的怀疑态度和对新思想的开放态度的混合，科学常常会发生这种情况：科学家说：“那的确是个好论据，我错了。”然后真的改变想法，扬弃旧观点，科学就是这样进步的。
全课总结本课学习，我们了解了光电效应现象，了解了进行科学活动的方法。光电效应把我们带进了量子化的物理学，光电效应告诉我们理解微观世界要有新的观念，光电效应引领了近代物理学的发展，对哲学、文化和技术的影响深远。让我们怀着对量子理论先驱们的崇敬心情，从科学回到生活。
播放音乐与三位物理学家资料画像，如图9所示。
[课件简介]本课件采用PowerPointXP-F1ashMX制作，充分发挥PowerPoint媒体展示功能与FIashMX的强大的动画功能。其制作过程如下：
关键词：量子力学 教学研究 哲学思想
“大学之道，在明明德，在亲民，在止于至善。”温故知今，止于至善，提高当代大学生的哲学素养、人文情怀和科学素养，是素质教育的要求之一。以牛顿运动三定律、电磁理论和热力学及统计物理学为基础的经典力学诞生于17世纪，成功地解释了大量物理学现象，取得了辉煌的科学成就，曾经被人们信奉为客观真理。在19世纪末20世纪初，人类以巨大的热情来研究原子核和放射现象，导致了两大理论成果的诞生：量子理论和相对论。随后，激光器、二极管、三极管、集成电路、互联网、移动通信、登月等等，这些辉煌的成就促使人类迈进了信息时代。运动着的电子――一个小小的微观粒子，却促使人类文明进入了电子信息时代。事实表明，现代信息技术的理论基础是物理学，信息的产生、发送、接收和处理，都是由一个个物理的系统来实现，因此信息世界的物理体系归根结底要受到物理定律的制约。现在人们明白了，经典物理理论仅适用于宏观低速运动的物体的场合，而对于微观小尺度下、接近于光速运动的粒子的运动规律误差会变得很大，必须使用相对论和量子理论来描述。而经典物理理论仅仅是量子理论和相对论在低速宏观范围下的良好近似。
量子理论是二十世纪最伟大的发现之一。量子理论的形成和发展，是整个物理学发展中最值得书写的，也是对青年大学生最具有启发意义的过程，在此期间包括了爱因斯坦的奇迹年（1905年）。梳理和探究整个过程中所包含的科学思维，科学方法，科学理论，科学素养……都是值得我们去探索、去深思、去挖掘的。
一、对青年大学生物质观和运动观的进一步加深具有重要意义
科学技术发展到21世纪，人类对于物质世界的认识进入到了纳米尺度。材料学科的研究中出现了很多量子效应。量子理论中的许多不同于经典力学的物理现象颠覆性地发展了经典力学的思维，拓宽了人类认识物质世界的视野，使人们对运动的本质有了更进一步的了解。随着人类认识的不断深入和材料尺寸的不断缩小，电子运动的量子效应愈加明显。现在人们已经明白了，电子既是一种微观粒子，同时也是一种波，这就是所谓的波粒二象性。与经典物理现象不同的是，微观粒子的诸多物理量之间受到量子规律的束缚，其中之一便是著名的不确定性原理，例如时间与能量之间、动量与位置之间等。此外，另一个有趣的现象是电子的势垒贯穿效应，即能量小于势垒高度的电子或者其它微观粒子可以以一定的几率，越过势垒，运动到势垒的右边去。尽管一个理性的人对这种解释可能不满意，但是我们必须明白“隧穿”仅仅是我们为了理解的方便而构造的一个东西，除非人们对量子世界的认识更进一步。我们唯一能确定的是当满足一定条件的时候，隧穿效应就会发生。
二、对青年大学生思维拓展与创新具有重要的启发意义
量子理论是描述微观粒子运动规律的理论，其概念体系与研究宏观现象及其规律的经典物理学有很大的不同。量子理论的出现，是人类对物质世界认识日益深化的结果，为其他自然学科的发展开辟了广阔的前景。从培养研究型科学人才的角度来说，量子理论是与现代科学研究联系最紧密的课程之一。这对当代青年大学生提出了更高、更严格的要求。
第一，必须尊重客观世界的运动规律，坚持创新思维，深刻认识微观世界的规律。规律是物质在运动过程中表现出来的必然的、稳定的、永恒的联系，任何事物之间都有联系，都是矛盾的对立统一体，这就需要在实际的学习探索中抓住主要矛盾以及矛盾的主要方面。同时，矛盾具有特殊性，内因是事物发展的根据，决定着事物发展的方向和主要性质，外因是事物发展的次要因素。在实际的处理过程中要区别对待。
第二，注意量变到质变的积累。量变是指事物单纯数量上的增加或减少，事物保持其质的稳定性。质变是指事物根本性质的变化，“量变质变新的量变”是事物发展的基本规律。注意收集数据，逐步地总结规律。任何重大的发现，都有一个辛苦的积累过程，面对纷繁杂芜的实验数据，如何去伪存真，由表及里，层层剖析？这需要尊重客观规律，逐渐挖掘深层次的信息，切勿急于求成或者违背客观规律。这方面在量子理论的发展过程中体现得尤为重要。
第三，量子理论是开放的理论，对量子理论的争论一直在继续。量子理论过去的成功并不意味着它是一个彻底完善的物理学理论。自量子理论诞生以来，关于量子理论的思想基础和基本问题的争论，从来就没有停止过。人们对于量子理论本身的完备性及其一些基本观念的理解，甚至持有截然不同的观点。其他的理论也是在不断地争论中不断完善。
三、量子力学中的数学思想及其知识框架
量子力学中主要的数学知识，主要是Hilbert内积空间，这是学生在学完微积分初步、线性代数以及概率论后需要掌握的、在工程领域内应用最为广泛的一门数学学科，也是对空间解析几何的推广和延伸。其中包括了对前面提到的几门学科的综合应用，例如量子力学中的力学量，用线性算符来描述，则必须是厄米的；用海森堡的矩阵力学表示，则要求该矩阵的本征值和平均值均为实数；还有，在计算不同物理量表象的矩阵元时，要用到定积分的运算；而不同表象之间的变换，需要用到矩阵变换；此外，在讲到微扰论和变分法时，还需要进一步的用到更多的数学知识。这些数学学科分支的交叉出现，足以让学生对该门课程的进一步学习产生畏惧心理。如何消除和转变学生的这种畏惧心理，这就要求教师在课堂上增强授课的趣味性。事实上，一部量子力学的发展史，包含了太多的启迪、方法、思维和科学研究的因素，因利势导，重视基础知识的讲解，将所有涉及到的数学知识及其发展史，生动地传授给学生。笔者经过近五年的课堂教学，认为对当前的大学本科学生，倘能在授课中能做到这一点，那么，学习《量子力学》的意义就达到了。
结论：以量子理论为核心的量子物理无疑是本世纪最深刻、最有成就的科学理论之一。它不仅代表了人类对微观世界基本认识的革命性进步，而且带来了许多划时代的技术创新，直接推动了社会生产力的发展，从根本上改变了人类的物质生活。让学生在不断的思考和探索中，体会到学习和思考的快乐；对学生的世界观、物质观以及运动观的进一步深入，具有重要的指导意义。
参考文献：
[1]格雷厄姆•法米罗,涂泓等译.天地有大美之现代科学之伟大方程,世界图书出版社,2008
[2]施塔赫尔,范岱年等译.爱因斯坦奇迹年.上海科技出版社,2001,7
[3]曾谨言.量子力学.科学出版社,2010,4
[4]伯特兰•罗素.西方哲学史.中国商业出版社,第1版,2009,1
【关键词】经典思维方式 量子思维方式 牛顿——笛卡尔世界观
一、经典思维方式的形成
近代科学开始于16世纪，当时，尼古拉斯·哥白尼提出了“太阳中心说”，开始向盛行一时的“地心说”发起挑战，他的观点被开普勒、伽利略以及后来17世纪的牛顿等人加以发展和完善。在1687年出版的在科学史中具有里程碑意义的《自然 哲学 之数学原理》著作中，牛顿以数学公式为依据，解开了古老的天体运动之谜，形成了全新的“世界体系”的图景。牛顿的运动定律，第一次以数学化的、量化的形式把自然 规律 表现出来。
由于经典物 理学 获得的巨大成功，它逐渐泛化为一种统治西方思想的哲学世界观。我们可以称之为牛顿——笛卡尔世界观。这种世界观的哲学隐喻为整个世界是一台座钟，世界被描绘成了像一台座钟那样精确运行的巨大机器——匀速、线性地运动，部件(部分)之间相互分立，只有机械联系，运动不存在任何不确定性，运动与意识无关。
这个“世界体系”的思想核心，是客观、精确、机械的数学模式，它在伽利略、笛卡尔等人那里，已经得到了相当明确的论述。笛卡尔甚至把全部自然知识等同于数学知识。这种倚仗客观的、数学的方式去了解自然现象的方法，在许多科学领域中得到采用，并且在19世纪麦克斯韦的研究理论中达到了巅峰。到19世纪末，经典物理学似乎已经发展到了相当完善的阶段，所有的物理学现象都可以通过牛顿力学和麦克斯韦电磁波理论加以描述。科学家们甚至认为，绝大多数自然界的基本规律都已经被发现，并且几乎所有的自然现象都遵循这些规律。
二、量子思维方式的产生及特点
最后终结“牛顿——笛卡尔”世界观独占鳖头地位的，是爱因斯坦的相对论和由一大批杰出的科学家共同提出、创建的量子理论。量子理论作为在经典物理学城堡中发生的“科学爆破”，石破天惊般地带来了一场科学革命，进而引发人们关于世界图景的崭新理解。
丹麦的玻尔，德国的海森伯，英国的狄拉克，奥地利的薛定锷，法国的德布罗意等一批科学巨匠，通过对“波粒二象性”，“测不准原理”、“几率波”，“ 电子 自旋”、“非局部作用”，以及关于“能量场”、“全息场”等方面的研究，使与牛顿经典物理学相对立的量子物理学，从个别人的奇思怪想变成了深刻影响人们的思想并且广为人们接受的科学体系。
量子物理学打破了牛顿经典物理学唯我独尊的地位。但是，这并不意味着它可以完全替代或者“覆盖”后者，它们在许多方面应该是互补的。如果不讨论物质最终极的特性，经典物理学相对适合宏观物质世界的运动，而量子物理学则揭示了微观物质世界运动的本质与规律。
由于量子物理学所涵盖的研究对象和内容，远远超出了物理学这门学科的范围，它实际上已经成为一种带有世界观性质的更普遍的理论和思维方式。
“测不准原理”的提出者，德国科学家海森堡这样说：在人类思想发展史中，最富成果的发展，几乎总是发生在两种不同思维方法的交汇点上。正是由于牛顿——笛卡儿世界观与量子理论在20世纪的“交汇”，才有今天我们所拾得的思想牙慧。
量子理论，或者说量子思维的特点是：
——认为世界在基本结构上是相互联结的，应该从整体着眼看待世界，整体产生并决定了部分，同时部分也包含了整体的信息。
——认为世界是“复数”的，存在多样性、多种选择性，在我们决定之前，选择是无限的和变化的，直到我们最终选择了，其他所有的可能性才崩塌。同时，这个选择为我们下一次选择又提供了无穷多的选项。
——认为微观世界的发展存在跳跃性、不连续性和不确定性。
——认为事物之间的因果联系像“蝴蝶效应”所显示的那样，是异常复杂的。
——认为事物发展的前景是不可精确预测的。
——认为微观物理现象不可能在未被干扰的情况下被测量和观察到，在弄清楚任何物理过程的活动中，人作为参与者总是处于决定性的地位。
三、量子思维方式对当今社会的启发
量子思维方式对于我们今天所处的以人为主体的信息社会有重大启发。在 工业 文明时代，人类要征服和研究的对象，主要是 自然 界，特别是宏观的物质对象。在这个文明时期，人类运用劳动对象（土地、植物、矿产、钢铁、机器等）自身的 规律 来开发和改造大自然，取得了足以自豪的成就。相对来说，经典物 理学 比较适应这个时期的实践目标。
而在信息文明时代，我们面对新的研究对象——信息技术与人的思维，是不同于传统研究对象的新对象。人的思维也好，信息传递过程也好，都是看不见、摸不着、没有形状、没有重量的东西，它的物质性极弱，运动速度极快。由于物质性极弱，其最大的特征就是波动、跳跃、快速变化、不可预测。在这个时候，量子思维方式就必然发挥更大的作用。其实，量子物理学的一系列结果，恰恰是人类近一百年文明的前提。如果没有量子物理学，我们根本谈不上拥有 计算 机，因为计算机芯片的产生就是由量子物理学决定的。我们可以说，量子物理学正是信息文明的 科学 基础，而量子思维方式是适合信息社会的思维方式。
我们认为，在21世纪信息文明时代，人类思维方式要发生一次根本性的变化，要从“牛顿——笛卡尔”的思维方式转为量子思维方式，才能从根本上适应新时代。
在这样两种思维方式中，人的位置是不同的。在“牛顿——笛卡儿”世界观里，人基本是被动的，有着根本上的宿命性，只能听命于、适应于自然界的规律。但是在信息化时代，按照量子理论，你的测量，你的操作，你的生命活动本身，就在改变着结果。人在起主导作用、在一定的意义上起决定作用。
当然，我们毕竟生活在工业文明与信息文明并存的世界里，这里有纵横交错、极其复杂的情况发生。运用何种思维方式，要看对象和问题的性质。尼尔斯·玻尔在用他的“互补”理论解释波粒二象性悖论的时候这样说过：粒子图景和波动图景是同一实在的两个互补的描述，每一个都只是部分正确，也只能应用于受限的范围。这对我们有重要的启发。也许，新文明应该建立一个能够包容宏观、微观对象运动规律的“广义量子论”(或称“系统量子论”)体系。这也正是量子思想家们的追求，也是我们应该给予高度关注的。
参考 文献 ：
[1]f·卡普拉，物理学之“道”——近代物理学与东方神秘主义[m]。北京：北京出版社，1999.
[2]阿莱斯泰尔·雷·量子物理学：幻想还是真实[m].南京：江苏人民出版社，2000.
[3]戴维·林德利.命运之神应置何方[m].长春：吉林人民出版社.
