量子力學基本概念及理解

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量子力學基本概念及理解范文第1篇

關鍵詞：科學素養；科學方法；科學意識；科學精神；大學物理

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）03-0110-02

“為什么我們的學?？偸桥囵B不出杰出人才？”這個被稱為“錢學森之問”的問題，已引起上至國務院總理下至普通學生的深思。中國學生雖在國際奧林匹克競賽中屢屢獲獎，卻一直與諾貝爾科學獎無緣。2010年11月第八次中國公民科學素養調查結果顯示，2010年具備基本科學素養的公民比例為3.27%，僅相當于主要發達國家和地區20世紀80年代末、90年代初的水平[1]。面對這些事實，我們不能不對現行的學校科學教育進行深刻反思。學校和社會一直倡導素質教育，但是素質教育就是多搞文體活動和多學琴棋書畫嗎？這是誤解，更是誤導。其實，素質教育的一個重要內容，就是提高科學素養。

一、什么是科學素養

“科學素養”這一概念是伴隨著20世紀五六十年代美國“課程改革運動”而系統確立起來[2]。盡管對這一概念的內涵尚未達成共識，但是，把科學素養作為科學教育的目標，已在世界各國取得共識。明確提出科學素養包含三個維度，并給出測評指標進行測度的主要有以下幾種。第一種是美國J?米勒教授提出的公民科學素養概念[3]。J?米勒的科學素養模型維度概括為：科學知識；科學方法；科學意識。自1979年以來，該指標體系及其測評結果一直為美國國家自然基金會所采用。第二種是世界經濟合作與發展組織開發的國際學生測評項目（PISA）提出的科學素養概念。PISA將科學素養定義為“15歲學生為了理解自然界及人類活動引起的自然界變化并有助于相關決策，而使用科學知識、識別科學問題、得出有根據的結論的能力”，該定義包含“科學方法或技能”、“科學概念與內容”及“語境”等三個維度[4]。雖然以上兩種科學素養概念的維度有所不同，但是可以看出，科學知識、科學方法、科學能力、科學精神和科學意識都屬于科學素養教育的范疇。

二、《物理》課程在培養科學素養中的重要性

《物理》、《化學》、《生物》等課程都是學校教育中培養學生科學素養的重要課程，而《物理學》又是一切自然科學和工程技術的基礎。2007年第10期青年科學《測測你的科學素養有多高》中判斷16個科學觀點的對錯。其中有10個觀點都可以在《物理》課程中找到答案，可見，《物理》課程在科學教育中的重要性。

三、大學《物理》教學中如何培養學生的科學素養

大學《物理》課程是高等學校理工科各專業學生的一門重要的通識性必修基礎課，在培養學生的科學素養方面，具有其他課程不能替代的重要作用。下面談談大學《物理》課程對培養學生科學素養，尤其是科學方法、意識和精神等方面筆者的一些思考和做法。

1.科學方法的培養?！笆谥贼~”不如“授之以漁”，方法對學生的終身發展至關重要。物理學中有許多科學方法。觀察法、實驗法、理想化方法、類比方法、假設方法和數學方法等是物理學的基本研究方法，不僅適用于自然科學的研究，也適用于其他科學技術領域和各種工作領域。分析、綜合、抽象、概括、歸納、演繹、類比等普通的邏輯方法是《物理》學科中常用的邏輯思維方法，更是普遍應用于人的各種思維活動。如果學生掌握了這些方法，就會在以后的工作中自覺地運用這些物理方法思考問題、解決問題，并具備實事求是，嚴謹科學的意識。也就是說，掌握了科學的方法，就有了在未來從事各項工作的“武器”。筆者在大學《物理》教學中，非常重視物理方法的介紹。①重視物理方法的提煉和總結。自然界發生的一切物理現象和物理過程，一般都是比較復雜的，為了降低研究的難度，在物理研究中產生了理想化方法，就有了質點、剛體、彈簧振子、理想氣體、點電荷等理想模型。在講解這些概念時重點講解這些模型形成的必要性和這種方法的重要性，讓學生知道這是處理自然界復雜問題的常用的科學抽象的方法，是一種重要的科學研究方法，在自然科學研究中占有重要地位。②通過物理學史的引入，加強科學方法的教學。牛頓在伽利略、開普勒等前人成果的基礎上，用歸納法獲得了經典力學的基本概念和力學三大定律，又用演繹的方法獲得了萬有引力定律并發明了微積分。在量子力學中，從黑體輻射問題的研究中出現的“紫外災難”到普朗克的量子假說，到愛因斯坦“光量子假說”，到玻爾的舊量子論，到海森伯、薛定諤提出的量子力學，再應用愛因斯坦相對論提出相對論量子力學的整個量子理論的發展史無不體現了假說―理論―新假說―新理論的循環發展模式；在提出假說階段常常運用歸納和類比的推理方法，在驗證和確立假說階段的演繹推理方法又時時出現。介紹這些歷史，不但讓學生學到了物理知識，而且讓學生用物理學家的方法和思路研究這些《物理》內容，無形中會受到良好的科學方法教育。

2.重視介紹物理的應用，培養學生良好的科學意識。科學意識就是從科學的角度理解問題、分析問題和解決問題的思想觀念及其行為。學生只有知道了科學的應用，才會在生活和工作中有科學的意識。《物理》課程是一門實用性很強的科學，所以在教學中就要多介紹物理知識的廣泛應用，尤其是最新的應用。例如，在電磁感應部分，除了介紹常見的渦流加熱和制動、微波加熱、電子感應加速器外，再介紹機場安檢處的金屬探測器（或棒）以及交通部門的交通探測器、銀行卡信息的存儲和讀取原理等；介紹這些實用知識不但會引起學生極大的興趣，也會引起學生主動思考生活中的問題，樹立良好的科學意識。

3.科學精神的培養?？茖W精神包括求實精神、創新精神、懷疑精神、寬容精神等幾個方面，其中最主要的是求實與創新。如何培養學生的科學精神？在授課中要注意啟發式教學，多提出問題，多質疑，啟發學生思考和發現，培養他們的主動參與的意識和創新意識。適當增加物理學史，讓物理學家們的不怕困難、無私奉獻，敢于質疑以及開拓創新的科學精神感染學生。

總之，在大學《物理》教學中要利用一切可能的途徑向學生傳授科學的基礎知識，培養科學的分析問題和解決問題的能力，培養學生用科學的觀點理解自然界現象并能作出決斷以及辨識真偽的能力，同時擁有良好的科學態度和科學精神。

參考文獻：

[1]中國科學技術協會.第八次中國公民科學素養調查結果.[EB/OL].

[2]李雁冰.科學探究、科學素養與科學教育[J].全球教育展望，2008.（12）：14-18.

量子力學基本概念及理解范文第2篇

關鍵詞 工程教育 物聯網 學輔 專業認證

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A

0 引言

當今社會科技發展日新月異，所謂的生物人、經濟人、理性人、文化人、社會人、復雜人、自我實現人等整體性的人性假設已經不能適應當今的知識經濟、信息時代、虛擬世界、智慧地球和網絡社會的需要了。本文在“信息復雜全息人”假設的基礎上，依據復雜系統理論、事理理論和現代信息技術，來思考工程管理專業教育的問題。從“智慧地球” 、“感知中國”到“智慧城市” 和“智慧人生”，物聯網“Internet of Things”（IoT）的飛速發展使得信息技術進一步成為經濟社會可持續發展的重要支撐?，F代教育尤其是現代高等教育也已經成為人類永續發展的關鍵環節，而工程教育專業認證則是經濟全球一體化進程中的體現人才培養國際實質等效性重要標桿。物聯網正改變著人們的工作、生活、學習的觀念及方式方法，同樣對工程教育專業認證也帶來深刻的影響，本文主要討論其對工程教育專業認證中的教學模式、學習方式、師資隊伍等的影響。

1 工程教育的特征及專業認證的分析

1.1 教育的概念

1997年國際教育標準分類法（ISCED）給出：教育是滿足受教育者學習需要的各種有意識的、有組織的、持續的、學習、交流、系統的信息傳遞活動，包括一些國家中所謂的文化活動或培訓。信息傳遞是指受教育者的品德養成、知識豐富、技能熟練等都是通過信息交流而進行的。建構學生各種知識、能力和技能相關的信息，可區分為“硬信息”、“軟信息”和“巧信息”3種。所謂硬信息也可稱之為“一次信息”或“原始信息”，其是指受教育者在外界環境中直接感受的、身臨其境的各種客觀實在的信息，如看到的山川河流、花草樹木，看演出、聽音樂會等由人的感官直接接收的信息。所謂軟信息也可稱之為“二次信息”，其是指受教育者間接獲得的外界客觀實體的信息，如看書，聽老師講解，觀看歷史文物等。所謂巧信息也可稱之為“控制信息”或“關鍵信息”，是指能控制其他信息的信息，如密碼或指令，其能起到“四兩撥千斤”的作用。在人一生的學習過程中，大量接觸到的是“軟信息”或“二次信息”，吸取、轉化、融合“二次信息”可以提高掌握知識或能力的效率。

1.2 “信息復雜全息人”假設

教育是由人參與的實踐活動，人的本質是什么？人的意識是如何產生的？這至今仍是一個困難的問題。筆者曾提出：必須把“人”看作是一個由數十萬億個子系統、小系統、大系統組成的具有耗散結構性、信息性、全息性、量子化、具有自主意識和自適應性的開放復雜巨系統——一個巨復雜自適應智能系統（Giant Complex Adaptive Intelligent System，簡寫：GCAIS，簡稱：格賽思），簡稱“信息復雜全息人”。①筆者曾設想人的意識是產生于腦神經物質的量子行為和類似于科克（Koch）曲線的組織結構形變，即：對大腦而言，在有限的腦細胞（細胞核、染色體、細胞質、分子、亞分子等）系統中可以產生無限的“科克曲線”或“科克突出”——這些“科克突出”這是腦神經細胞微小變形——因外界刺激引起的或因與其他神經元的相互作用而產生的，每一“科克突出”就對應于一定的知識、信息、意識等，而一系列“科克突出”就相當于“意識流”。量子力學的波粒二象性，實際上，應該是“波粒三象性”——波動性、粒子性和信息性。對于大腦物質，其量子行為則是“四象性”的，即波動性、粒子性、信息性和意識性，稱之為“波動粒子信息意識四象性”，簡稱：“波粒信意四象性”。這種“波粒信意四象性”應是在腦組織的微觀和渺觀范圍內操作的。記憶力是腦思維細胞“科克突出”的“科克突出分形”。②因此，物質和精神統一于“波粒信意四象性”，所有人類都包含類似的大腦物質，也就會產生類似的意識和思維，這是人類之間可以進行溝通的基礎。以此類推，一切具有大腦物質的動物都應有它們相應的意識。

1.3 工程的概念

中國語義的“工程”是一個寬泛的概念，如“化學工程”、“土木工程”、“人文社會工程”、“希望工程”、“陽光工程”、“文化走出去工程”等等，其實質是人類社會的有目的的系統的實踐活動，工程涉及到人、財、物、事、信息等要素，而對于不同的學科再分別給出各自的工程內涵和外延。工程是這些物或事的函數，用公式表示為：

GC = F（物，事，人，財，信息，時間，空間）= F（W，S，R，C，XX，S，K）

式中，GC表示工程；F表示函數關系式；W表示物（物質、能量）；S表示事（件）；R表示人；C表示財力；XX表示信息；S表示時間；K表示空間。③

從工程要素所涉及的范圍劃分，其也可以分為5個層次，即渺觀工程、微觀工程、宏觀工程、宇觀工程和脹觀工程。

1.4 工程教育是一個GCAIS

由于工程和教育內涵的復雜性，它們的整合不管是教育工程還是工程教育都應是涉及到人或者由人參與的實踐活動，包括受教育者、教育者和管理服務者的人是工程教育的主體，因此屬于高等教育體系子系統的工程教育也是一個“巨復雜自適應智能系統”（GCAIS），其必然具有復雜巨系統的諸多基本特征，如整體的開放性、規模的巨型性、組分的異質性、結構的層次性、關系的非線性、行為的動態性、內外的不確定性、整體的涌現性、④信息性、自適應性和智能性，等等。

從總體上看，工程教育的功能除具有人才培養、科學研究、社會服務、文化傳承4項基本功能之外，還應有塑造真誠心靈、維護社會和諧、創造優美人生、加強國際合作等職能。⑤

1.5 工程教育專業認證的指標體系

2005年啟動的工程教育專業認證，導入了《華盛頓協議》認證標準的基本原則——“能力導向”（outcome-based）。美國ABET推出的EC2000認證標準強調培養學生工程教育的產出即學生應具備的能力和素質，強調認證工程專業所培養的畢業生必須具備數學、自然科學和工程學知識的應用能力，具備實驗方案設計和數據分析的能力等的11種能力。⑥我國的《工程教育專業認證標準（試行）》規定了10種能力，如具有人文素質、社會責任感和職業道德；具有文獻與資料獲取能力；懂得專業相關法律法規；認識工程對客觀世界和社會的影響；終身學習能力和國際視野、交流、競爭與合作能力。⑦高爐教授認為：堅持能力為重，強化能力培養，著力提高學生的學習能力、實踐能力、創新能力，教育學生學會知識技能，學會動手動腦，學會生存生活，學會做事做人，提高學生的信息化學習與生存能力。其將培養學生能力分解為3個核心部分，即一是專業教育；二是理論教學、實踐教學、自主研學；三是引導學生個性發展。而專業教育知識體系、學生發展體系和質量監控與管理體系都是圍繞3個核心部分去綜合展開的。⑧

我國《工程教育專業認證標準（試行）》的指標體系是模仿了美國ABET的EC2000標準的結構而設計的，其包括7個一級指標，即專業目標、課程體系、師資隊伍、支持條件、學生發展、管理制度和質量評價。陳道蓄教授在《工程教育專業認證如何結合認證標準做好自評工作》報告中指出：工程教育專業認證是如下4方面的評價，一是目標導向的評價；二是合格性評價；三是同際實質等效；四是認證規范化。

師資隊伍指標中的教師崗位結構如教學人員、科研人員、管理人員、實驗室技術人員，其他等，這并不是依照學生能力的建構進行設計的，其而是作為一個教學實體的學校人員的結構。如果科研人員也從事教學工作，則應計算為教學或兼職教學人員；若科研人員不承擔教學任務，則其不應計入影響學生能力的師資隊伍之中。按照“教書育人、環境育人、實踐育人、文化育人、科研育人”的思路，教師承擔的科研工作量應有適當的比例，反之亦然。

2 物聯網的定義和本質

物聯網（IoT）主要是通過信息實現物品到物品（Thing to Thing，T2T）、人到物品（Human to Thing，H2T）、人到人（Human to Human，H2H）人到事（Human to Shi，H2S）、物到事（Thing to Shi，T2S）、事到事（Shi to Shi， S2S）之間的互連或者綜合集成的聯系。

物聯網的技術本質是依據互聯網的識別、交互和自組織，并能對人、事、物進行智能化的溝通與控制的工具。物聯網的哲學本質可認為是實體的虛擬化、數字化、信息化，通過信息溝通現實世界與虛擬世界，形成具有自組織能力的自主網絡。物聯網的實體虛化模糊了物、動物、人、機器人、事（件）等概念，模糊了物質精神兩元論的界線。

3 物聯網對工程教育的影響

物聯網除具有“物質世界數字（虛擬）化”、“人、物、事（件）互聯化”、“教育資源信息化”、“數據處理智能化”的功能之外，⑨還有如下幾方面的功能：第五，教育體系輔導化，學校弱化為輔導機構，從而學校主動的教育體系隨著受教育者主體作用的提升而弱化為輔導體系。第六，個體成長發展“學輔”化，受教育者成了真正的學習主體，教育演化為學習者個體的學習成長，可稱其為“學輔”，這是物聯網對教育的最根本的沖擊。第七，教學空間微型化，地球村和遠程教育使得教學空間變小了，身在國內也能學到境外高校的公開教學課件或視頻。第八，教學時間自主化，由于學習者真正成為了吸收信息的主人，其未必在限定的時間去聽課，可以自由地利用其他時間如吃飯間隙或晚上去學習所需要的知識；同時學習可以在“泛在教育”的時空里進行。

3.1 對教學模式的影響

當前普通高校工程教育的“教學”，“教”是教師的主動的“教”，學生的“學”則是處于次要地位，學生是在教師的引導下進行的學。物聯網使得終身教育更容易實施，也就是說，學習者可以通過客觀實體（世界）的自我信息表達來感知其環境的教育信息，也可以通過“軟信息”（二次信息）去學習間接知識。

在以人為本的物聯網時代，教與學的廣泛性可稱之為“泛在教學”和“泛在學習” （U—learning），即無處不在“教”和無處不在的“學”。對教師的“教”要實現泛在的教和幸福的教；對學生的“學”要落實泛在的學習和自由快樂的學習。教師的任務是告訴學生學習的重要性和為什么學習，大部分教師的主要任務是提供各種輔導。教師的一切工作都是為學生主動的“學”服務的，教師“教”的效果如何就體現在對學生的輔導、引導、指導上面，“教學”就變成了“學輔”，因而，教學范式改變了。

3.2 對學習方式的影響

學習是指任何行為、信息、知識、理解力、態度、價值觀或技能方面的長進。物聯網時代的云計算、海計算以及云海計算相適應的“云服務”，人們對知識信息的獲取不再受到空間、時間、體能、知識、訊息等差異的限制，完全可以按需獲取、分享知識、資訊。學生的“學”變成真正意義上的“自主的學”，學什么專業，選哪些課程，選哪位老師的視頻，全部由學生自主選取。什么時候學什么課程，學到什么程度，做哪些實驗，在哪個地方學習都由學生決定。隨著“虛擬教室”、“智慧實驗室”、“無線網絡”、“數字城市”、 “智慧城市”、“智慧地球”逐步落實，青少年時期的集中式的學習可能延伸為終身學習。物聯網使得學習的方式、手段、時空、內容等都會發生根本性的變革，對學習效果的評價方式和手段也會相應地改變。

3.3 對師資隊伍的影響

余壽文教授認為：“大學者，非大樓之謂也，乃大師育才之謂也?！雹狻皩W生是教師主要的直接的服務對象，教學，包括研究型的教學是教師服務于學生的主要形式。”豘教師在教學過程的作用只是“二次信息”的表達，學生通過老師大多也都是只能獲得間接的知識，而現代信息技術尤其是物聯網將使得這種間接傳達成為可有可無的狀態。多媒體技術或3D視頻教學課件有可能取代表達能力較差教師的教學功能。因此，這些通過信息傳遞而完成教師工作量或承擔教學任務的實體可定義為“虛擬教師”。物聯網可令“虛擬教師”隊伍的數量快速增長，而其功能將不斷增強。工程教育專業認證的“師資指標”應作相應的變動或調整。

以廣東輕工職業技術學院為例分析如下：參與高校各種職能的全體人員可分為以下9類，一是專職在編人員，省編辦下達的編制是1149名。二是專職非編人員，全校有近百名。三是外聘兼職人員，其中兼職教師共有886名。四是退休返聘人員，全校有十幾人。以上4種可稱其為“顯性教職工”或“顯性職工”。五是勞務外包職工，全校約800名。六是校企合作和職教集團的連鎖協同單位及聘用專家。七是在學生頂崗實習過程中聘用的指導師傅。此3種人員可稱其為“恢色教職工”或“恢色職工”。以上7種可稱為“實體教職工”或“實體職工”。八是與學校和學生直接發生聯系的其他人員，如送快遞的郵政人員、送快餐的物流人員、電訊人員等。這可稱其為“隱性教職工”或“隱性職工”。九是與學校和學生非直接接觸而產生影響的實體（或信息源），如QQ群、BBS站、微博、微信，教學用的錄音錄像資源等，它們對學生起到了教職工的影響作用。其可被稱為“虛擬教職工”或“虛擬職工”。電視教學或錄像教育中教師就可看作是“虛擬教師”。因此，可定義“虛擬教師”為：占具一定的工作崗位、承擔一定的教學任務、能提供某些知識或信息、消耗一定的資源、為教育事業產生一定的效益的虛擬體、實體或信息集合體。美國于1994年制成了世界第一具“男性虛擬人”，美國已經制造了有物理性能的第二代和有生理功能的第三代“虛擬人”。我國2003年第一軍醫大學構建了首例“女性虛擬人”。無人機實際上就是一個“虛擬軍事戰斗人員”。

4 結論

工程教育是一個“巨復雜自適應智能系統”，其具有復雜巨系統的多種特性。通過信息溝通人、物、事（件）的物聯網將對工程教育專業認證指標體系的內涵產生深遠的革命性的影響，虛擬教室、虛擬實驗室、虛擬教師、虛擬校園等都將成為現實。

基金項目：此文受廣東省教育科研“十二五”規劃2012年度研究項目（2012JK091）、2013年廣州市哲學社會科學“十二五”規劃課題（13G33）、2012年廣東高等教育科學研究課題（GJB125095），廣東省高職高專校長聯席會議2013年度重點課題項目（GDXLHZD014）和2013年廣東輕院教改課題（JG201365）的資助

注釋

① 張天波.現代職教體系協同現代產業體系的機理探析——以廣東省為例[J].淮南師范學院學報，2012.14（5）：81-84.

② 張天波.高職教育層次論視域下現代職教體系的建構分析[C].Kevin Bo.第三屆教學管理與課程建設學術年會.Hong Kong： E R P press，2012：28-33.

③ 張天波.物聯網視域下管理工程創新的思考[C].王淑云，高光銳，任俊義.2012中國管理科學與工程研究報告.長春：吉林大學出版社，2012：181-186.

④ 張天波.終身教育維度下的現代國民教育體系結構和層次分析[J].職業技術教育，2011.32（22）：31-35.

⑤ Tianbo ZHANG， Qiuhong LI.Analysis and Exploration of Management Innovation of the Higher Vocational Education——Guangdong Industry Technical College as an Example [C]//Zhou Bing. The International Conference on Management Science and Engineering.Chongqing：Springer，2012：37-42.

⑥ 朱偉東，張振剛.美國ABET工程教育專業質量認證研究[J].中國高教研究，2009（12）：54-56.

⑦ 陳文松.工程教育專業認證及其對高等工程教育的影響[J].高教論壇，2011（7）：29-32.

⑧ 高爐.工程教育專業認證如何結合認證標準做好自評工作.高等理工教育網[EB/OL].[2013-03-13]（2011-03-29）.http：///？action=read_article&articleid=455&siteid=0.

⑨ 張天波.整合校內實訓資源的機理分析與實踐——以構建文科中心為例[J].實驗室研究與探索，2012.31（7）：445-448.