量子科学应用十篇

量子科学应用篇1

关键词：地方应用型高校；种子科学与工程专业；实践教学；质量保障与监控；教学效果

中图分类号 G642.0 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）22-0117-03

应用型本科教育作为一种新的教育现象和教育类型在我国是20世纪90年代末随着科技进步、经济的快速发展和产业不断升级对知识与技能兼备的高层次应用型人才需求背景下产生的[1]。在我国，应用型大学是相对于研究型大学和教学研究大学而言的，它是按照我国目前大学培养的特点，在我国经济建设现代化和高等教育大众化推动下产生的一种新型的本科教育[2]。目前，我国本科高校总数的1/3定位为应用型大学，由于这类高校大多设在地级市，所以又称为地方应用型本科高校[1]。安徽科技学院于2009年获批安徽省示范应用型本科高校建设单位，2014年获批安徽省地方应用型高水平大学建设单位，确定了“地方性、应用型、高水平”的办学定位。

1 地方应用型本科高实践教学存在问题

实践教学是高等教育教学体系的重要组成部分，是培养学生基本技能、实践能力、创新精神的有效途径[3]。服务地方经济社会发展、面向行业内部的实际需要是地方应用型本科高校的立足之本；培养学生的知识应用和实际操作能力是地方应用型本科高校人才培养的根本出发点；培养基础知识比高职高专生深厚、实践能力比传统本科生强的应用型人才是地方应用型本科高校人才培养的优势[3-4]。因此，实践教学在地方应用型本科高校人才培养过程中具有举足轻重的作用。目前许多地方应用型本科高校在实践教学方面仍存在诸多问题，如师资制度不健全、队伍力量不够、基地建设不完善、评价体系不科学、监控不到位等等[5]。具体表现为：多数教师缺乏实践经验，新教师多数是从高校到高校，缺乏实践经验，老教师不能及时掌握现代实用技术，因此学生的实践应用能力不能得到很好的提高；资金和场所不能保障实践教学的正常运行，学生不能及时对课堂理论知识进行实际操作和现场实践；实践教学体系的构建合理、教学计划的制定与执行、教学质量的评价执行不到位，实践教学教师也各自为战，无统一的标准，监控与管理较为混乱；实践教学环节的评价不科学，多数仍采用传统的“笔试”形式，不能真正放映学生的实践教学水平，极大地挫伤了学生进行实践学习的主动性。

2 种子专业实践教学体系的构建与优化

为适应地方应用型本科高校建设的需要，我校种子专业主动出击、全面调研、统筹规划，紧紧围绕地方应用型高水平种业人才的培养目标，科学构建了与理论教学体系相对独立又相互呼应、课内外相结合、校内外相结合、集中与分散相结合、实习与实训相结合的“三能合一、十六个环节”的实践教学体系。在学科基本素质的基础上突出了专业知识应用能力、创新创业能力和社会活动能力的培养，“三能合一、十六个环节”即专业课程实习、专业生产实践、专业综合技能训练、专业技能大赛、职业技能鉴定、企业实训、毕业实习，创新创业培训、创新创业论坛、大学生创新课题、创新创业大赛、校企合作创业课题，个性化拓展实习、暑期社会实践、大学生村官、暑期企业营销实战。构建的实践教学体系中规定课内实践教学不少于26周、课外不少于17周，在166个总学分的人才培养方案中，实践教学环节占3分，加上课内实验折合的学分，实践学分占总学分的39.6%。此外，根据种子专业特点，实行农忙学期制（6月下旬至9月底），安排学生进入企业进行岗位实战训练，在培养学生专业知识应用能力的同时，更突出学生社会活动综合能力的培养。

3 种子专业实践教学质量保障与监控体系的构建与实践

为确保实践教学体系的顺利执行，并取得实效，我校从实践教学规章制度、实践师资队伍、实践基地、实践教材、实践经费、实践教学质量评价及监控等方面构建了以系统论为支撑，办学理念先进、培养方案科学、组织机构健全、管理制度完善、条件保障得力、运行机制规范、效果评价科学合理的地方用型本科高校种子专业实践教学质量保障和监控体系。

3.1 制定规章制度，确保实践教学有章可循 要确保实践教学各环节按计划有条不紊地进行，制定相关的规章制度是非常有必要的，因为只有制度健全了，才能保证实践教学活动有章可循、监控有制度可依。为此，我校在学校层面制定了实验教学管理办法、实验教学与成绩考核评定、课程实习管理规定、实践教学工作的若干意见、毕业论文（设计）管理工作细则等实践教学相关制度。学院结合种子专业特点，对相关制度进行了补充和细化，从实践课程、实践师资、实践教材、实践基地、实践教学考核办法及质量评价与监控等方面对实践教学相关环节进行了细化和完善。

3.2 强化队伍建设，确保实践教学师资力量 地方应用型本科高校要求教师不仅要有扎实理论知识，更要有丰富的行业企业专业实践经验和应用能力，但目前许多应用型高校教师主要来自刚毕业的（硕士、博士）研究生，这些青年教师大部分是从学生直接过渡到老师，缺乏实践教学的能力和经验，从而导师应用型本科高校所要求的“双能型”教师缺乏。针对这种情况，我校主要通过“内培”与“外引”相结合的方式来提升实践教师的专业实践技能。“内培”主要有以下几种形式：一是对新进青年教师实行导师制，由实践经验丰富的老教师担任其导师，制定指导计划，通过指导，2a内获得“双能型”教师资格。二是选派中青年教师到专业对口的企业挂职锻炼或利用课余和假期担任大学生假期社会实践的专业指导老师，以提高专业实践能力。三是鼓励和引导中青年教师参加行业、职业培训和相关资格考试，获取职业资格证书。四是鼓励教师积极参与产学研合作、项目申报、技术服务等，通过项目和实战提高教师专业实践能力。“外引”主要是通过弹性引进或聘请行业企业专家承担相关实践环节的指导教师，如种子生产、种子加工、种子营销等实践环节邀请种子企业技术人员或种子管理部门相关专家指导学生，以弥补校内实践教师的不足或实践经验的不足，从而提高实践教学效果。

3.3 加强基地建设，确保实践教学场所需求 实践教学场所一般包括专业实验室、校内实践基地（训练中心）和校外实习基地等。许多应用型本科高校的实践场所存在实验室利用效率不高、校内实践基地管理混乱、校外实习基地流于形式等问题。我校种子专业实践教学基地建设的具体做法是：一是加强实验室建设。通过国家综合改革试点专业、省级特色专业和省级卓越农艺师支撑计划等项目的建设改善实验室软硬设施，在原有遗传育种实验室和种子学实验室的基础上，筹建了分子育种室、种苗培育室（组织室）、创新实验室，并根据种业岗位群建立了种子检验室、种子加工室、种子发芽室等功能室，实验室面积超600m2以上，仪器设备价值1 000余万元，完全能满足种子专业实践和种子科技创新的室内要求。二是加强校内实践基地的建设和管理。利用省振兴计划和高水平大学创建专项资金加强校内实践基地的建设、规范管理，新建种质资源圃、种子生产试验田、微型种子仓库等，并推行校院二级管理，确保校内课程实习有保障。三是校企合作共建校外实习基地。与皖垦集团、安徽隆平等种业企业共同建立校外实习基地，选派专业教师到企业挂职，负责实习基地的建设与管理，聘请企业专家在种子生产、加工及销售等关键环节全程指导，从而确保校外实习见成效。

3.4 完善教材建设，确保实践教学地方特色 质量高、操作性强的实践教材是开展实践教学的有力保障。为了充分体现地方性、应用型和高水平的特点，学院组织种子专业课教师根据人才培养目标，深入行业、企业及生产一线进行专业调查，了解社会对现代种业人才的真正需求，结合专业人才培养目标，编写能体现地方特色、实用性强、系统规范的种子专业系列实践教材，如根据学校具体情况和安徽沿淮淮北种植业特点，编制地方性、操作性强的《种子生物学实验指导》《种子生产技术实验指导》《种子加工贮藏实验指导》《种子实践》和《种子实训》等实践教材。

3.5 多渠道筹集资金，确保实践教学经费 目前许多地方应用型本科高校由于实践经费得不到保障，使得实践教学停留于纸上，得不到很好的实施。我校主要采取以下措施保障充足的实践教学经费：一是学校每学期划拨实验室易耗品维持费，确保实验教学的正常开展。二是利用省级振兴计划、高水平大学创建等专项经费，确保实验室、校内实践基地硬件设施建设。三是利用国家综合改革试点专业、省级特色专业和省级卓越农艺师支撑计划等，通过项目驱动，确保专业综合技能训练、创新训练等正常运转。四是通过种业企业的横向合作经费，确保校外实习基地的建设。通过以上几种渠道，种子专业的实践教学经费充足，确保了实践教学扎实有效开展。

3.6 科学评价，确保实践教学质量 目前许多学校实践教学环节的评价仍采用传统的“笔试”形式或根据实践报告或实物进行评价，缺乏对过程的考核评，导致考核评价结果不能真正反映出实践过程，很难对教师的实践教学水平和学生的实践操作进行准确判断，不仅挫伤了学生实践学习的积极性、主动性，而且严重影响了实践教学的有效开展。我们根据学校和学院实际，构建了学生评价体系、教师评价体系以及企业、行业、学生家长、研究机构等利益相关方共同参与的第三方实践教学质量评价体系，通过以上3个层面的评价体系来衡量实践教学质量的好坏。学生评价体系主要以过程操作考核为主、结果（目标）考核为辅，旨在培养学生的实践技能，结果只作为评价的参考。教师评价体系主要依据实践教学计划的制定与执行、过程考核标准的制定及执行、专业技能大赛指导成绩等方面对实践课教师进行考核。利益相关方共同参与的第三方实践教学质量评价体系主要根据学生实习企业的评价、行业对实践内容及成效的评价、学生家长对学生掌握实践技能满意度以及被研究机构采用的评价指标等情况对实践教学进行评价。

3.7 全程监控，确保实践教W落到实处 一是实践教学计划的制定不能由任课教师说了算，要通过课程组、教研室和学院讨论后制定执行，避免了实践内容的重复性，保证实践内容的连贯性；二是学院督导组对实践教学过程的全程监督和指导，及时协调解决实践过程中出现的问题，保证实践教学顺利进行；三是学校督导组加强对实践教学的督导，杜绝师生散漫实践教学思想的产生。

4 种子专业实践教学成效显著

通过构建科学的实践教学体系及质量保障和监控体系，我校种子专业实践教学取得了明显成效。一是学生的实践技能显著提高。毕业生获得部级“作物种子繁育员”和“农业技术指导员”的比率达100%，部分学生获得了省级种子检验员资格证书。二是学生创新创业意识明显增强。通过构建“三个环节、三项课题、三大训练、多种大赛的专业实践创新体系”（即“学科带动―项目驱动―教师指导三个环节，大学生创新课题、企业创新课题、科技创新兴趣课题三项课题，暑期专业技能训练、学生综合训练田、企业专业实训三大训练，种子检验技能大赛、生物标本制作大赛、农科学子风采展之农科专业技能大赛、挑战杯创新创业技能大赛”等），并以“三进二促一创”（即“应用性研究进课堂、进教材和进学生毕业论文，科研促实践教学和创新创业的开展，通过科研创造良好的学习氛围和平台”）为途径，学生参与科技创新创业的积极性明显增强，学生的科技创新项目和毕业论文90%以上源于教师的科研课题或生产实践，近3a来，学生参与申报专利的达20余人次，学生参与发表的论文达20余篇。三是毕业生就业率明显提高。2012-2014届种子专业毕业生就业率分别为98.4%、98.6%和100%，学院多次获校就业先进集体称号，学校连续3a荣获“安徽省普通高校毕业生就业工作标兵单位”荣誉称号。四是企业和社会对毕业生的满意度大幅度提升。从毕业生跟踪调查情况来看，用人单位对种子专业毕业生的能力素质给予高度评价，一致认为“思想道德素质”过硬，90.1%的单位认为专业基础扎实；在实践能力、人际交往能力、创新意识和能力的评价中，选择“很强”、“强”的分别占到93.8%、95.1%和92.6%；毕业生能“完全适应”或“基本适应”工作岗位要求，58.0%的毕业生获得过销售冠军、优秀员工、工会活动积极分子、优秀新闻奖等单位、县级、省级奖励；在对毕业生工作满意度、人才培养质量满意度的调研结果中，超过98.5%的用人单位表示“很满意”或“满意”，毕业生技能符合工作岗位要求的达到74.1%以上，29.6%的单位指出，种子专业社会需求处于供不应求的状态，需加大学科专业建设力度。

参考文献

[1]陈小虎，吴中江，李建启.新建应用型本科院校的特征及发展思考[J].中国大学教学，2010（6）：4-6.

[2]王良莹.地方应用型本科高校内涵式发展的战略思考[J].河南科技学院学报，2014（10）：10-13.

[3]金晶，陈斌，臧靖.对地方应用型本科院校实践教学管理改革的探索[J].科教文汇，2012（12）：27-28.

[4]王丽霞.地方应用型本科高校人才培养模式存在的问题及路径探索[J].湖北函授大学学报，2014，27（17）：13-14.

[5]陈平.应用型本科实践教学质量监控问题分析[J].吉林省教育学院学报，2011，27（7）：28-31.

量子科学应用篇2

关键词：模糊综合评价法；层次分析法；因子分析法

中图分类号：G311

学科建设是衡量高校在新形势下是否具有综合竞争实力和办学适应能力的一个重要方面，高水平的学科有利于凝聚高级科技人才，学科水平是高校水平的重要体现，是高校科技创新的关键。

近年来随着我国高等教育的快速发展，国内普通高等学校数目也不断的增加。对于这些新建本科院校或者刚刚合并升本的地方院校来说，学科水平和办学实力均无法与国家重点高校相比。学科发展的无限性和办学资源的有限性决定了任何一所大学只能在某几个方向上或某几个领域中暂时处于领先地位，它不可能在某一个学科的全部方向都达到最高的水平，也不可能独自占领所有的学科领域。因此，学校的学科建设工作更应该集中有限的资源来重点建设好学科规划中的重点学科，发挥学校学科建设的合力，如何正确评价学科水平进而确立重点学科是学科建设的首要条件。

高等学校既需要加强科技创新进而创造高质量科研成果，更加需要确保科研成果能够及时应用到学科建设中，为人才培养和学科发展服务。因此，高校科研不再是单纯利用现有科技知识，更重要的是要创造知识，实现知识的生产和知识的增值，来提升学科层次。高校学科科研水平是高校学科水平的重要体现，科学、正确的评价学科的科研水平对高校学科评估起到指导性作用。

1 各种学科科研水平评价方法分析

目前学科科研水平评价方法主要有层次分析法，将模糊数学引入的模糊综合评价方法，基于因子分析评价方法等，以上的评价方法各有优缺点。

1.1 层次分析法

层次分析法，是将一个复杂的多目标决策问题当作一个系统，将系统目标分解为多个准则或多个目标，进而分解为多准则、多约束的若干个层次，通过定性标度模糊量化方法算出单层次排序（权重数）和总的排序，以作为多指标、多方案优化决策的系统方法。层次分析法是建立在科学的学科科研水平评价指标体系的基础上。层次分析法包括以下基本步骤：

（1）构建层次分析法的层次结构模型。

（2）构造两两比对的对比阵。

（3）计算分层次权向量并做一致检验。

（4）最后计算组合总权向量并做组合一致性检验。

将层次分析法应用于学科科研水平评价中，主观因素过重，评价的结果不够客观、科学。早期的学科科研水平评价方法多用层次分析法，随着分析方法的进步更多的客观分析方法被引入学科科研水平评价中。

1.2 模糊综合评价方法

根据模糊数学的隶属度理论，模糊综合评价方法把定性评价转化为定量评价，是一种基于模糊数学的综合评标方法。用模糊数学对受到多种因素制约的对象或事物做出一个总体的评价。它具有结果清晰，系统性强，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决。模糊综合评价的基本步骤是：

（1）设定评价因素集U：U={u1，u2，……un}，这里的评价因素un包括科研经费、获奖成果、论著、专利、研究项目等评价因素。

（2）设定评价集V：V={V1，V2……V5}，通常，设V1：优秀，V2：良好，V3：中等，V4：一般，V5：较差。

（3）根据学科实际情况由专家组成评判组，得到评价矩阵。

（4）确定权重集A。

（5）根据最大隶属度原则，获得学科科研水平为“优秀”、“良好”、“中等”、“一般”、“较差”五个层次中的一个。

模糊综合评价方法是主观和客观结合的评价方法，对于多所高校的不同学科之间如果差异不大，或者需要将学科水平严格打分排序的情况下，模糊综合评价方法并不是理想的评价方法。

1.3 因子分析法

因子分析最早由英国心理学家C.E.斯皮尔曼提出，是指从研究变量群中提取共性因子的统计技术。因子分析是指在许多变量中找出隐藏的具有代表性的因子并将相同本质的变量归入一个因子，不但可减少变量的数目，还可检验变量间关系的假设。因子分析所得的主因子为原始指标的线性组合，是采用少量的主因子代替多个原始指标。

采用因子分析进行学科科研水平评价之前，需要有科学的评价指标模型，根据评价指标对学科科研进行学科科研水平的因子分析，分析步骤如下：

（1）根据评价模型确定分析变量，收集数据资料。

（2）对收集的原始数据进行标准化处理。

（3）接下来计算出所选变量的相关系数阵。

（4）公共因子提取，计算初始载荷阵，对主成分分析方法而言，就是通过资料矩阵的相关系数矩阵计算出特征值和特征向量。

（5）因子旋转，通过坐标变换使用较少的公因子表达原始变量，使每个原始变量和尽可能少的公共因子之间有密切的关系。

（6）计算公共因子的得分情况。

（7）以提取的公共因子的方差贡献率作为权重，结合因子得分，建立学科科研水平综合评价模型，计算各样本的综合得分情况并进行排序比较，最终得出综合评价结果。

将因子分析是一种客观的分析方法，将因子分析应用于高校学科科研水平评价是一种科学的评价方法，尤其适用于相同或将近似的专业评价模型类似的学科科研水平评价，比如电子信息工程与电气技术或计算机专业等进行评价。但是将差异较大专业进行评价的时候，选取的模型不同，因子分析法不能根据具体情况区分应用。

2 结论

基于各种方法的缺陷与不足，一些学者又提出了改进的算法。如西安理工大学的曾绍智教授等，将一种基于层次分析和数据包络分析（DEA）的二次相对评价方法应用于“高校内部科研院所科研绩效”中，整个评价过程分两个阶段进行。另外，还有数学方法以及各种多元统计方法和计算机的应用，如主成分分析法、非线性综合评价模型的综合研究、因子分析法、集对分析以及判别分析和韦林分布、多知识库的计算机专家评价系统等等，在高校科研评价中都有所涉及。

参考文献：

[1]刘春霞.高校教师教学质量的综合评价[J].广西大学学报（哲学社会科学版），2001，6：2481.

[2]刘坚，苏军.因子分析在综合素质评价中的应用[J].华东交通大学学报，2004，21（5）：145-149.

[3]翟亚军，王文利.河北省普通高等学校学科建设现状分析[J].河北大学学报，2006，3：85-921.

[4]肖鹏.层次分析法在科研专项绩效评价中的应用[J].科学管理研究，2008，4：38-41.

作者简介：柯洪娣（1977-），女，吉林长春人，吉林工商学院信息工程分院，副教授，博士，研究方向：智能仪器、智能控制、算法优化。

量子科学应用篇3

[关键词] 地方院校；量子力学；精品课程建设

[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 1005-4634（2014）01-0057-04

0 引言

我国本科高校按隶属对象不同，分为部委属和省属两大类别，省属高校又分为省属国家“211”重点高校、省部共建高校、地方性直属高校三类，本文“地方院校”指省属高校中的地方性直属本科高校，这些院校大多采取省市共建、以市为主的管理体制，多数建校时间短或由专科升格。

随着我国高等教育大众化进程的不断深入，生源质量降低，教学资源日趋紧张，高等院校的教学压力逐渐加大，引发了社会对高等教育质量的担忧。2003年4月《教育部关于启动高等学校教学质量与教学改革工程精品课程建设工作的通知》（教高[2003]1号），引起了全国范围内建设国家、省、校三级精品课程的热潮。量子力学精品课程也同其他课程一样，经历了精品课程建设的热潮，截至2013年9月，共有四校建成国家精品课程，分别是兰州大学（2004年）、复旦大学（2004年）、清华大学（2007年）、北京大学（2008年）；两校建成湖北省精品课程，分别是华中师范大学（2003年）和湖北大学（2003年）；两校建成湖北省地方院校校级精品课程，分别是黄冈师范学院（2007年）、湖北师范学院（2011年）。可见，量子力学国家精品课程全部由985重点大学建设，湖北省精品课程也由211重点大学和省属重点大学建设，地方院校只有两校建成校级精品课程，只占湖北省27所地方院校的7.4%，大多数地方院校并未开展量子力学精品课程建设，这与量子力学课程的重要地位极不相称。量子力学是近代物理学的两大支柱之一，也是现代工业技术的重要理论基础，其教学质量的重要性不言而喻，但量子力学又是一门高度抽象的理论物理课程，远离日常经验，教与学都有一定的难度。地方院校由于师资力量薄弱，学术资源匮乏，生源素质不理想，教学与科研脱节，导致这些院校的量子力学精品课程大多处于有心无力、举步维艰的状态。

地方院校占我国高校总数的90%左右，担负着服务地方社会经济建设、培养千百万专门人才的重任。地方院校是我国高等教育金字塔的塔基，塔基不稳，必然影响我国高等教育的健康发展，因此研究地方院校量子力学精品课程建设，提高人才培养质量是迫在眉睫的重要问题，令人惋惜的是这方面的研究成果太少，难以指导地方院校量子力学精品课程的建设。

1 地方院校视角下量子力学精品课程建设 的内涵

精品课程的评价标准是“五个一流”，即一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教材、一流教学管理。精品课程建设研究大多围绕“五个一流”展开，但精品课程建设应该是分层次的，不同类型的高校应有不同的标准。每个学校都是在自己的层次上、自己的类型上来办出最高水平的课程，各个学校是不一样的，精品课定位不一样，寻找精品课群体也不一样[1]。地方高校应从自己的办学定位、培养规格和生源情况来考虑量子力学精品课程建设，基于地方院校视角来理解“五个一流”，扬长避短，不盲目攀比，也不妄自菲薄。

1.1 一流教师队伍

地方院校普遍存在教师整体水平不高的问题，教师的学历、职称、学术水平和重点大学相比有较大差距，教学任务重，技术应用能力不强。重点大学承担培养拔尖人才的任务，必然要求教师具有较高的学术水平和科研能力，地方院校承担培养千百万专门人才，即应用型技能型人才的任务，对教师的学术水平要求不是太高，但要求教师具有较强的技术应用能力。地方院校教师不宜与重点大学的教师比学术水平，但要关注学科前沿，尽快掌握与本学科相关的最新技术，提高重点大学教师并不擅长的技术应用能力，体现地方院校“双师”型师资的鲜明特色。

地方院校量子力学精品课程的一流教师队伍，就是要建设一支与应用型人才培养相适应的，具有一定的学术水平、较高的教学水平、较强的技术应用能力的“双师型”教师队伍。

1.2 一流教学内容

应用型人才培养的定位，决定了量子力学精品课程的教学内容有别于重点大学，教学内容的核心是量子力学的基本理论、基本知识、基本技能，不求教学内容的高度完整性，适当降低内容的深度和应用数学解题的难度，保持教学内容的前沿性和时代性，满足学生了解学科发展前沿及其技术应用的强烈愿望。前沿知识不仅可以开阔学生的眼界，而且能够潜移默化地影响学生未来的发展。

地方院校量子力学精品课程的一流教学内容可以理解为，量子力学基本理论、基本知识、基本技能等学科有效知识与专业发展密切相关的前沿知识及其技术应用的有机整合。有效知识，就是今后能对在该领域继续学习、继续研究、开辟新的领域、学习新的知识发挥作用的、最关键、最基础性的东西[1]。

1.3 一流教学方法

重点大学普遍重视讨论式、研究式教学方法，基于量子力学学科特点和地方院校学生水平，讨论式和研究式的教学方法要慎重使用，如果准备不充分，极有可能出现学生讨论时言之无物和研究时无从着手的难堪局面，反而挫伤学生的学习积极性。采用讨论式和研究式教学方法，一要内容难度适宜，二要前期准备充分，三要教师循循善诱。量子力学内容高度抽象，学生自学困难较大，因此对教学方法和手段的要求较高。无论选择什么样的教学方法，采用什么样的教学手段，都是为了学生能够更好地理解和掌握知识，都要适合学生的实际认知水平，不能为了讨论而讨论，为了研究而研究，应以实际教学效果来评价教学方法的优劣。

地方院校量子力学精品课程的一流教学方法，即以启发式讲授为主，结合课程内容适当采取讨论式和研究式教学，传统教学手段与多媒体技术手段有机结合，集多种方法与手段于一体的教学方法体系。

1.4 一流教材

量子力学教材的选用，国内一般主要选用曾谨言版（重点大学）和周世勋版（地方院校），另有苏汝铿版、张永德版、钱伯初版、关洪版等多种教材，也有多种国外优秀教材。鉴于量子力学的某些基本问题至今仍有争议，甚至国内权威教材中的部分内容仍受质疑，地方院校不宜盲目自编教材，避免对某些问题的不当阐述误导学生，宜选用国内经典的简明教材，辅以优秀教材作为参考书，以满足不同学生的学习要求，通过立体化、一体化教材建设，补充量子力学的最新进展和实际应用，更好地为地方院校培养应用型人才服务。

地方院校量子力学精品课程的一流教材，即在选用国内经典简明教材的基础上，选择国内外优秀教材作参考书，着力打造包括电子教案、PPT、习题答案、试题库、仿真实验、网络课堂等资源在内的立体化、一体化教材。

1.5 一流教学管理

精品课程需要通过科学的管理为其提供制度保证。科学的教学管理和规范的管理机制，是精品课程的重要条件。精品课程的教学管理既包括对课堂教学的组织、实践教学的安排、学习成绩的评定等教学环节的管理，还包括师资队伍的配备、课程建设过程的管理、教学保证条件的建设等[2]。

地方院校作为教学型大学，科研上处于劣势，教学管理上更应加强，应将一流教学管理作为量子力学精品课程的重要特色来建设。

地方院校量子力学精品课程的一流教学管理，即建立健全与应用型人才培养目标相适应的教学管理制度，包括编、备、教、辅、改、考各教学环节的管理制度，以及经费投入、师资配备、用人机制和激励机制、课程评价等教学质量保障制度，认真落实各项教学管理制度并切实做好教学质量监控，保证课程建设的可持续发展。

2 地方院校视角下量子力学精品课程建设 的对策

2.1 建设一支与应用型人才培养适应的师资队伍

地方院校培养应用型人才的定位，客观上要求教师应具有教师和工程师（或技能师）的双重身份。量子力学精品课程的师资队伍建设，除引进高层次人才、抓好现有教师的转型提升、开展与课程相关的教研和科研等常规措施之外，尤其要重视师资队伍的技术水平和能力的培养，通过产学研用结合切实提高教师的技术操作能力、应用能力和转化能力。加强学校与科研机构、企业的合作，聘请经验丰富的科研人员和工程师作为兼职教师，提高教师队伍整体的科研水平和技术实力。

2.2 精选课程有效知识构建学科基础，实现理论 与应用、基础与前沿的完美结合

夯实基础、关注前沿、了解应用、激发兴趣是一流教学内容的必然要求。在教学内容的选择和安排上，要注意与知识的实际应用相联系，找准最佳结合点，融入学科前沿的理论知识和学科发展的最新成果。

量子力学的有效知识包括量子力学的发展历史、量子力学的五大公设、定态问题求解、表象变换理论、微扰理论、电子自旋等，有效知识构成课程的核心知识；学科前沿知识、量子力学在现代科技和其它学科中的应用等内容构成课程的补充知识；散射等相对困难的内容构成课程的知识。核心知识具有相对稳定性，要求熟练掌握；补充知识具有时代性，要求学生了解而不求掌握；知识具有可选性，建议有能力的学生选学。核心知识和补充知识属于第一层次的教学内容，面向全体学生；知识属第二层次的教学内容，面向部分学生。教学内容的分类既有利于实现教学的层次化，又有利于实现理论与应用、基础与前沿的有机结合。

2.3 构建教学理念先进、与学生水平相适应的教 学方法体系

以教师为主导，以学生为主体。变单一教学方式为多样化教学方式构成的有机体系，变以教为主为以学为主或学教并重，变传统课堂教学为传统课堂教学和网络课堂教学相结合。基于量子力学的抽象性，讲授仍是主要的教学方法，但应注重启发学生积极思考，采取课内、课外、网络等多种形式增强师生互动，结合适当的内容开展讨论和研究。

可以组织学生讨论如量子力学相关实验的解释、量子力学基本原理的各种理解、一维定态问题的求解方法等；也可讨论量子力学的某些新进展和新的技术应用，要求学生就“量子纠缠”、“EPR佯谬”、“量子计算机原理”等内容展开调研，撰写文献综述报告，将讨论和初步的研究结合起来，培养学生从事科学研究的基本素质；也可建议能力较强的学生对“密度矩阵表示量子态”、“路径积分量子化”、“自由粒子的狄拉克方程”等较新的内容进行一些初级的理论探讨，通过写小论文的方式总结研究结果等。

讨论和探究的关键在于培养学生的参与意识、问题意识和批判意识，不奢望毕其功于一役，长期坚持一定会有收获。

2.4 选择适宜的教材和教学参考书，建设立体化、 一体化教材

选择周世勋版《量子力学教程》作为教材，因为它比较简明，适合初学者和地方院校生源的实际水平；选择曾谨言版《量子力学教程》作为主要参考书，因为它是全国大多数高校指定的考研参考用书，要照顾部分考研学生的需要；还可选择其他国内外优秀教材作为参考书，以兼收并蓄、博采众长。

教材是教学内容的载体，一流教材必然要展现一流教学内容。立体化、一体化教材不是简单的教材和教参搬家，应将学科最新的研究成果、成功的教改经验和教师自己的教科研成果及时地反映出来。一流教材除电子教案、PPT、全程教学录像、习题解答、试题库、网络互动答疑、在线测试等内容外，还要自编学习辅导用书，内容大致可包括学习内容辅导、考研辅导、阅读材料三大部分。学习内容辅导应梳理各章知识点及联系、重点难点的学习经验，补充典型习题；考研辅导可提供各类院校近年来的量子力学考研试卷，分析考试内容涵盖的知识点和相关的考核要求；阅读材料可介绍量子力学的最新进展、与量子力学有关的各交叉学科、量子力学的发展历史以及逸闻趣事等。

2.5 抓紧抓实全方位全过程的教学管理

精品课程建设是一个综合系统工程，只有扎扎实实、认认真真、持之以恒地努力工作，才能把事情做好[3]。一流教学管理是精品课程建设的重要方面，建章立制是基础，教学各环节的过程管理是纵线，教学保障条件建设管理是横线，教学质量监控、反馈和改进是保障。教学管理不必标新立异，抓紧、抓实、抓细、抓出成效，就是教学管理的最大特色。

教学各环节的管理制度中，重点要改变学业成绩评价标准，变结果评价为过程评价，正确把握考试导向，降低期末考试比重，加大平时考核比重，将考勤、作业、提问、小论文、课程设计纳入平时考核。

教学质量保障制度的建设和落实要抓好以下几个方面：学校要加大对精品课程建设的经费投入；选择学术水平较高、教学效果得到师生公认的优秀教师担任课程负责人，组建由课程负责人负总责、主讲教师分工与合作的教学队伍；对参与精品课程建设的教师，在评优评先、晋升职称等方面优先考虑；抓实教学过程的质量监控，完善同行评教、学生评教、毕业生评教和评教意见的及时反馈及改进制度；抓住一切校内外的交流机会，博采众长，不断更新充实网上资源，确保精品课程建设的可持续发展。

3 地方院校视角下量子力学精品课程建设 的初步成果

2011年起，荆楚理工学院应用物理学专业开设量子力学课程。三年来，量子力学教学团队坚持以建设校级精品课程为目标，始终追求精品境界，目前量子力学精品课程的基本资料已准备就绪，拟申报校级精品课程，并计划在校级精品课程基础上，力争申报省级及以上精品课程，最终转型升级成为精品资源共享课。

教学团队坚持教学和科研相结合，重视研究解决教学过程中存在的突出问题，以教科研水平的提高带动教学水平的提高。三年共主持完成湖北省教育科学“十一五”规划课题“理工类本科生物理学习障碍归因及对策研究”一项，此课题于2013年5月被湖北省教科规划办批准结题，鉴定结论为：课题研究整体设计规范，研究路线科学，课题组成员分工合理，研究成果丰富且有实效；正主持湖北省教育科学“十二五”规划课题一项：“地方院校应用物理学专业人才培养模式研究”。在学术研究方面，教学团队围绕量子纠缠态、量子点、反应微分截面等方向进行了比较深入地研究，取得了一些成果，近几年在国外英文期刊和国际学术会议上发表了6篇英文学术论文，其中4篇被EI收录，2篇被INSPECT收录，并在原子与分子物理学报、重庆大学学报、量子光学学报等中文核心期刊上发表了8篇学术论文。

科学研究提高了教师的学术水平，加深了对量子力学课程内容的深刻理解，促进了教学的深入浅出，实现了理论与应用、基础与前沿的有机结合，量子力学课程教学质量逐年稳步提高：三年来师生评教均分都在95分以上，教学效果得到师生认可；学生学习量子力学的积极性明显提高，学业成绩的统计结果表明，大部分学生较好地掌握了量子力学的基本理论、基本知识和基本技能，并对量子力学知识的有关应用和学科发展前沿产生了浓厚兴趣，越来越多的学生开始选择以量子力学的有关研究作为毕业论文选题，其中2009级两名学生的毕业论文荣获学校优秀毕业论文；不少学生考研时量子力学科目也取得了135分以上的较好成绩。荆楚理工学院量子力学精品课程建设取得的初步成效，从理论和实践两方面证明了建设具有地方院校特色的量子力学精品课程是可行的。

4 结束语

精品课程不应千课一面，不同类型的院校应该有不同类型的精品课程，量子力学精品课程建设也不应该成为重点大学的专利，地方院校完全可以根据自己的培养目标、培养规格、生源状况，正确地理解“一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教材、一流教学管理”，建设具有应用型人才培养特色的量子力学精品课程，在精品课程建设上实现与重点大学的错位发展。

参考文献

[1]袁德宁.精品课建设及课程支撑理念的转变[J].清华大学教育研究，2004，25（3）：53-57.

量子科学应用篇4

【关键词】计算机 生命科学 典型类型

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2014）07-0066-01

一 数据采集和处理

1.计算机在生命科学领域数据采集中的应用

根据在线检测，如正常的温度、压力实验效果、代谢中间物质的检测、生物种群数目的统计等，这些数据采集数量大涉及面积广，如果靠人工采集，投入量大，而且不符合需要。传统方法、在线监测数据的技术不成熟，在线监测很难实现。

新型数据传感器的研发并成功应用，满足了生命科学数据采集需要。新型数据传感器利用监测光、电、热、辐射量等可以定量的物质、生物物质和酶等分子之间作用与光、热等物理量存在定量的数学关系。根据这些基本原理，我们研发出特殊用途的电极和监测系统，如细胞电极、酶电极和分子电极，这些电极有很多优点，满足信息采集的需要，物电信号转换快、灵敏度高、测量误差小，尤其是大量的数据采集仪器，如色谱法、质谱法的应用生物传感器和生化测定仪器，其中核磁共振仪是特别重要的。

2.计算机对生命科学实验数据的处理

数据处理包括处理、建立和求解各种生命科学实验数据的学习生活方面的数学模型，用于控制和监测的实验使用的数学模型，实验跟踪生物量、生物参数以及生命科学和生物工程，包括优化的实验设计。如果测定DNA序列中核苷酸的位置，需要处理和收集DNA光谱数据；生物分子应用放射性物质跟踪，从而研究生物分子的发展变化；利用计算机设计模拟技术来优化生物工厂的建筑设计，自动分析和测量值的实验误差的处理基因芯片技术是基因，基因研究须采用计算机对采集的数据进行高效分析，从中获得研究基因的众多信息，再仔细处理从而得到相应结果。在所有数据处理和数据分析研究，计算机的应用和构建生命科学意义上的数学模型是非常重要的，和生命科学研究的数学模型一样，处于逐步从静态到动态的发展中。

二 计算机在生命科学中的应用

1.计算机在生物信息学中的应用

蛋白质三维结构需要通过计算机辅助方法进行预判，预测过程中我们需要对核酸和蛋白质等物质三维结构进行精确测量，这种技术被用于生物大分子药物设计，已成为当今社会的热点。

世界人类基因课题组计划所测定的30亿个碱基中，人类3万个基因需要分析和核苷酸定位，进而弄清楚其中所有功能单位的组织结构形式以及调节机制，没有计算机的帮助是难以想象的。

近年来，基因组学、蛋白质组学、代谢组学的快速发展，迫切需要开发新的数据分析技术和计算机软件快速访问所需的数据和信息。生物信息研究除了可以提供基因结构信息，还可以为蛋白质和其他物质提供空间结构信息和电子结构信息。

2.计算机数值方法在生命科学中的应用

现代生物信息学中的数学模型是一个非常复杂的模型，涉及知识广泛，而且需要很多方程耦合，比较常用的是非线性代数和微分方程耦合分析。为了研究这种复杂的数学模型，必须使用计算机数值方法。

因此，通过求解计算机数值分析方法的实际问题，已成为一个重要的方法。只要数值方法的选择、使用或计算机程序合理，就可以利用计算机解决数学模型的研究和计算实际问题。由于数值计算方法的发展提出了许多实际问题，计算机数值模拟软件已经在大量开发。

设计的子程序用于解决实际计算问题时，应用者需要掌握数值处理方法的知识和应用能力。因为当使用任何复杂和完善的程序来解决特定的问题都可能会遇到各种问题，这些困难可能是由于某种原因造成的：数学模型并不能精确反映实际情况，用数值方法精确描述生命科学的实际过程是不合适的。这是由于该方法的误差超过科学研究允许的实际误差，从而反映出的结果和实际有很大差距。子程序的使用条件下实际的选择不是在解决具体工程问题，子程序未能适当地修改或调整。事实上，在应用或使用任何子程序的时候，需要根据实际问题的用户的发展。作为子程序的最佳解决具体计算问题的选择上，需要更加厚实的基础知识，尤其是数值计算方法。因此生命科学科技实验人员或教学工作者总结掌握数值方法是非常重要的。

三 结束语

计算机在一个涉及广泛的生命科学中的应用，大大促进了生命科学的发展，及在促进相关产业发展中起到了很大的作用。基于目前情况，生命科学研究已不再仅仅是进行科学实验观察和记录。

参考文献

量子科学应用篇5

关键词：量子力学；教学探讨；能力提高

1 引言

生产力的发展客观需要，推动人们探索微观世界的奥妙，掐指算来，量子概念的诞生已经超过整整100年。但随着科技日新月异的发展，可以毫不夸张地说，没有量子物理，就没有人们今天的生活方式。量子物理的应用已经渗透到现代化生产的许多方面，如半导体材料与器件，磁性材料与器件，原子能技术、激光技术等等。《量子力学》课程的学习已成为国内高等理工科院校“应用物理”“电子科学与技术”“光信息科学与技术”等专业的必修学科基础课。通过该课程的学习，培养学生辩证唯物主义世界观，独立分析问题和解决问题的科学素养，并为“固体电子导论”“光电子学”等后续课程的学习打下良好的基础。

2 对《量子力学》课程的探讨

《量子力学》涵盖了基础物理、数学物理方法、概率论、线性代数、矩阵等多个学科领域的内容，特别是基本概念、规律与方法与经典物理截然不同，不能凭借我们所熟悉的经典概念去证明。这些现状导致学生在该课程学习中感觉到难度更大。传统的课堂教学容易陷入纯粹的数学推导而忽略物理情景的建立。

种种现象表明，现存的“单纯授课式”教学方式不符合本课程的教学规律，无法实现其预定的教学目标，必须在各方面加以充分改进。目前，国内外对《量子力学》课程的教学方法已经作了大量的尝试和研究，提出了多种教学方法，如开发生动的多媒体课件、课堂分组讨论、模块化教学等。如何让学生在偏微分方程为主线的教学体系中，理解抽象的量子物理基本框架，并激发和保持学生的学习兴趣，是任课教师需要探索和实践的重要课题，值得花力气去研究。此外，随着时代的发展，量子物理所带来的新技术又层出不穷，大量前言研究成果脱颖而出，如量子通信，量子纠缠，量子密码等。如何将这些最近量子应用技术融入到日常课堂教学中，无疑对教师的教学能力、教学方法和综合素质以及学生的课程学习方式等都提出了更高要求。

问题既是学习的起源，也是选择知识的依据，又是掌握知识的手段，因此在教学实践的基础上，可以尝试以“问题导向”作为切入口，将案例教学、视频教学、科研成果等融入《量子力学》的教学过程，克服抽象的物理图景给学生带来的困扰，增强学生利用所学知识解释现实、分析问题、解决问题的能力，培养学生主动思考和实践创新能力，进而提高教学效果。鼓励学生根据自己的兴趣与基础，在教师的指导下进行专题研究，用现有的专业实验室条件，针对课程理论知识带着问题和专业的实践应用问题，在科研实践中加深知识的理解和运用，逐步提高其创新能力。

3 《量子力学》课程问题导向型教学实施建议

3.1 学习状态的调查与分析

量子力学可谓无处不数学，因此需要以无记名答卷调查和课间交谈方式，对学生的之前数学物理知识基础，学习兴趣等进行统计和分析，从而为制定合适的教学计划、选取恰当的教学内容和教学方式打下基础。如果没有对具体问题进行严格的数学推导，就无法真正深刻理解基本原理，量子物理的实际应用也就更无从谈起。课程系统学习之前，教师应该把知识点中可能运用到的数学知识梳理后作为参考资料发给学生，便于学生在平时练习中使用。

3.2 建立“问题为导向的交互式教学模式”

量子科学应用篇6

关键词：观念启蒙；计量思想；化学用语；计算教学

文章编号：1008-0546（2017）07-0024-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.006

从启蒙的意义上看，初中化学不能视作化学学习的简单阶段，更不能视作所谓文科化的记忆阶段，初三化学应是从生活经验出发并面向学科素养的学科启蒙。在这个阶段，学生的学习既离生活最近，又紧密联系和建构学科根基。这个阶段的学习虽然说在知识上是少的，简单的，但是在形成学科观念上是丰富而深刻的。

初中化学用语计算是初中化学计算中的主体内容，主要涉及有关相对分子质量、化合物中元素质量比、化合物中某元素质量分数、化合物纯度和根据化学方程式的计算，分别安排在化学式和化学方程式的教学主题中。在教学实践中，老师们认为课程标准对这些化学计算定位得比较浅。比如化学式中元素质量比的教学被简单化地视为分子中相对分子质量与原子个数乘积之比的模仿与操练过程，教学重心落在“纯数字”的处理上，而忽视元素质量比的概念含义和用分子中原子质量比来量化宏观元素的质量比等诸多计量上的内涵，忽略了化学计算在培养学科核心素养上的启蒙价值。因此，化学用语计算的教学需要由单一技能性知识教学转向关注学科观念本质的智慧教学，需要由固定的教学模式即“教师示范、学生模仿、教师讲解、学生操练”向生动深刻的学科理解性课堂教学转型。

一、计量思想催生了化学符号系统

质和量是物质存在的筛龌本属性，其中量包括质量和数量两个基本物理量。计量是用一个规定的标准已知量作单位，和同类型的已知量相比较而加以检定的过程。化学计量学源自于希腊语stoicheion（元素）和metron（测量）。是在德国化学家里希特的建议下提出的，目的是要得到某些化合物中各元素之间的质量比。近代科学史上的化学计量经历了当量定律、定比定律、原子量测定、化学符号和分子学说等阶段，由宏观计量领域走向微观计量领域。可以说，计量的发展成就了化学学科发展，尤其是催生了化学符号系统的发展[1]。例如，化学用语“H2O”的发展过程，普鲁斯特提出参与反应的物质，它们的质量都成一定的整数比，即1克氢气和8克氧气化合生成9克水，假如不按此比例，多余的就要剩余而不参加反应（即定比定律）。道尔顿在此基础上又提出组成化合物时，不同元素的原子之间以简单整数比相结合（即倍比定律），他认为水为二元分子，即HO，并测定出氧的相对原子质量为8。贝采里乌斯认为道尔顿测定的相对原子质量有误，重新测定了氧的相对原子质量为16，认为一个水分子是由一个氧原子和两个氢原子构成，并更新了新的化学符号系统，从而为水的化学式“H2O”的最终确定奠定了科学基础。

由此可见，化学用语是伴随着计量产生和发展的，既是计量的结果，又具有计量的内涵。由此，化学用语“语境”中的计算不只是简单意义上的数的运用，更不是一个单一的算的处理，而是计量层次上的内涵表达。这就是作为启蒙的初中化学用语计算的本质所在。

二、计量思想在化学用语计算教学中的实践

化学研究的物质及其物质变化存在着计量关系。从计量角度来看，物质的化学计量关系主要有两个物理量，即数量和质量，并由此延伸出浓度、酸碱度、反应速率等物理量；从计量思想来看，定量观是研究化学问题的重要思想方法，是用统计思想将宏观事实与微观本质联系起来，并将结果用符号来表征[2]。这里的计量思想主要是指在获取、表达和分析物质及其物质变化存在的数量和质量关系中提炼出来，有利于计量知识深刻理解的思维方法。初中化学定量观的计量思想主要有科学计量思想、整体局部思想、符号表征思想和量变质变思想。

1. 在相对原子质量中体现科学计量思想

相对原子质量既是原子质量的计量，又是后续有关分子质量和化学反应计量的基础，从计量思想的角度来把握相对原子质量这个概念，是化学用语计算教学的关键开局。

教学片断（人教版）

引入：微观上原子虽小，但它也是有质量的，不然宏观上的物质也就没有了质量。同学们估计一下，原子的质量有多大呢？

呈示与说明：

（1）观察图1。

（2）6.02×1023个碳原子虽说是一个天文数据，但却只有12g。

（3）出示与12g碳质量相当的砝码，即两个5g砝码和两个1g砝码。

感受：碳原子质量很小。

讲述：碳原子质量大约是1.993×10-26kg，氧原子质量约为2.657×10-26 kg，氢原子质量约为1.67×10-27 kg，可见用千克、克等计量单位来衡量原子的质量不合适，它使得数值太小，书写和使用都不方便。

思考：原子质量用怎样的计量单位来衡量比较合适？

讨论与汇报：用接近10-27 kg的计量单位。

介绍：

（1）以一种碳原子原子质量的1/12作为标准，即图2。

（2）列出氧原子、氢原子、碳原子等与这个标准的比式及比值。

（3）相对原子质量H-1、C-12的比较（见图3）。

（4）相对原子质量的定义。

练习：查阅铁原子和锌原子相对原子质量；由铁的相对原子质量56和锌的相对原子质量65，可以得出铁原子和锌原子在质量和数量上的哪些信息？

相对原子质量属于微观计量，以上片段包含三个教学环节：第一是通过天平情境勾勒出计量背景，在微观与宏观的联系中建立微观直观，并体会原子质量的真实存在和极其微小，为探寻合适的计量单位打下伏笔，并为高中“物质的量”提前建立一致性关联；第二是寻找合适的计量单位，并在求算中体验计量标准和相对原子质量的概念，这是教学的难点；第三是在具体情境中运用相对原子质量，体会相对原子质量的计量意义。而这三个环节都是围绕科学计量思想这个核心来展开。让学生感受到使用什么样的标准而使计量结果准确简约是计量智慧层面上的思考，亦即科学计量思想。而这里科学计量思想的启蒙对于后续化学用语计算，还有溶液的浓度表示、溶解度等教学具有迁移作用。

2. 用整体局部思想建构有关相对分子质量计算中的宏微关系

有关相对分子质量的计算包括相对分子质量、物质组成中元素质量比和物质中某元素质量分数三部分内容，其中相对分子质量是基础，宏观上的元素质量比、元素质量分数与微观上的分子中原子质量比、原子质量分数建立实质性联系是教学难点。

教学片断（人教版）

环节一：相对分子质量

谈话：

谁的质量大，如何来说明？

指出：相对原子质量是原子质量计量上的伟大发明。

引入：

谁的质量大？大多少？

思考与汇报：44>18，说明二氧化碳分子质量大；比例为44∶18。

追问：44和18是怎么来的，分别表示了什么？

学生说明：12×1+16×2=44，1×2+16×1=18，即分别表示二氧化碳和水的相对分子质量。

追问：相同质量的水和二氧化碳中，谁所含的分子个数多？

学生说明：（1÷44）

形成：相对分子质量。

精要练习（略）

环节二：元素质量比与元素质量分数

对话：H2O中，1×2∶16×1=1∶8，表示的是什么？

得出：1∶8表示了水分子中氢原子与氧原子的质量比。

思考与讨论：宏观上水是由氢元素和氧元素组成的，水中氢元素的质量与氧元素质量的比值即为氢、氧元素质量比，那么如何求算这个质量比呢？

汇报与提炼：1.宏观上氢元素、氧元素的质量就是微观上所有氢原子、氧原子的质量，所以氢元素与氧元素的质量比在数值上等于所有水分子中氢氧原子质量比，又因为每一个水分子都相同，所以这个质量比又等于一个水分子中的氢氧原子质量比，即1×2∶16×1=1∶8；2.宏观上水的|量就是微观上所有水分子的质量和，因为每个水分子都相同，所以宏观上的水与微观上的水分子是对应的，于是水中氢、氧元素质量比在数值上等于一个水分子中的氢、氧原子质量比。

指出：宏观上物质组成元素的质量比可以通过微观上一个分子来计量，即以点代面。

追问：如何求算水中氢元素质量分数（即氢元素的质量与各元素的总质量之比）？

汇报：与求算元素质量比一样，可以通过水分子中氢原子质量分数来求算，即1×2/18×100%。

环节三：提炼计算公式与巩固（略）

环节一中，先通过比较碳原子、氧原子的质量来温习原子质量的计量即相对原子质量的概念，接下来在比较二氧化碳与水分子质量的情景中引出对分子质量的计量，并在对“44、18”的列式与表述中让学生体会分子的质量为各原子质量和，反之各原子相对质量和就是相对分子质量，即计量中的整体局部思想，从而形成相对分子质量的概念。环节二中进一步应用了整体局部思想，体现在“为什么水中氢氧元素质量比在数值上等于一个分子中氢氧原子质量比和如何求算水中氢元素质量分数”的思考与追问之中，让学生感受到图6所呈现的完整的整体局部思想[2]，即物质质量与元素质量，元素质量与原子质量，物质质量与分子质量，分子质量与原子质量等。

3. 用符号表征思想领会根据化学方程式计算的本质

根据化学方程式的计算是从量的方面研究物质的变化，而量的关键并不是具体计算问题中的数字，也不是计算过程中所列的比例式，而是深刻领会化学方程式这个符号表征所蕴含的计量。

教学片断（人教版）

环节一：体会化学方程式中的计量数

回顾：根据微观图示，写出对应的化学方程式。

评价：

读：化学方程式。

追问：如果增加一个氢分子，即图8

对应的是几个水分子？

阐述：还是两个水分子。

体会：化学计量数是成比例的，比例是固定的。

环节二：领会根据化学方程式计算的“根据”

辨析：根据化学方程式判断“8g氢气与4g氧气燃烧后生成12g水”的说法是否正确？

思考与交流

汇报：1.根据化学方程式的计量数关系：v（H2）∶v（O2）∶

v（H2O）=2∶1∶2，得出：m（H2）∶m（O2）∶m（H2O）=2×2∶1×32∶2×18，因为8∶4∶12≠4∶32∶36，所以不可能生成12g水；

2.根据化学方程式，在质量上m（H2）∶m（O2）=2×2∶1×32即1∶8，所以8g氢气与4g氧气中，8g氢气有剩余，不可能生成12g水。

体会：化学方程式中的各物质质量比是固定的，这是根据化学方程式计算的根本依据。

追问：如何计算生成的水的质量呢？

展示：计算思路与格式。

环节三：巩固（略）

化学方程式作为化学学科中独特语言，它将宏观反应事实准确、简洁地用数字和符号来表示，变繁为简地将宏观与微观联系起来，是化学反应定性与定量思维的核心工具。学生能否理解“可观察的宏观世界，分子、原子和离子构成的微观世界，化学式、化学方程式和元素符号构成的符号世界”这三者之间的联系，是影响学生化学学习的重要因素，而这也是符号表征思想的基本内涵[3]。以上教学就是紧扣符号表征思想，先由微观示意图入手引出化学方程式，然后通过增加一个氢分子后生成几个水分子的追问，让学生体会化学方程式中计量数的微观计量内涵，为后续“定量”打下基础。在教学环节二中通过对定量化的具体反应实例的辨析和体会，让学生深刻领悟微观计量与宏观计量的联系，并体会宏观上反应中的各物质质量比的确定性，从而确立根据化学方程式计算的本质。

综上所述，关注计量思想的化学用语计算教学，是为了将计算教学由单一技能向智慧层面提升，是试着从计量的角度抵达学科核心素养的实践探索。当然，由计算到计量的教学转向，并不排斥计算技能，而是给计算技能一个温暖的学科本质的底色，是朝向学科核心素养的回归。

参考文献

[1] 曹英.“物质的量”概念的形成历史与科学本质观 [D].上海：华东师范大学，2012

量子科学应用篇7

自上世纪中期投入应用以来，半导体已经深入到人们的生活、学习和工作的方方面面，给电子工业带来革命性的影响。但是这个时刻陪伴身边的半导体究竟是什么？

中国科学院王占国院士同半导体打了一辈子交道，他这样回答：半导体是介于导体和绝缘体之间的一类材料。它有四个特点：热敏性，与金属不同，半导体的电阻与温度变化是相反的，电阻越小温度越高；光敏性，光一照，它的电导就发生变化；光伏效应，光照产生光电压；整流效应，从A端到B端是通的，从B端到A端就不通了。

半导体的特性为我们带来了无穷益处：“如发射一吨重的卫星，假如用晶体管代替电子管重量可减轻100千克，就可以节省9吨的燃料。它不仅广泛应用在航空航天、人造卫星等高科技领域，而且是我们生活中不可或缺的：医学上的核磁共振仪，日常用的收音机、电视机、洗衣机、微波炉、电冰箱、电子表、手机……里面核心控制的设备都是半导体。半导体应该说是无孔不入、无处不在。”

硅作为半导体材料的代表，现在已经成为微电子技术的基础材料，我们用的电子元器件和电路的90%都是硅材料。使用硅材料做集成电路，产值已达到每年约3000亿美元，由硅材料做成的器件和电路可以拉动几万亿美元的电子产业，半导体硅材料可以说是信息时代的基础。

追随一生的半导体

王占国1938年12月29日生于河南镇平。1962年毕业于南开大学物理系，同年到中科院半导体所工作。从那时起，他的人生脚步，就没有离开过半导体这个领域。

参加工作以后，王占国致力于半导体材料光电性质和硅太阳电池辐照效应研究。其中，硅太阳电池电子辐照效应研究成果为我国人造卫星用硅太阳电池定型（由PN改为NP）投产起了关键作用。

1971～1980年，他负责设计、建成了低温电学测量和光致发光实验系统，并对GaAs和其它III-V族化合物半导体材料的电学、光学性质进行了研究。其中，体GaAs热学和强场性质的实验结果以及与林兰英先生一起提出的“GaAs质量的杂质控制观点”，对我国70年代末纯度GaAs材料研制方向的战略转移和GaAs外延材料质量在80年代初达国际先进水平贡献了力量。

1980～1983年，经黄昆和林兰英两位所长推荐，他赴国际著名的深能级研究中心瑞典隆德大学固体物理系，从事半导体深能级物理和光谱物理研究。在该领域权威H.G.Grimmeiss教授等的支持和合作下，做出了多项有国际影响的工作：提出了识别两个深能级共存系统两者是否是同一缺陷不同能态新方法，解决了国际上对GaAs中A、B能级和硅中金受主及金施主能级本质的长期争论；提出了混晶半导体中深能级展宽和光谱谱线分裂的物理新模型，解释了它们的物理实质；澄清和识别了一些长期被错误指派的GaAs中与铜等相关的发光中心等。

1984～1993年，在半导体材料生长及性质研究中，提出了GaAs电学补偿五能级模型和电学补偿新判据，为提高GaAs质量、器件与电路的成品率提供了依据。与人合作，提出了直拉硅中新施主微观结构新模型，摒弃了新施主微观结构直接与氧相关的传统观点，成功地解释了现有的实验事实，预示了它的新行为；与龚秀英等同事合作，在国内率先开展了超长波长锑化物材料生长和性质研究，并首先在国内研制成功InGaAsSb，AlGaAsSb材料及红外探测器和激光器原型器件。

他协助林兰英先生，开拓了我国微重力半导体材料科学研究新领域，首次在太空从熔体中生长出GaAs单晶并对其光、电性质作了系统研究，受到国内外同行的高度评价。

他于1986年任半导体所研究员，材料室主任；1990年任博士生导师，1991～1995年担任副所长；1995年当选为中国科学院院士。1991～2001年任国家高技术新材料领域专家委员会委员、常委、功能材料专家组组长，因对863计划做出突出贡献，2001年863计划实施十五周年时，被科技部授予先进个人称号；1996～2000年任国家S-863计划纲要建议软课题研究新材料技术领域专家组组长；2003年任国家材料中长期科技发展战略研究新材料专家组组长；1997～2002年和2006～2009年任国家自然科学基金信息学部半导体学科评审专家组组长等。此外，还有多种学术兼职。

任863专家委员会委员期间，他积极推动了我国全固态激光器的研发和半导体照明事业的发展。如今，我国的半导体白光照明已经处于国际先进水平，极大地促进了节能环保事业的发展。

从上世纪90年代起，他工作的重点已集中在半导体低维结构和量子器件这一国际前沿研究方面，先后主持和参与负责十多个国家863、973，国家重点科技攻关，国家自然科学基金重大、重点和面上项目以及中科院重点、重大等研究项目。

他和MBE组的同事一起，在成功地研制了国内领先、国际先进水平的电子迁移率（4.8K）高达百万的2DEG材料和高质量、器件级HEMT和P-HEMT结构材料的基础上，又发展了应变自组装In（Ga）As/GaAs，InAlAs/AlGaAs/GaAs， InAs/InAlAs/InP和InAs/InGaAs/InP等量子点、量子线和量子点（线）超晶格材料生长技术，并初步在纳米尺度上实现了对量子点（线）尺寸、形状和密度的可控生长；首次发现InP基InAs量子线空间斜对准的新现象；成功地制备了从可见光到近红外的量子点（线）材料，并研制成功室温连续工作输出光功率达4瓦（双面之和）的大功率量子点激光器，为当时国际上报道的最好结果之一；红光量子点激光器和 InGaAs/InAlAs、GaAs/AlGaAs量子级联激光器与探测器材料及其器件的研究水平也处在国际的前列；2001年，他作为国家重点基础研究发展计划973项目“信息功能材料相关基础问题”的首席科学家，又提出了柔性衬底的概念，为大失配异质结构材料体系研制开辟了一个可能的新方向。

上述研究成果曾获国家自然科学二等奖和国家科技进步三等奖，中国科学院自然科学一等奖和中国科学院科技进步一、二和三等奖，何梁何利科学与技术进步奖，国家重点科技攻关奖以及优秀研究生导师奖等十多项；从1983年以来，先后在国外著名学术刊物180多篇，培养博士、硕士和博士后百余名。

新科技革命的起点

硅集成电路的器件尺度不可能无限减小，摩尔定律在硅器件尺寸减小到一定程度的时候，会遇到量子效应、功耗问题、隧穿问题等等，这就限制了现有模式的继续发展。国际上预计，2022年硅集成电路器件的最小尺寸将达到10纳米左右。

量子科学应用篇8

1．何为高分子化学

顾名思义，高分子就是相对分子质量很高的分子，它是高分子化合物的简称。高分子化合物，又称聚合物或高聚物，是结构上由重复单元（低分子化合物—单体）连接而成的高相对分子质量化合物。高分子的相对分子质量非常的大，小到几千，大到几百万、上千万的都有。我们有时将相对分子质量较低的高分子化合物叫低聚物。高分子化学作为化学的一个分支，同样也是从事制造和研究分子的科学，但其制造和研究的对象都是大分子，即由若干个原子按一定规律重复地连接成具有成千上万甚至上百万质量的、最大伸直长度可达毫米量级的长链分子，称为高分子、大分子或聚合物。

2．高相对分子质量与高强度

相对分子质量和物质的性质是密切相关的，是决定物质性质的一个重要因素。只有相对分子质量高的化合物才有一定的机械力学性能，才能作为材料使用。例如乙烷、辛烷、廿烷、聚乙烯、超高分子量聚乙烯，都是直链的烷烃化合物，但是分子量变化很大，其机械力学性能因而也有极大的区别。

3．高分子科学的主要内容

既然高分子化学是制造和研究大分子的科学，对大分子的反应和方法的研究，显然是高分子化学最基本的研究内容。高分子科学不仅是研究化学问题，也是一门系统的科学。高分子科学的主要内容有：如何将低分子化合物连

接成高分子化合物，即聚合反应的研究。高分子化合物的结构与性质关系。不同性质的高分子，其结构必然是不同的。为了得到不同性质的高分子，就要去合成具有特殊结构的高分子。

二、高分子材料化学的应用

材料是人类社会文明发展阶段的标志，是人类赖以生存和发展的物质基础。它是指经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并可应用于一定用途的物质。上世纪半导体硅、高集成芯片、高分子材料的出现和广泛应用，把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。可以说某一种新材料的问世及其应用，往往会引起人类社会的重大变革，材料是人类文明的重要标志。如果说现在人人离不开高分子材料，家家离不开高分子材料，处处离不开高分子材料，是一点也不过分的。高分子化合物的最主要的应用是以高分子材料的形式出现的，高分子材料包括了塑料、纤维、橡胶三大传统合成材料，另外许多精细化工材料也都是高分子材料。

第一，塑料：一类是通用塑料，如容器、管道、家具、薄膜、鞋底与泡沫塑料等等；另一类叫工程塑料，其强度大，如汽车零部件、保险杠、洗衣机内的滚筒、电器的外壳等。

第二，纤维：人们开发出聚酯、尼龙、腈纶、维尼纶等高分子化合物，通过不同的加工，生产出了各种纤维制品，极大地满足着人类的需要。

第三，橡胶：天然橡胶的种类和品质都受到很大的限制，于是科学家们不断开发出了各种人造橡胶，如丁苯橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、硅橡胶等。

第四，精细化工：比如使得我们的世界变得丰富多彩的各种涂料产品，如家具漆、内外墙乳胶漆、汽车漆、飞机漆等。女孩子用的指甲油，使牙齿变白的增白剂也都是涂料。还有万能胶、建筑用胶、医用胶、结构胶等黏合剂，以及各种吸水树脂等都是高分子产品。

三、高分子化学与高科技的结合

当今社会，人们将能源、信息和材料并列为新科技革命的三大支柱，而材料又是能源和信息发展的物质基础。自从合成有机高分子材料的那一天起，人们始终在不断地研究、开发性能更优异、应用更广泛的新型材料，来满足计算机、光导纤维、激光、生物工程、海洋工程、空间工程和机械工业等尖端技术发展的需要。高分子材料向高性能化、功能化和生物化方向发展，出现了许多产量低、价格高、性能优异的新型高分子材料。

随着生产和科学技术的发展，许多具有特殊功能的高分子材料也不断涌现出来，如分离材料、光电材料、磁性材料、生物医用材料、光敏材料、非线性光学材料等等。功能高分子材料是高分子材料中最活跃的领域，下面简单介绍特种高分子材料：功能高分子是指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出相应反应的高分子材料；高性能高分子则是对外力有特别强的抵抗能力的高分子材料。它们都属于特种高分子材料的范畴；特种高分子材料是指带有特殊物理、力学、化学性质和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料（化学纤维、塑料、橡胶、油漆涂料、粘合剂）的范畴。

第一，力学功能材料：强化功能材料，如超高强材料、高结晶材料等；)弹材料，如热塑性弹性体等。

第二，化学功能材料：分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、高分子络合物等；反应功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂；生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等。

第三，生物化学功能材料：人工脏器用材料，如人工肾、人工心肺等；高分子药物，如药物活性高分子、缓释性高分子药物、高分子农药等；生物分解材料，如可降解性高分子材料等。

可以预计，在今后很长的历史时期中，特种与功能高分子材料研究将代表了高分子材料发展的主要方向。

四、高分子化学的可持续发展

研究高分子合成材料的环境同化，增加循环使用和再生使用，减少对环境的污染乃至用高分子合成材料治理环境污染，也是21世纪中高分子材料能否得到长足发展的关键问题之一。比如利用植物或微生物进行有实用价值的高分子的合成，在环境友好的水或二氧化碳等化学介质中进行化学合成，探索用前面提到的化学或物理合成的方法合成新概念上的可生物降解高分子，以及用合成高分子来处理污水和毒物，研究合成高分子与生态的相互作用，达到高分子材料与生态环境的和谐等。显然这些都是属于21世纪应当开展的绿色化学过程和材料的研究范畴。

参考文献：

[1]冯新德.展望21世纪的高分子化学与工业[J].科学中国人,1997,(11)

[2]王守德,刘福田,程新.智能材料及其应用进展[J].济南大学学报(自然科学版,2002,(01).

量子科学应用篇9

关键词：类比教学法；科学教学；运用方法

皮亚杰认为，人的发展、智慧的发展是靠他自己与周围环境发生交互作用而慢慢地建立起来的。而教师必须改变自己的角色，学会换位思考，从学习者的角度选用教学方法，并通过实践摸索找出最适合大部分学生的方法突破教学中的重难点，真正提高每一个学生的科学素养。

初中生的思维水平处于具体形象思维向抽象逻辑思维过渡的阶段，因此对于相对原子质量这一抽象的概念较难理解与领悟。尤其是对“相对原子质量没有单位”，学生往往出错，只能死记硬背避免出错。可见，这显然造成了教学难点。而笔者在一次课堂教学中运用了类比教学法进行相关教学后，发现学生对这一知识点掌握得很好。于是，笔者以类比教学法在相对原子质量的教学难点突破中的运用案例，呈现这一教学法对于帮助学生理解抽象概念的妙处。

师：同学们，有这样一个真实的战时故事，我想分享给大家。在战时的英国，有一本晦涩难懂的书在书店销售一空，它就是著名的存在主义哲学家萨特写的《存在主义哲学》。有人就很好奇，那些普通老百姓为何突然对这本书那么热衷起来，同学们，你们怎么看？

（生表示疑惑不解）

师：有一个异国的观察者非常好奇，于是，进入一户人家进行查看，发现原来老奶奶把书买回家后，把它当秤砣用呢。因为在战时的英国，铁质的物件稀缺，铁大多都被用去制造枪支弹药了，所以很多人家都没有秤。而老奶奶从商店买了香蕉，想确认商家有没有缺斤少两，所以要想办法称一称。那这跟萨特的书有什么关系？原来，有人发现这本书刚刚重一磅。于是，这书便成了人们的秤。一磅=一本书。

（生释然，又开始疑惑老师卖什么关子）

师：同学们，现在我们同样面临一个类似的问题，请大家找一找那个可以当作一磅的“一本书”！

（展示PPT课件，呈现问题情境“一个氢原子的质量是

1.674×10-27kg，一个氧原子的质量是2.657×10-26kg，它们的质量很小，如果用小数表示即0.00000000000…kg了，那要应用它们进行计算是不是很不方便？有没有更简单的方法来替代？”）

生：就像前面老奶奶找来一本书表示抽象的一磅，我们也可以找到同样有替代作用的东西表示。

师：很好，请同学们阅读书本，看看科学家找到的是什么替代东西？

生：可以借用C-12原子质量的十二分之一表示“1”。

师：那他们是如何用这个“1”的？

生：用氢原子的实际质量除以这个C-12原子质量的十二分之一，得到的数字就是氢原子的相对原子质量，这就是新的原子质量表示方法。

师：这个新的原子质量表示方法与原子的实际质量比较，有什么不同之处？

生：表示更简单了，而且没有单位。

师：很好。这其实就是科学家找到的那本书。

在课堂的当堂练习中，学生运用了相对原子质量的相关知识，进行了相应的练习，从反馈结果看，学生对相对原子质量没有单位这一点掌握很好。可见，类比教学法在相对原子质量这一抽象概念的教学中收到了较为理想的效果。笔者认为，这一教学方法与传统教学方法相比，存在一些明显的长处。

相对原子质量这一概念在教材中的呈现形式是公式化的，需要学生具有较强的演绎思维能力和一定的数学基础。教师对这一难点的突破似乎也仅仅在于强化练习，并没有从学生已有的认知水平搭建支架进行教学。而用具体的生活实例铺设这一思想方法，从而在具体的教学情境中再现应用，需要学生具备一定的迁移能力，更需要教师找准、找好有力的支架搭建。

《义务教育科学课程标准》的核心理念是“发展每一位学生的科学素养”，而科学思维水平的提高是科学素养提升的核心，在课堂教学中有意识地渗透科学思维方法的应用，有助于落实这一核心理念。因此，用类比教学法进行抽象概念内容的教学是一条值得尝试和实践的路径。

建构主义教学论认为，应当把学习者已有的知识经验作为新知识的生长点，引导学习者从原有的知识经验中，生长新的知识经验。而类比教学法恰恰将学习者原有的经验与新的知识之间架起了一座桥梁，由此岸顺利到达彼岸。它帮助学习者在新的抽象知识与原有的、熟悉的、直观形象的经验之间找到了一些相似点，由此及彼，化难为易，是一种巧妙的教学方法。这种方法的实践应用有助于提高学习效率，加深理解，而且适用于大多数的学生，值得教学者在更多的教学任务中加以应用和拓展。

量子科学应用篇10

拓扑绝缘体的出现为未来电子技术的发展提供了新的思路。

2009年，张首晟与中科院物理所的理论团从理论上预期了三维拓扑绝缘体的存在。

随后，由清华大学物理系以及中科院物理所组成的实验研究团队，制备出了高质量的薄膜。

拓扑，最抽象的数学概念之一。

绝缘体，一种非常具体的材料。

拓扑绝缘体，近年发现的一种全新量子物质态。这个新奇的概念，不仅将两个隔行隔山的名词联系在了一起，更因自身奇特的电子结构和优异性能成为凝聚态理论研究的热门领域。

张首晟，“”入选者，清华大学高等研究院、斯坦福大学物理系讲座教授，拓扑绝缘体研究领域的开创者之一。

新奇的拓扑绝缘体

众所周知，传统固体材料可按导电性质划分为绝缘体和导体，绝缘体不导电，而导体导电，多为金属材料。无论导体抑或绝缘体，尽管可在一定情况下发生转化，但相对来说，它们的导电属性是确定的，非此即彼。

而拓扑绝缘体却完全不同。张首晟介绍，从理论上分析，拓扑绝缘体材料的体电子态是有能隙的绝缘态，而其表面却是无能隙的金属态。简而概之，拓扑绝缘体具有绝缘体和导体的双重性，内部是绝缘体，表面却是金属性的导体。

同时，拓扑绝缘体的表面金属态也完全不同于一般意义上由于表面未饱和键或者是表面重构导致的表面态，其表面金属态完全由材料体电子态的拓扑结构决定，与表面的具体结构无关。也正是因为其表面金属态的出现由拓扑结构对称性所决定，所以它的存在非常稳定，基本不会受到杂质与无序的影响。

拓扑绝缘体的特异结构决定了拓扑绝缘体材料具有独特的优点。首先，这类材料是纯的化学相，非常稳定且容易合成；其次，这类材料表面态中只有一个狄拉克点存在，是最简单的强拓扑绝缘体，这种简单性为理论模型的研究提供了很好的平台；第三，也是非常吸引人的一点，该材料的体能隙非常大，远远超出室温能量尺度，这也意味着有可能实现室温低能耗的自旋电子器件。

这些重要特征保证了拓扑绝缘体将有可能在未来的电子技术发展中获得重要的应用，有着巨大的应用潜力。目前，寻找具有足够大的体能隙并且具有化学稳定性的强拓扑绝缘体材料，已经成为人们关注和研究的焦点。

拓扑绝缘体的前世今生

拓扑绝缘体的概念最早在2005年提出。张首晟介绍，这一概念的提出最早只是一个理论预言。

电子能量消耗是目前半导体行业乃至整个信息技术发展遇到的最大难题，计算过程中电子的无序碰撞便是造成电子能量消耗的最大原因。而拓扑绝缘体概念的根本前提就是电子之间“各行其道，互不干扰”―将电子有序分开，避免碰撞带来无谓消耗，再推动其各自高速运行，最终提升运算速度。

“我们预言了一些材料，它们有非常奇妙的性质。如果把这些材料变成二维体系，那你会看到：电子全部行走在边缘上，并且各行其道、互不干扰。”张首晟解释说。在这个预言里，他设定了具体的现象，预言了哪些材料在哪种情况下采用何种方法才会实现哪种效应。而要让美好愿望变成现实，就要采用科学的方法和手段，充分利用自然规律来实现。“我们主要利用量子自旋摩尔效应，通过调控电子的自旋来改变它的运动方式。”

21世纪初，张首晟带领团队开始研究两维拓扑绝缘体，也就是量子自旋霍尔效应。

霍尔效应最初由科学家埃德温・霍尔在19世纪末发现，即通电导体在磁场作用下能使电流运动方向改变90o。1980年，科学家又发现在极低温和强磁场条件下，霍尔效应会呈现电子按顺时针沿导体边缘运动，即量子化的表现形式，这就是量子霍尔效应。量子霍尔效应的发现给物理学界带来了重大的影响，曾两次被授于诺贝尔奖。与无序运动导致热量消耗相比，量子霍尔效应中的电流几乎没有能量损失，由此引发了科学界研制新的电脑元器件的设想。

电子是电流的载体，它除了负有电荷以外，还具有一种叫做自旋的性质，这种自旋也会出现量子霍尔效应，这就是“量子自旋霍尔效应”。在这种效应下，同样没有能量损耗，所不同的是它不需要强磁场和极低温的苛刻条件。如果能够在室温下实现量子自旋霍尔效应，这无疑会突破摩尔定律的限制，很有可能催生新的几乎不发热的电脑元器件。

2006年，张首晟小组提出了“量子自旋霍尔效应”的预估理论，并在《科学》杂志上发表。2007年，“量子自旋霍尔效应”在其合作伙伴德国Wurzburg大学的实验室进行了确认，并在碲化汞半导体材料上实验成功。同年，“量子自旋霍尔效应”被纳入《科学》杂志2007年重大科学发现之一。也正是因为这一开创性贡献，张首晟于2010年被授予“欧洲物理奖”。

在这之后，张首晟加强了与国内研究单位的合作。2009年，张首晟与中科院物理所方忠研究员、戴希研究员以及张海军博士组成的理论团队向世界宣布，他们从理论上预言了三维拓扑绝缘体的存在。

随后，由清华大学物理系薛其坤院士、陈曦教授和贾金锋教授以及中科院物理所马旭村研究员等组成的实验研究团队，也在国际上首先发展了三维拓扑绝缘体的分子束外延生长技术，制备出了高质量的薄膜。在此基础上，他们利用超低温扫描隧道显微镜和角分辨光电子谱等实验手段，从实验上证明了三维拓扑绝缘体一系列重要的特征，并在三维拓扑绝缘体材料制备方面取得了一定的进展。

张首晟他们的成功得到了世界范围的广泛关注，使我国在这一研究领域达到了国际领先水平，有望引领世界发展趋势。这一成果，被评为当年中国十大科技进展第一名。

2011年9月21日，中国科协第十三届年会上，求是奖年度颁奖典礼隆重举行。

张首晟凭借在拓扑绝缘体领域所作的开创性工作获得了2011年度“求是杰出科学家奖”。清华大学物理系薛其坤、陈曦、贾金锋以及中科院物理所方忠、马旭村、戴希、张海军也因三维拓扑绝缘体项目获得“求是杰出科技成就集体奖”。而之前，“求是杰出科学家奖”曾多次授于中国两弹一星的元勋。

两项大奖同时颁给拓扑绝缘相关研究人员，一时间，拓扑绝缘体和张首晟成为业内外关注的焦点。

“作为一个中国人，能够在国内得到这么高的荣誉，能够与为国家作出过突出贡献的前辈们得到同一个奖，真的是莫大的鼓舞。另一方面，个人和集体同时获奖，更是对团队的肯定和认可。”张首晟强调，不可否认，正是因为理论与实验两个团队在研究过程中进行了广泛而深入的合作，才使得他们能够在较短时间内取得一系列重要进展。这种创新性的合作模式，将理论与实践紧密结合，充分发挥了不同专长研究人员的优势，能够拓宽研究者的视野，更容易激发出科技创新的火花，为今后科研工作的开展提供了很好的借鉴。

就在2012年2月底隆重召开的美国物理学年会上，张首晟又荣获了该组织在凝聚态领域的最高奖―Oliver Buckley 奖，其研究成果再次得到世界范围的认可。

“虽然我们实现了理论上的预言，得到了比较清晰的图像，但在具体材料的制备实现上还是存在很多困难，需要进一步攻关努力。”接下来，拓扑绝缘体的研究重点将放在材料制备上。

在悠闲中追求真理

张首晟有着非同寻常的学习和科研经历。1978年，张首晟15岁，在没有读过高中的情况下，他完全依靠自学考入了复旦大学，一年后又赴德国求学于柏林自由大学。1983年取得物理学硕士学位后，又赴美国纽约州立大学石溪分校攻取博士学位，师从杨振宁教授。

1987年，他进入加州大学Santa Barbara分校进行博士后研究，直到1989年博士后出站，张首晟以高级研究员的身份开始了在IBM研究中心为期4年的科研工作。在此期间，他还因在半导体物理方面的著名研究获得了“杰出贡献奖”。

1993年，张首晟受聘于斯坦福大学物理系，并凭借过人的天赋、刻苦的努力和出色的研究成果，仅用两年的时间，就成为斯坦福最年轻的正教授，年仅32岁。

在近30年的海外学习和科研过程中，张首晟在高温超导、量子霍尔效应、自旋电子学、强关联电子系统等方面进行了深入而细致的研究，尤其在凝聚态物理等研究方向上取得了大量国际一流的原始创新成果，提出了基于超导与反铁磁相SO（5）对称性的统一理论、室温下无耗散的量子自旋流、四维量子霍尔效应等理论。

与此同时，他在世界一流刊物上100多篇，同时在物理学最具权威的刊物Physical Review Letters上发表了37篇高水平论文（影响因子7.2）。近年又在《自然》和《科学》杂志上发表了6篇有极大反响的论文，被SCI收录杂志引用5000多次。

这一系列成果的获得，使张首晟成为世界顶级的物理学家。而多个国家和科研机构的更换，不仅使他积累了丰富的研究经验和人脉资源，更成就了他国际化的研究视野和理念，也为他今后的国际化合作研究打下了坚实的基础。

成绩斐然的背后，张首晟并没有为繁重的工作所累，反而在劳逸结合间充分享受科学研究这一“奇妙”的过程。

他说，就像人类追求真善美一样，科学研究也是一个追求美的过程。而在这个过程中，悠闲的环境和淡然的心态至关重要。因为，“科学理论研究与工程应用研究是有差别的。工程研究有明确目标，只要肯踏实研究迟早都能解决；而科学理论的研究则是完全未知的，要有一往无前的信念、万折不挠的决心和一旦失败就很可能全军覆没的心理准备。”张首晟认为，现在的中国所缺少的正是这样一个环境，一个自由、宽容能够让大家全心追求美，在美中追求真理的环境。 “人只有在放松的状态下，才会有更活跃的思维，才能看得更远，才能从一棵树看到一片森林。”