量子力学基本概念总结
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量子力学基本概念总结范文第1篇
【关键词】PBL教学法；量子力学；电子科学与技术专业；教学改革
量子力学与相对论的提出，被称为20世纪物理学的两个划时代的里程碑。特别是量子力学的创立，揭示了微观物质世界中物质属性及其运动规律，造就了20世纪人类科学技术的辉煌，推动了原子能技术、航天航空技术、电子技术等方面的发展，并开辟了光子技术的诞生之路，将人类社会推进了信息时代。通过量子力学课程的学习，可使学生掌握量子力学的基本概念和基本理论，具有利用理论知识分析和解决实际问题的能力。量子力学课程的突出特点是理论性强、抽象难懂，在课程教学中需要特别把握好这些抽象理论知识的“入门教育”，把握得当，会达到事半功倍的效果。
根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》的文件精神，提高质量是高等教育发展的核心任务，是建设高等教育强国的基本要求。应适应经济社会发展和科技进步的要求，推进课程改革，提高课堂教学质量，充分调动学生学习积极性和主动性，提高学生的创新意识和创新能力。因此，在近几年量子力学课程的教学改革实践中，针对量子力学教学中出现的学生自主学习热情不高的现状，结合量子力学的课程特点，立足于提高学生学习积极性和培养学生科学探索精神及创新能力，提出了基于“PBL教学法”，即基于问题学习（Problem-Based Learning）、以学生为主体的量子力学课程教学改革的研究，摸索出一套行之有效的教学方案。
1 “PBL教学法”设计方案
“PBL教学法”是一种基于问题学习的教学方法，将学习置于复杂的有意义的问题情境中，激励学生积极探索隐含于问题背后的科学知识，实现知识体系的建构和转化，同时鼓励学生对学习内容展开讨论、反思，教师则以提问的方式推进这一过程，最终使学生在一个螺旋式上升的良性循环过程中理解知识，实现学习的不断延续，以促进学生解决问题、自主学习能力的发展，以及创新意识和创新能力的提高。具体设计模式如图1所示。
图1 “PBL”教学法设计模式框图
与传统教学方法相比，“PBL教学法”对教师备课和教学实施过程提出了更高要求。
1.1 PBL教师备课
（1）确定问题。问题是PBL的起点和焦点。问题的产生可以是学生自己在生活中发现的有意义、需要解决的实际问题，也可以是在教师的帮助指导下发现的问题，还可以是教师根据实际生活问题、学生认知水平、学习内容等相关方面提出的问题。
（2）提供丰富的教学资源。教学资源是实施PBL的根本保障。随着网络课程、精品课程体系的建设，教师可以利用网络课程为学生解决问题提供多种媒体形式和丰富的教学资源。
（3）对学习成果提出要求，给学生提供一个明确的目标和必须达到的标准。
1.2 PBL教学实施
（1）学生分组。学生分组后，要让每个小组清楚地知道自己所要承担的任务，问题解决所要达到的目标，也要确定好小组内每个成员具体的任务分工。
（2）创设问题情境、呈现问题。布朗、科林斯等学者认为，认知是以情境为基础的，发生在认知过程中的活动是学习的组成部分之一，通过创设问题情境可吸引学习者。
1.3 PBL案例分析
例如，在讲到微观粒子的波函数时，有学生认为波函数是经典物理学的波，也有学生认为波函数由全部粒子组成。这些问题的讨论激发了学生的求知欲望，可以通过分组进行小组内讨论，再将讨论结果进行小组间辩论，最后老师对各小组讨论和辩论的观点进行评述和指正，实现学生对一些不易理解的量子概念和原理的深入理解。
2 用量子物理发展的渊源吸引学生
量子力学理论与学生长期以来接触到的经典物理体系相距甚远，尤其是处理问题的思路和手段与经典物理截然不同，但它们之间又不无关联，许多量子力学中的基本概念和基本理论是类比经典物理中的相关内容得出的。因此，在量子力学教学中，一方面需要学生摒弃在经典物理学习中形成的固有观念和认识；另一方面在学习某些基本概念和基本理论时，又要求学生建立起与经典物理之间的联系以形成较为直观的物理图像，这种思维上的冲突导致学生在学习这门课程时困惑不堪。此外，这门课程理论性较强，众多学生陷于烦琐的数学推导之中，导致学习兴趣缺失。教学实践证明，针对以上教学中发现的问题，应特别注意用学科理论自身的魅力吸引学生，通过尽可能还原量子力学早期的发展过程，让学生自己去体会量子力学的基本概念是如何建立并逐步完善的，最大限度地激发学生学习本课程的热情，也有助于学生深入理解教学内容。
3 抽象理论形象化，与学生深入探讨
量子力学课程的突出特点是抽象难懂，对此我们进行了探索。例如在量子力学教学中，“任何实物粒子都具有波粒二象性”是教学中的难点和重点。如何理解波粒二象性？我们可以先从光的波粒二象性入手，通过“光电效应”实验引出问题，通过总结光电效应实验的特点，发现与经典理论之间的严重矛盾，并通过诸多矛盾引出了爱因斯坦的光量子理论和光电方程，进而深入探讨光的本性和实质。随着内容的深入，我们可以进一步提出：波粒二象性是光子和一切实物粒子的共同本质，而且波动性和粒子性这两方面必有某种关系相联系。并顺理成章的指出物质波的概念和德布罗意关系式，从最基本的假定出发作出类比推理，理论的独创性给人深刻的印象。
在此，还可以以学生的口吻提出两个问题。
问题1）物质粒子既然是波，为什么人们在过去长期实践中把它们看成经典粒子并没有犯什么错误？
我们可以通过实物粒子子弹的德布罗意波长的求解找到答案，这是由于普朗克常数h是个小量，一般实物粒子的德布罗意波长λ=h/p很短，短到可以忽略不计。
问题2）在什么情况下可以近似的用经典理论来处理问题？在什么情况下又必须顾及运动粒子的波粒二象性？
进而作出解答，一般来说，当运动粒子的德布罗意波长远小于该粒子本身的尺寸时，可以近似的用经典理论来处理；否则，需要用量子理论来处理。
这种层层深入，带着问题寻找答案的教学方法符合逻辑思维，学生很容易接受，将抽象而复杂的问题形象化、简单化。
4 联系量子力学的未来发展激发学生求知的渴望
尽管量子力学是以微观世界为研究对象，但它对我们日常生活的影响却非常大。例如，在当今科学界还提出了量子通信的新概念，是实现完全保密的最佳通信方式，直接导致引领现今量子信息理论和研究的热潮，代表着21世纪信息技术革命―量子通信技术的发展方向。教师可以鼓励学生对与量子力学紧密相关的实际应用技术进行调研，打消学生学习量子力学“无用化”的顾虑，激发学生自主学习的热情。
5 结束语
近几年，针对量子力学教学中出现的实际问题，结合量子力学的课程特点，我们提出了基于“PBL教学法”的量子力学课程教学改革的研究，取得了一些成效，对于理论性较强的其他课程也具有较强的理论指导意义和推广应用价值。
【参考文献】
[1]国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）[R].2010.
[2]曾谨言.量子力学：卷1[M].2版.北京：科学出版社，1997：235-278.
[3]邹艳.浅谈量子力学的教学改革[J].物理与工程，2009，19（4）：40-41.
量子力学基本概念总结范文第2篇
关键词：量子力学；材料类专业；教学探索
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）08-0122-02
对于普通高校的材料类本科教学来说，要求学生具有数学、物理、化学等方面的基本理论和基本知识，掌握材料设计、性能优选、工艺优化的原则，以及材料的组成、结构和性能关系。这就需要学生具有材料学科的完整的知识体系，量子力学是半导体、固体物理以及计算材料学、材料测试表征技术等学科的基础，在材料科学体系中有着非常重要的地位。然而其由于本课程的学习是基于高等数学、大学物理、数学物理方法等前期课程学习的基础之上的，学生对这些基础课程的掌握情况参差不齐，而大部分学生对前期课程多有遗忘，课程内容的学习过程中需要理解的知识点很多，所以要学好这门课程需要充分发挥学生的主观能动性，及时复习前期基础课程和预习相关知识。由于知识间衔接紧密，需要逻辑推理内容非常多，学生稍有走神或缺课就会跟不上教师的教学进度，从而对后续知识的学习也丧失信心。此外，对于工科大环境下的学生群体来说，学生普遍对实用的专业课程较感兴趣，而对基础理论课程不够重视，认为学习非常枯燥也没有大多的用处。种种原因造成了在工科大环境下的理论物理教学特别是量子力学课程的教学困难重重，因此将理论教学与专业特色相结合，探索具有专业特色的量子力学的教学方法具有重要的意义。如何消除学生对本课程的畏惧心理，如何调动学生的学习积极性，让学生在课堂上有收获的同时也要自觉利用好课余时间学习是解决本课程教学的关键。本文结合材料类专业的综合情况，经过实践探索，总结几点较为实用的教学方法。
一、与专业课程体系相结合，突出课程的重要性
备课之前先熟悉所授课专业的培养方案，了解学生的已修课程、同学期开设的专业课程以及后续的专业课程。材料类专业的量子力学课程一般在第四学期开课，在此之前学生已经修完了高等数学、大学物理、线性代数、数学物理方法等前期课程。同时学生开始接触一些材料类的专业课程，例如材料科学基础、高分子物理、物理化学等，在之后的第五以及第六学期将有大量的学科专业课，如材料分析测试技术、计算材料学等。教师在对本专业的课程设置以及知识框架有了整体的了解以后，有针对性地翻阅一下一些核心专业课程的教材，将专业课程当中涉及量子力学基础的内容筛选出来以备用。在给学生讲授第一堂课时既将本课程的重要地位告知学生，哪些课程在后续课程种会涉及到相关知识，哪些领域会用到本课程的知识，以及量子力学对本专业以及相关专业的研究生入学考试以及继续深造时的必要性。让学生一开始对本课程的学习有心理上的重视。在具体教学的过程中，注意将量子理论与专业内容相结合，包括已修课程和后续课程。通过多学科的渗透将整个材料学专业的课程内容进行贯穿，凸显出量子理论的重要性和实用性，让学生意识到量子力学并不是高高在上毫无用处的理论公式，同时也使得量子力学的教学更加丰富和生动。
二、与前沿科学相结合、活跃课堂气氛
当下的高校教师除了教学很大一部分时间精力都用于科学研究。平时实验或看文献时可以将所涉及的一些前沿科技成果加以搜集，课堂上通过多媒体以图片、音响等直观的方式将其进行简要的介绍。活跃课堂气氛的同时有可以加深对该理论的理解，激发学生的学习积极性。在给学生讲解理论知识的同时注重结合理论的应用领域，结合材料学科的特点以及学校的特色。作者所在的本校是有着交通特色专业背景，本校材料类专业也有水泥混凝土、沥青混合料等工程材料方面的课程，学生就业也有很大比例在交通相关领域。结合本科的这一特征，教师讲课时可以作一些前沿材料在交通领域的最新进展。在讲解知识基础的同时穿插该部分知识的应用方面的展望，展示过程中采用借助多媒体以图片、音响和板书讲解相结合的方式。通过多种途径让量子力学这种看似“高大上”的学科也有“接地气”的一面，不至于全是枯燥的理论和生硬的公式，有利于对学生学习动力的激发。对于自己的科研课题也可以作一些介绍，还可以挑选部分基础较好的感兴趣的本科生参与到课题的研究或者参观学习，零距离的接触前沿科学，对调动学生的学习积极性也有一定的帮助。
三、多种教学手段相结合，调动学生的学习积极性
在教学的过程中采用多种教学手段相结合。鉴于量子力学的理论抽象、知识量大、数学推理公式繁多，在教学过程中教师的讲授以基本概念的理解、基本物理思想的和基本的物理模型的建立为主，对于需要推理演算的部分可以引导学生利用课余时间自学。首先可以拓展多样化的考核方式。课程考核的成绩以期末考试为主但是学期内平时的表现也是必要的。可以考虑适当增大平时考核的分数比例，便于调动学生充分利用课余的时间。其中平时表现又可以分为多个方面来考核，充分调动学生的自主学习激情。课堂教师讲授为主，适时设问作为课外思考作业，作业以书面形式或者学生在下一次课作简短的展示的方式。才外还可以给学生布置小论文，鼓励学生多进图书馆，查阅相关文献书籍写一两篇小综述。在第一堂课即向学生说明考核的方式和比例，在考分的压力下学生自然会积极准备相关内容。在应对这些平时作业的过程实际上就是学生自主学习的过程中，既巩固了量课程知识，又锻炼了学生自主学习的能力和思维。在教学当中采用多媒体和传统的板书相结合的方式，多媒体信息涵盖量较大，对一些复杂又必须的推导过程可以采用PPT作快速的展示，而对于一些重要的公式及定理则需要采用板书加以强化，通过教师边书写边口诉讲解，学生有足够的时间消化理解。同时可以采用多媒体多展示一些图片、动画等内容，尽量在枯燥的理论讲授过程中增添一些有趣的小插曲，例如该理论提出的科学家的肖像及简介、名言名句，小故事等。在W习原子的波尔理论以及氢原子模型的时候，使用PPT展示基本公式和理论，再辅以教师在黑板上作图的方式讲解。可以将原子内电子的运动类比于在操场跑步以及天体的运动，在做计算近似时甚至可以将近似级类比于上课教室内的座次对个人学习效果的影响、人际关系的亲疏对个人情感生活的影响程度等。此外还可以鼓励学生多接触一些科普书籍以及最新出版的一些学术专著，例如上帝掷骰子就是很通俗的前沿物理科普书籍。通过多种渠道将量子力学枯燥难懂的教学过程生动化、有趣化。
作为材料类专业核心课程的量子力学一直都是教和学双方都感到很困难的课程。由于量子力学的理论性较强，学习过程相对枯燥，学科的实用性不是很明显，学生容易厌学。教师在教学过程中需要不断的探索适合本专业学生的教学方法。通过与专业课程相结合，与学校特色想结合，采取多种教学手段，结合最新的前沿科学研究，多方面入手使理论知识深入浅出，使教学过程生动有趣、调动学生学习热情，对提高教学质量有非常有益的帮助。
参考文献：
量子力学基本概念总结范文第3篇
关键词：固体物理学 教学改革 教学实践
中图分类号：G462 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（b）-0143-02
固体物理学是研究固体的结构及其组成粒子之间相互作用与运动规律以及阐明其性能与用途的学科[1]。从学科结构和内容上看，该课程内容基于普通物理学、高等数学、线性代数、量子力学、热力学统计物理等课程，主要讲述晶体结构、晶体结合、晶格振动和能带理论等方面知识。它既是当今物理学领域中最重要的学科之一，也是许多新学科的基础。由该学科发展起来的基本概念、基本理论和实验技术，已向其他相邻学科领域渗透，并促进其他学科的发展[2]。如：金属物理、半导体物理、磁学、低温物理、电介质物理、表面物理、非晶态物理、材料科学等。几十年来，以固体物理的理论为基础，在半导体、磁学、激光、超导、纳米材料等现代技术研究方面取得了重要突破。随着科学技术的发展，固体物理课程的教学在新的历史条件下已面临前所未有的挑战，碰到了许多难以回避的新问题、新情况。传统的固体物理教学内容对固体物理前沿的新成果、新概念介绍得不够，且传统的教学方法单一，不利于学生解决问题的能力及创新能力的培养。为了适应精英教育、构建研究型大学人才培养的需要，固体物理学的教学改革十分必要。因此，笔者结合自己在学习和讲授固体物理学过程中的感想，针对教学目标、教学内容和教学方法等方面作出如下探索。
1 培养学生自主学习的能力
随着科学技术的迅速发展，学生既要学习原有的经典知识，又要接受更多的课程和社会信息，如何在有限的时间内实现这两者的有效结合，是当今各个阶段的教育都面临的一个重要问题。面对知识更新速度的加快，我们的教育目标也应该有所调整，即努力实现由“授之以鱼”向“授之以渔”的转变[3]。尤其是对于大学生，他们已经接受了十多年传统的学校教育，有了较多的知识积累，大学阶段的教育一方面是教给他们以知识，更重要的是培养他们自主学习的能力，使他们掌握研究性学习的方法，以便走向社会后具备自我学习、获取新知识和开展新工作的能力。明确了这样的培养目标之后，在教学过程中，就应该有针对性的创造各种条件，让学生自主参与到学习过程中来。例如，在讲授布洛赫波的时候，先向学生强调晶体中电子波函数是按晶格周期调幅的平面波，接着启发学生考虑自由电子波函数的形式（量子力学已经讲述过），经过引导，学生回想起自由电子的波函数是平面波的形式，之后再分析晶体中电子是受到晶格势场的周期性调制，所以需在平面波的波函数前面加上一个调幅因子，最终形成了布洛赫波函数。经过这样一个过程，学生可以自主的回顾以前所学的知识，并将其和新内容相联系，有助于新旧知识的融合和贯通。与此同时，也可以激发学生学习的积极性，培养他们学习和运用知识的能力。
2 教学内容的精选
固体物理内容十分丰富，体系庞大，各部分有各自的特点。其中复杂抽象的概念体系、晶体结构的描述、严密的理论推导等要求任课教师具有较好的数学和物理学修养，要熟悉固体物理学发展历史和前沿研究的新动态、新概念，且能够对物理图像进行透彻的讲解；要求学生具有扎实的微积分、线性代数、群论等数学知识和量子力学、原子物理学、理论力学和统计物理学等物理知识。同时，固体物理学知识比较零散、概念多、模型多、原理和定律多，这对教师和学生都是一种挑战。面对如此庞大的知识体系和丰富的内容，在讲授过程中如何组织授课思路和精选教学内容，是教师要解决的一个问题。首先，理清固体物理的主线是非常重要的，即明确固体物理是研究固体的结构及其组成粒子之间相互作用与运动规律及阐明其性能与用途的学科，是从微观的角度来揭示固体的宏观物理现象.在此基础上，认真分析教材，同时参考其他经典教材，精选教学内容，重在物理概念和模型，至于公式的推导和方程的求解等环节可适当简化，留给学生课后自行解决。按照这样的思路进行下来，即使在有限的课时内，学生对物理概念、物理图像的认识也会比较清晰，有利于对基础知识的掌握.
3 重视章节之间的内在联系
固体物理学虽然涉及内容较多，但是认真分析后，不难发现各章节之间衔接紧密。以胡安的《固体物理学》为例，本科阶段的教学内容主要是前四章：第一章主要讲晶体的周期性结构，那么这些结构形成的内在机理是什么，就要考虑粒子间的相互作用，这样就引出了第二章关于晶体结合的问题；同时，由晶体的结合类型和结合能，表明在不同的条件下，原子间会出现某种形式的引力和电子云的斥力，这些相反的作用力决定着平衡时原子间距，再考虑到绝热近似，实际晶格则在平衡位置附近振动，由此可引出第三章关于晶格动力学和晶体热学性质的内容；晶格动力学主要是针对原子的水平上的内容，而晶体中还包括电子，那么电子的状态是怎样的呢？这就引出了第四章能带论.由此可见，在教学中，抓住知识体系的主线，突出概念和模型，便于学生识记、理解、掌握知识体系。
4 注入学科前沿知识
固体物理学是一门发展十分迅速的基础科学，与当今最活跃的凝聚态物理和新材料科学紧密相连，也在其他多个学科领域得以应用，因此面对不断涌现的新的现象和新的科研成果，固体物理学的前沿动态在教学中应该有所反映[4]，这将有助于提高学生对该课程学习的积极性和明确努力方向，同时也使课堂教学增添活力.例如，在讲授晶体的共价键结合时，笔者就联系自己的科研实际，介绍了碳纳米管和石墨中碳原子的成键形式的差异，说明了二者在物理性质上的区别和联系，以此为基础，进一步介绍了低维碳纳米材料近年来的研究进展。再如讲授能带理论的时候，笔者向学生介绍了石墨烯的能带特征，说明了在低能极限下，石墨烯呈现出线性的能量色散关系，使得传导电子可以看作是无质量的Dirac费米子，这种类似于光子的特性，使其可用于相对论量子力学的研究，同时表明其独特的载流子特性和优异的电学特性，这些都是近几年凝聚态物理的研究热点。所以，把科学前沿知识引入课堂，不仅可以让学生强烈地感受到科学发展的脉搏和动力，极大的拓展了学生的视野，还可以激发起学生运用基础学科理论实现科技创新的勇气和欲望。这与“着重于启迪学生思维，发展学生智能，开发学生的创造性，努力拓宽学生的知识面，为探索未知世界铺路架桥”的世界一流大学培养人才模式是相呼应的。
5 教学手段的优化组合
固体物理课程中包括大量的立体图像和复杂的空间结构，还涉及晶格振动的动态过程，对学生的空间想象能力要求较高。传统的“粉笔+黑板”的课堂教学手段就有一定的弊端， 因此可以将现代化的教学手段融入进来[5]。例如，使用多媒体课件演示晶体结构、倒格子、能带、晶格振动等模型，再结合自制教具，实现图片、动画和实体模型相结合，使学生建立形象的空间模型概念，更直观的理解教学内容。所以，多媒体教学技术以其趣味性、形象性，可以增强教学的感染力，为固体物理教学注入了新的活力，从根本上改变了固体物理传统的教与学的方式，有助于激发学生学习的兴趣，培养学生的思维能力和创造力。但是，多媒体课件不完全适合固体物理学教学，应根据具体内容和教学反馈进行取舍。例如，在讲授倒点阵、布洛赫定理、声子态密度等理论性较强的内容时，要配合节奏相对缓慢的板书，使学生理解知识要点，学会推理，从而有效的学习。
6 结语
上述教学改革方案是笔者在自己学习和讲授固体物理学的过程中总结出来的，可以概括为“抓主线，选内容，重前沿，讲方法”，目前在教学活动中也一直在实践，获得了较好的教学效果。但是，固体物理教学改革是一个庞大而又复杂的系统工程，课程改革的进行涉及到诸多方面，需要广大教育工作者不断研究和探索，进行多次“实践―反思―总结”，方可真正跟上当今科学技术日新月异发展的要求，培养出新世纪合格的高素质和创新型人才。
参考文献
[1] 胡安，章维益.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，2011.
[2] 梅显秀.固体物理教学改革的探索与实践[J].大学物理，2010（29）.
[3] 华中，宋春玲，刘研.固体物理教学改革的探索与实践[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2004（4）.
量子力学基本概念总结范文第4篇
关键词：理论力学;公式推导;工程案例教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）20-0169-02
一、引言
理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学。这门课程研究的内容是速度远小于光速的宏观物体的机械运动，它以伽利略和牛顿总结的基本定律为基础，属于古典力学范畴。经过长期的实践证明，一般工程中所遇到的大量动力学问题，用古典力学来解决，既方便又能够保证足够的精确性。力学是从物理学中分离出来的，与“数、理、化、天、地、生”并列为七大基础学科。物理学是研究一切自然现象的科学，而研究物质运动是力学的定义。因此，力学从物理学中分离出来已是很长一个时期了。理论力学与电动力学、统计力学、量子力学在力学界称为四大力学。理论力学是牛顿力学，即所谓经典力学，现代力学包括经典力学、量子力学和相对论力学。力学是一门应用性极强的基础学科，又是一门理论性很强的技术基础课。[1]
国际理论与应用力学学会把力学分成基础力学和应用力学。上世纪30年代苏联建立了突出基础力学教育的教育体系。同时期，欧美建立了强调应用力学教育的教育体系。我国力学教育在解放后的十年间，受苏联力学教育体系的影响比较大，多数高等学校使用的理论力学教材都是从俄文翻译过来的。70年代末，欧美的理论力学教材进入我国高等教育界。直到80年代，理论力学还以120学时作为四年制机械类等专业课程的设置原则。
1980年5月，在南京召开高等学校工科力学教材编审委员扩大会，通过了教育部委托西北工业大学等高校提出的120学时机械类专业试用的“理论力学教学大纲”。二十多年来，随着高等教育教学体制改革的深化，理论力学课程在教学内容、教学方法、教学手段、教学思想和观念上都发生了很大变化。现在我院为机械类设置的理论力学课程只有70学时，而教学基本要求与20年前的差别不大。由于学时急剧减少，迫使教师采用多媒体现代化教学手段，增大信息量，强化知识点，通过精讲多练，使学生能够比较牢固地掌握理论力学的基本知识。建设理论力学精品课程的要求正是在这样的教学改革背景下应运而生的。
理论力学是理工科院校的一门重要技术基础课。但对许多理工科学校的学生来讲，学习理论力学并不是一个轻松的过程。普遍反映“课堂能听懂，一做作业就无从下手”，甚至有人将之称为“头疼力学、烦人力学”。究其原因，主要还是由于很多学生对于理论力学的基本概念、基本理论和分析方法等总是处于一种似懂非懂的状态，没有对所学内容进行深刻理解。理论力学的学习具有很强的逻辑性，前后章节的关系环环相扣。前面章节没学好，后面章节自然就学不好，越到后面越是紧密联系前面章节的知识点。再者，理论力学的定理、公式往往是“非构造性”的，不能用简单代公式的方法来计算，而是必须要有分析的过程，没有清晰的概念就无从下手[2]。可以说，对理论力学问题的求解非常锻炼人的宏观把握能力。因此，迫切需要对现行的理论力学教学方法及内容进行改革。基于此，工程案例教学方法应用而生。
二、工程案例教学
伴随着扩招，生源质量也有所下降，显得参差不齐。上同一门课，有些学生学习能力比较强，课堂不能满足需求，显得“吃不饱”;另外有些学生又不能跟上课堂教学的进度，学习比较吃力。因此，理论力学课堂改革就显得很有必要。学生学习新知识，第一印象――感性认识是很重要的。只有通过感性认识抓住学生的好奇心，才能有兴趣把相关的内容学习好，甚至于通过自学来满足自身对知识的渴望。而通过工程案例教学不但可以激发学习基础较差的学生的积极性，还可以通过大量工程案例的引入满足学有余力的学生对课堂外知识的渴求。工程案例的教学主要通过以下几个方面来实现。
1.工程案例的整理及提炼。和力学相关的案例可以说是随处可见，小到日常生活，大到航空航天。怎样选择合适的工程案例就显得比较关键。好的工程案例既能引导学生快速理解工程背景，又能提炼工程当中的力学原理，达到实践和理论有机结合的效果。因此，工程案例的收集整理就很有必要了。比如理论力学当中的力矩问题，就可以用常见的吊车起吊重物来举例说明：某事故现场，吊车起吊出事的卡车，结果卡车没吊上来，吊车反而由于起吊位置选择的不合适而翻倒了。这个实例可以很好的说明力矩，通过这个实例学生也能快速的将力矩理论与工程实际结合起来。又比如裂纹和断裂，这两个概念相对而言比较抽象。只有比较专业的课程才会谈到与裂纹有关的断裂问题。裂纹和断裂也可以通过生活当中的实例来说明：乘坐公交车应该是很多人都有过的生活经历，而公交车的安全锤就可以很好的说明裂纹和断裂。公交车上的红色安全锤是为了在紧急情况下让乘客逃生用的。当公交车出现紧急情况时，乘客只需要用安全锤敲击钢化玻璃的四个角。由于安全锤锤头很尖，接触面积小，手握安全锤大约用两千克的力就可以砸开玻璃的边角。对钢化玻璃而言，一点点的开裂就意味着玻璃内部的应力分布受到了破坏，从而在瞬间产生无数蜘蛛网状裂纹，此时只需用锤子轻轻的再砸几下就能将整面玻璃砸开。用这个实例不但可以讲清楚裂纹和断裂，还可以阐明应力和应力集中，可以将学生的理论学习与实践紧密相连。
2.工程案例的讲授。有了好的工程案例，还需要有好的教师在合适的章节恰如其分的引入。这就对教师的综合素质提出了较高的要求[3]。毋庸讳言，力学尤其是基础力学，上课教师的数量偏少，质量也略显不足。针对很多二本院校，基础力学的上课学生比较多，教师的教学任务相对较重，这也使得很多教师没法精心研究工程案例在教学当中的运用。另外，有些高校的基础力学教师并非“科班”出身，这也使得教师自身对有些课程的理解还不是特别深刻，当然也就不能更好的促进课堂教学的完善和发展。
三、工程案例教学的实践
从工程实践以及日常生活当中整理提炼了大量典型的工程案例，通过教学经验丰富的教师进行课堂教学，能否达到预期的效果，这也是一个很现实的问题。为了验证工程案例教学的实际教学效果，本文选择机电一体化及车辆工程两个专业进行对比。机电一体化4个班进行工程案例教学，而车辆工程3个班采用常规教学。经过一个学期的学习，从平时的课堂问答到期末考试都反映出，工程案例教学要优于常规教学。采用工程案例教学的机电一体化班最高分比车辆班高出10分，最低分高出15分，平均分高出12分。
四、结语
基础力学特别是理论力学课程的工程案例教学是一项长期、艰巨的任务，需要投入大量的人力、物力和时间。学生通过案例教学的学习可以快速地掌握理论知识在实际工程中的运用，从而更好的将理论与实践结合起来。案例教学还可以培养、训练学生从工程实践中抽象力学模型继而求解优化工程问题的能力，因此从该意义上来说，工程案例教学的作用可以说丝毫不亚于数学建模的功效[4]。再者，工程案例教学还可以培养学生动手和动脑的能力。比如讲到桁架部分，通过桁架桥梁的案例讲解，激发学生的学习兴趣。人们常说“兴趣是最好的老师”，一旦学生对桁架充满兴趣，就会在课堂外富有兴趣的动手制木制桁架，还会通过传感器等来测量桁架中的杆件是否为二力杆等。这样一来，学生对桁架的理解就会相当深刻。另外，工程案例教学还可以促进计算机软件如MATLAB、ANSYS等在教学中的应用。通过工程案例教学还可以培养学生的社会责任感，从学习阶段开始就以严谨的态度对待工程实际。最后，工程案例教学也可以提高教师的综合素质，丰富教师的课堂教学素材，使原本相对枯燥的课堂教学一下变得丰富有趣起来[5]。
工程案例教学使得师生都能很好的将理论与实践结合起来，实现课堂教学的最初目的：从实践中来，到实践中去。
参考文献：
[1]闵磊.《理论力学》课程教学的探讨[J].现代企业教育，2014，（10）：119.
[2]杨卫.案例式教学：固体力学的前沿应用[J].力学课程报告论坛，2007：3-5.
[3]陈红明.理论力学教学过程中的问题及对策分析[J].中国科教创新导刊，2014，（4）：66.
量子力学基本概念总结范文第5篇
[关键词]科学革命；哲学思维；常规科学；科学危机；范式转换
在近代自然科学从哲学中分离出来之前，一切学问或学术可以说都在哲学这一母体内孕育和成长。那么，当自然科学以及其他学科逐步从哲学这一母体分娩并走上自身发展道路之后，包括自然科学在内的各门科学，能脱离哲学及其思维方式而独立发展吗？或者说各门科学与哲学之间那个连接胎儿和母体的“脐带”真的能被剪断或真的被剪断了吗？这是一个过去和当代任何一门学科或科学的形成和发展都必须面对并要加以认清的问题，否则任何一门学科或科学的形成和发展都难以实现。本文力求从自然科学发展中的科学革命及其思维过程角度来探索这个问题。
一、科学革命及其实质
所谓“科学革命”，是指“一种整体性的革命，这既可以针对整个科学而言，也可以针对某一学科而言。至于某一学科内部某个理论体系中的个别科学观念的变化，我们一般不称其为科学革命，而把它视为科学观念的局部变革（也有人称之为‘局部革命’或‘小型革命’）。这种变革虽然也是科学观念的部分质变，但并未引起整个科学观念的根本质变和整体质变”。这里所说的“科学革命”，“其最极端、最易于识别的形式可以用哥白尼主义、达尔文主义和爱因斯坦主义的出现作为例证——在这种事件中，一个科学共同体放弃一种长期看待世界、探索科学的方式，转而支持另一种往往不相容的探索这个科学的进路”。例如，拉瓦锡的氧化说取代燃素说所带来的化学革命，物理学中牛顿革命和爱因斯坦革命及其所带来的相应的整个科学革命，等等。
最早明确提及科学革命的思想家也许是彭加勒。在1905年，他就敏锐地洞察到物理学危机和革命的征兆，并对它进行了系统的分析和论证。李醒民把彭加勒关于科学革命的基本观点概括为：（1）由于新实验与旧理论的尖锐冲突，物理学已处于危机之中；（2）危机能加速物理学的根本变革，是物理学进入新阶段的前兆；（3）要摆脱危机，就要在新实验事实的基础上重新改造物理学。由此，可以得出结论：（1）科学革命是新的科学理论代替旧的科学理论，并且新理论与旧理论有根本的不同，是理论的根本变革，即科学理论发生根本的质变和飞跃；（2）科学革命前有一个危机时期，它是新实验与旧理论的尖锐冲突，即旧理论处于危机之中。
继承并发挥了彭加勒科学革命思想中科学理论质变和飞跃思想的科学革命论者是波普尔。他把科学看做人类心灵的探险事业，认为科学的本质就在于永无止境的探索。他把问题作为整个科学探索的起点，运用“证伪”或“否证”概念，把科学看做四阶段的发展：P，（问题1）TT（试探性理论）E（消除错误）P2（问题2）。科学探索和发展就是这样一个周而复始、永无止境的过程。
然而，库恩不满意波普尔把理论看做科学变革实体的思想，认为波普尔“过分集中注意了科学理论的革命性变革”，“只是盯住科学发展中的非常规事件或革命事件”，“把科学事业中非经常性的革命部分的特点赋予了整个科学事业”；应该更强调常规科学的作用，因为“正是常规科学而不是非常规科学，最能把科学同其他活动区别开来”。当然，库恩也继承和发挥了彭加勒的科学革命前有一个危机时期即旧理论处于危机之中的思想。在这一点上，彭加勒、波普尔和库恩是一致的，“都强调新理论抛弃并取代了与之不相容的旧理论的革命过程”。
可以说，库恩的科学革命思想是对彭加勒科学革命思想的具体展开和深化。他对科学的发展提出了更为动态、细致的描述模式：前科学一常规科学一危机一科学革命一新的常规科学一十……在库恩的描述模式中，常规科学就是有确定的范式并在范式指导下的有固定套路和方法的解题活动；危机是出现反常——原有范式下不能解决的实验和现象，是随着反常的增多而产生的对原有范式的怀疑和动摇；革命是新理论的产生并取代旧理论而成为新的范式；因而革命是范式的转变——新范式取代旧范式。其中，常规科学中出现的反常以及所引发的危机是科学革命不可或缺的前奏。
库恩对科学革命与常规科学、反常、危机之间的辨证发展关系进行了详细的阐述。在库恩看来，在常规科学时期，“科学家不是革新者，而是解决疑难的人，他所集中注意的疑难，恰恰是他相信在现有科学传统范围中既能表述、也能解决的”。“然而——问题就在这里——受这种传统束缚的研究工作，最终的结果还是一定会改变这个传统。几次三番地连续致力于阐述公认的现行传统，最终还是会在基本理论中、在问题领域以及在科学标准中出现一种变换，即我以前所说的科学革命。”可是，常规科学研究为什么“更能产生打破传统的新事物”？“这是因为，任何其他类型的工作都不能这么容易通过注意力的长期集中而找到困难的所在和危机的原因，而基础科学最根本的进展正是依赖于对这种困难和危机的认识上”。库恩认识到，当“理论碰到了麻烦……科学家需要彻底依附于一种传统，但要取得完全成功又必须与之决裂。部分是由于科学家常规研究的问题性质，要求这样的依附。我们已看到，这通常都是一些深奥的疑难，疑难的挑战性并不在于解答所揭示的内容，而在于为提出任何解答都有待克服的技巧上的困难。人们只有确信的确存在一种可以由创造能力揭示的解，才能研究这些问题，也只有现有的理论才有可能保证这种信心。只有理论给大多数常规研究题目以意义。怀疑理论，往往也就是怀疑构成常规研究的复杂的专门疑难是否真有一个解”。因而，在库恩看来，常规科学研究的目的“在于完善现有范式，而非发明新范式。只有当这种完善工作失败后，科学家才会遭遇第三类现象，即公认的反常现象，其特征是无法被现有范式同化。只有这类现象才会促成新理论的发明”。而且“反常只在范式提供的背景下显示出来。范式越精确，涵盖面越广，那么它作为对反常的一个指示器就越灵敏……范式不会太轻易地被抛弃，科学家将不会轻易地被反常烦扰，因而导致范式改变的反常必须对现存知识体系的核心提出挑战……常规科学具有强烈的传统性质，也标志着这种传统的追求为常规开展自身的变化彻底地铺设了道路”。
从常规科学到科学危机再到科学革命，其间有不可分离的张力和辨证推进的发展过程，可以说，没有常规科学研究的推进就不可能有科学危机，而没有科学危机也就不可能有科学革命的发生。因此，“富有成果的科学家也必须是个传统主义者，他很乐于用已有规则玩复杂的游戏，以便成为一个发现用来玩游戏的新规则和新棋子的成功的革新家”。库恩还用发散和收敛之间的相互补充及其张力来形象地描述常规科学与科学革命之间的关系。他说：“科学发现和发明本质上通常都是革命的。因此，它们确实要求思想灵活、思想开放，这是发散式思想家的特点……如果不是大量科学家具有高度思想灵活和思想开放的特性，就不会有科学革命，也很少有科学进步。”然而，“常规研究，甚至是最好的常规研究，也是一种高度收敛的活动，它的基础牢固地建立在从科学教育中获得的一致意见上，这种一致意见又在以后专业研究的生活中得到加强。可以肯定，在典型情况下，这种收敛式的或者说受一致意见制约的研究工作终将导致革命……收敛式研究的持久时期正是革命转换所必不可少的准备。”从库恩的描述可以看出，收敛式的常规科学研究是革命发生的不可或缺的准备，没有持久的常规科学研究，也就不可能发现和应对反常和危机，也就不可能有科学革命和科学的进步。“科学研究只有牢固地扎根于当代科学传统之中，才能打破旧传统，建立新传统。这就是为什么我要谈到一种隐含在科学研究之中的‘必要的张力’。”
显然，库恩的核心问题是科学革命，但他着墨的重点却在常规科学上，强调常规科学研究的持久和坚定所导致的物极必反的效力——旧范式的突破而导致科学革命。因此，在库恩的思想中，不论是常规科学、反常、危机还是科学革命，都是围绕范式而展开的。常规科学是范式不变并在范式指导下的解题活动；危机是范式的动摇；科学革命是范式的转换。
总之，科学革命是新理论取代旧理论，是新范式取代旧范式的范式转换，这是一个从常规科学到出现反常再到危机并最终实现科学革命的持续发展的过程。
二、哲学思维贯穿科学革命始终
上述分析表明：从形式上看，科学革命是有与旧理论根本不同的新理论的产生，是有不同于旧范式的新范式的产生和确立。那么，新理论与旧理论的根本不同到底在什么地方呢？它是怎样产生的呢？
对此，李醒民在总结诸多科学哲学家关于科学理论的要素和结构的论述基础上，认为“成熟的或高级的科学理论是由科学公理（基本概念和基本假设）、导出命题或科学定律、科学事实（感觉经验和观察资料的科学陈述）三大要素组成的严密的逻辑演绎体系。”其中，科学公理是科学理论的逻辑前提或概念框架，是科学理论大厦的建筑基础，离开它们，科学理论就失去赖以立足的基础和进一步展开的依据，就根本无从建立起来。也就是说，科学理论的更新是基本概念和基本假说的更新，是创建出比原有科学理论的基本概念和基本假说更适合于自然对象、具有更大解释力的新的基本概念和基本假说的过程。因此，要进行科学革命，必然要有新的基本概念和基本假说的创立，这是前提，也是最为关键之点。也可以说，建立在新的基本概念和基本假说基础上而形成的新理论及其被科学共同体所接受，就实现了科学革命。在李醒民看来，科学的概念基础和基本假设是科学理论赖以立足的本体论和逻辑基础。“在科学理论的更迭中，特别是在科学史上为数不多的科学革命中，摧毁的正是这个基础，而不是别的”；“在科学革命中，科学家用新的基本概念和基本假设取代了旧的科学公理，比如用牛顿力学的公理基础取代亚里士多德的概念框架和分类范畴，用相对论的基本概念和基本假设取代牛顿力学的公理基础，这就是所谓的范式转换”。对此，爱因斯坦也认为，在面临科学革命时，“整个物理学的基础可能需要从根本上加以改造”；“我们关于物理实在的观念绝不会是最终的。为了以逻辑上最完善的方式来正确地处理所知觉到的事实，我们必须经常准备改变物理学的公理基础”。
那么，什么样的科学家才能担当此任（改变科学理论的公理基础）呢？答案是：只有那些有意识地对科学所遇到的疑难问题进行哲学思维、在哲学思维的层面上工作的少数科学家。事实上，具体的科学理论都有特定的哲学世界观为其基础，要建立新的科学理论就必须找到新的哲学世界观作为其基础；而新的哲学世界观的形成，必须在比科学理论层次更高的、哲学世界观的层面上来思考问题，它不再是科学层面上的问题，而是更高、更抽象的哲学思维层面上的问题了。
在哲学思维层面上，范式不仅包括科学理论的公设，而且也包括关于这些公设必须适合的世界的预设，关于它们应该如何适合那个世界的预设，关于试图使它们适合的恰当步骤和判断何时是成功的或不成功的标准的预设，这些都与哲学世界观层面上的基本概念和基本假说相联系。这依赖于人的整体论（wholism），“整体论导致与传统观点的巨大差异。所谓的整体论，我意指下述观点：组成部分融入这样的统一体，以至于即使部分本身的性质也受到那个统一体的影响。整体的性质在某种意义上是部分本身的性质的决定因素。库恩的整体论奠基于整体论的感知理论和整体论的（或融贯论的）意义理论。”对此，马根瑙（H，Margenau）进行了具体的阐述：在顶端一级，我们遇到所谓的原始经验（protocol experience），即感觉材料、观察，它们无凝聚力，本身没有秩序，需要用在原始领域没有直接给出的辅助概念（supplementary con—cepts）来“说明”或理论化；说明包含着概念化的程序，处于原始经验之下的一级结构；在底部，每一门科学都显示出十分普遍的命题，它们被称为公理或公设；无论给定的科学在给定时刻的公理是什么，它们都通过演绎的形式分析导出高一级的即较少的普遍的命题，通常称它们为定律或定理；由定律或定理还可以推出比较特殊的推论；这些推论借助对应规则与经验资料联系，以决定其去留。
关于此，库恩有经典的阐述：“在公认的危机时期，科学家常常转向哲学分析，以作为解开他们领域中的谜的工具。科学家通常并不需要当哲学家，也不想当哲学家。的确，常规科学通常与创造性的哲学保持一段距离，而且这可能有充分的理由。在常规研究工作中能够利用范式作为模型进行时，就无须使规则和假定弄得很清楚明白……由哲学分析所找出的整套规则，甚至也并不非要不可。但这不是说，寻找假定（甚至是不存在的假定）不可能是削弱心理上的传统束缚、并为新传统提供基础的一条有效途径。17世纪牛顿物理学的突现，20世纪相对论和量子力学的突现，并不是偶然事件，而是两者都以相同时代研究传统的基本哲学分析为先导和相伴随的。在这两个时期，所谓的思想实验在研究的进步中起到如此重要的批判作用，也不是偶然的。”在此，库恩表达了这样几层意思：（1）在常规科学时期，科学与哲学保持距离，科学家不做哲学家的事，也不想当哲学家；（2）在危机时期，科学家常常转向哲学分析，并且这种哲学分析是摆脱旧传统建立新传统的有效工具和途径；（3）牛顿物理学、相对论和量子力学等的科学革命，都说明了这一点。
当然，这种哲学层面上对问题的分析，也必须结合原有科学理论背后的哲学世界观问题来进行，即挖掘并揭示原有科学理论与其背后的哲学世界观的深层关系。这一点，库恩也进行了阐述，认为“在成熟科学中，新理论以及越来越新奇的发现不能从头诞生。相反，它们是从旧理论中涌现的，是关于世界应包含什么现象和不应包含什么现象的旧信念的母体中涌现的。通常这种新奇事物太过于奥妙莫测，引不起未受很多科学训练的人的注意。即使受过相当的训练……更为可能的是，即使敢于闯进这些领域的科学家，仅仅依赖于他接受新现象的能力以及对新的组织模式的灵活性，也将一事无成。倒不如说他会使他的学科退回到意见尚未一致或自然状态的历史阶段。”
通过上面的分析，我们可以看出，科学革命实际上是形成科学理论基本概念、基本假说、评价标准、思维方式的变化，是哲学世界观的改变。因此，科学革命是一场科学观念和思维方法的彻底重建。当然，科学革命并没有抛弃已有的经验材料和经验知识，只是改变理解原有材料和知识的方式和规则：“科学革命打碎的只是科学理论的旧框架，摧毁的只是科学的旧基础。”
因此，从本质上看，如何实现科学革命——基本假设的革命即世界观和方法论的变革，这是一个哲学问题，只是在自然科学中它是由科学家来表述、刻画和解决的。纯粹的哲学家很难解决这些专业内的科学问题。但是，专业的科学家如果还在原有范式指导下工作而不进行哲学创新思维，也是不能实现科学中的革命的（这并不是说，在科学危机时期，科学家要接受哲学家的指导而从事科学研究；而是说，如果科学家在该学科中不进行本体论和方法论的思考和创新，从而打破原有范式的本体论和方法论禁锢，是不可能实现科学理论创新即科学革命的）。所以，在科学革命中，科学家就是在做哲学的工作。科学家和哲学家都提出某种本体论和方法论，但哲学家要对这种本体论和方法论进行展开和论证，而科学家的工作是把新的本体论和方法论即科学基本概念和基本假说具体化为新学科的理论并用实验加以检验。这恰如查尔默斯所说，“对基本原则进行持续的批判，最恰当地说，是哲学而非科学所具有的特征”。而对基本原则进行持续的批判，只能是少数的具有哲学思维能力的科学家所进行的工作。科学家“经常不能”完成新旧范式的转变，而且，即使那些有哲学思维能力的科学家，如果科学不处于危机中，他们也不能进行或完成科学革命。因而，“替论的发明恰恰是科学家们很少做的，除非在其科学发展的前范式阶段和在其后演变期间非常特殊的场合”。在一个学科内，如果像波普尔“猜想和反驳”的方法所表征的那样，不断地对基本原则提出质疑，那么该学科就不可能取得重大进步。这是因为那些原则没有足够长的不受到挑战的时间使专门的工作得以完成。虽然爱因斯坦凭借他所具有的创造性和勇气对物理学的一些基本原则进行了挑战并取得了重大进展，但是我们不应忽视这一事实：正是经过在牛顿范式框架内200年的逐一的具体工作，以及在电磁学理论内100年的工作，才揭示出爱因斯坦将会认识到并且用他的相对论来解决的问题。
因而，“在科学革命中，科学家用新的基本概念和基本假设取代旧的科学公理”。在波普尔看来，科学革命就是一个科学理论被另一个科学理论所取代，就是一组主张被另一组不同的主张代替；同样，库恩也认为，一场科学革命不仅涉及一般定律的变化，也涉及看待世界的方式的变化，还涉及在那些评价理论时所要持有的标准的变化。
总之，科学革命是一个量变到质变的过程，革命包含在危机及解决危机的艰难的探索过程之中，没有对危机和解决危机的探索，就没有科学革命。这一过程，必须打破原有常规科学时期的科学观念，并创立新的科学观念，即新的基本概念和基本假说并建立新的理论范式，才能最终实现。而“获得新范式、做出这些基本发明的人，几乎总是非常年轻的人，或者新进入一个其范式将由它们所改变的领域的人，也许对此不需要再做更明确的说明，因为很明显，他们很少在以前的实践中受常规科学传统规则的束缚，他们特别有可能看出，那些规则已经不再适用了，并且去设计出另一套规则代替它们。”
即使在有不同理论竞争对手的威胁时，科学家的哲学思考也是必要的。由于常规科学时期科学家接受训练的方式以及他们若想有效地工作就必须接受的训练的方式，他们对他们在其中工作的范式的确切性质，将是一无所知的，也无法加以阐述；但当一个范式受到某个竞争对手的威胁时，他们就必须努力清楚地说明一个范式中所包含的普遍定律以及形而上学原则和方法论原则，以便保护它们免遭有威胁的新范式中的那些替代者的伤害。库恩总结说，“科学家面临反常或危机，都要对现在范式采取一种不同的态度，而且他们所做研究的性质也将相应地发生变化。相互竞争的方案的增加，做任何尝试的意愿，明确不满的表示，对哲学的求助，对基础的争论，所有这一切都是从常规研究转向非常规研究的征兆”。当人们认为反常正在给某个范式提出严重问题时，一个“明显的无专业安全感”的时期便来临了。此时，常规科学家开始进行哲学和形而上学的争论，并且试图依据哲学论据为他们的创新辩护。
三、哲学与科学的关系
事实上，科学革命不但没有改变科学与哲学之间原有的生成关系，从某种程度上看反而在这个过程中强化了这种生成关系。从这方面看，具体科学不但是从哲学这一母体中生发出来的，而且在它独立后的每一次的科学革命中，都要回到哲学思维的层面才能得以完成。可以说，具体科学的每一次重大发展（科学革命）都是借助于哲学思维（哲学世界观的改变而形成新的基本概念和基本假说）来完成的。
其实，理论思维，就是确立基本概念和基本假说，然后形成判断、推理的过程；没有这种从概念到判断、再到推理的过程，就没有理论及其理论思维。科学理论的发展就是基本概念的逻辑展开，就是围绕基本概念和基本假说的建构而进行的。从这个意义上说，科学理论的关键和核心就是确立并描述各种范畴如何围绕基本概念而展开并得出结论的。可以说，由基本概念构成的理论的逻辑基础决定着这个理论的本质以及它在认识对象上可能达到的程度。概念是科学理论大厦的基石，基本概念及其关系构成了科学理论的逻辑基础。而哲学思维是科学革命的酵母，无论是在科学的创立之时还是在科学危机以及科学革命时期，哲学思维都起到关键性的作用。按照马克思从“抽象到具体”的上升方法，科学理论的逻辑展开必须不断地与现实对象接触；从理论的抽象的一般到它的任何一个具体形态，都必须有中间环节作为对应原理，即科学理论的结构形式是由抽象一般、经验具体和中间环节构成的演绎的逻辑体系。
于是，科学和哲学的关系，可以具体地表述为：一切科学的最基础部分、也是最深处，都是哲学问题，都必须进行哲学思考。有人把哲学看做概念思维，是很准确的。哲学就是形成对认识对象的基本概念和基本假说，而推理、演算和验证就成了具体科学的事了。因而，在哲学和科学之间永远保有切不断的“脐带”，科学借助这一“脐带”从哲学母体中不断获得新生的根基和养分；哲学通过这一“脐带”，从各门丰富发展的科学理论中不断获得重生的形式。按库恩的说法就是：“恰恰是抛弃批判性对话才是转变到科学的标志。一个领域一旦转变成为科学，只有在基础摇曳的危机时刻才会出现这种批判性对话。只有对相互竞争的理论必须进行选择时，科学家的行动才像是哲学家。”
更一般地说，哲学是回答为什么（why）的问题，而科学是回答怎么样（how）的问题。前者是讲道理、讲原理的学问，后者是讲机制、讲理论的学问；机制、理论来自于道理和原理，没有道理和原理就没有机制和理论。就像地基和大楼的关系一样，有什么的地基才能建起什么样的大楼，大楼是由地基决定的；但从思考建什么样大楼的角度看，也可以说，要想建造什么样的大楼，就要思考打造什么样的地基的问题。一个是大楼与地基的原理关系问题，一个是如何造大楼的机制问题。一般情况下，我们并不一定要认识为什么的问题，才能回答怎么样的问题；但解决了怎么样的问题，一定包含着对其中为什么问题的正确的原则性理解，即隐含了对为什么问题的原理的理解，虽然我们并不一定知道其中的具体的原理是什么。在科学革命中，科学家从怎么样的问题回到为什么的问题，即从建什么样的大楼回到要建什么样的地基的问题；而在常规科学中，科学家面对的是在一定的地基上如何具体建造大楼的问题。在这个意义上，一般地说，哲学家做的是打地基的工作，而科学家做的是在一定的地基上如何建大楼的工作；但在不得不推倒旧大楼而建造更高的新大楼时，问题首先还得回到建造合适的地基问题上，虽然这时的工作还得由科学家来做，但科学家必须在哲学家工作的意义上展开工作，否则他将一事无成。并且这样的工作，也只能由少数的、有哲学家头脑的科学家来完成。
