量子力学基本概念及理解
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量子力学基本概念及理解范文第1篇
关键词：科学素养；科学方法；科学意识；科学精神；大学物理
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）03-0110-02
“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？”这个被称为“钱学森之问”的问题，已引起上至国务院总理下至普通学生的深思。中国学生虽在国际奥林匹克竞赛中屡屡获奖，却一直与诺贝尔科学奖无缘。2010年11月第八次中国公民科学素养调查结果显示，2010年具备基本科学素养的公民比例为3.27%，仅相当于主要发达国家和地区20世纪80年代末、90年代初的水平[1]。面对这些事实，我们不能不对现行的学校科学教育进行深刻反思。学校和社会一直倡导素质教育，但是素质教育就是多搞文体活动和多学琴棋书画吗？这是误解，更是误导。其实，素质教育的一个重要内容，就是提高科学素养。
一、什么是科学素养
“科学素养”这一概念是伴随着20世纪五六十年代美国“课程改革运动”而系统确立起来[2]。尽管对这一概念的内涵尚未达成共识，但是，把科学素养作为科学教育的目标，已在世界各国取得共识。明确提出科学素养包含三个维度，并给出测评指标进行测度的主要有以下几种。第一种是美国J・米勒教授提出的公民科学素养概念[3]。J・米勒的科学素养模型维度概括为：科学知识；科学方法；科学意识。自1979年以来，该指标体系及其测评结果一直为美国国家自然基金会所采用。第二种是世界经济合作与发展组织开发的国际学生测评项目（PISA）提出的科学素养概念。PISA将科学素养定义为“15岁学生为了理解自然界及人类活动引起的自然界变化并有助于相关决策，而使用科学知识、识别科学问题、得出有根据的结论的能力”，该定义包含“科学方法或技能”、“科学概念与内容”及“语境”等三个维度[4]。虽然以上两种科学素养概念的维度有所不同，但是可以看出，科学知识、科学方法、科学能力、科学精神和科学意识都属于科学素养教育的范畴。
二、《物理》课程在培养科学素养中的重要性
《物理》、《化学》、《生物》等课程都是学校教育中培养学生科学素养的重要课程，而《物理学》又是一切自然科学和工程技术的基础。2007年第10期青年科学《测测你的科学素养有多高》中判断16个科学观点的对错。其中有10个观点都可以在《物理》课程中找到答案，可见，《物理》课程在科学教育中的重要性。
三、大学《物理》教学中如何培养学生的科学素养
大学《物理》课程是高等学校理工科各专业学生的一门重要的通识性必修基础课，在培养学生的科学素养方面，具有其他课程不能替代的重要作用。下面谈谈大学《物理》课程对培养学生科学素养，尤其是科学方法、意识和精神等方面笔者的一些思考和做法。
1.科学方法的培养。“授之以鱼”不如“授之以渔”，方法对学生的终身发展至关重要。物理学中有许多科学方法。观察法、实验法、理想化方法、类比方法、假设方法和数学方法等是物理学的基本研究方法，不仅适用于自然科学的研究，也适用于其他科学技术领域和各种工作领域。分析、综合、抽象、概括、归纳、演绎、类比等普通的逻辑方法是《物理》学科中常用的逻辑思维方法，更是普遍应用于人的各种思维活动。如果学生掌握了这些方法，就会在以后的工作中自觉地运用这些物理方法思考问题、解决问题，并具备实事求是，严谨科学的意识。也就是说，掌握了科学的方法，就有了在未来从事各项工作的“武器”。笔者在大学《物理》教学中，非常重视物理方法的介绍。①重视物理方法的提炼和总结。自然界发生的一切物理现象和物理过程，一般都是比较复杂的，为了降低研究的难度，在物理研究中产生了理想化方法，就有了质点、刚体、弹簧振子、理想气体、点电荷等理想模型。在讲解这些概念时重点讲解这些模型形成的必要性和这种方法的重要性，让学生知道这是处理自然界复杂问题的常用的科学抽象的方法，是一种重要的科学研究方法，在自然科学研究中占有重要地位。②通过物理学史的引入，加强科学方法的教学。牛顿在伽利略、开普勒等前人成果的基础上，用归纳法获得了经典力学的基本概念和力学三大定律，又用演绎的方法获得了万有引力定律并发明了微积分。在量子力学中，从黑体辐射问题的研究中出现的“紫外灾难”到普朗克的量子假说，到爱因斯坦“光量子假说”，到玻尔的旧量子论，到海森伯、薛定谔提出的量子力学，再应用爱因斯坦相对论提出相对论量子力学的整个量子理论的发展史无不体现了假说―理论―新假说―新理论的循环发展模式；在提出假说阶段常常运用归纳和类比的推理方法，在验证和确立假说阶段的演绎推理方法又时时出现。介绍这些历史，不但让学生学到了物理知识，而且让学生用物理学家的方法和思路研究这些《物理》内容，无形中会受到良好的科学方法教育。
2.重视介绍物理的应用，培养学生良好的科学意识。科学意识就是从科学的角度理解问题、分析问题和解决问题的思想观念及其行为。学生只有知道了科学的应用，才会在生活和工作中有科学的意识。《物理》课程是一门实用性很强的科学，所以在教学中就要多介绍物理知识的广泛应用，尤其是最新的应用。例如，在电磁感应部分，除了介绍常见的涡流加热和制动、微波加热、电子感应加速器外，再介绍机场安检处的金属探测器（或棒）以及交通部门的交通探测器、银行卡信息的存储和读取原理等；介绍这些实用知识不但会引起学生极大的兴趣，也会引起学生主动思考生活中的问题，树立良好的科学意识。
3.科学精神的培养。科学精神包括求实精神、创新精神、怀疑精神、宽容精神等几个方面，其中最主要的是求实与创新。如何培养学生的科学精神？在授课中要注意启发式教学，多提出问题，多质疑，启发学生思考和发现，培养他们的主动参与的意识和创新意识。适当增加物理学史，让物理学家们的不怕困难、无私奉献，敢于质疑以及开拓创新的科学精神感染学生。
总之，在大学《物理》教学中要利用一切可能的途径向学生传授科学的基础知识，培养科学的分析问题和解决问题的能力，培养学生用科学的观点理解自然界现象并能作出决断以及辨识真伪的能力，同时拥有良好的科学态度和科学精神。
参考文献：
[1]中国科学技术协会.第八次中国公民科学素养调查结果.[EB/OL].
[2]李雁冰.科学探究、科学素养与科学教育[J].全球教育展望，2008.（12）：14-18.
量子力学基本概念及理解范文第2篇
关键词 工程教育 物联网 学辅 专业认证
中图分类号：G642.0 文献标识码：A
0 引言
当今社会科技发展日新月异，所谓的生物人、经济人、理性人、文化人、社会人、复杂人、自我实现人等整体性的人性假设已经不能适应当今的知识经济、信息时代、虚拟世界、智慧地球和网络社会的需要了。本文在“信息复杂全息人”假设的基础上，依据复杂系统理论、事理理论和现代信息技术，来思考工程管理专业教育的问题。从“智慧地球” 、“感知中国”到“智慧城市” 和“智慧人生”，物联网“Internet of Things”（IoT）的飞速发展使得信息技术进一步成为经济社会可持续发展的重要支撑。现代教育尤其是现代高等教育也已经成为人类永续发展的关键环节，而工程教育专业认证则是经济全球一体化进程中的体现人才培养国际实质等效性重要标杆。物联网正改变着人们的工作、生活、学习的观念及方式方法，同样对工程教育专业认证也带来深刻的影响，本文主要讨论其对工程教育专业认证中的教学模式、学习方式、师资队伍等的影响。
1 工程教育的特征及专业认证的分析
1.1 教育的概念
1997年国际教育标准分类法（ISCED）给出：教育是满足受教育者学习需要的各种有意识的、有组织的、持续的、学习、交流、系统的信息传递活动，包括一些国家中所谓的文化活动或培训。信息传递是指受教育者的品德养成、知识丰富、技能熟练等都是通过信息交流而进行的。建构学生各种知识、能力和技能相关的信息，可区分为“硬信息”、“软信息”和“巧信息”3种。所谓硬信息也可称之为“一次信息”或“原始信息”，其是指受教育者在外界环境中直接感受的、身临其境的各种客观实在的信息，如看到的山川河流、花草树木，看演出、听音乐会等由人的感官直接接收的信息。所谓软信息也可称之为“二次信息”，其是指受教育者间接获得的外界客观实体的信息，如看书，听老师讲解，观看历史文物等。所谓巧信息也可称之为“控制信息”或“关键信息”，是指能控制其他信息的信息，如密码或指令，其能起到“四两拨千斤”的作用。在人一生的学习过程中，大量接触到的是“软信息”或“二次信息”，吸取、转化、融合“二次信息”可以提高掌握知识或能力的效率。
1.2 “信息复杂全息人”假设
教育是由人参与的实践活动，人的本质是什么？人的意识是如何产生的？这至今仍是一个困难的问题。笔者曾提出：必须把“人”看作是一个由数十万亿个子系统、小系统、大系统组成的具有耗散结构性、信息性、全息性、量子化、具有自主意识和自适应性的开放复杂巨系统——一个巨复杂自适应智能系统（Giant Complex Adaptive Intelligent System，简写：GCAIS，简称：格赛思），简称“信息复杂全息人”。①笔者曾设想人的意识是产生于脑神经物质的量子行为和类似于科克（Koch）曲线的组织结构形变，即：对大脑而言，在有限的脑细胞（细胞核、染色体、细胞质、分子、亚分子等）系统中可以产生无限的“科克曲线”或“科克突出”——这些“科克突出”这是脑神经细胞微小变形——因外界刺激引起的或因与其他神经元的相互作用而产生的，每一“科克突出”就对应于一定的知识、信息、意识等，而一系列“科克突出”就相当于“意识流”。量子力学的波粒二象性，实际上，应该是“波粒三象性”——波动性、粒子性和信息性。对于大脑物质，其量子行为则是“四象性”的，即波动性、粒子性、信息性和意识性，称之为“波动粒子信息意识四象性”，简称：“波粒信意四象性”。这种“波粒信意四象性”应是在脑组织的微观和渺观范围内操作的。记忆力是脑思维细胞“科克突出”的“科克突出分形”。②因此，物质和精神统一于“波粒信意四象性”，所有人类都包含类似的大脑物质，也就会产生类似的意识和思维，这是人类之间可以进行沟通的基础。以此类推，一切具有大脑物质的动物都应有它们相应的意识。
1.3 工程的概念
中国语义的“工程”是一个宽泛的概念，如“化学工程”、“土木工程”、“人文社会工程”、“希望工程”、“阳光工程”、“文化走出去工程”等等，其实质是人类社会的有目的的系统的实践活动，工程涉及到人、财、物、事、信息等要素，而对于不同的学科再分别给出各自的工程内涵和外延。工程是这些物或事的函数，用公式表示为：
GC = F（物，事，人，财，信息，时间，空间）= F（W，S，R，C，XX，S，K）
式中，GC表示工程；F表示函数关系式；W表示物（物质、能量）；S表示事（件）；R表示人；C表示财力；XX表示信息；S表示时间；K表示空间。③
从工程要素所涉及的范围划分，其也可以分为5个层次，即渺观工程、微观工程、宏观工程、宇观工程和胀观工程。
1.4 工程教育是一个GCAIS
由于工程和教育内涵的复杂性，它们的整合不管是教育工程还是工程教育都应是涉及到人或者由人参与的实践活动，包括受教育者、教育者和管理服务者的人是工程教育的主体，因此属于高等教育体系子系统的工程教育也是一个“巨复杂自适应智能系统”（GCAIS），其必然具有复杂巨系统的诸多基本特征，如整体的开放性、规模的巨型性、组分的异质性、结构的层次性、关系的非线性、行为的动态性、内外的不确定性、整体的涌现性、④信息性、自适应性和智能性，等等。
从总体上看，工程教育的功能除具有人才培养、科学研究、社会服务、文化传承4项基本功能之外，还应有塑造真诚心灵、维护社会和谐、创造优美人生、加强国际合作等职能。⑤
1.5 工程教育专业认证的指标体系
2005年启动的工程教育专业认证，导入了《华盛顿协议》认证标准的基本原则——“能力导向”（outcome-based）。美国ABET推出的EC2000认证标准强调培养学生工程教育的产出即学生应具备的能力和素质，强调认证工程专业所培养的毕业生必须具备数学、自然科学和工程学知识的应用能力，具备实验方案设计和数据分析的能力等的11种能力。⑥我国的《工程教育专业认证标准（试行）》规定了10种能力，如具有人文素质、社会责任感和职业道德；具有文献与资料获取能力；懂得专业相关法律法规；认识工程对客观世界和社会的影响；终身学习能力和国际视野、交流、竞争与合作能力。⑦高炉教授认为：坚持能力为重，强化能力培养，着力提高学生的学习能力、实践能力、创新能力，教育学生学会知识技能，学会动手动脑，学会生存生活，学会做事做人，提高学生的信息化学习与生存能力。其将培养学生能力分解为3个核心部分，即一是专业教育；二是理论教学、实践教学、自主研学；三是引导学生个性发展。而专业教育知识体系、学生发展体系和质量监控与管理体系都是围绕3个核心部分去综合展开的。⑧
我国《工程教育专业认证标准（试行）》的指标体系是模仿了美国ABET的EC2000标准的结构而设计的，其包括7个一级指标，即专业目标、课程体系、师资队伍、支持条件、学生发展、管理制度和质量评价。陈道蓄教授在《工程教育专业认证如何结合认证标准做好自评工作》报告中指出：工程教育专业认证是如下4方面的评价，一是目标导向的评价；二是合格性评价；三是同际实质等效；四是认证规范化。
师资队伍指标中的教师岗位结构如教学人员、科研人员、管理人员、实验室技术人员，其他等，这并不是依照学生能力的建构进行设计的，其而是作为一个教学实体的学校人员的结构。如果科研人员也从事教学工作，则应计算为教学或兼职教学人员；若科研人员不承担教学任务，则其不应计入影响学生能力的师资队伍之中。按照“教书育人、环境育人、实践育人、文化育人、科研育人”的思路，教师承担的科研工作量应有适当的比例，反之亦然。
2 物联网的定义和本质
物联网（IoT）主要是通过信息实现物品到物品（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）之间的互连或者综合集成的联系。
物联网的技术本质是依据互联网的识别、交互和自组织，并能对人、事、物进行智能化的沟通与控制的工具。物联网的哲学本质可认为是实体的虚拟化、数字化、信息化，通过信息沟通现实世界与虚拟世界，形成具有自组织能力的自主网络。物联网的实体虚化模糊了物、动物、人、机器人、事（件）等概念，模糊了物质精神两元论的界线。
3 物联网对工程教育的影响
物联网除具有“物质世界数字（虚拟）化”、“人、物、事（件）互联化”、“教育资源信息化”、“数据处理智能化”的功能之外，⑨还有如下几方面的功能：第五，教育体系辅导化，学校弱化为辅导机构，从而学校主动的教育体系随着受教育者主体作用的提升而弱化为辅导体系。第六，个体成长发展“学辅”化，受教育者成了真正的学习主体，教育演化为学习者个体的学习成长，可称其为“学辅”，这是物联网对教育的最根本的冲击。第七，教学空间微型化，地球村和远程教育使得教学空间变小了，身在国内也能学到境外高校的公开教学课件或视频。第八，教学时间自主化，由于学习者真正成为了吸收信息的主人，其未必在限定的时间去听课，可以自由地利用其他时间如吃饭间隙或晚上去学习所需要的知识；同时学习可以在“泛在教育”的时空里进行。
3.1 对教学模式的影响
当前普通高校工程教育的“教学”，“教”是教师的主动的“教”，学生的“学”则是处于次要地位，学生是在教师的引导下进行的学。物联网使得终身教育更容易实施，也就是说，学习者可以通过客观实体（世界）的自我信息表达来感知其环境的教育信息，也可以通过“软信息”（二次信息）去学习间接知识。
在以人为本的物联网时代，教与学的广泛性可称之为“泛在教学”和“泛在学习” （U—learning），即无处不在“教”和无处不在的“学”。对教师的“教”要实现泛在的教和幸福的教；对学生的“学”要落实泛在的学习和自由快乐的学习。教师的任务是告诉学生学习的重要性和为什么学习，大部分教师的主要任务是提供各种辅导。教师的一切工作都是为学生主动的“学”服务的，教师“教”的效果如何就体现在对学生的辅导、引导、指导上面，“教学”就变成了“学辅”，因而，教学范式改变了。
3.2 对学习方式的影响
学习是指任何行为、信息、知识、理解力、态度、价值观或技能方面的长进。物联网时代的云计算、海计算以及云海计算相适应的“云服务”，人们对知识信息的获取不再受到空间、时间、体能、知识、讯息等差异的限制，完全可以按需获取、分享知识、资讯。学生的“学”变成真正意义上的“自主的学”，学什么专业，选哪些课程，选哪位老师的视频，全部由学生自主选取。什么时候学什么课程，学到什么程度，做哪些实验，在哪个地方学习都由学生决定。随着“虚拟教室”、“智慧实验室”、“无线网络”、“数字城市”、 “智慧城市”、“智慧地球”逐步落实，青少年时期的集中式的学习可能延伸为终身学习。物联网使得学习的方式、手段、时空、内容等都会发生根本性的变革，对学习效果的评价方式和手段也会相应地改变。
3.3 对师资队伍的影响
余寿文教授认为：“大学者，非大楼之谓也，乃大师育才之谓也。”⑩“学生是教师主要的直接的服务对象，教学，包括研究型的教学是教师服务于学生的主要形式。”豘教师在教学过程的作用只是“二次信息”的表达，学生通过老师大多也都是只能获得间接的知识，而现代信息技术尤其是物联网将使得这种间接传达成为可有可无的状态。多媒体技术或3D视频教学课件有可能取代表达能力较差教师的教学功能。因此，这些通过信息传递而完成教师工作量或承担教学任务的实体可定义为“虚拟教师”。物联网可令“虚拟教师”队伍的数量快速增长，而其功能将不断增强。工程教育专业认证的“师资指标”应作相应的变动或调整。
以广东轻工职业技术学院为例分析如下：参与高校各种职能的全体人员可分为以下9类，一是专职在编人员，省编办下达的编制是1149名。二是专职非编人员，全校有近百名。三是外聘兼职人员，其中兼职教师共有886名。四是退休返聘人员，全校有十几人。以上4种可称其为“显性教职工”或“显性职工”。五是劳务外包职工，全校约800名。六是校企合作和职教集团的连锁协同单位及聘用专家。七是在学生顶岗实习过程中聘用的指导师傅。此3种人员可称其为“恢色教职工”或“恢色职工”。以上7种可称为“实体教职工”或“实体职工”。八是与学校和学生直接发生联系的其他人员，如送快递的邮政人员、送快餐的物流人员、电讯人员等。这可称其为“隐性教职工”或“隐性职工”。九是与学校和学生非直接接触而产生影响的实体（或信息源），如QQ群、BBS站、微博、微信，教学用的录音录像资源等，它们对学生起到了教职工的影响作用。其可被称为“虚拟教职工”或“虚拟职工”。电视教学或录像教育中教师就可看作是“虚拟教师”。因此，可定义“虚拟教师”为：占具一定的工作岗位、承担一定的教学任务、能提供某些知识或信息、消耗一定的资源、为教育事业产生一定的效益的虚拟体、实体或信息集合体。美国于1994年制成了世界第一具“男性虚拟人”，美国已经制造了有物理性能的第二代和有生理功能的第三代“虚拟人”。我国2003年第一军医大学构建了首例“女性虚拟人”。无人机实际上就是一个“虚拟军事战斗人员”。
4 结论
工程教育是一个“巨复杂自适应智能系统”，其具有复杂巨系统的多种特性。通过信息沟通人、物、事（件）的物联网将对工程教育专业认证指标体系的内涵产生深远的革命性的影响，虚拟教室、虚拟实验室、虚拟教师、虚拟校园等都将成为现实。
基金项目：此文受广东省教育科研“十二五”规划2012年度研究项目（2012JK091）、2013年广州市哲学社会科学“十二五”规划课题（13G33）、2012年广东高等教育科学研究课题（GJB125095），广东省高职高专校长联席会议2013年度重点课题项目（GDXLHZD014）和2013年广东轻院教改课题（JG201365）的资助
注释
① 张天波.现代职教体系协同现代产业体系的机理探析——以广东省为例[J].淮南师范学院学报，2012.14（5）：81-84.
② 张天波.高职教育层次论视域下现代职教体系的建构分析[C].Kevin Bo.第三届教学管理与课程建设学术年会.Hong Kong： E R P press，2012：28-33.
③ 张天波.物联网视域下管理工程创新的思考[C].王淑云，高光锐，任俊义.2012中国管理科学与工程研究报告.长春：吉林大学出版社，2012：181-186.
④ 张天波.终身教育维度下的现代国民教育体系结构和层次分析[J].职业技术教育，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 朱伟东，张振刚.美国ABET工程教育专业质量认证研究[J].中国高教研究，2009（12）：54-56.
⑦ 陈文松.工程教育专业认证及其对高等工程教育的影响[J].高教论坛，2011（7）：29-32.
⑧ 高炉.工程教育专业认证如何结合认证标准做好自评工作.高等理工教育网[EB/OL].[2013-03-13]（2011-03-29）.http：///？action=read_article&articleid=455&siteid=0.
⑨ 张天波.整合校内实训资源的机理分析与实践——以构建文科中心为例[J].实验室研究与探索，2012.31（7）：445-448.
