時間：2023-07-24 16:26:14
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量子力學是近代物理的兩大支柱之一，它的建立是20世紀劃時代的成就之一，可以毫不夸張地說沒有量子力學的建立，就沒有人類的現代物質文明[1]。大批優秀的物理學家對原子物理的深入研究打開了量子力學的大門，這一人類新的認知很快延伸并運用到很多物理學領域，并且，導致了很多物理分支的誕生，如：核物理、粒子物理、凝聚態物理和激光物理等[2]。量子力學在近代物理中的地位如此之重，所以成為物理專業學生最重要的課程之一。但在實際教學過程中，學生普遍感到量子力學太過抽象、難以掌握。如何改革教學內容，將量子力學的基本觀點由淺入深，使學生易于理解；如何改革教學手段，培養學生興趣，使學生由被動學習變為主動學習。這是量子力學教學中遇到的主要問題。作者從幾年的教學中摸索到一些經驗，供大家參考。
一、教學內容和方法的改革
傳統的本科量子力學教學一般包括了三大部分：第一部分是關于粒子的波粒二象性，正是因為微觀粒子同時具有波動性和粒子性，才造成了一些牛頓力學無法解釋的新現象，例如測不準關系、量子隧道效應等等；第二部分是介紹量子力學的基本原理，這部分是量子力學的核心內容，如波函數的統計解釋、態疊加原理、電子自旋等；第三部分是量子力學的一些應用，如定態薛定諤方程的求解，微擾方法。以上三個部分相互聯系構成了量子力學的整體框架[3]。隨著量子力學的進一步發展，產生了很多新的現象和成果。例如量子通訊、量子計算機等等。許多學生對量子力學的興趣就是從這些點點滴滴的新成果中得到的。如果我們仍按傳統的內容授課，學生學完了這門課程發現感興趣的那點東西完全沒有接觸到，就會對所學的量子力學感到懷疑，而且極大地挫傷了學習自然科學的興趣。所以作者建議在教學過程中適當添加一些量子力學的新成果和新現象，來激發學生的學習興趣[4]。在教學方法上也應該按照量子力學的特點有所改革。由于量子力學的許多觀點和經典力學完全不同，如果我們還是按照經典力學的方法來講，就會引起學生思維上的混亂，所以建議從一開始就建立全新的量子觀點。例如軌道是一經典概念，在講授玻爾的氫原子模型時仍然采用了軌道的概念，但在講到后面又說軌道的概念是不對的，這樣學生就會懷疑老師講錯誤的內容教給了他們，形成邏輯上的混亂。我們應該從一開始就建立量子的觀點，淡化軌道的概念，這樣學生更容易接受。
二、重視緒論課的教學
興趣是最好的老師。作為量子力學課程的第一節課，緒論課的講授效果對學生學習量子力學的興趣影響很大，所以緒論課直接影響到學生對學習量子力學這門課程的態度。當然很多學生非常重視這門課程，但學這門課的主要目的是為將來參加研究生入學考試，僅僅只是在行動上重視，而沒有從思想上重視起來。如何使這部分學生從被動的學習量子力學變為主動地學習，這就要從第一節課開始培養。在上緒論課時作者主要通過以下幾點來抓住學生的興趣。首先列舉早期與量子力學相關的諾貝爾物理學獎。諾貝爾獎得主歷來都是萬眾矚目的人物，學生當然也會有所關心，而且這些諾貝爾獎獲得者的主要工作在量子力學這門課程中都會一一介紹，這樣一方面通過舉例子的方法強調了量子力學在自然科學中的重要地位，另一方面為學生探索什么樣的工作才可以拿到諾貝爾獎留下懸念。抓住學生興趣的第二個主要方法是列舉一些量子力學中奇特的現象，激發學生探索奧秘的動力，例如波粒二象性帶來的“穿墻術”、量子通訊、如何測量太陽表面溫度等等，這些都很能激發學生學習量子力學的興趣。綜上所述，緒論課的教學在整個教學過程中至關重要，是引導學生打開量子力學廣闊天地的一把鑰匙。
三、重視物理學史的引入
隨著量子力學學習的深入，學生會接觸到越來越多的數學公式以及數學物理方法的內容，雖然學生會對量子力學的博大精深以及人類認知能力驚嘆不已，但在學習過程中感覺越來越枯燥乏味。并且，學生學習量子力學的興趣和信息在這個時候受到很大的考驗，想要把豐碩的量子力學成果以及博大精深的內涵傳達給學生，就得在適當的時候增加學生的學習興趣。實際上，很多學生對量子力學的發展史有很濃厚的興趣，甚至成為學生閑聊的素材，因此，在適當的時候講述量子力學發展史可以增加學生學習量子力學的學習興趣和熱情。在講授過程中，可以結合教學內容，融入量子力學發展史中的名人逸事和照片，如：索爾維會議上的大量有趣爭論和物理學界智慧之腦的“明星照”，或用簡單的方法用板書的形式推導量子力學公式。例如在講到黑體輻射時，作者講到普朗克僅僅用了插值的方法，就給出了一個完美的黑體輻射公式。而插值的方法普通的本科生都能熟練掌握，這一方面鼓勵學生：看起來很高深的學問，其實都是由很簡單的一系列知識組成，我們每個人都有可能在科學的發展過程中做出自己的貢獻；另一方面教導學生，不要看不起很細微的東西，偉大的成就往往就是從這些地方開始。在講到普朗克為了自己提出的理論感到后悔，甚至想盡一切的辦法推翻自己的理論時，告訴學生科研的道路并不是一帆風順的，堅持自己的信念有時候比學習更多的知識還要重要。在講到德布羅意如何從一個紈绔子弟成長為諾貝爾獎獲得者；在講到薛定諤如何在不被導師重視的條件下建立了波動力學；在講到海森堡如何為了重獲玻爾的青睞，而建立了測不準關系；在講到烏倫貝爾和古茲米特兩個年輕人如何大膽“猜測”，提出了電子自旋假設，這些學生都聽得津津有味。這些小故事不僅讓學生從中掌握的量子力學的基本觀點和發展過程，而且對培養學生的思維方法和科研品質都有很大幫助。
四、教學手段的改革
量子力學中有很多比較抽象原理、概念、推導過程和現象，這增加了學生理解的難度。而且在授課過程中有大量的公式推導過程，非常的枯燥。所以在教學過程中穿插一些多媒體的教學形式，多媒體的應用能夠彌補傳統教學的不足，比如：把瞬間的過程隨意地延長和縮短，把復雜的難以用語言描述的過程用動畫或圖片的形式分解成詳細的直觀的步驟表達清楚[5]。相對于經典物理來說，量子力學課程的實驗并不多，在講解康普頓散射、史特恩-蓋拉赫等實驗時，可以運用多媒體技術，采用圖形圖像的形式模擬實驗的全過程。用合適的教學軟件對真實情景再現和模擬，讓學生多冊觀察模擬實驗的全過程。量子力學的一些東西不容易用語言表達清楚，在頭腦中想象也不是簡單的事情，多媒體的應用可以彌補傳統教學的這塊短板，形象地模擬實驗，幫助學生理解和記憶。比如電子衍射的實驗，我們不僅可以用語言和書本上的圖片描述這個過程，還可以通過多媒體用動畫的形式表現出來，讓電子通過動畫的形式一個一個打到屏幕上，形成一個一個單獨的點來顯示出電子的粒子性；在快進的形式描述足夠長時間之后的情況，也就是得出電子的衍射圖樣，從而給出電子波動性的結論和波函數的統計解釋，經過這樣的教學形式，相信學生能夠更加深刻地理解微觀粒子的波粒二象性[6]。但在具體授課過程中不能完全地依賴于多媒體教學，例如在公式的推導過程中，傳統的板書就非常接近人本身的思維模式，容易讓學生掌握，如果用多媒體一帶而過，往往效果非常的不好。所以教學過程中應該傳統教學和多媒體教學并重，對于一些現象的東西多媒體表現更為出色；而一些理論方面的東西傳統的板書更為有利，兩者相互結合可以大大提高教學效率，增強課堂教學效果和調動學生的學習積極性[7]。
五、加強教學過程的管理
作為量子實驗衛星先導專項首席科學家，潘建偉院士和他的團隊在量子通信的研究道路上遭遇過怎樣不為人知的挫折？在歐美眾多實力強勁的國家中，潘建ネ哦游何選擇奧地利作為量子通信項目的合作伙伴？作為量子通信領域的技術強國，中國正從經典信息技術的跟隨者，轉變成未來信息技術的并跑者乃至領跑者，而在此過程中，我國量子通信技術在發展過程中又有著怎樣里程碑式的事件？
為獲取這些問題的答案，我們邀請到了中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉，并對其進行了專題訪問。
尖端科技背后的故事
潘建偉介紹，在量子通信技術的研發過程中，單個光量子的制備和探測是主要的兩個技術難題。首先是制備單個光量子的技術難題。潘建偉舉了一個非常形象的例子來解釋這一關鍵技術的難度：一個十五瓦左右的普通燈泡每秒鐘輻射出的光量子個數可以達到百億億個，要想實現單個光量子的制備就如同在瞬間發射出來的百億億個光量子中捕捉到其中的一個，技術難度可想而知。另一個難題是單光子的探測。單個光子是光能量的最小單元，能量非常微弱，需要發展出非常精密和高效的單光子探測技術。具備了單個光量子的制備和探測的能力后，我們就可以實現安全的量子通信了。
量子信息的應用除了實現無條件安全的通信外，還可以帶來計算能力的飛躍，這就需要把一個個的單量子糾纏起來。量子計算機的能力是隨著糾纏粒子數目呈指數增長的，例如，有100個粒子的糾纏，每個粒子可以處于“0”和“1”的相干疊加，100個糾纏的粒子就可以同時處于2100個狀態的疊加，這就相當于同時對2100個數進行操縱，計算能力大幅提升。把一個個粒子糾纏起來需要對它們之間的相互作用進行精確的控制，同時還要保證克服環境的干擾。潘建偉團隊通過一種名為“光晶格”的實驗裝置成功攻克了這一技術難題，而“光晶格”捕捉單個原子的技術原理就如同把雞蛋逐個放入蛋槽的過程，每個光晶格中只能容納一個原子，再通過人為控制這些原子的相互作用，使得它們糾纏起來。雖然現在的技術水平已經發展到可以操縱數百個原子，但要實現數百個原子之間的量子糾纏態還有很長的路要走。潘建偉解釋說，如果將幾百個原子糾纏在一起，就能夠演示量子計算機的基本功能了。
奧地利―夢開始的地方
據了解，此次“墨子號”量子通信衛星包含了國際合作任務，并選擇了奧地利作為首個國際合作伙伴。為何偏偏選擇奧地利？這還要從潘建偉的求學經歷說起。
潘建偉在中國科學技術大學學習期間，第一次領略到量子世界的奇妙。但隨著對量子研究的深入，他越發意識到量子理論中的各種奇特現象需要更加尖端的實驗技術和條件才能夠得到驗證，而當時國內在這方面還相對落后。于是，在1996年潘建偉來到奧地利因斯布魯克大學，師從奧地利物理學家Anton Zeilinger攻讀博士學位。那時Anton Zeilinger教授已經建立了量子實驗室，并且是量子物理學領域的國際權威。在奧地利，潘建偉和同事們完成了國際上首次實現光子的量子隱形傳態的實驗，這被認為是量子信息實驗領域的開端。此后幾年，潘建偉和同事們又先后實現了一系列量子信息領域的先驅性實驗，這些寶貴的經歷為以后潘建偉在量子通信領域的突破性貢獻奠定了堅實的基礎。潘建偉對奧地利的特殊感情還不止于此。潘建偉在奧地利求學期間，一直得到了奧地利外交部和學術交流機構的資助。博士畢業后，潘建偉又繼續在維也納大學實驗物理所從事博士后研究，而維也納大學正是薛定諤等量子力學的奠基人工作過的地方，無疑是量子力學的“圣地”之一。
所以，當昔日的老師主動提出加入我國的量子衛星計劃時，奧地利便順理成章地成了中國量子科學實驗衛星項目的第一個國際合作伙伴。潘建偉提到，量子科學實驗衛星會向全世界開放，在奧地利之后，德國、意大利、加拿大等國的團隊也主動請求加入。
追尋量子通信發展的軌跡
潘建偉在接受采訪時談到，作為量子通信領域的技術強國，中國正從經典信息技術的跟隨者，轉變成未來信息技術的并跑者乃至領跑者。回顧中國量子通信領域的發展歷程，取得的優異成績離不開先輩科學家們孜孜不倦的奮斗與拼搏。
潘建偉表示，我國在量子通信領域的研究起步較早，在上世紀90年代初就有郭光燦院士、張永德教授等老一輩科學家密切關注該領域的發展，并且中國科學技術大學已經發表了一些該領域的文章。潘建偉強調說，中國量子通信領域能夠發展到今天這一步，與當時中科院與時俱進的敏銳眼光密切相關。他舉例說，在他2001年回國組建實驗室時，一切都是從零開始。當時，他向中科院申請了200萬元的經費，而中科院基礎局卻撥了400萬元。在中科院的重視和支持下，實驗室的發展速度非常快，很快就有了一批由中國人完成的量子信息領域的重要成果。之后，中科院的支持力度又進一步加大，同時，國內其他團隊也發展起來了。在2005年，國家的重大研究計劃也開始注意到了量子調控，在中科院物理所的于淥院士、南京大學的閔乃本院士等科學家的建議下，量子調控成為國家重大研究計劃的內容，到目前這一計劃已經執行了十余年。正是由于國家的重點扶持，我國的量子通信技術才得以快速發展。近年來，中科院啟動量子衛星項目，國家發改委啟動“京滬干線”項目，為量子通信技術實現跨越式的發展注入了長足的動力。但同時潘建偉也表示，歐美等國家也相繼啟動了包括量子通信在內的量子專項計劃，政府也給予了大力支持，所以我國在未來能否持續搶占量子通信領域的領跑地位，還需要不斷創新、不斷前進。
近年來生命科學的飛速發展過程中最顯著的特點就是其研究空間的擴大化,它不僅在宏觀方面研究各個生物體內的器官以及組織結構聯系;自然界個體與群體、群體之間及其與外在環境間的內在聯系;生態系統及其內部物質循環、能量交換。同時由于生物體存在物質層次性,各個生物大分子中又包含著碳、氫、氧等各種各樣的原子,甚至原子內又存在電子、質子和中子等物質。因此分子生物學研究應運而生,現代生物科學日趨向微觀世界進軍,并出現了一門新的電子生物學學科。由此可知,隨著生物科學理論與其相關實驗的多方面結合,諸多生命物質疑團將在微觀分子研究中得到合理解釋,人類對生命的認識將進一步深化,其控制和改造生物的能力也將顯著提高。
2多學科相互滲透
生物科學的另一個特點在于其與數學、力學、化學、物理學、天文學、地質學以及工程技術等多學科之間的聯系日益密切,彼此之間相互滲透,互為一體,這種滲透與反滲透作用便推動了現代生命科學的重大發展。舉例來說,力學、化學以及物理學對生物科學的滲透作用產生的結果便是在此基礎上形成了一系列有重大影響作用的邊緣學科,例如生物力學、生物化學以及生物物理學,由此開創了現代生命科學的研究新方向。同時生物科學對力學、化學以及物理學的反滲透作用產生的結果便是新形成類似化學仿生學以及物理仿生學等新興學科。隨著信息時代的到來,量子力學、信息論以及控制論等新興學科有了飛速的發展,再其強大的影響力下電子生物學、生物信息論以及生物控制論等邊緣學科也得到了更多學者的關注與研究。現代生命科學與多領域、多學科之間相互滲透的新特點促使人們學習更多的知識來充實自己,不斷汲取多方面知識擴大視野顯得尤為重要,那種只局限于研究自己專業領域的科技人才將逐漸被社會所淘汰,隔行如隔山的狀況將不再適應于社會發展。
3實驗手段更先進
隨著人們探索空間與認識領域的不斷深化,理論研究與實際應用也結合的越來越緊密,實驗手段日趨先進與現代化,這是生物科學現代化發展的又一個重要特點,更是其不斷進步的必要條件與重要標志。換句話說,生命科學只有依賴于實驗技術與手段的不斷更新才能有飛速的突破與長遠的進步,科學實驗的技術水平與方法手段決定著生命科學的發展高度。假如現代生命科學缺乏先進的現代化實驗儀器,那么其發展進程將受到停滯,甚至一事無成。由此看來,不斷汲取新方法,創新新技術,完成生物科學實驗手段的現代化任務顯得尤為重要。在生命科學領域,尤其是應用化學、應用物理學方面的新技術、新方法創新,不僅方便人們從細胞水平上進行生物規律的探究,更有利于推動人們從分子水平上對生命物質的微觀結構以及運動規律研究分析,這不僅是現代自然科學領域對生物的新認識,更是人類社會的歷史性進步。
4結束語
（上海工程技術大學材料工程學院，中國 上海 201620）
【摘 要】《固體物理》是材料學科專業開設的一門重要基礎課程。根據高等學校《固體物理》課程的特點以及材料類專業的學生對學習這門課程的需求不同，作者結合自身的教學心得和體會，分別從材料學專業《固體物理》課程教學現狀、教學內容和教學方式等方面進行探討。
關鍵詞 固體物理；教學改革；材料學
《固體物理》作為一門基礎性學科，受到了越來越多的重視[1-2]。作為連接基礎理論知識與實際應用技術的橋梁，它已經成為材料類專業學生必修的一門基礎課程。但傳統的《固體物理學》中有很多晦澀難懂的專業術語，復雜的圖形與空間變換以及繁瑣的理論推導，故而學習難度較大。學生學習《固體物理》時需完成《高等數學》、《熱力學與統計物理》和《量子力學》等先修課程的學習。由于材料學科特點和學生培養目標的不同，材料類專業的學生往往只學習一部分或者沒有學習這些先修課程，故而材料類專業學生學習《固體物理》時凡是涉及到一些嚴密的理論推導過程就會感到十分難懂，造成部分學生產生厭學情緒。針對材料類專業《固體物理》教學過程中出現的教師教學難，學生畏學這一現狀，本文從教學內容和教學方式等方面，對如何提高材料類專業《固體物理》的教學質量和促進學生綜合能力的培養方面提出了一些新的探討。
1 教學內容改革
《固體物理》教科書通常由兩大部分組成：第一部分為基礎部分。主要包括晶體結構、晶體結合、晶體的振動與熱力學性質、晶體的缺陷、能帶理論和金屬電子論等內容；第二部分為專業化部分。主要包括半導體、超導體、非晶固體和固體磁性等內容。其中基礎部分是各理工科院校講授的核心內容。對于材料類專業的學生來說，由于缺少《量子力學》與《熱力學與統計物理》方面的知識，系統學習《固體物理》有一定的困難，為了解決上述矛盾，我們在教學過程中對于《固體物理》內容主要實行以下改革措施：
（1）有選擇性的講授。對于《固體物理》各章節的內容講述要有詳有略，作到詳略得當。對于重點內容要精講，對于不太主要或者在其它課程中能學到的內容可以略講或不講。例如：在講述晶體的結合這部分內容時，材料類學生在學習《材料科學基礎》和《化學基礎課》過程中對于晶體的結合方式等內容都進行過系統學習，因此對這部分內容可以略講。在講解晶體的缺陷這部分內容時，學生在《材料科學基礎》課程中也學習過，對這部分內容就可以略講或者不講。
（2）重思想輕推導。對于有些章節的內容，不追求繁瑣的數學推導，更多的突出物理思想的傳達，對于某一個具體理論要重點講述它的建立過程與物理模型。物理模型盡量簡單，深入淺出，讓學生學會用《固體物理學》的方法去思考和處理問題。
（3）增加學科前沿內容。合理的補充與固體物理學緊密相連的凝聚態物理學和材料學最新的學術成就與進展，鼓勵學生積極參與或參觀學院相關老師的科研實驗，多聽相關的學術報告，讓學生了解最新的學術動態，培養他們對科學研究的興趣，為部分學生將來的繼續深造和終身從事科學研究事業奠定基礎。
2 教學方式的創新
長期以來，我國的大部分的教師都是采用傳統的教學模式，即老師一個人在講臺上講，學生在下面聽。這種模式固然有可取之處，但是對于現代大學生來說，這種教學模式未免顯得有些過于單調。現代的大學生喜歡新鮮事物，喜歡主動“出擊”，所以作為一名現代的大學老師，對學生應當“投其所好”，改變一下固有的思維與教學模式，使學生樂于接受所學的新知識，變被動學習為主動學習。我們采取具體做法是：
（1）啟發式教學。在教學過程中，教師的主要作用在于引導和啟發學生積極思考，尤其《固體物理》這類理論性較強的課程。如果學生僅僅限于在課堂上被“填鴨式”式的灌輸知識而不經過嚴密的思考與推理，很難深刻理解和掌握所學的內容。因此，就要求教師在授課過程中，適時的啟發學生去思考問題的來龍去脈，教會學生科學的思維方法，往往能達到事半功倍的效果[4]。
（2）案例教學。選取符合知識點應用要求的、貼近生活與技術發展的、學生感興趣的案例，師生共同分析、討論，從而提高學生分析問題能力與知識應用能力。比如課程體系講授到晶格常數時，引入聚苯乙烯微球人工微結構概念和半導體超晶格概念，并要求學生就相關概念進行文獻分組調研，PPT制作，下次課程時間面向同學進行介紹。相比以前老師直接給學生舉例的教學方式，案例教學法激發了學生的學習熱情，使學生成為學習的主人、課堂的主角，課堂氣氛生動活潑。
（3）實踐教學。《固體物理》是一門與實踐密切聯系的課程，在《固體物理》教學中，強調理論與實際的聯系，這樣可以激發學生學習的主動性、自覺性和創造性，使學生感到所學知識的用處和價值，由此可培養學生靈活應用所學知識解決問題的實踐能力。在《固體物理》的教學中，為了讓學生更深刻地理解所學知識，應該適當安排《固體物理》實驗。如講授晶體結構時，可以安排學生作X射線衍射分析實驗。通過親自實驗，學生不但掌握了晶體的衍射理論知識，也可使學生體會到現代分析方法在材料研究中的重要性和必要性。通過安排《固體物理》實驗，不但使學生加深了對理論知識的理解，同時也大大提高了觀察能力、動手能力和分析問題的能力。
3 結語
總之，在材料類專業《固體物理》教學過程中，要充分認識到材料類專業學生與物理學專業學生的不同，因材施教。此外，還要結合凝聚態物理與材料學發展的前沿和本校的科研工作，充分的利用現代化教學手段進行教學。實踐證明，上述文中所提到的教學改革方法能有效提高學生的學習興趣與綜合素質。但是，《固體物理》教學改革是一個龐大而又復雜的系統工程，課程改革的進行涉及到諸多方面，這就需要我們廣大教育工作者做更多地研究和探索，同時不斷提高自身的能力。要造就創新人才，除改變教育觀念，營造生動活潑的人文環境外，還要加強我們教師隊伍建設，提高他們培養創新人才的能力。
參考文獻
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［2］黃昆,韓汝琦.固體物理學[M].北京:高等教育出版社,1997.
［3］馮端,師昌緒,劉治國.材料科學導論[M].北京:化學工業出版社,2002.
[關鍵詞]三本院校 固體物理 教學模式
[中圖分類號]O48-42 [文獻標識碼]A
一、引言
固體物理學是研究固體的微觀結構、運動狀態、物理性質及其相互關系的一門學科[1]。從歷史上看，固體物理學的研究引發了晶體管、激光器等多項重大發明，并由此催生了微電子技術、激光技術、計算機技術、光通訊技術等一系列高新技術。這些新技術把人類的歷史推進到了原子時代、信息時代、空間時代[2]。因此它不僅是物理系所有專業中的一門非常重要的專業基礎課，也是微電子學專業非常重要的專業主干課。
固體物理學的起點是學生已有了熱力學與統計物理、量子力學的基礎[1]。但是對于三本院校的學生來說，他們的專業基礎相對薄弱，這樣勢必會增加學生的心理負擔，使固體物理教學很難達到預期效果。為了講授這門課程，讓學生對固體物理知識的理解和掌握達到教學目的的要求，就成為教研室與授課教師必須經常研究和探討的問題。筆者結合三本院校學生的實際情況，針對在固體物理課程教學實踐中發現的問題淺談一些自己的看法和見解。
二、三本院校中固體物理學教學現狀
在大眾化教育的形勢下，普通高校生源的知識結構及基本素質有了很大的變化[3]，特別是三本院校的學生。三本院校的學生學習固體物理過程中存在以下問題。
1.基礎薄弱：三本院校的學生基礎知識較薄弱，更無熱力學與統計物理、量子力學基礎，使這門課程的學習變得更加難以理解和把握，導致學生興趣不高。
2.學習質量差：以往在教學的過程中，教師比較注重知識的傳授而忽視了對學生學習方法的培養，并且對三本院校的學生來說，學習方法不當，缺乏積極性，導致學習質量差。
3.教學內容抽象：現有的固體物理教學基本上以教師講解學生聽課的模式為主，教學內容較多而且抽象枯燥，提不起學生興趣。
4.教學方法單一：傳統的教學方法往往習慣于以注入式灌輸知識，且過于注重理論和書本的內容，缺乏對固體物理實際應用的介紹，不利于培養學生學以致用及創新能力。
綜上所述，在教學環節中探求新的教學方法，采用新的教學手段，保證和提高課堂教學質量刻不容緩。
三、三本院校有效教學的探討
針對三本院校學生的知識基礎和心理特點，培養學生對固體物理的興趣，至關重要。
1.選擇適合三本院校學生特點的教學內容： 目前的固體物理教材一般都以詳細的理論分析為主，數學推導較多。對三本院校學生來說，這樣的教材仍然存在部分內容過于深奧的問題，特別是與量子力學有關的內容，學生較難掌握。因此教師在授課時不應照本宣科，應將某些偏重于繁瑣數學推導的問題簡化。
2.引入前沿課題：采用穿插式方法引入前沿內容。可以使學生們“滲透式”地了解有關前沿進展，從而可以拓寬學生們的視野，激發學生學習固體物理的興趣[4]。
3.讓學生充分參與教學：盡量讓學生直接參與到教學活動中，在思想上變被動接受為主動參與，加深對抽象概念的理解。第一，盡量把抽象的概念提取到宏觀或熟知的知識點中；通過熟知的知識來提問，引出抽象的結論。如：原子結合成晶體會釋放能量，可通過水凝結成冰的過程來進行提問講解；原子結合成晶體過程中會出現吸引力和排斥力，可舉例Na離子和Cl離子的結合過程進行提問講解。第二，講解課程的重點難點后，通過例題及習題講解的個別互動，充分引導、挖掘學生的思維并使其他學生理解。
4.采用板書和多媒體相結合的教學模式：第一，固體物理中，許多抽象理論及晶體結構可采用動畫和圖示效果以多媒體的形式呈現給學生。不但能使學生在視覺上直觀的感受其物理過程所發生的變化，還能進一步加深對該過程中一些物理量的理解。如晶體結構可用圖形展示使學生通過視覺的感受加深空間上的理解，使抽象具體化；如點缺陷的形成、一維單原子晶格的振動、晶體的對稱性等，傳統的教學中只能用靜態的圖像去展示，學生不易理解其變化過程，利用Flas完全可以把演化過程動態的展示出來，從而調動學生學習的積極性。第二，板書具有思路清晰、邏輯性強、能給學生充分的思考時間，加深對概念理論理解的特點。固體物理中，許多的公式、理論都需盡可能地采用板書的教學模式，其加強了教師和學生互動的同時，又充分體現了教師利用板書對學生的啟發和引導的過程。因此，只有將教師在課堂中的主導作用與多媒體技術的輔助作用結合起來才能獲得良好的教學效果。
5.以科學史話激勵的教學模式：這種教學模式就是將物理學史的內容有機地揉人固體物理教學中，將所教授內容中涉及的科學家的簡介、有關此教學內容的發明、發現經歷、趣聞逸事，簡明扼要地介紹給學生，既能提高學生的學習興趣，又能起到教書育人的作用。如固體物理學中X射線衍射與晶體結構時，可簡明地介紹其科學史話：晶體點陣理論提出時是一種非常超前的理論，當時沒有實驗手段能證明它。1895年倫琴發現X射線，1899年哈加和溫德觀測到X射線通過幾nm的縫隙后稍有擴展而估計它的波長數量極約為10-10m。1912年勞厄（Laue）產生了一個極妙的想法： 假設晶體確實是點陣結構，就可作為天然光柵使X射線發生衍射. 但這種新穎的想法卻受到包括倫琴本人在內的一些人嘲笑，并與勞厄打賭，限期一月。勞厄用ZnS屢試不成，交給兩個研究生。就在他們感到山窮水盡，進行最后一次實驗時，抱著試試看的心理將感光底片從晶體側面移到后面，衍射圖案出現了。這不僅證明了X射線是波長極短的光波，意義更為重大的是開創了一門新學科——X射線晶體學，晶體微觀結構的玄妙之門從此逐漸向人類敞開了。眾里尋她千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處，科學研究的成功往往在再堅持幾步。
四、結束語
三本院校是我國高等教育加快發展的新產物，也是我國高等教育大眾化的一種制度創新，從其教育模式的特點及人才培養的目標來看，學生基礎薄弱，在課程教學上應與普通本科有所不同。固體物理作為微電子學專業重要的專業基礎課，針對在教學過程中存在的一些問題，，筆者以培養學生興趣為目的從教學內容、教學方法及教學手段上探討了教學模式。
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關鍵詞：納米涂層；場發射；電子強關聯；軟凝聚態物質
2003年在國際和中國都發生了具有突發性的災難事件，但中國的GDP仍以9.1％的高速度在增長，達到了人民幣11.6萬億元，其中第二產業貢獻4萬多億元。中國現今的第二產業主要領域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工廠，也是大市場。在國際競爭中所以有優勢是中國的勞動力廉價，這個優勢我們能保持多久?我們還注意到與化工有關的產品中，我們的生產效率是國際發達國家的5％，能耗是3倍，環境的破壞是9倍。這就是我們所付出的代價。不論形勢如何嚴峻，21世紀是中華民族振興的機遇期，制造業絕對是一個極其重要的領域，是個急速發展變化的領域。2003年3月國際真空學會執委會在北京舉行，會議上討論了將原來的冶金專委會改名為“表面工程專委會”，當時也考慮了另一個名字“涂層專委會”，我想用涂層材料更合適，含有繼承性和變革性。20世紀70年代曾經說成是塑料年代，此后塑料科技和工業迅速崛起，極大地改變了人類社會。繼而是信息時代，通信網、計算機網、萬維網、智能網，信息流，日新月異地改變著人類的生活和觀念。我們這個時代是高速發展的時代，技術和觀念都在與時俱進地改變著。
本世紀初興起了納米科技，促進其到來的是由于微電子小型化的發展趨勢，推動科技發展進入納米時代[1]，不僅電子學將進入納電子學領域，物理學進入介觀物理領域，各類科技，包括生物醫學等都在探索納米結構與特性。涂層和表面改性越來越多地增加了納米科技的內容，這是一種低維材料的制造和加工科技，將是制造技術的主流，將迅速地改變傳統制造技術的方法、理論和觀念，作為現今國際上的制造大國，世界加工廠，我們更應該注意研究制造技術的發展和未來。
1突破傳統制造技術的觀念
納米科技研究的內容主要是在原子、分子尺度上構造材料和器件，測量表征其結構和特性，探索、發現新現象、新規律和應用領域。與我們熟悉傳統的相比，納米材料和器件具有顯著的維數效應和尺寸效應。近幾年來，在納米材料制造方面做了大量的研究工作，在納米粒子粉材的制造，以及材料結構和特性測量、表征上取得了顯著成果[2～7]。接下來深入到納米線、納米管和納米帶的研究[8～14]，出現了一些成功有效的制造方法，發現了一些驚人的結構和特性。在此基礎上，發展了納米復合材料的研究，展現了非常有希望的應用前景[15～17]。近來人們在納米科技初期成果的基礎上挑戰某些產品的傳統加工技術，比如Al組件的快速加工。
T.B.Sercombe等人報道了快速加工鋁(Al)組件的新方法[18]，這個方法的主要特征是用快速成型技術先形成樹脂鍵合件，然后在氮氣氛中分解其鍵和第二次滲入鋁合金。在熱處理過程中，鋁與氮反應形成氮化鋁骨架，在滲透過程中得到剛體結構。與傳統制造工藝相比，這個過程是簡單的快速的，可以制造任何復雜組件，包括聚合物、陶瓷、金屬。圖1是過程示意和原型樣品，(a)是尼龍巾鑲嵌鋁粒子的SEM像，中心有結構細節的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是為還原氧化鋁，它將不是鑄件中的成分。在尼龍被燒去時，這個結構基本保持不變。(b)是氮化物骨架，圍繞Al粒子的一些環狀結構的光學顯微鏡像，再滲入Al時將形成密實結構。(c)是燒結的氮化鋁和滲鋁組件，小柱的厚為0.5mm其密度和強度都達到了傳統鑄造技術的水平。他們還制作了公斤重量多種結構的樣品。這是一種冶金技術的探索，開辟了一種新的冶金和制造技術途徑。
2納米材料的完美定律
描述材料結構的常用術語是原子結構和電子結構。原子結構的主要參量是晶格常數、鍵長、鍵角；電子結構的主要參量是能帶、量子態、分布函數。對于我們熟悉的宏觀體系，這些參量多是確定的常數，但對于納米體系，多數參量隨著原子數量的改變而變化。這是納米材料和器件的典型特征，它決定了納米材料的多樣性。其中有個重要規律，我們稱之為納米材料的完美定律，用簡單語言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了納米晶粒的魔數規則，即含有13、55、147…等數量原子的原子團是穩定的，對于富勒烯碳60和碳70存在的幾率最大，而對于碳59或碳71等結構體系根本不存在。這就是為什么斯莫利(Smmolley)他們當初能在大量的富勒烯中首先發現碳60和碳70，從而獲得了諾貝爾獎。對于一維納米結構，包括納米管和納米線，存在類似的規則。可以模型上認為是由殼層構成的，每個殼層中更精細的結構稱為股，每一股是一條原子鏈，中心為1股包裹殼層為7股的表示為7-1結構，再外殼層為11股的，表示為11-7-1結構，等等，構成最穩定的結構，這是一維納米結構的魔數規則。對二維納米膜存在類似的缺陷熔化規則，即不容許存在很多缺陷，一旦超過臨界值，缺陷自發產生，完全破壞二維晶態結構。上述這些低維結構特征是完美定律的具體表述，進步普遍表述理論是正在研究中的課題。
完美定律是我們討論涂層材料的出發點，因為納米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造過程中，方法簡單、產額高、成本低是最有競爭力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市場，一定是不計成本的特殊需要，有政治背景或短期的社會需求。因此在我們探索納米材料制造時，首先考慮的應是滿足完美定律的技術，如用甲烷電弧法制備納米金剛石粉技術[1]，電化學沉積法制備金屬納米線陣列技術[19]，以及電爐燒結法制造氧化物納米帶技術[20]等等。
3涂層納米材料將給我們帶來什么?
涂層納米材料是納米科技領域具有代表的材料，或是低維納米材料的有序堆積結構，或者是低維納米材料填充的復合結構。兩者都比傳統材料有驚人的結構和特性。如新型高效光電池[21]、各向異性結構材料[19]、新型面光源材料[22]等，這里舉例介紹基于熱電效應的新型納米熱電變換材料。
熱電效應器件的代表是熱電偶，即利用不同導體接觸的溫差電現象進行溫度測量的器件。基于熱電效應可以制成兩類器件：熱產生電和電產生溫差。前者可以用于制造焦電器件，即用熱直接發電，如將焦電材料涂于內燃機缸表面，利用缸體溫度高于環境幾百度的溫差發電，將余熱變作電能回收。后者可以做成電致冷器件。這類的直接熱電變換器件具有無污染，沒有活動部件，長壽命，高可靠性等優點，但塊體材料制成器件的效率低，限制了它的應用。納米科技興起以后，人們探索利用納米晶或納米線結構能否解決熱電效應的效率問題。認為用量子點超晶格材料有希望顯著提高熱電器件的效率，這是由于納米材料顯著的能級分裂，有利于載流子的共振輸運和降低晶格熱傳導，從而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]報告了量子點超晶格結構的熱-電效應器件，他們制備了PbSeTe／PbTe量子點超晶格(QDSL)結構，用其制造了熱電器件(Thermo-electrics，TE)，圖2(a)是納米超晶格TE致冷器件的結構和電路圖，(b)電流-溫度曲線。將TE超晶格材料，其寬11mm，長5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于熱槽，另一端置于冷槽，為了減小冷槽熱傳導而形成這同結接觸，用一根細金屬線與熱槽連接。當如圖2(a)所示加電流源時，將致冷降溫。對于這種納米線超晶格結構，由于量子限制效應，發生間隔很大的能級分裂，從而得到很高的熱電轉換效率。圖2(b)是TE器件的電流-溫度曲線，實驗點標明為熱與冷端溫差(T)與電流(I)關系，電流坐標表示相應通過器件的電流。■為熱端溫度Th與電流I的關系，其溫度對于流過器件的電流不敏感。為冷端溫度Tc與電流I的關系，其溫度對于電流是敏感的。圖中A是測得的最大溫差，43.7K，B是塊體(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大溫差，30.8K。從圖中可以看出，在較大電流時，冷端溫度趨于飽和。采用這種致冷器件由室溫降至一般冰箱的冷凍溫度是可能的。
電熱效應的逆過程的應用就是焦電器件，即利用熱源與環境的溫差發電。對于內燃機、鍋爐、致冷器高溫熱端等設備的熱壁，涂上超晶格納米結構涂層，利用剩余熱能發電，將是人們利用納米材料和組裝技術研究的重要課題。
類似面致冷、取暖，面光源，面環境監測等涂層功能材料，將給家電產業帶來革命性的影響，將會極大地改變人類的生活方式和觀念。
4含鐵碳納米管薄膜場發射
碳納米管陣列或含碳納米管涂層場發射被廣泛研究，以其為場發射陰極做成了平板顯示器。研究結果表明碳管的前端有較強的場發射能力，因此碳管涂層膜中多數碳管是平放在基底上的，場電子發射能力很差。我們制備了含有鐵(Fe)納米粒子的碳納米管，它的側向有更大的場發射能力，有利于用涂層法制造平板場發射陰極。圖3(a)是含鐵粒子碳納米的TEM像，碳管外形發生顯著改變。(b)是碳管場發射I-V特性曲線，I是CVD生長的豎直排列碳納米管的場發射曲線，II是含鐵粒子碳納米管豎直陣列的場發射曲線，III是含粒子碳納米管躺在基底上的場發射曲線，有最強的場發射能力。根據此結果，將含鐵的碳納米管用作涂層場發射陰極，有利于研制平板顯示器。
5電子強關聯體系和軟凝聚態物質
上面所講到的涂層納米功能材料和器件是當今國際上研究的熱門課題，會很快取得重要成果，甚至有新產品進入市場。當我們在討論這個納米科技中的重要方向時，不能不考慮更深層的理論問題和更長遠的發展前景。這就涉及到物理學的重要理論問題，即電子強關聯體系(electronstrongcorrelationsystem)與軟凝聚態物質(softcondensationmatter)。
在量子力學出現之前，金屬材料電導的來源是個謎，20世紀初量子力學誕生后，解決了金屬導電問題。基于Bloch假設：晶體中原子的外層電子，適應晶格周期調整它們的波長，在整個晶體中傳播；電子-電子間沒有相互作用。這是量子力學的簡化模型，沒有考慮電子間的相互作用，特別是在局域態電子的強相互作用。2003年又有人提出了金屬導電問題，Phillips和他的同事以“難以琢磨的Bose金屬”為題重新討論了金屬導電問題[24]。當計入電子間的相互作用時，可能產生的多體態，超導和巨磁阻就是這種狀態。晶體中的缺陷破壞了完善導體，導致電子局域化。電子與核作用的等效結果表現為電子間的吸引作用，導致電荷載流子為Cooper對。但這個對的形成，不是超導的充分條件。當所有Cooper對都成為單量子態時，才能觀察到超導性。這樣，對于費米子由于包利(Paulii)不相容原則，不可能產生宏觀上的單量子態。Cooper對的旋轉半徑小于通常兩個電子相互作用的空間，成為Bose子。宏觀上呈現單量子態，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化電子范圍內，超導性可能認為是玻色-愛因斯坦凝聚，這個觀點現今被很多人接受。從20世紀初至今，對于基本粒子的量子統計有兩種，一是Fermi統計，遵從Paulii不相容原理，即每個能量量子態上只能容納自旋不同的2個電子，而Bose子則不受這個限制。在凝聚態物質中有兩個基態：即共有化Bose子呈現超導態，局域化Bose子呈現絕緣態。然而，在幾個薄合金膜的實驗中，觀察到金屬相，破壞了超導體和絕緣體之間直接轉換。經分析認為這是玻色金屬態，參與導電的是Bose子。推斷這個金屬相可能是渦流玻璃態，這個現象在銅氧化物超導體中得到了驗證。
軟凝聚態物質研究的對象是原子、分子間不僅存在短程作用力，而且存在長程作用力，表觀上呈現的粘稠物質形態，稱為軟凝聚態。至今，人類對于晶體和原子存在強相互作用的固體已經知道得相當透徹了，但對軟凝聚態的很多科學問題還沒有深入研究，21世紀以來，引起了科學家的極大興趣。軟凝聚態物質包括流體、離子液體、復合流體、液晶、固體電解、離子導體、有機粘稠體、有機柔性材料、有機復合體，以及生物活體功能材料等。這其中的液晶由于在顯示器件上的很大市場需求，是被研究得相當清楚的一種。其他軟凝聚態結構和特性的科學問題和應用前景是目前被關注的研究課題。這其中主要有：微流體閥和泵、納米模板、納米陣列透鏡、有機半導體、有機陶瓷、流體類導體、表面敏感材料、親水疏水表面、有機晶體、生物材料(人造骨和牙齒)、柔性集成器件，以及他們的復合，統稱為分子調控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子結構的多變性和柔性，研究材料的設計、制造、結構和特性的測量、表征，追求特殊功能；理論上探討原子結構的穩定體系，光、電、熱、機械特性，以及載流子及其輸運。關于軟凝聚態物質，有些早已為人類所用，電解液、液晶等，但對其理論研究處于初期階段。科學的發展和應用的需求促進深入的理論研究，判斷體系穩定存在的依據是自由能最小，體系自由能可表示為F=E-TS，其中S是熵。對于軟凝聚態物質體系，S是重要參量。其中更多的缺陷，原子、分子運動的復雜行為，更多的電子強關聯，不再是單粒子統計所能描述，需要研究粒子間存在相互作用的統計理論。多樣性是這個體系的突出特征，因此其理論涉及廣泛、復雜問題。
物理學是探索物態結構與特性的基礎學科，是認識自然和發展科技的基礎，其中以原子間有較強作用的稠密物質體系為主要研究對象的凝聚態物理近些年有了迅速進展，研究范圍不斷擴大，從固體結構、相變、光電磁特性擴展到液晶、復雜流體、聚合物和生物體結構等。幾乎每一二十年就有新物質狀態被發現，促進了人類對自然的認識和對其規律把握能力，推動了科學和技術的發展。21世紀仍有一些老的科學問題需要深入研究，一些新科學問題已提到人們的面前。特別是低維量子限域體系和極端條件下的基本物理問題。20世紀80年代出現的介觀物理，后來發展成為納米科技所涉及的學科領域。與宏觀體系和原子體系相比，低維量子限域體系，還有很多物理問題有待解決，人們熟悉的宏觀體系得到的規則和結論有些不再有效，適用于低維量子限域體系的處理方法和理論需要探索，特別是將涉及到多層次多系統問題的描述和表征，將會有更多的新現象、新效應、新規律被發現。在納米尺度，研究原子、分子組裝、測量、表征，涉及有機材料、無機／有機復合材料和生物材料，這將大大的擴展了物理學研究的范圍和深度。涉及的重大科學前沿問題和重點發展方向有①強關聯和軟凝聚態物質，及其他新奇特性凝聚態物質；②低維量子限域體系的結構和量子特性，包括納米尺度功能材料和器件結構和特性；③粒子物理，描述物質微觀結構和基本相互作用的粒子物理標準模型和有關問題，以及復雜系統物理；④極端條件下的物理問題，探索高能過程、核結構、等離子體、新物理現象和核物質新形態等；⑤生命活動中的物理問題，物理學的基本規律、概念、技術引入生命科學中，研究生物大分子體系特征、DNA、蛋白質結構和功能等，其研究關鍵將在于定量化和系統性，必然是多學科的交叉發展，成為未來科學的重要領域。
6結論
本文討論了納米線涂層的結構和特性，重點是納米線的復合涂層和其電學特性、光電特性。其中包括制造技術新觀念，納米材料的完美定律，納米涂層的熱-電效應，碳納米管的側向場發射，以及電子強關聯體系和軟凝聚態物質，展示了涂層科學與技術的發展前景。
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關鍵詞：大學物理；教學；建議；微積分
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）07-0213-02
大學物理課程是整個物理學的基礎，大學物理包括力學、電磁學、熱學、光學、原子物理學，為以后電動力學、量子力學、量子統計、流體力學、半導體物理學等物理學課程的學習樹立好的物理概念十分重要。大學物理的學習效果直接影響到學生學習物理學的興趣以及未來的知識結構。因此，學好大學物理課程，讓學生從本質上理解大學物理的精髓顯得特別重要。而學好大學物理課程中比較關鍵的一點就是學會在大學物理課程的學習中熟練運用微積分。
一、大學物理教學的弊端
大學物理是物理學專業的一門基礎專業課，學生在學習這門課程時由于一開始講解的內容對從高中上來的學生來說比較熟悉，所以學生會放松警惕，一旦講到運用微積分時，學生反應過來要認真學習時發現學不懂了。自主能力差的學生慢慢就會放棄學習新知識。再加上這門課程相對比較抽象，學生的學習興趣較低。再加上課堂教學法單一，學生被動接受知識的能力較差，就會導致大學物理的教學效果下降，從而降低學習整個從物理學的興趣。
1.課程內容較為抽象。大學物理課程主要介紹了力學、電磁學、光學、熱學、原子物理學等分支的基本原理以及經典思想。涉及的知識面較廣，公式較多，學生較難理解。需要有物理思維，高等數學作為基礎。單靠教師的講解無法滿足學生對知識的要求。學生由于感覺內容抽象，對學學物理課程沒有興趣。
2.教學方式單一。受傳統教學模式的影響，大學物理的教學過程主要采取傳統的教師講解加多媒體課件的教學方式。這種單一的教學方式讓學生讓學生對知識的理解不夠透徹，知識和實踐相脫離，學生對基本知識的學習感到吃力，教學效果不明顯。因此單一的教學方式，使學生對改課程知識的接受程度減小。
二、微積分在大學物理教學課程中的應用
1.微積分。微積分最重要的思想就是用“微元”與“無限逼近”，就是把一個一直在變化的量通過微分分成很小，這樣我們就認為這個很小的量是不變的，然后我們對這個很小的量進行研究，最后把所有的和加起來就是我們要求的那個變量。這就是微積分在各個領域中應用的優點。這種分析連續過程累積的方法已經成為解決問題的基本方法，也是微積分最重要的優點。物理學更是接近于生活，因此微積分也經常應用于物理學當中。
2.微積分在大學物理應用中的舉例。
（2）微積分在做功方面的應用。用微積分的方法解決變力做功的問題。變力作功的問題是熱學和力學中的常見問題。例如，質點在恒力F的作用下，沿直線產生位移r過程中的功A=F*r。但對一般情況，質點沿曲線從a運動到b，且質點運動過程中，作用于質點上力的大小和方向都可能不斷改變，要計算F力對質點所做的功，可將運動曲線分成許多微小的線段dr，計算出F在每一小段上所做的元功，再對整個軌道上所有元功求和。由于dr極小，所以每一小曲段都可看成直線段，而質點所受力可視為恒力。這樣質點所做的功為dA=F*dr變力所做的功就是全部元功的和，寫成積分的形式就是：A=∫F*dr因此通過微積分的方法可以把物理問題中變化的量轉化為不變的量，先求微元再求和的方法，從而求出變力在整個物理過程中做的總功，使看似復雜的問題簡單化。
三、結語
微積分是大學課程的重要的基礎學科之一，并是物理學中解決問題必不可少的工具之一，學習微積分不但要學習它的應用，更重要的是理解它的思想，熟練掌握微積分，在面對物理學的具體問題時采用適當的單元，用微積分進行分割解決，即將復雜的問題簡單分割，逐個擊破，如此在使枯燥的物理學看起來更生動具體的同時，也減輕了學生對于物理學產生的畏難情緒。微積分作為物理解題的關鍵和基礎，其重要性可見一斑，因此熟練掌握微積分，是大學物理課程必要的教學要求，這不僅能夠讓學生掌握大學物理的基本方法，也在無形中降低了物理學的難度，從而很好地提高了學生學學物理的興趣，改善了教學效果。
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關鍵詞： 化學史 中學化學 教學應用
一、問題的提出
近年來，中學化學教學中化學史的應用逐漸被重視，許多高等師范院校開設了化學史課程。對于中學化學教學中需要應用的化學史實，已有研究都以舉例形式呈現，未能系統指出中學化學階段涉及的化學史實。筆者在中學化學課程內容的基礎上，將化學史實分四個部分，下面對化學課程內容涉及的化學史實進行論述。
二、化學學科的形成與奠基者
1.化學學科的形成
人類從用火開始，由野蠻進入文明，開始用化學方法認識和改造物質，人類用火燒制熟食、制作陶瓷、冶煉金屬，逐漸學會釀造、染色等。早在公元前四世紀，我國有陰陽五行學說，認為萬物的構成以金、木、水、火、土為基礎，古希臘人提出的火、風、土、水四元素說，二者是古代樸素的元素觀。公元前兩世紀，煉丹術在古代中國盛行，后來傳入歐洲，演化為煉金術，成為近代化學的雛形。
2.波義耳――把化學確立為科學
化學史學家把1661年作為近代化學的開端，因為這年有本對化學發展產生重大影響的著作問世，這本書是《懷疑派化學家》，它的作者是英國化學家波義耳（1627-1691），波義耳最大的貢獻是給化學元素下了科學定義，他的科學成就還有對空氣性質的研究、燃燒現象本質的研究、酸堿和指示劑的研究，波義耳被譽稱“把化學確立為科學”。
3.拉瓦錫――近代化學之父
拉瓦錫（1743-1794），法國化學家，被稱為“近代化學之父”，拉瓦錫的科學研究方法開創化學發展的新紀元，他了統治化學理論達百年之久的燃素說，建立了以氧為中心的燃燒理論，他提出規范的化學命名法，倡導并改進定量分析方法，驗證了質量守恒定律，撰寫了第一部真正意義的化學教科書《化學基本論述》。
三、原子分子論與元素周期律
1.道爾頓――原子學說
道爾頓（1766-1844），英國化學家，1808年道爾頓提出了原子學說，為近代化學的發展奠定了重要基礎，在提出原子論的同時，確定原子量的測定工作，從而成為化學史上測定原子量的第一人，成為這一領域的拓荒者，引起當時歐洲科學界的廣泛關注，測定各元素的原子量成為當時熱門的課題。
2.阿伏伽德羅――分子學說
阿伏伽德羅（1776-1856），意大利物理學家、化學家，1811年阿伏伽德羅提出分子學說，在之后的50年里分子學說沒有受到科學界的重視，盡管阿伏伽德羅做了再三努力，直到他1856年逝世，分子學說仍然沒有為大多數化學家所承認，為了紀念阿伏伽德羅，把一摩爾某種微粒集體所含微粒數為阿伏伽德羅常數。
3.康尼查羅――原子分子論
康尼查羅（1826-1910），意大利化學家，1860年在德國卡爾斯魯厄的國際化學家會議上，他用充分的論據證實了分子學說的正確性，康尼查羅的工作使原子分子論得以確立，當時因為不承認分子的存在，化合物的原子組成難以確定，原子量的測定和數據呈現一片混亂，原子分子論的確立使原子量測定工作走出困境。
4.貝采尼烏斯――元素符號
貝采尼烏斯（1779-1848），瑞典化學家，對化學的突出貢獻是測定原子量和制定元素符號，他在近二十年的時間里孜孜不倦地從事原子量的測定工作，在化學發展史上寫下光輝的一頁，他首先倡導以元素符號代表各種化學元素，用化學元素的拉丁文名表示元素，這就是一直沿用至今的化學元素符號系統，他的元素符號系統公開發表在1813年由湯姆遜主編的《哲學年鑒》上。
5.戴維――發現元素最多者
戴維（1778-1829），英國化學家，19世紀初，戴維用電解法和熱還原法制得鉀、鈉、鎂、鈣、鍶、鋇、硼和硅，證明了舍勒發現的黃綠色氣體不是所謂的“氧化鹽酸”，而是一種化學元素的單質。他將這種元素命名為Chlorine，中文譯名為氯，使元素的種類增加了九種，是發現元素種類最多的科學家。
6.門捷列夫――元素周期律
門捷列夫（1834-1907），俄國化學家，于1869年發現元素性質隨原子量的遞增呈周期變化的規律――元素周期律，他根據元素周期律編制了第一個元素周期表，把當時已經發現的63種元素全部列入表里，從而初步完成使元素系統化的任務，此時還有許多元素沒有被發現，他在元素周期表里留下空位，對某些未發現元素的性質作了預言，后來他的預言都得到證實。
四、化學重要原理的提出
1.化學熱力學與動力學理論
蓋斯（1802-1850），俄國化學家，熱化學的奠基人，化學反應的反應熱只與反應體系的始態和終態有關，而與反應的途徑無關，即著名的蓋斯定律。吉布斯（1839-1903），美國科學家，他奠定了化學熱力學的基礎，提出了吉布斯自由能。范特霍夫（1852-1911），荷蘭化學家，在化學反應速度、化學平衡和滲透壓方面取得了驕人的研究成果，1901年第一個諾貝爾化學獎授予范特霍夫。勒夏特列（1850-1936），法國化學家，1888年他提出了化學平衡移動原理（勒夏特列原理）。哈伯（1868-1934），德國化學家，發明了合成氨的方法，1918年獲諾貝爾化學獎。
2.化學酸堿理論
波義耳提出了最初的酸堿理論：能使石蕊試液變紅的物質是酸，能使石蕊試液變藍的物質是堿。阿倫尼烏斯（1859-1927），瑞典科學家，電離理論的創立者，1887年提出了酸堿電離理論（阿倫尼烏斯酸堿理論）：凡在水溶液中電離出的陽離子全部都是H+的物質是酸，電離出的陰離子全部都是OH-的物質是堿，他還研究溫度對化學反應速度的影響，得出著名的阿倫尼烏斯公式，提出活化分子理論和鹽的水解理論等，獲得1903年諾貝爾化學獎。
3.有機化學理論
維勒（1800-1882），德國化學家，1828年他因人工合成了尿素，打破了有機化合物的生命力學說而聞名，使有機化學得到了迅猛發展。李比希（1803-1873），德國化學家，被稱為“有機化學之父”，他發明和改進了有機分析的方法，準確地分析了大量有機化合物，提出了化合物基團的概念及多元酸的理論。凱庫勒（1829-1896），德國化學家，有機結構理論的奠基人，1857年提出碳原子四價和碳原子間相互成鏈理論，1890年提出苯分子的結構式，推動了有機化學的發展。
五、化學微觀世界的探究
1.原子結構理論
在道爾頓的原子學說基礎上，展開了原子結構的研究。湯姆遜（1856-1940），英國物理學家，1903年他在發現電子的基礎上提出了原子結構的葡萄干布丁模型。盧瑟福（1871-1937），英國物理學家，他根據α粒子散射實驗提出了原子結構的核式模型。波爾（1885-1962），丹麥物理學家，于1913年建立起核外電子分層排布的原子結構模型。20世紀20年代建立的量子力學理論，使人們對于原子結構的認識更深刻，從而有了原子結構的量子力學模型。
2.分子間作用力與化學鍵理論
范德華（1837-1923），荷蘭物理學家，范德華首先研究了分子間作用力，分子間作用力又稱范德華力。科塞爾（1888-1956），美國化學家，1916年提出離子鍵理論。路易斯（1875-1946），美國化學家，提出共價鍵理論。鮑林（1901-1994），美國化學家，他提出共價半徑、離子半徑、電負性、雜化軌道等概念和理論，他撰寫的《化學鍵的本質》被認為是化學史上最重要的著作之一，1954年因在化學鍵方面的工作取得諾貝爾化學獎。
六、結語
上述是中學化學課程內容涉及化學史實的系統總結，由于理論水平和篇幅限制，難免有所遺漏并且未能展開論述。化學史實應用在化學教學中具有極大價值，有利于中學化學和大學化學教學的銜接，對化學課程標準和教科書的編寫有啟示意義，從學生角度而言，可以激發學生的學習興趣和探究欲望，使其了解化學學科發展的大致歷程，加深學生對科學本質的理解。在實際化學教學中，要依據課程內容要求和學生的認知水平，把握好化學史實涉及知識理論的深度和難度，合理應用化學史進行化學教學。
參考文獻：
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[3]邱道驥.化學哲學概論[M].南京：南京師范大學出版社，2007.
1.信息是哲學層次上的抽象
信息論的主要創始人，美國數學家克芬特?仙農在研究信號、消息和信息的相互關系時指出：信號是信息的物理表達層；消息是信息的數學表達層；信息則是更高層次哲學上的抽象，是信號與消息的更高表達層次。這是一個非常精辟的論述。可惜，現在我們很多人在很多情況下都把消息和信息混淆在一起。包括仙農先生本人給信息一詞下的定義：“信息就是不確定性的消除量”，也并不是從哲學層次上提出來的。混淆信息和消息的背后是我們對哲學和數學的認知出現了差錯。我們要找出這些差錯，還要對整個事件發生的來龍去脈詳加分析。信息論、控制論和系統倫這三個密切相關又自成體系的理論為什么會在短短的三、五年內同時出現？它們產生的歷史背景是什么？恐怕還得從一百年前相對論和量子力學的出現開始談起。
A.哲學百年滄桑
我在上一章“時間和空間”中講到：現代哲學一直停留在19世紀的水平上沒有多大的進展，表現出了明顯的衰落。造成這一狀況的原因是：自從20世紀初相對論和量子力學先后問世，人們對客觀世界的認識就進入到一個新的層次，而哲學家的步伐卻一直跟不上來。辯證法只能解讀“牛頓三定律”層次的東西，而科學家們急需要有一種新的思想方法來解讀相對論和量子力學。在這樣的歷史背景下，一些科學家在從事自己所在專業的研究過程中，逐漸觸及到一個新的哲學體系――系統觀察法。這是一個超出辯證法而又不脫離辯證法的思想體系，就像相對論既超出又不脫離牛頓三定律一樣。由于大家所處的具體專業不同，每一個人都僅僅接觸到這個思想體系的一部份，于是信息論、控制論和系統論紛紛出籠。這三個科學理論實際上就是不同專業的科學家從不同的角度對同一個哲學思想體系的表述。可惜的是已經半個世紀過去了一直沒有人能把三者融會貫通地結合起來，提煉出一個完整的哲學思想體系，形成一個完整的宇宙觀。
為什么會這樣呢？經過了二、三百年的發展，現代科學已經在西方文化的基礎上形成了一個相對完整的思想體系。在思維方式上它以微觀分析思維為主導思維方式，拒絕承認宏觀綜合思維的主導作用；在思想方法上它僅僅認識到矛盾雙方的辯證關系，對矛盾雙方生存的共同基礎認識不足，對多頭矛盾共同作用缺乏認識；在宇宙觀上它固守“牛頓三定律――廣義相對論”的宇宙觀，對量子力學的宇宙觀視而不見。只把量子力學當作奴隸來使用，而拒絕承認它的宇宙觀，真可謂是天大的冤枉。在這樣一個具有明顯缺陷的思想體系主導下，我們的科學家即便是在自己的實踐活動中已經認識到了更高層次的思想方法，也是僅僅局限于一般性應用，不能從宇宙觀的高度把一個完整的哲學思想體系建立起來。
如此說來，目前信息論、控制論和系統論都還是一種處在原生狀態的哲學。它們剛剛從社會實踐中走出來，還需要有一個錘煉和升華的過程，最后才能形成一個更高層次的哲學思想體系。一個全新的思想方法背后必然有一個全新的宇宙觀。盡管目前人們在強大的思維慣性作用下僅僅把新的思想方法當作工具在廣泛使用，而拒絕承認它的宇宙觀，但是它入主哲學殿堂的步伐是誰也阻擋不了的。當唯物辯證法升級為系統觀察法的時候，唯物主義宇宙觀也自然會提升為一個系統性的宇宙觀。總之，哲學在20世紀發生了一場跨越式的發展，很多哲學家被拋棄在了19世紀，這是不容否認的歷史事實。
信息論、控制論和系統論它們究竟屬于哪一個學科？為什么我們不能講“信息學、控制學和系統學”？我們為什么仍然稱克芬特?仙農和諾伯特?維納是數學家，難道他們在信息論和控制論方面的貢獻比不上在數學方面的貢獻嗎？我心頭多年的疑惑總算是有了一個說法。“名不正則言不順”，現在到了給信息論正名的時候了。信息論就是20世紀最偉大的哲學論著；它的作者就是20世紀最偉大的哲學家。我們不這樣給他們定位，我們就不可能真正理解什么是“信息”；也不能真正理解什么是哲學。
我在前面“第三章時間和空間”中曾經說：“20世紀沒有嚴格意義上的哲學家”，現在看來也需要稍作修正。應該說：信息論、控制論和系統論的幾位創始人真真正正是20世紀的哲學家。雖然連他們自己都沒有意識到他們觸及到的是一個高層次的哲學體系，這并不影響他們成為新的哲學體系的發現者和實踐者。這也正顯示出哲學的奧妙所在。從歷史上看，真真正正坐在那里大篇大篇地寫哲學專著的人，往往并不一定是真正意義上的哲學家。
聯想信息論、控制論和系統論在當今社會中的顯赫地位，豈不正好是哲學理應所處的位置嗎？20世紀衰落的并不是哲學，而是我們這些職業的哲學人。歷史給我們哲學家們開了一個不大不小的玩笑，恍然大悟之后還真有點讓人羞愧難當。“往者不可諫，來者猶可追。”尊敬的哲學家們，讓我們把19世紀的一些哲學命題權當是寶貴的文物暫且擱置起來吧，什么物質和精神呀，唯物和唯心呀，都暫且不要考慮，趕快投身到建設新的哲學體系的宏偉工程中來吧！現在，信息論、控制論和系統論已經滲透到了全社會的各行各業和所有的科學領域，我們再將它們貫通起來整合成一個完整的哲學思想體系，那還不把整個人類社會都折騰到天堂上去？
B.哲學源于實踐
我們從信息論、控制論和系統論的產生到它們向全社會各個研究領域全面滲透的過程中看到了什么？看到的是：一個新的哲學體系從實踐中產生又返過來指導實踐的過程。
廣義相對論和量子力學把人類對客觀世界的認識帶入了一個新的層次；在這個新的層次里面產生了新的認識方法；新的認識方法背后隱藏一個新的宇宙觀。所以，要想在新的世紀里面當一位新的哲學家，首先必須認真理解廣義相對論和量子力學，特別是要學會系統地理解它們的時空觀，然后再學習在這兩個基礎理論之上已經形成的信息論、控制論和系統論。最后才有資格展開你的哲學思維。哲學源于實踐，你不進入到這樣的物質層次就不可能產生相應的哲學思考。
當我們學習了信息論、控制論和系統論再去學習中國哲學的時候，我們會發現它們兩者之間竟然能非常容易地溝通起來。這是為什么呢？我們把上面的道理返過來想一想就會明白，原來它們的思維都深入到了同一個物質層次。現代人是由廣義相對論和量子力學把思維引入到這個物質層次里面來的，那么中國古代哲人是如何把自己的思維深入到這個層次里面來的呢？沒有別的方法，只有練功“入靜”，讓大腦進入“莊子”所說的那種“坐忘”狀態，從而感觸到一個更深入的物質世界。練功就是中國古代哲人非常重要的一種實踐活動。
研究哲學需要有很深入的社會實踐體驗。一個現代的哲學家，你如果想研究中國哲學就必須要學會“入靜”。你感觸不到意境中的那個物質世界，你就不能理解中國哲學的精髓所在。同樣，你要是想當一個21世紀的哲學家，就必須跟隨廣義相對論和量子力學進入到一個更深入的物質世界，特別是要弄清楚它們的時空觀。這是最基本的入門條件，你如果作不到這一點就只能停留在19世紀，做一個19世紀西方哲學的守護神。因為19世紀以前的西方哲學對客觀世界的認識只局限在四維時空的顯物質世界。
C.信息和意識
“信息”實際上就是哲學家通常所說的“意識”，是更高理論層次上的意識。信息較意識有著更廣泛、更深入、更充實、更具體、更實用的內涵。從意識到信息，標志著人類對客觀世界的認識深入到一個新的物質層次，也是哲學在20世紀發生的一次跳躍式的發展。
20世紀初，廣義相對論把一個由時空張力廣泛聯系的宇宙介紹給我們；量子力學把一個不確定的混沌宇宙介紹給我們；而在此之前，人們只有一個由萬有引力廣泛聯系的宇宙。人類對客觀世界的認識由此深入到了一個新的層次。人與外界的交換越來越頻繁、越來越復雜。人與人之間的意識交流出現了越來越多的轉換形式。原來人與人之間是通過語言來直接進行意識交流的，語言是意識的表現形式；語言是現實的意識。電話的出現，使電信號也成了意識的表現形式和現實的意識。到了信息論我們就把電信號改稱為信息的表現形式和現實的信息，意識就是這樣很簡單地轉稱為信息進入一個更高層次的哲學體系。現在人們往往不能十分清晰地界定信號、消息和信息之間的關系，我們只要把這三者的關系稍微理順一下就很容易明白：信息就是原來的哲學體系中的意識。原來我們把語言看作是現實的意識、把一本書看作是固化的意識；現在我們把語言看作是信息在物理層次上的表達、把一本書看作是儲存起來的信息。
信息一點也不否定原來的意識，只是在原來意識一詞的含義上加入了一些新的內容。新的內容主要是從兩個方面加入的。一個方面就是上面剛講過的，原來的哲學僅僅把語言看成是意識的表現形式和現實的意識，而信息論則把信號看成是“意識”的物理表現形式，把消息看成是“意識”的數學表現形式。很明顯是根據時展的需要把意識的表達形式更進一步細化了。
另一方面加入的內容就不太容易理解了。我們對客觀世界的認識不斷深入，“物質”一詞的內涵不斷向“意識”方向擴展，到了暗物質、暗能量，物質和意識實際上已經完全合二為一了。按說依照辯證法并不應該難以理解，矛盾雙方在一定條件下的相互轉化呀！可是我們的哲學家就是拒絕承認。歷史要發展，科學要前進，“信息”一詞也就應運而生了。它不僅保留了“意識”一詞原來的內涵：“意識是物質的產物”，它更告訴我們：“在物質世界的一定深度，意識就是物質”。也就是說，信息一詞不僅包涵了主觀的意識還增加了客觀的意識。信息論要討論主觀信息和客觀信息的問題，這在原來的哲學體系中是拒絕討論這個問題的。
總之，信息就是系統化、層次化、客觀化的意識。在這里一下子還講不明白，到下面“主觀信息和客觀信息”一節再作詳談。
D.信息和消息
信息和消息的關系非常復雜，因為它涉及到哲學和數學的關系。研究它們之間的關系使我想起了中國哲學一句名言：“道可道，非常道”。就是說：用語言可以表達清楚的道理，都不是自然界最根本的、永恒不變的道理。我們給“信息”一詞下了幾十上百個定義，沒有一個十分妥貼讓人滿意的。就是因為“信息”與中國哲學的“道”進入了大致相同的哲學層次。用語言（包括數學語言）都不可能完全表達清楚它的內涵。
能夠用語言表達清楚的“道理”比“道”低一個層次，但是當我們所要認識的客觀事物本身就處在物質世界比較淺顯的層次的時候，“道理”和“道”就完全一致了，在這種情況下我們完全可以把道理看作是“道”。同樣，信息和消息的也是這樣。信息一詞具有較深層次的哲學內涵，是不可能用語言（包括數學語言）完全表達清楚的。用語言（包括數學語言）能夠完全解釋清楚的應該是消息。但是，當信息所在的系統處在客觀世界比較淺顯的層次時，信息和消息是完全等同的，在這樣的情況下我們把信息和消息混淆在一起也不為錯。只是我們必須清楚二者在什么情況下是相同的，可以相互通稱；在什么情況下二者是截然不同的不能相互通稱。
信息是哲學層次上的抽象。如何抽象才是哲學層次上的抽象呢？我對克芬特?仙農先生的論述是這樣理解的：對客觀事物的物理特征進行抽象，包括三維大小尺度、顏色、溫度、頻率、速度、強度等等，可以獲得信息的最低級表達層次---信號；對信號進行數字化處理，運用數學語言進行邏輯推理、綜合、分析，可以獲得信息的較低級表達層次―-消息；哲學層次上的抽象在以前的哲學中主要是指運用辯證法對客觀事物進行多方位的抽象，而到了信息論這里已經上升為運用系統觀察法對客觀事物進行多時空的系統的抽象了。學習過系統論的人都知道，系統可以賦予我們一種洞察力，讓我們能認識到其他方法觀察不到的一些客觀現象，而信息一詞的內涵恰恰就包括了這樣一些新的內容。
消息是信息的數學表達層，或者說是語言表達層。由于四維時空的“數理屏障”作用，消息只能存在于四維時空之內，而信息一詞是不受時空屏障制約的。在四維時空之外只有客觀信息存在，沒有消息和信號存在；在四維時空之內既有客觀信息存在還有主觀信息存在。消息與主觀信息是完全相通的，可以通稱；消息與四維時空內的客觀信息就不在同一個層次，是不可以通稱的。詳細解釋還是放到下面“主觀信息和客觀信息”一節來講。
2.信息是我們與外界交換內容的名稱
信息論與控制論的創始人之一，美國著名數學家諾伯特?維納認為:“信息就是我們在適應外部世界和控制外部世界的過程中，同外部世界進行交換的內容的名稱。”這一句話講的很有內涵，值得我們仔細探究。首先它告訴我們：信息存在于我們同外界進行交換的過程中，我們不與外界進行交換的時候信息就不存在。在沒有我們存在的客觀世界中本來是沒有信息存在的，“信息”的主觀屬性赫然若揭。
“交換內容的名稱”這7個字也值得我們細心玩昧，信息不就是我們對交換內容的一個稱呼嘛？這使我想起中國古人的一句名言：“名可名，非常名”。說的是我們對周圍事物的任何稱呼都不是一成不變的，隨著時間和空間的變化，我們對周圍事物的稱呼一直都在不斷地發生著變化。一般情況下，我們都是給相對穩定的事物起一個名字，對于變化快的、比較復雜的事物我們沒有必要給它起名字，或者不方便起名字，這時候就需要有一個統稱，信息就是我們在這個時候使用的一個統稱。所以，不管是已經有名稱的客觀事物，還是沒有名稱的客觀事物我們都可以把它們的基本屬性和存在方式看作是一個信息。當然這樣的信息在未被我們的大腦意識到之前只能算是一個消息或一個信號。
我們在適應外部世界和控制外部世界的過程中，同外部世界在不斷地進行著物資和能量的交換。對于交換的內容有時我們有具體的名稱，我們既可以直呼其名，也可以稱之為“信息”；如果沒有具體的名稱，我們就直接稱之為“信息”。在此，我想模仿我的祖人“莊子”說一句粗話，還望大家見諒。“什么都是信息，信息也什么都不是。信息是個‘屁’”。消化道中的臟氣從排出，它的響聲和氣味開始擴散、稀釋，一直到人的感覺器官不能感覺到為止，我們把這一時間段的臟氣稱之為：屁。通常我們說：甲某放了一個屁把乙某給嗆跑了。如果我們用信息化的思維方式來說這句話，就是：甲某釋放出一個信息，乙某接受到這一信息后迅速離開了。這個簡單的例子告訴我們：信息論就是一個方法論，它告訴我們如何用信息化的思維方式去認識復雜的客觀世界。
一個外科醫生可以從患者的放屁聲中獲得手術成功的信息。因為“屁”是患者消化道的產物，它攜帶著患者消化系統的信息，它攜帶的信息量與它所在系統的復雜度密切相關。屁聲在沒有轉輸到醫生的大腦之前只是一個客觀信號，被醫生的意識系統接受之后才成為信息，這時它的信息量與醫生大腦意識系統的復雜程度密切相關，一個經驗豐富的醫生可以獲得更多的信息量。從這個簡單的例子我們可以看到：任何信息都是系統中的信息，脫離開系統無所謂信息。所以要認識一個信息，首先要了解它所在的系統。
總之，信息論是一種方法論,是我們認識復雜問題的一種思想方法.當我們不使用這一種思維方法的時候,信息是不存在的.客觀世界中只存在著物質,不存在信息.當我們開始運用這一種思想方法的時候,我們可以把任何物質稱之為信息,包括我們已經認識到的物質和我們還沒有認識到的物質;信息就是我們的大腦對物質的一種意識方法.信息化的認識方法和信息化的思維方式是系統思維的主要內容之一,任何信息都是一定系統中的信息，脫離開系統就沒有信息。我們必須把信息論、控制論和系統論結合起來一塊研究，形成一個完整的系統觀察法。
3.主觀信息和客觀信息
作為一個唯物論者，我不認為信息[意識]是一種客觀存在。但是我是一個中國式的唯物論者，承認有客觀信息[意識]存在。走出四維時空物質就是意識，意識也就是物質。對于中國哲學，言重一點的人稱它為：“客觀唯心”，平和一點的人稱它是“樸素的唯物主義”。以前我知道他們說的都不對，可是不知道如何來反駁，現在當我學習了信息論、控制論和系統論以后，我明白了，原來中國哲學中的唯物主義應該叫做：“系統辯證唯物主義”。中國哲學的“天人合一”思想就是透過人體這個小系統去認識宇宙這個大系統。系統辯證唯物主義對客觀世界的認識比辯證唯物主義更深入一個層次，是辯證唯物主義的升級版。辯證唯物主義僅僅是系統辯證唯物主義的一個重要組成部分。
我是馬克思和恩格斯的崇拜者，我崇尚馬克思充滿睿智的頭腦；我佩服恩格斯思路的敏捷，我對他們的辯證唯物主義從未有過懷疑。但是，我是一個中國人，我更信奉中國哲學；我還是一個現代人，我更喜歡學習現代科學理論。我曾經在它們三者之間徘徊，不知所措。現在好了系統辯證唯物主義把它們非常科學地協調起來了。中國哲學、辯證唯物主義和信息論、控制論、系統論原本都是一體的，出現矛盾是我們對客觀世界的認識還不夠深入。
信息論、控制論、系統論三論歸一是現代科學理論研究的一大趨勢，系統論是前兩論的基礎也已經基本明確，只是這三歸一該如何一個歸法？多年來一直沒有一個明確的說法。我的方法就是首先給它們區分主觀、客觀屬性，就是把主觀系統和客觀系統，主觀控制和客觀控制，主觀信息和客觀信息一一區分開來。
A.主觀系統和客觀系統
系統就是一種整體觀念。當我們用整體的觀念去認識宇宙的時候，我們就把宇宙在主觀上設定為一個系統；當我們把一個國家在主觀上設定為一個系統的時候，也就是在用整體的觀念研究這個國家。系統論就是一個整體方法論。可是不知大家是否想過，你只要用整體的觀念去認識客觀事物就必然會落入中國哲學的套路，因為在運用整體觀念上目前還沒有誰能比得上中國哲學。
我們說：“系統論是具有邏輯和數學性質的一門新興的科學”，并常常以它具有邏輯和數學性質來證明它的科學性。其實我們錯了，正是邏輯和數學的局限性制約了系統論的整體性，致使自然界中廣泛存在的另一大類系統不能被納入系統論研究。這另一大類系統就是德國科學家艾根在他的超循環理論中描述的“循環生成和循環制約系統”；也就是中國哲學中的“五行生克系統”。現代的超循環理論和古代的五行生克循環，他們研究的是同一類自然現象。
這兩大類系統就像是一對孿生兄弟緊密聯系，相互影響，相互制約共同維護著客觀事物的平衡發展。也就是說：任何一個客觀事物的歷史發展過程都是這兩類系統相互影響，相互制約，相互依存共同發展的過程，像物質世界的膨脹運動和旋轉運動、生物界的遺傳和變異、人類社會中的民主和集中等等。可惜的是這兩類系統中有一類系統是不能用邏輯和數學來表達的，現在的系統論只研究具有邏輯和數學性質的系統也是出于無奈。
對系統論的深入研究，讓我們認識到：系統起源于混沌，而最終也結束于混沌，系統的邊緣地帶也都是混沌的，系統處在混沌的包圍之中。那么系統究竟是如何起源于混沌的呢？
我們知道混沌是物質的徹底的自由運動狀態。自由運動導致部分物質和能量聚積起來，大聚積引發大爆炸、大膨脹。就是這種膨脹運動勢力在自由運動的混沌之中支撐起了系統；反過來說，系統是膨脹運動勢力把物質組織起來形成的。所以系統都具有方向性[時間性]和擴張性。但是，在膨脹運動勢力支撐起來的系統之中自由運動勢力并沒有被消滅，原來表現為混沌狀態的自由運動的物質在膨脹運動勢力的沖壓下轉變成了旋轉運動，旋轉運動進一步演化出循環運動。循環運動讓物質在自由運動的原則下組織起來形成另外一種系統。這樣在一個相對獨立、完整的系統內部就出現了兩種組織形式的系統，按照膨脹運動組織原則形成的系統我們稱之為“主觀系統”；按照自由運動組織原則形成的系統我們稱之為“客觀系統”。所有自然形成的系統都是主觀和客觀兩種系統交織在一起形成的。
很明顯，現在的系統論研究的主要是主觀系統。雖然德國科學家艾根在研究生物系統進化過程時發現了循環系統，也認識到了循環系統在自然界中存在的廣泛性，但是幾十年過去了，人們一直沒有把這兩類系統并列到一起來研究。造成這一現象發生的原因大概有如下三個方面：首先是人們的基本觀念問題。現代社會的主流文化是以分析思維占主導地位的西方文化。人們剛剛開始運用像信息論、系統論這樣的整體思想方法去認識客觀事物，還不能完全擺脫分析思維慣性的制約。客觀系統中各要素之間的復雜關系超出了辯證邏輯的認識范圍，數學語言也無能為力，導致科學在客觀系統面前駐足不前。科研對象的局限性也制約了系統整體思維的全面發展。現在科學家們研究的系統大多還是以人工系統為主，而人工系統工程都是主觀系統。在大自然中客觀控制系統主要表現為旋轉運動，如原子的旋轉、太陽系的旋轉，我們目前還不知道它們為什么要旋轉；在四維時空之外它表現為暗物質和暗能量，而我們對暗物質也還知之甚少。
在生物界和社會組織中，客觀系統雖然容易被我們認識到，由于物理學家認識不到，數學家又解讀不了，這種客觀系統也只能被排斥在主流文化之外。如果再沒有哲學來揭開其中的奧妙，長此以往后果很嚴重，整個人類社會的發展都會受到很大影響。
通過對系統論的研究，我們認識到：系統來源于混沌。由于系統論研究的主要是主觀系統，而混沌本身就是一種客觀控制系統，所以應該說：主觀系統產生于客觀系統之中。而隨著系統的發展，主觀系統中又出現客觀系統；客觀系統中又產生主觀系統。從宇宙大爆炸到生命的產生，再到人類社會的出現，再到人類社會的發展和完善，系統就是這樣由客觀中產生主觀，再由主觀中出現客觀，主觀系統與客觀系統交替促進，協調發展。
總之，系統就是一種整體觀念。任何一個完整的系統或者說自然形成的系統都是主觀和客觀兩類系統交織在一起形成的。主觀系統是按照膨脹運動的組織原則組織起來的，因而它具有方向性和擴張性；客觀系統是按照自由運動的組織原則組織起來的，因而它具有不確定性。主觀系統內部各要素之間有級差關系，這是由系統的方向性所決定的控制與被控制關系；而客觀系統內部各要素之間都是相互平等的，這是物質的自由運動原則所決定的相互制約，相互協同關系。現代系統論研究的僅僅是主觀系統，這是因為數學語言解讀不了客觀系統。要想建立一個完整的系統理論就必須站在哲學的高度把主觀系統和客觀系統結合起來一塊研究。
B.主觀控制和客觀控制
在現宇宙中，任何客觀事物都是在膨脹運動和自由運動兩種勢力的相互抗衡中發展起來的。當我們把某一相對獨立、完整的客觀事物看作是一個系統來進行研究的時候，就把膨脹運動勢力對系統的影響作用稱之為：“主觀控制”；自由運動勢力對系統的影響作用稱之為：“客觀控制”。實際上，主觀控制和客觀控制是相互依存、密不可分的，任何一個獨立、完整的系統內部都同時存在著主觀和客觀兩種控制形式。比如：議會對國家的控制就是一種客觀控制，而政府對國家的控制就是一種主觀控制；董事會對企業的控制屬于客觀控制，而總經理對企業的控制就屬于主觀控制。
主觀控制是膨脹運動勢力對客觀事物的影響過程。它具有種種膨脹運動的基本特性，如：擴張性、時序性和方向性等。指令和反饋是主觀控制的最基本形式，而促進客觀事物不斷向前發展是主觀控制的目的。
客觀控制是自由運動勢力對客觀事物的影響過程。系統內部各要素之間自由平等、有序競爭是其基本特性。在這里，“有序”是圍繞主觀控制的方向和目的形成的有序，是主觀控制的結果。循環相生、循環相克是客觀控制的基本形式，而維持系統平衡是客觀控制的目的。
現代系統論主要是研究主觀系統；同樣，現代控制論研究的也主要是主觀控制。這是人類對客觀世界認識的階段性造成的，隨著人們對客觀世界認識的不斷深入，將逐漸認識客觀控制，這是一種不容易用邏輯思維和數學語言解讀的控制形式。
C.主觀載體信息和客觀本體信息
任何信息都是系統中的信息，沒有系統無所謂信息。在主觀系統中運行的是主觀信息；在客觀系統中運行的是客觀信息。主觀信息和客觀信息在結構形式上是截然不同的。主觀信息只能依附于相應的載體而存在，故稱之為：主觀載體信息；客觀信息就是一種客觀自在的物質，故稱之為：客觀本體信息。
現代信息論主要講的是主觀信息，客觀信息這一概念缺失，主觀信息和客觀信息混淆不清，導致“信息”一詞的概念一直不能確定。比如：現代科學家經常說：“信息被吸入黑洞、黑洞釋放出信息”等等，在這里信息就是物質，物質就是信息，這就是客觀本體信息。由于不明白主觀信息和客觀信息之間的關系，一些人在論壇上大聲疾呼：“某某科學家在宣揚唯心主義，唯心主義必敗”等過激言辭。實際上科學家沒有錯，錯誤的是我們，我們對系統科學理論的認識不夠深刻；我們對客觀物質世界的認識還停留在比較膚淺的一個層次。研究21世紀的哲學必須在深入理解廣義相對論和量子力學之后。
我們的大腦就是客觀世界中自然生成的一個信息處理器。主觀信息就是大腦把物質的存在狀態和基本屬性抽象出來，以一定的物理符號[信號]、記錄、儲存起來。大腦抽象的過程既是主觀信息形成的過程，也是主觀意識形成的過程，在這里主觀信息等于主觀意識。當我們非常客觀地把大腦當作一個信息處理器來認識思維過程時，我們的思路似乎突然開闊起來，原來意識的實質就是物質的存在狀態和基本屬性。原本物質和物質的存在狀態、物質的屬性是不可分離的，是大腦把物質的存在狀態和屬性抽象出來與本體相分離。
在四維時空之外，宇宙大爆炸之前，物質處于自由運動的混沌狀態，物質就是信息――客觀信息；物質就是意識――客觀意識。物質處于混沌狀態，物質和物質的基本屬性無可分離，就不存在主觀信息和主觀意識。
物質進入四維時空，進入了多層次的旋轉運動狀態，有了相對穩定的形體，可以被大腦所意識。物質的存在特征和基本屬性被大腦抽象出來就形成了主觀信息和主觀意識。
進入四維時空的物質，在膨脹運動勢力和自由運動勢力的雙重作用下，運動形式不斷提高。生命運動的產生，社會運動的出現，主觀控制和客觀控制的表現形式也不斷提高，客觀信息的表現形式相應發生了一定的變化。比如：在人類社會中，議會對國家的控制屬于客觀控制，議會選舉過程中每一張選票都是一個客觀信息，都代表一定的社會勢力。選票作為一個載體與社會勢力之間是一個代表關系，是一個設定關系。選票不是抽象出來的，是設定出來的。所以說，在比較高級的客觀控制系統中，客觀信息可以和客觀事物本身相分離，但是，這種分離不是抽象出來的和主觀載體信息有著明顯的區別。
舉例說明一下：前幾年長虹集團在電視機市場上掀起一場降價風波。長虹集團老總的一紙電文，長虹彩電在全國范圍內全面降價。這一紙電文就是一個主觀載體信息。這一降價行為作用于電視機市場引起各個品牌的電視機紛紛降價。這一降價行為就是一個客觀本體信息。
4.小結
20世紀初相對論和量子力學先后問世，人們對客觀世界的認識進入到一個新的物理層次。更開闊的視野，引發人們更深入的思考。到了20世紀四、五十年代，新的思想方法開始不斷涌現，信息論，控制論和系統論幾乎是同時出現。這些新的思想方法背后是一個新的宇宙觀、一個新的哲學思想體系。新、舊思想體系之間不是相互否定、不是相互對立，而是一種新的拓展。這也決定了新、老宇宙觀之間不是直接的對抗，就像相對論與牛頓三定律之間的關系一樣，是一種承接、發展關系。辯證唯物主義就是這樣發展成為系統的辯證唯物主義。
我們現在都沒有把信息論、控制論和系統論當作一個新的哲學體系來看待，這是因為客觀世界中同時存在著兩大類系統，而現代系統論只研究其中占主導地位的一類系統，對另一類系統視而不見。巨大的認識缺陷，不認真仔細地潛心思辨，還真的不容易發現。我們把客觀系統、客觀信息和客觀控制提出來，把主、客觀系統之間的相互關系辨析清楚，一個嶄新的哲學體系就顯現在我們的面前。
