发布时间：2023-09-22 15:33:04
序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了8篇的量子力学应用举例样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。
近年来生命科学的飞速发展过程中最显著的特点就是其研究空间的扩大化,它不仅在宏观方面研究各个生物体内的器官以及组织结构联系;自然界个体与群体、群体之间及其与外在环境间的内在联系;生态系统及其内部物质循环、能量交换。同时由于生物体存在物质层次性,各个生物大分子中又包含着碳、氢、氧等各种各样的原子,甚至原子内又存在电子、质子和中子等物质。因此分子生物学研究应运而生,现代生物科学日趋向微观世界进军,并出现了一门新的电子生物学学科。由此可知,随着生物科学理论与其相关实验的多方面结合,诸多生命物质疑团将在微观分子研究中得到合理解释,人类对生命的认识将进一步深化,其控制和改造生物的能力也将显著提高。
2多学科相互渗透
生物科学的另一个特点在于其与数学、力学、化学、物理学、天文学、地质学以及工程技术等多学科之间的联系日益密切,彼此之间相互渗透,互为一体,这种渗透与反渗透作用便推动了现代生命科学的重大发展。举例来说,力学、化学以及物理学对生物科学的渗透作用产生的结果便是在此基础上形成了一系列有重大影响作用的边缘学科,例如生物力学、生物化学以及生物物理学,由此开创了现代生命科学的研究新方向。同时生物科学对力学、化学以及物理学的反渗透作用产生的结果便是新形成类似化学仿生学以及物理仿生学等新兴学科。随着信息时代的到来,量子力学、信息论以及控制论等新兴学科有了飞速的发展,再其强大的影响力下电子生物学、生物信息论以及生物控制论等边缘学科也得到了更多学者的关注与研究。现代生命科学与多领域、多学科之间相互渗透的新特点促使人们学习更多的知识来充实自己,不断汲取多方面知识扩大视野显得尤为重要,那种只局限于研究自己专业领域的科技人才将逐渐被社会所淘汰,隔行如隔山的状况将不再适应于社会发展。
3实验手段更先进
随着人们探索空间与认识领域的不断深化,理论研究与实际应用也结合的越来越紧密,实验手段日趋先进与现代化,这是生物科学现代化发展的又一个重要特点,更是其不断进步的必要条件与重要标志。换句话说,生命科学只有依赖于实验技术与手段的不断更新才能有飞速的突破与长远的进步,科学实验的技术水平与方法手段决定着生命科学的发展高度。假如现代生命科学缺乏先进的现代化实验仪器,那么其发展进程将受到停滞,甚至一事无成。由此看来,不断汲取新方法,创新新技术,完成生物科学实验手段的现代化任务显得尤为重要。在生命科学领域,尤其是应用化学、应用物理学方面的新技术、新方法创新,不仅方便人们从细胞水平上进行生物规律的探究,更有利于推动人们从分子水平上对生命物质的微观结构以及运动规律研究分析,这不仅是现代自然科学领域对生物的新认识,更是人类社会的历史性进步。
4结束语
关键词：纳米涂层；场发射；电子强关联；软凝聚态物质
2003年在国际和中国都发生了具有突发性的灾难事件，但中国的GDP仍以9.1％的高速度在增长，达到了人民币11.6万亿元，其中第二产业贡献4万多亿元。中国现今的第二产业主要领域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工厂，也是大市场。在国际竞争中所以有优势是中国的劳动力廉价，这个优势我们能保持多久?我们还注意到与化工有关的产品中，我们的生产效率是国际发达国家的5％，能耗是3倍，环境的破坏是9倍。这就是我们所付出的代价。不论形势如何严峻，21世纪是中华民族振兴的机遇期，制造业绝对是一个极其重要的领域，是个急速发展变化的领域。2003年3月国际真空学会执委会在北京举行，会议上讨论了将原来的冶金专委会改名为“表面工程专委会”，当时也考虑了另一个名字“涂层专委会”，我想用涂层材料更合适，含有继承性和变革性。20世纪70年代曾经说成是塑料年代，此后塑料科技和工业迅速崛起，极大地改变了人类社会。继而是信息时代，通信网、计算机网、万维网、智能网，信息流，日新月异地改变着人类的生活和观念。我们这个时代是高速发展的时代，技术和观念都在与时俱进地改变着。
本世纪初兴起了纳米科技，促进其到来的是由于微电子小型化的发展趋势，推动科技发展进入纳米时代[1]，不仅电子学将进入纳电子学领域，物理学进入介观物理领域，各类科技，包括生物医学等都在探索纳米结构与特性。涂层和表面改性越来越多地增加了纳米科技的内容，这是一种低维材料的制造和加工科技，将是制造技术的主流，将迅速地改变传统制造技术的方法、理论和观念，作为现今国际上的制造大国，世界加工厂，我们更应该注意研究制造技术的发展和未来。
1突破传统制造技术的观念
纳米科技研究的内容主要是在原子、分子尺度上构造材料和器件，测量表征其结构和特性，探索、发现新现象、新规律和应用领域。与我们熟悉传统的相比，纳米材料和器件具有显著的维数效应和尺寸效应。近几年来，在纳米材料制造方面做了大量的研究工作，在纳米粒子粉材的制造，以及材料结构和特性测量、表征上取得了显著成果[2～7]。接下来深入到纳米线、纳米管和纳米带的研究[8～14]，出现了一些成功有效的制造方法，发现了一些惊人的结构和特性。在此基础上，发展了纳米复合材料的研究，展现了非常有希望的应用前景[15～17]。近来人们在纳米科技初期成果的基础上挑战某些产品的传统加工技术，比如Al组件的快速加工。
T.B.Sercombe等人报道了快速加工铝(Al)组件的新方法[18]，这个方法的主要特征是用快速成型技术先形成树脂键合件，然后在氮气氛中分解其键和第二次渗入铝合金。在热处理过程中，铝与氮反应形成氮化铝骨架，在渗透过程中得到刚体结构。与传统制造工艺相比，这个过程是简单的快速的，可以制造任何复杂组件，包括聚合物、陶瓷、金属。图1是过程示意和原型样品，(a)是尼龙巾镶嵌铝粒子的SEM像，中心有结构细节的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是为还原氧化铝，它将不是铸件中的成分。在尼龙被烧去时，这个结构基本保持不变。(b)是氮化物骨架，围绕Al粒子的一些环状结构的光学显微镜像，再渗入Al时将形成密实结构。(c)是烧结的氮化铝和渗铝组件，小柱的厚为0.5mm其密度和强度都达到了传统铸造技术的水平。他们还制作了公斤重量多种结构的样品。这是一种冶金技术的探索，开辟了一种新的冶金和制造技术途径。
2纳米材料的完美定律
描述材料结构的常用术语是原子结构和电子结构。原子结构的主要参量是晶格常数、键长、键角；电子结构的主要参量是能带、量子态、分布函数。对于我们熟悉的宏观体系，这些参量多是确定的常数，但对于纳米体系，多数参量随着原子数量的改变而变化。这是纳米材料和器件的典型特征，它决定了纳米材料的多样性。其中有个重要规律，我们称之为纳米材料的完美定律，用简单语言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了纳米晶粒的魔数规则，即含有13、55、147…等数量原子的原子团是稳定的，对于富勒烯碳60和碳70存在的几率最大，而对于碳59或碳71等结构体系根本不存在。这就是为什么斯莫利(Smmolley)他们当初能在大量的富勒烯中首先发现碳60和碳70，从而获得了诺贝尔奖。对于一维纳米结构，包括纳米管和纳米线，存在类似的规则。可以模型上认为是由壳层构成的，每个壳层中更精细的结构称为股，每一股是一条原子链，中心为1股包裹壳层为7股的表示为7-1结构，再外壳层为11股的，表示为11-7-1结构，等等，构成最稳定的结构，这是一维纳米结构的魔数规则。对二维纳米膜存在类似的缺陷熔化规则，即不容许存在很多缺陷，一旦超过临界值，缺陷自发产生，完全破坏二维晶态结构。上述这些低维结构特征是完美定律的具体表述，进步普遍表述理论是正在研究中的课题。
完美定律是我们讨论涂层材料的出发点，因为纳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。在制造过程中，方法简单、产额高、成本低是最有竞争力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市场，一定是不计成本的特殊需要，有政治背景或短期的社会需求。因此在我们探索纳米材料制造时，首先考虑的应是满足完美定律的技术，如用甲烷电弧法制备纳米金刚石粉技术[1]，电化学沉积法制备金属纳米线阵列技术[19]，以及电炉烧结法制造氧化物纳米带技术[20]等等。
3涂层纳米材料将给我们带来什么?
涂层纳米材料是纳米科技领域具有代表的材料，或是低维纳米材料的有序堆积结构，或者是低维纳米材料填充的复合结构。两者都比传统材料有惊人的结构和特性。如新型高效光电池[21]、各向异性结构材料[19]、新型面光源材料[22]等，这里举例介绍基于热电效应的新型纳米热电变换材料。
热电效应器件的代表是热电偶，即利用不同导体接触的温差电现象进行温度测量的器件。基于热电效应可以制成两类器件：热产生电和电产生温差。前者可以用于制造焦电器件，即用热直接发电，如将焦电材料涂于内燃机缸表面，利用缸体温度高于环境几百度的温差发电，将余热变作电能回收。后者可以做成电致冷器件。这类的直接热电变换器件具有无污染，没有活动部件，长寿命，高可靠性等优点，但块体材料制成器件的效率低，限制了它的应用。纳米科技兴起以后，人们探索利用纳米晶或纳米线结构能否解决热电效应的效率问题。认为用量子点超晶格材料有希望显著提高热电器件的效率，这是由于纳米材料显著的能级分裂，有利于载流子的共振输运和降低晶格热传导，从而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]报告了量子点超晶格结构的热-电效应器件，他们制备了PbSeTe／PbTe量子点超晶格(QDSL)结构，用其制造了热电器件(Thermo-electrics，TE)，图2(a)是纳米超晶格TE致冷器件的结构和电路图，(b)电流-温度曲线。将TE超晶格材料，其宽11mm，长5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于热槽，另一端置于冷槽，为了减小冷槽热传导而形成这同结接触，用一根细金属线与热槽连接。当如图2(a)所示加电流源时，将致冷降温。对于这种纳米线超晶格结构，由于量子限制效应，发生间隔很大的能级分裂，从而得到很高的热电转换效率。图2(b)是TE器件的电流-温度曲线，实验点标明为热与冷端温差(T)与电流(I)关系，电流坐标表示相应通过器件的电流。■为热端温度Th与电流I的关系，其温度对于流过器件的电流不敏感。为冷端温度Tc与电流I的关系，其温度对于电流是敏感的。图中A是测得的最大温差，43.7K，B是块体(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大温差，30.8K。从图中可以看出，在较大电流时，冷端温度趋于饱和。采用这种致冷器件由室温降至一般冰箱的冷冻温度是可能的。
电热效应的逆过程的应用就是焦电器件，即利用热源与环境的温差发电。对于内燃机、锅炉、致冷器高温热端等设备的热壁，涂上超晶格纳米结构涂层，利用剩余热能发电，将是人们利用纳米材料和组装技术研究的重要课题。
类似面致冷、取暖，面光源，面环境监测等涂层功能材料，将给家电产业带来革命性的影响，将会极大地改变人类的生活方式和观念。
4含铁碳纳米管薄膜场发射
碳纳米管阵列或含碳纳米管涂层场发射被广泛研究，以其为场发射阴极做成了平板显示器。研究结果表明碳管的前端有较强的场发射能力，因此碳管涂层膜中多数碳管是平放在基底上的，场电子发射能力很差。我们制备了含有铁(Fe)纳米粒子的碳纳米管，它的侧向有更大的场发射能力，有利于用涂层法制造平板场发射阴极。图3(a)是含铁粒子碳纳米的TEM像，碳管外形发生显著改变。(b)是碳管场发射I-V特性曲线，I是CVD生长的竖直排列碳纳米管的场发射曲线，II是含铁粒子碳纳米管竖直阵列的场发射曲线，III是含粒子碳纳米管躺在基底上的场发射曲线，有最强的场发射能力。根据此结果，将含铁的碳纳米管用作涂层场发射阴极，有利于研制平板显示器。
5电子强关联体系和软凝聚态物质
上面所讲到的涂层纳米功能材料和器件是当今国际上研究的热门课题，会很快取得重要成果，甚至有新产品进入市场。当我们在讨论这个纳米科技中的重要方向时，不能不考虑更深层的理论问题和更长远的发展前景。这就涉及到物理学的重要理论问题，即电子强关联体系(electronstrongcorrelationsystem)与软凝聚态物质(softcondensationmatter)。
在量子力学出现之前，金属材料电导的来源是个谜，20世纪初量子力学诞生后，解决了金属导电问题。基于Bloch假设：晶体中原子的外层电子，适应晶格周期调整它们的波长，在整个晶体中传播；电子-电子间没有相互作用。这是量子力学的简化模型，没有考虑电子间的相互作用，特别是在局域态电子的强相互作用。2003年又有人提出了金属导电问题，Phillips和他的同事以“难以琢磨的Bose金属”为题重新讨论了金属导电问题[24]。当计入电子间的相互作用时，可能产生的多体态，超导和巨磁阻就是这种状态。晶体中的缺陷破坏了完善导体，导致电子局域化。电子与核作用的等效结果表现为电子间的吸引作用，导致电荷载流子为Cooper对。但这个对的形成，不是超导的充分条件。当所有Cooper对都成为单量子态时，才能观察到超导性。这样，对于费米子由于包利(Paulii)不相容原则，不可能产生宏观上的单量子态。Cooper对的旋转半径小于通常两个电子相互作用的空间，成为Bose子。宏观上呈现单量子态，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化电子范围内，超导性可能认为是玻色-爱因斯坦凝聚，这个观点现今被很多人接受。从20世纪初至今，对于基本粒子的量子统计有两种，一是Fermi统计，遵从Paulii不相容原理，即每个能量量子态上只能容纳自旋不同的2个电子，而Bose子则不受这个限制。在凝聚态物质中有两个基态：即共有化Bose子呈现超导态，局域化Bose子呈现绝缘态。然而，在几个薄合金膜的实验中，观察到金属相，破坏了超导体和绝缘体之间直接转换。经分析认为这是玻色金属态，参与导电的是Bose子。推断这个金属相可能是涡流玻璃态，这个现象在铜氧化物超导体中得到了验证。
软凝聚态物质研究的对象是原子、分子间不仅存在短程作用力，而且存在长程作用力，表观上呈现的粘稠物质形态，称为软凝聚态。至今，人类对于晶体和原子存在强相互作用的固体已经知道得相当透彻了，但对软凝聚态的很多科学问题还没有深入研究，21世纪以来，引起了科学家的极大兴趣。软凝聚态物质包括流体、离子液体、复合流体、液晶、固体电解、离子导体、有机粘稠体、有机柔性材料、有机复合体，以及生物活体功能材料等。这其中的液晶由于在显示器件上的很大市场需求，是被研究得相当清楚的一种。其他软凝聚态结构和特性的科学问题和应用前景是目前被关注的研究课题。这其中主要有：微流体阀和泵、纳米模板、纳米阵列透镜、有机半导体、有机陶瓷、流体类导体、表面敏感材料、亲水疏水表面、有机晶体、生物材料(人造骨和牙齿)、柔性集成器件，以及他们的复合，统称为分子调控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子结构的多变性和柔性，研究材料的设计、制造、结构和特性的测量、表征，追求特殊功能；理论上探讨原子结构的稳定体系，光、电、热、机械特性，以及载流子及其输运。关于软凝聚态物质，有些早已为人类所用，电解液、液晶等，但对其理论研究处于初期阶段。科学的发展和应用的需求促进深入的理论研究，判断体系稳定存在的依据是自由能最小，体系自由能可表示为F=E-TS，其中S是熵。对于软凝聚态物质体系，S是重要参量。其中更多的缺陷，原子、分子运动的复杂行为，更多的电子强关联，不再是单粒子统计所能描述，需要研究粒子间存在相互作用的统计理论。多样性是这个体系的突出特征，因此其理论涉及广泛、复杂问题。
物理学是探索物态结构与特性的基础学科，是认识自然和发展科技的基础，其中以原子间有较强作用的稠密物质体系为主要研究对象的凝聚态物理近些年有了迅速进展，研究范围不断扩大，从固体结构、相变、光电磁特性扩展到液晶、复杂流体、聚合物和生物体结构等。几乎每一二十年就有新物质状态被发现，促进了人类对自然的认识和对其规律把握能力，推动了科学和技术的发展。21世纪仍有一些老的科学问题需要深入研究，一些新科学问题已提到人们的面前。特别是低维量子限域体系和极端条件下的基本物理问题。20世纪80年代出现的介观物理，后来发展成为纳米科技所涉及的学科领域。与宏观体系和原子体系相比，低维量子限域体系，还有很多物理问题有待解决，人们熟悉的宏观体系得到的规则和结论有些不再有效，适用于低维量子限域体系的处理方法和理论需要探索，特别是将涉及到多层次多系统问题的描述和表征，将会有更多的新现象、新效应、新规律被发现。在纳米尺度，研究原子、分子组装、测量、表征，涉及有机材料、无机／有机复合材料和生物材料，这将大大的扩展了物理学研究的范围和深度。涉及的重大科学前沿问题和重点发展方向有①强关联和软凝聚态物质，及其他新奇特性凝聚态物质；②低维量子限域体系的结构和量子特性，包括纳米尺度功能材料和器件结构和特性；③粒子物理，描述物质微观结构和基本相互作用的粒子物理标准模型和有关问题，以及复杂系统物理；④极端条件下的物理问题，探索高能过程、核结构、等离子体、新物理现象和核物质新形态等；⑤生命活动中的物理问题，物理学的基本规律、概念、技术引入生命科学中，研究生物大分子体系特征、DNA、蛋白质结构和功能等，其研究关键将在于定量化和系统性，必然是多学科的交叉发展，成为未来科学的重要领域。
6结论
本文讨论了纳米线涂层的结构和特性，重点是纳米线的复合涂层和其电学特性、光电特性。其中包括制造技术新观念，纳米材料的完美定律，纳米涂层的热-电效应，碳纳米管的侧向场发射，以及电子强关联体系和软凝聚态物质，展示了涂层科学与技术的发展前景。
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1.信息是哲学层次上的抽象
信息论的主要创始人，美国数学家克芬特・仙农在研究信号、消息和信息的相互关系时指出：信号是信息的物理表达层；消息是信息的数学表达层；信息则是更高层次哲学上的抽象，是信号与消息的更高表达层次。这是一个非常精辟的论述。可惜，现在我们很多人在很多情况下都把消息和信息混淆在一起。包括仙农先生本人给信息一词下的定义：“信息就是不确定性的消除量”，也并不是从哲学层次上提出来的。混淆信息和消息的背后是我们对哲学和数学的认知出现了差错。我们要找出这些差错，还要对整个事件发生的来龙去脉详加分析。信息论、控制论和系统伦这三个密切相关又自成体系的理论为什么会在短短的三、五年内同时出现？它们产生的历史背景是什么？恐怕还得从一百年前相对论和量子力学的出现开始谈起。
A.哲学百年沧桑
我在上一章“时间和空间”中讲到：现代哲学一直停留在19世纪的水平上没有多大的进展，表现出了明显的衰落。造成这一状况的原因是：自从20世纪初相对论和量子力学先后问世，人们对客观世界的认识就进入到一个新的层次，而哲学家的步伐却一直跟不上来。辩证法只能解读“牛顿三定律”层次的东西，而科学家们急需要有一种新的思想方法来解读相对论和量子力学。在这样的历史背景下，一些科学家在从事自己所在专业的研究过程中，逐渐触及到一个新的哲学体系――系统观察法。这是一个超出辩证法而又不脱离辩证法的思想体系，就像相对论既超出又不脱离牛顿三定律一样。由于大家所处的具体专业不同，每一个人都仅仅接触到这个思想体系的一部份，于是信息论、控制论和系统论纷纷出笼。这三个科学理论实际上就是不同专业的科学家从不同的角度对同一个哲学思想体系的表述。可惜的是已经半个世纪过去了一直没有人能把三者融会贯通地结合起来，提炼出一个完整的哲学思想体系，形成一个完整的宇宙观。
为什么会这样呢？经过了二、三百年的发展，现代科学已经在西方文化的基础上形成了一个相对完整的思想体系。在思维方式上它以微观分析思维为主导思维方式，拒绝承认宏观综合思维的主导作用；在思想方法上它仅仅认识到矛盾双方的辩证关系，对矛盾双方生存的共同基础认识不足，对多头矛盾共同作用缺乏认识；在宇宙观上它固守“牛顿三定律――广义相对论”的宇宙观，对量子力学的宇宙观视而不见。只把量子力学当作奴隶来使用，而拒绝承认它的宇宙观，真可谓是天大的冤枉。在这样一个具有明显缺陷的思想体系主导下，我们的科学家即便是在自己的实践活动中已经认识到了更高层次的思想方法，也是仅仅局限于一般性应用，不能从宇宙观的高度把一个完整的哲学思想体系建立起来。
如此说来，目前信息论、控制论和系统论都还是一种处在原生状态的哲学。它们刚刚从社会实践中走出来，还需要有一个锤炼和升华的过程，最后才能形成一个更高层次的哲学思想体系。一个全新的思想方法背后必然有一个全新的宇宙观。尽管目前人们在强大的思维惯性作用下仅仅把新的思想方法当作工具在广泛使用，而拒绝承认它的宇宙观，但是它入主哲学殿堂的步伐是谁也阻挡不了的。当唯物辩证法升级为系统观察法的时候，唯物主义宇宙观也自然会提升为一个系统性的宇宙观。总之，哲学在20世纪发生了一场跨越式的发展，很多哲学家被抛弃在了19世纪，这是不容否认的历史事实。
信息论、控制论和系统论它们究竟属于哪一个学科？为什么我们不能讲“信息学、控制学和系统学”？我们为什么仍然称克芬特・仙农和诺伯特・维纳是数学家，难道他们在信息论和控制论方面的贡献比不上在数学方面的贡献吗？我心头多年的疑惑总算是有了一个说法。“名不正则言不顺”，现在到了给信息论正名的时候了。信息论就是20世纪最伟大的哲学论著；它的作者就是20世纪最伟大的哲学家。我们不这样给他们定位，我们就不可能真正理解什么是“信息”；也不能真正理解什么是哲学。
我在前面“第三章时间和空间”中曾经说：“20世纪没有严格意义上的哲学家”，现在看来也需要稍作修正。应该说：信息论、控制论和系统论的几位创始人真真正正是20世纪的哲学家。虽然连他们自己都没有意识到他们触及到的是一个高层次的哲学体系，这并不影响他们成为新的哲学体系的发现者和实践者。这也正显示出哲学的奥妙所在。从历史上看，真真正正坐在那里大篇大篇地写哲学专著的人，往往并不一定是真正意义上的哲学家。
联想信息论、控制论和系统论在当今社会中的显赫地位，岂不正好是哲学理应所处的位置吗？20世纪衰落的并不是哲学，而是我们这些职业的哲学人。历史给我们哲学家们开了一个不大不小的玩笑，恍然大悟之后还真有点让人羞愧难当。“往者不可谏，来者犹可追。”尊敬的哲学家们，让我们把19世纪的一些哲学命题权当是宝贵的文物暂且搁置起来吧，什么物质和精神呀，唯物和唯心呀，都暂且不要考虑，赶快投身到建设新的哲学体系的宏伟工程中来吧！现在，信息论、控制论和系统论已经渗透到了全社会的各行各业和所有的科学领域，我们再将它们贯通起来整合成一个完整的哲学思想体系，那还不把整个人类社会都折腾到天堂上去？
B.哲学源于实践
我们从信息论、控制论和系统论的产生到它们向全社会各个研究领域全面渗透的过程中看到了什么？看到的是：一个新的哲学体系从实践中产生又返过来指导实践的过程。
广义相对论和量子力学把人类对客观世界的认识带入了一个新的层次；在这个新的层次里面产生了新的认识方法；新的认识方法背后隐藏一个新的宇宙观。所以，要想在新的世纪里面当一位新的哲学家，首先必须认真理解广义相对论和量子力学，特别是要学会系统地理解它们的时空观，然后再学习在这两个基础理论之上已经形成的信息论、控制论和系统论。最后才有资格展开你的哲学思维。哲学源于实践，你不进入到这样的物质层次就不可能产生相应的哲学思考。
当我们学习了信息论、控制论和系统论再去学习中国哲学的时候，我们会发现它们两者之间竟然能非常容易地沟通起来。这是为什么呢？我们把上面的道理返过来想一想就会明白，原来它们的思维都深入到了同一个物质层次。现代人是由广义相对论和量子力学把思维引入到这个物质层次里面来的，那么中国古代哲人是如何把自己的思维深入到这个层次里面来的呢？没有别的方法，只有练功“入静”，让大脑进入“庄子”所说的那种“坐忘”状态，从而感触到一个更深入的物质世界。练功就是中国古代哲人非常重要的一种实践活动。
研究哲学需要有很深入的社会实践体验。一个现代的哲学家，你如果想研究中国哲学就必须要学会“入静”。你感触不到意境中的那个物质世界，你就不能理解中国哲学的精髓所在。同样，你要是想当一个21世纪的哲学家，就必须跟随广义相对论和量子力学进入到一个更深入的物质世界，特别是要弄清楚它们的时空观。这是最基本的入门条件，你如果作不到这一点就只能停留在19世纪，做一个19世纪西方哲学的守护神。因为19世纪以前的西方哲学对客观世界的认识只局限在四维时空的显物质世界。
C.信息和意识
“信息”实际上就是哲学家通常所说的“意识”，是更高理论层次上的意识。信息较意识有着更广泛、更深入、更充实、更具体、更实用的内涵。从意识到信息，标志着人类对客观世界的认识深入到一个新的物质层次，也是哲学在20世纪发生的一次跳跃式的发展。
20世纪初，广义相对论把一个由时空张力广泛联系的宇宙介绍给我们；量子力学把一个不确定的混沌宇宙介绍给我们；而在此之前，人们只有一个由万有引力广泛联系的宇宙。人类对客观世界的认识由此深入到了一个新的层次。人与外界的交换越来越频繁、越来越复杂。人与人之间的意识交流出现了越来越多的转换形式。原来人与人之间是通过语言来直接进行意识交流的，语言是意识的表现形式；语言是现实的意识。电话的出现，使电信号也成了意识的表现形式和现实的意识。到了信息论我们就把电信号改称为信息的表现形式和现实的信息，意识就是这样很简单地转称为信息进入一个更高层次的哲学体系。现在人们往往不能十分清晰地界定信号、消息和信息之间的关系，我们只要把这三者的关系稍微理顺一下就很容易明白：信息就是原来的哲学体系中的意识。原来我们把语言看作是现实的意识、把一本书看作是固化的意识；现在我们把语言看作是信息在物理层次上的表达、把一本书看作是储存起来的信息。
信息一点也不否定原来的意识，只是在原来意识一词的含义上加入了一些新的内容。新的内容主要是从两个方面加入的。一个方面就是上面刚讲过的，原来的哲学仅仅把语言看成是意识的表现形式和现实的意识，而信息论则把信号看成是“意识”的物理表现形式，把消息看成是“意识”的数学表现形式。很明显是根据时展的需要把意识的表达形式更进一步细化了。
另一方面加入的内容就不太容易理解了。我们对客观世界的认识不断深入，“物质”一词的内涵不断向“意识”方向扩展，到了暗物质、暗能量，物质和意识实际上已经完全合二为一了。按说依照辩证法并不应该难以理解，矛盾双方在一定条件下的相互转化呀！可是我们的哲学家就是拒绝承认。历史要发展，科学要前进，“信息”一词也就应运而生了。它不仅保留了“意识”一词原来的内涵：“意识是物质的产物”，它更告诉我们：“在物质世界的一定深度，意识就是物质”。也就是说，信息一词不仅包涵了主观的意识还增加了客观的意识。信息论要讨论主观信息和客观信息的问题，这在原来的哲学体系中是拒绝讨论这个问题的。
总之，信息就是系统化、层次化、客观化的意识。在这里一下子还讲不明白，到下面“主观信息和客观信息”一节再作详谈。
D.信息和消息
信息和消息的关系非常复杂，因为它涉及到哲学和数学的关系。研究它们之间的关系使我想起了中国哲学一句名言：“道可道，非常道”。就是说：用语言可以表达清楚的道理，都不是自然界最根本的、永恒不变的道理。我们给“信息”一词下了几十上百个定义，没有一个十分妥贴让人满意的。就是因为“信息”与中国哲学的“道”进入了大致相同的哲学层次。用语言（包括数学语言）都不可能完全表达清楚它的内涵。
能够用语言表达清楚的“道理”比“道”低一个层次，但是当我们所要认识的客观事物本身就处在物质世界比较浅显的层次的时候，“道理”和“道”就完全一致了，在这种情况下我们完全可以把道理看作是“道”。同样，信息和消息的也是这样。信息一词具有较深层次的哲学内涵，是不可能用语言（包括数学语言）完全表达清楚的。用语言（包括数学语言）能够完全解释清楚的应该是消息。但是，当信息所在的系统处在客观世界比较浅显的层次时，信息和消息是完全等同的，在这样的情况下我们把信息和消息混淆在一起也不为错。只是我们必须清楚二者在什么情况下是相同的，可以相互通称；在什么情况下二者是截然不同的不能相互通称。
信息是哲学层次上的抽象。如何抽象才是哲学层次上的抽象呢？我对克芬特・仙农先生的论述是这样理解的：对客观事物的物理特征进行抽象，包括三维大小尺度、颜色、温度、频率、速度、强度等等，可以获得信息的最低级表达层次---信号；对信号进行数字化处理，运用数学语言进行逻辑推理、综合、分析，可以获得信息的较低级表达层次―-消息；哲学层次上的抽象在以前的哲学中主要是指运用辩证法对客观事物进行多方位的抽象，而到了信息论这里已经上升为运用系统观察法对客观事物进行多时空的系统的抽象了。学习过系统论的人都知道，系统可以赋予我们一种洞察力，让我们能认识到其他方法观察不到的一些客观现象，而信息一词的内涵恰恰就包括了这样一些新的内容。
消息是信息的数学表达层，或者说是语言表达层。由于四维时空的“数理屏障”作用，消息只能存在于四维时空之内，而信息一词是不受时空屏障制约的。在四维时空之外只有客观信息存在，没有消息和信号存在；在四维时空之内既有客观信息存在还有主观信息存在。消息与主观信息是完全相通的，可以通称；消息与四维时空内的客观信息就不在同一个层次，是不可以通称的。详细解释还是放到下面“主观信息和客观信息”一节来讲。
2.信息是我们与外界交换内容的名称
信息论与控制论的创始人之一，美国著名数学家诺伯特・维纳认为:“信息就是我们在适应外部世界和控制外部世界的过程中，同外部世界进行交换的内容的名称。”这一句话讲的很有内涵，值得我们仔细探究。首先它告诉我们：信息存在于我们同外界进行交换的过程中，我们不与外界进行交换的时候信息就不存在。在没有我们存在的客观世界中本来是没有信息存在的，“信息”的主观属性赫然若揭。
“交换内容的名称”这7个字也值得我们细心玩昧，信息不就是我们对交换内容的一个称呼嘛？这使我想起中国古人的一句名言：“名可名，非常名”。说的是我们对周围事物的任何称呼都不是一成不变的，随着时间和空间的变化，我们对周围事物的称呼一直都在不断地发生着变化。一般情况下，我们都是给相对稳定的事物起一个名字，对于变化快的、比较复杂的事物我们没有必要给它起名字，或者不方便起名字，这时候就需要有一个统称，信息就是我们在这个时候使用的一个统称。所以，不管是已经有名称的客观事物，还是没有名称的客观事物我们都可以把它们的基本属性和存在方式看作是一个信息。当然这样的信息在未被我们的大脑意识到之前只能算是一个消息或一个信号。
我们在适应外部世界和控制外部世界的过程中，同外部世界在不断地进行着物资和能量的交换。对于交换的内容有时我们有具体的名称，我们既可以直呼其名，也可以称之为“信息”；如果没有具体的名称，我们就直接称之为“信息”。在此，我想模仿我的祖人“庄子”说一句粗话，还望大家见谅。“什么都是信息，信息也什么都不是。信息是个‘屁’”。消化道中的脏气从排出，它的响声和气味开始扩散、稀释，一直到人的感觉器官不能感觉到为止，我们把这一时间段的脏气称之为：屁。通常我们说：甲某放了一个屁把乙某给呛跑了。如果我们用信息化的思维方式来说这句话，就是：甲某释放出一个信息，乙某接受到这一信息后迅速离开了。这个简单的例子告诉我们：信息论就是一个方法论，它告诉我们如何用信息化的思维方式去认识复杂的客观世界。
一个外科医生可以从患者的放屁声中获得手术成功的信息。因为“屁”是患者消化道的产物，它携带着患者消化系统的信息，它携带的信息量与它所在系统的复杂度密切相关。屁声在没有转输到医生的大脑之前只是一个客观信号，被医生的意识系统接受之后才成为信息，这时它的信息量与医生大脑意识系统的复杂程度密切相关，一个经验丰富的医生可以获得更多的信息量。从这个简单的例子我们可以看到：任何信息都是系统中的信息，脱离开系统无所谓信息。所以要认识一个信息，首先要了解它所在的系统。
总之，信息论是一种方法论,是我们认识复杂问题的一种思想方法.当我们不使用这一种思维方法的时候,信息是不存在的.客观世界中只存在着物质,不存在信息.当我们开始运用这一种思想方法的时候,我们可以把任何物质称之为信息,包括我们已经认识到的物质和我们还没有认识到的物质;信息就是我们的大脑对物质的一种意识方法.信息化的认识方法和信息化的思维方式是系统思维的主要内容之一,任何信息都是一定系统中的信息，脱离开系统就没有信息。我们必须把信息论、控制论和系统论结合起来一块研究，形成一个完整的系统观察法。
3.主观信息和客观信息
作为一个唯物论者，我不认为信息[意识]是一种客观存在。但是我是一个中国式的唯物论者，承认有客观信息[意识]存在。走出四维时空物质就是意识，意识也就是物质。对于中国哲学，言重一点的人称它为：“客观唯心”，平和一点的人称它是“朴素的唯物主义”。以前我知道他们说的都不对，可是不知道如何来反驳，现在当我学习了信息论、控制论和系统论以后，我明白了，原来中国哲学中的唯物主义应该叫做：“系统辩证唯物主义”。中国哲学的“天人合一”思想就是透过人体这个小系统去认识宇宙这个大系统。系统辩证唯物主义对客观世界的认识比辩证唯物主义更深入一个层次，是辩证唯物主义的升级版。辩证唯物主义仅仅是系统辩证唯物主义的一个重要组成部分。
我是马克思和恩格斯的崇拜者，我崇尚马克思充满睿智的头脑；我佩服恩格斯思路的敏捷，我对他们的辩证唯物主义从未有过怀疑。但是，我是一个中国人，我更信奉中国哲学；我还是一个现代人，我更喜欢学习现代科学理论。我曾经在它们三者之间徘徊，不知所措。现在好了系统辩证唯物主义把它们非常科学地协调起来了。中国哲学、辩证唯物主义和信息论、控制论、系统论原本都是一体的，出现矛盾是我们对客观世界的认识还不够深入。
信息论、控制论、系统论三论归一是现代科学理论研究的一大趋势，系统论是前两论的基础也已经基本明确，只是这三归一该如何一个归法？多年来一直没有一个明确的说法。我的方法就是首先给它们区分主观、客观属性，就是把主观系统和客观系统，主观控制和客观控制，主观信息和客观信息一一区分开来。
A.主观系统和客观系统
系统就是一种整体观念。当我们用整体的观念去认识宇宙的时候，我们就把宇宙在主观上设定为一个系统；当我们把一个国家在主观上设定为一个系统的时候，也就是在用整体的观念研究这个国家。系统论就是一个整体方法论。可是不知大家是否想过，你只要用整体的观念去认识客观事物就必然会落入中国哲学的套路，因为在运用整体观念上目前还没有谁能比得上中国哲学。
我们说：“系统论是具有逻辑和数学性质的一门新兴的科学”，并常常以它具有逻辑和数学性质来证明它的科学性。其实我们错了，正是逻辑和数学的局限性制约了系统论的整体性，致使自然界中广泛存在的另一大类系统不能被纳入系统论研究。这另一大类系统就是德国科学家艾根在他的超循环理论中描述的“循环生成和循环制约系统”；也就是中国哲学中的“五行生克系统”。现代的超循环理论和古代的五行生克循环，他们研究的是同一类自然现象。
这两大类系统就像是一对孪生兄弟紧密联系，相互影响，相互制约共同维护着客观事物的平衡发展。也就是说：任何一个客观事物的历史发展过程都是这两类系统相互影响，相互制约，相互依存共同发展的过程，像物质世界的膨胀运动和旋转运动、生物界的遗传和变异、人类社会中的民主和集中等等。可惜的是这两类系统中有一类系统是不能用逻辑和数学来表达的，现在的系统论只研究具有逻辑和数学性质的系统也是出于无奈。
对系统论的深入研究，让我们认识到：系统起源于混沌，而最终也结束于混沌，系统的边缘地带也都是混沌的，系统处在混沌的包围之中。那么系统究竟是如何起源于混沌的呢？
我们知道混沌是物质的彻底的自由运动状态。自由运动导致部分物质和能量聚积起来，大聚积引发大爆炸、大膨胀。就是这种膨胀运动势力在自由运动的混沌之中支撑起了系统；反过来说，系统是膨胀运动势力把物质组织起来形成的。所以系统都具有方向性[时间性]和扩张性。但是，在膨胀运动势力支撑起来的系统之中自由运动势力并没有被消灭，原来表现为混沌状态的自由运动的物质在膨胀运动势力的冲压下转变成了旋转运动，旋转运动进一步演化出循环运动。循环运动让物质在自由运动的原则下组织起来形成另外一种系统。这样在一个相对独立、完整的系统内部就出现了两种组织形式的系统，按照膨胀运动组织原则形成的系统我们称之为“主观系统”；按照自由运动组织原则形成的系统我们称之为“客观系统”。所有自然形成的系统都是主观和客观两种系统交织在一起形成的。
很明显，现在的系统论研究的主要是主观系统。虽然德国科学家艾根在研究生物系统进化过程时发现了循环系统，也认识到了循环系统在自然界中存在的广泛性，但是几十年过去了，人们一直没有把这两类系统并列到一起来研究。造成这一现象发生的原因大概有如下三个方面：首先是人们的基本观念问题。现代社会的主流文化是以分析思维占主导地位的西方文化。人们刚刚开始运用像信息论、系统论这样的整体思想方法去认识客观事物，还不能完全摆脱分析思维惯性的制约。客观系统中各要素之间的复杂关系超出了辩证逻辑的认识范围，数学语言也无能为力，导致科学在客观系统面前驻足不前。科研对象的局限性也制约了系统整体思维的全面发展。现在科学家们研究的系统大多还是以人工系统为主，而人工系统工程都是主观系统。在大自然中客观控制系统主要表现为旋转运动，如原子的旋转、太阳系的旋转，我们目前还不知道它们为什么要旋转；在四维时空之外它表现为暗物质和暗能量，而我们对暗物质也还知之甚少。
在生物界和社会组织中，客观系统虽然容易被我们认识到，由于物理学家认识不到，数学家又解读不了，这种客观系统也只能被排斥在主流文化之外。如果再没有哲学来揭开其中的奥妙，长此以往后果很严重，整个人类社会的发展都会受到很大影响。
通过对系统论的研究，我们认识到：系统来源于混沌。由于系统论研究的主要是主观系统，而混沌本身就是一种客观控制系统，所以应该说：主观系统产生于客观系统之中。而随着系统的发展，主观系统中又出现客观系统；客观系统中又产生主观系统。从宇宙大爆炸到生命的产生，再到人类社会的出现，再到人类社会的发展和完善，系统就是这样由客观中产生主观，再由主观中出现客观，主观系统与客观系统交替促进，协调发展。
总之，系统就是一种整体观念。任何一个完整的系统或者说自然形成的系统都是主观和客观两类系统交织在一起形成的。主观系统是按照膨胀运动的组织原则组织起来的，因而它具有方向性和扩张性；客观系统是按照自由运动的组织原则组织起来的，因而它具有不确定性。主观系统内部各要素之间有级差关系，这是由系统的方向性所决定的控制与被控制关系；而客观系统内部各要素之间都是相互平等的，这是物质的自由运动原则所决定的相互制约，相互协同关系。现代系统论研究的仅仅是主观系统，这是因为数学语言解读不了客观系统。要想建立一个完整的系统理论就必须站在哲学的高度把主观系统和客观系统结合起来一块研究。
B.主观控制和客观控制
在现宇宙中，任何客观事物都是在膨胀运动和自由运动两种势力的相互抗衡中发展起来的。当我们把某一相对独立、完整的客观事物看作是一个系统来进行研究的时候，就把膨胀运动势力对系统的影响作用称之为：“主观控制”；自由运动势力对系统的影响作用称之为：“客观控制”。实际上，主观控制和客观控制是相互依存、密不可分的，任何一个独立、完整的系统内部都同时存在着主观和客观两种控制形式。比如：议会对国家的控制就是一种客观控制，而政府对国家的控制就是一种主观控制；董事会对企业的控制属于客观控制，而总经理对企业的控制就属于主观控制。
主观控制是膨胀运动势力对客观事物的影响过程。它具有种种膨胀运动的基本特性，如：扩张性、时序性和方向性等。指令和反馈是主观控制的最基本形式，而促进客观事物不断向前发展是主观控制的目的。
客观控制是自由运动势力对客观事物的影响过程。系统内部各要素之间自由平等、有序竞争是其基本特性。在这里，“有序”是围绕主观控制的方向和目的形成的有序，是主观控制的结果。循环相生、循环相克是客观控制的基本形式，而维持系统平衡是客观控制的目的。
现代系统论主要是研究主观系统；同样，现代控制论研究的也主要是主观控制。这是人类对客观世界认识的阶段性造成的，随着人们对客观世界认识的不断深入，将逐渐认识客观控制，这是一种不容易用逻辑思维和数学语言解读的控制形式。
C.主观载体信息和客观本体信息
任何信息都是系统中的信息，没有系统无所谓信息。在主观系统中运行的是主观信息；在客观系统中运行的是客观信息。主观信息和客观信息在结构形式上是截然不同的。主观信息只能依附于相应的载体而存在，故称之为：主观载体信息；客观信息就是一种客观自在的物质，故称之为：客观本体信息。
现代信息论主要讲的是主观信息，客观信息这一概念缺失，主观信息和客观信息混淆不清，导致“信息”一词的概念一直不能确定。比如：现代科学家经常说：“信息被吸入黑洞、黑洞释放出信息”等等，在这里信息就是物质，物质就是信息，这就是客观本体信息。由于不明白主观信息和客观信息之间的关系，一些人在论坛上大声疾呼：“某某科学家在宣扬唯心主义，唯心主义必败”等过激言辞。实际上科学家没有错，错误的是我们，我们对系统科学理论的认识不够深刻；我们对客观物质世界的认识还停留在比较肤浅的一个层次。研究21世纪的哲学必须在深入理解广义相对论和量子力学之后。
我们的大脑就是客观世界中自然生成的一个信息处理器。主观信息就是大脑把物质的存在状态和基本属性抽象出来，以一定的物理符号[信号]、记录、储存起来。大脑抽象的过程既是主观信息形成的过程，也是主观意识形成的过程，在这里主观信息等于主观意识。当我们非常客观地把大脑当作一个信息处理器来认识思维过程时，我们的思路似乎突然开阔起来，原来意识的实质就是物质的存在状态和基本属性。原本物质和物质的存在状态、物质的属性是不可分离的，是大脑把物质的存在状态和属性抽象出来与本体相分离。
在四维时空之外，宇宙大爆炸之前，物质处于自由运动的混沌状态，物质就是信息――客观信息；物质就是意识――客观意识。物质处于混沌状态，物质和物质的基本属性无可分离，就不存在主观信息和主观意识。
物质进入四维时空，进入了多层次的旋转运动状态，有了相对稳定的形体，可以被大脑所意识。物质的存在特征和基本属性被大脑抽象出来就形成了主观信息和主观意识。
进入四维时空的物质，在膨胀运动势力和自由运动势力的双重作用下，运动形式不断提高。生命运动的产生，社会运动的出现，主观控制和客观控制的表现形式也不断提高，客观信息的表现形式相应发生了一定的变化。比如：在人类社会中，议会对国家的控制属于客观控制，议会选举过程中每一张选票都是一个客观信息，都代表一定的社会势力。选票作为一个载体与社会势力之间是一个代表关系，是一个设定关系。选票不是抽象出来的，是设定出来的。所以说，在比较高级的客观控制系统中，客观信息可以和客观事物本身相分离，但是，这种分离不是抽象出来的和主观载体信息有着明显的区别。
举例说明一下：前几年长虹集团在电视机市场上掀起一场降价风波。长虹集团老总的一纸电文，长虹彩电在全国范围内全面降价。这一纸电文就是一个主观载体信息。这一降价行为作用于电视机市场引起各个品牌的电视机纷纷降价。这一降价行为就是一个客观本体信息。
4.小结
20世纪初相对论和量子力学先后问世，人们对客观世界的认识进入到一个新的物理层次。更开阔的视野，引发人们更深入的思考。到了20世纪四、五十年代，新的思想方法开始不断涌现，信息论，控制论和系统论几乎是同时出现。这些新的思想方法背后是一个新的宇宙观、一个新的哲学思想体系。新、旧思想体系之间不是相互否定、不是相互对立，而是一种新的拓展。这也决定了新、老宇宙观之间不是直接的对抗，就像相对论与牛顿三定律之间的关系一样，是一种承接、发展关系。辩证唯物主义就是这样发展成为系统的辩证唯物主义。
我们现在都没有把信息论、控制论和系统论当作一个新的哲学体系来看待，这是因为客观世界中同时存在着两大类系统，而现代系统论只研究其中占主导地位的一类系统，对另一类系统视而不见。巨大的认识缺陷，不认真仔细地潜心思辨，还真的不容易发现。我们把客观系统、客观信息和客观控制提出来，把主、客观系统之间的相互关系辨析清楚，一个崭新的哲学体系就显现在我们的面前。
1课程特点
线性代数具有结构严谨、概念抽象、定理证明复杂和计算过程繁琐。由于学生在学习该课之前只涉及到线性方程和向量少量的内容。因此，对该课程的学习常常感到很困惑，特别是对许多定理的证明难以掌握，对计算过程感到复杂。由此，学生的学习积极性不高。另外，由于在课堂上老师既要考虑到定理的证明，又要注意计算方法的讲解，教师的工作量很大。这样导致老师感教学任务繁重。
2教学现状
线性代数教学的目的是向学生该系统传授该课程的各部分知识，并且能够为学生的后继课程的学习提供必要的支持。然而，由于许多大学都在向应用型大学转型，导致教学计划和进行方案发现较大的变化。其中一个变化是线性代数的教学内容增加和教学时数的减少。那么，在这些条件下，要完成教学任务，必须对线性代数的教学进行改革。为此，在这里提出自己的一些思考和探索。
二、教学改革的探索与实践
在线性代数的教学中，为了确保其教学质量和效果，我们从以下几方面进行研究和探讨。
1注重能力的培养
为了在课时数减少的条件下，完成线性代数的教学任务。我们采用以下的方法：首先明确不同专业对线性代数的要求，对不同专业的学生按专业需要求进行教学；其次，把体系结构相似的知识放在要求教学；对基本的概念教学详细的讲解，对定理的证明介绍其过程，重点讲解不同问题的计算过程。
2加强知识应用的介绍
由于学生在学习线性代数时，不知道各个知识点在实际和后继课程的应用，因此学生对该课程的学习感到，往往处于被动地位。为此，在讲解每一部分知识之前，对其在实际和后继课程应用进行介绍，让学生了解这些知识的重要性，这样可以调动学生的积极性，充分发挥学生的主动学习性。例如在讲行列式时，我们首先介绍方程组解用行列式可以分别表示，然后举例说明用行列式可以表示出三角形的面积，利用行列式可以表示出多元函数的极值的条件。又如，在讲解矩阵时，我们举出了矩阵在运筹学中的应用；在讲方程组时，我们结合电路理论中的基尔荷夫电压和电流定律举出线性方程在电路分析中的应用；在讲矩阵的特征值时，介绍特征值在量子力学中的久期方程中的应用；在讲二次型时，介绍其在解析几何和相对论中的应用。这样，学生的学习积极性被调动起来，学习由被动变为主动。
3类比推广法
在线性代数中存在一些抽象概念比较难理解，影响学生对这些知识的掌握，从而产生为难情绪。由此，许多同学认为该课程比较难学。在教学中，为了帮助学生理解这些概念，我们使用类比法：即利用学生有已经掌握的知识来讲解这些概念。例如，在向量的线性相关与线性无关的概念讲解中，我们从三维空间中的向量的位置关系来引入n维向量的线性相关与线性无关；在讲解n维向量的基时，我们有利三维空间坐标系的三个轴方向的单位矢量来引入向量空间的基这个概念；在讲解向量正交概念时，我们利用三维空间向量垂直的概念引入n维向量正交的概念；在讲解线性无关向量的正交化过程时，我们利用三维空间中的向量通过旋转的方法说明向量的正交化过程。总之，通过类比推广式教学，学生对所学的知识有较好的掌握。
4利用多媒体教学
在线性代数的教学中，有许多定理的需要证明。但由于教学改革需要，线性代数的课时数由以前的周课时时4减少到周课时3，这样影响了定理证明过程介绍。为了解决这一问题，我们借助于多媒体对一些证明过程复杂的重要定理进行详细的讲解，对一些证明过程简单的定理让学生们自己自学。这样既对定理的证明过程进行了讲解，又节约了时间来对线性代数的计算部分进行的教学，使学生对线性代数的内容有一个完整的认识和掌握。
5引导学生利用计算机软件进行编程
在线性代数学习过程中，学生对行列式、矩阵转置、矩阵加法、矩阵减法、数乘矩阵、矩阵的乘法、矩阵逆、矩阵的特征值以及线性方程组的求解进行许多计算。但是，他们很少有机会利用计算机来解决这些计算。在教学过程中，我们对mathlab语言进行介绍。这样可以激发学生对线性代数的学习兴趣，为今后学生的专业学习打下好的基础。在线性代数教学完成之后，我们引导学生利用mathlab研究线性方程组中常数项对方程解的波动稳定性的影响。
三、结语
【关键词】物理教材;内容转化;内容策略
The physical teaching material content transforms as the course content strategy
Wu Jing Yao Wei Ma Bicheng et al.
【Abstract】The popular education publishing house compulsory education curriculum standard experiment textbook “Physics” the new teaching material content strengthened with the student life, the modern society and technological progress contacting, guides the student thorough society and the scientific field diligently carries on the observation and the experience, raises student’s innovative spirit and the practical ability; The teaching material requests the teacher to pay attention to student’s emotion, the manner in the teaching, studies for the student academic society, lifelong studies lays the foundation found. How does the greatest degree use the new teaching material, manifests the new curriculum idea fully, realizes the education for all-around development truly, needs each kind of high quality talented person for the party and the national construction raise. I thought: Must transform the thought that changes protestantism law; Must the collective prepare a lesson, display educational research group’s superiority; Must “the lamination teaching, the classified instruction”; Must innovate the study way, carries on the effective teaching.
【Key words】Physical teaching material; Content transformation; Content strategy
1 课题提出的意义及历史背景
人民教育出版社义务教育课程标准实验教科书《物理》新教材内容加强了与学生生活、现代社会和科技发展的联系，努力引导学生深入社会和科学领域进行观察和体验，培养学生的创新精神和实践能力；教材要求教师在教学中要关注学生的情感、态度，为学生学会学习、终身学习打基础。要求积极做好每一个实验，让学生在体验中学习，提倡学生主动参与、乐于探究。促进课程、教材、教学之间的相互转化、促进和融通使学生真正成为学习的主人。该教材的教学实践得到了社会的认可，大部分初中物理教师认为新教材体现了改革精神，切实可用。但是，仍有一些教师对新教材茫然不适，觉得教材顺序乱了套，经验失灵，内容简单，试题难命。按传统方式，试题不是太容易就是超纲，这说明新教材的确不合应试教育的口味。因此，如何使教师尽快克服传统教育思想和传统教学方法的惯性干扰，正确使用新教材，使我们初中物理教学全面转入素质教育的轨道，是目前教材教法研究中的一大课题。我认为，要真正用好新教材，提高教学质量，根本在于走出误区，改革教法。如何最大程度用好新教材，充分体现新课程理念，真正实现素质教育，为党和国家建设培养需要的各类高素质人才。我认为：必须要转变思想，革新教法；必须集体备课，发挥教研组的优势；必须“分层教学，分类指导”；必须革新学习方式，进行有效教学。
2 课题研究的方法
初中物理作为九年义务教育的一门课程，必须为实现这个总的人才培养目标服务。过去的许多年中，初中物理教学在改革方面虽取得了很大成绩，但始终没有摆脱应试教育的干扰，忽视思想教育和能力培养，教学要求被不适当地拔高，讲授往往是“满堂灌”，作业训练又是“题海战术”，使本来有趣实用的初中物理，变成了对多数学生负担过重的课程。
2.1 转变教育思想，革新教法:教育思想的转变，是用好教材，提高义务教育质量的前提。传统教育观念和教学方式的“惯性”极大，致使有的教师“穿新鞋，走老路”，喜欢用应试教育的眼光审视新教材，结果是既不适应，又不放心，害怕新教材降低了难度，影响教学质量，影响升学率。可见，转变观念，是用好新教材的前提。只要我们在观念上真正完成了由应试教育向素质教育的转变，跟上教学大纲和教材的改革步伐，面向全体学生，注重全面发展，新教材的使用必将既能减轻学生的过重负担，又能培养国家建设需要的各类高素质人才。
传统的教学方法必须改革，教学方法脱离不开教育观念和教学目的。素质教育旨在“面向全体”和“全面发展”，课堂教学不仅要传授物理知识，而且要培养学生的各种能力。传统的教学方法较陈旧，不符合素质教育的要求，不适应新教材的特点，我们应该改革教学方法，变注入式教学、题海战术为启发式教学，探究性学习，引导学生学会学习，学会思考，学会运用所学物理知识解决实际问题。新教材虽然降低了难度，但对教师的教学水平却有了更高的要求，照本宣科显然不行了。新教材编者的用心良苦，突出了物理知识的趣味性，旨在创造意境，更好地激发学生的学习兴趣，使他们轻松愉快地自觉学习，教学方法应该体现这个意图；知识的传授应该是引导学生动脑动手，通过想一想、做一做扩大教学效果，而不能以偏题怪题让学生钻“牛角尖”；漫画或插图内涵丰富，相关的物理知识、含义尽在其中，切不可走马观花，一晃而过；新教材知识面广，伸缩性大，目的是要面向全体，适应不同程度的学生，教学中一定要对所有学生一视同仁。
上述种种观点，宏观上属教学方法的范畴，教学中非如此不可。至于每一个物理概念的具体教法，当因人、因教学内容而异，应该是百花齐放，各显其能。但是，具体教法不能与基本教学原则相违背，否则又会走上应试教育的老路。对学生的能力培养比单纯的传授知识更重要，较强的能力受益终身，而有些物理概念和规律，初中阶段知道即可，对过深的科学道理的理解，随着学生年龄增长和知识积累，自然会“水到渠成”。
2.2 发挥学科组的优势，集体备课:在新教材教学中，充分发挥物理备课组的优势，聚众人之智慧，展现备课组每一个教师的特点，努力挖掘新教材的功能，采取有效的教育教学策略和教育方法，激活、唤醒每一个学生的潜能，在教育教学过程中给学生提供和搭建参与学习的舞台，帮助学生学会主动参与，主动学习，启发学生提出问题，发现问题，指导和帮助学生分析，解决问题，使学生真正成为学习的主体，热情的参与者和主动的学习者。学习新教材，树立“以学生发展为本”的理念。我觉得可以从以下几个方面去尝试：
2.2.1 努力创造条件，做好每一个实验:新教材中有着众多的实验和探究，充分体现了培养学生创新精神和实践努力的素质教育思想，然而其中不少实验是过去教材中没有的，教师缺乏经验，学校缺乏器材。为此我们在备课时首先认真地把所有演示和学生实验都做一遍，以得到体验和感受，发现实验成功的要点和关键，积极改进实验的方法和器材。经过备课组的共同探讨，大家认为，可以让学生在自己还不甚理解的时候就先实验，满足他们的好奇心（其实这也是一种学习），教师这时的主要任务是防止出事故和找出学生实验不成功的主要原因，然后教师在学生实验的基础上分析学生实验不成功的原因，最后让学生再做一次实验，这样利用同样的教学时间却取得了更好的教学效果。所以良好的实验氛围，不但体现了新教材的观察、探究和实验功能，也优化了课堂教学，提高了我们的教学效益。
2.2.2 创设情景、激发学生学习的兴趣，延伸学生的学习时空:在课堂教学中我们备课组在备课时努力根据学生和教学的实际创设引入知识的情景，激活学生学习的情趣，去激发学生参与学习兴趣。我们通过精心的制作课件、精心的设计演示和学生实验、精心的设计课堂设问，努力创设学习情景，启发学生的思维，努力使学生的态度、情感和价值观潜移默化地受到教材的影响，引导学生主动地探索知识发生，发展的过程，不断深入地去发现问题，探索解决问题的方法。
新教材的内容不是封闭性的，我们利用教材的弹性和开放度。在教学之余成立了学生研究小组，让学生自己收集、整理信息，制作课件，激发他们对物理的学习兴趣，培养形象思维和逻辑思维的能力，把教学延伸到课堂之外。教材中常有“科学世界”、“STS”、探究这样一类问题，我们总是放手让学生们在课外自己探讨，我们认为不同的学生会有不同的发现，他们会用不同的思维、实验得到不同的结论，有的对、有的错，有的有道理，有的甚至毫无道理，但没有什么可大惊小怪的。我们备课组认为新教材设计这些问题目的不在于得到何种既定答案，而在于鼓励学生去探索，去思考，去发现。教学中把功夫下到课堂之外，既能利用社区、家长等各方面的资源，又在了解和指导学生的过程中加强与社会各界的联系，开发课程资源，实现了新教材的功能。从而不断的激发学生的学习兴趣，激活学生的思维，强化他们自立学习的意识，并且在学习过程中贯穿着情感熏陶和价值观的培养。
2.2.3 增加教学中的信息技术含量，提高课堂教学的效率:我们备课组经常运用不同的现代教育手段来处理新教材的教学。比如，我们还利用网络上课，设计了专题的内容，专题的练习，师生在网络上学习、交流、答题。我们尝试把课堂教育教学模式引向多媒体、电脑网络信息领域，利用网络信息丰富、传播及时、读取方便、交互强等特性，不但促进教育教学的革新，丰富教育教学形式，还增加课堂教学的容量，增强教学中观察和思维、演绎和归纳、分析与综合的直观性，取得了良好的教学的效率。
2.3 重点采用“分层教学，分类指导”:长期以来，初中物理教学，由于受班级授课制的束缚，教师从备课、授课、作业、辅导、考查到评价，很少顾及好、中、差各类学生的智能差异，均采用“一刀切”“一锅煮”的方法进行教学，使得优生吃不饱，差生吃不了，中等生吃不好。从学生的实际出发，规定不同层次的要求，进行不同层次的教学，给予不同层次的辅导，组织不同层次的检测，使各类学生学习物理人人有兴趣，个个有所得，在各自的“最近发展区域内”得到充分的发展，圆满地完成学习任务，全面提高全体学生的素质。总之，要做到面向全体，因材施教。
2.4 革新学习方式，进行有效教学:我国目前的中小学教学有一个非常突出的问题是：教师很辛苦，学生很痛苦。在全面推进至素质教育的今天进行有效教学显得尤其重要。变革学习方式，切实加强创新精神和实践活动的培养，是新课程的基本理念，也是新教材的宗旨所在。我以为主要做到以下几点：
2.4.1 突出学生主体地位:老师在上课时，要大胆地给时间让学生动手，动口，动脑，要给足时间让学生讨论，辨论，议论，要给足时间让学生思考，只要时间有效地化在学生身上，我觉得就充分地用好了新教材。
2.4.2 举例颇具代表性:举例包括例题、作业、练习、生活中的现象，要具有代表性，典型性。作为教师如何在有限的时间内发挥最大的效益，那么你所选的例题、作业、练习、生活中的现象就必须恰当，呈现方式恰到好处，能够以点概面，能够让学生在例题中理解知识，学会技能，培养兴趣。尤其是例题的选择老师要多花点时间，多花点心思，多想点方法，培养学生发现问题，分析问题，解决问题的能力。同时要符合新课程要求，体现创新精神和实践能力。
2.4.3 评价要多元化:在物理课堂教学评价中要重视人文化评价方法，注重鼓励性，人情化，注意方式方法，并做到因人而异。但同时也不能完全放弃实证化评价方法，实事求是，开诚不公地指出缺点和错误。从二者的关系来看，虽然表面上二者存在着尖锐对立的倾向，但从辩证的角度看，二者实际上是一种优势互补的关系，恰当地处理好二者的关系，可以充分发挥二者的长处，弥补二者的缺陷，使它们在课堂教学评价活动中在发挥各自作用的同时，相互吸收对方的合理因素，做到具体地、有机地结合。
3 课题研究实施过程中必须遵循的四条原则
在实施新课程和新教材过程中，使我们深深觉得课改必须遵循敢于质疑、勇于探究、善于思维、勤于实验的四条原则，我们不能偏离这个方向。我们必须坚持这四条原则不动摇，如同我国正在进行的改革开放必须坚持四项基本原则一百年不动摇一样，新课程改革不论以何种方式进行，不管如何做新的尝试，我们都应该投以赞许的目光，但是有一点不能变，那就是敢于质疑、勇于探究、善于思维、勤于实验的四条原则不能变，偏离了这四条原则，也就违背了物理学历史的发展规律，必然会偏离正确的方向。这点一定要切记、切记。
随着教学改革的不断深化，全面实施以培养学生的创新精神和实践能力为重点的素质教育已成为教育界的共识。对物理学科而言，在实施新课程和新教材过程中，不断地有许多新的观点，好的做法出现，并且也涌现出成功的典型。但是，也有许多尝试偏离了物理学科发展的原则，值得我们共同来关注和探讨。纵观物理学史，结合新课程改革的理念，在实施新课程和新教材的过程中，教师除了要具有扎实的专业知识和渊博的综合性知识之外，还必须遵循以下四条原则：
3.1 敢于质疑:20世纪物理学革命告诉我们，科学的每一次崭新境界的开辟，都必须要有敢地向旧理论说“不”的勇气。爱因斯坦，玻尔用他们年轻的心，沸腾的血和活跃的头脑，带领海森伯等一批又一批的年轻人，勇敢地向旧理论思想挑战。在此期间，每一个“不”字的出现都响彻云霄，宛如春雷一般。普朗克提出能量是“不”连续的；爱因斯坦更深入地提出了辐射也是不连续的；海森伯更是提出了量子力学中最关键的一个关系式即“测不准关系式”；此外华裔物理学家李政道，杨振宁又向守恒说出了“不”，提出了“宇称不守恒”。每一个“不”字都给物理学以飞跃，可见，挑战孕育了创新，勇气孕育了力量，信心带来了成功。
在实施物理新课程与新教材过程中，教师要努力培养学生敢于质疑，勇于创新的科学精神。在物理课堂上，教师要鼓励学生敢于向权威挑战，要努力营造一个民主，平等的课堂气氛，让学生们用一个开放的，喜欢探究和充满活力的头脑去不断提出新观点，否定旧理论。充分发挥学生探究学习，自主学习，合作学习的能力。教师应该树立理性的权威观。
随着信息时代的到来，为学生提供了广泛摄取知识与锻炼思维的机会。因而他们也完全可能在某方面甚至是本学科领域领先于教师。在物理教学中，学生会常跟老师谈及他们从网络信息中获取的一些知识与信息，其中可以有很多对教师来说是全新的感受。“闻道有先后，术业有专攻”，“青出于蓝而胜于蓝”。因此我们在教学中应永远保持谦虚进取的态度。在教育学生的同时，也应自觉地接受学生的“教育”，并把自己置身于终身学习的状态。因此，教师在教学中应充分表现出严谨务实，批判进取的科学精神，努力展示自己的教学智慧及内在的精神气质，教师的热情和同情心，教师善于鼓励和想像的倾向性，为学生的发展具有极大的影响力。教师在教学中应该有强烈的好奇心和求知欲，有远大的理想和锲而不舍的钻研精神，要有热情洋溢、情绪饱满、富于激情的想象力，并以此来树立自己在学生心目中的崇高地位。
3.2 勇于争辩:通过研究物理学史，我们不难得到这样一个启示：科学的每一次重大发现和突破的背后都隐藏着激烈的争论。其中最令世人注目的是爱因斯坦和玻尔旷日持久的世界性论战。爱因斯坦拒绝把量子力学接受为终极理论，并对以玻尔为代表的哥本哈根学派的正统解释发动了猛烈的攻击，这场争论使世人明白，量子力学的理论是非局域性的理论。它涉及到类空关系，即比光速还快的信号传播，而狭义相对论则是局域性理论。这场世界性的科学争论，无疑对科学和哲学的发展产生了深远的影响。此外，玻尔和海森伯的散步，普朗克和爱因斯坦的争论都对20世纪的物理学产生了极为深远的影响。讨论并没有完，现在在牛津和剑桥，科学怪杰霍金和彭罗斯的讨论还在继续着，物理学还将有着重大发展，因为“科学扎根于讨论”。
教师在实施新课程和新教材过程中，必须转变传统教育中的师生观，构建相互尊重，互相信任的，平等的，合作的新型师生观，教师应该成为学生学习的帮助者，指导者，合作者，促进者，引导者。教师在课堂教学组织中要达到“四个允许”：错了允许重来；不完整的允许补充；不同的意见允许争辩；老师错了允许提意见。教师要切实把教学活动看成一个不断面临新问题的过程，是一个知识不断扩展的过程，是一个与学生不断共同学习的过程。从而真正做到教师与学生之间相互学习，相互切磋，相互启发，相互推动，也就是要做到教学相长。同时，教师要积极创设条件，准备一些辩题，让学生在课堂上进行辩论。让学生自己摆观点，举例子，讲道理，用事实说话，从而促进学生的探究性学习，实现新课程的目标，用好新教材，培养学生勇于讨论的习惯。
3.3 善于思维:我们读过《物理学史》之后会发现：科学神奇之树的每一次萌芽、成长、开花、结果都有着孕育它们的科学土壤。值得一提的是哥本哈根大学物理理论研究所。在这里既有22岁当讲师、27岁当教授、31岁获得诺贝尔奖的海森伯，有作为“上帝的鞭子”不断地指出他人论文缺陷的泡利，有开玩笑不讲分寸的朗道，还有“几乎把画漫画和打油诗作为主要职业而把物理当成副业”的伽莫夫，哥本哈根大学的氛围使人感到繁忙、激动、活泼、热血沸腾、无拘无束、和蔼可亲，充满着挑战。他们的年轻和倔强，使他们不断地有新的想法，新的观点，新的思潮，新的认识如同一股股清泉涌出。在那漫长、艰辛、曲折的探求科学真理的道路上，有无数年轻人的贡献和创举。究其实质，人类科学的进步就是一个不断否定旧理论和提出新观点的过程，而他们的年轻就注定他会有一个开放，喜欢探究和充满活力的大脑，为他们取得成功提供了条件。培养学生科学的思维显得尤为重要。
作为一名物理教师，在实施新课程和新教材的过程中，尤其要注意培养学生科学的思维，思维是创新的灵魂。在教学中教师可以从以下方面来培养学生科学的思维。
①寻找思维的起点。就是能引起思考，推动思考不断深入并成为解决问题突破口的信息群。学生解决问题的能力差异大多表现在寻找思维起始点的速度快慢上，教师若能帮助学生学会寻找思维起始点，学生的学习便易获得成功。
②设立思维中间站。初中生思维能力弱，跨度小，学习过程中不会适时设立思维中间站，而对大量的信息，不会筛选、整理、剖析，抓不住有用的信息，把握不住问题的实质，这样就出现了一知半解，随意凑合，应付了事的情况。针对初中生的上述思维特点，在教学中要采取小步子，搭台阶的办法，在思维之间增设思维中间站，及时帮助学生排忧解难，抓住关键，把握重点。开始时思维站间距可短些，慢慢地扩大，渐渐加大思维跨度。当问题抽象，学生具体经验少时；当问题涉及面广，学生知识能力存在缺陷时；当问题内部结构复杂，学生综合能力差时，需增设思维中间站。
③已设立的各思维中间站之间需要架设思维连接线加以联系，使各思维中间站能顺序地有效地协调运行。这种联系方法既有点与点之间的串联，线与线之间的交织，又有面与面之间的网络化。围绕重点知识寻同类，举实例，找反例，思错例，将每一个思维中间站都纳入有效的思维控制范围内，形成有序的思维网络，使各知识点成为互相联系的整体，从而达到提高思维效率之目的。
④变换思维审视角。用原有的思维方法不能求得问题的解决时，应及时变换思维审视角。变常规思维为突跃思维，直线思维为平面或立体思维，收敛思维为发散思维，一般思维为极端思维，正向思维为逆向思维。往往能提高思维效率。
⑤设计开放性问题。新颖的问题能引导学生从不同的方向思考问题，寻求众多的适当答案，使学生找出以前没想到也不敢想的各种奇妙的好方法，而且是引导学生开展实践探究的好方法，这样能起到事半功倍的效果。
3.4 勤于实验:值得注意的是，百年诺贝尔物理学奖的重大获奖项目中绝大多数都与物理实验有关，纯理论研究很少，就是获奖的重大理论研究也是大量实验事实的总结，再用数学公式简洁表达的结果。即使是理论项目，也要在实验证实后才获奖。如：1927年电子衍射实验证实了粒子的波粒二象性，提出了波粒二象性理论的德布罗意才于1929年获奖；1957年，吴健雄实验证实了弱电相互作用，提出宇称不守恒的杨振宁、李政道获诺贝尔物理学奖；1973-1978年实验上发现中性流存在，提出弱电统一理论，预言中性流存在的、格拉肖、温伯格、萨拉姆于1979年获奖等。事实证明，物理学的理论大厦是由实验支撑的，没有实验，物理学大厦的基础就不牢固。
不仅仅如此，实验是检验物理理论正确与否的惟一标准。是各种争论的最公正的裁判，是修正错误的依据，更是发现新理论的起点。事实上，无论理论有多美好，无论它的形式有多完美，只要与实验不符就不可能成为物理学的组成部分。这表明，最后还得实验说了算，形式逻辑和完美的数学代替不了物理。因此，我们特别强调物理学研究要把理论基础和实验紧密地结合在一起，重视实验研究，重视物理实验室的建设，加大投入，更新实验设备，巧妙地设计实验方法，精心地分析实验现象，在实验中寻求新的突破和新的发展。对物理教师而言，我们应尤其注意实验教学，培养学生动手能力，动脑能力，设计能力，操作能力和实践能力。教师要在实验中让学生充分的交流合作，并且提出一些激发思考的问题，留给学生足够的探索空间，引导学生看到与其论点相矛盾的观点的事实，或者组织持不同见解的学生进行讨论，自行设计实验，验证自己的观点。要让每个做实验的同学都有自己的经验世界，他们各自对某种问题有不同的假设和推论，通过小组交流，辩论，分工与合作等形式，促进学习者之间的沟通，而面对各种不同的观点，实验者要学会整理、表达自己的见解，学会聆听，理解他人的想法，学会接纳，赞赏，争辩，互助，他们不断对自己和别人的看法进行反思和评判。平常定期开展科技小制作，小实验，小创新，小发明以及实验操作活动，引导学生进行一系列实践操作，如安装照明电路，鉴别黄金首饰等。在物理教学中加强“STS”的研究，培养学生从生活中学物理，又把物理应用于生活的能力。真正做到“in life，by life，on life”。
4 研究措施
4.1 建立课题组，形成管理网络。由校长及上级有关领导顾问，教研室和中心学校领导监督，课题研究组长组织实施，课题研究组长、组员具体开展，做到分层管理，步步落实，确保课题研究顺利运行。
4.2 注重教师培训，加强理论学习。因为实施“学法指导”的实验研究，对教师的教育思想和业务素质提出更新更高的要求。所以组内首先组织教师进行理论学习，更新教育观念，弄清“学法指导”的实质和任务，明确课题研究的目标。
4.3 强化过程，加强全程管理。首先开展课题研讨活动，使研究者明确研究的任务和目标；其次是加强调查研究，把握学生在实验前、中、后三个不同阶段的学法水平，以有的放矢的实施指导，不断修正课题研究方案，使课题研究工作更趋科学化和规范化；再次是开设学法指导课，选择课题承担者根据各自研究的内容上好实践课，供大家观摩学习；第四是督促全体组员不断总结，积极撰写论文、心得体会、个案分析等。
4.4 改革课堂教学，促进学生主动的发展。课堂教学是实施学法指导实验研究的主渠道。在课堂教学的改革中，我们的研究重点要放在以下三个方面的学法指导上：
4.4.1 转变教学观念。我们强调教师不仅是学生知识的传播者，更是学生学习的建议者和指导者。课堂教学不是教师教学生，而是在教师的启发、诱导、点拨下，通过学生自身的多种感官参与与亲身的活动来掌握科学的方法，自主、独立、创造性的实现学习目标。同时，我们还要帮助学生把学生过程拓展到课前及课后。
4.4.2 指导学习方法。在学法指导中，除了要组织一定数量的专题形式予以指导外，更重要的是根据学生的不同年龄特征和心理倾向在课堂上进行渗透，在课堂后进行交流总结。
4.4.3 培养学习习惯。仅贯彻落实素质教育的要求仅加强学生学习方法的指导是不够的，还需要培养学生良好的学习习惯，形成的“良好氛围，帮助学生在自主学习、自主管理中不断完善自我、不断发展自我。”
5 研究的方法
5.1 教师充分挖掘文本，设计自主学习任务。做到用好课本，而不是教好课本。
5.2 文献资料法。通过对国内外有关“自主学习”理论与经验的学习研究，对“自主学习”的内涵和外延更加明确的认识，确立课题的理论支撑，加强理论学习，使我得到理论的提高。
5.3 比较法。选定实验班，以平行班为对照班，进行纵向、横向的比较。
5.4 调查法。通过对实验过程的调查，发现问题，研究对策，及时施加变量，控制无关变量。
5.5 个案法。对有代表性的学生作个案分析，分类研究，跟踪调查评价，写出个案研究报告。
5.6 适当采用计算机、网络等辅助科研手段。
6 实施步骤
6.1 第一阶段：调查探索阶段（时间：2009年12月至2010年2月）
对本校教师与学生物理教学方式的现状及期望进行调查，根据调查情况制订实施新的教学方式的方案。方法如下：
6.1.1 运用调查法，调查师生的物理教学方式。
6.1.2 运用测试法，对学生进行英语口笔头运用能力的测试。了解物理教学方式的现状及期望；制订出实施新的教学方式的方案。
6.2 第二阶段:试验应用阶段（时间：2010年3月至6月）
6.2.1 改变教师传统的按部就班地教授题材贫乏、体裁单一的教学内容，尝试创造性地、有选择地教授题材丰富、体裁多样的教学内容。尝试多种课型的模式探索。
6.2.2 改变以教师为中心的“满堂灌”的教学方式，尝试以学生为主体的“任务型”的教学方式。
6.3 实施方法：(1)问卷调查表;(2)对照表;(3)座谈会。
6.4 预期目标：学生知识面有较大拓宽；学生用物理解决实际生活的能力有较大提高；学生运用物理的实践能力有较大提高。
6.4.1 第三阶段：推广应用阶段（时间：2010年7、9月）
对第二阶段的试验各个案例资料进行分析总结，去粗取精，全面实施新的教学方式。
实施方法：(1)问卷调查表;(2)图表;(3)经验交流会。
预期目标：
新的教学方式得到完善、推广应用
第四阶段：总结阶段（时间：2010年10、11月）
对第二、三阶段的试验个案及研究资料进行整理分析和归纳总结，撰写成有价值的试验报告、个案报告、调查分析报告、经验总结、论文、结题总结。
7 完成研究的条件分析
7.1 领导重视和学校配合县教研究室和中心学校课题组领导的指导。
7.2 研究队伍素质精良，课题组成员由教学、教研、管理三方面人员组成。
7.3 硬件设备得与保障。
8 成果形式
8.1 最终完成时间:2010年11月。
8.2 研究成果形式
8.2.1 课题研究实验报告，实施方案；
8.2.2 论文、个案反思、叙事文章；
8.2.3 有关学生完成自主学习任务的调查结果、
8.2.4 学生成绩评定的“增值”数据；实验报告（阶段性总结）；
8.2.5 个案研究资料各学科的优秀课堂教学纪实（录像片）
8.2.6 结题报告。
9 课题组成员分工情况
课题指导及顾问：青祖兵，（县教研室主任，县学科带头人），张（本校校长、省级优秀教师）
邓矫健（省级骨干教师、中心学校校长），陈永辉（省级骨干教师、教研员、州语文学会理事）。
组长：吴静（物理资料收集，具体实施）
成员：(1)姚玮（物理资料收集，具体实施）
(2)马碧成（物理资料收集，具体实施）
(3)龙雄（物理资料收集，具体实施）
(4)郑德隆（物理资料收集，具体实施）
10 课题实施的反思
在实施新课程和新教材过程中，我们可能会遇到这样或那样的问题，我们可能会进行这样或那样的改革，但是我们始终要坚持敢于质疑、勇于争辩、善于思维、勤于实验这四条原则不动摇，不能偏离这个方向。我们只要坚定不移地遵循这四条原则，饱含深厚的爱国热情和强烈的民族自信心，在物理教学中时时刻刻想到，并努力做到、做好、做扎实，我们就一定能在教学中取得成功，就一定能培养出千千万万个牛顿和爱因斯坦，中国人获得诺贝尔物理学奖的梦想指日可待。
参考文献
[1] 夏磊、徐洪海等.《20世纪物理学革命的启示》，《现代物理知识》，2002年第2期
苏教版《化学2》第四专题“化学科学与人类文明”的编写意图,是让学生从化学学科在物质及其变化研究、新物质合成方面的贡献,化学科学对科学技术发展、环境保护事业的重要性,认识到化学与科学、技术、社会的关系,扩大视野,感受化学的魅力,激发学生进一步学习、研究化学的兴趣,让学生能选择更多的选修模块开展学习。
这节课是本专题的第一课时,简明揭示人类认识物质世界的过程,不要求接受大量新的化学具体知识,不能把这堂课上成“科普知识讲座”, 重点应放在知识的整合和学生情感态度价值观的熏陶上。
本节课的核心问题是:(1)能举例说明(如人们对酸碱的认识)人们对物质世界认识的发展;(2)能举例说明化学理论的建立在帮助人们认识物质世界中的作用。
教学过程:
第一环节:引入课题――化学是打开物质世界的钥匙
师:数学老师说:数学是自然科学的皇后(幻灯片),物理老师说:物理是整个自然科学的基石(幻灯片)。那么化学老师该怎么说呢?
化学老师说,化学是一把钥匙,板书(化学,钥匙,物质世界)。这把钥匙打开了物质世界。今天这节课,我们就来学习第四章第一单元的第一课时。化学是打开物质世界的钥匙。幻灯片打出标题。
点评:以化学与数学、物理的对比突出化学在自然科学中的重要性,尤其突出主题――化学是打开物质世界的钥匙。
第二环节:以火为引子贯穿古今,导出实验在化学中的重要性
我们来看两幅幻灯图片。师:这两幅图让你想到了什么?学生:钻木取火。师:取得火种,给人类的祖先带来了什么作用?生:有了火种以后,不仅使人类的祖先们在黑暗中得到光明、严寒中取得温暖,而且还可以抵御野兽的袭击。人类用火烧烤食物,摆脱了茹毛饮血的野蛮时代。
师:火,可以说是人类文明进步的分界线(幻灯片)。你知道现代汉语词典中火是怎么解释的吗?停顿,学生思考一下。师:没查过吧,我查了。
火,是物体燃烧时所发出的光和焰(演示幻灯片)。我们学过物质燃烧要具备的两个条件,是什么,生:一是与氧气接触,二是达到着火点(幻灯片)。师:可是古代的人们对于燃烧的认识却是神秘而模糊的。在十七世纪的时候,人们认为可燃物能够燃烧是因为它含有一种叫燃素的物质,燃烧的过程是可燃物中燃素放出的过程,可燃物放出燃素后成为灰烬(幻灯片)。这种燃素说整整统治了一百多年。可是它却无法揭示金属在燃烧后质量增加的事实。直至1774年,法国化学家拉瓦西(演示幻灯片)通过化学实验,即著名的空气中成分的测定实验,证明燃烧是物质与空气中的氧气发生的剧烈作用,了燃素学说,建立了氧化学说,拉瓦西用实验事实揭开了燃烧的神秘面纱。我国著名化学家傅鹰先生曾说过一句话,这句话恰如其分的表达了化学实验的重要性和权威性:化学是实验的科学,只有实验才是最高的法庭(演示幻灯片)。
下面我们就用化学实验来鉴别这三瓶无色溶液。它们分别是稀盐酸、氢氧化钠和碳酸氢钠溶液,可用的器具与材料有pH试纸、比色卡、表面皿、玻棒、试管(演示幻灯片)。想想如何来鉴别它们。学生分组实验。请一位学生讲一下实验的过程和结果。
下面我给大家做了“蓝瓶子”实验。在锥形瓶中加入100毫升水,加入2克左右葡萄糖,再加入0.5～2克氢氧化钠,滴加3～5滴亚甲基蓝溶液,这时混合溶液呈蓝色,塞紧瓶塞,振荡锥形瓶,蓝色溶液变成无色,停止振荡,溶液又恢复蓝色;循环操作,蓝色和无色就交替出现。师:你肯定很想知道为什么会出现这样循环的颜色变化吧。答案就在这本书上。展示《实验化学》,高二时你可以选修《实验化学》,它将带你领略化学实验的千变万化。板书(选修,《实验化学》)
点评:古人的钻木取火,十七世纪的燃素说,拉瓦西提出的氧化学说,这些都使学生感受到人类文明的进步和化学发展的艰难历程,又使学生有足够的想象空间,想象古人如何从野蛮走向文明,科学家一种谬误的艰难。利用三种盐溶液鉴别实验中用到的酸和碱能使pH试纸变色的性质为下面的酸碱理论做一下铺垫,更是为了说明化学实验的重要性和权威性。而“蓝瓶子”实验可以引起学生的兴趣,为高二学生选修《实验化学》出点力。我想这样的设计有趣味性,又不乏科学性,学生又动了一回手,课堂气氛应该不错。
第三环节:由碳酸氢钠属于哪一类物质引出人类对酸碱认识的发展,继而引出化学理论的发展。按物质的分类,我们应把碳酸氢钠归为哪一类物质?学生:盐类。可是有人认为:碳酸氢钠是酸碱两性物质(演示幻灯片)。我们来判断一下这种说法对不对。请同学们参考书本第87页“人类对酸碱认识的发展。学生看书。并解决这么几个问题:(1)阅读了人类对酸碱认识的发展之后, 你有何感想(2)写出NaHCO3在水溶液中的电离方程式,NaHCO3溶液分别与盐酸、 NaOH溶液反应的离子方程式。(3) NaHCO3是否可称为酸碱两性物质?为什么?依据的是什么理论?(演示幻灯片)学生思考讨论,回答(1):人们对酸、碱的认识从感性到理性,适用范围从水溶液到非水溶液,随着化学的发展逐步走向深刻和全面。请两位学生把问题(2)中的离子方程式写黑板上。学生回答问题(3)根据酸碱质子理论,碳酸氢钠是酸碱两性物质。碳酸氢钠与酸与碱的反应,即它接受质子和给出质子的过程。
化学理论的发展为现代化学的发展奠定了坚实的基础。我们在化学1和化学2中也学习了一些化学基本理论。我们一起来回顾一下。化学1第一专题第三单元人类对原子结构的认识。大家是否记得原子结构模型的演变经历了哪几个阶段?最早提出原子学说的是谁?是道尔顿(演示幻灯片)。他认为原子是不可再分的,是一个实心球。1897年,汤姆森发现了什么?电子,他提出电子是镶嵌在原子中的,就象葡萄干夹在面包里一样,称为葡萄干面包式原子结构模型,也叫枣糕模型。
1911年,英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验确定了原子是由带正电的原子核与带负电的电子组成,电子在核外空间做高速运动,就像行星绕太阳运展一样。
1913年丹麦物理学家波尔提出电子是在一系列稳定的轨道上运动。
到了二十世纪,科学家们用量子力学方法来描述核外电子的运动(演示幻灯片)。
化学2 专题1中我们学习了元素周期律,谁提出的?生:门捷列夫(演示幻灯片)。那么还记不记得什么是元素周期律?第7页:元素的性质随着元素核电荷数的递增而呈周期性变化的规律叫做元素周期律(演示幻灯片)。在元素周期律的基础上人们把已经发现的元素按一定的规则排呈元素周期表(演示幻灯片)。现在人们可以借助元素周期表研究合成有特定性质的新物质。例如在金属和非金属的分界线附近寻找半导体材料,在过渡元素中寻找各种优良的催化剂和耐高温耐腐蚀的合金材料。我们还学了微粒之间的相互作用力,有哪些?生:有离子键,共价键,分子间作用力,氢键。这位笑容可掬的学者就是价键理论的先驱鲍林(演示幻灯片)。
人类对物质结构研究的发展,促进了科学技术的发展。现在,人们借助扫描隧道显微镜,应用STM技术,可以看到越来越细微的结构,并实现对原子或分子的操纵(演示幻灯片)。如果你对这方面有兴趣,请在高二选修教材《物质结构与性质》(演示幻灯片,板书)。
点评:第二环节中出现了碳酸氢钠,第三环节就利用碳酸氢钠是不是酸碱两性物质展开讨论,结合书本中的交流与讨论,设计几个问题,借此了解人类对酸碱认识的发展,从而引出化学理论的发展,最后引导学生选修《物质结构与性质》。这样的设计把第二环节和第三环节自然地联系起来,又自然地把理论的发展带出来,还复习了《化学1》和《化学2》中已学的化学理论知识。
第四环节:金属被人类开发和利用的发展过程
(演示幻灯片)这是一个古代的陶器。你知道古人是怎样学会制陶的吗?学生思考。师:其实最早的陶器是人们在偶然中发现的。人们发现泥土制品经过火烧变得坚硬牢固,遇水也不再会变成泥巴了,这样人们就学会了制造陶器。后来,人们又发现某些石头在烈火中会烧炼出闪闪发光的金属,经过长期摸索之后,人类又学会利用矿石、木炭冶炼金属。从这段文字中你能归纳出哪些冶炼金属的方法(演示幻灯片)?生:第一种方法,热分解法。
幻灯片上打出氧化银和氧化汞加热分解的化学方程式。
(演示幻灯片)炼丹图。大家肯定听说过古代的炼丹术
从公元前1500年到公元1650年,为求得长生不老的仙丹,不畏烟熏火燎,炼丹术士开始了最早的化学实验。在中国、阿拉伯、埃及、希腊都发现了不少记载和总结炼丹术的书籍。
炼丹术最早的研究的材料就是红色硫化汞及其反应2HgS +O2=2HgO+2S(在加热条件下) (演示幻灯片)。据《史记・秦始皇本记》记载,在秦始皇的墓中就灌入了大量的水银以为“百川江河”,而这些水银主要是从硫化汞提炼的。
生:第二种方法,热还原法。
你能举出哪些金属是用热还原法制得的吗?
铜,铁。请学生写出冶炼铜、铁的化学方程式(演示幻灯片)。你们知不知道铁大约是在什么年代被人类大规模开发和利用的吗?学生思考一下。师:答案就在书上。请同学们看书本86页的交流与讨论。人类大规模开发和使用铜是在约6000年前,大规模开发和使用铁是在约2500年前。
锡和铜是在差不多时候被开发和利用的。古人将锡石(SnO2)与木炭放在一起烧,锡便会被还原析出。
并且古人还在铜中加入锡,制成了颜色呈青灰色的合金,叫什么呢?。生:青铜。青铜与纯铜相比具有哪些优点呢?生:具有强度高熔点低,铸造性好,耐磨且化学性质稳定的优点。师:中国青铜文化的起源可以一直追溯到原始社会新石器时代,而其真正的发展最高峰则出现在商朝和西周时期,我国出土了最大的青铜器,叫什么?生:司母戊鼎(演示幻灯片)。
除了铜和铁之外,我们在化学1中还学了哪些金属的冶炼?生:钠、镁、铝。师:请分别写出它们的方程式(演示幻灯片)。归纳一下用了什么方法。生:电解法。师:金属的冶炼方法与金属活动性之间是不是有什么规律呢?请学生思考回答(学生可讨论)。
生:汞和银属不活泼金属,用热分解法;铁铜中等活泼,用热还原法;钠、镁、铝,性质活泼,用电解法。师:(演示幻灯片)不同金属冶炼方法的选择。
师:现在大家是不是可以理解为什么金属越活泼,开发利用的时间就越晚了吧。请学生来讲。生:金属越活泼,越不容易被还原,冶炼的方法和技术要求越高,只有化学发展到一定程度,才能开发利用。
师:如今人们对金属及合金的利用相当广泛,你能举出例子来吗?学生讨论,举例。我们来看几幅图片,这些都是人类对金属合金的利用。(演示幻灯片,有日常生活用品,如锅、卷门、音箱外壳、休闲桌椅等;有大的建筑,如南京朗诗城市广场、新的中央电视台,还有航天飞机等)。
师:科学家还制造出了记忆合金,储氢金属,泡沫合金(幻灯片)
泡沫合金:含有泡沫气孔的特种金属。如:向熔融的铝合金中通入空气,然后加入发泡剂如氢化钛可形成泡沫铝合金。它有质轻、隔热、吸音的效能。
储氢合金:Ti-Fe和La-Ni合金能大量吸收H2。为推动H2作为能源的实际应用可起到重要作用。
记忆合金:Ni-Ti等合金,在较低温度下受力发生变形后,当加热某温度时,形状会恢复到受力前的形状。
点评:这一环节与第二环节的火遥相呼应。由于用火,人们发现了冶炼金属的方法,结合学生学过的几种金属的冶炼方法,以及书本中的交流与讨论,共同探讨出金属的活动性与人类开发、利用这些金属的时间先后的关系。又把古代的炼丹术和青铜稍做介绍,溶历史于化学中,突出了历史的发展中化学确实是打开物质世界的钥匙。最后几种合金的介绍给学生新奇的感受,他们不得不折服于化学所创造的物质。
第五环节:结束语成为第一课时与第二课时的纽带,使两个课时顺利过渡。
自从化学这把钥匙打开了物质世界,人类就一直在试图创造更多的新物质,以适应社会生产发展和人们生活的需要。所以说化学又是人类创造新物质的工具。下节课我们将做详细阐述。
点评:介绍几种新合金,目的就是从金属自然过渡到这些新物质,为第二节课化学是人类创造新物质的工具做好铺垫。
作业设计:
1. 道尔顿的原子学说曾经起了很大作用,其内容包含下列三个观点:①原子是不能再分的粒子;② 同种元素的原子的性质和质量相同;③原子是微小的实心球体。从现代观点看,你认为这三个结论不正确的是( )
A. ③B. ①、③
C. ②、③D. ①、②、③
2.人类使用材料的增多和变化,标志着人类文明的进步。下列材料与化学制备无关的是()
A. 石器 B. 青铜器 C. 铁器 D. 高分子材料
3.化学在自然资源的开发和利用中具有重要的意义。下列认识不正确的是()
A. 利用化学知识和化学规律,人们可以更好地开发和利用资源
B. 利用化学知识和化学规律,人们可以制造更多物质,丰富物质世界
C. 人们在开发和利用资源地过程中,对环境造成了污染,化学对此无能为力
D. 人们对资源的开发和利用过程中,时刻不能忘记资源的可持续发展。
4. 根据酸碱质子理论判定下列说法正确的是()
A. 所有的弱酸根都是碱
B. 酸式弱酸根既是酸又是碱
C. 不可能一种物质既是酸又是碱
D. 氢氧根是碱
5. 19世纪,化学理论建立了哪些有代表性的科学成果?思考这些成果对人类进步产生的影响。
教学反思:
1. 我还有一种想法就是把学生分成若干个组,每组从不同的角度来讨论化学是打开物质世界的钥匙,这样,课堂的预设性不会那么强,学生自由发挥的空间较大,但此举需要学生课前做大量的准备,否则可能会出现冷场。
2. 此教学设计的结尾是把课题自然过渡到第二课时――化学是人类创造新物质的工具。我之所以这样设计的目的是考虑到这一单元两个课时的连续性和统一性,但这样的设计也许会让人觉得最后没有能突出点明主题。我想,整个设计的过程就已经把主题,即核心观念融合渗透进去了,最后的刻意点题反而觉得画蛇添足,不如考虑这一单元的整体性,让它成为这一单元两个课时的纽带。
参考文献:
[1]王磊等.选修课教与学化学[M].北京:北京大学出版社, 2006.8.
[2]王祖浩等.高中化学教学参考书[M]. 南京:江苏教育出版社,2006:86.
[3]王祖浩等.高中化学新教材教学情境设计[M].南京:江苏教育出版社,2006:147.
