發(fā)布時間：2023-09-22 15:33:04
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的量子力學應用舉例樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
近年來生命科學的飛速發(fā)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(lián)系;自然界個體與群體、群體之間及其與外在環(huán)境間的內在聯(lián)系;生態(tài)系統(tǒng)及其內部物質循環(huán)、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(xiàn)代生物科學日趨向微觀世界進軍,并出現(xiàn)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(lián)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(xiàn)代生命科學的重大發(fā)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(chuàng)了現(xiàn)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(fā)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?，F(xiàn)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(yè)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(fā)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(xiàn)代化,這是生物科學現(xiàn)代化發(fā)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(fā)展高度。假如現(xiàn)代生命科學缺乏先進的現(xiàn)代化實驗儀器,那么其發(fā)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(chuàng)新新技術,完成生物科學實驗手段的現(xiàn)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(chuàng)新,不僅方便人們從細胞水平上進行生物規(guī)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(guī)律研究分析,這不僅是現(xiàn)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
關鍵詞：納米涂層；場發(fā)射；電子強關聯(lián)；軟凝聚態(tài)物質
2003年在國際和中國都發(fā)生了具有突發(fā)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(yè)貢獻4萬多億元。中國現(xiàn)今的第二產業(yè)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(yōu)勢是中國的勞動力廉價，這個優(yōu)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(fā)達國家的5％，能耗是3倍，環(huán)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(yè)絕對是一個極其重要的領域，是個急速發(fā)展變化的領域。2003年3月國際真空學會執(zhí)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(yè)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(fā)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(fā)展趨勢，推動科技發(fā)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(yī)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(tǒng)制造技術的方法、理論和觀念，作為現(xiàn)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(fā)展和未來。
1突破傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新規(guī)律和應用領域。與我們熟悉傳統(tǒng)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(xiàn)了一些成功有效的制造方法，發(fā)現(xiàn)了一些驚人的結構和特性。在此基礎上，發(fā)展了納米復合材料的研究，展現(xiàn)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(zhàn)某些產品的傳統(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(huán)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(tǒng)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(tài)、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(guī)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(guī)則，即含有13、55、147…等數量原子的原子團是穩(wěn)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(fā)現(xiàn)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(guī)則?？梢阅Ｐ蜕险J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(wěn)定的結構，這是一維納米結構的魔數規(guī)則。對二維納米膜存在類似的缺陷熔化規(guī)則，即不容許存在很多缺陷，一旦超過臨界值，缺陷自發(fā)產生，完全破壞二維晶態(tài)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(fā)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?？梢韵胂?，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(tǒng)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(xiàn)象進行溫度測量的器件?；跓犭娦梢灾瞥蓛深惼骷簾岙a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(fā)電，如將焦電材料涂于內燃機缸表面，利用缸體溫度高于環(huán)境幾百度的溫差發(fā)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(yōu)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(fā)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?！鰹闊岫藴囟萒h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(huán)境的溫差發(fā)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(fā)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(huán)境監(jiān)測等涂層功能材料，將給家電產業(yè)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(fā)射
碳納米管陣列或含碳納米管涂層場發(fā)射被廣泛研究，以其為場發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)射能力，有利于用涂層法制造平板場發(fā)射陰極。圖3(a)是含鐵粒子碳納米的TEM像，碳管外形發(fā)生顯著改變。(b)是碳管場發(fā)射I-V特性曲線，I是CVD生長的豎直排列碳納米管的場發(fā)射曲線，II是含鐵粒子碳納米管豎直陣列的場發(fā)射曲線，III是含粒子碳納米管躺在基底上的場發(fā)射曲線，有最強的場發(fā)射能力。根據此結果，將含鐵的碳納米管用作涂層場發(fā)射陰極，有利于研制平板顯示器。
5電子強關聯(lián)體系和軟凝聚態(tài)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(fā)展前景。這就涉及到物理學的重要理論問題，即電子強關聯(lián)體系(electronstrongcorrelationsystem)與軟凝聚態(tài)物質(softcondensationmatter)。
在量子力學出現(xiàn)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(tài)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(tài)，超導和巨磁阻就是這種狀態(tài)。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(xiàn)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(tài)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(tài)。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(xiàn)單量子態(tài)，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(xiàn)今被很多人接受。從20世紀初至今，對于基本粒子的量子統(tǒng)計有兩種，一是Fermi統(tǒng)計，遵從Paulii不相容原理，即每個能量量子態(tài)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(tài)物質中有兩個基態(tài)：即共有化Bose子呈現(xiàn)超導態(tài)，局域化Bose子呈現(xiàn)絕緣態(tài)。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(tài)，參與導電的是Bose子。推斷這個金屬相可能是渦流玻璃態(tài)，這個現(xiàn)象在銅氧化物超導體中得到了驗證。
軟凝聚態(tài)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(xiàn)的粘稠物質形態(tài)，稱為軟凝聚態(tài)。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(tài)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(tài)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(tài)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(tǒng)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(wěn)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(tài)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?？茖W的發(fā)展和應用的需求促進深入的理論研究，判斷體系穩(wěn)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(tài)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(lián)，不再是單粒子統(tǒng)計所能描述，需要研究粒子間存在相互作用的統(tǒng)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(tài)結構與特性的基礎學科，是認識自然和發(fā)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(tài)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(tài)被發(fā)現(xiàn)，促進了人類對自然的認識和對其規(guī)律把握能力，推動了科學和技術的發(fā)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(xiàn)的介觀物理，后來發(fā)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(guī)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(tǒng)問題的描述和表征，將會有更多的新現(xiàn)象、新效應、新規(guī)律被發(fā)現(xiàn)。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(fā)展方向有①強關聯(lián)和軟凝聚態(tài)物質，及其他新奇特性凝聚態(tài)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(tǒng)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(xiàn)象和核物質新形態(tài)等；⑤生命活動中的物理問題，物理學的基本規(guī)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(tǒng)性，必然是多學科的交叉發(fā)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(fā)射，以及電子強關聯(lián)體系和軟凝聚態(tài)物質，展示了涂層科學與技術的發(fā)展前景。
參考文獻：
[1]薛增泉，納米科技探索[M]．北京：清華大學出版社，2002.
[2]Pavlova-VerevkinaOB，Kul’kovaNV，PolitovaED，etal．COLLLOIDJ+2003，65(2)：226．
[3]DattaMS，TINDIANIMETALS2002，55(6)：531．
[4]YamaguchiY，JJPNSOCTRIBOLOGIS2003，48(5)：363．
[5]HayashiN，SakamotoI，ToriyamaT，etal．SURFCOATTECH2003，169：540．
[6]PocsikI，VeresM，F(xiàn)uleM，eta1．VACUUM2003，7l(1-2)：171．
[7]FanQP，WangX，LiYD，CHINESEJINORGCHEM2003，19(5)：521．
[8]ArakiH，F(xiàn)ukuokaA，SakamotoY，etal.JMOLCATALA-CHEM2003，199(1-2)：95．
[9]BottiS，CiardiR，CHEMPHYSLETT2003，37l(3-4)：394．
[10]TianML，WangJU，KurtzJ，etal．NANOLETT2003，3(7)：919．
[11]RajeshB，ThampiKR，BonardJM，etal．JPHYSCHEMB2003，107(12)：2701．
[12]FuRW，DresselhausMs，DresselhausG，etal.JNONCRYSTSOLIDS2003，318(3)：223．
[13]KimTW，KawazoeT，SOLIDSTATECOMMUN2003，127(1)：24．
[14]NguyenP，NgHT，KongJ，etal．NANOLETT2003，3(7)：925．
[15]LiQ，WangCR，APPLPHYS．LETT2003，83(2)：359．
[16]ChenYF，KoHJ，HongSK，YaoT，APPLlEDPHYSICSLETTERS，2000,76(5)：559．
[17]JinBJ，BaeSH，LeeSY，ImS，MATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGB，2000，(71)：301．
[18]T.B.SercombeandG.B.Schaffer，SCIENCE，2003，301：1225．
[19]薛增泉，等．新型納米功能材料[J]．真空，2004，41(1)：1-7．
[20]Z.W.Pan，Z.R.Dai，Z.L.Wang，SCIENCE，200l，(291)：1947．
[21]W.U.Huynh，J.J.Dittmer，A.P.Alivisatos，SCIENCE，2000，(295)：2425．
[22]P.Nguyen，H.T.Kongetal．NANO．LETT．2003，(3)：925．
1.信息是哲學層次上的抽象
信息論的主要創(chuàng)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?？上?，現(xiàn)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?；煜畔⒑拖⒌谋澈笫俏覀儗φ軐W和數學的認知出現(xiàn)了差錯。我們要找出這些差錯，還要對整個事件發(fā)生的來龍去脈詳加分析。信息論、控制論和系統(tǒng)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(xiàn)？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(xiàn)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(xiàn)代哲學一直停留在19世紀的水平上沒有多大的進展，表現(xiàn)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(yè)的研究過程中，逐漸觸及到一個新的哲學體系――系統(tǒng)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(yè)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(tǒng)論紛紛出籠。這三個科學理論實際上就是不同專業(yè)的科學家從不同的角度對同一個哲學思想體系的表述?？上У氖且呀洶雮€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(fā)展，現(xiàn)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(tǒng)論都還是一種處在原生狀態(tài)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(tǒng)觀察法的時候，唯物主義宇宙觀也自然會提升為一個系統(tǒng)性的宇宙觀?？傊?，哲學在20世紀發(fā)生了一場跨越式的發(fā)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(tǒng)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(tǒng)學”？我們?yōu)槭裁慈匀环Q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?！懊徽齽t言不順”，現(xiàn)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(xiàn)在看來也需要稍作修正。應該說：信息論、控制論和系統(tǒng)論的幾位創(chuàng)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(fā)現(xiàn)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(lián)想信息論、控制論和系統(tǒng)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(yè)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?！弊鹁吹恼軐W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(xiàn)在，信息論、控制論和系統(tǒng)論已經滲透到了全社會的各行各業(yè)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)論再去學習中國哲學的時候，我們會發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(tài)，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(xiàn)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(fā)生的一次跳躍式的發(fā)展。
20世紀初，廣義相對論把一個由時空張力廣泛聯(lián)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(lián)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(xiàn)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(xiàn)形式；語言是現(xiàn)實的意識。電話的出現(xiàn)，使電信號也成了意識的表現(xiàn)形式和現(xiàn)實的意識。到了信息論我們就把電信號改稱為信息的表現(xiàn)形式和現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)實的意識、把一本書看作是固化的意識；現(xiàn)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(xiàn)形式和現(xiàn)實的意識，而信息論則把信號看成是“意識”的物理表現(xiàn)形式，把消息看成是“意識”的數學表現(xiàn)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(fā)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(tǒng)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)觀察法對客觀事物進行多時空的系統(tǒng)的抽象了。學習過系統(tǒng)論的人都知道，系統(tǒng)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(xiàn)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(jié)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(chuàng)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?！边@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(fā)生著變化。一般情況下，我們都是給相對穩(wěn)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(tǒng)稱，信息就是我們在這個時候使用的一個統(tǒng)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?！笆裁炊际切畔?，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(yī)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(tǒng)的信息，它攜帶的信息量與它所在系統(tǒng)的復雜度密切相關。屁聲在沒有轉輸到醫(yī)生的大腦之前只是一個客觀信號，被醫(yī)生的意識系統(tǒng)接受之后才成為信息，這時它的信息量與醫(yī)生大腦意識系統(tǒng)的復雜程度密切相關，一個經驗豐富的醫(yī)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(tǒng)中的信息，脫離開系統(tǒng)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(tǒng)。
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(tǒng)思維的主要內容之一,任何信息都是一定系統(tǒng)中的信息，脫離開系統(tǒng)就沒有信息。我們必須把信息論、控制論和系統(tǒng)論結合起來一塊研究，形成一個完整的系統(tǒng)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(xiàn)在當我學習了信息論、控制論和系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)去認識宇宙這個大系統(tǒng)。系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)代人，我更喜歡學習現(xiàn)代科學理論。我曾經在它們三者之間徘徊，不知所措?，F(xiàn)在好了系統(tǒng)辯證唯物主義把它們非?？茖W地協(xié)調起來了。中國哲學、辯證唯物主義和信息論、控制論、系統(tǒng)論原本都是一體的，出現(xiàn)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(tǒng)論三論歸一是現(xiàn)代科學理論研究的一大趨勢，系統(tǒng)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(qū)分主觀、客觀屬性，就是把主觀系統(tǒng)和客觀系統(tǒng)，主觀控制和客觀控制，主觀信息和客觀信息一一區(qū)分開來。
A.主觀系統(tǒng)和客觀系統(tǒng)
系統(tǒng)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(tǒng)；當我們把一個國家在主觀上設定為一個系統(tǒng)的時候，也就是在用整體的觀念研究這個國家。系統(tǒng)論就是一個整體方法論?？墒遣恢蠹沂欠裣脒^，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(tǒng)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(tǒng)論的整體性，致使自然界中廣泛存在的另一大類系統(tǒng)不能被納入系統(tǒng)論研究。這另一大類系統(tǒng)就是德國科學家艾根在他的超循環(huán)理論中描述的“循環(huán)生成和循環(huán)制約系統(tǒng)”；也就是中國哲學中的“五行生克系統(tǒng)”。現(xiàn)代的超循環(huán)理論和古代的五行生克循環(huán)，他們研究的是同一類自然現(xiàn)象。
這兩大類系統(tǒng)就像是一對孿生兄弟緊密聯(lián)系，相互影響，相互制約共同維護著客觀事物的平衡發(fā)展。也就是說：任何一個客觀事物的歷史發(fā)展過程都是這兩類系統(tǒng)相互影響，相互制約，相互依存共同發(fā)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?？上У氖沁@兩類系統(tǒng)中有一類系統(tǒng)是不能用邏輯和數學來表達的，現(xiàn)在的系統(tǒng)論只研究具有邏輯和數學性質的系統(tǒng)也是出于無奈。
對系統(tǒng)論的深入研究，讓我們認識到：系統(tǒng)起源于混沌，而最終也結束于混沌，系統(tǒng)的邊緣地帶也都是混沌的，系統(tǒng)處在混沌的包圍之中。那么系統(tǒng)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(tài)。自由運動導致部分物質和能量聚積起來，大聚積引發(fā)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(tǒng)；反過來說，系統(tǒng)是膨脹運動勢力把物質組織起來形成的。所以系統(tǒng)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(tǒng)之中自由運動勢力并沒有被消滅，原來表現(xiàn)為混沌狀態(tài)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(huán)運動。循環(huán)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(tǒng)。這樣在一個相對獨立、完整的系統(tǒng)內部就出現(xiàn)了兩種組織形式的系統(tǒng)，按照膨脹運動組織原則形成的系統(tǒng)我們稱之為“主觀系統(tǒng)”；按照自由運動組織原則形成的系統(tǒng)我們稱之為“客觀系統(tǒng)”。所有自然形成的系統(tǒng)都是主觀和客觀兩種系統(tǒng)交織在一起形成的。
很明顯，現(xiàn)在的系統(tǒng)論研究的主要是主觀系統(tǒng)。雖然德國科學家艾根在研究生物系統(tǒng)進化過程時發(fā)現(xiàn)了循環(huán)系統(tǒng)，也認識到了循環(huán)系統(tǒng)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(tǒng)并列到一起來研究。造成這一現(xiàn)象發(fā)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?，F(xiàn)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(tǒng)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?？陀^系統(tǒng)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(tǒng)面前駐足不前?？蒲袑ο蟮木窒扌砸仓萍s了系統(tǒng)整體思維的全面發(fā)展。現(xiàn)在科學家們研究的系統(tǒng)大多還是以人工系統(tǒng)為主，而人工系統(tǒng)工程都是主觀系統(tǒng)。在大自然中客觀控制系統(tǒng)主要表現(xiàn)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?yōu)槭裁匆D；在四維時空之外它表現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)展都會受到很大影響。
通過對系統(tǒng)論的研究，我們認識到：系統(tǒng)來源于混沌。由于系統(tǒng)論研究的主要是主觀系統(tǒng)，而混沌本身就是一種客觀控制系統(tǒng)，所以應該說：主觀系統(tǒng)產生于客觀系統(tǒng)之中。而隨著系統(tǒng)的發(fā)展，主觀系統(tǒng)中又出現(xiàn)客觀系統(tǒng)；客觀系統(tǒng)中又產生主觀系統(tǒng)。從宇宙大爆炸到生命的產生，再到人類社會的出現(xiàn)，再到人類社會的發(fā)展和完善，系統(tǒng)就是這樣由客觀中產生主觀，再由主觀中出現(xiàn)客觀，主觀系統(tǒng)與客觀系統(tǒng)交替促進，協(xié)調發(fā)展。
總之，系統(tǒng)就是一種整體觀念。任何一個完整的系統(tǒng)或者說自然形成的系統(tǒng)都是主觀和客觀兩類系統(tǒng)交織在一起形成的。主觀系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)內部各要素之間有級差關系，這是由系統(tǒng)的方向性所決定的控制與被控制關系；而客觀系統(tǒng)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(xié)同關系?，F(xiàn)代系統(tǒng)論研究的僅僅是主觀系統(tǒng)，這是因為數學語言解讀不了客觀系統(tǒng)。要想建立一個完整的系統(tǒng)理論就必須站在哲學的高度把主觀系統(tǒng)和客觀系統(tǒng)結合起來一塊研究。
B.主觀控制和客觀控制
在現(xiàn)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(fā)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(tǒng)來進行研究的時候，就把膨脹運動勢力對系統(tǒng)的影響作用稱之為：“主觀控制”；自由運動勢力對系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)的控制屬于客觀控制，而總經理對企業(yè)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(fā)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(tǒng)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(huán)相生、循環(huán)相克是客觀控制的基本形式，而維持系統(tǒng)平衡是客觀控制的目的。
現(xiàn)代系統(tǒng)論主要是研究主觀系統(tǒng)；同樣，現(xiàn)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(tǒng)中的信息，沒有系統(tǒng)無所謂信息。在主觀系統(tǒng)中運行的是主觀信息；在客觀系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(tài)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?？陀^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(tài)和基本屬性。原本物質和物質的存在狀態(tài)、物質的屬性是不可分離的，是大腦把物質的存在狀態(tài)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(tài)，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(tài)，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(tài)，有了相對穩(wěn)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(xiàn)，主觀控制和客觀控制的表現(xiàn)形式也不斷提高，客觀信息的表現(xiàn)形式相應發(fā)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(tǒng)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(qū)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(fā)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(xiàn)，信息論，控制論和系統(tǒng)論幾乎是同時出現(xiàn)。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(fā)展關系。辯證唯物主義就是這樣發(fā)展成為系統(tǒng)的辯證唯物主義。
我們現(xiàn)在都沒有把信息論、控制論和系統(tǒng)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(tǒng)，而現(xiàn)代系統(tǒng)論只研究其中占主導地位的一類系統(tǒng)，對另一類系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)。我們把客觀系統(tǒng)、客觀信息和客觀控制提出來，把主、客觀系統(tǒng)之間的相互關系辨析清楚，一個嶄新的哲學體系就顯現(xiàn)在我們的面前。
1課程特點
線性代數具有結構嚴謹、概念抽象、定理證明復雜和計算過程繁瑣。由于學生在學習該課之前只涉及到線性方程和向量少量的內容。因此，對該課程的學習常常感到很困惑，特別是對許多定理的證明難以掌握，對計算過程感到復雜。由此，學生的學習積極性不高。另外，由于在課堂上老師既要考慮到定理的證明，又要注意計算方法的講解，教師的工作量很大。這樣導致老師感教學任務繁重。
2教學現(xiàn)狀
線性代數教學的目的是向學生該系統(tǒng)傳授該課程的各部分知識，并且能夠為學生的后繼課程的學習提供必要的支持。然而，由于許多大學都在向應用型大學轉型，導致教學計劃和進行方案發(fā)現(xiàn)較大的變化。其中一個變化是線性代數的教學內容增加和教學時數的減少。那么，在這些條件下，要完成教學任務，必須對線性代數的教學進行改革。為此，在這里提出自己的一些思考和探索。
二、教學改革的探索與實踐
在線性代數的教學中，為了確保其教學質量和效果，我們從以下幾方面進行研究和探討。
1注重能力的培養(yǎng)
為了在課時數減少的條件下，完成線性代數的教學任務。我們采用以下的方法：首先明確不同專業(yè)對線性代數的要求，對不同專業(yè)的學生按專業(yè)需要求進行教學；其次，把體系結構相似的知識放在要求教學；對基本的概念教學詳細的講解，對定理的證明介紹其過程，重點講解不同問題的計算過程。
2加強知識應用的介紹
由于學生在學習線性代數時，不知道各個知識點在實際和后繼課程的應用，因此學生對該課程的學習感到，往往處于被動地位。為此，在講解每一部分知識之前，對其在實際和后繼課程應用進行介紹，讓學生了解這些知識的重要性，這樣可以調動學生的積極性，充分發(fā)揮學生的主動學習性。例如在講行列式時，我們首先介紹方程組解用行列式可以分別表示，然后舉例說明用行列式可以表示出三角形的面積，利用行列式可以表示出多元函數的極值的條件。又如，在講解矩陣時，我們舉出了矩陣在運籌學中的應用；在講方程組時，我們結合電路理論中的基爾荷夫電壓和電流定律舉出線性方程在電路分析中的應用；在講矩陣的特征值時，介紹特征值在量子力學中的久期方程中的應用；在講二次型時，介紹其在解析幾何和相對論中的應用。這樣，學生的學習積極性被調動起來，學習由被動變?yōu)橹鲃印?/p>
3類比推廣法
在線性代數中存在一些抽象概念比較難理解，影響學生對這些知識的掌握，從而產生為難情緒。由此，許多同學認為該課程比較難學。在教學中，為了幫助學生理解這些概念，我們使用類比法：即利用學生有已經掌握的知識來講解這些概念。例如，在向量的線性相關與線性無關的概念講解中，我們從三維空間中的向量的位置關系來引入n維向量的線性相關與線性無關；在講解n維向量的基時，我們有利三維空間坐標系的三個軸方向的單位矢量來引入向量空間的基這個概念；在講解向量正交概念時，我們利用三維空間向量垂直的概念引入n維向量正交的概念；在講解線性無關向量的正交化過程時，我們利用三維空間中的向量通過旋轉的方法說明向量的正交化過程。總之，通過類比推廣式教學，學生對所學的知識有較好的掌握。
4利用多媒體教學
在線性代數的教學中，有許多定理的需要證明。但由于教學改革需要，線性代數的課時數由以前的周課時時4減少到周課時3，這樣影響了定理證明過程介紹。為了解決這一問題，我們借助于多媒體對一些證明過程復雜的重要定理進行詳細的講解，對一些證明過程簡單的定理讓學生們自己自學。這樣既對定理的證明過程進行了講解，又節(jié)約了時間來對線性代數的計算部分進行的教學，使學生對線性代數的內容有一個完整的認識和掌握。
5引導學生利用計算機軟件進行編程
在線性代數學習過程中，學生對行列式、矩陣轉置、矩陣加法、矩陣減法、數乘矩陣、矩陣的乘法、矩陣逆、矩陣的特征值以及線性方程組的求解進行許多計算。但是，他們很少有機會利用計算機來解決這些計算。在教學過程中，我們對mathlab語言進行介紹。這樣可以激發(fā)學生對線性代數的學習興趣，為今后學生的專業(yè)學習打下好的基礎。在線性代數教學完成之后，我們引導學生利用mathlab研究線性方程組中常數項對方程解的波動穩(wěn)定性的影響。
三、結語
【關鍵詞】物理教材;內容轉化;內容策略
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 課題提出的意義及歷史背景
人民教育出版社義務教育課程標準實驗教科書《物理》新教材內容加強了與學生生活、現(xiàn)代社會和科技發(fā)展的聯(lián)系，努力引導學生深入社會和科學領域進行觀察和體驗，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力；教材要求教師在教學中要關注學生的情感、態(tài)度，為學生學會學習、終身學習打基礎。要求積極做好每一個實驗，讓學生在體驗中學習，提倡學生主動參與、樂于探究。促進課程、教材、教學之間的相互轉化、促進和融通使學生真正成為學習的主人。該教材的教學實踐得到了社會的認可，大部分初中物理教師認為新教材體現(xiàn)了改革精神，切實可用。但是，仍有一些教師對新教材茫然不適，覺得教材順序亂了套，經驗失靈，內容簡單，試題難命。按傳統(tǒng)方式，試題不是太容易就是超綱，這說明新教材的確不合應試教育的口味。因此，如何使教師盡快克服傳統(tǒng)教育思想和傳統(tǒng)教學方法的慣性干擾，正確使用新教材，使我們初中物理教學全面轉入素質教育的軌道，是目前教材教法研究中的一大課題。我認為，要真正用好新教材，提高教學質量，根本在于走出誤區(qū)，改革教法。如何最大程度用好新教材，充分體現(xiàn)新課程理念，真正實現(xiàn)素質教育，為黨和國家建設培養(yǎng)需要的各類高素質人才。我認為：必須要轉變思想，革新教法；必須集體備課，發(fā)揮教研組的優(yōu)勢；必須“分層教學，分類指導”；必須革新學習方式，進行有效教學。
2 課題研究的方法
初中物理作為九年義務教育的一門課程，必須為實現(xiàn)這個總的人才培養(yǎng)目標服務。過去的許多年中，初中物理教學在改革方面雖取得了很大成績，但始終沒有擺脫應試教育的干擾，忽視思想教育和能力培養(yǎng)，教學要求被不適當地拔高，講授往往是“滿堂灌”，作業(yè)訓練又是“題海戰(zhàn)術”，使本來有趣實用的初中物理，變成了對多數學生負擔過重的課程。
2.1 轉變教育思想，革新教法:教育思想的轉變，是用好教材，提高義務教育質量的前提。傳統(tǒng)教育觀念和教學方式的“慣性”極大，致使有的教師“穿新鞋，走老路”，喜歡用應試教育的眼光審視新教材，結果是既不適應，又不放心，害怕新教材降低了難度，影響教學質量，影響升學率?？梢?，轉變觀念，是用好新教材的前提。只要我們在觀念上真正完成了由應試教育向素質教育的轉變，跟上教學大綱和教材的改革步伐，面向全體學生，注重全面發(fā)展，新教材的使用必將既能減輕學生的過重負擔，又能培養(yǎng)國家建設需要的各類高素質人才。
傳統(tǒng)的教學方法必須改革，教學方法脫離不開教育觀念和教學目的。素質教育旨在“面向全體”和“全面發(fā)展”，課堂教學不僅要傳授物理知識，而且要培養(yǎng)學生的各種能力。傳統(tǒng)的教學方法較陳舊，不符合素質教育的要求，不適應新教材的特點，我們應該改革教學方法，變注入式教學、題海戰(zhàn)術為啟發(fā)式教學，探究性學習，引導學生學會學習，學會思考，學會運用所學物理知識解決實際問題。新教材雖然降低了難度，但對教師的教學水平卻有了更高的要求，照本宣科顯然不行了。新教材編者的用心良苦，突出了物理知識的趣味性，旨在創(chuàng)造意境，更好地激發(fā)學生的學習興趣，使他們輕松愉快地自覺學習，教學方法應該體現(xiàn)這個意圖；知識的傳授應該是引導學生動腦動手，通過想一想、做一做擴大教學效果，而不能以偏題怪題讓學生鉆“牛角尖”；漫畫或插圖內涵豐富，相關的物理知識、含義盡在其中，切不可走馬觀花，一晃而過；新教材知識面廣，伸縮性大，目的是要面向全體，適應不同程度的學生，教學中一定要對所有學生一視同仁。
上述種種觀點，宏觀上屬教學方法的范疇，教學中非如此不可。至于每一個物理概念的具體教法，當因人、因教學內容而異，應該是百花齊放，各顯其能。但是，具體教法不能與基本教學原則相違背，否則又會走上應試教育的老路。對學生的能力培養(yǎng)比單純的傳授知識更重要，較強的能力受益終身，而有些物理概念和規(guī)律，初中階段知道即可，對過深的科學道理的理解，隨著學生年齡增長和知識積累，自然會“水到渠成”。
2.2 發(fā)揮學科組的優(yōu)勢，集體備課:在新教材教學中，充分發(fā)揮物理備課組的優(yōu)勢，聚眾人之智慧，展現(xiàn)備課組每一個教師的特點，努力挖掘新教材的功能，采取有效的教育教學策略和教育方法，激活、喚醒每一個學生的潛能，在教育教學過程中給學生提供和搭建參與學習的舞臺，幫助學生學會主動參與，主動學習，啟發(fā)學生提出問題，發(fā)現(xiàn)問題，指導和幫助學生分析，解決問題，使學生真正成為學習的主體，熱情的參與者和主動的學習者。學習新教材，樹立“以學生發(fā)展為本”的理念。我覺得可以從以下幾個方面去嘗試：
2.2.1 努力創(chuàng)造條件，做好每一個實驗:新教材中有著眾多的實驗和探究，充分體現(xiàn)了培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐努力的素質教育思想，然而其中不少實驗是過去教材中沒有的，教師缺乏經驗，學校缺乏器材。為此我們在備課時首先認真地把所有演示和學生實驗都做一遍，以得到體驗和感受，發(fā)現(xiàn)實驗成功的要點和關鍵，積極改進實驗的方法和器材。經過備課組的共同探討，大家認為，可以讓學生在自己還不甚理解的時候就先實驗，滿足他們的好奇心（其實這也是一種學習），教師這時的主要任務是防止出事故和找出學生實驗不成功的主要原因，然后教師在學生實驗的基礎上分析學生實驗不成功的原因，最后讓學生再做一次實驗，這樣利用同樣的教學時間卻取得了更好的教學效果。所以良好的實驗氛圍，不但體現(xiàn)了新教材的觀察、探究和實驗功能，也優(yōu)化了課堂教學，提高了我們的教學效益。
2.2.2 創(chuàng)設情景、激發(fā)學生學習的興趣，延伸學生的學習時空:在課堂教學中我們備課組在備課時努力根據學生和教學的實際創(chuàng)設引入知識的情景，激活學生學習的情趣，去激發(fā)學生參與學習興趣。我們通過精心的制作課件、精心的設計演示和學生實驗、精心的設計課堂設問，努力創(chuàng)設學習情景，啟發(fā)學生的思維，努力使學生的態(tài)度、情感和價值觀潛移默化地受到教材的影響，引導學生主動地探索知識發(fā)生，發(fā)展的過程，不斷深入地去發(fā)現(xiàn)問題，探索解決問題的方法。
新教材的內容不是封閉性的，我們利用教材的彈性和開放度。在教學之余成立了學生研究小組，讓學生自己收集、整理信息，制作課件，激發(fā)他們對物理的學習興趣，培養(yǎng)形象思維和邏輯思維的能力，把教學延伸到課堂之外。教材中常有“科學世界”、“STS”、探究這樣一類問題，我們總是放手讓學生們在課外自己探討，我們認為不同的學生會有不同的發(fā)現(xiàn)，他們會用不同的思維、實驗得到不同的結論，有的對、有的錯，有的有道理，有的甚至毫無道理，但沒有什么可大驚小怪的。我們備課組認為新教材設計這些問題目的不在于得到何種既定答案，而在于鼓勵學生去探索，去思考，去發(fā)現(xiàn)。教學中把功夫下到課堂之外，既能利用社區(qū)、家長等各方面的資源，又在了解和指導學生的過程中加強與社會各界的聯(lián)系，開發(fā)課程資源，實現(xiàn)了新教材的功能。從而不斷的激發(fā)學生的學習興趣，激活學生的思維，強化他們自立學習的意識，并且在學習過程中貫穿著情感熏陶和價值觀的培養(yǎng)。
2.2.3 增加教學中的信息技術含量，提高課堂教學的效率:我們備課組經常運用不同的現(xiàn)代教育手段來處理新教材的教學。比如，我們還利用網絡上課，設計了專題的內容，專題的練習，師生在網絡上學習、交流、答題。我們嘗試把課堂教育教學模式引向多媒體、電腦網絡信息領域，利用網絡信息豐富、傳播及時、讀取方便、交互強等特性，不但促進教育教學的革新，豐富教育教學形式，還增加課堂教學的容量，增強教學中觀察和思維、演繹和歸納、分析與綜合的直觀性，取得了良好的教學的效率。
2.3 重點采用“分層教學，分類指導”:長期以來，初中物理教學，由于受班級授課制的束縛，教師從備課、授課、作業(yè)、輔導、考查到評價，很少顧及好、中、差各類學生的智能差異，均采用“一刀切”“一鍋煮”的方法進行教學，使得優(yōu)生吃不飽，差生吃不了，中等生吃不好。從學生的實際出發(fā)，規(guī)定不同層次的要求，進行不同層次的教學，給予不同層次的輔導，組織不同層次的檢測，使各類學生學習物理人人有興趣，個個有所得，在各自的“最近發(fā)展區(qū)域內”得到充分的發(fā)展，圓滿地完成學習任務，全面提高全體學生的素質?？傊龅矫嫦蛉w，因材施教。
2.4 革新學習方式，進行有效教學:我國目前的中小學教學有一個非常突出的問題是：教師很辛苦，學生很痛苦。在全面推進至素質教育的今天進行有效教學顯得尤其重要。變革學習方式，切實加強創(chuàng)新精神和實踐活動的培養(yǎng)，是新課程的基本理念，也是新教材的宗旨所在。我以為主要做到以下幾點：
2.4.1 突出學生主體地位:老師在上課時，要大膽地給時間讓學生動手，動口，動腦，要給足時間讓學生討論，辨論，議論，要給足時間讓學生思考，只要時間有效地化在學生身上，我覺得就充分地用好了新教材。
2.4.2 舉例頗具代表性:舉例包括例題、作業(yè)、練習、生活中的現(xiàn)象，要具有代表性，典型性。作為教師如何在有限的時間內發(fā)揮最大的效益，那么你所選的例題、作業(yè)、練習、生活中的現(xiàn)象就必須恰當，呈現(xiàn)方式恰到好處，能夠以點概面，能夠讓學生在例題中理解知識，學會技能，培養(yǎng)興趣。尤其是例題的選擇老師要多花點時間，多花點心思，多想點方法，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題的能力。同時要符合新課程要求，體現(xiàn)創(chuàng)新精神和實踐能力。
2.4.3 評價要多元化:在物理課堂教學評價中要重視人文化評價方法，注重鼓勵性，人情化，注意方式方法，并做到因人而異。但同時也不能完全放棄實證化評價方法，實事求是，開誠不公地指出缺點和錯誤。從二者的關系來看，雖然表面上二者存在著尖銳對立的傾向，但從辯證的角度看，二者實際上是一種優(yōu)勢互補的關系，恰當地處理好二者的關系，可以充分發(fā)揮二者的長處，彌補二者的缺陷，使它們在課堂教學評價活動中在發(fā)揮各自作用的同時，相互吸收對方的合理因素，做到具體地、有機地結合。
3 課題研究實施過程中必須遵循的四條原則
在實施新課程和新教材過程中，使我們深深覺得課改必須遵循敢于質疑、勇于探究、善于思維、勤于實驗的四條原則，我們不能偏離這個方向。我們必須堅持這四條原則不動搖，如同我國正在進行的改革開放必須堅持四項基本原則一百年不動搖一樣，新課程改革不論以何種方式進行，不管如何做新的嘗試，我們都應該投以贊許的目光，但是有一點不能變，那就是敢于質疑、勇于探究、善于思維、勤于實驗的四條原則不能變，偏離了這四條原則，也就違背了物理學歷史的發(fā)展規(guī)律，必然會偏離正確的方向。這點一定要切記、切記。
隨著教學改革的不斷深化，全面實施以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力為重點的素質教育已成為教育界的共識。對物理學科而言，在實施新課程和新教材過程中，不斷地有許多新的觀點，好的做法出現(xiàn)，并且也涌現(xiàn)出成功的典型。但是，也有許多嘗試偏離了物理學科發(fā)展的原則，值得我們共同來關注和探討?？v觀物理學史，結合新課程改革的理念，在實施新課程和新教材的過程中，教師除了要具有扎實的專業(yè)知識和淵博的綜合性知識之外，還必須遵循以下四條原則：
3.1 敢于質疑:20世紀物理學革命告訴我們，科學的每一次嶄新境界的開辟，都必須要有敢地向舊理論說“不”的勇氣。愛因斯坦，玻爾用他們年輕的心，沸騰的血和活躍的頭腦，帶領海森伯等一批又一批的年輕人，勇敢地向舊理論思想挑戰(zhàn)。在此期間，每一個“不”字的出現(xiàn)都響徹云霄，宛如春雷一般。普朗克提出能量是“不”連續(xù)的；愛因斯坦更深入地提出了輻射也是不連續(xù)的；海森伯更是提出了量子力學中最關鍵的一個關系式即“測不準關系式”；此外華裔物理學家李政道，楊振寧又向守恒說出了“不”，提出了“宇稱不守恒”。每一個“不”字都給物理學以飛躍，可見，挑戰(zhàn)孕育了創(chuàng)新，勇氣孕育了力量，信心帶來了成功。
在實施物理新課程與新教材過程中，教師要努力培養(yǎng)學生敢于質疑，勇于創(chuàng)新的科學精神。在物理課堂上，教師要鼓勵學生敢于向權威挑戰(zhàn)，要努力營造一個民主，平等的課堂氣氛，讓學生們用一個開放的，喜歡探究和充滿活力的頭腦去不斷提出新觀點，否定舊理論。充分發(fā)揮學生探究學習，自主學習，合作學習的能力。教師應該樹立理性的權威觀。
隨著信息時代的到來，為學生提供了廣泛攝取知識與鍛煉思維的機會。因而他們也完全可能在某方面甚至是本學科領域領先于教師。在物理教學中，學生會常跟老師談及他們從網絡信息中獲取的一些知識與信息，其中可以有很多對教師來說是全新的感受。“聞道有先后，術業(yè)有專攻”，“青出于藍而勝于藍”。因此我們在教學中應永遠保持謙虛進取的態(tài)度。在教育學生的同時，也應自覺地接受學生的“教育”，并把自己置身于終身學習的狀態(tài)。因此，教師在教學中應充分表現(xiàn)出嚴謹務實，批判進取的科學精神，努力展示自己的教學智慧及內在的精神氣質，教師的熱情和同情心，教師善于鼓勵和想像的傾向性，為學生的發(fā)展具有極大的影響力。教師在教學中應該有強烈的好奇心和求知欲，有遠大的理想和鍥而不舍的鉆研精神，要有熱情洋溢、情緒飽滿、富于激情的想象力，并以此來樹立自己在學生心目中的崇高地位。
3.2 勇于爭辯:通過研究物理學史，我們不難得到這樣一個啟示：科學的每一次重大發(fā)現(xiàn)和突破的背后都隱藏著激烈的爭論。其中最令世人注目的是愛因斯坦和玻爾曠日持久的世界性論戰(zhàn)。愛因斯坦拒絕把量子力學接受為終極理論，并對以玻爾為代表的哥本哈根學派的正統(tǒng)解釋發(fā)動了猛烈的攻擊，這場爭論使世人明白，量子力學的理論是非局域性的理論。它涉及到類空關系，即比光速還快的信號傳播，而狹義相對論則是局域性理論。這場世界性的科學爭論，無疑對科學和哲學的發(fā)展產生了深遠的影響。此外，玻爾和海森伯的散步，普朗克和愛因斯坦的爭論都對20世紀的物理學產生了極為深遠的影響。討論并沒有完，現(xiàn)在在牛津和劍橋，科學怪杰霍金和彭羅斯的討論還在繼續(xù)著，物理學還將有著重大發(fā)展，因為“科學扎根于討論”。
教師在實施新課程和新教材過程中，必須轉變傳統(tǒng)教育中的師生觀，構建相互尊重，互相信任的，平等的，合作的新型師生觀，教師應該成為學生學習的幫助者，指導者，合作者，促進者，引導者。教師在課堂教學組織中要達到“四個允許”：錯了允許重來；不完整的允許補充；不同的意見允許爭辯；老師錯了允許提意見。教師要切實把教學活動看成一個不斷面臨新問題的過程，是一個知識不斷擴展的過程，是一個與學生不斷共同學習的過程。從而真正做到教師與學生之間相互學習，相互切磋，相互啟發(fā)，相互推動，也就是要做到教學相長。同時，教師要積極創(chuàng)設條件，準備一些辯題，讓學生在課堂上進行辯論。讓學生自己擺觀點，舉例子，講道理，用事實說話，從而促進學生的探究性學習，實現(xiàn)新課程的目標，用好新教材，培養(yǎng)學生勇于討論的習慣。
3.3 善于思維:我們讀過《物理學史》之后會發(fā)現(xiàn)：科學神奇之樹的每一次萌芽、成長、開花、結果都有著孕育它們的科學土壤。值得一提的是哥本哈根大學物理理論研究所。在這里既有22歲當講師、27歲當教授、31歲獲得諾貝爾獎的海森伯，有作為“上帝的鞭子”不斷地指出他人論文缺陷的泡利，有開玩笑不講分寸的朗道，還有“幾乎把畫漫畫和打油詩作為主要職業(yè)而把物理當成副業(yè)”的伽莫夫，哥本哈根大學的氛圍使人感到繁忙、激動、活潑、熱血沸騰、無拘無束、和藹可親，充滿著挑戰(zhàn)。他們的年輕和倔強，使他們不斷地有新的想法，新的觀點，新的思潮，新的認識如同一股股清泉涌出。在那漫長、艱辛、曲折的探求科學真理的道路上，有無數年輕人的貢獻和創(chuàng)舉。究其實質，人類科學的進步就是一個不斷否定舊理論和提出新觀點的過程，而他們的年輕就注定他會有一個開放，喜歡探究和充滿活力的大腦，為他們取得成功提供了條件。培養(yǎng)學生科學的思維顯得尤為重要。
作為一名物理教師，在實施新課程和新教材的過程中，尤其要注意培養(yǎng)學生科學的思維，思維是創(chuàng)新的靈魂。在教學中教師可以從以下方面來培養(yǎng)學生科學的思維。
①尋找思維的起點。就是能引起思考，推動思考不斷深入并成為解決問題突破口的信息群。學生解決問題的能力差異大多表現(xiàn)在尋找思維起始點的速度快慢上，教師若能幫助學生學會尋找思維起始點，學生的學習便易獲得成功。
②設立思維中間站。初中生思維能力弱，跨度小，學習過程中不會適時設立思維中間站，而對大量的信息，不會篩選、整理、剖析，抓不住有用的信息，把握不住問題的實質，這樣就出現(xiàn)了一知半解，隨意湊合，應付了事的情況。針對初中生的上述思維特點，在教學中要采取小步子，搭臺階的辦法，在思維之間增設思維中間站，及時幫助學生排憂解難，抓住關鍵，把握重點。開始時思維站間距可短些，慢慢地擴大，漸漸加大思維跨度。當問題抽象，學生具體經驗少時；當問題涉及面廣，學生知識能力存在缺陷時；當問題內部結構復雜，學生綜合能力差時，需增設思維中間站。
③已設立的各思維中間站之間需要架設思維連接線加以聯(lián)系，使各思維中間站能順序地有效地協(xié)調運行。這種聯(lián)系方法既有點與點之間的串聯(lián)，線與線之間的交織，又有面與面之間的網絡化。圍繞重點知識尋同類，舉實例，找反例，思錯例，將每一個思維中間站都納入有效的思維控制范圍內，形成有序的思維網絡，使各知識點成為互相聯(lián)系的整體，從而達到提高思維效率之目的。
④變換思維審視角。用原有的思維方法不能求得問題的解決時，應及時變換思維審視角。變常規(guī)思維為突躍思維，直線思維為平面或立體思維，收斂思維為發(fā)散思維，一般思維為極端思維，正向思維為逆向思維。往往能提高思維效率。
⑤設計開放性問題。新穎的問題能引導學生從不同的方向思考問題，尋求眾多的適當答案，使學生找出以前沒想到也不敢想的各種奇妙的好方法，而且是引導學生開展實踐探究的好方法，這樣能起到事半功倍的效果。
3.4 勤于實驗:值得注意的是，百年諾貝爾物理學獎的重大獲獎項目中絕大多數都與物理實驗有關，純理論研究很少，就是獲獎的重大理論研究也是大量實驗事實的總結，再用數學公式簡潔表達的結果。即使是理論項目，也要在實驗證實后才獲獎。如：1927年電子衍射實驗證實了粒子的波粒二象性，提出了波粒二象性理論的德布羅意才于1929年獲獎；1957年，吳健雄實驗證實了弱電相互作用，提出宇稱不守恒的楊振寧、李政道獲諾貝爾物理學獎；1973-1978年實驗上發(fā)現(xiàn)中性流存在，提出弱電統(tǒng)一理論，預言中性流存在的、格拉肖、溫伯格、薩拉姆于1979年獲獎等。事實證明，物理學的理論大廈是由實驗支撐的，沒有實驗，物理學大廈的基礎就不牢固。
不僅僅如此，實驗是檢驗物理理論正確與否的惟一標準。是各種爭論的最公正的裁判，是修正錯誤的依據，更是發(fā)現(xiàn)新理論的起點。事實上，無論理論有多美好，無論它的形式有多完美，只要與實驗不符就不可能成為物理學的組成部分。這表明，最后還得實驗說了算，形式邏輯和完美的數學代替不了物理。因此，我們特別強調物理學研究要把理論基礎和實驗緊密地結合在一起，重視實驗研究，重視物理實驗室的建設，加大投入，更新實驗設備，巧妙地設計實驗方法，精心地分析實驗現(xiàn)象，在實驗中尋求新的突破和新的發(fā)展。對物理教師而言，我們應尤其注意實驗教學，培養(yǎng)學生動手能力，動腦能力，設計能力，操作能力和實踐能力。教師要在實驗中讓學生充分的交流合作，并且提出一些激發(fā)思考的問題，留給學生足夠的探索空間，引導學生看到與其論點相矛盾的觀點的事實，或者組織持不同見解的學生進行討論，自行設計實驗，驗證自己的觀點。要讓每個做實驗的同學都有自己的經驗世界，他們各自對某種問題有不同的假設和推論，通過小組交流，辯論，分工與合作等形式，促進學習者之間的溝通，而面對各種不同的觀點，實驗者要學會整理、表達自己的見解，學會聆聽，理解他人的想法，學會接納，贊賞，爭辯，互助，他們不斷對自己和別人的看法進行反思和評判。平常定期開展科技小制作，小實驗，小創(chuàng)新，小發(fā)明以及實驗操作活動，引導學生進行一系列實踐操作，如安裝照明電路，鑒別黃金首飾等。在物理教學中加強“STS”的研究，培養(yǎng)學生從生活中學物理，又把物理應用于生活的能力。真正做到“in life，by life，on life”。
4 研究措施
4.1 建立課題組，形成管理網絡。由校長及上級有關領導顧問，教研室和中心學校領導監(jiān)督，課題研究組長組織實施，課題研究組長、組員具體開展，做到分層管理，步步落實，確保課題研究順利運行。
4.2 注重教師培訓，加強理論學習。因為實施“學法指導”的實驗研究，對教師的教育思想和業(yè)務素質提出更新更高的要求。所以組內首先組織教師進行理論學習，更新教育觀念，弄清“學法指導”的實質和任務，明確課題研究的目標。
4.3 強化過程，加強全程管理。首先開展課題研討活動，使研究者明確研究的任務和目標；其次是加強調查研究，把握學生在實驗前、中、后三個不同階段的學法水平，以有的放矢的實施指導，不斷修正課題研究方案，使課題研究工作更趨科學化和規(guī)范化；再次是開設學法指導課，選擇課題承擔者根據各自研究的內容上好實踐課，供大家觀摩學習；第四是督促全體組員不斷總結，積極撰寫論文、心得體會、個案分析等。
4.4 改革課堂教學，促進學生主動的發(fā)展。課堂教學是實施學法指導實驗研究的主渠道。在課堂教學的改革中，我們的研究重點要放在以下三個方面的學法指導上：
4.4.1 轉變教學觀念。我們強調教師不僅是學生知識的傳播者，更是學生學習的建議者和指導者。課堂教學不是教師教學生，而是在教師的啟發(fā)、誘導、點撥下，通過學生自身的多種感官參與與親身的活動來掌握科學的方法，自主、獨立、創(chuàng)造性的實現(xiàn)學習目標。同時，我們還要幫助學生把學生過程拓展到課前及課后。
4.4.2 指導學習方法。在學法指導中，除了要組織一定數量的專題形式予以指導外，更重要的是根據學生的不同年齡特征和心理傾向在課堂上進行滲透，在課堂后進行交流總結。
4.4.3 培養(yǎng)學習習慣。僅貫徹落實素質教育的要求僅加強學生學習方法的指導是不夠的，還需要培養(yǎng)學生良好的學習習慣，形成的“良好氛圍，幫助學生在自主學習、自主管理中不斷完善自我、不斷發(fā)展自我?！?/p>
5 研究的方法
5.1 教師充分挖掘文本，設計自主學習任務。做到用好課本，而不是教好課本。
5.2 文獻資料法。通過對國內外有關“自主學習”理論與經驗的學習研究，對“自主學習”的內涵和外延更加明確的認識，確立課題的理論支撐，加強理論學習，使我得到理論的提高。
5.3 比較法。選定實驗班，以平行班為對照班，進行縱向、橫向的比較。
5.4 調查法。通過對實驗過程的調查，發(fā)現(xiàn)問題，研究對策，及時施加變量，控制無關變量。
5.5 個案法。對有代表性的學生作個案分析，分類研究，跟蹤調查評價，寫出個案研究報告。
5.6 適當采用計算機、網絡等輔助科研手段。
6 實施步驟
6.1 第一階段：調查探索階段（時間：2009年12月至2010年2月）
對本校教師與學生物理教學方式的現(xiàn)狀及期望進行調查，根據調查情況制訂實施新的教學方式的方案。方法如下：
6.1.1 運用調查法，調查師生的物理教學方式。
6.1.2 運用測試法，對學生進行英語口筆頭運用能力的測試。了解物理教學方式的現(xiàn)狀及期望；制訂出實施新的教學方式的方案。
6.2 第二階段:試驗應用階段（時間：2010年3月至6月）
6.2.1 改變教師傳統(tǒng)的按部就班地教授題材貧乏、體裁單一的教學內容，嘗試創(chuàng)造性地、有選擇地教授題材豐富、體裁多樣的教學內容。嘗試多種課型的模式探索。
6.2.2 改變以教師為中心的“滿堂灌”的教學方式，嘗試以學生為主體的“任務型”的教學方式。
6.3 實施方法：(1)問卷調查表;(2)對照表;(3)座談會。
6.4 預期目標：學生知識面有較大拓寬；學生用物理解決實際生活的能力有較大提高；學生運用物理的實踐能力有較大提高。
6.4.1 第三階段：推廣應用階段（時間：2010年7、9月）
對第二階段的試驗各個案例資料進行分析總結，去粗取精，全面實施新的教學方式。
實施方法：(1)問卷調查表;(2)圖表;(3)經驗交流會。
預期目標：
新的教學方式得到完善、推廣應用
第四階段：總結階段（時間：2010年10、11月）
對第二、三階段的試驗個案及研究資料進行整理分析和歸納總結，撰寫成有價值的試驗報告、個案報告、調查分析報告、經驗總結、論文、結題總結。
7 完成研究的條件分析
7.1 領導重視和學校配合縣教研究室和中心學校課題組領導的指導。
7.2 研究隊伍素質精良，課題組成員由教學、教研、管理三方面人員組成。
7.3 硬件設備得與保障。
8 成果形式
8.1 最終完成時間:2010年11月。
8.2 研究成果形式
8.2.1 課題研究實驗報告，實施方案；
8.2.2 論文、個案反思、敘事文章；
8.2.3 有關學生完成自主學習任務的調查結果、
8.2.4 學生成績評定的“增值”數據；實驗報告（階段性總結）；
8.2.5 個案研究資料各學科的優(yōu)秀課堂教學紀實（錄像片）
8.2.6 結題報告。
9 課題組成員分工情況
課題指導及顧問：青祖兵，（縣教研室主任，縣學科帶頭人），張（本校校長、省級優(yōu)秀教師）
鄧矯?。ㄊ〖壒歉山處煛⒅行膶W校校長），陳永輝（省級骨干教師、教研員、州語文學會理事）。
組長：吳靜（物理資料收集，具體實施）
成員：(1)姚瑋（物理資料收集，具體實施）
(2)馬碧成（物理資料收集，具體實施）
(3)龍雄（物理資料收集，具體實施）
(4)鄭德?。ㄎ锢碣Y料收集，具體實施）
10 課題實施的反思
在實施新課程和新教材過程中，我們可能會遇到這樣或那樣的問題，我們可能會進行這樣或那樣的改革，但是我們始終要堅持敢于質疑、勇于爭辯、善于思維、勤于實驗這四條原則不動搖，不能偏離這個方向。我們只要堅定不移地遵循這四條原則，飽含深厚的愛國熱情和強烈的民族自信心，在物理教學中時時刻刻想到，并努力做到、做好、做扎實，我們就一定能在教學中取得成功，就一定能培養(yǎng)出千千萬萬個牛頓和愛因斯坦，中國人獲得諾貝爾物理學獎的夢想指日可待。
參考文獻
[1] 夏磊、徐洪海等.《20世紀物理學革命的啟示》，《現(xiàn)代物理知識》，2002年第2期
蘇教版《化學2》第四專題“化學科學與人類文明”的編寫意圖,是讓學生從化學學科在物質及其變化研究、新物質合成方面的貢獻,化學科學對科學技術發(fā)展、環(huán)境保護事業(yè)的重要性,認識到化學與科學、技術、社會的關系,擴大視野,感受化學的魅力,激發(fā)學生進一步學習、研究化學的興趣,讓學生能選擇更多的選修模塊開展學習。
這節(jié)課是本專題的第一課時,簡明揭示人類認識物質世界的過程,不要求接受大量新的化學具體知識,不能把這堂課上成“科普知識講座”, 重點應放在知識的整合和學生情感態(tài)度價值觀的熏陶上。
本節(jié)課的核心問題是:(1)能舉例說明(如人們對酸堿的認識)人們對物質世界認識的發(fā)展;(2)能舉例說明化學理論的建立在幫助人們認識物質世界中的作用。
教學過程:
第一環(huán)節(jié):引入課題――化學是打開物質世界的鑰匙
師:數學老師說:數學是自然科學的皇后(幻燈片),物理老師說:物理是整個自然科學的基石(幻燈片)。那么化學老師該怎么說呢?
化學老師說,化學是一把鑰匙,板書(化學,鑰匙,物質世界)。這把鑰匙打開了物質世界。今天這節(jié)課,我們就來學習第四章第一單元的第一課時?；瘜W是打開物質世界的鑰匙?；脽羝虺鰳祟}。
點評:以化學與數學、物理的對比突出化學在自然科學中的重要性,尤其突出主題――化學是打開物質世界的鑰匙。
第二環(huán)節(jié):以火為引子貫穿古今,導出實驗在化學中的重要性
我們來看兩幅幻燈圖片。師:這兩幅圖讓你想到了什么?學生:鉆木取火。師:取得火種,給人類的祖先帶來了什么作用?生:有了火種以后,不僅使人類的祖先們在黑暗中得到光明、嚴寒中取得溫暖,而且還可以抵御野獸的襲擊。人類用火燒烤食物,擺脫了茹毛飲血的野蠻時代。
師:火,可以說是人類文明進步的分界線(幻燈片)。你知道現(xiàn)代漢語詞典中火是怎么解釋的嗎?停頓,學生思考一下。師:沒查過吧,我查了。
火,是物體燃燒時所發(fā)出的光和焰(演示幻燈片)。我們學過物質燃燒要具備的兩個條件,是什么,生:一是與氧氣接觸,二是達到著火點(幻燈片)。師:可是古代的人們對于燃燒的認識卻是神秘而模糊的。在十七世紀的時候,人們認為可燃物能夠燃燒是因為它含有一種叫燃素的物質,燃燒的過程是可燃物中燃素放出的過程,可燃物放出燃素后成為灰燼(幻燈片)。這種燃素說整整統(tǒng)治了一百多年?？墒撬鼌s無法揭示金屬在燃燒后質量增加的事實。直至1774年,法國化學家拉瓦西(演示幻燈片)通過化學實驗,即著名的空氣中成分的測定實驗,證明燃燒是物質與空氣中的氧氣發(fā)生的劇烈作用,了燃素學說,建立了氧化學說,拉瓦西用實驗事實揭開了燃燒的神秘面紗。我國著名化學家傅鷹先生曾說過一句話,這句話恰如其分的表達了化學實驗的重要性和權威性:化學是實驗的科學,只有實驗才是最高的法庭(演示幻燈片)。
下面我們就用化學實驗來鑒別這三瓶無色溶液。它們分別是稀鹽酸、氫氧化鈉和碳酸氫鈉溶液,可用的器具與材料有pH試紙、比色卡、表面皿、玻棒、試管(演示幻燈片)。想想如何來鑒別它們。學生分組實驗。請一位學生講一下實驗的過程和結果。
下面我給大家做了“藍瓶子”實驗。在錐形瓶中加入100毫升水,加入2克左右葡萄糖,再加入0.5～2克氫氧化鈉,滴加3～5滴亞甲基藍溶液,這時混合溶液呈藍色,塞緊瓶塞,振蕩錐形瓶,藍色溶液變成無色,停止振蕩,溶液又恢復藍色;循環(huán)操作,藍色和無色就交替出現(xiàn)。師:你肯定很想知道為什么會出現(xiàn)這樣循環(huán)的顏色變化吧。答案就在這本書上。展示《實驗化學》,高二時你可以選修《實驗化學》,它將帶你領略化學實驗的千變萬化。板書(選修,《實驗化學》)
點評:古人的鉆木取火,十七世紀的燃素說,拉瓦西提出的氧化學說,這些都使學生感受到人類文明的進步和化學發(fā)展的艱難歷程,又使學生有足夠的想象空間,想象古人如何從野蠻走向文明,科學家一種謬誤的艱難。利用三種鹽溶液鑒別實驗中用到的酸和堿能使pH試紙變色的性質為下面的酸堿理論做一下鋪墊,更是為了說明化學實驗的重要性和權威性。而“藍瓶子”實驗可以引起學生的興趣,為高二學生選修《實驗化學》出點力。我想這樣的設計有趣味性,又不乏科學性,學生又動了一回手,課堂氣氛應該不錯。
第三環(huán)節(jié):由碳酸氫鈉屬于哪一類物質引出人類對酸堿認識的發(fā)展,繼而引出化學理論的發(fā)展。按物質的分類,我們應把碳酸氫鈉歸為哪一類物質?學生:鹽類。可是有人認為:碳酸氫鈉是酸堿兩性物質(演示幻燈片)。我們來判斷一下這種說法對不對。請同學們參考書本第87頁“人類對酸堿認識的發(fā)展。學生看書。并解決這么幾個問題:(1)閱讀了人類對酸堿認識的發(fā)展之后, 你有何感想(2)寫出NaHCO3在水溶液中的電離方程式,NaHCO3溶液分別與鹽酸、 NaOH溶液反應的離子方程式。(3) NaHCO3是否可稱為酸堿兩性物質?為什么?依據的是什么理論?(演示幻燈片)學生思考討論,回答(1):人們對酸、堿的認識從感性到理性,適用范圍從水溶液到非水溶液,隨著化學的發(fā)展逐步走向深刻和全面。請兩位學生把問題(2)中的離子方程式寫黑板上。學生回答問題(3)根據酸堿質子理論,碳酸氫鈉是酸堿兩性物質。碳酸氫鈉與酸與堿的反應,即它接受質子和給出質子的過程。
化學理論的發(fā)展為現(xiàn)代化學的發(fā)展奠定了堅實的基礎。我們在化學1和化學2中也學習了一些化學基本理論。我們一起來回顧一下。化學1第一專題第三單元人類對原子結構的認識。大家是否記得原子結構模型的演變經歷了哪幾個階段?最早提出原子學說的是誰?是道爾頓(演示幻燈片)。他認為原子是不可再分的,是一個實心球。1897年,湯姆森發(fā)現(xiàn)了什么?電子,他提出電子是鑲嵌在原子中的,就象葡萄干夾在面包里一樣,稱為葡萄干面包式原子結構模型,也叫棗糕模型。
1911年,英國物理學家盧瑟福根據α粒子散射實驗確定了原子是由帶正電的原子核與帶負電的電子組成,電子在核外空間做高速運動,就像行星繞太陽運展一樣。
1913年丹麥物理學家波爾提出電子是在一系列穩(wěn)定的軌道上運動。
到了二十世紀,科學家們用量子力學方法來描述核外電子的運動(演示幻燈片)。
化學2 專題1中我們學習了元素周期律,誰提出的?生:門捷列夫(演示幻燈片)。那么還記不記得什么是元素周期律?第7頁:元素的性質隨著元素核電荷數的遞增而呈周期性變化的規(guī)律叫做元素周期律(演示幻燈片)。在元素周期律的基礎上人們把已經發(fā)現(xiàn)的元素按一定的規(guī)則排呈元素周期表(演示幻燈片)?，F(xiàn)在人們可以借助元素周期表研究合成有特定性質的新物質。例如在金屬和非金屬的分界線附近尋找半導體材料,在過渡元素中尋找各種優(yōu)良的催化劑和耐高溫耐腐蝕的合金材料。我們還學了微粒之間的相互作用力,有哪些?生:有離子鍵,共價鍵,分子間作用力,氫鍵。這位笑容可掬的學者就是價鍵理論的先驅鮑林(演示幻燈片)。
人類對物質結構研究的發(fā)展,促進了科學技術的發(fā)展。現(xiàn)在,人們借助掃描隧道顯微鏡,應用STM技術,可以看到越來越細微的結構,并實現(xiàn)對原子或分子的操縱(演示幻燈片)。如果你對這方面有興趣,請在高二選修教材《物質結構與性質》(演示幻燈片,板書)。
點評:第二環(huán)節(jié)中出現(xiàn)了碳酸氫鈉,第三環(huán)節(jié)就利用碳酸氫鈉是不是酸堿兩性物質展開討論,結合書本中的交流與討論,設計幾個問題,借此了解人類對酸堿認識的發(fā)展,從而引出化學理論的發(fā)展,最后引導學生選修《物質結構與性質》。這樣的設計把第二環(huán)節(jié)和第三環(huán)節(jié)自然地聯(lián)系起來,又自然地把理論的發(fā)展帶出來,還復習了《化學1》和《化學2》中已學的化學理論知識。
第四環(huán)節(jié):金屬被人類開發(fā)和利用的發(fā)展過程
(演示幻燈片)這是一個古代的陶器。你知道古人是怎樣學會制陶的嗎?學生思考。師:其實最早的陶器是人們在偶然中發(fā)現(xiàn)的。人們發(fā)現(xiàn)泥土制品經過火燒變得堅硬牢固,遇水也不再會變成泥巴了,這樣人們就學會了制造陶器。后來,人們又發(fā)現(xiàn)某些石頭在烈火中會燒煉出閃閃發(fā)光的金屬,經過長期摸索之后,人類又學會利用礦石、木炭冶煉金屬。從這段文字中你能歸納出哪些冶煉金屬的方法(演示幻燈片)?生:第一種方法,熱分解法。
幻燈片上打出氧化銀和氧化汞加熱分解的化學方程式。
(演示幻燈片)煉丹圖。大家肯定聽說過古代的煉丹術
從公元前1500年到公元1650年,為求得長生不老的仙丹,不畏煙熏火燎,煉丹術士開始了最早的化學實驗。在中國、阿拉伯、埃及、希臘都發(fā)現(xiàn)了不少記載和總結煉丹術的書籍。
煉丹術最早的研究的材料就是紅色硫化汞及其反應2HgS +O2=2HgO+2S(在加熱條件下) (演示幻燈片)。據《史記?秦始皇本記》記載,在秦始皇的墓中就灌入了大量的水銀以為“百川江河”,而這些水銀主要是從硫化汞提煉的。
生:第二種方法,熱還原法。
你能舉出哪些金屬是用熱還原法制得的嗎?
銅,鐵。請學生寫出冶煉銅、鐵的化學方程式(演示幻燈片)。你們知不知道鐵大約是在什么年代被人類大規(guī)模開發(fā)和利用的嗎?學生思考一下。師:答案就在書上。請同學們看書本86頁的交流與討論。人類大規(guī)模開發(fā)和使用銅是在約6000年前,大規(guī)模開發(fā)和使用鐵是在約2500年前。
錫和銅是在差不多時候被開發(fā)和利用的。古人將錫石(SnO2)與木炭放在一起燒,錫便會被還原析出。
并且古人還在銅中加入錫,制成了顏色呈青灰色的合金,叫什么呢?。生:青銅。青銅與純銅相比具有哪些優(yōu)點呢?生:具有強度高熔點低,鑄造性好,耐磨且化學性質穩(wěn)定的優(yōu)點。師:中國青銅文化的起源可以一直追溯到原始社會新石器時代,而其真正的發(fā)展最高峰則出現(xiàn)在商朝和西周時期,我國出土了最大的青銅器,叫什么?生:司母戊鼎(演示幻燈片)。
除了銅和鐵之外,我們在化學1中還學了哪些金屬的冶煉?生:鈉、鎂、鋁。師:請分別寫出它們的方程式(演示幻燈片)。歸納一下用了什么方法。生:電解法。師:金屬的冶煉方法與金屬活動性之間是不是有什么規(guī)律呢?請學生思考回答(學生可討論)。
生:汞和銀屬不活潑金屬,用熱分解法;鐵銅中等活潑,用熱還原法;鈉、鎂、鋁,性質活潑,用電解法。師:(演示幻燈片)不同金屬冶煉方法的選擇。
師:現(xiàn)在大家是不是可以理解為什么金屬越活潑,開發(fā)利用的時間就越晚了吧。請學生來講。生:金屬越活潑,越不容易被還原,冶煉的方法和技術要求越高,只有化學發(fā)展到一定程度,才能開發(fā)利用。
師:如今人們對金屬及合金的利用相當廣泛,你能舉出例子來嗎?學生討論,舉例。我們來看幾幅圖片,這些都是人類對金屬合金的利用。(演示幻燈片,有日常生活用品,如鍋、卷門、音箱外殼、休閑桌椅等;有大的建筑,如南京朗詩城市廣場、新的中央電視臺,還有航天飛機等)。
師:科學家還制造出了記憶合金,儲氫金屬,泡沫合金(幻燈片)
泡沫合金:含有泡沫氣孔的特種金屬。如:向熔融的鋁合金中通入空氣,然后加入發(fā)泡劑如氫化鈦可形成泡沫鋁合金。它有質輕、隔熱、吸音的效能。
儲氫合金:Ti-Fe和La-Ni合金能大量吸收H2。為推動H2作為能源的實際應用可起到重要作用。
記憶合金:Ni-Ti等合金,在較低溫度下受力發(fā)生變形后,當加熱某溫度時,形狀會恢復到受力前的形狀。
點評:這一環(huán)節(jié)與第二環(huán)節(jié)的火遙相呼應。由于用火,人們發(fā)現(xiàn)了冶煉金屬的方法,結合學生學過的幾種金屬的冶煉方法,以及書本中的交流與討論,共同探討出金屬的活動性與人類開發(fā)、利用這些金屬的時間先后的關系。又把古代的煉丹術和青銅稍做介紹,溶歷史于化學中,突出了歷史的發(fā)展中化學確實是打開物質世界的鑰匙。最后幾種合金的介紹給學生新奇的感受,他們不得不折服于化學所創(chuàng)造的物質。
第五環(huán)節(jié):結束語成為第一課時與第二課時的紐帶,使兩個課時順利過渡。
自從化學這把鑰匙打開了物質世界,人類就一直在試圖創(chuàng)造更多的新物質,以適應社會生產發(fā)展和人們生活的需要。所以說化學又是人類創(chuàng)造新物質的工具。下節(jié)課我們將做詳細闡述。
點評:介紹幾種新合金,目的就是從金屬自然過渡到這些新物質,為第二節(jié)課化學是人類創(chuàng)造新物質的工具做好鋪墊。
作業(yè)設計:
1. 道爾頓的原子學說曾經起了很大作用,其內容包含下列三個觀點:①原子是不能再分的粒子;② 同種元素的原子的性質和質量相同;③原子是微小的實心球體。從現(xiàn)代觀點看,你認為這三個結論不正確的是( )
A. ③B. ①、③
C. ②、③D. ①、②、③
2.人類使用材料的增多和變化,標志著人類文明的進步。下列材料與化學制備無關的是()
A. 石器 B. 青銅器 C. 鐵器 D. 高分子材料
3.化學在自然資源的開發(fā)和利用中具有重要的意義。下列認識不正確的是()
A. 利用化學知識和化學規(guī)律,人們可以更好地開發(fā)和利用資源
B. 利用化學知識和化學規(guī)律,人們可以制造更多物質,豐富物質世界
C. 人們在開發(fā)和利用資源地過程中,對環(huán)境造成了污染,化學對此無能為力
D. 人們對資源的開發(fā)和利用過程中,時刻不能忘記資源的可持續(xù)發(fā)展。
4. 根據酸堿質子理論判定下列說法正確的是()
A. 所有的弱酸根都是堿
B. 酸式弱酸根既是酸又是堿
C. 不可能一種物質既是酸又是堿
D. 氫氧根是堿
5. 19世紀,化學理論建立了哪些有代表性的科學成果?思考這些成果對人類進步產生的影響。
教學反思:
1. 我還有一種想法就是把學生分成若干個組,每組從不同的角度來討論化學是打開物質世界的鑰匙,這樣,課堂的預設性不會那么強,學生自由發(fā)揮的空間較大,但此舉需要學生課前做大量的準備,否則可能會出現(xiàn)冷場。
2. 此教學設計的結尾是把課題自然過渡到第二課時――化學是人類創(chuàng)造新物質的工具。我之所以這樣設計的目的是考慮到這一單元兩個課時的連續(xù)性和統(tǒng)一性,但這樣的設計也許會讓人覺得最后沒有能突出點明主題。我想,整個設計的過程就已經把主題,即核心觀念融合滲透進去了,最后的刻意點題反而覺得畫蛇添足,不如考慮這一單元的整體性,讓它成為這一單元兩個課時的紐帶。
參考文獻:
[1]王磊等.選修課教與學化學[M].北京:北京大學出版社, 2006.8.
[2]王祖浩等.高中化學教學參考書[M]. 南京:江蘇教育出版社,2006:86.
[3]王祖浩等.高中化學新教材教學情境設計[M].南京:江蘇教育出版社,2006:147.
