量子計算基本原理范文

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關鍵詞：人力資源；成本核算

Abstract: with the constant development of economy, the modern economic structure from production-oriented to science and technology service-oriented transformation has become a trend. This transformation makes human resource in enterprise production and management and the development of national economy has become more critical. In this paper, the author analyzes the human resources cost generation, form, valuation and how to effectively control and other aspects, has carried on the preliminary discussion.

Key words: human resource; cost accounting

中圖分類號：F562.5文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（2012）

隨著現(xiàn)在企業(yè)制度的建立，我國建立起新的會計制度，合理的界定人力資源成本范圍，規(guī)范企業(yè)人力資源成本列支制度，企業(yè)人力資源成本的管理進入新的階段。

一、人力資源成本分析

1.1人力資源成本的基本理論

人力資源是指在一定區(qū)域內的人口總體所具有的勞動能力的總和，是存在于人的自然生命機體中的一種國民經濟資源。企業(yè)為獲得人力資源和優(yōu)秀的人才，就需要很多的投資，這種投資在企業(yè)中就體現(xiàn)為人力資源成本。

1.2人力資源成本會計的特點

單獨計量人力資源的取得成本、開發(fā)成本、使用成本和替代成本，企業(yè)取得的人力資源的使用權，其運用期限在一年或者超過一年的一個營業(yè)周期以上的，所發(fā)生的人力資源的取得成本和開發(fā)成本應該視作資本性支出，在資本化處理后在確定的分攤期限內攤銷。企業(yè)聘用使用期限不超過一年的季節(jié)工等發(fā)生的取得成本和開發(fā)成本（這里的開發(fā)成本主要是組織進行必要的上崗前的操作培訓、學習所發(fā)生的支出）,其受益期為這些聘用的季節(jié)工、臨時工的使用期限，因此這部分取得成本和開發(fā)成本可在季節(jié)工、臨時工的使用期限內分期攤銷， 如果金額小，也可以在發(fā)生時直接計入當期費用，企業(yè)運用人力資源的使用權時，所發(fā)生的工資、獎金等支出，則屬于收益性支出，應計入當期費用。

1.3 人力資源成本會計的構成

1.3.1取得成本

1）招募成本

招募成本主要是為確定企業(yè)所需要的人力資源的內外來源，企業(yè)對人力資源需求的信息，吸收所需要的內外人力資源所發(fā)生的費用。

2）選拔成本

選拔成本是企業(yè)對應聘人員進行挑選、評價、考核等活動所發(fā)生的成本。他通過初步面試或處理應聘人的申請材料進行初選費用。

3）錄用成本

錄用成本是企業(yè)從應聘人員中選拔出合格者后，將其正式錄用為企業(yè)的成員的過程中所發(fā)生的費用。

4）安置成本

安置成本是企業(yè)將所錄用人員安排到確定的崗位上是所發(fā)生的各種費用。

1.3.2開發(fā)成本

1）定向成本

定向成本也稱為崗前培訓成本，是企業(yè)對上崗前的職工進行的有關企業(yè)歷史文化、規(guī)章制度、業(yè)務知識、業(yè)務技能等方面的教育是時所發(fā)生的支出。

2）在職培訓費

在職培訓成本是在不脫離工作崗位的情況下對在職員工進行培訓所發(fā)生的費用。

3）脫產培訓成本

脫產培訓成本是企業(yè)根據(jù)生產和工作的需要對在職職工進行脫產培訓時所發(fā)生的支出。

1.3.3使用成本

1） 維持成本

維持成本是為保證人力資源維持其勞動力生產和在生產所需的費用， 包括職工的計時工資或計件工資、各種勞動津貼和各種福利費用。

2）獎勵成本

獎勵成本是企業(yè)為激勵職工使其更好的發(fā)揮主動性、積極性和創(chuàng)造性，而對職工做出的特別貢獻所支付的獎金，它是對人力資源主體所擁有的能力的超長發(fā)揮做出的補償。

3）調劑成本

調劑成本是全企業(yè)為了調劑職工的生活和工作，滿足職工精神生活上的需求，穩(wěn)定職工隊伍并進而影響和吸引外部人員進入所發(fā)生的費用支出。

4）替代成本

替代成本是指目前重置人力資源應該做出的犧牲，他包括為取得或開發(fā)替代者而發(fā)生的成本。

二、人力資源成本會計核算與計量的必要性

首先,人資管理可以調節(jié)社會資源。如同調節(jié)一個組織的資源一樣人資管理除了可以調配社會成員的位置和流動方向以外,對于資源和支出也地有著很直接的調節(jié)作用,實際上,人資管理最根本的目的就是要實現(xiàn)人力資源的最大使用價值, 而這一點從很大意義上節(jié)約了社會資源,也使得社會資源能夠得到合理地分配。

其次，人資管理可以提高整體國民素質。國民素質是綜合國力中一個很重要的指標。人資管理正好可以針對國民進行培養(yǎng)和分流, 很大程度上避免了良莠不齊的狀況出現(xiàn)可以讓國民整體素質有穩(wěn)步地提高。也能夠在抓住整體實力的基礎上選拔出高端人才,很好地分配他們的位置,為國家的尖端科技工作提供穩(wěn)定保障。

人力資源管理的影響：

2.1 我國建立人力資源會計的必要性

世界高新技術革命的浪潮，已經把世界經濟的競爭從物質資源競爭推向人力資源的競爭，對人力資源的開發(fā)、利用和管理將是人類社會經濟發(fā)展的關鍵因素。此過程中所需的大量人力資源信息，必然離不開人力資源會計。我國人口眾多，而人口素質相對較差，推行人力資源會計更具有必要性。

1）獲取企業(yè)信息的需要

科學技術的迅速發(fā)展，推動著生產力的快速發(fā)展。經濟發(fā)展水平越高，人力資源在經濟發(fā)展中的作用也越大，人才成為經濟資源中最重要的因素，是企業(yè)財富的真正象征和源泉。 因此，將人力資源作為企業(yè)的資產，運用會計的方法對其加以確認、計量和報告，以滿足企業(yè)管理者和企業(yè)外部有關人士對企業(yè)信息的需求成為時代的必然要求。

2）優(yōu)化人力資源配置的需要

市場經濟體制的不斷完善，使人力資源有更多的經濟特征，要求確認人力資源的成本和價值，促進人力資源的供求平衡，確定人力資源開發(fā)方向，引導人力資源合理流動，在宏觀上優(yōu)化人力資源的配制。

2.2 人力資源會計核算與計量對于個人的必要性

1)首先,人資管理可以幫助培養(yǎng)個人的最大實力。人資管理的宗旨里有一條,就是要讓組織中的每個成員都可以盡可能發(fā)揮出自己最大的實力,為組織奉獻出自己所有的力量。人資管理還可以通過環(huán)境影響和針對性培訓來對成員進行培訓,從而培養(yǎng)每個人最適合自己的能力。

2)人資管理還可以幫助發(fā)揮每個成員的最大潛力，讓每個人都在組織有條理的幫助和自身不斷地學習下發(fā)揮出所有自身潛藏的實力。

3)人資管理還可以幫助每個人都找到自己的適合位置。有個別成員,他自身的能力也許很強,潛能也不可估量,但不適合他的地方,必然會使他沒有辦法發(fā)揮出自己所有實力,影響了他為組織做事和奉獻自己力量的積極性。

2.3 成本會計核算與計量對于組織的必要性

在企業(yè)文化建設和制度管理辦法中，能夠有效地開發(fā)其他的人才資源,才能夠使組織達到價值的實現(xiàn)。 所以說,人資管理的理念對于一個無論是什么性質的組織來說,都有舉足輕重的作用。

1）通過人資管理,可以提高組織成員積極性和企業(yè)凝聚力。人資管理可以用一系列心理學和管理學的方法提高人員積極性和成員之間團結凝聚力。顯然,這對于組織來說是必不可少的。

2）人資管理還可以提高組織行事的高效性。從人資管理影響人員調配這一點體現(xiàn)出來,可以達到事半功倍的效果,因此可以說,人資管理可以大大縮短工作時間,提高工作的效率。

3）人資管理還可以降低組織支出的浪費率。在一個企業(yè)中,很大一部分支出就是員工的工資和獎金支出,那么支出多少,在如何支出的情況下能夠最大程度激發(fā)員工的工作積極性, 這些都是人資管理要思考的問題,這些問題的考慮在無形中就大大節(jié)約了組織的成本。

三、企業(yè)人力資源成本核算與計量的現(xiàn)狀與存在問題

人力資源管理是指組織的一項基本管理職能，他是以提高勞動生產率、工作生活質量和取得經濟效益為目的的，而對人力資源進行獲取、整合、保持和激勵、控制與調整、開發(fā)等一系列的管理過程。企業(yè)的重大決策權集中在政府行政部門，企業(yè)在機構設置、干部任免、 職工進出、工資標準等方面自不夠，更多的人動是因為企業(yè)制度存在問題。建立在不穩(wěn)固基礎上的企業(yè)制度是“豆腐渣”，容易動搖人事基礎，主要表現(xiàn)為：

第一，人事規(guī)劃戰(zhàn)略定位不明。我國的專業(yè)技術人員普遍存在知識老化，缺乏創(chuàng)新意識和思維；高級管理人才和高新技術人才嚴重短缺；對人力資源的資本投資低于世界平均水平等等，這些都使得我國人力資源的開發(fā)迫在眉睫。

第二，組織結構紊亂。企業(yè)結構不能配合企業(yè)戰(zhàn)略的實施， 更加造成人力資源的浪費， 使企業(yè)難以整合和提升企業(yè)內部的人力資源。

第三，工作流程松散。工作流程與部門之間聯(lián)系松散，職能重疊，缺乏信息共享機制， 無法為企業(yè)創(chuàng)造附加值，從而引發(fā)人事危機或給企業(yè)造成重大損失。

第四，激勵機制缺乏。缺乏有效的績效評估制度、薪酬體系、員工福利制度等激勵機制，以致使人才的成長落后于企業(yè)的發(fā)展。新經濟時代的最大特點是人的價值被認可，“人本觀念”已深入到企業(yè)經營的各個方面，這使得人事制度的建立和人事的選擇都成為企業(yè)經營的重要一環(huán)，慎重的選擇、任用，是雙方面適應的結果。

四、結語

總而言之，人力資源是最珍貴的,也是現(xiàn)代管理學的核心內容,因此,不斷地提高和開發(fā)人資管理水平,不僅僅是各種企業(yè)能夠發(fā)展壯大,各個組織能夠提高自身市場競爭力的重要途徑,也是每個組織成員能夠發(fā)揮自身實力不可忽視的方式,同時,人資管理還是各個單位,各個地區(qū),我們整個民族,社會乃至國家能夠長期繁榮昌盛的有利保證。

參考文獻

［1］馬武鑫，“人力資源的價值和報告理論討論”，《上海會計》，2003年第 2 期

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量子力學的成功和困惑

用宏觀物理學的方法研究原子的性質及其相互作用時，只能通過測量微觀量的平均值，大平均過程掩蓋了原子水平上的重要效應。操控單個微觀粒子，研究單個粒子的行為和性質以及少數(shù)粒子的相互作用，一直是就是物理學家夢寐以求的事。隨著實驗技術的發(fā)展，控制單個微觀粒子的愿望成為可能。特別是1960年激光的發(fā)明和在這以后激光技術的發(fā)展，可以隨我們所需改變激光的頻率，控制激光束的延續(xù)時間并使激光束聚焦到一個原子大小的范圍。從這以后，實驗技術和實驗方法有了極大的發(fā)展，利用激光可以使原子或離子冷卻到接近絕對零度，就是使它們的運動速度減到非常小，直至幾乎停止。還實現(xiàn)了利用特殊的電磁場來陷俘單個原子或離子。物理實驗技術的進展使研究單個或少數(shù)幾個粒子的性質、深入研究光子和物質粒子的相互作用有了可能。這不僅打開了高科技應用的廣闊前景，還為證實和發(fā)展量子物理學的基本原理提供了實驗基礎。

量子力學已有100多年歷史，量子力學理論取得了輝煌的成功。現(xiàn)代的高科技產品，如計算機芯片、激光、醫(yī)用磁共振等等無不是在量子力學理論基礎上發(fā)展起來的。量子力學被認為是最精確、最成功的物理理論，可是人們對量子力學的基本原理始終存在著疑問，那些創(chuàng)立量子力學的物理大師們自己都不滿意量子力學的基本假設。在這些大師之間以及他們的后繼者中，關于量子力學的理論基礎是否完善的問題爭論不休，新的解釋層出不窮，至今還沒有得出令人滿意的結論。

量子力學描寫微觀世界的規(guī)律，但人類的直接經驗都是關于宏觀世界的。我們的測量儀器以及人類感官本身都是宏觀物體，儀器測量到的和我們直接感知的都是大量原子組成的宏觀物體。在經典物理學中，觀察不影響被觀察對象的運動狀態(tài)，例如，我們能夠觀察一個行星的運動，追隨它的運動軌跡，行星的狀態(tài)變化與觀察者無關，不受我們觀察的影響。可是，對微觀世界的觀察就完全不是這樣，當我們研究一個量子體系時，經過測量后的量子體系原來的狀態(tài)總是被破壞了。例如，光子進入光電探測器后，光子就被吸收；電子被探測器件接收后，該電子原來的狀態(tài)就改變了。宏觀儀器對量子系統(tǒng)測量的結果，都必須轉換為經典物理學的語言。要直接觀察并且非破壞性（non-demolition）地測量量子體系的量子性質是難以做到的事情，所以，量子力學所預言的量子世界的奇特性質一直令物理學家和公眾感到神秘難解。

2012年諾貝爾物理獎獲得者和他們的同事們的工作，突破了經典物理學實驗和人類直接經驗的限制，他們直接觀察到了個別粒子的量子行為。瓦因蘭德小組做的是在電場中陷俘離子，用光子對它做非破壞性的操控。阿羅什小組是在空腔中陷俘單個光子，用原子進行非破壞性的測量。他們異曲同工，都對單個量子粒子進行實驗測量，研究量子力學的基本原理。這些研究不僅對量子理論的基本原理的進一步闡明有重要意義，并且有廣闊的應用前景。

阿羅什：把光子囚禁起來

阿羅什畢業(yè)于法國高等師范學校。1971年他在巴黎第六大學獲得博士學位，導師是柯亨-塔諾季（Claude Cohen-Tannoudji），1997年諾貝爾物理學獎得主。從20世紀60年代開始阿羅什就在法國高等師范學校物理系的卡斯特勒-布羅塞爾實驗室（Kastler-Brossel Laboratory）工作。該實驗室是以獲諾貝爾物理學獎的阿爾夫萊德?卡斯特勒（Alfred Kastler）的名字命名的。1972～1973年，阿羅什曾到美國斯坦福大學，在諾貝爾物理學獎獲得者肖洛的實驗室中工作。

阿羅什說，他們的成功主要得益于卡斯特勒-布羅塞爾實驗室特有的學術環(huán)境和物質條件。他們組成了極其出色的研究小組，并且將共同積累的知識和技能傳授給一代又一代的學生。阿羅什還說，他給研究生和本科生的講課也有助于研究工作，在準備新課的過程中他注意到了光和物質相互作用的不同方面。阿羅什認為，國際交流學者參加研究不僅帶來專門的知識和技能，也帶來不同的科學文化以補充他們自身的不足。他覺得幸運的是，在長期的微觀世界探索中，他和他的同事們能夠自由地選擇他們的研究方向，而不必勉強地提出可能的應用前景作為依據(jù)。

阿羅什小組的主要成就是發(fā)展了非破壞性的方法檢測單個光子。用通常的方法檢測光子，都是吸收光子并把它轉換為電流（光電探測器）或轉化為化學能量（照相底片）（動物的眼睛是將光子轉化為神經的電脈沖的）。總之，光子被測量到后立即消失。近半個世紀以來，雖然人類發(fā)展出了量子非破壞性測量，但這些測量只能用于大量光子的情況。而阿羅什和同事們做到了反復測量記錄同一個光子。

光的速度非常快，達每秒30萬公里，所以要控制、測量單個光子，必須將光子關閉在一個小的區(qū)域內，并使其在足夠長的時間內不逃逸或被吸收。阿羅什小組實驗成功的關鍵是制成反射率極高的凹面鏡。反射鏡是在金屬底板上鍍以超導材料鈮，鏡面拋光到不平整度只有幾個納米（1納米=100萬分之一毫米），光子因鏡面不平而散射逃逸的機會非常小。空腔由兩個凹面鏡相對安放組成，鏡間距離27毫米。整個設備安置在絕對溫度1度以下的環(huán)境中。一個微波光子在腔中停留時間可達十分之一秒，即在兩面鏡子之間來回反射10 億次以上，差不多相當于繞地球一周。可以說阿羅什小組創(chuàng)造了限制在很小的有限體積內的光子壽命的世界紀錄。

阿羅什小組的另一項創(chuàng)造性貢獻是利用利用里德伯原子作為探測器，實現(xiàn)非破壞性測量單個光子。所謂里德伯原子，是激發(fā)到很高的能量軌道上的原子，這種原子的體積比正常原子大許多。他們用銣（原子序數(shù)37）原子，把它的價電子激發(fā)到第50層的圓形軌道上（主量子數(shù)n=50）。這種情況下，外層電子從n=50 的軌道躍遷到相鄰的軌道n=49和n=51，發(fā)射或吸收微波光子頻率分別為54.3GHz（千兆赫茲）和51.1GHz。正常的原子半徑在0.1納米以下，銣原子中電子占據(jù)的最外層軌道為n=5；當它的最外面的電子跑到n=50的圓形軌道上時，原子的半徑達到100多納米，原子半徑增大了1000倍以上。這樣的原子好比一個很大的無線電天線，容易和電磁場相互作用。

瓦因蘭德：讓離子停下來

瓦因蘭德和阿羅什同年，都生于1944年。1965年，瓦因蘭德畢業(yè)于美國加利福尼亞大學伯克利分校；1970年在哈佛大學獲博士學位，博士論文題目是“氘原子微波激射器”，導師是拉姆齊（Norman Ramsey）。以后他到華盛頓大學，在德默爾特（Hans Dehmelt）的實驗室做博士后研究。德默爾特是1989年諾貝爾物理獎獲得者。1975年，瓦因蘭德和德默爾同發(fā)表了討論激光冷卻離子的論文，這是有關激光致冷的開創(chuàng)性論文，被學術界同仁廣泛引用，其中包括獲1977年諾貝爾物理學獎的朱棣文、菲利普斯和柯亨-塔諾季等。

1975年，瓦因蘭德到隸屬于美國商業(yè)部的美國國家標準與技術研究所工作。在那里，他創(chuàng)建了儲存離子研究小組。在過去多年的工作中，他做出了多項世界第一的研究成果，終于獲得了諾貝爾物理學獎。他是15年來美國國家標準與技術研究所第四位獲諾貝爾物理獎的研究人員之一，研究激光致冷的菲利普斯也是其中之一。

制造量子計算機的建議方法有多種，許多科學家正在對不同的方案進行實驗研究。瓦因蘭德小組從事的陷俘離子的方法是最成功的方法之一。他們利用特殊排列的幾個電極組合產生特定的電場，形成陷阱，將汞的一價離子限制在三個電極組成的空間中。三個電極包括兩端各有一個相對的電極和一個環(huán)形電極，離子由激光束控制。

在常溫下，原子運動的平均速度為每秒數(shù)百米，以這種速度運動的離子會立即逃逸出陷阱。要將離子陷俘在電場陷阱中，離子的運動速度必須非常小。只有在極低的溫度下，離子或原子的運動速度才能變得很小。可以利用激光使離子冷卻，使離子的速度減小到幾乎停止的狀態(tài)。將特定頻率的激光束對著原子或離子射來的方向照射時，原子在迎面射來的光子的一次次沖擊下，速度就慢了下來。當然，原子或離子吸收了光子又要再把它發(fā)射出去，發(fā)射光子時原子也要受到反沖。但原子或離子發(fā)射光子的方向是隨機的，各種方向都有，結果反沖效應平均為零，只有迎面射來的光子被吸收后起到了減速的作用。但僅僅用這種方法還不能使原子速度降低到近乎停止，還要加上其他方法。速度已經很小的離子在陷阱中受電場的作用，還在以一定的頻率振動，這種振動的能量和離子內部的能量狀態(tài)耦合起來，形成復雜的能級。在適當頻率的激光束照射下，離子吸收光子后又重新放出光子，落回原來內部能量最低的狀態(tài)，同時帶動離子振動能量的變化。在適當控制的條件下，重復這樣的過程，就可以使離子振動能量逐步減少，直到振動能量達到最低的量子狀態(tài)，離子近于完全停止。這時，離子就可以隨意操控了。

瓦因蘭德小組利用利用陷俘離子做成一個量子可控非門（Controlled NOT）。當然可控非門只是最簡單的量子計算機的元件，一臺能工作的計算機需要多得多的元件，離制成實用的量子計算機還非常遙遠。然而前景是光明的，包括瓦因蘭德在內的許多科學家正積極研究，攻克難關，希望在本世紀內將量子計算機研制成功。

瓦因蘭德和同事們還利用陷俘的離子制造出了當今世界上最精確的原子鐘。他的研究工作也可以檢驗量子力學基本原理，如進行“薛定諤貓”的實驗。

不為盛名所惑

阿羅什和瓦因蘭德有許多相同的地方。他們都在世界第一流的實驗室中工作；巧的是，他們每人各有兩位獲諾貝爾物理學獎的老師；他們都有合作30年以上的同事組成的穩(wěn)定的研究小組，還有許多優(yōu)秀的學生和合作者，其中包括外國的訪問學者。在他們的諾貝爾獎報告中，他們的老師、同事以及和他們的工作有密切關系的、前人的研究都一一提到。兩人都還提到有100多位學生、博士后和訪問學者也做出了貢獻，強調成績是大家努力的結果。

瓦因蘭德和阿羅什也有一點很大的不同。阿羅什的研究目的偏重于探索自然界的奧秘，沒有非常明確的應用目標，雖然他知道自己的研究成果肯定有長遠的應用前景。他所屬的卡斯特勒-布羅塞爾實驗室也沒有要求其研究一開始就必須有明確的應用目的。不過，即使在法國高等師范學校，這種待遇也只有像阿羅什這樣的資深科學家才能得到。而瓦因蘭德所在的美國國家標準與技術研究所本身就具有明確的實用目標：促進美國的創(chuàng)新和產業(yè)競爭能力，開創(chuàng)新的測量科學，推進美國的技術水平。該研究所的研究都是目標長遠，技術含量高，能在世界上領先的項目。這些項目實際上都是結合遠期應用的基礎性研究。

瓦因蘭德和阿羅什還有一個共同點，就是除了做研究以外，都在大學教課。阿羅什認為備課的過程促使他從多方面考慮基本原理，也有助于研究工作。而從學生的角度來看，能聽到優(yōu)秀的科學家講課，和他們直接交流，不僅能學到當今前沿的科學知識，還可以學習到優(yōu)秀科學家的治學精神和思想方法。

榮摘諾獎桂冠是否改變了科學家本人的生活呢？據(jù)英國廣播公司（BBC）在線版消息稱，阿羅什本人僅僅提前了20分鐘被組委會告知自己獲獎的消息。

“我很幸運，”阿羅什說，但他指的并不是自己得獎這回事，“（接到來電時）我正在一條街上，旁邊就有個長椅，所以我第一時間就坐了下來。”他形容那一刻的心情，“當我看到是瑞典的來電區(qū)號，我意識到這是真實的，那種感覺，你知道，真是勢不可擋。”

不過據(jù)諾獎官網的推特稱，阿羅什接到獲獎的確切消息后，打了個電話給自己的孩子，然后開了瓶香檳慶祝。再然后，他又回實驗室工作去了。

（作者單位：復旦大學物理系）

阿羅什小組設備示意圖

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量子糾纏態(tài)的性質刻畫特別是它的大小測量是一個有意義的課題。研究表明量子糾纏態(tài)的大小一般可以由純態(tài)的馮諾伊曼熵來衡量，對于一個兩量子比特系統(tǒng)，馮諾伊曼熵大的態(tài)可以通過局域量子操作及經典通訊變換為另一個馮諾伊曼熵小的態(tài)。但是對高維系統(tǒng)，卻經常存在兩個量子糾纏態(tài)并不能互相轉化的情況，甚至存在更復雜比如所謂糾纏催化的情況：即在糾纏態(tài)轉換過程中有輔助的糾纏態(tài)起到類似化學催化劑的現(xiàn)象。在刻畫這些糾纏態(tài)性質方面，大家最近發(fā)現(xiàn)馮諾伊曼熵的推廣即任伊熵是一個好的量子糾纏大小的測度，可以準確的刻畫糾纏轉化行為。同時隨著量子信息科學的發(fā)展，人們也希望能利用量子信息科學里的一些技術和方法來研究比如凝聚態(tài)系統(tǒng)的一些量子行為，例如對量子相變的刻畫。反過來也希望凝聚態(tài)物理對物質量子相的性質研究能對量子信息處理和量子計算是否可以在這些系統(tǒng)實現(xiàn)給出提示。

最近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）理論室范桁研究員、博士生崔健與新加坡國立大學等合作在不同量子相的不同量子計算能力方面的研究取得重要進展（Nature Commun.3，812（2012））。他們通過對模型基態(tài)任伊熵的偏導正負性的判斷，發(fā)現(xiàn)其行為可以準確區(qū)分凝聚態(tài)模型的不同量子相，而且不同的量子相確實在量子計算的能力方面是不同的。

量子計算的實現(xiàn)在方法上大致可以被分為兩種，量子邏輯門方法和絕熱量子計算方法。研究表明這兩種方法在計算能力和計算復雜度方面是等價的。他們選取了一種可以用絕熱量子計算實現(xiàn)的量子算法，通過對一維橫場伊辛模型和XY模型基態(tài)糾纏任伊熵的分析發(fā)現(xiàn)，在絕熱量子計算的實現(xiàn)過程中，在一些量子相里，絕熱量子計算需要整體相干操作，而在另一些量子相里，絕熱量子計算可以通過較簡單的局域操作輔助以經典通訊。而對比如量子搜索的研究表明，局域操作在所謂的量子加速方面并不起作用。從而表明不同的量子相具有不同的量子計算能力。

凝聚態(tài)模型基態(tài)的任伊熵研究對量子相變的刻畫及在量子計算中的作用是一個新的方法，不同量子相有不同的量子計算能力這個結論對具體物理系統(tǒng)的選取有指導意義。相關工作發(fā)表在近期Nature Commun.上（Nature Commun.3.812（2012））。

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【關鍵詞】量子通信；量子信息學；量子信道；光子探測

1.引言

量子通信是量子力學和通信科學相結合的產物，可以實現(xiàn)經典信息論不能完成的信息處理任務。量子通信以量子力學為基礎，其研究包括：量子隱形傳態(tài)、量子安全直接通信等研究方向，對現(xiàn)有信息技術帶來了重大突破，引起了學術界高度重視。近年來，有關量子計算機、量子相干性、量子通信、量子密碼等理論和研究大熱，其中，量子通信作為量子信息研究的內容之一，成為物理學等領域最活躍的研究熱點。量子通信理論上可以實現(xiàn)絕對安全的通信過程，最初是利用光纖完成的，但由于光纖受地理和自身限制，無法實現(xiàn)遠距離的量子通信，不利于全球化量子通信。1993年，6位來自不同國家的科學提出了利用量子隱形傳送方案，構建了一種脫離實物的量子通信系統(tǒng)，以量子態(tài)作為信息載體，通過量子態(tài)的傳送完成了大容量信息的傳輸，實現(xiàn)原則上不可被破譯的通信技術。由于存在不可避免的環(huán)境噪聲，量子的糾纏態(tài)品質會隨著傳送距離的增加而變得越來越差。因此，量子通信不可避免地首先要解決傳輸距離的限制才能具有良好的應用前景。空間量子通信技術利用分發(fā)糾纏光子的方法為遠程量子通信的研究提供了一種途徑。

2.空間量子通信技術原理

量子通信具有“容量大、速度快、保密性好”的優(yōu)點，其過程遵從量子力學原理。典型的量子通信系統(tǒng)包括：量子態(tài)發(fā)生器、通道和量子測量裝置。具有量子效應的粒子如：光子、電子、原子等，都可以作為實現(xiàn)量子通信的量子信號[1]。由于光信號具有良好的傳輸特性，我們現(xiàn)在通常所說的量子通信系統(tǒng)均為量子光通信系統(tǒng)。單光子（糾纏光子對）的分發(fā)是實現(xiàn)空間量子通信的前提，空間量子通信技術可以通過空間技術實現(xiàn)全球化的量子通信，克服自由空間鏈路帶來的距離限制，圖1給出了典型量子通信實驗系統(tǒng)組成。

使用糾纏量子信號的量子態(tài)隱形傳輸技術是未來量子通信網絡的核心技術[2]，其原理如下：根據(jù)量子力學理論，由兩個光子組成的糾纏光子對（薛定諤將多體量子狀態(tài)的不可分的相互關聯(lián)稱為量子糾纏），無論其在宇宙中相隔多遠，其狀態(tài)均不可分割。單獨測量其中一個光子狀態(tài)，會得到完全隨機的結果，根據(jù)海森堡測不準原理，一旦測量了其中一個光子的狀態(tài)，即使其發(fā)生了變化，那么另一個光子也會發(fā)生同樣的變化，即“塌縮”到相同的狀態(tài)。利用這一特性，通信者Alice隨機產生一個比特，再隨機改變自己的基來制備傳輸量子態(tài)，并重復多次，接收者Bob通過量子信道進行接收，他測量每個光子，也隨機改變自己的基，當兩人的基相同時，就得到了一組互補的隨機數(shù)。一旦竊聽者Eve進行竊聽，糾纏光子對的特性就被破壞，Alice和Bob就會發(fā)覺，因此利用這種方式的通信是絕對安全的。

3.量子通信的研究進展和趨勢

人們最初對量子的研究是基于對光的研究進行的，由于量子通信可以建立無法被破譯的通信系統(tǒng)，因此受到美國、歐盟、日本等國在內有關科研機構的大力研究和發(fā)展，我國在這方面的研究成果也受到了國際上的廣泛關注。特別是在量子通信的演示驗證試驗方面，學術界已經由地面自由空間傳輸試驗向空間傳輸試驗發(fā)展[1][3]。

（1）分發(fā)協(xié)議的發(fā)展

1984年，IBM公司的Chales H.Bennet和加拿大蒙特利爾大學的Gilles Brassard提出了第一個分發(fā)協(xié)議——BB84協(xié)議[4]。在1992年，他們又提出了EPR協(xié)議，又稱E91協(xié)議，將糾纏態(tài)首次與量子通信聯(lián)系起來[5]。2002年，Bostrom和Felbinger提出了Ping-pong協(xié)議[6]，這是一個十分重要的協(xié)議，其信息可以被確定性的直接傳輸，明顯提高了傳輸相率，受到人們的重視。目前所有實驗基本上基于上述協(xié)議進行的[7]。

（2）地面自由空間量子通信實驗進展

1993年，美國IBM公司基于糾纏態(tài)交換的實驗方案實現(xiàn)了世界上第一個量子信息傳輸實驗，傳輸距離32cm，傳輸速率10bps，從此拉開了量子通信實驗研究的序幕[1]。表1給出了現(xiàn)在國內外較著名的地面自由空間量子通信實驗及成果[2][8-10]。

其中，中國科學技術大學潘建偉教授、清華大學彭承志教授等人于2005年至2009年間一系列的研究成果表明量子隱態(tài)傳輸穿越大氣層是可行的，糾纏光子在穿透等效于整個大氣厚度的地面大氣后，其糾纏特性仍可以保持，這為未來空間量子通信技術的發(fā)展奠定了基礎[7]。2007年，Zeilinger領導的聯(lián)合實驗室在奧地利兩海島間實現(xiàn)了跨越144km距離的基于誘騙態(tài)和糾纏態(tài)量子通信，是目前為止自由空間量子通信實驗距離的世界紀錄[7]。該實驗的單光子源采用弱相干脈沖[10]，鏈路采用雙向主動望遠鏡跟蹤系統(tǒng)，包括一臺光學望遠鏡（可發(fā)送單光子同時接收信標激光信號）及一架CCD相機等部件，如圖2所示。這個實驗的成功被認為是實現(xiàn)空間量子通信的重要基石。

由于量子通信的優(yōu)勢和特點，許多國家都把其列入重點研究范圍，縱觀各國研究現(xiàn)狀，不難發(fā)現(xiàn)，美國側重研究量子理論，正在大力研究和發(fā)展量子計算機和量子通信的理論和技術，希望在十年內有所突破。歐洲則對星地量子通信等空間應用較感興趣，善于聯(lián)合各國力量推動量子通信技術發(fā)展，現(xiàn)已開展相關實驗。日本則重點致力于提高量子通信傳輸速率，并致力于量子網絡系統(tǒng)的搭建和研究。我國目前已經在自由空間量子通信上取得了一系列世界領先的科研成果，需要廣大科研人員繼續(xù)努力，保持我國在該領域的領先地位。

（3）量子通信在空間的實驗計劃

歐空局（ESA）自2002年以來資助了一系列空間量子通信研究，如QSpace項目（2002年-2003年），ACCOM項目（2004年），QIPS（2005年-2007年）。QSpace項目一來是為了驗證基于量子物理學的空間通信技術的可行性，二來是為了驗證空間量子通信較地面量子通信的優(yōu)勢，如可避免大氣擾動和吸收的影響等[11]。為此該項目進行了一些列的試驗，獲得了空間量子通信四項主要應用方向，對空間量子通信技術優(yōu)勢進行了歸納總結。ACCOM項目主要包括一個空-地單向通信實驗，該實驗基于當時的星間光通信技術，利用一個空基發(fā)射機對多個分布式地基接收機間進行自由空間量子通信實驗，首次研發(fā)出了一種可重復使用光學收發(fā)終端。該項目的實驗系統(tǒng)是在經典光學通信系統(tǒng)上進行復雜設計后改建的。QIPS項目即為上面描述的Zeilinger領導的聯(lián)合實驗團隊進行的144km量子通信實驗。實驗表明，144km地面水平傳輸實驗量子信道傳輸損耗約為25-30dB，這一數(shù)值與低軌衛(wèi)星與地面間傳輸損耗大致相當，由此可見，同樣的技術應用于空-地系統(tǒng)更具發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢。

基于上述研究成果，維也納大學的研究團隊于2004年提出了Space-QUEST計劃。審核該計劃的ELIPS-2項目組認為該計劃具有非常巨大的優(yōu)勢并強烈推薦ESA進行資助并實施。Space-QUEST實驗旨在首次驗證如下內容[11]：

1）基于新型量子通信技術（QKD）的全球無條件安全空間信息傳輸技術。

2）利用空間環(huán)境優(yōu)勢，突破地基量子通信瓶頸，實現(xiàn)空間量子通信。

如圖4所示，該計劃擬采用國際空間站（ISS）上搭載的量子通信終端設備向地面發(fā)送糾纏態(tài)光子來進行，搭載的光學望遠鏡口徑僅10-15cm，載荷總重小于100kg，峰值功率小于250W，收發(fā)終端間距離大于1000km，遠遠超過現(xiàn)有地基實驗系統(tǒng)傳輸距離。該計劃最終將于2015年實施完成。

（4）空間量子通信技術存在的主要問題

一是空間量子通信噪聲干擾消除問題。由于現(xiàn)實通訊狀況的不完美和噪聲干擾，所有的量子密碼協(xié)議的噪聲干擾如果跟有竊聽者存在所帶來的噪聲沒有差別[1]，通信連路是無法建立起來的；二是自由空間量子信道的傳輸特性問題。不同地面環(huán)境對光子傳播的影響，包括大氣衰減和退極化效應。4.總結

如上所述，近年來量子通信由于其安全性引起了研究人員廣泛地興趣，目前在實驗領域取得了一系列進展，其中量子態(tài)的隱形傳輸，量子網絡等技術正逐步走向實用。正是因為量子擁有廣袤的實用前景，各國均在量子通信技術方面加大科研投入。但是在降低單光子源成本、加大通信傳輸距離、增強檢測概率等一些關鍵性問題上還需要進一步研究。本文主要闡述了空間量子通信技術的產生、基本原理、發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，并對空間量子通信技術存在的問題和難點進行了介紹。筆者相信，隨著科學技術的發(fā)展，量子通信技術實用化、商用化指日可待。

參考文獻

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篇5

 

在信息時代，網絡安全是一個嚴峻的問題。信息安全已經得到了各國政府的高度重視，一方面要保護自己的安全，另一方面要攻擊對方，信息保護的升級刻不容緩。

 

1 現(xiàn)代密碼學

 

現(xiàn)代密碼學的基本思想是發(fā)送方使用加密算法和密鑰，將要保密的信息變成數(shù)字發(fā)送給接收方。密鑰是隨機數(shù)0、1，將其與要傳送的數(shù)字明文放在一起，用加密算法把它們變成密文，密文就是傳送的信息。接收方使用事先定好的相應的解密算法，反變換將明文提取出。

 

密碼體制分為兩類：一類叫對稱密鑰(非公開密鑰)，它的加密密鑰和解密密鑰相同，通信雙方需要事先共享相同的密鑰，關鍵在于如何安全地傳遞密鑰。其中有一種一次一密(one time pad)的密碼，用與明文等長的二進制密鑰與明文異或得密文，并且每個密鑰使用一次就銷毀，根據(jù)香農的證明一次一密是無法破譯的。

 

另一類叫非對稱密鑰(公開密鑰)，加密密鑰和解密密鑰不相同，加密密鑰公開，發(fā)送者發(fā)送密鑰與明文混合之后的密文，接受者使用不相同的密鑰解出密文。從公開的加密密鑰推導出解密密鑰需要耗費極巨大的資源，雖然原則上可破解，但實際做不到，所以，在當今社會受到廣泛使用。

 

一旦量子計算機研制成功，它可以更快速的破解數(shù)學難題，公開密鑰就面臨了嚴峻挑戰(zhàn)。

 

2 量子密碼

 

無論采用哪種方法，都無法避免“截取-重發(fā)”的威脅。為了應對強大的量子計算機，需要無條件安全的一次一密的加密方案;但必須解決密鑰分配的安全性，可以借助于量子信息作為密鑰傳輸?shù)墓ぞ摺Ｒ淮我幻懿豢善谱g加上密鑰傳輸不可以竊聽，從理論上就可以做一個“絕對安全”的量子保密通信。

 

量子密碼是利用信息載體(例如光子等粒子)的量子特性，以量子態(tài)作為符號描述的密碼，它的安全性是由量子力學的物理原理保障的。

 

①測量塌縮理論：除非該量子態(tài)本身即為測量算符的本征態(tài)，否則對量子態(tài)進行測量會導致“波包塌縮”，即測量將會改變最初的量子態(tài)。②不確定原理：不能同時精準測量兩個非對易物理量。③不可克隆原理：無法對一個未知的量子態(tài)進行精確的復制。④單個光子不可再分：不存在半個光子。

 

3 量子通信

 

量子通信，廣義是指量子態(tài)從一個地方傳送到另一個地方，內容包括量子隱形傳態(tài)、量子糾纏交換、量子密鑰分配;狹義上是指量子密鑰分配或基于量子密鑰分配的密碼通信。本文講述的是狹義的量子通信。

 

3.1 單光子的偏振態(tài)

 

本文介紹采用BB84協(xié)議實現(xiàn)的量子通信，在發(fā)送者和接收者之間用單光子的偏振態(tài)作為信息的載體。有兩種模式：一個是直線模式，光子偏振態(tài)的偏振方向是垂直或者水平，如圖1所示;一個是斜線(對角)模式，光子偏振態(tài)的偏振方向與垂直線稱45 ?觷角，如圖2所示。

 

3.2 基于BB84協(xié)議下的“制備-測量”

 

依照慣例，密碼學家稱發(fā)送者為Alice，接收者為Bob。Alice隨機用直線模式或對角模式發(fā)出光子，并記錄下不同的指向。Bob也隨機決定用兩種模式之一測量接收到的光子，同時記下采用檢偏器的模式和測量結果值。傳送結束后，Alice與Bob聯(lián)絡，Bob告訴Alice他分別采用哪種模式測量，然后Alice會告訴Bob哪些模式是錯誤的，這一過程無須保密。之后他們會刪除使用錯誤模式測量的光子，而正確模式測量出的光子按照統(tǒng)一規(guī)定變成0、1碼后，就成為量子密鑰。

 

3.3 發(fā)生竊聽

 

根據(jù)“海森堡測不準原理”，任何測量都無法窮盡量子的所有信息。因此，竊聽者想要復制一個完全相同的光子是根本不可能的事情。同時，任何截獲或測量量子密鑰的操作都會改變量子狀態(tài)，竊聽者只得到無意義的信息，而信息合法接受者也可以從量子態(tài)的改變，知道存在竊聽者。

 

密碼學家通常稱竊聽者為Eve，同Bob一樣只能隨機選擇一種測量模式，當她采用錯誤的測量方式對某一光子測量時，由于波包塌縮，光子的偏振態(tài)會改變。比如，Eve使用對角模式測量直線模式下的光子態(tài)，光子態(tài)會塌縮為對角模式。之后即使Bob選擇了正確的測量模式測量該光子，Bob可能會得到不符合編碼信息的測量結果，這就產生了誤差，具體通信過程如圖3所示。

 

Eve竊聽一個光子采用錯誤測量模式的概率是50%;采用錯誤模式時，信息可能變成0，也可能變成1，他有25%的概率被發(fā)現(xiàn)。但密鑰并非一個光子組成，光子數(shù)越多被發(fā)現(xiàn)的概率就會越高。當誤碼率低于閾值，就可以稱這個密碼是安全的;當誤碼率超過閾值，就稱密碼被竊聽，重新再制備新的密鑰，一直檢查到密鑰在建立過程中沒有竊聽者存在，接下來進行一次一密的傳送。通過這種方式能保證密鑰本身安全，并且加密密文不可破譯，這就是量子通信的安全性所在。

 

3.4 量子信道與經典信道

 

發(fā)送方通過量子信道傳送量子態(tài)光子，接收方用兩種不同類型的檢偏器測量，檢測出0、1組成的量子密鑰，還需要一個經典信道。因為是采用一次一密方式，所以經典信道需要定時傳送同步信號。

 

4 量子通信現(xiàn)狀

 

由于量子通信技術的各種優(yōu)勢，國際上的一些國家，特別是美國、日本、歐盟都投入了大量的人力物力，進行量子通信的理論與實驗研究。2002年美國BBN公司，哈佛大學和波士頓大學開始聯(lián)合建造DARPA網絡。2010年日本在三個政府機構之間使用量子密鑰分配技術，并與2010年10月在東京演示了一個城域量子保密通信網。2010年西班牙馬德里建成歐盟第一個城域QKD網絡。我國也在量子通信技術的道路上不斷發(fā)展。2012年“金融信息量子通信驗證網”是世界首次利用量子通信網絡實現(xiàn)金融信息的傳輸。2012年黨的“十”期間在部分核心部位部署量子通信系統(tǒng)。2013年量子保密通信“京滬干線”正式立項，打造廣域量子通信網絡。

 

5 結 語

 

量子通信還有一些技術難題未攻破，例如信道的干擾，設備的非理想特性，身份驗證、密鑰存儲等技術需要進一步改良等等。雖然理想情況量子密碼不可破，但在實際中還有一些漏洞需要考慮。在未來幾年，相信我國在中央、地方政府及相關部門大力支持下，通過相關科研團隊的努力，量子通信技術會不斷完善，量子通信產業(yè)也必將取得飛速發(fā)展。

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關鍵詞： 單光子計數(shù)系統(tǒng)； 信噪比； 噪聲； 弱光信號

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）06?0167?04

光子計數(shù)技術是檢測微弱光信號的一種技術。目前，單光子計數(shù)系統(tǒng)在環(huán)保檢測、生物醫(yī)學、放射探測、激光測量、化學分析等領域有著廣泛的應用。當光功率低于10-14 W，激發(fā)出來的光信號將會是離散的光子脈沖。若僅僅用一般的光電探測器幾乎無法實現(xiàn)將微弱的光信號探測出來并進行量化處理。此時，用一般的直流測量法，已不能把淹沒在噪聲里的有用信號有效地提取出來。為了實現(xiàn)精確的檢測、提高信號抗干擾能力，需要有從噪聲中提取、恢復和增強被測信號的技術[1]。本文用的單光子計數(shù)系統(tǒng)可以把淹沒在噪聲里的微弱光信號提取出來，檢測光源（發(fā)光二極管）的光子分布。

2 單光子計數(shù)系統(tǒng)原理、計數(shù)性質

3 單光子計數(shù)系統(tǒng)的構成

3.1 光電倍增管PMT

PMT由光陰極、聚焦極、倍增極和陽極構成。性能優(yōu)良的PMT，光譜響應特性好，時間響應快，光陰極的穩(wěn)定性好，工作波段內的量子效率高，暗計數(shù)低[3]。由于PMT的偏置電壓對非線性和信號電流的增益有很大的影響，因此為了使PMT有較好的靈敏度，減少噪聲的影響，需要精心選擇它的最佳偏置電壓。選取依據(jù)是PMT的信號計數(shù)、暗計數(shù)和偏置電壓的關系曲線如圖4所示，由于信號計數(shù)曲線有一平坦的坪區(qū)，而暗計數(shù)曲線則處于連續(xù)上升的趨勢，當信號計數(shù)曲線開始進入坪區(qū)時，信噪比SNR最大，此處的偏壓是最佳偏置電壓[4]。

3.2 放大器

為實現(xiàn)光子計數(shù)功能，雙閾值甄別器達到的要求是死區(qū)時間短，甄別電平范圍靈活可調，輸出的脈沖輸出幅度、寬度達到后續(xù)脈沖計數(shù)電路的需要。

3.4 計數(shù)器

4.2 背景計數(shù)

PMT的光陰極、各倍增極的熱電子發(fā)射在信號檢測中產生在沒有入射時的背景計數(shù)，即暗計數(shù)。暗計數(shù)還包括雜散光的計數(shù)。面積較小的光陰極管的選擇、管子的工作溫度的降低以及適當甄別電平的選擇，可降低暗計數(shù)率到最小，不過對于極微弱的光信號，這種噪聲源仍不可忽略。若PMT的第一倍增極增益很高，甄別器已經去除各倍增極和放大器的噪聲，則上述信號的噪聲成分由于暗計數(shù)增加至信噪比為若在光信號累記計數(shù)中暗計數(shù)保持不變，則從實際計數(shù)中扣除它很容易。

4.4 脈沖堆積效應

分辨時間是可以區(qū)分兩相繼發(fā)生的事件的最短時間間隔，計數(shù)系統(tǒng)的分辨時間主要由PMT的分辨時間和甄別器的死時間決定。PMT的分辨時間通常在10～40 ns之間，在分辨時間內，當相繼有兩個或者兩個以上的光子入射到光陰極，它們的時間間隔小于，PMT只輸出一個脈沖，于是單位時間內光電子脈沖的輸出計數(shù)率比入射到光陰極上的光子數(shù)少。與此類似的是，若在死時間內輸入脈沖，甄別器輸出計數(shù)率也會損失。上面這樣的現(xiàn)象叫做脈沖堆積效應。若光子計數(shù)系統(tǒng)由高速的甄別器、計數(shù)器構成，極限光子流量約為109 s-1，因存在脈沖堆積效應，含有多個光子的超短脈沖光的強度光子計數(shù)器不能測量。

5 實驗結果及數(shù)據(jù)分析

實驗裝置光路如圖7所示。在測量實驗中，計數(shù)時間設作500 s，光源（發(fā)光二極管）的電流調為最小，測量500次，通過計算機獲得采樣數(shù)據(jù)，求出光子數(shù)的平均值和方差，同樣光子數(shù)出現(xiàn)的次數(shù)統(tǒng)計出來，除以測量的總次數(shù)，算出該光子數(shù)的幾率，然后以橫坐標表示光子數(shù)，縱坐標表示光子數(shù)幾率，做出光子數(shù)的分布曲線，與理論的泊松分布曲線進行比較，檢查測量數(shù)據(jù)是否符合理論的泊松分布，判斷計數(shù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6 結 語

本文介紹了微弱光檢測技術，了解了單光子計數(shù)系統(tǒng)基本原理、基本實驗技術，通過實際的實驗，觀察和對比發(fā)光二極管的實際光子數(shù)分布與理論的泊松分布的本質區(qū)別，加深了對光子數(shù)概率分布規(guī)律的理解。

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關鍵詞：科學活動觀；結構化學；課程教學

一、問題的提出

“結構化學”是高等院校化學專業(yè)的主干基礎課程。它從微觀視角闡明原子、分子和晶體的結構、性能和應用，主要包括量子力學基本原理及其在原子與分子體系中的應用和原子、分子與晶體結構的實驗表征兩大部分。后者又可根據(jù)被表征物質的形態(tài)及理論基礎的不同，劃分為譜學和晶體學兩個不同體系[1]。

由于“結構化學”課程涉及面廣、內容抽象、理論性強，要求學生具備較強的空間思維能力，嚴密的邏輯推理能力和扎實的數(shù)理功底；同時由于“結構化學”通常不作為考研基礎科目，因此許多教師對教學有效性缺乏足夠重視，大量采用灌輸式教學或簡化教學內容。這樣看似在短時間內完成了課程內容的教學，但實際上產生了諸多問題，這些問題恰恰制約著課程目標的達成。

（1）學生難以形成對知識的整體性認識。教師將結構化學知識作為一種結果和定論傳授給學生，從表面上看，學生能夠機械記憶基本知識，能進行簡單的運用和拓展。但由于沒有經歷和體驗知識獲得的過程，無法從本質上、整體上理解結構化學的知識體系的來龍去脈、因果關系。

（2）學生關于理論與計算化學的學習和研究能力非常欠缺。由于結構化學涉及許多微觀物質的結構和抽象的概念，如果沒有科學的方法支撐去解決問題、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，學生難以理解理論與計算化學的核心觀念并運用理論與計算化學的核心方法。

（3）學生的情感體驗不足。由于結構化學本身具備較高的難度，學生容易產生抵觸、焦慮等一系列不良情緒。僅僅將知識作為一種工具和經驗傳授給學生，他們將無法體驗和感受在知識形成中的愉悅感和合作、會話、交流的過程，進而難以得到需要的滿足和被尊重、被接納的情感體驗。

基于以上“結構化學”教學的問題，有必要探索、建立新的教學觀念以改革“結構化學”課程教學。由于科學知識從本源來講恰恰是在科學活動中產生的，因此將“結構化學”的教學活動和科學活動做適當?shù)娜诤希ㄟ^深入探索化學科學活動的基本特點和形式，研究科學活動與“結構化學”教學的相互關系，進而探索以科學活動為中心的“結構化學”課程教學途徑，不失為一種恰如其分的改革視角。

二、科學活動觀——“結構化學”課程教學的新理念

人們對科學本質的認識是一個不斷深化的過程。從動態(tài)的和生成性的觀點看，科學作為“系統(tǒng)化的實證知識”的觀點引起了人們高度反思。有人認為科學的本質是獲得知識的活動，例如，保加利亞學者T. H. 伏爾科夫曾提到，科學的本質，不在于已經認識的真理，而在于探索真理；科學本身不是知識，而是產生知識的社會活動，是一種科學生產[2]。我國學者劉大椿曾將科學更多地看成是活動的過程，指出科學是人類特有的活動形式，是人類特定的社會活動成果；雖離不開獨特的物質手段，但本質上是精神的、智力的活動[3]。這種以動態(tài)的角度認識科學本質的思想，能夠使人們對科學的理解更加豐富、深刻和全面。

對科學本質的理解，決定著科學教育實踐價值取向。以科學活動觀指導“結構化學”課程改革，對于提高教學質量，讓學生建立自己的“結構化學”乃至整個化學一級學科的知識框架體系，培養(yǎng)學生終身學習、自主學習的能力，引導學生掌握分子模擬研究的初步技能，有著顯著的優(yōu)勢。

（1）科學活動觀視角下的“結構化學”教學是為科學知識的獲得服務的。學生獲得的系統(tǒng)性的、基礎性的結構化學知識大多是結構化學已有的成果，是科學家多年來積累的理論與計算化學的經驗、概念、理論、技能和方法。將知識的獲得過程還原于科學活動，符合結構化學教學活動和科學活動在知識形成過程中的本質共同性，有利于學生建立并鞏固系統(tǒng)的結構化學知識體系。

（2）科學活動觀視角下的“結構化學”教學為學生能力的培養(yǎng)帶來了良機。體驗結構化學研究過程、掌握結構化學研究方法，對學生走入結構化學研究、形成理論與計算化學的研究能力并進而發(fā)展對整個化學一級學科的研究能力都有著重要的意義。學生在以科學活動為背景的學習中感受科學研究的全過程，習得科學研究方法，感受科研的意義和價值，在獲得結構化學知識的同時形成與提高科研能力。

（3）科學活動觀視角下的“結構化學”教學給予學生體驗科研情感的平臺。科學活動創(chuàng)造了真實的結構化學科研情境，而科學情感等隱性目標都是在情境中通過感悟獲得的。學生在對結構化學問題的研究過程中提高學習興趣、產生學習熱情、發(fā)揚團隊精神，這就有效解決了因知識灌輸式教學而帶來的學生情感體驗不足的問題。

三、“結構化學”課程教學——“知識學習與能力培養(yǎng)”并重

1.以挑戰(zhàn)性問題為學習驅動，構建“結構化學”學習活動

基于挑戰(zhàn)性問題的探究式教學方法是為了設計合理的科學活動、有效實施“結構化學”教學而設計的。所謂的挑戰(zhàn)性問題是指教師提出的一些與教學內容相關的、具有探索意義和探究價值的問題，供學生小組根據(jù)自己的興趣和思維特點進行選擇，以此作為科學活動的一個驅動性引導。在學習過程中，學生通過查找資料、相互討論、動手實踐等多種形式，采用合理的結構化學研究方法對這個問題進行深入研究，完成研究報告。

在“量子力學基本原理及其在平動、振動、轉動、原子與分子軌道理論中的應用”模塊的教學過程中，教師選擇了從簡單到復雜的系列自主學習內容，組織學生開展了以挑戰(zhàn)性問題為驅動的自主研究性學習。

例如，教師在過去的教學過程中發(fā)現(xiàn)，學生對類氫原子結構的球諧波函數(shù)和徑向波函數(shù)的圖像理解有難度，不清楚圖像的來源和圖像節(jié)點的性質。為此，教師向學生介紹matlab軟件，并提出挑戰(zhàn)性問題：如何利用matlab軟件編寫程序語言作圖，幫助理解原子與分子軌道圖像。并根據(jù)這個問題，分別提出了一套由簡入深的系列問題：（1）利用matlab 軟件將諧振子振動波函數(shù)數(shù)字圖形化，并與教材上的圖形進行對比分析，以此為例說明表層理解信息（naming something）和深層理解信息（knowing something）的區(qū)別。（2）利用matlab軟件將粒子圍繞球面轉動的球諧波函數(shù)Y及其|Y|2數(shù)字圖形化。（3）利用matlab軟件將類氫原子的徑向函數(shù)、徑向分布函數(shù)、原子軌道（徑向函數(shù)R與球諧函數(shù)Y之積）數(shù)字圖形化并討論其節(jié)點問題。（4）利用matlab軟件將氫分子離子的分子軌道（分子軌道理論框架下的單電子波函數(shù)近似解）數(shù)字圖形化并討論其節(jié)點與成鍵與反鍵性質。（5）設計一個程序將矩陣對角化，為共軛體系的休克爾經驗分子軌道理論的近似解提供一套矩陣算法（HC=SCE在休克爾近似下變?yōu)镠C=CE），并重點理解分子軌道理論的核心在于變分原理——將不可能完成的精確求解多體薛定諤方程的任務轉化為近似求解體系能量函數(shù)（嘗試波函數(shù)的線性組合系數(shù)為變量）的條件極值問題。

該系列挑戰(zhàn)性問題由若干不同難度的小問題組成，根據(jù)學生的認知特點和水平逐漸提高，既防止問題太寬泛而無從下手，又逐漸向學生發(fā)出挑戰(zhàn)以激發(fā)學生求知欲。另外，該問題的解決方法不固定，解答結果也不唯一。它允許學生運用不同的方法來解決問題，并且將分子模擬技術融入理論課程之中，通過體驗編寫程序的過程，獲得結構化學研究的思路，深化對理論知識的理解和掌握。在學習過程中，教師作為學生學習的主導者，對學生學習過程進行觀察、把握和調配，當學生學習出現(xiàn)困難時，提供必要的指導和點撥。

學生通過分工合作、查找資料、熟悉軟件、編寫程序、運行程序、優(yōu)化程序，逐漸解決了每一個子問題。在這個過程中，學生在原有知識經驗基礎上主動構建對知識的理解，充分將知識內化為自己的認知。比如對球諧函數(shù)圖像的認識，不再是機械地“記憶”每一個函數(shù)對應的圖像，而是充分理解其本質，將原理融入圖像的繪制過程，整體把握“數(shù)-形”關系，在理解的層面上深刻記憶圖像的性質和形狀。不僅如此，學生在學習過程中熟悉了結構化學學習與研究的基本方法，充分將結構化學的理論知識與分子模擬實踐相結合，體驗了以科研的視角去分析問題、解決問題、獲得新知的過程。更加難能可貴的是，有學生通過自己繪制一維諧振子振動波函數(shù)示意圖，發(fā)現(xiàn)了教材附圖中的一處印刷錯誤[4]。

科學的發(fā)展是建立在繼承前人的研究結果，并在科學實踐過程中不斷地對已有認識形成批判而發(fā)展的。例如，原子結構理論模型正是一代又一代科學家在繼承、借鑒、批判前人研究成果，并在孜孜不倦地分析與探索過程中逐步建立的。這種科學精神和科學意識的形成必須依賴于科學活動。如果僅僅是讀書、聆聽教師的講授，思維往往會被局限，實證意識往往會變得淡漠；相反，學生通過審慎地思考、縝密地分析、嚴謹?shù)嫩`行，不僅能夠讓學生認識到科學的學習不能唯書唯上，還需自己親歷躬行。

2.以知識框架圖為學習工具，建立“結構化學”學科網絡

要具備良好的理論與計算化學的學習與研究能力，必須具備系統(tǒng)化的結構化學基礎知識和基本技能，從整體上、宏觀上駕馭整個學科體系。學生需要將自己在科學活動中所獲得的知識與經驗加以總結、提煉與提升，構建自己的知識網絡。在以教師講授為主的“結構化學”教學過程中，這一點做得很不夠，不是忽視知識的系統(tǒng)化處理過程，就是將教師自我頭腦中已經構建好的體系直接傳遞給學生，供學生直接借鑒、吸取，而缺乏探索和整理的過程，缺失個性。

在“結構化學”的課程教學過程中，通過學生自主根據(jù)自己的知識理解狀況繪制知識框架圖（Schema），以圖形而非文字的形式將結構化學知識加以梳理。在具體的實施過程中，教師要求學生將結構化學知識進行梳理、歸類，根據(jù)具體的內容繪制相應的知識框架圖，不僅僅要全面涵蓋該內容內所有的知識點，同時要呈現(xiàn)出各知識點之間的邏輯關系，清晰地表明知識的結構屬性和形成方式，使知識逐漸從“點”向“線、面”過渡。學生在繪制知識框架圖的時候，不需要根據(jù)課本上的章節(jié)順序來設計，也沒有固定的思路，更希望學生能夠呈現(xiàn)出自己對知識結構的理解。

以量子力學基本原理一章為例，學生繪制了該章的知識框架圖，展現(xiàn)出了量子力學基本原理所包括五方面內容。這種教學方式不僅有助于幫助學生梳理結構化學知識的來龍去脈，建立科學的結構化學知識體系，形成全面的關于結構化學基本學科邏輯結構和基本學習與研究思路的認識；更有助于學生反思科學研究活動過程和結果，總結開展科學學習與研究的視角和途徑，探索有待進一步學習和研究的盲點和解決策略，最終建立起清晰的化學學科體系框架，并在具體知識基礎上形成化學觀念。

3.以多種形式呈現(xiàn)學習結果，提升能力同時以評促學

所謂“研而不發(fā)則囿”，在科學活動中，通過書面報告（論文）和口頭匯報（學術報告）等形式，科學生動地、多樣化地展示科學活動成果，是科學工作者必須具備的能力和素質。學生在實踐中解決了挑戰(zhàn)性問題，繪制了知識框架圖之后，需要完成關于學習與研究過程與結果的書面報告，同時在課堂中將自己的學習與研究過程與結果通過口頭匯報的形式向教師和同學展示。這樣能夠讓教師了解學生的學習研究過程，讓同學學習與借鑒研究方法和研究結果，同時也能夠接受教師與同學的批評指正，認識到自己的研究不足之處，為今后開展深入的結構化學學習與研究工作啟迪思維、創(chuàng)設條件、打好基礎。

利用書面報告和口頭匯報等形式表達學習和研究過程與結果，在提高學生的基本科學研究素養(yǎng)的同時，也有助于從過程的角度、從個性化的角度、從個人全面發(fā)展的角度來開展并落實過程評價、全員評價，將過程評價與終結性評價相結合。傳統(tǒng)的以平時成績和期末考試成績?yōu)槲ㄒ辉u價指標的評價方式，過多地局限于知識點的掌握，卻不能很好地考查學生的個性化學習能力和學習方式，更難以評價學生的科學研究基本素養(yǎng)。利用書面報告和口頭匯報則有效地彌補了單一評價方式的不足之處，最終達到以評促學的根本目的。這種以多個評價者從多個角度對學習者進行評價的機制，關注學習者學習過程中所表現(xiàn)出來的各方面能力和素質而并非簡單的學習結果，有效促進了學習者學習的積極性，體現(xiàn)了過程評價與終結性評價相結合的現(xiàn)代教育評價理念。

通過“活動-提煉-總結”方式的“結構化學”課程學習，學生能夠在科學活動中找到自己的長處，發(fā)現(xiàn)自己的潛能，體驗到相互合作的樂趣以及自己的想法被他人肯定和接納時的成功愉悅感。學生在自主學習過程中收獲的不僅僅是知識和能力，還有對自我的肯定，對他人的贊許，以及對學習、對科學研究的積極態(tài)度。同時，最難能可貴的是學生的學習能力普遍得到了提高，自主學習意識明顯增強，為他們今后更好地開展分子模擬研究乃至從事化學理論與實驗相結合的研究打下了良好的基礎。

參考文獻：

[1] 萬堅等. “結構化學”課程內容體系與教學方法的研究與實踐[A]//大學化學化工基礎課程報告論壇論文集[C]. 北京：高等教育出版社，2007：264-267.

[2] 夏禹龍. 科學學基礎[M]. 北京：科學出版社，1983：45.

篇8

【關鍵詞】 量子通信 金融信息 接口標準 安全性設計 檢測規(guī)范

一、概述

金融信息系統(tǒng)的安全穩(wěn)定依賴于通信網絡，而隨著技術的不斷發(fā)展，其所面臨的安全風險種類也將更多、范圍更大、層次更深入；隨著人類計算能力的不斷提高，依賴算法復雜性來增加安全等級的傳統(tǒng)加密手段，已經逐漸不能抵御日益強大的計算機。因此，迫切需要研究新的安全通信技術，通過技術創(chuàng)新，為構筑高安全等級的新一代金融信息系統(tǒng)通信基礎設施提供新思路、新方法。

對于金融系統(tǒng)的客戶而言，其交易過程是否安全、其交易結果的數(shù)據(jù)是否得到高可信度的存儲，一直是倍加關注的焦點。對金融系統(tǒng)本身，不管是網絡交易、手機交易各種新式交易手段，還是傳統(tǒng)的交易所柜臺交易，以及對數(shù)據(jù)存儲的要求（冗災備份），始終表現(xiàn)出對信息安全的高度關注。國際金融行業(yè)普遍使用的基于復雜計算問題的加密算法都無法回避算法被破解的隱患。更嚴重的后果是，己方不知情密碼體系遭到破解而仍在使用，所有金融秘密即一覽無遺地暴露在對方眼下。

而在目前可實用化保密通信體系中唯有量子保密通信具有嚴格的安全性證明。量子通信是量子密碼術與現(xiàn)代通信技術結合的產物，可實現(xiàn)無條件安全的通信數(shù)據(jù)傳輸。1984年，Benett和Brassard 提出了首個量子密鑰分發(fā)協(xié)議（Quantum Key Distribution，QKD），即BB84協(xié)議【1】。后來誘騙態(tài)方法的提出【2】成功地解決了非理想單光子源存在的問題，很大程度地拓展了量子通信距離。目前實用化QKD系統(tǒng)中，大多采用基于誘騙態(tài)方案的BB84協(xié)議。

應用量子保密通信原理性技術手段，在物理層上實現(xiàn)金融數(shù)據(jù)量子加密傳輸與存儲解決方案，作為未來金融與資訊領域的先進通信安全技術手段儲備，滿足未來金融與資訊領域的通信安全重大需求，具有重要的戰(zhàn)略意義。在這個過程中，迫切需要制定量子通信設備在金融信息領域中的相關標準和規(guī)范，尤其是接口協(xié)議標準、安全性設計標準、產品測試規(guī)范等，這是量子通信技術在各個領域中產業(yè)化推廣的必經之路，是大規(guī)模推廣量子通信產品的有效途徑。本文就將對以上幾個研究課題和方向進行初步探討，旨在啟動金融量子設備的相關標準和規(guī)范的研究和探討。

二、量子通信設備管控與密鑰接口標準的研究

2.1研究目的

通過量子網絡，量子通信設備能夠為通信雙方安全地分配量子密鑰，而目前大部分經典設備依然使用經典密碼學算法對通信數(shù)據(jù)進行加解密處理，因此有被破解和篡改的風險。為了便于量子通信設備與傳統(tǒng)設備融合，更好實現(xiàn)管控指令和密鑰數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸，以及在行業(yè)內大規(guī)模推廣，需要制定一個標準的管控與密鑰接口。

2.2研究內容

該接口主要實現(xiàn)量子設備與應用設備之間的管控指令和密鑰數(shù)據(jù)交互，主要研究內容包括：

1.研究應用設備向量子設備申請量子密鑰的流程，同時充分考慮量子設備與傳統(tǒng)密碼設備之間的差異，如時延、成碼率等；

2.應用設備與量子設備之間接口的密鑰傳輸可靠性研究，充分考慮量子密鑰產生的非連續(xù)、突發(fā)等特性；

3.研究應用設備與量子設備之間的管控方式，結合量子設備的固有特點，比如需要結合量子信道切換等等；

4.研究應用設備對量子設備的異常處理方式，確保接口或設備異常時能夠及時上報管控系統(tǒng)并得到相應的處理。

三、量子通信設備安全性設計研究

3.1研究目的

從原理上來說，量子密鑰分發(fā)不依賴于計算的復雜性來保證通信安全，而是基于量子力學基本原理，從原理上保證了一旦存在竊聽就必然被發(fā)現(xiàn)。換言之，一旦成功在通信雙方建立了密鑰，這組密鑰就是安全的，而這種密鑰從原理上是無法被破解的。量子密碼系統(tǒng)的安全性不會受到計算能力和數(shù)學水平的不斷提高的威脅，從而保證了利用量子密碼系統(tǒng)加密的信息不僅在現(xiàn)在是安全的，而且在未來都是安全的。因此，量子保密通信是人類已知唯一的具有長期安全性保障的安全通信解決方案。

然而，對于實際設備，即使嚴格遵循理論依據(jù)進行密鑰提取，也需要考慮很多其它因素導致的安全患，比如電磁泄漏、遠程侵入、器件不完美等，另外還有很多管理制度方面的安全隱患。

因此，有必要從設計角度對量子通信設備提一些安全性要求，用于指導后續(xù)量子設備的設計和開發(fā)。

3.2研究內容

這里的安全性設計，重點關注量子通信設備實現(xiàn)的合規(guī)性、抗量子攻擊、設備軟硬件的安全性等，主要研究內容如下：

1.研究對QKD密碼協(xié)議過程的評測方法，對產品是否遵循量子密鑰分發(fā)協(xié)議進行評估；

2.研究評估量子設備抗量子攻擊的方法，提出相關抗量子攻擊的評判標準和方式；

3.針對量子設備算法相關的主要過程，如身份認證、隱私放大等，研究評估核心算法安全性的評判標準；

4.分析量子設備在金融信息系統(tǒng)實際應用環(huán)境下的可能安全隱患，給出量子設備在軟硬件方面的安全性設計要求。

四、量子通信設備環(huán)境檢測規(guī)范的研究

4.1研究目的

作為一款新產品，有必要制定出一套金融領域應用環(huán)境下量子設備的入圍檢測規(guī)范和標準，一方面可以提高設備在實際系統(tǒng)運行的可靠性，另一方面，也可以為后續(xù)量子通信設備應用于金融系統(tǒng)提供必要的測評依據(jù)。

4.2研究內容

這里擬研究的環(huán)境檢測規(guī)范，重點是關注量子設備在實際環(huán)境下運行效果。主要研究內容包括：

1.研究如何進行不同長度光纜及其在各種環(huán)境下的模型建立；

2.通過分析量子設備在實際電磁環(huán)境下的運行情況，給出光量子編碼技術在該環(huán)境下的可行性或是否可行的檢測方法；

3.分析量子設備在不同環(huán)境下的關鍵運行參數(shù)，尤其是錯誤率、成碼率等，給出評估設備是否能在實際環(huán)境中使用的評測標準；

五、結語

金融信息系統(tǒng)的安全穩(wěn)定依賴于通信網絡，而隨著技術的不斷發(fā)展，其所面臨的安全風險種類也將更多、范圍更大、層次更深入；因此，迫切需要研究新的安全通信技術，通過技術創(chuàng)新，為構筑高安全等級的新一代金融信息系統(tǒng)通信基礎設施提供新思路、新方法。而量子通信技術目前已經由實驗室走向應用，從國家安全的角度來看，使用量子通信手段，提高金融信息數(shù)據(jù)通信網的可靠性、安全性和穩(wěn)定性，是一個值得研究和發(fā)展的方向，兩者結合能夠有利于金融信息的保密傳輸。從國內外大趨勢來看，光纖量子通信技術已經逐步實用化和產業(yè)化，這為量子通信技術融入金融信息系統(tǒng)提供了得天獨厚的條件，金融量子通信網絡的產業(yè)化前景值得期待。

在這一大的背景需求下，本文提出了上述研究和應用方向，旨在啟動量子設備的相關標準和規(guī)范的研究和探討。短期內，可以為量子設備在金融信息領域的應用示范提供設計依據(jù)；中長期來看，可以此為契機逐步制定和推廣行業(yè)標準甚至國家標準，讓更多的企業(yè)和科研院所參與到量子通信產業(yè)化中來，為最終實現(xiàn)金融信息系統(tǒng)量子安全通信網絡奠定基礎。

參 考 文 獻

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[關鍵詞]計算材料學；綜合教學；課程起源

[中圖分類號] G40-011 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）08-0155-02

一、前言

計算材料學是一門正快速發(fā)展的材料科學與計算機科學交叉的新興學科，它能夠利用相應計算方法對材料的組成、結構、性能進行設計與模擬；廣泛涉及材料、物理、計算機、數(shù)學、化學等多門學科。[1]可以說，計算材料學是材料學理論和實驗的橋梁連接。[2]學習計算材料學能讓學生進行模擬實驗，使學生養(yǎng)成在制備材料前從理論上設計新材料并預測其性質的良好思路。

作為材料類專業(yè)的重要課程，我們在教學過程中存在著不少的問題：1.具有計算材料學研究背景的師資力量欠缺；2.授課方法單一、枯燥，課堂效果不好；3.實踐條件的欠缺很難保證教學效果。為了提高計算材料學課程的教學質量，使學生更好地掌握材料設計和性能預測的基本能力，我們結合存在的問題和教學改革的實踐，對計算材料學的課程教學提出一些改革方法。

二、了解起源，培養(yǎng)興趣

計算材料學是一門十分抽象、理論性極強的課程，書中理論眾多并伴隨著數(shù)不清的陌生的符號、公式和注釋，這往往讓學生在學習過程中望而卻步。傳統(tǒng)的計算材料學教學通常是讓學生在課后反復操練習題，以至可以靈活應用這些公式定律來解題。結果不言而喻，學生往往知其然，而不知其所以然，很難提起學習的興趣。因此，授之以魚，還得授之以漁，在教學過程中追本溯源，將理論的來龍去脈講述清楚，教給學生創(chuàng)造的思維和方法顯得更為重要。

計算材料學不僅蘊含著復雜的變量、方程和實驗方法等知識，而且還充滿了疑問，這些疑問把學生帶入充滿曲折的探索之旅。所以，在計算材料教學中將課程重點和難點融為一體，可以在不知不覺中起到“潤物細無聲”的獨特效果。

計算材料學課程教改的目標是轉變教學理念，讓學生懂得計算模擬的起源、材料計算設計的基本方法和基本內容以及與之相關的計算材料的前沿知識，引入與之相關的計算模擬案例介紹，從而使其具有一定的理論素養(yǎng)，培養(yǎng)其科學的態(tài)度、方法和精神。

三、引入拋錨式教學模式，提高課堂質量

拋錨式教學也稱實例式教學，是由美國溫特貝爾特大學匹波迪教育學院開發(fā)的一種教學模式。其要求學生在某種類型個案的實際環(huán)境中去感受和體驗問題，而不是聽經驗的間接介紹和講解。真實的感受案例或情境，可以激發(fā)學生興趣，引導學生觀察和思考，形成一種探索與研究的習慣。

根據(jù)課程的特點，適當選擇講述一些有關課程的起源與發(fā)展的案例，使其自然地融入課堂。再結合教材內容“見縫插針”，讓學生理解重要定理、公式是怎么來的，為什么要這么命名，相關定理、公式背后都有哪些有趣、有意義的故事，使學生產生一種情景記憶，而不是死記硬背，從而引導學生對知識點進行深入的學習和挖掘。

以本課程中的量子力學基礎為例，詳細介紹量子力學的發(fā)展歷程可以讓學生更好地理解量子力學的基本意義和它對于學好計算材料學的重要作用。如利用信息技術創(chuàng)設一個量子力學發(fā)展歷程的故事或一段經歷，用一根主線將求解量子力學波函數(shù)問題融入情境故事或經歷中，使學生趟著主線求解復雜的問題。見表1：[3] [4]

圍繞相關原理、公式如不確定性原理、薛定諤方程等，開發(fā)可共享的經驗，展開教學活動，使學生掌握態(tài)矢量、波粒二象性和量子測量等概念知識，老師在學生獲得概念知識的初始階段需要提供較多的指導。創(chuàng)造機會使學生擁有更多的自進行獨立探究或小組探究，圍繞求解薛定諤方程所做的近似求解思想和方法，查找或探究相關的隱藏或缺失的信息。

運用知識作為問題求解的工具。學生運用相關定理、公式中隱含的信息或線索，積極制訂解決問題的計劃。為此，學生需要先探究一些問題，以確定輔助解決整個問題的補充信息。教師們應該根據(jù)實際情況，將計算材料軟件如CASTEP、VASP和Abinit等引入教學中，使學生有接觸解決實際問題的工具的機會。同時，教師們更需要了解學生的理解能力、決策能力和推理能力，從而更好地為學生的問題求解提供“腳手架”。

制訂一套整合相關原理、公式的教學方案。引導學生們閱讀更多學科知識的內容，共同探究相關的故事，使學生們沉浸在相關的模擬情境中，從而加深對概念知識的理解并整合不同學生的概念知識，在潛移默化中培養(yǎng)學生的知識遷移能力。

共同分享所學內容。學生們將他們對相關原理、公式問題和拓展性問題探究結果呈現(xiàn)出來，從不同角度探討解決綜合問題的策略，深層次地理解學習內容，從而為學習共同體作出貢獻。[4]

四、以史為鑒，培養(yǎng)科學精神

科學精神包括探索精神、求真精神、民主精神、實踐精神和懷疑批判精神等等。中國的應試教育使得廣大學生太相信書本和教師，摧殘了學生批判性思維能力，因此在教學中可結合一些計算材料學的歷史，加強學生批判思維能力的培養(yǎng)。

例如，在計算材料學課堂中引入愛因斯坦對薛定諤、德布羅意等的觀點提出質疑的案例。[5]

愛因斯坦在1924年對泡利反對連續(xù)區(qū)理論的觀點上發(fā)表示了“完全的因果性”的看法，針對玻爾關于輻射的波動在本質上是幾率波的假設而評論：“玻爾關于輻射的意見是很有趣的。但是，我決不愿意被迫放棄嚴格的因果性，將對它進行更強有力的保衛(wèi)。我覺得完全不能容忍這樣的想法，即認為電子受到輻射的照射，不僅它的跳躍時刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去選擇。”

愛因斯坦對“量子力學僅可建立在可觀察量的基礎上”這一觀點也提出異議。1926年春天，他在海森堡的一次談話中，提出了“是理論決定我們能夠觀察到的東西”的觀點。

通過學習計算材科料學史，可以引導學生去發(fā)現(xiàn)和認識公式、方程的產生。如引導學生思考：從薛定諤方程產生到解決過程中真正創(chuàng)造了些什么？哪些思想、方法代表著薛定諤方程相對于以往的實質進步？科學工作者在求解薛定諤方程遇到瓶頸時，成功創(chuàng)造了近似求解的方法，這種方法可以從微擾理論到變分理論再到密度泛函理論，這不僅體現(xiàn)了量子力學理論的一大進步，更體現(xiàn)科學工作者對尋求真理的孜孜不倦的精神。[6]通過對計算材料科學史的學習，可以鍛煉學生的創(chuàng)造性思維，同時學習薛定諤為追求真理，而百折不撓、義無反顧、獻身科學的精神，感受薛定諤治學嚴謹、剛正真誠、淡泊名利的風范和人格魅力。

五、結論

計算材料學作為一門新興科學，是材料類專業(yè)人才培養(yǎng)中的重要基礎課程。然而在教學過程中由于師資力量薄弱、教學方法單一、研究對象復雜、實踐條件有限等問題，使學生的學習興趣低下、教學效果不明顯。我們在教學過程中應運用科學發(fā)展過程中蘊藏的豐富的教育資源，通過講授學科起源、發(fā)展以及應用的案例，使學生了解知識的形成過程，同時引入拋錨式教學模式將一個個真實生動的科學形象，融入日常課堂教學之中，從而提高課堂教學質量。同時，應有意識地加強計算材料學發(fā)展史的講授，使知識、原理和規(guī)律變得生動而鮮活，更使學生的科學思想、科研方法、科學精神、科學態(tài)度和科學素養(yǎng)等得到熏陶和培養(yǎng)。

[ 注 釋 ]

[1] 張躍，谷景華，尚家香.計算材料學基礎[M].北京：航空航天大學出版社，2007.

[2] （德）D?羅伯，項金鐘，吳興惠.計算材料學[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.

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篇10

關鍵詞 物理專業(yè) 物理師范專業(yè) 課程體系

中圖分類號：G649.1 文獻標識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2016.10.003

Abstract The curriculum system of physics department and physics teacher education of Baylor University are introduced in detail. It is easy to see that the undergraduate enrollment of physics majors is a little less that is similar to our country. And the undergraduate majors of Baylor physics department are more reasonable， the degrees are more selectable. Their curriculum system is broad and profound， emphasizing of interdisciplinary development. The physics teacher education is separate from physics department， and is undertaken by the school of education， emphasizing interdisciplinary studies and teaching practice. Other mountain's stone can carve jade. These things are definitely meaningful for the transformation development of physics department in our local college.

Keywords physics； physics teacher education； curriculum system

美國貝勒大學位于德克薩斯州韋科市，是一所私立的基督教會大學。1845年2月，德克薩斯基督教育協(xié)會發(fā)起創(chuàng)辦，德克薩斯共和國總統(tǒng)安森?瓊斯簽署國會行動令，命名為貝勒大學貝勒大學是一所綜合性大學，設有文理學院、教育學院、商學院等12個教學學院，共有160個專業(yè)，在校學生16000多人。每個學院的教學系數(shù)目不同，其中物理系所在的文理學院有25個系，物理師范專業(yè)所在的教育學院，卻只3個系。

貝勒物理系有教師21人，其中教授6人，副教授7人，助理教授2人，高級講師3人，講師3人，博士19人，碩士2人。實行教授預聘制度，即對新進教師實行5年試用期，試用期滿考核決定去留。考核合格即進入終身教職行列。對任課教師的考評，主要通過系學術委員會對每位教師從教學、科研、社區(qū)服務三個方面進行考核。下面為物理系歷年在校本科生人數(shù)（大一到大四年級人數(shù)合計）：2015，60人；2014，53人；2013，61人；2012，45人；2011，41人；2010，41人；2009，40人；2008，39人；2007，33人；2006，24人。可以看出，每一屆平均招生10.9人。實際畢業(yè)的人數(shù)還會減少，因為轉專業(yè)或被開除，例如，2013年畢業(yè)本科生5人，2015年畢業(yè)本科生8人。與數(shù)學系和化學系人數(shù)相比，是最少的，可見，學習的難易程度和工作機會的優(yōu)劣決定了物理系學生人數(shù)少是國際上的普遍現(xiàn)象。

貝勒物理系只3個與物理有關專業(yè)：物理學、天文學和天體物理學。可授予8個學士學位：物理理學學士、物理理學學士（計算科學）、物理理學學士（醫(yī)療保健預科）、物理文科學士、天文理學學士、天文文科學士、天體物理理學學士和天體物理文科學士。物理師范專業(yè)包括中小學科學教師專業(yè)和中學高年級物理科學教師專業(yè)，授予理學教育學士學位。

1 貝勒物理系的課程體系

貝勒的物理學、天文學和天體物理學的文科學位提供相應領域內核心課程的傳統(tǒng)人文科學教育。物理學、天文學和天體物理學的理學學位提供該領域內全面綜合課程的學習，為后續(xù)的研究生學習做準備，或者為技術、醫(yī)藥、教育、法律、經濟、工業(yè)和其它職業(yè)做準備。鼓勵跨學科學習，尤其是與計算物理或醫(yī)療保健預科相關的物理課程。

其課程體系分為主修課程、第二主修課程和副修課程三類以及四個層次。主修課程是獲得相應學位時所要求的。第二主修課程和副修課程是供其它專業(yè)學生選修，其中修完第二主修課程后，會在他的學位證書上注明其第二專業(yè)是什么。副修課程的數(shù)量及要求都最低。

1.1 物理系開設的課程體系

1.1.1 1000層次

PHY 1404 光視學：有關光、光學、攝影、視覺、顏色和其它視現(xiàn)象的物理概念。

PHY 1405 文科普通物理：物理概念和歷史發(fā)展以及專題選講。

PHY 1407 聲音和聲學：有關聲音、聲音產生和聲源性質的物理。介紹用于記錄、產生和分析聲音的一些儀器設備以及學習一些建筑聲學知識。

PHY 1408 自然和行為科學I的普通物理：有關力學、熱學和聲學的一些基本知識，強調相關的物理概念、問題解決、符號和單位的學習。

PHY 1409自然和行為科學II的普通物理：有關電、磁、光以及現(xiàn)代物理的一些基本知識，強調相關的物理概念、問題解決、符號和單位的學習。

PHY 1420 普通物理I：有關力學、波動、聲學、熱學的基本原理和應用。

PHY 1430 普通物理II：有關電、磁、光和現(xiàn)代物理的基本原理和應用。

PHY 1455 描述天文學：天文學及其和人類發(fā)展的關系，強調太陽系、行星、小行星、流星、彗星等。

PHY 1V95 物理的獨立學習：在老師的輔導下的獨立學習。

1.1.2 2000層次

PHY 2135 基本電學實驗：電路和電子的原理和應用。

PHY 2190 物理研究介紹：為本科研究做準備。包括研究技術、選導師和完成研究計劃書。

PHY 2350 現(xiàn)代物理：包括狹義相對論、量子力學引論、原子分子結構、核物理和粒子物理等。

PHY 2360 數(shù)學物理和計算物理：包括矩陣、矢量、坐標變換、數(shù)值計算、混沌分形微分方程特殊函數(shù)等。

PHY 2455 基本天文學：現(xiàn)代天文學的數(shù)學和物理基礎，強調其技術、歷史以及目前宇宙的演化圖。

1.1.3 3000層次

PHY 3175 介質物理實驗I：實驗計劃、數(shù)據(jù)分析和誤差分析。密立根油滴實驗、法拉第常數(shù)測定、汽泡室攝影測量、蓋革計數(shù)、半衰期測定等。

PHY 3176 介質物理實驗II：強調核計數(shù)及測量。

PHY 3305 發(fā)明和技術歷史包括科學家的傳記。

PHY 3320 經典介質力學：包括矢量、線性變換、單個粒子牛頓力學、線性和非線性振動、Euler方程、拉格朗日和哈密頓動力學、共點力以及軌道運動等。

PHY 3330 介質電磁學：包括靜電、拉普拉斯方程、鏡像法、多極子展開、靜磁和麥克斯韋方程。

PHY 3350 天文主題：天文和天體物理中當前的研究主題。

PHY 3372 量子力學概論I：量子力學假定、希爾伯特空間算符、疊加原理、可觀測量、演化、守恒律、一維有界和無界態(tài)、WKB近似以及固體導電理論。

PHY 3373 量子力學概論II：三維問題、微擾理論、幺正理論、量子統(tǒng)計、原子光譜、固體原子核基本粒子物理介紹。

PHY 3455 觀測天文學：天文觀測基本手段，尋找和鑒別天體。

PHY 3V95 物理本科研究。

1.1.4 4000層次

PHY 4001 畢業(yè)考試：由系部組織，類似于GRE專業(yè)考試。PHY 4150 天文觀測概論。

PHY 4190 物理研究結果。PHY 4322 經典物理的現(xiàn)代主題：包括粒子系統(tǒng)動力學、剛體運動、耦合振動、一維波動方程、規(guī)范變換、導體和絕緣體中的電磁波、色散、多極輻射、Linard-Wiechert勢、相對論性電動力學等。

PHY 4340 熱力學統(tǒng)計物理：概率、宏觀熱力學、統(tǒng)計熱力學、熱動力學、量子統(tǒng)計。

PHY 4350 星系結構和演化概論：星和星系包括黑洞、矮星、中子星的定量研究。

PHY 4351 現(xiàn)代宇宙概論：可觀測宇宙、牛頓引力、相對論宇宙模型、宇宙熱歷史等。

PHY 4360 計算物理模型：應用當代計算機解決物理和工程問題的若干模型。

PHY 4372 固體物理概論。PHY 4373 粒子、核物理概論。

PHY 4374 相對論性量子力學。

1.2 物理系學生選修其它系的課程

1.2.1 數(shù)學課程

MTH 1321 微積分I：單變量微分、定積分和微積分理論。

MTH 1322 微積分II：單變量積分、微分方程、斜率場和級數(shù)。

MTH 2311 線性代數(shù)：矢量、矩陣算子、線性變換、矢量空間特點、線性系統(tǒng)、本征值和本征矢。MTH 2321 微積分III：多變量微分積分，格林函數(shù)。

MTH 3325 常微分方程：一階常微分方程、二階高階線性方程、級數(shù)方法、拉普拉斯變換等。

MTH 3326 偏微分方程：物理偏微分方程、分離變量法、傅里葉級數(shù)、邊值問題、傅里葉積分。

1.2.2 計算科學課程

CSI 1430 計算科學I。CSI 1440 計算科學II。CSI 2334 計算系統(tǒng)概論。CSI 2350 離散結構。

CSI 3324 數(shù)值方法。

1.2.3 生物課程

BIO 1105、1106現(xiàn)代生物科學概念（實驗）。BIO 1305、1306 現(xiàn)代生物科學概念。

1.2.4 化學課程

CHE 1301 現(xiàn)代化學基本概念I。CHE 1302現(xiàn)代化學基本概念II。CHE 1316 實驗測量技術。

CHE 3331 生物化學I。CHE 3332 生物化學II。CHE 3238 生物化學實驗。

1.2.5 宗教課程

REL 1310 基督教圣經。REL 1350 基督教傳統(tǒng)。

1.2.6 英語課程

ENG 1302 英語思維和寫作。ENG 1304 英語思維寫作和研究。ENG 2304 美國文學。

ENG 3330 英語寫作技巧。

1.2.7 政治科學課程

PSC 2302 美國憲法發(fā)展。

1.3 物理系各專業(yè)的第二主修課程和副修課程

1.3.1 物理學第二主修課程

PHY 1420、1430、2135、2350、2360、3320、3330、3372、3373、4322、4340、4001；PHY 4000層次任3學分；MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.3.2 物理學副修課程

PHY 1420、1430、2350；3000或4000層次任分。

1.3.3 天文學第二主修課程

PHY 1420、1430、2350、2360、2455、3320、3350、3455、4150、4350、4351、4001；MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.3.4 天文學副修課程

PHY 1420、1430、2455、3350、3455；其它PHY 3000或4000任3學分。

1.3.5 天體物理學第二主修課程：

PHY 1420、1430、2350、2360、2455、3320、3350、3455、3372、4340、4001；PHY4350、4351中任一門；MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.3.6 天體物理學副修課程

PHY 1420、1430、2455；PHY 3350、4350、4351中任兩門；其它PHY3000或4000任3學分。

1.4 物理系各學位的主修課程

每個學位修滿至少124學分，其中3000/4000層次36學分。從以下課程計劃可以看出，一是課程面寬廣，有一定深度；二是強調跨學科學習，強調學科交叉。

1.4.1 物理理學學位主修課程

PHY 1420、1430、2135、2190、2350、2360、3175、3176、3320、3330、3372、3373、4190、4322、4340、4001；PHY 4372、4373、4374中任兩門；CHE任3學分、CSI 任3學分、REL 1310、1350、ENG 3330、PSC 2302、MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.4.2 物理理學學位主修課程（計算物理）

PHY 1420、1430、2135、2190、2350、2360、3175、3320、3330、3372、3373、4190、4340、4360、4001；CSI 1430、1440、2334、2350、3324、REL 1310、1350、ENG 3330、PSC 2302；MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.4.3 物理理學學位主修課程（醫(yī)療保健預科）

PHY 1420、1430、2135、2190、2350、2360、3175、3320、3330、3372、3373、4190、4340、4001；BIO 1305-1105、1306-1106、3000或4000層次任6學分、CSI任3學分、REL 1310、1350、ENG 3330、PSC 2302； MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.4.4 物理文科學位主修課程

PHY 1420、1430、2135、2350、2360、3175、3176、3320、3330、3372、4001；PHY 3373、4322、4340、4360、4372、4373、4374中任兩門；CHE任3學分、CSI任3學分、REL 1310、1350、ENG 3330、PSC 2302、MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.4.5 天文理學學位主修課程

PHY 1420、1430、2190、2350、2360、2455、3320、3350、3455、4150、4190、4350、4351、4001；其它PHY 3000或4000任6學分；CSI任3學分、CHE任3學分、REL 1310、1350、ENG 3330、PSC 2302、MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.4.6 天文文科學位主修課程

PHY 1420、1430、2350、2360、2455、3320、3350、3455、4150、4350、4351、4001；CSI任3學分、CHE任3學分、REL 1310、1350、ENG 3330、PSC 2302、MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.4.7 天體物理理學學位主修課程

PHY 1420、1430、2190、2350、2360、2455、3320、3330、3350、3372、3373、4190、4340、4350、4351、4001；其它PHY 4000任3學分；CSI任3學分、CHE任3學分、REL 1310、1350、ENG 3330、PSC 2302、MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

1.4.8 天體物理文科學位主修課程

PHY 1420、1430、2350、2360、2455、3320、3350、3455、4150、4350、4351、4001；CSI任3學分、CHE任3學分、REL 1310、1350、ENG 3330、PSC 2302、MTH 1321、1322、2311、2321、3325、3326。

2 貝勒物理師范課程體系

貝勒基礎物理師資培養(yǎng)脫離了物理系，由教育學院承擔（但基礎數(shù)學師資培養(yǎng)仍然在數(shù)學系，而化學系沒有師范教育）。這樣利于突出師范培訓，增強畢業(yè)生的師范技能。美國的小學為1-6年級、中學7-12年級。下面的中小學指4-8年級，中學高年級指9-12年級。

2.1 教師教育課程

TED 1112 教育技術試驗 I，達到德州教育委員會的認證要求。TED 2112教育技術試驗 II。

TED 1312 教學導論 I：學習教學策略并應用于教學實踐。TED 2330 中小學教學：中小學教師的職責作用及實踐。TED 2340 中學高年級教師的職責作用及實踐。TED 3340 中學高年級教學助理I：中學100小時的教學實習以及討論會。TED 3341中學高年級教學助理II。

TED 3630 中小學教學助理I：中小學100小時的教學實習。TED 3631中小學教學助理II。

EDP 3650 優(yōu)等生教學助理I。TED 3651 優(yōu)等生教學助理II。TED 4312 英語第二語言教學方法。TED 4630 中小學教育實習I。

TED 4631 中小學教育實習II。TED 4632 中小學教育實習III。TED 4633 中小學教育實習IV。TED 4640 中學高年級教育實習I。TED 4641 中學高年級教育實習II。TED 4642 中學高年級教育實習III。TED 4643 中學高年級教育實習IV。EDP 4650 優(yōu)等生教育實習I。EDP 4651 優(yōu)等生教育實習II。

2.2 中小學科學教師專業(yè)課程

大一課程：ENG 1302、1304；REL 1310、1350；GEO 1408 地球科學；TED 1312、1112；LF 1134 體適能理論與實踐；美術3學分；MTH 1320 微積分初步；HED 1145 健康與人類行為。

大二課程：TED 2330、2112、2381；BIO 1305、1105、1306、1106 現(xiàn)代生物科學概念及試驗；GEO 地質學；STA 1380 統(tǒng)計初步；HIS 2365 美國歷史；PSC 2302；LF 終身健康。

大三課程：TED 3630、3380、3631；CHE 1301 現(xiàn)代化學基本概念I；CHE 1101 普通化學實驗I；PHY 1408、1409；CHE 1302 現(xiàn)代化學基本概念II；CHE 1102 普通化學實驗II。

大四課程：TED 4630、4631、4325、4632、4633。

2.3 中學高年級物理科學教師專業(yè)課程

大一課程：ENG 1302、1304；REL 1310、1350；GEO 1408 地球科學；TED 1312、1112； LF 1134 體適能理論與實踐；美術3學分；MTH 1321 微積分I；MTH 1322 微積分II；HED 1145 健康與人類行為。

大二課程：TED 2340、2112、2381；CHE 1301 現(xiàn)代化學基本概念I；CHE 1101 普通化學實驗I；CHE 1302 現(xiàn)代化學基本概念II；CHE 1102 普通化學實驗II；PHY 1420、1430；STA 1380 統(tǒng)計初步；HIS 2365 美國歷史；PSC 2302；LF 終身健康。

大三課程：TED 3340、3341；TED 3387 中學高年級科學課程實習；TED 3380 教育中的社會問題；PHY 2000層次任一門；CHE 3331 有機化學I；CHE 3332 有機化學II；CHE 3238 有機化學實驗。

大四課程：TED 4640、4641、4325、4642、4643。

可以看出，美國對中學物理教師的要求是數(shù)理化生地五門通修，沒有專門的化學、地理、生物教師培養(yǎng)。注重教師職業(yè)道德和職業(yè)技能訓練。

參考文獻

[1] 丁持坤，肖月華.大眾化高等教育時代地方院校物理學專業(yè)面臨的辦學危機與對策探索[J].湖南人文科技學院學報，2014.136（1）：107-110.

[2] 王杰.訪貝勒大學物理系簡介[J].云南名族學院學報，1998.7（2）：61-62.