量子化學的發展范文
時間：2024-01-12 17:37:40
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篇1
論文摘要：將量子化學原理及方法引入材料科學、能源以及生物大分子體系研究領域中無疑將從更高的理論起點來認識微觀尺度上的各種參數、性能和規律，這將對材料科學、能源以及生物大分子體系的發展有著重要的意義。
量子化學是將量子力學的原理應用到化學中而產生的一門學科，經過化學家們的努力，量子化學理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經受到足夠的重視。目前，量子化學已被廣泛應用于化學的各個分支以及生物、醫藥、材料、環境、能源、軍事等領域，取得了豐富的理論成果，并對實際工作起到了很好的指導作用。本文僅對量子化學原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領域做一簡要介紹。
一、在材料科學中的應用
（一）在建筑材料方面的應用
水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學開始廣泛地應用于許多水泥熟料礦物和水化產物體系的研究中，解決了很多實際問題。
鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產物相之一，它對水泥石的強度起著關鍵作用。程新等[1,2]在假設材料的力學強度決定于化學鍵強度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學強度的大小差異。計算發現，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級與Sr-O，Ba-O共價鍵級都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級和Ca-O共價鍵級，由此認為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強度高于硫鋁酸鈣的膠凝強度[3]。
將量子化學理論與方法引入水泥化學領域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結構與宏觀性能聯系起來，也為水泥材料的設計提供了一條新的途徑[3]。
（二）在金屬及合金材料方面的應用
過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質的超精細場和電子結構，通過量子化學計算表明，含有雜質石原子的磁矩要降低，這與實驗結果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學方法研究了鑭系三氟化物。結果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結合能計算值與實驗值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結構及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結構和光譜也是通過量子化學方法進行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質方面存在的差異[6]。
量子化學方法因其精確度高，計算機時少而廣泛應用于材料科學中，并取得了許多有意義的結果。隨著量子化學方法的不斷完善，同時由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學在材料科學中的應用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學的發展提供一條非常有意義的途徑[5]。
二、在能源研究中的應用
（一）在煤裂解的反應機理和動力學性質方面的應用
煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學理論的發展和量子化學計算方法以及計算技術的進步，量子化學方法對于深入探索煤的結構和反應性之間的關系成為可能。
量子化學計算在研究煤的模型分子裂解反應機理和預測反應方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復合材料碳前驅體熱解機理方面的研究已經取得了比較明確的研究結果。由化學知識對所研究的低級芳香烴設想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經驗方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關效應的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設計路徑的熱力學和動力學進行了計算。由理論計算方法所得到的主反應路徑、熱力學變量和表觀活化能等結果與實驗數據對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學基礎的研究有重要意義[7]。
（二）在鋰離子電池研究中的應用
鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環壽命長、安全可靠、無記憶效應、重量輕等優點，被人們稱之為“最有前途的化學電源”，被廣泛應用于便攜式電器等小型設備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、航空等領域發展。
鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實際上是Li+離子在正負兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機理對進一步改善鋰離子電池的性能至關重要。Ago等[8]用半經驗分子軌道法以C32H14作為模型碳結構研究了鋰原子在碳層間的插入反應。認為鋰最有可能摻雜在碳環中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預示在較高的摻鋰狀態下有可能存在一種Li-C和具有共價性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計算法，對低結晶度的炭素材料的摻鋰反應進行了研究，研究表明，鋰優先插入到石墨層間反應，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。
隨著人們對材料晶體結構的進一步認識和計算機水平的更高發展，相信量子化學原理在鋰離子電池中的應用領域會更廣泛、更深入、更具指導性。
三、在生物大分子體系研究中的應用
生物大分子體系的量子化學計算一直是一個具有挑戰性的研究領域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學可以在分子、電子水平上對體系進行精細的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關酶的催化作用、基因的復制與突變、藥物與受體之間的識別與結合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學的方法對這些生物大分子體系進行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結構、設計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進而調控基因的復制與突變，使之造福于人類；可以根據藥物與受體的結合過程和作用特點設計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學的手段來研究生命現象是十分有意義的。
綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學發揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學計算變得更加迅速和方便。可以預言，在不久的將來，量子化學將在更廣泛的領域發揮更加重要的作用。
參考文獻：
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[3]李北星,程新.建筑材料學報,1999,2(2):147
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[5]程新,陳亞明.山東建材學院學報,1994,8(2):1
[6]閔新民.化學學報,1992,50(5):449
[7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉化,2003,26(1):1
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[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262
篇2
[關鍵詞]結構化學；教學改革；互動教學
結構化學課程是我國高等學校化學專業的必修課程，內容涉及量子化學，分子對稱性，配位化學和晶體學基礎等部分。該課程內容抽象，知識系統龐雜，數理推導較多，學習曲線陡峭，不少學生因此存在著畏難情緒。然而正如詩詞所言，無限風光在險峰，學好這門課程不僅有助于理解其它化學課程的內容，也是為進一步在本專業深造打下堅實的基礎。[1]在當前深化本科教育教學改革的背景下，如何將結構化學課程上好，真正做到讓老師強起來，學生忙起來，效果實起來，筆者在此對授課以來的問題和解決方法進行總結。
1重視數理，夯實基礎
結構化學課程的一大難點在于數學推導較多，譬如量子化學部分完全使用數學語言描述核心知識，而對于化學專業的同學，數學一直是軟肋，于是極容易產生厭學和畏難情緒。[2-4]針對這個問題，很多老師采取的解決方法是淡化數學推導，重點介紹推導后的結論和意義，但我們在授課過程中，發現這樣的授課方式效果欠佳，因為基礎不牢，課程的學習只能是空中樓閣、風中沙塔，很多同學在課程結束后還是無法對物理圖像有一個正確的認識和把握。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，筆者認為與其淡化數學，不如嚴格要求，把數學學到位。偉大的思想家恩格斯說過：“任何一門科學的真正完善在于數學工具的廣泛應用。”正是因為數學和物理的引入，才讓化學擺脫了煉金術的桎梏而成為一門科學。因此我們在授課時自始至終強調數學的重要性，在涉及數學內容較多的章節，提前講授將要用到的數學工具并布置作業，每章節結束后將重要的公式和結論進行串講并配合習題進行強化訓練，要求所以學生每學完一個章節就做思維導圖及時總結復習，將重要公式進行總結歸納制作公式索引表格。盡管提升了學習的難度，但學生對于推導的結果和物理意義理解的更加準確和深入，記憶也更加牢固，鍛煉了學生的邏輯思維和嚴謹認真的科學態度。
2理清主線，合理增負
結構化學課程內容主要涉及量子化學基礎，分子對稱性，配位化學以及晶體學基礎。盡管這四個部分知識彼此之間較為獨立，但所表達的核心思想是一致的，即結構決定性質，性質也反映著結構。目前授課內容主要存在問題是：量子化學部分各章節之間主線不夠明確；配位化學部分和專業無機化學課程內容有重疊；晶體學基礎部分，結構相關的內容介紹較多而相關的性質介紹較少。針對這些問題，我們對課程的授課內容進行了合理的補充和刪減。首先，對于量子化學部分，我們在授課一開始給出課程的故事主線，即量子力學的誕生背景，量子力學基本假設，簡單模型的量子力學處理方法，氫原子薛定諤方程的求解過程及解的物理意義，以及針對于多電子原子和多原子分子的近似方法。這條主線清晰明確，在每一章節開始時，我們對之前的內容進行簡要回顧，幫助學生理清了各章節的邏輯關系，在學期末復習課時對每一個知識點進行展開復習，進行鞏固。配位化學部分，對于和無機化學有重疊的部分，我們通過翻轉課堂的方式簡要復習，同時突出結構化學的重點，即分子軌道理論在配位化學的應用，著重介紹了配體群軌道這個新概念，以及不同配位幾何構型下配體群軌道和中心原子如何依據對稱性進行線性組合的方式，同時介紹了金屬配合物作為均相催化劑催化反應的常見機理。在此基礎上，我們還將科研中的一些問題引入課堂討論，如金屬氮賓體和金屬氧化物的電子結構，讓學生通過知識解決實際科研問題，真正做到科研反哺教學。晶體學部分除了介紹基本知識以外，補充介紹了能帶理論，態密度等概念，并介紹了導體，半導體，絕緣體在電子結構上的差異，這些基礎知識有利于化學專業的同學在材料化學方向進行科研工作打下基礎。盡管課程在深度和廣度上都有所增加，但不少同學都表示感受到了挑戰性學習所帶來獲得感和高階樂趣。
3反客為主，多元考核
傳統理論課授課方式，采用幻燈片講述授課，學生被動填鴨式學習，效果較差，也不利于學生培養綜合能力。針對這些問題，我們開始嘗試翻轉課堂教學方法來提高學生參與性，重點培養學生的學習能力，表達能力，獨立思考，發現問題，解決問題的能力，這些都是未來創新型人才所具有的重要特質。翻轉課堂的內容主要涉及三個方面，一個是結構化學課程中難度較低的幾個章節，如雙原子分子電子結構，分子對稱性，配位化學基礎知識等章節，各章節的總結復習以及研究性課題，教師提供慕課資源，書籍資料和分子建模軟件，讓所有學生統一準備，課堂上抽簽進行講解，在授課過程中，要求其他小組必須提問，教師在課程結束時對各小組所準備的課件進行補充點評，我們也將翻轉課堂教學納入了考核評價，提高了課程總結筆記，課堂提問，翻轉課堂課件等分數項的比例。翻轉課堂授課方式有效的活躍了課堂氣氛，提高了課堂參與度，也增強了學生的學習能力和思辨精神。
篇3
我自己是學化學的，從事學化學、教化學、研究化學也幾十年了，但現在似乎有點兒不太認得了。我覺得世紀之交，大家要重新有一個認識，認識學科本位的問題。
一門科學的內涵和定義至少有四個屬性：
整體和局部性科學是一個復雜的知識體系，好比一塊蛋糕。為了便于研究，要把它切成大、中、小塊。首先切成自然科學、技術科學和社會科學三大塊。在自然科學中，又有許多切法。一種傳統的切法是分為物理學、化學、生物學、天文學、地理學等一級學科。近年來又有切成物質科學、生命科學、地球科學、信息科學、材料科學、能源科學、生態環境科學、納米科學、認知科學、系統科學等的分類方法。化學是從科學整體中分割開來的一個局部，它和整體必然有千絲萬縷的聯系。這是它的第一個屬性。
學科之間的關聯和交叉如果把科學整體看成一條大河，那么按照各門科學研究的對象由簡單到復雜，可以分為上游、中游和下游。數學、物理學是上游科學，化學是中游科學，生命科學、社會科學等是下游科學。上游科學研究的對象比較簡單，但研究的深度很大。下游科學的研究對象比較復雜，除了用本門科學的方法以外，如果借用上游科學的理論和方法，往往可以收到事半功倍之效。所以“移上游科學之花，可以接下游科學之木”。具有上游科學的深厚基礎的科學家，如果把上游科學的花，移植到下游科學，往往能取得突破性的成就。例如1994年諾貝爾經濟獎授予納什，他在1950年得數學博士學位，1951-1958年任美國麻省理工學院數學講師、副教授，后轉而研究經濟學，把數學中概率論之花，移到經濟學中來，提出預測經濟發展趨勢的博弈論，因而獲得諾貝爾經濟獎。
發展性化學的內涵隨時代前進而改變。在19世紀，恩格斯認為化學是原子的科學(參見《自然辯證法》)，因為化學是研究化學變化，即改變原子的組合和排布，而原子本身不變的科學。到了20世紀，人們認為化學是研究分子的科學，因為在這100年中，在《美國化學文摘》上登錄的天然和人工合成的分子和化合物的數目已從1900年的55萬種，增加到1999年12月31日的2340萬種。沒有別的科學能像化學那樣制造出如此眾多的新分子、新物質。現在世紀之交，我們大家深深感受到化學的研究對象和研究內容大大擴充了，研究方法大大深化和延伸了，所以21世紀的化學是研究泛分子的科學。
定義的多維性一門科學的定義，按照從簡單到詳細的程度可以分為：(1)一維定義或X-定義，X是指研究對象。(2)二維定義或XY-定義。Y是指研究的內容。(3)三維定義或XYZ-定義。Z是指研究方法。(4)四維定義或WXYZ定義，W是指研究的目的。(5)多維定義或全息定義。一門科學的全息定義還要說明它的發展趨勢、與其他科學的交叉、世紀難題和突破口等等。這樣才能對這門科學有全面的了解。下面以化學為例加以說明。
化學的一維定義
21世紀的化學是研究泛分子的科學。泛分子的名詞是仿照泛太平洋會議等提出的。泛分子是泛指21世紀化學的研究對象。它可以分為以下十個層次：(1)原子層次，(2)分子片層次，(3)結構單元層次，(4)分子層次，(5)超分子層次，(6)高分子層次，(7)生物分子和活分子層次，(8)納米分子和納米聚集體層次，(9)原子和分子的宏觀聚集體層次，(10)復雜分子體系及其組裝體的層次。
化學的二維定義化學是研究X對象的Y內容的科學。具體地說，就是：化學是研究原子、分子片、結構單元、分子、高分子、原子分子團簇、原子分子的激發態、過渡態、吸附態、超分子、生物大分子、分子和原子的各種不同維數、不同尺度和不同復雜程度的聚集態和組裝態，直到分子材料、分子器件和分子機器的合成和反應，制備、剪裁和組裝，分離和分析，結構和構象，粒度和形貌，物理和化學性能，生理和生物活性及其輸運和調控的作用機制，以及上述各方面的規律，相互關系和應用的自然科學。
化學的三維定義化學是用Z方法研究X對象的Y內容的科學。化學的研究方法和它的研究對象及研究內容一樣，也是隨時代的前進而發展的。在19世紀，化學主要是實驗的科學，它的研究方法主要是實驗方法。到了20世紀下半葉，隨著量子化學在化學中的應用，化學不再是純粹的實驗科學了，它的研究方法有實驗和理論。現在21世紀又將增加第三種方法，即模型和計算機虛擬的方法。化學的四維定義化學是用Z方法研究X對象的Y內容以達到W目的的科學。化學的目的和其他科學技術一樣是認識世界和改造世界，但現在應該增加一個“保護世界”。化學和化學工業在保護世界而不是破壞地球這一偉大任務中要發揮特別重要的作用。造成污染的傳統化學向綠色化學的轉變是必然的趨勢。21世紀的化工企業的信條是五個“為了”和五個“關心”：為了社會而關心環保;為了職工而關心安全、健康和福利;為了顧客而關心質量、聲譽和商標;為了發展而關心創新;為了股東而關心效益。
化學的多維定義———21世紀化學研究的五大趨勢
1、更加重視國家目標，更加重視不同學科之間的交叉和融合在世紀之交，中國和世界各國政府都更加重視國家目標，在加強基礎研究的同時，要求化學更多地來改造世界，更多地滲透到與下述十個科學郡的交叉和融合：1數理科學，2生命科學，3材料科學，4能源科學，5地球和生態環境科學，6信息科學，7納米科學技術，8工程技術科學，9系統科學，10哲學和社會科學。這是化學發展成為研究泛分子的大化學的根本原因。所以培養21世紀的化學家要有寬廣的知識面，多學科的基礎。
2、理論和實驗更加密切結合
1998年，諾貝爾化學獎授予W.Kohn和J.A.Plple。頒獎公告說：“量子化學已經發展成為廣大化學家所使用的工具，將化學帶入一個新時代，在這個新時代里實驗和理論能夠共同協力探討分子體系的性質。化學不再是純粹的實驗科學了。”所以在21世紀，理論和計算方法的應用將大大加強，理論和實驗更加密切結合。
3、在研究方法和手段上，更加重視尺度效應
20世紀的化學已重視宏觀和微觀的結合，21世紀將更加重視介乎兩者之間的納米尺度，并注意到從小的原子、分子組裝成大的納米分子，以至微型分子機器。
4、合成化學的新方法層出不窮合成化學始終是化學的根本任務，21世紀的合成化學將從化合物的經典合成方法擴展到包含組裝等在內的廣義合成，目的在于得到能實際應用的分子器件和組裝體。合成方法的十化：芯片化，組合化，模板化，定向化，設計化，基因工程化，自組裝化，手性化，原子經濟化，綠色化。化學實驗室的微型化和超微型化：節能、節材料、節時間、減少污染。從單個化合物的合成、分離、分析及性能測試的手工操作方法，發展到成千上萬個化合物的同時合成，在未分離的條件下，進行性能測試，從而篩選出我們需要的化合物(例如藥物)的組合化學方法。
5、分析化學已發展成為分析科學分析化學已吸收了大量物理方法、生物學方法、電子學和信息科學的方法，發展成為分析科學，應用范圍也大大拓寬了。分析方法的十化：微型化芯片化、仿生化、在線化、實時化、原位化、在體化、智能化信息化、高靈敏化、高選擇性化、單原子化和單分子化。單分子光譜、單分子檢測，搬運和調控的技術受到重視。分離和分析方法的連用，合成和分離方法的連用，合成、分離和分析方法的三連用。
化學的多維定義———21世紀化學的四大難題(中長期)(從略)
篇4
【關鍵詞】 缺陷化學；研究生；教學改革
缺陷化學是固體化學的一個重要分支學科，屬于材料科學的范疇。材料的所有物理性質都是由它們的精確結構與顯微組織所決定的，所以其性質也與其缺陷結構和濃度相關，缺陷化學理論正是解釋這些關系的。我們已經充分認識到新材料已經成為各個高新技術的發展的突破口，而材料的性能很大程度上取決于其結構，缺陷化學所研究的固體材料中的微觀、顯微微觀結構的產生、缺陷的平衡等問題對我們了解電子材料、高溫材料等的工藝控制和性能具有重要意義。缺陷化學中的許多概念、原理與理論對材料學科有重要的指導作用，如點缺陷理論，該課程對學生其它課程的理論學習和理解，以及科研素養的培養有著重要作用。因此，缺陷化學作為高等院校材料類專業研究生的主要基礎課，應受到足夠的重視。景德鎮學院一直將其作為材料學碩士研究生的必修基礎課，是一門理論性和應用性都較強專業主干課程。
隨著現代教育體制的不斷發展和完善，國內各高校都針對自身的學科建設和研究生培養，對課程開設和內容改革都進行了不斷創新和有益嘗試。景德鎮學院作為以無機非金屬材料為重點發展方向的的地方性特色高校，在調研國內一些著名學校該課程的建設和發展的基礎上，結合學院多年教學體會和實踐，得出了不少有益的經驗和啟發。
一、改革教學方法、優化教學手段
在現有教學大綱基本要求下，改變過去以“教——學”為主要方法的授課模式，打破以教師為中心的教學價值觀，改為注重教師的引導作用，不再以系統簡釋理論知識為主線，而是強調啟發學生的問題意識。合理分配學時，在保證有足夠時間講述重點難點內容的前提下，將屬于拓展提高、細化應用等內容調整為學生提問、資料查閱的方式來完成；對于學生的問題，教師學會傾聽，不忽視研究生的創新思想火花，而是引導學生了解其不足，鼓勵學生大膽深入討論；同時鼓勵學生制作課件試講，老師有針對性的點評，有意識的將一些與缺陷化學有關的題目留給學生，引導學生利用網絡資源，主動獲取知識，以此充分調動學生學習的積極性和主動性。例如：“原子尺度缺陷結構的生成分布”、“點缺陷結構域高技術陶瓷性能”等；教師在課堂教學中善于捕捉隨時出現的新問題，這些問題有的來自教師的教學準備工作，有的來自教師參與的科研實驗工作，有的來自研究生的課題工作。
采用現代教育技術編寫、制作、使用多媒體技術。學院《缺陷化學》多媒體教學已經嘗試多年，目前制作完成2套課件，包含100多幅實例圖片，運用于教學實踐后取得良好的教學效果。多媒體技術可以把微觀世界的抽象性在虛擬世界里具體化，借助于計算機技術，學生能夠直觀感受原子、分子和固體內部，探索微觀世界的奧妙，從而顯著改善教學效果。多媒體教學廣泛采用分子圖形軟件制作立體感強、可實時操作的動態模型，徹底解決了實物模型種類有限、數量不足的困難。通過繪制原子尺度缺陷結構、點缺陷模型、晶體三維點缺陷等，使抽象的概念具體化，最終改進教學效果。
針對課程重點難點，在教學中明確教學內容，合理分配學時，分類將屬于基礎性知識點交由學生自學，如晶體缺陷的類型、點缺陷的表示方法及缺陷反應方程式等；重點難點由老師詮釋講解，如電子缺陷、缺陷的類化學平衡等，將屬于拓展提高、疑難問題辨析討論，進一步應用細節等內容調整為給學生提問題，引導學生通過思考、查閱資料的方式完成，如含有雜質的晶體中缺陷的平衡等內容。
二、充分結合自身特點，利用科研促進教學
學院材料學研究生主要課題方向集中在無機非金屬材料方面，以高性能結構陶瓷、功能材料為主，這就要求我們的專業基礎課程要能夠很好的為學生開展課題研究打下基礎。
我們通過介紹缺陷化學與材料學專業其他課程的關系，使學生了解缺陷化學對其專業學習的重要性，引起學生對本課程學習的高度重視。比如講到晶體結構和由于摻雜引起的缺陷內容時，可以介紹當前高科技領域的發展基本都是通過摻雜引起材料能帶發生變化的特點，激勵同學努力學習好這門大部分高科技所需要的基礎知識；以固體材料的點缺陷結構為主線，引導學生深刻理解物質的結構決定性質的原理，比如為了讓學生更好地掌握晶體的結構缺陷和性質的關系，如必須使學生真正理解什么是位錯運動，實際晶體結構中的位錯是什么樣子。
在教學中結合教師開展的科研課題，準確恰當的使用實例在說明利用缺陷化學原理指導制備功能材料的方法。如“BaTiO3正溫度系數熱敏材料的研制”，在家用電器、醫療等方面有廣泛應用的BaTiO3熱敏材料的研制正日益受到國內外廣泛關注，這種材料正式利用缺陷化學原理與晶界理論而制造與發展的。又如“外界氣氛對TiO2性能的影響”，實驗發現TiO2在強氧化氣氛下進行燒結時，可以獲得金黃色的介質材料，如在還原氣氛下燒結，卻得到一種灰黑色材料，該種材料具有半導體性。為何在不同的氣氛下燒結所得到的材料在性質上有如此大的差別，就可以利用缺陷化學的有關知識做出解釋。
三、與時俱進，加快課程內容的更新，鼓勵交叉學科內容的充實
從1926年弗倫克爾為了解釋AX離子晶體導電的實驗事實提出“佛倫克爾”缺陷模型以及“肖脫基缺陷”的提出開始，到現在電子能級的缺陷的控制成為新材料研制開發的關鍵，缺陷化學理論一直在科研實踐中逐步發展，并且越來越對高新技術領域產生巨大的影響。缺陷化學的教學也應本著“寬口徑、厚基礎、強能力、高素質”的要求，不斷使研究生更新知識，以適應科技發展和科研工作的需要。如：缺陷化學為剖析點缺陷對陶瓷材料特性提供了極其有效的工具，陶瓷材料的電導率、擴散傳導、化學反應速率和傳質的動力學都與缺陷的形態和數目密切相關，目前發展較快的功能陶瓷和納米陶瓷傳感器就是很好的教學例證。
隨著越來越多交叉學科的出現及其在認識世界和改造世界中發揮作用的不辯事實， 交叉學科在科學領域中的生命力都得到了充分的證明。缺陷化學是一門新興的交叉學科，涵蓋了化學、物理、材料學等課程內容，在教學中結合量子力學、量子化學等的知識可以更加深入的講解知識點，使學生能夠更綜合的考慮問題，能夠全面的分析解決問題。比如量子化學中基于局域密度泛函和贗勢的第一性原理方法可以用來研究金紅石相TiO2點缺陷的電子性質，而且對點缺陷模型、點缺陷能量的計算機模擬和第一原理研究也是目前一個研究的熱點內容，這對于拓寬學生的知識面，激發學習興趣，提高其科研水平具有重要意義。
綜上所述，缺陷化學在材料類研究生的課程體系中起著相當的重要作用。通過創新思想，利用先進的教學方法和手段，以學促教，融會貫通相關學科內容，以科研帶動教學，將充分改善教學效果，大大提高學生的基本素質和創新能力，達到培養21世紀創新人才的迫切需要。
【參考文獻】
[1] 于長鳳，朱小平. 缺陷化學概論[M] .武漢：武漢理工大學出版社，2010.
篇5
或許是對于一生四海奔波的一種變相補償，在唐敖慶生命的最后十年，高血壓引發的中風，使他不得不接受身體被禁錮的歲月。
再漫長的征途也總有終點。7月15日11時15分，在北京的一家醫院中，唐敖慶平靜地走完了最后的時光。1936年，他曾經以北京大學化學系學生的身份，在這個城市短暫淹留，直至因抗戰需要被迫南遷；1950年，當他從美國哥倫比亞大學獲得物理化學博士學位后，也曾重回北京大學短暫任教。
再一次回到這里，唐敖慶已年逾七旬。1986年初，時任國務院副總理的方毅提名，他受命擔任新成立的國家自然科學基金委員會第一任主任。這在當時并不是一件輕松的差事：新的委員會，整合了中國科學院、原國家科學技術委員會、原國家教育委員會的有關力量。要在仍然十分濃厚的計劃以及行政化色彩之下，建立起以科學家群體為依托、頗具國際化色彩的科學基金制，從內到外的困難可想而知。
但唐敖慶不為所動，嚴格堅守自己制定的16字原則，即“依靠專家，發揚民主，擇優支持，公正合理”。在他看來，只有把權力從行政機關轉交到專家手中，并建立起制衡機制，中國的科研才有希望。學術意義和科學價值永遠是第一位的，這樣才能保證基礎研究的連續性。
他在基金委主任的位置上只待了短短四年，1991年退而擔任名譽主任。但在萬事維艱的初創時期，唐敖慶定下的基調以及表現出來的學者風骨，卻是彌足珍貴的財富。
1915年11月18日，唐敖慶出生于江蘇省宜興縣一個清貧家庭。經過頗為坎坷的半工半讀求學之路，他終于得以進入燕園就讀。只可惜國運日艱，在進入大學的第二個年頭，就被迫南遷，先長沙而后昆明，才找到一張還算平靜的書桌。
在西南聯大畢業并任教六年之后，他的人生迎來了新的機緣。1946年，唐敖慶有幸與李政道、朱光亞等人，以助手身份，隨同物理學家吳大猷、數學家華羅庚、化學家曾紹掄赴美考察，并被推薦進哥倫比亞大學攻讀化學博士。
在這里，唐面臨著新的挑戰和人生選擇。由于幼年經常在油燈下挑燈夜讀，他的視力受到嚴重影響，眼鏡度數曾高達2000度。唐敖慶的對策不是部分放棄閱讀學術資料和文獻的樂趣，而是強化記憶。他過目不忘、博聞強記的本領，幾乎給所有認識他的人留下了深刻印象。
作為新成立的“哥倫比亞大學中國同學會”的第一任主席，他的住處常常成為縱論國是的據點；在1949年11月獲得博士學位之后，唐敖慶于次年初決意返回了祖國。
1952年，考慮到中國的重工業基地東北地區還沒有一所文理綜合大學，上級決定派唐敖慶前往東北人民大學（現吉林大學）設立理科。是年夏天，他偕夫人從北京來到位于長春市中南部的青蔥校園中，一直待到1986年；其中自1978年7月始，擔任吉林大學校長。
上個世紀60年代初，唐敖慶與由八位副教授、講師（后來俗稱“員”或“弟子”）組成的研究集體，開始瞄準配位場理論進行攻關。配位場理論作為近代無機化學的理論基礎，創建于二三十年代，其后長期處于停滯狀態；50年代后，隨著光譜、磁共振以及激光技術的發展，人們重新關注這一領域。他們成功地在統一配位場理論的基礎上提出了新的方案，由此為化學工業催化劑和受激輻射技術的發展提供了寶貴的理論支撐。1982年，這一成果獲得國家在科研領域的最高獎項――國家自然科學獎一等獎。
70年代初期，隨著分子軌道圖形理論在國際上成為關注的熱點，唐敖慶等又投入這一領域。1987年，“分子軌道圖形理論方法及其應用”為他贏得了第二個國家自然科學獎一等獎。而80年代和90年代，他又把注意力轉向當時國際上的一個重要研究領域――原子簇化學。
作為中國理論化學領域的奠基人之一，唐敖慶可謂桃李遍天下。自50年代開始，他就通過進修班、學術討論班等形式，致力于培養高水準的學術帶頭人。孫家鐘、江元生、沈家聰等中國科學院院士，都出自他開辦的學習討論班。
唐敖慶是一個極為堅持原則的人。在基金委期間，他收到過不少私人的求助信，希望能幫助申請經費；但他不發一言，不批一字，不以個人來影響專家們的集體民主評審和決策。
他把“公”“私”兩字分得很清楚，據說連給吉林大學不少人寫信，都不肯用基金委的信封和信紙。但另一方面，唐敖慶又是非常謙和、熱情的人。他總是給大家充分自由的表達空間，一旦集體決定的事情就不折不扣地執行。
篇6
關鍵詞：計算化學軟件；有機化學；應用
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.10.119
近幾年來，計算化學軟件逐漸得到了人們的重視。在大學有機化學的教學中，它能夠通過傳統的平面符號將深奧的化學信息傳遞給學生，并加強他們對化學結構的理解。另外，傳統的教學方式已經不能夠滿足學生對知識的需求，只有結合現代化的輔助工具，才可以達到提升學習效率的目的。
1 計算化學軟件在大學有機化學教學中的應用
（1）計算化學軟件在立體模型方面的分析方式。從本質上來講，分子立體結構的教學在有機化學中是必不可少的。但傳統的方式中，教師僅僅用單一的構圖法對知識點進行規劃，來將其中的規律呈現在他們面前。這種方法不僅復雜，增加了教師的任務量，也無法使學生徹底的理解知識，并產生了負擔。同時，一些想象空間缺失的學生更無法將立體結構展開，體現“具體問題具體分析”的合理性。可見在有機化學中計算軟件的應用是必不可少的。首先，大學化學中的重點就是有機化合物的分子結構分析。它能夠從化學反應的基本原理出發，構建物質之間的基本聯系，并體現其中的演變過程。因此，教師可以通過分子結構的剖析，利用計算軟件將排列方式呈現出來，并在多媒體中進行模擬教學，體現教學方法的靈活性。
例如：在甲烷分子的構想過程中，教師則可以利用office中的3D處理功能，構建一個立體結構的演示過程，并將分子模型進行優化。同時，為了能夠將動態過程體現出來，教師也可以通過“Flash”動畫模型的建立做出C-C的360度旋轉過程，改變分子形態中的二苗角，來完成計算軟件中的曲線剖析動作。最后，教師要利用Gaussian03軟件實現分子關聯性講解。將每一分子作為一個數據節點，利用掃描功能對每一部分進行分析，并將對應的勢能曲線表達出來。這種教學方法的好處在于能夠使學生從全方位看出分子的構象規律，并實現曲線的交叉變換，令他們掌握乙烷的穩定排列形態。
（2）計算化學軟件對分子光學模擬的分析。有機化學的學習目的是令學生能夠用更加全面、靈活的眼光來分析宏觀與微觀世界。因此，為了體現內容的多樣化，教師可以將光譜理念引入到其中。首先，傳統的有機化學學習方式主要是以引入儀器的方法來完成，但這些化學輔助工具卻無法將有機物分子展開。針對這種情況，教師要利用計算軟件進行知識解析。首先，在操作過程中教師以Gaussian03軟件為主，以功能的設定為具體方向，對分子光譜進行預測及模擬。例如：在有機分子紅外光譜的學習中，教師利用互動模式將學生帶入到課堂學習中，將他們兩兩分為一組，并在建立好的模型上進行演示。而學生要根據模型中的振動頻率將關鍵詞Freq輸入進去，在文件的處理界面中選擇“演示”字樣，系統則會選定一個基本頻率，以分子振動節點為中心，制定相應的光譜。學生只要點擊系統中的“開始”選項，多媒體就會將化合物分子中的伸縮振動過程、光譜曲線、結構對應方向逐一體現出來，實現了教學的動態化。
再如：在雙分子親和的教學中，教師要首先建立好相應的計算模型。系統會依照分子之間的運動頻率確立核定方式，并將分析中所呈現出的關鍵詞運用到其中。最后，計算軟件能夠進行分子常態的設定，學生可以從中看出離子的分散過程以及試劑的投入順序。同時，教師要結合其中的重點內容將相關的理論知識融入進去，使學生根據總結出反應中呈現的狀態，并以小組討論的方式整理好雙分子親和中的關鍵點。最后，教師以小組為單位進行逐一評定，選取其中比較優秀的一組進行獎勵。
2 計算化學軟件在計算化學軟件在大學有機化學教學中的應用
（1）深化學生對知識的理解。有機物特性分子在化學教學中是必不可少的。但這部分內容也是學習中的難點，如何將化學知識與其物理特征聯系在一起，并直觀的呈現在學生的面前是教育的關鍵。例如：以HOMO化學概念的學習為主，教師只有將分子組合或分裂的排序過程中展現出來，學生才能夠真正依照其運行軌跡進行知識學習。而以計算軟件為主的教學方式則可以滿足這一要求。教師可以在建立基本模型的前提下選擇一條分子排列軌道，將演示內容直觀、清晰的呈現在學生的面前，深化學生對知識的理解。
（2）促進教學方式的轉變。由于有機化學的難度逐漸加深，單一的繪圖方式已經無法滿足學生的需求。因此，教學方式的轉變是必然的，也是現代化教育的結果。計算軟件能夠將分子的構成式逐一展現出來，并將平面圖像變為立體形狀。因此，如果教師想要適應時代的發展，就要提升自身的教育水平，學習計算化學軟件，并令其在課堂中能夠得到良好的應用。同時，這種方式也減輕了教師的課業任務，節省了繪圖與版面制作的時間。從學生的角度來講，這種教育模式可以為他們帶來新鮮感，激發起學習的興趣，促進自身能力的提升。
3 結語
綜上所述，本文主要從兩方面入手。第一，以計算軟件的應用作為切入點，對其在有機化學教學中的應用進行闡述。第二，探究了計算軟件在化學課程中的意義。從而得出：教師要改變原有的教育理念，將現代化的多媒體技術應用到其中，以達到教育創新的目的。同時，計算化學軟件能夠將抽象的知識結構以直觀的方式呈現在學生的面前，有利于學習效率的提升，也可以實現知識的深化，為人才的培養奠定基礎。
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篇7
Abstract：Rational drug design is important component of medicine chemistry，which can guide the innovative drug research.The rational drug design can not only improve the efficiency and save the cost of drug research，but also accelerate the development of medicine chemistry.Here，some important methods of drug design，such as properties based drug design，ligand based drug design， receptor base drug design are introduced in medicine chemistry，and the corresponding samples are used to demonstrate the idea of drug design.Obviously，the innovative drug design integrated into medicine chemistry teaching not only boosts the innovation consciousness in drug research，but also is the basis for cultivation of creative student.
Keyword：Medicine Chemistry；Drug Design；Teaching Research；Teaching Reform
隨著藥物化學的產生與發展，藥物設計這一學科也應運而生。早在1919年，langmuir[1]就提出了電子等排體的概念；1925年Grimm[2]將電子等排體概念廣義化；1932年Erlenmeyer[3]將有機化學的電子等排原理和環等當體概念用于藥物設計，首次提出了具有理論性的藥物分子結構修飾；1964年，Hansch[4-5]提出了線性自由能模型，即Hansch方程，使得藥物設計由定性進入定量研究階段。為在三維空間探討藥物結構與生物活性之間量變關系，19世紀80年代前后逐漸出現了三維定量構效關系研究方法。例如，1979年Crippen[6]提出“距離幾何學方法”；1980年Hopfinger[7]等人提出“分子形狀分析方法（MSA）”；1988年Cramer[8]等人提出了“比較分子場分析方法（CoMFA）”；1994年Klebe[9]在CoMFA基礎上又提出“比較分子相似性指數分析方法（CoMSIA）”。三維定量構效關系的出現給藥物設計注入了新的活力，讓藥物設計更趨于合理，也是目前應用最為廣泛的藥物設計方法之一。
20世紀70年代之后，隨著分子生物學的進展與人類基因組計劃的順利完成，對酶與受體的認識更趨深入，更多酶的性質、反應歷程、藥物-酶復合物的結構得以闡明，使得藥物設計更為合理。同時，計算機圖形學、分子生物學、計算機科學等學科的發展與交叉應用，不僅為新藥設計帶來了更多的機遇，同時也讓藥物研究面臨更多了挑戰。顯然，藥物設計方法在藥物化學中的地位也越發顯得重要。目前，藥物設計開始綜合運用藥物化學、生物化學、分子生物學、量子化學、藥理學、計算機科學、信息學等學科的研究內容，使得藥物設計受到藥學研究人員的廣泛重視，已成為藥物研究中的基本工具與必備手段。
藥物化學是藥學學科的專業基礎課，本身所涉及的藥學研究內容較多，對教師的理論教學提出了較高要求。然而，藥物設計因屬于多學科交叉前沿研究領域，涉及多個學科的研究內容，對學生的理論基礎知識提出更高的要求。此外，在傳統的藥物化學教學中并未將藥物設計的概念、研究方法、研究手段單獨提出，這就讓學生對藥物設計產生神秘感，增加了藥物設計的教學難度。因此，如何將藥物設計的理念、研究方法、研究手段有機融入到藥物化學的理論與實踐教學中，需要長時間深入的研究與探討。該文將介紹藥物化學理論教學中常見的幾種藥物設計方法，將藥物設計理念融入到藥物化學的教學內容中，為培養創新型藥學人才奠定基礎。
1 藥物化學教學中的藥物設計方法
1.1 基于性質的藥物設計
基于性質的藥物設計針對藥物或先導物結構進行藥物性質設計與優化，以改善藥物或先導物的吸收、分布、代謝、毒副作用為目的。在藥物化學理論教學中，藥物設計案例隨處可見，諸如軟藥設計、硬藥設計、孿藥設計、生物電子等排等，在先導化合物的優化中得到廣泛應用。藥物分子通過簡單的設計或改造，可以改善其某些物理化學性質或不良效應，提高藥物的選擇性、穩定性、溶解性、作用時間、生物利用度、增強藥效與降低毒副作用等。例如由乙酰水楊酸與對乙酰氨基酚拼合而成貝諾酯，不僅可以解決水楊酸對胃的酸性刺激，而且因協同作用而增強的藥效。再如治療前列腺疾病的已烯雌酚會產生雌激素副作用，將其設計成已烯雌酚二磷酸酯，因前列腺腫瘤組織中磷酸酯酶含量高于正常組織，可以在癌組織中酶解出高濃度的已烯雌酚，從而增強了對前列腺腫瘤組織的選擇性。
1.2 基于配體的藥物設計
基于配體的藥物設計是根據現有藥物分子結構，分析結構與生物活性的之間量變關系，據此設計新的化合物以提高其的生物活性。定量構效關系研究在基于配體的藥物設計中應用最為廣泛，可分為二維、三維定量構效關系研究方法。定量構效關系研究可以追溯到1868年提出的Crum-Brown[10-11]方程，該方程認為化合物生理活性可用化學結構的函數式表示，但是并未建立明確的數學模型。直到1964年Hansch提出線性自由能模型，使得構效關系研究進入定量研究階段。20世紀80年代，三維定量構效關系研究方法的出現使得構效關系研究更為直觀，也大大提高了藥物設計的效率。例如環丙沙星的發現就是基于系列喹諾酮類藥物的Hansch方程，方程顯示喹林羧酸的1位取代基的最佳長度是0.417 nm，因此1位取代基為環丙基（0.414 nm）比乙基（0.411 nm）的生物活性更優，結果表明環丙沙星的抗菌效果優于諾氟沙星。
1.3 基于受體的藥物設計
基于受體的藥物設計是指基于X射線衍射、核磁共振或同源建模等提供的受體三維結構信息，篩選或設計能夠與其發生相互作用并能調節其功能的小分子化合物。隨著人類基因組計劃的完成，大量與疾病相關的基因被發現，且越來越多藥物受體的三維結構被測定，盡管有些具有重要藥理作用藥物靶點地三維結構還未測定，但可以通過同源模建或從頭計算方法獲得相關信息，為創新藥物設計奠定了基礎。基于受體的藥物設計包括如下步驟：（1）確定藥物作用的是受體分子；（2）確定受體分子的三維結構以及結合位點；（3）基于受體與結合位點信息，設計或篩選小分子化合物，并模擬出最佳復合物的結構模型；（4）合成模擬得到的最佳化合物，進行活性測試；（5）重復上述過程直到滿意為止。在藥物化學的理論教學中，卡托普利是基于受體藥物設計的典型案例。對血管緊張素轉化酶的結構分析發現，該酶中有一個鋅離子，對受體與配體的結合具有重要作用；此外，受體分子的精氨酸殘基帶有陽離子，可與帶負電荷的基團形成離子鍵。卡托普利的巰基與羧基能夠很好的滿足與受體結合的要求，具有良好的酶抑制活性，因此卡托普利也是第一個上市的血管緊張素轉化酶抑制劑。
1.4 基于機理的藥物設計
基于機理的藥物設計是指基于疾病發生的全過程，根據藥物靶點的結構、功能與藥物的作用方式以及產生生理活性的機理，通過抑制某些與疾病相關的生理、生化過程以阻斷疾病的發生，從而達到疾病治療的目的。基于機理的藥物設計技術建立對介導疾病病理生理過程的蛋白質分子結構和功能認識的基礎之上。在過去，對藥物作用機理的認識往往滯后于藥物的發現，而現在藥物研發的重心已經轉到了探尋分子機理并據此設計藥物上。基于機理的藥物設計是藥物設計發展的重要方向，相比基于結構的藥物設計更為合理。例如在精神病藥物的開發中，經典的多巴胺受體（DA2）拮抗劑容易產生錐體外系副作用，而5-HT2受體與情緒、抑郁等密切相關，當其拮抗時可使黑質-紋狀體通路的多巴胺釋放，使多巴胺神經節調節運動的功能恢復。基于該機理設計的利培酮可同時拮抗5-HT2和多巴胺DA2受體，具有很好的抗精神病作用而錐體外系的副作用很小。
篇8
古希臘人把所有對自然界的觀察和思考，籠統地包含在一門學問里，那就是自然哲學.科學分化為天文學、力學、物理學、化學、生物學、地質學等，只是最近幾百年的事.在牛頓的時代里，科學和哲學還沒有完全分家.牛頓劃時代的著作名為“自然哲學的數學原理”，就是一個明證.物理學最直接地關心自然界最基本規律，所以牛頓把當時的物理學叫做自然哲學.17世紀牛頓在伽利略、開普勒工作的基礎上，建立了完整的經典力學理論，這是現代意義下的物理學的開端.從18世紀到19世紀，在大量實驗的基礎上，卡諾、焦耳、開爾文、克勞修斯等建立了宏觀的熱力學理論;克勞修斯、麥克斯韋、玻耳茲曼等建立了說明熱現象的氣體分子動理論;庫侖、奧斯特、安培、法拉第、麥克斯韋等建立了電磁學理論.至此，經典物理學理論體系的大廈巍然聳立.然而，正當大功甫成之際，一系列與經典物理的預言極不相容的實驗事實相繼出現，人們發現大廈的基礎動搖了.
在這些新實驗事實的基礎上，20世紀初，愛因斯坦獨自創立了相對論，先后在普朗克、愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森伯、薛定愕、玻恩等多人的努力下，創立了量子論和量子力學，奠定了近代物理學的理論基礎.本世紀隨著科學的發展，從物理學中不斷地分化出諸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚態物理、激光物理、電子物理、等離子體物理等名目繁多的新分支，以及從物理學和其它學科的雜交中生長出來的，諸如天體物理、地球物理、化學物理、生物物理等眾多交又學科.什么是物理學?試用一句話來概括，可以說:物理學是探討物質結構和運動基本規律的學科.盡管這個相當廣泛的定義仍難以刻畫出當代物理學極其豐富的內涵，不過有一點是肯定的，即一與其它科學相比，物理學更著重于物質世界普遍而基本的規律的追求.物理學和天文學由來已久的血緣關系，是有目共睹的.當今物理學的研究領域里有兩個尖端，一個是高能或粒子物理，另一個是天體物理.前者在最小的尺度上探索物質更深層次的結構，后者在最大的尺度上追尋宇宙的演化和起源.可是近幾十年的進展表明，這兩個極端竟奇妙地銜接在一起，成為一對密不可分的姊妹學科.物理學和化學從來就是并肩前進的.
如果說物理化學還是它們在較為唯象的層次上的結合，則量子化學已深人到化學現象的微觀機理.物理學和生物學的關系怎么樣?對于如何解釋生命現象的問題，歷史卜有吁兩種極端相反的看法:一是“生機淪”，認為生命現象是由某種“活力”主宰著，水遠不能在物理和化學的基礎上得到解釋;另一是“還原論認為一切生命現象都可歸結(或者說，還原)為物理和化學過程.1824年沃勒成功地在實驗室內用無機物合成了’尿素之后，生機論動搖了.但是、能否用物理學和化學的原理與定律解釋生命呢?回答這個問題為時尚早.不過，生命科學有自己獨特的思維方式和研究手段，積累了大量知識，確立了許多定律，說把生物學“還原”為物理學和化學，是沒有意義的.可是物理學研究的是物質世界普遍而基本的規律，這些規律對有機界和無機界同樣適用.物理學構成所有自然科學的理論基礎，其中包括生物學在內.物理學和生物學相互滲透，前途是不可估量的.近四、五十年在兩學科的交叉點上產生的一系列重大成就，如D、、雙螺旋結構的確定、耗散結構理論的建立等，充分證明了這一點.現在人們常說，21世紀是生命科學的世紀，這話有一定道理.不過，生命科學的長足發展，必定是在與物理學科更加密切的結合中達到的.
2物理學與技術
社會上習慣于把科學和技術聯在一起，統稱“科技”，實際上二者既有密切聯系，又有重要區別.科學解決理論問題，技術解決實際問題.科學要解決的問題，是發現自然界中確鑿的事實和現象之間的關系，并建立理論把這些事實和關系聯系起來;技術的任務則是把科學的成果應用到實際問題中去.科學主要是和未知的領域打交道，其進展，尤其是重大的突破，是難以預料的;技術是在相對成熟的領域內工作，可以作比較準確的規劃.歷史上，物理學和技術的關系有兩種模式.回顧以解決動力機械為主導的第一次工業革命，熱機的發明和使用提供了第一種模式.17世紀末葉發明了巴本鍋和蒸汽泵;18世紀末技術工人瓦特給蒸汽機增添了冷凝器、發明了活塞閥、飛輪、離心節速器等，完善了蒸汽機，使之真正成為動力.其后，蒸汽機被應用于紡織、輪船、火車;那時的熱機效率只有5一8%.1824年工程師卡諾提出他的著名定理，為提高熱機效率提供了理論依據.
到20世紀蒸汽機效率達到15%，內燃機效率達到40%，燃氣渦輪機效率達到50%.19世紀中葉科學家邁耶、亥姆霍茲、焦耳確立了能量守恒定律，物理學家開爾文、克勞修斯建立了熱力學第一、第二定律.這種模式是技術向物理提出了問題，促使物理發展了理論，反過來提高了技術，即技術~物理~技術.電氣化的進程提供了第二朽模式.從1785年建立庫侖定律，中間經過伏打、奧斯特、安培等人的努力，直到1831年法拉第發現電磁感應定律，基本上是物理上的探索，沒有應用的研究.此后半個多世紀，各種交、直流發電機、電動機和電報機的研究應運而生，蓬勃地發展起來.有了1862年麥克斯韋電磁理淪的建立和1888年赫茲的電磁波實驗，才導致了馬可尼和波波夫無線電的發明.當然，電氣化反過來大大促進了物理學的發展.這種模式是物理~技術~物理.本世紀以來，在物理和技術的關系中，上述兩種模式并存，相互交叉.但幾乎所有重大的新技術領域(如電子學、原子能、激光和信息技術)的創立，事前都在物理學中經過了長期的醞釀，在理論和實驗上積累了大量知識，才突然迸發出來的.沒有1909年盧瑟福的。
粒子散射實驗，就不可能有40年代以后核能的利用;只有1917年愛因斯坦提出受激發射理論，才可能有1960年第一臺激光器的誕生.當今對科學、技術，乃至社會生活各個方面都產生了巨大沖擊的高技術，莫過于電子計算機，由之而引發的信息革命被譽為第二次工業革命.整個信息技術的發生、發展，其硬件部分都是以物理學的成果為基礎的.大學都知道，1947年貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克萊發明了晶體管，標志著信息時代的開始，1962年發明了集成電路.70年代后期出現了大規模集成電路.殊不知，在此之前至少還有20年的“史前期”，在物理學中為孕育它的誕生作了大量的理淪和實驗_L的準備:1925一1926年建立了量子力學;1926年建立了費米一狄拉克統計法，得知固體中電子服從泡利不相容原理;1927年建立了布洛赫波的理論，得知在理想晶格中電子不發生散射;1928年索末菲提出能帶的猜想;1929年派爾斯提出禁帶、空穴的概念，解釋了正霍耳系數的存在;同年貝特提出了費米面的概念，直至1957年才由皮帕得測量了第一個費米面，爾后劍橋學派編制了費米面一覽表.總之，當前的第二次工業革命主要是按物理一，技術，物理的模式進行的.
3物理學的方法和科學態度
現代的物理學是一門理論和實驗高度結合的精確科學.物理學中有一套獲得知識、組織知識和運用知識的有效步驟和方法，其要點可概括為:1)提出命題命題一般是從新的觀測事實或實驗事實中提煉出來的，也可能是從已有原理中推演出來的.2)推測答案答案可以有不同的層次:建立唯象的物理模型;用已知原理和推測對現象作定性的解釋;根據現有理論進行邏輯推理和數學演算，以便對現象作出定量的解釋;當新事實與舊理論不符時，提出新的假說和原理去說明它，等等.3)理論預言作為一個科一學的論斷，新的理論必須提出能夠為實驗所證偽的預言.這是真、偽科學的分野.為什么說.‘證偽”而不說“證實”?因為多少個正面的事例也不能保證今后不出現反例，但一個反例就足以否定它，所以理論是不能完全被證實的.為什么要求能用實驗來證偽?假如有人宣稱:在我們中間存在著一種不可探知的外來生靈.你怎么駁倒他?對這種論斷，你既不能說它正確，又不能說它錯誤.我們只能說，因為它不能用實驗來證偽，所以不是科學的論斷.4)實驗檢驗物理學是實驗的科學，一切理論最終都要以觀測或實驗的事實為準則.
理論不是唯一的，一布、理論包含的假設愈少、愈簡潔，同時與之符合的事實愈多、愈普遍，它就愈是一個好的理論.5)修改理論當一個理論與新的實驗事實不符合，或不完全符合時，它就面臨著修改或被.不過，那些經過大量事實檢驗的理論是不大會被的，只是部分地被修改，或確定其成立范圍.以上步驟循環往復，構成物理學發展模式化的進程.但是物理學中的許多重大突破和發現，并不都是按照這個模式進行的，預感、直覺和頓悟往往起很大作用.此外，且探且進的摸索、大膽的猜測、偏離初衷的遭遇或巧合，也導致了不少的發現.頓悟是經驗和思考的升華，而機遇偏愛有心人，平時思想上有準備，就比較容易抓住稍縱即逝的機遇.所以科學上重大的發現不會是純粹的僥幸.科學實驗的結果，遠非盡如人愿.不管你喜歡不喜歡，實事求是的作風、老老實實的科學態度是絕對必要的.在科學研究中，一相情愿的如意算盤是行不通的，弄虛作假遲一早會暴露.
失誤任何人都難以避免，一旦發現，最聰明的辦法是勇于承認.1922年年輕的蘇聯數學家弗里德曼發表了動態宇宙模型的論文，遭到愛因斯坦的批評.次年，愛因斯坦在讀了弗里德曼誠懇的申辯信之后，公開聲明自己被說服了.據伽莫夫回憶，愛因斯坦說，這是他一生中最大的疏忽.偉大科學家這種坦蕩的襟懷，是所有人的楷模.基礎科學研究的信息資源是共享的，這里沒有秘不可及的玄機和訣要.根據公開發表的文獻，人人可以自己判斷，獨立思考.所以，在科學的王國里，直理面前人人平等.這里最少對偶像的迷信和對權威的屈從.“實踐是檢驗真理的唯一標準”這一信條，在自然科學的領域里貫徹得最堅決.實踐不是個別的實驗結果，因為那會有假象，重大的實驗事實必須經多人重復印證才被確認.自然科學的主要任務是探索未知的領域，很多事情是難以預料的.實驗的結果驗證了理論，固然可喜;與理論不符合可能預示著重大的突破，更加令人興奮，世界上建造了許多加速器，每個加速器都是針對某類現象而設計的.40多年的歷史表明，除了反核子和中間玻色子外，粒子物理中的所有重大發現都不是當初建造那個加速器的理由.高能物理學界把這看作正常現象.1984年在實驗室中發現了弱電統一理論所預言的中間玻色子后，曾一度較少發現出乎理論預料的實驗結果.人們反而說:現在最令人驚訝的，是沒有出現令人驚訝的事.這便是物理學界極富進取精神的得失觀.因為在自然科學中物理學最直接觸及自然界的基本規律，物理學家對事物是最好窮本極源的.他們在研究的過程中不斷地思考著，凡事總喜歡問個“為什么”.理論物理學家不能僅僅埋首于公式的推演，應該詢問其物理實質，從中構想出鮮明的物理圖象來;實驗物理學家不應滿足于現象和數據的記錄，或某種先進的指標，而要追究其中的物理機理.因為在自然科學中物理學研究的是自然界最普遍的規律，物理學家不應總把自己的目光和興趣局限于狹窄的本門學科，而要放眼于更廣闊的天地.人們公認，當今最有生命力的是不同學科間雜交的領域，有志的年輕物理學工作者在那里是大有作為的.
4怎樣教導學生學好物理學?
篇9
本科教學是高等學校人才培養的重要環節，肩負傳授知識和技能的重要職能。課程體系構建是本科教學的基礎和核心。世界一流研究型大學的課程體系構成具有一些共性，比如：從課程模塊來看，都包括通識課和專業課;從課程結構層次來看，都有必修課和選修課;從教學方法來看，都有講座課程和研討課程。對于研究型大學來講，專業課程的設置和教學是構建學生專業知識體系、訓練專業認知能力和養成專業思維方式的關鍵要素，蘊含和體現了高等學校的人才培養理念和特色。
高校人才培養目標和教育思想決定了課程體系設置。近年來，南京大學以“為社會各行各業培養具有創新精神、實踐能力和國際視野的未來領軍人物和拔尖創新人才”為目標，通過深入探索和實踐，提出了“三三制”人才培養模式。南京大學化學化工學院在人才培養思路上一直秉承戴安邦院士的全面化學教育思想，即“全面的科學教育要求教學既傳授知識和技術，更訓練科學方法和思維，還培養科學精神和品德”。在新的時代背景下，南京大學化學化工學院圍繞多元化創新型人才培養，在分析借鑒美國加州大學伯克利分校和英國劍橋大學等世界著名研究型大學化學專業課程設置模式和特點的基礎上，對傳統的化學專業課程體系進行了一系列調整和改革，構建了“激發興趣、注重能力、多元培養、個性發展”的專業課程體系。
一、美國加州大學伯克利分校化學專業課程體系
美國加州大學伯克利分校(以下簡稱“伯克利”)是世界著名研究型大學，在學術界享有盛譽，也是美國最自由、最激進的大學之一。化學是伯克利的傳統優勢學科，在OS世界大學最新排名中，伯克利的化學學科排名第二。
伯克利學制為4年，每學年有3個學期，分別是秋季學期(一般17周)，春季學期(一般17周)以及暑期學校。本科生學位要求的最低學分數為120。
伯克利的化學學院有兩個系：化學與生物分子工程系和化學系。化學系的專業課程主要是按知識模塊進行構建，由基礎課和大量的專業課兩大模塊組成。根據修讀課程的不同，化學系的學生可申請化學理學或者藝術學學士學位，或者化學生物學理學學士學位。本文僅介紹化學理學學士學位要求的專業課程。
上圖是典型的化學專業本科生培養方案示意圖。可以看出，化學系本科生在第一年主要修讀大學化學和定量分析這門課(含實驗)，或者根據需要修讀與高中課程相銜接的化學課程。二年級主要修讀有機化學(含實驗)。三年級需修讀高等無機化學和物理化學兩門課。四年級的專業課較多，包括物理化學實驗、儀器分析、無機合成及反應、有機化學.高級實驗方法或者原子核技術中的化學方法，這幾門課均包含理論課和實驗。以上課程構成了化學專業本科生的必修課，這些課程一般為3～5個學分。
伯克利認為本科畢業生應該“熟悉藝術、文學、數學、自然科學和社會科學;能夠收集、篩選、綜合、評價來自不同領域并以不同形式呈現的信息;理解研究過程和如何創造新的知識;能夠與人合作共事;能夠創造性地轉換其環境;具有解決問題和作出決定所必須的技能，并能考慮決定的廣泛的社會和倫理意義;能夠處理模糊性，能夠靈活思考并具有在職業生涯中不斷發展智識的技能”。因此，化學系本科新生需要參加新生導學課。一、二年級必修的課程還包括數學、物理以及15學分的BreadthElective課程(如閱讀寫作、外語、人文社科類課程)，類似于國內的通識課。除此之外，化學系還開設了培養團隊合作(如SupervisedGroup Study和Directed Group Study)和獨立工作能力(如Individual Studv forAdvancedUndergraduates)的課程。
對于高年級本科生，除了專業必修課外，還要求完成15學分的專業選修課和跨專業選修課。
伯克利化學系開設的高年級專業選修課有30多門，一般3學分，包括信息化學、生命體系中的無機化學、高等無機化學、無機合成與反應、普通生物化學和分子生物實驗、高等有機化學機理、高等有機合成、有機化學一高級實驗方法、量子力學和譜學、生物物理化學;物理學原理和生命分子、生物物理化學、化學生物學、伯克利能源講座;生物質能、原子核化學、原子核技術中的化學方法、材料化學導論、生物化學工程實驗、高分子科學與技術、大氣化學和物理實驗以及量子信息科技等課程。
化學專業建議選修的跨專業課程涉及大氣、生物、土木和環境工程、計算機、地球和行星科學、經濟、教育、電子工程、政策和管理、力學工程、分子和細胞生物學、營養學和毒理學，物理、植物和微生物學、公共衛生、統計等多個學科分支，多達200余門課程。另外，本科生還可以選修多達50門的研究生專業課。因篇幅有限，本文不一一列出這些課程的名稱。
二、英國劍橋大學化學專業課程體系
英國劍橋大學是歷史最悠久的世界著名研究型大學之一，素有“諾貝爾獎搖籃”的美譽。劍橋大學崇尚自由、創造性、人文和科技相結合的教育理念，是將傳統和現代教育有機結合的典范。劍橋大學化學專業具有很高的學術聲譽，在2016 TIMES英國大學優勢專業中排名第一，QS世界大學最新排名中名列化學專業第三。
劍橋大學對學生的培養與管理是經典的學院制。該校有31個學院，負責學生的生活和本科生的業余輔導。教學由大學的科系負責，主要科系包括藝術和人文、生物科學、臨床醫學、人文和社會科學、自然科學、技術等。劍橋大學每學年的授課時間分為三個學期，包括Michaelmas學期(8周)、Lent學期(8周)、Easter學期(5周)。
化學系負責化學專業課程的設置與講授，修讀不同的化學課程前，要求修讀相應的數學、物理課程。另外，學生也要學習計算機、語言以及其他人文學科。化學專業課分為三個模塊。
第一學年課程為模塊IA，主要是介紹化學的基本原理，與預科課程相銜接，課程包括分子形狀與結構、有機化學反應與機理、熱力學與平衡、化學反應動力學、元素化學。另外，要求學生參加兩周一次的實驗課程，實驗內容安排與理論課程基本同步，實驗課程沒有單獨學分，實驗成績計入相應課程最終成績。
第二學年課程為模塊IB，課程更深入地講解化學原理。學生有兩種化學課程類型可選擇，即A類理論與物理化學類課程和B類有機與無機化學類課程。繼續修讀化學專業的學生要全部完成兩個方向的課程。其他專業的學生根據自己以后的專業方向分別修讀A或B類課程。
A類課程包括量子力學導論、分子譜學、對稱與成鍵、分子能級與熱力學、電子結構與固體性質，B類課程包括重要有機反應、結構解析、配位化學、金屬有機化學、無機環化學、形狀與有機活性、化學生物學導論。對應于A類與B類課程，學生要求每周參加一次或兩次實驗，實驗成績計入相應課程最終成績。
第三學年開始時，化學系開設學生化學生涯指導講座。大三學年學習模塊II課程，是在模塊I學習的基礎上，擴展與深化對化學知識的認知。模塊II課程又分為三個層次。第一層次包括5門課程，每門課程1學分。其中，4門為必修課，包括無機化學I：結構與成鍵、有機合成基礎、高分辨分子光譜、理論技術，另外一門課程物理化學中的概念為選修課。第二層次有8門課程，包括無機化學II：過渡金屬與金屬有機催化、結構與性能、化學生物學I：生物催化、化學中的衍射方法、材料化學、統計力學、對稱與微擾理論、有機機理研究。第三層次有7門課程，包括：無機化學III：表征方法、有機化學中的控制、大氣化學、高分子導論、電子結構、化學生物學III：核酸、核磁共振中的物理基礎。
大三的實驗課程包括兩個部分：一是現代合成化學中的技術，主要是無機及有機化合物的制備與合成;二是與物理及理論化學有關的實驗與計算。兩部分實驗均為必修。
在大三結束時，學校篩選能進入第四學年學習的學生。第四學年主要包括課程模塊III的學習和課題研究。在學期開始時，學生接受實驗安全教育及生涯規劃指導。模塊III課程包括18門化學課程以及3門其他院系課程(篇幅關系，文中不再列出這些課程名稱)，要求學生根據興趣選修8門以上課程。
三、對兩校化學專業課程體系共性和差異性分析
從以上對伯克利和劍橋大學這兩所具有代表性的研究型大學化學專業課程體系的分析，可以看出以下共性：
(1)課程內容層次和梯度明顯。伯克利化學系對本科生實行分階段培養。課程設置分低年級課程和高年級課程。針對專業基礎不同的學生，部分課程設置了引導性或難度較低的課程。如大一年級學生可以先修讀層次較低的大學化學、大學化學實驗這兩門課程，再修讀必修的大學化學和定量分析這門課。而劍橋大學的化學專業課程則更多地從學科認知規律來體現課程內容的層次性，學生根據自身發展，也可以選擇不同的課程模塊。
(2)課程設置具有廣泛性和多樣性。伯克利基本采用化學四大基礎課的模式，但本專業和跨專業選修課程非常豐富，涉及很多相關學科分支，這與化學系對專業人才的培養定位有關，即“化學專業畢業生可從事石油、化工、食品、農業、攝影、制藥、生物科技及礦業等相關行業的研發，或者化工貿易、質量控制以及行政管理等工作”。伯克利化學專業學生還可以選修本專業研究生課程。劍橋大學的專業課程體系中，前沿性選修課程多，能讓學生充分了解學科前沿。比如大四課程模塊III的蛋白質折疊、錯誤折疊與疾病、磁性材料、化學生物學與藥物發現、固體電極等課程，本身已經具有研究生課程的專業性和深度。
(3)設置導學課程。伯克利和劍橋大學都有針對本專業的引導性課程，如伯克利大一新生需要修讀的導學課，主要包括面向新生講解化學系各個課題組的研究工作、學院的圖書館、計算機設備、校友和高年級學生的經驗交流，以及學校和學院的資源介紹等。而劍橋大學在大三和大四學期初均設置了生涯指導講座以及安全教育。這類課程的設置能夠更好地幫助學生學習與成長。
(4)重視實驗教學。伯克利和劍橋大學除了專門的實驗課外，很多課程都有相應的實驗內容，并且內容與理論課程基本同步。
兩校課程的主要差別在于：
(1)授課時段安排不同。劍橋大學化學專業基礎課程不采用平行授課方式，不是從學期的第一周持續到最后一周，而是采取集中連續授課。比如用3周時間集中把A課程講完，然后再講授B課程。這種模式的優點是，能夠使學生在短時間內集中在1～2個知識模塊上學習，課后查閱大量的參考書與文獻，對知識的理解更深入。而伯克利則采用的是比較常用的模式，即一門課程貫穿整個學期。
(2)課程內容構建思路有區別。伯克利的化學課程，特別是專業必修課和國內大多數研究型高校的化學專業設置基本相同，是基于二級學科內容劃分的傳統模式。而劍橋大學的課程設置拋棄了傳統的四大化學課程模式，改為按照知識結構和學科認知規律來設置課程，避免了知識點的重復講授。
四、南京大學化學專業課程體系改革的知與行
對照伯克利和劍橋大學等國外著名研究型大學的化學專業課程體系，我國高校傳統的化學專業課程體系存在明顯的不足，無法滿足科學發展、國家戰略以及社會產業對多元化創新型化學人才的需求，具體問題包括：(1)現有課程體系缺少導學與銜接課程，缺少對專業的興趣培養與認知，造成新生存在較長時間的迷茫期。(2)按傳統四大化學設置專業核心課程，部分知識點講授重復較多，學科前沿內容體現不均衡。(3)在傳統課程體系中，交叉課程少，對學生交叉類學科的培養措施不到位。(4)對化學產業人才培養不重視，有關產業素養培養的課程缺失。
針對以上問題，我們對專業課程體系進行了補充和優化。為大一新生設置了銜接課程，開設新生導學課，以解答學生關于化學“學什么，怎么學，去哪兒”等疑惑。為了激發學生對化學的興趣，開闊學生知識視野，我們圍繞不同主題開設了7門新生研討課：化學與生命、化學與材料、能源與化學、化學與環境、大分子：從材料到生命、原子與分子的量子世界、高分子材料與社會發展等。
專業核心課程涵蓋化學科學的基本及核心的理論內容和技能訓練，是化學專業學生準出課程的主要組成部分。南京大學化學專業學生通過自主招生及高考兩種模式選拔錄取，這兩類學生的化學知識基礎差異明顯。對此，我們構建并實施了因材施教的兩種核心課程體系。
一是普通核心課程體系。主要針對無化學競賽經歷和專業基礎的學生。我們按照從微觀到宏觀的思路進行了優化，并對課程內容進行調整與更新。主要是：合并無機化學與化學分析內容，設立大學化學課程;結構化學由大三調整到大二開設;增設高分子導論核心課程，形成以大學化學、結構化學、有機化學、物理化學、儀器分析、高分子導論為骨架的核心理論課程體系。
二是針對學科特長生的課程體系。自主招生選拔的學科特長生通常具有較好的無機及有機化學基礎。針對這一特點，我們對核心課程進行了調整：融合無機化學與基礎物理化學知識，構建了一門全新的化學原理課程;壓縮了有機化學授課學時;將結構化學、結晶化學、高階物理化學內容整合為高等物理化學。通過數理課程學習內容的強化、化學核心專業課程的整合與提升，使學生具有寬厚的數、理、化、生等理科基礎，學科視野開闊，專業知識扎實，為在化學以及相關交叉學科領域的發展打下良好的基礎。
同時，我們構建并實施了“基礎一綜合一研究”一體化、多層次、開放式的實驗教學新體系，并對相應實驗教學內容進行了改革。主要是合并“無機化學實驗”和“定量分析化學實驗”為“大學化學實驗”;取消無機化學、分析化學、有機化學、物理化學和高分子專門化實驗，在化學一級學科層面上開設綜合化學實驗課程，將科研成果及時轉化為教學實驗，形成了大學化學實驗、有機化學實驗、儀器分析實驗、物理化學實驗、綜合化學實驗這一新的實驗教學課程體系：
為滿足多元化人才培養需求，我們構建了多元選修課程體系：
(1)專業選修課。我們按科學知識單元組織課程，構建了知識體系完整、前沿性強的專業選修課體系，包括高等無機化學、有機合成、譜學基礎、近代儀器分析法、高分子化學、化工原理、計算機與化學、化學文獻、結晶化學、配位化學、催化化學、現代材料化學基礎、分離科學、波譜分析、等離子化學、高分子物理及物化、膠體與界面化學、高分子材料制備等。另外，我們委托生命科學學院開設了生物化學、分子生物學等課程;選擇環境化學、材料加工、藥物化學、能源化學、地球化學等相關院系課程為跨院系選修課。
(2)高年級研討課和研究生課程。高年級研討課包括化學與納米材料、先進高分子材料、分子識別與分析、無機交叉領域的前沿發展、有機化學現代進展。另外，我們對本科生開放了部分研究生課程，包括配位磁化學、高分子結構研究法、電分析化學基礎、高等有機化學、計算量子化學等。這些課程使本科生能系統了解學科前沿領域，讓學生了解并思考科學問題的發掘與解決過程，培養學生的創新意識與能力。
(3)化學產業類課程。針對化學行業對人才培養的需求，我們開設了化學化工行業就業創業指導、化學安全與防護、精細化學品開發與商業化、現代實驗測試技術等與企業管理、市場需求、安全生產、環境保護、質量認證等課程。我們聘請企業專家、政府管理人員以及外校師資為學生授課，以體現行業要素，培養學生產業素養和創業能力。
篇10
【關鍵詞】數學教育；科學和諧；人文和諧
【中圖分類號】G648.6【文章標識碼】A 【文章編號】1326-3587（2011）11-0001-04
當構建和諧社會成為黨的執政理念，當自主創新能力被視為國家的核心競爭力時，高等教育更是多了一份責任和關注。和諧社會是由和諧發展的人而組成，如果說人是和諧社會的最后目的，教育的作用是為實現這一目標的過程，那么，數學教育的諧和作用則在于通過教育對象數學素養的培養和對內外在諸因素協調平衡能力綜合素質的提高，促進人的和諧發展及創造力的最大發揮，促使社會的和諧發展。
一、數學教育的剖析
數學教育包括著不可分割的兩個方面：數學和教育。恩格斯曾提出，數學是關于現實世界空間形式和數量關系的科學。數學看成是一種知識體系，是經過嚴密的邏輯推理而形成的系統化的理論知識總和。隨著人類社會的不斷發展與進步，人們對數學本質特征的認識在不斷變化和深化，一些專家、學者從不同角度、不同層面為當代數學下定義，認為：數學是一門演繹的科學；數學是一門演算的科學；數學是一門藝術；數學是一種文化；數學是一種語言等等。無論是作為一門科學的數學，還是作為一種文化的數學，它對社會和人的和諧發展起多方面的作用。
教育是培養人的一種社會活動，它同社會的發展、人的發展有著密切的聯系。其本質就是幫助人的自我完善和促進人的全面發展。從廣義上說，凡是增進人們的知識和技能、影響人們的思想品德的活動，都是教育。狹義的教育，主要指學校教育，是教育者根據一定社會(或階級)的要求，有目的、有計劃、有組織地對受教育者的身心施以影響，把他們培養成為一定社會(或階級)所需要的人的活動。
數學教育是把數學和教育聯系起來的一門學科。是教育的一部分，是在一定的價值觀念指導下，利用數學科學文化知識作為基本內容，有計劃有目的地進行培養人的一種社會實踐活動，數學教育一方面促進社會的發展，另一方面促進人的全面和諧持續的發展。它應當是文化屬性、社會屬性和人本屬性的辯證統一。它具有科學教育功能和文化教育功能。因此數學教育要體現科學和諧和人文和諧。社會的和諧發展需要人才，需要數學人才，這是有目共睹的。這不僅因為數學人才本身蘊含著寶貴的數學精神、科學素養，在邏輯推理、抽象思維能力和創新能力上有較大的優勢。而且因為許多領域的研究和開發也需要越來越多的專門的數學知識。同時數學無處不在，與人類的生存和生活息息相關。
二、數學素養培養的科學和諧
在和諧社會科學模式中，科學技術和諧是基礎，科學技術的飛速發展，對公民的科學素養提出了更高的要求，而當代社會科學向數學化、定量化方向發展的趨勢，使得數學素養成為公民基本素養不可或缺的重要部分。那么，數學教育的作用在于通過思維的訓練、思想方法的滲透、科技能力的提高而促進受教育者和社會的協調發展。數學素養培養的科學和諧不僅包括數學基礎知識、數學技能與數學能力的和諧，而且包括數學的科學價值、思維價值與應用價值的和諧。
1、數學素養培養的三基和諧。
法國軍事家拿破侖說，數學的發展和完善與國家的繁榮富強緊密相關。21世紀的社會是學習化社會，要適應社會的需求，首先要提高學生的基礎學力，在數學教育上，就是掌握基本數學知識、基本技能，培養基本的數學能力和素養，尤其是創新精神和實踐能力的培養。數學知識是數學科學的最基本的內容，主要包括數學概念、符號、公式、定律、法則、性質、定理等，包括常用的數學方法和數學思想。在進行基礎知識教學中，既要注意知識整體的內部聯系，又要注意知識形成過程的再現。基本的數學技能包括：閱讀與語言運用技能、數學推理技能、計算技能、識圖與作圖技能、變換技能、數學建模技能等。數學教育過去一直重視運算能力、邏輯思維能力、空間想象能力等三大基本能力。隨著時代的發展，現代社會要求公民具有的數學素養使數學能力具有更豐富的內涵：實驗觀察、信息獲取、數據處理、模式抽象、合情推理、預測猜想、邏輯證明、探究創造等。
2、數學素養培養的價值和諧。
數學是科學的工具，培根說過數學是打開科學大門的鑰匙。科學史表明，一些劃時代的科學理論成就的出現，無不借助于數學的力量。早在古希臘，畢達哥拉斯學派就把數看作萬物之源。龐加萊說過：“沒有數學這門語言，事物間大多數密切關系將永遠不會被我們發現；我們也無從發現世界內部的和諧，而這種和諧正是唯一真正的客觀現實。”
“數學是人類思維的體操”，這句話一直被人們奉為經典。這種體操訓練，確實能增強思維本領，提高科學抽象能力、邏輯推理能力和辯證思維能力。這樣，思維方法的學習就應該看成是數學教育的重要目標，“以問題解決為數學教育中心”主要地就是指應當幫助學生學會“數學地思維”。今天人們越來越深切的感受到，數學本身就是作為人類的一種思維方式而存在并發展的。人類之所以離不開這種思維方式，在于它獨特的特征。數學的論證推理和合情推理，使人的思維邏輯性、靈活性、嚴謹性和完整性得到訓練，通過觀察、實驗、歸納、模擬、猜想、驗證等教育活動對人的思維能力與創造能力進行了全方位培養。數學題形形、千變萬化，但萬變中、又有規律，這使學生能透過現象看本質，思考問題能不過多地受思維定勢的影響，不局限于單一的、舊的模式，表面形式或傳統的思維軌道，這就是思維的靈活性。數學中，考慮問題嚴密有據，問題的解決允許運用直觀的方法，但不停留在直觀的認識水平上；運用合情推理，但要加以邏輯論證；公式定理的運用強調成立的條件；以及正確地使用概念，完整地解答問題等等，這些都體現出思維的嚴謹性。思維的完整性表現為考慮問題全面、周到、無懈可擊等。數學并非是對客觀對象量性規律的直接研究，而是包括了對于研究對象的重新建構，這種建構活動表現為一種“思維的自由想象與創造”，這就賦予了數學思維更多的功能，一方面，數學思維的自由性使得數學思維能增長人的創造才能，在創造性的解決問題方面發揮它的威力；另一方面，非邏輯的數學思維一想象的、直覺的、甚至是審美的數學思維，又使得數學在解決問題上具有一種獨特的魅力。學生具備了數學思維這種數學素養，一方面可以更好地學好數學，另一方面搜集和處理信息的能力、獲取知識的能力、分析和解決問題的能力、交流與合作的能力、創新能力等各種能力得到提高，在以后的日常生活、工作或研究中會大大提高工作效率、水平。因此數學教育在鍛煉思維、啟迪智慧，尤其是培養人的理性思維和理性精神上有著其他學科所不能替代的作用。
在社會科學發展的進程中，隨著計算機科學的迅猛發展，數學兼有了科學與技術的雙重身份，現代科學技術越來越表現為一種數學技術。數字技術借助于電子計算機，幾乎把數學及其應用推向一切領域。當代科學技術的突出特點是定量化、數字化，而定量化、數字化的標志就是運用數學思想和方法。社會日益科學化、科學日益數學化，高技術的高精度、高速度、高自動、高質量、高效率等特 點，無一不是通過數學模型和數學方法并借助計算機的控制來實現的。數學在自然科學領域的作用是眾所周知的。例如，應用牛頓定律和高速計算機，天文學家們已經預測了太陽系在未來2億年內的運動情形。相對論和量子力學是現代物理學的核心領域，它們的建立與發展都與數學有密切關系。20世紀以來，數學不僅已經成為化學領域不可缺少的工具，對分子對稱性的研究，對分子振動的研究，對晶體結構的研究等，都使用了群論方法。而且由于數學與化學的結合，產生了許多交叉學科，如數理化學、化學動力學、量子化學、分子拓撲學、計算機化學等。19世紀后期，恩格斯曾指出，數學在生物學中的應用等于零。20世紀以來，數學幾乎觸及到生物學的每個領域。生物統計學、生物微分方程、生態系統分析、生物控制、運籌對策等數學理論和方法廣泛用于生物科學研究；而且產生了如數學生態學、數量生理學、數量遺傳學、數量分類學、數量生物經濟學、傳染病動力學、數理醫藥學、分子動力學、細胞動力學、人口動力學等許多生物學分支。另外在醫學中神經科學的數學模擬進行計算機數值診斷，即利用數學的信息理論、數據處理技術以及電子計算機這個強有力的工具，對病患者的癥狀表現和各種化驗和檢驗指標進行數學加工分析，作出疾病的定量診斷結果。
在信息時代數學在社會科學領域的作用越來越明顯。現代軍事科學研究中廣泛應用了數學中的蒙特卡羅方法。在當今的軍事理論和國防戰略研究中，使用了許多復雜的現代數學理論與方法，形成了數理戰術學。另外波音777型新一代飛機是“百分之百數學化設計”。還有研究地理的分形地貌學、“數字地球”的產生都離不開數學。許多西方學者運用系統分析方法或結構功能分析方法研究各種政治系統，尋求合理的民主控制方法、建立有效的政治協商機制，這本質上是一個純數學問題。在當代管理科學中，正越來越多地使用運籌學等各種數學方法進行決策優化。在歷史科學領域，數學方法的運用導致了計量史學的誕生，為歷史研究開辟了新領域。數學和語言學的結合，形成了數理語言學。20世紀40年代初，美籍烏克蘭作曲家希林格（1895―1948）在音樂理論上提出了一套新的創作原則。可以用各種數學符號、方程或圖式、表格來進行創作，將音高、時值、力度、速度、音色等方面都納入數學計算的體系中，形成了數學作曲體系。隨著計算機技術的發展，計算機音響技術應運而生。20世紀，西方出現了一系列深受數學思想方法影響的美術流派。M.C.埃舍爾（Escher，1898―1973）是當代杰出畫家，他的一系列富有智慧的作品體現了奇妙的悖論、錯覺或者雙重含義。如今普遍使用的三維電腦動畫，其理論基礎首先是數學。數學中的分形理論與方法不僅使計算機完成的作品可以極為逼真地再現現實世界的各種景象，而且可以容易地構造出各種令人嘆為觀止的精彩構圖。在計算機圖形學的基礎上發展出虛擬現實技術，它可以使人們對虛擬世界產生真實的感受。
在傳統的社會科學領域中，經濟學是最成功地實現數學化的學科，成就令人矚目。自1969年設立諾貝爾經濟學獎以來，超過2/3的獲獎者是由于在經濟學領域運用數學方法獲得重大突破而獲獎的。微積分學、集合論、拓撲學、實凸分析以及概率論，在研究和表達經濟理論方面都起了重要的作用。很多數學家驚訝地發現，極其抽象的拓撲學最有用的地方竟是在經濟學領域。數學在經濟學中的應用，產生了數理經濟學、經濟計量學、經濟控制論、經濟預測、經濟信息等分支的數量經濟學科群。活躍在我們身邊的一系列經濟活動如成本、利潤、投入、產出、貸款、保險、股票、債券、效益、節場預測、風險評估等都與數學緊密相關。以致一些西方學者認為：當代的經濟學實際上已成為應用數學的一個分支。
三、數學教育的人文和諧
在和諧社會文化模式中，人格和諧是基礎，個人潛能自由充分的發展和創造力的最大限度實現是其深層意蘊。從心理學層面考察，人格是個體心理特質和性格特點的總和，是“個體在對人、對自然、對社會及對一切環境中的事物適應時所顯示異別于他人的性格而顯示的心理特征”。如果將“和諧人格”理解為人的感性、理性與非理性等要素所達到和諧統一的境界，那么，數學教育的作用在于通過數學理性精神的培養而促進受教育者形成和諧的數學文化素質，養成和諧的健康人格，進而促進人全面和諧持續的發展。
1、數學文化素質的和諧。
數學不僅是科學，是技術，而且還是一種文化。數學教育在傳授知識、培養能力的同時，要充分發揮其應有的文化價值，對學生進行數學的觀點、信念和態度教育，滲透數學思想、數學方法、數學意識、數學精神，數學氣質，把數學作為一種文化形態來對待，加強數學文化素質的和諧。
數學基本知識與數學思想方法是課堂教學內容的兩個不可分割的有機組成部份。數學思想方法是解決數學問題的根本思想和手段，它是人們探索數學真理，求解數學問題的過程中逐步積累起來的，并蘊含于各個數學分支的公理、定理、公式、法則和解決問題的過程中，是人類寶貴的精神財富。數學思想方法產生數學知識，數學知識蘊含數學思想和方法，兩者的聯系是辯證的統一。數學思想方法能使學生領悟數學的真諦，懂得數學的價值，學會數學地思維，能把知識的學習、擠養能力和發展智力有機地統一起來。
數學意識是用數學思想方法考慮問題和處理問題的思維習慣，主要包括同化意識、轉化意識、量化意識、反思意識、應用意識、創新意識等。
著名數學家、數學史家M.克萊因所說，“在最廣泛意義上說，數學是一種精神，一種理性精神，正是這種精神，使得人類的思維得以運用到最完善的程度，亦正是這種精神，試圖決定性地影響人類的物質、道德和社會生活;試圖回答有關人類自身存在提出的問題;努力去理解和控制自然;盡力去探求和確立已經獲得知識的最完美的內涵。”數學精神也表現在求真、創新、合作與獨立思考精神。
2、人格的和諧。
第一，陶冶思想，使品質和諧。數學科學不僅教人以知識，授人以智慧，學習數學還能使人懂得怎樣做人。數學教育具有重要的優化人的個體品質的價值，對大多數人來說這種隱性價值的影響更深入、更持久、更普遍。數學史涉及數學家、數學發現、數學方法等多方面的內容，都是進行愛國主義教育的生動素材。數學是辯證的輔助工具和表現形式，任何一個數學概念、判斷都有自身的內在矛盾，都是運動、發展的，對立統一的，從量變到質變的，普遍聯系的。通過數學教育使人能運用數學知識去看待世界、去認識自然，有助于學生逐步形成科學的世界觀和方法論。數學是一門論證科學，崇尚實事求事的精神，尊重事實、以理服人；崇尚獨立思考、追求真理。數學教育使他們養成實事求是積極創新不懈追求的科學態度。數學也是一門精確科學，在數學中，差一個符號、少一個標點，是不合邏輯的。粗枝大葉、敷衍塞責，都是與數學的嚴謹性格格不入的，虛偽更是與數學無緣。數學教育使人養成思路清晰、條理分明、落筆有據、言之有理的嚴謹品質，養成誠實認真、一絲不茍的作風和習慣。數學更是邏輯性很強的抽象科學。學習和鉆研數學，必定會使人懂得腳踏實地的重要性。那種投機取巧、油腔滑調、不干實事的人是很難有所造詣的。
第二、凈化心靈，使情感和諧。數學科學給人以美的熏陶，數學的研究對象是客觀現實的空間形式和數量關系，是一門真真實實的科學，而真與美從來都是統一的，數學就是這樣一門既美又真的科學，給人以一種美的感受和力量。正象英國數學家和哲學家羅素所說的，數學，如果正確地看它，不但擁有真理，而且擁有至高的美。數學是藝術，是美的化身。數學語言的簡練，數學思維的靈巧，數與形的融合，數學圖形的對稱，無不展示了數學的美。數學教育正是通過展示數學的理論美、語言美、方法美、規律美、思維美，揭示其豐富的思維內涵和美學價值，使學生從中獲得美的享受，塑造著人們的心靈，在美的欣賞中得到積極的情緒體驗，產生熱愛數學的情感，激發學習數學的情愫，激發創造性勞動的巨大力量。因此數學教育既能讓學生體驗數學中美的神韻，也能讓學生的情操得到美的熏陶；既可以誘發出學生非智力因素，又可以誘發學生無限的創造力。
第三、塑造人格，使意志和諧。現代社會多變化、快節奏，要求人們要有樂觀向上，積極進取的精神，能經受挫折，具有耐心與恒心等良好的心理素質。數學是發展的，其歷程又是艱難曲折的。數學的抽象性使得數學問題的解決經常伴隨著困難，數學的問題解決過程，是一個嘗試失敗、反思、否定、批判的探索過程，會使人體驗挫折和失敗。而這正是磨煉意志，提高耐挫力的時機。數學教育可以培養人堅韌不拔百折不撓的意志，勇于探索，敢于冒險的精神，可以循序漸進地培養學生的毅力、自尊心和自信心，塑造完整的人格。
人的和諧發展離不開數學教育，數學可以使人更富有，并且可以使人更聰明，更高尚。尤其是，現代社會的人，若不接受數學教育，則不可能成為一個完整的人。自古以來，凡是有所成就的人都要接受程度不同的數學教育；歷數諾貝爾獎獲得者，他們都有較高的數學造詣、數學修養和數學精神；特別是諾貝爾經濟學獎獲得者有一半以上都是數學家。另外數學成績優秀、數學能力突出的學生，在其他學科的學習上也更容易出類拔萃；還有，在我們工作生活中，領導者、管理者等，如果他們對數學的理解和處理能力強，邏輯推理能力強，那么他們也容易大膽創新地開展工作。
四、如何實現數學教育的和諧作用
21世紀的數學教育從傳統的、狹隘的數學教育現狀的桎梏中解放出來，獲得一種對自身的超越，這種超越體現了新時代數學教育的本質特征，也昭示了數學教育更為高遠的價值取向：數學教育致力于人的全面、和諧、持續的發展。
1、建構正確的數學觀和數學教育價值觀。
數學教育為了實現人的和諧發展，相應的數學觀和數學教育觀念的變革是十分必要的。對數學學科性質重新定位是最基本的轉變。單純地把視數學為自然科學的典范，忽視數學的其它價值，就會造成數學教育的諸多負面影響。數學是人類的一種文化，它的內容、思想、方法和語言是現代文明的重要組成部分。樹立新的數學教育理念、新的人才觀，立足“全人”的教育。不僅要傳授數學知識、訓練技能，還要培養能力、發展智力，同時要發展良好的個性品質，智力與人格的全面協調發展。要培養學生良好的思想品德，正確的價值觀、世界觀、人生觀，理性的思維，健康的個性，致力于人的自然性、社會性和自主性的和諧健康發展。
2、關注人的主體地位，加強人的自主發展。
要實現人的全面、和諧、持續的發展，得為人的自主發展創造條件，而人的自主發展是建立在人的主體性地位得到充分尊重的基礎上的，長期以來我們對學生的主體性地位重視不夠。常把學生作為教育的客體，忽視了學生主體性的培養和發展。正確處理好數學與人、教育者與受教育者的關系，加強學生在數學學習中的主體地位, 尊重學生的人格。在數學的規范性、嚴格性與學生的主體性之間尋找融合點，關注學生的興趣與需要，促進學生自主發展，這是數學教育在新世紀發展的必然，也是數學教育實現人的發展的前提。
3、關注人的數學現實，加強數學學習興趣的培養。
數學應該是屬于所有人的，但是人與人之間的差別很大，每個人有不同的數學現實世界，不同的人需要不同的數學。因此數學教育應面向全體學生，因材施教，要從學生現實的認知特點、認知發展水平與需求出發，為不同的人提供數學修養，擴展每個人的“數學現實”。人人學有價值的數學，人人都能獲得必需的數學，不同的人在數學上得到不同的提高和發展。不求人人高分，但求人人成功。加強數學化教學，建立數學是“源于生活、寓于生活、用于生活”的正確數學觀。加強問題解決教學，從現實中的問題到數學問題，從具體問題到抽象問題，從特殊關系到一般規則，逐步讓學生通過自己的發現去習得數學、獲得新知。學生積極地投身問題情景問題模型的解決中，凸現問題解決的過程，促使他們在自主探索的過程中真正理解和掌握基本的數學知識技能、數學思想和方法，提高思維水平，培養創新能力。
4、關注人的情感體驗，加強數學美育滲透。
每個人在社會生活中都有對成功的渴望和需求。成功會產生快樂的情緒，增強自信心和自我效能感。因此，數學教學中應注意盡可能給每個學生以成功的體驗，培養學習數學的興趣，興趣與成功是聯系在一起的。濃厚的興趣又是與美感相聯系的，數學是一門充滿美的科學，在教學中充分挖掘數學的簡潔美、對稱美、和諧美、奇異美等，從美的角度去感悟數學，理解和變通數學知識，使學生在審美的愉悅中激起興趣，產生豐富想象，陶冶情操。
5、關注人的右腦開發，加強數學思想方法的教學。
新的時代，數學教育的目的是數學素質的培養，核心是創新能力的培養。右腦具有形象性、非邏輯性，是靈感、直覺、想象等創造性思想火花閃現的地方。創造力培養的主要途徑之一就是加強數學思想方法的教學。數學思想方法產生于數學知識，是對數學知識的本質認識，是從某些具體的數學內容和對數學的認識過程中提煉并形式化的數學觀點。在傳授數學知識的同時必須重視歸納、類比、聯想等數學方法的訓練，重視非形式化內容及數學思想實質的教學。注重邏輯訓練和直覺訓練的數學教育有利于創造性人才的培養，實現人的全面發展。數學思想方法比形式化的數學知識更為重要，正如日本數學教育家米山國藏所指出：“作為知識的數學，（學生）出校門不到兩年就記忘了，惟有深刻銘記在頭腦中的數學精神、數學思想、研究方法和著眼點等，這些卻隨時隨地發生作用，使他們終生受益。” 因此成功的數學教育，應當是數學的精神、思想方法深深地永遠地銘刻在學生的頭腦里，長久地活躍于他們日常的工作生活中，使人受益終生。
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