时间：2023-05-24 15:53:07
导语：在量子力学应用举例的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
本世纪初兴起了纳米科技，促进其到来的是由于微电子小型化的发展趋势，推动科技发展进入纳米时代[1]，不仅电子学将进入纳电子学领域，物理学进入介观物理领域，各类科技，包括生物医学等都在探索纳米结构与特性。涂层和表面改性越来越多地增加了纳米科技的内容，这是一种低维材料的制造和加工科技，将是制造技术的主流，将迅速地改变传统制造技术的方法、理论和观念，作为现今国际上的制造大国，世界加工厂，我们更应该注意研究制造技术的发展和未来。
1突破传统制造技术的观念
纳米科技研究的内容主要是在原子、分子尺度上构造材料和器件，测量表征其结构和特性，探索、发现新现象、新规律和应用领域。与我们熟悉传统的相比，纳米材料和器件具有显著的维数效应和尺寸效应。近几年来，在纳米材料制造方面做了大量的研究工作，在纳米粒子粉材的制造，以及材料结构和特性测量、表征上取得了显著成果[2～7]。接下来深入到纳米线、纳米管和纳米带的研究[8～14]，出现了一些成功有效的制造方法，发现了一些惊人的结构和特性。在此基础上，发展了纳米复合材料的研究，展现了非常有希望的应用前景[15～17]。近来人们在纳米科技初期成果的基础上挑战某些产品的传统加工技术，比如Al组件的快速加工。
T.B.Sercombe等人报道了快速加工铝(Al)组件的新方法[18]，这个方法的主要特征是用快速成型技术先形成树脂键合件，然后在氮气氛中分解其键和第二次渗入铝合金。在热处理过程中，铝与氮反应形成氮化铝骨架，在渗透过程中得到刚体结构。与传统制造工艺相比，这个过程是简单的快速的，可以制造任何复杂组件，包括聚合物、陶瓷、金属。图1是过程示意和原型样品，(a)是尼龙巾镶嵌铝粒子的SEM像，中心有结构细节的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是为还原氧化铝，它将不是铸件中的成分。在尼龙被烧去时，这个结构基本保持不变。(b)是氮化物骨架，围绕Al粒子的一些环状结构的光学显微镜像，再渗入Al时将形成密实结构。(c)是烧结的氮化铝和渗铝组件，小柱的厚为0.5mm其密度和强度都达到了传统铸造技术的水平。他们还制作了公斤重量多种结构的样品。这是一种冶金技术的探索，开辟了一种新的冶金和制造技术途径。
2纳米材料的完美定律
描述材料结构的常用术语是原子结构和电子结构。原子结构的主要参量是晶格常数、键长、键角；电子结构的主要参量是能带、量子态、分布函数。对于我们熟悉的宏观体系，这些参量多是确定的常数，但对于纳米体系，多数参量随着原子数量的改变而变化。这是纳米材料和器件的典型特征，它决定了纳米材料的多样性。其中有个重要规律，我们称之为纳米材料的完美定律，用简单语言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了纳米晶粒的魔数规则，即含有13、55、147…等数量原子的原子团是稳定的，对于富勒烯碳60和碳70存在的几率最大，而对于碳59或碳71等结构体系根本不存在。这就是为什么斯莫利(Smmolley)他们当初能在大量的富勒烯中首先发现碳60和碳70，从而获得了诺贝尔奖。对于一维纳米结构，包括纳米管和纳米线，存在类似的规则。可以模型上认为是由壳层构成的，每个壳层中更精细的结构称为股，每一股是一条原子链，中心为1股包裹壳层为7股的表示为7-1结构，再外壳层为11股的，表示为11-7-1结构，等等，构成最稳定的结构，这是一维纳米结构的魔数规则。对二维纳米膜存在类似的缺陷熔化规则，即不容许存在很多缺陷，一旦超过临界值，缺陷自发产生，完全破坏二维晶态结构。上述这些低维结构特征是完美定律的具体表述，进步普遍表述理论是正在研究中的课题。
完美定律是我们讨论涂层材料的出发点，因为纳米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造过程中，方法简单、产额高、成本低是最有竞争力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市场，一定是不计成本的特殊需要，有政治背景或短期的社会需求。因此在我们探索纳米材料制造时，首先考虑的应是满足完美定律的技术，如用甲烷电弧法制备纳米金刚石粉技术[1]，电化学沉积法制备金属纳米线阵列技术[19]，以及电炉烧结法制造氧化物纳米带技术[20]等等。
3涂层纳米材料将给我们带来什么?
涂层纳米材料是纳米科技领域具有代表的材料，或是低维纳米材料的有序堆积结构，或者是低维纳米材料填充的复合结构。两者都比传统材料有惊人的结构和特性。如新型高效光电池[21]、各向异性结构材料[19]、新型面光源材料[22]等，这里举例介绍基于热电效应的新型纳米热电变换材料。
热电效应器件的代表是热电偶，即利用不同导体接触的温差电现象进行温度测量的器件。基于热电效应可以制成两类器件：热产生电和电产生温差。前者可以用于制造焦电器件，即用热直接发电，如将焦电材料涂于内燃机缸表面，利用缸体温度高于环境几百度的温差发电，将余热变作电能回收。后者可以做成电致冷器件。这类的直接热电变换器件具有无污染，没有活动部件，长寿命，高可靠性等优点，但块体材料制成器件的效率低，限制了它的应用。纳米科技兴起以后，人们探索利用纳米晶或纳米线结构能否解决热电效应的效率问题。认为用量子点超晶格材料有希望显著提高热电器件的效率，这是由于纳米材料显著的能级分裂，有利于载流子的共振输运和降低晶格热传导，从而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]报告了量子点超晶格结构的热-电效应器件，他们制备了PbSeTe／PbTe量子点超晶格(QDSL)结构，用其制造了热电器件(Thermo-electrics，TE)，图2(a)是纳米超晶格TE致冷器件的结构和电路图，(b)电流-温度曲线。将TE超晶格材料，其宽11mm，长5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于热槽，另一端置于冷槽，为了减小冷槽热传导而形成这同结接触，用一根细金属线与热槽连接。当如图2(a)所示加电流源时，将致冷降温。对于这种纳米线超晶格结构，由于量子限制效应，发生间隔很大的能级分裂，从而得到很高的热电转换效率。图2(b)是TE器件的电流-温度曲线，实验点标明为热与冷端温差(T)与电流(I)关系，电流坐标表示相应通过器件的电流。为热端温度Th与电流I的关系，其温度对于流过器件的电流不敏感。为冷端温度Tc与电流I的关系，其温度对于电流是敏感的。图中A是测得的最大温差，43.7K，B是块体(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大温差，30.8K。从图中可以看出，在较大电流时，冷端温度趋于饱和。采用这种致冷器件由室温降至一般冰箱的冷冻温度是可能的。
电热效应的逆过程的应用就是焦电器件，即利用热源与环境的温差发电。对于内燃机、锅炉、致冷器高温热端等设备的热壁，涂上超晶格纳米结构涂层，利用剩余热能发电，将是人们利用纳米材料和组装技术研究的重要课题。
类似面致冷、取暖，面光源，面环境监测等涂层功能材料，将给家电产业带来革命性的影响，将会极大地改变人类的生活方式和观念。
4含铁碳纳米管薄膜场发射
碳纳米管阵列或含碳纳米管涂层场发射被广泛研究，以其为场发射阴极做成了平板显示器。研究结果表明碳管的前端有较强的场发射能力，因此碳管涂层膜中多数碳管是平放在基底上的，场电子发射能力很差。我们制备了含有铁(Fe)纳米粒子的碳纳米管，它的侧向有更大的场发射能力，有利于用涂层法制造平板场发射阴极。图3(a)是含铁粒子碳纳米的TEM像，碳管外形发生显著改变。(b)是碳管场发射I-V特性曲线，I是CVD生长的竖直排列碳纳米管的场发射曲线，II是含铁粒子碳纳米管竖直阵列的场发射曲线，III是含粒子碳纳米管躺在基底上的场发射曲线，有最强的场发射能力。根据此结果，将含铁的碳纳米管用作涂层场发射阴极，有利于研制平板显示器。
5电子强关联体系和软凝聚态物质
上面所讲到的涂层纳米功能材料和器件是当今国际上研究的热门课题，会很快取得重要成果，甚至有新产品进入市场。当我们在讨论这个纳米科技中的重要方向时，不能不考虑更深层的理论问题和更长远的发展前景。这就涉及到物理学的重要理论问题，即电子强关联体系(electronstrongcorrelationsystem)与软凝聚态物质(softcondensationmatter)。
在量子力学出现之前，金属材料电导的来源是个谜，20世纪初量子力学诞生后，解决了金属导电问题。基于Bloch假设：晶体中原子的外层电子，适应晶格周期调整它们的波长，在整个晶体中传播；电子-电子间没有相互作用。这是量子力学的简化模型，没有考虑电子间的相互作用，特别是在局域态电子的强相互作用。2003年又有人提出了金属导电问题，Phillips和他的同事以“难以琢磨的Bose金属”为题重新讨论了金属导电问题[24]。当计入电子间的相互作用时，可能产生的多体态，超导和巨磁阻就是这种状态。晶体中的缺陷破坏了完善导体，导致电子局域化。电子与核作用的等效结果表现为电子间的吸引作用，导致电荷载流子为Cooper对。但这个对的形成，不是超导的充分条件。当所有Cooper对都成为单量子态时，才能观察到超导性。这样，对于费米子由于包利(Paulii)不相容原则，不可能产生宏观上的单量子态。Cooper对的旋转半径小于通常两个电子相互作用的空间，成为Bose子。宏观上呈现单量子态，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化电子范围内，超导性可能认为是玻色-爱因斯坦凝聚，这个观点现今被很多人接受。从20世纪初至今，对于基本粒子的量子统计有两种，一是Fermi统计，遵从Paulii不相容原理，即每个能量量子态上只能容纳自旋不同的2个电子，而Bose子则不受这个限制。在凝聚态物质中有两个基态：即共有化Bose子呈现超导态，局域化Bose子呈现绝缘态。然而，在几个薄合金膜的实验中，观察到金属相，破坏了超导体和绝缘体之间直接转换。经分析认为这是玻色金属态，参与导电的是Bose子。推断这个金属相可能是涡流玻璃态，这个现象在铜氧化物超导体中得到了验证。
软凝聚态物质研究的对象是原子、分子间不仅存在短程作用力，而且存在长程作用力，表观上呈现的粘稠物质形态，称为软凝聚态。至今，人类对于晶体和原子存在强相互作用的固体已经知道得相当透彻了，但对软凝聚态的很多科学问题还没有深入研究，21世纪以来，引起了科学家的极大兴趣。软凝聚态物质包括流体、离子液体、复合流体、液晶、固体电解、离子导体、有机粘稠体、有机柔性材料、有机复合体，以及生物活体功能材料等。这其中的液晶由于在显示器件上的很大市场需求，是被研究得相当清楚的一种。其他软凝聚态结构和特性的科学问题和应用前景是目前被关注的研究课题。这其中主要有：微流体阀和泵、纳米模板、纳米阵列透镜、有机半导体、有机陶瓷、流体类导体、表面敏感材料、亲水疏水表面、有机晶体、生物材料(人造骨和牙齿)、柔性集成器件，以及他们的复合，统称为分子调控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子结构的多变性和柔性，研究材料的设计、制造、结构和特性的测量、表征，追求特殊功能；理论上探讨原子结构的稳定体系，光、电、热、机械特性，以及载流子及其输运。关于软凝聚态物质，有些早已为人类所用，电解液、液晶等，但对其理论研究处于初期阶段。科学的发展和应用的需求促进深入的理论研究，判断体系稳定存在的依据是自由能最小，体系自由能可表示为F=E-TS，其中S是熵。对于软凝聚态物质体系，S是重要参量。其中更多的缺陷，原子、分子运动的复杂行为，更多的电子强关联，不再是单粒子统计所能描述，需要研究粒子间存在相互作用的统计理论。多样性是这个体系的突出特征，因此其理论涉及广泛、复杂问题。
物理学是探索物态结构与特性的基础学科，是认识自然和发展科技的基础，其中以原子间有较强作用的稠密物质体系为主要研究对象的凝聚态物理近些年有了迅速进展，研究范围不断扩大，从固体结构、相变、光电磁特性扩展到液晶、复杂流体、聚合物和生物体结构等。几乎每一二十年就有新物质状态被发现，促进了人类对自然的认识和对其规律把握能力，推动了科学和技术的发展。21世纪仍有一些老的科学问题需要深入研究，一些新科学问题已提到人们的面前。特别是低维量子限域体系和极端条件下的基本物理问题。20世纪80年代出现的介观物理，后来发展成为纳米科技所涉及的学科领域。与宏观体系和原子体系相比，低维量子限域体系，还有很多物理问题有待解决，人们熟悉的宏观体系得到的规则和结论有些不再有效，适用于低维量子限域体系的处理方法和理论需要探索，特别是将涉及到多层次多系统问题的描述和表征，将会有更多的新现象、新效应、新规律被发现。在纳米尺度，研究原子、分子组装、测量、表征，涉及有机材料、无机／有机复合材料和生物材料，这将大大的扩展了物理学研究的范围和深度。涉及的重大科学前沿问题和重点发展方向有①强关联和软凝聚态物质，及其他新奇特性凝聚态物质；②低维量子限域体系的结构和量子特性，包括纳米尺度功能材料和器件结构和特性；③粒子物理，描述物质微观结构和基本相互作用的粒子物理标准模型和有关问题，以及复杂系统物理；④极端条件下的物理问题，探索高能过程、核结构、等离子体、新物理现象和核物质新形态等；⑤生命活动中的物理问题，物理学的基本规律、概念、技术引入生命科学中，研究生物大分子体系特征、DNA、蛋白质结构和功能等，其研究关键将在于定量化和系统性，必然是多学科的交叉发展，成为未来科学的重要领域。
关键词：纳米涂层；场发射；电子强关联；软凝聚态物质
2003年在国际和中国都发生了具有突发性的灾难事件，但中国的GDP仍以9.1％的高速度在增长，达到了人民币11.6万亿元，其中第二产业贡献4万多亿元。中国现今的第二产业主要领域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工厂，也是大市场。在国际竞争中所以有优势是中国的劳动力廉价，这个优势我们能保持多久?我们还注意到与化工有关的产品中，我们的生产效率是国际发达国家的5％，能耗是3倍，环境的破坏是9倍。这就是我们所付出的代价。不论形势如何严峻，21世纪是中华民族振兴的机遇期，制造业绝对是一个极其重要的领域，是个急速发展变化的领域。2003年3月国际真空学会执委会在北京举行，会议上讨论了将原来的冶金专委会改名为“表面工程专委会”，当时也考虑了另一个名字“涂层专委会”，我想用涂层材料更合适，含有继承性和变革性。20世纪70年代曾经说成是塑料年代，此后塑料科技和工业迅速崛起，极大地改变了人类社会。继而是信息时代，通信网、计算机网、万维网、智能网，信息流，日新月异地改变着人类的生活和观念。我们这个时代是高速发展的时代，技术和观念都在与时俱进地改变着。
本世纪初兴起了纳米科技，促进其到来的是由于微电子小型化的发展趋势，推动科技发展进入纳米时代[1]，不仅电子学将进入纳电子学领域，物理学进入介观物理领域，各类科技，包括生物医学等都在探索纳米结构与特性。涂层和表面改性越来越多地增加了纳米科技的内容，这是一种低维材料的制造和加工科技，将是制造技术的主流，将迅速地改变传统制造技术的方法、理论和观念，作为现今国际上的制造大国，世界加工厂，我们更应该注意研究制造技术的发展和未来。
1突破传统制造技术的观念
纳米科技研究的内容主要是在原子、分子尺度上构造材料和器件，测量表征其结构和特性，探索、发现新现象、新规律和应用领域。与我们熟悉传统的相比，纳米材料和器件具有显著的维数效应和尺寸效应。近几年来，在纳米材料制造方面做了大量的研究工作，在纳米粒子粉材的制造，以及材料结构和特性测量、表征上取得了显著成果[2～7]。接下来深入到纳米线、纳米管和纳米带的研究[8～14]，出现了一些成功有效的制造方法，发现了一些惊人的结构和特性。在此基础上，发展了纳米复合材料的研究，展现了非常有希望的应用前景[15～17]。近来人们在纳米科技初期成果的基础上挑战某些产品的传统加工技术，比如Al组件的快速加工。
T.B.Sercombe等人报道了快速加工铝(Al)组件的新方法[18]，这个方法的主要特征是用快速成型技术先形成树脂键合件，然后在氮气氛中分解其键和第二次渗入铝合金。在热处理过程中，铝与氮反应形成氮化铝骨架，在渗透过程中得到刚体结构。与传统制造工艺相比，这个过程是简单的快速的，可以制造任何复杂组件，包括聚合物、陶瓷、金属。图1是过程示意和原型样品，(a)是尼龙巾镶嵌铝粒子的SEM像，中心有结构细节的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是为还原氧化铝，它将不是铸件中的成分。在尼龙被烧去时，这个结构基本保持不变。(b)是氮化物骨架，围绕Al粒子的一些环状结构的光学显微镜像，再渗入Al时将形成密实结构。(c)是烧结的氮化铝和渗铝组件，小柱的厚为0.5mm其密度和强度都达到了传统铸造技术的水平。他们还制作了公斤重量多种结构的样品。这是一种冶金技术的探索，开辟了一种新的冶金和制造技术途径。
2纳米材料的完美定律
描述材料结构的常用术语是原子结构和电子结构。原子结构的主要参量是晶格常数、键长、键角；电子结构的主要参量是能带、量子态、分布函数。对于我们熟悉的宏观体系，这些参量多是确定的常数，但对于纳米体系，多数参量随着原子数量的改变而变化。这是纳米材料和器件的典型特征，它决定了纳米材料的多样性。其中有个重要规律，我们称之为纳米材料的完美定律，用简单语言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了纳米晶粒的魔数规则，即含有13、55、147…等数量原子的原子团是稳定的，对于富勒烯碳60和碳70存在的几率最大，而对于碳59或碳71等结构体系根本不存在。这就是为什么斯莫利(Smmolley)他们当初能在大量的富勒烯中首先发现碳60和碳70，从而获得了诺贝尔奖。对于一维纳米结构，包括纳米管和纳米线，存在类似的规则。可以模型上认为是由壳层构成的，每个壳层中更精细的结构称为股，每一股是一条原子链，中心为1股包裹壳层为7股的表示为7-1结构，再外壳层为11股的，表示为11-7-1结构，等等，构成最稳定的结构，这是一维纳米结构的魔数规则。对二维纳米膜存在类似的缺陷熔化规则，即不容许存在很多缺陷，一旦超过临界值，缺陷自发产生，完全破坏二维晶态结构。上述这些低维结构特征是完美定律的具体表述，进步普遍表述理论是正在研究中的课题。
完美定律是我们讨论涂层材料的出发点，因为纳米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造过程中，方法简单、产额高、成本低是最有竞争力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市场，一定是不计成本的特殊需要，有政治背景或短期的社会需求。因此在我们探索纳米材料制造时，首先考虑的应是满足完美定律的技术，如用甲烷电弧法制备纳米金刚石粉技术[1]，电化学沉积法制备金属纳米线阵列技术[19]，以及电炉烧结法制造氧化物纳米带技术[20]等等。
3涂层纳米材料将给我们带来什么?
涂层纳米材料是纳米科技领域具有代表的材料，或是低维纳米材料的有序堆积结构，或者是低维纳米材料填充的复合结构。两者都比传统材料有惊人的结构和特性。如新型高效光电池[21]、各向异性结构材料[19]、新型面光源材料[22]等，这里举例介绍基于热电效应的新型纳米热电变换材料。
热电效应器件的代表是热电偶，即利用不同导体接触的温差电现象进行温度测量的器件。基于热电效应可以制成两类器件：热产生电和电产生温差。前者可以用于制造焦电器件，即用热直接发电，如将焦电材料涂于内燃机缸表面，利用缸体温度高于环境几百度的温差发电，将余热变作电能回收。后者可以做成电致冷器件。这类的直接热电变换器件具有无污染，没有活动部件，长寿命，高可靠性等优点，但块体材料制成器件的效率低，限制了它的应用。纳米科技兴起以后，人们探索利用纳米晶或纳米线结构能否解决热电效应的效率问题。认为用量子点超晶格材料有希望显著提高热电器件的效率，这是由于纳米材料显著的能级分裂，有利于载流子的共振输运和降低晶格热传导，从而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]报告了量子点超晶格结构的热-电效应器件，他们制备了PbSeTe／PbTe量子点超晶格(QDSL)结构，用其制造了热电器件(Thermo-electrics，TE)，图2(a)是纳米超晶格TE致冷器件的结构和电路图，(b)电流-温度曲线。将TE超晶格材料，其宽11mm，长5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于热槽，另一端置于冷槽，为了减小冷槽热传导而形成这同结接触，用一根细金属线与热槽连接。当如图2(a)所示加电流源时，将致冷降温。对于这种纳米线超晶格结构，由于量子限制效应，发生间隔很大的能级分裂，从而得到很高的热电转换效率。图2(b)是TE器件的电流-温度曲线，实验点标明为热与冷端温差(T)与电流(I)关系，电流坐标表示相应通过器件的电流。■为热端温度Th与电流I的关系，其温度对于流过器件的电流不敏感。为冷端温度Tc与电流I的关系，其温度对于电流是敏感的。图中A是测得的最大温差，43.7K，B是块体(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大温差，30.8K。从图中可以看出，在较大电流时，冷端温度趋于饱和。采用这种致冷器件由室温降至一般冰箱的冷冻温度是可能的。
电热效应的逆过程的应用就是焦电器件，即利用热源与环境的温差发电。对于内燃机、锅炉、致冷器高温热端等设备的热壁，涂上超晶格纳米结构涂层，利用剩余热能发电，将是人们利用纳米材料和组装技术研究的重要课题。
类似面致冷、取暖，面光源，面环境监测等涂层功能材料，将给家电产业带来革命性的影响，将会极大地改变人类的生活方式和观念。
4含铁碳纳米管薄膜场发射
碳纳米管阵列或含碳纳米管涂层场发射被广泛研究，以其为场发射阴极做成了平板显示器。研究结果表明碳管的前端有较强的场发射能力，因此碳管涂层膜中多数碳管是平放在基底上的，场电子发射能力很差。我们制备了含有铁(Fe)纳米粒子的碳纳米管，它的侧向有更大的场发射能力，有利于用涂层法制造平板场发射阴极。图3(a)是含铁粒子碳纳米的TEM像，碳管外形发生显著改变。(b)是碳管场发射I-V特性曲线，I是CVD生长的竖直排列碳纳米管的场发射曲线，II是含铁粒子碳纳米管竖直阵列的场发射曲线，III是含粒子碳纳米管躺在基底上的场发射曲线，有最强的场发射能力。根据此结果，将含铁的碳纳米管用作涂层场发射阴极，有利于研制平板显示器。
5电子强关联体系和软凝聚态物质
上面所讲到的涂层纳米功能材料和器件是当今国际上研究的热门课题，会很快取得重要成果，甚至有新产品进入市场。当我们在讨论这个纳米科技中的重要方向时，不能不考虑更深层的理论问题和更长远的发展前景。这就涉及到物理学的重要理论问题，即电子强关联体系(electronstrongcorrelationsystem)与软凝聚态物质(softcondensationmatter)。
在量子力学出现之前，金属材料电导的来源是个谜，20世纪初量子力学诞生后，解决了金属导电问题。基于Bloch假设：晶体中原子的外层电子，适应晶格周期调整它们的波长，在整个晶体中传播；电子-电子间没有相互作用。这是量子力学的简化模型，没有考虑电子间的相互作用，特别是在局域态电子的强相互作用。2003年又有人提出了金属导电问题，Phillips和他的同事以“难以琢磨的Bose金属”为题重新讨论了金属导电问题[24]。当计入电子间的相互作用时，可能产生的多体态，超导和巨磁阻就是这种状态。晶体中的缺陷破坏了完善导体，导致电子局域化。电子与核作用的等效结果表现为电子间的吸引作用，导致电荷载流子为Cooper对。但这个对的形成，不是超导的充分条件。当所有Cooper对都成为单量子态时，才能观察到超导性。这样，对于费米子由于包利(Paulii)不相容原则，不可能产生宏观上的单量子态。Cooper对的旋转半径小于通常两个电子相互作用的空间，成为Bose子。宏观上呈现单量子态，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化电子范围内，超导性可能认为是玻色-爱因斯坦凝聚，这个观点现今被很多人接受。从20世纪初至今，对于基本粒子的量子统计有两种，一是Fermi统计，遵从Paulii不相容原理，即每个能量量子态上只能容纳自旋不同的2个电子，而Bose子则不受这个限制。在凝聚态物质中有两个基态：即共有化Bose子呈现超导态，局域化Bose子呈现绝缘态。然而，在几个薄合金膜的实验中，观察到金属相，破坏了超导体和绝缘体之间直接转换。经分析认为这是玻色金属态，参与导电的是Bose子。推断这个金属相可能是涡流玻璃态，这个现象在铜氧化物超导体中得到了验证。
软凝聚态物质研究的对象是原子、分子间不仅存在短程作用力，而且存在长程作用力，表观上呈现的粘稠物质形态，称为软凝聚态。至今，人类对于晶体和原子存在强相互作用的固体已经知道得相当透彻了，但对软凝聚态的很多科学问题还没有深入研究，21世纪以来，引起了科学家的极大兴趣。软凝聚态物质包括流体、离子液体、复合流体、液晶、固体电解、离子导体、有机粘稠体、有机柔性材料、有机复合体，以及生物活体功能材料等。这其中的液晶由于在显示器件上的很大市场需求，是被研究得相当清楚的一种。其他软凝聚态结构和特性的科学问题和应用前景是目前被关注的研究课题。这其中主要有：微流体阀和泵、纳米模板、纳米阵列透镜、有机半导体、有机陶瓷、流体类导体、表面敏感材料、亲水疏水表面、有机晶体、生物材料(人造骨和牙齿)、柔性集成器件，以及他们的复合，统称为分子调控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子结构的多变性和柔性，研究材料的设计、制造、结构和特性的测量、表征，追求特殊功能；理论上探讨原子结构的稳定体系，光、电、热、机械特性，以及载流子及其输运。关于软凝聚态物质，有些早已为人类所用，电解液、液晶等，但对其理论研究处于初期阶段。科学的发展和应用的需求促进深入的理论研究，判断体系稳定存在的依据是自由能最小，体系自由能可表示为F=E-TS，其中S是熵。对于软凝聚态物质体系，S是重要参量。其中更多的缺陷，原子、分子运动的复杂行为，更多的电子强关联，不再是单粒子统计所能描述，需要研究粒子间存在相互作用的统计理论。多样性是这个体系的突出特征，因此其理论涉及广泛、复杂问题。
物理学是探索物态结构与特性的基础学科，是认识自然和发展科技的基础，其中以原子间有较强作用的稠密物质体系为主要研究对象的凝聚态物理近些年有了迅速进展，研究范围不断扩大，从固体结构、相变、光电磁特性扩展到液晶、复杂流体、聚合物和生物体结构等。几乎每一二十年就有新物质状态被发现，促进了人类对自然的认识和对其规律把握能力，推动了科学和技术的发展。21世纪仍有一些老的科学问题需要深入研究，一些新科学问题已提到人们的面前。特别是低维量子限域体系和极端条件下的基本物理问题。20世纪80年代出现的介观物理，后来发展成为纳米科技所涉及的学科领域。与宏观体系和原子体系相比，低维量子限域体系，还有很多物理问题有待解决，人们熟悉的宏观体系得到的规则和结论有些不再有效，适用于低维量子限域体系的处理方法和理论需要探索，特别是将涉及到多层次多系统问题的描述和表征，将会有更多的新现象、新效应、新规律被发现。在纳米尺度，研究原子、分子组装、测量、表征，涉及有机材料、无机／有机复合材料和生物材料，这将大大的扩展了物理学研究的范围和深度。涉及的重大科学前沿问题和重点发展方向有①强关联和软凝聚态物质，及其他新奇特性凝聚态物质；②低维量子限域体系的结构和量子特性，包括纳米尺度功能材料和器件结构和特性；③粒子物理，描述物质微观结构和基本相互作用的粒子物理标准模型和有关问题，以及复杂系统物理；④极端条件下的物理问题，探索高能过程、核结构、等离子体、新物理现象和核物质新形态等；⑤生命活动中的物理问题，物理学的基本规律、概念、技术引入生命科学中，研究生物大分子体系特征、DNA、蛋白质结构和功能等，其研究关键将在于定量化和系统性，必然是多学科的交叉发展，成为未来科学的重要领域。
6结论
本文讨论了纳米线涂层的结构和特性，重点是纳米线的复合涂层和其电学特性、光电特性。其中包括制造技术新观念，纳米材料的完美定律，纳米涂层的热-电效应，碳纳米管的侧向场发射，以及电子强关联体系和软凝聚态物质，展示了涂层科学与技术的发展前景。
参考文献：
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[关键词]大脑工作 生物波 思维波 思维软件 思维模式
中图分类号：B80 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）29-0305-02
游锖腿硕际怯兴嘉功能的生物，外界因素会影响其思维和产生不同应答。大脑是如何工作的，一直引发各界人们思考和科学研究。
一、科学研究证明：人脑思维产生思维波（复合电磁波）
【脑传实验】华裔俄籍科学家姜堪政博士著有《场导发现――生物电磁波揭密》一书。他在沈阳中国医科大学毕业并留校工作，1959-1960年做“脑传脑”实验。他设计并建造一个“两室一厅”式的实验室，以验证他的“脑传”假说（普通人称为心灵沟通，一人脑发射信息，另一个人大脑接收读取），两室各有一小窗与厅相通，他躺在一室，另一个人躺在另一室，这个处于催眠状态后，他见到灯光暗箱上或者想象一个特定的符号图形如，另一个人脑读后记下，脑传成功率为70%，加“聚集器”后，脑传成功率95%。甚至可传爬山场景。角色互换后，实验成果同样不差[1]。该项实验于1963年在中国简要发表。
【实验证明：生物波是电磁波】姜堪政博士几十年后在俄罗斯科学实验证明，“脑传”的载体是复合电磁波。用特殊照相机发现和验证人体、花朵、松树等生物都有电磁波类的辉光现象。姜堪政博士计算并检测证明，生物电磁波频率（9.1×109-3.2×1013Hz）和波长（3.3cm-9.3um）。同时利用仪器检测人体各部发射的波长2cm的生物波功率，同一个人各部生物波强弱程度明显不同，还与年龄、健康状况、不同情绪等密切相关[2]。
实验证明，思维波有电磁波波粒二象性、频率、波长、能量（产生热量）、传递信息、共振、电场、磁场（产生磁力）等属性，还有其自身特性。
【思维波和生物波是复合电磁波】广义物质包括实体物质，能量和信息。狭义物质特指实体物，由原子构成的，而原子又由原子核和核外电子构成的，电子以光速不停地转动，必然产生微弱磁场。
每一种结构固定的大物质和小粒子，也就必然有其相应特征的微弱磁场，同时向外发射电磁波，这类电磁波显然不是只有一个同样的波峰波谷波长的简单的我们常说常用的电磁波，而由很多个不同波峰波谷波长组成的复合电磁波。
生物体或粒子所产生的复合电磁波，称为生物复合电磁波，简称为生物波。
人脑在思维时会产生复合电磁波，我们称为思维类生物复合电磁波，或称为思维类生物波，简称为思维波。生物波没有人为加载信息的复合电磁波，思维波是加载有人“想法”（思维结果信息）的生物波。
二、推论人脑工作原理
电脑工作过程是三步曲：存储数据、加工数据、产生数据，三步反复循环。加工数据系程序软件依托硬件提取数据进行逻辑计算过程，数据以二进制表达的数字代码。电脑存储硬盘可物理分区。程序为分固定程序和人工智能性程序（自我学习提升功能）。
大脑工作过程应该同电脑三步曲，区别在于，大脑加工数据过程，应该是大脑软件（思维软件）依托大脑硬件（神经元、神经介质）提取已有数据（记忆、淡忘、遗忘、联想提醒想起）和新产生数据进行逻辑计算，数据以思维波为信息单元（原料、因子、载体）。大脑产生数据过程是即产即存过程。思维波本质是具有多峰多谷多频的复合电磁波。大脑工作是电磁波处理的过程，或称为量子计算过程。大脑结构分为物理分区和功能分区。
【4种思维方式】
A普通人正联想为主习惯（放射式联想，一点联想到多点），如工作、工资、工人、工厂、工程、工夫等。
B少数人习惯反联想（反向搜索，较难），如木工、电工、钳工、搬运工等。
C个别人喜欢窜联想（接龙式联想、折线式联想），如工会、会议、议事、事件等。
D有人喜欢跳跃联想、换角度思考问题，不依靠原有字词、线索而思考。
【6种思维模式】
大脑思维软件工作模式，或说思维模式、思考模式，6种思维模式=“两向四度”6个参数：
A传统式的正向思维，动物本能性，如流水的顺势思考，以纵向联想和比较为主。
B反传统式的逆向思维，后天训练强度有关，如逆水行舟，逆向思维强的人不仅喜欢纵向还喜欢横向比较分析。
C思考强度，与思考时间、思考深度、纵向思考、横向思考等有关。深思就是深度思考，浮想就是如梦一样乱想，不动脑就是不深入思考，理性指思考程度强，感性就是思考程度弱。
D质疑程度（质疑思维），怀疑现有数据（观点）真实性，寻找相反答案，质疑程度与思辨能力密切相关。质疑原则是“质疑一切，尤其是自己”。不断是质疑、论证、确定、否定已有的观点和自己新形成的观点。
E创新程度（假设程度），假设（猜测）条件多而得出与众不同的结果，或得出令普通人难认同接受的结果=想象力，创新程度强通常指想象力强，想象力强容易产生新猜想、新假说、新知识、新智品（艺术作品、发明实物）。同时，创新与质疑是一体两面，大脑产生新的观点，多角度质疑同时开始，无法，便确信之，再换个角度产生新观点，再质疑、论证和。
F论证能力程度=归纳演绎总结能力程度，大脑对具体问题分析时，都要依靠逻辑关系工作，它具有连续性和因果性，必须关联关系，也是推理过程。分析推理、演绎推理后，要归纳法和总结法得出思考结果和结论。
归纳法=归纳推理法，归纳论证是一种由个别到一般的论证方法。它通过许多个别的事例或分论点，然后归纳出它们所共有的特性，从而得出一个一般性的结论。归纳法可以先举事例，再归纳结论，也可以先提出结论，再举例加以证明，有人称为例证法。
归纳推理，就是对上面言论进行分类概括，起到条理清晰的作用。
演绎推理，就是从一般性的前提出发，通过推导即“演绎”，得出具体陈述或个别结论的过程。演绎推理的逻辑形式对于理性的重要意义在于，它对人的思维保持严密性、一贯性有着不可替代的校正作用。演绎推理是从一般到特殊的推理；演绎推理是前提与结论之间具有充分条件或充分必要条件联系的必然性推理。
精神分裂者思维常会跳跃思维和没有逻辑的推理，思维异常，言行必异常。
弱智者思维模式简单且固化，思维方式也简单，信息量少，不能分析复杂事件，难得出正确结论，言行失态。
总结就是对上面言论做以总体的概括、起一个点睛作用，得出必要的简单结论。
六种思维模式好像6种参数，因人而异，长久使用某一种模式就形成固定思维总模式，即思维习惯，思维习惯长期养成的，与一个人所在人文h境约束或激发有关，也与自我更新能力（人格独立程度、喜欢思辨程度）有关。
思维模式和思维方式互相影响。
显然，一个人思维能力取决于其大脑思维模式和思维方式综合应用程度，6种思维模式和6个参数绝对不是简单的加减法关系，至少是乘积关系。
量子计算机（电脑），是一种全新的基于量子理论的计算机，遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机应用的是量子比特，可以同时处在多个状态，而不像传统计算机那样只能处于0或1的二进制状态。
量子电脑工作原理和大脑工作原理一样，运作机制类似，但也有不同，因为大脑百分之八十以上由水组成，所以说大脑是液态型量子电脑、电磁波型电脑。
揭开大脑工作机制之谜，显然有助人类研制更高级电脑，小空间即可无限存储，更高速，低耗能，无丢损，其功能必会远远超过大脑（受“二向四度”限制）。
三、研究大脑工作机制要点
【大脑通过感知系统录入信息】通过眼睛视觉系统、皮肤感知系统、器官感知系统、听力系统、鼻嗅觉细胞和舌上味觉细胞录入信息。
【信息传输分有线传输和无线传输】有的感知信息单元是复合电磁波，有的是神经介质实物变化，两类信息通过无线（生物波）和有线（神经纤维、神经介质）传输进入大脑后成为大脑思维可用可存（记忆）的思维波。神经介质变化应该会形成生物波=思维波。例如大脑思考怎么说话，是思维波在工作，发出的声音是声波=神经系统指控发声系统，思维波通过神经系统令声带发出声音，反过来，我们耳朵听到声音，应该通过特定转换（神经系统）变成电磁波形式存储，如能记住某些人的声音来判定发声者，听到熟悉的人说话声，我们虽然未见看见其本人，就可知道是谁，由声音辨别人。
人体各器官通过神经系统（有线传输）表达大脑信息，由自主固定程序、思考性“人工”程序处理控制。如同汽车自动驾驶和人工驾驶一样。
人死亡，血液不流动、细胞死亡不工作、经神介质不工作，没有了硬件，也就没有思考了，即死尸无法思考，但思维波还应该存在。
研究人脑如何工作机制，应该考虑至少五大类问题：
1、大脑思维波存储在哪儿？一是实体物质（大脑功能分区、神经元、神经介质变化、生物电变化等），二是水和组织液中（体外尿和血都能检测到人体生物波），三组织缝隙=经络=气体中（向外传输）。研究方向：弄清神经元如何存储思维波。
2、大脑加工思维波的硬件是什么物质？神经介质变化、生物电变化、神经元（细胞）、神经纤维（有形的传导线路）。
3、大脑工作软件（思维软件）如何形成？没有软件的电脑叫机，没有人生下来就有很考能力，即大脑工作软件不可能是与生俱来的，出生时的大脑也是没有软件的机，思维软件那就一定是后天大脑逐渐训练形成的。理论如何具体解释？像电脑人工智能具有自我学习提升功能。
4、思维波如何与神经系统密切合作？思维如何指令神经系统？引起神经介质变化？生物电变化？思维波是复合电磁波能改变蛋白质分子空间构象变化，也应该能引发神经介质变化，或能引起生物电变化……
5、人睡眠时，和电脑休眠一样，主机休息，但“辅机”还在工作，这个“辅机”是人的大脑哪个硬件？“辅机”为何自己“偷偷拼图”造梦？大脑中“主机”和“辅机”有无关联？
参考文献
关键词：客体 科学认识 科学仪器
引言
科学的发展史，就是以发展中的仪器和仪器使用作为其基础之一的历史，是理论、实验、仪器以彼此匹配的方式演进和相互维护的历史，是包含了各种类型的科学实践活动，并从这些活动以及理论家、实验家、仪器制造者的合作中获得进步的历史。在这样的历史中，科学仪器起着巨大的作用：对科学认识主体的认识能力具有强化作用， 对科学认识客体具有激化、纯化、强化作用。由此拉近人类与宏观世界、微观世界、生命世界之间的距离，使人类能够获得对自然的更深刻、广泛、准确的认识。因此，科学认识论者一般将科学仪器独立出来，作为科学认识三要素中的一种，即科学认识的工具来看待。客观地说，这有一定道理。因为科学仪器能够在仪器制造厂以标准化的方式生产，然后从一个研究团体到另一个研究团体转移使用而不需或很少需要对其进行内部调整。此时，科学认识主体只要按规定的程序操作，就能获得令其它科学认识主体确信的结果。其它科学认识主体按照同样的程序进行同样的实验也会获得同样的结果，结果具有可重复性、普遍性。这就使得这一结果几乎没有可能去反驳。这样，在科学认识过程中，科学仪器就能作为“可信的、不成问题的、很难挑战的认识要素使用”，[1]单纯地起着认识工具和认识桥梁的作用，作为达到获得进一步事实的目的的手段。
但是，当全面地、具体的、深入地分析科学仪器在科学认识活动中的地位和作用时，就会发现，将科学仪器看作科学认识的工具和桥梁是片面的、静态的、有局限性的，科学仪器及其使用是具体的、可错的、不充分的、开放的、与客体有着复杂关联的。应将其作为与主体相对的东西、作为主体实践和认识活动的对象、作为客体看待。
一、科学仪器的使用是具体的
科学仪器使用的具体环境，也需将此作为认识客体。因为此时科学仪器与正被研究的现象或与仪器使用相关的条件性，必须将其看作实验室中不确定的因素进行研究。
(1)科学仪器的选择是具体的、有条件的。科学仪器的选择和使用，必须参照所选用的实验方法。方法不同，仪器的选择及其操作就不同，对结果的处理和解释也就不同。如对阿佛加德罗常数的测定，就可选择不同的方法，既可用化学、热力学的方法，又可用电子学的方法。针对每种方法构建不同的仪器，获得相同的结果，然后相应地用有关的化学、热力学、电子学理论对结果进行解释。
(2)科学仪器的装配是具体的、有条件的。实验方法一旦确定后，就要装配仪器进行实验。仪器的装配必须参照所应用的方法，适合运用这一实验方法的具体的实验案例。由于实验方法相对于具体的实验案例来说起着方法论的指导作用，因此，即使实验方法已被使用，并且不成问题，仪器装配也不是固定的。怎样装配仪器以及装配怎样的仪器须由正被研究的实验案例决定，而非由实验者试图实现某种主观特定的装配指导。本世纪二、三十年代化学动力学家们对化学反应速度的研究就说明了这一点。当时可采用的实验方法有静态法和流动法。选定流动法后，对应于气态链烷属烃高温分解反应、甲烷和氧气的反应、光化学反应、烯烃的聚合反应等，Farkas和Melville 给出了七种不同的实验安排和不同的仪器装配，以便实验能够顺利进行。 ([1]，pp.293-296)
因此，对于具体的不同的实验案例，可采用同一种实验方法。但是，所运用的这同一种实验方法并不能充分决定在这些实验案例中的实验仪器装配相同。实验仪器装配的合理性不在仪器装配自身，而在于运用该仪器所进行的实验所选择的实验方法以及涉及到的实验对象和实验现象，只有这几者相互匹配才能保证一个实验的顺利进行。由此，在运用科学仪器进行科学研究的过程中，仪器不是作为绝对能提供正确结果的认识工具被接受，而是有条件地接受并且同时按照实验过程中有可能涉及到的所有因素的要求进行修改。科学仪器使用的条件性不再允许将科学仪器作为稳定的不变的工具使用。
(3)科学仪器的操作是具体的、有条件的。科技的发展已经进入“大仪器操作微观对象”的时代，并正向“微观机械”、“毫微技术”迈进。这时仪器的操作需要科技工作者具备大量的技能，知道去做什么，怎么做，以及恰当解释所获得的结果。因此，从认识论上说，复杂的现代仪器，如高能物理学中的仪器，不能作为实验室中不成问题的、稳定的实验工具使用，而必须在知道它的结构以及它所包含的理论预设的基础上对它恰当地操作。
(4)科学仪器给定的结果是具体的、有条件的。即使方法可行，并且科学仪器装配后正常运行，科学仪器也不能总是作为不成问题的、稳定的工具使用。因为正确的实验结果并非仅仅由于科学仪器正确地运行而产生。仪器给定值是有漏洞的。科学工作者经常不得不进一步校正由仪器给定的值。一个最明显的例子是，当我们用一支水银温度计去测量某物体的温度时，只有当温度计原有的温度与被测物体测量前的温度一致时，即温度计上的刻度在测量某物温度之前和发生能量转移，改变正被测量的物体的热量，导致温度计上的读数只能准确反应测量后被测物体的温度，而不能准确反映测量之前被测物体的温度。对此，需要科学工作者根据具体的情况考虑实验仪器与被观测物质的相互作用对实验结果的影响，校正实验值，获得准确的结果。这也说明，仪器并非总是作为中性的认识工具提供真实的、正确的实验结果，仪器使用的环境往往导致仪器所得结果的不确定性，从而需要将仪器看成成问题的、不确定的认识过程 中的一个要素，而非单纯地作为能够稳定使用、获得正确认识结果的工具。
二、科学仪器的呈象是可错的
科学仪器是可错的，对仪器的怀疑与仪器的历史一样久远。仪器自身的缺陷以及仪器的不稳定都可产生假象，[2]前者如“色差”的形成，后者如“N射线”的产生。因此，在科学认识过程中，需要对仪器进行考察和有策略地使用，以确信仪器呈象的真实。这就表明，对科学仪器所获得的新现象的真实性的论证需要将科学仪器作为客体加以研究而不能将其作为任何时候都能提供真实结果的科学认识工具看待。
(1)仪器的理论支持策略。一个好的仪器理论能很好地为仪器的有效性和仪器呈象的真实性辩护。对此，哈金 (Hacking)在“描述与干涉”中结合望远镜的理论给了望远镜呈象视物有效性以很好的说明。[3]
(2)实验的检查与校准策略。这一策略使用的目的是，在产生新现象的同时或前后， 使用同样仪器，采用同样操作，产生与新现象具有同质关系的已被确知的现象，那么仪器呈象的真实性得到支持。如在判断所观察到的物质光谱是否有效时，可以通过检查此仪器能否正确再生氢的巴尔末线系而检查该仪器是否正常工作。
(3)干涉的策略。对样品进行宏观处理，如物质着色、注射液体等。如果在仪器下看到事先预见的宏观处理带来的结果，那么强化了所观察到的现象的真实性。如19世纪70年代，用苯胶染料处理染色体以达到观察细胞行为的案例就说明了这一点。
(4)可重复性策略。该策略指的是同一个人或不同的人在相同的或不同的时空，用相同类型的仪器和相同的实验原理重复同一实验，实验结果的一致，是对所观察到的现象真实性的支持。这是判断某一实验是否有效、是否能被科学家集团接受的一条普遍准则。
(5)独立证实策略。这里的独立有两层含义。第一层含义是，仪器的理论独立于被作用的对象的理论。此时仪器对对象作用的有效性超过负荷对象的理论的仪器对该对象作用的有效性。Peter koss 就论证，使用电子显微镜去探查细胞比调查原子更有效。因为，在关于细胞的调查中，仪器的理论、电子物理学的理论是独立于样品的理论的。而在对原子的调查中，不具有这一特点。这既避免了以不成熟理论检验理论的不足，又避免了以某种方式依赖被检验理论的观察检验该理论时，这种内在的“自洽”有可能把本是错误的理论当成正确的理论。第二层含义是实验方法的独立。即同一个人或不同的人在相同或不同的时空，使用不同的实验仪器，[4]采用不同的实验原理，得到相同的实验结果，增强了实验结果的真实性，并且，从不同的实验要比从同一实验的重复中得到对某一假设更多的证实。[5]如在聚合水的案例中，Rousseau 和 Porto 就用电子微探 (eletrie micro probe) 法、火花源质谱法 (Spark source mass spec- troscopy) 证明异常水的奇异性质是由异常水中所含杂质 (Na+ 、 K+ 、 Ca2+ 、 S042 一等 ) 引起，而不是由 Limineott 仅根据红外光谱法确定的水的改变了结构的产物——聚合水(H2O)n 引起。[6]因此，Lippincotz 宣称发现了聚合水是错误的。
(6)间接证实的策略。当只能用一种类型的仪器观察某现象时，为了理性地相信所观察到的对象，可利用此仪器去观察已被其它手段确立的、且与此对象有着类似尺寸大小和类似特征的对象，对后一对象的真实观察支持对前一对象的观察。
这就表明，对科学仪器所获得的新现象的真实性的论证需要将科学仪器作为客体加以研究，而不能将其作为任何时候都能提供真实结果的科学认识工具看待。
三、科学仪器的使用是不充分的
在科学认识过程中，实验科学家必然地要对它们所用仪器进行分析。18世纪，气象学家在气压计和温度计上投入了很大的注意力，但此时的实验家仅偶尔将他们的注意力转向仪器的理论课题。到了19世纪，情况就不一样了，此时变化了的实验操作和实验应用的文化，要求仪器承担与原先不同的任务，这就使得仪器突然变得不充分从而需要实验物理学家开始将其作为严格探索的对象。
这在科学上不足为怪，因为：
(1)科学仪器是科学知识的物化，物化在科学仪器中的科学知识是什么，达到什么程度，具有何等完备性，就制约科学仪器能获得什么样的经验事实材料。由于每一历史时期的科学认识是具体的、现实的、有条件的，因此科学仪器的稳定性、精密性、先进性也是具体的、有局限的，需要研究改进，以便逐渐知道它的不足和可靠性，适应科学实践进一步的需要。如为了满足增加测长的精度和扩大测长领域的需要，人们设计、制造了木工尺、码尺、游标卡尺、移动式显微镜、干涉仪等设备来改进仪器，提高仪器的稳定性、精密性、先进性，减小测量的误差，满足对具体对象认识的需要。然而，误差的减小不可能达到0的程度。一是因为仪器不能无限可用，二是当测量包含原子系统时，limWS 并不趋向0( 这里 S 表明按仪器精度递增序列的第 S 仪器，W表示在误差曲线中的最大值的一半，也称半宽度)。因此，仪器自身并不能使得测量精 度达到绝对。
而且，从思辨的角度看，绝对的精度在物理上是不可能的。因为这意味着一个实验产生了一个无限的信息量。而且如果承认绝对精度，那么也就承认了绝对测量的存在，并且这样的结果可无限制的重复，并且完全相同。倘若如此，就抹煞了现实的对象和现象的永久变化和运动。
因此利用科学仪器进行测量是不充分的，绝对的精度是没有的，所有的测量都是不精确的，总有某些误差。被测值不具有与“真值”的同心性，而只有离心性。这就为科学家改进仪器设备、增加仪器的精确度提供了无限可能性。
（2）即使我们假定科学仪器有很高的精确度，对于某些对象的测量也不能获得准确的结果。因为，从被测量对象自身看，存在无理数的量，而科学仪器所测得的数值至多是有理数。由此，对这样一些特殊对象，如两直角边为1米的直角三角形斜边的测量，无论运用多么精确的测量仪器，都不能获得准确的数值。
(3)特定的实验只暴露认识对象的一个方面，不能单义地决定所有的属性。当测量是在过程中而非静态物上进行时，认识对象特别地以众多属性展现。展现的属性与仪器的使用密切关联。相对于一些属性的测量，仪器的使用的恰当性并不总是确定无疑的。仪器不可作为毋庸置疑的提供非偶然性的结论的认识工具。[7]
(4)客观地说，实验对象并不能自主地向实验者展现其实在，只能按照实验者在与仪器的相互作用过程中所获得的经验感受来展现。展现的方式与难题的解决相联系，难题又是由科研背景对我们的影响而产生。背景影响了我们，从而也就产生了被解决的难题。当解决该难题的前提没有阐明时，对难题背景的研究要比解决该难题更加重要。此时，在一些科学家看来，仪器是作为自身内在所具有的目的起作用，而非作为进一步达到目的手段([1]，P-302)，是作为类似于独立存在实体世界的一部分被研究。此时，仪器不仅仅作为器械 (devices)——破坏背景以及人们对这一背景的经验，更是作为事物 (things)——它们是与它们的环境以及我们与它们的交流分不开的。
(5)不渗透理论的科学仪器是没有的，从某种具体的科学仪器的产生看，它是较早期的理论预设的物质体现。随着科学的发展，我们必须对已存在的科学仪器进行研究， 赋予它新的理论内涵，使之“老树发新芽”。但是，正如 Peter Gabon 所言，我们“关于科学信念在科学仪器中更新 (recreate) 自身的方式知道得太少”，[8]从而忽视了对仪器的研究，限制了研究的范围。如法国物理学家 Boit 在从事伏打电堆的研究中， 由于信奉扭力天平，将他的研究限制在静电学的范围内，只测量电荷的效应，而不可能研究在一封闭线路内由电池产生的电流。
由此可见，仪器的使用是不充分的，对仪器的研究是必要的。这样的研究不仅仅意味着增加仪器的精度，扩大仪器的使用范围，即不仅仅进行与检验和证实相关的研究，而且还意味着将此研究作为进一步发现的渊源，暴露隐藏在仪器背后的理论假设， 并且引出新的研究领域去检查这些假设。这就能够使仪器变得“象自然一样，凭其自身成为理论研究的对象；[9]能够意外地指导实验沿着未预期途径进行；能够通过研究实验过程中科学仪器对解决难题的限制，而不是通过它们的测量应用产生新思想。由此使得仪器不只是证实的工具，也是灵感的来源。如19 世纪 30 年代，对扭力天平的研究就具有这一作用。在 Boit 的工作中作为限制因素的扭力天平，在 Weber 的工作中成为研究的客体，引发了新的研究领域——弹力后效研究。[10]
四、科学仪器的使用是开放的
一个设备，就其自身而言不是科学仪器，它只能叫作工具对象 (instrument object)。它要获得科学工具的地位，必须与科学工作者相作用，使得科学工作者获得对周围世界的看法。科学工作者典型地解剖、重组、整合科学认识对象与科学认识仪器系统，把仪器的理论说明(包括仪器理论和现象的理论)及其预测投射到未知领域，通过仪器的潜在能力、测量对象的未知参量与背景理论的关联，揭示被研究对象的多种属性，使研究具体化并获得经验的重建，使“科学家扩展他们被限制的理论理解而进入到先前隐藏的领域，”[11]使科学仪器能超越它的先在继续成为实验操作中的不确定性的来源，从而作为研究客体。考察科学史上的实验案例，不难发现，科学实验过程中所用的仪器、仪器理论说明及其实际应用具有下表所示的相互联系 :
所用仪器种类 仪器的理论说明 仪器的实际应用 仪器举例
(相同或不同) (相同或不同) (相同或不同)
相同 相同 相同 很普遍
相同 相同 不同 用于物理实验或化学
实验上的伏特计
相同 不同 不同 作为气象学再现与作
为粒子检测器的云室
相同 不同 相同 氢液化器[U〕
不同 相同 相同 长臂天平与短臂天平
不同 相同 不同 冰箱与氢液化器
不同 不同 相同 声学显微镜与
光学显微镜
不罔 不同 不同 很普遍 上表表明，相同的仪器理论说明的相同的科学仪器，实际应用可以相同也可以不同；不同的仪器理论说明的相同的科学仪器，实际应用可以相同也可以不同；相同的仪器理论说明的不同的科学仪器，其实际应用可以相同也可以不同；不同的仪器理论说明的不同的科学仪器，其实际应用可以相同也可以不同。这就为科学仪器在科学认过程中的应用展现了广阔的前景，这种广阔的前景使我们明了：科学仪器的力量不在于怎样使用它们，而在于使用它们能做什么；科学仪器作为一种存在虽然完成了，但是对它的理论说明以及使用的多种途径并没有完成，它的认识自然的潜力并没有得到充分发挥。为此还必须研究有关仪器和被研究对象的理论文化，因为“理论文化，肯定地，不仅是实验的文化，而且是仪器确立的文化，”[13]还必须将仪器看作是一未完成的对象，其自身带有不断发展的潜力，从而作为研究对象。
五、科学仪器与客体是不可分离的
人类认识客观世界能力的增强与科学仪器对客观世界的作用的增强是同步的。这使得科学仪器与客体世界的距离越来越近，联系越来越紧，它们之间的区别日趋模糊， 以致科学仪器自身嵌入到对客观对象的认识内容中，且最终不能将科学仪器从这样的内容中排除。在这种情况下，科学仪器和认识对象一道成为认识对象系统——客体系统，对此客体系统的研究在科学上不可避免。对量子力学中自我参照测量和测不准原理的分析就说明了这一点。
（1）自我测量难题。
测量的过程是仪器与被认识对象相互作用的过程，此作用过程确立了仪器系统与被认识对象之间的一定关系。在经典物理学中，由于从实验技术或从理论分析上能够排除仪器对认识对象的作用，因此，如果用 W 代表整个世界，S 代表被认识对象，A 代表仪器工具系统，R 代 表 S 、 A 以外的世界，则认识世界的模式为 W=S+A+Ro。此时科学仪器能完全作为中介而完成工具作用。但是，在量子力学实验中，仪器对微观对象发生了不可控制的作用，这种作用无论在实验技术上，还是在理论分析上都不能排除，从而使得“仪器一微观对象”的作用系统所产生的现象不是单一的纯自然呈象，而是多维的，既包括被认识对象，也包括科学仪器及其相互作用，从而使得科学仪器与被认识对象一道成为客体系统，仪器与被认识对象划不出明显的界限，认识世界的模式转变为 W=Sl+R 。这里的 S1=S+A。( 注意 : 这里的 "+" 不是 S 与 A 的机械叠加，而是相对于实验结果而言的 S 与 A 不可分离的有机结合。
当我们对 S1 系统测量时，我们仍然是从获得的仪器状态的信息来推论被观察系统的信息的。但是，由于仪器包含在被观察的系统中，而且也是参照被观察系统的状态，因此，这时从仪器获得被观察系统的状态的这一参照就是自我参照，这样的测量就是自我测量。对于这种自我测量，Thomas Breuer 论证了“没有一个来自内部自我被测系统的测量能被信息地完成，”[14]即通过测定一可观测量，人们不可能区别所有状态。“准确状态的自我测量是不可能的。”([14]，p.209) 因此，在测量不能区别所有状态的意义上，科学仪器不能看作是与被认识对象相互分离而作为纯粹的认识工具，它既是工具又是客体。
（2）测不准难题。
测不准原理是海森堡1927年从量子力学数学形式中推导出来的，与对所有物质粒子的实验室观察相符合。该原理认为，对一个共轭互补变量的较准确测量是以对另一共轭变量的较不准确测量作为代价的，作为极点，对一共扼变量的完全认识是以对另一变量完全不认识为代价的。即我们不可能同时准确地知道两共轭互补的量，由此形成量子测量的测不准难题。
造成测不准的原因是什么呢 ? 有人认为这是由我们所用的测量方法和仪器的不完备所致，即仪器在获取某共轭量的同时，无法控制地干扰了粒子的运动，使得粒子失去展现另一互补共轭量的能力。如果这一观点正确，测不准难题就不是原则上不可解决的难题，随着人类认识的深入和实验仪器、实验手段的进步，共扼互补量必会准确确定，原则上不可准确知道的东西不存在。然而，量子非破坏性测量理想实验表明，即使在获取某共轭量的同时，保证粒子的运动没有受到不可控制的干扰，即在装置不受不确定关系影响的情况下，仍然不能同时确定另一共扼量，即互补性仍然存在。[15]
这样，不确定难题的存在就与仪器精密度、仪器对微观对象的作用无本质的、必然的关联，而与微观对象的互补性质有本质的关联。即微观对象的不完全确定性是由微观对象的本性决定。照此，粒子的这一本性给人类关于微观对象的认识提出了原则性的限制，即人类原则上不能获得对微观对象的完全认识。因为微观对象的运动、变化、发展要遵循一定的自然规律，受到自身性质、结构的限制，它只能做它能做的事。不仅如此，限制微观对象“能做什么的某些规律也限制人类”。[16]即人类虽然有着伟大的想象力，有着先进的科学仪器，仍然不能按自己的主观愿望去摆布自然，改变自然法则，逼迫自然去做它的性质和结构不允许它做的事。
存在人类原则上不可完全认识的对象，既不意味着世界是完全不可认识的，也不意味着在感觉与对客观世界的客观认识之间没有通道，更不意味着人类认识能力的有限性，而是意味着 世界存在不可完全认识的部分，存在着有人类最终无法认识的对象或对象属性。这不是人类认识能力有限所致，而是事物的本性使然。这就在逻辑上为人类认识过程的演进和认识能力的发展提供了无限可能性和不可穷尽性。这就从根本上排除了“不完全的认识是一种人类不充分的、有限的认识，是一种对事物原本确定的性质的不清楚准确的认识，这样的认识不是真知识”的错误信念。
上面的分析说明，在某些现代科学研究过程中，一方面科学仪器与认识对象已经不可分离，两者一道成为科学认识的客体系统。另一方面，在对认识结果进行方法论、认识论和本体论解释时，仪器与认识对象一道成为不可分离的客体系统，进入人们的思维之中。这种新思维必将改变人们对科学的传统观念，使人们认识到：科学知识不只与发现有关，而且还与怎样发现有关；科学理论不只与世界有关，而且还与人类与世界的相互作用有关。鉴此，将科学仪器作为客体进行研究就显得既自然又必要了。
结束语
本文并不否定科学仪器的工具作用，相反地，笔者认为，科学不仅是关于什么的，而且是关于能是什么的。能是什么是通过行动而不是通过沉思所得，是通过仪器与认识对象的作用所得。随着科学的发展，科学仪器的工具化作用必将加强，而且，科学仪器是能够胜任作为工具这一基本角色的。我们有三方面的理由相信这一点：①本体论理由：相信世界与人类的统一性，任何物质都能够通过相互作用引起变化来接收和传递信息；②方法论理由：测量系统是信息的产生者和处理者， 人们能够通过输入—输出结构的评价、噪音的控制来达到信号的保真； ③认识论理由：有多种实验认识论策略(理论的、实践的、美学的)保证人们理性地相信仪器呈象的真实。( 此当另文探讨 )
然而，随着科学的技术化趋势增强，老的格言“科学发现 ，技术创造”已被新的格言“科学发现因为它创造”[17]所代替。创造就必须有仪器。科学仪器有其自身的生命。它既是科学认识活动的产物，又是科学认识活动的要素。作为科学认识活动的要素，它不仅指导着当下的科学认识的追求，并在这样的追求中留下自己的印记。从一定意义上说，一部科学认识史也是一部仪器进步史，科学走到哪里，仪器就发展到哪里，仪器的进步意味着自身作为“科学进步有用单元”。[18]作为科学认识活动的产物，仪器的完成是在将此作为研究对象——客体的情况下完成的，是在追求对世界的科学认识过程中完成的。仪器的设计、制造、使用和知识的追求是一对伙伴，没有其中一个，另一个也不可能。因此，科学仪器的产生是人类认识自然和认识仪器自身的产物，是在科学认识过程中将科学仪器既作为科学认识工具又作为科学认识客体的产物。那种认为科学仪器只是由仪器制造厂生产出来的观念是错误的，它割裂了仪器制造者与实验者之间的联系，忽视了实验室作为科学仪器“孵化器”的作用；那种认为科学仪器在科学认识过程中只是作为科学认识工具要素起作用的观点也是错误的， 它将科学仪器从科学认识的其它要素中孤立了出来，忽视了在科学的艰辛探索过程中，科学仪器并非是一个封闭的文本，提供的并非是无可争辩的、正确的事实。要获得正确的事实，必须将科学仪器与理论、实验和技术联系起来，必须将仪器看作是具体的、可错的、不充分的、开放的、且与客体有着复杂关联的认识对象，作为进一步深化和扩张科学知识的物质手段。
总而言之，对于非科学工作者而言，将科学仪器当作科学认识客体既无可能也没必要，只要在实际生活中能用某些仪器就行。然而，对于科学工作者而言，在科学认识过程中，必须将科学仪器既看作工具，又看作客体。表面看来，这好象是对仪器工具化功能的削弱，实际上“降低仪器工具化的功能和作用可以让我们更加完全地将仪器在科学活动中的作用理论化”，([1]， P.303) 可以让我们在促进科学仪器进步的基础上推进科学认识的进步。这点是与科学史相符合的，也是在科学史中确立以自主的实验生命为基础的新趋势所必需的。
参考文献与注释：
[1]Jeffryl Ramsey，On Refusing to be an Epistemologically Black Box:Instruments in Chemical kinesties during the 1920s and 30s，Stud .Hist .Phi1.Sci，Vol.23，No.2，1992，p.286.
[2]对仪器自身所产生的假象要有一个恰当的理解。当我们的视觉是正常的时候， 仪器所产生的假象不是不存在的现象，它有着自身产生的基础，在这个意义上说， 它是“真象”——真实存在的现象，只不过这样的“真象”或与被研究的对象不相干，或是对对象歪曲的反映，或这样的呈象还没有纳入人类的认识域，因而被研究者拒斥，看作是与对象性认识相对立的“假象”。因此，“假象”也是一种存在，具有本体论意义，只是对科学认识而言，不具有真理性的认识论意义，只具有相对的意义。与人类主观臆想和幻觉不一样，“假象”具有客观现实性，臆想和幻觉不具有。所以，仪器呈象的“虚假”，不在于此现象是否存在，是否是以纯态存在(Hacking就说，实验的主要结果就是现象的创造 )，而在于存在的这一现象是否与被研究的对象有关，且具有什么样的关系。
[3]Ian Hacking，Representing and Intervening，Cambridge University Press，1983，pp.186-209.
[4]实验仪器的不同分为三类：① A、B 两个仪器，根据单一理论操作，这些仪器可依据大小、材料、空间安排、分析步骤等方面不同；② A、B 两个仪器，各自完全依赖于不同的理论，这样的理论可通过它们每个中暗含的陈述集合而区分，如气泡室与火花室；③A、B 两个仪器，部分依赖于相同的理论，部分依赖于不同的理论。
[5] Franklin，A & Howson，C (1984)Why do Scientists Prefer to Vary Their Experiments? Stud.Hist .PhiL Sci 5，pp.51-62.
[6]William J .Mcknney，Experiment on and Experiment with:Polywater and Experiment Realism，Brit.J Phil.Sci.42(1991)，pp.295-307.
[7]非偶然性结论指的是，所获得的结论或是“事实”或是“虚构”。从而将结论所处的认识论状态对立了起来。其实，当科学家使用了能决定性地和单义地确定属性的仪器时，将结论分为“事实”和“虚构”是可行的。但是，当结论嵌入可认识的或明晰的模型中时，“事实”和“虚构”并没有必要对立。
[8] Peter Galison，How Experiments End，Chicago，London:Chicago University Press，1987，pp.252.
[9]Christa Jungnicke and Russell Mccormmach，Intellectual Mastery of Nature，2Vols，Chicago:University Of Chicago Press，1986，V01.2，p.9.
[10]Matthias Dorries，Blances，Spectroscopes，and the Reflexive Nature of Experiment，Stud .Hist.phil.sci，Vol125，No.1，1994，p.17.
[11]Danial Rothbart，the Epistemology of a Spectrometer，phi1.Sci.61(1994)，p.26
[12] 荷兰 kamdingh Omes 的氢液化器与英国 Dewar 的液化器是基于相同原则， 并且包含在相同活动中的液化器，但是应该被看作不同仪器。因为前者与后者相比， 不仅是一个技术上进步了的仪器，而且也体现了与范德华对应状态规律 (Law of corresponding states) 相关的原理，体现了他的热力学对应操作的思想。这是不同实验文化和理论文化的体现，体现了科学叙述的不同风格。前者导致低温物理学作为一物理分支学科的确立。
[13] Galison P.，1988a，History，Philosophy and the Central Metaphor，Science in Context2，pp.197-212.
[14]Thomas Breuer，The Impossibility of Accurate State Self-Measurements，phil.Sci，62(1995)，p.197.
[15]Berthold-Georg Englert，Marlan 0.Sxully，Herbert Walther，“物质和光的二象性”，《科学》(Scientific American 中文版)，1995，4，pp.30-36.
[16] Milton A.Rothman，Scince Gap:Dispelling the Myths and Understanding the Reality of Science，Dormet-- hous Books，Buffalo，New York 1993，p.35.
【关键词】固体物理与化学 教学 改革与实践 应用型
【基金项目】2013年铜仁学院教改项目“《固体物理》课程的教学改革思考与实践”（项目编号：JG201346）。
【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）08-0126-02
固体物理是研究固体的微观结构、各种微观粒子运动形态和规律以及它们相互关系的学科。它是材料类专业的重要基础课程，涉及力、热、声、电、磁和光学等各方面的内容。固体物理理论在很多研究领域都有广泛应用，它是微电子、光电子、半导体等各项技术和材料科学的基础。固体化学着重研究物质的化学反应、合成方法、晶体生长、化学组成和结构，特别是固体中的缺陷及其对宏观物理化学性质的影响。固体物理和固体化学知识在前沿科学中的应用越来越多，相关材料类专业也都开设了这两门课程。
随着科学技术的不断进步，材料科学的研究正不断开拓新的研究领域。作为材料类学生的专业必修课，固体物理和固体化学两门课程原有的知识体系均存在着不同程度的局限性。具体来讲，传统固体物理是一门理论性很强的课程，它用量子理论研究物质的微观结构，用以解释宏观物理性能，以理论教学为重点，实践教学占的比重不多，与前沿科学的结合也不够，不符合材料专业对应用型和实践性的需求;固体化学课程内容包含材料制备工艺和分析手段等实践内容，但对固体的研究方法、结构与性能关系等方面的探索还需要依靠固体物理理论的指导。针对具体的研究对象，往往需要综合固体物理和固体化学的知识才能解决问题。这种解决实际问题的需求使得在材料专业设置固体物理与化学课程很有必要。
目前，在国内大学的材料类专业，固体物理和固体化学一般作为两门独立的课程设置，两门课的教学内容既有重叠部分，也有互补需要。可以合并固体物理和固体化学两门课程，删去重复知识点，缩短学时;提取、凝练知识点互补部分，利用“固体物理”理论更好地指导“固体化学”实践，达到“1+1>2”的效果。
根据铜仁学院的办学定位和教学实际：适应区域经济社会发展需要，按照“突出应用、培育特色、提高质量”的原则，培养高素质的应用型人才，注重社会服务的教学服务型大学。固体物理和固体化学作为材料专业的核心课程，其教学水平对学生的后续发展至关重要。铜仁学院为新升本科院校，固体物理和固体化学这两门课程的开设时间不久，而且目前我们的教学还是偏重理论，实践性不强。因此，为了改变我校材料物理专业固体物理和固体化学教学过程中的问题，培养和造就高素质的应用型本科人才，创新性地设置固体物理与化学课程。
一、改革教学内容
材料学科是一门应用型学科，材料研究的目的就是为了开发设计新材料及其功能应用。根据材料学科的特点和我校材料物理专业的人才培养目标，优化设置教学内容。
（一）将固体物理和固体化学课程的内容有机融合
固体物理和固体化学两门课的教学内容既有重叠部分，也有互补部分。内容的重叠表现在晶体结构、晶体结合和晶体缺陷为两门课程共有部分，但侧重点不同;互补表现为某一研究问题的解决需要综合两门课程的知识点，并且固体化学中关于晶体衍射、固相反应等内容恰好是固体物理中倒易点阵、扩散等理论知识的实际应用。新开设的固体物理与化学将固体化学的知识有机融入固体物理，两门课程的内容“”。具体来说，将固体化学关于点缺陷的反应式纳入固体物理晶体缺陷章节;将振动光谱、波谱技术与晶格振动联系起来;将晶体的热学性质与热重分析、差热分析联系起来;将金属键与能带理论相结合;固相反应与扩散理论相结合等等。删掉固体化学中的相图内容，此部分在材料科学基础课程中讲授。合并后的固体物理与化学学时为72学时，少于原先两门课程的总学时。
（二）重视知识体系构建，缩减理论学时
固体物理是以热力学统计物理、理论物理、量子力学等课程为基础的课程。固体物理的学习需要这些基础理论作保证，但材料类专业的学生在这方面基础相对较薄弱。特别是固体物理中有很多新概念，通常需要建立复杂的物理模型和理论计算得到。复杂的数学推导过程和物理假设使很多学生感到困惑，在学习过程中也感到十分困难，造成部分学生失去兴趣。因此不能一味追求推导过程，更多的是突出概念的本质和含义，重点讲述物理假设和物理过程。物理模型的建立应简单易于理解，把复杂问题简单化，让学生学会用最简单的方式去解决复杂的问题。比如倒格子概念抽象，是固体物理的一个知识难点。在讲授倒格子时，尽量简化其推导过程，类比普通物理平面波中波矢的概念，将倒格矢与波矢类比，建立抽象的概念与已有的物理图像之间的联系，讲清楚为什么引入倒格子以及引入倒格子后对于我们解决问题的好处，让学生直观理解其背后的物理意义，帮助学生在倒空间中思考问题。
（三）融入前沿科学，提高学生学习兴趣
很多新技术、新材料的发明离不开固体物理和固体化学知识，在教学过程中要适当加入前沿科学和当今世界的研究热点，使学生认识到课程内容的重要性和实用性，例如，在讲解固体分类的时候，就要介绍准晶体;在讲晶体结构的时候，可以介绍石墨烯、碳纳米管。材料由于晶体结构的不同，其物理化学性质相差很大，在讲金刚石结构的时候，要提到另一种具有相同结构的硅材料。还有超晶格与晶体结构、半导体与能带理论的联系;材料的磁性与原子结构之间的关系;巨磁电阻效应等现象。使学生了解固体物理理论在前沿科学中的应用，扩展学生的知识范围，提高学习兴趣。
（四）注重实践教学，提高学生实践能力
材料学是实践性很强的专业，需要在教学中加入实践内容，在每章最后专门设置一个小节内容作为本章应用举例，可以更好地帮助学生理解课本上的理论，更重要的是把理论知识应用到实践中，理论与实践结合，培养学生独立思考问题的能力。例如，在讲解X射线衍射的时候，可以用某物质的XRD图谱作为例子，简单教学生使用Jade分析XRD图谱如何确定衍射峰的晶面指数，如何根据衍射峰来计算晶面间距，结合材料的晶体结构，从而确定材料的晶格常数，这样就把晶体结构这一章的知识全部串联起来。在讲晶体对称性的时候，可以列举相关材料，例如晶体的铁电性与对称中心的关系。
（五）增加科普知识，引入情感教学
在教学内容中增加科普知识，有助于增强学生的认同感，提高学生的科学素质。在讲授某个学科知识点的时候，增加其发展的历史故事，有助于学生更好地理解这门学科和这个理论。科学家是科学发展的主体，也是某一学科知识的缔造者。介绍相关科学家对某知识点的贡献和科学家的生平故事，可以有效提高学生学习的兴趣。能带理论是固体物理中的一个重要理论，通过对固体电导理论发展史的讲授，使学生更好地理解这个理论和实际应用。
二、改革教学方法
（一）多媒体教学和模型教学，建设网络课程资源
传统的理论教学以板书为主，其优点是有利于学生理解理论推导过程。但不足在于耗费时间、且有些图形动画板书不够形象。而应用多媒体教学具有形象生动、有声有色、节约时间等优点，可以利用Material Studio等计算机软件制作晶体模型，增加一些动态元素，突出趣味性、形象性，把抽象的物理模型用文本、视频、动画等多种方式展示出来，增强课堂教学的直观感染力。在课堂增加一些实物模型，比如讲晶体的结构，可提供一些球棍模型，让学生自己动手组装，使学生能直观感受晶体的结构，对理解晶体的对称性有很大的帮助。还可以制作一些CAI课件。在学院网站建立固体物理与化学课程板块，将课件、模型、视频等资料作为网络课堂，为学生提供课下学习资源。
（二）采用教学互动模式，激发学生学习兴趣
现代教学不是一个老师教、学生学的单一过程，更不是“填鸭式”的灌输过程，而是以学生为主体、老师为主导，相互参与的过程。教师要鼓励学生发现和探索问题。学习每个章节，都要探讨三个问题：这章的知识体系是什么，本质是什么，在课程中的作用和地位是什么。通过这样启发式的问题，引导和鼓励学生思考、讨论，能力的提高在于发现问题和寻找答案的过程，鼓励学生提出自己观点和见解，不怕出错，反复思考，对某一问题深究到底，营造积极活泼的课堂学习气氛。
（三）创新作业形式，提高学生知识应用能力
在现有教学方式中，课后作业以习题形式为主，不利于发挥学生积极主动性，有碍学生发现问题和解决问题能力的培养。因此需要改变传统作业形式，将作业以论文的形式呈现。地方本科院校的学生基础相对薄弱，需要采取循序渐进的方式进行指导，使他们尽快适应新的学习方式。在前期，由教师选择涵盖课程知识点的中文期刊论文，学生自学并整理期刊论文内容，制作做成PPT课件，并在课堂上讲解自己制作的课件;到后期，教师给出一些材料科学中与课程相关的研究热点问题，不再具体指定论文，引导学生围绕主题发现问题，检索信息，解决问题，并且撰写小论文。这样不仅提高了学生的自学和解决问题的能力，还开阔了学生的眼界，使他们对理论在实践中的应用有更深刻的体会。
三、改革考核方式
考核是检验学生课程学习情况的重要途径，学术型学生的培养，主要以闭卷考试为主，但应用型学生的培养，应该以过程考核为主。引入实例讨论环节并将其计入平时成绩，加强学生在此过程中的参与程度，在教学过程中将学生分成不同的课题组，分配不同的课题给他们。因此，我们采取改变平时成绩计算方法和在期末考试中设置开放性试题的办法，平时成绩设置起始分数，有积极表现的加分，比如课堂主动提出问题和回答问题、平时小论文写作、课堂做专题论文PPT报告都可以加分，没按要求完成任务的则扣分。在期末考试中设置开放性试题考察学生对于学科知识体系的理解，开放性试题不设标准答案。通过考核方式的改变，引导学生改变不良的学习习惯，培养积极主动的学习方式。
四、结语
根据培养高素质应用型本科人才的培养目标，需要增加实践性应用性的课程，较少理论性课程和学时，在这样的背景下，通过内容优化整合，将固体物理和固体化学合并成一门课程，即缩减了总学时，又不减少知识点，同时还加大了实践技能的教学，达到了人才培养的目标。
参考文献：
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[4]庞震.固体化学[M].北京：化学工业出版社，2008.
[5]赵军伟，赵觅.材料类专业固体物理课程创新教学改革与实践初探[J]. 轻工科技，2012，158（1）：134-135.
最新关于实用时间简史读后感范文 浩瀚的宇宙、神秘的地球，以及那些目前为止人类尚不足以弄明白的事物总是像磁铁般地吸引着有着强烈好奇心的人们。无论是年少的还是年长的，人们总是去不断的学习，为的是能更好地了解我们周围的各种事物。身为二十一世纪新一代的青年，我们有责任也更有义务去学习、了解、研究我们所处的环境。为此出于强烈的好奇心，利用暑假难得的机会我认真地读了霍金先生写的《时间简史》一书，读完之后掩卷长思，细细的领略其中的哲理，让人耳目一新。
就我而言，我是一个地地道道的唯物论者，对于那些神怪之类的说法很是反感，而对于能用科学理论解释奇异事物的书刊杂志便很感兴趣。对于霍金先生写的这本《时间简史》便很是有一口气看完的冲动，但是由于自己认知水平有限，不得不一字一句地慢慢理解，可仍然还是有不少地方弄不明白。也难怪就连霍金先生在某一场合也曾说过，能够读懂全书的每一句话的人，就已经够格攻读引力物理博士学位了。虽说只学到了点皮毛，但对自己的知识面还是个很大的扩充并对自己发现问题、分析问题、解决问题的能力也有了不小的提高，这让我不觉得对霍金先生深厚的学术造诣敬佩不已。
首先，这本书是以普及科学知识为目的的著作，他教会了我们如何正确地看待世界以及我们周围的许许多多的奇异的事情，让我们学会了用科学的眼光来看待事物，而不是遇到难懂的事物就盲目的相信迷信之类的歪理邪说。任何事情的存在都有其存在的意义。就比如人人讨厌的蚊子，我想没有一个人会同意上帝创造蚊子这种生物，但是它又的确是我们地球生物圈中的一分子，肯定有它存在的道理，我们不能因为自我的关系而剥夺另一种生物存在的权利。看待事物要用科学的眼光，同样对待学习我们也要用科学的方法。
怎么说呢，科学史上的每一个重大发现无不都是科学家们大胆假设小心论证而发现的，因此在学习方面我们也应该贯彻这种思想方法，不仅是在学习计划的制定上而且也应该在学习方法的应用上。一个周全的严密的学习计划对于学习的时间安排是十分合理的，能达到事半功倍的效果，不是有句谚语，“凡事预则立不预则废”。而好的学习方法，将有助你的听课、自学，以及课后的复习、预习，这些对于大学生而言是相当重要的。更重要的是，如果我们能养成这样一种好的习惯，对于将来工作会有相当大的帮助。今后的社会是一个快速发展，信息广泛交流的人才展示平台，而严密的思维逻辑以及科学的做事方法便是其中的两件法宝，可以帮你在茫茫人海中脱颖而出，在人生的舞台上尽情地展现自我，实现自我的人生价值。
其次，过去我是一个理想主义者，任何事情我都把它想得很完美。因此很长一段时间，我对那些试图证明世界绝对准则的文章很感兴趣。尤其在学习方面体现得相当明显，对于我而言，每学到一个新的知识的时候，都感到莫名的兴奋，因为他们能用很简单的几个公式来指导我们生产和生活方面的种种问题，感到很是神奇，因此对科学家们很是崇拜。但是随着年龄的增长和阅历的丰富，才发现世界远不是我想象得那么简单，几个“公式”就能涵盖。概括的来说，简单中孕育着变化，而变化中又体现着规律。人们总是在不断地，想方设法地去寻找那“隐藏”的规律。
很幸运的是，某些规律被我们发现了，但更多的还是未知的事物。世界到底有没有绝对准则？还是仅仅是个巧合？所有的问题我们目前尚还不得而知。但是随着时间的推移和人们不断的探索才有可能解开这一个一个的谜团。而对于我们来说，它给我们的启发是，“没有最好，只有更好”。就像是学习，犹如逆水行舟，不进则退。你无法在学习上达到最高峰，因为没有最高峰。你有的只能是不断的去和别人竞争，和自己较劲，唯有此你才能在自己的学习上取得好成绩。同样，工作中也是如此，成功的企业者他们比平常人多的就是一个强烈的竞争意识。在当今激烈的社会环境下，“适者生存”，谁都不想被社会所淘汰，谁都想有所作为，那么竞争就在所难免，这也会不断的促使着社会的快速发展，一举两得。
再次，就是读完了全书之后，脑中一直萦绕着许许多多的问题。宇宙到底有没有过大爆炸？宇宙到底是否曾经是一个无限小的点？宇宙到底是不是在无限的膨胀还是最后会坍缩，还是最后趋于稳定？宇宙到底在时间上要不要有个开端？宇宙是无限的还是有尽头？到底广义相对论正不正确？人类到底还能在创造出什么样的理论去解决什么样的难题？人类能否发明出时光机回到过去或是来到未来？2222年人类的科技又将会达到什么样的地步？人类最远能到达宇宙的什么地方？黑洞到底是什么样的？难道光速真的就是速度的极限，以致于黑洞成为人类无法逾越的鸿沟？物质的最小部分又是什么？……
所有的问题接踵而来，让人应接不暇。但是这种种的问号又是那么的有趣，那么的吸引我们的目光，让人浮想联翩。可能这一切一切的问题，你或许现在就能给出一个“满意”的答案，可是谁又能知道，你给出的答案或许就像是从比萨斜塔上落下的那两个不等重的铁球不同时落地的“真理”呢？可能仅仅在当时的情境下被人们所认可，但是随着科技的发展和人类的进步，将会有更多的伽利略站出来，告诉你不是这样的；也会有更多的哈勃望远镜向你展示，原来宇宙真的并不像你想象中的那样，而是真真切切的正如你眼前所视，此时你可能会有所迷惑，到底什么才是真理？没有人能给你一个满意的答案，正如没有人能预测你的未来会怎么，一切都要交给时间。或许在不久的将来，人类就能进行太空旅行，或许仍然在浩瀚的宇宙面前无所适从……
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人生观、价值观、世界观是一个成熟的人需要建立的三观，人生观是让人知道这辈子怎么活，价值观是认为什么才是珍贵的，世界观是知道这个世界是怎样的。宇宙观就是这个宇宙是怎么样的，是世界观中很重要的一部分。身处琐碎繁杂的日常，不断奔赴生活目标，我们中有的人也许建立的世界观是“我们的人类社会是什么样的”、“我们的星球和可看见的天空是怎么样的”……但是我们目力可见范围之外的宇宙是怎么样的、我们感知不到的时间的本质是什么、我们身处的宇宙的来龙去脉是什么等等问题，是我们日常很少去思考的，因为不可触及，然而这些是真实的存在。
最近我读了斯蒂芬·霍金的著作《时间简史》，作者是一个在科学和医学上的奇迹人物，是宇宙创生理论的创立者和集大成者。而这是一本让包括青少年在内的所有人都能理解的宇宙学著作，其主题是人类时空观和宇宙观的变革。本书按照科学理论中有关宇宙的认识从古到今的发展顺序，对主要的宇宙认识论变革理论进行重点阐述，如牛顿的力学理论、空间相对性、爱因斯坦狭义相对论、广义相对论、时间和空间的弯曲性质、宇宙大爆炸的发生、黑洞的性质、时间旅行的可能性、量子力学、弦理论、宇宙统一理论等。全书没有纯物理理论公式和数学上的技术性强的论证细节，但是其所带来的人类对时空和宇宙观念的变革却让我对我们身处的这个世界有了崭新的认识。
《时间简史》是一部论述当代物理学一些最艰深问题的成功著作，而普及版汲取其精髓，焦点论述了《时间简史》中的重大基本问题：关于宇宙我们究竟知道了什么?我们如何知道这一切?宇宙从何处来、向何处去?宇宙运行的规则是什么?这些看起来像是哲学所研究的问题。诚然，包括霍金在内的整个人类还没有找到终极答案，但通过梳理几千年来的科学理论，讲述了人类在这些终极问题上不倦追求答案的历史，读起来感觉就像是读了一本物理科学和哲学不断融合、发展、相互促成、走向统一的著作。
很久以前的人，因交通和通讯的`不发达，对于外部世界的问题是“山那边是什么?”，梦想翻过阻碍眼前的大山去探索山那边未知的世界。今天我们这个时代已经可以翻过地球上所有的山，每个人的故乡和这个地球上最远的地方皆能朝发夕至，全人类新的问题是“我看不见的星空之外是什么、有没有与我们一样或者不一样的生命存在?我如何能够去到那遥远的星球?”这个时代的“山”就是我们看不见、去不到的外太空，了解今时今日所处宇宙的前沿发展理论所带来的宇宙观变革有利于我们知道“山那边是什么”，发现未知是我们人类孜孜不倦追逐的永恒话题。
读《时间简史》，填补了我原来空白的宇宙观，把我的视野从可见可触及的现实世界抽象到了遥远的外太空，让我对身处的时空有了新的理解——空间是相对的，时间也不是绝对的，每个个体都有属于自己的时间测度，我们的宇宙来源于一个无限小的时空奇点，产生于一个大爆炸时刻，还不断在膨胀中并将有一个终点，宇宙中存在着为数众多能量巨大的黑洞，允许时间旅行的虫洞也许真的存在，因为不确定性原理人类理解和预言宇宙的能力仍然有限，宇宙统一理论有待人类进一步探索，等等。霍金曾说他的目标很简单，就是完全的理解周围的世界和我们的存在。说起来很简单，却是一件举全人类之力仍然没能完全解答的一个问题。
有人说“科学对于公众来说，确实犯下了过于深奥的罪孽。”为此，很多人因为对物理学和宇宙学的晦涩艰深、并于生活日常毫无用处而不肯落力去读这类书，更因其是学界大“著作”而敬而远之，听到谁读《时间简史》就视其为难以企及的物理怪咖学霸，读不懂这本书的物理学博士也大有人在。
但是科学技术的真正意义在于帮助我们理解世界、改造世界，而《时间简史(普及版)》这本书读起来如此易于理解，它使得“几乎所有识字的人都可以谈论黑洞、大爆炸、平行宇宙和暴涨。”这本书全书只有一个公式，没有复杂的推理演算，没有听不懂的假设证明，用贴近生活的事物举例讲解遥远抽象的宇宙运行哲学。作为一个文科生、中学上物理课听不懂的人来说，今天能读懂这本书，皆因为科学技术的发展普及让我们更能理解今时今日的世界，同时感叹霍金先生深入浅出的理论讲述水平。
如今，霍金先生已逝，社会各界都痛惜这位伟大科学家的离去，肯定霍金对科学对人类的贡献。很多人知道他如何与身体疾病战斗一生，如何身残志坚、性格幽默，但我想我们更应该知道霍金先生的理论是什么、对人类的贡献如何，当我们谈论霍金，应该明确的知道我们在谈论什么。因为，爱科学的唯一途径就是真正地理解并学习它。学习、传播和探索他为之奋斗终生的科学理论，才是新时代青年谈论和崇拜科学家、热爱科学的正确打开方式。
最新关于实用时间简史读后感范文
一个地地道道的唯物论者，对于那些神怪之类的说法从不相信，而对于能用科学理论解释奇异事物的书刊杂志很感兴趣。暑假期间，闲来无事，认真阅读了霍金先生的《时间简史》一书。初中物理中提到的“大爆炸理论”在书中有详细的论述。带着对浩瀚的宇宙、生命起源的好奇心，带着对科学大师崇敬之心，细细阅读。尽管书中有许多抽象的理论、奇特的概念我还难以理解，身为物理教师的我，有责任也更有义务去学习、了解这些知识，拓展自己的知识面。读完之后掩卷长思，细细的领略其中的哲理，是我对宇宙世界的认识更加深刻。
斯蒂芬·霍金教授写的《时间简史》出版于1988年，回答了“宇宙是怎样诞生的？它从何而来？又向哪里去？”的问题。
书中认为我们现在生活的宇宙有自己的历史起点，它大约诞生于150亿年前，那时，宇宙只是一个点，不占有空间，也没有时间的概念。在这一点发生了大爆炸，时间和空间从此开始，物质开始形成。最初，宇宙的温度极高，随着时间的推移，空间越来越大，温度越来越低，宇宙中的能量与物质不断发生复杂的反应，逐渐形成星系，空间继续扩大，膨胀，直到今天，宇宙仍然在膨胀之中。
大约在距今50亿年前，太阳形成。大约在距今46亿年前，地球形成。
宇宙继续膨胀，将来也会膨胀，也许在膨胀到一定程度后，宇宙开始收缩，可能会收缩成一个点，一个不占有空间的点。到那时，时间结束。到底会不会这样，现在还说不定。
大爆炸之前是怎么回事，不知道。永远也无法知道。这就是大爆炸宇宙的理论基础。
对于霍金先生写的这本《时间简史》本想一口气看完，但是由于自己认知水平有限，不得不一字一句地慢慢理解，可仍然还是有不少地方弄不明白。霍金先生在某一场合也曾说过，能够读懂全书的每一句话的人，就已经够格攻读引力物理博士学位了。虽说只学到了点皮毛，但对自己的知识面还是个很大的扩充并对自己发现问题、分析问题、解决问题的能力也有了不小的提高，这让我不觉得对霍金先生深厚的学术造诣敬佩不已。
这本书是以普及科学知识为目的的著作，他教会了我们如何正确地看待世界以及我们周围的许许多多的奇异的事情，让我们学会了用科学的眼光来看待事物，而不是遇到难懂的事物就盲目的相信迷信之类的歪理邪说。任何事情的存在都有其存在的意义。就比如人人讨厌的苍蝇，我想没有一个人会同意神创造苍蝇这种昆虫，但是它又的确是我们地球生物圈中的一分子，肯定有它存在的道理，我们不能因为人类的爱憎而剥夺另一种生物存在的权利。看待事物要用科学的眼光，同样对待学习我们也要用科学的方法。科学史上的每一个重大发现无不都是科学家们大胆假设小心论证而发现的，因此在学习方面我们也应该贯彻这种思想方法，不仅是在学习计划的制定上而且也应该在学习方法的应用上。一个周全的严密的学习计划对于学习的时间安排是十分合理的，能达到事半功倍的效果，不是有句谚语，“凡事预则立不预则废”。而好的学习方法，将有助你的听课、自学，以及课后的复习、预习，这些对于刚进入科学之门的初中学生而言是相当重要的。更重要的是，如果我们能使学生能成这样一种好的习惯，对于他们将来的人生会有相当大的帮助。
从这本著作中，我深深的了解到科学上的很多重大的进展都是许多伟大的科学家们不盲目的追随权威，而是有自己的思想和见解，有时甚至冒着生命的危险，提出自己的理论，这样的事例不胜枚举。如伽利略、哥白尼、爱因斯坦。对于现今这样一个日新月异的社会，义务教育被赋予的历史使命将不同于往，它肩负着培养出下一代有着创新能力的人才，可以说今后国与国之间的竞争将更多的是人才之间的竞争，创新将是今后发展的又一个新的历史潮流，我们国家只有抓住历史发展的机遇期，抓紧培养创新型人才，才能永久的屹立在东方。这样的历史使命对于从事义务教育的老师来说的不能推脱，我们赶上了这样一个重视基础教育的好时代，有大量时间来进一步学习，拓展自己的知识、开阔自己的眼界、活跃自己的思维、培养自己的能力。在教学方面我们也不应该盲目相信课本上的条条框框，而是带着自己的思想、自己的见解大胆进行教学研究、创新教学方法。在教学研究道路阔步前进，通过教改实现自身发展的需求。在课堂教学中要向学生宣扬，年少的你们要成为未来的建设者，书本上的知识是远远不够的，我们还应该多多读一些课外杂志，多学一些知识。鼓励学生参加综合实践活动，让他们逐步的走进社会、感受社会、了解社会，体会书本知识在实践活动中的应用价值，培养他们多方面思考问题的能力，在活动中培养创新思维能力。
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