時間：2023-05-24 15:53:07
導語：在量子力學應用舉例的撰寫旅程中，學習并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優秀范文，愿這些內容能夠啟發您的創作靈感，引領您探索更多的創作可能。
本世紀初興起了納米科技，促進其到來的是由于微電子小型化的發展趨勢，推動科技發展進入納米時代[1]，不僅電子學將進入納電子學領域，物理學進入介觀物理領域，各類科技，包括生物醫學等都在探索納米結構與特性。涂層和表面改性越來越多地增加了納米科技的內容，這是一種低維材料的制造和加工科技，將是制造技術的主流，將迅速地改變傳統制造技術的方法、理論和觀念，作為現今國際上的制造大國，世界加工廠，我們更應該注意研究制造技術的發展和未來。
1突破傳統制造技術的觀念
納米科技研究的內容主要是在原子、分子尺度上構造材料和器件，測量表征其結構和特性，探索、發現新現象、新規律和應用領域。與我們熟悉傳統的相比，納米材料和器件具有顯著的維數效應和尺寸效應。近幾年來，在納米材料制造方面做了大量的研究工作，在納米粒子粉材的制造，以及材料結構和特性測量、表征上取得了顯著成果[2～7]。接下來深入到納米線、納米管和納米帶的研究[8～14]，出現了一些成功有效的制造方法，發現了一些驚人的結構和特性。在此基礎上，發展了納米復合材料的研究，展現了非常有希望的應用前景[15～17]。近來人們在納米科技初期成果的基礎上挑戰某些產品的傳統加工技術，比如Al組件的快速加工。
T.B.Sercombe等人報道了快速加工鋁(Al)組件的新方法[18]，這個方法的主要特征是用快速成型技術先形成樹脂鍵合件，然后在氮氣氛中分解其鍵和第二次滲入鋁合金。在熱處理過程中，鋁與氮反應形成氮化鋁骨架，在滲透過程中得到剛體結構。與傳統制造工藝相比，這個過程是簡單的快速的，可以制造任何復雜組件，包括聚合物、陶瓷、金屬。圖1是過程示意和原型樣品，(a)是尼龍巾鑲嵌鋁粒子的SEM像，中心有結構細節的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是為還原氧化鋁，它將不是鑄件中的成分。在尼龍被燒去時，這個結構基本保持不變。(b)是氮化物骨架，圍繞Al粒子的一些環狀結構的光學顯微鏡像，再滲入Al時將形成密實結構。(c)是燒結的氮化鋁和滲鋁組件，小柱的厚為0.5mm其密度和強度都達到了傳統鑄造技術的水平。他們還制作了公斤重量多種結構的樣品。這是一種冶金技術的探索，開辟了一種新的冶金和制造技術途徑。
2納米材料的完美定律
描述材料結構的常用術語是原子結構和電子結構。原子結構的主要參量是晶格常數、鍵長、鍵角；電子結構的主要參量是能帶、量子態、分布函數。對于我們熟悉的宏觀體系，這些參量多是確定的常數，但對于納米體系，多數參量隨著原子數量的改變而變化。這是納米材料和器件的典型特征，它決定了納米材料的多樣性。其中有個重要規律，我們稱之為納米材料的完美定律，用簡單語言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了納米晶粒的魔數規則，即含有13、55、147…等數量原子的原子團是穩定的，對于富勒烯碳60和碳70存在的幾率最大，而對于碳59或碳71等結構體系根本不存在。這就是為什么斯莫利(Smmolley)他們當初能在大量的富勒烯中首先發現碳60和碳70，從而獲得了諾貝爾獎。對于一維納米結構，包括納米管和納米線，存在類似的規則。可以模型上認為是由殼層構成的，每個殼層中更精細的結構稱為股，每一股是一條原子鏈，中心為1股包裹殼層為7股的表示為7-1結構，再外殼層為11股的，表示為11-7-1結構，等等，構成最穩定的結構，這是一維納米結構的魔數規則。對二維納米膜存在類似的缺陷熔化規則，即不容許存在很多缺陷，一旦超過臨界值，缺陷自發產生，完全破壞二維晶態結構。上述這些低維結構特征是完美定律的具體表述，進步普遍表述理論是正在研究中的課題。
完美定律是我們討論涂層材料的出發點，因為納米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造過程中，方法簡單、產額高、成本低是最有競爭力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市場，一定是不計成本的特殊需要，有政治背景或短期的社會需求。因此在我們探索納米材料制造時，首先考慮的應是滿足完美定律的技術，如用甲烷電弧法制備納米金剛石粉技術[1]，電化學沉積法制備金屬納米線陣列技術[19]，以及電爐燒結法制造氧化物納米帶技術[20]等等。
3涂層納米材料將給我們帶來什么?
涂層納米材料是納米科技領域具有代表的材料，或是低維納米材料的有序堆積結構，或者是低維納米材料填充的復合結構。兩者都比傳統材料有驚人的結構和特性。如新型高效光電池[21]、各向異性結構材料[19]、新型面光源材料[22]等，這里舉例介紹基于熱電效應的新型納米熱電變換材料。
熱電效應器件的代表是熱電偶，即利用不同導體接觸的溫差電現象進行溫度測量的器件。基于熱電效應可以制成兩類器件：熱產生電和電產生溫差。前者可以用于制造焦電器件，即用熱直接發電，如將焦電材料涂于內燃機缸表面，利用缸體溫度高于環境幾百度的溫差發電，將余熱變作電能回收。后者可以做成電致冷器件。這類的直接熱電變換器件具有無污染，沒有活動部件，長壽命，高可靠性等優點，但塊體材料制成器件的效率低，限制了它的應用。納米科技興起以后，人們探索利用納米晶或納米線結構能否解決熱電效應的效率問題。認為用量子點超晶格材料有希望顯著提高熱電器件的效率，這是由于納米材料顯著的能級分裂，有利于載流子的共振輸運和降低晶格熱傳導，從而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]報告了量子點超晶格結構的熱-電效應器件，他們制備了PbSeTe／PbTe量子點超晶格(QDSL)結構，用其制造了熱電器件(Thermo-electrics，TE)，圖2(a)是納米超晶格TE致冷器件的結構和電路圖，(b)電流-溫度曲線。將TE超晶格材料，其寬11mm，長5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于熱槽，另一端置于冷槽，為了減小冷槽熱傳導而形成這同結接觸，用一根細金屬線與熱槽連接。當如圖2(a)所示加電流源時，將致冷降溫。對于這種納米線超晶格結構，由于量子限制效應，發生間隔很大的能級分裂，從而得到很高的熱電轉換效率。圖2(b)是TE器件的電流-溫度曲線，實驗點標明為熱與冷端溫差(T)與電流(I)關系，電流坐標表示相應通過器件的電流。為熱端溫度Th與電流I的關系，其溫度對于流過器件的電流不敏感。為冷端溫度Tc與電流I的關系，其溫度對于電流是敏感的。圖中A是測得的最大溫差，43.7K，B是塊體(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大溫差，30.8K。從圖中可以看出，在較大電流時，冷端溫度趨于飽和。采用這種致冷器件由室溫降至一般冰箱的冷凍溫度是可能的。
電熱效應的逆過程的應用就是焦電器件，即利用熱源與環境的溫差發電。對于內燃機、鍋爐、致冷器高溫熱端等設備的熱壁，涂上超晶格納米結構涂層，利用剩余熱能發電，將是人們利用納米材料和組裝技術研究的重要課題。
類似面致冷、取暖，面光源，面環境監測等涂層功能材料，將給家電產業帶來革命性的影響，將會極大地改變人類的生活方式和觀念。
4含鐵碳納米管薄膜場發射
碳納米管陣列或含碳納米管涂層場發射被廣泛研究，以其為場發射陰極做成了平板顯示器。研究結果表明碳管的前端有較強的場發射能力，因此碳管涂層膜中多數碳管是平放在基底上的，場電子發射能力很差。我們制備了含有鐵(Fe)納米粒子的碳納米管，它的側向有更大的場發射能力，有利于用涂層法制造平板場發射陰極。圖3(a)是含鐵粒子碳納米的TEM像，碳管外形發生顯著改變。(b)是碳管場發射I-V特性曲線，I是CVD生長的豎直排列碳納米管的場發射曲線，II是含鐵粒子碳納米管豎直陣列的場發射曲線，III是含粒子碳納米管躺在基底上的場發射曲線，有最強的場發射能力。根據此結果，將含鐵的碳納米管用作涂層場發射陰極，有利于研制平板顯示器。
5電子強關聯體系和軟凝聚態物質
上面所講到的涂層納米功能材料和器件是當今國際上研究的熱門課題，會很快取得重要成果，甚至有新產品進入市場。當我們在討論這個納米科技中的重要方向時，不能不考慮更深層的理論問題和更長遠的發展前景。這就涉及到物理學的重要理論問題，即電子強關聯體系(electronstrongcorrelationsystem)與軟凝聚態物質(softcondensationmatter)。
在量子力學出現之前，金屬材料電導的來源是個謎，20世紀初量子力學誕生后，解決了金屬導電問題。基于Bloch假設：晶體中原子的外層電子，適應晶格周期調整它們的波長，在整個晶體中傳播；電子-電子間沒有相互作用。這是量子力學的簡化模型，沒有考慮電子間的相互作用，特別是在局域態電子的強相互作用。2003年又有人提出了金屬導電問題，Phillips和他的同事以“難以琢磨的Bose金屬”為題重新討論了金屬導電問題[24]。當計入電子間的相互作用時，可能產生的多體態，超導和巨磁阻就是這種狀態。晶體中的缺陷破壞了完善導體，導致電子局域化。電子與核作用的等效結果表現為電子間的吸引作用，導致電荷載流子為Cooper對。但這個對的形成，不是超導的充分條件。當所有Cooper對都成為單量子態時，才能觀察到超導性。這樣，對于費米子由于包利(Paulii)不相容原則，不可能產生宏觀上的單量子態。Cooper對的旋轉半徑小于通常兩個電子相互作用的空間，成為Bose子。宏觀上呈現單量子態，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化電子范圍內，超導性可能認為是玻色-愛因斯坦凝聚，這個觀點現今被很多人接受。從20世紀初至今，對于基本粒子的量子統計有兩種，一是Fermi統計，遵從Paulii不相容原理，即每個能量量子態上只能容納自旋不同的2個電子，而Bose子則不受這個限制。在凝聚態物質中有兩個基態：即共有化Bose子呈現超導態，局域化Bose子呈現絕緣態。然而，在幾個薄合金膜的實驗中，觀察到金屬相，破壞了超導體和絕緣體之間直接轉換。經分析認為這是玻色金屬態，參與導電的是Bose子。推斷這個金屬相可能是渦流玻璃態，這個現象在銅氧化物超導體中得到了驗證。
軟凝聚態物質研究的對象是原子、分子間不僅存在短程作用力，而且存在長程作用力，表觀上呈現的粘稠物質形態，稱為軟凝聚態。至今，人類對于晶體和原子存在強相互作用的固體已經知道得相當透徹了，但對軟凝聚態的很多科學問題還沒有深入研究，21世紀以來，引起了科學家的極大興趣。軟凝聚態物質包括流體、離子液體、復合流體、液晶、固體電解、離子導體、有機粘稠體、有機柔性材料、有機復合體，以及生物活體功能材料等。這其中的液晶由于在顯示器件上的很大市場需求，是被研究得相當清楚的一種。其他軟凝聚態結構和特性的科學問題和應用前景是目前被關注的研究課題。這其中主要有：微流體閥和泵、納米模板、納米陣列透鏡、有機半導體、有機陶瓷、流體類導體、表面敏感材料、親水疏水表面、有機晶體、生物材料(人造骨和牙齒)、柔性集成器件，以及他們的復合，統稱為分子調控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子結構的多變性和柔性，研究材料的設計、制造、結構和特性的測量、表征，追求特殊功能；理論上探討原子結構的穩定體系，光、電、熱、機械特性，以及載流子及其輸運。關于軟凝聚態物質，有些早已為人類所用，電解液、液晶等，但對其理論研究處于初期階段。科學的發展和應用的需求促進深入的理論研究，判斷體系穩定存在的依據是自由能最小，體系自由能可表示為F=E-TS，其中S是熵。對于軟凝聚態物質體系，S是重要參量。其中更多的缺陷，原子、分子運動的復雜行為，更多的電子強關聯，不再是單粒子統計所能描述，需要研究粒子間存在相互作用的統計理論。多樣性是這個體系的突出特征，因此其理論涉及廣泛、復雜問題。
物理學是探索物態結構與特性的基礎學科，是認識自然和發展科技的基礎，其中以原子間有較強作用的稠密物質體系為主要研究對象的凝聚態物理近些年有了迅速進展，研究范圍不斷擴大，從固體結構、相變、光電磁特性擴展到液晶、復雜流體、聚合物和生物體結構等。幾乎每一二十年就有新物質狀態被發現，促進了人類對自然的認識和對其規律把握能力，推動了科學和技術的發展。21世紀仍有一些老的科學問題需要深入研究，一些新科學問題已提到人們的面前。特別是低維量子限域體系和極端條件下的基本物理問題。20世紀80年代出現的介觀物理，后來發展成為納米科技所涉及的學科領域。與宏觀體系和原子體系相比，低維量子限域體系，還有很多物理問題有待解決，人們熟悉的宏觀體系得到的規則和結論有些不再有效，適用于低維量子限域體系的處理方法和理論需要探索，特別是將涉及到多層次多系統問題的描述和表征，將會有更多的新現象、新效應、新規律被發現。在納米尺度，研究原子、分子組裝、測量、表征，涉及有機材料、無機／有機復合材料和生物材料，這將大大的擴展了物理學研究的范圍和深度。涉及的重大科學前沿問題和重點發展方向有①強關聯和軟凝聚態物質，及其他新奇特性凝聚態物質；②低維量子限域體系的結構和量子特性，包括納米尺度功能材料和器件結構和特性；③粒子物理，描述物質微觀結構和基本相互作用的粒子物理標準模型和有關問題，以及復雜系統物理；④極端條件下的物理問題，探索高能過程、核結構、等離子體、新物理現象和核物質新形態等；⑤生命活動中的物理問題，物理學的基本規律、概念、技術引入生命科學中，研究生物大分子體系特征、DNA、蛋白質結構和功能等，其研究關鍵將在于定量化和系統性，必然是多學科的交叉發展，成為未來科學的重要領域。
關鍵詞：納米涂層；場發射；電子強關聯；軟凝聚態物質
2003年在國際和中國都發生了具有突發性的災難事件，但中國的GDP仍以9.1％的高速度在增長，達到了人民幣11.6萬億元，其中第二產業貢獻4萬多億元。中國現今的第二產業主要領域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工廠，也是大市場。在國際競爭中所以有優勢是中國的勞動力廉價，這個優勢我們能保持多久?我們還注意到與化工有關的產品中，我們的生產效率是國際發達國家的5％，能耗是3倍，環境的破壞是9倍。這就是我們所付出的代價。不論形勢如何嚴峻，21世紀是中華民族振興的機遇期，制造業絕對是一個極其重要的領域，是個急速發展變化的領域。2003年3月國際真空學會執委會在北京舉行，會議上討論了將原來的冶金專委會改名為“表面工程專委會”，當時也考慮了另一個名字“涂層專委會”，我想用涂層材料更合適，含有繼承性和變革性。20世紀70年代曾經說成是塑料年代，此后塑料科技和工業迅速崛起，極大地改變了人類社會。繼而是信息時代，通信網、計算機網、萬維網、智能網，信息流，日新月異地改變著人類的生活和觀念。我們這個時代是高速發展的時代，技術和觀念都在與時俱進地改變著。
本世紀初興起了納米科技，促進其到來的是由于微電子小型化的發展趨勢，推動科技發展進入納米時代[1]，不僅電子學將進入納電子學領域，物理學進入介觀物理領域，各類科技，包括生物醫學等都在探索納米結構與特性。涂層和表面改性越來越多地增加了納米科技的內容，這是一種低維材料的制造和加工科技，將是制造技術的主流，將迅速地改變傳統制造技術的方法、理論和觀念，作為現今國際上的制造大國，世界加工廠，我們更應該注意研究制造技術的發展和未來。
1突破傳統制造技術的觀念
納米科技研究的內容主要是在原子、分子尺度上構造材料和器件，測量表征其結構和特性，探索、發現新現象、新規律和應用領域。與我們熟悉傳統的相比，納米材料和器件具有顯著的維數效應和尺寸效應。近幾年來，在納米材料制造方面做了大量的研究工作，在納米粒子粉材的制造，以及材料結構和特性測量、表征上取得了顯著成果[2～7]。接下來深入到納米線、納米管和納米帶的研究[8～14]，出現了一些成功有效的制造方法，發現了一些驚人的結構和特性。在此基礎上，發展了納米復合材料的研究，展現了非常有希望的應用前景[15～17]。近來人們在納米科技初期成果的基礎上挑戰某些產品的傳統加工技術，比如Al組件的快速加工。
T.B.Sercombe等人報道了快速加工鋁(Al)組件的新方法[18]，這個方法的主要特征是用快速成型技術先形成樹脂鍵合件，然后在氮氣氛中分解其鍵和第二次滲入鋁合金。在熱處理過程中，鋁與氮反應形成氮化鋁骨架，在滲透過程中得到剛體結構。與傳統制造工藝相比，這個過程是簡單的快速的，可以制造任何復雜組件，包括聚合物、陶瓷、金屬。圖1是過程示意和原型樣品，(a)是尼龍巾鑲嵌鋁粒子的SEM像，中心有結構細節的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是為還原氧化鋁，它將不是鑄件中的成分。在尼龍被燒去時，這個結構基本保持不變。(b)是氮化物骨架，圍繞Al粒子的一些環狀結構的光學顯微鏡像，再滲入Al時將形成密實結構。(c)是燒結的氮化鋁和滲鋁組件，小柱的厚為0.5mm其密度和強度都達到了傳統鑄造技術的水平。他們還制作了公斤重量多種結構的樣品。這是一種冶金技術的探索，開辟了一種新的冶金和制造技術途徑。
2納米材料的完美定律
描述材料結構的常用術語是原子結構和電子結構。原子結構的主要參量是晶格常數、鍵長、鍵角；電子結構的主要參量是能帶、量子態、分布函數。對于我們熟悉的宏觀體系，這些參量多是確定的常數，但對于納米體系，多數參量隨著原子數量的改變而變化。這是納米材料和器件的典型特征，它決定了納米材料的多樣性。其中有個重要規律，我們稱之為納米材料的完美定律，用簡單語言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了納米晶粒的魔數規則，即含有13、55、147…等數量原子的原子團是穩定的，對于富勒烯碳60和碳70存在的幾率最大，而對于碳59或碳71等結構體系根本不存在。這就是為什么斯莫利(Smmolley)他們當初能在大量的富勒烯中首先發現碳60和碳70，從而獲得了諾貝爾獎。對于一維納米結構，包括納米管和納米線，存在類似的規則。可以模型上認為是由殼層構成的，每個殼層中更精細的結構稱為股，每一股是一條原子鏈，中心為1股包裹殼層為7股的表示為7-1結構，再外殼層為11股的，表示為11-7-1結構，等等，構成最穩定的結構，這是一維納米結構的魔數規則。對二維納米膜存在類似的缺陷熔化規則，即不容許存在很多缺陷，一旦超過臨界值，缺陷自發產生，完全破壞二維晶態結構。上述這些低維結構特征是完美定律的具體表述，進步普遍表述理論是正在研究中的課題。
完美定律是我們討論涂層材料的出發點，因為納米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造過程中，方法簡單、產額高、成本低是最有競爭力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市場，一定是不計成本的特殊需要，有政治背景或短期的社會需求。因此在我們探索納米材料制造時，首先考慮的應是滿足完美定律的技術，如用甲烷電弧法制備納米金剛石粉技術[1]，電化學沉積法制備金屬納米線陣列技術[19]，以及電爐燒結法制造氧化物納米帶技術[20]等等。
3涂層納米材料將給我們帶來什么?
涂層納米材料是納米科技領域具有代表的材料，或是低維納米材料的有序堆積結構，或者是低維納米材料填充的復合結構。兩者都比傳統材料有驚人的結構和特性。如新型高效光電池[21]、各向異性結構材料[19]、新型面光源材料[22]等，這里舉例介紹基于熱電效應的新型納米熱電變換材料。
熱電效應器件的代表是熱電偶，即利用不同導體接觸的溫差電現象進行溫度測量的器件。基于熱電效應可以制成兩類器件：熱產生電和電產生溫差。前者可以用于制造焦電器件，即用熱直接發電，如將焦電材料涂于內燃機缸表面，利用缸體溫度高于環境幾百度的溫差發電，將余熱變作電能回收。后者可以做成電致冷器件。這類的直接熱電變換器件具有無污染，沒有活動部件，長壽命，高可靠性等優點，但塊體材料制成器件的效率低，限制了它的應用。納米科技興起以后，人們探索利用納米晶或納米線結構能否解決熱電效應的效率問題。認為用量子點超晶格材料有希望顯著提高熱電器件的效率，這是由于納米材料顯著的能級分裂，有利于載流子的共振輸運和降低晶格熱傳導，從而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]報告了量子點超晶格結構的熱-電效應器件，他們制備了PbSeTe／PbTe量子點超晶格(QDSL)結構，用其制造了熱電器件(Thermo-electrics，TE)，圖2(a)是納米超晶格TE致冷器件的結構和電路圖，(b)電流-溫度曲線。將TE超晶格材料，其寬11mm，長5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于熱槽，另一端置于冷槽，為了減小冷槽熱傳導而形成這同結接觸，用一根細金屬線與熱槽連接。當如圖2(a)所示加電流源時，將致冷降溫。對于這種納米線超晶格結構，由于量子限制效應，發生間隔很大的能級分裂，從而得到很高的熱電轉換效率。圖2(b)是TE器件的電流-溫度曲線，實驗點標明為熱與冷端溫差(T)與電流(I)關系，電流坐標表示相應通過器件的電流。■為熱端溫度Th與電流I的關系，其溫度對于流過器件的電流不敏感。為冷端溫度Tc與電流I的關系，其溫度對于電流是敏感的。圖中A是測得的最大溫差，43.7K，B是塊體(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大溫差，30.8K。從圖中可以看出，在較大電流時，冷端溫度趨于飽和。采用這種致冷器件由室溫降至一般冰箱的冷凍溫度是可能的。
電熱效應的逆過程的應用就是焦電器件，即利用熱源與環境的溫差發電。對于內燃機、鍋爐、致冷器高溫熱端等設備的熱壁，涂上超晶格納米結構涂層，利用剩余熱能發電，將是人們利用納米材料和組裝技術研究的重要課題。
類似面致冷、取暖，面光源，面環境監測等涂層功能材料，將給家電產業帶來革命性的影響，將會極大地改變人類的生活方式和觀念。
4含鐵碳納米管薄膜場發射
碳納米管陣列或含碳納米管涂層場發射被廣泛研究，以其為場發射陰極做成了平板顯示器。研究結果表明碳管的前端有較強的場發射能力，因此碳管涂層膜中多數碳管是平放在基底上的，場電子發射能力很差。我們制備了含有鐵(Fe)納米粒子的碳納米管，它的側向有更大的場發射能力，有利于用涂層法制造平板場發射陰極。圖3(a)是含鐵粒子碳納米的TEM像，碳管外形發生顯著改變。(b)是碳管場發射I-V特性曲線，I是CVD生長的豎直排列碳納米管的場發射曲線，II是含鐵粒子碳納米管豎直陣列的場發射曲線，III是含粒子碳納米管躺在基底上的場發射曲線，有最強的場發射能力。根據此結果，將含鐵的碳納米管用作涂層場發射陰極，有利于研制平板顯示器。
5電子強關聯體系和軟凝聚態物質
上面所講到的涂層納米功能材料和器件是當今國際上研究的熱門課題，會很快取得重要成果，甚至有新產品進入市場。當我們在討論這個納米科技中的重要方向時，不能不考慮更深層的理論問題和更長遠的發展前景。這就涉及到物理學的重要理論問題，即電子強關聯體系(electronstrongcorrelationsystem)與軟凝聚態物質(softcondensationmatter)。
在量子力學出現之前，金屬材料電導的來源是個謎，20世紀初量子力學誕生后，解決了金屬導電問題。基于Bloch假設：晶體中原子的外層電子，適應晶格周期調整它們的波長，在整個晶體中傳播；電子-電子間沒有相互作用。這是量子力學的簡化模型，沒有考慮電子間的相互作用，特別是在局域態電子的強相互作用。2003年又有人提出了金屬導電問題，Phillips和他的同事以“難以琢磨的Bose金屬”為題重新討論了金屬導電問題[24]。當計入電子間的相互作用時，可能產生的多體態，超導和巨磁阻就是這種狀態。晶體中的缺陷破壞了完善導體，導致電子局域化。電子與核作用的等效結果表現為電子間的吸引作用，導致電荷載流子為Cooper對。但這個對的形成，不是超導的充分條件。當所有Cooper對都成為單量子態時，才能觀察到超導性。這樣，對于費米子由于包利(Paulii)不相容原則，不可能產生宏觀上的單量子態。Cooper對的旋轉半徑小于通常兩個電子相互作用的空間，成為Bose子。宏觀上呈現單量子態，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化電子范圍內，超導性可能認為是玻色-愛因斯坦凝聚，這個觀點現今被很多人接受。從20世紀初至今，對于基本粒子的量子統計有兩種，一是Fermi統計，遵從Paulii不相容原理，即每個能量量子態上只能容納自旋不同的2個電子，而Bose子則不受這個限制。在凝聚態物質中有兩個基態：即共有化Bose子呈現超導態，局域化Bose子呈現絕緣態。然而，在幾個薄合金膜的實驗中，觀察到金屬相，破壞了超導體和絕緣體之間直接轉換。經分析認為這是玻色金屬態，參與導電的是Bose子。推斷這個金屬相可能是渦流玻璃態，這個現象在銅氧化物超導體中得到了驗證。
軟凝聚態物質研究的對象是原子、分子間不僅存在短程作用力，而且存在長程作用力，表觀上呈現的粘稠物質形態，稱為軟凝聚態。至今，人類對于晶體和原子存在強相互作用的固體已經知道得相當透徹了，但對軟凝聚態的很多科學問題還沒有深入研究，21世紀以來，引起了科學家的極大興趣。軟凝聚態物質包括流體、離子液體、復合流體、液晶、固體電解、離子導體、有機粘稠體、有機柔性材料、有機復合體，以及生物活體功能材料等。這其中的液晶由于在顯示器件上的很大市場需求，是被研究得相當清楚的一種。其他軟凝聚態結構和特性的科學問題和應用前景是目前被關注的研究課題。這其中主要有：微流體閥和泵、納米模板、納米陣列透鏡、有機半導體、有機陶瓷、流體類導體、表面敏感材料、親水疏水表面、有機晶體、生物材料(人造骨和牙齒)、柔性集成器件，以及他們的復合，統稱為分子調控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子結構的多變性和柔性，研究材料的設計、制造、結構和特性的測量、表征，追求特殊功能；理論上探討原子結構的穩定體系，光、電、熱、機械特性，以及載流子及其輸運。關于軟凝聚態物質，有些早已為人類所用，電解液、液晶等，但對其理論研究處于初期階段。科學的發展和應用的需求促進深入的理論研究，判斷體系穩定存在的依據是自由能最小，體系自由能可表示為F=E-TS，其中S是熵。對于軟凝聚態物質體系，S是重要參量。其中更多的缺陷，原子、分子運動的復雜行為，更多的電子強關聯，不再是單粒子統計所能描述，需要研究粒子間存在相互作用的統計理論。多樣性是這個體系的突出特征，因此其理論涉及廣泛、復雜問題。
物理學是探索物態結構與特性的基礎學科，是認識自然和發展科技的基礎，其中以原子間有較強作用的稠密物質體系為主要研究對象的凝聚態物理近些年有了迅速進展，研究范圍不斷擴大，從固體結構、相變、光電磁特性擴展到液晶、復雜流體、聚合物和生物體結構等。幾乎每一二十年就有新物質狀態被發現，促進了人類對自然的認識和對其規律把握能力，推動了科學和技術的發展。21世紀仍有一些老的科學問題需要深入研究，一些新科學問題已提到人們的面前。特別是低維量子限域體系和極端條件下的基本物理問題。20世紀80年代出現的介觀物理，后來發展成為納米科技所涉及的學科領域。與宏觀體系和原子體系相比，低維量子限域體系，還有很多物理問題有待解決，人們熟悉的宏觀體系得到的規則和結論有些不再有效，適用于低維量子限域體系的處理方法和理論需要探索，特別是將涉及到多層次多系統問題的描述和表征，將會有更多的新現象、新效應、新規律被發現。在納米尺度，研究原子、分子組裝、測量、表征，涉及有機材料、無機／有機復合材料和生物材料，這將大大的擴展了物理學研究的范圍和深度。涉及的重大科學前沿問題和重點發展方向有①強關聯和軟凝聚態物質，及其他新奇特性凝聚態物質；②低維量子限域體系的結構和量子特性，包括納米尺度功能材料和器件結構和特性；③粒子物理，描述物質微觀結構和基本相互作用的粒子物理標準模型和有關問題，以及復雜系統物理；④極端條件下的物理問題，探索高能過程、核結構、等離子體、新物理現象和核物質新形態等；⑤生命活動中的物理問題，物理學的基本規律、概念、技術引入生命科學中，研究生物大分子體系特征、DNA、蛋白質結構和功能等，其研究關鍵將在于定量化和系統性，必然是多學科的交叉發展，成為未來科學的重要領域。
6結論
本文討論了納米線涂層的結構和特性，重點是納米線的復合涂層和其電學特性、光電特性。其中包括制造技術新觀念，納米材料的完美定律，納米涂層的熱-電效應，碳納米管的側向場發射，以及電子強關聯體系和軟凝聚態物質，展示了涂層科學與技術的發展前景。
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[關鍵詞]大腦工作 生物波 思維波 思維軟件 思維模式
中圖分類號：B80 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）29-0305-02
游錆腿碩際怯興嘉功能的生物，外界因素會影響其思維和產生不同應答。大腦是如何工作的，一直引發各界人們思考和科學研究。
一、科學研究證明：人腦思維產生思維波（復合電磁波）
【腦傳實驗】華裔俄籍科學家姜堪政博士著有《場導發現――生物電磁波揭密》一書。他在沈陽中國醫科大學畢業并留校工作，1959-1960年做“腦傳腦”實驗。他設計并建造一個“兩室一廳”式的實驗室，以驗證他的“腦傳”假說（普通人稱為心靈溝通，一人腦發射信息，另一個人大腦接收讀取），兩室各有一小窗與廳相通，他躺在一室，另一個人躺在另一室，這個處于催眠狀態后，他見到燈光暗箱上或者想象一個特定的符號圖形如，另一個人腦讀后記下，腦傳成功率為70%，加“聚集器”后，腦傳成功率95%。甚至可傳爬山場景。角色互換后，實驗成果同樣不差[1]。該項實驗于1963年在中國簡要發表。
【實驗證明：生物波是電磁波】姜堪政博士幾十年后在俄羅斯科學實驗證明，“腦傳”的載體是復合電磁波。用特殊照相機發現和驗證人體、花朵、松樹等生物都有電磁波類的輝光現象。姜堪政博士計算并檢測證明，生物電磁波頻率（9.1×109-3.2×1013Hz）和波長（3.3cm-9.3um）。同時利用儀器檢測人體各部發射的波長2cm的生物波功率，同一個人各部生物波強弱程度明顯不同，還與年齡、健康狀況、不同情緒等密切相關[2]。
實驗證明，思維波有電磁波波粒二象性、頻率、波長、能量（產生熱量）、傳遞信息、共振、電場、磁場（產生磁力）等屬性，還有其自身特性。
【思維波和生物波是復合電磁波】廣義物質包括實體物質，能量和信息。狹義物質特指實體物，由原子構成的，而原子又由原子核和核外電子構成的，電子以光速不停地轉動，必然產生微弱磁場。
每一種結構固定的大物質和小粒子，也就必然有其相應特征的微弱磁場，同時向外發射電磁波，這類電磁波顯然不是只有一個同樣的波峰波谷波長的簡單的我們常說常用的電磁波，而由很多個不同波峰波谷波長組成的復合電磁波。
生物體或粒子所產生的復合電磁波，稱為生物復合電磁波，簡稱為生物波。
人腦在思維時會產生復合電磁波，我們稱為思維類生物復合電磁波，或稱為思維類生物波，簡稱為思維波。生物波沒有人為加載信息的復合電磁波，思維波是加載有人“想法”（思維結果信息）的生物波。
二、推論人腦工作原理
電腦工作過程是三步曲：存儲數據、加工數據、產生數據，三步反復循環。加工數據系程序軟件依托硬件提取數據進行邏輯計算過程，數據以二進制表達的數字代碼。電腦存儲硬盤可物理分區。程序為分固定程序和人工智能性程序（自我學習提升功能）。
大腦工作過程應該同電腦三步曲，區別在于，大腦加工數據過程，應該是大腦軟件（思維軟件）依托大腦硬件（神經元、神經介質）提取已有數據（記憶、淡忘、遺忘、聯想提醒想起）和新產生數據進行邏輯計算，數據以思維波為信息單元（原料、因子、載體）。大腦產生數據過程是即產即存過程。思維波本質是具有多峰多谷多頻的復合電磁波。大腦工作是電磁波處理的過程，或稱為量子計算過程。大腦結構分為物理分區和功能分區。
【4種思維方式】
A普通人正聯想為主習慣（放射式聯想，一點聯想到多點），如工作、工資、工人、工廠、工程、工夫等。
B少數人習慣反聯想（反向搜索，較難），如木工、電工、鉗工、搬運工等。
C個別人喜歡竄聯想（接龍式聯想、折線式聯想），如工會、會議、議事、事件等。
D有人喜歡跳躍聯想、換角度思考問題，不依靠原有字詞、線索而思考。
【6種思維模式】
大腦思維軟件工作模式，或說思維模式、思考模式，6種思維模式=“兩向四度”6個參數：
A傳統式的正向思維，動物本能性，如流水的順勢思考，以縱向聯想和比較為主。
B反傳統式的逆向思維，后天訓練強度有關，如逆水行舟，逆向思維強的人不僅喜歡縱向還喜歡橫向比較分析。
C思考強度，與思考時間、思考深度、縱向思考、橫向思考等有關。深思就是深度思考，浮想就是如夢一樣亂想，不動腦就是不深入思考，理性指思考程度強，感性就是思考程度弱。
D質疑程度（質疑思維），懷疑現有數據（觀點）真實性，尋找相反答案，質疑程度與思辨能力密切相關。質疑原則是“質疑一切，尤其是自己”。不斷是質疑、論證、確定、否定已有的觀點和自己新形成的觀點。
E創新程度（假設程度），假設（猜測）條件多而得出與眾不同的結果，或得出令普通人難認同接受的結果=想象力，創新程度強通常指想象力強，想象力強容易產生新猜想、新假說、新知識、新智品（藝術作品、發明實物）。同時，創新與質疑是一體兩面，大腦產生新的觀點，多角度質疑同時開始，無法，便確信之，再換個角度產生新觀點，再質疑、論證和。
F論證能力程度=歸納演繹總結能力程度，大腦對具體問題分析時，都要依靠邏輯關系工作，它具有連續性和因果性，必須關聯關系，也是推理過程。分析推理、演繹推理后，要歸納法和總結法得出思考結果和結論。
歸納法=歸納推理法，歸納論證是一種由個別到一般的論證方法。它通過許多個別的事例或分論點，然后歸納出它們所共有的特性，從而得出一個一般性的結論。歸納法可以先舉事例，再歸納結論，也可以先提出結論，再舉例加以證明，有人稱為例證法。
歸納推理，就是對上面言論進行分類概括，起到條理清晰的作用。
演繹推理，就是從一般性的前提出發，通過推導即“演繹”，得出具體陳述或個別結論的過程。演繹推理的邏輯形式對于理性的重要意義在于，它對人的思維保持嚴密性、一貫性有著不可替代的校正作用。演繹推理是從一般到特殊的推理；演繹推理是前提與結論之間具有充分條件或充分必要條件聯系的必然性推理。
精神分裂者思維常會跳躍思維和沒有邏輯的推理，思維異常，言行必異常。
弱智者思維模式簡單且固化，思維方式也簡單，信息量少，不能分析復雜事件，難得出正確結論，言行失態。
總結就是對上面言論做以總體的概括、起一個點睛作用，得出必要的簡單結論。
六種思維模式好像6種參數，因人而異，長久使用某一種模式就形成固定思維總模式，即思維習慣，思維習慣長期養成的，與一個人所在人文h境約束或激發有關，也與自我更新能力（人格獨立程度、喜歡思辨程度）有關。
思維模式和思維方式互相影響。
顯然，一個人思維能力取決于其大腦思維模式和思維方式綜合應用程度，6種思維模式和6個參數絕對不是簡單的加減法關系，至少是乘積關系。
量子計算機（電腦），是一種全新的基于量子理論的計算機，遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機應用的是量子比特，可以同時處在多個狀態，而不像傳統計算機那樣只能處于0或1的二進制狀態。
量子電腦工作原理和大腦工作原理一樣，運作機制類似，但也有不同，因為大腦百分之八十以上由水組成，所以說大腦是液態型量子電腦、電磁波型電腦。
揭開大腦工作機制之謎，顯然有助人類研制更高級電腦，小空間即可無限存儲，更高速，低耗能，無丟損，其功能必會遠遠超過大腦（受“二向四度”限制）。
三、研究大腦工作機制要點
【大腦通過感知系統錄入信息】通過眼睛視覺系統、皮膚感知系統、器官感知系統、聽力系統、鼻嗅覺細胞和舌上味覺細胞錄入信息。
【信息傳輸分有線傳輸和無線傳輸】有的感知信息單元是復合電磁波，有的是神經介質實物變化，兩類信息通過無線（生物波）和有線（神經纖維、神經介質）傳輸進入大腦后成為大腦思維可用可存（記憶）的思維波。神經介質變化應該會形成生物波=思維波。例如大腦思考怎么說話，是思維波在工作，發出的聲音是聲波=神經系統指控發聲系統，思維波通過神經系統令聲帶發出聲音，反過來，我們耳朵聽到聲音，應該通過特定轉換（神經系統）變成電磁波形式存儲，如能記住某些人的聲音來判定發聲者，聽到熟悉的人說話聲，我們雖然未見看見其本人，就可知道是誰，由聲音辨別人。
人體各器官通過神經系統（有線傳輸）表達大腦信息，由自主固定程序、思考性“人工”程序處理控制。如同汽車自動駕駛和人工駕駛一樣。
人死亡，血液不流動、細胞死亡不工作、經神介質不工作，沒有了硬件，也就沒有思考了，即死尸無法思考，但思維波還應該存在。
研究人腦如何工作機制，應該考慮至少五大類問題：
1、大腦思維波存儲在哪兒？一是實體物質（大腦功能分區、神經元、神經介質變化、生物電變化等），二是水和組織液中（體外尿和血都能檢測到人體生物波），三組織縫隙=經絡=氣體中（向外傳輸）。研究方向：弄清神經元如何存儲思維波。
2、大腦加工思維波的硬件是什么物質？神經介質變化、生物電變化、神經元（細胞）、神經纖維（有形的傳導線路）。
3、大腦工作軟件（思維軟件）如何形成？沒有軟件的電腦叫機，沒有人生下來就有很考能力，即大腦工作軟件不可能是與生俱來的，出生時的大腦也是沒有軟件的機，思維軟件那就一定是后天大腦逐漸訓練形成的。理論如何具體解釋？像電腦人工智能具有自我學習提升功能。
4、思維波如何與神經系統密切合作？思維如何指令神經系統？引起神經介質變化？生物電變化？思維波是復合電磁波能改變蛋白質分子空間構象變化，也應該能引發神經介質變化，或能引起生物電變化……
5、人睡眠時，和電腦休眠一樣，主機休息，但“輔機”還在工作，這個“輔機”是人的大腦哪個硬件？“輔機”為何自己“偷偷拼圖”造夢？大腦中“主機”和“輔機”有無關聯？
參考文獻
關鍵詞：客體 科學認識 科學儀器
引言
科學的發展史，就是以發展中的儀器和儀器使用作為其基礎之一的歷史，是理論、實驗、儀器以彼此匹配的方式演進和相互維護的歷史，是包含了各種類型的科學實踐活動，并從這些活動以及理論家、實驗家、儀器制造者的合作中獲得進步的歷史。在這樣的歷史中，科學儀器起著巨大的作用：對科學認識主體的認識能力具有強化作用， 對科學認識客體具有激化、純化、強化作用。由此拉近人類與宏觀世界、微觀世界、生命世界之間的距離，使人類能夠獲得對自然的更深刻、廣泛、準確的認識。因此，科學認識論者一般將科學儀器獨立出來，作為科學認識三要素中的一種，即科學認識的工具來看待。客觀地說，這有一定道理。因為科學儀器能夠在儀器制造廠以標準化的方式生產，然后從一個研究團體到另一個研究團體轉移使用而不需或很少需要對其進行內部調整。此時，科學認識主體只要按規定的程序操作，就能獲得令其它科學認識主體確信的結果。其它科學認識主體按照同樣的程序進行同樣的實驗也會獲得同樣的結果，結果具有可重復性、普遍性。這就使得這一結果幾乎沒有可能去反駁。這樣，在科學認識過程中，科學儀器就能作為“可信的、不成問題的、很難挑戰的認識要素使用”，[1]單純地起著認識工具和認識橋梁的作用，作為達到獲得進一步事實的目的的手段。
但是，當全面地、具體的、深入地分析科學儀器在科學認識活動中的地位和作用時，就會發現，將科學儀器看作科學認識的工具和橋梁是片面的、靜態的、有局限性的，科學儀器及其使用是具體的、可錯的、不充分的、開放的、與客體有著復雜關聯的。應將其作為與主體相對的東西、作為主體實踐和認識活動的對象、作為客體看待。
一、科學儀器的使用是具體的
科學儀器使用的具體環境，也需將此作為認識客體。因為此時科學儀器與正被研究的現象或與儀器使用相關的條件性，必須將其看作實驗室中不確定的因素進行研究。
(1)科學儀器的選擇是具體的、有條件的。科學儀器的選擇和使用，必須參照所選用的實驗方法。方法不同，儀器的選擇及其操作就不同，對結果的處理和解釋也就不同。如對阿佛加德羅常數的測定，就可選擇不同的方法，既可用化學、熱力學的方法，又可用電子學的方法。針對每種方法構建不同的儀器，獲得相同的結果，然后相應地用有關的化學、熱力學、電子學理論對結果進行解釋。
(2)科學儀器的裝配是具體的、有條件的。實驗方法一旦確定后，就要裝配儀器進行實驗。儀器的裝配必須參照所應用的方法，適合運用這一實驗方法的具體的實驗案例。由于實驗方法相對于具體的實驗案例來說起著方法論的指導作用，因此，即使實驗方法已被使用，并且不成問題，儀器裝配也不是固定的。怎樣裝配儀器以及裝配怎樣的儀器須由正被研究的實驗案例決定，而非由實驗者試圖實現某種主觀特定的裝配指導。本世紀二、三十年代化學動力學家們對化學反應速度的研究就說明了這一點。當時可采用的實驗方法有靜態法和流動法。選定流動法后，對應于氣態鏈烷屬烴高溫分解反應、甲烷和氧氣的反應、光化學反應、烯烴的聚合反應等，Farkas和Melville 給出了七種不同的實驗安排和不同的儀器裝配，以便實驗能夠順利進行。 ([1]，pp.293-296)
因此，對于具體的不同的實驗案例，可采用同一種實驗方法。但是，所運用的這同一種實驗方法并不能充分決定在這些實驗案例中的實驗儀器裝配相同。實驗儀器裝配的合理性不在儀器裝配自身，而在于運用該儀器所進行的實驗所選擇的實驗方法以及涉及到的實驗對象和實驗現象，只有這幾者相互匹配才能保證一個實驗的順利進行。由此，在運用科學儀器進行科學研究的過程中，儀器不是作為絕對能提供正確結果的認識工具被接受，而是有條件地接受并且同時按照實驗過程中有可能涉及到的所有因素的要求進行修改。科學儀器使用的條件性不再允許將科學儀器作為穩定的不變的工具使用。
(3)科學儀器的操作是具體的、有條件的。科技的發展已經進入“大儀器操作微觀對象”的時代，并正向“微觀機械”、“毫微技術”邁進。這時儀器的操作需要科技工作者具備大量的技能，知道去做什么，怎么做，以及恰當解釋所獲得的結果。因此，從認識論上說，復雜的現代儀器，如高能物理學中的儀器，不能作為實驗室中不成問題的、穩定的實驗工具使用，而必須在知道它的結構以及它所包含的理論預設的基礎上對它恰當地操作。
(4)科學儀器給定的結果是具體的、有條件的。即使方法可行，并且科學儀器裝配后正常運行，科學儀器也不能總是作為不成問題的、穩定的工具使用。因為正確的實驗結果并非僅僅由于科學儀器正確地運行而產生。儀器給定值是有漏洞的。科學工作者經常不得不進一步校正由儀器給定的值。一個最明顯的例子是，當我們用一支水銀溫度計去測量某物體的溫度時，只有當溫度計原有的溫度與被測物體測量前的溫度一致時，即溫度計上的刻度在測量某物溫度之前和發生能量轉移，改變正被測量的物體的熱量，導致溫度計上的讀數只能準確反應測量后被測物體的溫度，而不能準確反映測量之前被測物體的溫度。對此，需要科學工作者根據具體的情況考慮實驗儀器與被觀測物質的相互作用對實驗結果的影響，校正實驗值，獲得準確的結果。這也說明，儀器并非總是作為中性的認識工具提供真實的、正確的實驗結果，儀器使用的環境往往導致儀器所得結果的不確定性，從而需要將儀器看成成問題的、不確定的認識過程 中的一個要素，而非單純地作為能夠穩定使用、獲得正確認識結果的工具。
二、科學儀器的呈象是可錯的
科學儀器是可錯的，對儀器的懷疑與儀器的歷史一樣久遠。儀器自身的缺陷以及儀器的不穩定都可產生假象，[2]前者如“色差”的形成，后者如“N射線”的產生。因此，在科學認識過程中，需要對儀器進行考察和有策略地使用，以確信儀器呈象的真實。這就表明，對科學儀器所獲得的新現象的真實性的論證需要將科學儀器作為客體加以研究而不能將其作為任何時候都能提供真實結果的科學認識工具看待。
(1)儀器的理論支持策略。一個好的儀器理論能很好地為儀器的有效性和儀器呈象的真實性辯護。對此，哈金 (Hacking)在“描述與干涉”中結合望遠鏡的理論給了望遠鏡呈象視物有效性以很好的說明。[3]
(2)實驗的檢查與校準策略。這一策略使用的目的是，在產生新現象的同時或前后， 使用同樣儀器，采用同樣操作，產生與新現象具有同質關系的已被確知的現象，那么儀器呈象的真實性得到支持。如在判斷所觀察到的物質光譜是否有效時，可以通過檢查此儀器能否正確再生氫的巴爾末線系而檢查該儀器是否正常工作。
(3)干涉的策略。對樣品進行宏觀處理，如物質著色、注射液體等。如果在儀器下看到事先預見的宏觀處理帶來的結果，那么強化了所觀察到的現象的真實性。如19世紀70年代，用苯膠染料處理染色體以達到觀察細胞行為的案例就說明了這一點。
(4)可重復性策略。該策略指的是同一個人或不同的人在相同的或不同的時空，用相同類型的儀器和相同的實驗原理重復同一實驗，實驗結果的一致，是對所觀察到的現象真實性的支持。這是判斷某一實驗是否有效、是否能被科學家集團接受的一條普遍準則。
(5)獨立證實策略。這里的獨立有兩層含義。第一層含義是，儀器的理論獨立于被作用的對象的理論。此時儀器對對象作用的有效性超過負荷對象的理論的儀器對該對象作用的有效性。Peter koss 就論證，使用電子顯微鏡去探查細胞比調查原子更有效。因為，在關于細胞的調查中，儀器的理論、電子物理學的理論是獨立于樣品的理論的。而在對原子的調查中，不具有這一特點。這既避免了以不成熟理論檢驗理論的不足，又避免了以某種方式依賴被檢驗理論的觀察檢驗該理論時，這種內在的“自洽”有可能把本是錯誤的理論當成正確的理論。第二層含義是實驗方法的獨立。即同一個人或不同的人在相同或不同的時空，使用不同的實驗儀器，[4]采用不同的實驗原理，得到相同的實驗結果，增強了實驗結果的真實性，并且，從不同的實驗要比從同一實驗的重復中得到對某一假設更多的證實。[5]如在聚合水的案例中，Rousseau 和 Porto 就用電子微探 (eletrie micro probe) 法、火花源質譜法 (Spark source mass spec- troscopy) 證明異常水的奇異性質是由異常水中所含雜質 (Na+ 、 K+ 、 Ca2+ 、 S042 一等 ) 引起，而不是由 Limineott 僅根據紅外光譜法確定的水的改變了結構的產物——聚合水(H2O)n 引起。[6]因此，Lippincotz 宣稱發現了聚合水是錯誤的。
(6)間接證實的策略。當只能用一種類型的儀器觀察某現象時，為了理性地相信所觀察到的對象，可利用此儀器去觀察已被其它手段確立的、且與此對象有著類似尺寸大小和類似特征的對象，對后一對象的真實觀察支持對前一對象的觀察。
這就表明，對科學儀器所獲得的新現象的真實性的論證需要將科學儀器作為客體加以研究，而不能將其作為任何時候都能提供真實結果的科學認識工具看待。
三、科學儀器的使用是不充分的
在科學認識過程中，實驗科學家必然地要對它們所用儀器進行分析。18世紀，氣象學家在氣壓計和溫度計上投入了很大的注意力，但此時的實驗家僅偶爾將他們的注意力轉向儀器的理論課題。到了19世紀，情況就不一樣了，此時變化了的實驗操作和實驗應用的文化，要求儀器承擔與原先不同的任務，這就使得儀器突然變得不充分從而需要實驗物理學家開始將其作為嚴格探索的對象。
這在科學上不足為怪，因為：
(1)科學儀器是科學知識的物化，物化在科學儀器中的科學知識是什么，達到什么程度，具有何等完備性，就制約科學儀器能獲得什么樣的經驗事實材料。由于每一歷史時期的科學認識是具體的、現實的、有條件的，因此科學儀器的穩定性、精密性、先進性也是具體的、有局限的，需要研究改進，以便逐漸知道它的不足和可靠性，適應科學實踐進一步的需要。如為了滿足增加測長的精度和擴大測長領域的需要，人們設計、制造了木工尺、碼尺、游標卡尺、移動式顯微鏡、干涉儀等設備來改進儀器，提高儀器的穩定性、精密性、先進性，減小測量的誤差，滿足對具體對象認識的需要。然而，誤差的減小不可能達到0的程度。一是因為儀器不能無限可用，二是當測量包含原子系統時，limWS 并不趨向0( 這里 S 表明按儀器精度遞增序列的第 S 儀器，W表示在誤差曲線中的最大值的一半，也稱半寬度)。因此，儀器自身并不能使得測量精 度達到絕對。
而且，從思辨的角度看，絕對的精度在物理上是不可能的。因為這意味著一個實驗產生了一個無限的信息量。而且如果承認絕對精度，那么也就承認了絕對測量的存在，并且這樣的結果可無限制的重復，并且完全相同。倘若如此，就抹煞了現實的對象和現象的永久變化和運動。
因此利用科學儀器進行測量是不充分的，絕對的精度是沒有的，所有的測量都是不精確的，總有某些誤差。被測值不具有與“真值”的同心性，而只有離心性。這就為科學家改進儀器設備、增加儀器的精確度提供了無限可能性。
（2）即使我們假定科學儀器有很高的精確度，對于某些對象的測量也不能獲得準確的結果。因為，從被測量對象自身看，存在無理數的量，而科學儀器所測得的數值至多是有理數。由此，對這樣一些特殊對象，如兩直角邊為1米的直角三角形斜邊的測量，無論運用多么精確的測量儀器，都不能獲得準確的數值。
(3)特定的實驗只暴露認識對象的一個方面，不能單義地決定所有的屬性。當測量是在過程中而非靜態物上進行時，認識對象特別地以眾多屬性展現。展現的屬性與儀器的使用密切關聯。相對于一些屬性的測量，儀器的使用的恰當性并不總是確定無疑的。儀器不可作為毋庸置疑的提供非偶然性的結論的認識工具。[7]
(4)客觀地說，實驗對象并不能自主地向實驗者展現其實在，只能按照實驗者在與儀器的相互作用過程中所獲得的經驗感受來展現。展現的方式與難題的解決相聯系，難題又是由科研背景對我們的影響而產生。背景影響了我們，從而也就產生了被解決的難題。當解決該難題的前提沒有闡明時，對難題背景的研究要比解決該難題更加重要。此時，在一些科學家看來，儀器是作為自身內在所具有的目的起作用，而非作為進一步達到目的手段([1]，P-302)，是作為類似于獨立存在實體世界的一部分被研究。此時，儀器不僅僅作為器械 (devices)——破壞背景以及人們對這一背景的經驗，更是作為事物 (things)——它們是與它們的環境以及我們與它們的交流分不開的。
(5)不滲透理論的科學儀器是沒有的，從某種具體的科學儀器的產生看，它是較早期的理論預設的物質體現。隨著科學的發展，我們必須對已存在的科學儀器進行研究， 賦予它新的理論內涵，使之“老樹發新芽”。但是，正如 Peter Gabon 所言，我們“關于科學信念在科學儀器中更新 (recreate) 自身的方式知道得太少”，[8]從而忽視了對儀器的研究，限制了研究的范圍。如法國物理學家 Boit 在從事伏打電堆的研究中， 由于信奉扭力天平，將他的研究限制在靜電學的范圍內，只測量電荷的效應，而不可能研究在一封閉線路內由電池產生的電流。
由此可見，儀器的使用是不充分的，對儀器的研究是必要的。這樣的研究不僅僅意味著增加儀器的精度，擴大儀器的使用范圍，即不僅僅進行與檢驗和證實相關的研究，而且還意味著將此研究作為進一步發現的淵源，暴露隱藏在儀器背后的理論假設， 并且引出新的研究領域去檢查這些假設。這就能夠使儀器變得“象自然一樣，憑其自身成為理論研究的對象；[9]能夠意外地指導實驗沿著未預期途徑進行；能夠通過研究實驗過程中科學儀器對解決難題的限制，而不是通過它們的測量應用產生新思想。由此使得儀器不只是證實的工具，也是靈感的來源。如19 世紀 30 年代，對扭力天平的研究就具有這一作用。在 Boit 的工作中作為限制因素的扭力天平，在 Weber 的工作中成為研究的客體，引發了新的研究領域——彈力后效研究。[10]
四、科學儀器的使用是開放的
一個設備，就其自身而言不是科學儀器，它只能叫作工具對象 (instrument object)。它要獲得科學工具的地位，必須與科學工作者相作用，使得科學工作者獲得對周圍世界的看法。科學工作者典型地解剖、重組、整合科學認識對象與科學認識儀器系統，把儀器的理論說明(包括儀器理論和現象的理論)及其預測投射到未知領域，通過儀器的潛在能力、測量對象的未知參量與背景理論的關聯，揭示被研究對象的多種屬性，使研究具體化并獲得經驗的重建，使“科學家擴展他們被限制的理論理解而進入到先前隱藏的領域，”[11]使科學儀器能超越它的先在繼續成為實驗操作中的不確定性的來源，從而作為研究客體。考察科學史上的實驗案例，不難發現，科學實驗過程中所用的儀器、儀器理論說明及其實際應用具有下表所示的相互聯系 :
所用儀器種類 儀器的理論說明 儀器的實際應用 儀器舉例
(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 用于物理實驗或化學
實驗上的伏特計
相同 不同 不同 作為氣象學再現與作
為粒子檢測器的云室
相同 不同 相同 氫液化器[U〕
不同 相同 相同 長臂天平與短臂天平
不同 相同 不同 冰箱與氫液化器
不同 不同 相同 聲學顯微鏡與
光學顯微鏡
不罔 不同 不同 很普遍 上表表明，相同的儀器理論說明的相同的科學儀器，實際應用可以相同也可以不同；不同的儀器理論說明的相同的科學儀器，實際應用可以相同也可以不同；相同的儀器理論說明的不同的科學儀器，其實際應用可以相同也可以不同；不同的儀器理論說明的不同的科學儀器，其實際應用可以相同也可以不同。這就為科學儀器在科學認過程中的應用展現了廣闊的前景，這種廣闊的前景使我們明了：科學儀器的力量不在于怎樣使用它們，而在于使用它們能做什么；科學儀器作為一種存在雖然完成了，但是對它的理論說明以及使用的多種途徑并沒有完成，它的認識自然的潛力并沒有得到充分發揮。為此還必須研究有關儀器和被研究對象的理論文化，因為“理論文化，肯定地，不僅是實驗的文化，而且是儀器確立的文化，”[13]還必須將儀器看作是一未完成的對象，其自身帶有不斷發展的潛力，從而作為研究對象。
五、科學儀器與客體是不可分離的
人類認識客觀世界能力的增強與科學儀器對客觀世界的作用的增強是同步的。這使得科學儀器與客體世界的距離越來越近，聯系越來越緊，它們之間的區別日趨模糊， 以致科學儀器自身嵌入到對客觀對象的認識內容中，且最終不能將科學儀器從這樣的內容中排除。在這種情況下，科學儀器和認識對象一道成為認識對象系統——客體系統，對此客體系統的研究在科學上不可避免。對量子力學中自我參照測量和測不準原理的分析就說明了這一點。
（1）自我測量難題。
測量的過程是儀器與被認識對象相互作用的過程，此作用過程確立了儀器系統與被認識對象之間的一定關系。在經典物理學中，由于從實驗技術或從理論分析上能夠排除儀器對認識對象的作用，因此，如果用 W 代表整個世界，S 代表被認識對象，A 代表儀器工具系統，R 代 表 S 、 A 以外的世界，則認識世界的模式為 W=S+A+Ro。此時科學儀器能完全作為中介而完成工具作用。但是，在量子力學實驗中，儀器對微觀對象發生了不可控制的作用，這種作用無論在實驗技術上，還是在理論分析上都不能排除，從而使得“儀器一微觀對象”的作用系統所產生的現象不是單一的純自然呈象，而是多維的，既包括被認識對象，也包括科學儀器及其相互作用，從而使得科學儀器與被認識對象一道成為客體系統，儀器與被認識對象劃不出明顯的界限，認識世界的模式轉變為 W=Sl+R 。這里的 S1=S+A。( 注意 : 這里的 "+" 不是 S 與 A 的機械疊加，而是相對于實驗結果而言的 S 與 A 不可分離的有機結合。
當我們對 S1 系統測量時，我們仍然是從獲得的儀器狀態的信息來推論被觀察系統的信息的。但是，由于儀器包含在被觀察的系統中，而且也是參照被觀察系統的狀態，因此，這時從儀器獲得被觀察系統的狀態的這一參照就是自我參照，這樣的測量就是自我測量。對于這種自我測量，Thomas Breuer 論證了“沒有一個來自內部自我被測系統的測量能被信息地完成，”[14]即通過測定一可觀測量，人們不可能區別所有狀態。“準確狀態的自我測量是不可能的。”([14]，p.209) 因此，在測量不能區別所有狀態的意義上，科學儀器不能看作是與被認識對象相互分離而作為純粹的認識工具，它既是工具又是客體。
（2）測不準難題。
測不準原理是海森堡1927年從量子力學數學形式中推導出來的，與對所有物質粒子的實驗室觀察相符合。該原理認為，對一個共軛互補變量的較準確測量是以對另一共軛變量的較不準確測量作為代價的，作為極點，對一共扼變量的完全認識是以對另一變量完全不認識為代價的。即我們不可能同時準確地知道兩共軛互補的量，由此形成量子測量的測不準難題。
造成測不準的原因是什么呢 ? 有人認為這是由我們所用的測量方法和儀器的不完備所致，即儀器在獲取某共軛量的同時，無法控制地干擾了粒子的運動，使得粒子失去展現另一互補共軛量的能力。如果這一觀點正確，測不準難題就不是原則上不可解決的難題，隨著人類認識的深入和實驗儀器、實驗手段的進步，共扼互補量必會準確確定，原則上不可準確知道的東西不存在。然而，量子非破壞性測量理想實驗表明，即使在獲取某共軛量的同時，保證粒子的運動沒有受到不可控制的干擾，即在裝置不受不確定關系影響的情況下，仍然不能同時確定另一共扼量，即互補性仍然存在。[15]
這樣，不確定難題的存在就與儀器精密度、儀器對微觀對象的作用無本質的、必然的關聯，而與微觀對象的互補性質有本質的關聯。即微觀對象的不完全確定性是由微觀對象的本性決定。照此，粒子的這一本性給人類關于微觀對象的認識提出了原則性的限制，即人類原則上不能獲得對微觀對象的完全認識。因為微觀對象的運動、變化、發展要遵循一定的自然規律，受到自身性質、結構的限制，它只能做它能做的事。不僅如此，限制微觀對象“能做什么的某些規律也限制人類”。[16]即人類雖然有著偉大的想象力，有著先進的科學儀器，仍然不能按自己的主觀愿望去擺布自然，改變自然法則，逼迫自然去做它的性質和結構不允許它做的事。
存在人類原則上不可完全認識的對象，既不意味著世界是完全不可認識的，也不意味著在感覺與對客觀世界的客觀認識之間沒有通道，更不意味著人類認識能力的有限性，而是意味著 世界存在不可完全認識的部分，存在著有人類最終無法認識的對象或對象屬性。這不是人類認識能力有限所致，而是事物的本性使然。這就在邏輯上為人類認識過程的演進和認識能力的發展提供了無限可能性和不可窮盡性。這就從根本上排除了“不完全的認識是一種人類不充分的、有限的認識，是一種對事物原本確定的性質的不清楚準確的認識，這樣的認識不是真知識”的錯誤信念。
上面的分析說明，在某些現代科學研究過程中，一方面科學儀器與認識對象已經不可分離，兩者一道成為科學認識的客體系統。另一方面，在對認識結果進行方法論、認識論和本體論解釋時，儀器與認識對象一道成為不可分離的客體系統，進入人們的思維之中。這種新思維必將改變人們對科學的傳統觀念，使人們認識到：科學知識不只與發現有關，而且還與怎樣發現有關；科學理論不只與世界有關，而且還與人類與世界的相互作用有關。鑒此，將科學儀器作為客體進行研究就顯得既自然又必要了。
結束語
本文并不否定科學儀器的工具作用，相反地，筆者認為，科學不僅是關于什么的，而且是關于能是什么的。能是什么是通過行動而不是通過沉思所得，是通過儀器與認識對象的作用所得。隨著科學的發展，科學儀器的工具化作用必將加強，而且，科學儀器是能夠勝任作為工具這一基本角色的。我們有三方面的理由相信這一點：①本體論理由：相信世界與人類的統一性，任何物質都能夠通過相互作用引起變化來接收和傳遞信息；②方法論理由：測量系統是信息的產生者和處理者， 人們能夠通過輸入—輸出結構的評價、噪音的控制來達到信號的保真； ③認識論理由：有多種實驗認識論策略(理論的、實踐的、美學的)保證人們理性地相信儀器呈象的真實。( 此當另文探討 )
然而，隨著科學的技術化趨勢增強，老的格言“科學發現 ，技術創造”已被新的格言“科學發現因為它創造”[17]所代替。創造就必須有儀器。科學儀器有其自身的生命。它既是科學認識活動的產物，又是科學認識活動的要素。作為科學認識活動的要素，它不僅指導著當下的科學認識的追求，并在這樣的追求中留下自己的印記。從一定意義上說，一部科學認識史也是一部儀器進步史，科學走到哪里，儀器就發展到哪里，儀器的進步意味著自身作為“科學進步有用單元”。[18]作為科學認識活動的產物，儀器的完成是在將此作為研究對象——客體的情況下完成的，是在追求對世界的科學認識過程中完成的。儀器的設計、制造、使用和知識的追求是一對伙伴，沒有其中一個，另一個也不可能。因此，科學儀器的產生是人類認識自然和認識儀器自身的產物，是在科學認識過程中將科學儀器既作為科學認識工具又作為科學認識客體的產物。那種認為科學儀器只是由儀器制造廠生產出來的觀念是錯誤的，它割裂了儀器制造者與實驗者之間的聯系，忽視了實驗室作為科學儀器“孵化器”的作用；那種認為科學儀器在科學認識過程中只是作為科學認識工具要素起作用的觀點也是錯誤的， 它將科學儀器從科學認識的其它要素中孤立了出來，忽視了在科學的艱辛探索過程中，科學儀器并非是一個封閉的文本，提供的并非是無可爭辯的、正確的事實。要獲得正確的事實，必須將科學儀器與理論、實驗和技術聯系起來，必須將儀器看作是具體的、可錯的、不充分的、開放的、且與客體有著復雜關聯的認識對象，作為進一步深化和擴張科學知識的物質手段。
總而言之，對于非科學工作者而言，將科學儀器當作科學認識客體既無可能也沒必要，只要在實際生活中能用某些儀器就行。然而，對于科學工作者而言，在科學認識過程中，必須將科學儀器既看作工具，又看作客體。表面看來，這好象是對儀器工具化功能的削弱，實際上“降低儀器工具化的功能和作用可以讓我們更加完全地將儀器在科學活動中的作用理論化”，([1]， P.303) 可以讓我們在促進科學儀器進步的基礎上推進科學認識的進步。這點是與科學史相符合的，也是在科學史中確立以自主的實驗生命為基礎的新趨勢所必需的。
參考文獻與注釋：
[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]對儀器自身所產生的假象要有一個恰當的理解。當我們的視覺是正常的時候， 儀器所產生的假象不是不存在的現象，它有著自身產生的基礎，在這個意義上說， 它是“真象”——真實存在的現象，只不過這樣的“真象”或與被研究的對象不相干，或是對對象歪曲的反映，或這樣的呈象還沒有納入人類的認識域，因而被研究者拒斥，看作是與對象性認識相對立的“假象”。因此，“假象”也是一種存在，具有本體論意義，只是對科學認識而言，不具有真理性的認識論意義，只具有相對的意義。與人類主觀臆想和幻覺不一樣，“假象”具有客觀現實性，臆想和幻覺不具有。所以，儀器呈象的“虛假”，不在于此現象是否存在，是否是以純態存在(Hacking就說，實驗的主要結果就是現象的創造 )，而在于存在的這一現象是否與被研究的對象有關，且具有什么樣的關系。
[3]Ian Hacking，Representing and Intervening，Cambridge University Press，1983，pp.186-209.
[4]實驗儀器的不同分為三類：① A、B 兩個儀器，根據單一理論操作，這些儀器可依據大小、材料、空間安排、分析步驟等方面不同；② A、B 兩個儀器，各自完全依賴于不同的理論，這樣的理論可通過它們每個中暗含的陳述集合而區分，如氣泡室與火花室；③A、B 兩個儀器，部分依賴于相同的理論，部分依賴于不同的理論。
[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]非偶然性結論指的是，所獲得的結論或是“事實”或是“虛構”。從而將結論所處的認識論狀態對立了起來。其實，當科學家使用了能決定性地和單義地確定屬性的儀器時，將結論分為“事實”和“虛構”是可行的。但是，當結論嵌入可認識的或明晰的模型中時，“事實”和“虛構”并沒有必要對立。
[8] Peter Galison，How Experiments End，Chicago，London:Chicago University Press，1987，pp.252.
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[11]Danial Rothbart，the Epistemology of a Spectrometer，phi1.Sci.61(1994)，p.26
[12] 荷蘭 kamdingh Omes 的氫液化器與英國 Dewar 的液化器是基于相同原則， 并且包含在相同活動中的液化器，但是應該被看作不同儀器。因為前者與后者相比， 不僅是一個技術上進步了的儀器，而且也體現了與范德華對應狀態規律 (Law of corresponding states) 相關的原理，體現了他的熱力學對應操作的思想。這是不同實驗文化和理論文化的體現，體現了科學敘述的不同風格。前者導致低溫物理學作為一物理分支學科的確立。
[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，“物質和光的二象性”，《科學》(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.
【關鍵詞】固體物理與化學 教學 改革與實踐 應用型
【基金項目】2013年銅仁學院教改項目“《固體物理》課程的教學改革思考與實踐”（項目編號：JG201346）。
【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）08-0126-02
固體物理是研究固體的微觀結構、各種微觀粒子運動形態和規律以及它們相互關系的學科。它是材料類專業的重要基礎課程，涉及力、熱、聲、電、磁和光學等各方面的內容。固體物理理論在很多研究領域都有廣泛應用，它是微電子、光電子、半導體等各項技術和材料科學的基礎。固體化學著重研究物質的化學反應、合成方法、晶體生長、化學組成和結構，特別是固體中的缺陷及其對宏觀物理化學性質的影響。固體物理和固體化學知識在前沿科學中的應用越來越多，相關材料類專業也都開設了這兩門課程。
隨著科學技術的不斷進步，材料科學的研究正不斷開拓新的研究領域。作為材料類學生的專業必修課，固體物理和固體化學兩門課程原有的知識體系均存在著不同程度的局限性。具體來講，傳統固體物理是一門理論性很強的課程，它用量子理論研究物質的微觀結構，用以解釋宏觀物理性能，以理論教學為重點，實踐教學占的比重不多，與前沿科學的結合也不夠，不符合材料專業對應用型和實踐性的需求;固體化學課程內容包含材料制備工藝和分析手段等實踐內容，但對固體的研究方法、結構與性能關系等方面的探索還需要依靠固體物理理論的指導。針對具體的研究對象，往往需要綜合固體物理和固體化學的知識才能解決問題。這種解決實際問題的需求使得在材料專業設置固體物理與化學課程很有必要。
目前，在國內大學的材料類專業，固體物理和固體化學一般作為兩門獨立的課程設置，兩門課的教學內容既有重疊部分，也有互補需要。可以合并固體物理和固體化學兩門課程，刪去重復知識點，縮短學時;提取、凝練知識點互補部分，利用“固體物理”理論更好地指導“固體化學”實踐，達到“1+1>2”的效果。
根據銅仁學院的辦學定位和教學實際：適應區域經濟社會發展需要，按照“突出應用、培育特色、提高質量”的原則，培養高素質的應用型人才，注重社會服務的教學服務型大學。固體物理和固體化學作為材料專業的核心課程，其教學水平對學生的后續發展至關重要。銅仁學院為新升本科院校，固體物理和固體化學這兩門課程的開設時間不久，而且目前我們的教學還是偏重理論，實踐性不強。因此，為了改變我校材料物理專業固體物理和固體化學教學過程中的問題，培養和造就高素質的應用型本科人才，創新性地設置固體物理與化學課程。
一、改革教學內容
材料學科是一門應用型學科，材料研究的目的就是為了開發設計新材料及其功能應用。根據材料學科的特點和我校材料物理專業的人才培養目標，優化設置教學內容。
（一）將固體物理和固體化學課程的內容有機融合
固體物理和固體化學兩門課的教學內容既有重疊部分，也有互補部分。內容的重疊表現在晶體結構、晶體結合和晶體缺陷為兩門課程共有部分，但側重點不同;互補表現為某一研究問題的解決需要綜合兩門課程的知識點，并且固體化學中關于晶體衍射、固相反應等內容恰好是固體物理中倒易點陣、擴散等理論知識的實際應用。新開設的固體物理與化學將固體化學的知識有機融入固體物理，兩門課程的內容“”。具體來說，將固體化學關于點缺陷的反應式納入固體物理晶體缺陷章節;將振動光譜、波譜技術與晶格振動聯系起來;將晶體的熱學性質與熱重分析、差熱分析聯系起來;將金屬鍵與能帶理論相結合;固相反應與擴散理論相結合等等。刪掉固體化學中的相圖內容，此部分在材料科學基礎課程中講授。合并后的固體物理與化學學時為72學時，少于原先兩門課程的總學時。
（二）重視知識體系構建，縮減理論學時
固體物理是以熱力學統計物理、理論物理、量子力學等課程為基礎的課程。固體物理的學習需要這些基礎理論作保證，但材料類專業的學生在這方面基礎相對較薄弱。特別是固體物理中有很多新概念，通常需要建立復雜的物理模型和理論計算得到。復雜的數學推導過程和物理假設使很多學生感到困惑，在學習過程中也感到十分困難，造成部分學生失去興趣。因此不能一味追求推導過程，更多的是突出概念的本質和含義，重點講述物理假設和物理過程。物理模型的建立應簡單易于理解，把復雜問題簡單化，讓學生學會用最簡單的方式去解決復雜的問題。比如倒格子概念抽象，是固體物理的一個知識難點。在講授倒格子時，盡量簡化其推導過程，類比普通物理平面波中波矢的概念，將倒格矢與波矢類比，建立抽象的概念與已有的物理圖像之間的聯系，講清楚為什么引入倒格子以及引入倒格子后對于我們解決問題的好處，讓學生直觀理解其背后的物理意義，幫助學生在倒空間中思考問題。
（三）融入前沿科學，提高學生學習興趣
很多新技術、新材料的發明離不開固體物理和固體化學知識，在教學過程中要適當加入前沿科學和當今世界的研究熱點，使學生認識到課程內容的重要性和實用性，例如，在講解固體分類的時候，就要介紹準晶體;在講晶體結構的時候，可以介紹石墨烯、碳納米管。材料由于晶體結構的不同，其物理化學性質相差很大，在講金剛石結構的時候，要提到另一種具有相同結構的硅材料。還有超晶格與晶體結構、半導體與能帶理論的聯系;材料的磁性與原子結構之間的關系;巨磁電阻效應等現象。使學生了解固體物理理論在前沿科學中的應用，擴展學生的知識范圍，提高學習興趣。
（四）注重實踐教學，提高學生實踐能力
材料學是實踐性很強的專業，需要在教學中加入實踐內容，在每章最后專門設置一個小節內容作為本章應用舉例，可以更好地幫助學生理解課本上的理論，更重要的是把理論知識應用到實踐中，理論與實踐結合，培養學生獨立思考問題的能力。例如，在講解X射線衍射的時候，可以用某物質的XRD圖譜作為例子，簡單教學生使用Jade分析XRD圖譜如何確定衍射峰的晶面指數，如何根據衍射峰來計算晶面間距，結合材料的晶體結構，從而確定材料的晶格常數，這樣就把晶體結構這一章的知識全部串聯起來。在講晶體對稱性的時候，可以列舉相關材料，例如晶體的鐵電性與對稱中心的關系。
（五）增加科普知識，引入情感教學
在教學內容中增加科普知識，有助于增強學生的認同感，提高學生的科學素質。在講授某個學科知識點的時候，增加其發展的歷史故事，有助于學生更好地理解這門學科和這個理論。科學家是科學發展的主體，也是某一學科知識的締造者。介紹相關科學家對某知識點的貢獻和科學家的生平故事，可以有效提高學生學習的興趣。能帶理論是固體物理中的一個重要理論，通過對固體電導理論發展史的講授，使學生更好地理解這個理論和實際應用。
二、改革教學方法
（一）多媒體教學和模型教學，建設網絡課程資源
傳統的理論教學以板書為主，其優點是有利于學生理解理論推導過程。但不足在于耗費時間、且有些圖形動畫板書不夠形象。而應用多媒體教學具有形象生動、有聲有色、節約時間等優點，可以利用Material Studio等計算機軟件制作晶體模型，增加一些動態元素，突出趣味性、形象性，把抽象的物理模型用文本、視頻、動畫等多種方式展示出來，增強課堂教學的直觀感染力。在課堂增加一些實物模型，比如講晶體的結構，可提供一些球棍模型，讓學生自己動手組裝，使學生能直觀感受晶體的結構，對理解晶體的對稱性有很大的幫助。還可以制作一些CAI課件。在學院網站建立固體物理與化學課程板塊，將課件、模型、視頻等資料作為網絡課堂，為學生提供課下學習資源。
（二）采用教學互動模式，激發學生學習興趣
現代教學不是一個老師教、學生學的單一過程，更不是“填鴨式”的灌輸過程，而是以學生為主體、老師為主導，相互參與的過程。教師要鼓勵學生發現和探索問題。學習每個章節，都要探討三個問題：這章的知識體系是什么，本質是什么，在課程中的作用和地位是什么。通過這樣啟發式的問題，引導和鼓勵學生思考、討論，能力的提高在于發現問題和尋找答案的過程，鼓勵學生提出自己觀點和見解，不怕出錯，反復思考，對某一問題深究到底，營造積極活潑的課堂學習氣氛。
（三）創新作業形式，提高學生知識應用能力
在現有教學方式中，課后作業以習題形式為主，不利于發揮學生積極主動性，有礙學生發現問題和解決問題能力的培養。因此需要改變傳統作業形式，將作業以論文的形式呈現。地方本科院校的學生基礎相對薄弱，需要采取循序漸進的方式進行指導，使他們盡快適應新的學習方式。在前期，由教師選擇涵蓋課程知識點的中文期刊論文，學生自學并整理期刊論文內容，制作做成PPT課件，并在課堂上講解自己制作的課件;到后期，教師給出一些材料科學中與課程相關的研究熱點問題，不再具體指定論文，引導學生圍繞主題發現問題，檢索信息，解決問題，并且撰寫小論文。這樣不僅提高了學生的自學和解決問題的能力，還開闊了學生的眼界，使他們對理論在實踐中的應用有更深刻的體會。
三、改革考核方式
考核是檢驗學生課程學習情況的重要途徑，學術型學生的培養，主要以閉卷考試為主，但應用型學生的培養，應該以過程考核為主。引入實例討論環節并將其計入平時成績，加強學生在此過程中的參與程度，在教學過程中將學生分成不同的課題組，分配不同的課題給他們。因此，我們采取改變平時成績計算方法和在期末考試中設置開放性試題的辦法，平時成績設置起始分數，有積極表現的加分，比如課堂主動提出問題和回答問題、平時小論文寫作、課堂做專題論文PPT報告都可以加分，沒按要求完成任務的則扣分。在期末考試中設置開放性試題考察學生對于學科知識體系的理解，開放性試題不設標準答案。通過考核方式的改變，引導學生改變不良的學習習慣，培養積極主動的學習方式。
四、結語
根據培養高素質應用型本科人才的培養目標，需要增加實踐性應用性的課程，較少理論性課程和學時，在這樣的背景下，通過內容優化整合，將固體物理和固體化學合并成一門課程，即縮減了總學時，又不減少知識點，同時還加大了實踐技能的教學，達到了人才培養的目標。
參考文獻：
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最新關于實用時間簡史讀后感范文 浩瀚的宇宙、神秘的地球，以及那些目前為止人類尚不足以弄明白的事物總是像磁鐵般地吸引著有著強烈好奇心的人們。無論是年少的還是年長的，人們總是去不斷的學習，為的是能更好地了解我們周圍的各種事物。身為二十一世紀新一代的青年，我們有責任也更有義務去學習、了解、研究我們所處的環境。為此出于強烈的好奇心，利用暑假難得的機會我認真地讀了霍金先生寫的《時間簡史》一書，讀完之后掩卷長思，細細的領略其中的哲理，讓人耳目一新。
就我而言，我是一個地地道道的唯物論者，對于那些神怪之類的說法很是反感，而對于能用科學理論解釋奇異事物的書刊雜志便很感興趣。對于霍金先生寫的這本《時間簡史》便很是有一口氣看完的沖動，但是由于自己認知水平有限，不得不一字一句地慢慢理解，可仍然還是有不少地方弄不明白。也難怪就連霍金先生在某一場合也曾說過，能夠讀懂全書的每一句話的人，就已經夠格攻讀引力物理博士學位了。雖說只學到了點皮毛，但對自己的知識面還是個很大的擴充并對自己發現問題、分析問題、解決問題的能力也有了不小的提高，這讓我不覺得對霍金先生深厚的學術造詣敬佩不已。
首先，這本書是以普及科學知識為目的的著作，他教會了我們如何正確地看待世界以及我們周圍的許許多多的奇異的事情，讓我們學會了用科學的眼光來看待事物，而不是遇到難懂的事物就盲目的相信迷信之類的歪理邪說。任何事情的存在都有其存在的意義。就比如人人討厭的蚊子，我想沒有一個人會同意上帝創造蚊子這種生物，但是它又的確是我們地球生物圈中的一分子，肯定有它存在的道理，我們不能因為自我的關系而剝奪另一種生物存在的權利。看待事物要用科學的眼光，同樣對待學習我們也要用科學的方法。
怎么說呢，科學史上的每一個重大發現無不都是科學家們大膽假設小心論證而發現的，因此在學習方面我們也應該貫徹這種思想方法，不僅是在學習計劃的制定上而且也應該在學習方法的應用上。一個周全的嚴密的學習計劃對于學習的時間安排是十分合理的，能達到事半功倍的效果，不是有句諺語，“凡事預則立不預則廢”。而好的學習方法，將有助你的聽課、自學，以及課后的復習、預習，這些對于大學生而言是相當重要的。更重要的是，如果我們能養成這樣一種好的習慣，對于將來工作會有相當大的幫助。今后的社會是一個快速發展，信息廣泛交流的人才展示平臺，而嚴密的思維邏輯以及科學的做事方法便是其中的兩件法寶，可以幫你在茫茫人海中脫穎而出，在人生的舞臺上盡情地展現自我，實現自我的人生價值。
其次，過去我是一個理想主義者，任何事情我都把它想得很完美。因此很長一段時間，我對那些試圖證明世界絕對準則的文章很感興趣。尤其在學習方面體現得相當明顯，對于我而言，每學到一個新的知識的時候，都感到莫名的興奮，因為他們能用很簡單的幾個公式來指導我們生產和生活方面的種種問題，感到很是神奇，因此對科學家們很是崇拜。但是隨著年齡的增長和閱歷的豐富，才發現世界遠不是我想象得那么簡單，幾個“公式”就能涵蓋。概括的來說，簡單中孕育著變化，而變化中又體現著規律。人們總是在不斷地，想方設法地去尋找那“隱藏”的規律。
很幸運的是，某些規律被我們發現了，但更多的還是未知的事物。世界到底有沒有絕對準則？還是僅僅是個巧合？所有的問題我們目前尚還不得而知。但是隨著時間的推移和人們不斷的探索才有可能解開這一個一個的謎團。而對于我們來說，它給我們的啟發是，“沒有最好，只有更好”。就像是學習，猶如逆水行舟，不進則退。你無法在學習上達到最高峰，因為沒有最高峰。你有的只能是不斷的去和別人競爭，和自己較勁，唯有此你才能在自己的學習上取得好成績。同樣，工作中也是如此，成功的企業者他們比平常人多的就是一個強烈的競爭意識。在當今激烈的社會環境下，“適者生存”，誰都不想被社會所淘汰，誰都想有所作為，那么競爭就在所難免，這也會不斷的促使著社會的快速發展，一舉兩得。
再次，就是讀完了全書之后，腦中一直縈繞著許許多多的問題。宇宙到底有沒有過大爆炸？宇宙到底是否曾經是一個無限小的點？宇宙到底是不是在無限的膨脹還是最后會坍縮，還是最后趨于穩定？宇宙到底在時間上要不要有個開端？宇宙是無限的還是有盡頭？到底廣義相對論正不正確？人類到底還能在創造出什么樣的理論去解決什么樣的難題？人類能否發明出時光機回到過去或是來到未來？2222年人類的科技又將會達到什么樣的地步？人類最遠能到達宇宙的什么地方？黑洞到底是什么樣的？難道光速真的就是速度的極限，以致于黑洞成為人類無法逾越的鴻溝？物質的最小部分又是什么？……
所有的問題接踵而來，讓人應接不暇。但是這種種的問號又是那么的有趣，那么的吸引我們的目光，讓人浮想聯翩。可能這一切一切的問題，你或許現在就能給出一個“滿意”的答案，可是誰又能知道，你給出的答案或許就像是從比薩斜塔上落下的那兩個不等重的鐵球不同時落地的“真理”呢？可能僅僅在當時的情境下被人們所認可，但是隨著科技的發展和人類的進步，將會有更多的伽利略站出來，告訴你不是這樣的；也會有更多的哈勃望遠鏡向你展示，原來宇宙真的并不像你想象中的那樣，而是真真切切的正如你眼前所視，此時你可能會有所迷惑，到底什么才是真理？沒有人能給你一個滿意的答案，正如沒有人能預測你的未來會怎么，一切都要交給時間。或許在不久的將來，人類就能進行太空旅行，或許仍然在浩瀚的宇宙面前無所適從……
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人生觀、價值觀、世界觀是一個成熟的人需要建立的三觀，人生觀是讓人知道這輩子怎么活，價值觀是認為什么才是珍貴的，世界觀是知道這個世界是怎樣的。宇宙觀就是這個宇宙是怎么樣的，是世界觀中很重要的一部分。身處瑣碎繁雜的日常，不斷奔赴生活目標，我們中有的人也許建立的世界觀是“我們的人類社會是什么樣的”、“我們的星球和可看見的天空是怎么樣的”……但是我們目力可見范圍之外的宇宙是怎么樣的、我們感知不到的時間的本質是什么、我們身處的宇宙的來龍去脈是什么等等問題，是我們日常很少去思考的，因為不可觸及，然而這些是真實的存在。
最近我讀了斯蒂芬·霍金的著作《時間簡史》，作者是一個在科學和醫學上的奇跡人物，是宇宙創生理論的創立者和集大成者。而這是一本讓包括青少年在內的所有人都能理解的宇宙學著作，其主題是人類時空觀和宇宙觀的變革。本書按照科學理論中有關宇宙的認識從古到今的發展順序，對主要的宇宙認識論變革理論進行重點闡述，如牛頓的力學理論、空間相對性、愛因斯坦狹義相對論、廣義相對論、時間和空間的彎曲性質、宇宙大爆炸的發生、黑洞的性質、時間旅行的可能性、量子力學、弦理論、宇宙統一理論等。全書沒有純物理理論公式和數學上的技術性強的論證細節，但是其所帶來的人類對時空和宇宙觀念的變革卻讓我對我們身處的這個世界有了嶄新的認識。
《時間簡史》是一部論述當代物理學一些最艱深問題的成功著作，而普及版汲取其精髓，焦點論述了《時間簡史》中的重大基本問題：關于宇宙我們究竟知道了什么?我們如何知道這一切?宇宙從何處來、向何處去?宇宙運行的規則是什么?這些看起來像是哲學所研究的問題。誠然，包括霍金在內的整個人類還沒有找到終極答案，但通過梳理幾千年來的科學理論，講述了人類在這些終極問題上不倦追求答案的歷史，讀起來感覺就像是讀了一本物理科學和哲學不斷融合、發展、相互促成、走向統一的著作。
很久以前的人，因交通和通訊的`不發達，對于外部世界的問題是“山那邊是什么?”，夢想翻過阻礙眼前的大山去探索山那邊未知的世界。今天我們這個時代已經可以翻過地球上所有的山，每個人的故鄉和這個地球上最遠的地方皆能朝發夕至，全人類新的問題是“我看不見的星空之外是什么、有沒有與我們一樣或者不一樣的生命存在?我如何能夠去到那遙遠的星球?”這個時代的“山”就是我們看不見、去不到的外太空，了解今時今日所處宇宙的前沿發展理論所帶來的宇宙觀變革有利于我們知道“山那邊是什么”，發現未知是我們人類孜孜不倦追逐的永恒話題。
讀《時間簡史》，填補了我原來空白的宇宙觀，把我的視野從可見可觸及的現實世界抽象到了遙遠的外太空，讓我對身處的時空有了新的理解——空間是相對的，時間也不是絕對的，每個個體都有屬于自己的時間測度，我們的宇宙來源于一個無限小的時空奇點，產生于一個大爆炸時刻，還不斷在膨脹中并將有一個終點，宇宙中存在著為數眾多能量巨大的黑洞，允許時間旅行的蟲洞也許真的存在，因為不確定性原理人類理解和預言宇宙的能力仍然有限，宇宙統一理論有待人類進一步探索，等等。霍金曾說他的目標很簡單，就是完全的理解周圍的世界和我們的存在。說起來很簡單，卻是一件舉全人類之力仍然沒能完全解答的一個問題。
有人說“科學對于公眾來說，確實犯下了過于深奧的罪孽。”為此，很多人因為對物理學和宇宙學的晦澀艱深、并于生活日常毫無用處而不肯落力去讀這類書，更因其是學界大“著作”而敬而遠之，聽到誰讀《時間簡史》就視其為難以企及的物理怪咖學霸，讀不懂這本書的物理學博士也大有人在。
但是科學技術的真正意義在于幫助我們理解世界、改造世界，而《時間簡史(普及版)》這本書讀起來如此易于理解，它使得“幾乎所有識字的人都可以談論黑洞、大爆炸、平行宇宙和暴漲。”這本書全書只有一個公式，沒有復雜的推理演算，沒有聽不懂的假設證明，用貼近生活的事物舉例講解遙遠抽象的宇宙運行哲學。作為一個文科生、中學上物理課聽不懂的人來說，今天能讀懂這本書，皆因為科學技術的發展普及讓我們更能理解今時今日的世界，同時感嘆霍金先生深入淺出的理論講述水平。
如今，霍金先生已逝，社會各界都痛惜這位偉大科學家的離去，肯定霍金對科學對人類的貢獻。很多人知道他如何與身體疾病戰斗一生，如何身殘志堅、性格幽默，但我想我們更應該知道霍金先生的理論是什么、對人類的貢獻如何，當我們談論霍金，應該明確的知道我們在談論什么。因為，愛科學的唯一途徑就是真正地理解并學習它。學習、傳播和探索他為之奮斗終生的科學理論，才是新時代青年談論和崇拜科學家、熱愛科學的正確打開方式。
最新關于實用時間簡史讀后感范文
一個地地道道的唯物論者，對于那些神怪之類的說法從不相信，而對于能用科學理論解釋奇異事物的書刊雜志很感興趣。暑假期間，閑來無事，認真閱讀了霍金先生的《時間簡史》一書。初中物理中提到的“大爆炸理論”在書中有詳細的論述。帶著對浩瀚的宇宙、生命起源的好奇心，帶著對科學大師崇敬之心，細細閱讀。盡管書中有許多抽象的理論、奇特的概念我還難以理解，身為物理教師的我，有責任也更有義務去學習、了解這些知識，拓展自己的知識面。讀完之后掩卷長思，細細的領略其中的哲理，是我對宇宙世界的認識更加深刻。
斯蒂芬·霍金教授寫的《時間簡史》出版于1988年，回答了“宇宙是怎樣誕生的？它從何而來？又向哪里去？”的問題。
書中認為我們現在生活的宇宙有自己的歷史起點，它大約誕生于150億年前，那時，宇宙只是一個點，不占有空間，也沒有時間的概念。在這一點發生了大爆炸，時間和空間從此開始，物質開始形成。最初，宇宙的溫度極高，隨著時間的推移，空間越來越大，溫度越來越低，宇宙中的能量與物質不斷發生復雜的反應，逐漸形成星系，空間繼續擴大，膨脹，直到今天，宇宙仍然在膨脹之中。
大約在距今50億年前，太陽形成。大約在距今46億年前，地球形成。
宇宙繼續膨脹，將來也會膨脹，也許在膨脹到一定程度后，宇宙開始收縮，可能會收縮成一個點，一個不占有空間的點。到那時，時間結束。到底會不會這樣，現在還說不定。
大爆炸之前是怎么回事，不知道。永遠也無法知道。這就是大爆炸宇宙的理論基礎。
對于霍金先生寫的這本《時間簡史》本想一口氣看完，但是由于自己認知水平有限，不得不一字一句地慢慢理解，可仍然還是有不少地方弄不明白。霍金先生在某一場合也曾說過，能夠讀懂全書的每一句話的人，就已經夠格攻讀引力物理博士學位了。雖說只學到了點皮毛，但對自己的知識面還是個很大的擴充并對自己發現問題、分析問題、解決問題的能力也有了不小的提高，這讓我不覺得對霍金先生深厚的學術造詣敬佩不已。
這本書是以普及科學知識為目的的著作，他教會了我們如何正確地看待世界以及我們周圍的許許多多的奇異的事情，讓我們學會了用科學的眼光來看待事物，而不是遇到難懂的事物就盲目的相信迷信之類的歪理邪說。任何事情的存在都有其存在的意義。就比如人人討厭的蒼蠅，我想沒有一個人會同意神創造蒼蠅這種昆蟲，但是它又的確是我們地球生物圈中的一分子，肯定有它存在的道理，我們不能因為人類的愛憎而剝奪另一種生物存在的權利。看待事物要用科學的眼光，同樣對待學習我們也要用科學的方法。科學史上的每一個重大發現無不都是科學家們大膽假設小心論證而發現的，因此在學習方面我們也應該貫徹這種思想方法，不僅是在學習計劃的制定上而且也應該在學習方法的應用上。一個周全的嚴密的學習計劃對于學習的時間安排是十分合理的，能達到事半功倍的效果，不是有句諺語，“凡事預則立不預則廢”。而好的學習方法，將有助你的聽課、自學，以及課后的復習、預習，這些對于剛進入科學之門的初中學生而言是相當重要的。更重要的是，如果我們能使學生能成這樣一種好的習慣，對于他們將來的人生會有相當大的幫助。
從這本著作中，我深深的了解到科學上的很多重大的進展都是許多偉大的科學家們不盲目的追隨權威，而是有自己的思想和見解，有時甚至冒著生命的危險，提出自己的理論，這樣的事例不勝枚舉。如伽利略、哥白尼、愛因斯坦。對于現今這樣一個日新月異的社會，義務教育被賦予的歷史使命將不同于往，它肩負著培養出下一代有著創新能力的人才，可以說今后國與國之間的競爭將更多的是人才之間的競爭，創新將是今后發展的又一個新的歷史潮流，我們國家只有抓住歷史發展的機遇期，抓緊培養創新型人才，才能永久的屹立在東方。這樣的歷史使命對于從事義務教育的老師來說的不能推脫，我們趕上了這樣一個重視基礎教育的好時代，有大量時間來進一步學習，拓展自己的知識、開闊自己的眼界、活躍自己的思維、培養自己的能力。在教學方面我們也不應該盲目相信課本上的條條框框，而是帶著自己的思想、自己的見解大膽進行教學研究、創新教學方法。在教學研究道路闊步前進，通過教改實現自身發展的需求。在課堂教學中要向學生宣揚，年少的你們要成為未來的建設者，書本上的知識是遠遠不夠的，我們還應該多多讀一些課外雜志，多學一些知識。鼓勵學生參加綜合實踐活動，讓他們逐步的走進社會、感受社會、了解社會，體會書本知識在實踐活動中的應用價值，培養他們多方面思考問題的能力，在活動中培養創新思維能力。