導(dǎo)語：如何才能寫好一篇量子計算研究報告，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

一、反?；魻栃?yīng)的前世

（一）霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)是美國物理學家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的一個物理效應(yīng)。在一個通有電流的導(dǎo)體中，如果施加一個垂直于電流方向的磁場，由于洛倫茲力的作用，電子的運動軌跡將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而在垂直于電流和磁場方向的導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。

霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中非常重要，特別是在現(xiàn)代汽車上廣泛得到應(yīng)用。

（二）量子霍爾效應(yīng)

作為微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的完美體現(xiàn)，量子霍爾效應(yīng)（強磁場中，縱向電壓和橫向電流的比值隨著磁場增強而出現(xiàn)的量子化特點）一直在凝聚態(tài)物理研究中占據(jù)著極其重要的地位。1980年左右，德國科學家馮·克利青發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，獲得1985年諾貝爾物理學獎。1982年，美國物理學家崔琦和施特默等發(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍爾效應(yīng)，這個效應(yīng)不久由另一位美國物理學家勞弗林給出理論解釋，他們?nèi)藰s獲1998年諾貝爾物理學獎。

量子霍爾效應(yīng)在未來電子器件中發(fā)揮特殊的作用，可以用于制備低能耗的高速電子器件。例如，如果把量子霍爾效應(yīng)引入計算機芯片，將會克服電腦的發(fā)熱和能量耗散問題。然而它需要的強磁場設(shè)備不但價格昂貴，而且體積龐大（衣柜大?。?，也不適合于個人電腦和便攜式計算機。

二、反常量子霍爾效應(yīng)

1880年，霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，即使不加外磁場也可以觀測到霍爾效應(yīng)，這種零磁場中的霍爾效應(yīng)就是反?；魻栃?yīng)。反?；魻栃?yīng)與普通的霍爾效應(yīng)在本質(zhì)上完全不同，反常霍爾效應(yīng)是由于材料本身的自發(fā)磁化而產(chǎn)生的，因此這是一個全新的量子效應(yīng)，有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個重要成員。如果能在實驗上實現(xiàn)零磁場中的量子霍爾效應(yīng)，利用其無耗散的邊緣態(tài)發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學器件，從而解決電腦發(fā)熱問題和其它的一些瓶頸問題，推動信息技術(shù)的進步。但反?；魻栃?yīng)的量子化對材料性質(zhì)的要求非?？量?，美國、德國、日本等科學家未取得最后成功。

2009年，清華大學薛其坤院士帶領(lǐng)團隊向量子反常霍爾效應(yīng)的實驗實現(xiàn)發(fā)起沖擊。

2010年，中科院物理所的方忠、戴希理論團隊與拓撲絕緣體理論的開創(chuàng)者之一、斯坦福大學的張首晟等合作，提出了實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的最佳體系。由清華大學的薛其坤、王亞愚、陳曦、賈金鋒研究組，與中科院物理所的馬旭村、何珂、王立莉研究組及呂力研究組組成的實驗攻關(guān)團隊合作，開始向量子反?；魻栃?yīng)的實驗發(fā)起沖擊。截止到2013年的四年中，團隊生長和測量了1000多個樣品，利用分子束外延的方法使之長出一層幾納米厚的薄膜，然后再摻進去鉻離子，生長了高質(zhì)量的磁性摻雜拓撲絕緣體薄膜，將其制備成輸運器件并在幾毫開的極低溫度環(huán)境下對其磁電阻和反?；魻栃?yīng)進行了精密測量。終于發(fā)現(xiàn)在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場中的反?；魻栯娮柽_到了量子霍爾效應(yīng)的特征值h/e2～25800歐姆，世界難題得以攻克。薛其坤院士說：這是我們團隊精誠合作、聯(lián)合攻關(guān)的共同成果，是中國科學家的集體榮譽。

三、量子反?；魻栃?yīng)的意義及發(fā)展前景

量子反常霍爾效應(yīng)之所以如此重要，是因為效應(yīng)可能在未來電子器件中發(fā)揮特殊作用，無需高強磁場，就可以制備低能耗的高速電子器件，例如極低能耗的芯片——這意味著計算機未來可能更新?lián)Q代。

霍爾效應(yīng)是諾貝爾獎的富礦。最近一次也是第三次與霍爾效應(yīng)有關(guān)的諾貝爾獎是2010年的諾貝爾物理獎。2005年，英國科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。他們于2010年獲諾獎。石墨烯這種“超薄的碳膜”厚度只有0.335納米，是至今發(fā)現(xiàn)的厚度最薄和強度最高的材料。

此外，量子自旋霍爾效應(yīng)于2007年被發(fā)現(xiàn)，2010年獲得歐洲物理獎，2012年獲得美國物理學會巴克利獎。

篇2

XNA分子連同DNA和RNA加入基因目錄

生命的遺傳分子“動物園”2012年又稍稍擴大了一些。通過用其他分子替換DNA鏈主干中的糖，科學家們創(chuàng)造了ANA、TNA、HNA、FANA、CeNA和LNA。這些統(tǒng)稱為XNA的合成遺傳分子，每個都有其自己的經(jīng)設(shè)計的酶，從而允許分子被“讀取”，然后進行復(fù)制。此項進展或有助于理解地球生命是如何發(fā)端的。

在一個好的舊DNA的幫助下，XNA也可以有自己的下一代。通過選擇一個特定的性狀，如附加到其他分子的能力，研究人員還能誘導(dǎo)XNA隨時間而改變。遺傳和進化將不再只是DNA和RNA的專利。

這項工作表明，地球及宇宙其他地方遠古時代的生命，也可能出自其他種類的分子。此項研究成果在生物醫(yī)學方面具有潛在的應(yīng)用價值：由于研究人員可引導(dǎo)分子的進化，經(jīng)設(shè)計的XNA可由能傳遞藥物的特殊性狀組成。這些新鮮分子或可為從頭開始構(gòu)建新生物提供復(fù)制機制。

“我們現(xiàn)在只知道生命的一個例子，那就是40億年前地球上的生命形式，”美國加州斯克里普斯研究所的生物化學家杰拉爾德·喬伊斯說：“也許我們還會發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)二上的某種生命證據(jù)，抑或是火星上的生命化石。再不然，也許我們還能制造一個生命。”

12.量子的盛裝舞會

離超遠距加密傳輸和超高速計算機更近了一步

未來正在呼喚。在防止黑客竊取消息方面，物理學家們2012年在更遠距離上實現(xiàn)了量子編碼壓縮信息的傳送。他們還發(fā)現(xiàn)了一個夢寐以求的粒子，其量子特性將來或可用以開發(fā)超高速電腦。

一提到發(fā)送信息，即便是即時通信也無法與量子態(tài)隱形傳輸相提并論。研究人員使用一對“糾纏”粒子來傳送信息，即使它們相距甚遠，也只需測量其中一個的特定屬性就可決定另一個的屬性。有關(guān)屬性的信息于是就可在瞬息之間在兩者間傳遞。

中國研究團隊在青海湖首次成功實現(xiàn)百公里量級（97公里）的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。很快，奧地利物理學家安東-澤林格領(lǐng)導(dǎo)的一支國際小組成功在加那利群島的兩個島嶼——拉帕爾瑪島和特納利夫島間實現(xiàn)了143公里的量子態(tài)傳輸，一舉打破中國科學家的紀錄。

科學家們下一步將在衛(wèi)星和國際空間站進行永久的量子態(tài)隱形傳輸實驗。將信息送入軌道意味著傳送距離將比以往遠上3倍以上。因為在高空中存在較少的干擾分子，物理學家認為在未來幾年內(nèi)實現(xiàn)上述目標是完全可能的。

另一個夢想則是建造一臺量子計算機，其將基于粒子的量子特性以極快的速度來運行計算。2012年，科學家們已在實現(xiàn)此一目標的道路上邁出了堅實一步，他們發(fā)現(xiàn)了一個苦苦追尋的粒子——馬約拉納費米子。

馬約拉納費米子于上世紀30年代提出，其不像其他粒子一樣擁有反物質(zhì)伴子。因此，它們可在量子計算機中形成一個更穩(wěn)定存儲單元的基礎(chǔ)，幾乎不受外界的影響。

13.北極熊迎來悲慘時世

兩項遺傳學研究擴展了北極熊的家世

北極熊這種毛茸茸的野生動物，正處于氣候變化的危險之中。現(xiàn)在看來，它似乎已在過去的溫暖期存活了足夠長的時間。究竟有多長雖有待觀察，但2012年發(fā)表的兩份遺傳學研究報告將該物種的起源追溯到了冰河時代。

北極熊歷史的改寫，使人們重新思考它的未來。不過，雖然北極熊在過去已安然度過了好幾個溫暖期，但也無法保證它們將逃過這最新的一劫。

在2012年的遺傳學研究報告出臺前，北極熊作為一個物種的歷史一直被認為是短的。來自挪威的北極熊顎骨和牙齒化石，可追溯到11萬年至13萬年前，這也是現(xiàn)存最古老的北極熊遺物化石記錄。布法羅大學的夏洛特·林克韋斯特及其同事開展的遺傳學研究表明，雌性北極熊的家世可溯回到大約15萬年前，這與棕熊的血統(tǒng)相一致。

法蘭克福生物多樣性和氣候研究中心的進化生物學家弗蘭克·海拉爾表示，如果北極熊作為一個物種真的進化得如此之快，這將是“快速適應(yīng)的奇跡”。

但2012年，兩個獨立的研究團隊首次對北極熊細胞核中的DNA進行了詳細分析。林克韋斯特此前曾對線粒體中的DNA進行過分析，而線粒體僅能對母系進行追蹤。

海拉爾團隊的研究將棕熊與北極熊的分異往前推進到大約60萬年前，林克韋斯特的研究則將之推進到更遙遠的400萬年至500萬年前。美國科羅拉多大學波德分校的古氣候?qū)W家吉福德·米勒說，往回追溯到60萬年前意味著該物種安然度過了40萬年前的溫暖期。更早一些的研究則把北極熊投入到一個可能不會有冬季海冰的不同世界。

至于為什么他們推斷出的日期如此不同，兩個團隊提出了很多的解釋。但他們一致認為，更長的家世并不意味著，這種已被列入瀕危動物名錄的物種現(xiàn)在就可以高枕無憂了，因為它們專享的海冰棲息地正在不斷融化。

還有一點，現(xiàn)今的北極熊已不再是昔日的北極熊。北極熊的早期祖先也許根本不是專業(yè)的海冰捕食者。隨著人類造成的氣候變暖，地球可能熱得更快，比北極熊曾經(jīng)歷過的溫暖期更長久。這也是北極熊第一次和數(shù)十億的人類共享這個正在變暖的星球。

14.人類的血統(tǒng)可能不那么“正”

DNA描繪出石器時代的雜交亂象

科學也鬧“狗血劇”。2012年的一些研究曝光了人類祖先和近親種群之間也曾過。這些新發(fā)現(xiàn)（莫名其妙地被街頭小報忽略了）提出了一個問題，那就是數(shù)萬年前的智人間到底發(fā)生了多少基因交換。更重要的是，這種混亂的家庭樹將現(xiàn)代人類在非洲進化和擴散并擊敗了尼安德特人等近親的流行觀點連根拔除。

一個國際研究團隊揭示了一份從石器時代女孩指骨化石中提取的基本完整的基因圖譜。DNA數(shù)據(jù)表明她是西伯利亞的丹尼索瓦人種，他們在數(shù)萬年前移居到東亞。研究發(fā)現(xiàn)，今天的巴布亞新幾內(nèi)亞人繼承了丹尼索瓦人6%的基因。

因為沒有足夠的化石，研究人員無法確定這個西伯利亞女孩或其他丹尼索瓦人是否代表了一種新的智人種群。來自一個古代個體而非代表性種群樣本的DNA，是無法確定一個新物種的。

另一方面，尼安德特人被普遍認為是一個獨立的種群，即使他們也偶爾與智人雜交。最近發(fā)現(xiàn)的石制工具表明，尼安德特人從75000年前開始長途跋涉從歐洲轉(zhuǎn)向東亞，使他們有機會在一個廣闊的地域內(nèi)與古人類雜交。對丹尼索瓦人的研究還發(fā)現(xiàn)，今天的東亞人與尼安德特人共享的基因要比南美人或歐洲人多。

然而，盡管知道他們共享DNA，目前還不清楚他們之間是否確實發(fā)生過雜交，或發(fā)生過多少次雜交。一些科學家說，非洲種群是人類和尼安德特人的共同祖先，其攜帶的基因成為了這兩個物種基因組的一部分。其他科學家則推測至少發(fā)生過低水平的雜交。無論是哪種情況，有證據(jù)表明，今天的歐洲人帶有2.5%的尼安德特人DNA，中國人為3%，非洲人則不到1%。

當談到這些遺傳線索意味著什么時，研究人員總是各執(zhí)己見。一些人懷疑，石器時代的雜交要比這些數(shù)字表明的多，從而形成了智人的遺傳進化。其他研究人員則認為尼安德特人和丹尼索瓦人只是偶爾與智人，對人類進化沒有或很少造成影響。抑或是，尼安德特人和丹尼索瓦人都屬于智人種群的一部分，只是他們在石器時代要比現(xiàn)在表現(xiàn)出更多的遺傳多樣性。

如果在冰河世紀，歐洲和亞洲的小股智人孤零零地隱藏起來，那么這個群體可在沒有或是很少雜交的情況下共享大量的基因。在相對溫和的區(qū)域隱藏了較長時間的種群本可保留許多相同的基因，但進化成了不同的物種，如尼安德特人，也有可能是丹尼索瓦人。在天氣變暖后，這個群體的活動范圍逐漸擴大，結(jié)果在偶然之間也會發(fā)生跨物種聯(lián)姻。

這種混亂的情形多起來后，古人類可能就有了其他近親屬。在兩個中國洞穴中發(fā)現(xiàn)的化石表明，這里居住的未知智人種群與14300年至11500年前的人類很接近。這些古老的亞洲人看上去像是今天的人類與10萬年前的非洲智人的合體，其可能是帶有一點丹尼索瓦人血統(tǒng)的智人，又或是因孤立生活得太久而進化出不同外貌的純?nèi)祟悺?/p>

非洲或還保留著更多的人類近親。現(xiàn)代非洲狩獵采集者的DNA顯示出其在7萬年至3萬年前與一種未知智人種群雜交的跡象。狩獵采集者的DNA還表明，在橫跨非洲的遙遠網(wǎng)絡(luò)中，人類至少在10萬年前就已相互。

15.美麗的銀河或不復(fù)存在

與仙女星系的最終碰撞將撼動太陽系

2012年5月，美國巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所的科學家報告說，假設(shè)地球再活40億年，它的天空中將閃爍著史詩般的宇宙碰撞所造成的發(fā)光碎片。銀河星系和離它最近的鄰居——巨大的仙女座星系將投入彼此的懷抱。如果太陽系在碰撞時能幸存下來，而且人類文明依然存在，那么我們的位置也將被重新定位。隨著碰撞進程的開始，銀河的外形也將發(fā)生巨大變化，大大改變了地球上所觀察到的夜空。

研究團隊利用哈勃太空望遠鏡對仙女座星系中的恒星運動進行測量后確定，該星系正以每小時近40萬公里的速度直奔銀河系。雖然兩個星系間仍有250萬光年的距離，但萬有引力正在將它們拉在一起。研究人員推測，鄰近的三角星座M33星系也可能會被拉入這場連環(huán)碰撞。不管怎樣，這場大合并應(yīng)是一幅壯麗的景象。

雖然天文學家們認為銀河系與仙女座星系將在40億年后發(fā)生碰撞并融合，但是這里還有一個問題，即仙女座星系的橫向移動速度還是個未知數(shù)。研究人員希望借助歐空局發(fā)射的探測器來確定橫向速度值，這是判斷星系在宇宙空間中移動路徑的一個關(guān)鍵性參數(shù)，目前所確定的僅僅是通過恒星光譜多普勒效應(yīng)計算出的視向速度。

16.我會走，我還喜歡爬

化石研究表明兩足行走的原始人類仍喜歡攀爬

300多萬年前，一個黑猩猩大小的動物爬上了樹，并小睡了一會兒。醒來后，它又爬下樹，用兩條腿站起來，四處覓食或?qū)g。后來，它又爬上了另一棵樹。

科學家們一直在爭論，著名的人類祖先露西及其阿法南猿屬是否經(jīng)常爬樹。新的化石證據(jù)表明，早期人類即使其主要活動是在地面上直立行走，但它確實仍會在樹上待上一些時間。該化石的發(fā)現(xiàn)對有關(guān)人樣物種取代更原始野獸的人類進化觀點提出了挑戰(zhàn)。相反，原始人類家族樹是一個混亂的雜色灌木叢。

華盛頓大學生物人類學家布賴恩·里奇蒙德說，人類最早祖先在解剖學和行為上具有多樣性的觀點在近一年中得到了強化。

對露西們生活習慣的深刻理解，來自一個330萬年前生活在埃塞俄比亞的阿法南猿孩童。與其他古老的原始人類、現(xiàn)代人類和類人猿相比，該孩童的肩胛骨經(jīng)歷了與類人猿一樣的發(fā)展變化，其肩胛骨的大小和形狀都受到了幼年時期攀爬的影響。這種相似性預(yù)示著，阿法南猿至少將部分時間花在了爬樹上。

露西不是一個人在樹上。科學家在埃塞俄比亞還挖出了一個34000年前的古原始人類足部化石，與阿法南猿不同的是，其擁有像黑猩猩一樣的可抓樹的腳趾。這表明，這只腳屬于具有良好攀爬能力的不同物種。

美國波士頓大學生物人類學家杰里米·德席爾瓦說，有些物種成了更好的雙足步行者，而其他的則花更多的時間去攀爬。擁有奇特解剖學特征的是來自200萬年前南非的南猿源泉種，其具有靈巧的內(nèi)彎腳掌。

原始人類多樣性的研究還不限于腳踝。一些人類學家認為，至少有兩個獨立的智人種群生活在古人類出現(xiàn)在非洲后的200萬年前。在肯尼亞出土的古生物化石——一個孩子的部分臉及兩個下顎骨，與同屬一個物種的其他一些早期智人化石完全不同，研究人員說，這為早期智人具有多個種類提供了最好的例證。

17.你就是睡死了還在學習

大腦即便在熄燈后仍在不停忙碌著

你可能會認為，睡眠是大腦休息的時候。但是，科學家們今年發(fā)現(xiàn)，在正常情況下，你沉睡的大腦其實正在上夜班。

人們在訪問睡夢之鄉(xiāng)的同時或會提高他們的音樂能力，學習將氣味與聲音聯(lián)系在一起，或是強化負面情緒。這些結(jié)果正將科學家們認為的沉睡大腦所能完成的任務(wù)推進到極限。

“我們想要了解的是，大腦在睡眠中到底能做多少事。”以色列魏茨曼科學研究所解剖學家阿內(nèi)特·阿茲說。這一年，她的研究小組發(fā)現(xiàn)，處于熟睡中的大腦可將特定音調(diào)與臭魚的氣味聯(lián)系在一起。另一項研究發(fā)現(xiàn)，人們還可在打盹時提升現(xiàn)有技能。在午睡時間聽完一首歌后，志愿者們能更準確地敲擊鍵盤上的音符。

科學尚不能明確地建議一個準備參加托?？荚嚨膶W生是否應(yīng)該整夜地聽一盤英語磁帶，但研究結(jié)果確實表明，沉睡中的大腦能夠吸收這些信息，而且效果要比死記硬背強得多。

在一場痛苦經(jīng)歷后的睡眠，或許會將負面記憶鎖定在大腦內(nèi)。在關(guān)鍵的窗口期保持清醒，有助于減輕精神創(chuàng)傷的影響。對小鼠的研究表明，在動物打盹時將藥物注射入大腦，可減輕痛苦記憶的效果。

科學家們?nèi)匀粵]弄明白，為什么人類要將生活中的很大一部分時間花在睡眠上。美國哈佛醫(yī)學院的睡眠研究人員羅伯特·斯迪克高德認為，在晚間大腦也許應(yīng)該放任不管，給它時間讓它做任何需要做的事情，“睡眠也許比你還聰明”。

18.肥胖研究越來越受到重視

各種研究成果正在充實脂肪背后的故事

2012年，科學家們發(fā)現(xiàn)，催產(chǎn)素和素等激素似乎有助于防止體重增加，或至少可控制食欲。其他研究則發(fā)現(xiàn)，飲用蘇打水或?qū)刂企w重幫助不大，垃圾食品進入學校的影響可能被高估了，但這項成果似乎有悖常理。

肥胖研究似乎是個大雜燴，但有一點是明確的：美國超過三分之一的人已患上肥胖癥，另有三分之一的人已達超重標準。在這一代人中，肥胖已從一個醫(yī)療和社會問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粓龉残l(wèi)生災(zāi)難。

肥胖會引發(fā)動脈粥樣硬化、代謝問題和其他慢性疾病。美國佛蒙特大學生物化學羅素·特雷西說：“如果你想要降低這些疾病的風險，減肥是一個很好的辦法?！?/p>

肥胖不只是暴飲暴食的結(jié)果，研究人員常常會發(fā)現(xiàn)，不健康的生活方式會影響到人類的的神經(jīng)系統(tǒng)。經(jīng)常食用大豆和玉米油可使體內(nèi)的熱量感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)混亂。身體會將某些植物油的成分轉(zhuǎn)化為內(nèi)源性大麻素，其對食欲的刺激類似于大麻中的化合物。更重要的是，某些暴食者的大腦區(qū)域會變得異?；钴S，尤其是與食欲相關(guān)的區(qū)域。

雖然這些發(fā)現(xiàn)有助于科學家揭示食欲的復(fù)雜性，引起肥胖的其他原因則可能更為直接。長期暴露于二手煙環(huán)境中的成年人，可能會患上糖尿病和肥胖癥，這表明禁止吸煙是比禁止垃圾食品更為迫切的事情，應(yīng)該通過立法來對抗肥胖的流行。

對嬰兒使用抗生素，似乎也會在3歲前引起超重。對小鼠開展的研究也表明，這種抗生素效應(yīng)可能源于腸道有益菌的改變。

甚至連你的鄰居也可能成為肥胖風險。生活在有足夠綠色空間且周邊有雜貨店的孩子，與那些沒有這些便利設(shè)施的孩子相比，肥胖的可能性會減少一半。此項新的研究結(jié)果提請人們注意“建筑環(huán)境”這個可加改善的肥胖危險因子。

當然也有好消息。減肥可使人們化解肥胖、炎癥甚至是癌癥等三方面的風險。最新數(shù)據(jù)顯示，肥胖女性僅需減去5%的體重，其炎性蛋白和細胞的數(shù)量就會下降?，F(xiàn)代醫(yī)學已將肥胖列為需要解決的頭等大事之一。

19.“好膽固醇”其實沒那么好

高密度脂蛋白對心臟的保護作用遭到質(zhì)疑

有時候，新研究會讓我們重新思考我們的既有認知。今年就有這么一個例子，膽固醇長期以來被簡單地分成“好”的和“壞”的，它們分別對應(yīng)的是高密度脂蛋白（HDL）和低密度脂蛋白（LDL）。過去的研究認為，HDL較高的人往往更少患上心臟病。

果真是這樣嗎？一個國際研究小組對數(shù)千人的醫(yī)療數(shù)據(jù)進行了分析，其中也包含一些因遺傳變異而導(dǎo)致HDL水平高于平均值的患者。令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，擁有天然的高HDL水平，對心臟并沒有附加的保護功能。

可增加HDL水平的活動，如鍛煉、減肥和戒煙等，都能在防止心臟病發(fā)作方面發(fā)揮作用，這使得很難辨別HDL本身到底提供了多少保護。2012年8月份的一項新研究結(jié)果，對HDL是否能給心臟帶來好處提出了質(zhì)疑，并認為擁有高HDL也許僅是身體正常運轉(zhuǎn)的一個標志而已。

20.先鋒派的洞穴藝術(shù)

繪畫和動畫很久以前就曾結(jié)合

41000年前就已有人在歐洲洞穴的墻壁上作畫了，這要比研究人員的想法早上幾千年。這些古老繪畫的創(chuàng)作者還會使用卡通般的效果來畫野牛和其它動物，使它們看起來就像是在墻上移動。但是，到底是誰創(chuàng)作了這些繪畫仍是一個懸而未決的問題。

2012年的研究報告顯示，紅色圓盤、手工模板及其他的一些繪畫作品可能是尼安德特人那個時代的杰作。

但是，也有研究人員懷疑，這些藝術(shù)家應(yīng)該是智人，而不是尼安德特人。在洞穴的墻壁上開始作畫的人大約在45000年前，比他們進入歐洲的時間要早或稍晚一些。研究人員報告說，許多洞穴壁畫是在尼安德特人滅絕后完成的，所以它們一定是人類創(chuàng)造的。

許多問題都是基于繪畫的年份，但對石器時代洞穴藝術(shù)無法使用精確的年代測定法。對西班牙的洞穴，研究人員利用礦床分析法估算出最低和最高年份。

無論是誰完成了這些古老的洞穴藝術(shù)品，其中一些藝術(shù)家小心地創(chuàng)作出了實景的錯覺。在法國的洞穴中，幾十個數(shù)字疊加在兩個或兩個以上相同的動物圖案上，這也許代表了奔跑、搖頭和擺尾。有一個洞穴中描繪的狩獵場景顯示了一群獅子，距離較遠的畫得較小一些，仿佛正在撲向逃走的野牛。

法國研究人員的實驗結(jié)果表明，古代藝術(shù)家還會把動物雕刻在圓盤上，當圓盤快速滾動時，這個動物就似乎在移動。

21.這一年的新物種

描述新物種不必只用拉丁文

2012年的科學新聞中可不能少了那只擁有金發(fā)鬃毛和天藍色屁股的猴子，當然也不能缺了首個帶有鈣結(jié)構(gòu)（有點像骨頭）的細菌、世界最小的果蠅、形似豎琴的海綿、帶有折疊右爪的“洞穴掠奪者”蜘蛛，以及一種新的魚物種，其能在雄性的頷下長出長長的器。生物學家描述道，到2012年年底，在某地這一年新出現(xiàn)的物種就在16000種至20000種之間。

在所有這些新物種中，最出名的要數(shù)南非的一種茄屬多刺灌木。說它出名是因為它的論文信息是用英文撰寫的，這標志著對一種植物、真菌或藻類等新物種必須用拉丁文描述的要求終于被終結(jié)。

雖然新物種的學名仍是拉丁文的。但從2012年開始，植物學家既可用英文也可用拉丁文關(guān)于新物種的摘要信息。植物學家也將接受網(wǎng)上公布的命名。有了可選語言，對于那些想讓自己對新物種的命名千古流傳下去的科學家們來說是一個大膽的改變。

國際動物命名委員會2012年9月決定，對動物的描述將步入數(shù)字化?？茖W家們在描述已發(fā)現(xiàn)物種方面的進度是很慢的，更別說那些還正在發(fā)現(xiàn)的物種，上述急劇變化正在改變這一切。同時，《公共科學圖書館》2012年5月的一項研究表明，本地新生物的發(fā)現(xiàn)率在歐洲已在放緩，即使這個區(qū)域是生物學家精挑細選過的。

分類學家迄今已描述了約19000種生物物種（不包括細菌和古細菌）。但是，最新研究預(yù)計還有680萬種生物有待發(fā)現(xiàn)。以目前的速度，將其全部命名還將需要400年。如果一項更高的估計是正確的，這項工作則需花上1653年，前提條件是它們在被科學家們發(fā)現(xiàn)前不滅絕。

22.金星凌日

分離百多年后的兩次重逢

2012年6月，全球數(shù)百萬雙眼睛跟隨著金星緩緩掠過太陽的表面，如果不借助天文儀器，你看到的也許只是一個橙色的完美圓盤上有一個小小的黑點在移動。金星凌日在本世紀是第二次出現(xiàn)，第一次是在2004年。

在2004年的那次前后近6小時的金星凌日旅程中，天文學家們看到了他們一直希望看到的東西：金星上層大氣的微弱光暈清晰可見。今年的凌日事件則給了科學家們了解金星氣態(tài)云（其旋轉(zhuǎn)要比行星本身快）的機會。

哈雷阿卡拉天文臺的研究小組使用日冕觀測儀抓拍了大約6.6萬張圖片。在未來的一年里，科學家們將把哈雷阿卡拉天文臺的數(shù)據(jù)與來自宇宙飛船、地面望遠鏡和世界其他地區(qū)日冕儀的數(shù)據(jù)進行比較。哈勃太空望遠鏡也參與其中，其將收集凌日過程中月球表面的反射光，以測試對遙遠類地行星的大氣進行探測的技術(shù)。

上次金星凌日發(fā)生在1882年和1874年，當時的觀察者把精力集中在了利用三角測量計算地球與太陽的距離。再次看到金星凌日將會在105年后的2117年和2125年。

23.大腸桿菌的三步進化

歷經(jīng)25年的實驗觀察到了實時的自然選擇

在歷時25年的這項進化實驗中，大腸桿菌在研究的某個時刻獲得了新能力。它們可在存在氧氣的情況下吞食一種稱為檸檬酸鹽的化學品。大腸桿菌失去此項性狀已超過1300萬年了，所以，當燒瓶中的細菌開始對這種化學品狼吞虎咽時，科學家們簡直著了迷。因為他們保存了來自燒瓶的好幾代細菌樣品，研究人員得以追蹤導(dǎo)致這種微生物重建吞食檸檬酸鹽能力的基因變化。

美國密歇根州立大學的扎克瑞·布朗特和理查德·倫斯基2012年報告說，他們揭示了細菌形成這一能力的三步過程。第一個階段是增強作用，此時大腸桿菌累積至少兩個突變?yōu)楹罄m(xù)事件打好基礎(chǔ)。第二步是實現(xiàn)，細菌首先開始食用檸檬酸鹽，但只能勉強輕咬一點。最后一個階段是完善，有關(guān)的突變大大地提高了最初薄弱的功能。

長期以來，進化遺傳學家們稱，改變一個物種的外觀或代謝需要DNA中的許多遞增量變化。但化石記錄中并不包含會預(yù)期發(fā)生在此種情景中的所有中間形式，這表明重大創(chuàng)新可能是突然出現(xiàn)的。

實驗表明了這兩者是如何成真的。許多基因變化要歷經(jīng)數(shù)年才得以發(fā)生，以允許細菌消耗檸檬酸鹽，但這種能力似乎又是在一夜之間出現(xiàn)的。有了這樣的實驗室進化實驗，“人們才真正得以一瞥進化的內(nèi)部運作過程。”

24.地下水資源漸枯竭

淡水資源過度消耗帶來的風險

每個人都需要淡水，但有時候人的需要會占據(jù)上風，勝過明智的利用。人類的饑渴使蓄水層的消失要快于補充，從而帶來災(zāi)難性的影響。一張標示各國“地下水足跡”的世界地圖表明，全世界的淡水資源正在被吸干，其中大部分都被用于作物灌溉。根據(jù)該項研究的估測，印度、巴基斯坦和沙特阿拉伯是最為缺水的3個國家。

淡水枯竭的可能性并不是唯一的威脅。抽取地下水，無論是用于灌溉或飲用，對全球海平面上升造成的影響可能要比科學家們預(yù)計的大得多。從地下取水意味著它最終流入大海。許多科學家推定，從地下蓄水層獲取的淡水與全球水壩的攔水量大致相當。但2012年的兩項研究得出的結(jié)論是，事實并非如此。

地下水的開采甚至可以殺死人。地質(zhì)學家今年發(fā)現(xiàn)，從蓄水層抽水轉(zhuǎn)移了西班牙東南斷層的壓力。在2011年5月該地發(fā)生5.1級地震造成9人死亡的悲劇后，研究人員得出結(jié)論，正是因為地下水的抽干造成了地震的提前發(fā)生。

25.瑪雅人迎來新紀元

世界末日沒有來，生活仍將繼續(xù)

你現(xiàn)在能讀到這個故事，古代瑪雅歷法預(yù)計的世界末日肯定已離我們遠去了。

2012年早些時候，考古學家在危地馬拉一處瑪雅文明遺址發(fā)現(xiàn)了一塊刻有2012年終結(jié)日期的石磚。不過，和一些熱衷于末日理論的現(xiàn)代人不同的是，古代瑪雅人并沒有預(yù)言世界會在2012年12月21日終結(jié)。在考古學家們看來，將瑪雅碑文中的“終結(jié)日期”解讀為世界末日根本就是在牽強附會。

美國杜蘭大學馬塞洛·卡努托領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)并破譯了鐫刻在瑪雅遺址22級臺階上的象形文字。這些具有1300年歷史的碑文記述了兩個世紀的政治活動?！斑@段碑文說的是古代瑪雅人的政治歷史，而非對未來的預(yù)言?！?/p>

篇3

數(shù)據(jù)之困

讓我們再看一組足以讓人目瞪口呆的數(shù)據(jù)。IDC曾過一份題為《從混沌中提取價值》的數(shù)字宇宙研究報告，報告顯示，2011年，全球被創(chuàng)建和被復(fù)制的數(shù)據(jù)總量為1.8ZB，而且全球信息總量每過兩年，就會增長一倍。

知道1.8ZB的數(shù)據(jù)是什么概念嗎？它意味著，現(xiàn)在的我們用48小時所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量，幾乎是從人類文明開始到2003年間所有數(shù)據(jù)量的總和。因此，我們已經(jīng)進入一個前所未有的、真正的數(shù)據(jù)大爆炸時代，而這對基礎(chǔ)電信運營商的光線傳輸網(wǎng)絡(luò)帶來了非常嚴峻的考驗。

目前我國各運營商的骨干網(wǎng)流量已經(jīng)達到幾十T比特，北京、上海、廣州等超級核心節(jié)點的流量就已經(jīng)超過T比特的級別。這要求傳送網(wǎng)能夠適配、提供T比特以上的傳送和調(diào)度能力；從長期發(fā)展來看，應(yīng)該有數(shù)T比特的支持能力。同時我們注意到，運營商網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量在增加，但是單位比特收益在降低，所以傳輸?shù)某杀颈仨毾鄳?yīng)地降低；否則，運營商將面臨業(yè)務(wù)量增加，利潤減少的窘境，特別是在超大容量數(shù)據(jù)的承載和傳輸上這種要求尤為迫切。當然，作為商用網(wǎng)絡(luò)，運營商的傳送網(wǎng)還必須滿足易部署、易管理的要求。

而采用傳統(tǒng)的SDH后者WDM技術(shù)很難完全滿足。SDH技術(shù)的響應(yīng)快、效率高，但是容量很難做大，單位成本下降困難；WDM技術(shù)很容易解決容量的問題，但是業(yè)務(wù)響應(yīng)慢，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃復(fù)雜，管理手段簡單。那么，如何才能既解決大容量的問題，又兼顧效率和響應(yīng)速度？這就需要具有大容量屬性的OTN技術(shù)。

OTN崛起

OTN的中文名稱是光傳送網(wǎng)技術(shù)，是以波分復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)在光層組織網(wǎng)絡(luò)的傳送網(wǎng)，能夠解決傳統(tǒng)WDM網(wǎng)絡(luò)無波長/子波長業(yè)務(wù)調(diào)度能力差、組網(wǎng)能力弱、保護能力弱等問題，被公認是下一代的骨干傳送網(wǎng)。OTN處理的基本對象是波長級業(yè)務(wù)，它將傳送網(wǎng)推進到真正的多波長光網(wǎng)絡(luò)階段。由于結(jié)合了光域和電域處理的優(yōu)勢，OTN可以提供巨大的傳送容量、完全透明的端到端波長/子波長連接以及電信級的保護，是傳送寬帶大顆粒業(yè)務(wù)的最優(yōu)技術(shù)。

OTN最初的目標是為大量GE、2.5Gbit/S、10Gbit/s、40Gbit/s以及1 00Gbit/s等大顆粒業(yè)務(wù)提供傳輸通道，為客戶信號提供在波長/子波長級別的傳送、復(fù)用、交換和監(jiān)控能力，在提供豐富帶寬的基礎(chǔ)上，增強節(jié)點匯聚和交叉能力、組網(wǎng)保護和OAM管理能力。隨著近幾年新技術(shù)的引入，OTN也在向著業(yè)務(wù)識別、動態(tài)調(diào)整帶寬等智能化方向發(fā)展，構(gòu)建“用戶可識別、業(yè)務(wù)可區(qū)分、流量可調(diào)控、網(wǎng)絡(luò)可管理”的智能傳輸管道。

華為公司認為，運營商如果采用大容量OTN技術(shù)構(gòu)建海量帶寬資源池，便能夠很好地滿足以上各方面的需求。OTN海量帶寬資源池涉及支線路分離的系統(tǒng)架構(gòu)、T比特OTN、單波40G/100G、WSON等多種技術(shù)。簡言之，其通過支線路分離的架構(gòu)，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)和波長的解耦，解決了網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃難的問題；通過T比特的大容量電層調(diào)度和WSON，實現(xiàn)了快速響應(yīng)和端到端的安全可靠；通過單波40G/100G、PID等技術(shù)，實現(xiàn)了超大容量和低比特成本；通過引入豐富的開銷和提供完善的保護，減輕了維護的壓力。因此，OTN帶寬資源池的建設(shè)有助于運營商應(yīng)對海量業(yè)務(wù)承載所面對的挑戰(zhàn)。市場上，包括華為、中興和阿爾卡特在內(nèi)的主流的OTN廠家已經(jīng)能夠提供成熟的T比特集中交叉，及數(shù)T比特線路容量的OTN設(shè)備。

與“云”共舞

此外，作為未來IT發(fā)展方向的云計算是通過網(wǎng)絡(luò)按需提供可動態(tài)伸縮的廉價計算服務(wù)，提供資源和服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)被稱為“云”，“云”中的資源在使用者看來是可以無限擴展的，并且可以隨時獲取，按需使用，隨時擴展，按使用付費。云計算的基礎(chǔ)是寬帶資源：無處不在的寬帶網(wǎng)絡(luò)，解決海量信息的傳送。云計算需要更高的寬帶、更快的時延，更安全的保障，更低的成本，這需要一個扁平化的承載網(wǎng)絡(luò)。這要求傳送設(shè)備克服“大帶寬”，逐漸向“粗放型”方向發(fā)展，OTN技術(shù)是其必然的選擇，它本身對“跳數(shù)”不敏感，且可以通過“交叉調(diào)度”形成“虛擬光纖網(wǎng)”，幫助實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的扁平化。

光通信專家、中國移動研究院的李允博認為，oTN構(gòu)造了一個帶寬云的概念，打造一個動態(tài)、共享、超大容量、智能可靠的網(wǎng)絡(luò)：通過10G/40G/100G技術(shù)構(gòu)建了大帶寬通道，T比特OTN交叉技術(shù)讓全網(wǎng)共享這些大帶寬通道，傳輸帶寬脫離某個業(yè)務(wù)的捆綁，實現(xiàn)線路帶寬的共享。引入控制平面技術(shù)讓網(wǎng)絡(luò)更加智能、簡單、可靠，提供客戶化的不同保護方式，保護和恢復(fù)相結(jié)合大幅提升可靠性，簡化了維護。關(guān)鍵是在OTN組成的帶寬云中，業(yè)務(wù)可在任何時間、任何地點接入，即插即用，在需要接入業(yè)務(wù)時，直接將接入點接入到帶寬云網(wǎng)絡(luò)中即可。

篇4

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；表面裂紋；纖維彎曲；無損檢測

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0043-02

CFRP全名為碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料，其中碳纖維作為增強相，樹脂基作為基體。與金屬材料相比，CFRP有更好的比強度、比剛度、抗疲勞性、抗腐蝕性和減震性。因為其優(yōu)良的特性被廣泛應(yīng)用于航空航天、體育及休閑用品和建筑等領(lǐng)域。然而CFRP在使用或制造的過程中會出現(xiàn)表面裂紋和纖維彎曲等損傷，比如使用時遭遇沖擊或被尖銳物體劃過表面就會造成表面裂紋，制造過程中快速固化引起殘余應(yīng)力提高便會造成纖維彎曲。這些損傷可以對結(jié)構(gòu)造成致命威脅，引發(fā)重大事故，因此對CFRP結(jié)構(gòu)進行無損檢測顯得意義重大。CFRP是各向異性材料，這使得對CFRP材料表面裂紋與纖維彎曲等損傷的無損檢測研究變得更為棘手。

目前對CFRP進行無損檢測的方法主要有超聲檢測、紅外檢測、渦流檢測、太赫茲時域光譜檢測、聲發(fā)射檢測以及微波檢測等，每種方法有其擅長檢測的缺陷類型。本文就國內(nèi)外研究人員針對CFRP表面裂紋與纖維彎曲這兩類損傷的檢測進行的研究展開介紹，并對今后的研究提出一些看法。

1 CFRP表面裂紋檢測的研究現(xiàn)狀

超聲技術(shù)是目前針對CFRP表面裂紋的一種主要無損檢測方法，不斷有學者在這方面做出創(chuàng)新，激光超聲檢測便是一種新興技術(shù)。1963年，R.M.White發(fā)現(xiàn)激光超聲現(xiàn)象，即用激光束照射到物體時，物體表面10～100μm厚度內(nèi)會激發(fā)出超聲波。對激發(fā)出的超聲波信號進行分析就可以得到物體表面的輪廓信息[1]。自1980年開始，美國學者開始了將激光超聲應(yīng)用于無損檢測的研究，由此產(chǎn)生了激光超聲檢測技術(shù)[2]。20世紀90年代開始將激光超聲技術(shù)用于復(fù)合材料的檢測[3]。后來此項技術(shù)被洛克希德?馬丁空間系統(tǒng)公司獲得，在美國軍方聯(lián)合攻擊機JSF目的競爭以及開發(fā)F22與F35型戰(zhàn)斗機的過程中，該技術(shù)獲得了極大地發(fā)展，在檢測CFRP表面裂紋的能力方面也取得了重大進步[4]。

渦流檢測技術(shù)也是檢測CFRP表面裂紋的一種重要方法。電渦流遇到缺陷時發(fā)生擾動，其在CFRP表面產(chǎn)生的磁場亦發(fā)生變化，通過分析CFRP樣品表面的磁場信號可以得到樣品表面的輪廓信息，檢測出缺陷。2003年，C.Carr等利用基于超導(dǎo)量子干涉儀（HTS SQUID）磁力計的渦流檢測系統(tǒng)對CFRP樣品進行檢測，根據(jù)樣品板表面的磁場分布，檢測出了樣品板表面的裂紋[5]。2005年，R.Grimberg等利用渦流微聚焦傳感器對CFRP板表面進行掃描，利用全息信號處理法處理信號的相位信息，得到了聚焦的較為清晰的圖像，重構(gòu)了碳纖維的分布情況，從而檢測出了表面裂紋[6]。

2015年，中國計量學院的廖曉玲等利用反射式太赫茲時域光譜（THz-TDS）成像技術(shù)對CFRP缺陷進行了無損檢測實驗，獲得了含不同缺陷碳纖維樣品的成像結(jié)果及數(shù)據(jù)。發(fā)射探頭兩側(cè)有多個接收探頭，通過處理接收探頭獲得的反射信號便可重構(gòu)缺陷信息。結(jié)果表明，反射式THz-TDS成像技術(shù)在0.1～3.5THz波段對CFRP中熱損傷、劃傷缺陷、磨損缺陷及孔洞缺陷成像清晰，分辨率較高[7]。

2016年，國防科技大學何S澤等通過電磁感應(yīng)加熱與紅外熱成像測溫相結(jié)合的技術(shù)成功地對沖擊后的CFRP樣品進行了表征和損傷檢查，識別了破碎的碳纖維，檢測出了CFRP表面裂紋缺陷[8]。

2 CFRP纖維彎曲檢測的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對CFRP纖維彎曲檢測的研究起步較晚，2015年，楊玉娥等研究微波信號在復(fù)合材料中的傳播特性，使用N5225A網(wǎng)絡(luò)分析儀對碳纖維的方向和纖維彎曲進行了微波無損檢測研究，用微波信號反射系數(shù)的相位和幅值來表征纖維方向和纖維彎曲缺陷。結(jié)果表明，在頻率為38GHz時可以用反射系數(shù)幅值表征纖維彎曲缺陷，反射系數(shù)幅值最大變化為0.004[9]。

2015年，日本的K.Mizukami等提出了一種探測器來檢測單向CFRP平面內(nèi)和平面外纖維彎曲，基于渦流的非破壞性技術(shù)來表征纖維取向。這種探測器由三個矩形線圈組成，其中兩個相同的線圈共面放置作為激勵，正中間一個接收線圈與兩激勵線圈所在平面垂直放置。通過變換探測器放置的方式，可以測量面內(nèi)纖維波紋度（即纖維彎曲程度）、面外纖維波紋度以及纖維方向角。實驗研究表明，他們所提出的探測器可以檢測出薄的單向CFRP中長度為15.9mm，最大偏移量為1.1mm的面內(nèi)纖維波紋度，也可以檢測出厚的單向CFRP中最大偏移量為3.5mm的面外纖維波度。他們發(fā)現(xiàn)掃描具有平面外波紋的材料獲得的復(fù)平面中的輸出信號變成環(huán)形圖，環(huán)形圖可用于識別平面外纖維波度的存在和位置[10]。

2016年，他們又提出了一種可視化多向CFRP纖維波紋度檢測方法。由于由驅(qū)動線圈感應(yīng)的渦流沿著碳纖維流動，所以如果渦流路徑可視化，纖維波動就可以可視化。他們提出了一種新的復(fù)平面分析方法來將渦流路徑可視化。該方法的有效性通過有限元分析得到了驗證。對多向CFRP試樣進行實驗，在樣品中人工誘導(dǎo)具有6.9°至24.9°的失準角的面內(nèi)波紋。從磁場數(shù)據(jù)可視化渦流路徑，得到了波紋的形狀。將波狀渦流路徑的尺寸與通過X射線計算機層析成像測量的波紋尺寸和光學圖像進行比較，結(jié)果表明，渦流法可以準確地估計表面波度尺寸，但低估了內(nèi)部波動尺寸[11]。

3 展望

國內(nèi)外關(guān)于CFRP表面裂紋與纖維彎曲的無損檢測研究取得了可喜的進步。未來可以在如下方面展開進一步的研究。

（1）目前很少有專門針對CFRP表層裂紋的研究報告，裂紋造成的纖維斷裂對CFRP結(jié)構(gòu)的危害是不容小覷的，希望有擅長檢測裂紋的無損檢測專家對此多加關(guān)注，給CFRP表面裂紋檢測研究提供更多可供參考的文獻。

（2）渦流檢測中用于檢測CFRP表層裂紋的器件主要是HTS SQUID，但是HTS SQUID工作頻率低，此時CFRP中渦流密度很小，信噪比低，并且HTS SQUID體積大，不利于現(xiàn)場檢測操作。因此有必要研究使用方便，可在較高頻率下工作的探頭。

（3）關(guān)于CFRP纖維彎曲的無損檢測研究還非常少，還有很多工作可以做，鼓勵無損檢測各個領(lǐng)域的專家對此展開研究。

致x：感謝福建省傳感技術(shù)重點實驗室和廈門市傳感器技術(shù)重點實驗室經(jīng)費的支持。

參考文獻

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[9]楊玉娥，閆天婷，任保勝.復(fù)合材料中碳纖維方向和彎曲缺陷的微波檢測[J].航空材料學報，2015，35：91-96.

篇5

關(guān)鍵詞:編譯原理;計算思維;課程改革

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1編譯知識在計算機學科中的作用

自從20世紀50年代中期誕生世界上第一個高級語言編譯器――Fortran語言編譯器以來,編譯技術(shù)不斷進步,已經(jīng)成為計算機科學中發(fā)展最迅速、最成熟的一個重要分支。自1966年以來的所有55位圖靈獎獲獎?wù)咧?有近1/3的科學家是因為在程序設(shè)計語言和編譯方面的成就而獲得該項獎勵,可見程序設(shè)計語言和編譯的發(fā)展集中體現(xiàn)了計算機科學發(fā)展的重要成果與精華。計算機應(yīng)用能發(fā)展到今天,編譯技術(shù)的發(fā)展有著極其重要的、不可替代的作用。

五十多年以來,隨著編譯技術(shù)的發(fā)展,有關(guān)編譯原理和技術(shù)的內(nèi)容被逐步引入到了計算機專業(yè)本科教學中。從早期各階段ACM和IEEE的計算機專業(yè)教學計劃,到近年ACM和IEEE聯(lián)合制定的CC 2005,再到我國教育部高等學校計算機科學與技術(shù)教學指導(dǎo)委員會2006年編制的《高等學校計算機科學與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨專業(yè)規(guī)范(試行)》,直至最新的ACM和IEEE聯(lián)合制定的CS2008,都把有關(guān)編譯原理和技術(shù)的知識作為重要教學內(nèi)容列入。目前,我們編譯原理課程的教學內(nèi)容覆蓋了CS2008體系中程序設(shè)計語言領(lǐng)域、算法和復(fù)雜性等領(lǐng)域的多個知識單元。

2編譯原理課程的理論性和技術(shù)性特點

編譯程序的構(gòu)造原理和技術(shù)可以說是計算機科學技術(shù)中理論和實踐相結(jié)合的最好典范。在許多課程的教學中,經(jīng)典理論和先進技術(shù)之間的聯(lián)系往往缺乏具體而形象的例證,而“編譯原理”課程在這方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。形式語言和自動機理論為編譯程序的設(shè)計提供了堅實的理論基礎(chǔ),正是在科學理論的保證下,才形成了一系列先進的編譯程序設(shè)計方法和工具,使得編譯程序的構(gòu)造具有很高的系統(tǒng)性和自動化程度。例如,正是有了有限自動機的經(jīng)典理論,才有了LEX這樣的高度自動化的詞法分析器的自動產(chǎn)生器;正是有了Knuth提出的LR分析方法,才有了YACC這樣的高效的語法分析器產(chǎn)生器,將程序員從繁瑣的代碼編寫中解放出來。編譯課程的教學既要強調(diào)經(jīng)典理論在計算機科學中的重要作用,又要注重介紹利用這些基礎(chǔ)理論來設(shè)計和構(gòu)造編譯程序各模塊的先進方法及工具,可以具體形象地說明經(jīng)典理論與先進技術(shù)的關(guān)系。理論和實踐相結(jié)合是“編譯原理”課程的鮮明特色。

“編譯原理”課程特別強調(diào)運用理論知識進行實踐的能力和素質(zhì),以突出計算機專業(yè)人才培養(yǎng)的特色?！熬幾g原理”是每個優(yōu)秀的計算機專業(yè)人員必修的一門課程。通過編譯程序這一具體的案例,學生可以綜合理解和運用計算機的程序語言、操作系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)等各種軟硬件知識,形成計算機專業(yè)人才特有的系統(tǒng)的專業(yè)知識結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)學習編譯的理論和技術(shù)的過程中,學生一方面對科學理論的基礎(chǔ)作用有了充分的認識,提高了學習經(jīng)典理論的興趣,形成了較高的理論素養(yǎng);另一方面,通過課程綜合性的實踐,分析或改進簡單或復(fù)雜、原型級或產(chǎn)品級的各種編譯程序或工具,也可以提高靈活運用理論知識、設(shè)計較大規(guī)模的軟件來解決實際問題的能力。在課程的學習和實踐中,學生可以深刻體會到理論學習的意義和動手實踐的樂趣。

有許多人認為,如果今后不從事編譯器的開發(fā),編譯知識就顯得并不重要了――事實上并非如此。編譯課程鮮明的理論性和技術(shù)性特點,使得這些知識對于計算機專業(yè)人員來說具有重要作用,甚至可以說是計算機專業(yè)人才區(qū)別于一般計算機人員的重要知識結(jié)構(gòu)。對于將來從事編譯系統(tǒng)設(shè)計工作的學生來說,編譯課程的學習當然可以使他們掌握和理解編譯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作流程以及編譯程序各組成部分的設(shè)計原理和實現(xiàn)技術(shù),獲得分析、設(shè)計、實現(xiàn)和維護編譯系統(tǒng)的初步能力,打下堅實的能力和知識基礎(chǔ);而對于那些將來不從事編譯器研制的學生來說,編譯課程的教學對于提高他們對計算機系統(tǒng)總體認識也具有重要的意義。通過學習編譯的理論和方法,學生可以提高對程序設(shè)計語言的設(shè)計與實現(xiàn)等知識的綜合理解,而這些知識對于準確掌握程序設(shè)計語言,學習新的編程范型,理解程序,開發(fā)出正確的軟件都是不可缺少的基礎(chǔ)。圖靈獎獲得者Perlis教授的名言“To understand a program you must become both the machine and the program”就精辟地說明了這一點。此外,編譯課程介紹的經(jīng)典語言分析方法和工具,對于一些實用的工具和軟件,如自然語言理解、網(wǎng)絡(luò)信息處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分析與實現(xiàn)等領(lǐng)域的軟件或工具的研制,都是很好的基礎(chǔ)。更為重要的是,編譯課程中介紹的一些經(jīng)典的理論和方法,對于傳授計算機科學研究的方法、訓(xùn)練學生的思維都是難得的生動案例。因此,不能把編譯課程片面地理解成為一個介紹編譯程序的課程,而應(yīng)當把該課程的教學放在培養(yǎng)專業(yè)素質(zhì)、訓(xùn)練思維的層面加以認識,特別是應(yīng)當強調(diào)如何在編譯的教學中培養(yǎng)學生的計算思維。

3計算思維及其在編譯理論和技術(shù)發(fā)展中的作用

計算思維(Computational Thinking)是卡內(nèi)基梅隆大學計算機科學系Jeannette M. Wing教授在2006年提出來的先進的教育理念,被認為是近十年來產(chǎn)生的最具有基礎(chǔ)性、長期性的學術(shù)思想,并將成為21世紀計算機科學研究的熱點。

計算思維是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為,它包括了一系列廣泛的計算機科學的思維方法。Wing教授認為,計算思維不僅僅屬于計算機科學家,它將和閱讀、寫作和算術(shù)一樣,是21世紀每個人必須具備的基本技能。計算思維已經(jīng)在其他學科中產(chǎn)生影響,而這種影響在不斷拓展和深入。例如計算生物學、計算博弈理論、納米計算和量子計算等新興研究領(lǐng)域的發(fā)展正在深刻改變生物學、經(jīng)濟學、化學和物理學領(lǐng)域研究的思考方式。

典型的計算思維包括一系列廣泛的計算機科學的思維方法:遞歸、抽象和分解、保護、冗余、容錯、糾錯和恢復(fù),利用啟發(fā)式推理來尋求解答,在不確定情況下的規(guī)劃、學習和調(diào)度等。顯然,這些計算思維方法都可以在許多編譯理論和技術(shù)的發(fā)展中找到痕跡,很多編譯成果正是運用計算思維的結(jié)晶。例如,抽象和自動化是計算思維的兩個重要手段,也是編譯理論和方法產(chǎn)生的基礎(chǔ)。編譯課程中介紹的語法知識描述、詞法分析、語法分析、屬性文法、乃至優(yōu)化等知識點,都體現(xiàn)了面向具體應(yīng)用、從實際問題中抽象出科學問題并運用科學的思維方法進行問題求解的思想,其成果根植于堅實的經(jīng)典理論,并應(yīng)用于實踐,以推動技術(shù)的進步。因此,在編譯課程的教學中,結(jié)合編譯理論和技術(shù)中經(jīng)典的案例培養(yǎng)學生的計算思維,是一條值得探索的途徑。

4結(jié)合編譯案例的計算思維培養(yǎng)

如何培養(yǎng)“計算思維”,是目前計算機教育界非常關(guān)心的問題。例如,在計算機專業(yè)的教學中,有些學校在專業(yè)核心課程中融入計算思維的培養(yǎng);在非計算機專業(yè)的教學中,對計算機導(dǎo)論類或程序設(shè)計類的課程進行改革,針對學科交叉的需求,從教學內(nèi)容和方法上進行改革,培養(yǎng)學生的計算思維?？傮w來說,計算思維的培養(yǎng)應(yīng)該貫穿在大學教育的全過程,甚至在大學之前的教育中。計算思維對于計算機專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了新的要求,我們必須在專業(yè)課程教學中結(jié)合計算思維的培養(yǎng)。

編譯課程的知識體系完整,既有經(jīng)典理論成果奠定的堅實基礎(chǔ),又有在實踐中發(fā)揮巨大作用的先進技術(shù),其中很多知識點都為計算思維提供了很好的詮釋和生動的案例。下面,我們從抽象、自動化、遞歸、問題分解和權(quán)衡等典型計算思維方法出發(fā),探討結(jié)合編譯案例培養(yǎng)計算思維的可能途徑。

(1) 抽象

“抽象”是科學研究的重要手段,也是計算機科學研究的重要工具。在編譯理論和技術(shù)的發(fā)展中,正是運用“抽象”這一有力工具,才獲得了一系列的重要成果。例如有限自動機、形式文法等都是重要的抽象工具,有了這些工具,才能夠把握詞法分析和語法分析等問題的本質(zhì),發(fā)現(xiàn)其中規(guī)律,最終形成一系列的自動分析方法。

(2) 自動化

將抽象思維的結(jié)果在計算機上實現(xiàn),是一個將計算思維成果物化的過程,也是將理論成果應(yīng)用于技術(shù)的實踐。有限自動機、預(yù)測分析程序、算符優(yōu)先分析、LR分析等編譯經(jīng)典方法,都是在抽象的基礎(chǔ)上將知識和控制分離(即分析表加控制程序),從而獲得了經(jīng)典的分析工具,而這種知識和控制的分離也為分析工具的自動產(chǎn)生提供了可能。自動化的思維方法不僅體現(xiàn)在編譯程序本身的工作機制上,更體現(xiàn)在編譯程序的生成工具的研究和設(shè)計上。

(3) 遞歸

許多編譯中的問題都具有明顯的遞歸特征。運用遞歸思維解決復(fù)雜的問題,通常是對問題進行逐步化簡,最后得到了一個規(guī)模非常小、非常簡單、更容易解決的類似問題,將該問題解決后,再逐層解決上一級問題,最后解決了較復(fù)雜的原始問題。編譯中的遞歸下降分析是最直觀的對遞歸思維的運用,此外,基于樹遍歷的屬性計算、語法制導(dǎo)翻譯都是典型的遞歸問題求解。

(4) 問題分解

程序設(shè)計中的“自頂向下、逐步求精”的思想就是一種典型的問題分解的計算思維方法。運用問題分解這種思維方法進行問題求解,首先須做出對問題本身的明確描述,并對問題解法做出全局性決策,把問題分解成相對獨立的子問題,再以同樣的方式對每個子問題進一步精確化,直到獲得對問題的明確解答。在編譯程序的設(shè)計中,通過引入中間語言,將編譯程序劃分成前端和后端,就是一種典型的分解問題的思路。

(5) 權(quán)衡

“編譯原理”課程是一門理論性和技術(shù)性都非常強的課程。理論研究重在探尋問題求解的方法,而在編譯程序的設(shè)計和實現(xiàn)過程中,對于理論成果的研究運用又需要在能力和運用中做出權(quán)衡。這方面一個典型的例子是,我們知道,雖然高級語言的大部機制都可以由上下文無關(guān)文法來描述,但是上下文無關(guān)文法不能完全刻畫高級程序語言的所有規(guī)范,有些語言機制甚至存在二義性。但是上下文無關(guān)文法的分析是高效的,所以我們在編譯程序設(shè)計中依然采取上下文無關(guān)文法來描述高級語言語法,但是在具體實現(xiàn)時,通過改造分析表消除沖突、符號表操作、語義檢查等手段,去實現(xiàn)上下文無關(guān)文法分析所不能完成的功能――這正是在具體實踐中結(jié)合具體問題進行權(quán)衡的結(jié)果。

5結(jié)束語

計算思維的培養(yǎng)不是哪一門課程的教學能解決的問題。對于計算機專業(yè)教育來說,應(yīng)當關(guān)注在各專業(yè)課程中的計算思維的培養(yǎng),強調(diào)對各種原理和方法進行提煉,從思維方法的高度培養(yǎng)學生,使學生能夠應(yīng)用計算思維解決問題。大學計算思維的教育應(yīng)貫穿于整個大學教育,做到學習期間不斷線。

參考文獻:

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[2] 何炎祥,伍春香. 計算機專業(yè)不需要編譯原理課程嗎?[J]. 計算機教育,2009(4):61-62,85.

篇6

【關(guān)鍵詞】 通風系統(tǒng) 適應(yīng)性 人性化 合理化

我國中小型礦山主要分布在東北和西部地區(qū)，并且較分散，開發(fā)的難度也與此相應(yīng)加大，由于技術(shù)限制的因素，通風系統(tǒng)存在較大的安全問題，嚴重影響了礦山的正常開采以及開采人員的人身安全，也對礦山的生產(chǎn)力存在一定的限制因素，現(xiàn)如今對礦山通風系統(tǒng)優(yōu)化改造，保證了礦工人員在井下工作時的安全問題以及對環(huán)境細節(jié)改善的優(yōu)化，通過通風系統(tǒng)把工作時的溫度維持在一個界定范圍內(nèi)，能夠排出礦井內(nèi)的有害氣體和雜質(zhì).達到施工環(huán)境優(yōu)良和施工人員安全作業(yè)標準要求。

1 當前中小型礦山通風存在常見問題

1.1 系統(tǒng)對風量調(diào)控能力較差

測定要素多，并且又缺乏相對應(yīng)風流量調(diào)控技術(shù)，使之流速處于一個動態(tài)自然分配的狀態(tài)，根據(jù)礦山所處地貌特征，礦井路程長，風速難以到達在礦井中上部位置風流量達到40km/h，底端地段的風流量達到12km/h，都達不到所規(guī)定的范圍標準，此外，地下礦井較多，主要扇區(qū)對礦山的主控能力較差，由于扇區(qū)面積與主備井距存在較大差距，風向難以控制，并且主井區(qū)與備用井區(qū)之間存在一個很大的限壓差，通風的效果難以提高，使夏季風難以灌入導(dǎo)致不透風的現(xiàn)狀，冬季又難以被排出，出現(xiàn)氣流回旋，氣壓不穩(wěn)設(shè)備凍裂的現(xiàn)象。

1.2 采場沒有形成貫穿風流

開采場地應(yīng)用對角井、通風管道與上下中繼段貫通，地下表面壓強差小，對流層風力弱，大多采場采用擴充方式散風，所以采場通風難度大。

1.3 礦井風路長，阻力大，系統(tǒng)風量不足

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)的測定標準，至少風量欠吹43.28%，西、南風井的風量已達到63km/h，主、副井口風量已達到42km/h。由于地理位置等因素的影響，東北風段面的風力過小，僅能達到18km/h，并且路途長，阻力大，位于東南方向-42m的井口及-132m的西風井的2臺主機的風扇難以高速旋轉(zhuǎn)到達地表深度位置，導(dǎo)致到達地表深度的風力欠缺不足，尤其在雷雨季節(jié)對流風向偏差較大，主、副之間的通風情況會受到很大程度的阻礙。

1.4 下負壓過大，極易造成漏風、循環(huán)風

多個礦井點同時進行開采作業(yè)時，密封不嚴密，難以控制實際漏風情況。對各個采礦點同時開采，大部分都是原有礦山開采時所常見的問題，便給礦井通風造成了很大的難題。

2 礦山通風改造方案設(shè)計思路

經(jīng)過當今的測量標準和原有施工規(guī)范進行對比，進行如下的改造設(shè)計方案。（1）通風系統(tǒng)?，F(xiàn)在把主扇區(qū)系統(tǒng)改造為量子化多級系統(tǒng)，采用預(yù)警風向Ⅲ級系統(tǒng)，東北風井Ⅵ級系統(tǒng)，特殊地區(qū)風向Ⅳ級系統(tǒng)。（2）支架。運用東北風井為主，西北風井為輔的支架標準體系，減少進口的漏風，控制東、西風井，明天井回風。（3）網(wǎng)路。采用左右對等間隔模式，多個網(wǎng)路共用一口回風井，上下段中行回風，左右段下行回風，回風系統(tǒng)設(shè)置回風閥門，非回風上下段西北風井口底端部位隔斷與回風道的疏通。對等中段間產(chǎn)生氣壓差，導(dǎo)致開采場地貫通氣流循環(huán)路段堵塞，目前在-87m以上的中段位置僅有幾個開采場地投入生產(chǎn)，-130m、-260m中段的采場正在摸索階段，還未形成一定的覆蓋區(qū)域，現(xiàn)將-85m中段位置設(shè)置主通風干道，在今后發(fā)展系統(tǒng)形成后，再把-225m終端設(shè)置為另一主通風干道。（4）風機。在-95m中段西、北風井位置安裝一臺423kwk46-3-32第四級風機，在-200m西、南風井安裝一臺156kwk64-2-69第三級風機。在-280m中段東、北安裝兩臺67kwk128-3-72第二級風機。（5）將通風井段面由5㎡擴寬到8㎡左右。經(jīng)優(yōu)化改造后的風量控制系統(tǒng)，新鮮空氣分流流經(jīng)入上井口，保鮮罐中加工貯存，在疏通管道內(nèi)運輸?shù)街付ú课唬捎谖黠L井只能延伸到-280m中段，就此位置建立二級風機站，待中上部系統(tǒng)改造完善后，下挖北風井至-240m中段位置，并在此地點安裝三級回風機站。三級機站在一、二級機站建好完成后，便可動土施工，即此各個采礦場地通風效果更佳，設(shè)備優(yōu)化系統(tǒng)更加完善。

3 通風系統(tǒng)改造方案的仿真模擬及優(yōu)化研究

筆者以西礦西二盤區(qū)為例，利用山西晉煤工程技術(shù)研發(fā)的通風仿真系統(tǒng)MISA對山西礦西二盤區(qū)以內(nèi)地區(qū)進行通風系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的模擬，并提出有關(guān)三套加強式仿真模擬系統(tǒng)方案。

3.1 仿真模擬方案一

（1）系統(tǒng)概述：保持盤區(qū)內(nèi)部原有的通風系統(tǒng)不變，在盤區(qū)位置上做一些小幅度的變動，把珠江大道西段作為西二盤區(qū)的進風道口，在風口井服務(wù)界線限定內(nèi)，由東街里服務(wù)于1102工作面和西二盤區(qū)2306工作面，西風礦井服務(wù)于1803工作面，路由系統(tǒng)負責掌管珠江路口及翟營大街交叉口。（2）通風仿真系統(tǒng)模擬結(jié)論：1803工作面回風量為8078m3/min、2306工作面回風量為11032m3/min，西二盤區(qū)三隊列挖掘工作面回風量為3080m3/min，1102工作面回風量為9320m3/min，其中路由回風區(qū)立井的回風量為3329m3/min，氣壓強度為4395Mpa，拐角的角度為39.5°；西回風區(qū)立井的回風量為13075m3/min，氣壓值為3385Mpa，角度為22.6°；東湖回風區(qū)立井的回風量為39984m3/min，氣壓值為20722Mpa，角度為-32°。（3）工程量及成本：在原有的基礎(chǔ)上解決西二盤區(qū)的進風進風問題后，還需要在珠江大道與翟營小巷13號東湖盤區(qū)以及東北地區(qū)南開運輸大巷分別動土施工西二盤區(qū)輔助運輸巷，作為當前西二盤區(qū)三道進風口，道路工程量3200m，0.8萬元作為每米道路的施工費，總共施工費用合計2560萬元。

3.2 仿真模擬方案二

（1）系統(tǒng)概述：保持盤區(qū)內(nèi)部原有的通風系統(tǒng)不變，在西盤區(qū)內(nèi)部進風問題上，在西井區(qū)井口底端直接貫穿兩條巖接小巷，解決各盤區(qū)之間的進風問題。在風口井服務(wù)界線限定內(nèi)，由東湖風井口服務(wù)于1102工作面和西二盤區(qū)2306工作面，西風礦井服務(wù)于1803工作面，路由系統(tǒng)負責掌管珠江路口及翟營大街交叉口。（2）通風仿真系統(tǒng)模擬結(jié)論：1803工作面回風量為7806m3/min、2306工作面回風量為13028m3/min，西二盤區(qū)工作面回風量為1349m3/min，1102工作面回風量為3205m3/min，其中路由回風區(qū)立井的回風量為4229m3/min，氣壓強度為4603Mpa，拐角的角度為45°；西一回風區(qū)立井的回風量為12763m3/min，氣壓值為2385Mpa，角度為11.8°；東湖回風區(qū)立井的回風量為32683m3/min，氣壓值為20138Mpa，角度為-18.6°（3）工程量：在解決西盤區(qū)內(nèi)部進風問題上，在西進風口建井，并在井底層硐室處建立兩條瀝青公路與西二盤區(qū)輔助運輸巷和西二盤區(qū)翟營小巷交叉貫通，其中兩條瀝青公路的總長為3000m，每米建設(shè)的成本為0.62萬元，總共施工費為1860萬元。

3.3 仿真模擬方案三

（1）系統(tǒng)概述：原有盤區(qū)內(nèi)部的通風系統(tǒng)不變，看待盤井礦區(qū)井口通風問題上，在東湖回風區(qū)西二道口修建一個直徑為4.0m管道井作為西二盤區(qū)進風井口，在珠江大道與翟營小巷13號東湖盤區(qū)以及東北地區(qū)輔助運輸大巷作為輔助運輸路段使用，主要用在各個小巷道內(nèi)附近修建一組風門將東街里小區(qū)與西一盤區(qū)劃分，不作為進風路段道口使用，在各個風井礦區(qū)服務(wù)范圍內(nèi)，由東湖風井口服務(wù)1102工作面和西一盤區(qū)服務(wù)于2306工作面，路由系統(tǒng)服務(wù)于珠江道口和翟營交叉口路段。（2）通風仿真系統(tǒng)模擬結(jié)論：1803工作面回風量為7234m3/min、2306工作面回風量為10300m3/min，西二盤區(qū)工作面回風量為1285m3/min，1102工作面回風量為3225m3/min，其中路由回風區(qū)立井的回風量為4126m3/min，氣壓強度為4204Mpa，拐角的角度為35°；西一回風區(qū)立井的回風量為13753m3/min，氣壓值為2265Mpa，角度為11.8°；東湖回風區(qū)立井的回風量為31684m3/min，氣壓值為21238Mpa，角度為33.6°（3）工程量：珠江大道與翟營小巷13號東湖盤區(qū)輔助運輸大巷全長246m，按每米的成本價為7.5萬元，費用為369萬元；管道溝深22.4m，開挖體積約為11.25m3，按每立方米挖土1000元，回填土800元計算，費用為20250元，工程費用總計為1855萬元。

4 改造前后通風效果比較

（1）系統(tǒng)排風量為45.62m3/s，與2006年同比上長28.76%，總凈化量為28.97m3/s，同比2004年上浮11.28%，總回風43.23m3/s，比2004年上長8.35%，其中主井進風43.49m3/s、副井進風36.45m3/s南風井出風量為14.86m3/s、北風井進風量為22.35m3/s；系統(tǒng)通風能力比預(yù)期原有系統(tǒng)有大幅度提升。（2）通過對現(xiàn)場32個施工通風量的測定，礦山場地的通風量達標率為87.32%，同比2006、2007年上浮11.32%、8.21%，通風效果得到顯著改善。（3）更換風機后，轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)速度加快，提高了風機工作效率。（4）主、副井之間原有的氣壓差被打破，進入到另一個新的界限，局部地區(qū)采礦場地的通風量明顯增加。（5）節(jié)省勞動力及風機存儲容量。原來生產(chǎn)線共有各類風機52臺，需要技工工日11臺班，普工工日23臺班，現(xiàn)如今需要優(yōu)化改造后風機數(shù)目為23臺，技工工日5.5臺班，普工工日7臺班，其中3臺由原有總裝機容量348.6kW到當今使用功率120kW。

除此之外，在系統(tǒng)優(yōu)化改造過程中，改用西門子技術(shù)對主扇區(qū)進行遠程監(jiān)控，操作平臺設(shè)立在生產(chǎn)控制室內(nèi)，縮短了原有路程差，一方面操作管理人員根據(jù)當?shù)氐V井的生產(chǎn)需要進行地下調(diào)度測量，確保施工的安全。另一方面減少了人員的安排，節(jié)省了每年不必要的開銷。

參考文獻：

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【關(guān)鍵詞】新加坡 中學 科學教育 特點

【中圖分類號】G511 【文獻標識碼】A 【文章編號】1006－9682（2008）12－0073－03

新加坡是一個多種族、多元文化的國家，同時其物質(zhì)資源 十分匾乏。1955～1978 年，新加坡教育以生存為主導(dǎo)，實施雙 語教育。1965 年獨立以后，特別是 1979～1996 年，非常重視 人力資源的開發(fā)，特別是精英人才的培養(yǎng)，對不同學力的學生 從小嚴格篩選與分流，強調(diào)卓越教育，推行以效益為主導(dǎo)的科 學教育。1997 年，新加坡總理李顯龍?zhí)岢觥爸厮伎嫉膶W校，愛 學習的公民（Thinking Schools，Learning Nation）”的教育愿景 后，新加坡的科學教育開始了新的轉(zhuǎn)型，全面推行能力取向的 科學教育改革。使新加坡的科學教育一直保持著很高的質(zhì)量， 為世界各國所矚目。

2008 年暑假，鄭州市教育局組織鄭州市第二屆中學名師赴新 加坡教育部校長學院培訓(xùn)，筆者有幸參加了本次培訓(xùn)與教育考 察。本文就新加坡中學科學教育改革予以概述，以借鑒、啟示我 國當今的新課程改革。

一、大眾教育與精英教育的和諧統(tǒng)一

1．學制改革

新加坡小學學制為 6 年，小四結(jié)束時，通過校內(nèi)考試對學生 進行第一次分流，把學生分為 EMl 和 EM2 兩層。中等教育分中 學和中學后（post-secondary）兩個階段。小六結(jié)束時，參加國家 的小學畢業(yè)考試（PLSE），根據(jù)成績讓學生分別學習中學的三類 課程：特別類（special）、快捷類（express）和普通類（normal）。 中學畢業(yè)后，參加普通水準教育證書考試（GCE O level，相當于 我國的中考）或初級水準教育證書考試（GCE N level），根據(jù)考 試成績分別升人不同類型的中學后：大學預(yù)科（pre-university）、 理工學院（Polytechnics）和工藝教育學院（Institute of Technical Education）。

為了使盡可能多的學生接受更長時間的科學教育，從 1994 年起在初級中學引入普通類課程的工藝（technical）分支，以適 合學力較弱學生，這就把普通類課程分為普通類（學術(shù)）和普通 類（工藝）兩支。一般情況下，小學升中學進入各類課程的比例 為：特別類 10%，快捷類 50%，普通類（學術(shù)）25%，普通類（工 藝）15%。

在中學的中一至中二，所有的學生都必須學習綜合性科學課 程。到中三和中四時，對于特別類和快捷類學生來說，科學課程 是核心課程，必須至少學習一門科學課程；普通類（學術(shù)）可以 選修科學課程，而普通類（工藝）學生則不學習科學課程。教育 部規(guī)定從 2006 年開始，普通類（工藝）的學生可以選修普通課 程（學術(shù)）的任何科目，這個規(guī)定勢必會使更多的學生接受較高 層次的科學教育。

中四結(jié)束時，特別類和快捷類學生參加普通水準教育證書考 試；而普通類（學術(shù)）和普通類（工藝）參加初級水準教育證書 考試，成績優(yōu)異者可以進行中五的學習，然后參加普通水準教育 證書考試，這為學力較弱的學生提供成為社會精英的機會。由于 普通水準教育證書考試包括科學課程，這樣又會使普通類學生中 學習科學課程的比例有所增加。

原來新加坡的三類課程之間的界限是涇渭分明的，各類學生 不能互轉(zhuǎn)。90 年代以后，教育部放權(quán)給學校，學?？梢愿鶕?jù)學生 的學習成績、校長和教師的評估，安排學生從一類課程轉(zhuǎn)入另一 類課程，尤其是放寬對普通類（工藝）學生的限制，鼓勵更多的 成績優(yōu)異者轉(zhuǎn)人普通類（學術(shù)）。原來僵硬的界限有所軟化，增 大了各類課程的彈性，在一定程度上促進大眾教育與精英教育之 間的融合。

中學后的科學教育進一步分化。普通水準教育證書考試成 績最好的學生（約 30%）進入大學預(yù)科，包括初級學院（Jun-for Colleges 兩年制）和高級中學（Centralized Institute 三年制）。 這些學生中 80%的人可以升入大學，是新加坡未來的社會精英。 他們根據(jù)興趣愛好以及高級水準教育證書考試（GCE A level， 相當于我國的高考）的要求從數(shù)學與科學領(lǐng)域中選學 1～3 門。 成績一般的學生（約占 50%）進入理工學院（三年制），他們主 要學習技術(shù)類和應(yīng)用類的課程。但是，他們也會通過工程類課 程學習一些科學知識。成績較差的學生進入工藝教育學院（一 至兩年），主要學習職業(yè)性的課程，進行職業(yè)訓(xùn)練，不再學習科 學課程。

另外，1983 年，根據(jù)高才教育論學者崗尼（Francays Gagne） 教授提出的天賦與才能差別模式，新加坡教育部推出了高才班計 劃（Gifted Education Programme）。崗尼認為，外在因素（如課 程與環(huán)境）以及內(nèi)在因素（如學生的個性、面對問題時的毅力等）， 對天賦能否發(fā)展為才能舉足輕重，應(yīng)該盡早發(fā)現(xiàn)兒童的天賦，提 供適合他們學習進度的課程。課程挑戰(zhàn)他們的思維，并讓他們有 機會與聰穎的同輩交流，將有助于發(fā)揮潛力，讓“天賦”發(fā)展為 “才能（talent）”。高才班計劃的目標是提供學生學習的深度與廣 度，注重培養(yǎng)學生的批判與創(chuàng)意思維。目前，每批學生當中有 1% 在小三通過高才班測試后，可選擇進入高才班計劃。中學的高才 班計劃則在 2006 年取消，改以學校高才教育（School-Based Gifted Education）形式進行。其課程由學校自行設(shè)計，教育部高才班部 門給予協(xié)助。目前，參與學校高才教育的學校有萊佛士書院、萊 佛士女中、英華學校（自主）、南洋女中、華僑中學、德明政府 中學與國大數(shù)理中學。

2．課程改革

新加坡所有的學生在小三至小六、中一至中二都要學習綜合 性科學課程，這些將成為構(gòu)建他們一生科學素養(yǎng)的基礎(chǔ)。在中一 和中二，特別類、快捷類和普通類（學術(shù)）的科學課程標準是完 全一樣的。普通類（工藝）有單獨的科學課程標準，除了有 6 個 單元的核心內(nèi)容外，還有 3 個選學單元，學生可以從中選學 1 個 單元，中三學生的選擇余地更大，不同類的、不同興趣愛好的學 生可以選擇不同科目、不同類別、不同難度的科學課程。特別類 和快捷類學生必修一門科學課程，可以從物理、化學、生物、混 合科學（物理＋化學）（物理＋生物）（化學＋生物）中選擇。另 外，他們還可以再選修若干門科學課程。普通類（學術(shù)）的科學 課程是選修的，學生可以從三種混合科學科目中選擇。

各類 課程 的難 度和 要求 不同 。中 學分 科設(shè) 置的 物理 課程

（5052）要求相對較高，包括 75 個知識點，涉及 75 個數(shù)學計算 公式，要求學生掌握 33 個物理量，并給出其中 16 個物理量的定 義。而混合科學（物理+化學 5152）（物理+生物 5153）中的物理 部分完全相同，內(nèi)容較少，要求也較低，都包括 52 個知識點， 有 15 個數(shù)學計算公式。

大學預(yù)科生可以選修不同的科學課程，同類課程中還有選學 的余地。他們可以學習物理（9246）或物理（9248），兩者的區(qū) 別主要是實踐操作方面的要求，后者略高，它們的知識內(nèi)容完全 相同，核心內(nèi)容有 6 個部分，占 90%，選學內(nèi)容占 10%，有 4 個部分。物理課程還可以分為 H1，H2 兩個層次。H2 等同于高 級水準教育證書考試的要求，Hl 是 H2 內(nèi)容范圍的一半，但深度 與 H2 相似，學生可以根據(jù)自己的情況和將來大學方向的專業(yè)要 求選擇 H1 和 H2。另外，還有更高級的層次 H3 為學生提供更多 的學習機會，主要有高級內(nèi)容、研究報告和大學模塊等，但不屬 于證書考試的內(nèi)容。

精英教育中的科學課程難度較大。首先，數(shù)學工具要求較高。 物理課程中不但涉及初等數(shù)學許多內(nèi)容，而且還涉及高等數(shù)學中 的微分和積分。其次，包括大量的普通物理內(nèi)容，為少數(shù)學生準 備的 H3 層次更是直接學學中的物理課程內(nèi)容，難度更大。 這些內(nèi)容為一部分學力較強的、將來打算從事與物理學有關(guān)的科 學研究工作的學生提供了充分的學習機會，有利于他們盡快地脫 穎而出。

為不同的學生提供不同類型、不同難度的科學課程，增加學 習的自主性，同時為了兼顧大眾教育和精英教育，盡可能做到因 材施教，人盡其才。

二、經(jīng)典科學與現(xiàn)代科學的合理平衡

如何處理好經(jīng)典科學與現(xiàn)代科學之間關(guān)系的問題一直困擾 著課程內(nèi)容的選擇。新加坡的科學課程改革力爭在經(jīng)典科學與現(xiàn) 代科學之間尋求一個比較滿意的“平衡點”，保持經(jīng)典科學內(nèi)容 和現(xiàn)代科學內(nèi)容之間的“合理張力”。物理（5052）包括 5 個部 分，前 4 個部分是物理學基礎(chǔ)、熱學基礎(chǔ)、波、電和磁，屬于經(jīng) 典物理的內(nèi)容，第 5 部分是現(xiàn)代物理部分――核物理基礎(chǔ)，涉及 原子核和放射性，其中，第 4 部分中的簡單電子學也是屬于現(xiàn)代 物理的范疇。物理（9246，9248）的核心內(nèi)容由 6 部分組成，前

5 個部分屬于經(jīng)典物理：基礎(chǔ)物理、牛頓力學、物質(zhì)、振動和波、 電和磁。第 5 部分中的電子學（包括理想放大器、放大電路）和 第 6 部分是現(xiàn)代物理，第 6 部分包括帶電粒子、量子物理和核物理三章，涉及光子、光電效應(yīng)、波粒二象性、原子中的能級、原 子核、質(zhì)能關(guān)系和結(jié)合能、核反應(yīng)、放射性衰變等。選修內(nèi)容中 涉及現(xiàn)代物理的有：X 射線、核磁共振、激光、晶體結(jié)構(gòu)等現(xiàn)代 物理的內(nèi)容約占總內(nèi)容的 15%～20%。

三、理論知識理解、應(yīng)用與實踐操作的有機結(jié)合

1．重視科學知識的理解

科學課程精簡了內(nèi)容，節(jié)省時間和空間以便集中于核心知 識。比如，物理（5052）只要求學生掌握 33 個物理量，并給出 其中 16 個物理量的定義，通過精選核心概念來強化學生對科學 概念的深度理解。另外，重要的、難度較大的科學概念循環(huán)地出 現(xiàn)，物理（9246，9248）與物理（5052）重復(fù)的物理知識有：矢 量、速度、加速度的曲線分析、力矩、動能、勢能、功、功率、 波運動的描述、橫波和縱波、電流、電勢差、電阻、電磁感應(yīng)定 律、原子核、放射性等。

2．強調(diào)知識的理解與應(yīng)用間的結(jié)合，使理解與應(yīng)用共同促進學生學習科學。

物理（5052）有兩章是專門討論物理知識的應(yīng)用：實用電學（包括電的危險、家庭安全用電）和簡單電子學（包括示波器的 使用、電路部件的作用和使用、邏輯門和連接等）。其它章中也 有一些節(jié)是討論應(yīng)用的。例如，電磁波的應(yīng)用、靜電的應(yīng)用、電 流磁效應(yīng)的應(yīng)用、放射性同位素的使用等。物理（9246，9248） 中的應(yīng)用部分更多。其中，選修 C 材料物理，選修 M 醫(yī)學物理 和選修 P 環(huán)境物理都專門探討物理知識的應(yīng)用，分別包括晶體的 結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)和材料試驗，醫(yī)學成像、醫(yī)學治療、視覺中的物 理和聽覺中的物理，動力源、能量消耗、熱機和污染等。

3．重視以科學探究為核心的實踐（practical）操作活動，使科學實踐操作與理論知識的理解與應(yīng)用形成有機結(jié)合。

物理（5052）要求學生掌握 5 個測量實驗和 9 個建立在物理 規(guī)律上的實驗，例如，用量筒測量液體與固體的體積，與全反射 定律有關(guān)的實驗等，這些實驗涉及 16 種重要的儀器設(shè)備，物理（9246）的課程評價目標有一部分是“實驗技能和探究”，要求 學習者：①設(shè)計探究，選擇技巧、儀器設(shè)備和材料；②安全地、 有效地使用技巧、儀器設(shè)備和材料；③進行觀察、測量、估計并 記錄；④解釋和評估觀察和實驗的資料；⑤評估方法和技巧，并 進行可能的改進。物理（9248）對實踐操作要求更高，明確規(guī)定： 學習者至少把 20 課時的學習時間用于實踐部分和它的評價。

另外，新加坡教育部還通過考試進一步強化科學實踐操作。 普通水準教育證書考試的物理（5052）分理論卷（試卷 1 和試卷2，共 120 分）和實踐卷（試卷 3）。試卷 3 用時 1.5 小時，包括 2 個實驗，共 30 分。高級水準教育證書考試的物理（9246）分理 論卷（試卷 1、試卷 2 和試卷 3，共 260 分）和實踐卷（試卷 4）。 試卷 4 是校本科學實踐評價（SPA），64 分，占總分的 20%。該 試卷評價學生的 4 種探究技能：計劃、實施、分析、評估。物理（9248）的實踐卷包括試卷 4 和試卷 5，試卷 4 是實踐測試，2小時，34 分，包括 2 個必做的實驗。試卷 5 是設(shè)計問題，1 小時，16 分，包括 2 個必做的設(shè)計練習，每個 8 分。 新加坡的科學課程考試中，理論卷會涉及部分實驗技能和探究，實踐卷中可能會涉及有些對實驗結(jié)果的計算，理論與實驗之 間并不截然分開。雖然理論學習和實驗操作是科學課程不可分割 的兩個組成部分，但是，兩者對學生的要求畢竟有一定的差異性。

外，根據(jù)加德納的多元智能理論，不同的學生具備不同的智能， 可能有些學生更擅長理論學習，另一些學生則更擅長實驗操作。 那么，考試就應(yīng)該讓學生有更多的機會展示自己掌握了什么。新 加坡的實驗考試在這方面就做得很好，在實驗卷中盡可能不涉及 理論知識方面的掌握情況，僅考核考生實驗方面的技能。這一點 是與現(xiàn)代科學教育所倡導(dǎo)的“評價的目的是了解學生理解了什 么”，而不強調(diào)“了解學生有哪些還不知道”相一致的。

四、課程與信息技術(shù)的有機整合

1997～2002 年，新加坡啟動了教育信息技術(shù)計劃 MITE、 MITE1 完成后，教育部又啟動了 MLTE2，時間從 2003～2007 年。 MITE 的目的是鼓勵學生的學習、通過使用信息技術(shù)來加強課程、 教學和評價方法之間的聯(lián)系，并激發(fā)學生獨立地、創(chuàng)造性地思考 和實驗。

根據(jù) MITE 計劃，新加坡的科學教育改革把科學課程與信息 技術(shù)的整合作為一個重點，希望通過課程與信息技術(shù)的整合盡可 能創(chuàng)設(shè)有利于高水平思維的學習情境，加深學生對科學知識的理解，促進學生批判性、創(chuàng)造性思維能力和解決問題能力的培養(yǎng)。在物理（5052）和物理（9246，9248）的課程目標中都提出，要 求學生意識到信息技術(shù)在通信中的重要性，以及使用信息技術(shù)作 為一種實驗的輔助手段，并作為實驗結(jié)果和理論成果解釋工具的 重要性。

科學課程標準中還專門規(guī)定了要求教師在教學中要盡可能 使用信息技術(shù)的地方。比如，物理（5052）要求在繪出和解釋冷 卻曲線、把電場描述為電荷受到一種力作用的一個區(qū)域等處使用 信息技術(shù)；物理（9246，9248）要求在解釋和使用疊加原理、回 憶和使用庫侖定律等處整合信息技術(shù)。信息技術(shù)與物理課程整合 的內(nèi)容在物理（5052）中約占 15%，在物理（9246，9248）中所 占的比例接近 20%。

這些舉措為了學生將來能夠更好地適應(yīng)信息技術(shù)時代，它也是新加坡建立“信息島”國家戰(zhàn)略的一個重要組成部分。

五、分科課程與綜合課程的有機互補

中一至中二所有學生都學習綜合科學課程，可以發(fā)揮綜合 課程較全面地培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的優(yōu)勢。在中三和中四，特別 類和快捷類學生的認知發(fā)展水平較快，達到皮亞杰的形式運算 階段的比例較高，所以科學課程對知識的深度有了一定的要求， 可以選擇分科的物理、化學和生物，也可以選擇混合科學。有 意升大學預(yù)科的、將來從事專業(yè)性科學工作的學生往往選擇分 科課程，能夠較系統(tǒng)地學習某一科學學科的知識?；旌峡茖W雖然內(nèi)容是分立的，但形式上是綜合的，屬于“準綜合科學課程”， 它既可以擴大學生學習科學知識的范圍，也可以對知識上的系 統(tǒng)性有一定保證，比較適合將來升入理工學院或者不專門從事 科學工作的學生學習。同樣，由于普通類（學術(shù)）學生的認知 發(fā)展相對較緩慢，只要求他們選學混合科學課程，給他們提供 比較寬泛、相對淺顯的科學內(nèi)容，加深他們對科學的理解，更 好地提高他們的科學素養(yǎng)。

大學預(yù)科生主要為將來的大學學習做好準備，所以開設(shè)分科課程，讓他們較系統(tǒng)、深入地學習物理、化學或生物。但是由于 這個階段的分科課程專業(yè)性較強，也會造成這些學生視野不寬、 解決現(xiàn)實生活中實際問題能力的欠缺等弊端。為了緩解分科課程的弊端，新加坡在大學預(yù)科階段實施更廣泛、更靈活的課程，積 極倡導(dǎo)課程綜合化。1997 年以后，教育部對各門課程的內(nèi)容都進 行了精簡，留出時間給跨學科的綜合性課程和綜合實踐活動。開 設(shè)的綜合 性課 程都是以 學習 技能為主 的課 程，包括 專題 作業(yè)（project work）和知識與探索（knowledge & inquiry）。專題作業(yè) 要求學生綜合各學習領(lǐng)域的知識，在現(xiàn)實生活的情境中加以運 用，并加強協(xié)作、獨立學習以及掌握溝通技能。知識與探索要求 學生理解以及綜合從不同領(lǐng)域獲得的知識，鼓勵學生進行科學、 人文、數(shù)學及美學等方面的研究與評價。課程著重理解、思考與 主要的推理技能的掌握。專題作業(yè)和知識與探索的課程標準都已 經(jīng)頒布。為了加強綜合性課程的落實，從 2005 年起，規(guī)定大學 錄取的總分中專題作業(yè)占 10%，知識與探索可以替代“理解與寫 作”。專題作業(yè)的評價分小組和學生個體兩方面，兩者各占 50%。 鼓勵學生既要注重個人表現(xiàn)，更要重視小組合作，具體評價標準 見下表。

這些綜合性的課程在培養(yǎng)學生處理問題的能力、溝通能力， 促進學生進行批評性和創(chuàng)造性的思維方面，發(fā)揮了與分科科學課 程互補的作用。

參考文獻

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