物理学前沿第一章物理学与高科技

物理学基础与前言专题课程主要参考书[1]王顺金主编.物理学前沿——问题与基础.北京：科学出版社，2013物理学是基础学科，每一次物理学中的重大发现都对科学技术的发展和更新都有深远的影响，反过来，科学技术的发展都需要物理学基础知识和前言知识。科学技术与社会经济密切相关，物理学更是如此，因此，对物理学的发展的前沿问题的讨论，应当放在社会经济发展的背景下来考察。1.科学技术1.1科学科学和文化一样，是个难以界定的名词，人们更多地是从一个侧面对其本质特征加以揭示和描述。以英国著名科学家J．D．贝尔纳·（1901—1971）为代表的科学家们认为，科学在不同时期、不同场合有不同意义。科学有若干种解释，每一种解释都反映出科学某一方面的本质特征。到目前为止，也还没有任何一个人给科学下的定义为世人所公认。由于科学本身也在发展，人们对它的认识不断深化，给科学下一个永世不变的定义，是难以做到的。现在，让我们沿着历史的轨迹，把众多的科学定义、解释加以概括，提出为多数人可以接受的共同概念，通过这一概念的阐述以加深我们对“科学”的理解和认识。1.科学技术1.1.1科学是人对客观世界的认识，是反映客观事实和规律的知识准确掌握科学这个概念的实质，主要的是加深对“事实”和“规律”的认识。事实可以是历史事实、社会事实、自然界的事实和其他事实，科学就是发现人们未知的事实，如化学家发现的新元素，经济学家发现的资本主义经济危机，都是事实。发现这些人所未知的事实的人，就是科学家。美国科学家H.戴维（1778－1829）发现的钾和钠，尽管它在世界上早就存在，但过去没有人发现过，那是因为以前没有电解技术能把它们分离出来，戴维把它们分离出来了，使人们看到了，所以他成了科学家。又如居里夫人（1867－1934）发现镭、钋等天然放射性元素。原苏联经济学家N．D．康德拉季耶夫（1892－）发现的资本主义经济“长波理论”，至今还被许多经济著作引用，这是因为大家承认他发现的是事实。1.科学技术康德拉季耶夫的资本主义经济“长波理论”“长波理论”是1926年俄国经济学家康德拉季耶夫提出的一种为期50-60年的经济周期。该周期理论认为，从18世纪末期以后，经历了三个长周期。第一个长周期从1789年到1849年，上升部分为25年，下降部分35年，共60年。第二个长周期从1849年到1896年，上升部分为24年，下降部分为23年，共47年。第三个长周期从1896年起，上升部分为24年，1920年以后进入下降期。强调用资本主义经济的内在原因而非外来得偶发因素解释长波起因，将经济长波归因于主要固定资本产品的更新换代引起的经济平衡的破坏与恢复。1.科学技术什么是规律呢？人类在生产生活实践中发现事物之间有千丝万缕的联系，这种联系就是规律。这种反映客观事实之间联系的准确判断就是发现了规律，这种规律，就是学问，就是知识，也就是科学了。这里所说的联系或规律，也称法则，即事物发展过程中事物之间内在的、本质的、必然的联系。它是在一定条件下可以反复出现的，是客观的。人们只能发现它，但不能创造它。1.科学技术1.1.2科学是反映客观事实和规律的知识体系20世纪初，人们认识到科学是由很多门类交织组成的知识体系。此时，数学、物理、化学、天文、地理、生物等基础科学和电力、机械、建筑、钢铁、医药等工程科学及管理科学都比较成熟了。科学已不只是事实或规律的知识单元，而是由这些知识单元组成学科，学科又组成学科群，形成了一个多层次组成的体系。科学家是系统掌握某一方面知识并能利用这些知识对诸多现象作出解释的人。科学史表明，科学家不只是知识的发现者，更重要的还是知识的综合者。因此，大部分辞书给科学下的定义都强调“科学是知识体系”，认为“科学是关于自然、社会和思维的知识体系”，科学是反映客观事实和规律的知识体系。1.科学技术1.1.3科学是一项反映客观事实和规律的知识体系相关活动的事业第二次世界大战以后，人们的科学概念发生了巨大变化。那种把科学概念仍停留在本世纪初，认为只是反映事实和规律的普遍客观真理的知识体系的认识已经不够了。科学研究经过16世纪伽利略时代个体活动到17世纪牛顿的松散群众组织皇家学会时代，又到爱迪生（1847—1931）的“实验工厂”的集体研究时代，尔后是本世纪40年代美国实现曼哈顿计划研制出原子弹的国家规模建制的时代，最后是今天国际合作的跨国建制时代。自战后科学活动进入国家规模以来，人们已把科学称为“大科学”，认为“科学是一种建制”，即科学已成为一项国家事业，从而使企业和政府都直接参与了科学事业，实现了科学家与企业家、政治家的结合。1.科学技术1.2技术技术——人类在利用自然和改造自然的过程中积累起来并在生产劳动中体现出来的经验和知识，也泛指其他操作方面的技巧。古希腊亚里士多德曾把技术看作是制作的智慧。在罗马时代，工程技术发达，人们对技术不只看到“制作”这实的方面，也看到了是“知识形态”虚的方面。17世纪，英国培根（1561—1626）曾提出要把技术作为操作性学问来研究。德国哲学家康德（1724－1804）也曾在《判断力批判》中讨论过技术。尔后人们提出了“技术论”。到18世纪末，法国科学家狄德罗（1713－1784）在他主编的《百科全书》条目中开始列入了“技术”条目。他指出：“技术是为某一目的共同协作组成的各种工具和规则体系”。许多辞书上的技术定义，基本上没有超出狄德罗的技术概念范畴。1.科学技术1.3技术与科学的关系科学与技术是辩证统一的整体，科学中有技术，如物理学有实验技术；技术中也有科学，如杠杆、滑车等也有力学。技术产生科学，如射电望远镜的发明与使用，产生了射电天文学；科学也产生技术，著名例证，如下所示：1831年发现电机原理1882年、生产出发电机1862年发现内燃机原理1876年生产出内燃机1925年发现雷达原理1935年制造出雷达1928年发现青霉素1943年生产出青霉素1938年发现核裂变1945年造出原子弹1948年发现半导体1954年生产出半导体收音机科学是创造知识的研究，技术是综合利用知识于需要的研究。1.科学技术1.4科学与技术的区别：1.4.1目的不同：科学的目的在于解决理论性问题；技术的目的主要是为了解决生产实施性问题。（科学回答的是“是什么”、“为什么”，技术回答的是“做什么”、“怎么做”）1.4.2任务不同：科学的任务在于探索自然现象存在什么客观规律，以形成科学基本原理与定律；技术的任务则是围绕社会经济建设发展需要，研究采用什么措施才能制造出产品与提高产品质量。（科学提供物化的可能，技术提供物化的现实）1.科学技术1.4.3科学一直是公开的，技术是比较保密的：科学一直是公开的，是没有什么直接的经济利益可收的；技术则不同，生产技术是直接与经济利益挂钩的，为了垄断技术发明权的经济利益，故技术是比较保密的、不公开的。（科学是发现，技术是发明）区别科学与技术的目的，不是将它们分开，而是要更好的统一考虑。注重技术时要想到科学，注重科学时要考虑技术。对于科学来说，技术是科学的延伸；对于技术来说，科学是技术的升华。1.科学技术

科学技术现已成为一个统称。这是因为技术必须有科学理论的指导才能提高，而科学又必须靠技术所创造的物质基础才能获得发展，二者这种不可分割的联系，便有机地构成了科学技术的统称。1.科学技术2.三次技术革命技术革命：指生产技术上的根本变革。例如从用体力、畜力生产改为用蒸汽做动力生产，用手工工具生产改为用机器生产。2.1第一次技术革命：是以英国为代表的蒸汽机时代。1774年，英国格拉斯哥大学的一名年轻的仪器修理工人瓦特，针对纽可门蒸汽机存在缺点，参考了不少热力学有关资料，请教了校内布拉克教授，认真对纽可门蒸汽机进行分析研究。1776年，第一台实用型瓦特蒸汽机便开始在布鲁姆菲尔德煤矿投入使用。瓦特蒸汽机与已有的纽可门蒸汽机相比有很大优势，它可以提高工效5倍；可以节约燃料75％；与任何工具机连接都可使用。工业革命对动力机械的迫切需要促进了蒸汽机的发明与改进，故一当蒸汽机获得了实用的时候，很快便得到了广泛的采用。2.三次技术革命2.2第二次技术革命：是以欧美19世纪下半叶至20世纪初兴起的电气时代。蒸汽机不仅笨重，而且效率低，启动不方便，逐渐被内燃机、汽轮机和燃气轮机所代替。而内燃机和其他一系列新型热机的出现，虽然效率有了提高，启动方便，但也不能把产生出来的机械能分散输送到各地方工作机使用，只能适应机动的汽车、机车、飞机和固定集中的工作机使用。科学和技术的发展已经完成了开发和使用电能的全部准备，于是便又发生了近代技术史上的第二次动力技术革命——用电力代替直接使用蒸汽动力的革命。静电现象的发现，早在古代希腊的泰利斯的著作中便有记载，我国东汉时期的王充也有“顿率掇齐”的描述，意思是琥珀经过磨擦后，能吸引轻微物体。然而电能真正为人们生产所使用，一直到19世纪中叶才开始。静电现象发现后，人们经过漫长的岁月，才从静电时代进入电动时代。电力技术的成功，使美、欧、日纷纷把电力建设作为国家承建工程的重点。美、欧、日超大型电力系统、以电为中心的超大型联合企业和国家电气化计划纷纷建立和筹划。世界范围内兴起的电气化热潮，使人类迎来了“电气化世纪”，完成了第二次技术革命。2.三次技术革命2.3第三次技术革命：第三次技术革命的基础：实验基础：1895年德国慕尼黑维尔茨堡大学校长兼物理研究所长、物理学教授伦琴发现X射线（伦琴射线），人们为了纪念他的伟大发现1901年，伦琴荣获世界首次颁发的诺贝尔物理学奖。1897年英国汤姆逊发现电子，证实电子的普遍存在，是具有非常重大的历史意义。它首先打开了原子不可再分观念，使人们清楚认识到物质结构是有层次的。汤姆逊因发现电子而荣获1906年度的诺贝尔物理学奖。2.三次技术革命放射性元素的发现：1896年法国物理学家贝克勒尔为求证荧光或磷光物质是伦琴射线的来源，发现铀具有放射性现象。并发现空气被铀化合物发出的射线所电离；1898年7月波兰裔的法国女科学家玛丽.居里与他的丈夫法国科学家皮埃尔.居里提炼出比纯铀强度大400倍的放射性元素，并命名为钋，以表明将她的成就作为纪念祖国波兰的意思。同年12月发现比纯铀强度大900多倍的放射性元素镭。钋与镭两种放射性元素相继发现是物理学史上、甚至是科学史上空前伟大的发现，从此，开辟了放射性科学的新园地，同时也开创原子物理学新纪元。居里夫妇及贝克勒尔共同荣获1903年度的诺贝尔物理学奖。2.三次技术革命理论基础：1900年德国物理学家普朗克从热辐射和原子光谱的关系中，建立了量子论。它的对象是原子、分子、以及其他粒子，是研究物质结构的理论基础。1905年德国犹太物理学家爱因斯坦首先建立了狭义相对论。提出了与传统概念截然不同的时间与空间相对性概念。此后，再又根据自由落体速度与物体重量无关的现实，结合自己建立狭义相对论引申出引力场与非惯性系统等效关系，在1916年建立了广义相对论。狭义相对论不仅能解决了电磁场变换问题，而且成为了今天高能物理和原子能应用的基础。对于宇宙结构方面，广义相对论是一门主要的理论基础。2.三次技术革命技术的发展，是以自然科学为理论基础的。19世纪末和20世纪初，在物理学方面，由于电子、X射线、放射性元素的发现，以及相对论和量子论的创立，导致了物理学和其他自然科学的革命性变革，在此基础上使物理学、化学、生物学、天文学和地学等基础科学从经典形态发展到现代形态。产生了一批崭新的交叉自然科学，使自然科学理论发展到新的现代水平，为第三次技术革命创造了良好的实验基础与理论基础。这一庞大的现代自然科学群为高技术的诞生和发展提供了基础理论背景和前提条件。2.三次技术革命第三次技术革命是以20世纪40年代开始发展的原子能、电子技术、激光、生物工程等应用时代。是以微电子技术，信息技术、生物工程技术、新材料、新能源、航天、海洋，和核技术等新兴技术的发展和广泛应用为特点。这些技术发展将使社会的生产和生活发生巨大的影响。新的科学技术项目不断地还在增长，突出地显示出了第三次技术革命所出现的科学发展盛况。据不完全统计，现在已有二千多种科学技术了，并且还在继续出现新的科学技术领域，在这滚滚的科学技术发展洪流中，新能源技术、信息技术、新材料技术、生物技术、航天技术、海洋技术已经形成了当今科学技术发展的主流，是我们当前发展科学技术主攻方向。2.三次技术革命3.21世纪的高科技与知识经济科学技术与社会经济密切相关，物理学更是如此，因此，对物理学的发展的前沿问题的讨论，应当放在社会经济发展的背景下来考察。3.1知识经济时代人类社会大体经历了三个经济时代3.1.1漫长低级的农业经济时代。这一时代的持续时间大体是公元前5000年至公元16世纪。其特点：社会经济主要是依赖自然界的养殖业与农业；生产力低下，经济的区域性强；社会生产对环境的破坏力小，人与自然和谐发展。这一经济时代的成就是造就了古代文明。3.21世纪的高科技与知识经济3.1.2高速增长的工业经济时代。这一时代的持续时间是17-20世纪。以机械工业为骨干，其特点：经济社会以蒸汽机、内燃机、电力等为动力，以机械工业为骨干，以自然资源为原料；生产力高度发展，生产社会化与全球化的程度很高；社会生产对环境的破坏很大。这一经济时代的成就就是造就了现代文明。3.21世纪的高科技与知识经济3.1.3科学合理的知识经济时代。这一时代可以认为从21世纪正式开始。其特点是：整个社会的生活和生产均以知识为基础，科技知识和人文知识及其相应的信息支撑着社会经济生产中的生产、流通、管理、分配、消费等各个环节；劳动者熟练地运用高科技知识，知识本生成为产品和商品；自然资源得到合理的利用，生产和经济保持可持续发展；生产和经济正真实现全球化；在社会生产和生活中，强调对地球环境的保护，实现社会、人与自然的和谐发展。3.21世纪的高科技与知识经济3.2支撑知识经济的高科技以知识为基础的经济，需要高科技的支撑。从近期和可预见的未来看，以下科技将对知识经济的形成和发展起比较大的作用。3.2.1信息技术：知识经济的发展将伴随着社会信息化时代的到来，而社会信息化是计算机技术、数字技术、通信技术和网络技术为基础的，所有上述技术都是以物理学和自然科学为基础的。3.21世纪的高科技与知识经济信息技术是高科技的前导。信息技术主要是指信息的获取、传递、处理等技术。信息技术以微电子技术为基础，包括通信技术、自动化技术、微电子技术、光电子技术、光导技术、计算机技术和人工智能技术等。3.21世纪的高科技与知识经济1）信息技术推动传统产业的技术升级信息技术代表着当今先进生产力的发展方向，信息技术的广泛应用使信息的重要生产要素和战略资源的作用得以发挥，使人们能更高效地进行资源优化配置，从而推动传统产业不断升级，提高社会劳动生产率和社会运行效率。就传统的工业企业而言，信息技术在以下几个层面推动着企业升级：3.21世纪的高科技与知识经济（1）将信息技术嵌入到传统的机械、仪表产品中，促进产品”智能化”、“网络化”，是实现产品升级换代的重要方向；这项工作往往被称为“机电一体化”；（2）计算机辅助设计技术、网络设计技术可显著提高企业的技术创新能力；3.21世纪的高科技与知识经济（3）利用计算机辅助制造技术或工业过程控制技术实现对产品制造过程的自动控制，可明显提高生产效率、产品质量和成品率；（4）利用信息系统实现企业经营管理的科学化，统一整合调配企业人力物力和资金等资源，实现整体优化；（5）利用互联网开展电子商务，进行供销链和客户关系管理，促使企业经营思想和经营方式的升级，可提高企业的市场竞争力和经济效益，以互联网为代表的信息技术也是促进农业现代化和第三产业发展的有力武器。3.21世纪的高科技与知识经济2）信息技术使劳动力结构出现巨变随着信息资源的开发利用，人们的就业结构正从农业人口为主、工业人口为主向从事信息相关工作为主转变。以美国为例，1956年，美国的“白领”人数第一次超过“蓝领”，到1980年，美国就业比例为：农、林、渔业从业人数占总就业人数的3.38%，采矿业和建筑业占7.23%，制造业占22.09%，服务业占67.2%。这种趋势进一步发展，到1997年其农、林、渔业从业人数占总就业人数的2.63%，采矿业和建筑业占6.88%，制造业占16.08%，服务业扩大为73.34%。服务业中，除了极少部分传统服务业外，绝大多数是从事与信息处理、信息服务有关的职业。对于这种趋势，美国学者总结说：“从农民到工人再到职员，这就是美国的简史。”“我们现在大量生产信息，就像我们过去大量生产汽车一样。”3）信息技术已引起传统教育方式发生着深刻变化。计算机仿真技术、多媒体技术、虚拟现实技术和远程教育技术以及信息载体的多样性，使学习者可以克服时空障碍，更加主动地安排自己的学习时间和速度。特别是借助于互联网的远程教育，将开辟出通达全球的知识传播通道，实现不同地区的学习者、传授者之间的互相对话和交流，不仅可望大大提高教育的效率，而且给学习者提供一个宽松的内容丰富的学习环境。新近还涌现出了翻转课堂、微课、慕课等新的教育教学方式。3.21世纪的高科技与知识经济一、翻转课堂传统的教学模式是老师在课堂上讲课，布置家庭作业，让学生回家练习。与传统的课堂教学模式不同，在“翻转课堂式教学模式”下，学生在家完成知识的学习，而课堂变成了老师学生之间和学生与学生之间互动的场所，包括答疑解惑、知识的运用等，从而达到更好的教育效果。利用视频来实施教学，在多年以前人们就进行过探索。在上世纪的50年代，世界上很多国家所进行的广播电视教育就是明证。为什么当年所做的探索没有对传统的教学模式带来多大的影响，而“翻转课堂”却倍受关注呢?这是因为“翻转课堂”有如下几个鲜明的特点：3.21世纪的高科技与知识经济第一、教学视频短小精悍不论是萨尔曼·汗的数学辅导视频，还是乔纳森·伯尔曼和亚伦·萨姆斯所做的化学学科教学视频，一个共同的特点就是短小精悍。大多数的视频都只有几分钟的时间，比较长的视频也只有十几分钟。每一个视频都针对一个特定的问题，有较强的针对性，查找起来也比较方便;视频的长度控制在在学生注意力能比较集中的时间范围内，符合学生身心发展特征;通过网络发布的视频，具有暂停、回放等多种功能，可以自我控制，有利于学生的自主学习。3.21世纪的高科技与知识经济第二，教学信息清晰明确萨尔曼·汗的教学视频有一个显著的特点，就是在视频中唯一能够看到的就是他的手，不断地书写一些数学的符号，并缓慢地填满整个屏幕。除此之外，就是配合书写进行讲解的画外音。用萨尔曼·汗自己的话语来说：“这种方式。它似乎并不像我站在讲台上为你讲课，它让人感到贴心，就像我们同坐在一张桌子面前，一起学习，并把内容写在一张纸上。”这是“翻转课堂”的教学视频与传统的教学录像作为不同之处。视频中出现的教师的头像、以及教室里的各种物品摆设，都会分散学生的注意力，特别是在学生自主学习的情况下。3.21世纪的高科技与知识经济第三，重新建构学习流程通常情况下，学生的学习过程由两个阶段组成：第一阶段是“信息传递”，是通过教师和学生、学生和学生之间的互动来实现的;第二个阶段是“吸收内化”，是在课后由学生自己来完成的。由于缺少教师的支持和同伴的帮助，“吸收内化”阶段常常会让学生感到挫败，丧失学习的动机和成就感。“翻转课堂”对学生的学习过程进行了重构。“信息传递”是学生在课前进行的，老师不仅提供了视频，还可以提供在线的辅导;“吸收内化”是在课堂上通过互动来完成的，教师能够提前了解学生的学习困难，在课堂上给予有效的辅导，同学之间的相互交流更有助于促进学生知识的吸收内化过程。3.21世纪的高科技与知识经济第四，复习检测方便快捷学生观看了教学视频之后，是否理解了学习的内容，视频后面紧跟着的四到五个小问题，可以帮助学生及时进行检测，并对自己的学习情况作出判断。如果发现几个问题回答的不好，学生可以回过头来再看一遍，仔细思考哪些方面出了问题。学生对问题的回答情况，能够及时地通过云平台进行汇总处理，帮助教师了解学生的学习状况。教学视频另外一个优点，就是便于学生一段时间学习之后的复习和巩固。评价技术的跟进，使得学生学习的相关环节能够得到实证性的资料，有利于教师真正了解学生。3.21世纪的高科技与知识经济二、微课“微课”是指按照新课程标准及教学实践要求，以视频为主要载体，记录教师在课堂内外教育教学过程中围绕某个知识点(重点难点疑点)或教学环节而开展的精彩教与学活动全过程。“微课”是指为使学习者自主学习获得最佳效果，经过精心的信息化教学设计，以流媒体形式展示的围绕某个知识点或教学环节开展的简短、完整的教学活动。它的形式是自主学习，目的是最佳效果，设计是精心的信息化教学设计，形式是流媒体，内容是某个知识点或教学环节，时间是简短的，本质是完整的教学活动。因此，对于老师而言，最关键的是要从学生的角度去制作微课，而不是在教师的角度去制作，要体现以学生为本的教学思想。3.21世纪的高科技与知识经济微课之四“微”1.微课“位微不卑”。微课虽然短小，比不上一般课程宏大丰富，但是它意义非凡，效果明显，是一个非常重要的教学资源。2.微课“课微不小”。微课虽然短小，但它的知识内涵和教学意义非常巨大，有时一个短小微课比几十节课都有用。3.微课“步微不慢”。微课都是小步子原则，一个微课讲解一两个知识点，看似很慢，但稳步推进，实际效果并不慢。4.微课“效微不薄”。微课有积少成多、聚沙成塔的作用，通过不断的微知识、微学习，从而达到大道理、大智慧。3.21世纪的高科技与知识经济微课的组成“微课”的核心组成内容是课堂教学视频(课例片段)，同时还包含与该教学主题相关的教学设计、素材课件、教学反思、练习测试及学生反馈、教师点评等辅助性教学资源，它们以一定的组织关系和呈现方式共同“营造”了一个半结构化、主题式的资源单元。因此，“微课”既有别于传统单一资源类型的教学课例、教学课件、教学设计、教学反思等教学资源，又是在其基础上继承和发展起来的一种新型教学资源。3.21世纪的高科技与知识经济在网络web2.0时代，随着信息与通迅技术快速发展，与当前广泛应用的众多社会性工具软件(如博客、微博、Facebook、Youku、Tudou等)一样，微课也将具有十分广阔的教育应用前景。对教师而言，微课将革新传统的教学与教研方式，突破教师传统的听评课模式，教师的电子备课、课堂教学和课后反思的资源应用将更具有针对性和实效性，基于微课资源库的校本研修、区域网络教研将大有作为，并成为教师专业成长的重要途径之一。3.21世纪的高科技与知识经济对于学生而言，微课能更好的满足学生对不同学科知识点的个性化学习、按需选择学习，既可查缺补漏又能强化巩固知识，是传统课堂学习的一种重要补充和拓展资源。特别是随着手持移动数码产品和无线网络的普及，基于微课的移动学习、远程学习、在线学习、“泛在学习”将会越来越普及，微课必将成为一种新型的教学模式和学习方式。更是一种可以让学生自主学习，进行探究性学习的平台。三、慕课慕课：大型开放式网络课程即MOOC(massiveopenonlinecourses)。是新近涌现出来的一种在线课程开发模式，它发端于过去的那种发布资源、学习管理系统以及将学习管理系统与更多的开放网络资源综合起来的旧的课程开发模式。慕课简介所谓“慕课”(MOOC)，顾名思义，“M”代表Massive(大规模)，与传统课程只有几十个或几百个学生不同，一门MOOCs课程动辄上万人，最多达16万人;第二个字母“O”代表Open(开放)，以兴趣导向，凡是想学习的，都可以进来学，不分国籍，只需一个邮箱，就可注册参与;第三个字母“O”代表Online(在线)，学习在网上完成，无需旅行，不受时空限制;第四个字母“C”代表Course，就是课程的意思。3.21世纪的高科技与知识经济MOOC是新近涌现出来的一种在线课程开发模式，它发端于过去的那种发布资源、学习管理系统以及将学习管理系统与更多的开放网络资源综合起来的旧的课程开发模式。通俗地说，慕课是大规模的网络开放课程，它是为了增强知识传播而由具有分享和协作精神的个人组织发布的、散布于互联网上的开放课程。这一大规模在线课程掀起的风暴始于2011年秋天，被誉为“印刷术发明以来教育最大的革新”，呈现“未来教育”的曙光。2012年，被《纽约时报》称为“慕课元年”。多家专门提供慕课平台的供应商纷起竞争，Coursera、edX和Udacity是其中最有影响力的“三巨头”，前两个均进入中国。课程范围MOOC是以连通主义理论和网络化学习的开放教育学为基础的。这些课程跟传统的大学课程一样循序渐进地让学生从初学者成长为高级人才。课程的范围不仅覆盖了广泛的科技学科，比如数学、统计、计算机科学、自然科学和工程学，也包括了社会科学和人文学科。慕课课程并不提供学分，也不算在本科或研究生学位里。通常，参与慕课的学习是免费的。然而，如果学习者试图获得某种认证的话，则一些大规模网络开放课程可能收取一定学费。

授课形式课程不是搜集，而是一种将分布于世界各地的授课者和学习者通过某一个共同的话题或主题联系起来的方式方法。尽管这些课程通常对学习者并没有特别的要求，但是所有的慕课会以每周研讨话题这样的形式，提供一种大体的时间表，其余的课程结构也是最小的，通常会包括每周一次的讲授、研讨问题、以及阅读建议等等。测验每门课都有频繁的小测验，有时还有期中和期末考试。考试通常由同学评分(比如一门课的每份试卷由同班的五位同学评分，最后分数为平均数)。一些学生成立了网上学习小组，或跟附近的同学组成面对面的学习小组。3.21世纪的高科技与知识经济主要特点(i)大规模的：不是个人发布的一两门课程：“大规模网络开放课程”(MOOC)是指那些由参与者发布的课程，只有这些课程是大型的或者叫大规模的，它才是典型的MOOC。(ii)开放课程：尊崇创用共享(CC)协议;只有当课程是开放的，它才可以成之为MOOC。(iii)网络课程：不是面对面的课程;这些课程材料散布于互联网上。人们上课地点不受局限。无论你身在何处，都可以花最少的钱享受美国大学的一流课程，只需要一台电脑和网络联接即可。

3.21世纪的高科技与知识经济4)互联网已经成为科学研究和技术开发不可缺少的工具。互联网拥有的600多个大型图书馆、400多个文献库和100万个信息源，成为科研人员可以随时进入并从中获取最新科技动态的信息宝库，大大节约查阅文献的时间和费用；互联网上信息传递的快捷性和交互性，使身处世界任何地方的研究者都可以成为研究伙伴，在网上进行实时讨论、协同研究，甚至使用网上的主机和软件资源，来完成自己的研究工作。3.21世纪的高科技与知识经济5）信息技术促进人类文明的进步信息技术在全球的广泛使用，不仅深刻地影响着经济结构与经济效率，而且作为先进生产力的代表，对社会文化和精神文明产生着深刻的影响。3.21世纪的高科技与知识经济信息网络为各种思想文化的传播，提供了更加便捷的渠道，大量的信息通过网络渗入到社会各个角落，成为当今文化传播的重要手段。电子出版以光盘、磁盘和网络出版等多种形式，打破了以往信息媒体纸介质一统天下的局面。多媒体技术的应用和交互式界面的采用为文化、艺术、科技的普及开辟了广阔前景。网络等新型信息介质、为各民族优秀文化的继承、传播，为各民族文化的交流、交融提供了崭新的可能性。网络改变着人与人之间的交往方式，改变着人们的工作方式和生活方式，也就必然会对文化的发展产生深远的影响，一种新的适应网络时代和信息经济的先进文化将逐渐形成。3.21世纪的高科技与知识经济3.2.2生物科技与基因工程：生物科技包括微生物工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程等。它不仅直接关系到农业、医药卫生事业的发展，而且对环保、能源技术等都有很强的渗透力。知识经济的另一个特点将是生物科技与基因工程在社会经济、人类生产与生活、保健和医疗以及环境保护等方面发挥空前重要的作用，其中转基因技术与克隆技术将对人类的生活产生难以想象的影响。3.21世纪的高科技与知识经济这是什么？这是什么？基因工程：即基因拼接技术或DNA重组技术。通俗的说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。原理：操作水平：结果：基因重组DNA分子水平定向地改造生物的遗传性状，获得人类所需要的品种。3.21世纪的高科技与知识经济1、基因工程与作物育种3.21世纪的高科技与知识经济生长快、肉质好的转基因鱼(中国)乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)3.21世纪的高科技与知识经济转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转鱼抗寒基因的番茄3.21世纪的高科技与知识经济2、基因工程与药物研制我国生产的部分基因

工程疫苗和药物许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。3.21世纪的高科技与知识经济胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！使其价格降低了30%-50%!3.21世纪的高科技与知识经济基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。

通常一种假单孢杆菌只能分解石油中的一种烃类．用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。科学家还培育出能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质的细菌。3、环境污染治理3.21世纪的高科技与知识经济

利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。3.21世纪的高科技与知识经济转基因抗乙肝西红柿(中国)，虽然不能治愈乙肝，但一年只吃几个抗乙肝西红柿，就完全能代替注射乙肝疫苗。抗乙肝西红柿属于转基因食品，就是将乙肝疫苗植入西红柿内，经过多代繁殖，使转入的基因稳定化。用转基因的植物生产药物3.21世纪的高科技与知识经济转基因植物的安全性争论支持派认为：如果转基因农业生物技术得不到社会支持，这一研究将被扼杀，并且强调，迄今为止并没有发现转基因食品危害人体健康和环境的确切证据。3.21世纪的高科技与知识经济美国人食用转基因食品已多年，超级市场上有4000多种商品是含有转基因植物成分的，还没有事例证明人吃了以后会得病，甚至会引起死亡。

加拿大、澳大利亚也是转基因食品的生产大国，均有几千万人在吃，到现在为止也没有—个案例说明它有问题。3.21世纪的高科技与知识经济反对派的观点一英国科学家声称，转基因马铃薯会减弱老鼠免疫系统功能；美国康乃尔大学也发现，转基因玉米会危害蝴蝶幼虫及其相关生态环境。3.21世纪的高科技与知识经济环保团体认为这种违反自然的转基因作物及产品，未经长期安全测试，长期食用可能对人类及生态环境造成负面影响。尤其是注重环境和生态保护的欧盟国家，对转基因作物更加排斥，因而抵制美国GMO产品的进口。3.21世纪的高科技与知识经济3.2.3微米机电系统（MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem）和纳米机电系统（NEMS，Nano-ElectromechanicalSystem）：作为人类的肢体、感官和思维的延伸的机械工业，正朝着小型化和集成化的方向发展，微米机电系统与纳米机电系统将把机器的感官功能、分析功能和执行操作功能集成为一体，在微米甚至纳米的尺度上制造具有复杂功能的机器，为人类完成各种各样难以想象的任务。这些小巧的智能机器是数学、物理、化学、材料、机械、电子与计算机、信息与通讯等科学技术互相渗透、综合与融合的产物。3.21世纪的高科技与知识经济微机电系统(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。MEMS是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。3.21世纪的高科技与知识经济MEMS侧重于超精密机械加工，涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理、化学、机械学的各分支。MEMS是一个独立的智能系统，可大批量生产，其系统尺寸在几毫米。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。3.21世纪的高科技与知识经济纳米机电系统（NEMS，Nano-ElectromechanicalSystem）：是20世纪90年代末、21世纪初提出的一个新概念。可以这样来理解这个概念，即NEMS是特征尺寸在1~100nm、以机电结合为主要特征，基于纳米级结构新效应的器件和系统。从机电这一特征来讲，可以把NEMS技术看成是MEMS技术的发展。但是，MEMS的特征尺寸一般在微米量级，其大多特性实际上还是基于宏观尺度下的物理基础，而NEMS的特征尺寸达到了纳米数量级，一些新的效应如尺度效应、表面效应等凸显，解释其机电耦合特性等需要应用和发展微观、介观物理。也就是说，NEMS的工作原理及表现效应等与MEMS有了甚至是根本性的不同。因此，从更本质上说，NEMS技术已经是纳米科技的一个重要组成部分和方向。3.21世纪的高科技与知识经济3.2.4人造功能材料：人类将结束依靠自然界恩惠的天然材料的时代，凭着自己的聪明才智和创造能力，在物理学、化学、生物学、材料科学和计算机科学等科学技术的指导下，按照自己的需要设计和制造自然界没有的具有多功能的新型材料。3.21世纪的高科技与知识经济1）信息材料电子信息材料及产品支撑着现代通信,计算机,信息网络,微机械智能系统,工业自动化和家电等现代高技术产业.电子信息材料产业的发展规模和技术水平,在国民经济中具有重要的战略地位,是科技创新和国际竞争最为激烈的材料领域.微电子材料在未来10～15年仍是最基本的信息材料,光电子材料将成为发展最快和最有前途的信息材料.2）能源材料全球范围内能源消耗在持续增长,80%的能源来自于化石燃料,从长远来看,需要没有污染和可持续发展的新型能源来代替所有化石燃料。未来的清洁能源包括氢能、太阳能、风能、核聚变能等。解决能源问题的关键是能源材料的突破,无论是提高燃烧效率以减少资源消耗，还是开发新能源及利用再生能源都与材料有着极为密切的关系。传统能源所需材料：主要是提高能源利用效率，要发展超临界蒸汽发电机组和整体煤气化联合循环技术上，这些技术对材料的要求高,如工程陶瓷,新型通道材料等；氢能和燃料电池:氢能生产，储存和利用所需的材料和技术,燃料电池材料等;绿色二次电池：镍氢电池,锂离子电池以及高性能聚合物电池等新型材料；太阳能电池：多晶硅,非晶硅,薄膜电池等材料；核能材料：新型核电反应堆材料.新能源材料就材料种类主要包括专用薄膜,聚合物电解液,催化剂和电极,先进光电材料,特制光谱塑料和涂层,碳纳米管,金属氢化物浆料,高温超导材料,低成本低能耗民用工程材料,轻质,便宜,高效的绝缘材料,轻质,坚固,复合结构材料,超高温合金,陶瓷和复合材料,抗辐射材料,低活性材料,抗腐蚀及抗压力腐蚀裂解材料,机械和抗等离子腐蚀材料.当前研究热点和技术前沿包括高能储氢材料,聚合物电池材料,中温固体氧化物燃料电池电解质材料,多晶薄膜太阳能电池材料等.3）生物材料生物材料是和生命系统结合,用以诊断,治疗或替换机体组织,器官或增进其功能的材料.它涉及材料,医学,物理,生物化学及现代高技术等诸多学科领域,已成为21世纪主要支柱产业之一.很多类型的材料在健康治疗中都已得到应用,主要包括金属和合金,陶瓷,高分子材料(如高分子聚乙烯管）,复合材料和生物质材料.高分子生物材料是生物医用材料中最活跃的领域;金属生物材料仍是临床应用最广泛的承力植入材料,医用钛及其合金,以及Ni-Ti形状记忆合金的研究与开发是一个热点;无机生物材料越来越受到重视.国际生物医用材料研究和发展的主要方向,一是模拟人体硬软组织,器官和血液等的组成,结构和功能而开展的仿生或功能设计与制备,二是赋予材料优异的生物相容性,生物活性或生命活性.就具体材料来说,主要包括药物控制释放材料,组织工程材料,仿生材料,纳米生物材料,生物活性材料,介入诊断和治疗材料,可降解和吸收生物材料,新型人造器官,人造血液等.4）汽车材料汽车用材在整个材料市场中所占的比例很小,但是属于技术要求高,技术含量高,附加值高的三高产品,代表了行业的最高水平.汽车材料的需求呈现出以下特点:轻量化与环保是主要需求发展方向;各种材料在汽车上的应用比例正在发生变化,主要变化趋势是高强度钢和超高强度钢,铝合金,镁合金,塑料和复合材料的用量将有较大的增长,汽车车身结构材料将趋向多材料设计方向.同时汽车材料的回收利用也受到更多的重视,电动汽车,代用燃料汽车专用材料以及汽车功能材料的开发和应用工作不断加强.5）纳米材料与技术纳米材料及技术将成为第5次推动社会经济各领域快速发展的主导技术，21世纪前20年将是纳米材料与技术发展的关键时期.纳电子代替微电子,纳加工代替微加工,纳米材料代替微米材料,纳米生物技术代替微米尺度的生物技术,这已是不以人的意志为转移的客观规律.纳米材料与科技的研究开发大部分处于基础研究阶段,如纳米电子与器件,纳米生物等高风险领域,还没有形成大规模的产业.但纳米材料及技术在电子信息产业,生物医药产业,能源产业,环境保护等方面,对相关材料的制备和应用都将产生革命性的影响..6）超导材料与技术超导材料与技术是21世纪具有战略意义的高新技术,广泛用于能源,医疗,交通,科学研究及国防军工等重大领域.超导材料的应用主要取决于材料本身性能及其制备技术的发展.低温超导材料已经达到实用水平,高温超导材料产业化技术也取得重大突破,高温超导材料和移动通讯用高温超导滤波子系统将很快进商业化阶段。7）稀土材料稀土材料是利用稀土元素优异的磁、光、电等特性开发出的一系列不可取代的，性能优越的新材料。稀土材料被广泛应用于冶金机械，石油化工，轻工农业，电子信息，能源环保，国防军工等多个领域，是当今世界各国改造传统产业，发展高新技术和国防尖端技术不可缺少的战略物资。稀土永磁材料（如磁性衬板）：其是发展最快的稀土材料,广泛应用于电机，电声，医疗设备，磁悬浮列车及军事工业等高技术领域；贮氢合金：主要用于动力电池和燃料电池；稀土发光材料：有新型高效节能环保光源用稀土发光材料，高清晰度，数字化彩色电视机和计算机显示器用稀土发光材料，和特种或极端条件下应用的稀土发光材料等；稀土催化材料：发展重点是替代贵金属，降低催化剂的成本，提高抗中毒性能和稳定性能；稀土在其他新材料中的应用：如精密陶瓷,光学玻璃，稀土刻蚀剂,稀土无机颜料等方面也正在以较高的速度增长，如稀土电子陶瓷，稀土无机颜料等.8）新型有色金属合金材料主要包括铝、镁、钛等轻金属合金以及粉末冶金材料，高纯金属材料等.铝合金：包括各种新型高强高韧，高比强高比模，高强耐蚀可焊，耐热耐蚀铝合金材料，如Al-Li合金等；镁合金：包括镁合金和镁-基复合材料，超轻高塑性Mg-Li-X系合金等;钛合金材料：包括新型医用钛合金,高温钛合金,高强钛合金,低成本钛合金等;粉末冶金材料：产品主要包括铁基,铜基汽车零件,难熔金属,硬质合金等;高纯金属及材料：材料的纯度向着更纯化方向发展,其杂质含量达ppb级,产品的规格向着大型化方向发展.9）新型建筑材料新型建筑材料主要包括新型墙体材料,化学建材,新型保温隔热材料,建筑装饰装修材料等.国际上建材的趋势正向环保,节能,多功能化方向发展.其中玻璃的发展趋势是向着功能型,实用型,装饰型,安全型和环保型五个方向发展,包括对玻璃原片进行表面改性或精加工处理,节能的低辐射(Low—E)和阳光控制低辐射(Sun-E)膜玻璃等;此外,还包括节能,环保的新型房建材料,以及满足工程特殊需要的特种系列水泥等.3.2.5宇航科技：知识经济将孕育空前发达的宇航科技，使人类向广阔宇宙进军和普通人遨游太空的梦想成真。宇航科技显然是建立在数学、物理、天体物理、化学、机械、电子与计算机、材料、通信、生物与医学等科学技术至上的。3.21世纪的高科技与知识经济航空与航天是20世纪人类认识和改造自然进程中最活跃、最有影响的科学技术领域，也是人类文明高度发展的重要标志。航空指飞行器在地球大气层内的航行活动，航天指飞行器在大气层外宇宙空间的航行活动。人类在征服大自然的漫长岁月中，早就产生了翱翔天空、遨游宇宙的愿望。虽然人类很早就做过种种飞行的探索和尝试，但实现这一愿望还是从18世纪的热空气气球升空开始的。自从20世纪初第一架带动力的、可操纵的飞机完成了短暂的飞行之后，人类在大气层中飞行的古老梦想才真正成为现实。经过许多杰出人物的艰苦努力，航空科学技术得到迅速发展，飞机性能不断提高。人类逐渐取得了在大气层内活动的自由，也增强了飞出大气层的信心。到了50年代中期，在火箭、电子、自动控制等科学技术有了显著进展的基础上，第一颗人造地球卫星发射成功，开创了人类航天新纪元，广阔无垠的宇宙空间开始成为人类活动的新疆域。航空航天事业的发展是20世纪科学技术飞跃进步，社会生产突飞猛进的结果。航空航天的成果集中了科学技术的众多新成就。迄今为止的航空航天活动，虽然还只是人类离开地球这个摇篮的最初几步，但它的作用已远远超出科学技术领域，对政治、经济有深远的影响。1961年4月12日，尤里·加加林成为首个能够飞上太空的人，而在1969年7月21日，尼尔·阿姆斯特朗则成为首个登陆月球的人。而在60年代开始，人们发现用复合材料制造的飞机比传统的更宁静、更具燃油效益和更适合，但更富进步性的是飞机仪器及飞控技术的改良，出现了GPS、晶体管、通信卫星电脑和LED显示器，这些科技使驾驶舱里的仪器得以减少，节省空间，对较小型的飞机有极大帮助，飞行员除了能够准确地驾驶飞机，还能够准确地观察地形和飞机周围的环境。2004年6月21日，太空船1号成为首架能飞上太空的私人飞机，为航空业界开拓一个新的市场。同时，飞机燃料亦可由其它新能源取代，如电、乙醇、甚至太阳能，这些新燃料将会被广泛采用在小型飞机军事以至人类社会生活都产生了广泛而深远的影响。太空船一号(SpaceShipOne)是一架空天飞机，由鲁坦(BurtRutan)以及美国缩尺复合体(ScaledComposites)公司制造。有双尾翼以及可变的半三角翼机翼，在不同的阶段机翼会变成不同的状态。太空船一号和航天飞机不同，是先由另一架飞机"白色骑士"载上高空后才开始自行飞行。1999年11月20日～21日，中国载人航天工程第一艘“神舟”无人试验飞船飞行试验获得了圆满成功。2001年初至2002年底又相继研制并发射成功了神舟2～4号无人试验飞船，获得了宝贵的试验数据，为实施载人航天打下了坚实的基础。2003年10月15日发射了神舟－5。该飞船是在无人飞船基础上研制的中国第1艘载人飞船，乘有1名航天员，在轨运行1天。整个飞行期间为航天员提供必要的生活和工作条件，同时将航天员的生理数据、电视图像发送地面，并确保航天员安全返回。神舟－5飞船载人航天飞行实现了中华民族千年飞天的愿望，是中华民族智慧和精神。2016年10月中旬将发射神舟－11飞船.航空航天技术是20世纪人类在认识自然和改造自然的过程中最活跃、发展最迅速、对人类社会生活最有影响的科学技术领域之一，也是表征一个国家科学技术先进性的重要标志。航空航天技术是高度综合的现代科学技术，综合运用了基础科学和应用科学的最新成就和工程技术的最新成果。力学、热力学、材料学、电子技术、自动控制理论和技术、计算机技术、喷气推进技术以及制造工艺等科学技术的进步都极大地促进航空航天科技的进步和发展。上述科学技术在航空航天领域的应用中相互交叉、渗透，又产生了一些新的学科；并在航空航天技术的推动下发展提高。3.3世界的高科技需要教育去培育21世纪高科技需要长期的、全面的和全民的教育去培育，这就要求普及中等教育与高等教育，加强职业技术教育和终生教育，在此基础上实现基础研究、应用研究和技术开发的创新，为高科技和知识经济的发展提供坚实的科技支撑和丰富的人力资源。3.21世纪的高科技与知识经济4.21世纪的高科技与物理学4.120世纪的高科技与物理学对于20世纪的物理学与社会的关系，人们形成了以下共识：20世纪是物理学的世纪。这一共识来自于有目共睹的物理学对高科技的影响和对提高社会生活品质的贡献。4.21世纪的高科技与物理学4.1.1物理学的各个分支学科的发展产生了20世纪的新技术核物理与粒子物理导致晶体管、芯片、集成电路卡、计算机的出现，以及信息与通信技术的发展；量子光学是激光技术、光学通信、光学工程的科学基础；原子分子物理、材料科学、量子化学导致人工新材料的合成；广义相对论、天体物理学与宇宙学是宇航科技的基础，导致新的宇宙观的形成。4.21世纪的高科技与物理学4.1.220世纪物理学促进了其他科学的发展（1）化学：物理学促进了量子化学、化学热力学和化学反应动力学的发展：物理学的方法、仪器与探测技术在化学中得到了广泛应用，使化学研究发生了质的飞跃。（2）生物学：物理学与生物学的结合，产生了生物物理学、量子生物学等交叉学科；物理学的方法、仪器与探测技术在生物学中得到了广泛应用，使生物逐步成为精密的、定量的科学。4.21世纪的高科技与物理学（3）数学：广义相对论、量子论促进了菲欧几何、泛函分析和希尔伯特空间理论、微分几何与纤维丛理论、拓扑学、量子群、非对易几何等数学分支的发展，计算机的出现还使机器证题和计算数学得到空前发展。4.21世纪的高科技与物理学4.221世纪物理学的地位21世纪物理学的地位应从两方面考察。1）物理学在自然科学群体中的地位这是由自然科学群体的知识结构决定的，是长期的，稳定的。在自然科学群体中，物理学处于基础和领导地位。这一观点会招来其他学科的争议。对这些争议的回答是：4.21世纪的高科技与物理学（1）对于数学，数学本生不能回答其自身的数学形式逻辑体系的客观真实性问题，数学形式体系的客观真实性要靠物理学要认证；数学的发展有两个动力，即数学内部逻辑发展的动力和外部的物理学等学科的需要与直观的动力。正是这种外部物理学的需要与直观的动力使Witten和Donaldson发展了现代数学，并因此获得了菲尔兹奖；而量子论导致非对易几何的出现，超炫理论产生了新的数学。然而，数学像语言一样是伟大的，她作