物理學前沿第一章物理學與高科技

物理學基礎與前言專題課程主要參考書[1]王順金主編.物理學前沿——問題與基礎.北京：科學出版社，2013物理學是基礎學科，每一次物理學中的重大發(fā)現(xiàn)都對科學技術的發(fā)展和更新都有深遠的影響，反過來，科學技術的發(fā)展都需要物理學基礎知識和前言知識?？茖W技術與社會經(jīng)濟密切相關，物理學更是如此，因此，對物理學的發(fā)展的前沿問題的討論，應當放在社會經(jīng)濟發(fā)展的背景下來考察。1.科學技術1.1科學科學和文化一樣，是個難以界定的名詞，人們更多地是從一個側(cè)面對其本質(zhì)特征加以揭示和描述。以英國著名科學家J．D．貝爾納·（1901—1971）為代表的科學家們認為，科學在不同時期、不同場合有不同意義?？茖W有若干種解釋，每一種解釋都反映出科學某一方面的本質(zhì)特征。到目前為止，也還沒有任何一個人給科學下的定義為世人所公認。由于科學本身也在發(fā)展，人們對它的認識不斷深化，給科學下一個永世不變的定義，是難以做到的?，F(xiàn)在，讓我們沿著歷史的軌跡，把眾多的科學定義、解釋加以概括，提出為多數(shù)人可以接受的共同概念，通過這一概念的闡述以加深我們對“科學”的理解和認識。1.科學技術1.1.1科學是人對客觀世界的認識，是反映客觀事實和規(guī)律的知識準確掌握科學這個概念的實質(zhì)，主要的是加深對“事實”和“規(guī)律”的認識。事實可以是歷史事實、社會事實、自然界的事實和其他事實，科學就是發(fā)現(xiàn)人們未知的事實，如化學家發(fā)現(xiàn)的新元素，經(jīng)濟學家發(fā)現(xiàn)的資本主義經(jīng)濟危機，都是事實。發(fā)現(xiàn)這些人所未知的事實的人，就是科學家。美國科學家H.戴維（1778－1829）發(fā)現(xiàn)的鉀和鈉，盡管它在世界上早就存在，但過去沒有人發(fā)現(xiàn)過，那是因為以前沒有電解技術能把它們分離出來，戴維把它們分離出來了，使人們看到了，所以他成了科學家。又如居里夫人（1867－1934）發(fā)現(xiàn)鐳、釙等天然放射性元素。原蘇聯(lián)經(jīng)濟學家N．D．康德拉季耶夫（1892－）發(fā)現(xiàn)的資本主義經(jīng)濟“長波理論”，至今還被許多經(jīng)濟著作引用，這是因為大家承認他發(fā)現(xiàn)的是事實。1.科學技術康德拉季耶夫的資本主義經(jīng)濟“長波理論”“長波理論”是1926年俄國經(jīng)濟學家康德拉季耶夫提出的一種為期50-60年的經(jīng)濟周期。該周期理論認為，從18世紀末期以后，經(jīng)歷了三個長周期。第一個長周期從1789年到1849年，上升部分為25年，下降部分35年，共60年。第二個長周期從1849年到1896年，上升部分為24年，下降部分為23年，共47年。第三個長周期從1896年起，上升部分為24年，1920年以后進入下降期。強調(diào)用資本主義經(jīng)濟的內(nèi)在原因而非外來得偶發(fā)因素解釋長波起因，將經(jīng)濟長波歸因于主要固定資本產(chǎn)品的更新?lián)Q代引起的經(jīng)濟平衡的破壞與恢復。1.科學技術什么是規(guī)律呢？人類在生產(chǎn)生活實踐中發(fā)現(xiàn)事物之間有千絲萬縷的聯(lián)系，這種聯(lián)系就是規(guī)律。這種反映客觀事實之間聯(lián)系的準確判斷就是發(fā)現(xiàn)了規(guī)律，這種規(guī)律，就是學問，就是知識，也就是科學了。這里所說的聯(lián)系或規(guī)律，也稱法則，即事物發(fā)展過程中事物之間內(nèi)在的、本質(zhì)的、必然的聯(lián)系。它是在一定條件下可以反復出現(xiàn)的，是客觀的。人們只能發(fā)現(xiàn)它，但不能創(chuàng)造它。1.科學技術1.1.2科學是反映客觀事實和規(guī)律的知識體系20世紀初，人們認識到科學是由很多門類交織組成的知識體系。此時，數(shù)學、物理、化學、天文、地理、生物等基礎科學和電力、機械、建筑、鋼鐵、醫(yī)藥等工程科學及管理科學都比較成熟了?？茖W已不只是事實或規(guī)律的知識單元，而是由這些知識單元組成學科，學科又組成學科群，形成了一個多層次組成的體系?？茖W家是系統(tǒng)掌握某一方面知識并能利用這些知識對諸多現(xiàn)象作出解釋的人。科學史表明，科學家不只是知識的發(fā)現(xiàn)者，更重要的還是知識的綜合者。因此，大部分辭書給科學下的定義都強調(diào)“科學是知識體系”，認為“科學是關于自然、社會和思維的知識體系”，科學是反映客觀事實和規(guī)律的知識體系。1.科學技術1.1.3科學是一項反映客觀事實和規(guī)律的知識體系相關活動的事業(yè)第二次世界大戰(zhàn)以后，人們的科學概念發(fā)生了巨大變化。那種把科學概念仍停留在本世紀初，認為只是反映事實和規(guī)律的普遍客觀真理的知識體系的認識已經(jīng)不夠了?？茖W研究經(jīng)過16世紀伽利略時代個體活動到17世紀牛頓的松散群眾組織皇家學會時代，又到愛迪生（1847—1931）的“實驗工廠”的集體研究時代，爾后是本世紀40年代美國實現(xiàn)曼哈頓計劃研制出原子彈的國家規(guī)模建制的時代，最后是今天國際合作的跨國建制時代。自戰(zhàn)后科學活動進入國家規(guī)模以來，人們已把科學稱為“大科學”，認為“科學是一種建制”，即科學已成為一項國家事業(yè)，從而使企業(yè)和政府都直接參與了科學事業(yè)，實現(xiàn)了科學家與企業(yè)家、政治家的結(jié)合。1.科學技術1.2技術技術——人類在利用自然和改造自然的過程中積累起來并在生產(chǎn)勞動中體現(xiàn)出來的經(jīng)驗和知識，也泛指其他操作方面的技巧。古希臘亞里士多德曾把技術看作是制作的智慧。在羅馬時代，工程技術發(fā)達，人們對技術不只看到“制作”這實的方面，也看到了是“知識形態(tài)”虛的方面。17世紀，英國培根（1561—1626）曾提出要把技術作為操作性學問來研究。德國哲學家康德（1724－1804）也曾在《判斷力批判》中討論過技術。爾后人們提出了“技術論”。到18世紀末，法國科學家狄德羅（1713－1784）在他主編的《百科全書》條目中開始列入了“技術”條目。他指出：“技術是為某一目的共同協(xié)作組成的各種工具和規(guī)則體系”。許多辭書上的技術定義，基本上沒有超出狄德羅的技術概念范疇。1.科學技術1.3技術與科學的關系科學與技術是辯證統(tǒng)一的整體，科學中有技術，如物理學有實驗技術；技術中也有科學，如杠桿、滑車等也有力學。技術產(chǎn)生科學，如射電望遠鏡的發(fā)明與使用，產(chǎn)生了射電天文學；科學也產(chǎn)生技術，著名例證，如下所示：1831年發(fā)現(xiàn)電機原理1882年、生產(chǎn)出發(fā)電機1862年發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機原理1876年生產(chǎn)出內(nèi)燃機1925年發(fā)現(xiàn)雷達原理1935年制造出雷達1928年發(fā)現(xiàn)青霉素1943年生產(chǎn)出青霉素1938年發(fā)現(xiàn)核裂變1945年造出原子彈1948年發(fā)現(xiàn)半導體1954年生產(chǎn)出半導體收音機科學是創(chuàng)造知識的研究，技術是綜合利用知識于需要的研究。1.科學技術1.4科學與技術的區(qū)別：1.4.1目的不同：科學的目的在于解決理論性問題；技術的目的主要是為了解決生產(chǎn)實施性問題。（科學回答的是“是什么”、“為什么”，技術回答的是“做什么”、“怎么做”）1.4.2任務不同：科學的任務在于探索自然現(xiàn)象存在什么客觀規(guī)律，以形成科學基本原理與定律；技術的任務則是圍繞社會經(jīng)濟建設發(fā)展需要，研究采用什么措施才能制造出產(chǎn)品與提高產(chǎn)品質(zhì)量。（科學提供物化的可能，技術提供物化的現(xiàn)實）1.科學技術1.4.3科學一直是公開的，技術是比較保密的：科學一直是公開的，是沒有什么直接的經(jīng)濟利益可收的；技術則不同，生產(chǎn)技術是直接與經(jīng)濟利益掛鉤的，為了壟斷技術發(fā)明權的經(jīng)濟利益，故技術是比較保密的、不公開的。（科學是發(fā)現(xiàn)，技術是發(fā)明）區(qū)別科學與技術的目的，不是將它們分開，而是要更好的統(tǒng)一考慮。注重技術時要想到科學，注重科學時要考慮技術。對于科學來說，技術是科學的延伸；對于技術來說，科學是技術的升華。1.科學技術

科學技術現(xiàn)已成為一個統(tǒng)稱。這是因為技術必須有科學理論的指導才能提高，而科學又必須靠技術所創(chuàng)造的物質(zhì)基礎才能獲得發(fā)展，二者這種不可分割的聯(lián)系，便有機地構成了科學技術的統(tǒng)稱。1.科學技術2.三次技術革命技術革命：指生產(chǎn)技術上的根本變革。例如從用體力、畜力生產(chǎn)改為用蒸汽做動力生產(chǎn)，用手工工具生產(chǎn)改為用機器生產(chǎn)。2.1第一次技術革命：是以英國為代表的蒸汽機時代。1774年，英國格拉斯哥大學的一名年輕的儀器修理工人瓦特，針對紐可門蒸汽機存在缺點，參考了不少熱力學有關資料，請教了校內(nèi)布拉克教授，認真對紐可門蒸汽機進行分析研究。1776年，第一臺實用型瓦特蒸汽機便開始在布魯姆菲爾德煤礦投入使用。瓦特蒸汽機與已有的紐可門蒸汽機相比有很大優(yōu)勢，它可以提高工效5倍；可以節(jié)約燃料75％；與任何工具機連接都可使用。工業(yè)革命對動力機械的迫切需要促進了蒸汽機的發(fā)明與改進，故一當蒸汽機獲得了實用的時候，很快便得到了廣泛的采用。2.三次技術革命2.2第二次技術革命：是以歐美19世紀下半葉至20世紀初興起的電氣時代。蒸汽機不僅笨重，而且效率低，啟動不方便，逐漸被內(nèi)燃機、汽輪機和燃氣輪機所代替。而內(nèi)燃機和其他一系列新型熱機的出現(xiàn)，雖然效率有了提高，啟動方便，但也不能把產(chǎn)生出來的機械能分散輸送到各地方工作機使用，只能適應機動的汽車、機車、飛機和固定集中的工作機使用?？茖W和技術的發(fā)展已經(jīng)完成了開發(fā)和使用電能的全部準備，于是便又發(fā)生了近代技術史上的第二次動力技術革命——用電力代替直接使用蒸汽動力的革命。靜電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，早在古代希臘的泰利斯的著作中便有記載，我國東漢時期的王充也有“頓率掇齊”的描述，意思是琥珀經(jīng)過磨擦后，能吸引輕微物體。然而電能真正為人們生產(chǎn)所使用，一直到19世紀中葉才開始。靜電現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，人們經(jīng)過漫長的歲月，才從靜電時代進入電動時代。電力技術的成功，使美、歐、日紛紛把電力建設作為國家承建工程的重點。美、歐、日超大型電力系統(tǒng)、以電為中心的超大型聯(lián)合企業(yè)和國家電氣化計劃紛紛建立和籌劃。世界范圍內(nèi)興起的電氣化熱潮，使人類迎來了“電氣化世紀”，完成了第二次技術革命。2.三次技術革命2.3第三次技術革命：第三次技術革命的基礎：實驗基礎：1895年德國慕尼黑維爾茨堡大學校長兼物理研究所長、物理學教授倫琴發(fā)現(xiàn)X射線（倫琴射線），人們?yōu)榱思o念他的偉大發(fā)現(xiàn)1901年，倫琴榮獲世界首次頒發(fā)的諾貝爾物理學獎。1897年英國湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子，證實電子的普遍存在，是具有非常重大的歷史意義。它首先打開了原子不可再分觀念，使人們清楚認識到物質(zhì)結(jié)構是有層次的。湯姆遜因發(fā)現(xiàn)電子而榮獲1906年度的諾貝爾物理學獎。2.三次技術革命放射性元素的發(fā)現(xiàn)：1896年法國物理學家貝克勒爾為求證熒光或磷光物質(zhì)是倫琴射線的來源，發(fā)現(xiàn)鈾具有放射性現(xiàn)象。并發(fā)現(xiàn)空氣被鈾化合物發(fā)出的射線所電離；1898年7月波蘭裔的法國女科學家瑪麗.居里與他的丈夫法國科學家皮埃爾.居里提煉出比純鈾強度大400倍的放射性元素，并命名為釙，以表明將她的成就作為紀念祖國波蘭的意思。同年12月發(fā)現(xiàn)比純鈾強度大900多倍的放射性元素鐳。釙與鐳兩種放射性元素相繼發(fā)現(xiàn)是物理學史上、甚至是科學史上空前偉大的發(fā)現(xiàn)，從此，開辟了放射性科學的新園地，同時也開創(chuàng)原子物理學新紀元。居里夫婦及貝克勒爾共同榮獲1903年度的諾貝爾物理學獎。2.三次技術革命理論基礎：1900年德國物理學家普朗克從熱輻射和原子光譜的關系中，建立了量子論。它的對象是原子、分子、以及其他粒子，是研究物質(zhì)結(jié)構的理論基礎。1905年德國猶太物理學家愛因斯坦首先建立了狹義相對論。提出了與傳統(tǒng)概念截然不同的時間與空間相對性概念。此后，再又根據(jù)自由落體速度與物體重量無關的現(xiàn)實，結(jié)合自己建立狹義相對論引申出引力場與非慣性系統(tǒng)等效關系，在1916年建立了廣義相對論。狹義相對論不僅能解決了電磁場變換問題，而且成為了今天高能物理和原子能應用的基礎。對于宇宙結(jié)構方面，廣義相對論是一門主要的理論基礎。2.三次技術革命技術的發(fā)展，是以自然科學為理論基礎的。19世紀末和20世紀初，在物理學方面，由于電子、X射線、放射性元素的發(fā)現(xiàn)，以及相對論和量子論的創(chuàng)立，導致了物理學和其他自然科學的革命性變革，在此基礎上使物理學、化學、生物學、天文學和地學等基礎科學從經(jīng)典形態(tài)發(fā)展到現(xiàn)代形態(tài)。產(chǎn)生了一批嶄新的交叉自然科學，使自然科學理論發(fā)展到新的現(xiàn)代水平，為第三次技術革命創(chuàng)造了良好的實驗基礎與理論基礎。這一龐大的現(xiàn)代自然科學群為高技術的誕生和發(fā)展提供了基礎理論背景和前提條件。2.三次技術革命第三次技術革命是以20世紀40年代開始發(fā)展的原子能、電子技術、激光、生物工程等應用時代。是以微電子技術，信息技術、生物工程技術、新材料、新能源、航天、海洋，和核技術等新興技術的發(fā)展和廣泛應用為特點。這些技術發(fā)展將使社會的生產(chǎn)和生活發(fā)生巨大的影響。新的科學技術項目不斷地還在增長，突出地顯示出了第三次技術革命所出現(xiàn)的科學發(fā)展盛況。據(jù)不完全統(tǒng)計，現(xiàn)在已有二千多種科學技術了，并且還在繼續(xù)出現(xiàn)新的科學技術領域，在這滾滾的科學技術發(fā)展洪流中，新能源技術、信息技術、新材料技術、生物技術、航天技術、海洋技術已經(jīng)形成了當今科學技術發(fā)展的主流，是我們當前發(fā)展科學技術主攻方向。2.三次技術革命3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟科學技術與社會經(jīng)濟密切相關，物理學更是如此，因此，對物理學的發(fā)展的前沿問題的討論，應當放在社會經(jīng)濟發(fā)展的背景下來考察。3.1知識經(jīng)濟時代人類社會大體經(jīng)歷了三個經(jīng)濟時代3.1.1漫長低級的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟時代。這一時代的持續(xù)時間大體是公元前5000年至公元16世紀。其特點：社會經(jīng)濟主要是依賴自然界的養(yǎng)殖業(yè)與農(nóng)業(yè)；生產(chǎn)力低下，經(jīng)濟的區(qū)域性強；社會生產(chǎn)對環(huán)境的破壞力小，人與自然和諧發(fā)展。這一經(jīng)濟時代的成就是造就了古代文明。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟3.1.2高速增長的工業(yè)經(jīng)濟時代。這一時代的持續(xù)時間是17-20世紀。以機械工業(yè)為骨干，其特點：經(jīng)濟社會以蒸汽機、內(nèi)燃機、電力等為動力，以機械工業(yè)為骨干，以自然資源為原料；生產(chǎn)力高度發(fā)展，生產(chǎn)社會化與全球化的程度很高；社會生產(chǎn)對環(huán)境的破壞很大。這一經(jīng)濟時代的成就就是造就了現(xiàn)代文明。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟3.1.3科學合理的知識經(jīng)濟時代。這一時代可以認為從21世紀正式開始。其特點是：整個社會的生活和生產(chǎn)均以知識為基礎，科技知識和人文知識及其相應的信息支撐著社會經(jīng)濟生產(chǎn)中的生產(chǎn)、流通、管理、分配、消費等各個環(huán)節(jié)；勞動者熟練地運用高科技知識，知識本生成為產(chǎn)品和商品；自然資源得到合理的利用，生產(chǎn)和經(jīng)濟保持可持續(xù)發(fā)展；生產(chǎn)和經(jīng)濟正真實現(xiàn)全球化；在社會生產(chǎn)和生活中，強調(diào)對地球環(huán)境的保護，實現(xiàn)社會、人與自然的和諧發(fā)展。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟3.2支撐知識經(jīng)濟的高科技以知識為基礎的經(jīng)濟，需要高科技的支撐。從近期和可預見的未來看，以下科技將對知識經(jīng)濟的形成和發(fā)展起比較大的作用。3.2.1信息技術：知識經(jīng)濟的發(fā)展將伴隨著社會信息化時代的到來，而社會信息化是計算機技術、數(shù)字技術、通信技術和網(wǎng)絡技術為基礎的，所有上述技術都是以物理學和自然科學為基礎的。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟信息技術是高科技的前導。信息技術主要是指信息的獲取、傳遞、處理等技術。信息技術以微電子技術為基礎，包括通信技術、自動化技術、微電子技術、光電子技術、光導技術、計算機技術和人工智能技術等。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟1）信息技術推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術升級信息技術代表著當今先進生產(chǎn)力的發(fā)展方向，信息技術的廣泛應用使信息的重要生產(chǎn)要素和戰(zhàn)略資源的作用得以發(fā)揮，使人們能更高效地進行資源優(yōu)化配置，從而推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)不斷升級，提高社會勞動生產(chǎn)率和社會運行效率。就傳統(tǒng)的工業(yè)企業(yè)而言，信息技術在以下幾個層面推動著企業(yè)升級：3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟（1）將信息技術嵌入到傳統(tǒng)的機械、儀表產(chǎn)品中，促進產(chǎn)品”智能化”、“網(wǎng)絡化”，是實現(xiàn)產(chǎn)品升級換代的重要方向；這項工作往往被稱為“機電一體化”；（2）計算機輔助設計技術、網(wǎng)絡設計技術可顯著提高企業(yè)的技術創(chuàng)新能力；3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟（3）利用計算機輔助制造技術或工業(yè)過程控制技術實現(xiàn)對產(chǎn)品制造過程的自動控制，可明顯提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和成品率；（4）利用信息系統(tǒng)實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營管理的科學化，統(tǒng)一整合調(diào)配企業(yè)人力物力和資金等資源，實現(xiàn)整體優(yōu)化；（5）利用互聯(lián)網(wǎng)開展電子商務，進行供銷鏈和客戶關系管理，促使企業(yè)經(jīng)營思想和經(jīng)營方式的升級，可提高企業(yè)的市場競爭力和經(jīng)濟效益，以互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術也是促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有力武器。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟2）信息技術使勞動力結(jié)構出現(xiàn)巨變隨著信息資源的開發(fā)利用，人們的就業(yè)結(jié)構正從農(nóng)業(yè)人口為主、工業(yè)人口為主向從事信息相關工作為主轉(zhuǎn)變。以美國為例，1956年，美國的“白領”人數(shù)第一次超過“藍領”，到1980年，美國就業(yè)比例為：農(nóng)、林、漁業(yè)從業(yè)人數(shù)占總就業(yè)人數(shù)的3.38%，采礦業(yè)和建筑業(yè)占7.23%，制造業(yè)占22.09%，服務業(yè)占67.2%。這種趨勢進一步發(fā)展，到1997年其農(nóng)、林、漁業(yè)從業(yè)人數(shù)占總就業(yè)人數(shù)的2.63%，采礦業(yè)和建筑業(yè)占6.88%，制造業(yè)占16.08%，服務業(yè)擴大為73.34%。服務業(yè)中，除了極少部分傳統(tǒng)服務業(yè)外，絕大多數(shù)是從事與信息處理、信息服務有關的職業(yè)。對于這種趨勢，美國學者總結(jié)說：“從農(nóng)民到工人再到職員，這就是美國的簡史?！薄拔覀儸F(xiàn)在大量生產(chǎn)信息，就像我們過去大量生產(chǎn)汽車一樣?！?）信息技術已引起傳統(tǒng)教育方式發(fā)生著深刻變化。計算機仿真技術、多媒體技術、虛擬現(xiàn)實技術和遠程教育技術以及信息載體的多樣性，使學習者可以克服時空障礙，更加主動地安排自己的學習時間和速度。特別是借助于互聯(lián)網(wǎng)的遠程教育，將開辟出通達全球的知識傳播通道，實現(xiàn)不同地區(qū)的學習者、傳授者之間的互相對話和交流，不僅可望大大提高教育的效率，而且給學習者提供一個寬松的內(nèi)容豐富的學習環(huán)境。新近還涌現(xiàn)出了翻轉(zhuǎn)課堂、微課、慕課等新的教育教學方式。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟一、翻轉(zhuǎn)課堂傳統(tǒng)的教學模式是老師在課堂上講課，布置家庭作業(yè)，讓學生回家練習。與傳統(tǒng)的課堂教學模式不同，在“翻轉(zhuǎn)課堂式教學模式”下，學生在家完成知識的學習，而課堂變成了老師學生之間和學生與學生之間互動的場所，包括答疑解惑、知識的運用等，從而達到更好的教育效果。利用視頻來實施教學，在多年以前人們就進行過探索。在上世紀的50年代，世界上很多國家所進行的廣播電視教育就是明證。為什么當年所做的探索沒有對傳統(tǒng)的教學模式帶來多大的影響，而“翻轉(zhuǎn)課堂”卻倍受關注呢?這是因為“翻轉(zhuǎn)課堂”有如下幾個鮮明的特點：3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟第一、教學視頻短小精悍不論是薩爾曼·汗的數(shù)學輔導視頻，還是喬納森·伯爾曼和亞倫·薩姆斯所做的化學學科教學視頻，一個共同的特點就是短小精悍。大多數(shù)的視頻都只有幾分鐘的時間，比較長的視頻也只有十幾分鐘。每一個視頻都針對一個特定的問題，有較強的針對性，查找起來也比較方便;視頻的長度控制在在學生注意力能比較集中的時間范圍內(nèi)，符合學生身心發(fā)展特征;通過網(wǎng)絡發(fā)布的視頻，具有暫停、回放等多種功能，可以自我控制，有利于學生的自主學習。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟第二，教學信息清晰明確薩爾曼·汗的教學視頻有一個顯著的特點，就是在視頻中唯一能夠看到的就是他的手，不斷地書寫一些數(shù)學的符號，并緩慢地填滿整個屏幕。除此之外，就是配合書寫進行講解的畫外音。用薩爾曼·汗自己的話語來說：“這種方式。它似乎并不像我站在講臺上為你講課，它讓人感到貼心，就像我們同坐在一張桌子面前，一起學習，并把內(nèi)容寫在一張紙上?！边@是“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學視頻與傳統(tǒng)的教學錄像作為不同之處。視頻中出現(xiàn)的教師的頭像、以及教室里的各種物品擺設，都會分散學生的注意力，特別是在學生自主學習的情況下。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟第三，重新建構學習流程通常情況下，學生的學習過程由兩個階段組成：第一階段是“信息傳遞”，是通過教師和學生、學生和學生之間的互動來實現(xiàn)的;第二個階段是“吸收內(nèi)化”，是在課后由學生自己來完成的。由于缺少教師的支持和同伴的幫助，“吸收內(nèi)化”階段常常會讓學生感到挫敗，喪失學習的動機和成就感?！胺D(zhuǎn)課堂”對學生的學習過程進行了重構?！靶畔鬟f”是學生在課前進行的，老師不僅提供了視頻，還可以提供在線的輔導;“吸收內(nèi)化”是在課堂上通過互動來完成的，教師能夠提前了解學生的學習困難，在課堂上給予有效的輔導，同學之間的相互交流更有助于促進學生知識的吸收內(nèi)化過程。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟第四，復習檢測方便快捷學生觀看了教學視頻之后，是否理解了學習的內(nèi)容，視頻后面緊跟著的四到五個小問題，可以幫助學生及時進行檢測，并對自己的學習情況作出判斷。如果發(fā)現(xiàn)幾個問題回答的不好，學生可以回過頭來再看一遍，仔細思考哪些方面出了問題。學生對問題的回答情況，能夠及時地通過云平臺進行匯總處理，幫助教師了解學生的學習狀況。教學視頻另外一個優(yōu)點，就是便于學生一段時間學習之后的復習和鞏固。評價技術的跟進，使得學生學習的相關環(huán)節(jié)能夠得到實證性的資料，有利于教師真正了解學生。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟二、微課“微課”是指按照新課程標準及教學實踐要求，以視頻為主要載體，記錄教師在課堂內(nèi)外教育教學過程中圍繞某個知識點(重點難點疑點)或教學環(huán)節(jié)而開展的精彩教與學活動全過程?！拔⒄n”是指為使學習者自主學習獲得最佳效果，經(jīng)過精心的信息化教學設計，以流媒體形式展示的圍繞某個知識點或教學環(huán)節(jié)開展的簡短、完整的教學活動。它的形式是自主學習，目的是最佳效果，設計是精心的信息化教學設計，形式是流媒體，內(nèi)容是某個知識點或教學環(huán)節(jié)，時間是簡短的，本質(zhì)是完整的教學活動。因此，對于老師而言，最關鍵的是要從學生的角度去制作微課，而不是在教師的角度去制作，要體現(xiàn)以學生為本的教學思想。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟微課之四“微”1.微課“位微不卑”。微課雖然短小，比不上一般課程宏大豐富，但是它意義非凡，效果明顯，是一個非常重要的教學資源。2.微課“課微不小”。微課雖然短小，但它的知識內(nèi)涵和教學意義非常巨大，有時一個短小微課比幾十節(jié)課都有用。3.微課“步微不慢”。微課都是小步子原則，一個微課講解一兩個知識點，看似很慢，但穩(wěn)步推進，實際效果并不慢。4.微課“效微不薄”。微課有積少成多、聚沙成塔的作用，通過不斷的微知識、微學習，從而達到大道理、大智慧。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟微課的組成“微課”的核心組成內(nèi)容是課堂教學視頻(課例片段)，同時還包含與該教學主題相關的教學設計、素材課件、教學反思、練習測試及學生反饋、教師點評等輔助性教學資源，它們以一定的組織關系和呈現(xiàn)方式共同“營造”了一個半結(jié)構化、主題式的資源單元。因此，“微課”既有別于傳統(tǒng)單一資源類型的教學課例、教學課件、教學設計、教學反思等教學資源，又是在其基礎上繼承和發(fā)展起來的一種新型教學資源。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟在網(wǎng)絡web2.0時代，隨著信息與通迅技術快速發(fā)展，與當前廣泛應用的眾多社會性工具軟件(如博客、微博、Facebook、Youku、Tudou等)一樣，微課也將具有十分廣闊的教育應用前景。對教師而言，微課將革新傳統(tǒng)的教學與教研方式，突破教師傳統(tǒng)的聽評課模式，教師的電子備課、課堂教學和課后反思的資源應用將更具有針對性和實效性，基于微課資源庫的校本研修、區(qū)域網(wǎng)絡教研將大有作為，并成為教師專業(yè)成長的重要途徑之一。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟對于學生而言，微課能更好的滿足學生對不同學科知識點的個性化學習、按需選擇學習，既可查缺補漏又能強化鞏固知識，是傳統(tǒng)課堂學習的一種重要補充和拓展資源。特別是隨著手持移動數(shù)碼產(chǎn)品和無線網(wǎng)絡的普及，基于微課的移動學習、遠程學習、在線學習、“泛在學習”將會越來越普及，微課必將成為一種新型的教學模式和學習方式。更是一種可以讓學生自主學習，進行探究性學習的平臺。三、慕課慕課：大型開放式網(wǎng)絡課程即MOOC(massiveopenonlinecourses)。是新近涌現(xiàn)出來的一種在線課程開發(fā)模式，它發(fā)端于過去的那種發(fā)布資源、學習管理系統(tǒng)以及將學習管理系統(tǒng)與更多的開放網(wǎng)絡資源綜合起來的舊的課程開發(fā)模式。慕課簡介所謂“慕課”(MOOC)，顧名思義，“M”代表Massive(大規(guī)模)，與傳統(tǒng)課程只有幾十個或幾百個學生不同，一門MOOCs課程動輒上萬人，最多達16萬人;第二個字母“O”代表Open(開放)，以興趣導向，凡是想學習的，都可以進來學，不分國籍，只需一個郵箱，就可注冊參與;第三個字母“O”代表Online(在線)，學習在網(wǎng)上完成，無需旅行，不受時空限制;第四個字母“C”代表Course，就是課程的意思。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟MOOC是新近涌現(xiàn)出來的一種在線課程開發(fā)模式，它發(fā)端于過去的那種發(fā)布資源、學習管理系統(tǒng)以及將學習管理系統(tǒng)與更多的開放網(wǎng)絡資源綜合起來的舊的課程開發(fā)模式。通俗地說，慕課是大規(guī)模的網(wǎng)絡開放課程，它是為了增強知識傳播而由具有分享和協(xié)作精神的個人組織發(fā)布的、散布于互聯(lián)網(wǎng)上的開放課程。這一大規(guī)模在線課程掀起的風暴始于2011年秋天，被譽為“印刷術發(fā)明以來教育最大的革新”，呈現(xiàn)“未來教育”的曙光。2012年，被《紐約時報》稱為“慕課元年”。多家專門提供慕課平臺的供應商紛起競爭，Coursera、edX和Udacity是其中最有影響力的“三巨頭”，前兩個均進入中國。課程范圍MOOC是以連通主義理論和網(wǎng)絡化學習的開放教育學為基礎的。這些課程跟傳統(tǒng)的大學課程一樣循序漸進地讓學生從初學者成長為高級人才。課程的范圍不僅覆蓋了廣泛的科技學科，比如數(shù)學、統(tǒng)計、計算機科學、自然科學和工程學，也包括了社會科學和人文學科。慕課課程并不提供學分，也不算在本科或研究生學位里。通常，參與慕課的學習是免費的。然而，如果學習者試圖獲得某種認證的話，則一些大規(guī)模網(wǎng)絡開放課程可能收取一定學費。

授課形式課程不是搜集，而是一種將分布于世界各地的授課者和學習者通過某一個共同的話題或主題聯(lián)系起來的方式方法。盡管這些課程通常對學習者并沒有特別的要求，但是所有的慕課會以每周研討話題這樣的形式，提供一種大體的時間表，其余的課程結(jié)構也是最小的，通常會包括每周一次的講授、研討問題、以及閱讀建議等等。測驗每門課都有頻繁的小測驗，有時還有期中和期末考試?？荚囃ǔＳ赏瑢W評分(比如一門課的每份試卷由同班的五位同學評分，最后分數(shù)為平均數(shù))。一些學生成立了網(wǎng)上學習小組，或跟附近的同學組成面對面的學習小組。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟主要特點(i)大規(guī)模的：不是個人發(fā)布的一兩門課程：“大規(guī)模網(wǎng)絡開放課程”(MOOC)是指那些由參與者發(fā)布的課程，只有這些課程是大型的或者叫大規(guī)模的，它才是典型的MOOC。(ii)開放課程：尊崇創(chuàng)用共享(CC)協(xié)議;只有當課程是開放的，它才可以成之為MOOC。(iii)網(wǎng)絡課程：不是面對面的課程;這些課程材料散布于互聯(lián)網(wǎng)上。人們上課地點不受局限。無論你身在何處，都可以花最少的錢享受美國大學的一流課程，只需要一臺電腦和網(wǎng)絡聯(lián)接即可。

3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟4)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為科學研究和技術開發(fā)不可缺少的工具?；ヂ?lián)網(wǎng)擁有的600多個大型圖書館、400多個文獻庫和100萬個信息源，成為科研人員可以隨時進入并從中獲取最新科技動態(tài)的信息寶庫，大大節(jié)約查閱文獻的時間和費用；互聯(lián)網(wǎng)上信息傳遞的快捷性和交互性，使身處世界任何地方的研究者都可以成為研究伙伴，在網(wǎng)上進行實時討論、協(xié)同研究，甚至使用網(wǎng)上的主機和軟件資源，來完成自己的研究工作。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟5）信息技術促進人類文明的進步信息技術在全球的廣泛使用，不僅深刻地影響著經(jīng)濟結(jié)構與經(jīng)濟效率，而且作為先進生產(chǎn)力的代表，對社會文化和精神文明產(chǎn)生著深刻的影響。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟信息網(wǎng)絡為各種思想文化的傳播，提供了更加便捷的渠道，大量的信息通過網(wǎng)絡滲入到社會各個角落，成為當今文化傳播的重要手段。電子出版以光盤、磁盤和網(wǎng)絡出版等多種形式，打破了以往信息媒體紙介質(zhì)一統(tǒng)天下的局面。多媒體技術的應用和交互式界面的采用為文化、藝術、科技的普及開辟了廣闊前景。網(wǎng)絡等新型信息介質(zhì)、為各民族優(yōu)秀文化的繼承、傳播，為各民族文化的交流、交融提供了嶄新的可能性。網(wǎng)絡改變著人與人之間的交往方式，改變著人們的工作方式和生活方式，也就必然會對文化的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響，一種新的適應網(wǎng)絡時代和信息經(jīng)濟的先進文化將逐漸形成。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟3.2.2生物科技與基因工程：生物科技包括微生物工程、細胞工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程等。它不僅直接關系到農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展，而且對環(huán)保、能源技術等都有很強的滲透力。知識經(jīng)濟的另一個特點將是生物科技與基因工程在社會經(jīng)濟、人類生產(chǎn)與生活、保健和醫(yī)療以及環(huán)境保護等方面發(fā)揮空前重要的作用，其中轉(zhuǎn)基因技術與克隆技術將對人類的生活產(chǎn)生難以想象的影響。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟這是什么？這是什么？基因工程：即基因拼接技術或DNA重組技術。通俗的說，就是按照人們的意愿，把一種生物的某種基因提取出來，加以修飾改造，然后放到另一種生物的細胞里，定向地改造生物的遺傳性狀。原理：操作水平：結(jié)果：基因重組DNA分子水平定向地改造生物的遺傳性狀，獲得人類所需要的品種。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟1、基因工程與作物育種3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟生長快、肉質(zhì)好的轉(zhuǎn)基因魚(中國)乳汁中含有人生長激素的轉(zhuǎn)基因牛(阿根廷)3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的甜椒轉(zhuǎn)魚抗寒基因的番茄3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟2、基因工程與藥物研制我國生產(chǎn)的部分基因

工程疫苗和藥物許多藥品的生產(chǎn)是從生物組織中提取的。受材料來源限制產(chǎn)量有限，其價格往往十分昂貴。微生物生長迅速，容易控制，適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。若將生物合成相應藥物成分的基因?qū)胛⑸锛毎麅?nèi)，讓它們產(chǎn)生相應的藥物，不但能解決產(chǎn)量問題，還能大大降低生產(chǎn)成本。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟胰島素從豬、牛等動物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰島素，其產(chǎn)量之低和價格之高可想而知。將合成的胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，每2000L培養(yǎng)液就能產(chǎn)生100g胰島素！使其價格降低了30%-50%!3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟基因工程做成的“超級細菌”能吞食和分解多種污染環(huán)境的物質(zhì)。

通常一種假單孢桿菌只能分解石油中的一種烴類．用基因工程培育成功的“超級細菌”卻能分解石油中的多種烴類化合物?？茖W家還培育出能吞食轉(zhuǎn)化汞、鎘等重金屬，分解DDT等毒害物質(zhì)的細菌。3、環(huán)境污染治理3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟

利用基因工程培育的“指示生物”能十分靈敏地反映環(huán)境污染的情況，卻不易因環(huán)境污染而大量死亡，甚至還可以吸收和轉(zhuǎn)化污染物。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟轉(zhuǎn)基因抗乙肝西紅柿(中國)，雖然不能治愈乙肝，但一年只吃幾個抗乙肝西紅柿，就完全能代替注射乙肝疫苗?？挂腋挝骷t柿屬于轉(zhuǎn)基因食品，就是將乙肝疫苗植入西紅柿內(nèi)，經(jīng)過多代繁殖，使轉(zhuǎn)入的基因穩(wěn)定化。用轉(zhuǎn)基因的植物生產(chǎn)藥物3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟轉(zhuǎn)基因植物的安全性爭論支持派認為：如果轉(zhuǎn)基因農(nóng)業(yè)生物技術得不到社會支持，這一研究將被扼殺，并且強調(diào)，迄今為止并沒有發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因食品危害人體健康和環(huán)境的確切證據(jù)。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟美國人食用轉(zhuǎn)基因食品已多年，超級市場上有4000多種商品是含有轉(zhuǎn)基因植物成分的，還沒有事例證明人吃了以后會得病，甚至會引起死亡。

加拿大、澳大利亞也是轉(zhuǎn)基因食品的生產(chǎn)大國，均有幾千萬人在吃，到現(xiàn)在為止也沒有—個案例說明它有問題。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟反對派的觀點一英國科學家聲稱，轉(zhuǎn)基因馬鈴薯會減弱老鼠免疫系統(tǒng)功能；美國康乃爾大學也發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因玉米會危害蝴蝶幼蟲及其相關生態(tài)環(huán)境。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟環(huán)保團體認為這種違反自然的轉(zhuǎn)基因作物及產(chǎn)品，未經(jīng)長期安全測試，長期食用可能對人類及生態(tài)環(huán)境造成負面影響。尤其是注重環(huán)境和生態(tài)保護的歐盟國家，對轉(zhuǎn)基因作物更加排斥，因而抵制美國GMO產(chǎn)品的進口。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟3.2.3微米機電系統(tǒng)（MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem）和納米機電系統(tǒng)（NEMS，Nano-ElectromechanicalSystem）：作為人類的肢體、感官和思維的延伸的機械工業(yè)，正朝著小型化和集成化的方向發(fā)展，微米機電系統(tǒng)與納米機電系統(tǒng)將把機器的感官功能、分析功能和執(zhí)行操作功能集成為一體，在微米甚至納米的尺度上制造具有復雜功能的機器，為人類完成各種各樣難以想象的任務。這些小巧的智能機器是數(shù)學、物理、化學、材料、機械、電子與計算機、信息與通訊等科學技術互相滲透、綜合與融合的產(chǎn)物。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟微機電系統(tǒng)(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem)，也叫做微電子機械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機械等，是在微電子技術(半導體制造技術)基礎上發(fā)展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術制作的高科技電子機械器件。微機電系統(tǒng)是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機械結(jié)構、微電源微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS是一項革命性的新技術，廣泛應用于高新技術產(chǎn)業(yè)，是一項關系到國家的科技發(fā)展、經(jīng)濟繁榮和國防安全的關鍵技術。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟MEMS側(cè)重于超精密機械加工，涉及微電子、材料、力學、化學、機械學諸多學科領域。它的學科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學、機械學的各分支。MEMS是一個獨立的智能系統(tǒng)，可大批量生產(chǎn)，其系統(tǒng)尺寸在幾毫米。常見的產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟納米機電系統(tǒng)（NEMS，Nano-ElectromechanicalSystem）：是20世紀90年代末、21世紀初提出的一個新概念?？梢赃@樣來理解這個概念，即NEMS是特征尺寸在1~100nm、以機電結(jié)合為主要特征，基于納米級結(jié)構新效應的器件和系統(tǒng)。從機電這一特征來講，可以把NEMS技術看成是MEMS技術的發(fā)展。但是，MEMS的特征尺寸一般在微米量級，其大多特性實際上還是基于宏觀尺度下的物理基礎，而NEMS的特征尺寸達到了納米數(shù)量級，一些新的效應如尺度效應、表面效應等凸顯，解釋其機電耦合特性等需要應用和發(fā)展微觀、介觀物理。也就是說，NEMS的工作原理及表現(xiàn)效應等與MEMS有了甚至是根本性的不同。因此，從更本質(zhì)上說，NEMS技術已經(jīng)是納米科技的一個重要組成部分和方向。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟3.2.4人造功能材料：人類將結(jié)束依靠自然界恩惠的天然材料的時代，憑著自己的聰明才智和創(chuàng)造能力，在物理學、化學、生物學、材料科學和計算機科學等科學技術的指導下，按照自己的需要設計和制造自然界沒有的具有多功能的新型材料。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟1）信息材料電子信息材料及產(chǎn)品支撐著現(xiàn)代通信,計算機,信息網(wǎng)絡,微機械智能系統(tǒng),工業(yè)自動化和家電等現(xiàn)代高技術產(chǎn)業(yè).電子信息材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模和技術水平,在國民經(jīng)濟中具有重要的戰(zhàn)略地位,是科技創(chuàng)新和國際競爭最為激烈的材料領域.微電子材料在未來10～15年仍是最基本的信息材料,光電子材料將成為發(fā)展最快和最有前途的信息材料.2）能源材料全球范圍內(nèi)能源消耗在持續(xù)增長,80%的能源來自于化石燃料,從長遠來看,需要沒有污染和可持續(xù)發(fā)展的新型能源來代替所有化石燃料。未來的清潔能源包括氫能、太陽能、風能、核聚變能等。解決能源問題的關鍵是能源材料的突破,無論是提高燃燒效率以減少資源消耗，還是開發(fā)新能源及利用再生能源都與材料有著極為密切的關系。傳統(tǒng)能源所需材料：主要是提高能源利用效率，要發(fā)展超臨界蒸汽發(fā)電機組和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)技術上，這些技術對材料的要求高,如工程陶瓷,新型通道材料等；氫能和燃料電池:氫能生產(chǎn)，儲存和利用所需的材料和技術,燃料電池材料等;綠色二次電池：鎳氫電池,鋰離子電池以及高性能聚合物電池等新型材料；太陽能電池：多晶硅,非晶硅,薄膜電池等材料；核能材料：新型核電反應堆材料.新能源材料就材料種類主要包括專用薄膜,聚合物電解液,催化劑和電極,先進光電材料,特制光譜塑料和涂層,碳納米管,金屬氫化物漿料,高溫超導材料,低成本低能耗民用工程材料,輕質(zhì),便宜,高效的絕緣材料,輕質(zhì),堅固,復合結(jié)構材料,超高溫合金,陶瓷和復合材料,抗輻射材料,低活性材料,抗腐蝕及抗壓力腐蝕裂解材料,機械和抗等離子腐蝕材料.當前研究熱點和技術前沿包括高能儲氫材料,聚合物電池材料,中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料,多晶薄膜太陽能電池材料等.3）生物材料生物材料是和生命系統(tǒng)結(jié)合,用以診斷,治療或替換機體組織,器官或增進其功能的材料.它涉及材料,醫(yī)學,物理,生物化學及現(xiàn)代高技術等諸多學科領域,已成為21世紀主要支柱產(chǎn)業(yè)之一.很多類型的材料在健康治療中都已得到應用,主要包括金屬和合金,陶瓷,高分子材料(如高分子聚乙烯管）,復合材料和生物質(zhì)材料.高分子生物材料是生物醫(yī)用材料中最活躍的領域;金屬生物材料仍是臨床應用最廣泛的承力植入材料,醫(yī)用鈦及其合金,以及Ni-Ti形狀記憶合金的研究與開發(fā)是一個熱點;無機生物材料越來越受到重視.國際生物醫(yī)用材料研究和發(fā)展的主要方向,一是模擬人體硬軟組織,器官和血液等的組成,結(jié)構和功能而開展的仿生或功能設計與制備,二是賦予材料優(yōu)異的生物相容性,生物活性或生命活性.就具體材料來說,主要包括藥物控制釋放材料,組織工程材料,仿生材料,納米生物材料,生物活性材料,介入診斷和治療材料,可降解和吸收生物材料,新型人造器官,人造血液等.4）汽車材料汽車用材在整個材料市場中所占的比例很小,但是屬于技術要求高,技術含量高,附加值高的三高產(chǎn)品,代表了行業(yè)的最高水平.汽車材料的需求呈現(xiàn)出以下特點:輕量化與環(huán)保是主要需求發(fā)展方向;各種材料在汽車上的應用比例正在發(fā)生變化,主要變化趨勢是高強度鋼和超高強度鋼,鋁合金,鎂合金,塑料和復合材料的用量將有較大的增長,汽車車身結(jié)構材料將趨向多材料設計方向.同時汽車材料的回收利用也受到更多的重視,電動汽車,代用燃料汽車專用材料以及汽車功能材料的開發(fā)和應用工作不斷加強.5）納米材料與技術納米材料及技術將成為第5次推動社會經(jīng)濟各領域快速發(fā)展的主導技術，21世紀前20年將是納米材料與技術發(fā)展的關鍵時期.納電子代替微電子,納加工代替微加工,納米材料代替微米材料,納米生物技術代替微米尺度的生物技術,這已是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀規(guī)律.納米材料與科技的研究開發(fā)大部分處于基礎研究階段,如納米電子與器件,納米生物等高風險領域,還沒有形成大規(guī)模的產(chǎn)業(yè).但納米材料及技術在電子信息產(chǎn)業(yè),生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè),能源產(chǎn)業(yè),環(huán)境保護等方面,對相關材料的制備和應用都將產(chǎn)生革命性的影響..6）超導材料與技術超導材料與技術是21世紀具有戰(zhàn)略意義的高新技術,廣泛用于能源,醫(yī)療,交通,科學研究及國防軍工等重大領域.超導材料的應用主要取決于材料本身性能及其制備技術的發(fā)展.低溫超導材料已經(jīng)達到實用水平,高溫超導材料產(chǎn)業(yè)化技術也取得重大突破,高溫超導材料和移動通訊用高溫超導濾波子系統(tǒng)將很快進商業(yè)化階段。7）稀土材料稀土材料是利用稀土元素優(yōu)異的磁、光、電等特性開發(fā)出的一系列不可取代的，性能優(yōu)越的新材料。稀土材料被廣泛應用于冶金機械，石油化工，輕工農(nóng)業(yè)，電子信息，能源環(huán)保，國防軍工等多個領域，是當今世界各國改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，發(fā)展高新技術和國防尖端技術不可缺少的戰(zhàn)略物資。稀土永磁材料（如磁性襯板）：其是發(fā)展最快的稀土材料,廣泛應用于電機，電聲，醫(yī)療設備，磁懸浮列車及軍事工業(yè)等高技術領域；貯氫合金：主要用于動力電池和燃料電池；稀土發(fā)光材料：有新型高效節(jié)能環(huán)保光源用稀土發(fā)光材料，高清晰度，數(shù)字化彩色電視機和計算機顯示器用稀土發(fā)光材料，和特種或極端條件下應用的稀土發(fā)光材料等；稀土催化材料：發(fā)展重點是替代貴金屬，降低催化劑的成本，提高抗中毒性能和穩(wěn)定性能；稀土在其他新材料中的應用：如精密陶瓷,光學玻璃，稀土刻蝕劑,稀土無機顏料等方面也正在以較高的速度增長，如稀土電子陶瓷，稀土無機顏料等.8）新型有色金屬合金材料主要包括鋁、鎂、鈦等輕金屬合金以及粉末冶金材料，高純金屬材料等.鋁合金：包括各種新型高強高韌，高比強高比模，高強耐蝕可焊，耐熱耐蝕鋁合金材料，如Al-Li合金等；鎂合金：包括鎂合金和鎂-基復合材料，超輕高塑性Mg-Li-X系合金等;鈦合金材料：包括新型醫(yī)用鈦合金,高溫鈦合金,高強鈦合金,低成本鈦合金等;粉末冶金材料：產(chǎn)品主要包括鐵基,銅基汽車零件,難熔金屬,硬質(zhì)合金等;高純金屬及材料：材料的純度向著更純化方向發(fā)展,其雜質(zhì)含量達ppb級,產(chǎn)品的規(guī)格向著大型化方向發(fā)展.9）新型建筑材料新型建筑材料主要包括新型墻體材料,化學建材,新型保溫隔熱材料,建筑裝飾裝修材料等.國際上建材的趨勢正向環(huán)保,節(jié)能,多功能化方向發(fā)展.其中玻璃的發(fā)展趨勢是向著功能型,實用型,裝飾型,安全型和環(huán)保型五個方向發(fā)展,包括對玻璃原片進行表面改性或精加工處理,節(jié)能的低輻射(Low—E)和陽光控制低輻射(Sun-E)膜玻璃等;此外,還包括節(jié)能,環(huán)保的新型房建材料,以及滿足工程特殊需要的特種系列水泥等.3.2.5宇航科技：知識經(jīng)濟將孕育空前發(fā)達的宇航科技，使人類向廣闊宇宙進軍和普通人遨游太空的夢想成真。宇航科技顯然是建立在數(shù)學、物理、天體物理、化學、機械、電子與計算機、材料、通信、生物與醫(yī)學等科學技術至上的。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟航空與航天是20世紀人類認識和改造自然進程中最活躍、最有影響的科學技術領域，也是人類文明高度發(fā)展的重要標志。航空指飛行器在地球大氣層內(nèi)的航行活動，航天指飛行器在大氣層外宇宙空間的航行活動。人類在征服大自然的漫長歲月中，早就產(chǎn)生了翱翔天空、遨游宇宙的愿望。雖然人類很早就做過種種飛行的探索和嘗試，但實現(xiàn)這一愿望還是從18世紀的熱空氣氣球升空開始的。自從20世紀初第一架帶動力的、可操縱的飛機完成了短暫的飛行之后，人類在大氣層中飛行的古老夢想才真正成為現(xiàn)實。經(jīng)過許多杰出人物的艱苦努力，航空科學技術得到迅速發(fā)展，飛機性能不斷提高。人類逐漸取得了在大氣層內(nèi)活動的自由，也增強了飛出大氣層的信心。到了50年代中期，在火箭、電子、自動控制等科學技術有了顯著進展的基礎上，第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，開創(chuàng)了人類航天新紀元，廣闊無垠的宇宙空間開始成為人類活動的新疆域。航空航天事業(yè)的發(fā)展是20世紀科學技術飛躍進步，社會生產(chǎn)突飛猛進的結(jié)果。航空航天的成果集中了科學技術的眾多新成就。迄今為止的航空航天活動，雖然還只是人類離開地球這個搖籃的最初幾步，但它的作用已遠遠超出科學技術領域，對政治、經(jīng)濟有深遠的影響。1961年4月12日，尤里·加加林成為首個能夠飛上太空的人，而在1969年7月21日，尼爾·阿姆斯特朗則成為首個登陸月球的人。而在60年代開始，人們發(fā)現(xiàn)用復合材料制造的飛機比傳統(tǒng)的更寧靜、更具燃油效益和更適合，但更富進步性的是飛機儀器及飛控技術的改良，出現(xiàn)了GPS、晶體管、通信衛(wèi)星電腦和LED顯示器，這些科技使駕駛艙里的儀器得以減少，節(jié)省空間，對較小型的飛機有極大幫助，飛行員除了能夠準確地駕駛飛機，還能夠準確地觀察地形和飛機周圍的環(huán)境。2004年6月21日，太空船1號成為首架能飛上太空的私人飛機，為航空業(yè)界開拓一個新的市場。同時，飛機燃料亦可由其它新能源取代，如電、乙醇、甚至太陽能，這些新燃料將會被廣泛采用在小型飛機軍事以至人類社會生活都產(chǎn)生了廣泛而深遠的影響。太空船一號(SpaceShipOne)是一架空天飛機，由魯坦(BurtRutan)以及美國縮尺復合體(ScaledComposites)公司制造。有雙尾翼以及可變的半三角翼機翼，在不同的階段機翼會變成不同的狀態(tài)。太空船一號和航天飛機不同，是先由另一架飛機"白色騎士"載上高空后才開始自行飛行。1999年11月20日～21日，中國載人航天工程第一艘“神舟”無人試驗飛船飛行試驗獲得了圓滿成功。2001年初至2002年底又相繼研制并發(fā)射成功了神舟2～4號無人試驗飛船，獲得了寶貴的試驗數(shù)據(jù)，為實施載人航天打下了堅實的基礎。2003年10月15日發(fā)射了神舟－5。該飛船是在無人飛船基礎上研制的中國第1艘載人飛船，乘有1名航天員，在軌運行1天。整個飛行期間為航天員提供必要的生活和工作條件，同時將航天員的生理數(shù)據(jù)、電視圖像發(fā)送地面，并確保航天員安全返回。神舟－5飛船載人航天飛行實現(xiàn)了中華民族千年飛天的愿望，是中華民族智慧和精神。2016年10月中旬將發(fā)射神舟－11飛船.航空航天技術是20世紀人類在認識自然和改造自然的過程中最活躍、發(fā)展最迅速、對人類社會生活最有影響的科學技術領域之一，也是表征一個國家科學技術先進性的重要標志。航空航天技術是高度綜合的現(xiàn)代科學技術，綜合運用了基礎科學和應用科學的最新成就和工程技術的最新成果。力學、熱力學、材料學、電子技術、自動控制理論和技術、計算機技術、噴氣推進技術以及制造工藝等科學技術的進步都極大地促進航空航天科技的進步和發(fā)展。上述科學技術在航空航天領域的應用中相互交叉、滲透，又產(chǎn)生了一些新的學科；并在航空航天技術的推動下發(fā)展提高。3.3世界的高科技需要教育去培育21世紀高科技需要長期的、全面的和全民的教育去培育，這就要求普及中等教育與高等教育，加強職業(yè)技術教育和終生教育，在此基礎上實現(xiàn)基礎研究、應用研究和技術開發(fā)的創(chuàng)新，為高科技和知識經(jīng)濟的發(fā)展提供堅實的科技支撐和豐富的人力資源。3.21世紀的高科技與知識經(jīng)濟4.21世紀的高科技與物理學4.120世紀的高科技與物理學對于20世紀的物理學與社會的關系，人們形成了以下共識：20世紀是物理學的世紀。這一共識來自于有目共睹的物理學對高科技的影響和對提高社會生活品質(zhì)的貢獻。4.21世紀的高科技與物理學4.1.1物理學的各個分支學科的發(fā)展產(chǎn)生了20世紀的新技術核物理與粒子物理導致晶體管、芯片、集成電路卡、計算機的出現(xiàn)，以及信息與通信技術的發(fā)展；量子光學是激光技術、光學通信、光學工程的科學基礎；原子分子物理、材料科學、量子化學導致人工新材料的合成；廣義相對論、天體物理學與宇宙學是宇航科技的基礎，導致新的宇宙觀的形成。4.21世紀的高科技與物理學4.1.220世紀物理學促進了其他科學的發(fā)展（1）化學：物理學促進了量子化學、化學熱力學和化學反應動力學的發(fā)展：物理學的方法、儀器與探測技術在化學中得到了廣泛應用，使化學研究發(fā)生了質(zhì)的飛躍。（2）生物學：物理學與生物學的結(jié)合，產(chǎn)生了生物物理學、量子生物學等交叉學科；物理學的方法、儀器與探測技術在生物學中得到了廣泛應用，使生物逐步成為精密的、定量的科學。4.21世紀的高科技與物理學（3）數(shù)學：廣義相對論、量子論促進了菲歐幾何、泛函分析和希爾伯特空間理論、微分幾何與纖維叢理論、拓撲學、量子群、非對易幾何等數(shù)學分支的發(fā)展，計算機的出現(xiàn)還使機器證題和計算數(shù)學得到空前發(fā)展。4.21世紀的高科技與物理學4.221世紀物理學的地位21世紀物理學的地位應從兩方面考察。1）物理學在自然科學群體中的地位這是由自然科學群體的知識結(jié)構決定的，是長期的，穩(wěn)定的。在自然科學群體中，物理學處于基礎和領導地位。這一觀點會招來其他學科的爭議。對這些爭議的回答是：4.21世紀的高科技與物理學（1）對于數(shù)學，數(shù)學本生不能回答其自身的數(shù)學形式邏輯體系的客觀真實性問題，數(shù)學形式體系的客觀真實性要靠物理學要認證；數(shù)學的發(fā)展有兩個動力，即數(shù)學內(nèi)部邏輯發(fā)展的動力和外部的物理學等學科的需要與直觀的動力。正是這種外部物理學的需要與直觀的動力使Witten和Donaldson發(fā)展了現(xiàn)代數(shù)學，并因此獲得了菲爾茲獎；而量子論導致非對易幾何的出現(xiàn)，超炫理論產(chǎn)生了新的數(shù)學。然而，數(shù)學像語言一樣是偉大的，她作