时间：2023-12-28 17:25:48
数学概念是数学知识的基础，是数学教材结构的最基本的因素，是数学思想与方法的载体，抓好数学概念的教学，是提高数学教学质量的关键。
数学概念比较抽象，在教学过程中，若不注意结合学生心理发展特点去分析事物的本质特征，只是照本宣科地提出概念的正确定义，缺乏生动的讲解和形象的比喻，对某些概念讲解不够透彻，会使得学生对概念一知半解、模糊不清，也就无法对概念正确理解、记忆和应用。本班各学习小组也纷纷寻找出自己在概念教学中遇到的困惑。为了凸显概念的本质，分析学生认知基础，从而更好地把握住教学规律，韩老师还设计了“绝对值”的两节同课异构案例分析和小组为单位的概念教学教学设计，使大家在小组交流和汇报过程中了解不同类型的概念教学的教学方法。大家都比较重视概念的形成过程。注重概念的形成过程，可以完整地、本质地、内在地揭示概念的本质属性，使学生对理解概念具备思想基础，同时也能培养学生从具体到抽象的思维方法。
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【关键词】自主论/还原论/生命现象/解释/遗传信息
【正文】
1．目的性解释或功能解释的方式是概念自主性的逻辑延伸
如果承认生物学理论具有自主性，那么理论自主性的根本在于概念的自主性，即存在所谓不能用物理——化学术语进行描述和定义的概念。生物学理论自主性的另一表现——理论体系的目的性解释或功能解释方式，是概念自主性的逻辑延伸。另一方面，生物学理论中仅存在自主性概念并不必然导致目的性解释或功能解释，例如，孟德尔遗传学、公里化处理后的群体遗传学和进化论的演绎体系(1)，其中所有的概念都没有与物理——化学发生关联，都是自主的，只有在一个体系中，例如，以分子生物学为主体的现代生物学，存在自主性概念的同时，又存在物理——化学的术语和概念，并且，二者都处于解释起点的位置，才必然导致目的性解释或功能解释的理论结构，这种结构成为融合自主性概念与物理——化学概念为一体的方案。就现代分子生物学来说，其中的物理——化学概念所描述的是生命现象中的分子及其行为，而自主性概念所描述和推演的是我们宏观经验的生命现象本身，这二者之间，从概念的构造和体系的建立的过程来说，分属两套逻辑体系，因而它们之间没有逻辑演绎的导出关系(2)，同时，由于生命现象的复杂性（即使假定把它描述成所谓的因果反馈网络是可行的方案），难于形成一个由前者到后者的历史演化的因果决定性的理论描述，剩下来将二者结合在一个理论中的唯一方案就是目的性解释或功能性解释的方式。由此形成的体系中，自主性概念（如遗传信息）处于核心地位，物理——化学的术语和概念（如DNA，蛋白质）是附属的。现代还原论（或称分支论，企图将生物学作为物理科学的一个分支）对生物学理论的目的性解释或功能解释方式的一切责难，以及将其变换为演绎解释方式的企图，如果不首先化解概念的自主性问题，将是徒劳的。
从生物学理论的客观构建过程来说，这些“自主性概念”是直接从生命现象中认定的，因而也是无机世界所没有的。在自主论看来，无论站在什么角度或立场上，“自主性概念”是理论中不可再分解的最基本，最原始的元素，是解说其它现象的起点；而在还原论看来，从物理——化学的立场或从无机界与生命界的关系的角度来看，“自主性概念”是复合的，应由物理——化学的术语和概念复合而成，因而它们就不应是理论中最基本的元素。我们顺着还原论的思路思考下去，还原，就是最终由物理学中的概念逻辑地演绎“自主性概念”的内涵。物理学中所有概念都终究归结为可感知、可操作的三个量纲：质量、空间、时间。物理科学内部的还原都是这种归结：对热质的否定并把热现象归结为能、温度归结为分子的平均动能，从化学到量子力学等等，著名的“熵”，则以热量与温度的关系来表示，在申农创立了信息论之后，人们便千方百计地寻找“信息”与物理学的关系，勉强将其与“熵”联系起来。从有限的意义上说，分子生物学还原了经典遗传学，将基因还原为DNA和“遗传信息”，而“遗传信息”如何进一步归结为物理学的量纲呢？“遗传信息”是一系列生命过程的整体赋予DNA等生物大分子行为以生物学意义的概念，也就是说在解释的逻辑次序上整体在先，元素在后，这是“遗传信息”这一概念的自主性的来源。因此，分子生物学的还原仅是有限意义上的还原，甚至不能说是还原，因为它仅仅是以一个自主性概念（遗传信息）解说了另一个自主性概念（基因），而“遗传信息”已成为现代生物学的研究范式或纲领的核心。因此，现代分子生物学并没有给还原论以支持，而且具有反作用，因为，如果说经典遗传学是一个演绎体系因而在这一点符合还原论的要求，那么分子生物学由于“自主性概念”与物理——化学概念的混合而具有了目的性解释和功能解释框架的特征，这成为生物学理论自主性的表现特征之一。
现代自主论正是从分子生物学的这些自主性特征出发，声明了自己的原则和立场。
2．现代自主论的原则及其本体论基础
从活生生的生命现象中直接认定一些概念，从而它们独立于无机界，有别于物理——化学语言，使建立在这样的概念之上的理论具有自主性，最极端的例子是本世纪初的生理学家杜里舒（H·Driesch）将“活力”概念科学化和理论化，使它成为逻辑解释的起点；孟德尔到摩尔根所构造的经典遗传学中的“基因”，也是直接以生命现象以及从中所获得的数据为根据认定的有别于物理——化学的概念。本世纪六十年代，分子遗传学将“基因”用DNA分子片段代替，使人们一度认为生物学的自主性是一种虚幻的认识，迟早会消失的。但是，并非DNA分子片段唯一地代替了基因，而是DNA分子与“遗传信息”二者一起来解释基因。“遗传信息”又是直接来源于生命现象的概念，仅就这一点来说，分子生物学仍然具有自主性。这是现代生物学自主论的根据。
现代自主论的主要论点是生物学完全有根据形成自主的概念，“自主”意味着不能由物理——化学术语来分解或描述或定义。为了区别于分子生物学诞生之前的生机论或活力论，现代自主论提出以下原则：将生物学能否还原为物理科学与能否用物质原因阐释生命现象严格区分为两个问题。(3)这个原则所要强调的是，物理——化学并不是对物质世界的唯一表述方式，关于生命有机体自身的物质原因的表述（生物学理论）则是另一种关于物质世界的理论表述方式，二者之间不存在逻辑蕴涵或逻辑导出关系。生物学还原为物理科学，其严格意义是以物理——化学的概念和定律来解释生命现象，从而推演生物学理论。仅从概念的层次来说，完全用物理——化学的术语描述或定义生物学概念，已经非常苛刻而至今远未做到。现代自主论“用物质的原因阐释生命现象”则宽松得多，实际上，分子生物学就是这样，以生命大分子组成，再加上遗传信息、复制、转录、翻译以及选择、稳定等诸多生物学独有的自主性概念，成功地阐释了从功能到进化的许多生命现象和活动。这是一个非常实际的原则，既可以摆脱科学史上令人厌恶的“活力”纠缠，又没有象还原论那样自套枷锁。
虽然如此，如果深究这一原则，则存在以下问题：
第一，现代自主论所称的具有自主性的生物学概念的认知来源无疑仍是对生命现象的直接认定，因此，在还原论或分支论那里应该是纯粹的解释对象的生命现象，在此成为认知和解释的起点。至少在这一点上与“活力”概念是相同的；
第二，现代自主论的本意是，生命现象中的物质运动方式为无机界所没有，因而对这些运动方式、关系等可形成独立于或自主于描述无机界物质运动方式的物理——化学的术语、概念乃至规律、理论，作为解说生命现象的前提。这种主张或可与当下的生命现象或“功能生物学”(4)相谐调，但与科学界的一个基本承诺（也是一个从未被证实过的预设）相抵触：生命来自于无机界。这意味着生命现象中的运动方式与无机界的运动方式有—个逻辑与历史相统一的关系，描述它们的理论也应有一个统一的逻辑关系，因而自主性不应该是必然的。
第三，在解释上，“物质的原因”中的“物质”是指生命体组成，主要是生物大分子，因此在现代自主论看来，分子生物学在具有了自主性的同时，又具有了物质性。而具体体现这种主张的分子生物学必然是自主性概念与物理——化学的术语和概念相“混合”的理论，其中，直接以生命现象作为实在性基础的自主性概念占有主导地位，是理论的核心。“遗传信息”规定了未来的蓝图，成为生物大分子所有行为的目的性基础与源泉，(5)它以生物大分子自身的逻辑内涵所没有包容的、因而是外在的东西，来赋予生物大分子行为以生物学意义。这就使得DNA等生物大分子成为遗传信息等概念的附庸，导致了目的性解释或功能解释方式(2)。这实际上仅仅一半是物质的，而另一半却仍旧是“生机”的。这样，与其说是解释生命现象，不如说是在阐释生命形式下的分子及行为。这样的理论之所以被人们接受，其原因之一是人们接受了“生命来自于无机界”这个科学界中最基本的承诺之一，它已成为一种指导思想，给人们带来了希望：迟早有一天我们可以使理论上的从无机到生命的逻辑与历史上的从无机到生命的演化过程统一起来。因此，现代自主论的原则尽管与现代生物学相一致，但是，它却与这样一个重大的承诺不谐调。
第四，由此，我们可以做这样的一个回顾：生机论以从生命现象中认定的概念作为解释的起点，可简略称为“以‘生命’解释生命”；还原论则基于近现代科学精神的要求，以描述无机界的概念为起点来解释生命现象（即“以‘物质’解释生命”）；而现代自主论的原则和主张，在分子生物学的具体体现中，却付出了这样的代价：以自主性概念为核心规范了物理——化学的术语和概念，以此为解释起点，但所解释的并非是生命现象本身，而是分子的行为（尽管是生命形式之下的）——自主性的那部分所解释的是生物大分子的（物质的）行为（即“以‘生命’解释物质”），“物质原因”那部分所解释的也仍是物质，而非生命。
以上几点，既是现代分子生物学理论体系中存在的哲学疑难，又是现代自主论的主张所存在的问题。现代自主论的原则是以现代生物学为其合理性依据的，它之所以坚持这一原则，一方面是由于现代分子生物学的内容的确如此，另一方面又企图把这一原则固定为今后理论生物学构建的指导性原则。这不由得使人想起了二千多年前亚里士多德的技巧，他不满意柏拉图在灵魂（生命）与肉体（物质）之间设置的鸿沟，企图找出生命过程与物理过程的密切联系，同时又要界说生命过程以表明与物理过程的区别，他构造了“形式因”和“目的因”的概念来解决这一问题：一件东西赖以构成的原料或物质并没有告诉我们它是什么，但赋予它以形式或目的，我们就可以根据它能做什么来说明它。
进一步的问题是本体论问题。现代自主论的优势在于现代生物学理论的形态和内容确以一些自主的概念作为理论根基的，但它的本体论基础却不令人信服：“生物学自主性的本体论根据在于生命有机体这种体系中的因果关系是复杂的，其中，生命整体行为对部分的制约是无机界所没有的。”(3)在此，存在着这样的悖论：因果关系是对现代生物学自主性的否定，而这里却以因果关系（尽管是复杂的，但仍是因果关系）作为自主性的本体论基础——前文分析了“一个理论体系中自主性概念与物理——化学概念同存并列作为解释的最基本元素，必然导致目的性解释或功能解释的方式”，它的逆否命题便是“非目的性解释（演绎的或因果关系的）体系不允许两种概念混合并列为解释的起点”，只能由一方还原另一方。那么，理论出现了“自主性”，到底是由于生命现象太复杂、纯粹以无机界为起点因果地或演绎地解释生命现象太困难而采取的权宜之计；还是由于存在着无机界所没有的“制约”，因而生命现象在本体上具有“自主性”（自主于无机界、确切地说自主于物理——化学的运动机制），使生物学也具有了“自主性”？接下来就发生这样的重大问题：本体上的自主性是什么？它与“活力”“生命力”的本质区别是什么？现代自主论可以争辩：生物学理论的自主性并不等同于生命现象具有自主性。但是，“整体对部分的制约”等诸如此类的现象如果在本体上不是自主的，而是与无机界有演化机制的因果关联，又为何不能为物理——化学（包括未来的物理科学）所描述？除非承认“科学的认识方法是有限的和不完备的”以及进一步承认“人的认知能力是极为有限的”这样令人气馁的命题，这又回到了“太困难而采取的权宜之计”上来。
因此，现代还原论固执地坚持以下两点与现代自主论的原则以及生物学理论现实作对：第一，生命必须纯粹地作为解释对象，而不能在解释之先从生命现象中预设某些概念作为解释的起点，如果生物学理论中有这样的概念，则它应被分解为物理——化学的语言；由此，第二，用演绎的解释方式转换由于存在自主性概念而采用的目的性解释或功能解释方式。坚持以上两点，也即将生命现象作为纯粹的解释对象而从无机界来演绎，就意味着用“物质的原因解释生命”与“生物学还原”是同一个问题。由于这种理想主义的固执，还原论所遭遇的困境甚于现代自主论。
3．现代还原论的困境
还原论的致命之处，主要不在于它反对现代自主论的原则，而在于反对现实的生物学理论的形式和内容去追求一种不太切合实际的理想。对生物学理论中的目的性解释和功能解释的诸多责难及演绎还原的要求所依赖的合理性依据——解释预言的检验是经验上可操作的，已随着现代生物学的成功而烟消云散，因为目的性解释或功能解释方式同样在试验上可检验。面对现代生物学的成功，以及还原所难以克服的诸多困难，再加上现代自主论强有力的批判和否定，现代还原论发现，剩下来可依赖的唯一合理性是哲学意义上的依据，即“生命来自于无机界”这一预设性和承诺性命题，我们不应“以‘生命’解释生命”，也不应“以‘生命’解释物质”，合理的“解释矢量”的方向应是“以‘物质’解释生命现象”。在这里，“生命现象”是一个很不具体的抽象概念，实际上可具体为被“约束”或“规范”的物质行为表现和“约束”或“规范”机制本身，这是真正的解释对象，也是理论自主性的实在性基础。因而，对于还原论来说，追究“基因”或“遗传信息”的起源和分子进化机制已成为其最后的坚守阵地，并且，当代自组织理论和超循环理论的盛行，似乎为还原论带来了令人振奋的希望。
迈尔曾将生物学理论划分为功能生物学与进化生物学，(4)在功能生物学中，基因所携带的遗传信息是生物学一切功能和目的的基础和源泉，只要突破这一点，即能够用物理——化学的语言演绎地描述形成遗传信息的分子进化机制，那么，还原论至少在原则上取得了胜利。但是，通过以下分析，这种希望似乎又是水中之月。
前面说过，“自主性概念”之所以“自主”，是由于它直接对应于生命现象或认定“生命的实在”，它反映了生命特有的本质，因此，它作为理论的起点，不必给予也不可能进行物理——化学的描述。还原论否认存在生命的特质，把所谓“自主性概念”或直接来自生命现象的概念看成是“复合性”的，可分解为诸多物理——化学的术语和概念，与此相应的试验上可操作性依据是生物化学对生命有机体的组成还原。但是，组成上的还原虽然可作为生命与无机界密切联系的依据，但也没有否定现代自主论的“用物质的原因解释生命不等于还原”的命题及所坚持的原则。否定“自主性概念”的充分条件不仅仅是把它看成“复合性”的，而且要以物理——化学的术语和概念逻辑地导出它的内涵。如果只满足于组成上的还原，结果只能是以“自主性概念”为核心来赋予生物大分子及其行为以生命意义(2)。与逻辑导出相对应的试验依据不是组成上的分解还原，而是与逻辑导出同向的试验可操作性，说白了，就是由无机要素合成生命，哪怕是最简单的生命现象。例如，对于超循环论来说，就是生物大分子超循环耦合能否在试验条件下发生，这涉及到“生命来自无机界”这一命题由哲学化向具体的科学化的过渡，关系到还原论在科学上能否真正站稳。但是：
第一，由无机到生命，经历了漫长时间，并且，生命的产生和演化是在十分优越的条件下选择了唯一快捷的途径而发生的。以人类的有限生命和历史是否有能力进行这种操作呢？这就象大海里的沙子，原则上是有限的，如果想数清楚有多少粒，则在实践上是一个无限的问题。退一步说，仅理论上的操作，即以物理——化学诸要素，通过在无机背景下取得的参数，进行自组织理论的非线性过程计算，来描述无机与生命之间的逻辑关系，这种非线性理论的计算操作也同样是事实上的无限复杂。这种原则上的有限而实践上的无限，直接冲击还原论的哲学基础：决定论。只有决定论成立，由无机到生命的逻辑演绎方式才是理论上可操作的，才具有进行预测和试验上可操作的价值和意义；决定论的前提又是自然有限论，而无限性就意味着不确定性，也就意味着逻辑演绎的理论之路是不通畅的、实践之路是不可操作的。
第二，自组织理论本身的结论——非线性过程的不可逆性，使这种操作不可能。从无机到生命的历史过程，其中有许多偶然性或随机因素起了决定作用并已作为“信息”储存于生物大分子的结构中。由于偶然性或随机因素的不可重复，使时间不可反演，因而整个过程无法进行重复操作。
第三，自组织理论和超循环论的非线性动力学过程的不确定性，使从无机到生命的演绎过程不可能。在此，应对“因果决定论”与“演绎解释方式”作出区分，一般来说，这二者被合二为一地用来与目的性解释或功能解释方式相对立，但它们之间是有区别的。因果决定论是用来表述定律或原理的方式，而演绎解释的方式是解释体系乃至理论体系的构成框架，即因果决定论形式的定律或原理是作为演绎框架的解释前提而出现的。这就可以提出这样的问题：否定了因果决定论的自组织理论的非线性过程的定律、原理是否可以作为从无机到生命演绎解释框架的解释前提呢？按照还原论解释的要求，如果中间环节有不确定因素，将阻碍这种演绎解释的逻辑通道的畅通。只有解释前提的因果决定论形式才与整体的演绎解释框架相谐调。尽管自组织理论及超循环论这一新物理科学曾经被讨论的热火朝天，由于它在分子自组织领域内就已经在逻辑上不确定了，因而，至今为止它对生物学的影响只限于描述性地说说而已，至多提供一个框架式的思想启示。
4．结语
还原论所遭遇的困境，是由于坚守着理想主义的科学信仰而不顾生物学现实。但是，无论是同情还原论而提出的带有折衷性的整体还原，还是反对还原论的自主论，在其构建生物学理论的建议中，只要还主张保存直接来自于生命现象的术语和概念，并且不可被物理——化学的术语和概念、也即描述无机世界的术语和概念所代替，都是在认识论上允许预先设定生命现象作为解释的起点，从而在本体论上承诺了存在着一种生命特质，也就有违于“从无机到生命的历史走向和逻辑走向相一致”这一基本的科学承诺。
在现代生物学面前，还原论成为固执地坚守理想和信仰的牺牲者而在所不惜，自主论由于切合生物学理论的现实而取得了优势，并以能够指导未来生物学理论的构建为最大的价值所在。但是，笔者认为，一门学科，特别是具有哲学色彩的学科，其意义和价值不应仅仅依赖于其他学科，更不能以其可否“指导”自然科学的发展为其价值标准。逻辑实证主义起始的现代科学哲学的历史已证明这种“指导”是虚妄和徒劳的，科学往往自我发展而不听命于哲学家的“指导”。在这方面，还原论也并不是无可厚非。无论是还原论还是自主论，它们的目的都是企图指导生物学理论按照它们指定的框架来运行，结果使我们处于这样一个悖论之中：如果信守“生命来自无机界”这一命题，则应否定“不能用描述无机界物质运动的概念、规律即物理科学进行还原”；而坚持还原论，则遇到操作上包括不确定性对演绎过程的否定的阻碍。这是否值得我们反思一下过于功利主义倾向的行为，以修正我们对科学的哲学探讨的目的？科学哲学的真正意义和价值在于自身，在于对科学及其与自然的关系的理解，在于它自身体系的建立，这个体系体现了人类的心智对完美的追求和向往。这一点，特别是在一个人欲横流的社会里，是极为可贵和重要的。
【参考文献】
(1)Rosenberg.A.(1985).The Structure of Biological Science．(Cambridge：cambridge University Press）．
(2)郭垒：“生物学自主性与物理科学的理论构建”，《自然辩证法研究》，1995年第3期。
(3)董国安、吕国辉：“生物学自主性与广义还原”，《自然辩证法研究》，1996年第3期。
(4)〔美〕迈尔：《生物学哲学》，四川教育出版社，1992年版。
关键词:量子力学;量子测量;偏振
中图分类号:O413．1 文献标识码:A 文章编号:1000-0712(2016)03-0005-03
量子力学是近代物理学的基础，并且其应用领域已延伸至化学、生物等许多交叉学科当中，这一课程已成为当今大学生物理教学中一个极为重要的组成部分．由于量子力学主要是描述微观世界结构、运动与变化规律的学科，微小尺度下的许多自然现象与人们日常生活经验相距甚远，量子力学的概念有悖于人们的直觉，难以被初学者接受．如果在教学中能够结合具体的物理实验，从现象到本质引导学生思考，就可以使抽象的量子概念落实到对具体实验现象的归纳总结上来．偏振光实验是一个现象直观而且学生容易操作的普通物理实验，在学生掌握的已有知识基础上，进行新内容的教学，符合初学者的认知规律．利用光的偏振现象来阐述量子力学基本概念已被一些国内外经典教材采纳，如物理学大师狄拉克所著的《量子力学原理》［1］，费因曼所著的《费因曼物理学讲义》［2］，曾谨言教授所著的《量子力学卷1》［3］，赵凯华、罗蔚茵教授合著的《量子物理》［4］等教材．在本文中，笔者结合自己的教学体验，着重从可观测量和测量的角度来考虑问题，在以上经典教材的基础上，进一步整理和挖掘光子偏振所能体现的量子力学基本概念．从量子力学的角度对偏振实验现象进行分析，使同学们对态空间、量子力学表象、波函数统计解释、态叠加原理等量子力学概念有一个直观形象的认识，领会量子力学若干基本假定的内涵思想．最后，从量子角度分析了一个有趣的偏振光实验，加深学生对量子力学基本概念的理解，并展示了量子力学的奇妙特性．
1偏振光实验的经典解释
如图1(a)所示，沿着光线传播的方向，顺次摆放两个偏振片P1、P2．光束经过P1后变为与其透振方向一致且光强为I0的偏振光．两偏振片P1和P2的透振方向之间夹角为θ，由马吕斯定律可知，透过偏振片P2的光的强度为I0cos2θ．按照经典的光学理论，此现象可理解如下:在一个与光传播方向垂直的平面内选定一个xy平面直角坐标系，这里为了描述问题的方便，选定x轴沿P2的透振方向．如图1(b)所示，透过偏振片P1的光电场矢量E可分解为两个分量:沿x方向振动的电场矢量Ex和沿y方向振动的电场矢量Ey．偏振光照射到P2偏振片时，投影到y方向的电场矢量被吸收，投影到x方向的电场矢量透过，振幅增加了一个常数因子cosθ，因而强度变为原来的cos2θ倍，这正是马吕斯定律所给出的结果．
2偏振光实验体现的量子力学概念
下面我们由偏振光的实验现象出发，引出量子态、态空间等量子概念，并用量子力学的语言来描述单个光子与偏振片发生相互作用的过程，讨论在多个光子情况下的量子行为与马吕斯定律的一致性．
2．1量子态
从实验得知，当线偏振光用于激发光电子时，激发出的光电子分布有一个优越的方向(与光偏振方向有关)，根据光电效应，每个电子的发射对应吸收一个光子，可见，光的偏振性质是与它的粒子性质紧密联系的，人们必须把线偏振光看成是在同一方向上偏振的许多光子组成，这样我们可以说单个光子处在某个偏振态上．沿x方向偏振的光束里，每个光子处在|x〉偏振态，沿y方向偏振的光束中，每个光子处在|y〉偏振态．假设我们在实验中把光的强度降到足够低，以至于光子是一个一个到达偏振片的．在图1所示的例子中，通过P1偏振片的光子处在沿P1透振方向的偏振态上，如果P2与P1透振方向一致(θ=0)，则此光子完全透过P2，如果P2与P1透振方向正交(θ=π/2)，则被完全吸收．如果P1与P2透振方向之间角度介于两者之间，会是一种什么样的情形，会不会有部分光子被吸收，部分光子透过的情况发生，但是实验上从来没有观察到部分光子的情形，只存在两种可能的情况:光子变到量子态|y〉，被整个吸收;或变到量子态|x〉，完全透过．下面我们用量子力学的语言来描述单个光子与偏振片发生相互作用的过程，引入量子测量、态空间、表象、态叠加原理、波函数统计解释等量子概念．
2．2量子测量、态空间、表象
单个光子与偏振片发生相互作用的过程，可以看成是一个量子测量的过程，偏振片作为一个测量装置，迫使光子的偏振态在透振方向和与其相垂直的方向上作出选择，测量的结果只有两个，透过或被吸收，透过光子的偏振方向与透振方向一致，被吸收光子的偏振方向与透振方向垂直，可见光子经过测量后只可能处在两种偏振状态，这正是量子特性的反应．在量子力学中，针对一个具体的量子体系，对某一力学量进行测量，测量后得到的值是这一力学量的本征值，我们称它为本征结果，相应的量子态坍缩到此本征结果所对应的本征态上，所有可能的本征态则构成一组正交、规一、完备的本征函数系，此本征函数系足以展开这个量子体系的任何一个量子态．很自然，我们在这里把经过偏振片测量后，所得到的两种可能测量结果(透过或吸收)作为本征结果，它们分别对应的两种偏振状态，此两种偏振状态可以作为正交、规一、完备的函数系，组成一个完备的态空间，任何偏振态都可以按照这两种偏振态来展开，展开系数给出一个具体的表示，这就涉及到量子力学表象问题．在量子力学中，如果要具体描述一个量子态通常要选择一个表象，表象的选取依据某一个力学量(或力学量完备集)的本征值(或各力学量本征值组合)所对应的本征函数系，本征函数系作为正交、规一、完备的基矢组可以用来展开任何一个量子态，展开系数的排列组合给出某一个量子态在具体表象中的表示．结合我们的例子，组成基矢组的两种偏振状态取决于和光子发生相互作用的偏振片，具体说来是由偏振片的透振方向决定．在具体分析问题时，为了处理问题的方便，光子与哪一个偏振片发生相互作用，在数学形式上，就把光子的偏振状态按照此偏振片所决定的基矢组展开，这涉及到怎么合理选择表象的问题．
2．3态叠加原理、波函数统计解释
以上简单的试验也可以作为一个形象的例子来说明量子力学中的态叠加原理．态叠加原理的一种表述为［5］:设系统有一组完备集态函数{φi}，i=1，2，．．．，t，则系统中的任意态|ψ〉，可以由这组态函数线性组合(叠加)而成(1)另一种描述为:如果{φi}，i=1，2，．．．，t是体系可以实现的状态(波函数)，则它们的任何线性叠加式总是表示体系可以实现的状态．在我们的例子中，任何一个偏振片所对应的透振态和吸收态构成完备集态函数，任何一个偏振态都能够在以此偏振片透振方向所决定的基矢组中展开，参照图1所示，通过偏振片P1的偏振态可以在以偏振片P2透振方向所决定的基矢组{|x〉，［y)}中表示为(2)相反，|x〉、|y〉基矢的任意叠加态也都是光子可能实现的偏振态．量子力学还假定，当物理体系处于叠加态式(1)时，可以认为体系处于φi量子态的概率为|ci|2．从前面的分析我们知道，当用偏振片P2对偏振态|P1〉进行测量时，此状态随机地坍缩到|x〉偏振态或|y〉偏振态，坍缩到|x〉偏振态的概率为cos2θ，也就是单个光子透过偏振片的概率，多次统计的结果恰好与马吕斯定律相对应，这充分体现了波函数的概率统计解释．
3典型例子
在教学中我们可以引入一个有趣形象的例子，进一步加深对量子力学基本概念的理解．如图2(a)所示，一束光入射到两个顺序排列的偏振片上，偏振片P3的透振方向相对于偏振片P1的透振方向顺时针转过90°角，我们不妨在一个与光传播方向垂直的平面内选定一个xy平面直角坐标系，P1的透振方向沿x轴，P3的透振方向沿y轴．光通过偏振片P1后变成光强为I0的偏振光，偏振方向与偏振片P1透振方向平行，但与P3的透振方向垂直，则光完全被偏振片P3吸收，不能透过．下面我们将看到一个有趣的现象，在偏振片P1和偏振片P3间插入一个偏振片P2，其透振方向在P1和P3之间，这时光竟可以透过P3偏振片．对此试验，我们可由马吕斯定律给出经典的解释．我们不妨设P2的透振方向相对于P1顺时针转过45°角，通过偏振片P1后，变为光强是I0的偏振光，且偏振方向与P1透振方向一致;再通过偏振片P2后，光强变为I0/2，偏振方向沿顺时针转过45°角，与偏振片P2透振方向一致;最后通过偏振片P3后，光强进一步减弱为I0/4，偏振方向又沿顺时针改变45°角，与偏振片P3透振方向一致．可以看到一个有趣的现象，虽然介于偏振片P1和P2间的光束其偏振方向与偏振片P3的透振方向正交，但最后透过偏振片P3的光束其偏振方向却恰恰沿偏振片P3的透振方向，这正是中间偏振片P2所起的作用．下面用我们前面分析偏振光与偏振片相互作用过程中，所建立起来的量子概念给出具体解释．取直角坐标系xy，x轴沿偏振片P1的透振方向，基矢组为{|x〉，［y)};由偏振片P2的透振方向所决定的基矢组为{|x'〉，［y')}，其透振方向沿x'方向，如图3所示，两组基矢之间的关系可表示为(3)由偏振片P3所决定的基矢组仍为{|x〉，|y〉}，不过透过的光子处在|y〉基矢态．光子透过偏振片P1后，其偏振状态处在|x〉态，由式(3)，此状态可以按P2的基矢组展开为(4)根据式(4)，经过P2偏振片的测量，光子有1/2的概率坍缩到|x'〉态，光子透过P2，有1/2的概率坍缩到|y'〉态，光子被吸收．由式(3)，|x'〉态在由偏振片P3所决定的基矢组同样展开为3的测量下，偏振状态发生改变，有1/2的概率坍缩到|y〉态，透过偏振片，有1/2的概率坍缩到|x〉态，被偏振片吸收，总体来说透过偏振片P1的光子有1/4的概率透过偏振片P3，与经典的马吕斯定律相一致．特别注意到光子透过偏振片P1后，状态为|x〉态，与|y〉态正交，没有|y〉态的组分，但光子透过偏振片P3后却正处在|y〉态，这充分体现了测量可以使量子态改变的量子假定，展示了量子测量的奇妙特性．
4总结
结合对偏振光实验的量子解释，我们分析了若干重要的量子力学概念．但严格说来，光子的问题不属于量子力学问题，只有在量子场论中才能处理．采用光子的偏振情形来讨论某些量子概念，理论上虽稍欠严谨，但如上文所述，确实能够直观形象地反映量子力学中的若干基本假定，使抽象的量子力学概念落实到对具体实验的分析中来，易于被初学者接受，我们不妨在学生开始学习量子力学时引入此例，有助于学生理解抽象的量子概念，领会量子力学的思维方式．
参考文献:
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关键词 皮肤病 临床表现 皮疹 描述 教学
doi:10.3969/j.issn.1007-614x.2010.23.091
因为教学的需要,笔者一直参与医院临床工作,经常接触到非皮肤科医生书写的会诊单和病历,甚至专科年轻医师书写的病历及其撰写的论文,发现皮肤病描述错误、缺漏和杂乱的现象一直广泛存在于上述医学实践中。不管是书面描述,还是口头描述,这种情况都非常多见[1]。皮损描述错误,描述程序混乱,临床表现各特征项目缺漏等杂乱现象,无论是对于疾病的临床诊断和治疗,还是对于实习生、进修生的临床学习,乃至于皮肤病回顾性研究,都带来相当大的困扰,从而对皮肤病学本身的发展也带来一定程度的妨碍。
皮肤病临床描述存在的突出问题
错误使用各种皮疹概念:掌握皮肤病基本皮疹的概念,是开展临床诊疗工作的前提条件。然而我们发现,临床实践中很多医师(尤其年轻医师)并没能完全准确地使用各种皮疹的名称,以至于无法准确地描述皮肤病的病情,对皮疹进行判定和描述的错误,主要表现为以下3个方面:①用统称性名词“皮疹”代替具称性名词(各种基本皮疹),也就是用一个笼统而抽象的概念代替具体而明确的概念,例如,当某医生对一个皮疹不能确定它究竟是“丘疹”还是“结节”时,通常会描述成“某部位有一皮疹”,令人不知其具体所指。②具称性名词混淆不清,导致错用,例如,将皮肤萎缩误作萎缩性瘢痕;将斑块误作斑片;将浸渍误作糜烂等等。③简化基本皮疹的衍生概念(二级皮疹概念),例如,将“丘疱疹”简单描述为“水疱”;将“丘脓疱疹”描述为“脓疱”;将“斑丘疹”描述为“丘疹”等。
皮肤病临床表现描述项缺漏:描述项缺漏或描述错误主要有以下常见现象:①皮肤病整体描述不全面:比如,注意到“主要皮疹”却忽视了“次要皮疹”;观察到皮疹“发生部位”却忽略了“分布特点”;描述到皮疹的“好发部位”却忘记了“非病部位”;描述了皮肤的损害却漏掉了黏膜和附属器的改变;关注了病程长短却忽视了疾病的发展变化;描述皮肤损害时却忽略了全身症状和其他系统损害等。②皮损特征描述项目不全:最常见的缺漏是,注意到皮疹的“视诊”特点,而漏掉了皮疹的“触诊”特点;视诊特征里的色调、顶部、基底、边缘、界限、内容物等项目经常被遗漏;触诊特征里的形状、深度、皮温、湿度、油润度、粘连、触觉等也是经常被忽略的项目。③描述比拟词不准确:例如,将“环形”误作“圆形”;将“链状”误作“线状”;将“多角形”误作“不规则形”等等。因为认识的模糊,实习生、进修生书写的病历描述中甚至出现套用教科书典型皮疹的现象,违背了实事求是的原则。
描述程序杂乱而无规律:病历书写杂乱的情况表现为对临床表现描述的无序性:比如,视诊的特征还没有描述完全,忽然插入触诊的特征;部位及分布的特征没交代清楚,就转入排列情况的叙述,甚至将“分布”特征完全等同于“排列”特征,其实“分布”指的是皮疹相对于身体的空间位置,而“排列”指的是皮疹与皮疹之间的相对秩序位置,是两种完全不同的特征项;皮疹部位的描述没有一定的上下、前后、伸屈顺序,伸侧的皮疹未描写完就开始描写屈侧;描述皮疹形态时,还没描述完颜色就谈形状,然后又是色调等。
上述错误、缺漏和杂乱的描述危害不小,轻则使人不知所云或无法提示诊断,重则误导治疗方案的确定,甚至让年轻医生,尤其是实习生、进修生,无法全面、准确地把握疾病特征。
问题的成因
皮肤病教学被长期忽视:皮肤病描述的错漏杂乱现象广泛存在于临床实践中,原因是多方面的,直接原因是病历书写者对皮疹概念的模糊,根本原因则是皮肤病教学在我们医学教育体系中长期得不到足够的重视,皮肤病皮疹观察描述内容的学习,更没有得到应有的重视,这一点甚至可以从诊断学基础教材编写中反映出来,它同样存在皮疹概念不明,叙述条理不清的缺陷,这种缺陷甚至蔓延到当前部级资格考试的辅导教材,看似无伤大雅,实则透视出皮肤病教学被长期忽视的深层原因。
教学技术手段的局限:90年代末以前,计算机多媒体技术还没在教学中广泛应用,因受社会发展水平及印刷技术的局限,绝大部分教材采用黑白印刷,展示皮疹模型或示意图的教学,始终与皮疹的真实面貌有很大差距,造成初学者极大程度的学习障碍,是导致他们认识模糊和临床描述错误的最初原因,这种障碍造成的不良后果,一直延续到现在。
教材及参考书编写缺乏规范:不同编者编写的教材及参考书对疾病临床表现的描述顺序经常很不一致,如某些大型的皮肤科参考书,就缺乏描述的规范意识,不同编者的描述顺序习惯截然不同。因为缺少相对统一的范本,致使年轻医师学习之初无所适从,在临床诊疗工作中的随意性也自然产生,这是导致临床描写程序混乱的内在原因。
临床实践教学缺乏专门训练:临床实践教学一直来都没有强化皮肤病观察描述训练的专项要求,门诊或住院部的临床见习,其目的也主要是让学生以认识典型皮肤病为主,达不到训练描述能力的目的,他们往往缺少实际动手书写病历的机会,又因条件所限,有的甚至干脆取消了皮肤科实习。缺少观察描述的专门训练,则是皮肤病描述缺漏、杂乱现象广泛存在的直接原因。
由上述原因所产生的3种突出问题,一直广泛存在于临床实践中,甚至可以从一些资深医师身上看到此迹象,这不能不提醒我们现行的医学教育体系还有待完善。
解决临床描述错漏杂乱问题的教学对策
既然问题始源于教学,要改变上述现象的产生,除了首先要从宏观上反思我们的医学教育体系之外,具体对策还得从微观的教学入手,笔者提出以下的解决方法。
重视并强化皮肤病基础理论的学习:扎实掌握基本皮疹的概念,皮肤病症状中皮肤损害是学习的重点和难点,而现行各级教材大多采用黑白印刷,示意图的视觉效果普遍不好,即使本科教材也存在图片数量不足和印刷失真的问题,虽然每种基本皮疹都有相应的文字表述,但认识和理解的障碍还是无法避免。因此,教学中应当尽量多的收集基本皮疹的典型临床照片,并运用多媒体技术演示,首先给学生鲜明的皮疹视觉印象。除了要尽可能多地给他们展示皮疹形态外,还要多用对比讲授的方法,让学生吃透概念的含义,基本皮疹的概念吃不透,往往就导致错误使用皮疹名称。 梳理各种皮疹概念的关系:皮疹的临床表现,复杂多样,再加上多数教材编写中也没有特别强调它们之间的关系,致使初次学习者难免会有繁杂迷茫之感,因而一定要先从理论上理清各皮疹概念的关系,笔者将所有皮疹概念划分为4个范畴:①母概念:即原发和继发皮损里的基本皮疹,这是一种理论概念,并不是指某种具体形态,例如“丘疹”;②子概念:即基本皮疹概念的各种具体临床表现形态,例如“扁平丘疹”、“半球形丘疹”、“多角形丘疹”等;③叠加概念:即由两种以上的基本皮疹组合而成的衍生概念(二级概念),例如“斑丘疹”、“丘疱疹”、“丘脓疱疹”等;④特异概念:即某种疾病的特征性皮疹,例如“隧道”(疥疮)、“脐窝状丘疹”(传染性软疣)。
范畴划分的目的是给医学生提供一个明晰的思路,有助于他们面对临床复杂多样的皮疹形态,能迅速作出正确的判断。
鉴别几组容易混淆的皮疹:皮肤病皮疹的临床表现,是千差万别的,模棱两可的皮疹尤为多见,这是导致描述中错误使用皮疹概念的客观原因。因而,鉴别好易混淆的皮疹,对提高观察描述能力,以及疾病鉴别诊断能力都非常有帮助。丘疹-结节、糜烂-溃疡、皮肤萎缩-萎缩性瘢痕、鳞屑-痂、斑片-斑块等都是视觉上容易混淆的,要注意鉴别,展示皮疹照片的同时,还应当列表比较它们之间的异同,使学生由感性认识上升为理性认识。
完善皮疹观察描述的特征项:这主要包括两方面内容:一是视诊,二是触诊。在这一点上,有些教材(特别是大中专教材)编写比较简略,教学中应对其进行加工和完善。视疹的内容应该包括皮疹的部位、分布、性质、大小、数目、排列、颜色、形状、边界、表面、基底,以及有关水疱内容物性状等特征项;触诊要包括大小、数目、形状、质地、深浅、浸润、粘连、皮温、湿度、触觉等特征项[2]。
皮疹临床表现出来的各特征项,在病历记录中都应有所反映,不可或缺。教学过程中应予特别强调,否则,往往就会导致描述特征缺漏的发生,最终又会导致描述的混乱。
专门组织观察描述实践课:临床实践教学应专门组织观察描述的训练课目,此训练不是见习通常所要求的“认证”典型疾病,而是以训练观察和描述能力为目的。带教老师应提前选好比如银屑病、药疹、湿疹等具有代表性的病例,学生按要求完成之后,教师进行即时的对照检查,这样可以及时指出学生观察描述中存在的错误、缺漏和程序规范问题,使学生获得深刻的印象,并有助于实事求是精神的形成。实践课形式简单易行、直接有效,笔者经过对学生临床实习的对比研究发现,经专门训练后的学生的观察描述能力有明显提高[3]。
准确、全面并有序记录病情是医生临床能力的最基本要求,在皮肤科学则集中表现为对皮疹的观察和描述。当前,皮肤病种类繁多,在命名、分类、分型以及临床症状的表述方面,仍然存在某些混乱现象,因而临床中要求准确、全面并有序记录病情,其意义显得尤为重大,这也是皮肤科学发展的内在必然要求。
参考文献
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2 张学军.皮肤性病学[M].6版.北京:人民卫生出版社,2005:24.
论文摘要： 概念改变是科学学习和教学的重要问题，认知科学、语言学和心理学等学科广泛地探索了概念改变这一主题，提出了一些理论和解释模型，以期回答概念改变的一些基本问题。本文系统地梳理有关概念改变的理论，讨论这些理论的基本特点，并评述了概念改变理论的发展。
本文将系统梳理有关概念改变的几种理论，讨论这些理论的特点。
一、不满和概念替换理论
Posner等人提出的概念改变模式在科学教育领域产生了巨大的影响。其概念改变的理论基础是皮亚杰(Piaget)的认知发展的动机理论，他认为要在儿童原有概念和要学概念之间，创设失衡、不满或者不一致，而解决这种认知冲突的努力会导致对新观念的“同化”和“顺应”过程。
Strike和Posner(1985)概念改变的模型扩展了Piaget通过同化和顺应学习概念的观点。他们描述了概念改变的四个条件：(1)首先 ，学习者对当前的概念产生不满，即当前的概念不能解释新的事件或者不能解决当前遇到的 问题；(2)新的概念必须是可理解的，学习者能明白新概念的含义，理解其意义，发现表征它的方式；(3)新概念必须是合理的，并能够与学习者所认同的其他概念相符；(4)新概念必须是富有成效的，不仅可理解、合理，而且对学习者来说，还必须有价值，能够解决其他概念所不能解决的问题，从而使学习者认为有必要花费时间和精力去学习。由Strike和Posner提出的概念改变理论的核心主张，就是在概念情境——概念生态中，新概念可被理解、判 断、获得或者拒绝。值得注意的是，有许多因素影响概念改变，而非仅概念自身。他们认为学 习者在概念改变的过程中可能经历停止、开始甚至沿原路退回等状态变化。
在这以后，Strike和Posner(1992)又修改了其概念改变的理论，扩展了概念生态的作用。他们认为，错误概念不是被人们明确表达的观点的产物，而是在概念生态中产生的。 他们提出稳定性的问题，认为错误概念是相对松散的、暂时的、不一致的；事实上，它们是 受概念生态的影响。另外他们还提出了概念结构的问题，并关注概念网络的系统本质。
Strike和Posner理论的重要性有两点：(1)对一些因素的关注，例如影响学习者形成概念生态的动机和目标；(2)在课堂教学中的应用。他们的理论已经成为大多数概念改变教 学的里程碑，但是该模型没有充分地提出如何建构相异的概念的过程，不过一旦概念改变过 程和机制的理论弄清楚，研究者要想改变别人的概念，就要返回到这个模型上。
二、知识建构理论
知识建构理论认为某一概念是嵌于稳定而复杂的其他概念的网络中，这些网络能够表征朴素的个人理论，而最基本的思维单元，如本体论和认识论的观点，构成了对因果的自我 解释，这些自我解释一起支持了个人的朴素理论，它将帮我们揭示普遍存在于科学学习的错 误概念。下面阐释两个知识建构理论。
(一)Vosniadou的理论
Vosniadou认为概念根植于并被限定在一个更大的理论结构中。它区分了两种不同水平的理论控制学习者的观念：朴素的框架理论和各种具体的理论。
Vosniadou提出框架理论不为意识所觉察；虽然意识不到，但框架理论限制学习者获得物 理世界的真实知识。它是由本体论和认识论假设组成的。另一方面，具体理论是意识可觉察 到的，并且由一套相互关联的命题组成，这些命题能描述物体可观察到的行为。也就是说， 具体理论是基于个体观察，还有教学信息，并在框架理论的假设限定下逐渐出现的。这两种 理论联合在一起构成了概念结构，学习者通过它们能建立对世界的因果解释。
Vosniadou区分了两种概念改变的方式：丰富和修正。前者被描述为在原有知识上新信息的增加，并且通过累加过程可以获得。后者是发生在新信息与具体理论或框架 理论不一致的时候，是学习者要实现的实质性变化。她认为，新信息和框架理论之间的不一 致比与具体理论之间的不一致更难于解决。
Vosniadou认为在修正的过程中有些概念很难改变，因为框架理论是解释的连贯系统，这些解释是以日常经验为基础，以多年的证据为依托的，从而形成相应的本体论和认识论 ，而概念是以本体论和认识论为根基的，所以概念改变都会引发框架理论系统的变化。这个 论断相似于Strike和Posner的概念生态的含义。学生未能学习某一概念，就是因为要学知识与框架理论之间存在不一致。当儿童力图把一些信息加到错误的原有心理结构上时，就会 产生不一致。错误概念就是学习者努力协调不一致信息块的结果，在这个过程中会产生混合 的模型。这种解释异常数据的尝试类似于解决认知冲突。
Vosniadou(1994)的实证研究表明：(1)存在一个概念获得的顺序；(2)概念结构的重要性就在于对知识获得过程的限定。这些结论引发了这样的理论假设，即概念改变是一 个渐进的，并能导致错误概念的过程。她们也认为，在概念改变过程中存在不同的发展阶段 ：(1)起初的心理模型；(2)混合的心理模型——学习者力图将起初的模型和科学模型协调起来；(3)科学的心理模型。
最近，Vosniadou和Ioannides对原始模型作了两个主要的精致，首先，她们对概念改变的类型做了区分，表明概念改变可能是：(1)自发的，或者(2)基于教学的。前一种类型是源自在社会学习情境中丰富的观察所带来的一种变化，而非正式的科学教学，其中一个例 子就是语言学习，它是社会化的结果。后者是正式教学的结果，它要求建立混合的模型，力 图把科学教学协调到原有的理论中。第二，她们对Vosniadou关于精致过程的原有论断做了进一步阐释。元概念意识所起的作用被加强了，精致被看作“带有更系统、连贯和 解释力的理论框架”的发展。
(二)diSessa的理论
diSessa和Sherin(1998)非常关注概念形成和概念改变的过程和机制等更深入的问题。以朴素学习者占有空乏的因果模型这一假设为基础，理解物理概念的学习，提出了概念形 成的理论。他认为因果观点由现象本源(phenomenological primitives简称p-prim)组成， 现象本源是从一般的经验中抽取出来的，P-prims是特定知识成分的最小单元，并能产生解释 。p-prims直观地等同于物理定律，并构成了人们所见和解释世界的基础。因此，p-prims能 解释diSessa所称的因果网络的结构。而p-prims并不是概念自身，多个p-prims涉及到因果网络的创设。
因果网络近似符合人们直观期望的因果。他们认为：“因果网络大致是‘在观察背后的理论’的替代品，或者是蕴含在基于理论的种类观点中”(diSessa & Sherin)。因此 ，因果网络可被描述为用于理解世界的基于推论的解释，这反过来构成了人们理解世界的理论基础。他们通过一个结构成分，即联合种类，把这种解释机制与概念获得联系起来。为了理解这个复杂的成分交织情形，我们需要一些背景信息。
diSessa和Sherin首先认为所有概念都是不相同的。事实上，像“知更鸟”这样的概念不同于像“速度”或者“力”这样的概念，理解它们需要不同的认知过程。人们需要将前者分类到鸟的类似种类的概念中，人们需要将后者分到一个特殊种类的概念中，他们将其称为联合种类，这些联合种类由结构成分构成，结构成分执行两个明显不同的活动：(1 )围绕通过选择所“看”到的(称为“读出策略”)事物收集信息；(2)以已经提及的因果网络活动为基础。第一部分，读出策略，或者信息收集，相当于一个隐喻的“看”，“看”的方式上的转 变被看作是概念改变的核心问题。他们表示：“在许多例子中，这种‘看’是学习的实质完成 ，并将在一定程度上依赖人们基本的知觉能力。此外，‘看’的这些形式有时涉及明确的策略和扩展的推论”。
因此，diSessa和Sherin把概念改变定义为在读出策略中和在因果网络中的不同变化的介入。他们同时还举例说明，有可能现有的读出策略会被逐渐组织起来，以不同方式使用。在因果网络方面，可能需要建构一个新的因果网络，或者可能需要发展和再组织一个的因果网络。
因果网络是学校中学习物理学科的困难源泉。因此他们建议：“在其他事情中，它(因果网络)需要更系统的组织起来，恒定和整合的观点可能在要使用的因果网络的组织和选择中起到作用”(diSessa和Sherin)。但是他们并没有阐释，在因果网络中发生了什么 样的变化?换句话说，如果我们要关注新的因果关系，需要什么填补这个空缺?要回答这个问题，我们必须转向Chi的概念改变的理论。
三、Chi的概念改变的本体类别理论
Chi等人(1994)建立了这样一个基本假设，学习者在学习概念的时候，可能已经将这些概念归到某一本体类别中。因此，概念改变就被定义为种类分配上的变化。据此，Chi的概念改变理论的最重要方面是概念从某一本体树种类重新分配到另一本体树种类中。在某一树的种类特征本体上不同于另一本体树的种类特征。
Chi的概念改变的理论(Chi te al．，1994)建立在三个假设的基础上：(1)一个认识论 假设，它是关于本体论上的分配和世界上实体本质的观点，由这一假设可以定义“相异”的标准；(2)一个形而上学的假设，它是关于特定科学概念的本质；(3)一个心理假设，它是关于学习者的朴素概念和揭示出的错误概念的分类。
Chi等人(2002)的概念改变理论有两个主要变化。第一，在错误概念移除上的难度；第二，种类的结构。她澄清了嵌于朴素理论中的概念结构的观点。此外，她明确承认朴素 理论和科学理论的假设是不相容的。她认为概念改变的主要挑战源自于这样的事实，“学生 可能缺乏什么时候需要转变的意识和可能缺乏转变后的另一种类”。她们假设，科学上适当 种类的缺乏会阻止学生进行必要的重新分类：“如果实现概念转变不可能，那么学生就不能 修改错误概念，这就是为什么某些错误概念比其他概念更难于修改的原因”。
Limon(2001)称：“尽管我们已经报告了一些积极的效果，可能使用认知冲突策略研究所得到的最突出的结论就是，学生缺乏效力去达到一个强大的概念重建，和随后深入理 解新的信息。有时，学生可以达到部分的变化，但是在某些案例中，教学介入后的短暂时期 内部分变化会消失。为什么即使学生意识到冲突，他们还如此抵抗变化?为什么学生能部分 修改观念和理论，而保持起初理论的核心成分?”。
Chi的概念改变理论恰能够回答这些问题，正如她所说：“问题是除非学生有一个不同种类，把概念分配到这个种类中，不然这种教学将不会有效。”
四、评述
从概念改变的理论研究中我们可以看到：第一，研究?者越来越重视概念背后的东西，概念生态、因果网络、具?体理论、框架理论、本体类别等等，其中有些描述具体的知识领 域的概念，如具体理论和因果网络等等，然而比较这几个理论的发展变化，研究者越来越认识 到有些从具体知识领域中抽取出来的更深层次的东西，如框架理论和本体类别等的重要性， 这些往往是概念难于改变的最根本原因。?第二，概念改变并不仅仅是改变概念本身，还要 触及到支持概念的复杂的知识体系，有些概念非常难于改变，就是?因为其背后有一个完整的 、连贯的、复杂的知识体系，所以对概念的理解和学习要放到与之相联系的复杂的知识网?络中 。
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【摘 要】如果把生物教学活动比喻成修建大厦，那么概念教学就是修建大厦之前的奠基工程。基础打的是否牢固，直接影响未来大厦的质量和落成。因此，作为高中生物教师，我们一定要以新的教学理念重新定位和设计生物概念教学，努力提高概念教学活动的有效性。本文就是笔者结合高中生物概念教学实例所总结出的一些提高生物概念教学有效性的拙见。
关键词 高中生物；概念教学；直观化；抽象化
在生物学科的学习中，学生能否准确有效地把握基本概念直接影响接下来的知识吸收以及相关能力的培养。然而，在教学实践中，很多教师并不重视概念教学，认为概念只要通过死记硬背的方式就能够达到预期的目标，这其实是对概念教学的极大误读，直接影响学生的生物学习有效性。因此，作为生物教师，我们一定要摒弃传统的概念教学理念，以更加科学的观念和方法开展生物学科的概念教学。
一、注意概念引入的直观化
我们都知道，生物概念是对生物现象、规律等进行的高度抽象化，概念的本质就决定了概念内容带有很强的抽象性，这对抽象思维能力尚不成熟的高中生来说自然会在理解上带来一定的难度，为了解决概念抽象化的问题，在引入概念的时候，直观化的表述起到非常关键的作用。教师可以以一些学生比较熟悉的直观的实物、实例等来引入相关的概念，这样会大大降低概念的抽象性，提高学生的理解力。例如，在讲到细胞的渗透作用时，教师就可以以生活中常见的腌制食品为实例进行引入， 通过萝卜腌制以后表皮变皱，放进清水里又重新恢复饱满这样一个生活中十分常见的现象给学生形象直观的表达出细胞的渗透作用的表现，这样有了一个直观生动的实例引入，学生在接下来的概念学习中就会变得更加轻松。
二、积极利用学生已有的概念经验
概念同化是高中阶段概念学习的重要手段之一，它是利用学生原有的概念经验来学习新概念的一种方法。例如，在学习反馈概念之前，就可以利用之前学习过的血糖调节和甲状腺激素调节的相关概念来进行概念教学活动的铺垫，由于有了之前的相关概念作为铺垫，这样，在学习反馈概念这样一个抽象性更强的概念时就不会给学生带来太大的困难，从而有效提高学生的概念理解和接受能力。
三、善于抓住概念的关键字词
在生物学科中，每一个概念都有一些关键的字词，这些字词往往可以精准地概括概念的主要内容、概念的本质等，因此，在学习生物概念的时候，注意抓住概念的关键字词也是学好生物概念的一个有效方式。例如，在讲解“植物的向性运动”的概念时，教师就要注意抓住这样几个
关键词 ，一是“植物体”，这个词表明了概念的对象是植物而不是动物，二是“单一方向”，可以杜绝多向的错误理解，三是“定向运动”，准确表明向性运动非任意方向的重要特征。通过抓关键字词来学习生物概念不仅可以轻松的把握概念的本质内涵，同时，对于强化和巩固学生的概念记忆也是非常有帮助的。
四、积极利用生物实验手段
生物学科作为一门实验学科，在生物概念教学中，往往也离不开实验活动，很多时候，生物概念用语言描述的方式很难说得清，学生很难理解的透彻，而一旦引入实验手段，所有难题就迎刃而解了。例如，“基因的自由组合定理”中，关于“自由组合”的涵义，很多学生总是不能准确的把握，即使教师费尽气力，一些学生依然懵懵懂懂。为了解决这个难题，教师可以采用模拟实验进行说明：准备两种长度的四双筷子，在每双筷子上用橡皮筋扎紧，用来表示复制过的染色体，用两组不同长度的筷子表示两对同源染色体，并在相同的位置做标记，表示等位基因。接下来，在黑板上模拟减数分裂的过程，减数第一次分裂后期，把每组筷子分开，然后将不同组的筷子进行自由组合，这样筷子上的基因自然也会进行重新的组合，而在第二次分裂后，就不会再看见基因的重组现象了。通过这个简易的模拟实验，学生一下子就明白了“自由组合”的涵义，比起语言讲解，这种实验的方式显然更有优势。
五、恰当引入多媒体工具
随着现代教学技术越来越发达，以计算机技术为基础的多媒体教具在生物课堂上应用的越来越多，在生物概念教学中，恰当的引入多媒体工具，对概念教学的效果提升也会大有裨益，这是因为多媒体工具具有动画、图像、声音、文字等一体化的特征，这些特征可以轻松地将抽象的概念变得生动直观，既有效刺激了学生的感官，又增加了概念学习的趣味性。例如，“基因的表达”这一概念，是从水分子的水平来阐述基因控制蛋白质的合成的，由于这一过程属于微观的现象，在表述时带有很强的抽象性，学生在理解起来就显得非常困难，如果这时候能够引入多媒体工具，把这个现象以动画的形式演示出来，让学生可以直观地看见“转录”和“翻译”的过程，这样，学生就能够轻松地理解相关的概念。
六、适当设疑突破概念难点
疑问是思维活动的催化剂，在概念教学中，尤其是一些具有一定难度的概念，通过适当的问题设计可以有效突破概念中的思维难点，帮助学生深化理解概念内容，例如，在讲到“内环境”的概念时，很多学生容易把内环境中的血浆和血液混为一谈，这时候，教师就可以针对这个难点提出问题“血液是由哪两个部分组成？”这个问题一提出，学生立刻就能明白血细胞是不再属于内环境的，从而轻松有效地突破内环境概念中的这一难点。
总之，概念教学是生物教学的重要组成部分，与所有的教学活动一样，概念教学的开展也需要讲求一定的方法和技巧。作为生物教师，我们就是要通过日常的学习和经验总结，不断地掌握和完善这些概念教学的方法和技巧，努力通过科学高效的概念教学来为生物教学活动奠定基石。
参考文献
[1]刘祥君.高中生物概念的教学方法研究[D].天津师范大学.2008
[2]陈欣.概念模型在高中生物学重要概念教学中的应用[J].中学生物教学.2014年10期
[3]何芸.高中生物概念教学对学生学习能力培养的研究[D].天津师范大学.2006
[关键词]高等理工 教学名词 训诂学 数据拟合
[中图分类号] G420 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2014）16-0071-02
一、训诂学与高等理工教学的联系
高等理工教育中的文化教育的重要性已得到了社会的普遍认同和接受，我国著名教育学家杨叔子先生[1-2]多次提出“教育的宗旨是素质教育，教育的方式是文化教育”的观点，尤其强调了民族文化的重要性，提出了“民族文化就是民族的基因”的真知灼见，对于“大学有无民族文化，有无民族精神，即有无真正的中国特色”进行了深入的剖析。
如今，深入挖掘中国传统文化，将中国特色的文化底蕴与现工高等教育教学过程相结合是一项具有深远意义的工作。高等理工教学中，包括大量的名词概念，很多概念艰涩而抽象，名词的定义往往占据较大篇幅，并辅以大量的练习加深对概念的理解和记忆。而训诂学是我国传统文化的瑰宝，是文字学的重要研究内容，将古代的话加以解释，使之明白可晓，谓之训诂[3]，即指疏通解释古代典籍文献和研究古代语言文字的意义。严格的说，只有训释古语古字的用义才能称为“训诂”，而随着时代的发展，训诂学应不断更新观念，运用科学方法，走多向的现代化发展之路[4]，训诂学要从“经学附庸”的旧框子里解放出来，密切联系今天大、中学校的教学[5]，使这一古奥艰深的学问成为服务于现代教学的利器。
基于此，本文引入训诂学的方法论，提出在高等理工教学过程中对名词概念――以数据拟合为例――的思想渊源及与之密切联系的概念进行分析，使之达到望文生义的效果，易于理解和记忆，为相关的研究和教学提供参考。
二、训诂学释义示例
（一）数据“拟合”的训诂学释义
数据拟合是数值分析教学中的重要概念，也是教学难点。为了绕开复杂的理论推证过程，形象、直观的对这一概念的含义进行理解，从概念的字面含义入手，探求其字面背后蕴含的意义。
从训诂学的角度讲， “拟”（繁体为“”），为形声字，从手，以声，本义为揣度，猜测，后又有类比，效仿，打算，起草、初步确定等意。其中，拟人是一种文学作品中常见的修辞手法。“合”，会意字，从，三面合闭，从口，本义：闭合，合拢。
基于上述，“数值拟合”可以解释为：初步确定或草拟（拟）某一函数，调整此函数的参数，使得该函数与已知数据（实验数据）的分布趋势最大限度的重合（合）。如此，通过对“拟合”这一名词概念的训诂学解释，建立名词概念的内涵与字面含义的联系，达到望文生义的效果，将较大程度的有助于对概念内涵的理解和记忆。
（二）“拟合”训诂释义的联系与拓展
训诂学释义可以简单直观的解释名词概念的内涵，还可以根据释义的表述，推断和界定概念的特征与概念之间的联系，从而进一步有助于对概念的理解和记忆。在本文所给的示例中，通过对“拟合”的训诂学解释的表述，可以归纳和引申出如下两点数据拟合计算的基本特征：
1.拟合函数需根据数据的分布趋势“拟”定，并非完全精确的函数或真实函数本身；
2.所求拟合函数与已知数据最大限度的“合”拢，但不会完全重合。
通过对上述“拟合”概念的训诂学解释，并结合数据拟合计算的基本过程，可知对初步拟定的函数，需要代入已知点，形成方程组，将本属于方程变量的参数替换成已知量，求解各个参数，从而确定出拟合函数的具体形式。求解方程系数的过程，其实质是待定系数法。
利用已知点形成含待定系数的方程或方程组，通过解方程或方程组求出待定的系数，或找出某些系数所满足的关系式，这种解决问题的方法叫做待定系数法。[6]一般用法是，设某一多项式的全部或部分系数为未知数，利用两个多项式恒等时同类项系数相等的原理或其他已知条件确定这些系数，从而得到待求的值。[7]可见，待定系数法的基本思想是将本属于方程变量的参数替换成已知量，从而建立成只包含未知系数的方程组，使得未知系数成为方程组的未知数，从而求解方程组得出未知系数。
虽然拟合函数中多项式系数的确定需通过待定系数法，但与传统意义的待定系数法也存在着差别。首先，根据上述拟合的训诂学解释可知拟合需要假定函数形式，与已事先给定函数形式的待定系数法不同。
拟合算法通常设拟合函数由一些简单的“基函数”（例如幂函数，三角函数等等）φ0（x），φ1（x），…，φm（x）的线性组合来表示[8]：
f（x）=c0φ0（x）+c1φ1（x）+…+cmφm（x）
通常取基函数为1，x，x2，x3，…，xm，要确定出系数c0，c1，…，cm，从而确定函数的具体形式，其方法是代入m组实验数据，（x1，y1），（x2，y2），…（xm，ym）组成m个方程的方程组：
■
求解上述m个方程中的个未知数c1、c2、…、cm即可确定函数形式。
其次，由于函数的基本形式并不是理论上精确的，而是通过c1、c2、…、cm系数值的调整从而尽可能的逼近真实函数（与真实函数 “合”拢），加之拟合函数多为非线性多项式，所以方程组的系数c1、c2、…、cm理论上很难求取精确解，其求解精度一般在最小二乘的约束下取得，即使得min■[f（xi-yi）]2达到最小。
（三）相关概念的比较
通过上述基于训诂学示例的释义及由其释义引申出的概念特征与联系，可见训诂学能够更加深入的揭示概念的内涵与外延，更容易甄别概念内涵的共性与差别。本文给出的示例中，待定系数法与数据拟合的最基本思想都是利用已知点确定函数中的系数，从而实现函数形式的精确确定，因此存在基本思想的共性。但二者之间也存在差异，为了简明，将上述对二者的特性讨论总结成表1的形式如下：
表1 两种方法的比较
■
三、结语
训诂学是古代典籍整理和讯释的学问，是中国传统文化的精髓，其与现工教学的结合具有一定的创新意义，并为教学方法的研究提供新的手段和课题。本文利用训诂学的方法，解释了数据“拟合”概念的字面含义，达到望文生义的效果，并由拟合的训诂学解释界定了数据拟合的特征。本文的研究方法对于传统训诂学与现工类教学的有机结合方面的研究，对相关的教学方法设计具有一定的参考价值。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 杨叔子.顺天致性，让学生成为他自己――《种树郭橐驼传》对教育的启示[J].江苏教育，2014（4）：27-29.
[2] 杨叔子.实施素质教育，让学生成为他自己[J].高等教育研究，2013（4）.
[3] 郭在贻.训诂学[M].北京：中华书局，2005.
[4] 杜敏.训诂学与解释学之比较――兼及训诂学当展的途径[J].陕西师范大学学报（哲学社会科学版），2003（6）：38-44.
[5] 齐佩.训诂学概论[M].北京：中华书局，2004.
[6] 段桂花.待定系数法在高等代数中的应用[J].科技信息，2010（16）.
[7] 杜厚善，吴传叶.用待定系数法求圆的方程[J].中学生数理化（高一版），2009（12）.
网络信息检索已成为我们获取信息主要手段。根据CNNIC的统计数据[1]：目前中国用户上网的最主要目的中，信息获取以42.3%位居榜首；有98.7%的人表示通过互联网来获取信息，其中有71.9%的人是通过搜索引擎来查找相关网站的。然而网络信息检索面临两个亟待解决的关键问题：
(1)搜索的结果相关度低，冗余信息太多；
(2)搜索引擎无法对常识性问题给予回答，智能化水平低。
出现上述问题的原因在于目前检索技术主要依赖于编码技术，通过分类模式来描述给定的信息；通过基于字符串匹配的全文检索技术，来搜索用户提交的关键词。由于编码描述只能反映出部分语义，因此不能保证语义的匹配；检索过程是把用户的查询关键词与全文中的每一个词进行比较，而不考虑查询请求与文档语义上的匹配。针对上述两个关键问题，本文运用本体论的相关知识，提出基于本体构建的语义搜索引擎模型。该模型能够根据用户的查询关键字或者询问问题，进行基于知识的推理，从而提高检索结果的相关度，并且实现一定水平的语义检索。
2本体论
2.1本体的概念
本体这个术语来自于哲学，根据韦氏词典的解释，本体是形而上学的一个分支。目前本体在人工智能领域得到广泛研究和应用，但尚未形成统一的定义，最广为流传的定义有[2]：
定义1：本体是对共享概念模型的形式化明确说明。它有几个要点：
概念模型(conceptualization)：指通过抽象客观世界中一些现象(Phenomenon)的相关概念而得到的模型，其表示的含义独立于具体的环境状态；
明确(explicit)：指所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定义；
形式化(formal)：指Ontology是计算机可读的；
共享(share)：指Ontology中体现的是共同认可的知识，反映的是相关领域中公认的概念集，它所针对的是团体而不是个体。
简单地说，本体给出构成相关领域词汇的基本术语和关系，以及利用这些术语和关系构成的确定词汇外延的有关规则的定义；其目标是捕获相关的领域的知识，提供对该领域知识的共同理解，确定领域内通用的词汇，并给出这些词汇(术语)和词汇之间相互关系的明确定义。
定义2：本体论是关于词汇或概念的理论，这些诃汇和概念用于构建人工智能系统。该定义认为，本体实际上是一种表示性的词汇，这种词汇可以应用于特定领域。比如电子设备领域的本体，它包含一些描述基本概念的词汇——晶体管，运算放大器，电压等；也包含这些基本词汇间的关系——运算放大器是电子设备的一种，而晶体管是运算放大器的组件。一般来说，识别这种词汇和潜在的概念需要仔细分析领域内存在的各种对象和关系。这一定义描述的本体建设方法与面向对象方法有一定的共通之处。
定义3：本体论是用来定义某一领域的知识主体。该定义认为，本体是描述某个领域的知识，它不仅仅是简单的词汇表，而是整个上层知识库(包括用于描述这个知识库的词汇)。
综上所述，本体是某个领域内(可以是特定专业的，也可以是宽泛范畴的)不同主体(人、、机器等)之间进行交流(对话、互操作、共享等)的一种语义基础，即由本体提供定义明确的词汇表，描述概念和概念之间的关系，作为使用者之间达成的共识。
2.2本体的作用
本体的作用可归结为通讯(communication)、互操作(interoperability)和系统工程(systems engineering)。
(1)所谓通讯是指本体为人与人之间或组织与组织之间的通讯提供共同的词汇，即交流的基础。
(2)互操作说明本体建立了在不同的建模方法、范式、语言和软件工具之间进行翻译和映射的机制，以实现不同系统之间集成。
(3)系统工程：本体分析能够为系统工程提供以下方面的好处：
重用(reusability)：本体是领域内的重要实体、属性、过程及其相互关系形式化描述的基础。这种形式化描述可成为软件系统中可重用和共享的组件(component)。
知识获取(knowledge acquisition)：当构造基于知识的系统时，用已有的本体作为起点和基础来指导知识的获取，可以提高其速度和可靠性。
可靠性(reliability)：由于本体的描述是形式化的，形式化的表达使得自动的一致性检查成为可能，从而提高了软件系统的可靠性。
规范描述(specification)：本体分析有助于确定系统(如知识库)的需求和规范。
3基于本体语义搜索引擎
3.1基于本体搜索引擎的设计思想
本体提供了人机交流的机制，使得机器可以理解语义，从而为搜索引擎提高效率奠定了基础。
基于本体的搜索引擎的基本设计思想：
(1)在领域专家的帮助下，建立相关领域的本体(Ontology)；
(2)收集信息源中的数据，并参照已建立的Ontology，把收集来的数据按规定的格式存储在元数据库(关系数据库、知识库等)中：
(3)对用户检索界面获取的查询请求，查询转换器按照Ontology把查洵请求转换成规定的格式，在Ontology的帮助下从元数据库中匹配出符合条件的数据集合；
(4)检索的结果经过定制处理后，返回给用户。
3.2知识库
实现基于本体的语义搜索引擎，建立知识库是必需的。知识库是语义搜索引擎进行推理和知识积累的基础和关键，而Ontology则是知识库的基础。一般来说，本体提供一组术语和概念来描述某个领域，知识库则使用这些术语来表达该领域的事实。例如医药本体可能包含“白血病”、“皮肤病”等术语的定义，但它不会包含具体某一病人的诊断结果，而这正是知识库所要表达的内容。比如张三患有皮肤病、李四患有皮肤病和白血病、王五患有白血病，其中的皮肤病、白血病就是本体。而各个病症的实例(张三、李四、王五)及其病症描述就是知识库的内容。
本体和知识库的关系有几个要点：
Ontology为知识库的建立提供一个基本的结构；
Ontology提供一套概念和术语来描述某一领域，并且获取该领域的本质的概念结构；
知识库就运用这些术语去表达现实或者虚拟世界中的正确知识。
因此，建设一个知识库的第一步就是对该领域进行有效的Ontology分析。
3.3构造本体
本体的构造是整个基于Ontology的信息检索系统的底层基石，决定着系统的性能、通用程度以及系统运行的质量。如何正确、有效、合乎逻辑的建立本体是这个系统建立的关键。
(1)本体的构造准则
对同一领域，同一事物，不同人往往会建立不同的本体。由于本体应该是规范化的描述，因此遵循统一的构造准则是必要的。目前最为常用的是Gruber提出的指导本体构造的5个准则，[3]即：
清晰(Clarity)：本体必须有效的说明所定义术语的意思。定义应该是客观的，与背景独立的。当定义可以用逻辑公理表达时，它应该是形式化的。定义应该尽可能的完整。所有定义应该用自然语言加以说明。
一致(Coherence)：本体应该是一致的，也就是说，它应该支持与其定义相一致的推理。它所定义的公理以及用自然语言进行说明的文档都应该具有一致性。
可扩展性(Extendibility)：本体应该为可预料到的任务提供概念基础。它应该可以支持在已有的概念基础上定义新的术语，以满足特殊的需求，而无须修改已有的概念定义。
编码偏好程度最小(Minimal encoding bias)：概念的描述不应该依赖于某一种特殊的符号层的表示方法。因为实际的系统可能采用不同的知识表示方法。
本体约定最小(Minimal ontological commitment)：本体约定应该最小，只要能够满足特定的知识共享需求即可。这可以通过定义约束最弱的公理以及只定义通讯所需的词汇来保证。
(2)本体的表示
目前有两种本体表示方法应用比较广泛，一是传统的四元素表示方法、二是较新的六元组表示法。前者在世界范围内得到了比较高的认同，但是形式过于灵活，不易掌握。后者因为定义规范，可操作性强，得到了广大国内研究者的欢迎。
四元素表示方法
四元素表示方法的基本思想是；一个本体中的四个主要元素是：概念(concepts)、关系(relations)、实例(instances)和公理(axioms)。
概念表示某个领域中一类实体或事物的集合。通常概念可以分成两大类，一类是简单概念(primitive concepts)，另一类是详细概念(defined concepts)。简单概念是那些只具备必要条件(即属性)的类成员(注：英文原文：Primitive concepts are those which only have necessary conditions(in terms of their properties)for membership of the class.)。详细概念是指对类成员的描述既充分又必要(注：英文原文：Defined concepts are those whose description is both necessary and sufficient for a thing to be a member of the class.)。例如：“正方形是四个角都是直角的四边形”就是一个简单概念。而“正方形是四个角都是直角的四个边等长的四边形”就是一个详细概念，因为四个边等长是正方形的充分且必要条件。
关系描述概念和概念属性的交互。
实例是概念表示的具体的事物，如对于大学这个概念，山东大学就是一个实例。严格的说，一个本体不应该包括任何实例，因为它被假设为一个具体领域的概念化。一个本体与相关的实例的组合就是我们如今所称呼的知识库(knowledge base)。
公理是用来限制类和实例的取值范围，公理中包括许多具体的规则和约束。
六元组表示法
这种方法的基本思想就是用一个六元组来表示一个本体。
An Ontology=｛C，AC，R，AR，H，X｝
其中C表示概念的集合。AC表示多个属性集合组成的集合，其中每个属性集合对应于一个概念。R是一个关系集合。AR是由多个属性集合组成的集合，其中每个属性集合对应于R中的一个关系。H表示概念之间的层次结构关系，X表示公理集合。
为了深入描述本体的表示方法，以下列出了一个家庭本体描述实例。
Family_Ontology=｛Cfamily，ACfamily，R family，ARfamily，H family，X family｝where
Cfamily=｛father，mother，children｝
ACfamily=｛ACfamily(father)，ACfamily(mother)，ACfamily(children)｝
ACfamily(father)=｛name，age，job，salary，……｝
ACfamily(mother)=｛name，age，job，salary，……｝
ACfamily(children)=｛name，age，sex，……｝
R family=｛TakeCareOf(mother，mother，children)，
Educate(father，mother，children)，
Help(children，mother)，……｝
ARfamily=｛ARfamily(TakeCareOf)，ARfamily(Educate)，ARfamily(Help)，……｝
ARfamily(TakeCareOf)=｛feed，clothing，seeDoctor，……｝
ARfamily(Educate)=｛teach，exercise，……｝
……
(3)本体的构造的生命周期
了解了本体建设的准则和方法论之后，下一步就是要着手建立本体。而建立的过程可以用生命周期的概念来描述。Uschold & Gruninger提出了一个本体构造的方法学框架[4](图1)，框架包括以下组成部分：
首先要明确本体使用的目的和范围，然后依次构造本体。构造本体过程可以分为三个阶段：
本体捕获就是确定关键的概念和关系，给出精确定义，并确定其它相关的术语；本体编码即选择合适的表示语言表达概念和术语；已有本体的集成是对已有本体的重用和修改。这个阶段也是一个循环往复的迭代过程。
最后是评估阶段，要根据需求描述、能力问题(competency question)等对本体以及软件环境、相关文档进行评价。
3.4基于本体的语义搜索引擎模型简介(OntoSSE，ontology-based Semantic Search Engine)
OntoSSE是基于本体的搜索引擎，它能够实现语义搜索、知识检索和一定的推理功能。本模型假设搜索引擎存在的环境是web网页，这些网页并未自动含有语义标记。
此系统也应具备搜索引擎的各种基本的功能，比如网页的遍历和获取、索引的建立、页面查找算法等，都可以参考目前流行的搜索引擎的结构和实现过程。
OntoSSE的重要之处是信息库和知识库的交流。知识库是实现智能搜索的核心，它如同人的大脑，其增长也需要一种自然的循环。知识库的丰富也决定着检索能力和Question-Answer能力的高低。信息库是知识库存在和发展的空间，知识库就是对信息库的判断、提取、分析和概括。智能搜索引擎就是通过知识库把用户的问题提高到知识层面，然后利用这个知识检索信息库。[5]二者的有机结合离不开语义分析和知识管理。因此，Ontology作为语义分析和知识共享和重用的重要基础，与知识库、信息库一起构成OntoSSE的三大支柱。
展示了基于本体的语义搜索引擎OntoSSE的系统结构及其工作流程。OntoSSE模型的工作原理和检索步骤可以概括如下：
(1)搜索引擎通过自动网页采集器(web spider)来抓取网页，参照特定词表将网页信息分类建立索引，加入索引库中。
OntoSSE的体系结构及其工作流
(2)由人工、自动或者半自动的方式，建立领域或者通用的本体。(3)参照本体，使用本体描述语言(DAML、RDF)对文档进行标注。(4)标注的文档(RDF Triple)相当于一个本体的实例，它被存放在知识库中。(5)用户以自然语言输入查询请求，这种请求可能是关键字，或者一个问题。(6)查询过滤器(分析器)对用户的查询请求进行语义分析，提取出相关属性的值。(7)检索结合RDF Triple中体现的类和关系信息以及由查询过滤器提交的属性值，进行逻辑推理，生成查询实例。(8)查询实例被传往信息数据库，在不同目录中查找，并将结果处理后返回给用户。例如，如果我们要检索“微软总裁是谁”，将这个问题输入模型以后，查询过滤器根据分词技术，进行语义理解，分析出该句子的语义实际表示了“有某个名为‘职务’的属性其值是‘微软总裁’”。而通过本体和知识库，系统通过推理，可以知道在名为“人”的类中有名为“职务”的属性，这样，在进行语义推理时，就生成一个人的类的实例，其中有属性“职务＝微软总裁”，而通过知识库得知，这个实例的名字属性为“Bill Gate”。这时，我们就获得了“Bill Gate”的答案。最后，我们还可以从信息库和知识库中检索与比尔盖茨相关的各种潜在信息。
可见OntoSSE模型可实现本体对搜索引擎三个方面的改进：提高结果相关度、语义推理功能和知识检索。
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