專題講座輔助大學(xué)物理教學(xué)研究探索

王明利　朱艷英　張素紅　趙原源

摘要：改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，嘗試使用專題報告形式將物理學(xué)知識與科學(xué)研究相結(jié)合，探索科研成果與基礎(chǔ)物理內(nèi)容相結(jié)合教學(xué)模式，促進學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；專題報告；教學(xué)探索

1.概述

目前高等院校大學(xué)物理教學(xué)依然采用傳統(tǒng)教學(xué)方式，并且多數(shù)高?；A(chǔ)課學(xué)時不斷壓縮，學(xué)生不能在短學(xué)時內(nèi)深刻理解物理知識及物理思想的重要性。很多高校都開展了相應(yīng)教學(xué)改革[1，2]，以提高大學(xué)物理教學(xué)水平。近幾年，通過對學(xué)生課程學(xué)習(xí)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)課與專業(yè)課脫節(jié)明顯，對基礎(chǔ)課的重視程度在降低，并逐漸失去對大學(xué)物理的學(xué)習(xí)興趣。美國大學(xué)通過分層次教學(xué)[3]和物理專業(yè)人才培養(yǎng)模式[4]進行探索研究，取得較好成果。究其改革目標均以傳授大學(xué)物理思想方法教育[5]為主，從而提高教學(xué)效率和質(zhì)量。

本課題組探索將科研成果與基礎(chǔ)物理內(nèi)容相結(jié)合，以專題報告形式輔助大學(xué)物理教學(xué)，將物理學(xué)知識點與科學(xué)研究和工程技術(shù)相結(jié)合，使學(xué)生在低年級就將基礎(chǔ)知識在今后的應(yīng)用有所了解，來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加教與學(xué)的互動性，最終提高教學(xué)效率和質(zhì)量。

2.專題報告輔助教學(xué)設(shè)計策略及實例

2.1專題報告輔助教學(xué)設(shè)計策略。《大學(xué)物理》授課學(xué)期為第二學(xué)期和第三學(xué)期，第二學(xué)期主要講授的內(nèi)容為質(zhì)點運動學(xué)、牛頓定律、動量與能量、剛體力學(xué)、振動與波動、光的干涉、光的衍射和光的偏振；第三學(xué)期主要講授的內(nèi)容為熱力學(xué)基礎(chǔ)、氣體動理論、靜電場、穩(wěn)恒磁場和電磁波等內(nèi)容。根據(jù)課程進程，適時的安排與物理學(xué)知識相關(guān)的科研內(nèi)容作為專題報告內(nèi)容，為學(xué)生開設(shè)專題講座，每期報告之前，為學(xué)生講解報告內(nèi)容簡介以便學(xué)生能夠更容易接受。每期報告我們都對參加報告的學(xué)生做相應(yīng)調(diào)查，內(nèi)容是對于這樣的形式是否滿意，有何意見或者建議。

下面是我們精選了一部分專題報告實例，來詳細說明該課題的研究內(nèi)容。

2.2專題報告輔助教學(xué)實例。按照教學(xué)進程，我們精選其中一個系列，涉及物理學(xué)知識點為：牛頓力學(xué)、動量、激光、光纖應(yīng)用等內(nèi)容為一個系列專題報告，通過這些專題報告讓學(xué)生深刻理解第二學(xué)期物理學(xué)知識點以及物理學(xué)思想在科學(xué)研究中的作用。

專題報告（一） 題目為“蛋白質(zhì)折疊機理及結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系的分子模擬研究”，報告人：蘇計國，副教授，燕山大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系主任。近年來一直從事生物物理交叉學(xué)科研究，在相關(guān)研究領(lǐng)域發(fā)表SCI論文20余篇，主持兩項國家自然科學(xué)基金項目，獲得河北省首批青年拔尖人才支持計劃。

報告內(nèi)容：隨著人類基因組計劃的順利完成，生命科學(xué)已進入到后基因組時代，研究的重點也從基因測序轉(zhuǎn)變到了基因的產(chǎn)物蛋白質(zhì)上。其中，蛋白質(zhì)折疊及其結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系是有待解決的熱點問題。我們知道儲存在DNA上的遺傳信息可以轉(zhuǎn)錄到RNA，進而翻譯成一定的氨基酸序列，三聯(lián)碼的破譯使得人們已經(jīng)掌握了從DNA到氨基酸鏈這一遺傳信息傳遞過程。但是，翻譯生成的多肽鏈如何折疊形成具有特定空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，即蛋白質(zhì)折疊問題，目前還不清楚。同時，具有特定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)如何發(fā)揮其生物學(xué)功能，如何從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)出發(fā)預(yù)測其功能也是有待解決的重要問題。上述問題的研究可以為蛋白質(zhì)的功能改造和藥物設(shè)計提供有效的預(yù)測模型和工具?，F(xiàn)有的實驗手段很難觀測到蛋白質(zhì)折疊和功能性運動的微觀細節(jié)，計算機模擬是研究該問題的有效手段。從20世紀70年代開始，經(jīng)過近40年的發(fā)展，該領(lǐng)域已經(jīng)獲得了豐碩的研究成果，實現(xiàn)了利用計算機來模擬化學(xué)反應(yīng)過程，甚至復(fù)雜的生命過程。2013年諾貝爾化學(xué)獎授予了Karplus、Levitt和Warshel三人，以表彰他們在該領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻。

本報告從物理學(xué)理論出發(fā)，介紹分子模擬的主要思路及關(guān)鍵問題，包括：分子建模、粗粒化模型的構(gòu)建、力場函數(shù)的建立以及力參數(shù)的擬合、動力學(xué)方程的數(shù)值計算、構(gòu)象采樣等。與大學(xué)物理教學(xué)中牛頓力學(xué)研究方法相吻合，從構(gòu)建分子模型開始，進行力函數(shù)分析、求解、優(yōu)化等過程，使學(xué)生能夠了解物理學(xué)知識在實際問題中的研究思路。

參加該報告的學(xué)生人數(shù)約300人，通過調(diào)查有60%左右的學(xué)生認為報告內(nèi)容新穎，尤其對于生物工程專業(yè)的學(xué)生有一定的吸引力。約20%學(xué)生認為理解上有一定難度，但是喜歡這樣的形式。

專題報告（二） 題目為“光的力學(xué)效應(yīng)—光鑷原理及應(yīng)用簡介”，報告人：朱艷英，教授，博士生導(dǎo)師。近年來主要從事光微操縱技術(shù)及應(yīng)用、微納機械系統(tǒng)集成、光鑷在生物工程領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，在相關(guān)研究領(lǐng)域發(fā)表SCI&EI論文50余篇，主持國家自然科學(xué)基金面上項目2項，主持和參加省部級及地市級科研項目5項，獲得國家發(fā)明專利2項。

報告內(nèi)容：光有力學(xué)效應(yīng)嗎？一百年前愛因斯坦提出的光量子學(xué)說最終導(dǎo)致了激光的誕生， 6O年代激光器的發(fā)明使光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)真正走向?qū)嶋H應(yīng)用。人們開始對光的輻射壓力和光的力學(xué)效應(yīng)進行全面和深入的研究，光的力學(xué)效應(yīng)顯示出強大的生命力。70年代，朱棣文等人利用光壓原理發(fā)展了用激光冷卻和幽禁原子的方法，獲得了1997年度諾貝爾物理學(xué)獎。這一研究成果也為榮獲2001年度諾貝爾物理學(xué)獎的玻色一愛因斯坦凝聚方面的工作提供了有效的實驗手段。與此同時，人們也在探索光對微小的宏觀粒子的力學(xué)效應(yīng)。1986年美國貝爾實驗室科學(xué)家A.Ashkin發(fā)明了光鑷技術(shù)，光鑷成了光的力學(xué)效應(yīng)的研究和應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域之一。近20年來光鑷技術(shù)的研究和應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，派生出透鏡光纖光鑷、微透鏡陣列光鑷、全息陣列光鑷等可以應(yīng)用于某些特殊領(lǐng)域的遠場光鑷技術(shù)，并成為生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、光譜學(xué)、微細加工等眾多學(xué)科及交叉領(lǐng)域中的研究工具。與此同時，科學(xué)研究也從宏觀領(lǐng)域深入到介觀及微觀領(lǐng)域，尤其是隨著生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，單分子水平上的捕獲與操縱變得尤為重要。例如，對DNA分子的切割和拉伸等操作都要求捕獲和操縱的空間精度到納米量級，近場光鑷技術(shù)因為其捕獲范圍的高度局域性，可以直接對單個納米量級的生物分子進行捕獲和操縱，從而成為單分子水平操縱的有力工具。

本報告既有激光原理介紹，也包含光動量和能量概念，從分析激光在介觀粒子上的反射和折射時，動量的改變從而產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)，并利用力學(xué)效應(yīng)捕獲介觀粒子的實例。使學(xué)生能夠了解物理學(xué)知識在物理前沿中的內(nèi)容，可以幫助學(xué)生對課本中的相關(guān)知識點加深理解。

參加本報告的學(xué)生人數(shù)約為240人左右，通過調(diào)查60%的學(xué)生認為此次報告原理易懂，內(nèi)容新穎，主要介紹了科學(xué)研究前沿知識，對物理學(xué)在科學(xué)研究中的作用有了深刻的了解。

目前，2014年春季學(xué)期專題報告已開展3次，由于教室有限，共計參加報告會的學(xué)生人數(shù)達到700人左右，通過對參會學(xué)生調(diào)查，約70%學(xué)生喜歡這樣的形式，并希望能夠?qū)⒒顒映掷m(xù)舉辦下去。

3.結(jié)論

在當前大學(xué)物理教學(xué)中已經(jīng)遇到學(xué)時數(shù)緊張，信息化快速發(fā)展時期對傳統(tǒng)教學(xué)的沖擊，學(xué)生對物理知識難以理解，學(xué)習(xí)興趣逐漸下降等問題。本課題組開展的系列專題報告將物理學(xué)知識與科學(xué)研究中的實際問題相結(jié)合，不僅拓寬學(xué)生知識面，也可以引導(dǎo)學(xué)生如何利用課本中的知識解決實際問題。通過調(diào)查學(xué)生比較歡迎這種形式，既能了解物理學(xué)前沿知識，也能加深理解課本知識點。本次專題報告附著課堂教學(xué)項目的實施，不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，推動了整體基礎(chǔ)課教學(xué)改革，對于大學(xué)校園文化建設(shè)也增添了創(chuàng)建思路。 （作者單位：燕山大學(xué)理學(xué)院大學(xué)物理系）

參考文獻

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