高校物理專業(yè)課研究性教學(xué)的探索與實(shí)踐

黃自謙　曾立　孫曉燕　徐艷華

【摘要】當(dāng)今高校物理學(xué)專業(yè)課面臨教材陳舊、教學(xué)僵化的問題。為適應(yīng)時(shí)代要求，加快知識(shí)更新，本文以熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理專業(yè)課教學(xué)為研究對象，對物理學(xué)專業(yè)課研究性教學(xué)進(jìn)行探索與實(shí)踐。主要內(nèi)容有三： 第一，通過引入社會(huì)物理學(xué)實(shí)現(xiàn)德育在專業(yè)課教學(xué)中的滲透， 對學(xué)生進(jìn)行價(jià)值觀教育， 做到德才并育； 第二，通過聯(lián)系生活實(shí)際， 如河南林州市“冰冰背”盛夏結(jié)冰的奇特現(xiàn)象， 使學(xué)生的專業(yè)知識(shí)得到應(yīng)用， 激發(fā)學(xué)生興趣， 做到學(xué)以致用； 第三，通過介紹學(xué)科前沿背景知識(shí)， 如蛋白質(zhì)中的“泛素”的作用， 引入抽象的系綜概念， 化解學(xué)習(xí)難點(diǎn)， 做到與時(shí)俱進(jìn)。

【關(guān)鍵詞】研究性教學(xué) 社會(huì)物理學(xué) 節(jié)流原理 系綜

【基金項(xiàng)目】本文系2015年度廣西高等教育本科教學(xué)改革項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)： 2015JGA282）。

【中圖分類號(hào)】G65 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）19-0157-02

近幾年來，我國對高等教育提出了新的培養(yǎng)目標(biāo)：培養(yǎng)具有全面素質(zhì)和創(chuàng)新能力的人才，教育迫切需要構(gòu)建創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系，教師必須樹立以學(xué)生發(fā)展為本的教育理論，采用有效的方式和手段，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)的條件和機(jī)會(huì)，創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生學(xué)會(huì)思考和探索。

但傳統(tǒng)大學(xué)物理專業(yè)課采用的教學(xué)模式，仍在強(qiáng)調(diào)教師在教學(xué)過程中的主導(dǎo)作用，忽視學(xué)生的主體參與，注重知識(shí)的傳授，缺少過程方法的教學(xué)過程，強(qiáng)調(diào)教材、課本內(nèi)容在學(xué)生知識(shí)經(jīng)驗(yàn)中占據(jù)的強(qiáng)勢地位，強(qiáng)調(diào)教材、書本知識(shí)的絕對正確性和權(quán)威性。另一方面，近年來，由于大學(xué)自身教師隊(duì)伍的發(fā)展，學(xué)校引進(jìn)了不少中青年教師，這些教師的教學(xué)能力水平也決定了學(xué)生培養(yǎng)的質(zhì)量。年輕教師，在結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)模式優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，揚(yáng)長避短，發(fā)揮他們的科研上的優(yōu)勢，將科研融入教學(xué)，形成自己的教學(xué)風(fēng)格和特點(diǎn)，也是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的關(guān)鍵。

在眾多新的教學(xué)模式下，研究性教學(xué)模式是其中一種。研究性教學(xué)模式是一種新的教學(xué)理論和模式，該理論最早于1961年由美國施瓦布教授提出，美國心理學(xué)家加涅進(jìn)行論證，繼而被倡導(dǎo)和推廣。目的是培養(yǎng)學(xué)生逐步形成一種現(xiàn)代的學(xué)習(xí)觀。這種教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的主動(dòng)探究和親身體驗(yàn)，同時(shí)，教師的角色也發(fā)生了改變，其主要職能是依據(jù)教學(xué)大綱設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)情境和學(xué)習(xí)途徑，簡言之，研究性教學(xué)指的是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生用類似科學(xué)研究的方式，主動(dòng)的獲取知識(shí)，應(yīng)用知識(shí)，解決問題的一種教學(xué)模式。探究性學(xué)習(xí)的最大好處就在于整個(gè)學(xué)習(xí)過程是以學(xué)生為主體，學(xué)習(xí)環(huán)境是開放性的能最大程度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生能自由地發(fā)揮創(chuàng)造力與動(dòng)手能力。

本文以物理學(xué)專業(yè)課教學(xué)作為研究對象，對研究性教學(xué)進(jìn)行探索與實(shí)踐。主要內(nèi)容有三： 第一 通過引入社會(huì)物理學(xué)實(shí)現(xiàn)德育在專業(yè)課教學(xué)中的滲透， 對學(xué)生進(jìn)行價(jià)值觀教育， 做到德才并育； 第二 通過聯(lián)系生活實(shí)際， 如河南林州市“冰冰背”盛夏結(jié)冰的奇特現(xiàn)象， 使學(xué)生的專業(yè)知識(shí)得到應(yīng)用， 激發(fā)學(xué)生興趣， 做到學(xué)以致用； 第三 通過介紹學(xué)科前沿背景知識(shí)， 如蛋白質(zhì)中的“泛素”的作用， 引入抽象的系綜概念， 化解學(xué)習(xí)難點(diǎn)， 做到與時(shí)俱進(jìn)。

一、從物理學(xué)中的理想模型到人類社會(huì)的理想模型——社會(huì)物理學(xué)在專業(yè)課教學(xué)中的應(yīng)用

問題導(dǎo)入： 在物理學(xué)中有很多的“理想模型”， 同學(xué)們想一下， 有哪些？

參考答案：質(zhì)點(diǎn)模型， 剛體模型， 理想氣體與平衡態(tài)等

質(zhì)點(diǎn)模型：質(zhì)點(diǎn)就是有質(zhì)量但不存在體積或形狀的點(diǎn)，是物理學(xué)的一個(gè)理想化模型。對物體的大小和形狀不起作用，或者所起的作用并不顯著而可以忽略不計(jì)時(shí)，我們近似地把該物體看作是一個(gè)只具有質(zhì)量而其體積、形狀可以忽略不計(jì)的理想物體，用來代替物體的有質(zhì)量的點(diǎn)稱為質(zhì)點(diǎn)。

剛體模型：剛體就是在運(yùn)動(dòng)中和受力作用后，形狀和大小不變，而且內(nèi)部各點(diǎn)的相對位置不變的物體。絕對剛體實(shí)際上是不存在的，只是一種理想模型，因?yàn)槿魏挝矬w在受力作用后，都或多或少地變形，如果變形的程度相對于物體本身幾何尺寸來說極為微小，在研究物體運(yùn)動(dòng)時(shí)變形就可以忽略不計(jì)。把許多固體視為剛體，所得到的結(jié)果在工程上一般已有足夠的準(zhǔn)確度。

理想氣體的微觀模型：這一模型主要包括以下幾個(gè)要點(diǎn)： ①分子本身的大小與平均距離相比可以忽略。 ②除了短暫的碰撞，分子間的相互作用可以忽略。 ③分子間的碰撞為彈性。 這一模型雖然簡單，卻是人們至今為止認(rèn)識(shí)最為徹底的一個(gè)熱力學(xué)模型，也幾乎是唯一個(gè)具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的能精確求出其狀態(tài)方程及所有宏觀物理性質(zhì)的模型。同時(shí)，它還是許多基本熱力學(xué)物理概念的出發(fā)點(diǎn)。因此這是一個(gè)極其重要的熱力學(xué)微觀模型。

熱力學(xué)平衡態(tài)：理想氣體的熱力學(xué)平衡是一種動(dòng)態(tài)的平衡，是一個(gè)宏觀上的概念，叫熱動(dòng)平衡。在沒有外界影響的條件下，如果某個(gè)系統(tǒng)各部分的宏觀性質(zhì)（如系統(tǒng)的化學(xué)成分，各物質(zhì)的量，系統(tǒng)的溫度、壓力、體積、密度等等）在長時(shí)間內(nèi)不發(fā)生任何變化，則稱該系統(tǒng)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。不受外界影響的任何系統(tǒng)，總是單向地趨向平衡狀態(tài)。

物理學(xué)中平衡態(tài)引申到人類社會(huì)實(shí)際上就是平等的思想，理想氣體中分子沒有相互作用勢能反映出人類社會(huì)追求的個(gè)人自由，不受約束。由此引出下面的人類社會(huì)理想模型。

自由只是一種理想，從人類社會(huì)誕生的第一天起我們就在為此而努力。然而，隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，許多美好的愿望實(shí)際上是漸行漸遠(yuǎn)。正如物理學(xué)理想氣體一樣，看不見，摸不著。我們接觸到大多數(shù)物體，都是相對穩(wěn)定，存在相互作用勢能，各個(gè)粒子之間是不自由的。

總結(jié)， 熱力學(xué)第二定律，簡單地解釋為不受外界影響的任何系統(tǒng)，總是單向地趨向平衡狀態(tài)，由于我們現(xiàn)在還沒有找到反例，可以把它看成是天下大勢，及大趨勢，社會(huì)學(xué)中解釋為人類社會(huì)發(fā)展大勢為自由與平等。 很遺憾，自從人類社會(huì)誕生至今，整個(gè)社會(huì)一直是朝著不平等、不自由和更嚴(yán)重的兩極分化發(fā)展，社會(huì)財(cái)富總是朝少數(shù)人集中。整個(gè)人類社會(huì)的發(fā)展，生物的進(jìn)化是與之相反的，及從無序向有序演化。因此世間萬物難逃滅亡與滅絕，這就是維持有序的代價(jià)。

二、以節(jié)流原理為例， 分析“冰冰背”的成因， 做到學(xué)以致用

1.提出問題：

冰冰背在河南省安陽市林州市石板巖鄉(xiāng)西北部，此處嚴(yán)冬水溫氣暖，盛夏水寒結(jié)冰。冰冰背，結(jié)冰面積約6平方米左右。每年冬去春來，百草復(fù)生之際（正值陽春三月），此處開始結(jié)冰，結(jié)冰時(shí)間長達(dá)五個(gè)月之久。到八月中秋以后，似有涼意之時(shí)，這里的冰凍開始融化。冰期最盛之時(shí)，恰好是盛夏季節(jié)，揮汗如雨的伏天，一踏進(jìn)這塊寶地，立即寒氣襲人，冷氣刺骨。然而到了隆冬時(shí)節(jié)，此處卻出現(xiàn)了涓涓細(xì)流從石縫中緩緩流出的景象，熱氣蒸騰，泉水溫和，沿溪水草繁茂，致使附近的桃樹提前萌芽、開花。令人感到時(shí)令之顛倒，是被古人稱之為“冬時(shí)夏令顛倒顛”的避暑勝地。由于洞在山的陰坡上，當(dāng)?shù)厝肆?xí)慣把山陰稱為“背”，所以叫冰冰背。大家想一想， 其原因何在？

2.先看看節(jié)流原理，是否有所啟發(fā)

當(dāng)壓強(qiáng)較高的氣體通過多孔塞流到壓強(qiáng)較低的一邊時(shí)氣溫下降的現(xiàn)象稱焦耳-湯姆遜效應(yīng)，這種現(xiàn)象叫節(jié)流降溫法，在一定的壓強(qiáng)降落下， 溫度越底所獲得的溫度降落越大， 同時(shí)利用節(jié)流過程降溫的氣體溫度必須低于反轉(zhuǎn)溫度，要滿足節(jié)流制冷，有哪些條件呢？

3.分析太行山地形、地質(zhì)及氣候條件

地形：太行山位于山西省與華北平原之間，呈東北—西南走向，綿延數(shù)400余公里。

地質(zhì)：該地區(qū)位于背斜軸部西側(cè)，由于地殼隆起，底層以張性斷裂為主，近地表為遠(yuǎn)古界較厚的脆性石英巖，在地貌上形成張性斷裂谷，垂直短距不大。該區(qū)的斷層是與石板巖大斷層近于垂直的次級(jí)斷層，北西走向。位于斷層帶的“冰冰背”石頭巖破碎，讓巖洞內(nèi)可以充滿氣體。破碎巖層結(jié)構(gòu)構(gòu)造類似多孔塞，為節(jié)流制冷提供了多孔塞這一必要條件。

氣候：河南省林州市屬大陸季風(fēng)性氣候，大部分地區(qū)冬夏風(fēng)向更替明顯。冬季盛行偏北風(fēng)，夏季多吹偏南風(fēng)。

4.分析節(jié)流模式

由前面對“冰冰背”地形、地質(zhì)及氣候的分析，滿足節(jié)流降溫的條件，節(jié)流模式如下圖所示。夏季到來，暖濕的東南風(fēng)經(jīng)過華北平原到達(dá)太行山麓，一部分氣流由山麓進(jìn)入破碎帶經(jīng)多級(jí)節(jié)流溫度降低，水汽逐漸凝結(jié)并隨氣流到達(dá)“冰冰背”，另一部分氣流沿山坡上升，溫度降低，形成水汽，在地勢較高處經(jīng)破碎帶節(jié)流到達(dá)“冰冰背”。有興趣的同學(xué)可以通過假期去“冰冰背”做實(shí)地考察。

三、蛋白質(zhì)中泛素，粒子之間的相互作用與系綜理論

熱統(tǒng)課第九章以前所講的統(tǒng)計(jì)理論是基于理想模型——即近獨(dú)立系統(tǒng)（粒子之間沒有強(qiáng)的相互作用， 系統(tǒng)的能量等于每個(gè)微觀粒子能量之和， 每個(gè)粒子在空間中為一個(gè)點(diǎn)， 具有統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性. 現(xiàn)在問， 大多數(shù)情況下，實(shí)際情形是怎樣的呢？請看以下例子：泛素（Ubiquitin）結(jié)構(gòu)圖

泛素是一個(gè)由76個(gè)氨基酸組成的高度保守的多肽鏈。從泛素結(jié)構(gòu)圖可以看到， 所有的氧原子用紅色表示， 碳原子以天藍(lán)色表示（碳原子所連的鍵也是天藍(lán)色， 所以整個(gè)蛋白骨架為天藍(lán)色）， 硫原子以黃色表示，注意到?jīng)]有出現(xiàn)氫原子，這是因?yàn)榇私Y(jié)構(gòu)是由X射線晶體衍射得來的，而X射線衍射一般得不到氫原子的精確位置。

由泛素的例子可知， 實(shí)際上我們生活中所見大多數(shù)物體都是相對穩(wěn)定的，系統(tǒng)中粒子存在相互作用， 是不自由的（如泛素）。粒子除具有獨(dú)立的動(dòng)能外， 還有相互作用勢能， 這樣任何一個(gè)微觀粒子的狀態(tài)發(fā)生變化， 都會(huì)影響其他粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這時(shí)某個(gè)粒子具有確定能量和動(dòng)量的說法已經(jīng)含糊不清， 因?yàn)樗艿街車Ｗ拥挠绊懀?結(jié)果粒子不能從整個(gè)系統(tǒng)中分離出來。因此我們必須引入新的概念和理論來統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)， 即系綜理論。

系綜（ensemble）概念： 在一定的宏觀條件下，大量性質(zhì)和結(jié)構(gòu)完全相同的、處于各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的、各自獨(dú)立的系統(tǒng)的集合。

由于圖2是實(shí)驗(yàn)觀測的結(jié)果，存在誤差，為了得到更真實(shí)的結(jié)構(gòu)，我們可以通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，采用統(tǒng)計(jì)系綜的方法，得到更真實(shí)的泛素結(jié)構(gòu)（如圖3）。

四、結(jié)論

以熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理專業(yè)課教學(xué)為研究對象，對物理學(xué)專業(yè)課研究性教學(xué)進(jìn)行探索與實(shí)踐。首先， 我們通過引入社會(huì)物理學(xué)實(shí)現(xiàn)了德育在專業(yè)課教學(xué)中的滲透， 指出當(dāng)今我們社會(huì)的理想模型就是熱力學(xué)中理想氣體的平衡態(tài)；中庸的理想狀態(tài)很難實(shí)現(xiàn)，但是如果知道熱力學(xué)第二定律，就可以理解“天人合一”的思想； 其次， 通過學(xué)習(xí)節(jié)流原理，在課堂上分析河南林州市“冰冰背”盛夏結(jié)冰， 冬季冒熱氣的奇特現(xiàn)象， 讓學(xué)生的專業(yè)知識(shí)得到應(yīng)用， 激發(fā)學(xué)生興趣， 做到學(xué)以致用； 第三，通過介紹蛋白質(zhì)中泛素的結(jié)構(gòu)， 引入抽象的系綜概念， 通過引入分子模擬， 了解統(tǒng)計(jì)系綜的方法， 化解學(xué)習(xí)難點(diǎn)， 做到與時(shí)俱進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李元杰，陸果. 大學(xué)物理學(xué)（第二版）[M]. 北京：高等教育出版社，2008.

[2]周曉琴，碩士論文，大學(xué)物理探究性學(xué)習(xí)教學(xué)方式的研究，2006.

[3]鄒尚智，研究性學(xué)習(xí)的理論與實(shí)踐[J].北京：高等教育出版社，2002.

[4]于秀玲，大學(xué)物理研究性教學(xué)模式的實(shí)踐研究[J]，物理通報(bào)，2012.

[5]段志剛，大學(xué)物理探究性教學(xué)設(shè)計(jì)策略及方法[J]， 物理與工程， 2012，（22）.

[6]黃自謙， 淺談物理與人生之天道向左，人道向右[J]， 廣西師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2012.

[7]黃自謙，從節(jié)流原理看“冰冰背”的形成[J]，廣西物理，2012.

作者簡介：

黃自謙（1972-），男，博士，湖南汩羅人，副教授，研究方向：物理學(xué)專業(yè)課教學(xué)及科研工作。