曹榮幸 趙新麗

[摘? ? ? ? ? ?要]? 大學(xué)物理是高等院校中理科、工科、農(nóng)科、醫(yī)科等眾多專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程，對于開展各學(xué)科的后續(xù)課程學(xué)習(xí)以及培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要性不言而喻。然而，大學(xué)物理的知識點(diǎn)眾多，理論性很強(qiáng)，很多應(yīng)用舉例偏離生活實(shí)際且比較陳舊，使學(xué)生覺得物理學(xué)枯燥難懂，與自己學(xué)科方向相差甚遠(yuǎn)，進(jìn)而失去了學(xué)習(xí)興趣。結(jié)合自身教學(xué)實(shí)例，將實(shí)際科研中用到的固體核磁共振等研究蘊(yùn)含的物理學(xué)知識融入平時的大學(xué)物理教學(xué)中，給學(xué)生展示書本知識與前沿科研的有機(jī)結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高了大學(xué)物理的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 物理科研;大學(xué)物理教學(xué);融入

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）45-0044-03

物理學(xué)作為一門研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動形式及相互作用規(guī)律的科學(xué)，從最初的研究力學(xué)規(guī)律到研究熱現(xiàn)象，再到電磁、光學(xué)等，構(gòu)建起了經(jīng)典物理學(xué)的框架。20世紀(jì)初，相對論和量子力學(xué)的發(fā)展，產(chǎn)生了近代物理學(xué)。這些物理學(xué)的發(fā)展，直接催生了人類歷史上的三次工業(yè)革命，極大地推動了人類文明的進(jìn)程。時至今日，物理學(xué)依然在材料、能源、信息等各個領(lǐng)域不斷探索，不斷有新的發(fā)現(xiàn)，拓寬人們對物質(zhì)世界的認(rèn)知，造福人類生活。由此可見，在培養(yǎng)高素質(zhì)人才的高等教育中，物理學(xué)知識是很多學(xué)科專業(yè)課程的重要基石，對學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課以及培養(yǎng)他們的正確世界觀和科學(xué)素養(yǎng)十分重要，這也是在高等院校理科、工科、農(nóng)科、醫(yī)科等眾多學(xué)科中開設(shè)大學(xué)物理作為必修基礎(chǔ)課程的重要原因。

然而，大學(xué)物理教學(xué)存在一些問題，主要表現(xiàn)為：（1）大學(xué)物理課程涉及的知識點(diǎn)眾多，包含了力、熱、電、光、相對論、量子力學(xué)等多個分支，理論性很強(qiáng)，并且課時大量壓縮，通常需要在一學(xué)期或一個半學(xué)期內(nèi)學(xué)完。（2）教材中很多原理、定理之后的應(yīng)用舉例采用了比較理想化模型，偏離生活實(shí)際，并且有些比較陳舊，如今的科技、工業(yè)中已經(jīng)不再使用。這些因素使學(xué)生覺得大學(xué)物理知識枯燥難懂，對自己以后所學(xué)專業(yè)以及從事工作不重要，進(jìn)而失去了學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)往往是死記硬背，純粹是應(yīng)付考試、拿學(xué)分，無法做到對物理知識的融會貫通。另一方面，在高校中教師同時肩負(fù)著教學(xué)和科研兩大任務(wù)，有的教師比較重視與職稱晉升關(guān)系更緊密的科研，在教學(xué)方面投入的精力有限;或者有的教師以教學(xué)為主，幾乎不搞科研。教學(xué)和科研就如同人的兩條腿，缺少任何一個或者有偏頗都是不可取的，會對學(xué)生學(xué)習(xí)和教師自身發(fā)展兩方面造成不良影響。書本知識陳舊，教學(xué)和科研兩者逐漸分離，使學(xué)生感受不到物理學(xué)書本知識在實(shí)際生活和科研中的運(yùn)用，失去學(xué)習(xí)興趣和動力，因此影響了大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量。

本文中筆者結(jié)合自身教學(xué)實(shí)例，將實(shí)際科研中用到的固體核磁共振等研究蘊(yùn)含的物理知識和研究方法，融入日常的大學(xué)物理教學(xué)中，給學(xué)生展示書本知識與前沿科研的有機(jī)結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高了大學(xué)物理的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，同時也提高了教師的教學(xué)和科研業(yè)務(wù)水平。下面主要探討如何將科研融入大學(xué)物理教學(xué)以及科研融入后的優(yōu)點(diǎn)等方面的問題。

一、科研在大學(xué)物理教學(xué)中融入的形式舉例

筆者在日常的大學(xué)物理教學(xué)中，首先給學(xué)生簡單地介紹了一下自己的研究方向——固體核磁共振研究，讓大家對任課教師有了更加全面的了解，并且明確告訴學(xué)生今后課程學(xué)習(xí)到的知識點(diǎn)與該科研設(shè)備原理或研究內(nèi)容相關(guān)時，會進(jìn)行關(guān)聯(lián)性拓展?！昂舜殴舱瘛边@一名詞，大家一般都在醫(yī)療領(lǐng)域聽說過，但是也因不了解其原理而覺得神秘，這樣一個熟悉又陌生的概念，可以引起學(xué)生的注意力和興趣，引導(dǎo)學(xué)生通過認(rèn)真學(xué)習(xí)大學(xué)物理各個知識點(diǎn)，進(jìn)而明白核磁共振的工作原理。當(dāng)然，這里只是舉例了筆者從事和熟悉的這一科研領(lǐng)域，其他不同的研究方向，簡單發(fā)掘一下，都可以找出類似的例子。

在大學(xué)物理課程中學(xué)習(xí)到電、磁學(xué)部分時，引出核磁共振設(shè)備系統(tǒng)中非常重要的一個物理量，即磁場。教材里通過畢奧-薩伐爾定律推導(dǎo)了單匝載流圓形導(dǎo)線中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度是正比于電流的，在設(shè)備中正是在超導(dǎo)圓形線圈中通很高的電流（最高可達(dá)120A），這是一個遠(yuǎn)大于日常電器額定電流的數(shù)值，從而在中心處產(chǎn)生很強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度（最高可達(dá)16T）。這里，關(guān)于電流部分，可以讓學(xué)生計算一下：如果是同樣尺寸的銅或者金導(dǎo)線，有多大的電阻，通這么高的電流會有多大的加熱功率，需要多大電壓的電源供應(yīng)？再對比實(shí)際使用的超導(dǎo)線圈，由于是超導(dǎo)材料，電阻為零，因此通大電流提供強(qiáng)磁場時，線圈上也是沒有功率損耗的，大電流可以不停地流動而不需要外部電源供應(yīng)。通過這樣的對比，學(xué)生了解到科研設(shè)備中是如何獲得強(qiáng)磁場的，以及超導(dǎo)材料在能源領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢。此時，可以拋出一個思考題，就是教材里在介紹磁感應(yīng)強(qiáng)度大小和單位時，提到T是一個非常大的磁感應(yīng)強(qiáng)度單位，地球表面的磁場大約是5e～5T，為何核磁共振設(shè)備需要超導(dǎo)磁鐵來提供如此大的磁場。這主要是為了使材料中的原子核磁矩有較高的進(jìn)動頻率（拉莫爾頻率），從而獲得較高的信噪比，這里面涉及了部分量子力學(xué)中能級躍遷的知識，也可以在講到量子力學(xué)章節(jié)部分時加以分析。當(dāng)學(xué)生明白了強(qiáng)磁場是核磁共振必備的前提條件后，也就能自然地理解為何在醫(yī)院進(jìn)行核磁共振檢查時，身上是不能攜帶任何金屬物品的，這是因?yàn)樵谌绱藦?qiáng)大的磁場下，大部分金屬都會被磁化，和超導(dǎo)磁鐵之間產(chǎn)生強(qiáng)大的吸引力，導(dǎo)致金屬物品像炮彈一樣射向磁鐵設(shè)備造成嚴(yán)重破壞。需要說明的是，筆者科研使用的固體核磁共振設(shè)備和醫(yī)院使用的核磁共振在磁場強(qiáng)度、磁場掃描、脈沖序列等方面略有區(qū)別，但是物理原理是相同的，在教學(xué)中結(jié)合物理科研設(shè)備和人們?nèi)粘Ｉ钪杏龅降尼t(yī)療設(shè)備，可以引起學(xué)生的求知欲，幫助學(xué)生更好地理解相關(guān)原理。

此外，在學(xué)習(xí)到電磁感應(yīng)章節(jié)時，可以融入核磁共振技術(shù)的核心原理，即為何它能在物理學(xué)中研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)等相變，能在化學(xué)、生物領(lǐng)域分析結(jié)構(gòu)及其變化，能在醫(yī)療領(lǐng)域辨別病變組織。這一系列的實(shí)際應(yīng)用問題能引起學(xué)生的興趣，促使他們認(rèn)真學(xué)習(xí)與之相關(guān)的電磁感應(yīng)原理。通過書本知識學(xué)習(xí)、課后調(diào)研、教師結(jié)合科研的延拓，最終讓學(xué)生明白核磁共振的關(guān)鍵首先是依靠在第二個線圈中通交變電流產(chǎn)生橫向交變磁場，其頻率與探測樣品中某一種原子核的拉莫爾頻率一致，使原子核磁矩產(chǎn)生驅(qū)動頻率等于固有頻率時的共振，這也是核磁共振這一名詞的來歷。隨后，關(guān)閉橫向交變磁場，原本共振的核磁矩會在周圍化學(xué)環(huán)境的作用下弛豫，也就是振動幅度越來越小，本質(zhì)上就是大學(xué)物理中講到的阻尼振蕩。此時，核磁矩弛豫造成了橫向線圈內(nèi)磁通量隨時間變化，原本提供交變磁場的線圈就會扮演一個新的角色，即通過電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生感應(yīng)電流，被外部的儀器探測到。這個感應(yīng)電流幅值的衰減速率，對應(yīng)弛豫時間，和所探測的原子核周圍的環(huán)境息息相關(guān)，而物理研究中某種材料發(fā)生了結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)等相變時核周圍環(huán)境會變化，生物體組織病變后氫核周圍環(huán)境也會變化，所以核磁共振在諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

核磁共振設(shè)備和相關(guān)研究內(nèi)容是一個強(qiáng)有力且復(fù)雜的體系，除了以上幾點(diǎn)可以融入大學(xué)物理教學(xué)中，還有很多與物理學(xué)書本知識相關(guān)的方面。例如與電容電感LC振蕩電路相關(guān)的核磁共振探桿電路固有頻率、與熱學(xué)中絕熱膨脹相關(guān)的極低溫（2K）樣品溫度環(huán)境的獲得、與光的衍射相關(guān)的利用X射線衍射儀探測固體樣品晶體結(jié)構(gòu)等諸多方面，由于篇幅原因就不再一一贅述。通過大學(xué)物理知識的課堂學(xué)習(xí)、穿插其中的科研舉例以及學(xué)生課后調(diào)研和教師課堂總結(jié)，最終使學(xué)生掌握相關(guān)知識和實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到活學(xué)活用、舉一反三的效果。上述的例子只是圍繞筆者從事和熟悉的物理研究領(lǐng)域，與對應(yīng)的大學(xué)物理知識相結(jié)合，希望起到拋磚引玉的作用，最終讓學(xué)生每學(xué)到一個知識點(diǎn)都能了解它在生活、科研中的應(yīng)用，拓寬視野。

二、科研融入帶來的好處

（一）提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生視野

通過在大學(xué)物理教學(xué)中學(xué)習(xí)到某些知識點(diǎn)時，拓展與該知識點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的科研設(shè)備原理或研究內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生去思考和調(diào)研相關(guān)知識內(nèi)容，筆者發(fā)現(xiàn)課堂上學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性提高了，學(xué)生不再像以往那樣只是面對著枯燥乏味的物理定理、數(shù)學(xué)公式以及一些假想、空洞的例子，他們實(shí)實(shí)在在地感受到了每一個書本上的知識，都是與日常生活、科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)等方面緊密聯(lián)系，是有很強(qiáng)的應(yīng)用性。都說興趣是最好的老師，當(dāng)學(xué)生在課堂上學(xué)到某個定律，緊接著聽到教師講述這個知識點(diǎn)在科學(xué)研究方面的應(yīng)用，他們就會明白這個定律的價值和意義，會覺得這個定律很實(shí)用、很有趣。即使非物理專業(yè)的學(xué)生，也能在教學(xué)、科研相融合中受益，例如醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)生以后工作可能會用到核磁共振、X光成像等各種儀器，掌握其中的物理原理會使他們在將來工作中更加得心應(yīng)手，因此他們會更加主動地去掌握好這個知識點(diǎn)，以便自己能在以后的科研、工作中更好地應(yīng)用它?？蒲械娜谌胍矔怪R點(diǎn)更加豐滿、立體化，學(xué)生可以結(jié)合實(shí)例更好地記憶相關(guān)結(jié)論，也許若干年后他們忘記了通電圓形線圈中心產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式，但是通過與超導(dǎo)線圈的聯(lián)系，他們至少記住了磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流成正比這一結(jié)論，要想獲得高磁場就需要大電流，因此需要超導(dǎo)材料。另外，教材中部分例子比較陳舊，如今的科技、工業(yè)中已經(jīng)不再使用。物理科研從事的內(nèi)容一般都是前沿的最新進(jìn)展，在教學(xué)中融入科研內(nèi)容，可以使學(xué)生拓寬視野，增長見識，激發(fā)他們的求知欲，使他們了解到這些前沿領(lǐng)域背后的原理其實(shí)大部分都是書本知識點(diǎn)及其延展，也能提高學(xué)生學(xué)好大學(xué)物理的熱情和決心。

（二）改變學(xué)生思維方式，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

在大學(xué)物理教學(xué)中融入物理科研內(nèi)容，讓學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)完知識點(diǎn)后，結(jié)合教師提出的某個科研前沿概念、話題，在課后做一些調(diào)研，通過查閱文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)資源等方式嘗試自己解決這些開放問題，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生分析解決問題的科研思維能力，掌握科研的方法，使他們從以往的被動學(xué)習(xí)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃诱{(diào)研、思考、嘗試自己解決問題的模式。通過科研在教學(xué)中的融入，也會讓學(xué)生認(rèn)識到很多的書本知識并不是絕對正確的，而是有適用條件的，有的情形下需要加修正項(xiàng)甚至完全棄用，培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑、不斷探索的科學(xué)精神。例如教科書電磁學(xué)部分必然講到的霍爾效應(yīng)內(nèi)容，在科研中正是不斷拓展到磁性材料、強(qiáng)自旋軌道耦合材料中，才有了今天火熱的自旋霍爾效應(yīng)、量子自旋霍爾效應(yīng)等新發(fā)現(xiàn)，有望實(shí)現(xiàn)低能耗的自旋信息傳輸。物理知識在科研儀器和研究內(nèi)容中的應(yīng)用，是對該知識的直觀展示，在開闊學(xué)生視野的同時，更能啟發(fā)學(xué)生去思考這些知識點(diǎn)能否用在別的領(lǐng)域，改變現(xiàn)有儀器的不足，從其他角度研究問題或結(jié)合多種效應(yīng)研究問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（三）提高教師教學(xué)和科研業(yè)務(wù)水平

教師在大學(xué)物理教學(xué)中融入前沿的物理科研內(nèi)容，對自身也有很大的促進(jìn)作用。這樣，教師會不斷地學(xué)習(xí)前沿領(lǐng)域知識，了解物理學(xué)發(fā)展的最新進(jìn)展，與時俱進(jìn)，完善自身知識儲備，從中挑選合適的內(nèi)容用于日常教學(xué)中。這樣的融入豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，提高了教師的課程教學(xué)質(zhì)量，逐漸地使教師的教學(xué)水平提高到一個新的高度，同時教師對相關(guān)知識點(diǎn)理解得更加深刻。另一方面，在課堂上講述前沿科研內(nèi)容，無論這一內(nèi)容是調(diào)研他人成果還是自己所從事的，本質(zhì)上都是一種學(xué)術(shù)報告過程，在準(zhǔn)備時可以推敲、審視一下自己的研究目的、邏輯思路、結(jié)論等方面正確與否，在與學(xué)生交流討論時，他們的疑問可以幫助教師以更適合學(xué)生的角度去講解這些前沿話題，改善自己的教學(xué)方法。此外，學(xué)生在課堂上聽了相關(guān)科研前沿的介紹后，提出的問題和想法并非全部能被教師圓滿解答，這能督促教師更多地學(xué)習(xí)前沿學(xué)術(shù)信息，集思廣益，啟發(fā)教師的靈感和產(chǎn)生新的科研想法。

三、結(jié)語

綜上所述，筆者在日常的大學(xué)物理教學(xué)中，融入自身科研涉及的儀器設(shè)備和科研內(nèi)容中的物理學(xué)知識，給學(xué)生展示了書本知識并不枯燥乏味，而是與前沿科研、科技發(fā)展緊密聯(lián)系、息息相關(guān)的，不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動了學(xué)習(xí)的主動性，而且有利于鍛煉他們面對難題時的科學(xué)研究方法，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，同時對教師自身的教學(xué)和科研業(yè)務(wù)水平也有很大的促進(jìn)作用，最終有助于實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的同步提高。

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編輯 陳鮮艷