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(bào)告形式將物理學(xué)知識(shí)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(jìn)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(bào)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)高校基礎(chǔ)課學(xué)時(shí)不斷壓縮，學(xué)生不能在短學(xué)時(shí)內(nèi)深刻理解物理知識(shí)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(duì)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(duì)基礎(chǔ)課的重視程度在降低，并逐漸失去對(duì)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)興趣。美國(guó)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(jìn)行探索研究，取得較好成果。究其改革目標(biāo)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(bào)告形式輔助大學(xué)物理教學(xué)，將物理學(xué)知識(shí)點(diǎn)與科學(xué)研究和工程技術(shù)相結(jié)合，使學(xué)生在低年級(jí)就將基礎(chǔ)知識(shí)在今后的應(yīng)用有所了解，來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加教與學(xué)的互動(dòng)性，最終提高教學(xué)效率和質(zhì)量。

2.專題報(bào)告輔助教學(xué)設(shè)計(jì)策略及實(shí)例

2.1專題報(bào)告輔助教學(xué)設(shè)計(jì)策略?！洞髮W(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(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)、牛頓定律、動(dòng)量與能量、剛體力學(xué)、振動(dòng)與波動(dòng)、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(dòng)理論、靜電場(chǎng)、穩(wěn)恒磁場(chǎng)和電磁波等內(nèi)容。根據(jù)課程進(jìn)程，適時(shí)的安排與物理學(xué)知識(shí)相關(guān)的科研內(nèi)容作為專題報(bào)告內(nèi)容，為學(xué)生開設(shè)專題講座，每期報(bào)告之前，為學(xué)生講解報(bào)告內(nèi)容簡(jiǎn)介以便學(xué)生能夠更容易接受。每期報(bào)告我們都對(duì)參加報(bào)告的學(xué)生做相應(yīng)調(diào)查，內(nèi)容是對(duì)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(bào)告實(shí)例，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明該課題的研究?jī)?nèi)容。

2.2專題報(bào)告輔助教學(xué)實(shí)例。按照教學(xué)進(jìn)程，我們精選其中一個(gè)系列，涉及物理學(xué)知識(shí)點(diǎn)為：牛頓力學(xué)、動(dòng)量、激光、光纖應(yīng)用等內(nèi)容為一個(gè)系列專題報(bào)告，通過這些專題報(bào)告讓學(xué)生深刻理解第二學(xué)期物理學(xué)知識(shí)點(diǎn)以及物理學(xué)思想在科學(xué)研究中的作用。

專題報(bào)告（一） 題目為“蛋白質(zhì)折疊機(jī)理及結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系的分子模擬研究”，報(bào)告人：蘇計(jì)國(guó)，副教授，燕山大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系主任。近年來(lái)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(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，獲得河北省首批青年拔尖人才支持計(jì)劃。

報(bào)告內(nèi)容：隨著人類基因組計(jì)劃的順利完成，生命科學(xué)已進(jìn)入到后基因組時(shí)代，研究的重點(diǎn)也從基因測(cè)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(diǎn)問題。我們知道儲(chǔ)存在DNA上的遺傳信息可以轉(zhuǎn)錄到RNA，進(jìn)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(shí)，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(cè)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(jì)提供有效的預(yù)測(cè)模型和工具?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)手段很難觀測(cè)到蛋白質(zhì)折疊和功能性運(yùn)動(dòng)的微觀細(xì)節(jié)，計(jì)算機(jī)模擬是研究該問題的有效手段。從20世紀(jì)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(shí)現(xiàn)了利用計(jì)算機(jī)來(lái)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(jiǎng)授予了Karplus、Levitt和Warshel三人，以表彰他們?cè)谠擃I(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。

本報(bào)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?；Ｐ偷臉?gòu)建、力場(chǎng)函數(shù)的建立以及力參數(shù)的擬合、動(dòng)力學(xué)方程的數(shù)值計(jì)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(jìn)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(shí)在實(shí)際問題中的研究思路。

參加該報(bào)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(rèn)為報(bào)告內(nèi)容新穎，尤其對(duì)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(rèn)為理解上有一定難度，但是喜歡這樣的形式。

專題報(bào)告（二） 題目為“光的力學(xué)效應(yīng)—光鑷原理及應(yīng)用簡(jiǎn)介”，報(bào)告人：朱艷英，教授，博士生導(dǎo)師。近年來(lái)主要從事光微操縱技術(shù)及應(yīng)用、微納機(jī)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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目2項(xiàng)，主持和參加省部級(jí)及地市級(jí)科研項(xiàng)目5項(xiàng)，獲得國(guó)家發(fā)明專利2項(xiàng)。

報(bào)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(shuō)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(duì)光的輻射壓力和光的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行全面和深入的研究，光的力學(xué)效應(yīng)顯示出強(qiáng)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(jiǎng)。這一研究成果也為榮獲2001年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的玻色一愛因斯坦凝聚方面的工作提供了有效的實(shí)驗(yàn)手段。與此同時(shí)，人們也在探索光對(duì)微小的宏觀粒子的力學(xué)效應(yīng)。1986年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)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(lái)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(yuǎn)場(chǎng)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(xì)加工等眾多學(xué)科及交叉領(lǐng)域中的研究工具。與此同時(shí)，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(duì)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(jí)，近場(chǎng)光鑷技術(shù)因?yàn)槠洳东@范圍的高度局域性，可以直接對(duì)單個(gè)納米量級(jí)的生物分子進(jìn)行捕獲和操縱，從而成為單分子水平操縱的有力工具。

本報(bào)告既有激光原理介紹，也包含光動(dòng)量和能量概念，從分析激光在介觀粒子上的反射和折射時(shí)，動(dòng)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(shí)例。使學(xué)生能夠了解物理學(xué)知識(shí)在物理前沿中的內(nèi)容，可以幫助學(xué)生對(duì)課本中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)加深理解。

參加本報(bào)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(rèn)為此次報(bào)告原理易懂，內(nèi)容新穎，主要介紹了科學(xué)研究前沿知識(shí)，對(duì)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(bào)告已開展3次，由于教室有限，共計(jì)參加報(bào)告會(huì)的學(xué)生人數(shù)達(dá)到700人左右，通過對(duì)參會(huì)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?dòng)持續(xù)舉辦下去。

3.結(jié)論

在當(dāng)前大學(xué)物理教學(xué)中已經(jīng)遇到學(xué)時(shí)數(shù)緊張，信息化快速發(fā)展時(shí)期對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的沖擊，學(xué)生對(duì)物理知識(shí)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(bào)告將物理學(xué)知識(shí)與科學(xué)研究中的實(shí)際問題相結(jié)合，不僅拓寬學(xué)生知識(shí)面，也可以引導(dǎo)學(xué)生如何利用課本中的知識(shí)解決實(shí)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(shí)，也能加深理解課本知識(shí)點(diǎn)。本次專題報(bào)告附著課堂教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)施，不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，推動(dòng)了整體基礎(chǔ)課教學(xué)改革，對(duì)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(xiàn)

[1]段志剛等.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（3）：54～56.

[2]鄭春紅等.強(qiáng)化科學(xué)思維方法的培養(yǎng)，提高大學(xué)物理教學(xué)水平[J]. 物理與工程，2012，22（3）：52～53，60.

[3]張立彬等.美國(guó)大學(xué)物理學(xué)分層次教學(xué)研究[J]. 大學(xué)物理，2012，31（6）：50～56.

[4]張立彬等.哈佛大學(xué)物理專業(yè)拔尖人才培養(yǎng)模式探討[J].大學(xué)物理，2012，31（2）：45～50.

[5]朱鋐雄等.大學(xué)物理思想方法教育資源庫(kù)的建設(shè)及其實(shí)施策略[J].物理與工程，2012，22（3）：41～48.