专题讲座辅助大学物理教学研究探索

王明利　朱艳英　张素红　赵原源

摘要：改变传统教学模式，尝试使用专题报告形式将物理学知识与科学研究相结合，探索科研成果与基础物理内容相结合教学模式，促进学生学习兴趣，提高教学效率和质量。

关键词：大学物理；专题报告；教学探索

1.概述

目前高等院校大学物理教学依然采用传统教学方式，并且多数高校基础课学时不断压缩，学生不能在短学时内深刻理解物理知识及物理思想的重要性。很多高校都开展了相应教学改革[1，2]，以提高大学物理教学水平。近几年，通过对学生课程学习的调查发现，基础课与专业课脱节明显，对基础课的重视程度在降低，并逐渐失去对大学物理的学习兴趣。美国大学通过分层次教学[3]和物理专业人才培养模式[4]进行探索研究，取得较好成果。究其改革目标均以传授大学物理思想方法教育[5]为主，从而提高教学效率和质量。

本课题组探索将科研成果与基础物理内容相结合，以专题报告形式辅助大学物理教学，将物理学知识点与科学研究和工程技术相结合，使学生在低年级就将基础知识在今后的应用有所了解，来提高学生的学习兴趣，增加教与学的互动性，最终提高教学效率和质量。

2.专题报告辅助教学设计策略及实例

2.1专题报告辅助教学设计策略。《大学物理》授课学期为第二学期和第三学期，第二学期主要讲授的内容为质点运动学、牛顿定律、动量与能量、刚体力学、振动与波动、光的干涉、光的衍射和光的偏振；第三学期主要讲授的内容为热力学基础、气体动理论、静电场、稳恒磁场和电磁波等内容。根据课程进程，适时的安排与物理学知识相关的科研内容作为专题报告内容，为学生开设专题讲座，每期报告之前，为学生讲解报告内容简介以便学生能够更容易接受。每期报告我们都对参加报告的学生做相应调查，内容是对于这样的形式是否满意，有何意见或者建议。

下面是我们精选了一部分专题报告实例，来详细说明该课题的研究内容。

2.2专题报告辅助教学实例。按照教学进程，我们精选其中一个系列，涉及物理学知识点为：牛顿力学、动量、激光、光纤应用等内容为一个系列专题报告，通过这些专题报告让学生深刻理解第二学期物理学知识点以及物理学思想在科学研究中的作用。

专题报告（一） 题目为“蛋白质折叠机理及结构-功能关系的分子模拟研究”，报告人：苏计国，副教授，燕山大学理学院应用物理系主任。近年来一直从事生物物理交叉学科研究，在相关研究领域发表SCI论文20余篇，主持两项国家自然科学基金项目，获得河北省首批青年拔尖人才支持计划。

报告内容：随着人类基因组计划的顺利完成，生命科学已进入到后基因组时代，研究的重点也从基因测序转变到了基因的产物蛋白质上。其中，蛋白质折叠及其结构-功能关系是有待解决的热点问题。我们知道储存在DNA上的遗传信息可以转录到RNA，进而翻译成一定的氨基酸序列，三联码的破译使得人们已经掌握了从DNA到氨基酸链这一遗传信息传递过程。但是，翻译生成的多肽链如何折叠形成具有特定空间结构的蛋白质，即蛋白质折叠问题，目前还不清楚。同时，具有特定结构的蛋白质如何发挥其生物学功能，如何从蛋白质结构出发预测其功能也是有待解决的重要问题。上述问题的研究可以为蛋白质的功能改造和药物设计提供有效的预测模型和工具。现有的实验手段很难观测到蛋白质折叠和功能性运动的微观细节，计算机模拟是研究该问题的有效手段。从20世纪70年代开始，经过近40年的发展，该领域已经获得了丰硕的研究成果，实现了利用计算机来模拟化学反应过程，甚至复杂的生命过程。2013年诺贝尔化学奖授予了Karplus、Levitt和Warshel三人，以表彰他们在该领域的开创性贡献。

本报告从物理学理论出发，介绍分子模拟的主要思路及关键问题，包括：分子建模、粗粒化模型的构建、力场函数的建立以及力参数的拟合、动力学方程的数值计算、构象采样等。与大学物理教学中牛顿力学研究方法相吻合，从构建分子模型开始，进行力函数分析、求解、优化等过程，使學生能够了解物理学知识在实际问题中的研究思路。

参加该报告的学生人数约300人，通过调查有60%左右的学生认为报告内容新颖，尤其对于生物工程专业的学生有一定的吸引力。约20%学生认为理解上有一定难度，但是喜欢这样的形式。

专题报告（二） 题目为“光的力学效应—光镊原理及应用简介”，报告人：朱艳英，教授，博士生导师。近年来主要从事光微操纵技术及应用、微纳机械系统集成、光镊在生物工程领域中的应用研究，在相关研究领域发表SCI&EI论文50余篇，主持国家自然科学基金面上项目2项，主持和参加省部级及地市级科研项目5项，获得国家发明专利2项。

报告内容：光有力学效应吗？一百年前爱因斯坦提出的光量子学说最终导致了激光的诞生， 6O年代激光器的发明使光与物质相互作用产生的力学效应真正走向实际应用。人们开始对光的辐射压力和光的力学效应进行全面和深入的研究，光的力学效应显示出强大的生命力。70年代，朱棣文等人利用光压原理发展了用激光冷却和幽禁原子的方法，获得了1997年度诺贝尔物理学奖。这一研究成果也为荣获2001年度诺贝尔物理学奖的玻色一爱因斯坦凝聚方面的工作提供了有效的实验手段。与此同时，人们也在探索光对微小的宏观粒子的力学效应。1986年美国贝尔实验室科学家A.Ashkin发明了光镊技术，光镊成了光的力学效应的研究和应用最活跃的领域之一。近20年来光镊技术的研究和应用得到了迅速的发展，派生出透镜光纤光镊、微透镜阵列光镊、全息阵列光镊等可以应用于某些特殊领域的远场光镊技术，并成为生物医学、化学、物理学、光谱学、微细加工等众多学科及交叉领域中的研究工具。与此同时，科学研究也从宏观领域深入到介观及微观领域，尤其是随着生物医学的发展，单分子水平上的捕获与操纵变得尤为重要。例如，对DNA分子的切割和拉伸等操作都要求捕获和操纵的空间精度到纳米量级，近场光镊技术因为其捕获范围的高度局域性，可以直接对单个纳米量级的生物分子进行捕获和操纵，从而成为单分子水平操纵的有力工具。

本报告既有激光原理介绍，也包含光动量和能量概念，从分析激光在介观粒子上的反射和折射时，动量的改变从而产生力学效应，并利用力学效应捕获介观粒子的实例。使学生能够了解物理学知识在物理前沿中的内容，可以帮助学生对课本中的相关知识点加深理解。

参加本报告的学生人数约为240人左右，通过调查60%的学生认为此次报告原理易懂，内容新颖，主要介绍了科学研究前沿知识，对物理学在科学研究中的作用有了深刻的了解。

目前，2014年春季学期专题报告已开展3次，由于教室有限，共计参加报告会的学生人数达到700人左右，通过对参会学生调查，约70%学生喜欢这样的形式，并希望能够将活动持续举办下去。

3.结论

在当前大学物理教学中已经遇到学时数紧张，信息化快速发展时期对传统教学的冲击，学生对物理知识难以理解，学习兴趣逐渐下降等问题。本课题组开展的系列专题报告将物理学知识与科学研究中的实际问题相结合，不仅拓宽学生知识面，也可以引导学生如何利用课本中的知识解决实际问题。通过调查学生比较欢迎这种形式，既能了解物理学前沿知识，也能加深理解课本知识点。本次专题报告附着课堂教学项目的实施，不仅提高了学生学习兴趣，推动了整体基础课教学改革，对于大学校园文化建设也增添了创建思路。 （作者单位：燕山大学理学院大学物理系）

参考文献

[1]段志刚等.大学物理探究性教学设计策略及方法[J]. 物理与工程，2012，22（3）：54～56.

[2]郑春红等.强化科学思维方法的培养，提高大学物理教学水平[J]. 物理与工程，2012，22（3）：52～53，60.

[3]张立彬等.美国大学物理学分层次教学研究[J]. 大学物理，2012，31（6）：50～56.

[4]张立彬等.哈佛大学物理专业拔尖人才培养模式探讨[J].大学物理，2012，31（2）：45～50.

[5]朱鋐雄等.大学物理思想方法教育资源库的建设及其实施策略[J].物理与工程，2012，22（3）：41～48.