物理科研在大学物理教学中的融入

曹荣幸 赵新丽

[摘           要]  大学物理是高等院校中理科、工科、农科、医科等众多专业的必修基础课程，对于开展各学科的后续课程学习以及培养学生科学素养的重要性不言而喻。然而，大学物理的知识点众多，理论性很强，很多应用举例偏离生活实际且比较陈旧，使学生觉得物理学枯燥难懂，与自己学科方向相差甚远，进而失去了学习兴趣。结合自身教学实例，将实际科研中用到的固体核磁共振等研究蕴含的物理学知识融入平时的大学物理教学中，给学生展示书本知识与前沿科研的有机结合，激发学生学习的兴趣，提高了大学物理的教学质量和学生的科学素养。

[关    键   词]  物理科研;大学物理教学;融入

[中图分类号]  G642               [文献标志码]  A                [文章编号]  2096-0603（2020）45-0044-03

物理学作为一门研究物质结构、运动形式及相互作用规律的科学，从最初的研究力学规律到研究热现象，再到电磁、光学等，构建起了经典物理学的框架。20世纪初，相对论和量子力学的发展，产生了近代物理学。这些物理学的发展，直接催生了人类历史上的三次工业革命，极大地推动了人类文明的进程。时至今日，物理学依然在材料、能源、信息等各个领域不断探索，不断有新的发现，拓宽人们对物质世界的认知，造福人类生活。由此可见，在培养高素质人才的高等教育中，物理学知识是很多学科专业课程的重要基石，对学生学习后续专业课以及培养他们的正确世界观和科学素养十分重要，这也是在高等院校理科、工科、农科、医科等众多学科中开设大学物理作为必修基础课程的重要原因。

然而，大学物理教学存在一些问题，主要表现为：（1）大学物理课程涉及的知识点众多，包含了力、热、电、光、相对论、量子力学等多个分支，理论性很强，并且课时大量压缩，通常需要在一学期或一个半学期内学完。（2）教材中很多原理、定理之后的应用举例采用了比较理想化模型，偏离生活实际，并且有些比较陈旧，如今的科技、工业中已经不再使用。这些因素使学生觉得大学物理知识枯燥难懂，对自己以后所学专业以及从事工作不重要，进而失去了学习兴趣，学生对物理的学习往往是死记硬背，纯粹是应付考试、拿学分，无法做到对物理知识的融会贯通。另一方面，在高校中教师同时肩负着教学和科研两大任务，有的教师比较重视与职称晋升关系更紧密的科研，在教学方面投入的精力有限;或者有的教师以教学为主，几乎不搞科研。教学和科研就如同人的两条腿，缺少任何一个或者有偏颇都是不可取的，会对学生学习和教师自身发展两方面造成不良影响。书本知识陈旧，教学和科研两者逐渐分离，使学生感受不到物理学书本知识在实际生活和科研中的运用，失去学习兴趣和动力，因此影响了大学物理教学质量。

本文中笔者结合自身教学实例，将实际科研中用到的固体核磁共振等研究蕴含的物理知识和研究方法，融入日常的大学物理教学中，给学生展示书本知识与前沿科研的有机结合，激发学生学习的兴趣，提高了大学物理的教学质量和学生的科学素养，同时也提高了教师的教学和科研业务水平。下面主要探讨如何将科研融入大学物理教学以及科研融入后的优点等方面的问题。

一、科研在大学物理教学中融入的形式举例

笔者在日常的大学物理教学中，首先给学生简单地介绍了一下自己的研究方向——固體核磁共振研究，让大家对任课教师有了更加全面的了解，并且明确告诉学生今后课程学习到的知识点与该科研设备原理或研究内容相关时，会进行关联性拓展。“核磁共振”这一名词，大家一般都在医疗领域听说过，但是也因不了解其原理而觉得神秘，这样一个熟悉又陌生的概念，可以引起学生的注意力和兴趣，引导学生通过认真学习大学物理各个知识点，进而明白核磁共振的工作原理。当然，这里只是举例了笔者从事和熟悉的这一科研领域，其他不同的研究方向，简单发掘一下，都可以找出类似的例子。

在大学物理课程中学习到电、磁学部分时，引出核磁共振设备系统中非常重要的一个物理量，即磁场。教材里通过毕奥-萨伐尔定律推导了单匝载流圆形导线中心处的磁感应强度是正比于电流的，在设备中正是在超导圆形线圈中通很高的电流（最高可达120A），这是一个远大于日常电器额定电流的数值，从而在中心处产生很强的磁感应强度（最高可达16T）。这里，关于电流部分，可以让学生计算一下：如果是同样尺寸的铜或者金导线，有多大的电阻，通这么高的电流会有多大的加热功率，需要多大电压的电源供应？再对比实际使用的超导线圈，由于是超导材料，电阻为零，因此通大电流提供强磁场时，线圈上也是没有功率损耗的，大电流可以不停地流动而不需要外部电源供应。通过这样的对比，学生了解到科研设备中是如何获得强磁场的，以及超导材料在能源领域的巨大优势。此时，可以抛出一个思考题，就是教材里在介绍磁感应强度大小和单位时，提到T是一个非常大的磁感应强度单位，地球表面的磁场大约是5e～5T，为何核磁共振设备需要超导磁铁来提供如此大的磁场。这主要是为了使材料中的原子核磁矩有较高的进动频率（拉莫尔频率），从而获得较高的信噪比，这里面涉及了部分量子力学中能级跃迁的知识，也可以在讲到量子力学章节部分时加以分析。当学生明白了强磁场是核磁共振必备的前提条件后，也就能自然地理解为何在医院进行核磁共振检查时，身上是不能携带任何金属物品的，这是因为在如此强大的磁场下，大部分金属都会被磁化，和超导磁铁之间产生强大的吸引力，导致金属物品像炮弹一样射向磁铁设备造成严重破坏。需要说明的是，笔者科研使用的固体核磁共振设备和医院使用的核磁共振在磁场强度、磁场扫描、脉冲序列等方面略有区别，但是物理原理是相同的，在教学中结合物理科研设备和人们日常生活中遇到的医疗设备，可以引起学生的求知欲，帮助学生更好地理解相关原理。

此外，在学习到电磁感应章节时，可以融入核磁共振技术的核心原理，即为何它能在物理学中研究物质结构、超导等相变，能在化学、生物领域分析结构及其变化，能在医疗领域辨别病变组织。这一系列的实际应用问题能引起学生的兴趣，促使他们认真学习与之相关的电磁感应原理。通过书本知识学习、课后调研、教师结合科研的延拓，最终让学生明白核磁共振的关键首先是依靠在第二个线圈中通交变电流产生横向交变磁场，其频率与探测样品中某一种原子核的拉莫尔频率一致，使原子核磁矩产生驱动频率等于固有频率时的共振，这也是核磁共振这一名词的来历。随后，关闭横向交变磁场，原本共振的核磁矩会在周围化学环境的作用下弛豫，也就是振动幅度越来越小，本质上就是大学物理中讲到的阻尼振荡。此时，核磁矩弛豫造成了横向线圈内磁通量随时间变化，原本提供交变磁场的线圈就会扮演一个新的角色，即通过电磁感应原理产生感应电流，被外部的仪器探测到。这个感应电流幅值的衰减速率，对应弛豫时间，和所探测的原子核周围的环境息息相关，而物理研究中某种材料发生了结构、超导等相变时核周围环境会变化，生物体组织病变后氢核周围环境也会变化，所以核磁共振在诸多领域被广泛应用。

核磁共振设备和相关研究内容是一个强有力且复杂的体系，除了以上几点可以融入大学物理教学中，还有很多与物理学书本知识相关的方面。例如与电容电感LC振荡电路相关的核磁共振探杆电路固有频率、与热学中绝热膨胀相关的极低温（2K）样品温度环境的获得、与光的衍射相关的利用X射线衍射仪探测固体样品晶体结构等诸多方面，由于篇幅原因就不再一一赘述。通过大学物理知识的课堂学习、穿插其中的科研举例以及学生课后调研和教师课堂总结，最终使学生掌握相关知识和实际应用，达到活学活用、举一反三的效果。上述的例子只是围绕笔者从事和熟悉的物理研究领域，与对应的大学物理知识相结合，希望起到抛砖引玉的作用，最终让学生每学到一个知识点都能了解它在生活、科研中的应用，拓宽视野。

二、科研融入带来的好处

（一）提高学生学习兴趣，拓宽学生视野

通过在大学物理教学中学习到某些知识点时，拓展与该知识点相关联的科研设备原理或研究内容，引导学生去思考和调研相关知识内容，笔者发现课堂上学生的学习积极性提高了，学生不再像以往那样只是面对着枯燥乏味的物理定理、数学公式以及一些假想、空洞的例子，他们实实在在地感受到了每一个书本上的知识，都是与日常生活、科学研究、工业生产等方面紧密联系，是有很强的应用性。都说兴趣是最好的老师，当学生在课堂上学到某个定律，紧接着听到教师讲述这个知识点在科学研究方面的应用，他们就会明白这个定律的价值和意义，会觉得这个定律很实用、很有趣。即使非物理专业的学生，也能在教学、科研相融合中受益，例如医学、农学专业学生以后工作可能会用到核磁共振、X光成像等各种仪器，掌握其中的物理原理会使他们在将来工作中更加得心应手，因此他们会更加主动地去掌握好这个知识点，以便自己能在以后的科研、工作中更好地应用它。科研的融入也会使知识点更加丰满、立体化，学生可以结合实例更好地记忆相关结论，也许若干年后他们忘记了通电圆形线圈中心产生磁感应强度的具体数学表达式，但是通过与超导线圈的联系，他们至少记住了磁感应强度与电流成正比这一结论，要想获得高磁场就需要大电流，因此需要超导材料。另外，教材中部分例子比较陈旧，如今的科技、工业中已经不再使用。物理科研从事的内容一般都是前沿的最新进展，在教学中融入科研内容，可以使学生拓宽视野，增长见识，激发他们的求知欲，使他们了解到这些前沿领域背后的原理其实大部分都是书本知识点及其延展，也能提高学生学好大学物理的热情和决心。

（二）改变学生思维方式，培养创新能力

在大学物理教学中融入物理科研内容，让学生在课堂上学习完知识点后，结合教师提出的某个科研前沿概念、话题，在课后做一些调研，通过查阅文献、网络资源等方式尝试自己解决这些开放问题，培养和锻炼学生分析解决问题的科研思维能力，掌握科研的方法，使他们从以往的被动学习模式，转变为主动调研、思考、尝试自己解决问题的模式。通过科研在教学中的融入，也会让学生认识到很多的书本知识并不是绝对正确的，而是有适用条件的，有的情形下需要加修正项甚至完全弃用，培养学生敢于质疑、不断探索的科學精神。例如教科书电磁学部分必然讲到的霍尔效应内容，在科研中正是不断拓展到磁性材料、强自旋轨道耦合材料中，才有了今天火热的自旋霍尔效应、量子自旋霍尔效应等新发现，有望实现低能耗的自旋信息传输。物理知识在科研仪器和研究内容中的应用，是对该知识的直观展示，在开阔学生视野的同时，更能启发学生去思考这些知识点能否用在别的领域，改变现有仪器的不足，从其他角度研究问题或结合多种效应研究问题，培养学生的创新能力。

（三）提高教师教学和科研业务水平

教师在大学物理教学中融入前沿的物理科研内容，对自身也有很大的促进作用。这样，教师会不断地学习前沿领域知识，了解物理学发展的最新进展，与时俱进，完善自身知识储备，从中挑选合适的内容用于日常教学中。这样的融入丰富了课堂教学内容，提高了教师的课程教学质量，逐渐地使教师的教学水平提高到一个新的高度，同时教师对相关知识点理解得更加深刻。另一方面，在课堂上讲述前沿科研内容，无论这一内容是调研他人成果还是自己所从事的，本质上都是一种学术报告过程，在准备时可以推敲、审视一下自己的研究目的、逻辑思路、结论等方面正确与否，在与学生交流讨论时，他们的疑问可以帮助教师以更适合学生的角度去讲解这些前沿话题，改善自己的教学方法。此外，学生在课堂上听了相关科研前沿的介绍后，提出的问题和想法并非全部能被教师圆满解答，这能督促教师更多地学习前沿学术信息，集思广益，启发教师的灵感和产生新的科研想法。

三、结语

综上所述，笔者在日常的大学物理教学中，融入自身科研涉及的仪器设备和科研内容中的物理学知识，给学生展示了书本知识并不枯燥乏味，而是与前沿科研、科技发展紧密联系、息息相关的，不仅激发了学生学习的兴趣，调动了学习的主动性，而且有利于锻炼他们面对难题时的科学研究方法，培养创新能力，同时对教师自身的教学和科研业务水平也有很大的促进作用，最终有助于实现大学物理教学质量和学生科学素养的同步提高。

参考文献：

[1]马文蔚，周雨青.物理学[M].第6版.北京：高等教育出版社，2014.

[2]陈仲本，况明星.医用物理学[M].第1版.北京：高等教育出版社，2010.

[3]Fukushima，E.and Roeder，S.B.W.Experimental Pu-lse NMR：A Nuts and Bolts Approach[M].Massachusetts： Addison-Wesley Publishing Company，Inc.1981.

[4]辛旺.物理科研对大学物理教学的作用[J].考试周刊，2015（74）：148.

编辑 陈鲜艳