高校物理專業(yè)課研究性教學的探索與實踐

黃自謙　曾立　孫曉燕　徐艷華

【摘要】當今高校物理學專業(yè)課面臨教材陳舊、教學僵化的問題。為適應時代要求，加快知識更新，本文以熱力學與統(tǒng)計物理專業(yè)課教學為研究對象，對物理學專業(yè)課研究性教學進行探索與實踐。主要內(nèi)容有三： 第一，通過引入社會物理學實現(xiàn)德育在專業(yè)課教學中的滲透， 對學生進行價值觀教育， 做到德才并育； 第二，通過聯(lián)系生活實際， 如河南林州市“冰冰背”盛夏結冰的奇特現(xiàn)象， 使學生的專業(yè)知識得到應用， 激發(fā)學生興趣， 做到學以致用； 第三，通過介紹學科前沿背景知識， 如蛋白質中的“泛素”的作用， 引入抽象的系綜概念， 化解學習難點， 做到與時俱進。

【關鍵詞】研究性教學 社會物理學 節(jié)流原理 系綜

【基金項目】本文系2015年度廣西高等教育本科教學改革項目（項目號： 2015JGA282）。

【中圖分類號】G65 【文獻標識碼】A 【文章編號】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：培養(yǎng)具有全面素質和創(chuàng)新能力的人才，教育迫切需要構建創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系，教師必須樹立以學生發(fā)展為本的教育理論，采用有效的方式和手段，為學生提供學習的條件和機會，創(chuàng)設情境，讓學生學會思考和探索。

但傳統(tǒng)大學物理專業(yè)課采用的教學模式，仍在強調教師在教學過程中的主導作用，忽視學生的主體參與，注重知識的傳授，缺少過程方法的教學過程，強調教材、課本內(nèi)容在學生知識經(jīng)驗中占據(jù)的強勢地位，強調教材、書本知識的絕對正確性和權威性。另一方面，近年來，由于大學自身教師隊伍的發(fā)展，學校引進了不少中青年教師，這些教師的教學能力水平也決定了學生培養(yǎng)的質量。年輕教師，在結合傳統(tǒng)教學模式優(yōu)點的同時，揚長避短，發(fā)揮他們的科研上的優(yōu)勢，將科研融入教學，形成自己的教學風格和特點，也是培養(yǎng)高素質人才的關鍵。

在眾多新的教學模式下，研究性教學模式是其中一種。研究性教學模式是一種新的教學理論和模式，該理論最早于1961年由美國施瓦布教授提出，美國心理學家加涅進行論證，繼而被倡導和推廣。目的是培養(yǎng)學生逐步形成一種現(xiàn)代的學習觀。這種教學模式強調學習者的主動探究和親身體驗，同時，教師的角色也發(fā)生了改變，其主要職能是依據(jù)教學大綱設計學習情境和學習途徑，簡言之，研究性教學指的是在教師的指導下，學生用類似科學研究的方式，主動的獲取知識，應用知識，解決問題的一種教學模式。探究性學習的最大好處就在于整個學習過程是以學生為主體，學習環(huán)境是開放性的能最大程度地調動學生的學習積極性，讓學生能自由地發(fā)揮創(chuàng)造力與動手能力。

本文以物理學專業(yè)課教學作為研究對象，對研究性教學進行探索與實踐。主要內(nèi)容有三： 第一 通過引入社會物理學實現(xiàn)德育在專業(yè)課教學中的滲透， 對學生進行價值觀教育， 做到德才并育； 第二 通過聯(lián)系生活實際， 如河南林州市“冰冰背”盛夏結冰的奇特現(xiàn)象， 使學生的專業(yè)知識得到應用， 激發(fā)學生興趣， 做到學以致用； 第三 通過介紹學科前沿背景知識， 如蛋白質中的“泛素”的作用， 引入抽象的系綜概念， 化解學習難點， 做到與時俱進。

一、從物理學中的理想模型到人類社會的理想模型——社會物理學在專業(yè)課教學中的應用

問題導入： 在物理學中有很多的“理想模型”， 同學們想一下， 有哪些？

參考答案：質點模型， 剛體模型， 理想氣體與平衡態(tài)等

質點模型：質點就是有質量但不存在體積或形狀的點，是物理學的一個理想化模型。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時，我們近似地把該物體看作是一個只具有質量而其體積、形狀可以忽略不計的理想物體，用來代替物體的有質量的點稱為質點。

剛體模型：剛體就是在運動中和受力作用后，形狀和大小不變，而且內(nèi)部各點的相對位置不變的物體。絕對剛體實際上是不存在的，只是一種理想模型，因為任何物體在受力作用后，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，在研究物體運動時變形就可以忽略不計。把許多固體視為剛體，所得到的結果在工程上一般已有足夠的準確度。

理想氣體的微觀模型：這一模型主要包括以下幾個要點： 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識最為徹底的一個熱力學模型，也幾乎是唯一個具有廣泛應用價值的能精確求出其狀態(tài)方程及所有宏觀物理性質的模型。同時，它還是許多基本熱力學物理概念的出發(fā)點。因此這是一個極其重要的熱力學微觀模型。

熱力學平衡態(tài)：理想氣體的熱力學平衡是一種動態(tài)的平衡，是一個宏觀上的概念，叫熱動平衡。在沒有外界影響的條件下，如果某個系統(tǒng)各部分的宏觀性質（如系統(tǒng)的化學成分，各物質的量，系統(tǒng)的溫度、壓力、體積、密度等等）在長時間內(nèi)不發(fā)生任何變化，則稱該系統(tǒng)處于熱力學平衡狀態(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)。

物理學中平衡態(tài)引申到人類社會實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追求的個人自由，不受約束。由此引出下面的人類社會理想模型。

自由只是一種理想，從人類社會誕生的第一天起我們就在為此而努力。然而，隨著社會的發(fā)展和進步，許多美好的愿望實際上是漸行漸遠。正如物理學理想氣體一樣，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，各個粒子之間是不自由的。

總結， 熱力學第二定律，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，社會學中解釋為人類社會發(fā)展大勢為自由與平等。 很遺憾，自從人類社會誕生至今，整個社會一直是朝著不平等、不自由和更嚴重的兩極分化發(fā)展，社會財富總是朝少數(shù)人集中。整個人類社會的發(fā)展，生物的進化是與之相反的，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。

二、以節(jié)流原理為例， 分析“冰冰背”的成因， 做到學以致用

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，此處嚴冬水溫氣暖，盛夏水寒結冰。冰冰背，結冰面積約6平方米左右。每年冬去春來，百草復生之際（正值陽春三月），此處開始結冰，結冰時間長達五個月之久。到八月中秋以后，似有涼意之時，這里的冰凍開始融化。冰期最盛之時，恰好是盛夏季節(jié)，揮汗如雨的伏天，一踏進這塊寶地，立即寒氣襲人，冷氣刺骨。然而到了隆冬時節(jié)，此處卻出現(xiàn)了涓涓細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。令人感到時令之顛倒，是被古人稱之為“冬時夏令顛倒顛”的避暑勝地。由于洞在山的陰坡上，當?shù)厝肆晳T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)

當壓強較高的氣體通過多孔塞流到壓強較低的一邊時氣溫下降的現(xiàn)象稱焦耳-湯姆遜效應，這種現(xiàn)象叫節(jié)流降溫法，在一定的壓強降落下， 溫度越底所獲得的溫度降落越大， 同時利用節(jié)流過程降溫的氣體溫度必須低于反轉溫度，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：該地區(qū)位于背斜軸部西側，由于地殼隆起，底層以張性斷裂為主，近地表為遠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。破碎巖層結構構造類似多孔塞，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性氣候，大部分地區(qū)冬夏風向更替明顯。冬季盛行偏北風，夏季多吹偏南風。

4.分析節(jié)流模式

由前面對“冰冰背”地形、地質及氣候的分析，滿足節(jié)流降溫的條件，節(jié)流模式如下圖所示。夏季到來，暖濕的東南風經(jīng)過華北平原到達太行山麓，一部分氣流由山麓進入破碎帶經(jīng)多級節(jié)流溫度降低，水汽逐漸凝結并隨氣流到達“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“冰冰背”。有興趣的同學可以通過假期去“冰冰背”做實地考察。

三、蛋白質中泛素，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)計理論是基于理想模型——即近獨立系統(tǒng)（粒子之間沒有強的相互作用， 系統(tǒng)的能量等于每個微觀粒子能量之和， 每個粒子在空間中為一個點， 具有統(tǒng)計獨立性. 現(xiàn)在問， 大多數(shù)情況下，實際情形是怎樣的呢？請看以下例子：泛素（Ubiquitin）結構圖

泛素是一個由76個氨基酸組成的高度保守的多肽鏈。從泛素結構圖可以看到， 所有的氧原子用紅色表示， 碳原子以天藍色表示（碳原子所連的鍵也是天藍色， 所以整個蛋白骨架為天藍色）， 硫原子以黃色表示，注意到?jīng)]有出現(xiàn)氫原子，這是因為此結構是由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）。粒子除具有獨立的動能外， 還有相互作用勢能， 這樣任何一個微觀粒子的狀態(tài)發(fā)生變化， 都會影響其他粒子的運動狀態(tài)。這時某個粒子具有確定能量和動量的說法已經(jīng)含糊不清， 因為它受到周圍粒子的影響， 結果粒子不能從整個系統(tǒng)中分離出來。因此我們必須引入新的概念和理論來統(tǒng)計系統(tǒng)的宏觀性質， 即系綜理論。

系綜（ensemble）概念： 在一定的宏觀條件下，大量性質和結構完全相同的、處于各種運動狀態(tài)的、各自獨立的系統(tǒng)的集合。

由于圖2是實驗觀測的結果，存在誤差，為了得到更真實的結構，我們可以通過分子動力學模擬，采用統(tǒng)計系綜的方法，得到更真實的泛素結構（如圖3）。

四、結論

以熱力學與統(tǒng)計物理專業(yè)課教學為研究對象，對物理學專業(yè)課研究性教學進行探索與實踐。首先， 我們通過引入社會物理學實現(xiàn)了德育在專業(yè)課教學中的滲透， 指出當今我們社會的理想模型就是熱力學中理想氣體的平衡態(tài)；中庸的理想狀態(tài)很難實現(xiàn)，但是如果知道熱力學第二定律，就可以理解“天人合一”的思想； 其次， 通過學習節(jié)流原理，在課堂上分析河南林州市“冰冰背”盛夏結冰， 冬季冒熱氣的奇特現(xiàn)象， 讓學生的專業(yè)知識得到應用， 激發(fā)學生興趣， 做到學以致用； 第三，通過介紹蛋白質中泛素的結構， 引入抽象的系綜概念， 通過引入分子模擬， 了解統(tǒng)計系綜的方法， 化解學習難點， 做到與時俱進。

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[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：物理學專業(yè)課教學及科研工作。