物理科研在大學物理教學中的融入

曹榮幸 趙新麗

[摘? ? ? ? ? ?要]? 大學物理是高等院校中理科、工科、農科、醫科等眾多專業的必修基礎課程，對于開展各學科的后續課程學習以及培養學生科學素養的重要性不言而喻。然而，大學物理的知識點眾多，理論性很強，很多應用舉例偏離生活實際且比較陳舊，使學生覺得物理學枯燥難懂，與自己學科方向相差甚遠，進而失去了學習興趣。結合自身教學實例，將實際科研中用到的固體核磁共振等研究蘊含的物理學知識融入平時的大學物理教學中，給學生展示書本知識與前沿科研的有機結合，激發學生學習的興趣，提高了大學物理的教學質量和學生的科學素養。

[關? ? 鍵? ?詞]? 物理科研;大學物理教學;融入

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

物理學作為一門研究物質結構、運動形式及相互作用規律的科學，從最初的研究力學規律到研究熱現象，再到電磁、光學等，構建起了經典物理學的框架。20世紀初，相對論和量子力學的發展，產生了近代物理學。這些物理學的發展，直接催生了人類歷史上的三次工業革命，極大地推動了人類文明的進程。時至今日，物理學依然在材料、能源、信息等各個領域不斷探索，不斷有新的發現，拓寬人們對物質世界的認知，造福人類生活。由此可見，在培養高素質人才的高等教育中，物理學知識是很多學科專業課程的重要基石，對學生學習后續專業課以及培養他們的正確世界觀和科學素養十分重要，這也是在高等院校理科、工科、農科、醫科等眾多學科中開設大學物理作為必修基礎課程的重要原因。

然而，大學物理教學存在一些問題，主要表現為：（1）大學物理課程涉及的知識點眾多，包含了力、熱、電、光、相對論、量子力學等多個分支，理論性很強，并且課時大量壓縮，通常需要在一學期或一個半學期內學完。（2）教材中很多原理、定理之后的應用舉例采用了比較理想化模型，偏離生活實際，并且有些比較陳舊，如今的科技、工業中已經不再使用。這些因素使學生覺得大學物理知識枯燥難懂，對自己以后所學專業以及從事工作不重要，進而失去了學習興趣，學生對物理的學習往往是死記硬背，純粹是應付考試、拿學分，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著教學和科研兩大任務，有的教師比較重視與職稱晉升關系更緊密的科研，在教學方面投入的精力有限;或者有的教師以教學為主，幾乎不搞科研。教學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，會對學生學習和教師自身發展兩方面造成不良影響。書本知識陳舊，教學和科研兩者逐漸分離，使學生感受不到物理學書本知識在實際生活和科研中的運用，失去學習興趣和動力，因此影響了大學物理教學質量。

本文中筆者結合自身教學實例，將實際科研中用到的固體核磁共振等研究蘊含的物理知識和研究方法，融入日常的大學物理教學中，給學生展示書本知識與前沿科研的有機結合，激發學生學習的興趣，提高了大學物理的教學質量和學生的科學素養，同時也提高了教師的教學和科研業務水平。下面主要探討如何將科研融入大學物理教學以及科研融入后的優點等方面的問題。

一、科研在大學物理教學中融入的形式舉例

筆者在日常的大學物理教學中，首先給學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，并且明確告訴學生今后課程學習到的知識點與該科研設備原理或研究內容相關時，會進行關聯性拓展。“核磁共振”這一名詞，大家一般都在醫療領域聽說過，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，可以引起學生的注意力和興趣，引導學生通過認真學習大學物理各個知識點，進而明白核磁共振的工作原理。當然，這里只是舉例了筆者從事和熟悉的這一科研領域，其他不同的研究方向，簡單發掘一下，都可以找出類似的例子。

在大學物理課程中學習到電、磁學部分時，引出核磁共振設備系統中非常重要的一個物理量，即磁場。教材里通過畢奧-薩伐爾定律推導了單匝載流圓形導線中心處的磁感應強度是正比于電流的，在設備中正是在超導圓形線圈中通很高的電流（最高可達120A），這是一個遠大于日常電器額定電流的數值，從而在中心處產生很強的磁感應強度（最高可達16T）。這里，關于電流部分，可以讓學生計算一下：如果是同樣尺寸的銅或者金導線，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？再對比實際使用的超導線圈，由于是超導材料，電阻為零，因此通大電流提供強磁場時，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。通過這樣的對比，學生了解到科研設備中是如何獲得強磁場的，以及超導材料在能源領域的巨大優勢。此時，可以拋出一個思考題，就是教材里在介紹磁感應強度大小和單位時，提到T是一個非常大的磁感應強度單位，地球表面的磁場大約是5e～5T，為何核磁共振設備需要超導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中能級躍遷的知識，也可以在講到量子力學章節部分時加以分析。當學生明白了強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院進行核磁共振檢查時，身上是不能攜帶任何金屬物品的，這是因為在如此強大的磁場下，大部分金屬都會被磁化，和超導磁鐵之間產生強大的吸引力，導致金屬物品像炮彈一樣射向磁鐵設備造成嚴重破壞。需要說明的是，筆者科研使用的固體核磁共振設備和醫院使用的核磁共振在磁場強度、磁場掃描、脈沖序列等方面略有區別，但是物理原理是相同的，在教學中結合物理科研設備和人們日常生活中遇到的醫療設備，可以引起學生的求知欲，幫助學生更好地理解相關原理。

此外，在學習到電磁感應章節時，可以融入核磁共振技術的核心原理，即為何它能在物理學中研究物質結構、超導等相變，能在化學、生物領域分析結構及其變化，能在醫療領域辨別病變組織。這一系列的實際應用問題能引起學生的興趣，促使他們認真學習與之相關的電磁感應原理。通過書本知識學習、課后調研、教師結合科研的延拓，最終讓學生明白核磁共振的關鍵首先是依靠在第二個線圈中通交變電流產生橫向交變磁場，其頻率與探測樣品中某一種原子核的拉莫爾頻率一致，使原子核磁矩產生驅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，關閉橫向交變磁場，原本共振的核磁矩會在周圍化學環境的作用下弛豫，也就是振動幅度越來越小，本質上就是大學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，即通過電磁感應原理產生感應電流，被外部的儀器探測到。這個感應電流幅值的衰減速率，對應弛豫時間，和所探測的原子核周圍的環境息息相關，而物理研究中某種材料發生了結構、超導等相變時核周圍環境會變化，生物體組織病變后氫核周圍環境也會變化，所以核磁共振在諸多領域被廣泛應用。

核磁共振設備和相關研究內容是一個強有力且復雜的體系，除了以上幾點可以融入大學物理教學中，還有很多與物理學書本知識相關的方面。例如與電容電感LC振蕩電路相關的核磁共振探桿電路固有頻率、與熱學中絕熱膨脹相關的極低溫（2K）樣品溫度環境的獲得、與光的衍射相關的利用X射線衍射儀探測固體樣品晶體結構等諸多方面，由于篇幅原因就不再一一贅述。通過大學物理知識的課堂學習、穿插其中的科研舉例以及學生課后調研和教師課堂總結，最終使學生掌握相關知識和實際應用，達到活學活用、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域，與對應的大學物理知識相結合，希望起到拋磚引玉的作用，最終讓學生每學到一個知識點都能了解它在生活、科研中的應用，拓寬視野。

二、科研融入帶來的好處

（一）提高學生學習興趣，拓寬學生視野

通過在大學物理教學中學習到某些知識點時，拓展與該知識點相關聯的科研設備原理或研究內容，引導學生去思考和調研相關知識內容，筆者發現課堂上學生的學習積極性提高了，學生不再像以往那樣只是面對著枯燥乏味的物理定理、數學公式以及一些假想、空洞的例子，他們實實在在地感受到了每一個書本上的知識，都是與日常生活、科學研究、工業生產等方面緊密聯系，是有很強的應用性。都說興趣是最好的老師，當學生在課堂上學到某個定律，緊接著聽到教師講述這個知識點在科學研究方面的應用，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用、很有趣。即使非物理專業的學生，也能在教學、科研相融合中受益，例如醫學、農學專業學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手，因此他們會更加主動地去掌握好這個知識點，以便自己能在以后的科研、工作中更好地應用它。科研的融入也會使知識點更加豐滿、立體化，學生可以結合實例更好地記憶相關結論，也許若干年后他們忘記了通電圓形線圈中心產生磁感應強度的具體數學表達式，但是通過與超導線圈的聯系，他們至少記住了磁感應強度與電流成正比這一結論，要想獲得高磁場就需要大電流，因此需要超導材料。另外，教材中部分例子比較陳舊，如今的科技、工業中已經不再使用。物理科研從事的內容一般都是前沿的最新進展，在教學中融入科研內容，可以使學生拓寬視野，增長見識，激發他們的求知欲，使他們了解到這些前沿領域背后的原理其實大部分都是書本知識點及其延展，也能提高學生學好大學物理的熱情和決心。

（二）改變學生思維方式，培養創新能力

在大學物理教學中融入物理科研內容，讓學生在課堂上學習完知識點后，結合教師提出的某個科研前沿概念、話題，在課后做一些調研，通過查閱文獻、網絡資源等方式嘗試自己解決這些開放問題，培養和鍛煉學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習模式，轉變為主動調研、思考、嘗試自己解決問題的模式。通過科研在教學中的融入，也會讓學生認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甚至完全棄用，培養學生敢于質疑、不斷探索的科學精神。例如教科書電磁學部分必然講到的霍爾效應內容，在科研中正是不斷拓展到磁性材料、強自旋軌道耦合材料中，才有了今天火熱的自旋霍爾效應、量子自旋霍爾效應等新發現，有望實現低能耗的自旋信息傳輸。物理知識在科研儀器和研究內容中的應用，是對該知識的直觀展示，在開闊學生視野的同時，更能啟發學生去思考這些知識點能否用在別的領域，改變現有儀器的不足，從其他角度研究問題或結合多種效應研究問題，培養學生的創新能力。

（三）提高教師教學和科研業務水平

教師在大學物理教學中融入前沿的物理科研內容，對自身也有很大的促進作用。這樣，教師會不斷地學習前沿領域知識，了解物理學發展的最新進展，與時俱進，完善自身知識儲備，從中挑選合適的內容用于日常教學中。這樣的融入豐富了課堂教學內容，提高了教師的課程教學質量，逐漸地使教師的教學水平提高到一個新的高度，同時教師對相關知識點理解得更加深刻。另一方面，在課堂上講述前沿科研內容，無論這一內容是調研他人成果還是自己所從事的，本質上都是一種學術報告過程，在準備時可以推敲、審視一下自己的研究目的、邏輯思路、結論等方面正確與否，在與學生交流討論時，他們的疑問可以幫助教師以更適合學生的角度去講解這些前沿話題，改善自己的教學方法。此外，學生在課堂上聽了相關科研前沿的介紹后，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習前沿學術信息，集思廣益，啟發教師的靈感和產生新的科研想法。

三、結語

綜上所述，筆者在日常的大學物理教學中，融入自身科研涉及的儀器設備和科研內容中的物理學知識，給學生展示了書本知識并不枯燥乏味，而是與前沿科研、科技發展緊密聯系、息息相關的，不僅激發了學生學習的興趣，調動了學習的主動性，而且有利于鍛煉他們面對難題時的科學研究方法，培養創新能力，同時對教師自身的教學和科研業務水平也有很大的促進作用，最終有助于實現大學物理教學質量和學生科學素養的同步提高。

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編輯 陳鮮艷