高校物理专业课研究性教学的探索与实践

【摘要】当今高校物理学专业课面临教材陈旧、教学僵化的问题。为适应时代要求，加快知识更新，本文以热力学与统计物理专业课教学为研究对象，对物理学专业课研究性教学进行探索与实践。主要内容有三： 第一，通过引入社会物理学实现德育在专业课教学中的渗透， 对学生进行价值观教育， 做到德才并育； 第二，通过联系生活实际， 如河南林州市“冰冰背”盛夏结冰的奇特现象， 使学生的专业知识得到应用， 激发学生兴趣， 做到学以致用； 第三，通过介绍学科前沿背景知识， 如蛋白质中的“泛素”的作用， 引入抽象的系综概念， 化解学习难点， 做到与时俱进。

【关键词】研究性教学 社会物理学 节流原理 系综

【基金项目】本文系2015年度广西高等教育本科教学改革项目（项目号： 2015JGA282）。

【中图分类号】G65【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）19-0157-02

近几年来，我国对高等教育提出了新的培养目标：培养具有全面素质和创新能力的人才，教育迫切需要构建创新人才培养体系，教师必须树立以学生发展为本的教育理论，采用有效的方式和手段，为学生提供学习的条件和机会，创设情境，让学生学会思考和探索。

但传统大学物理专业课采用的教学模式，仍在强调教师在教学过程中的主导作用，忽视学生的主体参与，注重知识的传授，缺少过程方法的教学过程，强调教材、课本内容在学生知识经验中占据的强势地位，强调教材、书本知识的绝对正确性和权威性。另一方面，近年来，由于大学自身教师队伍的发展，学校引进了不少中青年教师，这些教师的教学能力水平也决定了学生培养的质量。年轻教师，在结合传统教学模式优点的同时，扬长避短，发挥他们的科研上的优势，将科研融入教学，形成自己的教学风格和特点，也是培养高素质人才的关键。

在众多新的教学模式下，研究性教学模式是其中一种。研究性教学模式是一种新的教学理论和模式，该理论最早于1961年由美国施瓦布教授提出，美国心理学家加涅进行论证，继而被倡导和推广。目的是培养学生逐步形成一种现代的学习观。这种教学模式强调学习者的主动探究和亲身体验，同时，教师的角色也发生了改变，其主要职能是依据教学大纲设计学习情境和学习途径，简言之，研究性教学指的是在教师的指导下，学生用类似科学研究的方式，主动的获取知识，应用知识，解决问题的一种教学模式。探究性学习的最大好处就在于整个学习过程是以学生为主体，学习环境是开放性的能最大程度地调动学生的学习积极性，让学生能自由地发挥创造力与动手能力。

本文以物理学专业课教学作为研究对象，对研究性教学进行探索与实践。主要内容有三： 第一 通过引入社会物理学实现德育在专业课教学中的渗透， 对学生进行价值观教育， 做到德才并育； 第二 通过联系生活实际， 如河南林州市“冰冰背”盛夏结冰的奇特现象， 使学生的专业知识得到应用， 激发学生兴趣， 做到学以致用； 第三 通过介绍学科前沿背景知识， 如蛋白质中的“泛素”的作用， 引入抽象的系综概念， 化解学习难点， 做到与时俱进。

一、从物理学中的理想模型到人类社会的理想模型——社会物理学在专业课教学中的应用

问题导入： 在物理学中有很多的“理想模型”， 同学们想一下， 有哪些？

参考答案：质点模型， 刚体模型， 理想气体与平衡态等

质点模型：质点就是有质量但不存在体积或形状的点，是物理学的一个理想化模型。对物体的大小和形状不起作用，或者所起的作用并不显著而可以忽略不计时，我们近似地把该物体看作是一个只具有质量而其体积、形状可以忽略不计的理想物体，用来代替物体的有质量的点称为质点。

刚体模型：刚体就是在运动中和受力作用后，形状和大小不变，而且内部各点的相对位置不变的物体。绝对刚体实际上是不存在的，只是一种理想模型，因为任何物体在受力作用后，都或多或少地变形，如果变形的程度相对于物体本身几何尺寸来说极为微小，在研究物体运动时变形就可以忽略不计。把许多固体视为刚体，所得到的结果在工程上一般已有足够的准确度。

理想气体的微观模型：这一模型主要包括以下几个要点： ①分子本身的大小与平均距离相比可以忽略。 ②除了短暂的碰撞，分子间的相互作用可以忽略。 ③分子间的碰撞为弹性。 这一模型虽然简单，却是人们至今为止认识最为彻底的一个热力学模型，也几乎是唯一个具有广泛应用价值的能精确求出其状态方程及所有宏观物理性质的模型。同时，它还是许多基本热力学物理概念的出发点。因此这是一个极其重要的热力学微观模型。

热力学平衡态：理想气体的热力学平衡是一种动态的平衡，是一个宏观上的概念，叫热动平衡。在没有外界影响的条件下，如果某个系统各部分的宏观性质（如系统的化学成分，各物质的量，系统的温度、压力、体积、密度等等）在长时间内不发生任何变化，则称该系统处于热力学平衡状态。不受外界影响的任何系统，总是单向地趋向平衡状态。

物理学中平衡态引申到人类社会实际上就是平等的思想，理想气体中分子没有相互作用势能反映出人类社会追求的个人自由，不受约束。由此引出下面的人类社会理想模型。

自由只是一种理想，从人类社会诞生的第一天起我们就在为此而努力。然而，随着社会的发展和进步，许多美好的愿望实际上是渐行渐远。正如物理学理想气体一样，看不见，摸不着。我们接触到大多数物体，都是相对稳定，存在相互作用势能，各个粒子之间是不自由的。

总结， 热力学第二定律，简单地解释为不受外界影响的任何系统，总是单向地趋向平衡状态，由于我们现在还没有找到反例，可以把它看成是天下大势，及大趋势，社会学中解释为人类社会发展大势为自由与平等。 很遗憾，自从人类社会诞生至今，整个社会一直是朝着不平等、不自由和更嚴重的两极分化发展，社会财富总是朝少数人集中。整个人类社会的发展，生物的进化是与之相反的，及从无序向有序演化。因此世间万物难逃灭亡与灭绝，这就是维持有序的代价。

二、以节流原理为例， 分析“冰冰背”的成因， 做到学以致用

1.提出问题：

冰冰背在河南省安阳市林州市石板岩乡西北部，此处严冬水温气暖，盛夏水寒结冰。冰冰背，结冰面积约6平方米左右。每年冬去春来，百草复生之际（正值阳春三月），此处开始结冰，结冰时间长达五个月之久。到八月中秋以后，似有凉意之时，这里的冰冻开始融化。冰期最盛之时，恰好是盛夏季节，挥汗如雨的伏天，一踏进这块宝地，立即寒气袭人，冷气刺骨。然而到了隆冬时节，此处却出现了涓涓细流从石缝中缓缓流出的景象，热气蒸腾，泉水温和，沿溪水草繁茂，致使附近的桃树提前萌芽、开花。令人感到时令之颠倒，是被古人称之为“冬时夏令颠倒颠”的避暑胜地。由于洞在山的阴坡上，当地人习惯把山阴称为“背”，所以叫冰冰背。大家想一想， 其原因何在？

2.先看看节流原理，是否有所启发

当压强较高的气体通过多孔塞流到压强较低的一边时气温下降的现象称焦耳-汤姆逊效应，这种现象叫节流降温法，在一定的压强降落下， 温度越底所获得的温度降落越大， 同时利用节流过程降温的气体温度必须低于反转温度，要满足节流制冷，有哪些条件呢？

3.分析太行山地形、地质及气候条件

地形：太行山位于山西省与华北平原之间，呈东北—西南走向，绵延数400余公里。

地质：该地区位于背斜轴部西侧，由于地壳隆起，底层以张性断裂为主，近地表为远古界较厚的脆性石英岩，在地貌上形成张性断裂谷，垂直短距不大。该区的断层是与石板岩大断层近于垂直的次级断层，北西走向。位于断层带的“冰冰背”石头岩破碎，让岩洞内可以充满气体。破碎岩层结构构造类似多孔塞，为节流制冷提供了多孔塞这一必要条件。

气候：河南省林州市属大陆季风性气候，大部分地区冬夏风向更替明显。冬季盛行偏北风，夏季多吹偏南风。

4.分析节流模式

由前面对“冰冰背”地形、地质及气候的分析，满足节流降温的条件，节流模式如下图所示。夏季到来，暖湿的东南风经过华北平原到达太行山麓，一部分气流由山麓进入破碎带经多级节流温度降低，水汽逐渐凝结并随气流到达“冰冰背”，另一部分气流沿山坡上升，温度降低，形成水汽，在地势较高处经破碎带节流到达“冰冰背”。有兴趣的同学可以通过假期去“冰冰背”做实地考察。

三、蛋白质中泛素，粒子之间的相互作用与系综理论

热统课第九章以前所讲的统计理论是基于理想模型——即近独立系统（粒子之间没有强的相互作用， 系统的能量等于每个微观粒子能量之和， 每个粒子在空间中为一个点， 具有统计独立性. 现在问， 大多数情况下，实际情形是怎样的呢？请看以下例子：泛素（Ubiquitin）结构图

泛素是一个由76个氨基酸组成的高度保守的多肽链。从泛素结构图可以看到， 所有的氧原子用红色表示， 碳原子以天蓝色表示（碳原子所连的键也是天蓝色， 所以整个蛋白骨架为天蓝色）， 硫原子以黄色表示，注意到没有出现氢原子，这是因为此结构是由X射线晶体衍射得来的，而X射线衍射一般得不到氢原子的精确位置。

由泛素的例子可知， 实际上我们生活中所见大多数物体都是相对稳定的，系统中粒子存在相互作用， 是不自由的（如泛素）。粒子除具有独立的动能外， 还有相互作用势能， 这样任何一个微观粒子的状态发生变化， 都会影响其他粒子的运动状态。这时某个粒子具有确定能量和动量的说法已经含糊不清， 因为它受到周围粒子的影响， 结果粒子不能从整个系统中分离出来。因此我们必须引入新的概念和理论来统计系统的宏观性质， 即系综理论。

系综（ensemble）概念： 在一定的宏观条件下，大量性质和结构完全相同的、处于各种运动状态的、各自独立的系统的集合。

由于图2是实验观测的结果，存在误差，为了得到更真实的结构，我们可以通过分子动力学模拟，采用统计系综的方法，得到更真实的泛素结构（如图3）。

四、结论

以热力学与统计物理专业课教学为研究对象，对物理学专业课研究性教学进行探索与实践。首先， 我们通过引入社会物理学实现了德育在专业课教学中的渗透， 指出当今我们社会的理想模型就是热力学中理想气体的平衡态；中庸的理想状态很难实现，但是如果知道热力学第二定律，就可以理解“天人合一”的思想； 其次， 通过学习节流原理，在课堂上分析河南林州市“冰冰背”盛夏结冰， 冬季冒热气的奇特现象， 让学生的专业知识得到应用， 激发学生兴趣， 做到学以致用； 第三，通过介绍蛋白质中泛素的结构， 引入抽象的系综概念， 通过引入分子模拟， 了解统计系综的方法， 化解学习难点， 做到与时俱进。

参考文献：

[1]李元杰，陆果. 大学物理学（第二版）[M]. 北京：高等教育出版社，2008.

[2]周晓琴，硕士论文，大学物理探究性学习教学方式的研究，2006.

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[5]段志刚，大学物理探究性教学设计策略及方法[J]， 物理与工程， 2012，（22）.

[6]黄自谦， 浅谈物理与人生之天道向左，人道向右[J]， 广西师范学院学报，2012.

[7]黄自谦，从节流原理看“冰冰背”的形成[J]，廣西物理，2012.

作者简介：

黄自谦（1972-），男，博士，湖南汩罗人，副教授，研究方向：物理学专业课教学及科研工作。

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