對“現代物理專題”課程的思考*

趙斌 胡珺玥

(臺州學院電子與信息工程學院 浙江 臺州 318000)

鄭攸君

(臺州市教育局 浙江 臺州 318000)

1 課程基本情況

“現代物理專題”是一門針對科教專業學生的物理科研前沿的講座類課程，該課程由若干個教師依次上課，講述各自物理領域內的最新進展．在科教專業學生的第二個學期授課，共16周32個課時，2個學分．

1.1 課程的目標與要求

根據學校培養科教專業大學生的要求，該專業的畢業生主要服務于中小學科教課程的教學，因此，所學課程比較廣泛，物理化學甚至生物專業的課程都有設置．與純物理系學生不同的是，科教專業學生只需要學習力學、熱學、電磁學、光學和原子物理5門基礎物理課程，不需要學習量子物理、統計物理、理論力學和電動力學四大力學．出于方便的考慮，如果我們用“長寬高”來衡量科教專業學生的專業知識以及科學素養， “長”表示學習課程的前沿性，“寬”代表學習課程的廣泛性，“高”象征學習課程的深刻或者高度性[1]．顯然，這樣的課程會導致科教專業學生的物理高度不夠，對現代的物理關心以及研究的問題不夠了解，會對物理這門科學產生一定的距離感．因此，學校設置該專業選修課程基于以下3個原因：

(1)使學生對物理這門學科的整體性有更深的理解；

(2)提高學生對學習物理的興趣與熱情；

(3)增加科教專業學生對物理研究前沿的了解．

1.2 課程的授課內容與形式

考慮到每個專題的授課教師講授的范圍內容并不相同，因此授課的模式也并不統一．由此就以筆者講授的內容為例，介紹下“現代物理專題”課程主要涵蓋的內容．筆者主講的題目是“嵌段共聚物自組裝的自洽場理論研究”，題目里面包含了3個關鍵詞，分別是嵌段共聚物、自組裝以及自洽場理論．首先，說明嵌段共聚物是一種物質，從物質對力以及熱的響應來分類，可分為軟物質以及硬物質．舉例來講，平時嚼的口香糖，很容易在力的作用下變形，是一種軟物質，而上課時坐的椅子，很難變形，屬于硬物質．嵌段共聚物是眾多軟物質的一種，平時生活中經常用到的橡膠塑料等材料就是由該類材料形成的．接下來，從歷史發展的角度來說明軟物質發展的歷史，并說明嵌段共聚物是軟物質材料的一個重要分支．其次，介紹研究方法，說明在軟物質研究的整個過程中，涌現出來的實驗研究方法，如小角X射線散射(small-angle X-ray scattering，SAXS)、透射電子顯微鏡(transmission electron microscopy,TEM),并介紹了在實驗方向做出出色科研成果的科研組織，如明尼蘇達大學的Frank Bates教授以及名古屋大學的Yushu Matsushita教授課題組等,介紹他們在嵌段共聚物自組裝方面的重要發現，例如發現復雜球狀相晶體、類準晶結構等[2,3]；而在嵌段共聚物的自組裝理論模擬研究方面，主要的理論模擬方法有自洽場理論研究(self-consistent field theory,SCFT)[4,5]、蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)模擬方法[6], 以及耗散動力學研究(dissipative particle dynamics，DPD)[7]．本專題里重點介紹下自洽場理論研究方法，該方法在研究嵌段共聚物的自組裝方面有諸多優勢，如可以精確地計算介觀結構的穩定性，以及分析嵌段共聚物自組裝形成的介觀結構中鏈段的分布情況．隨后，介紹下對該方法做出杰出的科研工作，包括加州大學的Glenn H.Fredrickson教授[8]、雷丁大學的M.W.Matsen教授[9]，以及復旦大學的李衛華教授等做出的研究工作[10,11]，說明在高分子物理科學的前沿，國內的科學家同樣做出了杰出的貢獻并占據一席之地, 該專題結構由圖1所示．相較于實驗研究，理論模擬研究的重要性體現在解釋實驗結果以及實驗預測方面，因此在本專題里，圍繞著理論模擬研究功能的兩個方面，舉例說明．(1)在嵌段共聚物自組裝研究早期，實驗上觀測的雙連通結構難以分辨是double-diamond (D)結構還是gyroid (G)結構，在實驗上證實G結構穩定后，正是自洽場理論計算證實了G結構的自由能比D結構的自由能低，即G結構比D結構穩定[12]；2010年在實驗上觀測到的由多嵌段共聚物自組裝形成的Frank-Kasper復雜球狀相，形成原因直到2014年才被自洽場理論揭示[13]．(2)在2018年，自洽場理論研究預測ABAB四嵌段共聚物在升溫的條件下可以實現由C6到L結構的相轉變的反常相行為[14]，該理論預測在2019年被韓國浦項科技大學實驗課題組證實[15]．在2021年，自洽場理論與實驗合作研究發現，PS-b-PI-b-PS-b-P2VP四嵌段共聚物可以自組裝形成類似于DNA的雙螺旋結構[16]．自洽場理論研究的功能如圖2所示．

圖1 關于嵌段共聚物自組裝自洽場理論研究的結構示意圖

圖2 關于自洽場理論研究的兩個重要功能示意圖

緊接著陳述在未來的科技中，嵌段共聚物自組裝研究的諸多潛在運用(圖3)．例如，近年來，機器學習迅速發展，如何將嵌段共聚物自組裝的理論研究與機器學習結合起來，就是一個十分有趣的科學問題[17];2021年nature雜志上面的一篇研究報道，通過聚合物制備出了可以智能充電的穿戴設備，如何利用有效的理論方法預測穿戴設備的電學性能，是一個迫待解決的科學問題[18]；如何在工業界制備更小尺度的納米器件是一個迫切需要解決的實際問題，相較于實驗上通過合成各種結構以及類型的嵌段共聚物來制備熱力學穩定的介觀尺寸的結構——“正向解決問題”的方案；根據嵌段共聚物自組裝的機理以及需要制備的目標結構，通過自洽場理論設計出嵌段共聚物分子結構——“反向解決問題”，是一個十分重要的解決方案[19]；生物醫療是目前物理、化學以及生物交叉科學研究的熱點，如何模擬藥物通過生物(細胞)膜的過程，為藥物設計提供理論指導也同樣是一個十分重要的民生以及科學問題[20]．

圖3 關于自洽場理論研究的潛在應用示意圖

“現代物理專題”課程是以專題的形式呈現給學生的，因此相較于傳統的授課形式，該課程的授課形式比較自由，主要以通過PPT展示專題的內容為主，適當的視頻展示，以及時常與學生有積極的互動討論，讓學生思考感受科學發現的曲折與樂趣．講到嵌段共聚物這類軟物質的科學發展，自然會跟學生分享在軟物質科學發展中做出杰出貢獻的人物及其事跡，例如大家熟知的偉大物理學家Einstein，除了廣為人知的相對論方面的貢獻，他在博士論文中研究液體中膠體粒子的無規則運動也做出了杰出的貢獻，而這方面的研究就屬于軟物質科學的范圍；德國高分子科學家Staudinger，在當時提出大分子的線性鏈的學說時，受到當時科學界的強烈反對，然而他不畏權威堅持己見，最終獲得了諾貝爾獎．當然值得指出是，如果學生有進一步學習高分子物理的興趣，我們也會推薦國內外該領域比較權威的圖書，如圖4所示，供學生學習參考．

圖4 高分子物理學習參考書

1.3 課程的考核方式

課程考核是考查學生掌握知識程度的必要手段，也反映了教師的授課水準．鑒于該課程的目的是擴展科教專業學生對物理這門學科的認識，提高學生學習物理的樂趣與熱情，因此該課程主要考核學生理解和分析物理等自然科學問題的能力．本選修課的期末成績主要由課堂表現、課程論文以及分組演講PPT科學進展這3部分成績組成．設置課堂表現成績，是為了提高學生的上課表現，以及課堂的專注程度．設置課程論文，其實也就是讓學生對該課程做一個課程總結，總結對這門課程的理解以及對自己的影響，并從自己的角度對該課程提出自己的想法以及改進的意見．考核方式里面最后一項分組演講PPT科學進展的目的，則是考驗學生做科學調研的基本科學素養，不求面面俱到，展示出所調研課題的部分發展歷程以及進展即可．

2 不足與思考

人無完人金無足赤，對于上課的教師來說，也同樣適用．同時，我們也需要承認，每個教師的風格不同，很難用一種一刀切的方法來判斷講課的質量．對于本專題課程，筆者認為，適合學生的方法以及內容才是最重要的，這就體現了因材施教的重要性．筆者認為以下3點需要改進：

第一點，讓科教專業學生羅列出若干個最想學習的物理前沿課題，讓相關的教師準備相關課題，這樣做不僅考慮了學生的興趣點，還兼顧了授課教師的業務能力范圍.

第二點，減少講課過程中理論推導或者計算推演的比重，過多的公式以及計算推演會增加聽課的難度，容易打擊學生的熱情以及積極性，不符合該課程的教學目的．

第三點，根據教育部提倡的在教學過程中滲透課程思政，結合“現代物理專題”是一門涵蓋豐富的課程，在課堂中結合祖國的繁榮強盛帶來的科學技術的發展，如墨子號的發射等，可以提升學生的民族自信心，以及從事科研工作進而推動國家繁榮昌盛的使命感．

當然，這門課程的不足之處可能還有很多，相信在物理同仁的共同努力以及跟學生的廣泛溝通交流中，“現代物理專題”這門選修課程必將取得長足的進步．

3 結束語

經過物理系同仁10多年的不懈堅持和努力，“現代物理專題”課程已經確立了一套相對完整的教學體系，同時也在授課方式和考核方法上形成了自己的一套風格和特色．“現代物理專題”課程對激發和培養學生們學習物理前沿的興趣和熱情，起到了十分積極的作用．未來我們物理系的教師還將堅持這種授課方式，擴充課程內容，豐富教學手段，提升教學效果，為把“現代物理專題”建設成臺州學院的特色課程而努力！