对“现代物理专题”课程的思考*

赵斌 胡珺玥

(台州学院电子与信息工程学院 浙江 台州 318000)

郑攸君

(台州市教育局 浙江 台州 318000)

1 课程基本情况

“现代物理专题”是一门针对科教专业学生的物理科研前沿的讲座类课程，该课程由若干个教师依次上课，讲述各自物理领域内的最新进展．在科教专业学生的第二个学期授课，共16周32个课时，2个学分．

1.1 课程的目标与要求

根据学校培养科教专业大学生的要求，该专业的毕业生主要服务于中小学科教课程的教学，因此，所学课程比较广泛，物理化学甚至生物专业的课程都有设置．与纯物理系学生不同的是，科教专业学生只需要学习力学、热学、电磁学、光学和原子物理5门基础物理课程，不需要学习量子物理、统计物理、理论力学和电动力学四大力学．出于方便的考虑，如果我们用“长宽高”来衡量科教专业学生的专业知识以及科学素养， “长”表示学习课程的前沿性，“宽”代表学习课程的广泛性，“高”象征学习课程的深刻或者高度性[1]．显然，这样的课程会导致科教专业学生的物理高度不够，对现代的物理关心以及研究的问题不够了解，会对物理这门科学产生一定的距离感．因此，学校设置该专业选修课程基于以下3个原因：

(1)使学生对物理这门学科的整体性有更深的理解；

(2)提高学生对学习物理的兴趣与热情；

(3)增加科教专业学生对物理研究前沿的了解．

1.2 课程的授课内容与形式

考虑到每个专题的授课教师讲授的范围内容并不相同，因此授课的模式也并不统一．由此就以笔者讲授的内容为例，介绍下“现代物理专题”课程主要涵盖的内容．笔者主讲的题目是“嵌段共聚物自组装的自洽场理论研究”，题目里面包含了3个关键词，分别是嵌段共聚物、自组装以及自洽场理论．首先，说明嵌段共聚物是一种物质，从物质对力以及热的响应来分类，可分为软物质以及硬物质．举例来讲，平时嚼的口香糖，很容易在力的作用下变形，是一种软物质，而上课时坐的椅子，很难变形，属于硬物质．嵌段共聚物是众多软物质的一种，平时生活中经常用到的橡胶塑料等材料就是由该类材料形成的．接下来，从历史发展的角度来说明软物质发展的历史，并说明嵌段共聚物是软物质材料的一个重要分支．其次，介绍研究方法，说明在软物质研究的整个过程中，涌现出来的实验研究方法，如小角X射线散射(small-angle X-ray scattering，SAXS)、透射电子显微镜(transmission electron microscopy,TEM),并介绍了在实验方向做出出色科研成果的科研组织，如明尼苏达大学的Frank Bates教授以及名古屋大学的Yushu Matsushita教授课题组等,介绍他们在嵌段共聚物自组装方面的重要发现，例如发现复杂球状相晶体、类准晶结构等[2,3]；而在嵌段共聚物的自组装理论模拟研究方面，主要的理论模拟方法有自洽场理论研究(self-consistent field theory,SCFT)[4,5]、蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)模拟方法[6], 以及耗散动力学研究(dissipative particle dynamics，DPD)[7]．本专题里重点介绍下自洽场理论研究方法，该方法在研究嵌段共聚物的自组装方面有诸多优势，如可以精确地计算介观结构的稳定性，以及分析嵌段共聚物自组装形成的介观结构中链段的分布情况．随后，介绍下对该方法做出杰出的科研工作，包括加州大学的Glenn H.Fredrickson教授[8]、雷丁大学的M.W.Matsen教授[9]，以及复旦大学的李卫华教授等做出的研究工作[10,11]，说明在高分子物理科学的前沿，国内的科学家同样做出了杰出的贡献并占据一席之地, 该专题结构由图1所示．相较于实验研究，理论模拟研究的重要性体现在解释实验结果以及实验预测方面，因此在本专题里，围绕着理论模拟研究功能的两个方面，举例说明．(1)在嵌段共聚物自组装研究早期，实验上观测的双连通结构难以分辨是double-diamond (D)结构还是gyroid (G)结构，在实验上证实G结构稳定后，正是自洽场理论计算证实了G结构的自由能比D结构的自由能低，即G结构比D结构稳定[12]；2010年在实验上观测到的由多嵌段共聚物自组装形成的Frank-Kasper复杂球状相，形成原因直到2014年才被自洽场理论揭示[13]．(2)在2018年，自洽场理论研究预测ABAB四嵌段共聚物在升温的条件下可以实现由C6到L结构的相转变的反常相行为[14]，该理论预测在2019年被韩国浦项科技大学实验课题组证实[15]．在2021年，自洽场理论与实验合作研究发现，PS-b-PI-b-PS-b-P2VP四嵌段共聚物可以自组装形成类似于DNA的双螺旋结构[16]．自洽场理论研究的功能如图2所示．

图1 关于嵌段共聚物自组装自洽场理论研究的结构示意图

图2 关于自洽场理论研究的两个重要功能示意图

紧接着陈述在未来的科技中，嵌段共聚物自组装研究的诸多潜在运用(图3)．例如，近年来，机器学习迅速发展，如何将嵌段共聚物自组装的理论研究与机器学习结合起来，就是一个十分有趣的科学问题[17];2021年nature杂志上面的一篇研究报道，通过聚合物制备出了可以智能充电的穿戴设备，如何利用有效的理论方法预测穿戴设备的电学性能，是一个迫待解决的科学问题[18]；如何在工业界制备更小尺度的纳米器件是一个迫切需要解决的实际问题，相较于实验上通过合成各种结构以及类型的嵌段共聚物来制备热力学稳定的介观尺寸的结构——“正向解决问题”的方案；根据嵌段共聚物自组装的机理以及需要制备的目标结构，通过自洽场理论设计出嵌段共聚物分子结构——“反向解决问题”，是一个十分重要的解决方案[19]；生物医疗是目前物理、化学以及生物交叉科学研究的热点，如何模拟药物通过生物(细胞)膜的过程，为药物设计提供理论指导也同样是一个十分重要的民生以及科学问题[20]．

图3 关于自洽场理论研究的潜在应用示意图

“现代物理专题”课程是以专题的形式呈现给学生的，因此相较于传统的授课形式，该课程的授课形式比较自由，主要以通过PPT展示专题的内容为主，适当的视频展示，以及时常与学生有积极的互动讨论，让学生思考感受科学发现的曲折与乐趣．讲到嵌段共聚物这类软物质的科学发展，自然会跟学生分享在软物质科学发展中做出杰出贡献的人物及其事迹，例如大家熟知的伟大物理学家Einstein，除了广为人知的相对论方面的贡献，他在博士论文中研究液体中胶体粒子的无规则运动也做出了杰出的贡献，而这方面的研究就属于软物质科学的范围；德国高分子科学家Staudinger，在当时提出大分子的线性链的学说时，受到当时科学界的强烈反对，然而他不畏权威坚持己见，最终获得了诺贝尔奖．当然值得指出是，如果学生有进一步学习高分子物理的兴趣，我们也会推荐国内外该领域比较权威的图书，如图4所示，供学生学习参考．

图4 高分子物理学习参考书

1.3 课程的考核方式

课程考核是考查学生掌握知识程度的必要手段，也反映了教师的授课水准．鉴于该课程的目的是扩展科教专业学生对物理这门学科的认识，提高学生学习物理的乐趣与热情，因此该课程主要考核学生理解和分析物理等自然科学问题的能力．本选修课的期末成绩主要由课堂表现、课程论文以及分组演讲PPT科学进展这3部分成绩组成．设置课堂表现成绩，是为了提高学生的上课表现，以及课堂的专注程度．设置课程论文，其实也就是让学生对该课程做一个课程总结，总结对这门课程的理解以及对自己的影响，并从自己的角度对该课程提出自己的想法以及改进的意见．考核方式里面最后一项分组演讲PPT科学进展的目的，则是考验学生做科学调研的基本科学素养，不求面面俱到，展示出所调研课题的部分发展历程以及进展即可．

2 不足与思考

人无完人金无足赤，对于上课的教师来说，也同样适用．同时，我们也需要承认，每个教师的风格不同，很难用一种一刀切的方法来判断讲课的质量．对于本专题课程，笔者认为，适合学生的方法以及内容才是最重要的，这就体现了因材施教的重要性．笔者认为以下3点需要改进：

第一点，让科教专业学生罗列出若干个最想学习的物理前沿课题，让相关的教师准备相关课题，这样做不仅考虑了学生的兴趣点，还兼顾了授课教师的业务能力范围.

第二点，减少讲课过程中理论推导或者计算推演的比重，过多的公式以及计算推演会增加听课的难度，容易打击学生的热情以及积极性，不符合该课程的教学目的．

第三点，根据教育部提倡的在教学过程中渗透课程思政，结合“现代物理专题”是一门涵盖丰富的课程，在课堂中结合祖国的繁荣强盛带来的科学技术的发展，如墨子号的发射等，可以提升学生的民族自信心，以及从事科研工作进而推动国家繁荣昌盛的使命感．

当然，这门课程的不足之处可能还有很多，相信在物理同仁的共同努力以及跟学生的广泛沟通交流中，“现代物理专题”这门选修课程必将取得长足的进步．

3 结束语

经过物理系同仁10多年的不懈坚持和努力，“现代物理专题”课程已经确立了一套相对完整的教学体系，同时也在授课方式和考核方法上形成了自己的一套风格和特色．“现代物理专题”课程对激发和培养学生们学习物理前沿的兴趣和热情，起到了十分积极的作用．未来我们物理系的教师还将坚持这种授课方式，扩充课程内容，丰富教学手段，提升教学效果，为把“现代物理专题”建设成台州学院的特色课程而努力！