趙斌 胡珺玥

(臺州學(xué)院電子與信息工程學(xué)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(xiàn)代物理專題”是一門針對科教專業(yè)學(xué)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(lǐng)域內(nèi)的最新進展．在科教專業(yè)學(xué)生的第二個學(xué)期授課，共16周32個課時，2個學(xué)分．

1.1 課程的目標與要求

根據(jù)學(xué)校培養(yǎng)科教專業(yè)大學(xué)生的要求，該專業(yè)的畢業(yè)生主要服務(wù)于中小學(xué)科教課程的教學(xué)，因此，所學(xué)課程比較廣泛，物理化學(xué)甚至生物專業(yè)的課程都有設(shè)置．與純物理系學(xué)生不同的是，科教專業(yè)學(xué)生只需要學(xué)習(xí)力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和原子物理5門基礎(chǔ)物理課程，不需要學(xué)習(xí)量子物理、統(tǒng)計物理、理論力學(xué)和電動力學(xué)四大力學(xué)．出于方便的考慮，如果我們用“長寬高”來衡量科教專業(yè)學(xué)生的專業(yè)知識以及科學(xué)素養(yǎng)， “長”表示學(xué)習(xí)課程的前沿性，“寬”代表學(xué)習(xí)課程的廣泛性，“高”象征學(xué)習(xí)課程的深刻或者高度性[1]．顯然，這樣的課程會導(dǎo)致科教專業(yè)學(xué)生的物理高度不夠，對現(xiàn)代的物理關(guān)心以及研究的問題不夠了解，會對物理這門科學(xué)產(chǎn)生一定的距離感．因此，學(xué)校設(shè)置該專業(yè)選修課程基于以下3個原因：

(1)使學(xué)生對物理這門學(xué)科的整體性有更深的理解；

(2)提高學(xué)生對學(xué)習(xí)物理的興趣與熱情；

(3)增加科教專業(yè)學(xué)生對物理研究前沿的了解．

1.2 課程的授課內(nèi)容與形式

考慮到每個專題的授課教師講授的范圍內(nèi)容并不相同，因此授課的模式也并不統(tǒng)一．由此就以筆者講授的內(nèi)容為例，介紹下“現(xiàn)代物理專題”課程主要涵蓋的內(nèi)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(guān)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(zhì)，從物質(zhì)對力以及熱的響應(yīng)來分類，可分為軟物質(zhì)以及硬物質(zhì)．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(zhì)，而上課時坐的椅子，很難變形，屬于硬物質(zhì)．嵌段共聚物是眾多軟物質(zhì)的一種，平時生活中經(jīng)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(fā)展的角度來說明軟物質(zhì)發(fā)展的歷史，并說明嵌段共聚物是軟物質(zhì)材料的一個重要分支．其次，介紹研究方法，說明在軟物質(zhì)研究的整個過程中，涌現(xiàn)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(xué)的Frank Bates教授以及名古屋大學(xué)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(fā)現(xiàn)，例如發(fā)現(xiàn)復(fù)雜球狀相晶體、類準晶結(jié)構(gòu)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(xué)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(yōu)勢，如可以精確地計算介觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以及分析嵌段共聚物自組裝形成的介觀結(jié)構(gòu)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(xué)的Glenn H.Fredrickson教授[8]、雷丁大學(xué)的M.W.Matsen教授[9]，以及復(fù)旦大學(xué)的李衛(wèi)華教授等做出的研究工作[10,11]，說明在高分子物理科學(xué)的前沿，國內(nèi)的科學(xué)家同樣做出了杰出的貢獻并占據(jù)一席之地, 該專題結(jié)構(gòu)由圖1所示．相較于實驗研究，理論模擬研究的重要性體現(xiàn)在解釋實驗結(jié)果以及實驗預(yù)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(jié)構(gòu)難以分辨是double-diamond (D)結(jié)構(gòu)還是gyroid (G)結(jié)構(gòu)，在實驗上證實G結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，正是自洽場理論計算證實了G結(jié)構(gòu)的自由能比D結(jié)構(gòu)的自由能低，即G結(jié)構(gòu)比D結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(fù)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(yù)測ABAB四嵌段共聚物在升溫的條件下可以實現(xiàn)由C6到L結(jié)構(gòu)的相轉(zhuǎn)變的反常相行為[14]，該理論預(yù)測在2019年被韓國浦項科技大學(xué)實驗課題組證實[15]．在2021年，自洽場理論與實驗合作研究發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)[16]．自洽場理論研究的功能如圖2所示．

圖1 關(guān)于嵌段共聚物自組裝自洽場理論研究的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 關(guān)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(xué)習(xí)迅速發(fā)展，如何將嵌段共聚物自組裝的理論研究與機器學(xué)習(xí)結(jié)合起來，就是一個十分有趣的科學(xué)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(shè)備，如何利用有效的理論方法預(yù)測穿戴設(shè)備的電學(xué)性能，是一個迫待解決的科學(xué)問題[18]；如何在工業(yè)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(jié)構(gòu)以及類型的嵌段共聚物來制備熱力學(xué)穩(wěn)定的介觀尺寸的結(jié)構(gòu)——“正向解決問題”的方案；根據(jù)嵌段共聚物自組裝的機理以及需要制備的目標結(jié)構(gòu)，通過自洽場理論設(shè)計出嵌段共聚物分子結(jié)構(gòu)——“反向解決問題”，是一個十分重要的解決方案[19]；生物醫(yī)療是目前物理、化學(xué)以及生物交叉科學(xué)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(shè)計提供理論指導(dǎo)也同樣是一個十分重要的民生以及科學(xué)問題[20]．

圖3 關(guān)于自洽場理論研究的潛在應(yīng)用示意圖

“現(xiàn)代物理專題”課程是以專題的形式呈現(xiàn)給學(xué)生的，因此相較于傳統(tǒng)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(nèi)容為主，適當?shù)囊曨l展示，以及時常與學(xué)生有積極的互動討論，讓學(xué)生思考感受科學(xué)發(fā)現(xiàn)的曲折與樂趣．講到嵌段共聚物這類軟物質(zhì)的科學(xué)發(fā)展，自然會跟學(xué)生分享在軟物質(zhì)科學(xué)發(fā)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(xué)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(guī)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(zhì)科學(xué)的范圍；德國高分子科學(xué)家Staudinger，在當時提出大分子的線性鏈的學(xué)說時，受到當時科學(xué)界的強烈反對，然而他不畏權(quán)威堅持己見，最終獲得了諾貝爾獎．當然值得指出是，如果學(xué)生有進一步學(xué)習(xí)高分子物理的興趣，我們也會推薦國內(nèi)外該領(lǐng)域比較權(quán)威的圖書，如圖4所示，供學(xué)生學(xué)習(xí)參考．

圖4 高分子物理學(xué)習(xí)參考書

1.3 課程的考核方式

課程考核是考查學(xué)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(yè)學(xué)生對物理這門學(xué)科的認識，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的樂趣與熱情，因此該課程主要考核學(xué)生理解和分析物理等自然科學(xué)問題的能力．本選修課的期末成績主要由課堂表現(xiàn)、課程論文以及分組演講PPT科學(xué)進展這3部分成績組成．設(shè)置課堂表現(xiàn)成績，是為了提高學(xué)生的上課表現(xiàn)，以及課堂的專注程度．設(shè)置課程論文，其實也就是讓學(xué)生對該課程做一個課程總結(jié)，總結(jié)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(xué)進展的目的，則是考驗學(xué)生做科學(xué)調(diào)研的基本科學(xué)素養(yǎng)，不求面面俱到，展示出所調(diào)研課題的部分發(fā)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(fēng)格不同，很難用一種一刀切的方法來判斷講課的質(zhì)量．對于本專題課程，筆者認為，適合學(xué)生的方法以及內(nèi)容才是最重要的，這就體現(xiàn)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(yè)學(xué)生羅列出若干個最想學(xué)習(xí)的物理前沿課題，讓相關(guān)的教師準備相關(guān)課題，這樣做不僅考慮了學(xué)生的興趣點，還兼顧了授課教師的業(yè)務(wù)能力范圍.

第二點，減少講課過程中理論推導(dǎo)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(xué)生的熱情以及積極性，不符合該課程的教學(xué)目的．

第三點，根據(jù)教育部提倡的在教學(xué)過程中滲透課程思政，結(jié)合“現(xiàn)代物理專題”是一門涵蓋豐富的課程，在課堂中結(jié)合祖國的繁榮強盛帶來的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如墨子號的發(fā)射等，可以提升學(xué)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(xué)生的廣泛溝通交流中，“現(xiàn)代物理專題”這門選修課程必將取得長足的進步．

3 結(jié)束語

經(jīng)過物理系同仁10多年的不懈堅持和努力，“現(xiàn)代物理專題”課程已經(jīng)確立了一套相對完整的教學(xué)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(fēng)格和特色．“現(xiàn)代物理專題”課程對激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生們學(xué)習(xí)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(nèi)容，豐富教學(xué)手段，提升教學(xué)效果，為把“現(xiàn)代物理專題”建設(shè)成臺州學(xué)院的特色課程而努力！