利用科學(xué)前沿要素促進(jìn)大學(xué)物理教學(xué)
——以“手性”概念為例

張榮 張雷 白龍

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料與物理學(xué)院 江蘇·徐州 221116）

世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，而運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的存在方式。研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律形成了一門學(xué)科——物理學(xué)。作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)之一，物理學(xué)與技術(shù)緊密結(jié)合，在人類理解自然現(xiàn)象、優(yōu)化和改造自然方面發(fā)揮著不可替代的作用。大學(xué)物理是理工科大學(xué)的一門重要通識(shí)必修課程，它著眼于從基本自然現(xiàn)象出發(fā)并運(yùn)用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行邏輯演繹，進(jìn)而給出物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。大學(xué)物理課程內(nèi)容豐富，在培養(yǎng)當(dāng)代大學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)方法和創(chuàng)新精神，進(jìn)而使他們形成正確的自然觀、世界觀和人生觀方面發(fā)揮著重要作用。

大學(xué)物理課程的絕大部分內(nèi)容屬于經(jīng)典范疇，作為物理學(xué)中相對(duì)成熟的部分，經(jīng)典物理學(xué)完整形式的確立在時(shí)間上離我們較為久遠(yuǎn)。另一方面，物理學(xué)是一個(gè)既古老又年輕的學(xué)科，作為一門不斷發(fā)展的學(xué)科，新的概念和結(jié)果不斷涌現(xiàn)。事實(shí)上，科學(xué)前沿領(lǐng)域蘊(yùn)含著大量的經(jīng)典物理知識(shí)，任課教師在教學(xué)過(guò)程中必須善于挖掘科學(xué)前沿中的經(jīng)典物理元素，把科學(xué)前沿要素有機(jī)融入大學(xué)物理教學(xué)。在大學(xué)物理教學(xué)中滲透前沿科學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生立足經(jīng)典面向前沿科學(xué)的開闊視野，有助于拓寬學(xué)生的知識(shí)維度，對(duì)于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)有著重要意義。將科學(xué)前沿知識(shí)融入教學(xué)絕不是牽強(qiáng)附會(huì)，教師需要根據(jù)學(xué)生的所能達(dá)到的理解程度來(lái)架構(gòu)核心概念，用核心概念鏈接不同的知識(shí)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移和融會(huì)貫通能力。

眾所周知，自然界的物質(zhì)形態(tài)各異，但很多物質(zhì)具有手性特征。所謂“手性”是指一個(gè)物體通過(guò)平移不能與其鏡像重合，如圖1所示。手性現(xiàn)象在自然界中廣泛存在，已經(jīng)成為物質(zhì)的一種基本屬性。近年來(lái)，人們?cè)谔剿魇中晕镔|(zhì)背后的規(guī)律和應(yīng)用手性方面取得了很多有意義的研究結(jié)果，如：手性分子、手性催化、手性材料等。手性現(xiàn)象的研究也已成為科學(xué)前沿課題之一。手性對(duì)于很多學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程的學(xué)生來(lái)說(shuō)既陌生又抽象，事實(shí)上，大學(xué)物理課程中有很多關(guān)于手性現(xiàn)象的教學(xué)示例，認(rèn)識(shí)這些手性現(xiàn)象背后的物理機(jī)制有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)美感。下面以大學(xué)物理教材中的三個(gè)與“手性”相關(guān)的問(wèn)題為例，闡述經(jīng)典物理中所蘊(yùn)含的“手性”內(nèi)容，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生探究“手性”現(xiàn)象背后的物理規(guī)律。

圖1：左右手和手性分子（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

教學(xué)示例1：偏振光中的手性。

偏振是光的橫波性的最為直接證據(jù)，因此成為大學(xué)物理教材中的重要內(nèi)容。兩個(gè)互相垂直的電矢量合成后的矢量端點(diǎn)在波面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以形成圓或橢圓偏振光。假設(shè)兩個(gè)互相垂直的電矢量在直角坐標(biāo)系中的表達(dá)式為：

方程（2）的軌跡示意圖如圖2所示。

圖2：方程（2）的軌跡示意圖

在采用數(shù)學(xué)方程和圖形相結(jié)合的方式講授上述內(nèi)容后，教師適時(shí)闡述“手性”概念，并引導(dǎo)學(xué)生觀察圖2的軌跡特點(diǎn)，讓學(xué)生思考如下問(wèn)題：軌跡是否具有手性特征？如果存在手性特征，導(dǎo)致軌跡出現(xiàn)左旋（右旋）光的物理原因是什么？

采用師生、生生之間的互動(dòng)討論方式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂教學(xué)活動(dòng)的欲望?？梢园l(fā)現(xiàn)圖2展示的軌跡圖形具有明顯的手性特征，圖（a1）和（b1）、（a2）和（b2），（a3）和（b3）以及（c）和（d）構(gòu)成了四組互為手性的圖形。容易得到圖（a1）、（a2）、（a3）和（c）對(duì)應(yīng)的 分別為；圖（b1）、（b2）、（b3）和（d）分別對(duì)應(yīng)的相位差。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)相位差決定了軌跡的形狀和電矢量旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)互為手性圖形的的絕對(duì)值為。這樣具有手性特征的圖形背后的物理原因給予了合理揭示。

教學(xué)示例2：洛侖茲力中的手性。

圖3:一束帶電粒子流（虛線所示）進(jìn)入上半平面的均勻磁場(chǎng)（方向垂直紙面向里）區(qū)域，作為粒子軌跡的兩個(gè)半圓的半徑相同。

教學(xué)示例需要提供給學(xué)生知識(shí)遷移的契機(jī)并激發(fā)他們內(nèi)在的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。教師可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)洛倫茲力的性質(zhì)描述上述圖形的特點(diǎn)，并給出不同粒子軌跡（是否具有手性特征？）出現(xiàn)的物理原因。

師生通過(guò)討論和分析發(fā)現(xiàn)圖3的軌跡具有明顯的手性特征，右邊的半圓軌跡的負(fù)電荷的軌跡，而左邊半圓為正電荷的軌跡，手性軌跡的出現(xiàn)僅僅由于電性的不同。這個(gè)例子能夠?qū)⑹中愿拍钤诼鍌惼澚Φ慕虒W(xué)內(nèi)容中得以自然再現(xiàn)，能使學(xué)生深刻體會(huì)科學(xué)前沿要素蘊(yùn)含在經(jīng)典物理之中，經(jīng)典物理是科學(xué)研究取之不盡的源泉。

教學(xué)示例3：電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的手性。

法拉第電磁感應(yīng)定律揭示了電磁轉(zhuǎn)換之間的內(nèi)在聯(lián)系，穿過(guò)線圈的變化磁場(chǎng)引起的感應(yīng)電流方向可以用楞次定律判斷。在教學(xué)過(guò)程中，教師可以設(shè)計(jì)兩組含有外磁場(chǎng)和感應(yīng)電流的圓形線圈（見(jiàn)圖4 的（a）和（b）、（c）和（d））。

教師需要善于利用新的問(wèn)題情境調(diào)動(dòng)學(xué)生所掌握的知識(shí)和技能，引導(dǎo)學(xué)生分析兩組圖形中的感應(yīng)電流具有哪些特征，是否具有互為手性的特點(diǎn)？背后的原因是什么？讓學(xué)生在深度思考后給出合理解釋。

最后通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，圖4（a）和圖4（b）以及圖4（c）和圖4（d）構(gòu)成了兩組互為手性的感應(yīng)電流?？梢钥闯鰣D4（a）的外磁場(chǎng)向里減小，而圖4（b）的外磁場(chǎng)向里增加；圖4（c）的外磁場(chǎng)向外增加，而圖4（d）的向外減小。而且可以得到互為手性的感應(yīng)電流所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)變化率（ ）的方向相反。這種利用手性概念講解法拉第電磁感應(yīng)定律的方式，可以極大地刺激學(xué)生的好奇心和探索欲望。

圖4：(a)和(b)線圈中的感應(yīng)電流大小相等，方向分別為順時(shí)針和逆時(shí)針；(c)和(d)中的感應(yīng)電流大小相等，方向分別為順時(shí)針和逆時(shí)針。圖中的叉（垂直紙面向里）和點(diǎn)（垂直紙面向外）表示外磁場(chǎng)方向。

事實(shí)上，科學(xué)前沿中的一些要素往往蘊(yùn)含在經(jīng)典物理之中，是所對(duì)應(yīng)的經(jīng)典物理概念的延伸和拓新。我們通過(guò)三個(gè)典型的教學(xué)示例給出了如何將科學(xué)前沿知識(shí)融入大學(xué)物理課程之中，類似的教學(xué)示例還有很多。這需要任課教師根據(jù)科學(xué)發(fā)展前沿深入挖掘其中有價(jià)值的教學(xué)材料并進(jìn)行教學(xué)重構(gòu)。教師是教學(xué)的設(shè)計(jì)師，在教學(xué)過(guò)程中需要善于知識(shí)遷移，能夠?qū)⒖茖W(xué)前沿研究恰當(dāng)?shù)厝谌虢虒W(xué)之中，利用有效的教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐使學(xué)生深刻理解所學(xué)課程內(nèi)容的內(nèi)涵與外延，積極引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟經(jīng)典物理學(xué)不是簡(jiǎn)單事實(shí)或者傳統(tǒng)的舊知識(shí)，經(jīng)典物理內(nèi)容是促進(jìn)科學(xué)發(fā)展的基石，其背后所蘊(yùn)含的深刻意義需要我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和揭示。