大學(xué)物理教學(xué)與工程應(yīng)用結(jié)合探討

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摘要:應(yīng)用型本科大學(xué)物理教學(xué)的重點(diǎn)是構(gòu)建應(yīng)用型物理教學(xué)體系，本文提出了傳統(tǒng)的單一理論物理教學(xué)存在的缺陷，并針對(duì)相關(guān)問題提出教學(xué)過程中要面向?qū)W生專業(yè)、面向生產(chǎn)實(shí)踐，面向工程應(yīng)用，以此改善教學(xué)方法，科學(xué)、合理地選擇教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)中結(jié)合大量的工程應(yīng)用實(shí)例，潛移默化提高學(xué)生工程實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才的需要。

關(guān)鍵詞:大學(xué)物理教學(xué);教學(xué)方法;工程應(yīng)用物理學(xué)

［1］研究物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)、基本相互作用和最普遍的自然界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，它是一切自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。人類科技發(fā)展史上的歷次工業(yè)革命與物理學(xué)有著非常密切的關(guān)系。第一次工業(yè)革命發(fā)生在17～18世紀(jì)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)的機(jī)械化，其基礎(chǔ)是牛頓力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展，標(biāo)志是蒸汽機(jī)的出現(xiàn)和使用。19世紀(jì)爆發(fā)了第二次工業(yè)革命，促進(jìn)了工業(yè)的電氣化，以發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電訊設(shè)備的大量出現(xiàn)為標(biāo)志，這些技術(shù)的基礎(chǔ)是電磁理論的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，20世紀(jì)爆發(fā)了第三次工業(yè)革命，加快了工業(yè)的自動(dòng)化與核能的應(yīng)用，其物理學(xué)基礎(chǔ)為相對(duì)論和量子力學(xué)，標(biāo)志著以信息技術(shù)為代表的一系列新學(xué)科、新材料、新能源、新技術(shù)的興起和發(fā)展。由此可見，物理學(xué)在推動(dòng)整個(gè)人類社會(huì)發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用，它是人類社會(huì)未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的源泉和動(dòng)力。大學(xué)物理作為高校理工科學(xué)生的基礎(chǔ)課程，不僅為學(xué)生學(xué)習(xí)其他專業(yè)課奠定基礎(chǔ)，而且提供了研究科學(xué)最基本的方法，對(duì)于提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方式有著至關(guān)重要的作用。大學(xué)物理教學(xué)過程中既能做到使學(xué)生獲得大量物理知識(shí)，又能全面提高學(xué)生在實(shí)踐中應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，這是大學(xué)物理教育急待解決的問題，也是構(gòu)建應(yīng)用型本科大學(xué)［2］的必然要求和發(fā)展趨勢(shì)。

1大學(xué)物理教學(xué)中純理論授課存在的問題

傳統(tǒng)的物理教學(xué)［3］通過理論知識(shí)的講解和剖析向?qū)W生傳授物理知識(shí)，不斷重復(fù)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的記憶和理解，難免出現(xiàn)重理論輕應(yīng)用、重接受輕探索、重訓(xùn)練輕方法等現(xiàn)象，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中只是掌握了較多的解題方法，對(duì)于物理知識(shí)在工程中的實(shí)際應(yīng)用關(guān)注較少，造成學(xué)生解決實(shí)際問題的能力較弱。由于大學(xué)物理與高等數(shù)學(xué)結(jié)合緊密，對(duì)于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，學(xué)習(xí)物理顯得更加困難和枯燥，造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的減弱。在信息化爆炸的今天，社會(huì)對(duì)人才的要求越來越苛刻，企業(yè)招聘過程中，不僅注重學(xué)生的文化課成績，而且更注重對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的考察，如果學(xué)生能夠掌握一種熟練的工程技術(shù)，那么對(duì)于求職成功將錦上添花。所以，對(duì)于應(yīng)用型本科而言，培養(yǎng)人才的方式急需轉(zhuǎn)變，所培養(yǎng)的人才應(yīng)該正確判斷和解決工程實(shí)際問題，能夠設(shè)計(jì)和開發(fā)技術(shù)系統(tǒng)，可以勝任跨學(xué)科的技術(shù)合作。當(dāng)然，構(gòu)建應(yīng)用型本科物理教學(xué)體系［4］也是迫在眉睫。為應(yīng)對(duì)新一輪科技革命的來臨，國家教育部正在積極加強(qiáng)“新工科”建設(shè)，相對(duì)于傳統(tǒng)的工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)迫切需要實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的復(fù)合型“新工科”人才。由此可見，新工科［5］精神要求高校培養(yǎng)的學(xué)生需要具有一定的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

2大學(xué)物理教學(xué)與工程應(yīng)用的結(jié)合

2．1結(jié)合學(xué)生專業(yè)特點(diǎn)精選教學(xué)

根據(jù)學(xué)生所學(xué)專業(yè)對(duì)物理課程教學(xué)的詳盡程度進(jìn)行合理取舍。對(duì)于電子工程專業(yè)的同學(xué)，介紹靜電場和穩(wěn)恒磁場時(shí)，不僅為學(xué)生介紹靜電場和磁場的特點(diǎn)以及在靜電場、磁場中的重要定理，而且要結(jié)合學(xué)生專業(yè)特點(diǎn)介紹電路板布線中存在的電磁干擾問題，可以講解電路板布線原則，重要信號(hào)線處理，通過多種方法減少電磁干擾問題，同時(shí)介紹電阻、電容、電感常用元件的電學(xué)特性，加深學(xué)生對(duì)這些元件的認(rèn)識(shí)，這樣學(xué)生既掌握了大學(xué)物理中電磁場的基本知識(shí)，強(qiáng)化了對(duì)電磁場本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，而且學(xué)生在一定程度上掌握了硬件工程師在電路設(shè)計(jì)中的基本素養(yǎng)，為將來走向?qū)?yīng)工作崗位奠定了一定基礎(chǔ)。對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，在介紹重要物理模型時(shí)，可以穿插重要模型的后臺(tái)編譯程序，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理學(xué)中重要的模型原來可以通過一個(gè)個(gè)小程序呈現(xiàn)出來，同時(shí)將源代碼提供給學(xué)生，讓學(xué)生看懂程序，學(xué)習(xí)程序，并鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立編寫程序展示物理模型，這樣既強(qiáng)化了學(xué)生的專業(yè)技能，同時(shí)加深學(xué)生對(duì)物理模型［6］的理解。對(duì)土木工程專業(yè)的學(xué)生，由于學(xué)生專業(yè)課中需學(xué)量的力學(xué)原理［7］，故在介紹大學(xué)物理中的牛頓運(yùn)動(dòng)定律、剛體轉(zhuǎn)動(dòng)這些章節(jié)時(shí)需作為重點(diǎn)講解，對(duì)常見物理的受力分析及對(duì)剛體模型的理解作為課堂教學(xué)核心內(nèi)容，同時(shí)也可以引入建筑工程中常見機(jī)器的力學(xué)原理進(jìn)行講解，使學(xué)生能夠身臨其境觀察、思考、探索?？萍硷L(fēng)2021年9月科教論壇對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，由于學(xué)生主要解決工件的設(shè)計(jì)和構(gòu)型，所以要注重強(qiáng)化學(xué)生的空間想象能力，對(duì)于復(fù)雜的物理模型，提示學(xué)生從不同角度去觀察，即讓學(xué)生想象模型的正視圖，側(cè)視圖，剖面圖等。例如載流線圈在磁場中的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)從不同方向觀察線圈中的電流時(shí)，呈現(xiàn)的圖像有一定區(qū)別，讓學(xué)生從不同觀察角度去總結(jié)看到的圖形的差異化，并且動(dòng)手能夠畫出正視圖，側(cè)視圖，剖面圖，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的空間思維能力與作圖能力。對(duì)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生，將波動(dòng)光學(xué)［8］這一章內(nèi)容作為重點(diǎn)章節(jié)講授，不僅要穿插幾何光學(xué)，而且在介紹光的干涉、衍射等現(xiàn)象時(shí)，引入大量工程實(shí)例，強(qiáng)化理論知識(shí)在實(shí)踐中的運(yùn)用。如圖1利用等厚干涉可以測量細(xì)金屬絲的直徑。如果已知入射光垂直水平面入射，波長為λ，測得金屬絲到棱外的距離為L，相鄰明條紋的間距為Δx，由于劈尖夾角θ很小，故有sinθ≈tanθ=DL，而劈尖夾角θ，相鄰明條紋的間距Δx以及入射光波長λ之間關(guān)系為sinθ=λ2Δx，可得D=LΔx·λ2。如圖2，通過干涉條紋檢測工件表面的平整度，如果工件表面平整，干涉條紋是一組平行于棱邊的直線，如果工件表面不平整，則干涉條紋就要彎曲，并且根據(jù)條紋的彎曲形狀可以判斷工件表面是凹陷還是凸出的。如圖3，根據(jù)干涉條紋圖樣，可以檢驗(yàn)透鏡球表面質(zhì)量。若干涉條紋為半徑不同的一個(gè)一個(gè)同心圓構(gòu)成，則透鏡球表面質(zhì)量高，符合實(shí)際要求，若出現(xiàn)如圖3所示圖樣，則透鏡表面存在一定問題，需要繼續(xù)打磨加工，直至符合實(shí)際的生產(chǎn)要求。當(dāng)然，針對(duì)學(xué)生專業(yè)引入大量的工程實(shí)例非常多，選擇合適的、與時(shí)俱進(jìn)的素材需要授課教師掌握最新的前沿物理知識(shí)并不斷在實(shí)踐中總結(jié)、提取和加工。

2．2根據(jù)學(xué)生生活需要選擇教學(xué)

在講授電磁感應(yīng)原理時(shí)，可以為學(xué)生舉一些生活實(shí)例。電磁爐是生活中常用的工具，電磁爐的原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即利用交變電流通過線圈產(chǎn)生方向不斷改變的交變磁場，處于交變磁場中的導(dǎo)體的內(nèi)部將會(huì)出現(xiàn)渦旋電流，這是渦旋電場推動(dòng)導(dǎo)體中載流子運(yùn)動(dòng)所致，渦旋電流的焦耳熱效應(yīng)使導(dǎo)體升溫，從而實(shí)現(xiàn)加熱。這樣能夠加深學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的理解。講授動(dòng)量定理和角動(dòng)量守恒定律時(shí)，可以給學(xué)生分析跳水運(yùn)動(dòng)員在空中將身體抱成一團(tuán)姿態(tài)的原因，進(jìn)一步分析入水前將身體盡量展開的原理。講解波動(dòng)光學(xué)內(nèi)容時(shí)，可以給學(xué)生介紹光纖通信的基本原理。從原理上看，構(gòu)成光纖通信的基本物質(zhì)要素是光纖、光源以及光檢測器。光纖除了按制造工藝、材料組成和光學(xué)特性進(jìn)行分類外，在應(yīng)用中，光纖還可以按照用途進(jìn)行分類，可分為通信用光纖和傳感用光纖。傳輸介質(zhì)光纖又分為通用與專用兩種，而功能器件光纖指用于完成光波的放大、整形、分頻、倍頻、調(diào)制以及光振蕩等功能的光纖。通過這樣的講解，使學(xué)生不僅對(duì)光學(xué)基本知識(shí)充滿興趣，而且對(duì)光纖通信有強(qiáng)烈的好奇心。介紹電子在磁場中的偏轉(zhuǎn)時(shí)，可以為學(xué)生講解一下示波器。示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器，能把肉眼看不見的電信號(hào)變換成看得見的圖像，使人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。示波器利用高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏幕，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)。在被測信號(hào)的作用下，電子束可以在屏幕上描繪出被測信號(hào)的瞬時(shí)值［9］的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測試電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等。講述靜電場時(shí)，可以給學(xué)生分析一下手機(jī)的輻射問題。通過專用儀器檢測，檢測時(shí)，儀器緊貼手機(jī)，從撥號(hào)開始直到通話結(jié)束。結(jié)果表明，檢測到的功率密度最大值為400～800μW/cm2，檢測到的最小值為3～5μW/cm2。目前，在我國并沒有手機(jī)輻射標(biāo)準(zhǔn)，但是在檢測到的所有物品中，手機(jī)輻射較大。建議在平時(shí)的生活中使用耳機(jī)接打電話時(shí)，特別是在手機(jī)信號(hào)不好時(shí)別打或少打電話。介紹多普勒效應(yīng)時(shí)，同時(shí)介紹超聲波清洗機(jī)的原理。超聲波清洗機(jī)主要是通過換能器，將超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，通過清洗槽壁將超聲波輻射到槽子的清洗液中。受到超聲波的輻射的作用，使槽內(nèi)液體中的微氣泡能在聲波的作用下保持振動(dòng)。從而破壞污物與清洗件表面的吸附，引起污物層的疲勞破壞而被駁離，氣體型氣泡的振動(dòng)對(duì)固體表面進(jìn)行反復(fù)地擦洗，達(dá)到清潔的目的。

2．3理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合

傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)過程中，一般將大學(xué)物理的教學(xué)安排在大一的第二學(xué)期，而將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［10］的教學(xué)安排在大二的第二學(xué)期，這樣相當(dāng)于將大學(xué)物理的理論教學(xué)與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)分離，并且大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大多是一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，而傾向工程應(yīng)用［11］方面的綜合設(shè)計(jì)類的實(shí)驗(yàn)較少，在這樣的教學(xué)模式下，很難提升學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神。鑒于以上原因，可以從兩個(gè)方面著手解決教學(xué)的問題。一是將大學(xué)物理和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合為一門課，打破傳統(tǒng)的大學(xué)物理教材編寫思路，編寫個(gè)性化的講義，即實(shí)現(xiàn)一邊講授理論，一邊讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作，既實(shí)現(xiàn)了理論43科教論壇科技風(fēng)2021年9月知識(shí)的形象化，又無形中提升了學(xué)生的實(shí)踐操作能力。例如在講授光柵衍射這一節(jié)內(nèi)容時(shí)，可以直接讓學(xué)生進(jìn)行光柵測量光波波長這一實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在課堂上自己總結(jié)光柵的結(jié)構(gòu)，自己通過觀察光柵后方的衍射條紋，總結(jié)光柵衍射的特點(diǎn)，從而回頭思考光線如何通過光柵，光柵衍射條紋產(chǎn)生的原理，通過這樣一個(gè)一個(gè)環(huán)節(jié)的探究，學(xué)生能夠加深對(duì)光柵的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，也比較真實(shí)、形象地理解了光柵衍射的原理，從而避免了傳統(tǒng)的、枯燥的只給學(xué)生講授光柵衍射的原理，一味的公式推導(dǎo)，學(xué)生在這樣的情境下也不會(huì)有濃厚的興趣繼續(xù)進(jìn)行科學(xué)探究。二是整合優(yōu)化大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。可以調(diào)研畢業(yè)生就業(yè)的企業(yè)，了解相關(guān)企業(yè)需要畢業(yè)生掌握的基本技能，從而針對(duì)不同專業(yè)的在校生開展有相關(guān)性的實(shí)驗(yàn)課程。例如對(duì)電子工程專業(yè)的畢業(yè)生，在學(xué)習(xí)了靜電場的知識(shí)后，給學(xué)生直接開設(shè)多用電表的焊接、制造及校準(zhǔn)這一電學(xué)實(shí)驗(yàn)。首先，讓學(xué)生先了解基本的電子器件，例如電阻、電容和電感，并掌握相關(guān)電子器件的參數(shù)，能夠參考使用說明選擇合理的電子器件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其次，學(xué)生能夠科學(xué)、準(zhǔn)確地分析多用電表的電路圖，能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)明白各個(gè)電路的子模塊的作用，從而間接提升學(xué)生分析電路、應(yīng)用電路的基本功，為后續(xù)的畢業(yè)面試環(huán)節(jié)做好鋪墊。再次，學(xué)生設(shè)計(jì)多用電表的校準(zhǔn)電路圖，在實(shí)驗(yàn)室分小組搭建電路，通過校準(zhǔn)自己焊接的多用電表，從而能夠回頭分析自己所選擇的器件的科學(xué)性，對(duì)個(gè)別的電子器件進(jìn)行微調(diào)，使多用電表達(dá)到比較理想的使用效果。在平時(shí)的教學(xué)過程中，選取四個(gè)班級(jí)作為創(chuàng)新班，采用理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合模式進(jìn)行教學(xué)，另外選取四個(gè)班級(jí)作為對(duì)比班，采用傳統(tǒng)的只講授理論模式授課，并對(duì)兩種教學(xué)模式下的班級(jí)的成績分析如下表所示。

2．4注重科技小作品

傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)中，教師講授完某一節(jié)知識(shí)點(diǎn)后，會(huì)給學(xué)生布置一些理論性的課后作業(yè)，在這樣的背景下，學(xué)生還是停留在理論層次的邏輯推理與計(jì)算，學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力與創(chuàng)新意識(shí)并未明顯提升。所以，基于提高學(xué)生的工程素養(yǎng)［12］的要求，對(duì)大學(xué)物理作業(yè)形式做一下改變，教師講授完每一章內(nèi)容后，要求學(xué)生根據(jù)本章所學(xué)內(nèi)容，選擇合理的材料，制作一件能夠體現(xiàn)本章物理原理及物理規(guī)律的小制作。比如，學(xué)生學(xué)習(xí)完恒定磁場這一節(jié)后，根據(jù)磁場的基本理論，制作了電報(bào)機(jī)。學(xué)生學(xué)習(xí)了波動(dòng)光學(xué)這一章后，制作了紅外報(bào)警器。當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)完電磁感應(yīng)后，制作了發(fā)電機(jī)。每當(dāng)學(xué)生完成這些作品后，學(xué)生進(jìn)一步加深了對(duì)基本物理原理的理解，同時(shí)提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，提升了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)。當(dāng)學(xué)生完成一件件科技作品后，不同小組之間進(jìn)行交流，可以交流科技作品的原理，也可以互相展示制作過程，討論科技作品在工業(yè)和生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用，也可以針對(duì)具體作品提出改進(jìn)方法，使制作的作品更具有綜合的功能。比如某組學(xué)生制作了抽水機(jī)，另外一組學(xué)生制作了氣壓泵，那么這兩件作品可以組合起來，從而實(shí)現(xiàn)綜合利用。總之，通過課后學(xué)生制作科技作品，并在課堂上自信地展示自己的作品，學(xué)生對(duì)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)興趣更加濃厚，學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力不斷提高，學(xué)生同時(shí)嘗試作品能夠貼近實(shí)際的工程背景，甚至達(dá)到能夠發(fā)明專利的高度。

3結(jié)論

綜合以上研究成果，大學(xué)物理教學(xué)不僅要使學(xué)生獲得基本的物理知識(shí)，而且要促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容與工程應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，大學(xué)物理教學(xué)既要結(jié)合學(xué)生專業(yè)特點(diǎn)精選教學(xué)，又要根據(jù)學(xué)生生活需要選擇教學(xué)，不斷促進(jìn)大學(xué)物理與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的融合，進(jìn)一步增加課程的實(shí)踐考核比重。結(jié)果表明，大學(xué)物理教學(xué)與工程應(yīng)用的科學(xué)結(jié)合，既增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能培養(yǎng)符合時(shí)展的“新工科”高素質(zhì)人才。

作者:趙朝軍 單位:西安工商學(xué)院