大學(xué)物理教學(xué)中工程教育的融入

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一、卓越計(jì)劃下的大學(xué)物理課改簡介

“理為工之本，工為理之用”[2]，物理學(xué)是工程技術(shù)的基礎(chǔ)，對(duì)提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)有重要的作用。以培養(yǎng)大學(xué)生的工程創(chuàng)新能力為目標(biāo)，提高大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量是“卓越計(jì)劃”對(duì)當(dāng)前大學(xué)物理教學(xué)改革提出的新要求。在大學(xué)物理教學(xué)中融入“工程教育”是適應(yīng)這一要求的重要基礎(chǔ)。在大學(xué)教學(xué)中加強(qiáng)工程教育，激發(fā)學(xué)生的興趣、培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，以期在工程技術(shù)人員理解新原理，掌握新技術(shù)方面發(fā)揮重要的作用。

二、工程實(shí)例與物理教學(xué)的融合

作為高等院校工科各專業(yè)的必修基礎(chǔ)課，傳統(tǒng)的大學(xué)物理學(xué)較為重視知識(shí)體系的完整性、嚴(yán)密性和原理的邏輯推理，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力有很大幫助，但這種偏重理論化推理的物理教學(xué)，啟發(fā)有余而創(chuàng)新不足，忽略了工科專業(yè)學(xué)生對(duì)物理原理在實(shí)際工程技術(shù)中的應(yīng)用這一求知需求。為了實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理教學(xué)的工程教育目的，在教學(xué)過程中適當(dāng)?shù)匾牍こ虒?shí)例是一種有效途徑。工程實(shí)例的引入可以在大學(xué)物理教學(xué)中無所不在，比如物理原理的講解，例題演示，以及課后習(xí)題等。工程實(shí)例的引入一方面要與物理知識(shí)點(diǎn)緊密相關(guān)，另一方面也要具有真實(shí)性，能激發(fā)學(xué)生的興趣。當(dāng)前國內(nèi)物理教材中往往只列舉幾個(gè)典型的工程應(yīng)用例子，難以激發(fā)學(xué)生的興趣，甚至對(duì)物理原理在其中的具體應(yīng)用過程也是一語帶過，不提取模型也不解釋原理，學(xué)生難以理解理論原理到工程技術(shù)的應(yīng)用。相比國內(nèi)教材，國外大學(xué)物理教材中物理知識(shí)與生活、體育、工程技術(shù)的工程實(shí)例聯(lián)系就緊密得多。比如《哈里德大學(xué)物理學(xué)》中一道習(xí)題：“一架噴氣式戰(zhàn)機(jī)重達(dá)231kN，需要達(dá)到85m/s的空速才能起飛。戰(zhàn)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)最大可提供107kN的推力，但并不足以讓戰(zhàn)機(jī)在短短90m的航母甲板跑道上達(dá)到起飛速率?！币粋€(gè)簡單的力學(xué)物理題，穿上一件漂亮的工程“外衣”，未給教學(xué)添加負(fù)擔(dān)，反而趣味倍增。工程實(shí)例的引入要注意全面，不能以偏概全。生活和工程中的物理構(gòu)成有些對(duì)人類有利，有些對(duì)人類不利，但背后都有物理規(guī)律的支配。比如振動(dòng)學(xué)中，許多教材都列舉了共振引起橋梁坍塌的事故，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)振動(dòng)的威力。如果教學(xué)進(jìn)程到此為止，學(xué)生對(duì)共振的的理解可能會(huì)產(chǎn)生誤會(huì)，認(rèn)為振動(dòng)現(xiàn)象在建筑中只有“弊”而無“利”。實(shí)際上，許多現(xiàn)代橋梁和建筑物的防振減振工程項(xiàng)目都是“以其人之道，還治其人之身”，比如安裝于臺(tái)北101大廈的全球最大的“調(diào)諧質(zhì)塊阻尼器”，利用共振來消除大廈的振動(dòng)以保障安全。只有客觀而周到地對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行討論，才能讓學(xué)生對(duì)物理原理的理解及其應(yīng)用有更全面的認(rèn)識(shí)。由于沒有現(xiàn)成的工程實(shí)例，需要教師收集和撰寫相關(guān)的材料。工程實(shí)例的收集可從文獻(xiàn)、國內(nèi)外優(yōu)秀教材中，甚至是時(shí)事新聞中篩選、汲取適當(dāng)?shù)念}目。比如讓國人振奮和驕傲的我國第一艘航母“遼寧號(hào)”及其成功起降的殲15艦載機(jī)，其中就有物理中力熱光電各方面基本原理的大量應(yīng)用。積少成多，集腋成裘，當(dāng)前的通訊信息十分發(fā)達(dá)，可以多渠道、多途徑地獲取工程實(shí)例。

三、專業(yè)課程與大學(xué)物理的對(duì)接

大學(xué)物理學(xué)作為理工各專業(yè)的基礎(chǔ)課，在夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和創(chuàng)新意識(shí)上有共同的作用，但不同專業(yè)對(duì)具體物理知識(shí)的學(xué)習(xí)也有不同的要求。目前大學(xué)物理的內(nèi)容體系主要包括牛頓力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)、波動(dòng)光學(xué)，以及相對(duì)論和量子力學(xué)等，內(nèi)容較多，且物理學(xué)也在不斷取得新進(jìn)展。但在實(shí)際教學(xué)中，大學(xué)物理的學(xué)時(shí)卻在不斷縮減。針對(duì)這樣的局面，如何實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理的工程教育？首先要根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)對(duì)物理教學(xué)內(nèi)容有所側(cè)重。大學(xué)物理教學(xué)可根據(jù)工科各專業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)知識(shí)體系進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，在制定教學(xué)計(jì)劃時(shí)，集合相關(guān)專業(yè)的特點(diǎn)和后期專業(yè)課學(xué)習(xí)的延續(xù)性，在保持物理內(nèi)容體系完整的情況下，對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)一步拓展優(yōu)化。比如，對(duì)機(jī)械類專業(yè)側(cè)重于力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)等；對(duì)電類專業(yè)側(cè)重于電磁學(xué)、光學(xué)和近代物理等。機(jī)械類專業(yè)都有理論力學(xué)和材料力學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)課，如何在牛頓力學(xué)的教學(xué)中對(duì)相應(yīng)概念和規(guī)律進(jìn)行拓展，為相關(guān)課程做好鋪墊，是物理課堂上一個(gè)值得探討和嘗試的課題。當(dāng)前許多高校大學(xué)物理授課根據(jù)專業(yè)分班，也為這一設(shè)想提供了有利條件。

四、綜合物理課程的開設(shè)設(shè)想

隨著時(shí)代的發(fā)展與技術(shù)的進(jìn)步，社會(huì)對(duì)復(fù)合型人才的需求越加明顯。當(dāng)前的大學(xué)物理課，教學(xué)內(nèi)容往往局限于經(jīng)典物理部分，為了彌補(bǔ)物理教學(xué)的不足，同時(shí)提升工科學(xué)生對(duì)高等教育工程技術(shù)中物理知識(shí)的認(rèn)識(shí)，可對(duì)高年級(jí)學(xué)生開設(shè)一門物理相關(guān)的專業(yè)選修課，暫且命名為“綜合物理”。綜合物理課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)側(cè)重于專業(yè)課程的補(bǔ)充和現(xiàn)代科技的普及兩方面內(nèi)容。物理學(xué)不僅是各工程學(xué)科的基礎(chǔ)，也是新技術(shù)新理論的基礎(chǔ)，廣泛地應(yīng)用在不同專業(yè)領(lǐng)域。在綜合物理中，可結(jié)合專業(yè)課程的設(shè)置，對(duì)相關(guān)專業(yè)的許多領(lǐng)域進(jìn)行介紹。如當(dāng)前大學(xué)物理中的振動(dòng)學(xué)主要服務(wù)于后續(xù)的機(jī)械波及波動(dòng)光學(xué)的教學(xué)；而在綜合物理中，我們可為此基礎(chǔ)設(shè)置和機(jī)械加工相關(guān)的防振、消振的工程應(yīng)用內(nèi)容；對(duì)于后續(xù)的波動(dòng)光學(xué)，可設(shè)置和機(jī)械加工相關(guān)的工程光學(xué)內(nèi)容。專業(yè)的交叉和融合方面，比如可在綜合物理中講授物理學(xué)的新進(jìn)展、工程上的新應(yīng)用及技術(shù)的展望，等等。綜合物理課程在國內(nèi)各高校中目前尚無樣本示范，學(xué)?？赏ㄟ^開設(shè)公共選修課，逐漸將其納入專業(yè)選修課的體系當(dāng)中。綜合物理課程的開設(shè)一舉多得，既可解決大學(xué)物理課時(shí)減少帶來的教學(xué)不足，又可改變學(xué)生對(duì)物理學(xué)的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的興趣，加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)在工程技術(shù)中的應(yīng)用理解能力，提高學(xué)生的綜合工程素質(zhì)。目前，大學(xué)物理在教學(xué)手法上有很多成熟的改進(jìn)措施。筆者認(rèn)為，改革的根本在于內(nèi)容的改革，應(yīng)以提高學(xué)生的素質(zhì)為基礎(chǔ)，突破傳統(tǒng)模式，采取更為大膽的形式來推進(jìn)大學(xué)物理教育。同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生工程素質(zhì)的教育，并采取新的課程設(shè)置，會(huì)對(duì)物理教學(xué)改革有著積極的推動(dòng)和發(fā)展作用。

作者：楊俊濤 黃海銘 張傳坤 單位：湖北汽車工業(yè)學(xué)院理學(xué)院