大學物理教學與工程應用結合探討

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摘要:應用型本科大學物理教學的重點是構建應用型物理教學體系，本文提出了傳統(tǒng)的單一理論物理教學存在的缺陷，并針對相關問題提出教學過程中要面向學生專業(yè)、面向生產(chǎn)實踐，面向工程應用，以此改善教學方法，科學、合理地選擇教學內(nèi)容，教學中結合大量的工程應用實例，潛移默化提高學生工程實踐能力，實現(xiàn)培養(yǎng)應用型本科人才的需要。

關鍵詞:大學物理教學;教學方法;工程應用物理學

［1］研究物質世界的基本結構、基本相互作用和最普遍的自然界的運動規(guī)律，它是一切自然科學和工程技術的基礎。人類科技發(fā)展史上的歷次工業(yè)革命與物理學有著非常密切的關系。第一次工業(yè)革命發(fā)生在17～18世紀，實現(xiàn)了工業(yè)的機械化，其基礎是牛頓力學和熱力學的發(fā)展，標志是蒸汽機的出現(xiàn)和使用。19世紀爆發(fā)了第二次工業(yè)革命，促進了工業(yè)的電氣化，以發(fā)電機、電動機、電訊設備的大量出現(xiàn)為標志，這些技術的基礎是電磁理論的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，20世紀爆發(fā)了第三次工業(yè)革命，加快了工業(yè)的自動化與核能的應用，其物理學基礎為相對論和量子力學，標志著以信息技術為代表的一系列新學科、新材料、新能源、新技術的興起和發(fā)展。由此可見，物理學在推動整個人類社會發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用，它是人類社會未來科學技術發(fā)展的源泉和動力。大學物理作為高校理工科學生的基礎課程，不僅為學生學習其他專業(yè)課奠定基礎，而且提供了研究科學最基本的方法，對于提高學生的科學素質，培養(yǎng)學生的科學思維方式有著至關重要的作用。大學物理教學過程中既能做到使學生獲得大量物理知識，又能全面提高學生在實踐中應用物理知識解決實際問題的能力，這是大學物理教育急待解決的問題，也是構建應用型本科大學［2］的必然要求和發(fā)展趨勢。

1大學物理教學中純理論授課存在的問題

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

2大學物理教學與工程應用的結合

2．1結合學生專業(yè)特點精選教學

根據(jù)學生所學專業(yè)對物理課程教學的詳盡程度進行合理取舍。對于電子工程專業(yè)的同學，介紹靜電場和穩(wěn)恒磁場時，不僅為學生介紹靜電場和磁場的特點以及在靜電場、磁場中的重要定理，而且要結合學生專業(yè)特點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，重要信號線處理，通過多種方法減少電磁干擾問題，同時介紹電阻、電容、電感常用元件的電學特性，加深學生對這些元件的認識，這樣學生既掌握了大學物理中電磁場的基本知識，強化了對電磁場本質的認識，而且學生在一定程度上掌握了硬件工程師在電路設計中的基本素養(yǎng)，為將來走向對應工作崗位奠定了一定基礎。對計算機科學與技術專業(yè)的學生，在介紹重要物理模型時，可以穿插重要模型的后臺編譯程序，讓學生認識到物理學中重要的模型原來可以通過一個個小程序呈現(xiàn)出來，同時將源代碼提供給學生，讓學生看懂程序，學習程序，并鼓勵學生獨立編寫程序展示物理模型，這樣既強化了學生的專業(yè)技能，同時加深學生對物理模型［6］的理解。對土木工程專業(yè)的學生，由于學生專業(yè)課中需學量的力學原理［7］，故在介紹大學物理中的牛頓運動定律、剛體轉動這些章節(jié)時需作為重點講解，對常見物理的受力分析及對剛體模型的理解作為課堂教學核心內(nèi)容，同時也可以引入建筑工程中常見機器的力學原理進行講解，使學生能夠身臨其境觀察、思考、探索。科技風2021年9月科教論壇對機械設計制造及自動化專業(yè)的學生，由于學生主要解決工件的設計和構型，所以要注重強化學生的空間想象能力，對于復雜的物理模型，提示學生從不同角度去觀察，即讓學生想象模型的正視圖，側視圖，剖面圖等。例如載流線圈在磁場中的運動，當從不同方向觀察線圈中的電流時，呈現(xiàn)的圖像有一定區(qū)別，讓學生從不同觀察角度去總結看到的圖形的差異化，并且動手能夠畫出正視圖，側視圖，剖面圖，進一步增強學生的空間思維能力與作圖能力。對光電信息科學與工程專業(yè)的學生，將波動光學［8］這一章內(nèi)容作為重點章節(jié)講授，不僅要穿插幾何光學，而且在介紹光的干涉、衍射等現(xiàn)象時，引入大量工程實例，強化理論知識在實踐中的運用。如圖1利用等厚干涉可以測量細金屬絲的直徑。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，可以檢驗透鏡球表面質量。若干涉條紋為半徑不同的一個一個同心圓構成，則透鏡球表面質量高，符合實際要求，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，直至符合實際的生產(chǎn)要求。當然，針對學生專業(yè)引入大量的工程實例非常多，選擇合適的、與時俱進的素材需要授課教師掌握最新的前沿物理知識并不斷在實踐中總結、提取和加工。

2．2根據(jù)學生生活需要選擇教學

在講授電磁感應原理時，可以為學生舉一些生活實例。電磁爐是生活中常用的工具，電磁爐的原理是電磁感應現(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體的內(nèi)部將會出現(xiàn)渦旋電流，這是渦旋電場推動導體中載流子運動所致，渦旋電流的焦耳熱效應使導體升溫，從而實現(xiàn)加熱。這樣能夠加深學生對電磁感應現(xiàn)象的理解。講授動量定理和角動量守恒定律時，可以給學生分析跳水運動員在空中將身體抱成一團姿態(tài)的原因，進一步分析入水前將身體盡量展開的原理。講解波動光學內(nèi)容時，可以給學生介紹光纖通信的基本原理。從原理上看，構成光纖通信的基本物質要素是光纖、光源以及光檢測器。光纖除了按制造工藝、材料組成和光學特性進行分類外，在應用中，光纖還可以按照用途進行分類，可分為通信用光纖和傳感用光纖。傳輸介質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，使學生不僅對光學基本知識充滿興趣，而且對光纖通信有強烈的好奇心。介紹電子在磁場中的偏轉時，可以為學生講解一下示波器。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，打在涂有熒光物質的屏幕，就可產(chǎn)生細小的光點。在被測信號的作用下，電子束可以在屏幕上描繪出被測信號的瞬時值［9］的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，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，可以給學生分析一下手機的輻射問題。通過專用儀器檢測，檢測時，儀器緊貼手機，從撥號開始直到通話結束。結果表明，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，在我國并沒有手機輻射標準，但是在檢測到的所有物品中，手機輻射較大。建議在平時的生活中使用耳機接打電話時，特別是在手機信號不好時別打或少打電話。介紹多普勒效應時，同時介紹超聲波清洗機的原理。超聲波清洗機主要是通過換能器，將超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號轉換為機械振動，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。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，氣體型氣泡的振動對固體表面進行反復地擦洗，達到清潔的目的。

2．3理論與實驗教學融合

傳統(tǒng)的大學物理教學過程中，一般將大學物理的教學安排在大一的第二學期，而將大學物理實驗［10］的教學安排在大二的第二學期，這樣相當于將大學物理的理論教學與大學物理實驗的實踐教學分離，并且大學物理實驗教學中大多是一些基礎實驗，而傾向工程應用［11］方面的綜合設計類的實驗較少，在這樣的教學模式下，很難提升學生的實踐能力與創(chuàng)新精神。鑒于以上原因，可以從兩個方面著手解決教學的問題。一是將大學物理和大學物理實驗教學融合為一門課，打破傳統(tǒng)的大學物理教材編寫思路，編寫個性化的講義，即實現(xiàn)一邊講授理論，一邊讓學生進行實踐操作，既實現(xiàn)了理論43科教論壇科技風2021年9月知識的形象化，又無形中提升了學生的實踐操作能力。例如在講授光柵衍射這一節(jié)內(nèi)容時，可以直接讓學生進行光柵測量光波波長這一實驗，學生在課堂上自己總結光柵的結構，自己通過觀察光柵后方的衍射條紋，總結光柵衍射的特點，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，通過這樣一個一個環(huán)節(jié)的探究，學生能夠加深對光柵的進一步認識，也比較真實、形象地理解了光柵衍射的原理，從而避免了傳統(tǒng)的、枯燥的只給學生講授光柵衍射的原理，一味的公式推導，學生在這樣的情境下也不會有濃厚的興趣繼續(xù)進行科學探究。二是整合優(yōu)化大學物理實驗的內(nèi)容?？梢哉{(diào)研畢業(yè)生就業(yè)的企業(yè)，了解相關企業(yè)需要畢業(yè)生掌握的基本技能，從而針對不同專業(yè)的在校生開展有相關性的實驗課程。例如對電子工程專業(yè)的畢業(yè)生，在學習了靜電場的知識后，給學生直接開設多用電表的焊接、制造及校準這一電學實驗。首先，讓學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行實驗。其次，學生能夠科學、準確地分析多用電表的電路圖，能夠運用所學知識明白各個電路的子模塊的作用，從而間接提升學生分析電路、應用電路的基本功，為后續(xù)的畢業(yè)面試環(huán)節(jié)做好鋪墊。再次，學生設計多用電表的校準電路圖，在實驗室分小組搭建電路，通過校準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性，對個別的電子器件進行微調(diào)，使多用電表達到比較理想的使用效果。在平時的教學過程中，選取四個班級作為創(chuàng)新班，采用理論與實驗教學融合模式進行教學，另外選取四個班級作為對比班，采用傳統(tǒng)的只講授理論模式授課，并對兩種教學模式下的班級的成績分析如下表所示。

2．4注重科技小作品

傳統(tǒng)的大學物理教學中，教師講授完某一節(jié)知識點后，會給學生布置一些理論性的課后作業(yè)，在這樣的背景下，學生還是停留在理論層次的邏輯推理與計算，學生的實踐動手能力與創(chuàng)新意識并未明顯提升。所以，基于提高學生的工程素養(yǎng)［12］的要求，對大學物理作業(yè)形式做一下改變，教師講授完每一章內(nèi)容后，要求學生根據(jù)本章所學內(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，學生學習完恒定磁場這一節(jié)后，根據(jù)磁場的基本理論，制作了電報機。學生學習了波動光學這一章后，制作了紅外報警器。當學生學習完電磁感應后，制作了發(fā)電機。每當學生完成這些作品后，學生進一步加深了對基本物理原理的理解，同時提高了學生的動手能力，提升了學生的創(chuàng)新意識，增強了學生的工程素養(yǎng)。當學生完成一件件科技作品后，不同小組之間進行交流，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)實踐中的應用，也可以針對具體作品提出改進方法，使制作的作品更具有綜合的功能。比如某組學生制作了抽水機，另外一組學生制作了氣壓泵，那么這兩件作品可以組合起來，從而實現(xiàn)綜合利用。總之，通過課后學生制作科技作品，并在課堂上自信地展示自己的作品，學生對大學物理的學習興趣更加濃厚，學生的動手實踐能力不斷提高，學生同時嘗試作品能夠貼近實際的工程背景，甚至達到能夠發(fā)明專利的高度。

3結論

綜合以上研究成果，大學物理教學不僅要使學生獲得基本的物理知識，而且要促進教學內(nèi)容與工程應用的有機結合，大學物理教學既要結合學生專業(yè)特點精選教學，又要根據(jù)學生生活需要選擇教學，不斷促進大學物理與大學物理實驗的融合，進一步增加課程的實踐考核比重。結果表明，大學物理教學與工程應用的科學結合，既增強了學生的學習興趣，又能培養(yǎng)符合時展的“新工科”高素質人才。

作者:趙朝軍 單位:西安工商學院