課堂教學中物理工程教育素材的開發與融入

李海寶 任常愚 金永君 丁宏偉 郭鐵梁

(黑龍江科技學院理學院,黑龍江哈爾濱 150027)

課堂教學中物理工程教育素材的開發與融入

李海寶 任常愚 金永君 丁宏偉 郭鐵梁

(黑龍江科技學院理學院,黑龍江哈爾濱 150027)

分析了工科物理課堂教學中,在“大工程”教育理念下,融入工程教育素材的必要性,介紹了工程教育素材開發的若干種途徑,探討了融入工程教育素材的方式方法.

大工程;大學物理;工程教育素材;課堂教學

1 引言

2010年7月我國正式頒布了《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》,“提升高等教育質量”為該教育規劃綱要設計的10個重大項目之一[1].“高等教育質量的提升”對我國高等工科教育而言,意味著工程科技人才質量的提升.作為一所以工為主的普通高校,2005年我校就正式提出了“大工程”教育理念.5年來,基于這一理念,我校的理工類主要課程進行了相應的頂層設計和教學改革.作為理工科重要的基礎課,大學物理也通過積極的教學改革,努力促使教學質量滿足工程科技人才質量提升的需要.

2 “大工程”理念下物理課堂教學中開發和融入工程教育素材的必要性

援引我校校長趙國剛同志在《中國高等教育》發表的《樹立“三大”教育理念改善應用型工科人才培養》一文中的論述,所謂“大工程”教育理念,是以工程應用型人才培養為目標,以實踐為背景,以工程為主線,著力于學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力的培養,將工程教育、自然科學教育、人文社會科學教育相融合的現代工程教育觀[2].我們知道,在每名工程科技人才的知識和能力結構中,大學物理知識都占據重要位置.因此在物理課堂教學中,深入實踐“大工程”理念責無旁貸.作為實踐的第一步,開發和融入工程教育素材是必要的.

2.1 開發和融入工程教育素材是彰顯物理課程性質的需要

物理工程應該理解為物理科學和數學在工程上的某種應用.通過這一應用,使自然界的物質和能源的特性,通過各種結構、機器、系統和過程,以最優的方式成為對人類有用的東西.物理課程自身具有濃厚的工程色彩,絕大部分物理學定理定律來源于人們的工程實踐,并反復經過實踐檢驗而不斷完善.

由于物理知識是自然科學和工程技術的基礎,滲透于生活、生產、人類科技文明和社會進步的方方面面,能夠從現實生活中搜集到的、未經整理加工的、感性的、分散的原始材料,諸如圖文、影像、實物、模型、案例等十分豐富.這些原始材料,經過集中、提煉、加工和改造,融入到課堂教學中,就成為物理工程教育素材.在大學物理課堂教學中,融入工程教育素材、結合實踐講授理論知識,一方面是遵循教育原則中理論聯系實際的需要;另一方面也使理論知識血肉充實、相得益彰.

2.2 開發和融入工程教育素材是培養與國際接軌的工程師的需要

據麥肯錫咨詢公司(Mc Kinsey Global Institute)的研究報告統計,我國的工科畢業生只有不到10%適合在跨國公司工作[3],其中的原因為“中國教育系統偏于理論,中國學生幾乎沒有受到project和團隊工作的實際訓練,相比之下歐洲和北美學生以團隊方式解決實際問題”.

單純從物理課堂教學的作用來看,的確很難給學生“project”方面的實際訓練,但卻可以幫助學生樹立“project”意識.在課堂教學中通過融入反映物理原理應用的工程實例、工程背景、科技成果等工程教育素材,可以幫助學生樹立將來從事工程科技工作,從物理的角度尋找所遇到問題解決方案的意識,這是學生成為與國際接軌工程師的必備能力.

2.3 開發和融入工程教育素材是激發學習大學物理動機的需要

興趣是最好的老師.雖然大學物理課程的地位和作用是十分重要的,但是很多學生在學習時所表現出來的興趣卻不如學習高等數學和英語.當然這里有一定的功利性因素,更有過多強調知識體系的理論性而輕視工程實踐方面的因素.融入工程教育素材的課堂,由于課堂上所講授的內容因其豐富并帶有工程實踐的色彩,將增強課堂的吸引力,有助于培養和提高學生的學習興趣.實際上,這樣做比較接近美國著名哲學家、教育家杜威的“做中學”教育理論.從做中學是比單純地從聽中學更好的學習方法[4].

3 可融入課堂教學的工程教育素材的挖掘途徑

3.1 在日常生活中尋找工程教育素材

從日常生活中尋找工程教育素材,所獲得的素材最容易受到學生的認可.如在講解電磁感應定律時,生活中電磁爐、日光燈、電源變壓器等的工作原理和實物(圖文),即是非常理想的工程教育素材;又如講解熱力學定律時,將電冰箱、冰柜、空調等工作原理和實物(圖文),也是非常理想的工程教育素材.

歸結起來,來自生活中可能為物理課堂教學提供工程教育素材的領域包括:家用電器、交通工具、音樂體育,以及電子通信等諸多方面.事實上,只要我們仔細觀察生活,注意生活中的物品與物理原理的某種聯系,就可能獲得豐富的工程教育素材.

3.2 在復雜工程系統中尋找反映物理原理應用的素材

我們知道運載火箭是一項復雜的系統工程,其工作原理涉及機械、自動控制、計算機、物理、力學、化學等學科.單就其所涉及的物理原理而言,也包括動量定理、相對運動、熱力學定律,以及各種傳感器工作的物理原理,等等.在課堂教學中,無論是在力學部分的變質量牛頓力學內容中,還是在熱力學定律內容中,均可以將火箭作為工程應用的例子,只是側重的方面不同.類似的例子還有汽車工程、計算機硬件系統等.

值得一提的是,將復雜系統中體現某一方面物理的素材融入到課堂教學中,一方面可以切實提高學習效果;另一方面也使學生對復雜系統工程形成一個這樣的認識,即復雜系統工程是由若干個簡單系統,以及這些簡單系統的緊密聯系所組成.這對學生工程意識的培養很有幫助.

3.3 從學生的后續課程中尋找工程教育素材

大學物理是工科學生后續課程的基礎課,在內容上存在一定的交叉性和延續性.在電類專業中,有一門傳感器方面的課程.仔細研究我們可以發現,相當多的傳感器其工作原理與物理基礎理論直接相關.顯然,講解某一物理原理時,合理地使用運用這一原理工作的傳感器方面的工程教育素材,一方面可以加深學生對所學知識理論的理解;另一方面由于理論與工程應用的直接結合,能夠幫助學生樹立工程意識,達到學以致用的目的.此外,將后續課程中的某些知識作為工程素材,還促進了知識的銜接和緊密聯系。

4 課堂教學中物理工程教育素材的融入

4.1 利用工程教育素材構造物理知識的誕生背景和展示應用前景

物理學中的每個知識點的誕生一般有其時代背景和技術背景.利用工程教育素材并借助現代多媒體技術,可以再現相應知識點的誕生的背景,而通過背景的再現,新知識的引入便順理成章.電容和電容器有關內容是電場理論中的重要組成部分,電容器的誕生就有其背景.18世紀科學家們為了研究電現象的本質,在技術上需要將大量電荷暫時儲存起來,于是萊頓瓶誕生了,這就是最早的電容器.它的誕生,是一種技術需要,它凝結了荷蘭物理學家馬森布魯克、法國電學家諾萊特、美國物理學家富蘭克林等的努力.如果我們對這些相關素材加以歸集和整理,有多媒體技術的配合,融入到課堂教學當中,無疑會提高學生學習興趣.

與構建背景知識的工程教育素材相比較,展示物理新知識和理論的應用的素材則更加豐富.恰當融入基于該知識點的工程應用實例,則向學生傳遞了物理原理是工程技術基礎這一信息.仍以電容器內容為例,電容器有關理論在工程技術領域中的應用則更加豐富多彩:一方面電容是電子設備中大量使用的電子元件之一,廣泛應用于耦合、濾波、調諧回路、能量轉換、傳感等方面;另一方面,超級電容器正在成為電容器制造一個發展方向,而超級電容器是今天大力發展的新能源汽車的重要部件.通過這些素材的融入,使學生及時了解了物理原理在工程技術中的應用的動態和發展前景.

4.2 在設計和講授例題過程中融入物理工程教育素材

在清華大學等六院校制作的工科物理題庫中有一道有關子彈射入沙土的問題,原題內容如下[5]:

質量為m的子彈以速度v0水平射入沙土中,設子彈所受阻力與速度反向,大小與速度成正比,比例系數為 K,忽略子彈的重力,求子彈射入沙土后,速度隨時間變化的函數式,以及子彈進入沙土的最大深度.

筆者將這一題目作為例題講授給學生,并深入挖掘該問題背后所蘊涵的工程應用背景.那么子彈射入沙土問題背后能夠融入工程教育素材的有哪些呢?首先,我們會想到子彈速度的測量問題.剛出槍膛的子彈由于飛行快而速度大小難以測量,但若能巧妙運用我們已學的知識則可解決這一難題.子彈射入沙土問題可以為我們提供一種測量子彈速度的思路.由 xmax=m v0/K(例題中子彈進入沙土的最大深度的計算結果)可知,設 v0為子彈初速度,即為要測量的對象,則可以先測量xmax,而子彈的質量視為已知自然條件,比例系數K為與射入目標(沙土)材料性質有關的一個自然常數,這樣就在理論上實現了子彈速度的測量.其次,我們能夠從子彈射入沙土的最大深度問題遷移到跳水池水深的設計問題.

需要指出的是,子彈速度的測量有很多簡單而巧妙的方法.子彈射入沙土問題提供的測量子彈速度的方法并非最先進和工程上選用的測量方法,這里結合問題營造的工程教育背景,主要還是為了激發學生對所學內容的興趣,進而突出變力作用下,牛頓運動定律的應用問題.

4.3 結合演示實驗融入物理工程教育素材

演示實驗在大學物理教學中,在提高教學效果方面的地位和作用是不言而喻的.“現象”是物理學的根源,“探索”是演示的靈魂[6].恰當設計和運用演示實驗可以有效激發學生的創新和工程意識.相當多的演示實驗就是復雜工程技術的一個簡化模型.如果教師在運用演示實驗講解定理定律時,能夠加以適當地引導,學生將通過其所看到演示實驗裝置和現象,了解相應物理原理在工程技術中的應用.

在光纖通信演示儀器中,利用特制的、彎曲的玻璃柱來充當模擬光纖,使用時,使激光筆發光從模擬光纖的一端入射,調整角度,使光從光纖的另一端出射,這時可以清楚地看到入射時的光斑.通過該實驗學生就會知道可見光信號由光纖傳遞的過程,加深學生對光纖傳輸的理解.在工程技術上,能限定和引導電磁波在長度方向上傳播的管道,被定義為波導,而用于傳輸光信號的波導稱為光波導[7].顯然,光纖是一種常見的光波導.結合該演示實驗可以適當融入光波導的有關工程教育素材,可以實現基礎物理理論與工程技術的對接.如果學生將來從事光學領域的技術工作,這些課堂教學中融入的工程教育素材,就為他積累了一定的理論基礎和感性認識.

5 結論

2010年,我校在工科教學中,已經開始實行“3+1”教學模式.這種創新教育模式是和近年來國際高等工科教育的發展理論接軌的,是獨具我校特色的“CDIO”.“3+1”教學模式下 ,學生在“做中學”的時間累計將超過1個學年,以突出“大工程”、“大實踐”教育理念.在強化學生工程和實踐能力的背景下,大學物理課堂教學中,深入開發和加大融入工程教育素材,是改進教學內容、幫助學生樹立工程和實踐意識的必要舉措.實踐證明,積極開發與物理知識相對應的工程教育素材,并將它們合理地融入到課堂教學中,學生普遍歡迎,學生學習的基礎理論知識更加扎實,工程和實踐意識得到強化,最終對提升工程科技人才的質量提升起到積極作用.

[1] 新華網.國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)[EB/OL].北京:新華社,2010.07.29

[2] 趙國剛.樹立“三大”教育理念改善應用型工科人才培養[J].中國高等教育,2006,(23):29～30

[3] 顧佩華,沈民奮,李升平等.從 CDIO到 EIP-CDIO——汕頭大學工程教育與人才培養模式探索[J].高等工程教育研究,2008,(1):12～19

[4] 查建中.論“做中學”戰略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究,2008,(3):1～9

[5] 教育部高等教育司組.工科大學物理課程試題庫(第二版)[DB/CD].北京:清華大學出版社,2003.11

[6] 陸汝杰,宋志懷,吳於人.充分利用物理演示實驗培養學生探究未知的能力[J].物理與工程,2010,20(5):10～12

[7] 丁么明,宋立新,余華清等.光波導與光纖通信基礎[M].北京:高等教育出版社,2005

2011-02-23)

黑龍江科技學院青年才俊計劃資助項目;黑龍江科技學院教學研究重點資助項目.

李海寶(1978年出生),男,黑龍江肇源人,碩士,副教授,黑龍江科技學院首屆當選青年才俊.