大學物理鐵磁質教學中工程教育素材的融入

郭鐵梁 李海寶

（黑龍江科技學院理學院，黑龍江 哈爾濱 150027）

大學物理鐵磁質教學中工程教育素材的融入

郭鐵梁 李海寶

（黑龍江科技學院理學院，黑龍江 哈爾濱 150027）

在大學物理課程鐵磁質知識點的教學中，結合工程實踐教育，使講授的知識點能夠理論聯系實際，在提高教學效果的同時，使學生認識到理論知識在工程實踐中的應用，進而使學生樹立正確的知識價值觀，提高學習興趣，增強主動學習的意識.

鐵磁質；巨磁阻效應；工程教育；大學物理

引言

在大學物理課程關于鐵磁質內容的教學中，按照理論聯系實際的教育原則，結合所講授的知識點，引入與該知識點相關的工程實踐內容，深入營造與該知識點相對應的工程教育情境，有助于提高學生學習的積極性，培養學習興趣，實現在大學物理課堂教學中，幫助學生樹立工程和實踐意識的目的.

1 鐵磁質理論知識點教學基本要求

我們知道，鐵磁質是一種性能特異、用途廣泛的磁介質.其主要特點有兩個方面：高磁導率和磁滯.這兩個特點是鐵磁質應用特別廣泛的主要原因［1］.對照《理工科非物理類專業大學物理課程教學基本要求》，對鐵磁質理論知識的講解，要使學生理解鐵磁質的基本理論，掌握磁場在磁介質中的分布規律，了解鐵磁質在工程實踐中的應用以及相關的科技前沿問題［2］.

鐵磁質理論知識是大多數理工科學生專業理論的重要基礎知識.以電類專業學生的知識結構為例，鐵磁質及其理論是學生后續課程如介質物理、電機、變壓器等諸多課程的基礎.如果將這個知識點放在比較突出的位置，就能夠更好地促進基礎課、專業基礎課和專業課的緊密銜接.同時通過營造相應工程教育情境，能夠引導學生理論聯系實際，幫助學生以工程和實踐應用的視角來學習這個知識點.因此，通過挖掘鐵磁質在工程中的應用實例，并將應用實例融入到課堂教學中，將有助于提高課堂教學效果.

2 傳統鐵磁質理論工程教育素材在課堂教學中的融入

2.1 軟磁材料工程教育素材在課堂教學中融的入

鐵磁質中的軟磁材料是電力工業和電子工業中廣泛應用的重要材料［3］.這里應通過多媒體圖文向學生介紹軟磁材料在工程實踐中的一些應用.由于筆者的授課對象是電氣專業的學生，在講解時突出展示了在電力工業中，從電能的產生（發電機）、傳輸（變壓器）到利用（電動機）的過程中，軟磁材料所起到的能量轉換作用的實例；同時也展示了從通信（濾波器和傳感器）、自動控制（繼電器、磁放大器、變換器）、廣播、電視等領域內，軟磁材料起到的信息的變換、傳遞等作用的案例.通過上述軟磁材料一系列應用的介紹，使學生在獲得感性知識的同時，也會主動思考或想象硬磁材料的相關應用.這對于硬磁材料的講解創造了很自然很有效的教學情境.

2.2 硬磁材料工程教育素材在課堂教學中融的入

硬磁材料由于矯頑力高，它能長期保持很強的磁性，因此硬磁材料又稱永磁材料或恒磁材料［4］.硬磁材料的應用較廣泛，結合電類專業特點，筆者在講授時融入了這樣一些素材：如利用永磁鐵磁極間的相互作用力可實現磁傳動、磁懸浮、磁起重、磁分離等應用實例.

筆者在講述這部分內容時，還向學生強調永磁功能器件具有節能、高效、與系統兼容、便于操作及可靠性高的優點，而這些優點與當今生產實踐中的高效節能環保等理念是相符的.

2.3 矩磁材料工程教育素材在課堂教學中融的入

矩磁材料是磁信息材料的一種，磁信息材料是用磁學方法存儲和記錄信息的磁載體材料［5］.按所采用的磁學原理和方法的不同，分為矩磁性存儲、磁泡存儲、磁記錄和磁光記錄.課堂上，利用圖文展示磁存儲是隨著計算機的興起而發展起來的，磁記錄則是從錄音開始的，接著擴展到錄像和數碼，形成了廣闊的磁信息技術領域，磁信息材料在當代信息社會中有著廣泛而重要的應用.矩磁材料制成的磁芯或磁膜可以組成計算機的內存儲器，它利用矩磁材料的矩形磁滯回線的兩個穩定的剩磁狀態，構成計算機二進位制的“0”和“1”雙穩態，進而再利用脈沖磁場存取信息.講授時，輔以存儲原理方面的圖文，吸引學生的注意力.

3 巨磁阻效應工程教育素材在課堂教學中的融入

巨 磁 阻 效 應 （Giant Magneto－Resistive，GMR）是指磁性材料在不同的磁化狀態下電阻率存在巨大差異的現象.這是一種量子力學效應，屬于鐵磁質理論的一個科技前沿領域.為了讓學生了解這一科技前沿，應向學生介紹巨磁阻效應.如何融入呢？筆者借助一個教學案例，說明如何將巨磁阻效應融入到課堂教學當中.

筆者先營造了這樣一個情境：通過圖文展示最早的磁頭，這是一種采用錳鐵磁體制成并通過電磁感應的方式讀寫數據的磁頭.但使用這種傳統磁頭的硬盤由于存儲密度低，要想制造大容量的磁盤，體積也相對較大，從而影響存儲器的便攜性.要想使硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大，勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨立區域越來越小，相應地這些區域所記錄的磁信號就會越來越弱.這就要求磁頭的設計體積應越來越小，靈敏度應越來越高.通過上述問題情境的營造，學生對該問題必然十分感興趣.

這時筆者又以圖片展示了1997年由IBM公司投放到市場的全球首個基于巨磁阻效應的讀出磁頭，然后結合圖文說明這一新式磁頭的工作原理：它是利用特殊材料的電阻值隨磁場變化的原理來讀取盤片上的數據，使用了具有巨磁阻效應的材料和多層薄膜結構，即相同的磁場變化能引起更大的電阻值變化，產生更加靈敏的電流，從而可以實現更高的存儲密度.然后通過列表比對現有的電磁感應磁頭與GMR磁頭的存儲密度的很大差別：使用電磁感應磁頭所能夠達到的盤片密度為3～5千兆位每平方英吋，而GMR磁頭可以達到每平方英吋10～40千兆位.

為突出理論聯系實際的教學原則，筆者通過圖文列舉了學生所使用的電腦、數碼相機、MP4播放器等利用巨磁阻效應技術進行存儲的各種數碼產品.接下來就展示這樣的情境：2007年10月，科學界的最高盛典—瑞典皇家科學院頒發的諾貝爾物理學獎揭曉，法國科學家阿爾貝·費爾（Albert Fert）和德國科學家彼得·格林貝格爾（Peter Grunberg）因分別獨立發現巨磁阻效應而共同獲得2007年諾貝爾物理學獎.瑞典皇家科學院在評價這項成就時表示，今年的諾貝爾物理學獎主要獎勵“用于讀取硬盤數據的技術，得益于這項技術，硬盤在近年來迅速變得越來越小”［6］.

和學生一起看過圖文后，教師提示學生：看看計算機硬盤存儲能力有多大，就知道上述兩位科學家的貢獻有多大了.筆者又利用兩張圖片進行對比：一臺1954年體積占滿整間屋子的電腦，和一個如今非常普通、手掌般大小的硬盤.最后和學生一起來感受：司空見慣的筆記本電腦、MP3、U盤等消費品，這些都閃爍著耀眼的科學光芒.諾貝爾獎并不總是代表著深奧的理論和艱澀的知識，它往往就在我們身邊，在我們不曾留意的日常生活中.

另外，在介紹上述內容之后，筆者還向學生列舉我國在此方面的研究工作：中國科學院物理研究所及北京大學等高校在巨磁阻多層膜、巨磁阻顆粒膜及巨磁阻氧化物方面都有深入的研究；中國科學院計算技術研究所在磁膜隨機存儲器、薄膜磁頭、金屬夾層（MIG）磁頭的研制方面成果顯著；北京科技大學在原子和納米尺度上對低維材料的微結構表征的研究及對大磁矩膜的研究均有較高水平……列舉的目的是讓學生了解我國在此領域的研究狀況.

4 結語

通過工程教育情境的營造，背景的勾勒，使學生看到了是科學興趣和實際生產生活的需要推動了科技的發展，體會了細致的觀察和執著的必要性，提高了學習大學物理的興趣和動力.上述教學手段及教學方法的實際效果，通過學期末的考試成績及問卷調查，學生給予了積極反饋，取得了良好的教學效果.有關鐵磁質知識及理論所涉及的工程教育素材，已經編入了我們的教材中［7］.總之，按照理論聯系實際的教學原則，在大學物理鐵磁質知識的講解中，融入工程教育素材，實現了理論與實際應用的緊密結合，強化了學生工程實踐和科技創新意識，拉近了學生與工程應用領域的距離，符合在大學物理課堂教學中注重工程實踐和科技創新意識培養的要求.

［1］ 鄭怡，陳宏希.鐵磁質的特性與應用［J］.甘肅科技，2000.（4）：45～58

［2］ 教育部高等學校物理基礎課程教學指導分委員會.理工科類大學物理課程教學基本要求［M］.北京：高等教育出版社，2010

［3］ 孫玉魁，張長安，董學智.金屬軟磁材料及其應用［M］.北京：冶金工業出版社，1986

［4］ 周壽增，董清飛.超強永磁體：稀土鐵系永磁材料［M］.2版.北京：冶金工業出版社，2004

［5］ 耿冰，馬桂榮.磁信息材料的特點與應用 ［J］.電大理工，2007，（4）：11～15

［6］ 殷婷，楊辰.巨磁阻效應及其應用［J］.科海故事博覽·科教論壇，2010，（8）：169

［7］ 劉炳勝，李海寶，郭鐵梁等.大學物理基礎［M］.北京：化學工業出版社，2011

ENGINEERING EDUCATION ABOUT FERROMAGNETIC MATERIALS IN UNIVERSITY PHYSICS TEACHING

Guo Tieliang Li Haibao
（College of Science，Heilongjiang Institute of Science and Technology，Harbin，Heilongjiang 150027）

Combining with engineering practice education，the teaching about ferromagnetic materials can achieve the result of linking theory with practice in university physics course.It can improve the teaching effect and make students to understand the application of theory knowledge.Moreover，the combination can help to realize the values of the knowledge，which can encourage students to improve the interest and strengthen the consciousness of active learning.

ferromagnetic materials；giant magnetoresistance；engineering education；university physics

2011－09－05；

2011－11－28）

黑龍江科技學院青年才俊計劃資助；2011年度黑龍江省新世紀高等教育改革工程項目資助.

郭鐵梁（1971年出生），男，黑龍江雙城人，副教授，碩士，哈爾濱工程大學在讀博士，從事信息與通信工程及基礎物理研究.