“現代工程物理基礎”課程教學的組織與實踐＊

李海寶 任常愚 張曉鵬 丁紅偉 尹向寶

（黑龍江科技學院理學院，黑龍江 哈爾濱 150027）

1 引言

隨著我國高等教育規模的不斷擴大和人才需求結構的變化，近年來我國多所高校增設了一批專業方向各異的應用物理學本科專業［1］.不同學校開設的應用物理學專業，在一定程度上反映相應學校的行業特色.我校在2010年被教育部正式批準增設應用物理學專業.由于我校是黑龍江省惟一一所以礦業為特色的應用型本科高校，我校所開設的應用物理學專業，以煤礦等特殊環境下光電檢測技術和傳感器設計為專業的主導特色.專業所開設課程，緊緊圍繞這一主導特色進行.

2 開設“現代工程物理基礎”課程的意義

2011年頒布的《高等學校應用物理學本科指導性專業規范》（2010年版）在編寫過程中所遵循的基本原則之一就是要拓寬專業口徑，做到“科學基礎寬厚，學科支柱堅實、專業特色鮮明、鼓勵學科交叉、適應不同領域”.根據這一指導思想，我校重新擬定了2011年版《應用物理學專業人才培養方案》.其中專業通識教育模塊所開設的課程中，增設“現代工程物理基礎”和“煤礦物理檢測技術”兩門課程.目前“現代工程物理基礎”課程已經完成了一個教學周期的開課任務.“現代工程物理基礎”的課程定位為專業特色通識性課程，于學生入學后第四學期開設，計劃學時為36.其先修課程是力學、熱學、電磁學、光學、原子物理學等.開設該課程，目的是以工程技術發展為主線，著力培養學生的工程意識、培養現代工程觀［2］；以工程為背景，將工程教育、自然科學教育、人文社會科學教育相融合，使學生掌握專業學習所具備的基礎知識，基本技能，為專業學習做好準備.

根據我校擬定的應用物理學專業人才培養方案，學生畢業后應具備在物理學、光信息科學、光電子學、自動檢測技術等相關領域的科學實驗、科學思維與工程實踐技能，具有創新意識、創業精神和較強實踐能力的應用型高級專門人才.該課程的開設，應滿足培養目標需要，并在以下幾個方面體現其重要意義：

（1）促使學生了解現代工程技術；

（2）督促學生探尋現代工程技術中的物理原理、思想、方法；

（3）引導學生領略現代工程技術涉獵的前沿陣地；

（4）幫助學生尋找感興趣的科研領域或研究方向。

3 “現代工程物理基礎”課程教學的組織與實踐

3.1 “現代工程物理基礎”課程內容的遴選和組織

由于物理學是一切自然科學和工程技術的基礎，課程可以選擇的內容十分廣泛.但在有限的學時前提下，必須對內容進行精心遴選.遴選的依據就是緊緊圍繞人才培養目標的需要，有助于學生畢業后能夠在物理學、光電信息檢測與處理、通信、光電子技術、自動控制等領域，從事應用技術開發、產品設計、科學研究或教學、生產管理等方面工作的需要.我們遴選了現代采掘技術、現代助視儀器、現代交通工具、現代測試技術、影視聽新技術、現代光電子器件、智能傳感器等9個領域內，涉及的物理知識為課程講授的主體內容.同時，在保證主體內容的前提下，適當融入一些技術領域內的前沿動態以及經濟效益情況分析等內容.

在內容組織上，圍繞一個專題領域進行.以“現代助視儀器物理基礎”為例，“現代助視儀器”為專題領域，以人類客觀需求和工程技術發展為主線，融合的內容包括光學顯微鏡、電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、望遠鏡等.經過精心設計，將所涉及的內容進行有機銜接，既實現必要知識點的傳授，又能夠有效幫助學生就一個領域有一個系統性的認識；既立足于現有物理知識的講授，又實現對接工程技術的教學目標.

3.2 “現代工程物理基礎”課程教學的實踐

（1）努力聯系學校優勢學科和特色專業

我校是一個以礦業為特色的應用型本科高校，擁有采礦工程、礦業工程等黑龍江省重點學科和國家特色專業，建有“煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理”實驗室、采礦工程等省重點實驗室；另設有安全工程研究所、采礦安全技術研究所等機構.我校開設的應用物理學專業，就是要以煤礦等特殊環境下光電檢測技術和傳感器設計為專業特色，以服務煤炭行業為基本導向.

煤礦的深部開采，需要利用更加優質、可靠的傳感器.在面向學生講解智能傳感器物理基礎這一專題內容時，我們側重講解多功能傳感器在此領域內應用研究.將某些類型的傳感器進行適當組合而使之成為新的傳感器，能夠以較高的靈敏度和較小的誤差同時探測多種信號.講解在礦井中，例如煤礦綜合檢測系統中，所使用的傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器、瓦斯濃度傳感器、煤塵傳感器等數十種.將來可能出現基于集成光學理論的礦用多功能傳感器，即采用光學敏感材料，如改性光纖，經過合理的結構設計，將壓力、溫度、瓦斯濃度等敏感單元進行光學集成，從而可能實現多種物理信號的同時檢測.

如果只講解一個單一功能的傳感單元，由于其傳感原理只對應一個物理原理，缺少創新.但如能將多個傳感單元進行集成，實現多物理信號的同時監測，這就不僅涉及一種物理原理，還涉及各傳感單元間信號的優先權問題以及結構設計等問題.同時我們還向學生介紹煤礦深部開采工程中當前亟需解決的技術問題，這樣就做到結合我校的特色優勢學科專業的支撐，使得學生學習緊密聯系實際.

（2）積極營造與專題相應的工程教育情境

工程教育情境的營造在該課程的教學中，顯得十分重要.利用創設情境的方法，能提高學生的學習興趣，并有助于學生能力培養［3］.在講授影視聽新技術專題時，我們營造了這樣的場景：先利用多媒體投影機播放了一段《百年科技啟示錄》中《穿越時空的20世紀電視的發展》視頻，讓學生借此對視聽技術的發展有了一個初步印象；然后在大屏幕上展示了當今市場上主流的液晶電視、LED 電視等的圖文信息，以及未來大屏幕顯示技術動態信息.學生受到情境的深深吸引，變得集中精力.

我們抓住時機，從最早人類萌生視聽信息重現的愿望開始講起.先后講解了機械式顯示、電子管顯示、等離子體顯示、液晶顯示、場致發光（LED）顯示中的物理學原理.在講解各種顯示技術時，注意融入技術誕生的時代特征，注意分析每種顯示技術的優點和缺點.指出優點是為了說明對應顯示技術誕生和生存的基礎，而點明缺點則是為了引出下一升級顯示技術內容.

（3）緊緊圍繞專題努力拓展相關教學內容

工程設計方案的選擇和實施，往往要受到社會、經濟、法律、公眾等多種因素的制約.解決現代工程技術問題，需要綜合運用多種專業知識，這是現代工程技術的重要特征.因此，現代工程技術人員不能滿足于專門知識和具體經驗的縱向積累，必須廣泛汲取各類知識，建成有機的知識網絡，以便適應現代工程這一綜合性系統的要求.

仍以影視聽新技術為例，涉及的物理知識很多，在講解一個知識點時，要做盡可能的拓展.例如在講解液晶顯示技術時，要在講解液晶電光效應的基礎上，還要講解偏振光的干涉、馬呂斯定律、三基色原理、矩陣液晶顯示、LED 背光等知識和技術；在講解3D 顯示技術時，注意融入立體聲采集原理、立體聲記錄技術、立體聲還原、立體視覺原理、立體視頻采集、3D 攝影機、主動快門式3D 技術、偏光3D 技術、出屏（縮屏）原理等.

（4）圍繞專題教學主線對接技術領域前沿

開設課程的意義中有一條，就是努力與技術領域發展的前沿相銜接，我們認為這是這門課程開設的生命力所在.在影視聽新技術的教學中，因為場致發光顯示技術是當前平板電視發展的最前沿技術，為此我們花了很大的篇幅來介紹這項顯示技術，給學生重點講解注入式場致發光技術，及其超薄特性、節能特性等關鍵技術.在引用舉例方面，我們引用了2011年，中國顯示產業顯示領域的領軍者——京東方宣布在鄂爾多斯投建第5.5代AMOLED 生產線的這一新聞，“這條生產線也是當今世界第二條5.5 代AMOLED 生產線.不僅表明京東方的自主創新的技術能力在邁上新高度，而且意味著京東方在下一代顯示技術OLED 領域與國際巨頭處于同一起跑線上.只要政府持續不斷地支持，我國新型顯示科研與產業就一定能趕超世界一流水平.”［5］

這種做法，將使學生直面行業領域的產業前沿陣地，直接引用學生能夠方便獲得的相關信息，有助于提高學生的學習興趣，有助于學生尋找自己的科學研究領域和研究方向.

（5）融入國家產業的發展政策和戰略部署

我們知道，一切工程活動都是為了增進社會利益，滿足社會某種目的［4］.工程的組織者和工程技術人員要充分理解社會現實的某種需要，一項工程技術的發展實際上是社會發展到一定程度時社會需求的表現.因此，對于一個成功的工程項目來講，不僅在技術上要求先進和可行，還要在經濟上實現高效益，即要求工程方案的成本最低，效益最大.因為在工程實際中會存在許多不確定的因素和相互矛盾的要求，所以須進行系統的綜合平衡，以求最大限度地滿足社會需要，取得滿意的社會效益和經濟效益.

這些內容，會反映在國家經濟發展戰略上來.在課堂教學中，應結合具體內容，適當融入國家產業政策和發展戰略.在講解現代交通工具這一專題時，我們講解了超導磁懸浮列車、新能源汽車等內容.針對新能源汽車，我們為學生講解了我國國民經濟第十二個五年發展規劃中，有關新能源汽車發展的產業政策，以及我國出臺此項政策的客觀條件［6，7］.

3.3 “現代工程物理基礎”課程教學手段的選擇

由于該課程內容涉及圖片、視頻、演示動畫等眾多展現載體，課程教學應以多媒體教學為主要現代化教學手段.在多媒體課件的設計上要注意風格統一、色調鮮明、主題突出、賞心悅目，同時便于學生課下自學使用.

開發和建設數字化資源是非常重要的準備工作.迅猛發展的互聯網技術、聲圖文并茂的多媒體技術、現代化存儲技術，以及不斷完善的計算機硬件系統，為實現教育教學的信息化提供了平臺.但教育的信息化更需要大量的數字化工程教育素材作為核心內容.事實上，當前缺少富有工程教育色彩的數字化教學資源.因此我們需要按照現代工程物理基礎課程的需要，來收集、整理、開發、編撰數字化的教學資源，建立數字化教學資源庫，以供使用.

同時，我們認為該課程教學應該在課堂教學之外積極拓展教學空間，充分利用互聯網、萬方數據庫、中國知網等新媒體.在短短的36個學時中，能夠完成的教學任務十分有限，不可能做到所講授知識點面面俱到.教師必須要做到重點突出、詳略得當.對于課堂教授中為保證知識體系的完整出現的，但沒有深入講授的知識點，教師指明相應參考文獻的數據信息，指導學生在課下時間自行閱讀和學習.

4 結論

一個學期課程結束后，我們通過問卷調查和召開師生座談會的方式，面向學生做了反饋調查.學生對課程的教學組織形式非常滿意，所學習的知識豐富，物理思想性強、趣味性濃，基本找到自己比較感興趣的研究領域，堅定了后續課程學習的信心和動力.

開設“現代工程物理基礎”課程，是我校應用物理學專業彰顯特色的一項改革舉措.在充分吸收國內應用物理學專業課程設置方面的工作經驗后，對我校開設該門課程進行了充分地評估和準備.通過一個教學循環的實踐，取得了一定的實際經驗，達到了課程開設的預期效果，為我校應用物理學專業接續開設“煤礦物理檢測技術”提供了借鑒經驗.

［1］教育部高等學校物理學類教學指導分委員會.高等學校應用物理學本科指導性專業規范［M］.北京：高等教育出版社，2011

［2］趙國剛.“三大”教育理念與工程人才培養體系［J］.高等工程教育研究，2009，（4）：48～51

［3］李海寶，任常愚，金永君等.課堂教學中物理工程教育素材的開發與融入［J］.物理與工程.2011，21（4）：61～64

［4］首都科技網.現代工程［EB/OL］.2003－5－29

［5］中國科技網.新型顯示技術：三年躋身世界四強［EB/OL］.2012－3－6

［6］中華人民共和國國務院.國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）［EB/OL］.2006－2－9

［7］中華人民共和國國務院.中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要［EB/OL］.2011－3－16