工科物理教學中物理與工程交叉滲透的探討

趙瑞娟　劉興來　張旭峰　胡俊麗　王建邦

(中北大學理學院　山西 太原　030051)

工科物理教學中物理與工程交叉滲透的探討

趙瑞娟劉興來張旭峰胡俊麗王建邦①

(中北大學理學院山西 太原030051)

摘 要:從多方面探討了如何以學生為本，通過物理與工程的交叉滲透，充分發揮大學物理課程在工程素質教育中的重要作用．

關鍵詞:大學物理教學物理與工程工程意識

1引言

任何一個工科本科專業培養計劃都會強調培養學生用工程觀點看問題、從工程的角度思考問題、用工程的方法處理問題．而按系統論觀點，專業培養計劃這個系統是由相互作用、相互依賴的若干組成部分(要素)結合而成的、具有特定功能的有機整體[1]．系統的功能主要取決于它組成部分的配合與協同作用(非線性)的優劣，而不只是取決于各要素性能的高低．作為非物理專業大學物理課程是專業培養計劃中一門課、一個要素、一個子系統．因此，應當把大學物理課程教學改革放在工科專業培養計劃這個大系統內來審視，如果脫離專業培養計劃獨自為政，不僅教學效果會大打折扣，也定然不為學生所接受．

為此，本文探討如何以學生為本，通過物理與工程的交叉滲透，充分發揮大學物理課程在工程素質教育中的特定作用．

2物理學與工程科學的區別與聯系

作為自然科學的物理學是一門實驗科學．然而，觀察和實驗的原始數據并不代表物理規律，自然界(包括工程)發生的一切實際的物理現象和物理過程，一般都是比較復雜的，影響它們的因素也是多種多樣的．如果一開始就不分主次地考慮各種因素，不僅會增加認識的難度，得不到準確的結果，相反還會導致對最簡單、最本質的物理圖像的分析也無從下手．因此，在物理學的研究中，采用理想化方法，把復雜問題轉化為理想化的簡單問題．理想化方法主要包括建立理想模型、理想過程與設計理想實驗等3個方面．考慮到物理學要回答的是“是什么？為什么？”的問題．而以物理學為基礎的工程問題，它回答的是“做什么？怎么做？”.從這個意義上說，工程問題都可以看作是物理學基本原理的延伸、擴展與應用．

工程問題往往是綜合性的．如自動控制系統就涉及檢測指令信息、外界變化信息、被控對象的狀態信息并將其變換成電信號傳給控制裝置的傳感器，涉及相當于人的大腦和神經系統的控制裝置，涉及相當于人的手、腿及其肌肉的操作執行機構等．好比一個光干涉系統包含光源(信號)、光學器件(信號控制、傳輸)與接收屏(接收、存儲、記錄、處理)．從物理學觀察自控系統，包括物質流、能量流與信息流3個相互交叉的物理過程．在物理學中不論哪個過程都需要用理想模型、理想過程或理想實驗來分門別類研究，這就是物理學與工程科學的聯系與區別．

3物理與工程的交叉與滲透

物理學是一門自然科學，也是一門基礎科學，它是工程技術科學的基礎和發源地，是當代高新技術的搖籃，如現代電子和信息技術的物理思想和物理原理的得來，是源遠流長的．工程技術支持與支撐著物理學的發展，使物理學從思辨走向現實應用，使人們對物理理論的認識得以深化．歷史發展的軌跡，必然會反應到大學物理教學改革中來．但一項工程任務整體涉及“構思、設計、實現、運行”．

工程技術中的“構思、設計、實現、運行”與大學物理毫無關系嗎？以“激光原理”[2]一章的教學為例，大學物理側重“產生激光的基本條件”和“激光器的工作原理”，這是構思與設計任何一臺激光器的工程技術人員必需掌握的前提，如果說沒有直接關系，那就是這一章不涉及激光器的實現(制造)與運行(使用)．這應該就是物理學向工程的交叉滲透．

事實上由于工程技術都可以看作是物理學基本原理的延伸、擴展與應用，大學物理各章各節的內容或多或少、或深或淺、或直接或間接地滲透到工程科學中．工程問題在構思階段需要擴展物理模型，在設計階段需要組合各種模型．而在解決工程問題時奉行的“綜合、實用、創新、環保、節能”的工程理念在大學物理中時隱時現．如在“氣體分子速率分布律的實驗測定”[3]教學中，從1920年施特恩實驗、1930～1934年的蔡特曼-葛正權實驗到1959年馬修斯-麥克菲實驗，實驗儀器的構思、設計、貫穿的“綜合、實用、創新”與工程理念如出一轍．

當然，在講課過程中，一方面，對于大學物理與工程技術的關系，不能喧賓奪主，不能過多展開，失去物理體系的完整性；另一方面，如果不能使學生意識到物理對工程技術的重要性，又會使得學生失去學習興趣，感覺學物理沒有用．因此，兩者的如何平衡考驗著教師的智慧．

4在大學物理教學中滲透工程觀念

在大學物理課程教學中如何滲透工程觀念？如何有意識地培養學生的“工程觀念”？使學生強烈意識到學物理與專業密切相關，我們主要做法如下.

4.1在教材中分散靈活滲透

在由王建邦教授主編的大學物理學(教育部“十二五”國家級規劃教材)已經體現了物理與工程的相互交叉滲透，如在教材中涉及到的有關工程技術應用的“接口與窗口”多達60多處，既有經典物理學原理應用，又有物理原理在近代工程技術中的最新應用[2,3,5]．在正在修訂的第5版中每一章增添一節“物理原理的拓展與應用簡介”．

4.2在新版教材中體現教改成果

在教材第5版增添一節“物理原理的拓展與應用簡介”時，選擇學生歷次物理原理應用報告會的內容進入教材，體現教學、教材與工程應用的緊密結合．不會過多展開，意在激發學生關心物理效應在工程中應用，能起到引導學生自己查資料了解相關內容更好．

4.3教學中多方強調“工程應用”和“能力培養”

在教材第5版增添一節“物理原理的拓展與應用簡介”基礎上，結合例題與習題及定期組織的“學生物理原理應用報告會”[4]，例如，參加報告會的高分子材料與工程專業學生介紹了最新發現的石墨烯材料幾種制備方法的報告[5]，這其中既包含了固體物理中關于物質結構的描述分類方法，又體現了工程的觀點，關注了新材料的制備、性能及用途等．這樣學生既關注了物理原理的應用，又與自身所學專業材料科學緊密聯系．

通過舉辦這樣的活動，引導學生在學習大學物理過程中注重理論聯系實際，引導學生結合自身專業關注物理應用，并提出自己的設想．指導學生在設想合理的同時，滲透現代工程觀念 “綜合、實用、創新、環保、節能”．正如學生在小結中所言：“物理不是沒用，而是自己不知道怎么用，沒辦法用”．

5結束語

在大學物理教學中,積極滲透工程觀念，既讓學生有機會和動力去學習課本以外的知識,也讓物理的學習過程更加豐富多彩;關注物理原理的同時,注重工程理念，也會讓同學們加深對物理的認識,真正實現理工結合,理為工服務!

參 考 文 獻

1趙瑞娟,劉興來,楊艷,胡俊利,王建邦.大學物理教學中“知識 能力 素質”的融合.物理通報,2012(2):21～22

2王建邦.大學物理學(第二卷).近代物理基礎(第4版).北京:機械工業出版社,2014.160

3王建邦.大學物理學(第一卷).經典物理基礎(第4版).北京:機械工業出版社,2014.369

4趙瑞娟,張旭峰,侯利潔,等.延伸課堂 組織學生物理學習報告會的實踐與探索.物理與工程, 2013(4):37～38

5趙瑞娟,劉興來,張旭峰,等.大學物理課程中的工程教育的探索與實踐.物理與工程, 2014(S1):82～83,86

收稿日期：(2015-03-30)

作者簡介：趙瑞娟(1978-),女，講師．研究方向為磁性功能材料.