應(yīng)用型人才的培養(yǎng)與物理圖像的建立

【摘要】國家對應(yīng)用型、復(fù)合型、技能型人才需求的提升，對我們普通工科院校如何上好大學(xué)物理這門課程提出了新的挑戰(zhàn)。通過總結(jié)西方發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗并結(jié)合我國實際需求，本文思考應(yīng)將講授大學(xué)物理課程的重點放到怎樣使學(xué)生正確地掌握和使用各種物理原理上，而其中首要的是幫助學(xué)生建立起準(zhǔn)確和簡明的物理圖像。文中的第二部分以靜電場中的高斯定理為例，通過回顧其發(fā)展的歷史，從中總結(jié)出了適當(dāng)?shù)奈锢韴D像，使教學(xué)過程簡單生動，更加突出物理內(nèi)涵。

【關(guān)鍵詞】應(yīng)用型人才培養(yǎng) 物理圖像 物理學(xué)史 靜電場高斯定理

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）48-0147-01

一、應(yīng)用人才培養(yǎng)與大學(xué)物理課程

近年來，根據(jù)社會經(jīng)濟發(fā)展的需要，我國對高等教育應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提出了更高的要求：2010年公布的《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》中提出要“重點擴大應(yīng)用型、復(fù)合型、技能型人才培養(yǎng)規(guī)模”；而在2017年的《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中再次強調(diào)“推動具備條件的普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變”以及“提高應(yīng)用型、技術(shù)技能型和復(fù)合型人才培養(yǎng)比重”。這一人才培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)型又對我們普通工科院校的大學(xué)物理課程教學(xué)提出了什么樣的要求呢？

要分析清楚這個問題，一些西方發(fā)達(dá)國家的相關(guān)經(jīng)驗無疑是一個很好的借鑒。朱士中在對美國應(yīng)用型人才培養(yǎng)的研究中指出，美國大學(xué)“努力培養(yǎng)出寬口徑、厚基礎(chǔ)，具有創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型特征的人才”[1]。由此可以看出，作為工科基礎(chǔ)課的大學(xué)物理課程的重要性不是降低了，而是升高了。很難想象一個優(yōu)秀的工程師會不知道永動機為什么是造不出來的， 而這一切都與扎實的物理學(xué)知識密不可分。同時，國內(nèi)的專家和學(xué)者也已認(rèn)識到這一問題的重要性，其中劉迎春和熊志卿在對我國應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)和知識結(jié)構(gòu)的研究中就明確指出“數(shù)理”是應(yīng)用型人才知識結(jié)構(gòu)中的“四塊基石”之一[2]。既然如此重要，我們應(yīng)該如何上好大學(xué)物理課？這一課程又與物理學(xué)專業(yè)學(xué)生的普通物理課有什么區(qū)別呢？對此，胡衛(wèi)中和石瑛在其對澳大利亞應(yīng)用型人才培養(yǎng)的研究中反復(fù)強調(diào)澳大利亞對“培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論的能力”的重視[3]。也就是說具體到大學(xué)物理課程，我們應(yīng)該把重點放在培養(yǎng)學(xué)生對物理理論的應(yīng)用而非理論本身，使學(xué)生在今后的生產(chǎn)實踐中能夠正確地利用物理規(guī)律，至少不做出違背物理規(guī)律的事情。要實現(xiàn)這一目的，努力必然是多方面的。

其中，幫助學(xué)生建立準(zhǔn)確、直觀和簡潔的物理圖像無疑是其中的首要一環(huán)。以上面提到的永動機（第一類）為例，如果學(xué)生能夠建立起——各種能量總量守恒，不同種能量之間在一定條件下通過做功又可以相互轉(zhuǎn)化——這一簡明清晰的物理圖像，那么問題就會迎刃而解。這樣，一方面學(xué)生掌握了相應(yīng)的物理知識可以指導(dǎo)應(yīng)用，另一方面也有助于降低學(xué)習(xí)過程中因為過多的數(shù)學(xué)表述所帶來的畏難情緒。下面，我們將以靜電場中的高斯定理為例，討論大學(xué)物理程中物理圖像的建立。

二、靜電場中的高斯定理——物理圖像教學(xué)的一個例子

靜電場中的高斯定理的表達(dá)式為[4]：

？椎e=■E·dS=■∑q■

它反映了通過閉合曲面的電通量與其所包圍的電荷間存在著定量的關(guān)聯(lián)。在介紹高斯定理前我們還需要先引入電場線的概念，然后再引入電通量，最后再對高斯定理的數(shù)學(xué)表達(dá)式進行證明。一方面，電場線與電通量的概念較為抽象；另一方面，數(shù)學(xué)證明過程也較為繁復(fù)。這樣一堂課上下來，學(xué)生的接受度往往不高。因此，建立一個直觀、簡明的物理圖像在這里就顯得尤為重要。

要如何建立這個物理圖像，我們不妨從電場線的發(fā)展史中去尋找答案[5]：首先，電磁作用“力線”的構(gòu)想是由法拉第最早提出的，他認(rèn)為電荷與電荷靠充斥在空間中的力線（也就是電場線）聯(lián)系在一起，力線從正電荷發(fā)出、到負(fù)電荷終止；此后，W.湯姆生致力于將法拉第力線思想翻譯成數(shù)學(xué)公式，做出定量的表述，他借鑒熱傳導(dǎo)理論，于1842 年發(fā)表了題為《論熱在均勻固體中的均勻運動及其與電的數(shù)學(xué)理論的聯(lián)系》的論文，在文中他指出電的等勢面對應(yīng)于熱的等溫面，而電荷對應(yīng)于熱源，接著他又進一步研究了電磁現(xiàn)象和流體力學(xué)現(xiàn)象的共性，并于1847 年發(fā)表了題為《論電力、磁力和伽伐尼力的力學(xué)表征》的論文；麥克斯韋發(fā)展了湯姆生的類比方法，1856年他發(fā)表了第一篇關(guān)于電磁理論的論文——《論法拉第力線》，在這篇文中，他用不可壓縮的流體的流線類比于法拉第的力線，把流線的數(shù)學(xué)表達(dá)式用到靜電理論中：流線不會中斷，力線也不會中斷，只能發(fā)源于電荷。

通過對電場線發(fā)展歷史的回顧，我們可以看到靜電場的電場線與熱流和水流之間存在著共性——有源性：電場線從正電荷流向負(fù)電荷，過程中不會中斷。因此，將電場線類比為水流，既簡明又準(zhǔn)確。這樣，電通量的概念也具體了起來，可以類比成通過某一個面水流的流量。最后，我們再回到高斯定理，其物理內(nèi)涵就很明確了：電荷就是水源，電場線就是水流，通過閉合曲面的電通量是多少，顯然是由源頭——也就是電荷決定的。至此，整個物理圖像就建立起來了。這樣一來，首先，學(xué)生便于理解，可以更好地把握住高斯定理的物理內(nèi)涵。于此同時，授課過程也可以顯得不那么枯燥，學(xué)生對學(xué)習(xí)建立的興趣和信心，之前覺得復(fù)雜數(shù)學(xué)證明再學(xué)起來，接受度也會提高。

數(shù)學(xué)是語言，物理是內(nèi)涵。建立物理圖像的過程，實際上就是將物理內(nèi)涵講授給學(xué)生的過程。弄懂了內(nèi)涵，語言也就不再是障礙了，反而更有利于促進對數(shù)學(xué)知識的理解和融會貫通。而這也將形成數(shù)理間相互促進的良性循環(huán)。

三、結(jié)語

隨著國家越來越重視對應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，對高等教育工作顯然提出了新的要求和挑戰(zhàn)。而作為一名普通工科院校的公共基礎(chǔ)課教師，我也一直在思考自己應(yīng)該如何上好大學(xué)物理這門課程。通過學(xué)習(xí)發(fā)達(dá)國家的先進經(jīng)驗，并結(jié)合我國實際，我逐漸將授課的重點從教授物理理論轉(zhuǎn)移到怎樣正確地掌握和使用這些物理原理上。為實現(xiàn)這一目的，我們可以進行很多方面的嘗試：例如在教學(xué)過程中引入更多的實例教學(xué)；課后習(xí)題情境更加貼近于現(xiàn)實，甚至我們可以對生產(chǎn)中的實例稍加調(diào)整作為題目；還可以鼓勵學(xué)生進行物理相關(guān)的小設(shè)計小發(fā)明等等。但我認(rèn)為，其中首要的是幫助學(xué)生建立準(zhǔn)確和簡明的物理圖像，使學(xué)生不被看起來比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)語言所迷惑。這樣，在使學(xué)生掌握知識的同時，也更有利于建立他們的信心，培養(yǎng)他們的興趣。扎實的物理學(xué)知識，必將令他們未來的優(yōu)秀工程師之路更為順暢和寬廣，而這正是我們大學(xué)物理課程的目的所在、價值所在。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱士中.美國應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式對我國本科教育的啟示[J]. 江蘇高教，2010（5）：147-149.

[2]劉迎春，熊志卿.應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)定位及其知識、能力、素質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究[J].中國大學(xué)教學(xué)，2004（10）：56-57.

[3]胡衛(wèi)中，石瑛.澳大利亞應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式及啟示[J].開放教育研究，2006，12（4）：92-95.

[4]張三慧，臧庾媛，華基美.大學(xué)物理學(xué)（第三冊）電磁學(xué)[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社，1991.

[5]郭亦玲，沈慧軍.物理學(xué)史[M].北京：清華大學(xué)出版社， 1993.

作者簡介：

趙阿蒙（1984-），女，漢族，遼寧省朝陽市人，研究生，講師，研究方向為高能核物理。