“強實用，重能力”為導向的工科物理教學探索

梁雄　賴國忠　王穎

摘 要 以“強實用，重能力”為導向，主要從課堂內容的取舍，實驗內容設置，考查內容的優化等三個方面對電子工程專業的大學物理教學進行了改革嘗試，結合具體的教學例子說明了如何將課堂內容實用化以及如何突出物理在應用型人才培養中的作用。

關鍵詞 工科物理 課程銜接 實用性 思想實驗 對稱性

近些年新升本科院校向應用型院校轉型，以期針對性地培養企業和社會所需的高級應用型人才。各專業都紛紛順應社會需求，積極向工程專業轉型發展，對原有的課程體系進行了調整和優化，工科專業在培養方案制定過程中，大幅度地增加實踐教學的課時比重，而擠壓大學物理的課時數。原有大學物理教學內容已難以與現有的專業課程匹配，以往的教學內容側重于物理理論知識的傳授，而且教材內容更新與科學技術發展明顯有一定滯后感；實驗項目多以驗證性實驗為主，實驗內容專業針對性比較差，單純地增加實驗項目也難以增強學生動手能力。不少文獻針對這些現狀提出了改革和優化措施：為了加強與專業課程內容對接，有的提出物理模塊化教學；[1]有的提出“分專業教學，教學形式多樣化”；[2]也有提出“對理工科中不同專業采取不同側重點的教學，加強理論知識和實際應用的聯系”；[3]有提出“合理應用多媒體輔助手段，加強物理內容與專業緊密貼合”；[4，5]還有提出“培養學生應用能力和實驗技術，開發具有專業特點的實驗”。[6]

為了使大學物理的教學內容更好適應各工程專業的發展，不同專業的大學物理教學內容側重點必然有所不同，但總的教學導向是一致的，那就是教學內容必須體現實用性。本文主要以電子工程專業為例說明：為了增強大學物理在電子專業人才培養的作用，一方面要繼承傳統的物理教學方法的優點，如重視基礎知識講授，另一方面要逐步擯棄過于注重物理的理論推導以及解題方法的傳授，筆者結合平常教學反思從大學物理教學及其考查方式兩個模塊進行了一些改革嘗試。

1 理論教學重基礎

在課時數受到大幅度擠壓的情況下，教學過程容易以“蜻蜓點水，走馬觀花”式進行內容的灌輸，那么學生只能疲于應付，教學效果將大打折扣。在此建議，教學應兼顧物理內容的完整性和專業的針對性的基礎上，合理地取舍大學物理教學內容，既保證物理學的基礎知識的比例，又有效地知識內容與專業課程之間的銜接，以便帶領著學生好好領略物理大觀園里的美景。

物理各個章節依據電子專業特點應有所側重，具體見圖1所示。機械振動中的受迫阻尼振蕩應結合電磁學中LC振蕩電路作一個系統的分析，說明這類振動的運動規律，并引導學生理解LC振蕩電路的選頻特性；氣體內輸運過程這一章節內容可結合CPU的散熱片結構特點說明熱傳導的傅里葉定律的應用、應用擴散的裴克定律說明PN結的形成過程。對于電子工程專業而言，電磁學篇章是整個教學的重心，要系統地說說電磁場產生和分布規律。電容和電感相應的章節以導線為例講解其電容和電感，并借此讓學生認識到電子線路中的線路存在一定潛布電容和潛布電感；由電流密度解釋電流分布對電阻的影響；由尖端放電的利弊探討焊接電路時應注意的問題；由電容導電的規律可以說明為什么高壓電線只能高架空中而不宜鋪設地下。

2 教學內容凸顯實用性

為了提高學生的學習興趣和積極性，通過查閱文獻、網絡搜尋等多渠道找到許多生活實例，進行必要的物理加工并引入課堂講解，主要可從以下兩個方面為教學內容增添趣味性和實用性：

（1）教學過程中不妨引導學生如何利用物理知識來解決生活中遇到的一些麻煩或疑問。他們當中有不少人在學駕車，經常會碰到轉彎如何打方向盤以及如何判斷距離，結合質點運動學知識來說明小汽車轉彎過程前后輪曲率半徑差值，并應用Matlab軟件畫出汽車轉彎過程前后輪的軌跡，以此來說明倒車入庫要注意的一些問題，結合球面鏡成像規律討論一下如何判斷本車與后車之間的距離；學校里頭經常聽到某某衛生間的下水道堵了，由于排泄管道中通常都有“N”形彎道以避免管道中的臭味往上竄，此處最容易造成堵塞，堵塞物通常是頭發之類的柔軟物體，此時引導學生利用理想氣體的壓強公式疏通馬桶，講解過程要突出改變同樣氣體容積的前提下如何使氣體增壓較為顯著；結合熱力學第一定律說明壓縮機型致冷機，一個工作循環過程工質氨的物態經歷怎樣的變化，以及致冷的原理，順便可以提一下空氣能熱水器的工作原理；以慣性力的知識說一說血液檢查所用離心機的工作原理等等。

（2）結合安全教育說物理規律的應用，這一做法一方面可以增強學生安全意識，另一方面可加深對物理規律的理解，真可謂一舉兩得。當單手被壞蛋緊緊抓住時如何利用力矩知識來巧脫身，可在班級中找一個健壯的男生和一個女生現場演示一下，重點放在如何科學選擇好杠桿的支點（以壞人的抓手位置作為支點）從而達到四兩撥千斤的放大效果，但要提醒學生注意力度避免造成受傷；應用力學知識教學生地震時如何找生命三角地帶，從而確保自己和家人朋友遭受的傷害減到最小，甚至毫發無損；結合流體力學說說由于快速運動造成氣壓差可能帶來的危害；由尖端放電談論雷雨天氣要注意的安全問題。

補充的實例分析和求解不宜過于復雜，否則建議寫成小論文，放在班級的QQ群里文件共享以便學生學習。這些實例將使得教學內容變得更加豐富多彩，一味只增加實例必然導致課時不夠用，因此可刪除一些課本上的不切合實際的例題。在豐富課堂內容同時，充分利用好多媒體“圖、文、聲并茂”的優點對內容進行必要的包裝和美化：組織教學團隊拍攝演示實驗方面的錄像，這對提高大學物理的教學效果都非常有幫助。

3 注重探索物理的方法教育

教學過程中應注重物理大師們探索物理方法方面的教育。任何一條物理定理（或定律）的發現往往都經過物理學家的艱辛摸索，舉些典型例子（例如電磁感應定律發現史）進行物理世界探索方法的教育是非常有必要；物理學家們不斷改進實驗裝置驗證庫倫公式的平方律；也可從物理模型的類似性去啟發解決新問題方法，例如庫侖定律與萬有引力定律之間進行類比，點電荷與電流元之間的類比；從已知的物理規律如何提出新理論新方法，例如薛定諤方程如何從黑體輻射規律、光電效應和已知的物質波假設等知識實現了一次從經典物理到量子物理的華麗蛻變。對稱性和物理量的有限在分析物理問題中有著非常廣泛的應用，比如利用對稱性很容易判斷均勻帶電球體和均勻帶電平面在空間任意點所激發的電場強度方向。

另外，物理中有不少典型思想實驗，[7]如伽利略自由落體思想實驗，相對論中的雙生子佯謬和量子力學中的薛定諤貓和EPR佯謬等，這類特殊實驗不需昂貴的實驗器材，但可以對培養學生的邏輯思維和加深對物理知識的理解都非常有意義。這里舉個例子：以火車過山洞為例應用數學中的反證法[8]說明垂直運動方向長度不隨運動而發生變化：

假設其靜止時的火車頭的高與山洞的高度一致。我們不妨假設垂直運動方向的長度會縮短，對于火車上的觀察者而言，山洞在運動，因此根據前面這一假設，山洞高度會變小，而火車相對于觀察者而言是靜止，火車頭高度沒有變化，那么這列火車無法穿過山洞；而對于站在地面上的觀察者而言，山洞是靜止，其高度不變，火車是運動的，因此火車頭高度將變小，則火車可以順利地過山洞。但是火車到底能否穿過山洞的這一事實肯定與所選參考系無關。同樣，你可以假設其長度會膨脹，仿照前面分別選取火車和地面為參考系也導致截然相反的兩個結果。綜述起來，垂直運動方向上的長度不隨運動而發生改變。這個例子講解起來并不復雜，但它對學生的思維開發是非常有幫助。

4 實驗教學重能力培養

該專業的大學物理課分兩個學期完成，第一學期主要做些力熱、光學方面的實驗，可開設一些導熱系數的測定、透鏡焦距測定方法等實驗，以提高學生動手能力和實驗技能為主；第二學期專門開設電學方面的實驗，可根據電子專業需要選擇電子示波器的使用、RLC暫態實驗、惠斯通電橋測電阻和交流電橋測電容等實驗，對不同實驗項目內容設置探索方面的新內容。這樣設置的優點就是實驗內容針對性較強，同時增強電學實驗系統性，以便更好理解電學方面的知識，為后續課程（如模擬電路）奠定實驗基礎。

對于學生實驗過程出現一些小問題，例如電路導線故障、示波器觀測李薩如圖時圖像無論怎么細調都無法顯示穩定圖形，不要急于幫學生解決，先讓學生分析其原因并嘗試尋找解決的辦法，而對于超出他們知識范圍和能力的問題，時間允許的范圍內逐步引導學生去分析。這樣才能更好培養學獨立完成實驗的良好習慣，學生在解決問題過程獲取成就感，可進一步增強自信心，他們應用知識解決問題能力就會逐步提高，這些可為他們的今后電路調試積累故障排除的經驗和方法。

5 考試命題強調專業應用

教學過程要利用好期末考查在學生學習過程中的導向作用，考查難度大會讓平時學習能力弱些的同學放棄努力，考試內容過于簡單則會讓學習能力好的同學產生惰性。整個班級學習能力具體情況主要通過課堂小測驗和半期考等方式來檢測，測驗后試卷分析這一步非常關鍵，可以為期末試卷難易度的控制提供依據。試試卷命題時不要片面地 追求高難度，而要重在考查學生應用知識解決實際問題的能力。

以電磁學為例進行說明考查內容。在考查電磁學知識，要突出考查電場強度、磁感強度、法拉第電磁感應定律、電容、電感和電路分析等基礎知識。有些基礎知識可以結合電子線路設計過程常遇到一些問題來考查，可以考查電容、電感的計算或測試方法，可以出一些具體實例考查利用電子元件器串聯和并聯方式來改變電容和電感的方法，以及如何減小電感器件之間的互感等等。

6 結束語

從電子工程專業人才培養需求的角度探討了工科物理教學內容的改革和優化，可以從這幾個方面來提高教學效果：加強內容實用性和專業針對性，最大程度地激發學生的學習興趣；控制好基礎知識與拓展知識之間的比例；注重方法教育和能力培養，適當講述物理定律發現史；充分發揮多媒體的優勢對課堂內容進行必要的梳妝打扮；增加應用知識解決實際問題在期末考查中的比例。

參考文獻

[1] 鄭文珍.工科大學物理教學與改革幾個兩難問題的分析與討論[J].物理通報，2015（4）：26-29.

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[3] 楊學峰，張書霞.對理工科大學物理教學改革的建議[J].科技創新導報，2016（1）：146-147.

[4] 張東梅，鮑志剛.工科大學物理教學改革的幾點思考[J].科技風，2017（2）：37-38.

[5] 王松偉，張鑫，張彤，等.工科類大學物理課堂教學改革[J].現代商貿工業，2017（9）：166-167.

[6] 高潭華，蘇春燕，張明文，等.地方性應用型工科大學物理實驗教學模式改革探索[J].武夷學院學報，2016.35（6）：93-96.

[7] 范翔，王洪亮.物理學中十個著名的思想試驗[J].中學物理教學參考，2013.42（9）：51-53.

[8] 向義和.大學物理導論——物理學的理論與方法、歷史與前沿（上冊）[M].北京：清華大學出版社，2002：295.