與工程相結合的大學物理拓展提高型教學模式探索*

杜永勝 陳 華 慕利娟 韓向剛

(內蒙古科技大學理學院應用物理系 內蒙古 包頭 014010)

1 引言

以物理學基礎為內容的大學物理課程，是高等學校理工科各專業學生一門重要的通識性必修基礎課，物理學的基本概念、基本理論是學習后續專業基礎課和專業課必須的基本知識；物理學分析問題、處理問題的方法，對解決工程實際問題也具有指導意義．

物理世界是一個充滿神奇的世界，大量的物理實驗能顯現各種奇異的物理現象，能激發學生學習物理的興趣[1]．物理教師應根據物理學科的特點和規律，激發學生的學習和探究興趣．因此，在大學物理教學中，除了基本的課堂理論教學，教師還應充分利用演示實驗和多媒體手段，采用直觀形象的教學方法、生動的語言，選取實際工程問題不斷創設物理問題情境，引導學生探索解決物理問題的途徑，使學生對學習內容產生濃厚的興趣[2]．

教師在進行實際工程問題講解時，并不是簡單地講原理，也不是進行復雜的理論推導，過于泛泛的講解對學生的促動不大，而繁瑣的公式推導使學生難于理解．二者效果都不夠理想．教師必須能利用相關手段(理論求解、計算機仿真等)首先得到結果，而后指導學生應用大學物理相關知識進行工程問題的結果分析和討論，才能起到比較好的教學效果．下面結合幾點教學體會，談談教學過程中如何引入實際問題促進學生對所學理論的理解和掌握，以及對后續專業課學習的促進．

2 電磁學內容

以電磁學為例，大學物理電磁學部分是大學物理一中重要內容，是研究電磁場的基本性質、運動規律及其與帶電物質之間相互作用的一門課程．是以麥克斯韋方程組、洛倫茲力公式和物質的電磁性能方程為出發點,由于電磁學是在微積分方程基礎上描述電磁場的演化規律，學好電磁學不僅要有良好的物理思想，還要有扎實的數學基礎．抽象的電磁場理論和復雜的數學推導，使部分學生感到電磁學枯燥無味、難以入門．同時，大學物理二中簡諧振動、簡諧波、光學相關內容等也與電磁學中的電磁波的傳播有很大關聯，學好電磁學對理解掌握大學物理課程有極大關系．

在課堂教學中，首先可結合授課內容進行啟發式教學．例如，介紹電介質的極化后，問學生：微波爐的工作原理是什么？為什么微波可以使水分子產生共振，從而使電磁能轉化為熱能？在談到光在各向同性介質表面產生反射和折射時，質疑是否會發生折射光線與入射光線在法線同側的現象，即“左手現象”．再例如課堂中學生經常翻看手機，在講授電容相關內容后，可讓學生了解手機電容屏的工作原理，課堂提問戴上手套后能否繼續操作手機等問題．其次，電磁學內容同時也在實際工程中得到了極大的應用，例如信息傳輸、冶金中電磁攪拌等[3]．選擇電磁場在工程技術中的應用例題，應盡量選取那些包含大量物理知識點的工程問題，例如靜電除塵、避雷針設計、電磁凈化、手機觸摸屏等，只有選取實際的工程問題才能使學生體會到物理的真正應用所在，并且工程問題通常涉及多知識點耦合，非常有利于學生邏輯思維的鍛煉．最后，電磁學的學習方法與材料學院的冶金傳輸原理、能環學院的流體力學、傳熱學等課程均采用場論的方法研究問題、電磁學的內容是信息學院后續專業課：電磁場與波、電路等課程的前期基礎課，因而對學生學習后續專業課起到很好的促進作用．

3 熱力學內容

大學物理熱力學是從能量的觀點來研究與熱運動有關的各種自然現象的宏觀規律的理論，不涉及物質的微觀結構，而將物質視為連續體，從大量實驗事實出發，找出物質各種宏觀性質的關系，得出宏觀過程進行的方向及性質．其中循環過程作為熱機和制冷機的理論基礎，在實際工程中具有重要的指導意義．教學過程中的講解主要以內燃熱機為主，而在課堂教學中引入典型的外燃熱機——斯特林熱機的內容，如圖1所示，則可能更加激發學生學習的興趣，提高教學效果[4]．

圖1 斯特林熱機模型圖

這是由于斯特林熱機理論上的效率幾乎等于理論最大效率，稱為卡諾循環效率，這非常有助于學生更深刻地理解卡諾循環．其次，斯特林熱機采用外部熱源，動手能力強的學生完全可以自制，進而讓學生感悟理論離實際并不遙遠．最后，針對斯特林熱機，讓學生在p-V曲線圖中給出循環曲線圖并計算效率，可加深對循環過程的理解．

4 機械波應用舉例

波動是常見的物質運動形式，波動不只局限于機械波，無線電波、光波等電磁波也屬于波動，它們具有波動的共同特征，以一定速度向外傳遞，且伴隨著能量的傳播，都能產生反射、折射、干涉和衍射等現象，而且有相似的數學表達式．機械波中的駐波內容由于在實際工程中有著廣泛應用，課堂教學中可結合實際應用進行有針對性的講授，提高學生對該知識點的理解深度．首先可通過介紹古代發明魚洗引入駐波，如圖2所示．由于雙手摩擦對稱安置于銅盆兩側的銅耳，銅盆受摩擦而振動，其強迫力的作用引起水的共振，進而使水面產生駐波[5]．處于波腹位置的水珠獲得較大能量可跳出水面．相類似的，海嘯與魚洗在形成機理上有一定的相似之處．均為水體載體的本征振動，引發水體產生駐波．

圖2 魚洗實物圖

5 剛體應用拓展

作為力學的一個重要分支，主要研究剛體在外力作用下的運動規律．而其中剛體進動部分具有重要的理論和實際應用研究價值．一個自轉的物體受外力作用導致其自轉軸繞某一中心旋轉，這種現象稱為進動．由于進動在現代科技及日常生活的重要性，對該問題的研究必然能提高學生學習理論知識的興趣．課堂教學中可首先結合車輪進動介紹進動機理．車輪由于自身重力產生力矩，其與車輪自轉產生的角動量垂直，所以重力矩只改變角動量的方向而不改變大小．在重力矩作用下dt時間內車輪角動量產生增量，車輪同時轉過一個角度，而重力矩方向相應變化為與下一時刻角動量垂直．因而車輪高速地繞自身對稱軸旋轉時，在重力矩作用下車輪不會傾覆．三維陀螺儀的定軸性在慣性導航技術中得到了廣泛應用，飛機上用的導航儀就是一個高速旋轉的陀螺，由于角動量守恒，陀螺旋轉的軸線始終朝著一個方向，飛行員就可以以此來判斷飛機的姿態和陀螺自身的飛行方向,如圖3所示．

圖3 三維陀螺儀示意圖

三維陀螺儀裝在常平架上，由固定圓環中的兩個可動圓環支持，由于重力通過中心，重力矩為零，它的轉軸在空間可取任何方位．當陀螺轉子以高速旋轉時，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時，陀螺儀的自轉軸在慣性空間中的指向保持穩定不變，即指向一個固定的方向；同時反抗任何改變轉子軸向的力量，這種物理現象稱為陀螺儀的定軸性或穩定性．高速轉動的陀螺若受到外力矩(如重力力矩)的作用時，它并不是立即倒下，將在外力矩的作用下進動．槍膛和炮膛里面都有來復線，使得槍彈和炮彈射出時做高速旋轉，在空中飛行時不翻跟頭，沿彈道曲線飛行[6]．

6 結束語

基礎課教學中，大學物理課程的明顯特點在于大量的物理實驗能顯現各種奇異的物理現象，能激發學生學習物理的興趣．通過大學物理相關內容與科研課題或工程實例的有機結合，與流體力學、電磁場與波等工科課程的銜接，將計算機軟件引入課題教學，體現了物理的應用所在、開闊了學生眼界、提高了學生學習興趣，并為學生素質拓展提供了一個平臺．