結合安全類專業背景的大學物理教學研究

汪 艦

（河南理工大學 河南·焦作 454003）

《中華人民共和國高等教育法》第十六條規定：“本科教育應當使學生比較系統地掌握本學科、專業必需的基礎理論、基本知識，掌握本專業必要的基本技能、方法和相關知識，具有從事本專業實際工作和研究工作的初步能力”。然而，對于理工科學生來說，學生要想系統地掌握本學科、專業必需的基礎理論，就必須要學好大學物理，離開大學物理這個理論基石，學生很難深層次理解專業知識。[1-2]

大學物理是研究自然界中物質結構及其物質運動的最普遍最基本規律的科學，是自然科學的基礎。它注重對普遍而基本的物質規律的探究，能夠培養和提高學生的科學素養、發展學生科學的思維方法和創新能力。大學物理教學是基礎教學，也正因為其基礎性，基本上采用所有理工學生無差別教學的方式，沒有專業特點。大學物理的授課時間是學生入學后的第二、三學期，此時，學生掌握的專業知識很少，有些學生因此感性地認為：大學物理所學知識與他們未來要學的專業知識關系較小，因而輕視大學物理課程。而且，如果不能在教學過程中將大學物理與專業課程相連接，學生在后續課程中很難做到融會貫通，無法從基礎理論上升到專業高度。本文結合安全類學生的專業背景，提出了安全類大學物理教學內容的改革方法，為從事安全類大學物理教學的教師提供相應的理論和知識參考。[3-4]大學物理內容涵蓋了力學、熱學、波動、光學、電磁學、相對論和量子理論等內容。其中，電學、磁學以及光學部分與礦業類專業課程“機械電氣安全技術”“工業通風及除塵”“安全原理”等課程密切相關。[1]具體研究如下：

1 基于電磁學的專業融合

靜電場是大學物理的重要章節。大學物理涉及靜電場的內容中，介紹了靜電場的來源、性質、靜電力及其做功。在授課時，該內容主要集中于不同結構帶電體的場強計算和電荷在電場中運動時靜電力所做的功。將理論加以延伸，將靜電場理論向安全專業知識過渡。當兩個物體形成的正負帶電區域之間的場強足夠高時，就會擊穿空氣而產生閃光和爆裂聲的氣體放電現象，即我們看到的電火花放電現象。雖然普通的靜電火花能量不大，但是極易引起油氣場所、煤礦和粉塵場所發生火災或爆炸。例如：在安全專業里，煤礦井下的安全至關重要，是安全專業學生的必修內容。在瓦斯抽放管路中的瓦斯氣體流動時，會與管路內壁摩擦可以產生靜電，這一作用有可能會產生火花而引燃管路。為了防止靜電火花的發生，不僅對抽放管路的管內外壁的電阻有一定的要求，還要進行接地處理，將產生的電荷導走。將靜電場與安全專業背景相結合，闡述靜電造成安全事故的原因。從理論上分析靜電產生的原因以及如何避免靜電事故的發生，為后續專業課程奠定理論基礎。在大學物理的電磁學中，互感描述了載流線圈與另一個線圈之間的相互作用，即當一線圈中的電流發生變化時，在臨近的另一線圈中產生感應電動勢，叫做互感現象。該內容是漏電保護器和機場、火車站常用的金屬探測器的理論基礎。以金屬探測器為例，它利用本身線圈所連接的振蕩器來產生高頻可變磁場，在外界無金屬時，兩側接收線圈的感應電壓在磁場未受干擾前相互抵消而達到平衡狀態。當有金屬進入磁場區域，因為互感作用，將在金屬中產生電流和二次磁場，兩側接收線圈的平衡將被打破，進而影響接收線圈接收的磁場，發出報警信號。通過深入講解分析，使學生一方面加深電磁學的理解，另一方面也產生了濃厚的興趣，同時為后續專業課程進行了理論鋪墊。

2 基于光學的專業融合

煤礦瓦斯中的主要成分為甲烷（CH4），當空氣中甲烷達到25%-30%時，可引起頭痛、頭暈、乏力、呼吸和心跳加速，甚至造成窒息死亡。當甲烷含量在5%～15.4%的體積范圍內時，遇火花將發生爆炸。煤礦中常用的瓦斯濃度檢測試備主要有熱催化型、光干涉型和光吸收型幾種。光干涉型檢測儀是基于大學物理課中光的干涉原理設計的。儀器運行時，光源發出的光經過氣室的兩個通道后進行干涉，人們將看到彩色條紋，當有瓦斯進入其中一個通道后，因為瓦斯的折射率與空氣不同，盡管折射率變化很小，但足以造成光在瓦斯中行走的光程發生變化，因此兩個通道光程差發生改變。進而發生干涉條紋的移動。條紋移動的程度取決于甲烷的濃度。這種儀器的原理和大學物理講述的邁克爾遜干涉的原理基本相同。因此，在講述邁克爾遜干涉的原理后直接延伸到干涉型甲烷檢測儀，使學生明白了大學物理知識在專業課中的應用。除此以外，在大學物理光學部分課程中講授光譜范圍時，可見光的范圍是380 nm到760 nm，比760 nm 稍長的是紅外光。在可見光中，甲烷是沒有吸收的，也就是說，在正常情況下，我們用肉眼是無法觀察到甲烷的。可是，甲烷在紅外波段存在著強烈的吸收光譜，人們就是利用甲烷在紅外光的吸收光譜，利用紅外LD或LED作為光源，利用紅外檢測器作為檢測單元，對其吸收光譜的強度變化進行檢測，從而獲得瓦斯的濃度。至此，我們將甲烷安全問題與光譜學緊密結合到一起。

3 基于熱力學的專業融合

在煤礦等安全領域，甲烷可能引發爆炸；在氣候安全領域，甲烷濃度的增加會帶來地球環境的破壞，也就是“溫室效應”，導致全球氣候變暖。而且，甲烷的暖化能力比二氧化碳高二十一倍，因此，甲烷濃度的增加會帶來嚴重的環境問題。但對于煤礦而言，為了礦井的安全，只能依靠通風設備將礦井中多余的甲烷氣體釋放到大氣中，這就更加劇了溫室效應。在大學物理課程中講授熱力學課程時，提出了“熱力學系統”和“外界”這兩個概念。所謂熱力學系統，即所研究的宏觀物體，如氣體、液體等。所謂外界：即與熱力學系統相互作用的環境。將此概念與地球相聯系，地球與大氣層可以看作一個熱力學系統，而太陽等就是外界。天亮之后，外界的太陽光照射到地球上，被地球表面的物質吸收，當這些物體以紅外光的形式向外輻射能量時，卻被甲烷和二氧化碳等溫室氣體吸收。也就是說，當太陽光以可見光的形式進入地球時，這些光可以穿過大氣層被地球表面吸收，可是當地表被加熱后，以紅外光向外輻射能量時，因為甲烷和二氧化碳對紅外光有很強的吸收，這些能量被大氣層嚴重吸收，地球與大氣層組成的熱力學系統吸收了熱量，卻極少地向外界傳遞熱量，因此升溫。其功能類似于溫室的作用，因此稱為“溫室效應”。將大學物理的熱力學與安全專業學生特別關注的瓦斯安全、氣候安全相結合，能夠很好地增加學生對大學物理和后續專業知識的理解，也讓學生明白了“溫室效應”的由來及熱力學系統等概念。

大學物理知識與專業知識相結合還有很長的路要走，對于任課老師也是一個挑戰，雖然講授大學物理課程的老師基本都來自于物理學專業的碩士和博士，但對于其它專業的了解還亟待深入。大學物理教師須與安全專業課教師交流，深入學習安全專業知識的，并長期從事安全專業學生的大學物理教學，最后做到融會貫通。有了連貫的知識體系，才能將物理擴展到專業，再由專業基礎上升到科學前沿。學生在整個過程中學到很多普通物理課上無法學到的知識，也增加了學生的知識面。大學物理與安全專業知識的結合能夠讓學生初步了解自己所學專業涉及哪些物理知識，以及安全專業知識如何在大學物理知識的基礎上衍生和發展的，以此激發學生對大學物理和專業知識的興趣，使學生樹立起牢固的物理思想，促進學生在專業領域有較大的發展和進步。[5]在當今學科交叉日益突出的形勢下，我們應該努力實現基礎教育與專業教育相互融合、相互滲透、相互交叉、相互轉化和共同發展。