大學(xué)物理教學(xué)與工程應(yīng)用的結(jié)合

趙朝軍

摘 要：應(yīng)用型本科大學(xué)物理教學(xué)的重點(diǎn)是構(gòu)建應(yīng)用型物理教學(xué)體系，本文提出了傳統(tǒng)的單一理論物理教學(xué)存在的缺陷，并針對相關(guān)問題提出教學(xué)過程中要面向?qū)W生專業(yè)、面向生產(chǎn)實(shí)踐，面向工程應(yīng)用，以此改善教學(xué)方法，科學(xué)、合理地選擇教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)中結(jié)合大量的工程應(yīng)用實(shí)例，潛移默化提高學(xué)生工程實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才的需要。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理教學(xué);教學(xué)方法;工程應(yīng)用

中圖分類號：O4-1? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

物理學(xué)[1]研究物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)、基本相互作用和最普遍的自然界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，它是一切自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。人類科技發(fā)展史上的歷次工業(yè)革命與物理學(xué)有著非常密切的關(guān)系。第一次工業(yè)革命發(fā)生在17～18世紀(jì)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)的機(jī)械化，其基礎(chǔ)是牛頓力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展，標(biāo)志是蒸汽機(jī)的出現(xiàn)和使用。19世紀(jì)爆發(fā)了第二次工業(yè)革命，促進(jìn)了工業(yè)的電氣化，以發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電訊設(shè)備的大量出現(xiàn)為標(biāo)志，這些技術(shù)的基礎(chǔ)是電磁理論的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，20世紀(jì)爆發(fā)了第三次工業(yè)革命，加快了工業(yè)的自動(dòng)化與核能的應(yīng)用，其物理學(xué)基礎(chǔ)為相對論和量子力學(xué)，標(biāo)志著以信息技術(shù)為代表的一系列新學(xué)科、新材料、新能源、新技術(shù)的興起和發(fā)展。由此可見，物理學(xué)在推動(dòng)整個(gè)人類社會(huì)發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用，它是人類社會(huì)未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的源泉和動(dòng)力。

大學(xué)物理作為高校理工科學(xué)生的基礎(chǔ)課程，不僅為學(xué)生學(xué)習(xí)其他專業(yè)課奠定基礎(chǔ)，而且提供了研究科學(xué)最基本的方法，對于提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方式有著至關(guān)重要的作用。大學(xué)物理教學(xué)過程中既能做到使學(xué)生獲得大量物理知識，又能全面提高學(xué)生在實(shí)踐中應(yīng)用物理知識解決實(shí)際問題的能力，這是大學(xué)物理教育急待解決的問題，也是構(gòu)建應(yīng)用型本科大學(xué)[2]的必然要求和發(fā)展趨勢。

1 大學(xué)物理教學(xué)中純理論授課存在的問題

傳統(tǒng)的物理教學(xué)[3]通過理論知識的講解和剖析向?qū)W生傳授物理知識，不斷重復(fù)加強(qiáng)學(xué)生對知識的記憶和理解，難免出現(xiàn)重理論輕應(yīng)用、重接受輕探索、重訓(xùn)練輕方法等現(xiàn)象，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中只是掌握了較多的解題方法，對于物理知識在工程中的實(shí)際應(yīng)用關(guān)注較少，造成學(xué)生解決實(shí)際問題的能力較弱。由于大學(xué)物理與高等數(shù)學(xué)結(jié)合緊密，對于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，學(xué)習(xí)物理顯得更加困難和枯燥，造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的減弱。

在信息化爆炸的今天，社會(huì)對人才的要求越來越苛刻，企業(yè)招聘過程中，不僅注重學(xué)生的文化課成績，而且更注重對學(xué)生實(shí)踐能力的考察，如果學(xué)生能夠掌握一種熟練的工程技術(shù)，那么對于求職成功將錦上添花。所以，對于應(yīng)用型本科而言，培養(yǎng)人才的方式急需轉(zhuǎn)變，所培養(yǎng)的人才應(yīng)該正確判斷和解決工程實(shí)際問題，能夠設(shè)計(jì)和開發(fā)技術(shù)系統(tǒng)，可以勝任跨學(xué)科的技術(shù)合作。當(dāng)然，構(gòu)建應(yīng)用型本科物理教學(xué)體系[4]也是迫在眉睫。

為應(yīng)對新一輪科技革命的來臨，國家教育部正在積極加強(qiáng)“新工科”建設(shè)，相對于傳統(tǒng)的工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)迫切需要實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的復(fù)合型“新工科”人才。由此可見，新工科[5]精神要求高校培養(yǎng)的學(xué)生需要具有一定的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

2 大學(xué)物理教學(xué)與工程應(yīng)用的結(jié)合

2.1 結(jié)合學(xué)生專業(yè)特點(diǎn)精選教學(xué)

根據(jù)學(xué)生所學(xué)專業(yè)對物理課程教學(xué)的詳盡程度進(jìn)行合理取舍。

對于電子工程專業(yè)的同學(xué)，介紹靜電場和穩(wěn)恒磁場時(shí)，不僅為學(xué)生介紹靜電場和磁場的特點(diǎn)以及在靜電場、磁場中的重要定理，而且要結(jié)合學(xué)生專業(yè)特點(diǎn)介紹電路板布線中存在的電磁干擾問題，可以講解電路板布線原則，重要信號線處理，通過多種方法減少電磁干擾問題，同時(shí)介紹電阻、電容、電感常用元件的電學(xué)特性，加深學(xué)生對這些元件的認(rèn)識，這樣學(xué)生既掌握了大學(xué)物理中電磁場的基本知識，強(qiáng)化了對電磁場本質(zhì)的認(rèn)識，而且學(xué)生在一定程度上掌握了硬件工程師在電路設(shè)計(jì)中的基本素養(yǎng)，為將來走向?qū)?yīng)工作崗位奠定了一定基礎(chǔ)。

對計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，在介紹重要物理模型時(shí)，可以穿插重要模型的后臺編譯程序，讓學(xué)生認(rèn)識到物理學(xué)中重要的模型原來可以通過一個(gè)個(gè)小程序呈現(xiàn)出來，同時(shí)將源代碼提供給學(xué)生，讓學(xué)生看懂程序，學(xué)習(xí)程序，并鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立編寫程序展示物理模型，這樣既強(qiáng)化了學(xué)生的專業(yè)技能，同時(shí)加深學(xué)生對物理模型[6]的理解。

對土木工程專業(yè)的學(xué)生，由于學(xué)生專業(yè)課中需學(xué)習(xí)大量的力學(xué)原理[7]，故在介紹大學(xué)物理中的牛頓運(yùn)動(dòng)定律、剛體轉(zhuǎn)動(dòng)這些章節(jié)時(shí)需作為重點(diǎn)講解，對常見物理的受力分析及對剛體模型的理解作為課堂教學(xué)核心內(nèi)容，同時(shí)也可以引入建筑工程中常見機(jī)器的力學(xué)原理進(jìn)行講解，使學(xué)生能夠身臨其境觀察、思考、探索。

對機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，由于學(xué)生主要解決工件的設(shè)計(jì)和構(gòu)型，所以要注重強(qiáng)化學(xué)生的空間想象能力，對于復(fù)雜的物理模型，提示學(xué)生從不同角度去觀察，即讓學(xué)生想象模型的正視圖，側(cè)視圖，剖面圖等。例如載流線圈在磁場中的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)從不同方向觀察線圈中的電流時(shí)，呈現(xiàn)的圖像有一定區(qū)別，讓學(xué)生從不同觀察角度去總結(jié)看到的圖形的差異化，并且動(dòng)手能夠畫出正視圖，側(cè)視圖，剖面圖，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的空間思維能力與作圖能力。

對光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生，將波動(dòng)光學(xué)[8]這一章內(nèi)容作為重點(diǎn)章節(jié)講授，不僅要穿插幾何光學(xué)，而且在介紹光的干涉、衍射等現(xiàn)象時(shí)，引入大量工程實(shí)例，強(qiáng)化理論知識在實(shí)踐中的運(yùn)用。

如圖1利用等厚干涉可以測量細(xì)金屬絲的直徑。如果已知入射光垂直水平面入射，波長為λ，測得金屬絲到棱外的距離為L，相鄰明條紋的間距為Δx，由于劈尖夾角θ很小，故有sinθ≈tanθ=DL，而劈尖夾角θ，相鄰明條紋的間距Δx以及入射光波長λ之間關(guān)系為sinθ=λ2Δx，可得D=LΔx·λ2。

如圖2，通過干涉條紋檢測工件表面的平整度，如果工件表面平整，干涉條紋是一組平行于棱邊的直線，如果工件表面不平整，則干涉條紋就要彎曲，并且根據(jù)條紋的彎曲形狀可以判斷工件表面是凹陷還是凸出的。