應(yīng)用型城市高校《大學(xué)物理》教學(xué)改革研究

劉 澤，唐 琳，張亞飛，母雪玲

（成都大學(xué)，四川 成都 610106）

1 《大學(xué)物理》教改的背景

縱觀人類歷史發(fā)展中的三次工業(yè)革命，每一次都是以物理學(xué)的發(fā)展為前導(dǎo)。物理學(xué)是推動(dòng)人類科技前進(jìn)的強(qiáng)心劑，是其他自然科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。17、18世紀(jì)，牛頓創(chuàng)建的熱力學(xué)理論，使得人類研究出了蒸汽機(jī)，開啟了人類第一次高效利用熱能和機(jī)械能的開端，極大推進(jìn)了生產(chǎn)力的進(jìn)步，進(jìn)而引發(fā)了第一次工業(yè)革命[1]。19世紀(jì)電磁理論的發(fā)現(xiàn)，使人類成功創(chuàng)造出了電器以及通信設(shè)備，人類社會(huì)從此進(jìn)入了電能的時(shí)代，迎來(lái)了第二次工業(yè)革命[2]。20世紀(jì)，隨著量子力學(xué)和相對(duì)論的建立，人類深入地認(rèn)識(shí)到了原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在這個(gè)基礎(chǔ)之上，開發(fā)出了核能并且成功應(yīng)用了放射性同位素，從而促進(jìn)了半導(dǎo)體、激光、超導(dǎo)信息技術(shù)的發(fā)展，使生產(chǎn)力又一次得到了提高，人類進(jìn)而完成了信息化的第三次工業(yè)革命[3]。新時(shí)代伴隨著全球科技產(chǎn)業(yè)日新月異的發(fā)展趨勢(shì)，新型產(chǎn)業(yè)對(duì)人才的要求也越來(lái)越高。科技部等部門引發(fā)了《加強(qiáng)從0到1基礎(chǔ)研究工作方案》，強(qiáng)調(diào)“加強(qiáng)數(shù)學(xué)、物理等重點(diǎn)基礎(chǔ)學(xué)科的支持”，這為滿足大學(xué)人才培養(yǎng)中物理學(xué)科的教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇[4]。

應(yīng)用型城市大學(xué)，其學(xué)科設(shè)置緊扣城市中長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)，密切結(jié)合城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局，擔(dān)負(fù)著為城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展輸送專業(yè)性人才的重任[5]。因此，在應(yīng)用型城市大學(xué)教學(xué)方面，更需要因地制宜，培養(yǎng)出適合本地區(qū)企業(yè)需求的專業(yè)人才。高等教育階段，基礎(chǔ)課的設(shè)置是專業(yè)人才培養(yǎng)的第一步。《大學(xué)物理》作為理工科大一、大二學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在人才培養(yǎng)中起著重要的作用。在課程設(shè)置上，《大學(xué)物理》學(xué)分一般設(shè)置為3.5分，甚至可以達(dá)到4分。從學(xué)分的權(quán)重可以看出，本學(xué)科是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，涉及的專業(yè)有：自動(dòng)化工程、網(wǎng)絡(luò)工程、電氣工程、機(jī)械設(shè)計(jì)工程、能源動(dòng)力工程、土木工程、藥學(xué)工程以及食品安全等。隨著時(shí)代的發(fā)展，為了更好地為學(xué)生打好專業(yè)課的基礎(chǔ)，《大學(xué)物理》的教學(xué)工作也需要與時(shí)俱進(jìn)[6]。然而，目前其教學(xué)工作也面臨亟須解決的問題。主要體現(xiàn)在學(xué)生對(duì)本課程缺乏重視，部分學(xué)生認(rèn)為《大學(xué)物理》與所涉及的專業(yè)課缺乏聯(lián)系，進(jìn)而導(dǎo)致了消極學(xué)習(xí)的態(tài)度。這是由于學(xué)生對(duì)《大學(xué)物理》的定位不清晰，沒有認(rèn)識(shí)到《大學(xué)物理》是未來(lái)專業(yè)課的基礎(chǔ)。此外，教師在課堂上也沒有將教學(xué)與專業(yè)課相互聯(lián)系。因此，如何端正本科生對(duì)學(xué)習(xí)《大學(xué)物理》的態(tài)度，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，是目前教學(xué)中需要解決的首要問題。就此，筆者認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面對(duì)教學(xué)工作進(jìn)行改革。

2 教學(xué)改革的主要措施

2.1 培養(yǎng)學(xué)生利用高等數(shù)學(xué)來(lái)處理物理問題的思想

《大學(xué)物理》與高中物理的主要區(qū)別在于：引入了《高等數(shù)學(xué)》中微分、積分的思想。這對(duì)于剛剛涉足《高等數(shù)學(xué)》學(xué)習(xí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，還很難將高數(shù)的思想融入物理。對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)微分、積分的方法處理物理問題還相對(duì)陌生，甚至逃避。其解題方法還停留在高中的簡(jiǎn)單多項(xiàng)式求解方式。因此，在教學(xué)過程中要進(jìn)一步加深微分、積分的求解思想。比如在即將講授運(yùn)動(dòng)和力這一章時(shí)，可以先帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)矢量求導(dǎo)及運(yùn)算，為后期質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)提供充足的準(zhǔn)備。此外，在初期的教學(xué)過程中，涉及極限、導(dǎo)數(shù)等高數(shù)知識(shí)，要對(duì)其進(jìn)行細(xì)致的講解。幫助學(xué)生建立微分法解決物理問題的能力，進(jìn)而循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生走入《大學(xué)物理》的學(xué)習(xí)。

在習(xí)題課中，通過典型例題并結(jié)合作業(yè)中出錯(cuò)率比較高的數(shù)學(xué)問題，進(jìn)行集中講解，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)《大學(xué)物理》知識(shí)點(diǎn)的消化。比如，在求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程中速度和加速度問題。就是應(yīng)用高等數(shù)學(xué)中微分的知識(shí)來(lái)處理《大學(xué)物理》的很好體現(xiàn)。由運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以得到速度和加速度的表達(dá)式為

講授此題前，可以讓學(xué)生獨(dú)立思考。對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)中涉及的速度和加速度的求解過程，可以讓學(xué)生進(jìn)行分組討論。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)所涉及的速度求解的問題還存在疑惑。此時(shí)，可以提示學(xué)生從向量的方法入手來(lái)求解。通過獨(dú)立思考、小組討論、老師提示這三部分，加深學(xué)生對(duì)《大學(xué)物理》問題的理解，進(jìn)而提高學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)《大學(xué)物理》的信心。學(xué)生也在學(xué)習(xí)過程中，鍛煉了自己解決問題的能力。

2.2 增加物理事件和實(shí)驗(yàn)的引入

目前大多數(shù)老師授課過程中，仍然依托于教材。書中部分公式、定理比較干澀，難于理解，并且書中的知識(shí)點(diǎn)和原理沒有與實(shí)際生活、現(xiàn)代化生產(chǎn)相互聯(lián)系，加之定理的推導(dǎo)過程會(huì)使用大量的微分、積分計(jì)算，導(dǎo)致課程比較枯燥，容易造成學(xué)生對(duì)《大學(xué)物理》失去興趣。

教師可以適當(dāng)增加與授課知識(shí)點(diǎn)相匹配的現(xiàn)實(shí)物理事件，比如在學(xué)習(xí)動(dòng)量守恒定律時(shí)，可引入X-Space火箭發(fā)射與回收的視頻。在講解定軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛體的角動(dòng)量守恒定律時(shí)，可引入近期冬奧會(huì)花樣滑冰的錄像進(jìn)行角動(dòng)量分析。在講解多普勒效應(yīng)時(shí)，可以引入工程師通過多普勒效應(yīng)查找馬航370飛機(jī)失事位置的視頻。在講解法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象時(shí)，可以引入電磁炮的研發(fā)過程視頻。在講靜電點(diǎn)屏蔽知識(shí)點(diǎn)時(shí)，可以引入進(jìn)行高壓電施工的工人師傅，身穿金屬編制的屏蔽衣進(jìn)行工作的視頻。在講解楞次定律時(shí)，可以給學(xué)生介紹楞次定律在磁懸浮列車上產(chǎn)生阻尼力的原理視頻。在講授萬(wàn)有引力定律時(shí)，可以給學(xué)生介紹神州十三號(hào)進(jìn)入太空后，宇航員的失重現(xiàn)象。這些物理事件的引入，不僅可以豐富教學(xué)內(nèi)容，觸及學(xué)生感興趣的話題。而且使課堂變得活潑、生動(dòng)。成功地調(diào)動(dòng)學(xué)生的好奇心，有益于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

此外在《大學(xué)物理》授課的過程中還應(yīng)增加課堂演示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，比如，講氣體分子熱運(yùn)動(dòng)時(shí)，引入布朗運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。講卡諾循環(huán)的時(shí)候，引入空調(diào)壓縮機(jī)工作的實(shí)驗(yàn)。講彈性模量的時(shí)候，引入通過萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料彈性模量的實(shí)驗(yàn)。講剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，引入回轉(zhuǎn)儀中的萬(wàn)向支架實(shí)驗(yàn)。對(duì)于電磁感應(yīng)的教學(xué)，引入金屬棒切割磁感線，在閉合的回路中產(chǎn)生電流的實(shí)驗(yàn)。通過現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)，可以將抽象的原理直觀化，便于學(xué)生的理解。

2.3 增加模擬軟件可視化教學(xué)

在教學(xué)過程中可以借助模擬軟件，給學(xué)生展示得到的物理實(shí)驗(yàn)仿真過程。模擬軟件得到的結(jié)果可以將復(fù)雜、抽象的物理概念簡(jiǎn)單化、可視化。將無(wú)法通過實(shí)驗(yàn)直觀得到的物理過程，清晰地展現(xiàn)在教學(xué)中。比如在講授摩擦力這個(gè)物理概念時(shí)，一個(gè)塊體在受到摩擦?xí)r會(huì)產(chǎn)生摩擦力以及變形，通過公式計(jì)算得到的應(yīng)力值和變形量是個(gè)非常抽象的值，并且摩擦力在塊體中的分布情況也很難在計(jì)算中直觀體現(xiàn)出來(lái)。因此，可以利用Ansys Workbench模擬軟件將整個(gè)摩擦受力的過程模擬出來(lái)。如圖1（a）所示為計(jì)算得到的應(yīng)力云圖，可以清晰地觀察到剛體受力過程中的摩擦力分布情況，以及最大摩擦力的分布位置。如圖1（b）所示為應(yīng)變?cè)茍D，可以讓學(xué)生觀察到物理過程中物體的整體變形以及局部變形的情況。

圖1 Ansys Workbench模擬的物體受到摩擦力的力學(xué)過程

在講授恒定電流的磁場(chǎng)時(shí)，學(xué)生對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念在理解上有難度，對(duì)磁場(chǎng)方向的判斷也比較模糊。因此我們可以通過有限元軟件，模擬得到電圈通電后的磁場(chǎng)分布。如圖2所示，為通過有限元軟件得到的叉指電圈磁場(chǎng)分布情況。模擬軟件的使用，可以讓學(xué)生更加生動(dòng)地理解課本上的物理現(xiàn)象，增強(qiáng)他們對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的掌握，同時(shí)有助于提高學(xué)生對(duì)《大學(xué)物理》學(xué)習(xí)的興趣。

圖2 Comsol模擬得到的線圈磁通量密度

2.4 注重課前引入

對(duì)于一些重要的知識(shí)點(diǎn)，在教學(xué)過程中要提前引入。比如下節(jié)課要講質(zhì)點(diǎn)系的功能原理，本節(jié)課結(jié)束前教師可以提問什么叫做保守力？什么又是非保守力？?jī)烧哂惺裁达@著不同呢？在空間中，保守力和非保守力做功的主要區(qū)別在哪呢？請(qǐng)同學(xué)們課下思考。這樣學(xué)生會(huì)在課下通過超星學(xué)習(xí)平臺(tái)、慕課等網(wǎng)上學(xué)習(xí)平臺(tái)、相關(guān)書籍、文獻(xiàn)，進(jìn)行調(diào)研。通過該方法，學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)由“被動(dòng)型”轉(zhuǎn)化為“主動(dòng)型”，從學(xué)習(xí)態(tài)度上發(fā)生轉(zhuǎn)變，做學(xué)習(xí)的主人。

2.5 開設(shè)側(cè)重于實(shí)際應(yīng)用的《大學(xué)物理》興趣課程

每學(xué)期開設(shè)1節(jié)小班興趣討論課程，課程所涉及的《大學(xué)物理》內(nèi)容主要與實(shí)際生活相匹配。在課堂上出一些學(xué)生有興趣的題目進(jìn)行討論，這些題目需要提前告訴學(xué)生。比如：

（1）運(yùn)動(dòng)會(huì)中，運(yùn)動(dòng)員以什么樣的角度投擲鉛球，才能讓鉛球達(dá)到最遠(yuǎn)的距離？鉛球在空中能夠達(dá)到的最大高度是多少？

（2）做圓周運(yùn)動(dòng)的物體，其角速度、角加速度與線速度、線加速度之間的關(guān)系？切向加速度與發(fā)現(xiàn)加速度在改變圓周運(yùn)動(dòng)速度上，各自承擔(dān)的職責(zé)是什么？

（3）假如你乘坐宇宙飛船太空旅游，二十年后回來(lái)時(shí)，當(dāng)年和你同歲的朋友多少歲了？

（4）如何運(yùn)用能量守恒以及動(dòng)量守恒來(lái)推算長(zhǎng)征運(yùn)載火箭的推力？

通過這些問題的引入，讓學(xué)生自己通過調(diào)研文獻(xiàn)、書籍的方式去探索答案。不但調(diào)動(dòng)了他們學(xué)習(xí)的積極性，也加深了與其對(duì)應(yīng)的相關(guān)課本知識(shí)點(diǎn)的理解程度。

3 總結(jié)

《大學(xué)物理》是應(yīng)用型城市高校本科生教學(xué)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它對(duì)培養(yǎng)本科生邏輯思維能力、創(chuàng)新能力、解決問題的能力有著重要的作用。本文通過對(duì)《大學(xué)物理》目前存在的問題進(jìn)行分析，著重對(duì)如何提升學(xué)生學(xué)習(xí)《大學(xué)物理》的興趣、端正學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行了一些教學(xué)改革的探索和改革，目的是給學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)輕松、獨(dú)立自主的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過《大學(xué)物理》的教育改革，主動(dòng)對(duì)接城市行業(yè)發(fā)展需求以及企業(yè)創(chuàng)新的需求，充分把握人才發(fā)展的方向，發(fā)揮《大學(xué)物理》教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，培養(yǎng)出具有較強(qiáng)專業(yè)能力、行業(yè)背景，勝任行業(yè)發(fā)展的應(yīng)用技術(shù)性人才。當(dāng)然還有很多需要改進(jìn)的地方，比如如何更好地將《大學(xué)物理》課程與專業(yè)課進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，這還需要與專業(yè)課老師進(jìn)行深入溝通，同時(shí)還需要提高自己的專業(yè)水平。