與機械工程相結合的大學物理教學設計

徐潔如 徐迅

摘 要 大學物理作為理工科專業的一門基礎課，如何與專業課深入結合，滿足專業建設需求，是大學物理教學改革的重要內容。本文以機械工程專業為例，將大學物理理論與實際工程相結合，在教學中融入工程實例，設計了凸輪機構從動件運動規律分析、伺服電機減速機齒輪傳動、離心式水泵能量轉換分析、熱泵系統利用廢熱采暖、電容電感式傳感器等教學實例。用工程實例講述物理理論，實現以專業為導向的大學物理教學。

關鍵詞 大學物理;機械工程;專業結合;教學設計

近年來，教育部積極引導地方高校向應用型技術型本科院校轉型。大學物理作為理工科專業的一門基礎課，如何與專業銜接，滿足專業建設需求，是教學改革的重要內容。很多學者在教學、教材創新方面進行積極的嘗試并取得了一定的成果[1-7]。筆者多年來從事大學物理教學工作，教學團隊參與編寫了《大學基礎物理學》[8]。該教材為貫徹落實教育部卓越人才培養計劃，根據工程技術人才培養的目標和要求，對教學內容進行了重新編排，在教材的架構上進行了大膽的嘗試，突破了傳統教材的框架和內容體系，針對不同專業提供了不同的選講模塊，各專業可根據后續專業課程選擇任意組合，以期適應工程技術人才培養的特點。筆者在學院承擔機械工程專業《大學基礎物理學》的教學任務，認為目前的教材，雖按專業需求調整了教學側重點，但教材中缺乏工程實例支撐，使理論教學與工程應用脫節。迫切需要在教學中引入工程實例，用工程實例講述物理理論。然而，工程實例大多較為復雜，涉及跨章節跨學科理論知識的綜合運用，直接引入課程對學生難度過大，反而適得其反。因此，深入研究工程中的物理理論，從中提煉與課程中知識點相關聯的實例，幫助學生更深刻的理解理論并了解其專業實用性，具有很強的現實意義。

本文從運動學、剛體力學、流體力學、熱力學、電磁學等幾個方面，開展與機械工程相結合的教學設計，為大學物理與專業相結合的教學改革提供思路。

1 “質點運動學”結合凸輪機構運動分析

凸輪機構是機械傳動領域常用的機構之一，由凸輪、從動件和機架三個基本構件組成。凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構件，當它運動時，通過其上的曲線輪廓與從動件的高副接觸，使從動件獲得預期的運動。

一凸輪機構如圖1所示。凸輪以勻角速度ω轉動，從動件從A 點開始上升，當凸輪轉過角δ1時，從動件到達最高點B'，位移達最大值h，該過程稱為推程;隨后凸輪繼續轉過δ2，因凸輪的BC段輪廓向徑不變，從動件停在最遠位置不動，此過程稱為遠停程;凸輪又繼續轉過δ3，從動件由最遠位置B'回到A 點，該過程稱為回程;最后，凸輪繼續轉過δ4，從動件停在A 處不動，稱為近停程。如此往復循環。

6 結語

將工程實例引入大學物理課程，是實現大學物理與專業結合，滿足專業建設需求的重要途徑。但工程實例大多較為復雜，涉及跨章節跨學科理論知識的綜合運用，直接引入課程對學生難度過大，反而適得其反。本文以機械工程專業為例，深入研究工程中的物理理論，從中提煉與課程知識點相關聯的實例，設計了凸輪機構運動規律分析、伺服電機減速機齒輪傳動系統、離心泵送水系統、熱泵系統、電容電感式傳感器等教學實例，幫助學生更深刻的理解物理理論并了解其專業實用性， 為大學物理與專業相結合的教學改革提供思路。

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