高等農(nóng)業(yè)院校物理教學(xué)農(nóng)業(yè)特色化改革研究*

吳 威 陳桂云 戴存禮

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 江蘇 南京 210031)

1 引言

2018年11月13日,教育部高等教育司司長吳巖在“新時代云南省本科教育工作會議”上提出,加快建設(shè)發(fā)展新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科[1]. 從此,新農(nóng)科與新工科、新醫(yī)科、新文科一道成為我國高等教育領(lǐng)域的熱詞.吳巖司長表示:“今后的高等農(nóng)林教育要走融合發(fā)展之路、多元發(fā)展之路、協(xié)同發(fā)展之路.融合發(fā)展不能把專業(yè)僅僅窄化為農(nóng)林院校的傳統(tǒng)專業(yè),要農(nóng)工結(jié)合、農(nóng)理結(jié)合、農(nóng)醫(yī)結(jié)合、農(nóng)文結(jié)合.”因此,作為農(nóng)業(yè)院校中的理科基礎(chǔ)課教學(xué)就要充分體現(xiàn)農(nóng)理結(jié)合思想,將理科基礎(chǔ)課教學(xué)進行農(nóng)業(yè)特色化改革,突出基礎(chǔ)課所學(xué)知識點在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用場景,讓學(xué)生深刻體會學(xué)可以致用的實踐真理,解決學(xué)生經(jīng)典之問:我學(xué)這些基礎(chǔ)課究竟有什么用?對我的專業(yè)有何幫助?以此解決學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課動力不足的問題.本文以農(nóng)業(yè)院校中大學(xué)物理教學(xué)改革為例,闡述如何對大學(xué)物理課程進行農(nóng)業(yè)特色化改造,使得物理教學(xué)適應(yīng)高等農(nóng)業(yè)教育發(fā)展改革的需要,適應(yīng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的需要.

2 農(nóng)業(yè)院校中傳統(tǒng)大學(xué)物理教學(xué)特點

大學(xué)物理是農(nóng)業(yè)院校中的公共基礎(chǔ)課,為農(nóng)業(yè)專業(yè)課的學(xué)習(xí)提供了基本的物理知識、方法、技能和思維方式.但是物理課程更加重視自身學(xué)科的系統(tǒng)性和完整性,采用的教材也都是各個院校通用的教材,缺乏與農(nóng)業(yè)專業(yè)有機的融合,缺乏特色性教學(xué).往往也不受學(xué)生的重視,每年學(xué)生都有一個經(jīng)典之問:我學(xué)這門課有什么用?我為什么要學(xué)這門課?大學(xué)生學(xué)習(xí)通常以是否有助于考研,是否有助于專業(yè)課學(xué)習(xí)為導(dǎo)向,對于公共基礎(chǔ)課,學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的動力,因此教學(xué)效果不佳.

傳統(tǒng)大學(xué)物理課的教學(xué)過程中也會涉及一些知識點在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,但一般是泛泛的介紹,只是說明有些知識點可以應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,但是這些知識點是如何具體解決農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)工程中問題的就鮮有涉及了.

3 大學(xué)物理教學(xué)農(nóng)業(yè)特色化改革思路

將大學(xué)物理教學(xué)進行農(nóng)業(yè)特色化改革,思路如下:把大學(xué)物理學(xué)的理論知識分成電、光、力、熱4個模塊,每個模塊融入一個農(nóng)業(yè)專題,用物理學(xué)知識綜合性地解決一類農(nóng)業(yè)問題.

在物理學(xué)每個篇章開始教學(xué)之前,教師就將農(nóng)業(yè)專題介紹給學(xué)生,讓學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí).激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,明確學(xué)習(xí)目標(biāo).整個模塊的物理知識學(xué)習(xí)完之后,學(xué)生需要提交問題解決方案,這也是一個知識的復(fù)盤整理過程,在應(yīng)用中,使得學(xué)生對課程的理解更加深入.

4 電光力熱4個模塊中的4個農(nóng)業(yè)專題

4.1 電學(xué)模塊——空間電場防病防疫促生系統(tǒng)的電學(xué)分析

空間電場防病防疫促生系統(tǒng)是指在種植蔬果的大棚里或者飼養(yǎng)畜牧的圈舍里搭建的高壓直流靜電場[2-4].利用電場的吸附作用,可以消除果蔬大棚里的霧氣、空氣中的微生物等微顆粒,消除動植物養(yǎng)育封閉環(huán)境的悶濕感,建立空氣清新的生長環(huán)境,減少動植物空氣傳播疾病,有效預(yù)防豬哮喘等疾病,減少植物農(nóng)藥的使用以及動物獸藥的使用,助力構(gòu)建生態(tài)農(nóng)業(yè).并且在這個空間電場環(huán)境中,電極線放電產(chǎn)生的臭氧、二氧化氮和高能帶電粒子用于預(yù)防植物氣傳病害,并向植物提供空氣氮肥,能夠有效地促進植物生長.

(1)空間電場防病防疫促生系統(tǒng)如圖1所示,大棚上方架設(shè)有若干絕緣子,絕緣子之間通過電極線相連,通有高壓直流電,利用有限長帶電直導(dǎo)線周圍電場強度的計算方法,可求均勻帶電電極線AB旁,距離AB垂直距離為h的P點的電場強度,設(shè)電極線上電荷的線密度為λ.

圖1 空間電場防病防疫促生系統(tǒng)示意圖

(2)利用靜電平衡導(dǎo)體附近的電場知識解釋電極線放電促生長原理.

(3)運用電容器串并聯(lián)的知識解釋通過倍壓整流電路獲得空間電場防病防疫促生系統(tǒng)所需直流高壓電原理.

參考解答：

(1)在均勻帶電電極線AB上建立如圖2所示的坐標(biāo)系,P點到電極線AB的垂足為坐標(biāo)原點,x軸沿著電極線方向,y軸垂直于電極線指向地面.

圖2 為計算空間電場強度在電極線周圍建立的坐標(biāo)系

在電極線上坐標(biāo)為x,長度為dx的電荷元,其電荷量為dq=λdx,在P點激發(fā)的電場強度大小為

方向沿著dx與P點連線方向.設(shè)dE與x軸正向之間的夾角為θ,則dE沿x、y軸的兩個分量的大小分別為

(1)

由于x=hcot(π-θ), 所以dx=hcsc2θdθ,又因為r2=x2+h2=h2csc2θ,可得

(2)

積分得

(3)

則合場強的大小和方向為

(4)

(5)

(2)空間電場系統(tǒng)中絕緣子的尖端,由于曲率特別大,絕緣子的尖端會聚集大量的電荷,即靜電平衡導(dǎo)體電荷分布面密度和曲率成正比,證明如下:設(shè)有兩個球形帶電導(dǎo)體,帶電荷量分別為Q1和Q2,半徑分別為R1和R2,如果它們之間的距離遠遠大于它們的半徑,將兩個導(dǎo)體球用導(dǎo)線連接,平衡之后,兩個導(dǎo)體球表面電荷的面密度分別為σ1和σ2,將兩個導(dǎo)體球連接,平衡之后電勢相等φR1=φR2,即

(6)

用電荷面密度表示電荷量,得到

(7)

由公式(7)可以看出,靜電平衡的導(dǎo)體表面的電荷密度和導(dǎo)體表面的曲率半徑成反比,尖端部分曲率很大,曲率半徑很小,所以電荷都集中在了電極的尖端部分.

由于電極的尖端部分電荷的面密度很大,附近產(chǎn)生的電場的場強與電荷的面密度成正比,因此尖端附近會產(chǎn)生強電場,證明如下:

在緊靠導(dǎo)體表面作一個與導(dǎo)體表面平行的小面元ΔS,以ΔS為底作一個高度很小的圓柱體,這個圓柱體一半在導(dǎo)體內(nèi)部,一半在導(dǎo)體外部,如圖3所示.由于處于靜電平衡導(dǎo)體的內(nèi)部場強為零,所以通過導(dǎo)體內(nèi)部圓柱體那個底面的通量為零.而外部場強E垂直于導(dǎo)體表面,所以通過導(dǎo)體外部圓柱體底面的通量為EΔS,而圓柱體側(cè)面無通量.根據(jù)高斯定理可知

圖3 為計算靜電平衡導(dǎo)體表面電場強度而作的高斯面示意圖

(8)

于是得到

(9)

由以上兩個證明可以看出,電極尖端聚集了大量電荷,而導(dǎo)體表面附近的電場強度和電荷密度成正比,因此尖端附近會產(chǎn)生強電場,將附近的空氣電離.空氣電離后會產(chǎn)生具有強氧化能力的臭氧和氮氧化物,這些物質(zhì)可以殺死那些引起氣傳病害的微生物,起到防病的效果.同時空氣電離也會使空氣中的氮氣和氧氣發(fā)生反應(yīng),從而產(chǎn)生溶于水的二氧化氮,這些物質(zhì)被植物吸收后補充了植物生長所需的氮肥,使得植物生長得更為旺盛.

(3)空間電場的倍壓整流電路圖如圖4所示[5],交流電的正負周期,二極管D1和D2可以分別對電容器C1和C2充電,充電后的極性如圖4所示,因此相對于負載RL來說,C1和C2為串聯(lián)關(guān)系,因此負載RL上的電壓為UL=UC1+UC2,達到了電壓增倍的作用,因此可以獲得高電壓.

圖4 倍壓整流電路圖

電學(xué)部分的農(nóng)業(yè)專題涉及到的物理知識點如表1所示.

表1 電學(xué)農(nóng)業(yè)專題中涉及到的物理知識點

4.2 光學(xué)模塊——光伏農(nóng)業(yè)中薄膜干涉分析

光伏農(nóng)業(yè)是一種新的農(nóng)業(yè)發(fā)展方式,可以將太陽能發(fā)電與農(nóng)業(yè)種植和養(yǎng)殖相結(jié)合,運用現(xiàn)代光學(xué)干涉濾光方法對太陽光進行合理分配,實現(xiàn)農(nóng)作物生長與光伏發(fā)電兩不誤[6].原理是利用紅藍光增透膜將太陽光中適合光合作用的紅藍光光譜分選出來用于植物生長,其余大部分反射光集中于晶硅電池上用于發(fā)電,滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的電力供應(yīng)問題[7].

假設(shè)在光伏發(fā)電玻璃基片表面涂的紅藍增透膜的折射率為n,且這一折射率小于光伏發(fā)電玻璃基片的折射率.由于400～520 nm之間的藍紫光,在植物進行光合作用的過程中,葉綠素與類胡蘿卜素吸收比例最大,對光合作用的影響也最大,葉綠素對610～720 nm之間的紅橙光吸收率低,但是其對光合作用與光周期效應(yīng)有顯著的影響,因此增透膜應(yīng)該使得藍(400～520 nm)紅(610～720 nm)增透,并要保證增透膜的厚度最小,增透膜的最小厚度是多少?

參考解答：

根據(jù)薄膜上下表面的折射率關(guān)系可知,光線在薄膜的上表面和下表面反射時均有半波損失,設(shè)紅光波長為λ1,藍光波長為λ2因此在薄膜上下兩個表面兩束相干反射光之間的光程差為

(10)

如果要使此增透膜既能使紅光增透,又能使藍光增透,則δ1=δ2得到

λ1(2k1+1)=λ2(2k2+1)

(11)

為保證薄膜厚度最小,因此應(yīng)使得k1和k2的值最小,考慮到λ1的范圍在610～720 nm,λ2的范圍在400～520 nm,當(dāng)2k1+1=1,且2k2+1=3時,無法滿足δ1=δ2,因此應(yīng)考慮2k1+1=3,2k2+1=5的情況,即

(12)

此時若λ2=400 nm,則λ1=666 nm滿足考慮的波長范圍610～720 nm;若λ1=720 nm,則λ2=432 nm滿足考慮的波長范圍400～520 nm,可以看出,400～432 nm的藍光,以及666～720nm的紅光均可通過此增透膜,此時,薄膜折射率n和薄膜厚度d之間的乘積nd在500～540 nm之間,如果已知薄膜的折射率n,即可算出薄膜厚度.

光學(xué)農(nóng)業(yè)專題中涉及到的物理知識點如表2所示.

表2 光學(xué)農(nóng)業(yè)專題中涉及到的物理知識點

4.3 力學(xué)模塊——植保無人機噴灑作業(yè)霧滴飄移的質(zhì)點運動分析

植保無人機是用于農(nóng)林植物保護作業(yè)的無人駕駛飛機,通過地面遙控或?qū)Ш斤w控,來實現(xiàn)噴灑作業(yè),可以噴灑藥劑、種子、粉劑等.運用力學(xué)知識可以對植保無人機噴灑的霧滴做運動學(xué)分析和動力學(xué)分析,以便更好地規(guī)劃無人機的噴灑軌跡和模式,提高噴灑作業(yè)的質(zhì)量.

以下應(yīng)用實例來源于文獻[8]:若某植保無人機在田間實施噴灑農(nóng)藥的任務(wù),假設(shè)無人機在xy水平平面內(nèi),以速度vUVA沿著與x方向呈θ飛行,如圖5所示,其噴灑的農(nóng)藥霧滴沿著與x、y、z方向分別呈α、β、γ的角度,以相對于無人機的速度v′w從噴霧泵噴嘴噴出,如圖6所示.假設(shè)風(fēng)速測量高度范圍內(nèi)的風(fēng)速近似為線性函數(shù)分布,即如果在高度為hm的風(fēng)速測量點測得的風(fēng)速為vwind,m,則霧滴所在的高度h處的風(fēng)速為

圖5 xy平面內(nèi)無人機運動示意圖

圖6 霧滴運動示意圖

(1)請寫出霧滴相對于地面的初始速度vw0的矢量形式;

(2)若霧滴受到的合外力F為重力Fg和阻力Fr的合力,F=Fg+Fr,霧滴的質(zhì)量為mw,寫出t時刻霧滴相對于地面速度vwt的計算式;

(3)若霧滴離開噴嘴時的初始位移為r0,求t時刻霧滴位移r的表達式.

參考解答：

(1)根據(jù)運動的疊加性原理,霧滴的初始速度可以表示為x、y、z3個方向上的分速度的合成,分別求出3個方向上的分速度,即可求出vw0.

vw0=vwx0i+vwy0j+vwz0k

(13)

根據(jù)運動的相對性原理,霧滴相對于地面的絕對速度等于其相對于無人機的相對速度,以及由于無人機和風(fēng)運動而引起的牽連速度之和,即

v絕對=v牽連,無人機+v牽連,風(fēng)+v相對

(14)

根據(jù)式(14)可以寫出霧滴在3個方向上相對于地面的絕對速度大小分別為

(15)

vwz0=v′wcosγ

將式(15)代入式(13)即為霧滴初始速度的矢量表達式.

(2)根據(jù)t時刻速度與初始速度和加速度的關(guān)系,可得t時刻霧滴相對于地面的速度vwt為

(16)

(3)t時刻霧滴的位移

(17)

力學(xué)農(nóng)業(yè)專題中涉及到的物理知識點如表3所示.

表3 力學(xué)農(nóng)業(yè)專題中涉及到的物理知識點

4.4 熱學(xué)模塊——人工氣候箱的相關(guān)熱學(xué)分析

人工氣候箱也叫人工氣候培養(yǎng)箱,是模擬自然環(huán)境各參數(shù),包括溫度、濕度、光照度和光照時間的培養(yǎng)箱.人工氣候箱解決了自然環(huán)境不可控制的問題,為植物生長提供了一個更加可控、更加合理的生長條件.人工氣候箱在植物的發(fā)芽、育苗、組織細胞、微生物培養(yǎng)以及昆蟲、小動物飼養(yǎng)、水體分析的生化需氧量測定中,都有廣泛的應(yīng)用.

(1)請查閱資料,了解人工氣候箱的結(jié)構(gòu)和原理;

(2)人工氣候箱可用于種子育苗,例如,已知大白菜種子在20～25 ℃下發(fā)芽迅速而強健,因此在育苗的過程中,將溫度設(shè)置在20～25 ℃,那么通過人工氣候箱培育的大白菜的育苗品質(zhì)會更好.如果在室溫30 ℃的環(huán)境中,要保持人工氣候箱的溫度在大白菜種子發(fā)芽溫度23 ℃附近,那么人工氣候箱的制冷系統(tǒng)采用的是哪種循環(huán),為什么采用此種循環(huán)?此循環(huán)的制冷系數(shù)是多少?

參考解答：

(1)人工氣候培養(yǎng)箱由箱體、溫控系統(tǒng)、加熱制冷系統(tǒng)、光照系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)道等部分組成.

溫控系統(tǒng)主要由溫控儀、溫度傳感器等設(shè)備組成.溫控儀具有超溫保護、掉電保護、簡單編程、定時等功能.加熱制冷系統(tǒng)由加熱管、蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機等設(shè)備構(gòu)成.人工氣候培養(yǎng)箱的循環(huán)風(fēng)道設(shè)計,能最大限度地保證箱內(nèi)溫度的均勻性.人工氣候培養(yǎng)箱光照系統(tǒng)一般采用三面發(fā)光,保證箱體內(nèi)光照的均勻性.

人工氣候培養(yǎng)箱工作時:當(dāng)溫度傳感器測量的溫度信號傳至溫控儀,溫控儀內(nèi)CPU作出正確的判斷,輸出加熱信號或制冷信號,控制加熱管或壓縮機工作,人工氣候培養(yǎng)箱溫控系統(tǒng)采用模糊比例-積分-微分控制器控制方式,控溫精度高,溫度波動度小.

(2)制冷循環(huán)采用逆卡諾循環(huán),由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成.其過程是:制冷劑被壓縮機絕熱壓縮到更高的壓力,消耗的功使排氣溫度升高.之后,制冷劑通過冷凝器與周圍介質(zhì)進行熱交換,并將熱量傳遞給周圍介質(zhì).制冷劑絕熱膨脹后通過切斷閥做功,則制冷劑的溫度降低后,制冷劑通過蒸發(fā)器從溫度較高的物體中吸收熱量,從而降低被冷卻物體的溫度.重復(fù)此循環(huán)以達到冷卻的目的.由于卡諾循環(huán)是效率最高的循環(huán)方式,因此制冷過程采用了逆卡諾循環(huán).循環(huán)中高溫?zé)嵩礈囟葹?0 ℃,低溫?zé)嵩礈囟葹?3 ℃,由于逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)只與高溫和低溫?zé)嵩从嘘P(guān),因此該逆循環(huán)制冷系數(shù)為

(18)

以上農(nóng)業(yè)專題中涉及到的物理知識點如表4所示.

表4 熱學(xué)農(nóng)業(yè)專題中涉及到的物理知識點

5 結(jié)論

新農(nóng)科是一個新的教育概念,教育部倡導(dǎo)要對課程改革進行創(chuàng)新行動,并且新農(nóng)科建設(shè)的根本任務(wù)是人才培養(yǎng),是新時期農(nóng)林院校教育教學(xué)改革的重要方向[9],因此作為農(nóng)業(yè)院校中的公共基礎(chǔ)課,大學(xué)物理要積極進行農(nóng)業(yè)特色化改革,使得物理教學(xué)與農(nóng)業(yè)專業(yè)教學(xué)相銜接、相融合,使得教學(xué)更有針對性,同時能夠提高學(xué)生對這門課的認同感與學(xué)習(xí)的積極性;通過改革優(yōu)化人才培養(yǎng)方式,培養(yǎng)新時代的綜合性應(yīng)用型的卓越農(nóng)林新才.本文對大學(xué)物理的電光力熱4個模塊分別融入了4個能用大學(xué)物理知識解決的農(nóng)業(yè)實際問題,問題的設(shè)計注重了物理與農(nóng)業(yè)問題的相關(guān)性,并具有一定的挑戰(zhàn)性,符合“兩性一度”,即高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的金課標(biāo)準(zhǔn),并將在今后的實踐過程中不斷進行修改完善.此項改革也可以為農(nóng)業(yè)院校其他公共基礎(chǔ)課程的實踐教學(xué)改革提供參考,使得農(nóng)業(yè)院校的公共基礎(chǔ)課程更加適應(yīng)新農(nóng)科發(fā)展的時代需要.