物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用的探究與實(shí)踐

摘 要 隨著新時(shí)代軍事教育方針在軍隊(duì)院校的全面落實(shí)，為培養(yǎng)“能打仗、打勝仗”的優(yōu)秀軍事人才，本文闡述了新形勢(shì)下在軍隊(duì)院校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中緊貼軍事應(yīng)用的必要性。在現(xiàn)有教學(xué)基礎(chǔ)上，基于實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和思想方法等方面，從力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、振動(dòng)波動(dòng)、波動(dòng)光學(xué)、近代物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K介紹可供參考的緊貼軍事應(yīng)用的實(shí)例。通過緊貼軍事應(yīng)用的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué);軍事;科學(xué)素養(yǎng)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是自然科學(xué)模塊的一門必修公共基礎(chǔ)課程，是本科學(xué)生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和科學(xué)素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。不同于地方高等院校，軍隊(duì)院校教育的基本任務(wù)之一是培養(yǎng)軍事人才。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課蘊(yùn)含的物理知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能、思想方法等是軍事高新技術(shù)的重要支撐。因此在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中緊貼軍事應(yīng)用是培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞母咚刭|(zhì)、專業(yè)化新型軍事人才的重要舉措。

1 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊貼軍事的必要性

2020年7月，習(xí)主席八一前夕視察空軍航空大學(xué)并發(fā)表重要講話，院校同部隊(duì)對(duì)接越精準(zhǔn)，課堂同戰(zhàn)場(chǎng)銜接越緊密，培養(yǎng)的人才越對(duì)路子[1]。目前在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在教學(xué)與實(shí)戰(zhàn)聯(lián)系不夠緊密的問題。從教師角度，受教學(xué)慣性等影響，教師課上著重講授實(shí)驗(yàn)原理、內(nèi)容、操作等，忽視挖掘物理實(shí)驗(yàn)和軍事之間的聯(lián)系。從學(xué)生角度，他們認(rèn)為在今后的工作實(shí)際中物理實(shí)驗(yàn)并不會(huì)有直接用處，重點(diǎn)掌握和軍事相關(guān)的課程即可。

大 學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為理工基礎(chǔ)學(xué)科中的理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的科目，它涉及的基本知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能和思想方法等對(duì)于社會(huì)進(jìn)步、軍事技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于新型軍事人才的培養(yǎng)都有著不可替代的作用，因此在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中緊貼軍事應(yīng)用迫在眉睫。

2 緊貼軍事應(yīng)用的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)有教學(xué)實(shí)際基礎(chǔ)上，筆者所在軍校基于力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、振動(dòng)與波動(dòng)、波動(dòng)光學(xué)、近代物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K，從實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和思想方法等方面探究實(shí)驗(yàn)知識(shí)和軍事技術(shù)、武器裝備之間的聯(lián)系，教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用，課堂密切銜接戰(zhàn)場(chǎng)，進(jìn)而夯實(shí)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)素養(yǎng)。

2.1 力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K緊貼軍事應(yīng)用

力學(xué)是研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，是物理學(xué)、工程技術(shù)學(xué)科和軍事技術(shù)、武器裝備的基石。

例 如剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，在導(dǎo)入環(huán)節(jié)提出什么是剛體？ 軍事中有哪些剛體？ 以99A 式主戰(zhàn)坦克為例，旋轉(zhuǎn)炮塔和車輪，包括坦克上用來保持負(fù)載穩(wěn)定的陀螺儀等，新型直20F上的旋翼和魚雷的螺旋槳都是典型的剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)例子;精準(zhǔn)測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在彈丸、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、陀螺儀等設(shè)計(jì)制造中至關(guān)重要，如何測(cè)定剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量？在實(shí)驗(yàn)中用到了間接測(cè)量的方式，通過測(cè)量物體扭擺周期和彈簧扭轉(zhuǎn)常數(shù)可得剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。這種把不易測(cè)得的量通過若干可直接測(cè)量的量計(jì)算得到的轉(zhuǎn)化思維在軍事上也早有應(yīng)用，如三十六計(jì)中的“假道伐虢”“李代桃僵”“暗度陳倉”等。以力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K為例，可開發(fā)資源如表1所示。

2.2 熱學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K緊貼軍事應(yīng)用

熱學(xué)研究的是組成物質(zhì)的大量分子或原子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的微觀本質(zhì)和宏觀規(guī)律，在提高坦克發(fā)動(dòng)機(jī)效率、火藥燃燒效能等問題上起著基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)作用。

在氣體比熱容比的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，先提出問題：什么是比熱容？ 坦克為什么采用水冷發(fā)動(dòng)機(jī)？ 進(jìn)而提出水的比熱容最高，引出比熱容比的概念，氣體比熱容比的數(shù)值在氣體的熱力學(xué)過程和工程技術(shù)應(yīng)用中有著重要影響。在此實(shí)驗(yàn)中有個(gè)迅速打開活塞，使瓶內(nèi)氣體和外界相通的步驟，因這個(gè)放氣過程較快，可以近似認(rèn)為這是一個(gè)絕熱膨脹過程，這里用到理想模型法（重點(diǎn)考慮主要因素，淡化次要因素，用簡單思路處理復(fù)雜問題）。毛主席指出：“任何過程如果有多數(shù)矛盾存在的話，其中必定有一種是主要的，起著領(lǐng)導(dǎo)的、決定的作用，其他則處于次要和服從的地位。因此，研究任何過程，如果是存在著兩個(gè)以上矛盾的復(fù)雜過程的話，就要用全力找出它的主要矛盾。捉住了這個(gè)主要矛盾，一切問題就迎刃而解了。”[3]發(fā)展軍事高新技術(shù)、升級(jí)武器裝備也是同樣道理，優(yōu)先發(fā)展能出奇制勝的關(guān)鍵武器，要優(yōu)先攻克“卡脖子”技術(shù)，進(jìn)而有效推動(dòng)武器裝備的發(fā)展。同時(shí)也可以提出思考題“如何能使這個(gè)迅速開活塞過程更接近絕熱膨脹過程？”，以培養(yǎng)學(xué)生精益求精的學(xué)習(xí)習(xí)慣。以熱學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K為例，可開發(fā)資源如表2所示。

2.3 電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K緊貼軍事應(yīng)用

電磁學(xué)主要研究物質(zhì)的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)及電磁運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律。電磁學(xué)的發(fā)展推動(dòng)人類進(jìn)入信息化時(shí)代，在電子電工、自動(dòng)控制等方面舉足輕重，促進(jìn)了信息化智能化技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)中的廣泛應(yīng)用。

在 霍爾法測(cè)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，以霍爾元件在軍工測(cè)量和控制上的應(yīng)用來引入：用于軍用車輛檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器，調(diào)控導(dǎo)彈發(fā)射的霍爾角度傳感器和協(xié)助天和核心艙調(diào)整姿態(tài)的霍爾推進(jìn)器等，啟發(fā)學(xué)生思考：為什么霍爾元件在航空、航天、軍事等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用？ 引出霍爾元件優(yōu)點(diǎn)：微型化、高靈敏度、高精度、高穩(wěn)定性等。在實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)稱測(cè)量法（改變電流和磁場(chǎng)方向）基本上可以消除副效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高實(shí)驗(yàn)精度。在經(jīng)典霍爾實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，介紹霍爾效應(yīng)的后續(xù)發(fā)展：1980 年整數(shù)量子霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn);1982年分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)[4];2013年，量子反常霍爾效應(yīng)被我國薛其坤院士領(lǐng)銜發(fā)現(xiàn)，為高速低能耗的電子元器件的發(fā)現(xiàn)提供了可能。通過介紹霍爾效應(yīng)發(fā)展史和前沿進(jìn)展，引導(dǎo)學(xué)生思考同一物理原理在不同條件下會(huì)有不同的效果，物理規(guī)律并非一成不變，需要具體問題具體分析。正是一代代科學(xué)家們不斷探索、大膽質(zhì)疑、敢于創(chuàng)新，成就了物理世界的豐富多彩。以電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K為例，可開發(fā)資源如表3所示。

2.4 振動(dòng)與波動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K緊貼軍事應(yīng)用

振動(dòng)主要研究在某一數(shù)值附近做周期性變化的物理量，振動(dòng)狀態(tài)在空間的傳播過程稱為波動(dòng)。振動(dòng)與波動(dòng)主要研究振動(dòng)和各類波動(dòng)的特性和規(guī)律，其中消聲瓦、微聲槍械、聲吶、次聲武器等都離不開物理原理的有效支撐。

在聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，從海洋聲吶有什么優(yōu)點(diǎn)引入。基于聲速在海水的傳播過程中有傳播距離遠(yuǎn)、衰減小等特點(diǎn)，聲吶在海洋中可用于水下目標(biāo)有效探測(cè)、定位、通信等。在實(shí)驗(yàn)過程中，可讓學(xué)生對(duì)比“駐波法”和“相位法”在測(cè)聲速上的實(shí)驗(yàn)原理、測(cè)量方法、數(shù)據(jù)處理都有哪些不同，在什么情況下用什么方法更加恰當(dāng)。通過對(duì)比研究，增進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)方法的理解，引導(dǎo)學(xué)生從不同角度看問題，用不同方法處理問題，取長補(bǔ)短，使問題處理最優(yōu)化。在實(shí)際海洋環(huán)境中，要考慮鹽分對(duì)聲速的影響，可引導(dǎo)學(xué)生就“隨著海水鹽度的增大，聲速會(huì)如何變化”進(jìn)行探究，理論向?qū)嶋H靠攏。以振動(dòng)與波動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K為例，可開發(fā)資源如表4所示。

2.5 波動(dòng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K緊貼軍事應(yīng)用

波動(dòng)光學(xué)主要研究光的干涉、衍射和偏振，基于光的波動(dòng)性探究光在傳播過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象及規(guī)律。光學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了軍事中觀瞄裝備等的革新。

在 全息光柵的制作和光柵常數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，以全息存儲(chǔ)（它的三維存儲(chǔ)是二維存儲(chǔ)量的一千多倍，可大量節(jié)省存儲(chǔ)空間且保密性強(qiáng)）[7]、全息瞄準(zhǔn)鏡等引入。在實(shí)驗(yàn)過程中，讓學(xué)生分組探究“光學(xué)元件如何等高共軸”“如何獲得平行光”“如何使得反射光和透射光光強(qiáng)盡量相等”“如何精準(zhǔn)測(cè)量和確定θ”，通過學(xué)員組內(nèi)討論和組間交流，教師及時(shí)鼓勵(lì)和補(bǔ)充，讓學(xué)生面對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)要學(xué)會(huì)分工合作，協(xié)同作戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)方式的最優(yōu)解，提高戰(zhàn)斗力。以波動(dòng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K為例，可開發(fā)資源如表5所示。

2.6 近代物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K緊貼軍事應(yīng)用

近代物理研究的是適用于高速運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論和微觀領(lǐng)域的量子力學(xué)，近代物理的出現(xiàn)為核能的發(fā)展、電子設(shè)備微型化、量子通信等奠定了理論基礎(chǔ)。

講到用光電效應(yīng)測(cè)定普朗克常數(shù)時(shí)，以裝甲戰(zhàn)車上的光電傳感器和可以實(shí)現(xiàn)夜間戰(zhàn)場(chǎng)可視化的微光夜視儀引入，讓學(xué)生體會(huì)到光電效應(yīng)在生活和軍事中的廣泛應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，如何測(cè)得普朗克常數(shù)這個(gè)微觀量呢？ 微觀量并不方便測(cè)量，可以利用轉(zhuǎn)化思維把微觀量用實(shí)驗(yàn)室可測(cè)的電壓、電流等宏觀量表示，這種巧妙的思想可以靈活運(yùn)用在生活和軍事中。1887年德國物理學(xué)家赫茲在發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)之后，萊納德于1902年發(fā)布了幾個(gè)關(guān)于光電效應(yīng)的重要實(shí)驗(yàn)結(jié)果;1905年，愛因斯坦在論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)》中，對(duì)于光電效應(yīng)給出另外一種解釋，提出了光的波粒二象性;1916年，密立根通過十年時(shí)間證實(shí)了愛因斯坦的理論是正確的，并且應(yīng)用光電效應(yīng)直接計(jì)算出普朗克常數(shù)[9]。正是愛因斯坦的創(chuàng)新理論，推廣了普朗克的能量子假說，光子本身特性也是對(duì)立統(tǒng)一的，有波動(dòng)性的同時(shí)也有粒子性;正是密立根的“十年磨一劍”，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的精神，測(cè)得當(dāng)時(shí)最精確的普朗克常數(shù)h 的值。以近代物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K為例，可開發(fā)資源如表6所示。

3 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用實(shí)踐效果

通過對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)各模塊進(jìn)行緊貼軍事應(yīng)用的教學(xué)改革探索，經(jīng)過長期實(shí)踐后，我們對(duì)280余名學(xué)生展開問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)改革取得較好的教學(xué)效果。主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)，一是學(xué)生學(xué)習(xí)興趣高漲。有76.77%學(xué)生表示喜歡上大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課，相比于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，增加了25%;80%的學(xué)生認(rèn)為緊貼軍事應(yīng)用的物理實(shí)驗(yàn)課程對(duì)崗位任職大有裨益，希望通過學(xué)習(xí)更深入地了解和探索軍事技術(shù)和武器裝備背后的原理，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚使得教師在吃透現(xiàn)有軍事應(yīng)用之外，繼續(xù)挖掘新的內(nèi)容，促進(jìn)教學(xué)相長。二是大大提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。有70%的學(xué)生表示通過該課程的學(xué)習(xí)，后續(xù)在接觸和操作武器裝備時(shí)學(xué)習(xí)能力顯著提升，對(duì)裝備部分器件具體原理有了初步了解后，能利用所學(xué)知識(shí)舉一反三快速掌握整個(gè)裝備原理，同時(shí)還促使學(xué)生運(yùn)用學(xué)到的物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)來分析、解決實(shí)際學(xué)習(xí)、生活、工作中的問題。三是顯著提升學(xué)生動(dòng)手能力及創(chuàng)新素養(yǎng)。學(xué)生參加物理科技創(chuàng)新競賽比例提升了30%，其中軍事類作品增加了50%。作品質(zhì)量也得到顯著提升，在北京市大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽中屢獲佳績。比如我院學(xué)生設(shè)計(jì)研究了輔助瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，綜合多個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，風(fēng)向風(fēng)速、溫度濕度、陀螺儀等模塊優(yōu)勢(shì)集中，通過瞄準(zhǔn)鏡上的自動(dòng)微調(diào)裝置，自動(dòng)調(diào)整瞄準(zhǔn)鏡角度，將彈著點(diǎn)與瞄準(zhǔn)準(zhǔn)星重合，消除正常瞄準(zhǔn)在復(fù)雜環(huán)境下的誤差，加強(qiáng)射手步槍射擊的射擊精度。為平時(shí)訓(xùn)練中射手射擊受環(huán)境影響而精準(zhǔn)度不高的問題提出有效解決辦法。輔助瞄準(zhǔn)系統(tǒng)以其貼近部隊(duì)實(shí)際的創(chuàng)意、巧妙的實(shí)驗(yàn)裝置、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析，獲北京市大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽一等獎(jiǎng)，申請(qǐng)實(shí)用新型專利1項(xiàng)。

4 結(jié)語

本文從不同知識(shí)模塊出發(fā)進(jìn)行了緊貼軍事應(yīng)用的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)，在教學(xué)中，從實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和思想方法等方面挖掘物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)和軍事技術(shù)、武器裝備之間的聯(lián)系，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，大力推進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)向?qū)崙?zhàn)聚焦，為戰(zhàn)育人。

參 考 文 獻(xiàn)

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