大学物理教学与工程应用的结合

2022-03-21版权声明我要投稿

  摘要:应用型本科大学物理教学的重点是构建应用型物理教学体系,本文提出了传统的单一理论物理教学存在的缺陷,并针对相关问题提出教学过程中要面向学生专业、面向生产实践,面向工程应用,以此改善教学方法,科学、合理地选择教学内容,教学中结合大量的工程应用实例,潜移默化提高学生工程实践能力,实现培养应用型本科人才的需要。

  关键词:大学物理教学;教学方法;工程应用;

  物理学[1]研究物质世界的基本结构、基本相互作用和最普遍的自然界的运动规律,它是一切自然科学和工程技术的基础。人类科技发展史上的历次工业革命与物理学有着非常密切的关系。第一次工业革命发生在17~18世纪,实现了工业的机械化,其基础是牛顿力学和热力学的发展,标志是蒸汽机的出现和使用。19世纪爆发了第二次工业革命,促进了工业的电气化,以发电机、电动机、电讯设备的大量出现为标志,这些技术的基础是电磁理论的不断发展与创新,20世纪爆发了第三次工业革命,加快了工业的自动化与核能的应用,其物理学基础为相对论和量子力学,标志着以信息技术为代表的一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。由此可见,物理学在推动整个人类社会发展过程中起着举足轻重的作用,它是人类社会未来科学技术发展的源泉和动力。

  大学物理作为高校理工科学生的基础课程,不仅为学生学习其他专业课奠定基础,而且提供了研究科学最基本的方法,对于提高学生的科学素质,培养学生的科学思维方式有着至关重要的作用。大学物理教学过程中既能做到使学生获得大量物理知识,又能全面提高学生在实践中应用物理知识解决实际问题的能力,这是大学物理教育急待解决的问题,也是构建应用型本科大学[2]的必然要求和发展趋势。

1 大学物理教学中纯理论授课存在的问题

  传统的物理教学[3]通过理论知识的讲解和剖析向学生传授物理知识,不断重复加强学生对知识的记忆和理解,难免出现重理论轻应用、重接受轻探索、重训练轻方法等现象,学生学习过程中只是掌握了较多的解题方法,对于物理知识在工程中的实际应用关注较少,造成学生解决实际问题的能力较弱。由于大学物理与高等数学结合紧密,对于数学基础薄弱的学生,学习物理显得更加困难和枯燥,造成学生学习兴趣的减弱。

  在信息化爆炸的今天,社会对人才的要求越来越苛刻,企业招聘过程中,不仅注重学生的文化课成绩,而且更注重对学生实践能力的考察,如果学生能够掌握一种熟练的工程技术,那么对于求职成功将锦上添花。所以,对于应用型本科而言,培养人才的方式急需转变,所培养的人才应该正确判断和解决工程实际问题,能够设计和开发技术系统,可以胜任跨学科的技术合作。当然,构建应用型本科物理教学体系[4]也是迫在眉睫。

  为应对新一轮科技革命的来临,国家教育部正在积极加强“新工科”建设,相对于传统的工科人才,未来新兴产业迫切需要实践能力强、创新能力强的复合型“新工科”人才。由此可见,新工科[5]精神要求高校培养的学生需要具有一定的实践能力和创新能力。

2 大学物理教学与工程应用的结合

  2.1 结合学生专业特点精选教学

  根据学生所学专业对物理课程教学的详尽程度进行合理取舍。

  对于电子工程专业的同学,介绍静电场和稳恒磁场时,不仅为学生介绍静电场和磁场的特点以及在静电场、磁场中的重要定理,而且要结合学生专业特点介绍电路板布线中存在的电磁干扰问题,可以讲解电路板布线原则,重要信号线处理,通过多种方法减少电磁干扰问题,同时介绍电阻、电容、电感常用元件的电学特性,加深学生对这些元件的认识,这样学生既掌握了大学物理中电磁场的基本知识,强化了对电磁场本质的认识,而且学生在一定程度上掌握了硬件工程师在电路设计中的基本素养,为将来走向对应工作岗位奠定了一定基础。

  对计算机科学与技术专业的学生,在介绍重要物理模型时,可以穿插重要模型的后台编译程序,让学生认识到物理学中重要的模型原来可以通过一个个小程序呈现出来,同时将源代码提供给学生,让学生看懂程序,学习程序,并鼓励学生独立编写程序展示物理模型,这样既强化了学生的专业技能,同时加深学生对物理模型[6]的理解。

  对土木工程专业的学生,由于学生专业课中需学习大量的力学原理[7],故在介绍大学物理中的牛顿运动定律、刚体转动这些章节时需作为重点讲解,对常见物理的受力分析及对刚体模型的理解作为课堂教学核心内容,同时也可以引入建筑工程中常见机器的力学原理进行讲解,使学生能够身临其境观察、思考、探索。

  对机械设计制造及自动化专业的学生,由于学生主要解决工件的设计和构型,所以要注重强化学生的空间想象能力,对于复杂的物理模型,提示学生从不同角度去观察,即让学生想象模型的正视图,侧视图,剖面图等。例如载流线圈在磁场中的运动,当从不同方向观察线圈中的电流时,呈现的图像有一定区别,让学生从不同观察角度去总结看到的图形的差异化,并且动手能够画出正视图,侧视图,剖面图,进一步增强学生的空间思维能力与作图能力。

  对光电信息科学与工程专业的学生,将波动光学[8]这一章内容作为重点章节讲授,不仅要穿插几何光学,而且在介绍光的干涉、衍射等现象时,引入大量工程实例,强化理论知识在实践中的运用。

  如图1利用等厚干涉可以测量细金属丝的直径。如果已知入射光垂直水平面入射,波长为λ,测得金属丝到棱外的距离为L,相邻明条纹的间距为Δx,由于劈尖夹角θ很小,故有,而劈尖夹角θ,相邻明条纹的间距Δx以及入射光波长λ之间关系为,可得

  如图2,通过干涉条纹检测工件表面的平整度,如果工件表面平整,干涉条纹是一组平行于棱边的直线,如果工件表面不平整,则干涉条纹就要弯曲,并且根据条纹的弯曲形状可以判断工件表面是凹陷还是凸出的。

  如图3,根据干涉条纹图样,可以检验透镜球表面质量。若干涉条纹为半径不同的一个一个同心圆构成,则透镜球表面质量高,符合实际要求,若出现如图3所示图样,则透镜表面存在一定问题,需要继续打磨加工,直至符合实际的生产要求。

  当然,针对学生专业引入大量的工程实例非常多,选择合适的、与时俱进的素材需要授课教师掌握最新的前沿物理知识并不断在实践中总结、提取和加工。

  2.2 根据学生生活需要选择教学

  在讲授电磁感应原理时,可以为学生举一些生活实例。电磁炉是生活中常用的工具,电磁炉的原理是电磁感应现象,即利用交变电流通过线圈产生方向不断改变的交变磁场,处于交变磁场中的导体的内部将会出现涡旋电流,这是涡旋电场推动导体中载流子运动所致,涡旋电流的焦耳热效应使导体升温,从而实现加热。这样能够加深学生对电磁感应现象的理解。

  讲授动量定理和角动量守恒定律时,可以给学生分析跳水运动员在空中将身体抱成一团姿态的原因,进一步分析入水前将身体尽量展开的原理。

  讲解波动光学内容时,可以给学生介绍光纤通信的基本原理。从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源以及光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成和光学特性进行分类外,在应用中,光纤还可以按照用途进行分类,可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种,而功能器件光纤指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤。通过这样的讲解,使学生不仅对光学基本知识充满兴趣,而且对光纤通信有强烈的好奇心。

  介绍电子在磁场中的偏转时,可以为学生讲解一下示波器。示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器,能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像,使人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用高速电子组成的电子束,打在涂有荧光物质的屏幕,就可产生细小的光点。在被测信号的作用下,电子束可以在屏幕上描绘出被测信号的瞬时值[9]的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用它测试电压、电流、频率、相位差、调幅度等。

  讲述静电场时,可以给学生分析一下手机的辐射问题。通过专用仪器检测,检测时,仪器紧贴手机,从拨号开始直到通话结束。结果表明,检测到的功率密度最大值为400~800μW/cm2,检测到的最小值为3~5μW/cm2。目前,在我国并没有手机辐射标准,但是在检测到的所有物品中,手机辐射较大。建议在平时的生活中使用耳机接打电话时,特别是在手机信号不好时别打或少打电话。

  介绍多普勒效应时,同时介绍超声波清洗机的原理。超声波清洗机主要是通过换能器,将超声波发生器发出的高频振荡信号转换为机械振动,通过清洗槽壁将超声波辐射到槽子的清洗液中。受到超声波的辐射的作用,使槽内液体中的微气泡能在声波的作用下保持振动。从而破坏污物与清洗件表面的吸附,引起污物层的疲劳破坏而被驳离,气体型气泡的振动对固体表面进行反复地擦洗,达到清洁的目的。

  2.3 理论与实验教学融合

  传统的大学物理教学过程中,一般将大学物理的教学安排在大一的第二学期,而将大学物理实验[10]的教学安排在大二的第二学期,这样相当于将大学物理的理论教学与大学物理实验的实践教学分离,并且大学物理实验教学中大多是一些基础实验,而倾向工程应用[11]方面的综合设计类的实验较少,在这样的教学模式下,很难提升学生的实践能力与创新精神。鉴于以上原因,可以从两个方面着手解决教学的问题。

  一是将大学物理和大学物理实验教学融合为一门课,打破传统的大学物理教材编写思路,编写个性化的讲义,即实现一边讲授理论,一边让学生进行实践操作,既实现了理论知识的形象化,又无形中提升了学生的实践操作能力。例如在讲授光栅衍射这一节内容时,可以直接让学生进行光栅测量光波波长这一实验,学生在课堂上自己总结光栅的结构,自己通过观察光栅后方的衍射条纹,总结光栅衍射的特点,从而回头思考光线如何通过光栅,光栅衍射条纹产生的原理,通过这样一个一个环节的探究,学生能够加深对光栅的进一步认识,也比较真实、形象地理解了光栅衍射的原理,从而避免了传统的、枯燥的只给学生讲授光栅衍射的原理,一味的公式推导,学生在这样的情境下也不会有浓厚的兴趣继续进行科学探究。

  二是整合优化大学物理实验的内容。可以调研毕业生就业的企业,了解相关企业需要毕业生掌握的基本技能,从而针对不同专业的在校生开展有相关性的实验课程。例如对电子工程专业的毕业生,在学习了静电场的知识后,给学生直接开设多用电表的焊接、制造及校准这一电学实验。首先,让学生先了解基本的电子器件,例如电阻、电容和电感,并掌握相关电子器件的参数,能够参考使用说明选择合理的电子器件进行实验。其次,学生能够科学、准确地分析多用电表的电路图,能够运用所学知识明白各个电路的子模块的作用,从而间接提升学生分析电路、应用电路的基本功,为后续的毕业面试环节做好铺垫。再次,学生设计多用电表的校准电路图,在实验室分小组搭建电路,通过校准自己焊接的多用电表,从而能够回头分析自己所选择的器件的科学性,对个别的电子器件进行微调,使多用电表达到比较理想的使用效果。

  在平时的教学过程中,选取四个班级作为创新班,采用理论与实验教学融合模式进行教学,另外选取四个班级作为对比班,采用传统的只讲授理论模式授课,并对两种教学模式下的班级的成绩分析如下表所示。

  2.4 注重科技小作品

  传统的大学物理教学中,教师讲授完某一节知识点后,会给学生布置一些理论性的课后作业,在这样的背景下,学生还是停留在理论层次的逻辑推理与计算,学生的实践动手能力与创新意识并未明显提升。所以,基于提高学生的工程素养[12]的要求,对大学物理作业形式做一下改变,教师讲授完每一章内容后,要求学生根据本章所学内容,选择合理的材料,制作一件能够体现本章物理原理及物理规律的小制作。

  比如,学生学习完恒定磁场这一节后,根据磁场的基本理论,制作了电报机。学生学习了波动光学这一章后,制作了红外报警器。当学生学习完电磁感应后,制作了发电机。每当学生完成这些作品后,学生进一步加深了对基本物理原理的理解,同时提高了学生的动手能力,提升了学生的创新意识,增强了学生的工程素养。

  当学生完成一件件科技作品后,不同小组之间进行交流,可以交流科技作品的原理,也可以互相展示制作过程,讨论科技作品在工业和生产实践中的应用,也可以针对具体作品提出改进方法,使制作的作品更具有综合的功能。比如某组学生制作了抽水机,另外一组学生制作了气压泵,那么这两件作品可以组合起来,从而实现综合利用。

  总之,通过课后学生制作科技作品,并在课堂上自信地展示自己的作品,学生对大学物理的学习兴趣更加浓厚,学生的动手实践能力不断提高,学生同时尝试作品能够贴近实际的工程背景,甚至达到能够发明专利的高度。

3 结论

  综合以上研究成果,大学物理教学不仅要使学生获得基本的物理知识,而且要促进教学内容与工程应用的有机结合,大学物理教学既要结合学生专业特点精选教学,又要根据学生生活需要选择教学,不断促进大学物理与大学物理实验的融合,进一步增加课程的实践考核比重。结果表明,大学物理教学与工程应用的科学结合,既增强了学生的学习兴趣,又能培养符合时代发展的“新工科”高素质人才。

参考文献

  [1]郑春,郭延生,宋兆丽,等.应用型本科大学物理的教学改革[J].长春工程学院学报,2007,8(1):45.

  [2]彭振生,王桂英,毛强,等.论大学物理课程在工程教育中的作用[J].苏州学院学报,2013,28(10):67.

  [3]张萍,张静.传统大学物理教学的困境及成因分析[J].物理与工程,2019,1(29):25-30.

  [4]何素贞.应用型本科院校大学物理教学的探讨[J].赤峰学院学报,2013,29(11):192.

  [5]张静,黄捷.基于应用型人才培养的大学物理课程改革与研究[J].科技创新导报,2016,6:156-160.

  [6] 陈世红.大学物理课程体系改革的研究与实践[J].贵州大学学报,2004,21(7):75.

  [7]刘景波.大学物理融入工程教育的思想[J].河北工程大学学报,2007,24(4):80.

  [8]张文辉.信息技术与大学物理教学整合的研究[J].物理与工程,2008,18(6):35-36.

  [9]李文胜,张琴,黄海铭.初探“卓越计划”下的大学物理教学[J].物理与工程,2013,23(4):46.

  [10]刘强,段彬,张凤琴.以物理演示拓展工程应用的大学物理实验教学模式探索[J].大学物理实验,2019,2(32):110-113.

  [11]谢东,徐春玲,陈超.基于工程应用实例的应用型本科院校大学物理教学改革与探索[J].2019,37:47-49.

  [12]程永喜,李淑青,任全年,等.工程教育视角下的应用型本科院校大学物理课程教学改革策略[J].2019,9:195-196.

作者:赵朝军 单位:西安工商学院

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