大學(xué)物理鐵磁質(zhì)教學(xué)中工程教育素材的融入

郭鐵梁 李海寶

（黑龍江科技學(xué)院理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027）

大學(xué)物理鐵磁質(zhì)教學(xué)中工程教育素材的融入

郭鐵梁 李海寶

（黑龍江科技學(xué)院理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027）

在大學(xué)物理課程鐵磁質(zhì)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)中，結(jié)合工程實(shí)踐教育，使講授的知識(shí)點(diǎn)能夠理論聯(lián)系實(shí)際，在提高教學(xué)效果的同時(shí)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到理論知識(shí)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用，進(jìn)而使學(xué)生樹立正確的知識(shí)價(jià)值觀，提高學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí).

鐵磁質(zhì)；巨磁阻效應(yīng)；工程教育；大學(xué)物理

引言

在大學(xué)物理課程關(guān)于鐵磁質(zhì)內(nèi)容的教學(xué)中，按照理論聯(lián)系實(shí)際的教育原則，結(jié)合所講授的知識(shí)點(diǎn)，引入與該知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的工程實(shí)踐內(nèi)容，深入營(yíng)造與該知識(shí)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的工程教育情境，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)在大學(xué)物理課堂教學(xué)中，幫助學(xué)生樹立工程和實(shí)踐意識(shí)的目的.

1 鐵磁質(zhì)理論知識(shí)點(diǎn)教學(xué)基本要求

我們知道，鐵磁質(zhì)是一種性能特異、用途廣泛的磁介質(zhì).其主要特點(diǎn)有兩個(gè)方面：高磁導(dǎo)率和磁滯.這兩個(gè)特點(diǎn)是鐵磁質(zhì)應(yīng)用特別廣泛的主要原因［1］.對(duì)照《理工科非物理類專業(yè)大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》，對(duì)鐵磁質(zhì)理論知識(shí)的講解，要使學(xué)生理解鐵磁質(zhì)的基本理論，掌握磁場(chǎng)在磁介質(zhì)中的分布規(guī)律，了解鐵磁質(zhì)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用以及相關(guān)的科技前沿問題［2］.

鐵磁質(zhì)理論知識(shí)是大多數(shù)理工科學(xué)生專業(yè)理論的重要基礎(chǔ)知識(shí).以電類專業(yè)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)為例，鐵磁質(zhì)及其理論是學(xué)生后續(xù)課程如介質(zhì)物理、電機(jī)、變壓器等諸多課程的基礎(chǔ).如果將這個(gè)知識(shí)點(diǎn)放在比較突出的位置，就能夠更好地促進(jìn)基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的緊密銜接.同時(shí)通過營(yíng)造相應(yīng)工程教育情境，能夠引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，幫助學(xué)生以工程和實(shí)踐應(yīng)用的視角來學(xué)習(xí)這個(gè)知識(shí)點(diǎn).因此，通過挖掘鐵磁質(zhì)在工程中的應(yīng)用實(shí)例，并將應(yīng)用實(shí)例融入到課堂教學(xué)中，將有助于提高課堂教學(xué)效果.

2 傳統(tǒng)鐵磁質(zhì)理論工程教育素材在課堂教學(xué)中的融入

2.1 軟磁材料工程教育素材在課堂教學(xué)中融的入

鐵磁質(zhì)中的軟磁材料是電力工業(yè)和電子工業(yè)中廣泛應(yīng)用的重要材料［3］.這里應(yīng)通過多媒體圖文向?qū)W生介紹軟磁材料在工程實(shí)踐中的一些應(yīng)用.由于筆者的授課對(duì)象是電氣專業(yè)的學(xué)生，在講解時(shí)突出展示了在電力工業(yè)中，從電能的產(chǎn)生（發(fā)電機(jī)）、傳輸（變壓器）到利用（電動(dòng)機(jī)）的過程中，軟磁材料所起到的能量轉(zhuǎn)換作用的實(shí)例；同時(shí)也展示了從通信（濾波器和傳感器）、自動(dòng)控制（繼電器、磁放大器、變換器）、廣播、電視等領(lǐng)域內(nèi)，軟磁材料起到的信息的變換、傳遞等作用的案例.通過上述軟磁材料一系列應(yīng)用的介紹，使學(xué)生在獲得感性知識(shí)的同時(shí)，也會(huì)主動(dòng)思考或想象硬磁材料的相關(guān)應(yīng)用.這對(duì)于硬磁材料的講解創(chuàng)造了很自然很有效的教學(xué)情境.

2.2 硬磁材料工程教育素材在課堂教學(xué)中融的入

硬磁材料由于矯頑力高，它能長(zhǎng)期保持很強(qiáng)的磁性，因此硬磁材料又稱永磁材料或恒磁材料［4］.硬磁材料的應(yīng)用較廣泛，結(jié)合電類專業(yè)特點(diǎn)，筆者在講授時(shí)融入了這樣一些素材：如利用永磁鐵磁極間的相互作用力可實(shí)現(xiàn)磁傳動(dòng)、磁懸浮、磁起重、磁分離等應(yīng)用實(shí)例.

筆者在講述這部分內(nèi)容時(shí)，還向?qū)W生強(qiáng)調(diào)永磁功能器件具有節(jié)能、高效、與系統(tǒng)兼容、便于操作及可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，而這些優(yōu)點(diǎn)與當(dāng)今生產(chǎn)實(shí)踐中的高效節(jié)能環(huán)保等理念是相符的.

2.3 矩磁材料工程教育素材在課堂教學(xué)中融的入

矩磁材料是磁信息材料的一種，磁信息材料是用磁學(xué)方法存儲(chǔ)和記錄信息的磁載體材料［5］.按所采用的磁學(xué)原理和方法的不同，分為矩磁性存儲(chǔ)、磁泡存儲(chǔ)、磁記錄和磁光記錄.課堂上，利用圖文展示磁存儲(chǔ)是隨著計(jì)算機(jī)的興起而發(fā)展起來的，磁記錄則是從錄音開始的，接著擴(kuò)展到錄像和數(shù)碼，形成了廣闊的磁信息技術(shù)領(lǐng)域，磁信息材料在當(dāng)代信息社會(huì)中有著廣泛而重要的應(yīng)用.矩磁材料制成的磁芯或磁膜可以組成計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器，它利用矩磁材料的矩形磁滯回線的兩個(gè)穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)，構(gòu)成計(jì)算機(jī)二進(jìn)位制的“0”和“1”雙穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而再利用脈沖磁場(chǎng)存取信息.講授時(shí)，輔以存儲(chǔ)原理方面的圖文，吸引學(xué)生的注意力.

3 巨磁阻效應(yīng)工程教育素材在課堂教學(xué)中的融入

巨 磁 阻 效 應(yīng) （Giant Magneto－Resistive，GMR）是指磁性材料在不同的磁化狀態(tài)下電阻率存在巨大差異的現(xiàn)象.這是一種量子力學(xué)效應(yīng)，屬于鐵磁質(zhì)理論的一個(gè)科技前沿領(lǐng)域.為了讓學(xué)生了解這一科技前沿，應(yīng)向?qū)W生介紹巨磁阻效應(yīng).如何融入呢？筆者借助一個(gè)教學(xué)案例，說明如何將巨磁阻效應(yīng)融入到課堂教學(xué)當(dāng)中.

筆者先營(yíng)造了這樣一個(gè)情境：通過圖文展示最早的磁頭，這是一種采用錳鐵磁體制成并通過電磁感應(yīng)的方式讀寫數(shù)據(jù)的磁頭.但使用這種傳統(tǒng)磁頭的硬盤由于存儲(chǔ)密度低，要想制造大容量的磁盤，體積也相對(duì)較大，從而影響存儲(chǔ)器的便攜性.要想使硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大，勢(shì)必要求磁盤上每一個(gè)被劃分出來的獨(dú)立區(qū)域越來越小，相應(yīng)地這些區(qū)域所記錄的磁信號(hào)就會(huì)越來越弱.這就要求磁頭的設(shè)計(jì)體積應(yīng)越來越小，靈敏度應(yīng)越來越高.通過上述問題情境的營(yíng)造，學(xué)生對(duì)該問題必然十分感興趣.

這時(shí)筆者又以圖片展示了1997年由IBM公司投放到市場(chǎng)的全球首個(gè)基于巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭，然后結(jié)合圖文說明這一新式磁頭的工作原理：它是利用特殊材料的電阻值隨磁場(chǎng)變化的原理來讀取盤片上的數(shù)據(jù)，使用了具有巨磁阻效應(yīng)的材料和多層薄膜結(jié)構(gòu)，即相同的磁場(chǎng)變化能引起更大的電阻值變化，產(chǎn)生更加靈敏的電流，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)密度.然后通過列表比對(duì)現(xiàn)有的電磁感應(yīng)磁頭與GMR磁頭的存儲(chǔ)密度的很大差別：使用電磁感應(yīng)磁頭所能夠達(dá)到的盤片密度為3～5千兆位每平方英吋，而GMR磁頭可以達(dá)到每平方英吋10～40千兆位.

為突出理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)原則，筆者通過圖文列舉了學(xué)生所使用的電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP4播放器等利用巨磁阻效應(yīng)技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)的各種數(shù)碼產(chǎn)品.接下來就展示這樣的情境：2007年10月，科學(xué)界的最高盛典—瑞典皇家科學(xué)院頒發(fā)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉，法國(guó)科學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾（Albert Fert）和德國(guó)科學(xué)家彼得·格林貝格爾（Peter Grunberg）因分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).瑞典皇家科學(xué)院在評(píng)價(jià)這項(xiàng)成就時(shí)表示，今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)主要獎(jiǎng)勵(lì)“用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于這項(xiàng)技術(shù)，硬盤在近年來迅速變得越來越小”［6］.

和學(xué)生一起看過圖文后，教師提示學(xué)生：看看計(jì)算機(jī)硬盤存儲(chǔ)能力有多大，就知道上述兩位科學(xué)家的貢獻(xiàn)有多大了.筆者又利用兩張圖片進(jìn)行對(duì)比：一臺(tái)1954年體積占滿整間屋子的電腦，和一個(gè)如今非常普通、手掌般大小的硬盤.最后和學(xué)生一起來感受：司空見慣的筆記本電腦、MP3、U盤等消費(fèi)品，這些都閃爍著耀眼的科學(xué)光芒.諾貝爾獎(jiǎng)并不總是代表著深?yuàn)W的理論和艱澀的知識(shí)，它往往就在我們身邊，在我們不曾留意的日常生活中.

另外，在介紹上述內(nèi)容之后，筆者還向?qū)W生列舉我國(guó)在此方面的研究工作：中國(guó)科學(xué)院物理研究所及北京大學(xué)等高校在巨磁阻多層膜、巨磁阻顆粒膜及巨磁阻氧化物方面都有深入的研究；中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所在磁膜隨機(jī)存儲(chǔ)器、薄膜磁頭、金屬夾層（MIG）磁頭的研制方面成果顯著；北京科技大學(xué)在原子和納米尺度上對(duì)低維材料的微結(jié)構(gòu)表征的研究及對(duì)大磁矩膜的研究均有較高水平……列舉的目的是讓學(xué)生了解我國(guó)在此領(lǐng)域的研究狀況.

4 結(jié)語

通過工程教育情境的營(yíng)造，背景的勾勒，使學(xué)生看到了是科學(xué)興趣和實(shí)際生產(chǎn)生活的需要推動(dòng)了科技的發(fā)展，體會(huì)了細(xì)致的觀察和執(zhí)著的必要性，提高了學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣和動(dòng)力.上述教學(xué)手段及教學(xué)方法的實(shí)際效果，通過學(xué)期末的考試成績(jī)及問卷調(diào)查，學(xué)生給予了積極反饋，取得了良好的教學(xué)效果.有關(guān)鐵磁質(zhì)知識(shí)及理論所涉及的工程教育素材，已經(jīng)編入了我們的教材中［7］.總之，按照理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)原則，在大學(xué)物理鐵磁質(zhì)知識(shí)的講解中，融入工程教育素材，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)際應(yīng)用的緊密結(jié)合，強(qiáng)化了學(xué)生工程實(shí)踐和科技創(chuàng)新意識(shí)，拉近了學(xué)生與工程應(yīng)用領(lǐng)域的距離，符合在大學(xué)物理課堂教學(xué)中注重工程實(shí)踐和科技創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)的要求.

［1］ 鄭怡，陳宏希.鐵磁質(zhì)的特性與應(yīng)用［J］.甘肅科技，2000.（4）：45～58

［2］ 教育部高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì).理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求［M］.北京：高等教育出版社，2010

［3］ 孫玉魁，張長(zhǎng)安，董學(xué)智.金屬軟磁材料及其應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1986

［4］ 周壽增，董清飛.超強(qiáng)永磁體：稀土鐵系永磁材料［M］.2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2004

［5］ 耿冰，馬桂榮.磁信息材料的特點(diǎn)與應(yīng)用 ［J］.電大理工，2007，（4）：11～15

［6］ 殷婷，楊辰.巨磁阻效應(yīng)及其應(yīng)用［J］.科海故事博覽·科教論壇，2010，（8）：169

［7］ 劉炳勝，李海寶，郭鐵梁等.大學(xué)物理基礎(chǔ)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011

ENGINEERING EDUCATION ABOUT FERROMAGNETIC MATERIALS IN UNIVERSITY PHYSICS TEACHING

Guo Tieliang Li Haibao
（College of Science，Heilongjiang Institute of Science and Technology，Harbin，Heilongjiang 150027）

Combining with engineering practice education，the teaching about ferromagnetic materials can achieve the result of linking theory with practice in university physics course.It can improve the teaching effect and make students to understand the application of theory knowledge.Moreover，the combination can help to realize the values of the knowledge，which can encourage students to improve the interest and strengthen the consciousness of active learning.

ferromagnetic materials；giant magnetoresistance；engineering education；university physics

2011－09－05；

2011－11－28）

黑龍江科技學(xué)院青年才俊計(jì)劃資助；2011年度黑龍江省新世紀(jì)高等教育改革工程項(xiàng)目資助.

郭鐵梁（1971年出生），男，黑龍江雙城人，副教授，碩士，哈爾濱工程大學(xué)在讀博士，從事信息與通信工程及基礎(chǔ)物理研究.