在卓越工程師計(jì)劃中大學(xué)物理應(yīng)力如何與專業(yè)相結(jié)合的研究

【摘 要】卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃中提出基礎(chǔ)課程要與專業(yè)相結(jié)合的辦法培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和邏輯思維能力，同時(shí)應(yīng)用型本科大學(xué)物理教學(xué)改革的重點(diǎn)之一是改革教學(xué)理念，優(yōu)化、調(diào)整教學(xué)體系和內(nèi)容.因此我們應(yīng)敢于建立創(chuàng)新的教育觀念，科學(xué)合理地選擇教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)注重與學(xué)生專業(yè)相結(jié)合培養(yǎng)出高質(zhì)量的工程技術(shù)創(chuàng)新型人才。

【關(guān)鍵詞】卓越工程師計(jì)劃；大學(xué)物理；應(yīng)力；教學(xué)改革

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”）是貫徹落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《國(guó)家中長(zhǎng)期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的重大改革項(xiàng)目，也是促進(jìn)我國(guó)由工程教育大國(guó)邁向工程教育強(qiáng)國(guó)的重大舉措，旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，其重要特點(diǎn)之一是強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。而作為當(dāng)代高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)與源泉的物理學(xué)不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)科技知識(shí)的基礎(chǔ)課，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力的重要渠道[1]。我校積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召開展“卓越工程師計(jì)劃”，提出在為同學(xué)們講解相關(guān)物理知識(shí)時(shí)要與學(xué)生專業(yè)有機(jī)結(jié)合的策略。我們緊跟時(shí)代步伐和適應(yīng)形勢(shì)發(fā)展的要求，提出在保證學(xué)生們學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識(shí)的同時(shí)，打破現(xiàn)有物理學(xué)科傳統(tǒng)課程教學(xué)體系，引入新內(nèi)容，結(jié)合相關(guān)專業(yè)，給學(xué)生們未來(lái)的發(fā)展和創(chuàng)新打下堅(jiān)實(shí)的相關(guān)基礎(chǔ)的實(shí)施方案[2]。

近年來(lái)，隨著材料科學(xué)，生命科學(xué)，微電子技術(shù)等新興學(xué)科的迅速發(fā)展，不少高校的大學(xué)物理課程教學(xué)緊跟時(shí)代的步伐，在內(nèi)容和模式上進(jìn)行了大量的改革和探索。大家力求在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)減少經(jīng)典，增加現(xiàn)代物理的相關(guān)知識(shí)，使學(xué)生們掌握的物理知識(shí)能夠與時(shí)代的發(fā)展同步，如同濟(jì)大學(xué)、鄭州大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)等大學(xué)在這方面已經(jīng)做出了很多工作。

我們結(jié)合本校實(shí)際情況，在講解大學(xué)物理內(nèi)容如作用力與反作用力，彈性力和波的形成時(shí)引入了應(yīng)力方面的內(nèi)容，目的是使學(xué)生體會(huì)到本課程與專業(yè)之間的依托關(guān)系，從而能夠找到物理課程在其專業(yè)領(lǐng)域中的位置，這樣的特色教學(xué)不僅可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，起到事半功倍的效果，還能使學(xué)生們的思維更加開闊，在未來(lái)的學(xué)習(xí)和工作中創(chuàng)新性地解決涉及應(yīng)力的各類問題提供知識(shí)儲(chǔ)備和基礎(chǔ)。

物理學(xué)是整個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的帶頭學(xué)科，物理教育在高等教育中具有極其重要的地位，特別是在工科專業(yè)教學(xué)中尤其重要。然而現(xiàn)階段大多數(shù)高校針對(duì)不同的專業(yè)采用統(tǒng)一的教材、統(tǒng)一的學(xué)時(shí)、統(tǒng)一的教學(xué)內(nèi)容，其中部分內(nèi)容涉及應(yīng)力問題，但都是一筆帶過，并未做深入的探討。事實(shí)上，應(yīng)力普遍存在于普遍存在于光學(xué)薄膜與器件，半導(dǎo)體器件，新型材料，化工工藝，機(jī)械制造，土木建筑，地質(zhì)等多個(gè)領(lǐng)域，是多個(gè)學(xué)科的重要內(nèi)容之一，但我們以前未給予相應(yīng)的重視[3，4]。隨著大學(xué)物理被列入我?！白吭焦こ處熡?jì)劃”的重要基礎(chǔ)課程，我們必須更多地關(guān)注應(yīng)力在“卓越工程師計(jì)劃”專業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展前沿，以此來(lái)拓寬學(xué)生們的知識(shí)面，為學(xué)生們?cè)诠こ虒?shí)踐中創(chuàng)新性解決應(yīng)力的相關(guān)問題提供條件。

一、應(yīng)力在不同專業(yè)中的應(yīng)用

應(yīng)力簡(jiǎn)介：應(yīng)力的定義為材料受外力后，單位面積上所承受的附加力。實(shí)際上該定義在不同領(lǐng)域有著不同的用途和形式。例如薄膜應(yīng)力按照應(yīng)力在作用方向上有張應(yīng)力和壓應(yīng)力之分。薄膜中的應(yīng)力按形成機(jī)理的不同，可以分為熱應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力。薄膜中的總應(yīng)力是內(nèi)應(yīng)力與熱應(yīng)力之和。若薄膜與基片的熱膨脹系數(shù)不同，成膜時(shí)基片的溫度又不同于應(yīng)力測(cè)量時(shí)的溫度，就會(huì)山此產(chǎn)生熱應(yīng)變，從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生。另外成膜過程中，由于基片溫度的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力[5，6]。

食品科學(xué)與工程領(lǐng)域：隨著生活水平的口益提高和消費(fèi)傾向的變化，人們對(duì)食品及原料品質(zhì)的關(guān)注不再僅僅是營(yíng)養(yǎng)成分和衛(wèi)生狀況，對(duì)其物理性質(zhì)、質(zhì)構(gòu)特征也提出了更高的要求。食品的結(jié)構(gòu)破壞是它的內(nèi)部相鄰部分之間連接結(jié)構(gòu)的破裂，其破壞是宏觀可見的，破壞程度取決于食品的組織構(gòu)造和外力特點(diǎn)，食品工作者應(yīng)該了解食品材料的應(yīng)力、應(yīng)變、變形、斷型機(jī)理等性質(zhì)，這不僅對(duì)制備食物有很大幫助還能有助于我們將食物做得更可口宜人。在小變形實(shí)驗(yàn)（應(yīng)力松弛）中是在不破壞食品樣品的情況下，使食物瞬時(shí)加載應(yīng)力造成非破壞性變形，通過這一變形的恢復(fù)過程來(lái)把握其內(nèi)部應(yīng)力變化的歷程，其解析結(jié)果在食品原料質(zhì)構(gòu)分析中起到非常重要的作用。我們可以測(cè)定部分食物的的應(yīng)力松弛曲線，并分析食物的主要化學(xué)成分，研究米飯的應(yīng)力松弛參數(shù)與化學(xué)成分的關(guān)系，為食物蒸煮工藝的優(yōu)化和新型炊具的開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[7，8]。

機(jī)械加工領(lǐng)域：機(jī)械加工中工作由于經(jīng)常受到切削力和切削熱的作用，其表面層力學(xué)性能將產(chǎn)生很大的變化，對(duì)基體材料性能的造成了很大差異，這些差異主要表現(xiàn)表在層的金相組織和硬度的變化及表面層出現(xiàn)的殘余應(yīng)力。而結(jié)構(gòu)件的焊接殘留應(yīng)力、塑性加工所形成的殘留應(yīng)力、材料熱處理所產(chǎn)生相變態(tài)殘留應(yīng)力、多重批覆層材料接口牽引的應(yīng)力場(chǎng)均有殘余應(yīng)力的存在。殘余應(yīng)力的存在對(duì)于工程材料的運(yùn)用性有很大的影響，對(duì)于材料的使用壽命、安全設(shè)計(jì)上的考慮、以及機(jī)械與物理性質(zhì)的變化，時(shí)常扮演關(guān)鍵性的角色[9]。

建筑工程領(lǐng)域：混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，是研究鋼筋混凝土強(qiáng)度、裂縫和變形理論的重要依據(jù)之一。一些復(fù)雜的重大鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如反應(yīng)堆壓力容器、水壩、海洋工程等結(jié)構(gòu)中，混凝土處于明顯的應(yīng)力狀態(tài)。其承受的應(yīng)力可能是壓或拉應(yīng)力的不同組合。研究混凝土在應(yīng)下的強(qiáng)度變化規(guī)律和準(zhǔn)則，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)、安全運(yùn)行和節(jié)省建筑材料有著重大意義[10]。

電子科學(xué)與技術(shù)，電子信息工程，集成電路和半導(dǎo)體器件領(lǐng)域：為了使集成電路技術(shù)能延續(xù)摩爾定律所揭示的發(fā)展速度，通過工藝、材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究半導(dǎo)體納米器件中應(yīng)力、應(yīng)變的控制有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值，例如，通過在溝道中引入適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力和張應(yīng)力能分別提高PMOS的空穴遷移率和NMOS的電子遷移率。典型的PMOS應(yīng)變硅器件可通過外延SiGe源漏引入溝道壓應(yīng)力，利用源漏和溝道的晶格常數(shù)失配控制應(yīng)變大小，進(jìn)而改善空穴遷移率；而對(duì)于NMOS應(yīng)變硅器件則可通過淀積SiN薄膜引入溝道張應(yīng)力，利用SiN薄膜的高本征應(yīng)力控制應(yīng)變大小，進(jìn)而改善電子遷移率[11]。

二、物理中深入講解應(yīng)力與專業(yè)結(jié)合的必要性

1.由應(yīng)力本身的重要性決定

應(yīng)力的研究有強(qiáng)烈的社會(huì)需求背景和廣闊的發(fā)展?jié)摿?，?yīng)力在薄膜光學(xué)，金屬制造，食品加工，工程機(jī)械，建筑力學(xué)，電子科學(xué)與技術(shù)，電子信息工程，集成電路和半導(dǎo)體器件，新材料，醫(yī)學(xué)和地質(zhì)學(xué)中均有不同程度的運(yùn)用[12-17]。例如在在光學(xué)薄膜的制備過程中由于品格失配、熱膨脹系數(shù)失配、薄膜在沉積過程中分子之間的相互作用以及薄膜內(nèi)部存在著各種宏觀缺陷，從而使薄膜基板系統(tǒng)中存在著應(yīng)力，研究光學(xué)薄膜的應(yīng)力行為，控制薄膜應(yīng)力對(duì)提高光學(xué)薄膜的性能就具有有重要意義。在一定條件下控制應(yīng)力使機(jī)械零件殘余應(yīng)力合理分布，可以提高零件的機(jī)械性能和使用壽命，將其變害為利。研究機(jī)械工程領(lǐng)域鋼在熱處理過程中應(yīng)力的分布和變化規(guī)律，使之合理分布對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量具有深遠(yuǎn)的實(shí)際意義。

2.有助于掌握物理知識(shí)和領(lǐng)會(huì)物理精髓

應(yīng)力研究涉及物理、機(jī)械、地質(zhì)、電子、化學(xué)、材料、地質(zhì)和計(jì)算機(jī)模擬等多個(gè)等領(lǐng)域，綜合性較強(qiáng)。而且目前包括我國(guó)在內(nèi)的各領(lǐng)域均已取得一定的成果。

了解和學(xué)習(xí)應(yīng)力研究成果、不僅有助于學(xué)生聯(lián)系基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)，還有助于豐富學(xué)生知識(shí)面、培養(yǎng)學(xué)習(xí)和科研的熱情。如通過介紹應(yīng)力研究涉及到的科學(xué)儀器如牛頓環(huán)測(cè)試裝置，XRD衍射儀，拉曼衍射儀，CCD測(cè)試與計(jì)算，超聲波測(cè)試儀，原子磁性共振儀等儀器[18]，這樣可以讓學(xué)生了解當(dāng)前的一些先進(jìn)儀器的原理和使用方法，更能讓學(xué)生知道曾學(xué)習(xí)過的光學(xué)顯微鏡等儀器的適用范圍和缺點(diǎn)，還能讓學(xué)生知道科學(xué)研究是一個(gè)探討的、不斷發(fā)展的過程，任何知識(shí)都有自己的適用范圍，都需要不斷改進(jìn)和升華。

3.有助于培養(yǎng)創(chuàng)造性思維

大學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力來(lái)源較多，如適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要、對(duì)知識(shí)的渴求、對(duì)未知科技領(lǐng)域好奇等。目前大學(xué)物理教材雖然已經(jīng)改版上百次，取得一些成果，但是其內(nèi)容并未得到根本的、有效的改革。陳舊、重復(fù)知識(shí)較多，復(fù)雜數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，無(wú)助于學(xué)生今后發(fā)展的知識(shí)較多。相反，用、新、趣的知識(shí)（如：應(yīng)力研究）內(nèi)容較少而使學(xué)生失去興趣和動(dòng)力。事實(shí)上，應(yīng)力的研究雖然在近50年發(fā)展的極為迅速，并已取得極為豐富的成果，但仍處于研究的初始階段，還有許多領(lǐng)域未曾研究透徹，如多層膜、合金膜、顆粒膜等等，關(guān)于應(yīng)力研究的實(shí)用化和理論認(rèn)識(shí)還沒有取得最終突破，還有很多工作需要開展。因此對(duì)應(yīng)力的學(xué)習(xí)和對(duì)其研究動(dòng)態(tài)的了解不僅有助于學(xué)生對(duì)面前的科研任務(wù)艱巨性的認(rèn)識(shí)，也有助于學(xué)生積極探索、開放思路、自我形成創(chuàng)造性思維。

三、開展大學(xué)物理應(yīng)力及其專業(yè)相結(jié)合的對(duì)策

1.提高教師科研素質(zhì)

應(yīng)力涉及領(lǐng)域具有全、新、深的特點(diǎn)。教師只有具備較高科研素質(zhì)和濃厚興趣，才能了解和熟悉應(yīng)力及其研究動(dòng)態(tài)，從而對(duì)其進(jìn)行深人探討，才能將應(yīng)力和現(xiàn)有大學(xué)物理教材有機(jī)結(jié)合，形成統(tǒng)一體系。然而由于各種原因，物理教師專業(yè)和興趣參差不齊，因此只有提高教師的科研素質(zhì)，才能應(yīng)對(duì)教育和科技發(fā)展的新形式。

2.將大綱和學(xué)生的實(shí)際情況有機(jī)結(jié)合

目前工科大學(xué)物理教材經(jīng)過多年的改革已取得了不少成就，不僅具有體系完整、層次分明、概念清晰、邏輯性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，還補(bǔ)充了一些當(dāng)前物理學(xué)發(fā)展的新成就。如趙近芳等編的《大學(xué)物理學(xué)》（北京郵電大學(xué)出版社，2003）大量壓縮了原有大學(xué)物理內(nèi)容，對(duì)之進(jìn)行了調(diào)整，并在最后一章補(bǔ)充了新技術(shù)的物理基礎(chǔ)。但遺憾的是，當(dāng)前教材對(duì)新技術(shù)，尤其是應(yīng)力的補(bǔ)充太少，導(dǎo)致了教學(xué)內(nèi)容仍有舊、難等感覺，難以從物理學(xué)角度激發(fā)學(xué)生的現(xiàn)代意識(shí)和創(chuàng)造熱情，難以培養(yǎng)適應(yīng)科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的科技人才。因此，應(yīng)將現(xiàn)有大學(xué)物理教材的優(yōu)點(diǎn)與新技術(shù)，尤其是應(yīng)力等有機(jī)結(jié)合。

另外，物理教師還應(yīng)與專業(yè)教師進(jìn)行深入、廣泛交流，將物理基礎(chǔ)與具體專業(yè)有機(jī)地結(jié)合，才能制定適合學(xué)生實(shí)際的教學(xué)目標(biāo)，使學(xué)生學(xué)習(xí)成為邏輯的、連續(xù)的有連續(xù)的有機(jī)過程，才能培養(yǎng)出基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、科技學(xué)習(xí)興趣濃的適應(yīng)21世紀(jì)的大學(xué)生。

3.組織必要的小專題會(huì)議

由于近年來(lái)，各工科院校不同層次地壓縮大學(xué)物理學(xué)時(shí)，尤其是個(gè)別專業(yè)已被壓縮到不足60學(xué)時(shí)，導(dǎo)致在有限的課堂學(xué)時(shí)內(nèi)既要完成基礎(chǔ)內(nèi)容和方法的介紹，又要補(bǔ)充對(duì)學(xué)生有用、有趣的新技術(shù)知識(shí)，其難度非同一般。因此可根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況，選擇合適課題組織一些專題專門小會(huì)議以拓寬學(xué)生在某領(lǐng)域的必要知識(shí)。通過專題介紹，既可讓學(xué)生及時(shí)了解國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域動(dòng)態(tài)，豐富學(xué)生知識(shí)面，認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)的必要性，又可激發(fā)學(xué)生探索新科技的積極性和探索未知領(lǐng)域的熱情。

4.吸引學(xué)生參加應(yīng)力前沿小課題

單純的知識(shí)介紹雖可以讓學(xué)生更快掌握知識(shí)，但學(xué)生是在被動(dòng)學(xué)習(xí)。只有讓學(xué)生親身體驗(yàn)，才能培養(yǎng)主觀能動(dòng)性。由于目前條件限制，少有學(xué)生直接使用應(yīng)力方面的研究實(shí)驗(yàn)和設(shè)備，因此讓學(xué)生參與老師的課題或讓學(xué)生設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的應(yīng)力方面的小課題，有助于學(xué)生了解科學(xué)研究并非學(xué)習(xí)那樣一帆風(fēng)順，目前還存在很多需要探索的領(lǐng)域。這有助于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

工科大學(xué)物理在素質(zhì)教育中的地位和作用決定了大學(xué)物理改革的必要性。盡管多年來(lái)，物理改革從減學(xué)時(shí)到變內(nèi)容，從教研室與實(shí)驗(yàn)室的獨(dú)立到物理應(yīng)用研究室的成立等作了較多的嘗試和改革，然而離真正意義上的素質(zhì)教育還有很大距離。怎樣找到大學(xué)物理教學(xué)在卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃的準(zhǔn)確定位，又能與學(xué)生們的專業(yè)相結(jié)合（如在不同專業(yè)的教學(xué)中引入應(yīng)力內(nèi)容），還能夠大量舍去陳舊、無(wú)效、累贅、重復(fù)、僵化的知識(shí)而補(bǔ)充能開闊學(xué)生視野、豐富知識(shí)面、有助于創(chuàng)新性培養(yǎng)的教學(xué)體系是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，需要教育同行的不懈努力。

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本文系2012年南陽(yáng)理工學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目：基于卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃下的大學(xué)物理教學(xué)改革與創(chuàng)新研究（基金編號(hào)：087122）。

作者簡(jiǎn)介：王生釗（1980—），男，河南南陽(yáng)人，博士，現(xiàn)供職于南陽(yáng)理工學(xué)電子與電氣工程學(xué)院，研究方向：光電薄膜及其應(yīng)力研究。