淺談提高大學(xué)物理課堂趣味性的重要性

馮世全　楊陽(yáng)

摘 要 隨著計(jì)算機(jī)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用，提高課堂教學(xué)的趣味性在這個(gè)信息大膨脹的年代勢(shì)在必行。大學(xué)物理作為一門(mén)重要的理工科基礎(chǔ)課，通常很乏味，提高大學(xué)物理課堂的趣味性，對(duì)學(xué)生掌握理解課堂知識(shí)，運(yùn)用理論基礎(chǔ)解決實(shí)際問(wèn)題具有重要的意義。提高大學(xué)物理課堂趣味性可以從結(jié)合事實(shí)問(wèn)題引入知識(shí)點(diǎn)，利用知識(shí)點(diǎn)介紹實(shí)際中的應(yīng)用，適當(dāng)插入小視頻提升直觀性這三個(gè)方面考慮實(shí)行。

關(guān)鍵詞 大學(xué)物理 課堂趣味性 多普勒效應(yīng) 角動(dòng)量守恒定律

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著計(jì)算機(jī)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用，提高課堂教學(xué)的趣味性在這個(gè)信息大膨脹的年代勢(shì)在必行。大學(xué)物理是理工科學(xué)生本科階段都要學(xué)習(xí)的一門(mén)課程。物理作為一門(mén)培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)世界自然規(guī)律的重要課程，對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、觀察能力以及動(dòng)手能力都具有重要意義。大學(xué)物理是高中物理的升華，作為一門(mén)重要的理工科基礎(chǔ)課，通常很乏味。提高大學(xué)物理課堂的趣味性，對(duì)學(xué)生掌握理解課堂知識(shí)，運(yùn)用理論基礎(chǔ)解決實(shí)際問(wèn)題具有重要的意義。

要提高課堂的效果，第一個(gè)就需要教師結(jié)合事實(shí)問(wèn)題，利用所學(xué)知識(shí)，給出解決方案。我們以大學(xué)物理教學(xué)中兩個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明。第一個(gè)例子是多普勒效應(yīng)這部分內(nèi)容，它告訴我們，如果波源或觀察者相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，那么觀察者接收到的頻率與波源發(fā)出的頻率不同，并定量的給出的二者關(guān)系如下：

其中，波源發(fā)出的頻率為 ，觀察者接收到的頻率為 ，波的傳播速度為u，波遠(yuǎn)相對(duì)介質(zhì)的速度為vs，觀察者相對(duì)介質(zhì)的速度為v0。可能我們這樣直接引入多普勒效應(yīng)，學(xué)生往往提不起任何興趣。但如果我們先給個(gè)多普勒效應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例就可以立刻把學(xué)生帶入課堂：“2014年3月8日發(fā)生了一件震驚世界的事件。馬來(lái)西亞航空公司MH370客機(jī)從吉隆坡國(guó)際機(jī)場(chǎng)飛往北京，途徑馬來(lái)西亞和越南的交接處胡志明管控區(qū)時(shí)，從雷達(dá)上消失，機(jī)上的239名乘客和機(jī)組成員音訊全無(wú)。全世界11個(gè)國(guó)家參與了這次搜尋工作，據(jù)國(guó)際海事衛(wèi)星組織副總裁宣稱，他們利用多普勒效應(yīng)分析馬來(lái)西亞航空公司MH370次航班發(fā)出的6次握手信號(hào)，推測(cè)出航班最終墜入南印度洋。究竟是什么多普勒效應(yīng)，為什么能通過(guò)多普勒效應(yīng)找到馬航，多普勒效應(yīng)在我們的日常聲中又有哪些常見(jiàn)的應(yīng)用。今天讓我們一起來(lái)學(xué)習(xí)在馬航疑云中扮演重要角色的神奇效應(yīng)?！苯又俳榻B我們開(kāi)頭引入的多普勒現(xiàn)象以及公式，學(xué)生就被無(wú)形中帶進(jìn)了課堂。介紹完這個(gè)內(nèi)容之后，再回到這個(gè)具體的事件，應(yīng)用多普勒效應(yīng)來(lái)解釋一下：失聯(lián)飛機(jī)盡管關(guān)閉了通訊系統(tǒng)，但它每個(gè)小時(shí)都會(huì)向國(guó)際海事衛(wèi)星發(fā)射固定頻率的握手信號(hào)，這些信號(hào)由于多普勒效應(yīng)會(huì)發(fā)生微小變化，根據(jù)這些變化就可以判斷馬航的可能去向。我們可以把MH370視為波源，把國(guó)際海事衛(wèi)星視為觀察者。如果失事飛機(jī)是距離國(guó)際海事衛(wèi)星越來(lái)越遠(yuǎn)，此時(shí)衛(wèi)星接受的信號(hào)頻率應(yīng)該是減小的；如果失事飛機(jī)靠近國(guó)際海事衛(wèi)星，衛(wèi)星接收到的頻率應(yīng)增大。國(guó)際海事衛(wèi)星組織的工程師就可以從接收到的信號(hào)頻率變化特征，判斷飛機(jī)的走向。這樣學(xué)生不但掌握了知識(shí)，還利用知識(shí)很好地解釋了實(shí)際問(wèn)題。

另外一個(gè)例子，就是角動(dòng)量守恒定律的內(nèi)容。我們可以以美國(guó)大片“黑鷹墜落”中的場(chǎng)景作為切入點(diǎn)：“該影片以1993年的索馬里軍事行動(dòng)的真實(shí)背景講述了120個(gè)美軍在索馬里遭到整個(gè)城市人的攻擊，這少量的美軍激戰(zhàn)數(shù)小時(shí)后在援軍的支援下，大部分人成功返回基地的故事。影片中最讓人難忘的應(yīng)該是美軍代號(hào)黑鷹的直升飛機(jī)機(jī)尾的螺旋槳被擊中后，在空中失控，打轉(zhuǎn)墜落的場(chǎng)景，為什么尾部螺旋槳破壞后，會(huì)使飛機(jī)失去平衡而墜毀了？學(xué)習(xí)完今天的內(nèi)容以后我們可以給出一個(gè)很好的解釋?！边@樣就自然地引入了正題。角動(dòng)量守恒定律告訴我們，如果剛體所受合外力矩等于零，或者不受外力矩的作用，則剛體的角動(dòng)量守恒。

其中M是剛體受到的力矩，J為剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 為剛體的角速度。這一定律由剛體推出，但對(duì)非剛性系統(tǒng)也同樣成立。直升機(jī)由機(jī)身、主螺旋槳和抗扭螺旋槳組成，直升機(jī)的主螺旋槳和機(jī)身就可視為一個(gè)非剛性系統(tǒng)，飛機(jī)在空中飛行時(shí)如果忽略空氣的阻力矩，此時(shí)外力矩則為零，主螺旋槳和機(jī)身系統(tǒng)角動(dòng)量守恒。若以主螺旋槳角速度方向?yàn)檎?，則機(jī)身會(huì)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使系統(tǒng)總角動(dòng)量保持不變。機(jī)尾安裝的小螺旋槳可產(chǎn)生一個(gè)附加力矩與機(jī)身所受內(nèi)力矩平衡，從而消除機(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)。如果機(jī)尾的小螺旋槳破壞，那么機(jī)身就只受內(nèi)力矩，因此會(huì)產(chǎn)生與主螺旋槳方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣就無(wú)法控制機(jī)身平衡，因此，黑鷹的機(jī)尾的螺旋槳被破壞后，會(huì)在空中失控，失去平衡而墜毀。通過(guò)和電影中場(chǎng)景結(jié)合介紹基礎(chǔ)知識(shí)，會(huì)給學(xué)生留下深刻的印象，達(dá)到良好的課堂效果。

第二方面，需要老師講完知識(shí)點(diǎn)之后，結(jié)合所學(xué)知識(shí)介紹它在實(shí)際中的幾個(gè)方面應(yīng)用。還以多普勒效應(yīng)為例，多普勒效應(yīng)在我們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用非常多，在交通領(lǐng)域，天文學(xué)領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。比如，天文學(xué)家利用多普勒效應(yīng)來(lái)支持宇宙大爆炸理論。科學(xué)家艾德文哈勃發(fā)現(xiàn)在地球上觀察到銀河系天體發(fā)射的光線頻率都變低了，即產(chǎn)生了紅移，說(shuō)明這些天體都在遠(yuǎn)離我們而去，因此得出了宇宙正在膨脹的結(jié)論。再比如說(shuō)，在醫(yī)學(xué)上利用多普勒效（下轉(zhuǎn)第100頁(yè)）（上接第68頁(yè)）應(yīng)做成胎心測(cè)量?jī)x，用于測(cè)量胎兒的運(yùn)動(dòng)。其原理就是：從胎心測(cè)量?jī)x發(fā)射一個(gè)波到達(dá)胎兒，發(fā)射回到胎心測(cè)量?jī)x，根據(jù)發(fā)射與接受多普勒信號(hào)的頻率變化，來(lái)獲得胎兒的信息，觀測(cè)胎兒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

以角動(dòng)量守恒為例，在日常生活中有很多現(xiàn)象都可以用它解釋。比如芭蕾舞表現(xiàn)者在表演的過(guò)程中，如果不考慮地面的摩擦，則轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中滿足角動(dòng)量守恒，因此我們可以看到，表演者的收縮成一團(tuán)時(shí)可以達(dá)到一個(gè)很高的轉(zhuǎn)速。再比如說(shuō)，跳水運(yùn)動(dòng)員在跳水的過(guò)程中，離開(kāi)地面后滿足角動(dòng)量守恒。將身體蜷縮，可減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，加快轉(zhuǎn)動(dòng)速度，完成空中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作；落水時(shí)伸展身體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，入水時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度減小，不至于濺起太大水花。

通過(guò)與實(shí)際的應(yīng)用結(jié)合學(xué)生既學(xué)習(xí)了知識(shí)，又加深了對(duì)知識(shí)的認(rèn)知和理解，還可以將其很好地運(yùn)用到生活中。

第三個(gè)方面，如果課堂上能插上一個(gè)一兩分鐘的短視頻，效果應(yīng)該會(huì)更好。以多普勒效應(yīng)為例，我們可以給一個(gè)迎面駛來(lái)的火車的視頻，從視頻中讓學(xué)生切實(shí)體會(huì)多普勒效應(yīng)，火車迎面駛來(lái)聽(tīng)到的音調(diào)較高，而火車疾馳而去聽(tīng)到的音調(diào)很低。

以角動(dòng)量守恒為例，可以給一個(gè)茹科夫斯基轉(zhuǎn)椅驗(yàn)證角動(dòng)量守恒定律的例子。人手握啞鈴坐在茹科夫斯基轉(zhuǎn)椅上，給人和茹科夫斯基轉(zhuǎn)椅一個(gè)力使系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。如果不考慮空氣阻力，系統(tǒng)的角動(dòng)量守恒。當(dāng)人的手臂伸開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，轉(zhuǎn)椅的轉(zhuǎn)速減小；當(dāng)人的手臂收縮回來(lái)時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增小，轉(zhuǎn)椅的轉(zhuǎn)速增大。

通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的視頻，學(xué)生可以很直觀地看到現(xiàn)象和規(guī)律，大大提高了學(xué)生的接收效果。

當(dāng)前本科教育中照本宣科現(xiàn)象嚴(yán)重，大學(xué)物理的推導(dǎo)和公式很多，照著課本講解的話很枯燥，課堂效果很差。如果能提高課堂的趣味性，把知識(shí)點(diǎn)和實(shí)際相結(jié)合，利用多媒體手段補(bǔ)充知識(shí)的應(yīng)用背景等內(nèi)容，應(yīng)該可以收到很好的效果。然而，要提高課堂趣味性，創(chuàng)新和結(jié)合實(shí)事是關(guān)鍵。提高教師的教學(xué)水平，多進(jìn)行教學(xué)比賽和獎(jiǎng)勵(lì)措施是提升教師創(chuàng)新積極性、提高教學(xué)質(zhì)量的重要因素。另外，很多年齡上大一些的教師利用多媒體教學(xué)尚存在困難，更不用說(shuō)穿插視頻了，因此，這種提高教學(xué)效果和教學(xué)趣味性的做法還要結(jié)合自身的實(shí)際情況。學(xué)?？梢越M織加強(qiáng)教師的教學(xué)和計(jì)算機(jī)素養(yǎng)，集中對(duì)教師進(jìn)行多媒體利用的培訓(xùn)。此外，視頻時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也會(huì)壓縮課堂知識(shí)的內(nèi)容。合理地把握穿插視頻的量也是需要老師思考的問(wèn)題?？傊?，提高大學(xué)物理課堂趣味性勢(shì)在必行，如何達(dá)到良好的效果，還需要不斷地摸索。

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