“強實用，重能力”為導向的工科物理教學探索

梁雄　賴國忠　王穎

摘 要 以“強實用，重能力”為導向，主要從課堂內(nèi)容的取舍，實驗內(nèi)容設(shè)置，考查內(nèi)容的優(yōu)化等三個方面對電子工程專業(yè)的大學物理教學進行了改革嘗試，結(jié)合具體的教學例子說明了如何將課堂內(nèi)容實用化以及如何突出物理在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的作用。

關(guān)鍵詞 工科物理 課程銜接 實用性 思想實驗 對稱性

近些年新升本科院校向應(yīng)用型院校轉(zhuǎn)型，以期針對性地培養(yǎng)企業(yè)和社會所需的高級應(yīng)用型人才。各專業(yè)都紛紛順應(yīng)社會需求，積極向工程專業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，對原有的課程體系進行了調(diào)整和優(yōu)化，工科專業(yè)在培養(yǎng)方案制定過程中，大幅度地增加實踐教學的課時比重，而擠壓大學物理的課時數(shù)。原有大學物理教學內(nèi)容已難以與現(xiàn)有的專業(yè)課程匹配，以往的教學內(nèi)容側(cè)重于物理理論知識的傳授，而且教材內(nèi)容更新與科學技術(shù)發(fā)展明顯有一定滯后感；實驗項目多以驗證性實驗為主，實驗內(nèi)容專業(yè)針對性比較差，單純地增加實驗項目也難以增強學生動手能力。不少文獻針對這些現(xiàn)狀提出了改革和優(yōu)化措施：為了加強與專業(yè)課程內(nèi)容對接，有的提出物理模塊化教學；[1]有的提出“分專業(yè)教學，教學形式多樣化”；[2]也有提出“對理工科中不同專業(yè)采取不同側(cè)重點的教學，加強理論知識和實際應(yīng)用的聯(lián)系”；[3]有提出“合理應(yīng)用多媒體輔助手段，加強物理內(nèi)容與專業(yè)緊密貼合”；[4，5]還有提出“培養(yǎng)學生應(yīng)用能力和實驗技術(shù)，開發(fā)具有專業(yè)特點的實驗”。[6]

為了使大學物理的教學內(nèi)容更好適應(yīng)各工程專業(yè)的發(fā)展，不同專業(yè)的大學物理教學內(nèi)容側(cè)重點必然有所不同，但總的教學導向是一致的，那就是教學內(nèi)容必須體現(xiàn)實用性。本文主要以電子工程專業(yè)為例說明：為了增強大學物理在電子專業(yè)人才培養(yǎng)的作用，一方面要繼承傳統(tǒng)的物理教學方法的優(yōu)點，如重視基礎(chǔ)知識講授，另一方面要逐步擯棄過于注重物理的理論推導以及解題方法的傳授，筆者結(jié)合平常教學反思從大學物理教學及其考查方式兩個模塊進行了一些改革嘗試。

1 理論教學重基礎(chǔ)

在課時數(shù)受到大幅度擠壓的情況下，教學過程容易以“蜻蜓點水，走馬觀花”式進行內(nèi)容的灌輸，那么學生只能疲于應(yīng)付，教學效果將大打折扣。在此建議，教學應(yīng)兼顧物理內(nèi)容的完整性和專業(yè)的針對性的基礎(chǔ)上，合理地取舍大學物理教學內(nèi)容，既保證物理學的基礎(chǔ)知識的比例，又有效地知識內(nèi)容與專業(yè)課程之間的銜接，以便帶領(lǐng)著學生好好領(lǐng)略物理大觀園里的美景。

物理各個章節(jié)依據(jù)電子專業(yè)特點應(yīng)有所側(cè)重，具體見圖1所示。機械振動中的受迫阻尼振蕩應(yīng)結(jié)合電磁學中LC振蕩電路作一個系統(tǒng)的分析，說明這類振動的運動規(guī)律，并引導學生理解LC振蕩電路的選頻特性；氣體內(nèi)輸運過程這一章節(jié)內(nèi)容可結(jié)合CPU的散熱片結(jié)構(gòu)特點說明熱傳導的傅里葉定律的應(yīng)用、應(yīng)用擴散的裴克定律說明PN結(jié)的形成過程。對于電子工程專業(yè)而言，電磁學篇章是整個教學的重心，要系統(tǒng)地說說電磁場產(chǎn)生和分布規(guī)律。電容和電感相應(yīng)的章節(jié)以導線為例講解其電容和電感，并借此讓學生認識到電子線路中的線路存在一定潛布電容和潛布電感；由電流密度解釋電流分布對電阻的影響；由尖端放電的利弊探討焊接電路時應(yīng)注意的問題；由電容導電的規(guī)律可以說明為什么高壓電線只能高架空中而不宜鋪設(shè)地下。

2 教學內(nèi)容凸顯實用性

為了提高學生的學習興趣和積極性，通過查閱文獻、網(wǎng)絡(luò)搜尋等多渠道找到許多生活實例，進行必要的物理加工并引入課堂講解，主要可從以下兩個方面為教學內(nèi)容增添趣味性和實用性：

（1）教學過程中不妨引導學生如何利用物理知識來解決生活中遇到的一些麻煩或疑問。他們當中有不少人在學駕車，經(jīng)常會碰到轉(zhuǎn)彎如何打方向盤以及如何判斷距離，結(jié)合質(zhì)點運動學知識來說明小汽車轉(zhuǎn)彎過程前后輪曲率半徑差值，并應(yīng)用Matlab軟件畫出汽車轉(zhuǎn)彎過程前后輪的軌跡，以此來說明倒車入庫要注意的一些問題，結(jié)合球面鏡成像規(guī)律討論一下如何判斷本車與后車之間的距離；學校里頭經(jīng)常聽到某某衛(wèi)生間的下水道堵了，由于排泄管道中通常都有“N”形彎道以避免管道中的臭味往上竄，此處最容易造成堵塞，堵塞物通常是頭發(fā)之類的柔軟物體，此時引導學生利用理想氣體的壓強公式疏通馬桶，講解過程要突出改變同樣氣體容積的前提下如何使氣體增壓較為顯著；結(jié)合熱力學第一定律說明壓縮機型致冷機，一個工作循環(huán)過程工質(zhì)氨的物態(tài)經(jīng)歷怎樣的變化，以及致冷的原理，順便可以提一下空氣能熱水器的工作原理；以慣性力的知識說一說血液檢查所用離心機的工作原理等等。

（2）結(jié)合安全教育說物理規(guī)律的應(yīng)用，這一做法一方面可以增強學生安全意識，另一方面可加深對物理規(guī)律的理解，真可謂一舉兩得。當單手被壞蛋緊緊抓住時如何利用力矩知識來巧脫身，可在班級中找一個健壯的男生和一個女生現(xiàn)場演示一下，重點放在如何科學選擇好杠桿的支點（以壞人的抓手位置作為支點）從而達到四兩撥千斤的放大效果，但要提醒學生注意力度避免造成受傷；應(yīng)用力學知識教學生地震時如何找生命三角地帶，從而確保自己和家人朋友遭受的傷害減到最小，甚至毫發(fā)無損；結(jié)合流體力學說說由于快速運動造成氣壓差可能帶來的危害；由尖端放電談?wù)摾子晏鞖庖⒁獾陌踩珕栴}。

補充的實例分析和求解不宜過于復(fù)雜，否則建議寫成小論文，放在班級的QQ群里文件共享以便學生學習。這些實例將使得教學內(nèi)容變得更加豐富多彩，一味只增加實例必然導致課時不夠用，因此可刪除一些課本上的不切合實際的例題。在豐富課堂內(nèi)容同時，充分利用好多媒體“圖、文、聲并茂”的優(yōu)點對內(nèi)容進行必要的包裝和美化：組織教學團隊拍攝演示實驗方面的錄像，這對提高大學物理的教學效果都非常有幫助。

3 注重探索物理的方法教育

教學過程中應(yīng)注重物理大師們探索物理方法方面的教育。任何一條物理定理（或定律）的發(fā)現(xiàn)往往都經(jīng)過物理學家的艱辛摸索，舉些典型例子（例如電磁感應(yīng)定律發(fā)現(xiàn)史）進行物理世界探索方法的教育是非常有必要；物理學家們不斷改進實驗裝置驗證庫倫公式的平方律；也可從物理模型的類似性去啟發(fā)解決新問題方法，例如庫侖定律與萬有引力定律之間進行類比，點電荷與電流元之間的類比；從已知的物理規(guī)律如何提出新理論新方法，例如薛定諤方程如何從黑體輻射規(guī)律、光電效應(yīng)和已知的物質(zhì)波假設(shè)等知識實現(xiàn)了一次從經(jīng)典物理到量子物理的華麗蛻變。對稱性和物理量的有限在分析物理問題中有著非常廣泛的應(yīng)用，比如利用對稱性很容易判斷均勻帶電球體和均勻帶電平面在空間任意點所激發(fā)的電場強度方向。

另外，物理中有不少典型思想實驗，[7]如伽利略自由落體思想實驗，相對論中的雙生子佯謬和量子力學中的薛定諤貓和EPR佯謬等，這類特殊實驗不需昂貴的實驗器材，但可以對培養(yǎng)學生的邏輯思維和加深對物理知識的理解都非常有意義。這里舉個例子：以火車過山洞為例應(yīng)用數(shù)學中的反證法[8]說明垂直運動方向長度不隨運動而發(fā)生變化：

假設(shè)其靜止時的火車頭的高與山洞的高度一致。我們不妨假設(shè)垂直運動方向的長度會縮短，對于火車上的觀察者而言，山洞在運動，因此根據(jù)前面這一假設(shè)，山洞高度會變小，而火車相對于觀察者而言是靜止，火車頭高度沒有變化，那么這列火車無法穿過山洞；而對于站在地面上的觀察者而言，山洞是靜止，其高度不變，火車是運動的，因此火車頭高度將變小，則火車可以順利地過山洞。但是火車到底能否穿過山洞的這一事實肯定與所選參考系無關(guān)。同樣，你可以假設(shè)其長度會膨脹，仿照前面分別選取火車和地面為參考系也導致截然相反的兩個結(jié)果。綜述起來，垂直運動方向上的長度不隨運動而發(fā)生改變。這個例子講解起來并不復(fù)雜，但它對學生的思維開發(fā)是非常有幫助。

4 實驗教學重能力培養(yǎng)

該專業(yè)的大學物理課分兩個學期完成，第一學期主要做些力熱、光學方面的實驗，可開設(shè)一些導熱系數(shù)的測定、透鏡焦距測定方法等實驗，以提高學生動手能力和實驗技能為主；第二學期專門開設(shè)電學方面的實驗，可根據(jù)電子專業(yè)需要選擇電子示波器的使用、RLC暫態(tài)實驗、惠斯通電橋測電阻和交流電橋測電容等實驗，對不同實驗項目內(nèi)容設(shè)置探索方面的新內(nèi)容。這樣設(shè)置的優(yōu)點就是實驗內(nèi)容針對性較強，同時增強電學實驗系統(tǒng)性，以便更好理解電學方面的知識，為后續(xù)課程（如模擬電路）奠定實驗基礎(chǔ)。

對于學生實驗過程出現(xiàn)一些小問題，例如電路導線故障、示波器觀測李薩如圖時圖像無論怎么細調(diào)都無法顯示穩(wěn)定圖形，不要急于幫學生解決，先讓學生分析其原因并嘗試尋找解決的辦法，而對于超出他們知識范圍和能力的問題，時間允許的范圍內(nèi)逐步引導學生去分析。這樣才能更好培養(yǎng)學獨立完成實驗的良好習慣，學生在解決問題過程獲取成就感，可進一步增強自信心，他們應(yīng)用知識解決問題能力就會逐步提高，這些可為他們的今后電路調(diào)試積累故障排除的經(jīng)驗和方法。

5 考試命題強調(diào)專業(yè)應(yīng)用

教學過程要利用好期末考查在學生學習過程中的導向作用，考查難度大會讓平時學習能力弱些的同學放棄努力，考試內(nèi)容過于簡單則會讓學習能力好的同學產(chǎn)生惰性。整個班級學習能力具體情況主要通過課堂小測驗和半期考等方式來檢測，測驗后試卷分析這一步非常關(guān)鍵，可以為期末試卷難易度的控制提供依據(jù)。試試卷命題時不要片面地 追求高難度，而要重在考查學生應(yīng)用知識解決實際問題的能力。

以電磁學為例進行說明考查內(nèi)容。在考查電磁學知識，要突出考查電場強度、磁感強度、法拉第電磁感應(yīng)定律、電容、電感和電路分析等基礎(chǔ)知識。有些基礎(chǔ)知識可以結(jié)合電子線路設(shè)計過程常遇到一些問題來考查，可以考查電容、電感的計算或測試方法，可以出一些具體實例考查利用電子元件器串聯(lián)和并聯(lián)方式來改變電容和電感的方法，以及如何減小電感器件之間的互感等等。

6 結(jié)束語

從電子工程專業(yè)人才培養(yǎng)需求的角度探討了工科物理教學內(nèi)容的改革和優(yōu)化，可以從這幾個方面來提高教學效果：加強內(nèi)容實用性和專業(yè)針對性，最大程度地激發(fā)學生的學習興趣；控制好基礎(chǔ)知識與拓展知識之間的比例；注重方法教育和能力培養(yǎng)，適當講述物理定律發(fā)現(xiàn)史；充分發(fā)揮多媒體的優(yōu)勢對課堂內(nèi)容進行必要的梳妝打扮；增加應(yīng)用知識解決實際問題在期末考查中的比例。

參考文獻

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