與工程相結(jié)合的大學(xué)物理拓展提高型教學(xué)模式探索*

杜永勝 陳 華 慕利娟 韓向剛

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

1 引言

以物理學(xué)基礎(chǔ)為內(nèi)容的大學(xué)物理課程，是高等學(xué)校理工科各專業(yè)學(xué)生一門重要的通識性必修基礎(chǔ)課，物理學(xué)的基本概念、基本理論是學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課必須的基本知識；物理學(xué)分析問題、處理問題的方法，對解決工程實際問題也具有指導(dǎo)意義．

物理世界是一個充滿神奇的世界，大量的物理實驗?zāi)茱@現(xiàn)各種奇異的物理現(xiàn)象，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣[1]．物理教師應(yīng)根據(jù)物理學(xué)科的特點和規(guī)律，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和探究興趣．因此，在大學(xué)物理教學(xué)中，除了基本的課堂理論教學(xué)，教師還應(yīng)充分利用演示實驗和多媒體手段，采用直觀形象的教學(xué)方法、生動的語言，選取實際工程問題不斷創(chuàng)設(shè)物理問題情境，引導(dǎo)學(xué)生探索解決物理問題的途徑，使學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容產(chǎn)生濃厚的興趣[2]．

教師在進行實際工程問題講解時，并不是簡單地講原理，也不是進行復(fù)雜的理論推導(dǎo)，過于泛泛的講解對學(xué)生的促動不大，而繁瑣的公式推導(dǎo)使學(xué)生難于理解．二者效果都不夠理想．教師必須能利用相關(guān)手段(理論求解、計算機仿真等)首先得到結(jié)果，而后指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用大學(xué)物理相關(guān)知識進行工程問題的結(jié)果分析和討論，才能起到比較好的教學(xué)效果．下面結(jié)合幾點教學(xué)體會，談?wù)劷虒W(xué)過程中如何引入實際問題促進學(xué)生對所學(xué)理論的理解和掌握，以及對后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)的促進．

2 電磁學(xué)內(nèi)容

以電磁學(xué)為例，大學(xué)物理電磁學(xué)部分是大學(xué)物理一中重要內(nèi)容，是研究電磁場的基本性質(zhì)、運動規(guī)律及其與帶電物質(zhì)之間相互作用的一門課程．是以麥克斯韋方程組、洛倫茲力公式和物質(zhì)的電磁性能方程為出發(fā)點,由于電磁學(xué)是在微積分方程基礎(chǔ)上描述電磁場的演化規(guī)律，學(xué)好電磁學(xué)不僅要有良好的物理思想，還要有扎實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)．抽象的電磁場理論和復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，使部分學(xué)生感到電磁學(xué)枯燥無味、難以入門．同時，大學(xué)物理二中簡諧振動、簡諧波、光學(xué)相關(guān)內(nèi)容等也與電磁學(xué)中的電磁波的傳播有很大關(guān)聯(lián)，學(xué)好電磁學(xué)對理解掌握大學(xué)物理課程有極大關(guān)系．

在課堂教學(xué)中，首先可結(jié)合授課內(nèi)容進行啟發(fā)式教學(xué)．例如，介紹電介質(zhì)的極化后，問學(xué)生：微波爐的工作原理是什么？為什么微波可以使水分子產(chǎn)生共振，從而使電磁能轉(zhuǎn)化為熱能？在談到光在各向同性介質(zhì)表面產(chǎn)生反射和折射時，質(zhì)疑是否會發(fā)生折射光線與入射光線在法線同側(cè)的現(xiàn)象，即“左手現(xiàn)象”．再例如課堂中學(xué)生經(jīng)常翻看手機，在講授電容相關(guān)內(nèi)容后，可讓學(xué)生了解手機電容屏的工作原理，課堂提問戴上手套后能否繼續(xù)操作手機等問題．其次，電磁學(xué)內(nèi)容同時也在實際工程中得到了極大的應(yīng)用，例如信息傳輸、冶金中電磁攪拌等[3]．選擇電磁場在工程技術(shù)中的應(yīng)用例題，應(yīng)盡量選取那些包含大量物理知識點的工程問題，例如靜電除塵、避雷針設(shè)計、電磁凈化、手機觸摸屏等，只有選取實際的工程問題才能使學(xué)生體會到物理的真正應(yīng)用所在，并且工程問題通常涉及多知識點耦合，非常有利于學(xué)生邏輯思維的鍛煉．最后，電磁學(xué)的學(xué)習(xí)方法與材料學(xué)院的冶金傳輸原理、能環(huán)學(xué)院的流體力學(xué)、傳熱學(xué)等課程均采用場論的方法研究問題、電磁學(xué)的內(nèi)容是信息學(xué)院后續(xù)專業(yè)課：電磁場與波、電路等課程的前期基礎(chǔ)課，因而對學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課起到很好的促進作用．

3 熱力學(xué)內(nèi)容

大學(xué)物理熱力學(xué)是從能量的觀點來研究與熱運動有關(guān)的各種自然現(xiàn)象的宏觀規(guī)律的理論，不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，而將物質(zhì)視為連續(xù)體，從大量實驗事實出發(fā)，找出物質(zhì)各種宏觀性質(zhì)的關(guān)系，得出宏觀過程進行的方向及性質(zhì)．其中循環(huán)過程作為熱機和制冷機的理論基礎(chǔ)，在實際工程中具有重要的指導(dǎo)意義．教學(xué)過程中的講解主要以內(nèi)燃熱機為主，而在課堂教學(xué)中引入典型的外燃熱機——斯特林熱機的內(nèi)容，如圖1所示，則可能更加激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高教學(xué)效果[4]．

圖1 斯特林熱機模型圖

這是由于斯特林熱機理論上的效率幾乎等于理論最大效率，稱為卡諾循環(huán)效率，這非常有助于學(xué)生更深刻地理解卡諾循環(huán)．其次，斯特林熱機采用外部熱源，動手能力強的學(xué)生完全可以自制，進而讓學(xué)生感悟理論離實際并不遙遠．最后，針對斯特林熱機，讓學(xué)生在p-V曲線圖中給出循環(huán)曲線圖并計算效率，可加深對循環(huán)過程的理解．

4 機械波應(yīng)用舉例

波動是常見的物質(zhì)運動形式，波動不只局限于機械波，無線電波、光波等電磁波也屬于波動，它們具有波動的共同特征，以一定速度向外傳遞，且伴隨著能量的傳播，都能產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象，而且有相似的數(shù)學(xué)表達式．機械波中的駐波內(nèi)容由于在實際工程中有著廣泛應(yīng)用，課堂教學(xué)中可結(jié)合實際應(yīng)用進行有針對性的講授，提高學(xué)生對該知識點的理解深度．首先可通過介紹古代發(fā)明魚洗引入駐波，如圖2所示．由于雙手摩擦對稱安置于銅盆兩側(cè)的銅耳，銅盆受摩擦而振動，其強迫力的作用引起水的共振，進而使水面產(chǎn)生駐波[5]．處于波腹位置的水珠獲得較大能量可跳出水面．相類似的，海嘯與魚洗在形成機理上有一定的相似之處．均為水體載體的本征振動，引發(fā)水體產(chǎn)生駐波．

圖2 魚洗實物圖

5 剛體應(yīng)用拓展

作為力學(xué)的一個重要分支，主要研究剛體在外力作用下的運動規(guī)律．而其中剛體進動部分具有重要的理論和實際應(yīng)用研究價值．一個自轉(zhuǎn)的物體受外力作用導(dǎo)致其自轉(zhuǎn)軸繞某一中心旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為進動．由于進動在現(xiàn)代科技及日常生活的重要性，對該問題的研究必然能提高學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識的興趣．課堂教學(xué)中可首先結(jié)合車輪進動介紹進動機理．車輪由于自身重力產(chǎn)生力矩，其與車輪自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角動量垂直，所以重力矩只改變角動量的方向而不改變大小．在重力矩作用下dt時間內(nèi)車輪角動量產(chǎn)生增量，車輪同時轉(zhuǎn)過一個角度，而重力矩方向相應(yīng)變化為與下一時刻角動量垂直．因而車輪高速地繞自身對稱軸旋轉(zhuǎn)時，在重力矩作用下車輪不會傾覆．三維陀螺儀的定軸性在慣性導(dǎo)航技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用，飛機上用的導(dǎo)航儀就是一個高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，由于角動量守恒，陀螺旋轉(zhuǎn)的軸線始終朝著一個方向，飛行員就可以以此來判斷飛機的姿態(tài)和陀螺自身的飛行方向,如圖3所示．

圖3 三維陀螺儀示意圖

三維陀螺儀裝在常平架上，由固定圓環(huán)中的兩個可動圓環(huán)支持，由于重力通過中心，重力矩為零，它的轉(zhuǎn)軸在空間可取任何方位．當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個固定的方向；同時反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量，這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或穩(wěn)定性．高速轉(zhuǎn)動的陀螺若受到外力矩(如重力力矩)的作用時，它并不是立即倒下，將在外力矩的作用下進動．槍膛和炮膛里面都有來復(fù)線，使得槍彈和炮彈射出時做高速旋轉(zhuǎn)，在空中飛行時不翻跟頭，沿彈道曲線飛行[6]．

6 結(jié)束語

基礎(chǔ)課教學(xué)中，大學(xué)物理課程的明顯特點在于大量的物理實驗?zāi)茱@現(xiàn)各種奇異的物理現(xiàn)象，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣．通過大學(xué)物理相關(guān)內(nèi)容與科研課題或工程實例的有機結(jié)合，與流體力學(xué)、電磁場與波等工科課程的銜接，將計算機軟件引入課題教學(xué)，體現(xiàn)了物理的應(yīng)用所在、開闊了學(xué)生眼界、提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，并為學(xué)生素質(zhì)拓展提供了一個平臺．